Bảo vệ chống sét và phát kiến mới của hệ thống chống sét (Kỳ 2)

26/12/2015

. Quá trình hình thành sấm sét

Sấm sét là sự tích nạp điện năng của những vật thể lơ lửng trong không gian và chúng có thể tập trung nhiều nhất vào những vật dẫn điện kém. Trong quá trình hình thành sấm sét, sự tích nạp điện diễn ra cục bộ trong đám mây. Điện thế ở trong tâm đám mây thường được tích hợp lên đến hàng trăm triệu Von và trường tĩnh điện 10kV/m được hình thành, bao phủ bên trên mặt đất.

Diễn biến tích nạp điện (hoặc tích nạp điện cục bộ) trong giới hạn phạm vi một cơn sấm sét thì thường lưu lại trong tâm đám mây điện tích âm, nhưng cũng có trường hợp hiếm hoi dường như ngược lại.

Kết quả của sự tích nạp điện trên mây đã tạo ra quá trình tích nạp điện tương tự tập trung chủ yếu ở trên bề mặt đất ngay dưới đám mây với chiều phân cực ngược lại, với cỡ kích và hình thù như đám mây (xem hình 1).

Do sấm sét hình thành với cường độ mãnh liệt và sự tích nạp điện cục bộ vẫn tiếp diễn trong đám mây cho đến khi không gian giữa đám mây và mặt đất không còn là khoảng cách ly nữa thì một điểm đánh thủng đặc trưng xuất hiện làm thay đổi trạng thái bầu khí quyển.

Hình 1: Quá trình tích nạp điện cục bộ

Tia chớp lửa cường độ thấp gọi là “bước dẫn đầu” được hình thành, nó chuyển dịch từ tâm đám mây hướng xuống mặt đất. Các bước này có độ dài bằng nhau và độ dài của chúng có liên quan đến quá trình tích nạp điện của cơn sấm sét, tương tự như điểm đỉnh dòng điện của cú sét đánh. Các bước này cũng có thay đổi về độ dài khoảng từ 10 mét đến trên 160 mét đối với cú đánh mang điện tích âm. Do bước dẫn đầu hướng xuống đất, nên điện trường giữa các bước tăng dần trên từng bậc. Kết quả là ở khoảng cách một bước cách mặt đất (hoặc một vật thể trên đất) có một “vùng sét đánh” được hình thành như trình bày ở hình 2.

Hình 2. Vùng sét đánh

Vùng sét đánh có dáng như hình bán cầu với bán kính bằng độ dài của một bước. Điện trường trong phạm vi của vùng sét đánh là rất cao và nó tạo theo hướng đi lên của dòng chuyển dịch từ các đối tượng trên mặt đất với dòng chuyển dịch đầu tiên khi bước dẫn đầu tiến sát đến gần vật thể thì bắt đầu quá trình giao tiếp để trung hoà.

Khi có các cấu trúc chen vào giữa mặt đất và cơn sấm sét thì các cấu trúc đó cũng được tích nạp điện. Do chúng cũng chiếm cứ một phần với khoảng không gian riêng, nên chúng có thể tạo ra cú sét đánh vì các cấu trúc đó cũng là phần đáng kể chen vào giữa khoảng không gian chung.

Quá trình trung hoà điện tích (cú sét đánh) được hình thành bởi dòng chảy các điện tích từ vật thể này sang vật thể khác giống như diễn biến để triệt tiêu sự khác biệt điện thế giữa hai vật thể (hình 3). Quá trình đó cũng tương tự như sự ngắn mạch giữa các điện cực ở bình điện ác - quy.

Hình 3. Cú Sét đánh - Quá trình trung hoà điện tích

7. Các hệ quả gián tiếp (hệ quả thứ cấp)

Tia chớp được xác định như là một kênh ion hoá được tạo ra từ quá trình phóng điện của sét, khi một cơn sấm sét diễn ra đồng nghĩa với sự dâng trào lên của dòng điện trong kênh đó. Có 4 hệ quả gián tiếp đi kèm với tia chớp, đó là :

- Xung điện từ trường (EMP)

- Xung tĩnh điện

- Dòng điện tức thời qua đất

- Sự gia tăng giới hạn tích nạp điện.

8. Xung trường điện từ (EMP)

Xung trường điện từ là kết quả của từ trường tức thời hình thành từ dòng điện chạy qua mạng của cú sét. Sau khi mạng của cú sét được thiết lập giữa đám mây và mặt đất thì lúc đó nó trở thành một vật dẫn như dây điện. Dòng điện trung hoà khởi đầu chạy rất mau lẹ với tốc độ phụ thuộc vào thành phần trở kháng và sự tích nạp điện trong phạm vi đám mây.

Mức độ tăng của dòng xung điện này thay đổi theo cấp bậc biên độ. Chúng đo được ở mức trên 510kA/μs. Giá trị trung bình thực tế đo được là 100kA/μs. Dòng điện tức thời chạy qua một vật dẫn sẽ tạo ra từ trưòng liên đới. Do những dòng điện phóng ra này tăng với nhịp độ rất nhanh và đạt đến điểm đỉnh tới hàng trăm ngàn Ampe, nên xung từ trường liên đới do chúng tạo ra đạt giá trị đáng kể. Điện áp cảm ứng (EMP) được tạo ra trong giới hạn của cặp đôi dây dẫn với nhau cũng là đáng kể (xem hình 4).

Hình 4. Mạng xung trường điện từ của sét

Vì quá trình tích nạp điện diễn ra trong đám mây, một bước dẫn đầu hướng đi xuống được hình thành ở đáy của đám mây tạo sét. Khi bước dẫn đầu hướng đi xuống tiến đến gần mặt đất, thì bước dẫn đầu hướng đi lên sẽ gặp nó và cú đánh vãn hồi sẽ xảy ra. Một số lượng khổng lồ vụ tích nạp điện đi kèm với cú đánh vãn hồi này, tác động của nó thật phi thường tương tự như sự di chuyển làn sóng khổng lồ từ cột ăngten phát ra xung điện từ cực khoẻ. Vì thế cho nên xung điện từ trường (EMP) có thể lan truyền đi rất xa và gây ảnh hưởng tới một vùng rộng lớn (xem bảng 2).

Kỳ sau: Xung tĩnh điện; dòng điện tiếp đất; Sự gia tăng đột biến giới hạn tích nạp điện; Hệ số rủi ro, nguy hiểm; Các giải pháp lựa chọn cho hệ thống ngăn ngừa

Bảng 2: Dữ liệu của cú sét đánh vãn hồi

Dòng điện vãn hồi	( 5 ÷ 200) kA
dI/dt	( 7.5 ÷ 500 ) kA/μs
Vận tốc	1/3 tốc độ ánh sáng
Khoảng cách (chiều cao của đám mây tạo sét)	(3 ÷ 5 ) km phía bên trên mặt

Bất cứ đường truyền dữ liệu nào cũng bị tác động bởi can nhiễu của xung điện từ trường, nếu không có bọc kim chống nhiễu. Xung điện từ trường có dải quang phổ rất rộng và phần lớn năng lượng của nó nằm trong dải tần số thấp. Vì thế nên xung điện từ trường có thể xuyên qua màng bọc kim và gây nhiễu cho hệ thống. Xung điện từ trường cũng gây ra hậu quả gián tiếp xuất phát từ dòng điện chạy vào hệ thống tiếp đất. Trong trường hợp này thì dòng điện được tích nạp nhanh theo thời gian (dI/dt) sẽ tạo ra từ trường rồi tương tác cặp đôi lẫn nhau với bất kỳ dây dẫn nào ở gần trong phạm vi mặt đất, cho dù ở bên trên hoặc song song với bất kỳ bộ phận nào của hệ thống tiếp đất đó. Một lần nữa sự tương tác cặp đôi lẫn nhau diễn ra trong quá trình truyền năng lượng của xung điện từ trường vào các dây dẫn bên dưới đất (xem hình 5). Năng lượng đó có thể không phải lúc nào cũng gây tác hại đến đầu vào của hệ thống dịch vụ ngành điện, tuy nhiên do nhiều khả năng nên cũng đủ để xếp nó ở mức nguy hiểm cao có thể gây hư hỏng cho mạng dữ liệu.

Hình 5: Dòng điện tiếp đất của xung trường điện từ