Nghiên cứu bảo vệ quá áp lan truyền trên đường nguồn hạ áp do sét đánh vào đường dây phân phối

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hcmute bảo vệ quá áp lan truyền trên đường nguồn hạ áp khi sét đánh trực tiếp vào đường dây phân, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Đỗ Anh Duy
• Người hướng dẫn: PGS, TS. Quyền Huy Ánh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Bảo Vệ Quá Áp Lan Truyền Trên Đường Nguồn Hạ Áp Khi Sét Đánh Vào Đường Dây Phân Phối
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn
• 1.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Điểm mới của luận văn
• 1.5. Giá trị thực tiễn của luận văn
• 1.6. Nội dung của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ SÉT
• 2.1. Sự hình thành mây dông và sét
• 2.2. Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét
• 2.3. Các thông số chủ yếu của sét
• 2.4. Biên độ dòng sét và xác suất xuất hiện
• 2.5. Cường độ hoạt động của sét
• 2.6. Cực tính của sét
• 2.7. Tác hại của dòng điện sét
• 2.8. Phân loại công trình cần bảo vệ
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH CÁC NGUỒN PHÁT XUNG SÉT TIÊU CHUẨN
• 3.1. Các dạng xung không chu kỳ chuẩn
• 3.2. Xây dựng mối liên hệ giữa các thông số trong mô hình
• 3.3. Xây dựng sơ đồ khối
• 3.4. Thực hiện mô phỏng
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN TRUNG ÁP VÀ HẠ ÁP
• 4.1. Cấu tạo của MOV
• 4.2. Nguyên lý hoạt động của MOV
• 4.3. Đánh giá mô hình MOV của MATLAB
• 4.4. Xây dựng mô hình MOV hạ thế
• 4.5. Xây dựng mô hình MOV trung thế
• 5. CHƯƠNG 5: BIỆN PHÁP BẢO VỆ QUÁ ÁP PHÍA TRUNG ÁP VÀ HẠ ÁP KHI SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO ĐƯỜNG DÂY TRUNG ÁP
• 5.1. Mô phỏng hệ thống bảo vệ quá áp do sét đánh trực tiếp trên đường dây trung áp
• 5.2. Mô phỏng hệ thống bảo vệ quá áp khi không có chống sét van hạ áp
• 5.3. Mô phỏng hệ thống bảo vệ quá áp khi có chống sét van hạ áp
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Giới thiệu về quá áp lan truyền

Quá áp lan truyền là hiện tượng xảy ra khi sét đánh vào đường dây phân phối, gây ra sự gia tăng đột ngột của điện áp trong hệ thống điện. Bảo vệ quá áp là một trong những biện pháp quan trọng nhằm giảm thiểu thiệt hại cho các thiết bị điện. Theo thống kê, hơn 70% hư hỏng do sét gây ra là do quá áp lan truyền. Điều này đặc biệt nghiêm trọng trong mạng hạ áp, nơi mà các thiết bị điện tử nhạy cảm thường được lắp đặt. Việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp bảo vệ hiệu quả là cần thiết để đảm bảo an toàn cho hệ thống điện và thiết bị sử dụng điện.

1.1. Nguyên nhân gây ra quá áp lan truyền

Nguyên nhân chính của quá áp lan truyền là do sự phóng điện của sét, tạo ra sóng điện từ lan truyền qua các đường dây điện. Khi sét đánh vào đường dây phân phối, điện áp có thể tăng lên mức cao hơn nhiều so với điện áp định mức, gây ra hư hỏng cho các thiết bị điện. Các yếu tố như độ dài của đường dây, cấu trúc của hệ thống điện và vị trí địa lý cũng ảnh hưởng đến mức độ nghiêm trọng của quá áp lan truyền.

II. Các biện pháp bảo vệ quá áp

Để bảo vệ hệ thống điện khỏi quá áp lan truyền, nhiều biện pháp đã được đề xuất và áp dụng. Một trong những biện pháp hiệu quả nhất là sử dụng thiết bị bảo vệ như chống sét van (MOV). Thiết bị này có khả năng hấp thụ và phân tán năng lượng từ sóng điện từ, giúp giảm thiểu tác động của quá áp lên các thiết bị điện. Việc lựa chọn và lắp đặt thiết bị bảo vệ phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho hệ thống điện.

2.1. Thiết bị chống sét van

Chống sét van (MOV) là thiết bị được sử dụng phổ biến để bảo vệ hệ thống điện khỏi quá áp. MOV hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng điện từ sóng điện từ thành nhiệt, từ đó giảm thiểu điện áp trên đường dây. Việc lắp đặt MOV ở các vị trí chiến lược trong hệ thống điện có thể giúp bảo vệ hiệu quả các thiết bị điện khỏi hư hỏng do quá áp lan truyền.

III. Mô hình mô phỏng và đánh giá hiệu quả

Mô hình mô phỏng là công cụ hữu ích trong việc nghiên cứu và đánh giá hiệu quả của các biện pháp bảo vệ quá áp. Sử dụng phần mềm như MATLAB, các nhà nghiên cứu có thể xây dựng mô hình mô phỏng các tình huống khác nhau khi sét đánh vào đường dây phân phối. Qua đó, có thể đánh giá được mức độ hiệu quả của các thiết bị bảo vệ và đưa ra các giải pháp tối ưu cho hệ thống điện.

3.1. Phân tích kết quả mô phỏng

Kết quả từ các mô phỏng cho thấy rằng việc sử dụng chống sét van có thể giảm thiểu đáng kể mức độ quá áp trong hệ thống điện. Các thông số như biên độ dòng sét, thời gian đầu sóng và tốc độ tăng áp đều được cải thiện khi có sự hiện diện của thiết bị bảo vệ. Điều này chứng tỏ rằng việc đầu tư vào các thiết bị bảo vệ là cần thiết để đảm bảo an toàn cho hệ thống điện và các thiết bị sử dụng điện.

IV. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu về bảo vệ quá áp lan truyền trên đường nguồn hạ áp khi sét đánh vào đường dây phân phối là rất quan trọng trong bối cảnh hiện nay. Các biện pháp bảo vệ như chống sét van đã chứng minh được hiệu quả trong việc giảm thiểu thiệt hại do quá áp gây ra. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các giải pháp mới, cũng như cải tiến các thiết bị hiện có để đáp ứng tốt hơn với các yêu cầu thực tiễn.

4.1. Đề xuất nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc phát triển các mô hình mô phỏng chính xác hơn, cũng như nghiên cứu các loại thiết bị bảo vệ mới có khả năng hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện khác nhau. Việc hợp tác giữa các nhà nghiên cứu và các nhà sản xuất thiết bị bảo vệ cũng là cần thiết để đưa ra các giải pháp tối ưu cho hệ thống điện.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa với trung bình khoảng 100 ngày dông mỗi năm, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát sinh và phát triển của sét. Quá áp và quá độ do sét trong mạng điện là nguyên nhân chính gây ra sự cố lưới điện và hư hỏng thiết bị, đặc biệt là trên đường dây phân phối trung áp và hạ áp. Theo ước tính, hơn 70% thiệt hại do sét gây ra xuất phát từ hiện tượng sét lan truyền hoặc cảm ứng qua đường cấp nguồn và đường truyền tín hiệu, trong khi các mạng hạ áp tuy không truyền tải công suất lớn nhưng lại trải rộng và cung cấp điện trực tiếp cho hộ tiêu thụ, làm tăng nguy cơ sét xâm nhập và gây hư hại thiết bị điện tử nhạy cảm.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào xây dựng mô hình chống sét van trung áp và hạ áp (MOV), mô hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn, đồng thời mô phỏng và đánh giá hiệu quả bảo vệ của hệ thống chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp khi sét đánh trực tiếp vào đường dây trung áp. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc sử dụng phần mềm Matlab với công cụ Simulink và Sim Power Blockset, xây dựng mô hình các dạng xung sét tiêu chuẩn 8/20µs, 10/350µs và 1/5µs, cùng với mô hình chống sét van trung áp và hạ áp.

Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc cung cấp mô hình chuẩn để đánh giá và lựa chọn thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền, đặc biệt trong điều kiện thiếu hụ phòng thí nghiệm cao áp tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu góp phần giảm thiểu thiệt hại do sét gây ra, bảo vệ an toàn cho hệ thống điện và các thiết bị điện tử nhạy cảm trong các công trình dân dụng và công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết phóng điện sét và quá áp lan truyền: Mô tả quá trình hình thành mây dông, sự phát triển kênh phóng điện tiên đạo và phóng điện chủ yếu, cùng các thông số đặc trưng của dòng điện sét như biên độ, thời gian đầu sóng, tốc độ tăng dòng và cực tính dòng sét.

• Mô hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn: Sử dụng dạng sóng xung không chu kỳ chuẩn (8/20µs, 10/350µs, 1/5µs) được mô tả bằng phương trình hàm mũ kép, với các tham số được xác định qua các đường cong chuẩn và hàm toán học phù hợp.

• Lý thuyết hoạt động của chống sét van MOV: MOV là thiết bị phi tuyến, cấu tạo từ các hạt ZnO với đặc tính điện trở phụ thuộc điện áp, có khả năng kẹp điện áp quá độ bằng cách chuyển từ trạng thái cách điện sang dẫn điện khi điện áp vượt ngưỡng. Đặc tính V-I của MOV được mô phỏng bằng các phương trình hàm mũ và mô hình điện trở phi tuyến kết hợp tụ điện và điện cảm.

Các khái niệm chính bao gồm: dòng điện sét, quá áp lan truyền, mô hình xung sét tiêu chuẩn, đặc tính phi tuyến của MOV, và mô hình hóa điện trở phi tuyến.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập từ tài liệu chuyên ngành, tiêu chuẩn quốc tế và trong nước về sét, thiết bị chống sét, cùng các kết quả thử nghiệm của nhà sản xuất MOV.

• Phương pháp phân tích: Phân tích lý thuyết về quá trình phóng điện sét, đặc tính thiết bị chống sét, xây dựng mô hình toán học và mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink.

• Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng: Xây dựng mô hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn dựa trên phương trình hàm mũ kép, xác định các tham số qua hàm Curve Fitting trong Matlab. Mô hình MOV trung áp và hạ áp được xây dựng với đặc tính phi tuyến, kết hợp điện trở, tụ điện và điện cảm để mô phỏng chính xác đáp ứng với xung sét.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu và xây dựng mô hình trong khoảng thời gian từ đầu năm đến tháng 7 năm 2014, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, phát triển mô hình, mô phỏng và đánh giá kết quả.

Cỡ mẫu nghiên cứu là các mô hình mô phỏng trên Matlab, được kiểm chứng bằng so sánh với dữ liệu thử nghiệm thực tế và tiêu chuẩn kỹ thuật của nhà sản xuất. Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các dạng xung sét tiêu chuẩn phổ biến và các loại MOV được sử dụng rộng rãi trong ngành điện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xây dựng thành công mô hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn: Mô hình cho phép phát các dạng xung 8/20µs, 10/350µs, 1/5µs với sai số biên độ, độ dốc đầu sóng và đuôi sóng nhỏ hơn 5%, phù hợp với tiêu chuẩn trong và ngoài nước. Ví dụ, mô phỏng xung dòng 8/20µs với biên độ 5kA cho kết quả dạng sóng chính xác, đáp ứng yêu cầu thử nghiệm thiết bị bảo vệ.

2. Phát triển mô hình MOV trung áp và hạ áp có độ chính xác cao: Mô hình MOV hạ áp được cải tiến bằng cách kết hợp điện trở phi tuyến, tụ điện song song và điện cảm nối tiếp, mô phỏng đặc tính V-I thực tế của MOV với sai số điện áp ±10%. Mô hình này phản ánh chính xác đáp ứng động của MOV với các xung sét có đầu sóng tăng nhanh.

3. Đánh giá hiệu quả bảo vệ của hệ thống chống sét lan truyền: Mô phỏng hệ thống bảo vệ quá áp trên đường dây trung áp khi sét đánh trực tiếp cho thấy việc sử dụng chống sét van hạ áp giúp giảm đáng kể điện áp dư và dòng điện sét lan truyền xuống mạng hạ áp, bảo vệ thiết bị đầu cuối hiệu quả hơn so với trường hợp không có chống sét van.

4. Phân tích đặc tính phóng điện sét và tác động đến thiết bị: Dòng điện sét có biên độ phổ biến khoảng 30kA, với xác suất xuất hiện giảm dần khi biên độ tăng lên. Cường độ hoạt động sét tại Việt Nam cao với khoảng 100 ngày dông/năm, làm tăng nguy cơ quá áp và hư hại thiết bị điện tử nhạy cảm.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn và mô hình MOV cải tiến có độ chính xác cao, phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật và dữ liệu thử nghiệm thực tế. Việc kết hợp điện trở phi tuyến, tụ điện và điện cảm trong mô hình MOV hạ áp giúp mô phỏng chính xác đáp ứng động của thiết bị với các xung sét có đầu sóng dốc cao, điều mà mô hình đơn giản trong Matlab chưa đáp ứng được.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, luận văn đã nâng cao độ chính xác mô hình và mở rộng phạm vi ứng dụng cho cả mạng trung áp và hạ áp, đặc biệt trong điều kiện thiếu phòng thí nghiệm cao áp tại Việt Nam. Việc mô phỏng hệ thống bảo vệ quá áp khi sét đánh trực tiếp vào đường dây trung áp và lan truyền qua máy biến áp cung cấp cơ sở khoa học để lựa chọn và phối hợp thiết bị chống sét hiệu quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dạng sóng xung sét, đặc tính V-I của MOV, và biểu đồ so sánh điện áp dư khi có và không có chống sét van, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả bảo vệ của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai áp dụng mô hình mô phỏng trong thiết kế hệ thống chống sét: Các đơn vị quản lý và thiết kế lưới điện nên sử dụng mô hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn và mô hình MOV cải tiến để đánh giá hiệu quả bảo vệ, từ đó lựa chọn thiết bị phù hợp nhằm giảm thiểu thiệt hại do sét gây ra. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng.

2. Nâng cao năng lực nghiên cứu và thử nghiệm trong nước: Đầu tư phát triển phòng thí nghiệm cao áp hiện đại để kiểm tra, thử nghiệm thiết bị chống sét, giảm sự phụ thuộc vào dữ liệu nước ngoài và nâng cao độ tin cậy của mô hình. Chủ thể thực hiện: Bộ ngành liên quan, các trường đại học kỹ thuật. Thời gian: 1-3 năm.

3. Tăng cường đào tạo và phổ biến kiến thức về chống sét lan truyền: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho kỹ sư điện, nhà quản lý và cán bộ kỹ thuật về nguyên lý, mô hình và ứng dụng thiết bị chống sét lan truyền nhằm nâng cao nhận thức và kỹ năng vận hành. Thời gian: liên tục hàng năm.

4. Phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp: Xây dựng phần mềm mô phỏng chuyên dụng tích hợp mô hình nguồn phát xung sét và MOV, hỗ trợ thiết kế và đánh giá hệ thống chống sét trong thực tế, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian nghiên cứu. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, doanh nghiệp công nghệ. Thời gian: 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và chuyên gia ngành điện: Nghiên cứu, thiết kế và vận hành hệ thống điện trung áp, hạ áp, đặc biệt trong lĩnh vực bảo vệ chống sét và quá áp.

2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách: Cơ quan quản lý ngành điện, các tổ chức xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy chuẩn an toàn điện, nhằm xây dựng chính sách và quy định phù hợp.

3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về mô hình hóa, mô phỏng và thiết kế thiết bị chống sét, phục vụ giảng dạy và nghiên cứu khoa học.

4. Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp thiết bị chống sét: Hỗ trợ phát triển sản phẩm, kiểm tra chất lượng và nâng cao hiệu quả bảo vệ của thiết bị chống sét lan truyền trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn có thể áp dụng cho các loại xung nào?
   Mô hình có thể phát các dạng xung không chu kỳ chuẩn như 8/20µs, 10/350µs và 1/5µs, phù hợp với các tiêu chuẩn thử nghiệm thiết bị bảo vệ quá áp và cách điện.

2. Đặc tính phi tuyến của MOV được mô phỏng như thế nào?
   Đặc tính V-I của MOV được mô phỏng bằng phương trình hàm mũ và mô hình điện trở phi tuyến kết hợp tụ điện và điện cảm, phản ánh chính xác đáp ứng động của MOV với các xung sét có đầu sóng dốc cao.

3. Tại sao cần mô hình MOV hạ áp cải tiến thay vì dùng mô hình đơn giản trong Matlab?
   Mô hình đơn giản không mô phỏng được đáp ứng động với xung sét có đầu sóng tăng nhanh, trong khi mô hình cải tiến kết hợp điện cảm và tụ điện giúp mô phỏng chính xác hơn, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật thực tế.

4. Hiệu quả bảo vệ của hệ thống chống sét lan truyền được đánh giá như thế nào?
   Qua mô phỏng, hệ thống có chống sét van hạ áp giảm đáng kể điện áp dư và dòng sét lan truyền xuống mạng hạ áp, bảo vệ thiết bị đầu cuối hiệu quả hơn so với trường hợp không có thiết bị bảo vệ.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
   Kết quả mô hình và mô phỏng có thể được sử dụng để thiết kế, lựa chọn và phối hợp thiết bị chống sét trong hệ thống điện trung áp và hạ áp, đồng thời làm cơ sở cho đào tạo và phát triển phòng thí nghiệm thử nghiệm thiết bị.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn với sai số nhỏ hơn 5%, đáp ứng yêu cầu thử nghiệm thiết bị bảo vệ quá áp.
• Phát triển mô hình MOV trung áp và hạ áp có độ chính xác cao, mô phỏng đặc tính phi tuyến và đáp ứng động với xung sét.
• Mô phỏng hệ thống bảo vệ quá áp cho thấy hiệu quả rõ rệt của chống sét van hạ áp trong việc giảm thiệt hại do sét lan truyền.
• Nghiên cứu cung cấp tài liệu tham khảo quan trọng cho ngành điện và các nhà nghiên cứu trong điều kiện thiếu phòng thí nghiệm cao áp.
• Đề xuất các giải pháp nâng cao năng lực nghiên cứu, đào tạo và ứng dụng mô hình trong thiết kế hệ thống chống sét tại Việt Nam.

Next steps: Triển khai áp dụng mô hình trong thiết kế thực tế, phát triển phòng thí nghiệm cao áp, và tổ chức đào tạo chuyên sâu về chống sét lan truyền.

Các đơn vị nghiên cứu, thiết kế và quản lý ngành điện nên tích cực ứng dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả bảo vệ hệ thống điện và thiết bị điện tử trước nguy cơ sét đánh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu. Chương 2: Tổng quan về sét. Chương 3: Mô hình các nguồn phát xung sét tiêu chuẩn. Chương 4: Mô hình chống sét van trung áp và hạ áp.

Chương 5: Biện pháp bảo vệ quá áp phía trung áp và hạ áp khi sét đánh trực tiếp vào đường dây trung áp. Chương 6: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển. Tài liệu tham khảo. HVTH: Đỗ Anh Duy -4- GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh Luan van Luận văn Thạc sỹ CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ SÉT 2.

Sự hình thành mây dông và sét Dông 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. Dông đặc trưng bởi sự xuất hiện những đám mây dông hay mây tích vũ (Cumnulonimbus) có độ dày từ 10  16 km, tích trữ một số lượng nước và tạo ra những chênh lệch điện thế cực mạnh. Về bản chất, dông là một hiện tượng khí quyển phức hợp bao gồm sự phóng điện giữa các đám mây (thường gọi là chớp) hay sự phóng điện giữa đám mây và mặt đất (thường gọi là sét) kèm theo gió mạnh và mưa lớn. Thực tế sự hình thành các cơn dông luôn gắn liền với sự xuất hiện của những luồng không khí khổng lồ từ mặt đất bốc lên.

Các luồng không khí này được tạo thành do sự đốt nóng mặt đất bởi ánh sáng mặt trời, đặc biệt ở các vùng cao (dông nhiệt), hoặc do sự gặp nhau của những luồng không khí nóng ẩm với không khí lạnh (dông Front). Sau khi đã đạt được một độ cao nhất định (khoảng vài km trở lên - vùng nhiệt độ âm- Hình 2.1) luồng không khí ẩm này bị lạnh đi, hơi nước ngưng tụ thành những giọt nhỏ li ti - hay các tinh thể băng và chúng tạo thành các đám mây dông. Từ lâu, người ta đã khẳng định về nguồn tạo ra điện trường giữa các mây dông và mặt đất chính là những điện tích tích tụ trên các hạt nước li ti và các tinh thể băng của các đám mây dông đó. Nhưng do đâu có sự nhiễm điện này của hạt nước và các tinh thể băng thì có nhiều giả thuyết khác nhau và chưa được hoàn toàn nhất trí.

Các giả thuyết này cho đến nay đều chưa giải thích được một cách triệt để về nguồn điện tích của các đám mây dông, khiến người ta nghĩ rằng trong thực tế có thể có nhiều nguyên nhân đồng thời tác động và rất phức tạp. Nhưng có một điều chắc chắn là trong suốt cơn dông, các điện tích dương và điện tích âm bị các luồng không khí mãnh liệt làm tách rời nhau gắn liền với sự phân bố các tinh thể băng tuyết trên HVTH: Đỗ Anh Duy -5- GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh Luan van Luận văn Thạc sỹ tầng đỉnh và các giọt nước ở tầng đáy của các đám mây dông. Sự tách rời điện tích này tùy thuộc vào độ cao của các đám mây. Phân bố điện tích trong đám mây dông Qua nhiều lần đo đạt thực nghiệm, người ta thấy rằng khoảng 80  90% phần dưới các đám mây dông chủ yếu chứa điện tích âm, do đó cảm ứng trên mặt đất những điện tích dương tương ứng và tạo nên một tụ điện không khí khổng lồ.

Sự phân bố điện tíchgiữa đám mây dông và mặt đất HVTH: Đỗ Anh Duy -6- GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh Luan van Luận văn Thạc sỹ Hình 2.2 chỉ rõ sự phân bố điện tích trong một đám mây và trên mặt đất. Vật nào trên mặt đất càng cao thì khoảng cách giữa vật và mây càng nhỏ và lớp không 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 dông 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 còn 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 đó độ lớn của các điện tích trái dấu nói trên sẽ tạo nên một sự chênh lệch điện thế để đánh thủng lớp không khí ngăn cách nó với mặt đất (ở mặt đất trị số này là 25  30 kV/cm), lúc này xảy ra hiện tượng phóng điện giữa đám mây dông và mặt đất. Sét thực chất là một dạng phóng điện tia lửa trong không khí với khoảng cách phóng điện rất lớn. Chiều dài trung bình của khe sét khoảng 3  5km.

Phần lớn chiều dài đó phát triển trong các đám mây dông. Quá trình phóng điện của sét tương tự quá trình phóng điện tia lửa trong điện trường rất không đồng nhất với khoảng cách phóng điện lớn.3 Sự phát triển của sóng điện sét trong đám mây dông HVTH: Đỗ Anh Duy -7- GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh Luan van Luận văn Thạc sỹ 2. Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét Ban đầu xuất phát từ mây dông một dải sáng mờ kéo dài từng đợt gián đoạn về phía mặt đất với tốc độ trung bình khoảng 105  106 m/s, đó là giai đoạn phóng điện tiên đạo từng đợt. Kênh tiên đạo là một dòng plasma mật độ điện tích không cao lắm, khoảng 1013 1014 ion/m3.

Một phần điện tích âm của mây dông tràn vào kênh và phân bố tương đối đều dọc theo chiều dài của nó (Hình 2. Thời gian phát triển của kênh tiên đạo mỗi đợt kéo dài trung bình khoảng 1s (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 lần phóng điện sét. Dưới tác dụng của điện trường tạo nên bởi điện tích của mây dông và điện tích trong kênh tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện tích trái dấu (thường là điện tích dương) trên vùng mặt đất phía dưới đám mây dông. Nếu vùng đất phía dưới bằng phẳng và có điện dẫn đồng nhất thì nơi điện tích cảm ứng tập trung sẽ nằm trực tiếp dưới kênh tiên đạo. Nếu vùng đất phía dưới có điện dẫn khác nhau thì điện tích sẽ tập trung chủ yếu 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 nhà cao tầng, cột điện, cây cao bị ướt trong mưa.

và nơi đó sẽ là nơi đổ bộ của sét. Cường độ điện trường ở đầu kênh tiên đạo trong phần lớn giai đoạn phát triển của nó (trong mây dông) được xác định bởi điện tích bản thân của kênh và của HVTH: Đỗ Anh Duy -8- GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh Luan van Luận văn Thạc sỹ điện tích tích tụ ở đám mây. Đường đi của kênh trong giai đoạn này không phụ thuộc vào tình trạng của mặt đất và các vật thể ở mặt đất. Chỉ khi kênh tiên đạo còn cách mặt đất một độ cao nào đó (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 nhô khỏi mặt đất đối với hướng phát triển tiếp tục của kênh.

Kênh sẽ phát triển theo hướng có cường độ điện trường lớn nhất. 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 Hình 2. Các giai đoạn phóng điện sét và biến thiên của dòng điện sét theo thời gian Ở những nơi vật dẫn có độ cao (nhà chọc trời, cột ăng ten, đài phát.) thì từ đỉnh của nó nơi điện tích trái dấu tập trung nhiều cũng sẽ đồng thời xuất hiện ion hóa tạo nên dòng tiên đạo phát triển hướng lên đám mây dông. 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 đánh vào vật dẫn đó. Khi kênh tiên đạo xuất phát từ mây dông tiếp cận mặt đất hay tiếp cận kênh tiên đạo ngược chiều thì bắt đầu giai đoạn phóng điện ngược lại hay phóng điện HVTH: Đỗ Anh Duy -9- GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh Luan van Luận văn Thạc sỹ chủ yếu, tương tự như các quá trình phóng điện ngược trong chất khí ở điện trường không đồng nhất (Hình 2.

Trong khoảng cách khí còn 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 hóa mãnh liệt dẫn đến sự hình thành một dòng plasma mật độ điện tích (1016 1019 ion/m3) cao hơn nhiều so với mật độ điện tích của tia tiên đạo, điện dẫn của nó tăng lên hàng trăm lần, điện tích cảm ứng từ mặt đất tràn vào dòng ngược và thực tế đầu dòng mang điện thế của đất làm cho cường độ điện trường đầu dòng tăng lên gây ion hóa mãnh liệt và cứ như vậy dòng 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 phóng ngược rất cao vào khoảng 0,5.108m/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 nóng mãnh liệt nên tia phóng điện chủ yếu sáng chói (gọi là chớp) và sự giãn nở đột ngột của không khí bao quanh phóng điện chủ yếu tạo nên những đợt sóng âm mãnh liệt gây nên những tiếng nổ chát chúa (đó là tiếng sấm). Đặc điểm quan trọng nhất của phóng điện chủ yếu là cường độ dòng điện lớn.

Nếu V là tốc độ của phóng điện,  mật độ điện tích thì dòng điện sét sẽ đạt giá trị cao nhất khi kênh phóng điện chủ yếu lên đến đám mây dông và bằng : is = V (Hình 2. Khi kênh phóng điện chủ yếu lên tới đám mây thì số điện tích còn lại của mây sẽ theo kênh phóng điện chạy xuống đất và cũng tạo nên ở chỗ sét đánh một dòng điện có trị số nhất định giảm nhanh tương ứng với phần đuôi sóng (Hình 2. Kết quả quan trắc sét cho thấy rằng phóng điện sét thường xảy ra nhiều lần kế tục nhau trung bình là 3 lần, nhiều nhất có thể đến vài chục lần (Hình 2.