Rolling Sphere, Rolling Sphere Radius and Protection Level in Lightning Protection Design

Sét đánh là hiện tượng thiên nhiên không thể tránh khỏi – nhưng hoàn toàn có thể phòng ngừa được nếu bạn hiểu và áp dụng đúng các nguyên lý thiết kế chống sét. Ba khái niệm quả cầu lăn, bán kính quả cầu lăn và mức bảo vệ (LPL) là nền tảng giúp bạn xây dựng một hệ thống chống sét hiệu quả, khoa học và phù hợp với từng loại công trình.

Khái niệm về quả cầu lăn trong bảo vệ chống sét

Quả cầu lăn là gì?

Định nghĩa đơn giản và dễ hình dung

Quả cầu lăn (Rolling Sphere Method) là một phương pháp mô phỏng để xác định vùng mà tia sét có thể đánh vào một công trình. Hãy tưởng tượng bạn có một quả cầu khổng lồ, đường kính từ vài chục đến hơn 100 mét. Nếu bạn lăn quả cầu đó qua công trình, bất kỳ điểm nào mà quả cầu chạm tới thì điểm đó có nguy cơ bị sét đánh trực tiếp.

Ngược lại, những vùng nằm khuất – nơi quả cầu không thể tiếp xúc đến – được coi là nằm trong vùng được bảo vệ.

Vì sao cần đến khái niệm quả cầu lăn?

Trong thực tế, sét không luôn đánh vào điểm cao nhất. Nó có thể đánh chéo, đánh vào mép mái, tường hay thiết bị đặt trên mái – những điểm mà nhiều người dễ bỏ sót khi chỉ dùng cảm tính.

Vì vậy, quả cầu lăn đóng vai trò như một “bàn tay kiểm tra nguy hiểm” – giúp kỹ sư phát hiện và xử lý mọi điểm có thể bị sét đánh mà mắt thường không nhận ra.

Tác dụng của quả cầu lăn trong thiết kế chống sét

• Xác định vùng rủi ro bị sét đánh một cách chính xác.
• Hỗ trợ kỹ sư thiết kế hệ thống chống sét bao phủ toàn diện.
• Là phương pháp chính trong tiêu chuẩn chống sét như IEC 62305 và TCVN 9385 để xác minh vùng bảo vệ.

Bán kính quả cầu lăn là gì?

Định nghĩa

Bán kính quả cầu lăn (ký hiệu R) chính là khoảng cách tối đa mà tia sét có thể phóng từ trên không khí để đánh vào một điểm trên mặt đất hoặc công trình. Khoảng cách này được xác định dựa trên hiện tượng vật lý gọi là “phóng điện hồ quang” – tức là khi điện trường mạnh vượt quá ngưỡng chịu đựng của không khí, dòng điện sét sẽ “nhảy cóc” đến mục tiêu.

Tùy vào cường độ điện trường, khoảng cách này dao động từ 20 đến 60 mét. Đây chính là cơ sở để tiêu chuẩn hóa thành bán kính quả cầu lăn (R).

Bán kính quả cầu lăn theo các tiêu chuẩn

Tùy theo tiêu chuẩn thiết kế, bán kính quả cầu lăn sẽ khác nhau:

Bán kính nhỏ hơn đồng nghĩa với việc hệ thống cần “bảo vệ kín hơn”, đòi hỏi nhiều kim chống sét hơn và thiết kế chính xác hơn.

Tiêu chuẩn UL96A của Mỹ cũng sử dụng khái niệm quả cầu lăn (rolling sphere) trong hướng dẫn thiết kế hệ thống.

• Bán kính quả cầu lăn tiêu chuẩn là 150 ft (~45,72 m) tương đương với cấp III theo IEC 62305.
• Giá trị này không thay đổi theo mức độ rủi ro của công trình như trong IEC mà được áp dụng cố định cho toàn bộ các thiết kế chống sét theo UL96A.

Tức là trong UL96A, không có phân cấp LPL I – IV như IEC. Thay vào đó, mọi công trình đều được thiết kế theo cùng một tiêu chuẩn bảo vệ (rolling sphere radius = 150 ft).

Ứng dụng quả cầu lăn trong thiết kế thực tế

Phương pháp quả cầu lăn được sử dụng rộng rãi trong:

• Hệ thống sử dụng kim Franklin truyền thống: để xác định vùng che phủ của mỗi kim.
• Kim thu sét phát xạ sớm (ESE): Có vùng bảo vệ xác định theo tiêu chuẩn NFC 17-102, vẫn sử dụng tham số bán kính quả cầu lăn để tính bán kính vùng bảo vệ, có thể kiểm tra vùng an toàn bằng quả cầu lăn để đảm bảo độ phủ.
• Kim phân tán điện tích (CDT): Hoạt động theo nguyên lý làm suy yếu điện trường để ngăn sự hình thành tia sét. Dù khác nguyên lý, kỹ sư vẫn có thể sử dụng quả cầu lăn xác định các điểm tiếp xúc để bố trí kim phân tán phù hợp, cũng dùng để kiểm tra vùng an toàn đã được bảo vệ..
• Bảo vệ công trình đặc thù: mái cong, bồn chứa, đường ống, ống khói, cột đèn...

Bán kính vùng bảo vệ của kim thu sét ESE được xác định theo cấp và bán kính quả cầu lăn

Khái niệm về Cấp bảo vệ Chống sét

Cấp bảo vệ là gì?

Cấp bảo vệ hay Mức bảo vệ (Lightning Protection Level – LPL) là cách phân loại cấp bảo vệ chống sét theo mức độ an toàn yêu cầu, khả năng chịu được dòng sét và mức độ rủi ro chấp nhận được đối với công trình.

Mức bảo vệ càng cao, hệ thống càng phải đáp ứng nhiều yêu cầu kỹ thuật hơn.

Cơ sở chọn mức bảo vệ LPL

Dựa vào đánh giá rủi ro:

Theo tiêu chuẩn IEC 62305 và TCVN 9385, việc chọn LPL dựa trên:

• Tần suất sét tại khu vực (Ng)
• Loại công trình (dân dụng, công nghiệp, đặc biệt…)
• Giá trị tài sản và ảnh hưởng khi hư hỏng
• Số người trong công trình
• Tác động đến môi trường, hoạt động kinh tế, xã hội...

Các tiêu chuẩn quốc tế (IEC 62305), tiêu chuẩn UL và tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 9385:2012) đều có quy định và hướng dẫn về việc lựa chọn câp bảo vệ phù hợp (LPL – Lightning Protection Level) cho từng loại công trình, dựa trên phân tích rủi ro. Tuy nhiên, chúng không liệt kê cứng danh sách từng loại công trình kèm mức bảo vệ cố định, mà sử dụng phương pháp đánh giá nguy cơ sét đánh (Risk Assessment) để xác định cấp độ bảo vệ phù hợp.

Cấp bảo vệ theo tiêu chuẩn Việt Nam

Một số văn bản pháp lý & quy định liên quan tại Việt Nam

• TCVN 9385:2012 – Chống sét cho công trình xây dựng - Hướng dẫn thiết kế, kiểm tra và bảo trì hệ thống.
• QCVN 01:2020/BXD – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về an toàn cháy cho nhà và công trình.
• Luật Phòng cháy chữa cháy – Yêu cầu chống sét cho các công trình dễ cháy nổ.

Tiêu chuẩn quy định: “Mọi công trình cần được đánh giá rủi ro về sét để xác định xem có cần lắp hệ thống chống sét hay không, và nếu có thì cấp độ bảo vệ là bao nhiêu (LPL I–IV).”

Các nhóm rủi ro chính để đánh giá:

• R1: Tổn thất về con người
• R2: Tổn thất về dịch vụ công cộng
• R3: Tổn thất về di sản văn hóa
• R4: Tổn thất kinh tế

Như vậy, dựa trên phân tích rủi ro và ngưỡng cho phép, sẽ chọn:

• Không cần chống sét,
• Hoặc cần và lựa chọn LPL I, II, III, IV phù hợp.

Cấp bảo vệ theo IEC 62305-2 và IEC 62305-3

IEC cũng không đưa ra danh sách cứng, nhưng có hướng dẫn chi tiết về:

+ Phương pháp tính rủi ro (Risk Assessment Method)

+ Công thức tính rủi ro sét đánh dựa trên:

• Vị trí công trình (mật độ sét)
• Kích thước công trình
• Loại kết cấu
• Mức độ tiếp xúc với môi trường
• Tác động nếu công trình bị hư hại

Phân loại mức bảo vệ theo tiêu chuẩn

Việc chọn sai mức bảo vệ sẽ dẫn đến bỏ sót nguy cơ hoặc đầu tư không hiệu quả.

Tóm lại, theo quy định của Việt Nam và Quốc tế:

• Không có danh sách cứng từng công trình ứng với từng LPL, nhưng các tiêu chuẩn đưa ra hướng dẫn đánh giá rủi ro để xác định mức bảo vệ phù hợp.
• Với các công trình đặc biệt (trạm điện, bệnh viện, sân bay, xăng dầu…), thường áp dụng mặc định mức LPL cao (I hoặc II).
• Thiết kế cần dựa trên phân tích rủi ro theo TCVN 9385 hoặc IEC 62305 để đảm bảo tuân thủ và an toàn.

Cấp bảo vệ theo tiêu chuẩn UL 96A

Tiêu chuẩn UL 96 và UL 96A là bộ tiêu chuẩn của Hoa Kỳ, do Underwriters Laboratories (UL) ban hành, được áp dụng rộng rãi trong các thiết kế hệ thống chống sét tại Mỹ và nhiều quốc gia khác. Tuy cùng mục tiêu bảo vệ công trình khỏi sét như IEC 62305 và TCVN 9385, nhưng UL 96 / UL 96A có một số điểm khác biệt, đặc biệt là về cách tiếp cận và phân loại hệ thống.

UL96A không phân loại mức bảo vệ theo loại công trình, mà áp dụng chung cho các công trình có nhu cầu lắp đặt hệ thống chống sét.

Tuy nhiên, Hiệp hội NFPA (National Fire Protection Association) tại Mỹ, thông qua NFPA 780 – tiêu chuẩn lắp đặt hệ thống chống sét, có các khuyến cáo chi tiết như sau:

Các công trình nên áp dụng UL96A:

• Các tòa nhà cao tầng
• Công trình dễ cháy nổ
• Trạm điện, trạm viễn thông
• Khu vực chứa nhiên liệu, hóa chất
• Công trình công cộng có tập trung đông người
• Di tích lịch sử, công trình có giá trị văn hóa cao

UL96A không bắt buộc áp dụng theo luật, nhưng ở nhiều bang tại Mỹ, các quy chuẩn xây dựng địa phương có thể yêu cầu tuân thủ UL96A và NFPA 780 cho những công trình đặc biệt.

Một số quy định quan trọng trong UL 96A

• Không chia mức LPL I–IV, dùng bán kính quả cầu lăn duy nhất là 150 ft (~45,72 m).
• Sử dụng phương pháp “rolling sphere” và “zone of protection” tương tự IEC để xác định vùng được bảo vệ.
• Chiều cao bảo vệ tối đa của kim thu sét: khoảng 150 ft (45,72 m) – bằng bán kính quả cầu lăn.
• Thiết kế yêu cầu: bố trí kim thu sét sao cho mọi điểm quan trọng của công trình nằm trong vùng không tiếp xúc với quả cầu lăn.

So sánh UL với IEC 62305, TCVN 9385

Như vậy:

• UL96A sử dụng bán kính quả cầu lăn cố định 150 ft (~45,72 m) tương đương với mức bảo vệ LPL III của IEC.
• Không chia cấp độ bảo vệ, cũng không yêu cầu đánh giá rủi ro chi tiết.
• Phù hợp với các công trình tại Mỹ hoặc quốc gia áp dụng hệ thống UL/NFPA.
• Nếu so sánh, IEC 62305 và TCVN 9385 cho phép tùy biến mức độ bảo vệ theo mức rủi ro, nên chi tiết và linh hoạt hơn, đặc biệt phù hợp với các công trình có mức độ quan trọng cao hoặc yêu cầu kỹ thuật đặc biệt.

Lưu ý: Thiết kế các hệ thống chống sét bằng công nghệ phân tán sử dụng kim TerraStat của hãng ALLTEC USA áp dụng theo tiêu chuẩn UL 96A - bán kính quả cầu lăn bằng 45 mét.

Lời khuyên khi thiết kế và chọn sản phẩm

Với kỹ sư thiết kế:

• Dùng phương pháp quả cầu lăn để mô phỏng vùng bảo vệ.
• Phân tích rủi ro kỹ càng để xác định đúng LPL.

Với chủ đầu tư:

• Yêu cầu minh chứng rõ ràng về vùng bảo vệ.
• Ưu tiên hệ thống đạt chuẩn IEC/TCVN và có báo cáo mô phỏng.

Với người sử dụng:

• Tránh chọn sản phẩm giá rẻ không có kiểm định.
• Đảm bảo có bản vẽ thể hiện vùng được bảo vệ trước khi lắp đặt.

Kết luận

Quả cầu lăn, bán kính quả cầu lăn và cấp bảo vệ không chỉ là những khái niệm lý thuyết - mà là cốt lõi trong toàn bộ thiết kế hệ thống chống sét chuyên nghiệp.

Việc nắm vững các kiến thức chuyên ngành này giúp:

• Thiết kế hệ thống chống sét chuẩn xác.
• Bảo vệ công trình hiệu quả và lâu dài.
• Tránh rủi ro thiệt hại từ những sự cố sét đánh không mong muốn.

Bạn cần hỗ trợ mô phỏng vùng bảo vệ hoặc tư vấn thiết kế?

Chúng tôi sẵn sàng đồng hành từ phân tích rủi ro, chọn kim phù hợp đến kiểm tra hiệu quả bảo vệ theo tiêu chuẩn quốc tế. Hãy liên hệ công ty chống sét ThyAn để được hỗ trợ đầy đủ.