CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH DÔNG SÉT VÀ PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ CHỐNG SÉT CẤP 2 CHO TRẠM BIẾN ÁP I. Cơ chế hình thành và phát triển dông sét. Quá trình hình thành các đám mây điện và phóng điện sét đã được nghiên cứu từ năm 1730-1752 bởi Thomas-François Dalibard (Pháp) và Benjamin Franklin (Mỹ).
Tuy nhiên, hiện tượng tự nhiên phức tạp và mang tính ngẫu nhiên này đến nay là vấn đề khó khăn đối với các nhà khoa học. Cơ chế hình thành đám mây dông và đám mây điện là do bề mặt trái đất và lớp khí quyển gần mặt đất bị hâm nóng thường xuyên bởi năng lượng của ánh sáng mặt trời, gia tăng quá trình bốc hơi nước trên bề mặt và mất ổn định không khí. Sự hấp thụ nhiệt của không khí một phần từ năng lượng bức xạ trực tiếp của ánh sáng mặt trời và một phần lớn phản xạ từ phía mặt đất. Điều này có thể lý giải tại sao các cơn dông bão xảy ra ở lục địa (khoảng 80%) nhiều hơn đại dương (20%).
Các đám mây này thường được hình thành ở độ cao trên 1 km so với mặt đất và ở nhiệt độ gần 0oC khi các hạt nước bắt đầu đóng băng. Tuy nhiên, các đám mây này chưa được tích điện đến mức có thể tạo ra các phóng điện sét. Quá trình hình thành đám mây dông 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Những cơn dông được hình thành từ sự mất ổn định trong một khoảng thời gian ngắn của những vùng không khí nóng ẩm và vùng không khí lạnh chuyển động đối lưu do có sự chênh lệch mạnh về nhiệt độ. Trong quá trình chuyển động đối lưu, dòng không khí lạnh có xu hướng đi xuống và dòng không khí nóng ẩm có xu hướng bị đẩy lên trên tạo thành cột hay tháp như Hình 1.
Trong quá trình chuyển động dòng không khí nóng liên tục giải phóng lượng (dưới dạng nhiệt ẩn hóa hơi) làm cho nó càng bị đẩy lên phía trên và làm tăng thêm sự mất ổn định. Tháp mây có kích thước khá lớn với độ cao trung bình từ 3 km tới 10 km và có một số ít trường hợp tới 20 km tính từ mặt đất, đường kính tới 4 km, nhiệt độ từ 0oC tới -40oC, tốc độ di chuyển ở phía dưới khoảng từ 5 đến 10 m/giây và trên đỉnh đạt khoảng 30 m/giây [11]. Vùng hoạt động của cơn bão kéo dài tới hàng trăm kilometre. Năng lượng tích lũy trong các đám mây dông chủ yếu là nhiệt ẩn hóa hơi.
Trong một trường hợp điển hình, người ta đo được năng lượng của cơn bão vào khoảng 100 kWh, tương đương với một vụ nổ 20 kiloton nguyên tử. Tuy nhiên, mức năng lượng còn tùy thuộc vào quy mô của cơn bão và năng lượng tích lũy trước đó, có thể lớn hơn 10 đến 100 lần số liệu trên. Sự phân bố điện tích trong đám mây Các điện tử tự do, các ion âm và dương luôn tồn tại sẵn có trong không khí, do có sự ion hóa liên tục bởi các tia vũ trụ, bức xạ nhiệt của tia mặt trời, do va chạm v. Hơn nữa, trong quá trình chuyển động đối lưu mạnh và sự phân ly của các hạt nước lớn siêu lạnh và các tinh thể băng do va chạm thành các hạt nước nhỏ, quá trình đứt 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com gãy liên kết như vậy sẽ sản sinh ra nhiều các điện tử dư và các ion dương hơn trong đám mây hơn.
Các điện tích âm được tích lũy trong các hạt tuyết (graupel - hạt nước bị đông lạnh và liên kết với tinh thể băng) có xu hướng phân bố trong vùng có nhiệt độ khoảng từ -5 oC đến -15 oC. Còn các ion dương có xu hướng tích lũy trong các tinh thể băng nhỏ ở phía trên (đa phần) và phía dưới (một phần nhỏ) của tháp mây dông, trong vùng có nhiệt độ tương ứng khoảng -15 oC đến -40 oC và -5 oC. Sự hình thành như vậy được gọi là đám mây điện (Hình 1. 2), và sự tập trung các điện tích trái dấu hình các đám mây dông phân cực với cường độ điện trường cao, khoảng 400 kV/m.
Những nghiên cứu và giải thích cấu trúc của đám mây điện được cho là những đám mây có kích thước lớn hơn và nặng hơn có xu hướng tích điện âm, nên thường phân bố ở vùng giữa và phía dưới của đám mây dông. Ngược lại, các thành phần nhỏ và nhẹ hơn tích lũy điện tích dương bị đẩy lên trên và một phần nhỏ bị đẩy xuống phía dưới. Cơ chế phân bố này cũng phù hợp với các thực nghiệm trong phòng thí nghiệm của G. Simpson và Scrase F.
Sự tích lũy các điện tử và điện tích dương của đám mây sẽ kéo theo sự tập trung các điện tích trái dấu phía dưới mặt đất với mật độ lớn. Khi cường độ điện trường đạt tới khoảng từ 1000 kV/m đến 3000 kV/m [13] sẽ xảy ra phóng điện giữa các vùng tích điện trái dấu trong nội bộ đám mây điện, các đám mây điện khác dấu hoặc đám mây điện với mặt đất. Quá trình hình thành phóng điện sét. Phóng điện sét có thể xẩy ra giữa các đám mây điện khác dấu với nhau, các đám mây điện với cấu trúc cao hay các phóng điện phát triển về phía mặt đất thường được gọi là sét (lightning).
Phóng điện sét xuống đất có thể là phóng điện âm có thể là phóng điện dương. Mỗi đợt phóng điện sét hoàn thành được phân chia thành nhiều giai đoạn phát triển phóng điện, thông thường từ 3-5 giai đoạn. Giai đoạn phóng điện tiên đạo bước Trong giai đoạn đầu của phóng điện sét được gọi là phóng điện tiên đạo bước (Stepped leader) thường được hình thành qua 2 bước. Trước tiên, sự tập trung các điện tích đủ lớn để gây ion hóa mạnh lớp không khí xung quanh trung tâm điện tích đám mây, sau đó phát triển thành tiên đạo bước (Hình 1.
Phía đầu tia tiên đạo được nối với các trung tâm điện tích của đám mây, điện dẫn của dòng tiên đạo rất lớn vì vậy điện trường phía đầu tia tiên đạo bằng với điện trường của đám mây. Điện thế 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đầu tia tiên đạo khoảng 50 000 kV, dòng điện tiên đạo tương đối nhỏ khoảng 100 A [14], tốc độ từ 105–2. Dòng phóng điện là dòng Plasma tiếp tục phát triển nhanh và hướng về phía mặt đất (Hình 1. 3b), khi khoảng cách giữa đầu tia tiên đạo cách mặt đất khoảng vài trăm mét, cường độ điện trường giữa đầu tia tiên đạo và mặt đất tăng mạnh gây ion hóa không khí mạnh mẽ, hình thành dòng phóng điện từ phía mặt đất lên phía đám mây.
Phóng điện ngược Giai đoạn thứ hai của quá trình hình thành phóng điện sét là phóng điện ngược. Khi tia tiên đạo gây ion hóa mạnh khoảng không khí gần mặt đất sẽ xuất hiện dòng điện phóng điện ngược từ phía mặt đất lên đám mây (Hình 1. Dòng phóng điện ngược có giá trị trung bình là 24 kA [17]. Vận tốc của phóng điện ngược bằng khoảng 0,1 lần tốc độ ánh sáng (khoảng 3.107 m/giây), phụ thuộc vào điều kiện khí hậu.
Phóng điện sét kết thúc khi dòng plasma nối liền giữa đám mây điện với đất tạo thành kênh sét. Trong giai đoạn này đa số các điện tích âm của đám mây chuyển động về phía mặt đất và ngược lại các điện tích dương chuyển động từ phía mặt đất lên đám mây theo xu hướng trung hòa về điện tích, tạo lên dòng điện sét tại nơi bị sét đánh. Lượng điện tích từ đám mây theo kênh sét đi vào trong đất bằng với lượng điện tích trái dấu chuyển động về phía đám mây. Phóng Quá trình điện kết nối ngược a) b) c) d) e) Phóng Tiên đạo điện lặp mũi nhọn lại f) g) h) Hình 1.
Các giai đoạn phóng điện sét từ đám mây xuống đất 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Phóng điện sét là loại phóng điện tia lửa không liên tục và có thời gian dừng giữa các giai đoạn phóng điện. Trong một đợt sét có thể xuất hiện nhiều lần phóng điện kế tiếp hay được gọi là phóng điện lặp lại (Hình 1. 3f, g, h) phát triển trên cùng kênh sét ban đầu. Theo Wagner thì có tới 55% số lần phóng điện sét có phóng điện lặp lại, tốc độ lan truyền của tia tiên đạo lặp lại bằng từ 1% tới 3% tốc độ ánh sáng và thường được gọi là tiên đạo mũi nhọn (dart leader).
Tiên đạo mũi nhọn phát triển sau tia tiên đạo ban đầu một khoảng thời gian từ 0,01 giây tới 0,1 giây. Khi tiên đạo mũi nhọn phát triển gần tới mặt đất sẽ có dòng phóng điện ngược phát triển từ dưới mặt đất lên. Dòng điện này thường chỉ bằng 40% dòng sét ban đầu. Theo thống kê thì dòng điện sét biến thiên trong một phạm vi khá rộng từ khoảng 2 kA tới trên 270 kA.
Nhiệt độ lớn nhất trong kênh sét đạt tới 30.000 oC, gấp 5 lần nhiệt độ của bề mặt mặt trời. Tốc độ của phát triển khoảng từ 5. Có tới 75 % các phóng điện xẩy ra trong nội bộ đám mây và giữa các đám mây điện. Khoảng 85 tới 95 % các lần phóng điện xuống đất đám mây mang điện tích âm [18, 19].
Chiều dài kênh sét trung bình khoảng từ 5 km đến 6 km [20]. 4 là hình ảnh được quan sát một phóng điện sét bằng máy ghi hình tốc độ cao [21]. Đám mây điện Tiên đạo Tiên đạo mũi Tia tiên mũi nhọn nhọn đạo bước Phóng điện Phóng điện ngược ngược Mặt đất Dòng điện do phía mặt đất Thời gian Hình 1. Quá trình hình thành của sét được ghi lại bằng camera tốc độ cao 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Tham số của phóng điện sét ảnh hưởng tới hệ thống điện Tham số của phóng điện sét là một số liệu mang tính ngẫu nhiên, nó phản ánh các cơ chế hình thành và phóng điện của những trường hợp cụ thể. Nghĩa là, nó phụ thuộc vào quá trình và qui mô hình thành đám mây điện, đặc thù vùng khí hậu, cũng như khả năng tập trung điện tích trái dấu phía mặt đất. Như vậy, tham số của phóng điện sét chỉ được xác định qua những số liệu thống kê bằng cách đo đạc nhiều năm trên thực địa và từ đó xây dựng những hàm thống kê để tính toán một cách gần đúng nhất. Khoảng cách sét đánh Khi tia tiên đạo sét phát triển về phía mặt đất tới một độ cao nhất định (thường gọi là điểm định hướng), tia tiên đạo sẽ hướng tới điểm tập trung các điện tích trái dấu phía mặt đất (điểm bị sét đánh).