I. (7-4) Trong đó Id là dòng điện dung lúc chạm đất phía cao áp
1-Hiện tợng phóng điện sét.
Sét là hiện tợng phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và mặt đất , hay giữa các đám mây mang điện tích trái dấu. Trớc khi có sự phóng điện của sét đã có sự phân chia và tích luỹ số lợng điện tích rất lớn trong các đám mây giông do tác động của các luồng không khí nóng bốc lên và hơi nớc ngng tụ trong các đám mây. Các đám mây mang điện là do kết quả của sự phân tích các điện tích trái dấu(ion hoá tự nhiên) và tập trung chúng trong các phần tử khác nhau của đám mây.
Khi các lớp mây đợc tích điện (khoảng 80 % số trờng hợp phóng điện sét xuống đất điện tích của mây có cực tính âm ) tới mức độ có thể tạo nên cờng độ tr- ờng lớn sẽ hình thành dòng phát triển về phía mặt đất. Giai đoạn này gọi là giai đoạn phóng điện tiên đạo và dòng gọi là tia tiên đạo. Tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo của lần phóng đầu tiên khoảng 1,5.107 cm/giây , của lần phóng tiếp theo nhanh hơn và đạt tới 2.108cm/giây. Trong một đợt sét đánh có thể có nhiều lần phóng điện kế tiếp nhau , trung bình là 3 lần, điều này đợc giải thích bởi trong cùng lớp mây có thể hình thành nhiều trung tâm điện tích , Chúng sẽ lần lợt phóng điện xuống đất.
Tia tiên đạo là môi trờng plasma có điện dẫn lớn. Đầu tia nối với một trong các trung tâm điện tích của lớp mây điện nên một phần điện tích của trung tâm này đi vào trong tia tiên đạo và phân bố gần đều dọc theo chiều dài tia. Dới tác dụng của điện trờng tia tiên đạo, sẽ có sự tập trung các điện tích trái dấu trên mặt đất mà địa điểm tập kết tuỳ thuộc vào tình hình điện dẫn của đất. Nếu vùng đất có điện dẫn đồng nhất thì địa điểm này nằm ngay phía dới đầu tia tiên đạo. Trong trờng hợp mặt đất có nhiều nơi điện dấn khác nhau thì điện tích trong đất sẽ tập trung về nơi có điện dẫn cao. Ví dụ các ao, hồ , sông lạch ở các vùng đất đá .…
Quá trình phóng điện sẽ phát triển dọc theo đờng sức nối liền giữa đầu tia tiên đạo với nơi tập trung điện tích trên mặt đất vì ở đấy cờng độ điện trờng có trị số lớn nhất và nh vậy là địa điểm sét đánh trên mặt đất đã đợc định trớc. Tính chất chọn lọc phóng điện sét đã đợc vận dụng trong việc bảo vệ chống sét đánh thẳng cho các công trình : Cột thu sét có độ cao lớn và trị số điện trở nối đất nhỏ sẽ thu hút các phóng điện sét về phía mình, do đó tạo ra khu vực an toàn xung quanh nó.
Khi tia tiên đạo phát triển gần về phía mặt đất thì trờng trong khoảng không gian giữa các điện cực sẽ có trị số rất lớn và bắt đầu có quá trình ion hoá mãnh liệt dẫn đến hình thành dòng plasma với mật độ ion lớn hơn nhiều so với của tia tiên đạo. Do có điện dẫn bản thân rất cao nên đầu dòng có điện thế mặt đất, nh vậy toàn bộ hiệu số điện thế (giữa đầu tia tiên đạo với mặt đất) đợc tập trung vào khu vực giữa nó với đầu của tia tiên đạo, trờng trong khu vực này tăng cao và gây ion hoá
mãnh liệt .Dòng plasma đ… ợc kéo dài ra và di chuyển ngợc lên phía trên. Giai đoạn này gọi là giai đoạn phóng điện ngợc. Tốc độ phát triển của giai đoạn phóng điện ngợc thay đổi trong giới hạn 1,5.109 ữ 1,5.1010 (cm/giây) tức là 0,05 ữ 0,5 tốc độ
của ánh sáng. Trong giai đoạn này điện tích của lớp mây điện sẽ theo dòng plasma chuyển về phía mặt đất tạo nên dòng điện ở nơi sét đánh.
2- Tham số phóng điện của sét .
Tham số chủ yếu của phóng điện sét là dòng điện sét. Dòng điện sét ghi đợc trên các máy hiện sóng cực nhanh có nh hình 8.1, đó là dạng sóng xung kích- chỗ tăng nhanh của dòng điện tơng ứng với giai đoạn phóng điện ngợc, còn quá trình giảm dần về sau là quá trình chuyển số điện tích tàn d từ lớp mây xuống đất.
Khi tính toán bảo vệ chống sét, thông số chính cần chú ý nhiều nhất không phải là điện áp sét mà là dòng điện sét . Trị số dòng điện sét có thể xác định bằng cách đo trực tiếp. ở Liên Xô cũ cũng nh một số nớc trên thế giới qua nhiều lần quan sát và đo đạc dòng điện sét ngời ta rút ra đợc xác suất lớn nhất ứng với dòng điện sét có trị số khoảng 50kA, còn sét có trị số từ 50 ữ100 kA có thể xảy ra nhng ít,
còn sét có dòng điện từ 100 kA trở lên rất hiếm khi xảy ra. Trị số này chỉ dùng để tính toán khi cần thiết bảo vệ chống sét cho các công trình có yêu cầu đặc biệt về nguy cơ gây ra cháy nổ.
ds
τ
Hình 8.1 :
Dòng điện sét ghi trên máy hiện sóng. (2) Dòng điện sét tính toán. (1) (2) Is(kA) t() s τ 0’ 0 0,3 Imax 0,5 Imax 0,5 Imax 0,5 Imax 0,1 Imax
Dòng điện sét đợc đặc trng bởi hai tham số quan trọng là biên độ dòng điện sét Is (Imax) và tốc độ đầu sóng a với a=
dt dis
.
Ngoài ra chúng ta cần quan tâm tới thời gian đầu sóng τds và thời gian sóng
s
τ .
Thời gian đầu sóng τds là thời gian để cho dòng điện sét đạt đến trị số cực đại. Còn
s
τ là thời gian để cho dòng điện sét phát triển cho tới khi giá trị cực đại giảm đi một
nửa.
Độ dốc cực đại của dòng điện sét thờng không vợt quá 50 kA/às.Biên độ
dòng điện sét lớn thì độ dốc đầu sóng cũng lớn. Vì vậy với dòng điện sét tính toán 100 kA và lớn hơn thờng lấy độ dốc đầu sóng trung bình là 30 kA/às , còn khi
dòng điện sét tính toán nhỏ hơn 100 kA thì độ dốc đầu sóng lấy khoảng 10 kA/às.
Đặc điểm của quá điện áp khí quyển là tính chất ngắn hạn của nó. Phóng điện của sét chỉ kéo dài trong khoảng vài chục micro giây và điện áp tăng cao có đặc tính xung.