XÁC ĐỊNH DÒNG điện TRONG TIA sét ĐÁNH vào một đối TƯỢNG TO lớn

Sau đó sẽ tính toán chi tiết theo mô hình dự kiến, mô hình “engineering” đường truyền dẫn transmission line - TL sửa đổi, có xét đến sự hiện diện của các đối tượng bị sét đánh là các tò

XÁC ĐỊNH DÒNG ĐIỆN TRONG TIA SÉT ĐÁNH

VÀO MỘT ĐỐI TƯỢNG TO LỚN

Abstract - Four model types that could be used to theoretically approximate lightning

events currently exist These are namely gas dynamic (physical) models, electromagnetic

models, distributed-circuit models, and “engineering” models In this paper, a modified

transmission line (TL) “engineering” modeling approach, which incorporates the

presence of a tall object in the lightning path is adopted The associated discontinuity at

the lightning channel front is treated by introducing reflected and transmitted

components, with constituents that are less influential omitted All computations are

performed in the time domain The considered tall structure is the CN Tower and it is

represented by either one, three, or five transmission line sections connected in series.

The lightning channel is represented by two more transmission line sections of variable

length The models allow for calculation of current at any height of the CN Tower or the

lightning channel and at any time, as needed for determination of the electric and

magnetic fields at a distance The approach is applicable to any other tall structure.

Tóm tắt - Có 4 mô hình được dùng để tính xấp xỉ dòng điện tồn tại

trong tia sét, bao gồm: mô hình gas dynamic (physical);

electromagnetic; distributed circuit; và mô hình “engineering” Tài liệu

này tìm hiểu mô hình modified transmission line (TL) “engineering” xét

trong trường hợp sét đánh vào một đối tượng to lớn Tại điểm tiếp xúc

giữa tia sét và đối tượng, tia sét được tách thành 2 thành phần, thành

phần phản xạ và thành phần xuyên qua, cấu trúc vật liệu của đối tượngđược bỏ qua do ít có ảnh hưởng tới phép tính Toàn bộ phép tính được

thực hiện trên miền thời gian Đối tượng to lớn được chọn là tòa tháp

CN Tower, nó được thể hiện thể hiện dưới dạng 1 hoặc 3 hoặc 5 đoạn

đường truyền nối tiếp nhau Trong khi đó, tia sét được thể hiện bởi 2

đoạn đường truyền có chiều dài thay đổi Mô hình cho phép tính toàn

dòng điện sinh ra tại bất kỳ độ cao nào của tòa tháp CN Towe, tương

ứng với bất kỳ tia sét nào và tại bất kỳ thời điểm nào, thông số này cần

thiết để tính trường điện từ tại một khoảng cách nào đó Mô hình này

có thể áp dụng cho bất kỳ tòa nhà hay công trình xây dựng to lớn nào

khác

I GIỚI THIỆU 3

II MÔ HÌNH HÓA SỰ KIỆN SÉT ĐÁNH TẠI TÒA THÁP CNT 4

III MÔ HÌNH HÓA ĐA ĐOẠN 11

IV TÍNH TOÁN DÒNG ĐIỆN 14

V SO SÁNH VỚI MỘT SỰ KIỆN SÉT ĐÃ ĐƯỢC GHI NHẬN 17

VI HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 19

VII KẾT LUẬN 20

I GIỚI THIỆU

Sét là một hiện tượng ấn tượng nhất và cổ xưa nhất của tự nhiên Mặc

dù đã được nghiên cứu trong một thời gian dài, nhưng cơ chế chính xác

của nó vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ, bắt đầu với việc hình thành,

sự di chuyển qua các tầng khí quyển khác nhau của lớp điện khí hóa và

kết thúc với việc mây dông bị tiêu tan Vì thế rất khó để dự báo chính

xác thời gian, địa điểm xảy ra hiện tượng sét đánh, và mức tác động nó

có thể gây ra Tuy nhiên, hiện tượng sét đánh đã được nghiên cứu và

ghi nhận trong một thời gian dài, nên có rất nhiều tài liệu liên quan

cũng như nhiều phương thức để mô hình hóa hiện tượng này [1]-[4].

Thực tế, hiện tượng sét đánh đã được quan sát và ghi nhận trong suốt hơn 30 năm tại tòa

tháp CN Tower – Toronto Trong suốt thời gian này, thiết bị đo điện tích đã liên tục được

nâng cấp Cho đến nay nó đã được tích hợp các thành phần cảm biến điện tích ngay chính

trong tòa tháp, các cảm biến trường điện từ được đặt cách tòa tháp 2km về phía bắc, đồng

thời có cả các thiết bị ghi hình đặt tại 2km và 11km tương ứng về phía bắc và tây của tòa

tháp Nhiều tài liệu về đặc điểm của khu vực khảo sát và các thông số của tia sét đã được

thu thập ([5]-[9]) Có thể xem thêm một số tài liệu khảo sát trong tài liệu [10], [11]

Dòng điện quan sát được tại tháp CNT được mô hình hóa lý thuyết theo những mô hình

có sẵn [4] Các dữ liệu sau khi thu thập được dùng để tính toán dạng sóng tại các vị trí

đặt cảm biến dòng nằm cách mặt đất 472m và 509m Trong tài liệu này, trước tiên chúng

ta xem xét tổng quát về tòa tháp CNT và các thiết bị đo đạc được sử dụng Sau đó sẽ tính

toán chi tiết theo mô hình dự kiến, mô hình “engineering” đường truyền dẫn

(transmission line - TL) sửa đổi, có xét đến sự hiện diện của các đối

tượng bị sét đánh là các tòa nhà cao tầng [12], nhưng có một số thay

đổi bổ sung để phù hợp với đặc điểm không liên tục về mặt vật lý tại

trước kênh sét (lightning channel - LC) Phương pháp mô hình hóa được

phát triển để áp dụng cho trường hợp sét đánh tòa tháp CNT, nhưng

cũng có thể áp dụng để nghiên cứu dạng sóng của dòng trong tia sét

dự báo và trường phát xạ tương ứng cho bất kỳ công trình cao lớn nào

khác trước khi xây dựng Tất cả các liên hệ toán học sử dụng trong tài

liệu này đều được thực hiện trên miền thời gian Cuối cùng, chúng ta sẽ

khảo sát một sự kiện thực đã được ghi nhận, đưa ra một số nhận định

và kết luận

II MÔ HÌNH HÓA SỰ KIỆN SÉT ĐÁNH TẠI TÒA THÁP CNT

Tòa tháp CNT tại Toronto được hoàn thành tháng 6 năm 1976, sau 40

tháng thi công Nó cao 553m và đã nắm giữ kỷ lục tòa nhà cao nhất

thế giới trong suốt 30 năm Nó vẫn còn là công trình kiến trúc cao nhất thế giới được dùng để nghiên cứu hiện tượng sét đánh cho đến ngày

nay

mỗi năm, nhưng riêng với tòa tháp CNT, tần suất sét đánh đạt từ 50 –

70 lần mỗi năm Hệ thống chống sét của tòa nhà bao gồm các cột thu

lôi nằm trên đỉnh, được nối tới 6 điện cực nối đất thông qua hệ thống

dây đồng chạy bên trong tòa nhà Tuy nhiên, theo như báo cáo trong

tài liệu số [13], phần lớn dòng điện sinh ra do sét được nối đất thông

qua cấu trúc bê tông cốt thép theo hiệu ứng bề mặt, theo như thiết kế

ban đầu của tòa nhà Hình 1 minh họa các cuộn cảm biến dòng điện

được đặt cố định trong tòa nhà tại các vị trí cách mặt đất tương ứng

474m (cuộn cũ) và 509m (cuộn mới) Đây là các cuộn Rogowski, được

dùng để bắt trực tiếp dòng điện phát sinh do sét đánh Dữ liệu thu thập

được chuyển tiếp thông qua cáp đồng trục (cuộn cũ) và cáp quang

(cuộn mới) tới bộ số hóa, tại đây dữ liệu được lưu trữ trên máy tính, sau

đó được xem xét bằng LabView và cuối cùng được xử lý bằng một thủ

tục tích hợp đặc biệt trong Matlab để tái tạo lại dạng sóng của dòng

điện

Hình 1 CNT và các vị trí đặt thiết bị cảm biến Bermudez et al [14] đã chỉ ra rằng mô hình TL (Transmission line) là

hoàn toàn phù hợp để mô hình hóa các sự kiện sét đánh tại các tòa nhàcao tầng Trong thời gian đầu nghiên cứu, trong các tài liệu kỹ thuật

[15]-[17], người ta sử dụng các mô hình “engineering” đơn đoạn và 3

đoạn (single and three-section) dựa trên cách tiếp cận mô hình hóa TL

[18] Nhưng hiện nay, mô hình “engineering” 5 đoạn dựa trên nền tảng

mô hình TL phức hóa được sử dụng thay thế đối với tòa tháp CNT Việc

xem xét 5 đoạn trong mô hình giúp tái hiện cấu trúc chi tiết hơn Mô

hình bao gồm các phản xạ từ hướng truyền tới của tia sét (LC- lightning

channel) Để mô hình hóa phép xử lý các thành phần phản xạ và khúc

xạ tại các mức khác nhau của tòa tháp và trong kênh sét, người ta sử

dụng một đồ hình dạng lưới Để hình dung phương thức sử dụng của đồ

hình lưới, chúng ta sẽ xem xét nó trong một trường hợp đơn giản, đó là

mô hình đơn đoạn, như trong hình 2 Tuy nhiên các nguyên lý đưa ra cóthể áp dụng trực tiếp cho mô hình 3 đoạn hoặc 5 đoạn Chú ý rằng,

kênh sét (LC) được thể hiện trong trường hợp tổng quát, khi cả 2 phần:

ion hóa hoàn toàn (đường nét liền) và ion hóa không hoàn toàn (đường

nét đứt) cùng tồn tại trong kênh sét Trong khi đó, dòng điện trả về chỉ

được xem xét phần ion hóa không hoàn toàn

Hình 2 Mô hình đơn đoạn

Các giả thiết sau được áp dụng với mô hình đơn đoạn, nhưng phần lớn

chúng cũng áp dụng được với mô hình 3 đoạn hoặc 5 đoạn

1) Tòa tháp CNT được thể hiện dưới dạng 1 đoạn TL có trở kháng không

đổi, được tính toán bằng công thức Chisholm cho một đối tượng hình

nón [19] (Zt=110 Ω).)

3) Hệ số phản xạ được tính như sau:

a) kb=(Zt-Zg)/(Zt+Zg);

b) kt=(Zt-Zch)/(Zt+Zch);

c) kc=(Zch-Zt ch)/(Zch+Zt ch);

4) LC theo hướng thẳng đứng và đánh vào đỉnh của tòa tháp

5) Chiều dài cực đại của LC zMAX=8km

6) LC được chia thành 2 phần Trước khi có luồng sét phản hồi, LC được

toán trạng thái ion hóa không hoàn toàn Ngay khi có dòng phản hồi

ngược lại LC, lúc này LC gồm có 2 thành phần, phần có dòng điện đi

qua sẽ bị ion hóa hoàn toàn, vậy nên sẽ có trở kháng thay đổi (theo

4.5 x Zt và 3 x Zt

7) Tốc độ truyền trong phần ion hóa không hoàn toàn của LC là không

8) Hằng số phân rã theo cấp số nhân của phần ion hóa không hoàn

toàn trong tuyến truyền LC là ψ = 2000m

9) Tốc độ truyền trong phần ion hóa hoàn toàn của LC cũng như trong

10) Giả thiết rằng không có hiện tượng phân rã trong phần đường

truyền ion hóa hoàn toàn và trong tòa tháp CNT

11) Các ảnh hưởng do phản xạ, khúc xạ tại các vị trí khác nhau của tòa

tháp và trong LC được theo dõi và xem xét cho đến khi biên độ của

chúng nhỏ hơn 1% so với sóng gốc

12) Tổng của 2 hàm Heidler [3] (xem thêm phụ lục) được dùng để xấp

xỉ dòng sét chèn vào

Dòng sét được chèn vào điển xen giữa CNT và LC Hai dòng có dạng

sóng y hệt nhau nhưng biên độ tỉ lệ nghịch tương ứng với trở kháng

của CNT và phần ion hóa không hoàn toàn của LC bắt đầu đánh xuống

tòa tháp và phản xạ ngược lại kênh sét Sóng đánh xuống tòa tháp có

tốc độ ánh sáng “c”, trong khi sóng truyền lên phần ion hóa không

hoàn toàn của LC lại có tốc độ là “v” Quan sát biểu đồ mắt lưới trong

hình 3, trước tiên là dòng xen đang đánh xuống tòa tháp CNT Khi nó

xuống tới đáy của tòa tháp, do có sự thay đổi về trở kháng nên xuất

hiện một dòng phản xạ Sóng phản xạ đi ngược lại đỉnh tháp và tại đây

nó tách thành một thành phần phản xạ ngược trở lại đáy tòa tháp,

đồng thời có một phần khúc xạ vào trong kênh sét LC Thành phần

phản xạ một lần nữa lại truyền tới đáy của tòa tháp và lại xuất hiện

một thành phần phản xạ khác quay ngược lên đỉnh tháp, quá trình trên

tiếp tục lặp lại

Hình 3 Đồ hình dạng lưới cho mô hình đơn đoạn

Phần sóng gốc khúc xạ vào trong LC tiếp tục truyền lên phần ion hóa

hoàn toàn của kênh sét với tốc độ ánh sáng, và tại một số điểm, nó sẽ

bắt kịp phần LC truyền chậm hơn Tại điểm này, một phần của sóng

khúc xạ gốc bị phản xạ ngược lại phía đỉnh tòa tháp trong khi phần còn

lại của nó tiếp tục truyền lên phần ion hóa không hoàn toàn của LC,

cùng với sóng xen ban đầu với cùng tốc độ “v” Tiến trình tương tự xảy

ra với tất cả các thành phần phản xạ khác, không chỉ từ đáy tòa tháp

mà còn cả thành phần phản xạ ngược vào trong kênh sét LC tại điểm

gián đoạn giữa phần ion hóa của LC và chóp đỉnh của tòa tháp Chú ý

rằng có một số điểm mới được nhắc đến trong các giả thiết kể trên là

phù hợp với mô hình đơn đoạn, cụ thể gồm:

1) Các thành phần truyền phát (transmitted components) vượt

lên điểm phản xạ tại lớp biên giữa phần ion hóa hoàn toàn và không

hoàn toàn của LC được xem xét trong mô hình này Trong những cách

xem xét mô hình khác, người ta giả thiết rằng có một sự không liên tục

trong các thành phần dòng điện khi chúng truyền tới lớp biên này và

khi vượt qua biên thì chúng không còn tồn tại Đây là một điểm mâu

thuẫn và cần phải có những phép tính bổ sung để hiệu chỉnh Trong mô

hình hiện tại thì những thành phần không liên tục này vẫn được xem

xét tính toán, và những ảnh hưởng của các thành phần dòng phản xạ

và truyền dẫn đều được mô phỏng chính xác Các thành phần truyền

phát (transmitted components) ghép chung vào dòng xen gốc

(originally injected current), khuếch đại nó lên và truyền đi với cùng

một tốc độ thấp hơn, hướng đến phần ion hóa không hoàn toàn của LC,

trong khi các thành phần phản xạ (reflected components) quay ngược

lại phần ion hóa hoàn toàn của kênh sét và hướng tới đỉnh chóp của

tòa tháp với tốc độ ánh sáng

2) Bỏ qua các thành phần (phản xạ hoặc khúc xạ) có ít ảnh

hưởng, thường là những thành phần có đóng góp ít hơn 1% vào dòng

tổng

Hơn nữa, cần chú ý thêm rằng với lần đầu tiên, 2 phân đoạn bổ sung,

đại diện cho đài quan sát tầm cao (space deck), được xem xét và đưa

vào mô hình CNT 5 đoạn

A Phân bố dòng cho mô hình đơn đoạn (xuất phát từ đồ hình ở

hình 3)

Giả thiết (1)-(5) đều dựa vào đồ hình dạng lưới trong hình 3 Tất cả các

thành phần đều được thể hiện trên hình 3 Số thành phần thực sự được

sử dụng trong mỗi trường hợp là giới hạn, chỉ những thành phần có

mức độ ảnh hưởng vượt quá 1% so với sóng gốc tới thì mới được xem

Dòng kênh cơ sở (channel base current) (tức là dòng ban đầu truyền

lên tới phần ion hóa không hoàn toàn của LC) được tính như sau:

( )

0( )

h z t

ch tch

Các thành phần nội bên trong phần ion hóa của kênh sét LC được tính toán như sau:

Các thành phần truyền phát vào trong phần ion hóa không hoàn toàn của LC được tính

như sau:

( ) 1

0 0

h z n

Để tìm ra dòng điện tại bất kỳ vị trí cao độ nào của tòa tháp hay của kênh sét, thì các

phần tương ứng với cao độ đó trên đồ hình lưới được cộng gộp lại Các giả thuyết từ

(1)-(5) được trình bày đầy đủ trong tài liệu [20].

III MÔ HÌNH HÓA ĐA ĐOẠN

Cùng với cách tiếp cận và nguyên lý như trên, chúng ta có thể xem xét tính toán với bất

kỳ mô hình đa đoạn nào của tòa tháp CNT Mô hình 3 đoạn và 5 đoạn của tòa tháp CNT

cũng đã được nghiên cứu và đưa ra kết quả như hình 4 và hình 5

Hình 4 Mô hình 3 đoạn

Hình 5 Đồ hình dạng lưới cho mô hình 3 đoạn

Về bản chất thì mỗi đoạn của mô hình 3 đoạn hay 5 đoạn được xem xét tính toán như

trường hợp mô hình đơn đoạn ở trên Giá trị trở kháng trong mô hình 3 đoạn hay 5 đoạn

của tòa tháp được chọn có xem xét đến những công bố từ trước [17], [21] và dựa trên

dòng điện ghi lại được Chúng được tinh chỉnh để đạt đến gần với dạng sóng của dòng

điện được tính toán tại các cao độ 474m và 509m Chú ý rằng mỗi sự kiện sét đánh là duy

nhất và kênh sét LC tương ứng có một giá trị trở kháng cụ thể, phụ thuộc vào nhiều yếu

tố bao gồm: cực của cú đánh (sét dương hay âm), mức độ ion hóa của kênh (lượng điện

tích truyền xuống từ mây dông, tình trạng không khí (độ ẩm, áp suất, pha tạp các khí

gas), điều kiện gió, hình dạng của kênh sét Giá trị trở kháng của LC dùng trong tài liệu này là đại lượng ước lượng sao cho khi ốp vào các mối quan hệ thì cho kết quả thỏa đáng.Nếu lấy trở kháng của kênh LC lên mức hàng ngàn Omh thì sẽ thu được các kết quả

không phù hợp với các sự kiện quan sát được

Phần nối đất của tòa tháp CNT bao gồm 6 cọc đặt âm dưới đất dài 15m [22] Trong quá

trình sét đánh chớp nhoáng thì trở kháng nối đất không phải là cố định Việc cố gắng để

đo trở kháng này chưa đạt được kết quả, và vẫn đang trong quá trình nghiên cứu Vì vậy

trong phần lớn trường hợp nghiên cứu, giá trị 30Ω vẫn thường được sử dụng

Hình 6 Mô hình 5 đoạn

Hình 7 Đồ hình dạng lưới cho mô hình 5 đoạn

Section, # Length, m Impedance, Ω

Bảng 1 Giá trị trở kháng trong mô hình 3 đoạn

Section, # Length, m Impedance, Ω

Bảng 2 Giá trị trở kháng của mô hình 5 đoạn

Bảng 1 là trở kháng tòa tháp và chiều dài các đoạn tương ứng với mô hình 3 đoạn, còn

bảng 2 là các giá trị tương ứng với mô hình 5 đoạn Trong mô hình 3 đoạn mô tả tòa tháp CNT thì phần Space Deck được bỏ qua, tuy nhiên những vị trí nhô lên của tòa tháp vẫn

được xem xét đến, ví như Skypod Nó có ảnh hưởng lớn đến sự phân bố dòng điện dọc

theo tòa tháp và kênh sét LC Việc xem xét cả các cấu trúc chi tiết hơn của tòa tháp, ví

như Space Deck, trong mô hình 5 đoạn, khiến cho mô hình trở nên chính xác và thực tế

hơn Dạng sóng của dòng điện được tái hiện một cách chính xác tại các độ cáo tương ứng

của tòa tháp