Sét và các đặc điểm của sét

[hothang]

Sét (hay còn gọi là sự phóng điện dông) là một nguồn điện từ mạnh phổ biến nhất xảy ra trong tự nhiên. Nguyên nhân làm xuất hiện sét là do sự hình thành các điện tích khối lớn. Nguồn sét chính là các đám mây mưa dông mang điện tích dương và âm ở các phần trên và dưới của đám mây. Chúng tạo ra xung quanh đám mây này một điện trường có cường độ lớn.

Trong quá trình tích lũy các điện tích trái dấu, một điện trường có cường độ luôn được gia tăng hình thành xung quanh đám mây. Khi điện thế ở một điểm bất kỳ của đám mây đạt giá trị tới hạn vượt quá ngưỡng cách điện của không khí (với áp lực khí quyển bình thường khoảng 3.106 V/m), ở đó xảy ra sự đánh xuyên hay còn gọi là sét tiên đạo.

Theo ước tính trong mỗi giây đồng hồ có khoảng một trăm sét đánh xuống mặt đất. Sét gây ra các tai nạn cho con người, phá hoại các công trình xây dựng, năng lượng điện, hàng không, thiết bị điện tử, các đài, trạm quan sát tự động, các hệ thống thông tin liên lạc, trạm viễn thông,.v.v.

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của kỹ thuật hiện đại thì sự phá hoại của sét ngày càng tăng.

Theo báo cáo và khảo sát thống kê các hư hỏng do sét gây ra đối với các công trình viễn thông là cực kỳ nghiêm trọng : làm chết và bị thương hàng trăm người, phá hỏng hàng chục máy biến áp (trong đó có trên 11 trạm biến áp có công suất từ 100kA đến 180kA), gây hư hỏng nghiêm trọng cho hệ thống chuyển mạch và truyền dẫn của tổng công ty Bưu chính viễn thông Việt Nam

Tháng 5/2000 sét đánh vào đường dây cung cấp trung thế AC gây hỏng thiết bị chống sét phần hạ áp của trạm biến thế, dòng sét cảm ứng vào cáp điện thoại, cáp trung kế từ chuyển mạch sang truyền dẫn gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho các card nguồn, card trung kế, và card thuê bao hệ thống tổng đài NEAX 61S tại trạm HOST Phủ Lý Hà Nam.
Vào cuối tháng 10/2000 sét đánh gây hỏng 5 Card Modem trạm VMS2 thiệt hại ước tính 3000Dolas.v.v.

Các đặc điểm cơ bản của sét:

-Trị số điện tích mang.
-Dòng điện trong kênh sét.
-Số sét lặp lại trong một kênh sét.
-Cường độ hoạt động của dông sét.

Dòng sét chảy trên các dây dẫn làm nóng các dây dẫn do tác dụng nhiệt năng, đặc biệt là ở những chổ tiếp xúc kém và lực tác động cũng rất lớn.


Theo vutranthuan.blogspot.com

[hothang]

http://www.thunderstorm.org.vn/con_imgs/img_02.jpg

Dông là hiện tượng thời tiết kèm theo sấm, chớp xảy ra. Cơn dông được hình thành khi có khối không khí nóng ẩm chuyển động thăng. Cơn dông có thể kéo dài từ 30 phút đến 12 tiếng và có thể trải rộng từ vài chục đến hàng trăm km.

Trong giai đoạn đầu phát triển của cơn dông, khối không khí nóng ẩm chuyển động lên trên. Sự phân chia điện tích trong mây dông gây bởi chuyển động thẳng đứng trong đám mây. Sự phân bố điện tích trong đám mây khá phức tạp. Khảo sát thực nghiệm cho thấy, thông thường mây dông có kết cấu như sau: vùng điện tích âm chính nằm ở khu vực độ cao 6 km, vùng điện tích dương ở phần trên đám mây ở độ cao 8-12km và một khối điện tích dương nhỏ phía dưới chân mây.

Khi các vùng điện tích đủ mạnh sẽ xảy ra phóng điện sét. Phóng điện có thể xảy ra trong một đám mây giữa các vùng điện tích trái dấu, xảy ra giữa các đám mây với nhau hoặc giữa mây với đất.

Sét gây tác hại cho con người khi nó đánh xuống đất. Trong loại sét đánh xuống đất người ta phân chúng ra làm hai loại: sét âm và sét dương; sét âm (90%) chủ yếu xuất hiện từ phần dưới đám mây đánh xuống đất. Sét dương thường xuất hiện từ trên đỉnh đám mây đánh xuống. Loại sét dương này xuất hiện bất ngờ và đôi khi rất nguy hiểm vì trời vẫn quang và phần dưới chưa mưa.

Quá trình trung hoà và tái tạo điện tích xảy ra liên tục trong cơn dông.

Sấm là tiếng động do kênh sét đốt nóng không khí. Khi không khí nở ra rất nhanh, nó gây ra tiếng động. Ta có thể nghe thấy sấm trong vòng bán kính 20 -25km.

Cơn dông có thể ví như một nhà máy phát điện nhỏ công suất vài trăm megavat. Điện thế có thể đạt hàng 1 tỷ vôn và và dòng điện 10- 200kAmper. Một tia sét thông thường có thể thắp sáng bóng đèn 100 w trong ba tháng.

Theo thống kê ước tính trên trái đất của chúng ta cứ mỗi giây có chừng 100 cú phóng điện xảy ra giữa các đám mây tích điện và với mặt đất. Công suất của nó có thể đạt tới hàng tỷ kw, làm nóng không khí đến 28000 độ C(hơn ba lần nhiệt độ bề mặt mặt trời).

Ngoài tác dụng tạo ra phân nitrogen có lợi cho cây trồng, sét là hiểm hoạ gây thiệt hại về người và tài sản. Hàng năm trên thế giới theo thống kê có khoảng 5000 người bị sét đánh.

Vào một thời điểm bất kỳ trên trái đất có khoảng 2000 cơn dông đang hoạt động. Một cơn dông bình thường kéo dài 4 tiếng có thể có 10 000 cú phóng điện trong đó có 1000-2000 phóng xuống đất.

ở Việt nam có thể có tới 2 triệu cú sét đánh xuống đất trong vòng 1 năm. Tại một số khu vực như Cổ dũng (Hải dương), Sơn lộc (Hà tĩnh), Đồng bằng sông Cửu long, sét gây tâm lý hoang mang trong nhân dân.


Nghiên cứu dông sét là làm gì?

Việc nghiên cứu dông sét là tiến hành quan sát, nghiên cứu hoạt động dông trong không gian và thời gian, xác định mật độ sét (số tia sét/km2.năm), tiến hành đo các thông số sét khác như cường độ dòng điện sét, độ dốc dòng sét... Thực hiện phòng chống sét là dựa trên các số liệu điều tra cơ bản về dông sét lựa chọn một cách sáng tạo các công nghệ chống sét thích hợp cho từng đối tượng cần bảo vệ.

Mật độ sét là đại lượng đặc trưng quan trọng cho cường độ hoạt động dông sét của từng khu vực và việc xác định nó đòi hỏi nhiều công đoạn phức tạp. Giá trị này khác nhau theo khu vực, phụ thuộc vào đặc điểm địa hình khí hậu và các hoạt động thời tiết khác.

Từ thập kỷ 60 trở lại đây, tại các nước phát triển ở châu Âu và châu Mỹ, do nhu cầu ứng dụng thực tế, việc nghiên cứu dông sét được phát triển mạnh mẽ. Người ta đã tiến hành thu thập số liệu về dông sét trong nhiều năm nhằm phân vùng hoạt động dông, nghiên cứu các quy luật phát triển của chúng phục vụ công tác dự báo dông. Hàng loạt các công trình xác định mật độ sét, cũng như các thông số của sét và từ đó đề xuất các biện pháp dự phòng chống sét, cụ thể như cho các đường dây tải điện, các công trình công nghiệp quan trọng, các sân bay, kho xăng, bến cảng, nhà máy điện hạt nhân, bãi phóng tên lửa và tàu vũ trụ...


Theo Viện Vật lí địa cầu Việt Nam

[hothang]

1. Sự hình thành sét :

Sét là một dạng phóng điện tia lửa 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.

Có hai loại mây giông :
+ Giông nhiệt: Hình thành từ các luồng khí nóng ẩm bốc lên do sự đốt nóng của ánh nắng mặt trời.
+ Giông front: Hình thành do sự gặp nhau của những luồng không khí nóng ẩm với luồng không khí năng.
Sau khi đạt độ cao nhất định (khoảng vài km 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 dông.
Theo kết quả quan trắc từ 80 - 90% các đám mây giông tích điện tích âm bên dưới.

2. Các giai đoạn phát triển của sét :

a) Giai đoạn phóng tia tiên đạo :

Ban đầu xuất phát từ mây giông một tia tiên đạo sáng mờ, phát triển thành từng đợt gián đoạn về phía mặt đất, với tốc độ trung bình khoảng 105 - 106m/s. Kênh tiên đạo là một dòng plasma mật độ điện khoảng 1013 1014 ion/m3, một phần điện tích âm của mây giông tràn vào kênh và phân bố tương đối đều dọc theo chiều dài của nó.
Thời gian phát triển của tia tiên đạo mỗi đợt kéo dài trung bình khoảng 1s.
Thời gian tạm ngưng phát triển giữa 2 đợt khoảng 30 - 90s.
Đường đi của tia tiên đạo trong thời gian này không phụ thuộc vào tình trạng mặt đất và các vật trên mặt đất, do đó nó gần như hướng thẳng về phía mặt đất. Cho đến khi tia tiên đạo đạt đến độ cao định hướng thì mới bị ảnh hưởng bởi các vùng điện tích tập trung dưới mặt đất.

b) Giai đoạn hình thành khu vực ion hóa :

Dưới tác dụng của điện trường tạo nên bởi điện tích của mây giông và điện tích trong kênh tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện tích trái dấu trên vùng mặt đất phía dưới đám mây giông. Nếu 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 chủ yếu tập trung 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 tòa nhà cao tầng, cột điện, cây cao bị ướt trong mưa... chính các vùng điện tích tập trung này sẽ định hướng hướng phát triển của tia tiên đạo hướng xuống khi nó đạt đến độ cao định hướng, tia tiên đạo sẽ phát triển theo hướng có điện trường lớn nhất. Do đó các vùng tập trung điện tích sẽ là nơi sét đánh vào.

Ở những vật dẫn có độ cao như các nhà cao tầng, cột angten các đài phát thì từ đỉnh của nó nơi các diện tích trái dấu tập trung nhiều cũng sẽ đồng thời xuất hiện dòng tiên đạo phát triển hướng lên đám mây giông. Chiều dài của kênh tiên đạo từ dưới lên này tăng theo độ cao của vật dẫn và tạo điều kiện dễ dàng cho sự định hướng của sét vào vật dẫn đó.
Người ta lợi dụng tính chất chọn của sét để bảo vệ chống sét đánh thẳng cho các công trình bằng cách dùng các thanh kim loại hay dây thu sét bằng kim loại được nối đất tốt, đặt cao hơn công trình cần bảo vệ để hướng sét đánh vào đó mà không phóng vào công trình.

Khi tia tiên đạo hướng xuống gần mặt đất hay tia tiên đạo hướng lên, thì trong khoảng cách khí ở giữa do cường độ điện trường tăng cao gây lên ion hóa mãnh liệt, dẫn đến sự hình thành một dòng plasma có mật độ điện tích cao hơn nhiều so với mật độ điện tích của tia tiên đạo, điện dẫn của nó tăng lên hàng trăm lần.

c) Giai đoạn phóng điện ngược :

Do điện dẫn của nó tăng cao như vậy nên điện tích cảm ứng tràn vào dòng ngược mang điện thế của đất làm cho cường độ trường đầu dòng tăng lên gây ion hóa mãnh liệt và cứ như vậy dòng plasma điện dẫn cao 1016 - 1019 ion/m3 tiếp tục phát triển ngược lên trên theo đường dọn sẵn bởi kênh tiên đạo. Đây là sự phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu. Vì mật độ điện tích caođốt nóng mãnh liệt cho nên tia phóng điện chủ yếu sáng chói ( đó chính là chớp ).

Tốc độ phát triển của kênh phóng điện ngược vào khoảng 1,5 . 107 1,5.108 m/s tức là nhanh gấp trên trăm lần tốc độ phát triển của kênh tiên đạo. Khi kênh phóng điện chủ yếu lên tới đám mây thì số điện tích còn lại của đám mây sẽ theo kênh phóng điện chạy xuống đất và tạo nên dòng điện có trị số nhất định.

Kết quả quan trắc cho thấy rằng: phóng điện sét thường xảy ra nhiều lần kế tiếp nhau trung bình là 3 lần. 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 qũy đạo của lần đầu nhưng với tốc độ cao hơn ( 2. 106m/s). Điều này được giải thích: đám mây giông 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 điện thế giữa các trung tâm này vơí các trung tâm khác không thay đổi và ít có ảnh hưởng qua lại. 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, điều này làm cho hiệu thế giữa trung tâm điện tích đã phóng tới trung tâm điện thế lân cận tăng lên và có thể dẫn đến phóng điện giữa 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 lớn hơn lần đầu.


http://data.webdien.com/photo/up/17cea9415d771e39c7326a80b22b47b1.bmp

3. Các thông số sét :

Khi tính toán bảo vệ chống sét thông số chính cần chú ý là dòng điện sét có phạm vi giới hạn rất rộng, biên độ dòng sét có thể lên đến 200-300 KA. Tuy nhiên phần lớn trường hợp gặp sét đánh ở trị số 50 KA, sét có dòng điện từ 100 KA trở lên rất hiếm xảy ra. Do đó trong tính toán thường lấy dòng điện sét bằng 50 KA.
Dòng điện sét có dạng một sóng xung. Thường trong khoảng vài ba micro giây dòng điện tăng nhanh đến trị số cực đại tạo thành phần đầu sóng, sau đó giảm chậm trong khoảng 20 - 100 s tạo nên phần đuôi sóng.

Các thông số chủ yếu :
¨Biên độ dòng sét : là giá trị lớn nhất của dòng điện sét.
¨Thời gian đầu sóng (tds) : là thời gian dòng sét tăng từ 0 đến giá trị cực đại.
¨ Độ dốc dòng điện sét : a = dis/dt
¨ Độ dài dòng điện sét (ts) : là thời gian từ đầu dòng điện sét đến khi dòng điện giảm bằng 1/2 biên độ.

a) Biên độ dòng sét và xác suất xuất hiện :

Dòng điện sét có trị số lớn nhất vào lúc kênh phóng điện chủ yếu đến trung tâm điện tích của đám mây giông.
Để đo biên độ dòng sét người ta dùng rộng rãi hệ thống điện thiết bị ghi từ.
Xác suất xuất hiện dòng sét có thể tính gần đúng theo công thức :
¨ Cho vùng đồng bằng : VI = e-Is/26 = 10-is/60
¨ Cho vùng núi cao : VI = 10-Is/30

b) Độ dốc đầu sóng dòng điện sét (a) và xác suất xuất hiện :

Để đo độ dốc dòng điện sét người ta thường dùng một khung bằng dây dẫn nối vào một hoa điện kế.
Xác suất xuất hiện độ dốc có thể tính theo:
+ Cho vùng đồng bằng : Va = e-a/15,7 = 10 -a/36
+ Cho vùng núi cao : Va = 10-a/18

c) Cường độ hoạt động của sét :

Cường độ hoạt động của sét được biểu thị bằng số ngày trung bình có dông sét hàng năm hoặc bằng tổng số giờ trung bình có dông sét hàng năm.
Số lần sét đánh trong một năm vào công trình :

N = {( W+3hx)(L+3hx)n}/106

trong đó :
W:chiều rộng của công trình
L:chiều dài của công trình
hx:chiều cao tính toán của công trình
n:số lần sét đánh trung bình trên 1km2 trong năm xảy ra ở địa phương
Mật độ của sét là số lần sét đánh trung bình trên một đơn vị diện tích mặt đất (1km2) trong một ngày sét.
Cường độ sét cũng như mật độ sét thay đổi theo vùng lãnh thổ.

4. Các tác hại do sét :

a) Khi sét đánh trực tiếp :

Do năng lượng của một cú sét lớn nên sức phá hoại của nó rất lớn khi một công trình bị sét đánh trực tiếp có thể bị ảnh hưởng đến độ bền cơ khí, cơ học 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 vấn đề quá điện áp xung 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.
·Thời gian tồn tại của xung sét thì ảnh hưởng đến độ bền cơ học của các thiết bị hay công trình bị sét đánh.
·Ngoài ra, khả năng cháy nổ cũng xảy ra rất cao đối với công trình bị sét đánh trực tiếp.

b) Ảnh hưởng do sự lan truyền sóng điện từ gây bởi dòng điện sét :

Khi xảy ra phóng điện sét sẽ gây nên một sóng điện từ tỏa ra xung quanh với tốc độ rất lớn, trong không khí tốc độ của nó tương đương 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 những thiệt hại rất lớn.