mở đầu cho quá trình phóng điện sét phát triển giữa mây dông và mặt đất. Thoạt tiên 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. Đấy là giai đoạn phóng điện tiền đạo từng đợt được gọi là tiên đạo bậc (stepped leader). 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 của nó (Hình 1.3 Các giai đoạn phóng điện sét và biến thiên của dòng điện sét theo thời gian: a) Giai đoạn phóng điện tiên đạo (1) b) Tia tiền đạo đến gần mặt đất, hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt (2). c) Giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu (3) d) Giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu (3) Thời gian phát triển của tia tiền đạo mỗi đợt kéo dài trung bình khoảng 1µs, tương ứng tia tiền đạo kéo dài trung bình được khoảng vài chục mét đến bốn năm chục mét. Thời gian tạm ngừng phát triển giữa hai đợt liên tiếp khoảng 30÷90µs. Điện tích âm từ mây tràn vào kênh tiên đạo bằng Q = σl với 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 âm của mây dông và điện tích âm trong kênh tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện tích cảm ứng trái dấu (điện tích dương) trên vùng mặt đát phía dưới đám mây dông. Nếu 10 vùng đất phía dưới có điện dẫn đồng nhất thì nơi điện tích tập trung sẽ nằm trực tiếp dưới kênh tiên đạo. Nếu vùng đất phía dưới có điện dẫn khác nhau thì điện tích cảm ứng 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 thường 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 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, phương có cường độ điện trường cao nhất phụ thuộc vào nhiều nhân tố ngẫu nhiên phức tạp. Chỉ khi kênh tiền đạo còn cách mặt đất một độ cao nào đó (độ cao định hướng), thì mới thấy rõ dần ảnh hưởng của sự tập trung điện tích ở mặt đất và ở các vật dẫn 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.
Như vậy vị trí đổ bộ của sét mang tính chọn lọc. Trong kỹ thuật người ta đã lợi dụng tính chọn lọc đó để bảo vệ chống sét đánh thẳng cho các công trình, bằng cách dùng các thanh hoặc dây thu sét bằng kim loại được nối đất tốt, đặt cao hơn công trình cần bảo vệ để hướng sét phóng vào đó, hạn chế khả năng sét đánh vào công trình. Ở những vật dẫn có độ cao lớn như các nhà chọc trời, cột điện đường dây cao áp, cột anten các đài thu phát thanh, truyền hình, bưu điện…thì từ đỉnh của nó, nơi điện tích trái dấu tập trung nhiều làm cho cường độ trường cục bộ tăng cao cũng sẽ đồng thời xuất hiện ion hoá không khí, tạo nên dòng điện tiên đạo phát triển hướng lên đám mây dông. Chiều dài của kênh tiền đạo từ dưới lên này tăng theo độ cao của vật dẫn, có thể đạt đến độ cao một vài trăm mé và tạo điều kiện dễ dàng cho sự định hướng của sét vào vật dẫn đó.
Quá trình này thường được gọi là quá trình phóng điện đón sét. Nhưng đầu thu sét thế hệ mới xuất hiện vào những năm của thập kỷ 80 và 90 thế kỷ 20 chính là đã ứng dụng hiệu ứng này để tăng khả năng đón bắt kênh tiên đạo từ trên mây dông xuống, hạn chế xác suất sét đánh vào công trình được bảo vệ. Khi kênh tiên đạo xuất phát từ mây dông tiếp cận mặt đất (thời gian vào khoảng 20ms) hoặc tiếp cận kênh tiên đạo ngược chiều, thì bắt đầu giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu, tương tự như các quá trình phóng điện ngược trong chất khí ở điện trường không đồng nhất (Hình 1. Trong khoảng cách khí ở còn lại giữa đầu kênh tiên đạo và mặt đất (hoặc giữa hai đầu kênh tiên đạo ngược chiều) cường độ điện trường tăng cao gây nên ion hoá mãnh liệt không khí, dẫn đến sự hình thành một dòng plasma mới, có mật độ điện tích cao hơn nhiêu so với mật độ điện tích của kênh tiên đạo (1016 ÷ 1019 ion/m3 ), điện dẫn của nó tăng lên hàng trăm, hàng ngàn lần, điện tích cảm ứng từ mặt đất tràn vào dòng ngược này trung hoà điện tích âm của kênh tiên đạo trước đây và thực tế đầu dòng mang điện thế của đất, làm cho cường độ điện trường ở khu vực tiếp giáp của hai dòng plasma ngược chiều nhau tăng lên gây ion hoá mãnh liệt không khí ở khu vực này và như vậy đầu dòng plasma điện dẫn cao tiếp tục phát triển ngược lên trên theo đường đã 11 được dọn sẵn bởi kênh tiên đạo.
Tốc độ của kênh phóng điện ngược vào khoảng 1,5x107 ÷1,5x108 m/sét (bằng 0,05÷0,5 tốc độ ánh sáng) tức là nhanh gấp trên trăm lần tốc độ phát triển của dòng tiên đạo (Hình 1. Vì mật độ điện tích cao đốt nóng mãnh liệt nên kênh phóng điện chủ yếu sáng chói chang (đó chính là tia chớp). Nhiệt độ trong kênh phóng điện có thể đến vài ba chục ngàn o C, gấp vài ba lần nhiệt độ trên bề mặt mặt trời. Và sự dãn nở đột ngột của không khí bao quang kênh 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 củ yếu là cường độ dòng lớn. nếu v là tốc độ của phóng điện chủ yếu và σ là mật độ đường của điện tích thì dòng điện sét sẽ đạt giá trị cao nhất khi kênh phóng điện chủ yếu lên đến đám mây đong và bằng Is = σ. Đó chính là dòng ngắn mạch khoảng cách khí giữa mây-đất, có trị số từ vài kA đến trên vài trăm kA. Giai đoạn kết thúc được đánh dấu khi kênh phóng điện chủ yếu lên tới đám mây, điện tích cảm ứng từ đất theo lên, tràn vào và trung hoà với điện tích âm của nó, một phần nhỏ của 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 giảm dần tương ứng phần đuôi sóng sét.
Dự toả sáng mờ dần. Trong 50% các trường hợp, sự tháo điện tích xuống đất này tạo nên một dòng không đổi khoảng 100A, kéo dài có thể đến 0,1s. Kết quả quan trắc sét cho thấy rằng, một cơn sét thường gồm nhiều phần phóng điện kế tiếp nhau, trung bình là ba lần, nhiều nhất có thể đến vài ba chục lần. Thời gian giữa các lần phóng điện kế tiếp nhau trung bình khoảng 30 ÷50ms, nhưng có thể kéo dài đến 0,1s nếu có dòng không đổi trong giai đoạn kết thúc.
Các lần phóng điện sau có dòng tiên đạo phát triển liên tục (không phải từng đợt như lần đầu), không phân nhánh và theo đúng quỹ đạo của lần đầu nhưng với tốc độ cao hơn(2.106 m/s), thường gọi là tiên đạo hình kim (needle leader) cũng còn có tên gọi là tiên đạo hình mũi tên (dart leader). Mỗi lần phóng điện tạo lên một xung dòng sét. Các xung sét sau thường có biên độ bé hơn, nhưng độ dốc đầu sóng cao hơn nhiều so với xung đầu tiên. Một cơn sét có thể kéo dài đến 1,33s.4: Quá trình phát triển của phóng điện sét Sự phóng điện nhiều lần của sét được giải thích như sau: Đám mây dông có thể có nhiều trung tâm điện tích khác nhau, hình thành do các dòng không khí xoáy trong mây.
Lần phóng điện đầu tiên dĩ nhiên sẽ xảy ra giữa đất và trung tâm điện tích có cường độ điện trường cao nhất. Trong giai đoạn phóng điện tiên đạo thì hiệu thế của trung tâm điện tích này với các trung tâm điện tích khác kế cận thực tế không thay đổi đáng kể và ít có ảnh hưởng qua lại giữa chúng. Nhưng khi kênh phóng 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 phóng với các trung tâm điện tích lân cận tăng lên và có thể dẫn đến phóng điện giữ chúng với nhau. Trong khi đó thì kênh phóng điện cũ vẫn còn một điện dẫn nhất định do sự khử ion chưa hoàn toàn, nên phóng điện tiên đạo lần sau theo đúng quỹ đạo đó, liên tục và với tốc độ cao hơn lần đầu.
Phóng điện sét cũng có thể xảy ra giữa các đám mấy mang điện tích khác nhau hoặc giữa các trung tâm điện tích của một đám mây lưỡng cực, tuy nhiên quá điện áp trong hệ thống điện, hoả hoạn hoặc hư hỏng các công trình trên mặt đất chỉ xảy ra khi có phóng điện sét về phía mặt đất. Vì vậy, ở đây chỉ xét đến sét giữa mây dông và mặt đất cùng tác hại của nó đối với hệ thống điện.2 Các tham số chủ yếu của sét Dòng điện sét như hình 2.1 có dạng một sóng xung. Trung bình trong khoảng vài ba micro giây, dòng điện tăng nhanh đến trị số cực đại tạo nên phần đầu sóng và sau đó giảm xuống chầm chậm trong khoảng 20 ÷ 100µs, tạo nên phần đuôi sóng 13 Hình 2.1: Dạng dòng điện sét Sự lan truyền sóng điện từ tạo nên bởi dòng điện sét gây nên quá điện áp trong hệ thống điện, do đó cần phải biết những tham số chủ yếu của nó: - Biên độ dòng sét với xác suất xuất hiện của nó - Độ dốc đầu sóng dòng điện sét hoặc thời gian đầu sóng τđs với xác suất xuất hiện của nó. - Độ dài sóng dòng điện sét τs (tức thời gian cho đến khi dòng sét giảm bằng 1/2 biên độ của nó).
- Cực tính dòng điện sét.