Mô hình hóa quá trinh thu sét của thiết bị thu lôi bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hình ảnh streamer hướng về cathode 13 Hình 1.2 Hình ảnh của một tia tiên đạo dương 16 Hình 1.3 Hình ảnh phần đầu của streamer hướng về cathode và ph

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LÊ HẢI ĐĂNG

MÔ HÌNH HOÁ QUÁ TRÌNH THU SÉT CỦA THIẾT BỊ THU LÔI BẢO VỆ CHỐNG SÉT

-

LÊ HẢI ĐĂNG

MÔ HÌNH HOÁ QUÁ TRÌNH THU SÉT CỦA THIẾT BỊ THU LÔI BẢO VỆ CHỐNG SÉT

ĐÁNH TRỰC TIẾP Chuyên ngành: HỆ THỐNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN ĐÌNH QUANG

HÀ NỘI - 2010

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố

Tác giả luận văn

Lê Hải Đăng

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

-Chương 1: TÍNH CHẤT CỦA PHÓNG ĐIỆN KHOẢNG CÁCH LỚN TRONG KHÔNG KHÍ 11

-1.1 Tổng quan về hiện tượng phóng điện khoảng cách lớn trong không khí 11

1.2 Một streamer phát triển dài 16

1.2.1 Phần đầu streamer 16

1.2.2 Xác định các tham số của streamer 18

1.2.3 Dòng điện và trường ở đằng sau phần đầu của streamer 19

1.2.4 Nhiệt lượng tỏa ra trong kênh streamer 20

1.2.5 Phản ứng electron – phân tử và sự suy giảm plasma 20

1.2.6 Chiều dài của streamer 21

-1.2.7 Streamer trong trường đồng nhất và trong sự vắng mặt của các điện cực 24

1.3 Nguyên lý của quá trình phát triển tia tiên đạo 28

1.3.1 Sự cần thiết của tăng nhiệt độ không khí 28

1.3.2 Tốc độ phát triển của tia tiên đạo 30

1.4 Tia tiên đạo phát triển dài 31

1.5 Điện áp đảm bảo cho phóng điện khoảng cách lớn 32

1.6 Tia tiên đạo âm 33

1.7 Kết luận 37

Chương 2: HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN SÉT TRONG KHÍ QUYỂN 38 2.1 Tổng quan về hiện tượng phóng điện sét 38

2.2 Cấu trúc của đám mây dông 40

2.3 Phóng điện sét âm từ đám mây dông xuống mặt đất 44

2.4 Quá trình phóng điện ngược 49

2.4.1 Dòng phóng điện ngược 49

2.4.2 Dạng sóng của phóng điện ngược 53

2.4.3 Điện trường và từ trường tạo ra bởi phóng điện ngược 54

2.4.4 Điện tích và năng lượng của tia sét 56

2.4.5 Nhiệt độ kênh dẫn sét 57

2.5 Nghiên cứu sét ở Việt Nam 57

2.5.1 Phân bố dông trên lãnh thổ Việt Nam 60

2.5.2 Bản đồ phân vùng mật độ sét ở Việt Nam 62

2.6 Kết luận 65

-Chương 3: MỘT SỐ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN BẢO VỆCHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP 67

3.1 Phương pháp tính toán chống sét cổ điển 67

3.1.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi 67

3.1.2 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi 70

3.1.3 Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu lôi 73

3.2 Phương pháp mô hình điện hình học 75

3.2.1 Nội dung lý thuyết mô hình điện hình học 75

-3.2.2 Nghiên cứu hiệu quả bảo vệ của cột thu lôi Franklin bằng phương pháp mô hình điện hình học 77

3.3 Kết luận 82

-Chương 4: MÔ HÌNH NGHIÊN CỨUBẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP 86

4.1 Mô tả lý thuyết mô hình 86

4.2 Mô hình tia tiên đạo từ đám mây dông 89

4.2.1 Điện tích tia tiên đạo 89

4.2.2 Tốc độ phát triển tia tiên đạo 91

-4.2.3 Tính toán điện trường và điện thế gây ra bởi điện tích tia tiên đạo 92

4.3 Mô hình tia tiên đạo từ kim thu sét 96

4.3.1 Điện tích và vận tốc tia tiên đạo từ kim thu sét 96

4.3.2 Điều kiện hình thành tia tiên đạo từ mặt đất 98

4.4 Lựa chọn hướng phát triển của tia tiên đạo 104

4.5 Điều kiện để các tia tiên đạo có thể gặp nhau: 104

4.6 Kết luận 105

-Chương 5: ĐÁNH GIÁ VÙNG BẢO VỆ CỦA CỘT THU LÔI BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP 106

-5.1 Công cụ để tính toán phạm vi bảo vệ của cột thu lôi theo mô hình nghiên cứu 106

-5.2 Kết quả tính toán phạm vi bảo vệ cột thu lôi theo mô hình nghiên cứu 110

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 118

cũ không thật tin cậy, những năm gần đây nhiều quan sát cho thấy còn xảy ra

sự cố do sét ở những công trình đã được chống sét đầy đủ theo qui phạm, nhất

là ở các công trình như toà nhà cao tầng, cột cao, các công trình điện Ngoài

ra, hiện nay các thiết bị thu lôi phát xạ sớm đang ngày càng được ứng dụng một cách rộng rãi trong hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp Tuy nhiên, với những hạn chế của nó, các phương pháp cổ điển không thể đánh giá một cách tin cậy hiệu quả của các thiết bị thu lôi phát xạ sớm này Do vậy, để có một cách đánh giá đầy đủ hơn phạm vi bảo vệ của các hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp, luận văn đưa ra một cách tiếp cận mới bằng cách xây dựng

mô hình quá trình thu sét của các thiết bị thu lôi trong đó có tính đến các đặc tính vật lý của quá trình phóng điện sét trong khí quyển

Tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn – TS Nguyễn Đình Quang đã nhiệt tình chỉ bảo và đóng góp những ý kiến quý báu cho tôi trong quá trình nghiên cứu đề tài này Do kinh nghiệm còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tôi mong nhận được những nhận xét góp ý của các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Hình ảnh streamer hướng về cathode 13

Hình 1.2 Hình ảnh của một tia tiên đạo dương 16 Hình 1.3 Hình ảnh phần đầu của streamer hướng về cathode và phân

bố định tính mật độ electron ne và mật độ điện tích không

gian n+ - ne và điện trường phân bố dài dọc theo trục

16

Hình 1.4 Tần số ion hóa các phân tử chất khí bởi va chạm electron

Hình 1.5 Phân bố điện thế U, điện trường E, dòng điện I và mật độ

electron tự do tại các thời điểm khác nhau cho đến khi

streamer dừng phát triển

23

Hình 1.6 Phân bố thế dọc theo vật dẫn trong điện trường đồng nhất 25

Hình 1.7 Sự kích thích streamer tại mỗi đầu của vật dẫn trong điện

xung điện áp âm 1,8MV và thời gian xung là 50µs 34

Hình 1.12 Hình ảnh một tia tiên đạo âm phát triển trong phòng thí

Hình 1.13 Hình ảnh một tia tiên đạo âm trong giai đoạn hình thành 36

Hình 1.14 Streamer hướng về anode (1) và streamer hướng về cathode

(2); (3) phóng điện hình thành bởi hồ quang âm; (4) tia tiên

đạo âm đang hình thành

36

Hình 2.1 Bốn dạng phóng điện sét theo Berger (1978) 38

Hình 2.2 Phân bố cổ điển điện tích trong một đám mây dông 42

Hình 2.3 Mô hình lý thuyết về phân bố điện tích trong đám mây đối

Hình 2.4

Hình ảnh biểu diễn quá trình phóng điện từ đám mây dông

xuống mặt đất bao gồm 3 lần phóng điện ngược và dòng

điện sét tương ứng

45

Hình 2.5 Tia tiên đạo âm từ đám mây đi xuống 46 Hình 2.6 Sự hình thành một tia tiên đạo đi lên từ một tòa tháp cao

Hình 2.7 Phân bố thống kê của dòng điện cực đại của phóng điện

ngược và xấp xỉ logarit của chúng 51

Hình 2.8 Xung dòng điện sét phóng điện ngược lần thứ nhất của tia

sét cực tính âm trong 2 tỉ lệ thời gian khác nhau 53

Hình 2.9 Phân bố các tham số xung dòng điện sét của phóng điện

Hình 2.10 Biểu diễn xung điện và từ trường của tia sét tại vùng ở gần

(hình trên) và ở xa (hình dưới) tương ứng với khoảng cách

2km và 100km

55

Hình 2.11 Đường phân bố xác suất biên dộ dòng sét tại Việt Nam 58

Hình 2.12 Đường phân bố xác suất độ dốc dòng sét tại Việt Nam 59

Hình 2.13 Phân bố dông trên lãnh thổ Việt Nam 61

Hình 2.14 Bản đồ phân vùng mật độ dông sét tại Việt Nam 66

Hình 3.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi 68

Hình 3.2 Phạm vi bảo vệ của cột thu lôi 69

Hình 3.3 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét 71

Hình 3.4 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có chiều cao khác nhau 72

Hình 3.5 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét theo V V Bazutkin 72

Hình 3.6 Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu lôi 74

Hình 3.7 Định hướng tia tiên đạo tới công trình trên mặt đất 75

Hình 3.8 Phạm vi bảo vệ của cột thu lôi Franklin 77

Hình 3.9 Phạm vi bảo vệ của cột thu lôi ứng với dòng điện I 79

Hình 3.10 Phương pháp quả cầu lăn áp dụng cho kim thu sét có độ cao

Hình 4.2 Phân bố điện tích trong tia tiên đạo từ đám mây dông 90

Hình 4.3 Tốc độ của tia tiên đạo từ đám mây dông và tia tiên đạo từ

mặt đất thay đổi theo độ cao trong quá trình lan truyền 92

Hình 4.4a Mô hình tính toán điện trường, điện thế gây ra bởi một đoạn

Hình 4.4b Mô hình tính toán điện trường, điện thế gây ra bởi phần điện

tích Q tập trung ở đầu tia tiên đạo 95

Hình 4.5 Sự thay đổi của ERizk và EL theo độ cao của kim thu sét 100

Hình 4.6 Sự thay đổi E0C theo độ cao và bán kính kim thu sét 101

Hình 4.7 Các trường hợp có thể xảy ra giữa các đại lượng E0C, ERizk,

Hình 4.8 Các trường hợp có thể xảy ra giữa các đại lượng E0C, ERizk,

Hình 5.2 Tia tiên đạo âm từ đám mây đông bị chặn bởi tia tiên đạo

Hình 5.3 Tia tiên đạo âm từ đám mây đông không bị chặn bởi tia tiên

Hình 5.5 Kết quả tính toán với cường độ dòng điện sét I=10kA và

Hình 5.6 Kết quả tính toán với cường độ dòng điện sét I=20kA và

Hình 5.7 Ảnh hưởng của yếu tố vận tốc tương đối của tia tiên đạo đối

với kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của cột thu lôi 115

Chương 1  TÍNH CHẤT CỦA PHÓNG ĐIỆN KHOẢNG CÁCH LỚN 

TRONG KHÔNG KHÍ 

Chương này sẽ đề cập đến quá trình phóng điện khoảng cách lớn trong không khí Ngày nay, nhiều phòng thí nghiệm cao áp trên thế giới đã có khả năng tạo ra và nghiên cứu về phóng điện trong không khí với khoảng cách lớn tới hàng chục thậm chí hàng trăm mét [8] Những kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, nhiều thông số cũng như tính chất của phóng điện khoảng cách lớn thu được gần với ngưỡng dưới của giá trị nhận được trong phóng điện sét [8] Thực tế cho thấy, hầu hết các hiệu ứng quan sát được của hiện tượng phóng điện sét sớm hay muộn cũng sẽ được mô phỏng hoặc tái tạo lại trong phòng thí nghiệm [8] Do vậy, việc nghiên cứu các tính chất của phóng điện khoảng cách lớn trong không khí là không thể bỏ qua khi nghiên cứu về hiện tượng phóng điện sét

1.1.  Tổng  quan  về  hiện  tượng  phóng  điện  khoảng  cách  lớn  trong  không khí 

Điểm mấu chốt trong phóng điện khoảng cách lớn là làm sao để một kênh dẫn có thể phát triển trong điện trường yếu, với cường độ điện trường có thể nhỏ hơn từ 1 đến 2 lần so với giá trị cần thiết để tạo ra mật độ electron tự

thí dụ về phóng điện khoảng cách trong điện trường không đồng nhất Gần một bản cực với bán kính cong nhỏ (giả sử đây là một anode hình cầu với bán kính ra ≈ 1-10cm), điện trường là Ea(ra) = Ea > Ei tại điện áp U ≈ 50-500kV

của điện cực, phần đầu (tip) của kênh sẽ đi vào vùng không gian giữa 2 điện

cực, ở đó giá trị của điện trường là E = Ea(ra/r)2 bằng 1/100 giá trị điện trường trên bề mặt điện cực Giá trị điện trường yếu như vậy không đủ khả năng để gây ra hiện tượng ion hóa Tuy nhiên, thực tế kênh dẫn vẫn tiếp tục phát triển, biến đổi không khí trung hòa giữa hai điện cực thành dạng plasma

Không có một cách giải thích hợp lý nào cho thực tế này, ngoại trừ lý thuyết về sự tăng cục bộ điện trường tại đầu kênh dẫn Sự tăng cục bộ này là

do hoạt động của điện tích trong bản thân kênh dẫn Thực tế, kênh dẫn có mối liên hệ với anode sẽ có xu hướng được tích điện đến điện thế Ua so với cathode nối đất Dòng điện sẽ phát sinh trong kênh dẫn, và có sự dịch chuyển điện tích dương từ anode (chính xác hơn là từ nguồn điện áp cao mà nối với anode) Sau đó, vùng điện trường mạnh sẽ dịch chuyển qua vùng không gian giữa 2 điện cực, mà ở đó hiện tượng ion hóa xuất hiện và tạo ra các phần mới của kênh plasma Người ta gọi hiện tượng đó là sóng ion hóa (ionization wave)

Cơ chế hình thành dạng sóng của phóng điện khe hở được đề xuất từ những năm 1930 bởi L Loeb, J Meek, và H Raether [8] Kênh dẫn được tạo

ra theo cách đó được gọi là streamer (hình 1.1) Các thực nghiệm chỉ ra rằng

tốc độ phát triển của streamer có thể đạt tới 107 m/s [8] Vấn đề đặt ra là cần phải làm rõ phương thức của các quá trình tạo ra các thành phần mang điện liên quan đến sự vận động của electron trong điện trường mà nhờ đó vùng streamer dịch chuyển qua không gian giữa 2 điện cực

Tính tự nhiên của phóng điện chọc thủng không bị giới hạn bởi hiện tượng ion hóa bởi vì tham số quyết định của nó là điện thế tại đầu kênh dẫn

Ut, giá trị của điện thế này có thể nhỏ hơn rất nhiều so với giá trị Ua ở trên điện cực do dẫn suất của kênh là có giới hạn và điện thế sẽ giảm dọc theo kênh Do vậy, để phân tích sự lan truyền của streamer với khoảng cách lớn cần có những hiểu biết về mật độ electron đằng sau đầu sóng và dòng điện

dọc theo kênh để tính toán điện trường gây ra bởi streamer và nhận được từ

đó sự suy giảm điện thế trên kênh Đồng thời điện trường và dòng điện trong kênh còn giúp ta xác định được tổn thất năng lượng ở trong kênh dẫn

Hình 1.1: Hình ảnh streamer hướng về cathode: U 0 (x) là điện thế bên

ngoài, U(x) là điện thế dọc trục của streamer

Streamer tạo ra hiện tượng plasma mà nếu không có hiện tượng này, sẽ không có khả năng vận chuyển một lượng lớn điện tích vào vùng không gian giữa 2 điện cực Sự lan truyền sóng ion hóa cung cấp mật độ electron tự do ở trong kênh và xác định bán kính ban đầu của nó Đằng sau đầu sóng ion hóa, kênh streamer có thể được mở rộng, mặt cắt của kênh sẽ trở nên lớn hơn Song song với quá trình đó, kênh sẽ liên tục bị mất electron, nguyên nhân là

sự kết hợp giữa electron và các ion dương để tạo ra các phân tử trung hòa và

sự kết hợp electron với các phân tử trung hòa tạo thành các ion âm Nếu nhiệt

độ vùng không khí để streamer lan truyền không đủ cao và năng lượng cấp tới kênh không đủ lớn để tăng nhiệt độ lên đáng kể (lên tới hàng ngàn độ) [8], quá trình mất electron sẽ diễn ra rất nhanh, do bản thân quá trình kết hợp electron đã giới hạn thời gian tồn tại electron chỉ còn 10-7s [8] Đây là một giá trị rất nhỏ không chỉ đối với mô hình sét mà còn đối với mô hình phóng điện trong phòng thí nghiệm, nơi mà thời gian hoàn tất quá trình phóng điện là từ

Cathode nối đất Anode

10-4 đến 10-3s [8] Do vậy chúng ta cần phải phân tích quá trình xảy ra trong kênh đằng sau đầu sóng ion hóa để từ đó các điều kiện để từ đó xảy ra phóng điện chọc thủng trong không khí

Khi nghiên cứu về streamer người ta nhận thấy dòng trong streamer tăng

mà không cần tăng điện áp khe hở chỉ ra một điều chắc chắn rằng đã có sự tăng nhiệt đáng kể của không khí ở trong kênh Do sự tăng nhiệt này, mật độ phân tử N giảm xuống, do vậy làm tăng điện trường E/N và hằng số ion hóa Một quá trình khác xảy ra khi tăng nhiệt độ là sự thay đổi trong cấu trúc không khí trong kênh dẫn do phân tách các phân tử O2, N2 và H2O và sự tạo thành các phân tử dễ bị ion hóa NO Vai trò quan trọng của các electron bị kết hợp lại sẽ giảm đi vì các ion âm được tạo ra trong nhiệt độ cao sẽ nhanh chóng bị phân rã để giải thoát các electron Đồng thời, tốc độ kết hợp ion dương và electron cũng sẽ giảm đi Tuy nhiên điều quan trọng nhất là có sự

hỗ trợ ion hóa liên quan đến các nguyên tử O và N Phản ứng này được thúc đẩy nhờ sự tăng nhiệt độ nhưng lại không phụ thuộc trực tiếp vào điện trường Ngoài ra chúng ta cũng cần phải xem xét yếu tố cân bằng năng lượng trong kênh dẫn, sự cân bằng năng lượng này sẽ xác định nhiệt độ của không khí trong kênh Ở đây, kết quả cuối cùng dường như phụ thuộc vào tỷ lệ mô hình trong phòng thí nghiệm hay phóng điện sét và các điều kiện khởi đầu của quá trình phóng điện đó Trong phòng thí nghiệm, một streamer vượt qua khe

hở hiếm khi trực tiếp tạo ra phóng điện chọc thủng Một streamer lan truyền qua không khí có nhiệt độ thấp sẽ vẫn giữ nhiệt độ thấp do năng lượng cung cấp cho không khí quá nhỏ để tăng nhiệt độ của nó Ngay cả trong quá trình dịch chuyển, streamer cũng đánh mất phần lớn electron của nó Trong thực tế, không phải kênh plasma mà chỉ là phần dấu vết không dẫn điện của nó đã vượt qua khe hở [8] Trong điều kiện phòng thí nghiệm cần có những kỹ năng

đặc biệt để có thể tạo ra streamer có khả năng đánh thủng không khí với nhiệt

độ phòng [8]

Tuy nhiên với sét thì khác Hầu hết sét đều là cấu trúc đa thành phần (multi-component structure) Với xung điện áp tiếp theo, sự ion hóa sẽ lan truyền qua phần không khí có nhiệt độ cao của thành phần trước đó Do được bao quanh bởi không khí có nhiệt độ thấp bên ngoài, kênh dẫn với nhiệt độ cao có một số đặc điểm của phóng điện trong ống có bán kính cố định và do vậy chỉ cần một cung cấp một nguồn năng lượng nhỏ

Khoảng cách lớn không khí với nhiệt độ thấp sẽ bị đánh thủng bởi cơ chế tia tiên đạo Trong quá trình của tia tiên đạo, một kênh plasma nóng (5.000-10.000K) sẽ di chuyển qua khe hở [8] Một số lượng lớn các streamer sẽ được khởi đầu với tần số cao từ đầu tia tiên đạo, và tạo thành hình rẻ quạt Nó điền

đầy vùng không gian phía trước của đầu tia tiên đạo (hình 1.2) Vùng này

được gọi là vùng streamer của tia tiên đạo, hay vùng vầng quang của tia tiên đạo, nó giống với vầng quang streamer mà có thể nảy sinh từ cực cao áp trong điều kiện phòng thí nghiệm Vùng streamer được điền đầy bởi các điện tích được tạo ra và mất đi Khi tia tiên đạo lan truyền, vùng streamer cũng dịch chuyển qua khe hở cùng với phần đầu của tia tiên đạo Phần bao quanh ngoài

(cover) của tia tiên đạo do vậy được tạo ra để giữ phần lớn điện tích (hình

1.2) Chính phần này sẽ làm thay đổi điện trường trong không gian xung

quanh tia tiên đạo đang phát triển

Ngày nay không có cách nào khác nghiên cứu về phóng điện khoảng cách lớn ngoài cách xem xét phóng điện khe hở trong phòng thí nghiệm và từ

đó ngoại suy kết quả cho phóng điện với khoảng cách cực lớn Điều này trước hết còn liên quan đến tia tiên đạo âm phát triển theo dạng bậc thang mà ở đó vùng streamer có cấu trúc hết sức phức tạp, nó bao gồm những streamer có

cực tính khác nhau và chúng không chỉ xuất phát từ đầu tia tiên đạo mà còn xuất phát từ vùng không gian phía trước tia tiên đạo

Hình 1.2: Hình ảnh của một tia tiên đạo dương

Hãy xem xét một streamer điển hình, được bắt đầu từ anode điện áp cao

và dịch chuyển đến cathode nối đất Quá trình ion hóa chính xuất hiện trong điện trường mạnh gần phần đầu của streamer Phần phía trước của streamer

được thể hiện trên hình 1.3 cùng với điện trường phân bố dài, mật độ electron

ne và hiệu số giữa mật độ ion dương và electron, hay chính là mật độ điện tích không gian p = (n+ - ne) (lưu ý thời gian quá ngắn không đủ để tạo ra các ion âm)

Điện trường mạnh gần phần đầu của streamer được tạo thành chủ yếu bởi các điện tích của bản thân nó Phía trước của đầu kênh nơi mà số lượng điện tích không gian ít, điện trường giảm xấp xỉ còn E = Em(rm/r)2, ở đây, Em

xỉ bằng bán kính của phần thân hình trụ của kênh streamer Phần phía trước

có dạng hình bán cầu của đầu streamer được gọi là sóng ion hóa Điện tích phần đầu của streamer tập trung chủ yếu ở vùng đằng sau sóng ion hóa đó Điện trường ở đó giảm xuống bằng với giá trị Ec ở trong kênh [8]

Tiếp theo, chúng ta sẽ phân chia quá trình phát triển streamer thành các giai đoạn Vùng điện trường mạnh ở phía trước của đầu streamer là nơi xảy ra hiện tượng ion hóa các phân tử khí do va chạm electron Các electron tự do ban đầu cần thiết cho quá trình này được sinh ra bởi sự phát xạ điện tử sinh ra trong hiện tượng ion hóa do sự kích thích electron Trong trường hợp này, các

tạo ra mật độ electron tự do ban đầu n0 khoảng 105-106 cm-3 tại khoảng cách 0,1 - 0,2 cm từ đầu streamer [8] Mỗi electron này sẽ nhận năng lượng từ điện trường, và tham gia vào quá trình tạo thành thác điện tử Khi số lượng các thác phát triển ngày càng nhiều, chúng sẽ điền đầy không gian phía trước đầu

của streamer để tạo thành một vùng plasma mới Do các điện tử thoát ra hướng về phần thân của kênh nên sẽ để lại các điện tích không gian dương trong plasma Đồng thời, các electron ở vùng phía trước sẽ trung hòa các điện tích dương của streamer ở giai đoạn trước và chuyển thành phần thân streamer mới, như vậy streamer sẽ được kéo dài ra

Nếu chiều dài streamer là l >> rm, tốc độ của streamer và các tham số của

nó thay đổi rất nhỏ trong quá trình dịch chuyển trong một khoảng có chiều dài bằng vài lần bán kính rm Điều này có nghĩa là các tham số của streamer sẽ là

tính của streamer (tốc độ Vs, điện trường cực đại Em, bán kính đầu streamer

rm, mật độ electron đằng sau sóng ion hóa nc) là điện thế đầu streamer Ut Điện thế Ut bằng với điện thế anode Ua nếu bỏ qua điện tích suy giảm ở trong kênh Tính chất của kênh được xác định ban đầu bởi các tham số của sóng ion hóa Do vậy, có 2 yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của streamer: hiện tượng ion hóa và dòng điện cùng với suy giảm điện áp ở trong kênh

Trong đó ν νi = i( )E là tần suất ion hóa electron của các phân tử Quan

hệ ν νi = i( )E này này được chỉ ra trong hình 1.4

Khi đó, tốc độ của streamer có thể được tính xấp xỉ theo công thức mà Loeb [8] đề xuất như sau:

0ln( / )

im m s

c

r V

r r

ν

Các đại lượng Em và rm là không độc lập, chúng có quan hệ với nhau bởi điện thế phần đầu kênh streamer: Ut = 2Emrm [8]

Hình 1.4: Tần số ion hóa các phân tử chất khí bởi va chạm electron trong

điều kiện bình thường

Ut = 34kV), tốc độ streamer là 1,7.106m/s tương ứng với n0 ≈ 106cm-3, nc = 9.1013cm-3 [8]

1.2.3 Dòng điện và trường ở đằng sau phần đầu của streamer 

Ut (nguyên nhân là do phần điện áp rơi trên phần đầu bằng Em∆x << Ut) [8] Dòng điện ở sau phần đầu streamer được tính theo công thức:

từng điều kiện cụ thể Ví dụ, nếu điện áp điện cực tăng trong giai đoạn streamer đang phát triển thì ia > il do có thêm điện tích từ điện cực bổ sung vào kênh Ngược lại nếu điện áp điện cực giảm trong giai đoạn streamer đang phát triển thì il > ia

Một streamer chỉ có thể phát triển dài tại điện áp không đổi khi điện trường trong kênh E(x, t) không thay đổi nhiều theo thời gian Khi đó điện thế tại bất kỳ điểm nào trong kênh Ux = Ua -

0x E x dx( )

gian Rất nhiều thực nghiệm đã chứng minh rằng điện trường trung bình trong kênh phải đạt ít nhất 5kV/cm trong điều kiện bình thường mới có thể hỗ trợ cho streamer phát triển [8]

1.2.4 Nhiệt lượng tỏa ra trong kênh streamer 

Quá trình phát triển streamer kèm theo đó là sự tăng nhiệt độ không khí

plasma

W = ∫σE dt2 =∫σE dx V2 / s [8] (1.4) Nhiệt lượng tỏa ra phân bố chủ yếu ở lớp mỏng phía sau đầu sóng ion

O2 + e → O− + O

Các phân tử oxy có thế ion hóa thấp hơn các phân tử N2 sẽ dễ dàng bị ion hóa trong điện trường

Các electron sẽ kết hợp lại với ion O2+ theo phản ứng sau:

đó dẫn suất sẽ giảm xuống chỉ còn 1/6 Chỉ những kênh streamer được hỗ trợ bởi điện áp lên tới hàng mega vôn mới có khả năng phát triển tới chiều dài l ≈ 1m trong không khí nhiệt độ thấp mà không bị mất mối liên hệ với điện cực [8]

1.2.6. Chiều dài của streamer 

vùng không gian giữa 2 điện cực Lúc đầu nó phát triển rất nhanh nhưng sau

trực tiếp của anode Nếu điện áp quá thấp, streamer có thể dừng lại trong khe

hở mà không đến được cực đối diện Với điện áp đủ lớn, nó sẽ nối liền khe

hở Thông thường không chỉ có một streamer đơn lẻ mà luôn có sự xuất hiện của một số lượng các streamer

Các kết quả thực nghiệm đã cho thấy điều kiện để một số lượng các streamer đơn lẻ xuất hiện đồng thời có thể vượt qua khe hở giữa 2 điện cực có chiều dài d nếu Eav = Ua/d có thể đạt tới giá trị tới hạn Ecr Trong điều kiện

với streamer cực tính dương dương [8] Từ đó, điện áp cần thiết để một streamer có thể nối liền khe hở có chiều dài d là Uamin = Ecrd Ví dụ khe hở chiều dài 1m sẽ yêu cầu điện áp 500kV

E

a o m cr

l

Để sử dụng được các mối quan hệ trên, chúng ta phải xác định được các đại lượng điện áp khe hở Ua và điện áp U0(lmax) Trong hầu hết các trường hợp, E0(lmax) rất khó có thể xác định Do vậy trong thực tế, điện trường tới hạn

nối liền khe hở Khi đó U0(lmax) được xác định vì khi đó nó trùng với điện áp của điện cực, thông thường là điện cực nối đất, tức là U0(lmax) = U0(d) = 0

triển trong trường không đồng nhất vì khi đó U0(lmax) << Ua Như vậy, ta có thể đơn giản hóa công thức trên như sau: lmax ≈ Ua/Ecr

Qua các kết quả thực nghiệm, người ta thu được chiều dài streamer phát

107m/s và sau đó giảm chậm và dừng lại tại lmax = 0,94m Giá trị thực tế điện

công thức đơn giản hóa Ecr = Ua/lmax = 5,3kV/cm Do vậy giá trị thực nghiệm lấy tại 4,65kV/cm là có thể chấp nhận được

Hình 1.5: Phân bố điện thế U, điện trường E, dòng điện I và mật độ electron

tự do tại các thời điểm khác nhau cho đến khi streamer dừng phát triển

1.2.7.  Streamer  trong  trường đồng nhất và trong sự vắng mặt của các điện cực

Ở trên chúng ta đã xem xét streamer phát sinh từ điện cực cao áp, ở đó streamer luôn có mối liên hệ về điện với điện cực Điều này thường xuất hiện trong thực nghiệm với vùng streamer của tia tiên đạo dương, khi đó phần kênh dẫn và phần đầu của tia tiên đạo sẽ mang điện áp cao giống như một điện cực Tuy nhiên, streamer cũng có thể được hình thành trong khoảng không giữa hai điện cực nơi mà điện trường khe hở là đáng kể Dạng streamer này phát triển mà không có mối liên hệ về điện với nguồn điện cao áp và thường thấy trong các tia tiên đạo âm Chú ý rằng sét lan truyền từ đám mây dông xuống mặt đất hầu hết mang theo điện tích âm, trong khi đó các tia tiên đạo hình thành từ các công trình trên mặt đất mang theo điện tích dương Trong một số trường hợp, streamer có thể được hình thành ở lân cận của điện cực, nếu điện trường trong khe hở duy trì ở mức cao thì streamer vẫn sẽ dịch chuyển mà bỏ qua sự liên hệ về điện với điện cực trước đó

một khoảng cách nào đó so với điện cực và một vật dẫn có chiều dài l Vật dẫn sẽ bị điện trường khe hở phân cực để tạo thành vật lưỡng cực Tiến hành tổng hợp trường gây ra bởi lưỡng cực và trường khe hở Điện trường tổng

thế Do tính đối xứng, tất cả các điểm sẽ mang thế của trường mở rộng tại điểm giữa của vật dẫn Đôi khi, trường trong vật dẫn được xem như là được kéo dài ra phần bên ngoài, điện tích lưỡng cực sẽ làm tăng cường điện trường tổng cộng (Esum > E0) tại các đầu mút của vật dẫn (hình 1.6)

Tiếp theo, ta sẽ xem xét sự phân bố lại trường của lưỡng cực Tại lân cận của đầu lưỡng cực với bán kính r << l, điện trường dọc trục sẽ biến đổi gần giống với điện trường của một hình cầu với cùng bánh kính r Do vậy điện

trường khe hở sẽ bị ảnh hưởng tại khoảng cách r ở mỗi đầu của vật dẫn Điện thế tại mỗi đầu vật dẫn sẽ sai khác so với giá trị bình thường, U0 = -E0x một

sẽ tăng thêm Em = ∆U/r = E0l/2r [8]

Hình 1.6: Phân bố thế dọc theo vật dẫn trong điện trường đồng nhất Đường nét đứt là thế trong trường hợp không có vật dẫn

Với l >> r, quá trình ion hóa và streamer sẽ được hình thành tại mỗi đầu

ở đằng sau, rất giống với trường hợp streamer phát triển từ điện cực cao áp Điện tích tổng cộng của các streamer đang phát triển bằng 0 tại bất kỳ thời điểm nào do các streamer không có mối liên hệ với điện cực Điện tích không biến mất khỏi khe hở mà chỉ được phân bố lại bởi các streamer Một streamer

streamer phát triển theo chiều ngược lại thì mang điện tích âm

Khi các streamer phát triển sẽ làm tăng chiều dài tổng cộng của vật dẫn phân cực và sẽ làm tăng sự sai khác điện thế ∆U kéo dài ra ngoài kênh dẫn plasma Nói cách khác, plasma trong kênh dẫn cũ sẽ bị suy giảm, do vậy điện tích dịch chuyển từ một nửa của kênh sang nửa kia sẽ trở nên khó khăn hơn Cuối cùng chiều dài của streamer không thể tăng thêm nữa, do sự tăng chiều

dài ở phần đầu sẽ bị mất đi do sự suy giảm plasma ở phần đuôi Cái mà ta thấy lúc này là một cặp plasma tách rời có chiều dài giới hạn di chuyển theo 2 hướng ngược nhau

Hình 1.7: Sự kích thích streamer tại mỗi đầu của vật dẫn trong điện

trường đồng nhất

Khi plasma của streamer trong kênh dẫn cũ ở gần điểm khởi đầu gần như

bị suy giảm hoàn toàn, hai streamer không có sự liên hệ về điện sẽ tiếp tục dịch chuyển theo hai hướng ngược nhau Khi đó các hiệu ứng phân cực của mỗi phần sẽ được giống như hiệu ứng phân cực trước đó của toàn bộ kênh Kết quả là có 4 vùng điện tích thay đổi cực tính lần lượt như trong hình 1.7b

Thực nghiệm cho thấy, streamer không thể phát triển trong điện trường khe hở nhỏ hơn một giá trị nhất định, E0min so với giá trị Ecr trong trường

E0min ≈ 5kV/cm với giá trị thực nghiệm [8] Nếu điện trường khe hở chỉ xấp xỉ giá trị ngưỡng thì điện áp đầu plasma sẽ nhỏ, tốc độ streamer là thấp và điện trường của kênh gần với giá trị điện trường khe hở E0min (hình 1.8)

nhiều so với điện áp khe hở, streamer phát triển với tốc độ cao (hình 1.9)

Hình 1.8: Streamer phát triển trong điện trường đồng nhất E 0 = 7,7kV/cm

Hình 1.9: Streamer phát triển trong điện trường đồng nhất E 0 = 10kV/cm

1.3. Nguyên lý của quá trình phát triển tia tiên đạo 

1.3.1. Sự cần thiết của tăng nhiệt độ không khí 

Phần trên đã đề cập đến sự phát triển của một kênh plasma đơn giản – streamer – các thực nghiệm đã chỉ ra rằng nhiệt độ của streamer là thấp và

điện trường của kênh quá nhỏ để xảy ra hiện tượng ion hóa Trong điều kiện này, kênh plasma được tạo ra ở đầu streamer sẽ nhanh chóng bị suy giảm Electron sẽ bị mất đi do hiện tượng tái kết hợp electron và ion dương cũng như kết hợp electron với các thành phần mang điện âm trong không khí do vậy sẽ làm mất tính dẫn của nó và streamer sẽ dừng phát triển Ngay cả với điện áp hàng mega vôn trong phòng thí nghiệm, một streamer cũng chỉ có thể phát triển trong vài mét [8]

Cách duy nhất để ngăn ngừa hoặc ít nhất làm chậm quá trình suy giảm plasma trong điện trường yếu là tăng nhiệt độ của không khí trong kênh lên tới vài ngàn độ Kelvin, 5.000-6.000K hoặc thậm chí cao hơn nữa [8] Khi nhiệt độ tăng số điện tử tự do sẽ tăng lên và kênh plasma có khả năng tự hỗ trợ chính nó hoặc ít nhất tiến tới trạng thái này trong điều kiện điện trường yếu Như vậy chính sự tăng nhiệt của không khí đã giữ được tính dẫn điện của plasma và làm cho hiện tượng phóng điện có thể xảy ra Sự tăng nhiệt này là không thể đối với sóng ion hóa đầu tiên nhưng là có thể với sự phát triển kênh khác sau đó Có thể hơi ngạc nhiên song bán kính của kênh tiên đạo nhỏ hơn bán kính của một kênh streamer tại cùng một điện thế phần đầu và do vậy nhiệt độ không khí trong kênh tiên đạo mới có thể tăng lên đáng kể

Do vậy điều kiện tiên quyết cho phóng điện khoảng cách lớn có thể phát triển là sự tạo thành một lớp điện tích không gian bao quanh kênh dẫn và có cùng dấu với thế của kênh Các điện tích này sẽ làm giảm điện trường trên bề mặt kênh, lấy đi khả năng mở rộng của kênh do hiện tượng ion hóa Khi đó kênh chỉ với mặt cắt rất nhỏ sẽ chỉ có khả năng nóng lên và lan truyền trong không gian giống như với trường hợp một streamer đơn lẻ

1.3.2. Tốc độ phát triển của tia tiên đạo 

Các streamer được tạo ra ở phía trước kênh tiên đạo sẽ lan truyền với khoảng cách vài mét rồi dừng lại Bởi tốc độ phát triển của streamer chỉ đạt xấp xỉ 105m/s, do vậy thời gian tồn tại streamer chỉ là 10-5s, quá ngắn không

đủ cho kênh plasma phát triển [8] Chỉ với các streamer mới được sinh ra với thời gian tồn tại là τa = 10-7s mới có thể tạo ra đặc tính dẫn tốt Chiều dài của

đốm sáng có bán kính 1cm và được xem như là đầu của tia tiên đạo

Hình 1.10: Hình ảnh về phần đầu của tia tiên đạo

Như vậy, điều kiện cần thiết cho sự lan truyền của tia tiên đạo là bán kính phần đầu phải được co nhỏ lại Để đạt được điều kiện trên phải mất một khoảng thời gian τins Qua giai đoạn này tia tiên đạo sẽ lan truyền ổn định với

chiều dài bằng chiều dài của các streamer mới được sinh ra Do vậy, tốc độ của tia tiên đạo có thể được xác định dựa vào những tham số sau:

VL ~ rt/τins ~ lt/τins ~ τaVs/τins [8] (1.6) Trong điều kiện phòng thí nghiệm ứng với τins = 10-6s, lt = 1cm ta thu được VL = 104m/s [8]

Không có số liệu thực nghiệm trực tiếp nào cho trạng thái của kênh tiên đạo sét Do vậy, một số giá trị đặc biệt là thông tin nhận được từ các giá trị

là micro giây được đặt vào khe hở có chiều dài d Bằng cách đo chiều dài của

điện thế đầu tia tiên đạo Ut = Ecr Ls và tính toán giá trị trung bình của điện trường trong kênh tiên đạo là EL = (U0 – Ut)/L trong đó L = d – Ls là chiều dài của kênh

streamer tại thời điểm nó nối với cathode có sai số Ngoài ra phép đo Ecr cũng không thể chính xác bởi vì nó phụ thuộc vào các yếu tố áp suất không khí, độ

ẩm và nhiệt độ Mặc dù vậy số liệu trong bảng 1.1 cũng cho thấy sự giảm

cường độ điện trường khi tăng chiều dài khe hở

Bảng 1.1: Thông số của tia tiên đạo nhận được từ thực nghiệm

5 1,3 2,3 2,7 1,1 750

10 1,9 3,2 6,8 1,5 590

15 2,2 3,6 11,4 1,7 440

Nguồn thông tin: E M Bazelyan và Yu P Raizer [8]

Điện áp cần thiết để tạo ra phóng điện với khoảng cách 100m là khoảng 3-5MV [8] Điện áp phần đầu cần thiết cho sự phát triển streamer là từ 1-2MV và do vậy điện trường trong kênh sẽ từ khoảng 200-250V/cm [8]

Điện áp đặt vào khe hở U0 có thể được tính theo công thức sau:

Trong đó E là điện trường trung bình trong kênh dẫn có chiều dài L

Một số thông số của phóng điện trong khoảng cách lớn được cho trong

Nguồn thông tin: E M Bazelyan và Yu P Raizer [8]

Tốc độ tăng của điện áp khe hở cần thiết như thế nào cho chế độ tối ưu của phóng điện khoảng cách lớn Rất rõ ràng rằng, điện áp khe hở phải tăng khi chiều dài phóng điện tăng Người ta chỉ ra rằng đối với phóng điện chọc thủng xuất hiện tại điện áp tối thiểu, thời gian tăng xung tf điện áp cũng phải tăng với chiều dài khe hở d Công thức thực nghiệm cho tf:

U

d

=+ [ ]kV , d < 15m [8] (1.8)

1.6. Tia tiên đạo âm 

Hầu hết phóng điện sét mang điện tích âm tới đất Luôn luôn là khó khăn

để đánh thủng một khe hở với chiều dài trung bình giữa điện cực âm và mặt

phẳng nối đất Tia tiên đạo âm cần một điện áp áp cao hơn Sự khác nhau giữa

tia tiên đạo khác nhau về điện tích là do cấu trúc của vùng streamer

Thực tế rằng các streamer âm yêu cầu một điện trường và điện áp cao

hơn đã được chứng minh bằng rất nhiều thực nghiệm Điện trường trung bình

trên tuy nhiên đối với trường hợp streamer âm thì không

Hình 1.11: Streamer âm từ một cathode hình cầu bán kính 50cm tại xung điện

áp âm 1,8MV và thời gian xung là 50µs

Cấu trúc lan truyền và cấu trúc của vùng streamer của tia tiên đạo âm thì

phức tạp hơn rất nhiều so với tia tiên đạo dương và cho đến nay hiểu biết về

cấu trúc này vẫn còn nhiều hạn chế Vào năm 1930, khi Schonland bắt đầu

những nghiên cứu của ông về sét, tia tiên đạo âm được tìm thấy là có những đặc tính riêng trong việc lan truyền và có dạng bậc thang [8] Sau đó, các quá trình tương tự cũng được tìm thấy trong tia tiên đạo được tạo ra trong điều kiện phòng thí nghiệm Với mỗi bước nhảy, tia tiên đạo âm kéo dài ra hàng

cm hoặc tới hàng mét trong trường hợp phóng điện khoảng cách cực lớn

giữa các bước nhảy, phần đầu tia tiên đạo âm chậm rãi và liên tục di chuyển cùng với vùng streamer để tạo thành các streamer hướng về anode Dường như vùng plasma được kéo dài dọc theo điện trường và được phân cực bởi điện trường Đầu dương của plasma phân cực hướng về phía đầu của tia tiên đạo sẽ đóng vai trò như là điểm bắt đầu cho streamer hướng về cathode Chúng dịch chuyển về phía đầu tiên đạo và do vậy gia tăng tính dẫn của kênh

và tăng điện trường âm tại phần đầu hướng về anode Gần như ở cùng lúc, phần plasma sẽ tạo ra streamer hướng về anode Điều này được thể hiện trong

hình 1.14

Hình 1.12: Hình ảnh một tia tiên đạo âm phát triển trong phòng thí nghiệm: (1,2) các streamer phụ hướng về cathode và anode ở trong khe hở; (3) kênh tiên đạo khối phụ; (4) kênh tiên đạo âm chính; (5) đầu kênh tia tiên đạo; (6) thân plasma; (7,8) đầu của các tia tiên đạo phụ; (9) tia tiên đạo bao gồm

bước phát triển dạng bậc

Hình 1.13: Hình ảnh một tia tiên đạo âm trong giai đoạn hình thành

Hình 1.14: Streamer hướng về anode (1) và streamer hướng về cathode (2); (3) phóng điện hình thành bởi hồ quang âm; (4) tia tiên đạo âm đang hình

thành

Phần plasma phân cực không chỉ trở thành điểm hình thành của streamer

mà còn là điểm hình thành các tia tiên đạo phụ cùng với nó Chúng được gọi

là tia tiên đạo khối (volume leader) Tia tiên đạo thể tích dương sẽ phát triển rất nhanh Thông thường vùng streamer của nó sẽ tiếp cận ngay lập tức với tia tiên đạo chính, do vậy nó được xem như là tia tiên đạo phụ phát triển ở giai đoạn bước nhảy cuối cùng Tia tiên đạo khối âm dịch chuyển về phía anode thì chậm hơn Khi phần đầu của tia tiên đạo âm (tia tiên đạo chính) và tia tiên đạo khối dương tiếp xúc với nhau, chúng tạo thành một kênh dẫn chung, tạo điều kiện cho quá trình trung hòa và phân bố lại điện tích Kết quả là, tia tiên đạo khối cũ thu được một điện thế gần bằng với giá trị ở đầu của tia tiên đạo

âm chính Quá trình này giống như hình ảnh thu nhỏ của của quá trình phóng điện ngược trong phóng điện sét Phần dương của plasma chuyển thành một phần đầu âm mới của tia tiên đạo chính Đây là cấu trúc của dạng bước nhảy

và dạng mở rộng bậc thang của kênh chính của tia tiên đạo Quá trình lại tiếp tục được lặp lại Sự chuyển động của tia tiên đạo âm là tiên tục nhưng các tia tiên đạo khối dương tạo ra hiệu ứng bậc thang

1.7. Kết luận 

Ngày nay, nghiên cứu về phóng điện khoảng cách lớn có vai trò quan trọng trong nghiên cứu về sét nói chung Từ những kết quả nghiên cứu về phóng điện khoảng cách lớn cho ta những hình ảnh về quá trình vật lý của phóng điện sét, đồng thời một số thông số của phóng điện sét có thể được ngoại suy từ những kết quả nghiên cứu về phóng điện khoảng cách lớn trong phòng thí nghiệm