Khi sét đánh vào nhà ở, cơng trình dịng điện sét sẽ gây tác dụng về cơ, nhiệt và điện từ ,nên gây ra những tác hại khơng nhỏ đối với đời sống và sản xuất.
1.Tác dụng nhiệt của dịng điện sét .
Khi sét đánh, do tác dụng của dịng điện sét sẽ cĩ một lượng nhiệt lớn sinh ra…Các bộ phận dẫn dịng sét của hệ thống chống sét sẽ bị đốt nĩng đỏ, nĩng chảy và cĩ thể bị bốc hơi.
2.Tác dụng cơ của dịng điện sét .
Khi sét đánh vào nhà ở, cơng trình, do tác dụng của dịng điện sét đi qua, nhà ở và cơng trình sẽ bị hư hỏng về độ bền cơ học.
3. Hiện tượng đánh lặp lại của sét đánh thẳng (tác dụng điện từ của dịng điện sét) .
Hiện tượng đánh lặp lại của sét đánh thẳng được chia làm 2 loại : cảm ứng điện từ và cảm ứng tĩnh điện.
a) Cảm ứng điện từ .
Khi phĩng điện sét, thường kéo theo trong khơng gian sự thay đổi từ trường theo thời gian.Từ trường cảm ừng trong mạch vịng tạo bởi các bộ phận kim loại kéo dài (hệ thống các đường ống, các đường dây điện,…) sẽ sinh ra một sức điện động cảm ứng.
Trong trường hợp mạch vịng khép kín, dịng điện cảm ứng sinh ra bởi sức điện động sẽ đốt nĩng cục bộ từng đoạn riêng biệt của mạch vịng, gây nên sự biến dạng mạch vịng.
Trong trường hợp mạch vịng hở, tại chỗ hở khi cĩ sét đánh sẽ cĩ hiện tương phát sinh tia lửa điện, gây ra nguy cơ cháy nổ lớn cho nhà ở và cơng trình.
b) Cảm ứng tĩnh điện .
Khi cĩ sét xảy ra, cảm ứng tĩnh điện sẽ làm phát sinh sự chênh lệch thế giữa các bộ phận kim loại và đất hoặc với các bộ phận khác cĩ nối đất. Sự chênh lệch thế này rất lớn, cĩ thể lên đến hàng chục kV và rất dễ tạo nên tia lửa điện vì thực tế khoảng cách giữa các vật cĩ thể rất nhỏ. Do đĩ, nguy cơ cháy nổ rất dễ xảy.
Như vậy, sét cĩ thể gây nguy hiểm trực tiếp và gián tiếp cần phải cĩ các phương pháp phịng chống sét trực tiếp và gián tiếp một cách hữu hiệu nhằm giảm thiểu những tác hại mà sét gây ra.
Trong giai đoạn hiện nay, Việt Nam đang trên đường cơng nghiệp hĩa hiện đại hĩa đất nước, sự mở rộng quan hệ hợp tác quốc tế kéo theo tình hình xây dựng các cao ốc, các khu cơng nghiệp,... phát triển rầm rộ. Những yêu cầu của các cơng trình này thường rất cao vì cĩ liên quan đến tất cả các mặt kinh tế, chính trị, xã hội,... Bên cạnh đĩ là sự phát triển vượt bậc của nghành viễn thơng và việc ứng dụng ngày càng nhiều cơng nghệ thơng tin vào trong sản xuất và đời sống - Đây là những nghành quan trọng và nhạy cảm nhất với “hiện tượngsét”, chỉ tính riêng khơng thơi về mặt kinh tế thì đã hồn tồn khơng cho phép. Do đo,ù việc phịng chống sét là một vấn đề cần được quan tâm đúng mức.
Để thiết kế hệ thống chống sét cho các cơng trình một cách hiệu quả, cần phải cĩ những hiểu biết cơ bản về điện khí quyển. Phải nghiên cứu kĩ về sự hình thành, hoạt động của dơng sét và các thơng số phĩng điện của sét từ đĩ đưa ra các biện pháp phịng chống thích hợp, cĩ hiệu quả.
IV. QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA DƠNG SÉT . 1.Sự hình thành mây dơng và sét .
Như đã trình bày ở trên, dơng là hiện tượng xảy ra chủ yếu trong mùa hạ liên quan đến sự phát triển mạnh mẽ của đối lưu nhiệt và các nhiễu động khí quyển. Dơng đặc trưng bởi sự xuất hiện những đám mây khổng lồ – gọi là mây dơng hay mây tích vũ cĩ độ dày từ 10 16 Km, tích trữ một số lượng nước và tạo ra những chênh lệch điện thế cực mạnh (khoảng 20 30kV/cm) .
Về bản chất, dơng là một hiện tượng khí quyển phức hợp bao gồm sự phĩng điện giữa các đám mây (thường gọi là chớp) hay sự phĩng điện giữa đám mây và mặt đất (thường gọi là sét) kèm theo giĩ mạnh và mưa lớn.
Thực tế sự hình thành các cơn dơng luơn gắn liền với sự xuất hiện của những luồng khơng khí nĩng ẩm khổng lồ từ mặt đất bốc lên . Các luồng khơng khí này được tạo thành do sự đốt nĩng mặt đất bởi ánh sáng mặt trời, đặc biệt ở các vùng núi cao (dơng nhiệt).Hoặc do sự gặp nhau của những luồng khơng khí nĩng ẩm với khơng khí lạnh nặng-dơng Front,luồng khơng khí nĩng ẩm này bị đẩy lên trên.
Ơû những vùng núi cao chắn giĩ,cũng thường cĩ xảy ra trường hợp dơng địa hình.Do luồng khơng khí nĩng ẩm khi được thổi tới dãy núi và bị chắn nên buộc phải lên cao theo sườn dốc,...
Sau khi đã đạt được một độ cao nhất định (khoảng vài Km trở lên - vùng nhiệt độ âm hình 1.1) luồng khơng khí nĩng ẩm này bị lạnh đi, hơi ẩm ngưng tụ thành những giọt nước nhỏ li ti hoặc thành các tinh thể băng. Chúng tạo thành các đám mây dơng.
Từ lâu người ta khẳng định về nguồn tạo ra điện trường giữa các đám mây dơng và mặt đất chính là điện tích tích tụ trên các hạt nước li ti và các tinh thể băng của các đám mây dơng đĩ.
Nhưng do đâu cĩ sự nhiễm điện này của hạt nước và các tinh thể băng thì cĩ nhiều giả thuyết khác nhau.
Tuy nhiên các giả thuyết này cho đến nay đều chưa giải thích được một cách triệt để về nguồn điện tích của các đám mây dơng và cĩ sự phân li chúng, khiến người ta nghĩ rằng trong thực tế cĩ thể cĩ nhiều nguyên nhân đồng thời tác động và rất phức tạp. Nhưng cĩ một điều chắc chắn là trong suốt cơn dơng các điện tích dương và điện tích âm bị các luồng khơng khí mãnh liệt làm tách rời nhau gắn liền với sự phân bố các tinh thể băng tuyết trên tầng đỉnh và các giọt nước
Km 12 + + -300 C ++ 10 -200 C + 8 -100 C 6 00C 4 +100C 2 +250C
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD : Quyền Huy Aùnh
SVTH:Đạo Thiên Vũ Trang 7
ở tầng đáy của các đám mây dơng. sự tách rời điện tích này tùy thuộc vào độ cao của các đám mây.
Qua nhiều lần đo đạt thực nghiệm, người ta thấy rằng khoảng 80 90% phần dưới các đám mây dơng chủ yếu chứa điện tích âm, do đĩ cảm ứng trên mặt đất những điện tích dương tương ứng và tạo nên một tụ điện khơng khí khổng lồ.
Trên hình 1.2 chỉ rõ sự phân bố điện tích trong một đám mây và trên mặt đất. Khi phần dưới của mây mang điện tích âm bị hút về phía mây mang điện dương trên mặt đất sẽ phân bố trên mọi vật cĩ thể dẫn điện. Vật nào trên mặt đất càng cao thì khoảng cách giữa vật và mây càng nhỏ và lớp khơng khí ngăn cách các điện tích trái dấu càng mỏng, ở những nơi này sét dễ đánh xuống đất. Khi đến gần nhà cao, cây cao thì mây dơng mang điện tích âm hút các điện tích dương, làm cho chúng tập trung lại ở điểm cao nhất: trên mái nhà, ngọn cây ... hay cịn gọi là hiệu ứng mũi nhọn.
Nếu điện tích mây lớn thì trên mái nhà, ngọn cây ... cũng tập trung một điện tích lớn, đến một mức độ nào đĩ độ lớn của các điện tích trái dấu nĩi trên sẽ tạo nên một sự chênh lệch điện thế để đánh thủng lớp khơng khí ngăn cách nĩ với mặt đất ( ở mặt đất trị số này là 2530 kV/cm ), lúc này xảy ra hiện tượng phĩng điện giữa đám mây dơng và mặt đất tạo nên tia lửa lĩe sáng kèm theo tiếng nổ dữ dội do sự giãn nỡ đột ngột của khơng khí.
Hình 1.3: Sự phát triển của sĩng điện sét.
Sét thực chất là một dạng phĩng điện tia lửa trong khơng khí với khoảng cách phĩng điện rất lớn. Chiều dài trung bình của khe sét khoảng 3 5 Km. Phần lớn chiều dài đĩ phát triển trong các đám mây dơng. Quá trình phĩng điện của sét tương tự quá trình phĩng điện tia lửa trong một điện trường khơng đồng nhất với khoảng cách phĩng điện khá lớn.
2 . Các giai đoạn phát triển của phĩng điện sét .
Dịng sét phần lớn phát triển từ những đám mây mưa tích điện âm, dịng điện tử xuất phát từ mây di chuyển cĩ hướng về phía mặt đất dưới tác dụng của điện áp sinh ra do sự chênh lệch điện thế giữa mây và đất.
Ban đầu xuất phát từ mây dơng một dải sáng mờ kéo dài từng đợt gián đoạn về phía mặt đất với tốc độ trung bình khoảng 105 106 m/s, đĩ là giai đoạn phĩng điện tiên đạo từng đợt. Kênh tiên đạo là một dịng plasma chứa mật độ điện tích khơng cao lắm, khoảng 1013 1014 ion/m3. Một phần điện tích âm của mây dơng tràn vào kênh và phân bố tương đối đều dọc theo chiều dài của nĩ (hình 1.4a).
Hình 1.4: Các giai đoạn phĩng điện sét và biến thiên của dịng điện sét theo thời gian. a – Giai đoạn phĩng điện tiên đạo.
b – Tiên đạo đến gần mặt đất hình thành khu vực ion hĩa mãnh liệt. c – Giai đoạn phĩng điện ngược hay phĩng điện chủ yếu.
d – Phĩng điện chủ yếu kết thúc.
Thời gian phát triển của kênh tiên đạo mỗi đợt kéo dài trung bình khoảng 1s.(như vậy mỗi đợt kênh tiên đạo kéo dài thêm trung bình khoảng vài chục mét) . Thời gian tạm ngưng phát triển giữa hai đợt liên tiếp khoảng từ 30 90 s.
Điện tích âm tổng từ mây tràn vào kênh tiên đạo bằng Q = L ( mật độ điện tích, L là chiều dài kênh). Điện tích này thường chiếm khoảng 10% lượng điện tích chạy vào đất trong một
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD : Quyền Huy Aùnh
SVTH:Đạo Thiên Vũ Trang 9
lần phĩng điện sét. Dưới tác dụng của điện trường tạo nên bởi điện tích của mây dơng và điện tích âm trong kênh tiên đạo, sẽ cĩ sự tập trung điện tích trái dấu (thường là điện tích dương) trên vùng mặt đất phía dưới đám mây dơng. Nếu vùng đất phía dưới bằng phẳng và cĩ điện dẫn đồng nhất thì nơi điện tích cảm ứng tập trung sẽ nằm trực tiếp dưới đầu kênh tiên đạo. Nếu vùng đất phía dưới cĩ điện dẫn khác nhau thì điện tích sẽ tập trung chủ yếu ở vùng kế cận, nơi cĩ điện dẫn cao như vùng quặng kim loại, vùng đất ẩm, ao hồ, sơng ngịi, vùng nước ngầm, kết cấu kim loại các nhà cao tầng, cột điện, cây cao bị ướt trong mưa... và nơi đĩ sẽ là nơi đổ bộ của sét.
Cường độ trường ở đầu kênh tiên đạo trong phần lớn giai đoạn phát triển của nĩ ( trong mây dơng ) được xác định bởi điện tích bản thân của kênh và của điện tích tích tụ ở đám mây. Đường đi của kênh trong giai đoạn này khơng phụ thuộc vào tình trạng của mặt đất và các vật thể ở mặt đất. Chỉ khi kênh tiên đạo cịn cách mặt đất một độ cao nào đĩ ( độ cao định hướng ) thì mới thấy rõ dần ảnh hưởng của tập trung điện tích ở mặt đất và ở các vật thể dẫn điện nhơ khỏi mặt đất đối với hướng phát triển tiếp tục của kênh. Kênh sẽ phát triển theo hướng cĩ cường độ điện trường lớn nhất.
Ở những nơi vật dẫn cĩ độ cao (nhà chọc trời, cột ăng ten,...) thì từ đỉnh của nĩ nơi điện tích trái dấu tập trung nhiều cũng sẽ đồng thời xuất hiện ion hĩa khơng khí tạo nên dịng tiên đạo phát triển hướng lên đám mây dơng. Chiều dài của kênh tiên đạo từ dưới lên mây tăng theo độ cao của vật dẫn và tạo điều kiện dễ dàng cho sự định hướng của sét vào vật dẫn đĩ.
Khi kênh tiên đạo xuất phát từ mây dơng tiếp cận mặt đất hay tiếp cận kênh tiên đạo ngược chiều thì bắt đầu giai đoạn phĩng điện ngược lại hay phĩng điện chủ yếu, tương tự như các quá trình phĩng điện ngược trong chất khí ở điện trường khơng đồng nhất ( hình 1.4b ).
Trong khoảng cách khí cịn lại giữa đầu kênh tiên đạo và mặt đất ( hoặc giữa hai kênh tiên đạo ngược chiều ) cường độ điện trường tăng cao gây nên ion hĩa khơng khí mãnh liệt dẫn đến sự hình thành một dịng Plasma cĩ mật độ điện tích (1016 1019 ion/m3) cao hơn nhiều so với mật độ điện tích của tia tiên đạo ban đầu, điện dẫn của nĩ tăng lên hàng trăm đến hàng ngàn lần, điện tích cảm ứng từ mặt đất tràn vào dịng ngược này và thực tế đầu dịng mang điện thế của đất làm cho cường độ trường đầu dịng tăng lên gây ion hĩa mãnh liệt và cứ như vậy dịng Plasma điện dẫn cao tiếp tục phát triển ngược lên trên theo đường chọn sẵn của kênh tiên đạo. Tốc độ phát triển của kênh phĩng ngược rất cao vào khoảng 0,5.107 1,5.108 m/s (bằng 0,05 0,5 vận tốc ánh sáng) tức là nhanh gấp trên trăm lần tốc độ phát triển của tiên đạo hướng xuống. Vì mật độ điện tích cao đốt nĩng mãnh liệt nên tia phĩng điện chủ yếu sáng chĩi (gọi là chớp) và sự giãn nở đột ngột của khơng khí bao quanh phĩng điện chủ yếu tạo nên những đợt sĩng âm mãnh liệt gây nên những tiếng nổ dữ dội . Đặc điểm quan trọng nhất của phĩng điện chủ yếu là cường độ dịng điện lớn. Nếu V là tốc độ của phĩng điện, mật độ điện tích thì dịng điện sét sẽ đạt giá trị cao nhất khi kênh phĩng điện chủ yếu lên đến đám mây dơng và bằng : is = V (hình 1.4c).
Khi kênh phĩng điện chủ yếu lên tới đám mây thì số điện tích cịn lại của mây sẽ theo kênh phĩng điện chạy xuống đất và cũng tạo nên ở chỗ sét đánh một dịng điện cĩ trị số nhất định giảm nhanh tương ứng với phần đuơi sĩng (hình 1.4d).
Kết quả quan trắc sét cho thấy rằng phĩng điện sét thường xảy ra nhiều lần kế tục nhau trung bình là 3 lần, nhiều nhất cĩ thể đến vài chục lần. Các lần phĩng điện sau cĩ dịng tiên đạo phát triển liên tục (khơng phải từng đợt như lần đầu), khơng phân nhánh và theo đúng quĩ đạo của lần đầu nhưng với tốc độ cao hơn (2.106 m/s).
Trong giai đoạn phĩng điện tiên đạo thì hiệu thế giữa các trung tâm điện tích này với trung tâm điện tích khác thực tế khơng thay đổi và ít cĩ ảnh hưởng qua lại giữa chúng nhưng khi kênh phĩng điện chủ yếu đã lên đến mây thì trung tâm điện tích đầu tiên của đám mây thực tế mang điện thế của đất làm cho hiệu thế giữa trung tâm điện tích đã phĩng với trung tâm điện tích lân cận tăng lên và cĩ thể dẫn đến phĩng điện giữa chúng với nhau. Trong khi đĩ thì kênh phĩng điện cũ vẫn cịn một điện dẫn nhất định do sự khử ion chưa hồn tồn nên phĩng điện tiên đạo lần sau theo đúng quĩ đạo đĩ, liên tục và với tốc độ cao hơn lần đầu.
3 . Các thơng số chủ yếu của sét .
Dịng điện sét như hình 1.6 cĩ dạng một sĩng xung. Trung bình khoảng vài ba s, dịng điện tăng nhanh đến trị số cực đại tạo nên phần đầu sĩng và sau đĩ giảm xuống chậm dần trong khoảng 20 - 100 s tạo nên phần đuơi sĩng.
Sự lan truyền sĩng điện từ tạo nên bởi dịng điện sét gây nên quá điện áp trong hệ thống điện, do đĩ cần phải biết những tham số chủ yếu của nĩ:
- Biên độ dịng sét với xác suất xuất hiện của nĩ .
- Độ dốc đầu sĩng của dịng điện sét với xác suất xuất hiện của nĩ.
- Độ dài sĩng dịng điện sét (tức là thời gian cho đến khi dịng điện sét giảm bằng 1/2 biên độ của nĩ).
- Cực tính của dịng điện sét.
Ngồi ra phải biết cường độ hoạt động trung bình của sét tức số ngày cĩ dơng sét trung bình hoăïc tổng số giờ cĩ dơng sét trung bình trong một năm ở mỗi khu vực lãnh thổ và mật độ trung bình của sét trong khu vực đĩ, tức là số lần sét đánh vào trong một đơn vị diện tích mặt đất (1Km2)