Chương 4: SÉT VÀ CÁC GIẢI PHÁP PHÒNG CHỐNG SÉT I. SÉT : Sự hình thành sét : Sét là một dạng phóng điện tia lửa trong không khí với khoảng cách rất lớn. Quá trình phóng điện có thể xảy ra trong đám mây giông, giữa các đám mây với nhau và giữa đám mây với đất. Ở đây ta chỉ xét sự phóng điện giữa mây và đất. Hình 1 : Sự hình thành sét Có hai loại mây giông : + Giông nhiệt: Hình thành từ các luồng khí nóng ẩm bốc lên do sự đốt nóng của ánh nắng mặt trời. + Giông front: Hình thành do sự gặp nhau của những luồng không khí nóng ẩm với luồng không khí năïng. Sau khi đạt độ cao nhất đònh (khoảng vài km trở lên, vùng nhiệt độ âm) luồng không khí ẩm này bò lạnh đi, hơi nước ngưng tụ thành những giọt nước li ti hoặc thành các tinh thể băng và tạo thành các đám mây dông. Theo kết quả quan trắc từ 80 - 90% các đám mây giông tích điện tích âm bên dưới. 2. Các giai đoạn phát triển của sét : a) Giai đoạn phóng tia tiên đạo : Ban đầu xuất phát từ mây giông một tia tiên đạo sáng mờ, phát triển thành từng đợt gián đoạn về phía mặt đất, với tốc độ trung bình khoảng 10 5 - 10 6 m/s. Kênh tiên đạo là một dòng plasma mật độ điện khoảng 10 13 10 14 ion/m 3 , một phần điện tích âm của mây giông tràn vào kênh và phân bố tương đối đều dọc theo chiều dài của nó. Thời gian phát triển của tia tiên đạo mỗi đợt kéo dài trung bình khoảng 1 s. Thời gian tạm ngưng phát triển giữa 2 đợt khoảng 30 - 90 s. Đường đi của tia tiên đạo trong thời gian này không phụ thuộc vào tình trạng mặt đất và các vật trên mặt đất, do đó nó gần như hướng thẳng về phía mặt đất. Cho đến khi tia tiên đạo đạt đến độ cao đònh hướng thì mới bò ảnh hưởng bởi các vùng điện tích tập trung dưới mặt đất. b) Giai đoạn hình thành khu vực ion hóa : Dưới tác dụng của điện trường tạo nên bởi điện tích của mây giông và điện tích trong kênh tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện tích trái dấu trên vùng mặt đất phía dưới đám mây giông. Nếu vùng đất phía dưới có điện dẫn đồng nhất thì nơi điện tích tập trung sẽ nằm trực tiếp dưới kênh tiên đạo, nếu vùng đất phía dưới có điện dẫn khác nhau thì điện tích chủ yếu tập trung ở vùng kế cận nơi có điện dẫn cao như vùng quặng kim loại, vùng đất ẩm, ao hồ, sông ngòi, vùng nước ngầm, kết cấu kim loại các tòa nhà cao tầng, cột điện, cây cao bò ướt trong mưa chính các vùng điện tích tập trung này sẽ đònh hướng hướng phát triển của tia tiên đạo hướng xuống khi nó đạt đến độ cao đònh hướng, tia tiên đạo sẽ phát triển theo hướng có điện trường lớn nhất. Do đó các vùng tập trung điện tích sẽ là nơi sét đánh vào. Ở những vật dẫn có độ cao như các nhà cao tầng, cột angten các đài phát thì từ đỉnh của nó nơi các diện tích trái dấu tập trung nhiều cũng sẽ đồng thời xuất hiện dòng tiên đạo phát triển hướng lên đám mây giông. Chiều dài của kênh tiên đạo từ dưới lên này tăng theo độ cao của vật dẫn và tạo điều kiện dễ dàng cho sự đònh hướng của sét vào vật dẫn đó. Người ta lợi dụng tính chất chọn của sét để bảo vệ chống sét đánh thẳng cho các công trình bằng cách dùng các thanh kim loại hay dây thu sét bằng kim loại được nối đất tốt, đặt cao hơn công trình cần bảo vệ để hướng sét đánh vào đó mà không phóng vào công trình. Khi tia tiên đạo hướng xuống gần mặt đất hay tia tiên đạo hướng lên, thì trong khoảng cách khí ở giữa do cường độ điện trường tăng cao gây lên ion hóa mãnh liệt, dẫn đến sự hình thành một dòng plasma có mật độ điện tích cao hơn nhiều so với mật độ điện tích của tia tiên đạo, điện dẫn của nó tăng lên hàng trăm lần. c) Giai đoạn phóng điện ngược : Do điện dẫn của nó tăng cao như vậy nên điện tích cảm ứng tràn vào dòng ngược mang điện thế của đất làm cho cường độ trường đầu dòng tăng lên gây ion hóa mãnh liệt và cứ như vậy dòng plasma điện dẫn cao 10 16 - 10 19 ion/m 3 tiếp tục phát triển ngược lên trên theo đường dọn sẵn bởi kênh tiên đạo. Đây là sự phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu. Vì mật độ điện tích caốt nóng mãnh liệt cho nên tia phóng điện chủ yếu sáng chói ( đó chính là chớp ). Tốc độ phát triển của kênh phóng điện ngược vào khoảng 1,5 . 10 7 1,5.10 8 m/s tức là nhanh gấp trên trăm lần tốc độ phát triển của kênh tiên đạo. Khi kênh phóng điện chủ yếu lên tới đám mây thì số điện tích còn lại của đám mây sẽ theo kênh phóng điện chạy xuống đất và tạo nên dòng điện có trò số nhất đònh. Kết quả quan trắc cho thấy rằng: phóng điện sét thường xảy ra nhiều lần kế tiếp nhau trung bình là 3 lần. Các lần phóng điện sau có dòng tiên đạo phát triển liên tục ( không phải từng đợt như lần đầu ), không phân nhánh và theo đúng qũy đạo của lần đầu nhưng với tốc độ cao hơn ( 2. 10 6 m/s). Điều này được giải thích: đám mây giông có thể có nhiều trung tâm điện tích khác nhau hình thành do các dòng không khí xoáy trong mây. Lần phóng điện đầu tiên dó nhiên sẽ xảy ra giữa đất và trung tâm điện tích có cường độ điện trường cao nhất. Trong giai đoạn phóng điện tiên đạo thì hiệu điện thế giữa các trung tâm này vơí các trung tâm khác không thay đổi và ít có ảnh hưởng qua lại. Nhưng khi kênh phóng điện chủ yếu đã lên đến mây thì trung tâm điện tích đầu tiên của đám mây thực tế mang điện thế của đất, điều này làm cho hiệu thế giữa trung tâm điện tích đã phóng tới trung tâm điện thế lân cận tăng lên và có thể dẫn đến phóng điện giữa chúng với nhau. Trong khi đó thì kênh phóng điện cũ vẫn còn một điện dẫn nhất đònh do sự khử ion chưa hoàn toàn, nên phóng điện tiên đạo lần sau theo đúng quỹ đạo đó, liên tục và với tốc độ lớn hơn lần đầu. Ismax 0.5Ismax i t t ds t s Is Hình 2: Các giai đoạn phóng điện sét và biến thiên của dòng điện sét theo thời gian. a – Giai đoạn phóng điện tiên đạo. b – Tiên đạo đến gần mặt đất hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt. c – Giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu. d – Phóng điện chủ yếu kết thúc. 3. Các thông số sét : Khi tính toán bảo vệ chống sét thông số chính cần chú ý là dòng điện sét có phạm vi giới hạn rất rộng, biên độ dòng sét có thể lên đến 200-300 KA. Tuy nhiên phần lớn trường hợp gặp sét đánh ở trò số 50 KA, sét có dòng điện từ 100 KA trở lên rất hiếm xảy ra. Do đó trong tính toán thường lấy dòng điện sét bằng 50 KA. Dòng điện sét có dạng một sóng xung. Thường trong khoảng vài ba micro giây dòng điện tăng nhanh đến trò số cực đại tạo thành phần đầu sóng, sau đó giảm chậm trong khoảng 20 - 100 s tạo nên phần đuôi sóng. Các thông số chủ yếu : Biên độ dòng sét : là giá trò lớn nhất của dòng điện sét. Thời gian đầu sóng (t ds ) : là thời gian dòng sét tăng từ 0 đến giá trò cực đại. Độ dốc dòng điện sét : a = di s /dt Độ dài dòng điện sét (t s ) : là thời gian từ đầu dòng điện sét đến khi dòng điện giảm bằng 1/2 biên độ. a) Biên độ dòng sét và xác suất xuất hiện : Dòng điện sét có trò số lớn nhất vào lúc kênh phóng điện chủ yếu đến trung tâm điện tích của đám mây giông. Để đo biên độ dòng sét người ta dùng rộng rãi hệ thống điện thiết bò ghi từ. Xác suất xuất hiện dòng sét có thể tính gần đúng theo công thức : Cho vùng đồng bằng : V I = e -Is/26 = 10 -is/60 Cho vùng núi cao : V I = 10 -Is/30 b) Độ dốc đầu sóng dòng điện sét (a) và xác suất xuất hiện : Để đo độ dốc dòng điện sét người ta thường dùng một khung bằng dây dẫn nối vào một hoa điện kế. Xác suất xuất hiện độ dốc có thể tính theo: + Cho vùng đồng bằng : V a = e -a/15,7 = 10 -a/36 + Cho vùng núi cao : V a = 10 -a/18 c) Cường độ hoạt động của sét : Cường độ hoạt động của sét được biểu thò bằng số ngày trung bình có dông sét hàng năm hoặc bằng tổng số giờ trung bình có dông sét hàng năm. Số lần sét đánh trong một năm vào công trình : ( W+3h x )(L+3h x )n N = 10 6 trong đó : W:chiều rộng của công trình L:chiều dài của công trình h x :chiều cao tính toán của công trình n:số lần sét đánh trung bình trên 1km 2 trong năm xảy ra ở đòa phương Mật độ của sét là số lần sét đánh trung bình trên một đơn vò diện tích mặt đất (1km 2 ) trong một ngày sét. Cường độ sét cũng như mật độ sét thay đổi theo vùng lãnh thổ. . Chương 4: SÉT VÀ CÁC GIẢI PHÁP PHÒNG CHỐNG SÉT I. SÉT : Sự hình thành sét : Sét là một dạng phóng điện tia lửa trong không khí với. sự đònh hướng của sét vào vật dẫn đó. Người ta lợi dụng tính chất chọn của sét để bảo vệ chống sét đánh thẳng cho các công trình bằng cách dùng các thanh kim loại hay dây thu sét bằng kim loại. chủ yếu kết thúc. 3. Các thông số sét : Khi tính toán bảo vệ chống sét thông số chính cần chú ý là dòng điện sét có phạm vi giới hạn rất rộng, biên độ dòng sét có thể lên đến 200-300 KA. Tuy