Hệ thống định vị sét

HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ SÉT TS NGUYỄN NHẬT NAM Bộ môn Hệ thống điện Trường ĐH Bách Khoa – ĐH Quốc Gia TP HCM TÓM TẮT Bài viết giới thiệu tổng quan nguyên lý hoạt động hệ thống định vị sét phổ biến giới Bên cạnh đó, liệu hoạt động sét tiêu biểu trích xuất từ hệ thống định vị sét Blitzortung phạm vi Việt Nam trình bày nhằm minh họa cho vai trị vơ quan trọng hệ thống định vị sét công tác bảo vệ chống sét mà cịn q trình phân tích ngun nhân cố xảy hệ thống điện I GIỚI THIỆU Phóng điện sét tượng thiên nhiên kỳ bí nguy hiểm Hiện tượng xảy hai trung tâm điện tích trái dấu thuộc đám mây thuộc hai đám mây khác Tuy nhiên, trường hợp nguy hiểm phóng điện sét hình thành mây mặt đất bên Đại đa số trường hợp, phóng điện sét mây đất xảy từ trung tâm điện tích âm mây (90%) [1] Quá trình bắt đầu với dãy sáng mờ kéo dài thành đợt gián đoạn phát triển phía mặt đất gọi giai đoạn tiên đạo bậc (step leader) Đồng thời, điện tích cảm ứng trái dấu tập trung vùng đất nằm bên đám mây tác động điện trường điện tích đám mây kênh tiên đạo Khi bắt đầu, hướng phát triển tia tiên đạo bậc ngẫu nhiên không chịu chi phối mặt đất bên Tuy nhiên, kênh tiên đạo phát triển xuống đến độ cao định hướng (600m mặt đất bên có cơng trình cao 30m, gấp 20 lần chiều cao cơng trình bên trường hợp khơng có cơng trình cao q 30m), tia tiên đạo phát triển hướng vị trí có tập trung điện tích cảm ứng trái dấu với mật độ cao Rõ ràng, vị trí đổ sét xuống mặt đất bên có tính chọn lọc sở cho hoạt động hệ thống bảo vệ chống sét trực tiếp Mặt đất bên dưới, vị trí có tập trung điện tích cảm ứng với mật độ cao, tiêu biểu đỉnh kim thu sét, cường độ điện trường cục tăng cao dẫn đến trình ion hóa khơng khí hình thành nên dịng tiên đạo phát triển hướng lên gọi tiên đạo ngược (có thể phát triển lên hàng 14 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 trăm mét) Đây q trình phóng điện đón sét Khi kênh tiên đạo bậc từ hướng xuống tiếp cận với kênh tiên đạo ngược mặt đất, cường độ điện trường khoảng cách khơng khí hai kênh tăng lên cao gây ion hóa mãnh liệt khơng khí bắt đầu cho giai đoạn phóng điện Lúc này, điện tích cảm ứng mặt đất bên tràn lên trung hịa điện tích kênh tiên đạo từ đám mây tiếp tục lên theo đường tiên đạo ban đầu, tạo thành kênh phóng điện Cường độ dịng điện sét giai đoạn tăng lên cao, đốt nóng mãnh liệt kênh phóng điện Nhiệt độ kênh phóng điện lên đến 20.000oC đến 30.000oC, kênh phóng điện sáng chói chang quan sát từ xa dạng tia chớp Bên cạnh đó, lượng nhiệt khổng lồ giải phóng từ kênh phóng điện chính, làm đốt nóng lớp khơng khí xung quanh khiến giản nở đột ngột tạo đợt sóng âm mãnh liệt mà dân gian gọi tiếng sấm Khi kênh phóng điện lên tới đám mây, dịng điện sét đạt giá trị đỉnh Các điện tích cảm ứng từ mặt đất bên lên theo, trung hòa điện tích đám mây Các điện tích cịn thừa đám mây theo kênh phóng điện tản xuống mặt đất bên Trong giai đoạn kết thúc phóng điện này, dịng điện sét giảm dần biên độ Một sét thường gồm nhiều lần phóng điện liên tiếp nhau, cú phóng điện (first stroke) cú phóng điện (subsequent stroke) cần phân biệt với qua dạng dòng sét đặc trưng [2] Để ước chừng vị trí xảy phóng điện sét, thời gian chênh lệch lúc thấy tia chớp lúc nghe tiếng sấm dùng để ước tính khoảng cách ta đến vị trí sét đánh Ánh sáng truyền khơng khí với vận tốc 3x108m/s, sóng âm lại lan truyền với vận tốc chậm nhiều, 330m/s [1] Vì vậy, ta nghe tiếng sấm sau 5s kể từ thấy tia chớp, khoảng cách ước lượng ta với vị trí sét khoảng 1,65km Một phương pháp định vị sét khác phổ biến sử dụng cảm biến quang lắp đặt vệ tinh nhân tạo để ghi nhận ánh sáng phát từ bề mặt đám mây đợt định phương sở để xác định hướng vị trí sét Hình – Phân bố lượng trường điện từ sinh trình phóng điện sét theo phổ tần số [3] phóng điện sét Dữ liệu ghi nhận từ vệ tinh sử dụng để xây dựng mật độ sét toàn cầu [1] Tuy nhiên, nhược điểm lớn liệu không phân biệt phóng điện sét mây – đất với dạng phóng điện bên đám mây mây – mây [3] Bên cạnh ánh sáng âm đặc trưng, sóng điện từ sản phẩm tiêu biểu tượng phóng điện sét Hình minh họa phân bố lượng trường điện từ sinh q trình phóng điện sét theo phổ tần số tương ứng với khu vực tần số thấp (VLF), tần số thấp (LF), tần số cao (HF) tần số cao (VHF) Các hệ thống định vị sét đại hoạt động dựa đo đạc tín hiệu trường điện từ phát sinh sét xây dựng phát triển nhiều nơi giới Các hệ thống chứng tỏ hiệu công tác định vị sét mà thể tiềm việc xác định tham số dòng điện sét Phần dành để trình bày nguyên lý hoạt động hệ thống II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ SÉT Trong phần này, nguyên lý hoạt động điển hình hệ thống định vị sét giới thiệu dựa hai phương phương pháp định vị hướng từ trường, Magnetic Direction Finding (MDF) so lệch thời gian truyền đến, Time-of-Arrival (TOA) A Phương pháp định vị hướng từ trường Từ trường sinh dòng điện sét chạy qua kênh phóng điện thẳng đứng lan truyền với vận tốc ánh sáng hướng dọc theo bề mặt đất với đường sức đường trịn có tâm vị trí đổ sét hình Tại điểm đường tròn này, vector cảm ứng từ ln tiếp tuyến với đường trịn Vì vậy, hướng từ trường cho phép xác định đường thẳng định phương nối liền vị trí đổ sét với trạm thu tín hiệu từ trường (đường màu đỏ hình 2) Đường thẳng Hình – Từ trường phân bố mặt đất với đường sức vịng trịn có tâm vị trí đổ sét Hình – Tối thiểu trạm thu tín hiệu xác định vị trí sét khơng nằm đường thẳng qua chúng Về mặt lý thuyết, mạng lưới gồm trạm thu tín hiệu từ trường cho phép xác định đường thẳng định phương giao điểm của đường vị trí đổ sét minh họa hình Trong trường hợp này, vị trí sét xác định khơng nằm đường thẳng nối liền trạm Để khắc phục trở ngại trên, hệ thống với tối thiểu trạm thu tín hiệu xây dựng phục vụ cho công tác định vị sét [1] Hệ thống định vị sét dựa phương pháp MDF xác định cực tính cú phóng điện sét Trong trường hợp hình 3, dịng điện sét có chiều dương từ đất hướng lên đám mây xác định theo quy tắc đinh ốc cổ BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 15 điển quay theo hướng từ trường ngược chiều kim đồng hồ Như vậy, q trình phóng điện sét trung tâm điện tích âm đám mây với mặt đất bên lúc dịng sét xác định có cực tính âm Ngược lại với ví dụ trên, hướng từ trường xoay thuận chiều kim đồng hồ, dịng điện sét có chiều dương hướng xuống mặt đất xác định có cực tính dương Để tăng độ xác, hệ thống định vị sét loại đo đạc bổ sung thêm hướng điện trường [1] Hệ thống định vị dùng phương pháp MDF làm việc xác kênh phóng điện sét có chiều thẳng đứng từ xuống Địi hỏi đạt với phần kênh phóng điện gần mặt đất (tính từ mặt đất lên hàng trăm mét) Chính vậy, tín hiệu từ trường đo đạc vài giây giai đoạn phóng điện thống sử dụng cho việc xác định vị trí sét Điều cho phép lấy tính hiệu từ trường xạ từ phần kênh phóng điện sét gần mặt đất giai đoạn phóng điện Mặt khác, từ trường sinh khoảng thời gian giai đoạn phóng điện mạnh ghi nhận từ khoảng cách xa [1] Một trở ngại hệ thống định vị loại thực tế thay đổi địa hình mặt đất kết cấu kim loại lớn làm nhiễu loạn hướng từ trường trình lan truyền Kết đường thẳng định phương vị trí sét ba trạm thu tín hiệu hệ thống không giao điểm mà tạo thành vùng tam giác Lúc này, trình tối ưu dựa tín hiệu thu từ trạm thu mạng lưới định vị sử dụng để ước tính vị trí sét [1] B Phương pháp so lệch thời gian truyền đến Ở khoảng cách đủ xa vị trí sét (các khoảng cách lớn so với bước sóng sóng điện từ ứng với dãy tần số thu nhận), trường điện từ sinh cú phóng điện có tính chất trường xạ Lúc này, sóng điện trường ghi nhận giữ nguyên hình dáng tiếp tục lan truyền xa với biên độ giảm dần [1] Điều kiểm chứng thí nghiệm ghi lại tín hiệu điện trường điểm đo đạc bắt nguồn từ cú phóng điện sét nhân tạo thực nhóm 16 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 nhà khoa học Nhật Bản tham khảo [5] Như hình 4, dạng sóng điện trường vị trí đo giống vị trí xa nguồn sét, độ lớn điện trường đo nhỏ Các trạm đo đồng hóa thời gian, độ lệch thời gian truyền đến trạm xác định dựa vào thời điểm đạt giá trị đỉnh sóng điện trường ghi nhận hình Hình – Dạng sóng điện trường ghi nhận vị trí đo thí nghiệm trình [5] Hình – Hệ thống định vị theo TOA gồm trạm thu tín hiệu Ta xét hệ thống định vị sét gồm trạm thu 1, hình Khoảng cách trạm tới vị trí sét ẩn số r1, r2 r3 Vận tốc sóng điện từ truyền khơng khí c=3x108m/s Với Δt21 Δt31 độ lệch thời gian sóng điện từ truyền đến cặp trạm 2-1 cặp trạm 3-1, ta phương trình (1) (2) r2 - r1 = c Δt21 (1) (2) r3 - r1= c Δt31 Rõ ràng, hai phương trình có vế phải số (const) chúng phương trình đường hyperbol hình Giao điểm đường hyperbol vị trí đổ sét Tuy nhiên, sét đánh nằm ngồi vùng tam giác có đỉnh trạm thu, đường hypebol có giao điểm lúc chưa thể xác định vị trí sét Để khắc phục trở ngại này, hệ thống định vị gồm tối thiểu trạm thu cho phép xác định vị trí cú sét [1] Cũng giống phương pháp MDF, thực tế mặt đất khơng đồng có diện kết cấu kim loại lớn, hệ thống định vị sét xác định điểm mà vùng sét có khả xuất Lúc này, trình phân tích tối ưu sử dụng để xác định vị trí sét vùng [1] C Các hệ thống định vị sét phạm vi rộng tiêu biểu Bảng Thông tin số hệ thống định sét phạm vi rộng tiêu biểu [1,3,6,7] Hệ thống định vị Phương pháp Nước/Khu vực EUCLID ALDIS TOA khác Châu Âu, Úc LINET TOA Châu Âu NLDN TOA Mỹ JLDN TOA Nhật BrazilDAT TOA Brazil WWLLN TOA Toàn giới TT Hiện nay, đa số hệ thống định vị sét phạm vi rộng giới hoạt động dựa cảm biến thu nhận tín hiệu điện từ phổ tần số VLF/LF Theo thống kê tài liệu [3], giới có 60 hệ thống định vị sét phạm vi rộng tập trung vào định vị phóng điện sét mây – đất Bảng liệt kê thông tin số hệ thống định vị sét tiêu biểu Tại nước phát triển, việc thu thập liệu sét phục vụ cho công tác chống sét trọng Vì vậy, nước đầu tư xây dựng mà nhiều hệ thống định vị sét hoạt động độc lập nhằm bố sung, đối chiếu thu thập liệu hoạt động sét có độ tin cậy cao Một ví dụ điển hình Nhật, nước có hệ thống định vị sét tiêu biểu công ty tư nhân (JLDN), công ty điện lực Tokyo trung tâm khí tượng [6] III HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ SÉT BLITZOTURNG Phần giới thiệu hệ thống định vị sét Blitzortung liệu minh họa hoạt động sét thu thập phạm vi Việt Nam A Tổng quan hệ thống Blitzortung Blitzortung hệ thống định vị sét toàn cầu phi thương mại chi phí thấp Hệ thống khởi sướng từ Đại học Heinrich Heine Đức từ năm 2012 Với tham gia tình nguyện viên lắp đặt trạm thu tín hiệu khắp giới, thời gian này, 2000 trạm thu tín hiệu tham gia vào hệ thống [6] Tháng năm 2018, trường Đại học Bách khoa Tp HCM hợp tác với học viện kỹ thuật Shonan Nhật (thông qua liên lạc GS Tonomi Narita) lắp đặt trạm thu tín hiệu nhà C4 trường trở thành tình nguyện viên đóng góp vào phát triển hệ thống Blitzortung Trạm thu tín hiệu có kích thước nhỏ gọn có dạng hình Từ việc tham gia hệ thống này, môn Hệ thống điện trường truy xuất kho liệu khổng lồ quý giá hoạt động sét không giới hạn riêng Việt Nam mà phạm vi toàn giới BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 17 Hình – Giao diện nhập thông tin phục vụ cho truy xuất liệu tươi Blitzortung [4] Hình – Minh hoa liệu sét lưu trữ theo định dạng CSV.gz tải từ Blitzortung Hình – Trạm thu tín hiệu với kích thước nhỏ gọn hệ thống Blitzortung [6] Hình – Bản đồ sét thời gian thực trang http:// en.blitzortung.org [4] 18 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 Các thiết bị thu tín hiệu hệ thống định vị hoạt động phổ tần số VLF dựa phương pháp TOA có khả bắt sóng điện từ sinh từ phóng điện sét mây – đất hiệu tầm từ 50km đến 250km Tối thiểu trạm thu mạng định vị bắt sóng điện từ sinh cú sét cú sét định vị ghi nhận vào kho liệu để phân biệt khỏi nhiễu loạn điện từ [6] Trang http://en.blitzortung.org [4] cho phép quan sát miễn phí đồ hoạt động sét thời gian thực với hình ảnh động cú sét xãy (thực tế trễ vài giây cho trình xử lý truyền liệu) hình Bản đồ cho thấy vị trí cú sét ghi nhận hệ thống định vị tới 120 phút khứ B Dữ liệu hoạt động sét thu thập từ hệ thống Blitzorturng Với tài khoản thành viên tình viện, hệ thống Blitzortung cho phép truy xuất vào kho liệu tươi ghi nhận cú sét khứ Để tải liệu này, thông tin khoảng thời gian khứ giới hạn kinh độ vĩ độ khu vực truy xuất cần phải nhập vào hình Dữ liệu tươi tải xuống cho phép lưu trữ với nhiều định dạng, có CSV.gz hình thế hoạt động sét tương lai từ có biện pháp bảo vệ chống sét phù hợp Hình 10 biểu diễn phân bố hoạt động sét lãnh thổ nước ta khu vực lân cận tháng 10 năm 2017 từ liệu hệ thống định vị Blitzortung IV KẾT LUẬN Bài viết giới thiệu tổng quan hai phương pháp định vị tiêu biểu mà hệ thống định vị sét vận dụng phổ biến giới, bao gồm định vị hướng từ trường so lệch thời gian truyền đến Mặt khác, hệ thống Blitzortung trình bày ví dụ minh họa với liệu hoạt động sét phạm vi Việt Nam, thu thập năm 2017 Các liệu hoạt động sét dạng phân tích để làm sở cho công tác bảo vệ chống sét trả lời cách khoa học có nghi vấn cố hệ thống điện tượng phóng điện sét gây TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH Hình 10 – Phân bố hoạt động sét lãnh thổ Việt Nam khu vực lân cận tháng 10 năm 2017 xây dựng liệu Blitzortung Với dạng lưu trữ này, cú sét ghi nhận với số phân cách dấu phẩy, số đầu đặc biệt quan trọng thời điểm ghi nhận cú sét (tính theo thời gian Unix), vĩ độ kinh độ Như vậy, số cung cấp thông tin thời điểm xảy vị trí xuất cú sét có ý nghĩa đặc biệt quan trọng việc trả lời nghi vấn cố xảy có phải sét hay không Mặt khác, liệu thu thập khoảng thời gian 12 năm làm sở để xây dựng đồ mật độ sét cho khu vực Bên cạnh đó, liệu hoạt động sét thu thập khoảng thời gian gần cho phép dự đốn xu [1] Vernon Cooray, “An Introduction to Lightning,” Springer, 2015 [2] Hoàng Việt, “Kỹ thuật điện cao áp Tập – Quá điện áp hệ thống điện,” Nhà xuất ĐHQGTPHCM, 2012 [3] K L Cummins, M J Murphy, “An overview of Lightning Locating Systems: History, Techniques, and Data Uses, with an In-Depth Look at the U.S NLDN,” IEEE Trans Electromagnetic Compatibility, Vol 51, No 3, 2009 [4] http://en.blitzortung.org (Ngày 31 tháng năm 2019) [5] Koji M.K., Hongo Y., Yokoyama S., “Estimation of lightning striking points by time of arrival method with small network,” X Int symposium on Lightning protection, Curitiba Brazil, 2009 [6] Tomomi Narita, et al., “A study of lightning location system (Blitz) based on VLF sferics,” 34 Int conference on Lightning protection, Rzeszow – Poland, 2018 [7] http://www.euclid.org/# (Ngày 31/05/2019) BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2019 19 ... ưu sử dụng để xác định vị trí sét vùng [1] C Các hệ thống định vị sét phạm vi rộng tiêu biểu Bảng Thông tin số hệ thống định sét phạm vi rộng tiêu biểu [1,3,6,7] Hệ thống định vị Phương pháp Nước/Khu... III HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ SÉT BLITZOTURNG Phần giới thiệu hệ thống định vị sét Blitzortung liệu minh họa hoạt động sét thu thập phạm vi Việt Nam A Tổng quan hệ thống Blitzortung Blitzortung hệ thống. .. 2017 từ liệu hệ thống định vị Blitzortung IV KẾT LUẬN Bài viết giới thiệu tổng quan hai phương pháp định vị tiêu biểu mà hệ thống định vị sét vận dụng phổ biến giới, bao gồm định vị hướng từ trường