III. 1 Nghiên cứu, thiết kế phần cứng và môi trường truyền dẫn
1. Sét và hệ thống chống sét
Cứ mỗi khi mùa mưa đến, ngoài việc chuẩn bị các biện pháp phòng chống bão lụt chúng ta còn phải quan tâm đến một hiện tượng thiên nhiên khác có tác hại nghiêm trọng đến cơ sở vật chất và con người - đó là dông sét. Có thể hiểu nôm na rằng sét là sự phóng điện giữa đám mây dông và một
điểm nào đó trên mặt đất khi điện trường khí quyển đạt đến một giá trị tới hạn. Việt Nam thuộc vùng khí hậu nhiệt đới nên dòng điện sét thường rất lớn khoảng 30kA, do đó nếu một công trình nào đó bị sét đánh thì phần kiến trúc của công trình đó có thể bị phá vỡ do ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ phát tán cao, các thiết bị điện trong công trình có thể bị hỏng do trường điện từ của dòng sét cảm ứng và con người có thể bị tổn thương nếu ở gần điểm phóng
điện sét.
Thông thường phóng điện sét gồm hàng loạt phóng điện kế tiếp nhau do sự dịch chuyển điện tích từ các phần khác nhau của đám mây. Sự phóng
điện chủ yếu đặc trưng bởi dòng điện sét lớn đi qua chỗ sét đánh (có thể đạt tới 200-300KA) và sự lóe sáng mãnh liệt của dòng phóng điện. Không khí trong vùng có dòng phóng điện có thểđạt tới 10.000 0C và dãn nở rất nhanh, do đó sét có thể gây ra những đám cháy lớn và có sức công phá rất mạnh về
mặt cơ học.
Nhiều khi sét không phóng điện trực tiếp cũng rất nguy hiểm, vì khi sét
đi qua một vật nối đất sẽ tạo nên vùng có điện áp bước rất nguy hiểm.
Nếu công trình nối liền với các vật dẫn điện kéo dài như: đường dây
điện lực, điện thoại, đường ống nước… những vật đó có thể truyền điện áp cao của sét tới khi chúng bị sét đánh (sét lan truyền) gây nguy hiểm cho người, thiết bị điện, vật dễ cháy nổ…
Sét còn gây nên cảm ứng tĩnh điện trên các vật dẫn điện hoặc các dây dài tạo thành những mạch vòng cảm ứng điện từ. Điện áp cảm ứng có thểđạt tới hàng chục kilôvôn gây nên phóng điện và làm hư hỏng cho các thiết bị điện nhạy cảm : máy tính, điện thoại…
Tác hại của sét có nhiều dạng, nhưng có thể chia làm hai dạng chủ yếu: Tác hại của sét đánh trực tiếp và gián tiếp.
Giải pháp chống sét toàn diện là ta vừa phải chống sét đánh trực tiếp vừa phải chống sét cảm ứng và lan truyền (gián tiếp).
- Sét đánh trực tiếp là sét đánh thẳng vào nhà cửa công trình hoặc đánh vào bồn nước kim loại hay trụ anten nằm trên công trình đó, đánh vào cây cối,
đánh vào người đang di chuyển khi đang có dông ...Đây là loại sét nguy hiểm nhất vì nó có thể gây thiệt hại nặng nề cho công trình hoặc gây chết người.
- Sét đánh gián tiếp là sét đánh vào đường dây điện thoại, đường dây tải
điện cao thế hoặc hạ thếở một nơi nào đó rồi theo đường dây truyền vào công trình làm hư hỏng thiết bị điện đang sử dụng. Chúng ta thường thấy hiện tượng bóng đèn, điện thoại, TV, tủ lạnh .... bị cháy hoặc người đang gọi điện thoại bị điện giật mạnh sau một cơn dông sét tất cả là do ảnh hưởng của loại sét này.
- Sét cảm ứng bao gồm cảm ứng tĩnh điện và cảm ứng điện từ. Sét cảm
ứng tĩnh điện thường chỉ nguy hiểm cho các công trình có chứa chất dễ cháy nổ như xăng dầu, khí đốt do tác động của phóng điện thứ cấp còn sét cảm ứng
điện từ chỉ nguy hiểm đối với các thiết bị hiện đại dùng các linh kiện điện tử
nhạy với xung điện trong các công trình bưu điện, viễn thông, phát thanh truyền hình.
Một hệ thống chống sét hoàn chỉnh phải thể hiện đầy đủ các nội dung chống sét nói trên.
Có nhiều biện pháp kỹ thuật phòng chống sét nhưng cho tới nay thì chưa có một thiết bị hoặc hệ thống chống sét nào đạt được hiệu quả tuyệt đối. Một mô hình chống sét thông dụng đã được công nhận là có hiệu quả trong một phạm vi giới hạn nhất định vẫn còn được sử dụng rộng rãi nhiều nơi trên thế giới đó là hệ thống dùng kim thu sét cổđiển Franklin vì nó đã chứng minh khả năng bảo vệ với một độ tin cậy cho phép đã tồn tại hàng trăm năm qua. Kim thu sét Franklin là một thanh kim loại có đầu nhọn dài khoảng 3m được lắp tại nơi cao nhất trong khu vực cần bảo vệ, nó hoạt động theo nguyên lý phóng điện điểm, nghĩa là trong điện trường khí quyển của dông bão, kim thu sét này sẽ liên tục nhả điện tích vào vùng không gian do đó quanh đầu kim thu sét sẽ có điện trường cục bộ mạnh so với các điểm xung quanh và hình thành một tia lửa điện mồi (dòng mồi) nên nó dễ dàng thu hút dòng sét tiên
đạo từ mây đi xuống, dòng điện sét này sẽ truyền từ kim qua hệ thống dây dẫn
để đi xuống đất và tản nhanh trong đất nhờ bãi tiếp địa tản sét. Như vậy hệ
thống chống sét sẽ tạo ra một phạm vi an toàn cho công trình mà nó bảo vệ . Tuy nhiên trong thực tế vẫn có hiện tượng sét đánh vào công trình đã có hệ
thống chống sét mà người ta gọi là sét đánh vòng, do đó để đảm bảo an toàn chúng ta không nên tự lắp lấy hệ thống chống sét mà phải nhờ đến chuyên viên kỹ thuật tính toán thiết kế sao cho hệ thống đảm bảo các thông số kỹ
thuật như phạm vi bảo vệ, điện trở tản sét, khả năng sét đánh vòng, khả năng phóng điện thứ cấp ..., có như thế thì hệ thống chống sét mới hoàn thành tốt nhiệm vụ của nó. Trong trường hợp ngược lại thì chính hệ thống đó là nguyên nhân dẫn đến các tai họa cho công trình và những người sống trong công trình
Hệ thống chống sét công nghệ ERITECH DYNASPHERE
Nguyên lý hoạt động
Trong hơn 200 năm, các hệ thống chống sét đã có một ít cải tiến. Tuy
nhiên, những nghiên cứu hiện đại và những phương pháp tiên tiến đã dẫn đến
những kiến thức mới về quá trình phóng điện của sét, và đạt được nhiều
tiến bộ trong mô phỏng các điều kiện điện trường của sét. Ha ý tưởng nổi bật
đạt được từ những tiến bộ trên trong quá trình sét đánh và sự hoạt động của kim thu sét:
• Các kim thu sét tạo ra nhiều hiệu ứng corona sẽ thu sét không hiệu quả.
• Một kim thu sét hoạt động tối ưu nếu có thể phóng tia tiên đạo đi lên khi điện trường xung quanh đạt đến mức có thể duy trì sự lan truyền của tia tiên đạo.
ERITECH DYNASPHERE System 3000 đã được phát triển dựa trên hai ý tưởng trên. DYNASPHERE là một kim Franklin cải tiến với vỏ kim hình bán cầu. Vỏ kim bán cầu này sẽ ghép điện dung với trường điện của tia tiên đạo sét đi xuống.
Vỏ kim dẫn điện hình bán cầu này bao quanh một kim được nối đất. Vỏ
kim được cách ly với kim nhưng được nối với đất bằng trở kháng biến đổi
động theo độ dẫn DC.
Trong giai đoạn điện trường động của cơn dông, khi tia tiên đạo sét xuống gần, vỏ bán cầu của kim ERITECH DYNASPHERE sẽ tăng điện thế
do hiện tượng ghép điện dung.
Khi điện thế đủ lớn, một tia hồ quang kích sẽ phóng qua khe hở không khí giữa vỏ bán cầu và kim nối đất. Tia hồ quang kích có 2 tác dụng:
• Tạo một số lượng lớn electron cần thiết để khởi tạo tia tiên đạo đi lên. • Tạo sự gia tăng đột ngột điện trường trên đầu kim thu sét, cung cấp thêm năng lượng để khởi tạo tia tiên đạo lan truyền mạnh lên trên. Hai tác dụng trên làm cho việc lan truyền tia tiên đạo được ổn định, đảm bảo việc thu bắt sét được chắc chắn. Kích thước của khe hở không khí được tối ưu hóa sao cho tia hồ quang kích chỉ xuất hiện khi điện trường xung quanh đủ lớn đểđảm bảo tia tiên đạo đi lên ổn định và bắt tia tiên đạo đi xuống một cách hiệu quả.
Kim ERITECH DYNASPHERE được thiết kế đáp ứng mọi tiêu chuẩn cần thiết cho việc phát tia tiên đạo có thể điều khiển. Ý tưởng “có thể điều khiển” là rất quan trọng bởi nếu phát tia phóng quá sớm sẽ không hiệu quả -
điện trường xung quanh sẽ không đủ lớn để biến tia phóng thành tia tiên
đạo và do đó tia phóng sẽ ngừng lan truyền. Điều này sẽ tạo ra điện tích không gian và hạn chế khả năng khởi tạo tia tiên đạo tiếp theo. Các tính chất của một kim thu sét tối ưu: • Cực tiểu hóa hiệu ứng corona • Tia phóng chỉ được phát ra khi điện trường xung quanh đủ lớn để duy trì tia tiên đạo. Cả hai tính chất trên đòi hỏi phải có cấu hình đầu kim dạng tà.
Hình 22. Kim ERITECH DYNASPHERE
