XÁC ĐỊNH DÒNG ĐIỆN TRONG TIA SÉT ĐÁNH VÀO MỘT ĐỐI TƯỢNG TO LỚN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ
ĐỀ TÀI:

XÁC ĐỊNH DỊNG ĐIỆN TRONG TIA SÉT ĐÁNH
VÀO MỘT ĐỐI TƯỢNG TO LỚN

Giảng viên hướng dẫn
Học viên cao học
SHSV
Lớp

:
:
:
:

PGS-TS ĐÀO NGỌC CHIẾN
ĐẶNG QUỐC ĐƯỜNG
CB110829
KTTT1

Hà Nội, tháng 01/2022


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 mơ hình được dùng để tính xấp xỉ dịng điện tồn tại
trong tia sét, bao gồm: mơ hình gas dynamic (physical);
electromagnetic; distributed circuit; và mơ hình “engineering”. Tài
liệu này tìm hiểu mơ 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 tượng được bỏ qua do ít có ảnh
hưởng tới phép tính. Tồn 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. Mơ hình cho phép tính tồn
dịng 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. Mơ hình này có thể áp dụng cho bất kỳ tịa nhà hay cơng trình
xây dựng to lớn nào khác.


Contents
I. GIỚI THIỆU.....................................................................................................................3
II. MƠ HÌNH HĨA SỰ KIỆN SÉT ĐÁNH TẠI TỊA THÁP CNT....................................4
III. MƠ HÌNH HĨA ĐA ĐOẠN........................................................................................11
IV. TÍNH TỐN DỊNG 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 dơng 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 mơ 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 tịa 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]. Dịng điện quan sát được tại tháp
CNT được mơ hình hóa lý thuyết theo những mơ hình có sẵn [4]. Các dữ liệu sau
khi thu thập được dùng để tính tốn 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 tốn chi
tiết theo mơ hình dự kiến, mơ 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 mơ
hình hóa được phát triển để áp dụng cho trường hợp sét đánh tịa
tháp CNT, nhưng cũng có thể áp dụng để nghiên cứu dạng sóng
của dịng trong tia sét dự báo và trường phát xạ tương ứng cho bất
kỳ cơng 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. MƠ HÌNH HĨA SỰ KIỆN SÉT ĐÁNH TẠI TỊA THÁP CNT

Tịa tháp CNT tại Toronto được hoàn thành tháng 6 năm 1976, sau
40 tháng thi cơng. Nó cao 553m và đã nắm giữ kỷ lục tòa nhà cao
nhất thế giới trong suốt 30 năm. Nó vẫn cịn là cơng trình kiến trúc
cao nhất thế giới được dùng để nghiên cứu hiện tượng sét đánh
cho đến ngày nay.

Mặc dù tần suất sét đánh tại khu vực Toronto vào khoảng 2
lần/km2 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 tịa nhà. Hình 1 minh
họa các cuộn cảm biến dòng điện được đặt cố định trong tịa 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
dịng 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 hồn tồn phù hợp để mơ hình hóa các sự kiện sét đánh tại các
tịa nhà cao 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 mơ hình hóa TL [18]. Nhưng hiện nay, mơ hình “engineering”
5 đoạn dựa trên nền tảng mơ hình TL phức hóa được sử dụng thay
thế đối với tịa tháp CNT. Việc xem xét 5 đoạn trong mơ hình giúp
tái hiện cấu trúc chi tiết hơn. Mơ hình bao gồm các phản xạ từ
hướng truyền tới của tia sét (LC- lightning channel). Để mơ 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
mơ hình đơn đoạn, như trong hình 2. Tuy nhiên các nguyên lý đưa
ra có thể áp dụng trực tiếp cho mơ hình 3 đoạn hoặc 5 đoạn. Chú ý
rằng, kênh sét (LC) được thể hiện trong trường hợp tổng qt, khi
cả 2 phần: ion hóa hồn tồn (đường nét liền) và ion hóa khơng
hồn tồn (đường nét đứt) cùng tồn tại trong kênh sét. Trong khi


đó, dịng điện trả về chỉ được xem xét phần ion hóa khơng hồn
tồn.

Hình 2. Mơ hình đơn đoạn
Các giả thiết sau được áp dụng với mơ hình đơn đoạn, nhưng phần
lớn chúng cũng áp dụng được với mơ hình 3 đoạn hoặc 5 đoạn.
1) Tòa tháp CNT được thể hiện dưới dạng 1 đoạn TL có trở kháng
khơng đổi, được tính tốn bằng cơng thức Chisholm cho một đối
tượng hình nón [19] (Zt=110 Ω).
2) Hệ thống nối đất có trở kháng 30Ω (Zg=30Ω).
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 thể hiện dưới dạng 1 TL có trở kháng khơng đổi (Z t ch=495Ω)
để tính tốn trạng thái ion hóa khơng hồn tồn. Ngay khi có dịng
phản hồi ngược lại LC, lúc này LC gồm có 2 thành phần, phần có
dịng điện đi qua sẽ bị ion hóa hồn tồn, vậy nên sẽ có trở kháng
thay đổi (theo chiều hướng giảm) (Z ch=330Ω). Các giá trị được sử
dụng tương ứng là 4.5 x Zt và 3 x Zt.
7) Tốc độ truyền trong phần ion hóa khơng hồn tồn của LC là
khơng đổi và giả thiết bằng v=1.9e8m/s. Chú ý rằng tốc độ này
được giả thiết bằng v=1.0e8m/s trong trường hợp thức tế như trong
hình 11.
8) Hằng số phân rã theo cấp số nhân của phần ion hóa khơng hồn
tồn trong tuyến truyền LC là ψ = 2000m.
9) Tốc độ truyền trong phần ion hóa hồn tồn của LC cũng như
trong tịa tháp CNT là hằng số và bằng c=3e 8 m/s (tốc độ ánh
sáng)
10) Giả thiết rằng khơng có hiện tượng phân rã trong phần đường
truyền ion hóa hồn tồn và trong tòa tháp CNT.
11) Các ảnh hưởng do phản xạ, khúc xạ tại các vị trí khác nhau
của tịa 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 dịng có
dạng sóng y hệt nhau nhưng biên độ tỉ lệ nghịch tương ứng với trở
kháng của CNT và phần ion hóa khơng hồn tồn của LC bắt đầu
đánh xuống tịa tháp và phản xạ ngược lại kênh sét. Sóng đánh
xuống tịa tháp có tốc độ ánh sáng “c”, trong khi sóng truyền lên
phần ion hóa khơng hồn tồn của LC lại có tốc độ là “v”. Quan sát

biểu đồ mắt lưới trong hình 3, trước tiên là dịng xen đang đánh
xuống tịa tháp CNT. Khi nó xuống tới đáy của tịa tháp, do có sự
thay đổi về trở kháng nên xuất hiện một dịng 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 mơ hình đơn đoạn
Phần sóng gốc khúc xạ vào trong LC tiếp tục truyền lên phần ion
hóa hồn tồn 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 tịa tháp
trong khi phần cịn lại của nó tiếp tục truyền lên phần ion hóa
khơng hồn tồn 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 tịa tháp. Chú ý rằng có một số điểm mới
được nhắc đến trong các giả thiết kể trên là phù hợp với mơ 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 hồn tồn và
khơng hồn tồn của LC được xem xét trong mơ hình này. Trong
những cách xem xét mơ hình khác, người ta giả thiết rằng có một
sự khơng liên tục trong các thành phần dòng điện khi chúng truyền
tới lớp biên này và khi vượt qua biên thì chúng khơng cịn tồn tại.

Đây là một điểm mâu thuẫn và cần phải có những phép tính bổ
sung để hiệu chỉnh. Trong mơ hình hiện tại thì những thành phần
khơng liên tục này vẫn được xem xét tính tốn, và những ảnh
hưởng của các thành phần dịng phản xạ và truyền dẫn đều được
mơ phỏng chính xác. Các thành phần truyền phát (transmitted
components) ghép chung vào dịng xen gốc (originally injected
current), khuếch đại nó lên và truyền đi với cùng một tốc độ thấp
hơn, hướng đến phần ion hóa khơng hồn tồn của LC, trong khi
các thành phần phản xạ (reflected components) quay ngược lại
phần ion hóa hồn tồn của kênh sét và hướng tới đỉnh chóp của
tịa 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 mơ hình CNT 5 đoạn.
A. Phân bố dịng cho mơ 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 xét, tính tốn.
Các thành phần chính (bên trong tịa tháp CNT):

h  z 2nh
h  z 2nh 


iM   kbn ktn i0 (t 

)  kbn 1ktni0 (t 

)  (1)
c
c
c
c 
n0 

Các thành phần bổ sung (bên trong tòa tháp CNT):
iA.1  kb (1  kt )kc (1  kt )i (t 

i A.2  kb2 (1  kt )kc (1  kt )i0 (t 

Với: 0  z  h; 

2h  h  z
)
c

2h  h  z
)
c

(2)

v

cv
; 
cv
cv

Dòng kênh cơ sở (channel base current) (tức là dòng ban đầu
truyền lên tới phần ion hóa khơng hồn tồn của LC) được tính như
sau:
h z

z
zh ( 
ich  t i0 (t 
)e
ztch
v

Với h ≤ z ≤ zMAX

)

(3)


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

iI ,(2 m 1)   kbm ktm 1 (1  kt )kcn ( kt ) n i0 (t 
n 0



iI ,(2 m )   kbm ktm1 (1  kt )kcn 1 (kt )n i0 (t 
n0

2mh n ( z  h)
 
)
c
c

(4a)

2mh n (h(1  2m n )  z )
 
)
cv
c

(4b)

Với h  z  h(1  2m n )  zMAX ; m  1, 2,3,...
Các thành phần truyền phát vào trong phần ion hóa khơng hồn tồn của LC được
tính như sau:


iTm   kbm ktm 1 (1  kt )kcn ( kt ) n (1  kc )i0 (t 
n 0

2mh n z  h(1  2m n ) ( h v z )

 
)e
cv
v

(5)

Với h(1  2m n )  z  zMAX ; m  1, 2,3,...
Để tìm ra dịng điện tại bất kỳ vị trí cao độ nào của tịa 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. MƠ HÌNH HĨA ĐA ĐOẠN

Cùng với cách tiếp cận và nguyên lý như trên, chúng ta có thể xem xét tính tốn với
bất kỳ mơ hình đa đoạn nào của tịa tháp CNT. Mơ 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. Mơ hình 3 đoạn

Hình 5. Đồ hình dạng lưới cho mơ hình 3 đoạn
Về bản chất thì mỗi đoạn của mơ hình 3 đoạn hay 5 đoạn được xem xét tính tốn
như trường hợp mơ hình đơn đoạn ở trên. Giá trị trở kháng trong mơ hình 3 đoạn
hay 5 đoạn của tịa 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 dịng điện được tính tốn 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 dơng, tình trạng
khơng 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 khơng 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 nhống thì trở kháng nối đất khơng 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. Mơ hình 5 đoạn


Hình 7. Đồ hình dạng lưới cho mơ hình 5 đoạn
Section, #
LCh not-ionized
LCh fully-ionized
L1
L2
L3
Zg

Length, m
8000-z
Z (variable)
188
30
335

-

Impedance, Ω
Ztch
Zch
Z1
Z2
Z3
Zg

495
330
160
86
140
30

Bảng 1. Giá trị trở kháng trong mơ hình 3 đoạn
Section, #
LCh not-ionized
LCh fully-ionized
L1
L2
L3
L4
L5
Zg

Length, m
8000-z

Z (variable)
100
9
79
30
335
-

Impedance, Ω
Ztch
Zch
Z1
Z2
Z3
Z4
Z5
Zg

Bảng 2. Giá trị trở kháng của mô hình 5 đoạn

495
330
160
105
140
86
120
30

Bảng 1 là trở kháng tòa tháp và chiều dài các đoạn tương ứng với mơ hình 3 đoạn,
cịn bảng 2 là các giá trị tương ứng với mơ hình 5 đoạn. Trong mơ hình 3 đoạn mơ
tả tịa tháp CNT thì phần Space Deck được bỏ qua, tuy nhiên những vị trí nhơ lên
của tịa 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 tịa tháp, ví như Space Deck, trong mơ hình 5 đoạn, khiến cho mơ
hình trở nên chính xác và thực tế hơn. Dạng sóng của dịng điện được tái hiện một
cách chính xác tại các độ cáo tương ứng của tịa tháp.
Hình 5 và 7 thể hiện đồ hình dạng lưới tương ứng với mơ hình 3 đoạn và 5 đoạn. Cả
2 đồ hình được đưa ra với mục đích minh họa và được giới hạn trong một khung
thời gian ngắn để dễ dàng quan sát. Dễ thấy rằng các đồ hình này có độ phức tạp
tăng rất nhanh theo thời gian, nhưng nhiều thành phần truyền phát hoặc phản xạ có
mức ảnh hưởng nhỏ đến dịng điện tổng tại các vị trí tương ứng, vì vậy chỉ những
thành phần có biên độ lớn hơn 1% của dịng điện gốc mới được xem xét tính tốn
đến. Cần chú ý một điểm khi mơ tả phân bố dịng điện trong kênh sét LC đó là điểm
phản xạ giữa phần ion hóa khơng hồn tồn và ion hóa hồn tồn của LC khơng
phải là điểm tĩnh. Tốc độ truyền ở trước kênh đánh ngược (return-stroke channel)
“v” có ảnh hưởng đến thời gian và vị trí của điểm phản xạ này, vì thế cũng ảnh
hưởng đến phân bố dịng điện trong kênh sét LC và trong tịa tháp CNT.
IV. TÍNH TỐN DỊNG ĐIỆN

Chúng ta sẽ xem xét một sự kiện sét đánh tùy chọn để xác định kết quả của những
mơ hình đã trình bày ở trên. Một hàm Heidler với các tham số như trong tài liệu
[23] (xem thêm phần phụ lục) được xem xét làm đầu vào cho tất cả các mơ hình
trong phần này. Giả thiết v=1.9e8m/s là tốc độ truyền trong phần ion hóa khơng
hồn tồn của kênh sét LC, đạo hàm dòng đánh ngược (return-stroke current
derivative) và dạng sóng của dịng điện được tính tốn tại độ cao 474m được thể
hiện trên hình 8 và hình 9 tương ứng. Ta thấy, dạng sóng của dịng điện và đạo hàm
của dịng điện được mơ tả càng chính xác khi áp dụng một mơ hình càng chi tiết cho
tòa tháp CNT.

Những thay đổi tương ứng về dạng sóng được tách biệt trong miền thời gian tùy
theo các điểm phản xạ được xét đến trong các mơ hình khác nhau. Trong khi chỉ có
2 điểm phản xạ (một ở chân và một ở đỉnh của tòa tháp) trong mơ hình đơn đoạn,


thì với mơ hình 3 đoạn hoặc 5 đoạn, sẽ xuất hiện thêm 2 điểm phản xạ ở đáy và
đỉnh của Skypod.

Hình 8. Đạo hàm dịng điện trong mơ hình CNT đơn đoạn, 3 đoạn và 5 đoạn đối với
một sự kiện sét đánh tùy chọn; Hình ở trên là một phần được phóng đại của dạng
sóng (từ t=0.35-0.50µs và di=38-42kA/µs).


Hình 9. Dạng sóng của dịng điện trong mơ hình CNT đơn đoạn, 3 đoạn, 5 đoạn với
một sự kiện sét đánh tùy chọn.
Hai thành phần phản xạ khác từ đáy và đỉnh của Space Deck chỉ được tính tốn
trong mơ hình 5 đoạn. Hai thành phần này được bố trí rất gần nhau trong miền thời
gian nên rất khó để quan sát chúng trên trục thời gian ở hình 8, vì vậy một vùng
được khuếch đại từ t=0.35-0.50µs và di=38-42kA/µs để có thể quan sát được 2
thành phần này được rõ hơn. Tương tự, để ghi lại và xem xét ảnh hưởng của chúng
đối với đạo hàm dòng điện và dạng sóng, chúng ta nên sử dụng thang thời gian chi
tiết hơn, do những thành phần phản xạ này tới từ những vị trí cách nhau chỉ 9m
(xem hình 6). Điều này có nghĩa là thời gian truyền hết một vòng (18m) giữa 2 điểm
phản xạ chỉ mất 60ns. Vì vậy trên trục thời gian cần sử dụng đến bước chạy 1ns để
tính tốn đạo hàm dịng điện như trong hình 8, và bước chạy này được sử dụng cho
tất cả các phép tính trong tài liệu này. Đối với mơ hình đơn đoạn và 3 đoạn, có thể
sử dụng bước chạy 100ns.
Trong trường hợp của hình 9, phần đỉnh trước được xem là dòng tại cặp phản xạ
Space Deck đầu tiên tương ứng với mơ hình 5 đoạn. Có các thay đổi khác trong
dạng sóng được tính tốn do các phản xạ đến từ sự tác động lẫn nhau giữa các điểm

khơng liên tục của tịa tháp CNT và từ các điểm phản xạ trong kênh sét LC. Những
tác động này tại điểm đang quan sát theo tiến trình thời gian, có thể được cộng vào
hoặc trừ đi để tính tốn dạng sóng tổng cuối cùng.


Trong khi hình 9 cho ta dạng sóng của dịng điện tại độ cao 474m tương ứng với các
mơ hình phân đoạn khác nhau của tịa tháp CNT, thì hình 10 cho ta thơng tin về
dạng sóng của dịng điện tại các độ cao khác nhau của tòa tháp CNT và của kênh sét
LC, được tính tốn trong mơ hình 5 đoạn. Chú ý rằng, có một độ trễ trong dạng
sóng dịng điện được khảo sát tại các cao độ khác nhau, điều này cho thấy cần có
thời gian để dòng điện truyền xuống tòa tháp với tốc độ ánh sáng “c”, và thành phần
phản xạ quay ngược lại phần ion hóa khơng hồn tồn của kênh sét với tốc độ “v”.
Biên độ đỉnh của dịng điện được tính tốn phụ thuộc vào số lượng thành phần phản
xạ và khúc xạ, gây ra bởi dòng điện tại đáy tòa tháp CNT. Cần chú ý thêm đến dòng
tại cao độ 4000m truyền trong kênh sét LC, bắt đầu tại thời điểm 18μs.
Dạng sóng chi tiết của dịng sét tại tất cả các cao độ của tòa tháp
CNT và trong kênh sét LC là các thơng số cần thiết để tính tốn
trường điện từ tại một khoảng cách nào đó.
V. SO SÁNH VỚI MỘT SỰ KIỆN SÉT ĐÃ ĐƯỢC GHI NHẬN

Một sự kiện thực tế đã được ghi nhận tại cao độ 474m vào ngày 19 tháng 8 năm
2005, dạng sóng đo được như trên hình 11, đường màu đen. Đây là lần đánh trúng
#3 của tia chớp #11 tại thời điểm 14:11:43 ngày 19/8/2005 so với lần đánh trúng #2
của tia chớp #7 tại thời điểm 14:13:13 được ghi lại trong tài liệu [24]. Có thể thấy
rằng cả 2 dạng sóng ghi nhận được đều chứa rất nhiều nhiễu. Đó là do tín hiệu từ
điểm quan sát 474m được tiếp sóng tới thiết bị ghi thông qua cáp đồng. Một điều
không may, đó là các bản ghi ít nhiễu hơn tại vị trí 509 khơng được lưu lại cho các
sự kiện cá biệt này (các sự kiện ít nhiễu được tái tạo lại với cách tiếp cận mơ hình
hóa như đã trình bày ở trên, và có thể xem lại trong tài liệu [25]). Tuy nhiên, các tác
giả của tài liệu đó dự định sẽ nghiên cứu và trình bày cách tính tốn trường điện từ

trong một tài liệu tiếp theo của họ, vậy nên họ đã tận dụng một sự kiện sét chưa
được nghiên cứu từ trước (như hình 11), và cũng vì có những bản ghi và video liên
quan đang được lưu trữ, có thể sử dụng phục vụ cho việc nghiên cứu.


Hình 11. Dạng sóng dịng xen được ghi nhận và tính tốn cho sự kiện ngày
19/8/2005
Dịng xen thích hợp được tính tốn từ sự so sánh của các dạng sóng dịng đã được
quan sát và tính tốn tại cao độ 474m sử dụng mơ hình 5 đoạn. Các tham số hàm
Heidler tương ứng có thể xem thêm trong phần phụ lục.
Với sự kiện đã xem xét, các dạng sóng được xác định thơng qua mơ hình tính tốn 3
bước (với v=1.0e8m/s), để có thể hình dung được rõ hơn, chúng được mô tả trên
một thang thời gian ngắn hơn như hình 11, trong đó điểm phản xạ chính được thể
hiện bởi các mũi tên. Chú ý rằng sử dụng v=1.0e8m/s do tốc độ truyền trong tòa
tháp đã được chọn (tốc độ ánh sáng), sóng phản xạ âm (negative) từ đáy tịa tháp
CNT và sóng phản xạ đầu tiên tại đỉnh của phần ion hóa hồn tồn của kênh sét LC
là trùng khớp về thời gian và sự ảnh hưởng giữa chúng khơng được thể hiện rõ
trong hình 11. Để thấy rõ thành phần sóng phản xạ đầu tiên từ đỉnh ion hóa hồn
tồn của kênh sét, có thể xem thêm hình 12, với hai trường hợp v = 1.0e8 m/s
và v = 1.9e8 m/s được thể hiện trên một thang thời gian dài hơn.
Dễ thấy rằng với v = 1.0e8 m/s thì dạng sóng gần hơn với dạng
sóng đã ghi nhận được.


Hình 12. Dạng sóng dịng được ghi nhận và tính toán cho sự kiện
ngày 19/8/2005 với các tốc độ “v” khác nhau
Các tham số Heidler được tinh chỉnh bằng mô hình 5 đoạn của tịa
tháp CNT, kết quả thu được từ mơ hình này khơng chỉ giúp mơ tả
chi tiết hơn dạng sóng mà cịn giúp tính tốn được cường độ một
cách chính xác. Tuy nhiên, hình 11 chỉ ra rằng dạng sóng dịng

được tính tốn bằng mơ hình đơn đoạn đơn giản nhất cũng thể
hiện được một cách phù hợp biên độ đỉnh của dạng sóng dịng
điện quan sát được, mặc dù dạng sóng được tái hiện khơng chi tiết
như với mơ hình đa đoạn. Hay nói cách khác, khi sử dụng mơ hình
3 đoạn hay 5 đoạn thì dạng sóng tái hiện được gần hơn với dạng
sóng thực đã được ghi nhận.
VI. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Mục tiêu của tài liệu này là trình bày lý thuyết về kỹ thuật được áp
dụng để lựa chọn mơ hình phân đoạn phù hợp cho tịa tháp CNT,
nhằm tính tốn trường điện từ xuang quanh tịa tháp trong trường
hợp có sét đánh, và đưa ra phép so sánh với các đại lượng đã đo
đạc được.
Tác giả cũng hướng tới tìm hiểu riêng rẽ từng tuyến truyền trong kênh sét LC, do
tốc độ truyền trong kênh sét khác nhau sẽ có ảnh hưởng khác nhau tới phép tính.


Việc này thực sự có ý nghĩa như đã được chỉ ra trong tài liệu Chang et al [26], theo
đó tốc độ truyền trong kênh sét LC không phải là một hằng số. Trên thực tế, một số
bản ghi chỉ ra rằng tốc độ tăng lên khi sóng truyền ngược lên phần ion hóa khơng
hịa tồn của kênh sét, trong khi các bản lưu khác lại chỉ ra điều ngược lại. Cả 2
trường hợp này đều có thể được đánh giá bằng thuật toán được phát triển trong tài
liệu này.
Tiếp đó, trong một tài liệu khác, sự ảnh hưởng của kênh sét nghiêng góc hoặc kênh
sét hình khúc khủy sẽ được xem xét đến, do kênh sét không thẳng đứng sẽ có ảnh
hưởng trực tiếp lên trường điện từ ở xung quanh.
Một hướng phát triển nữa đó là nghiên cứu nguồn gốc vật lý của tia sét ở điểm trên
cùng của kênh sét. Điều này không được đưa ra trong tài liệu này do việc mô phỏng
bị giới hạn trong thang thời gian 50 μs, một khung thời gian đủ ngắn để
loại bỏ các ảnh hưởng của phần trên cùng của kênh sét LC.

VII. KẾT LUẬN

Tài liệu đã nghiên cứu mơ hình 5 đoạn, là một cách tiếp cận mơ
hình hóa TL miền thời gian tối ưu để mơ phỏng hiện tượng sét
đánh tại tòa tháp CNT. Các nguyên lý được đưa ra trong mơ hình
có thể được sử dụng để mô phỏng các hiện tượng sét đánh tại bất
kỳ tịa nhà hay cơng trình kiến trúc to lớn nào khác.
Tài liệu chỉ ra rằng, mơ hình 5 đoạn có thể mơ phỏng dạng sóng
của dịng điện trong kênh sét rất gần với những gì đã được quan
sét bằng các thiết bị đặt tại tịa tháp CNT. Mơ hình 3 đoạn có độ
chính xác thấp hơn nhưng kết quả thu được vẫn có thể chấp nhận
được. Ngay cả với mơ hình đơn đoạn đơn giản nhất, trong một số
trường hợp vẫn đưa ra được sự đánh giá đầy đủ về giá trị đỉnh của
dịng điện quan sát được. Do đó việc tính tốn trường điện từ với
các mơ hình CNT khác nhau cho ra sai số đáng kể không chỉ trong
dạng sóng mà cịn trong giá trị biên độ sóng đỉnh [20]. Tác giả sẽ
nghiên cứu và trình bày những sai khác này trong một tài liệu
khác.


Hơn nữa chúng ta nên xác định rằng khi sóng phản xạ từ kênh sét
LC được xét đến, phụ thuộc vào tốc độ truyền trong phần ion hóa
khơng hồn tồn của LC được chọn, mà dạng sóng của mỗi lần
tính toán sẽ khác nhau.


PHỤ LỤC

Mối tương quan được dùng để thể hiện dòng kênh sét cơ bản,
trong đó dạng sóng và biên độ được dùng để mô phỏng sự tồn tại

thực tế của dòng đánh ngược, là một đề xuất của Heidler và
thường được tham chiếu đến hàm Heidler [3].
i ( h, t ) 

I 0 (t /  1 ) n (  t / 2 )
e
 1  (t /  1 ) n

(A1)

Với:
h: Chiều cao mà tại đó dịng đánh ngược (return-stroke current) xuất hiện;
t: Thời gian;
I0: Biên độ dòng điện kênh cơ sở (channel-base current);
τ1: Hằng số thời gian trước;
τ2: Hằng số thời gian phân rã;
n: Số mũ lấy giá trị trong dải từ 2 đến 10;
η: Hệ số sửa biên độ được tính theo cơng thức sau
 
 1
  exp -( 1 )( n 2 ) n 
1 
 2

(A2)

Dạng sóng của dịng kênh sét cơ bản được dùng trong (1)-(5) là
tổng của 2 hàm Heidler (A1) và được biểu diễn như sau:
2
I 01  t /  11 

I 02  t /  12 
(  t /  21 )
i0 (h, t ) 
e

e(  t / 22 )
n1
n2
1 1   t /  11 
2 1   t /  12 

n1

n

(A3)

Công thức này phụ thuộc thời gian “t”. Nên nhớ rằng, các thành
phần dòng khác nhau, kết hợp lại tạo ra dịng tổng tại một cao độ
cụ thể, sẽ có một độ trễ thời gian tương ứng như đã chỉ ra trong
(1)-(5).