CHƯƠNG I Hình 1.1: Quá trình hình thành sét a)Hình thành mây giông với những vùng mang điện tích trái dấu b)Dòng tiên đạo phát triển GIỚI THIỆU 1.1 Hiện tượng sét đánh Sét là một dạng phóng tia lửa điện trong không khí với khoảng cách rất lớn. Quá trình phóng điện có thể xảy ra trong đám mây giông, giữa các đám mây với nhau và giữa đám mây với đất. Ở đây ta chỉ xét sự phóng điện giữa mây và đất. Sau khi đạt độ cao nhất định (khoảng vài kilômet trở lên, vùng nhiệt độ âm) luồng không khí ẩm này bị lạnh đi, hơi nước ngưng tụ thành những giọt nước li ti hoặc thành các tinh thể băng và tạo thành các đám mây giông.
Sét là sự phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây với đất, hay giữa các đám mây mang điện tích khác dấu. Trước khi có sự phóng điện của sét đã có sự phân chia và tích lũy rất mạnh điện tích trong các đám mây do tác động của các luồng không khí nóng bốc lên và ngưng tụ trong đám mây. Các đám mây mang điện là kết quả của sự phân chia điện tích trái dấu và tập trung chúng trong các phần khác nhau của đám mây. Phần dưới của đám mây giông thường có điện tích âm, các đám mây cùng với đất tạo thành các tụ điện mây – đất, phần trên của các đám mây thường tích điện dương.
Thông thường, điện tích âm tập trung trong một khu vực hẹp với mật độ cao hơn, còn điện tích dương phân bố rải rác ở xung quanh, chủ yếu ở phía trên khu vực có điện tích âm. Quá trình tập trung điện tích sẽ làm cho cường độ điện trường của tụ điện mây – đất tăng dần và nếu tại điểm nào đó đạt tới trị số tới hạn 25 30 kV/cm thì không khí bị ion hoá và bắt đầu trở nên dẫn điện. * Sự phóng điện của sét chia làm 3 giai đoạn: + Phóng điện giữa các đám mây giông và đất được bắt đầu bằng sự xuất hiện của một dòng tiên đạo phát triển xuống đất và chuyển động thành từng đợt với tốc độ 100 ¿ 1000 km/s. Dòng này mang phần lớn điện tích của đám mây, tạo nên ở đầu cực một điện thế rất cao, có thể đạt hàng triệu vôn.
Giai đoạn này được gọi là phóng điện tiên đạo từng bậc. + Khi dòng tiên đạo vừa phát triển xuống tới đất hay các vật dẫn điện nối với đất thì giai đoạn hai bắt đầu, đó là giai đoạn phóng điện chủ yếu của sét. Trong giai đoạn này, các điện tích dương của đất di chuyển có hướng từ đất theo dòng tiên đạo với tốc độ lớn 6.104 ¿ 10 5 km/s chạy lên trung hòa các điện tích âm của dòng tiên đạo. Sự phóng điện chủ yếu này được đặc trưng bằng dòng điện lớn qua chỗ sét đánh gọi là dòng điện sét và sự lóe sáng mãnh liệt của dòng phóng điện.
Không khí trong vùng phóng điện được đốt nóng đến nhiệt độ 10000O C và dãn nở rất nhanh tạo nên sóng âm thanh. + Trong giai đoạn phóng điện thứ ba của sét sẽ kết thúc sự di chuyển các điện tích của mây mà từ đó bắt đầu phóng điện và sự lóe sáng dần dần biến mất. Thông thường, phóng điện của sét bao gồm một loạt phóng điện liên tiếp nhau do sự dịch chuyển điện tích từ các phần khác nhau của đám mây. Tiên đạo của những lần phóng sau đi theo dòng đã bị ion hóa ban đầu vì vậy chúng phát triển liên tục và được gọi là tiên đạo dạng mũi tên.
Biên độ của dòng điện sét không vượt quá 200 ¿ 300 kA, rất hiếm trường hợp dòng điện sét bằng và lớn hơn 100 kA. Do đó theo tầm quan trọng của vật được bảo vệ, trong tính toán thường lấy giá trị dòng điện sét từ 50 ¿ 100 kA. Độ dốc cực đại của đầu sóng dòng điện sét thường không vượt quá 50 kA/μs. Biên độ dòng điện sét lớn thì độ dốc đầu sóng cũng lớn, do đó với dòng điện tính toán 100 kA và lớn hơn thường lấy độ dốc đầu sóng trung bình là 30 kA/μs, còn khi dòng điện sét tính toán nhỏ hơn 100 kA thường lấy độ dốc đầu sóng là 10 kA/μs.
Hiện tượng quá điện áp khí quyển phát sinh khi sét đánh trực tiếp vào các vật đặt ngoài trời (đường dây tải điện, thiết bị phân phối ngoài trời) cũng như khi sét đánh gần các công trình điện. Quá điện áp do bị sét đánh trực tiếp là nguy hiểm nhất. Đặc điểm của quá điện áp khí quyển là tính chất ngắn hạn của nó. Phóng điện của sét chỉ kéo dài trong vài chục μs và điện áp tăng cao có đặc tính xung.
Mỗi cấp điện áp có mức cách điện của nó, dùng mức cách điện cao một cách quá mức sẽ làm tăng giá thành thiết bị, còn nếu hạ thấp mức cách điện có thể dẫn đến sự cố nặng. Do đó mức cách điện phải được xác định tùy theo đặc tính và trị số quá điện áp có thể có, các tham số của thiết bị dùng để hạn chế điện áp. Khả năng của cách điện chịu được quá điện áp khí quyển được xác định theo điện áp thí nghiệm xung kích. Các thiết bị điện được bảo vệ quá điện áp khí quyển bằng hệ thống cột và dây chống sét, giữ cho đối tượng được bảo vệ không bị sét đánh trực tiếp, còn các thiết bị chống sét khác có tác dụng hạ thấp quá điện áp phát sinh trong thiết bị đến trị số thấp hơn điện áp thí nghiệm.
Những nguyên tắc bảo vệ thiết bị nhờ cột thu sét (hay còn gọi là cột thu lôi) đó hầu như không thay đổi từ những năm 1750 khi Bejanmin Franklin kiến nghị thực hiện bằng một cột cao đỉnh nhọn bằng kim loại được nối với hệ thống nối đất. Trong quá trình thực hiện, người ta đã nghiên cứu và đưa đến những kiến thức khá chính xác về hướng đánh trực tiếp của sét, về bảo vệ cột thu sét và thực hiện hệ thống nối đất. Khi có một đám mây mang điện tích đi qua trên đỉnh một kim thu sét (có chiều cao tương đối so với mặt đất và có điện thế bằng điện thế đất, xem như bằng không) nhờ có cảm ứng tĩnh điện thì đỉnh cột kim thu lôi sẽ nạp đầy điện tích dương. Do đỉnh cột thu lôi nhọn nên cường độ điện trường trong vùng này khá lớn.
Điều này dễ dàng tạo nên một kênh phóng điện từ đầu cột thu lôi đến đám mây điện tích trái dấu (âm) do đó sẽ có dòng điện phóng từ đám mây xuống đất. Sét đánh theo qui luật xác suất và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, do vậy việc xác định chính xác hướng đánh của sét hết sức khó khăn và không thể đảm bảo chính xác 100 % được. Những nghiên cứu tỉ mỉ về chống sét cho thấy rằng điều quan trọng là chiều cao của thu lôi chống sét và hệ thống nối đất đảm bảo.2 Các tác hại do sét gây ra Khi sét đánh trực tiếp, do năng lượng của một cú sét lớn nên sức phá hoại của nó cũng rất lớn. Khi một công trình bị sét đánh trực tiếp có thể bị ảnh hưởng đến độ bền cơ học, cơ khí của các thiết bị trong công trình, nó có thể phá hủy công trình, gây cháy nổ… trong đó: + Biên độ dòng sét ảnh hưởng đến quá điện áp xung quanh và ảnh hưởng đến độ bền cơ khí của các thiết bị trong công trình.
+ Thời gian xung sét ảnh hưởng đến vấn đề quá điện áp xung trên các thiết bị, ảnh hưởng đến độ bền cơ học của các thiết bị hay công trình bị sét đánh. + Ngoài ra khả năng bị cháy nổ cũng xảy ra rất cao đối với công trình bị sét đánh trực tiếp. Đối với người và các súc vật, sét nguy hiểm trước hết như một nguồn điện cao áp và dòng lớn. Như chúng ta đã biết, chỉ cần một dòng điện rất nhỏ khoảng vài chục mA đi qua cũng có thể gây chết người.
Vì thế, dễ hiểu tại sao khi bị sét đánh trực tiếp người thường bị chết ngay. Nhiều khi sét không phóng trực tiếp cũng gây nguy hiểm. Lý do là khi dòng điện sét đi qua một vật nối đất, nó gây nên một sự chênh lệch điện thế khá lớn tại những vùng đất gần nhau. Khi người hoặc gia súc trú mưa khi có giông dưới các cây cao ngoài cánh đồng, nếu cây bị sét đánh thì có thể điện áp bước sẽ gây ra nguy hiểm cho người hoặc gia súc.
Trong thực tế đã có những trường hợp hàng trăm con bò bị chết vì sét đánh. Dòng sét có nhiệt độ rất lớn, khi phóng vào các vật cháy được như mái nhà tranh, gỗ khô… nó có thể gây nên đám cháy lớn. Điểm này cần đặc biệt chú ý đối với việc bảo vệ các kho nhiên liệu và các vật liệu dễ nổ. Sét còn có thể phá hủy về mặt cơ học, đã có nhiều trường hợp các tháp cao, cây cối bị nổ tung.
Vì khi dòng sét đi qua nung nóng phần lõi, hơi nước bốc ra quá nhanh và phá vỡ tháp, thân cây. Nếu các công trình nối liền với các vật dẫn điện kéo dài như: đường dây điện, dây điện thoại, đường ray, ống nước,… những vật dẫn ấy có thể mang điện thế cao từ xa tới (khi chúng bị sét đánh) và gây nguy hiểm cho người hoặc các vật dễ cháy nổ. Cần chú ý là điện áp có thể cảm ứng trên các vật dẫn (cảm ứng tĩnh điện, hoặc các dây dài tạo thành những mạch vòng cảm ứng điện từ) khi có phóng điện sét ở gần. Điện áp này có thể lên đến hàng chục kV và do đó rất nguy hiểm.
Ảnh hưởng do sự lan truyền sóng điện từ gây bởi dòng điện sét: khi xảy ra phóng điện sét sẽ gây ra một sóng điện từ tỏa ra xung quanh với tốc độ rất lớn, trong không khí tốc độ của nó tương đương với tốc độ ánh sáng. Sóng điện từ truyền vào công trình theo các đường dây điện lực, thông tin… gây quá điện áp tác dụng lên các thiết bị trong công trình, gây hư hỏng đặc biệt đối với các thiết bị nhạy cảm, thiết bị điện tử, máy tính cũng như mạng máy tính… gây ra thiệt hại rất lớn. Như vậy, sét có thể gây nguy hiểm trực tiếp và gián tiếp nên chúng ta cần phải nghiên cứu cách bảo vệ trực tiếp và gián tiếp đối với sét.