điện khí quyển và phương án chống sét cho khu dân cư

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



1

MỤC LỤC
MỤC LỤC 1

THUẬT NGỮ VÀ ðỊNH NGHĨA 3

MỞ ðẦU 5

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ðIỆN KHÍ QUYỂN 7

1.1. ðiện khí quyển khi thời tiết tốt 7

1.1.1. Trường ñiện của Trái ðất 7

1.1.2. Ion khí quyển và sự dẫn ñiện của không khí 10

1.1.3. Dòng ñiện toàn cầu 14

1.2. ðiện dông 16

1.2.1. Sơ lược về lịch sử nghiên cứu 16

1.2.2. Mây dông 17

1.2.3. Quá trình nhiễm ñiện 18

1.2.4. Hoạt ñộng phóng ñiện 20

1.2.5. Các phương pháp chống sét 25

Chương 2 TIÊU CHUẨN CHỐNG SÉT CHO CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG 27

2.1. Xác ñịnh cấp bảo vệ và vùng bảo vệ 27

2.1.1. Xác ñịnh tần số sét ñánh vào công trình 27

2.1.2. Vùng bảo vệ 29

2.2. Các bộ phận cơ bản của hệ thống chống sét 32

2. 2.1. Bộ phận thu sét 32

2.2.2. Dây xuống 32

2.2.3. Mạng nối ñất 34

2.3. Vấn ñề nối ñẳng thế, khoảng cách an toàn và bảo trì hệ thống chống sét 35

2.3.1. Nối ñẳng thế và khoảng cách an toàn 35

2.3.2. Kiểm tra và bảo trì 37

CHƯƠNG 3. LẬP TRÌNH TÍNH TOÁN CHỐNG SÉT BẰNG MATLAB 39

3.1. Cơ sở thuật toán 39

3.1.1. Cơ sở thuật toán xác ñịnh cấp bảo vệ 39

3.1.2. Cơ sở lập trình tính toán ñiện trở tiếp ñất 40

3.1.3. Phương pháp tính toán số bao hóa chất ñể giảm ñiện trở ñất 43

3.2. Viết chương trình 43

3.2.1. Tổng quan 43

3.2.2. Cách sử dụng 46

Chương 4 . TÍNH TOÁN CHỐNG SÉT CHO MỘT CÔNG TRÌNH CỤ THỂ 50

4.1. Giới thiệu sơ lược khu hiệu bộ và khu ký túc xá trường ðại học Tây Nguyên.50

4.1.1. Giới thiệu sơ lược ñịa bàn chứa công trình 50

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



2

4.1.2. ðặc ñiểm khu hiệu bộ và khu kí túc xá trường ðại học Tây Nguyên 50

4.1.3. Lựa chọn phương án chống sét 51

4.2. Tính toán cấp bảo vệ và lựa chọn thiết bị chống sét cho các khu 52

4.2.1. Xác ñịnh cấp bảo vệ cho các khu 52

4.2.2. Giới thiệu hệ thống chống sét 3000 53

4.2.3. Lựa chọn thiết bị 56

4.3. Lắp ñặt hệ thống chống sét cho công trình 57

4.3.1. Giới thiệu phần mềm Benji hỗ trợ thiết kế chống sét 58

4.3.2. Hướng dẫn lắp ñặt hệ thống chống sét trực tiếp cho các khu 62

4.3.3. ðo ñiện trở suất của ñất 63

4.3.4. Thiết kế hệ thống tiếp ñất cho các khu 68

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

Phụ lục I Bản ñồ mật ñộ sét trung bình năm của Việt Nam 74

Phụ lục II Tiêu chuẩn về kích thước vật liệu của hệ thống chống sét 75

Phụ lục III Các bảng hệ số sử dụng của hệ thống tiếp ñất 78

Phụ lục IV. Các ñoạn mã chương trình tính toán chống sét 80

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



3

THUẬT NGỮ VÀ ðỊNH NGHĨA
1. Dông sét:
Sét là sự phóng ñiện trong khí quyển. Sự phóng ñiện có thể xảy ra giữa các
phần trong một ñám mây, giữa các ñám mây hoặc giữa ñám mây với mặt ñất (hoặc
mặt biển). Cường ñộ dòng sét lên ñến hàng trăm KA.
Dông: là hiện tượng thời tiết bao gồm sự phóng ñiện giữa các ñám mây
(chớp) hoặc giữa ñám mây và mặt ñất (sét), kèm theo gió mạnh và mưa lớn.

Dông sét: là cụm từ chỉ dông nhưng nhấn mạnh vai trò của sét.
2. Vùng bảo vệ:
Là thể tích mà trong ñó một dây dẫn sét tạo ra khả năng chống sét ñánh thẳng
bằng cách thu hút sét ñánh vào nó.
3. Mật ñộ phóng ñiện sét N
gm
:
Là số lần phóng ñiện sét trên một km
2
trong một năm. Một lần phóng ñiện sét
thông thường có vài lần phóng ñiện lặp lại.
4. Thiết bị dẫn sét tạo tia tiên ñạo (ESE):
ESE là từ viết tắt tiếng anh Early Streamer emission. ðầu thu sét tạo tia
tiên ñạo là loại ñầu thu sét bao gồm một kim thu sét cùng với một loại thiết bị ñặc
biệt có khả năng tạo ra một ñường dẫn sét chủ ñộng về phía trên nhanh và cao hơn
các kim loại thông thường.
5. Hiệu ứng corona:
Là hiện tượng dây dẫn bằng kim loại nhọn ñược nối ñất ñặt trong khu vực có
ñiện trường mạnh sẽ có hiện tượng các ñiện tích bị bứt ra ngoài không gian từ ñiểm
nhọn của dây dẫn ñó.
6. Quá trình phát ra ñường dẫn sét:
Là hiện tượng vật lý giữa sự khởi ñầu của hiệu ứng Corona ñầu tiên và sự lan
truyền một ñường dẫn sét về phía trên.
7. ðộ lợi về thời gian tạo tia tiên ñạo (∆
∆∆
∆T):
ðại lượng ∆T là ñộ lợi về thời gian tạo ñường dẫn sét chủ ñộng về phía trên
của ñầu thu sét loại tia tiên ñạo so với các loại kim thu sét thông thường ở trong
cùng một ñiều kiện.
8. Thanh nối cân bằng thế:

Là những thanh kim loại dùng ñể nối tất cả các thành phần kim loại tiếp xúc
với ñất nằm trong công trình, các vỏ máy, vỏ cáp thông tin, ñiện lực với hệ thống
chống sét.
9. Khoảng cách an toàn:
Là khoảng cách tối thiểu mà không xảy ra sự phóng ñiện nguy hiểm.
10. Dây dẫn sét:
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



4

Là một phần của hệ thống chống sét dùng ñể dẫn dòng sét vào ñất qua một
hệ thống nối ñất.
11. Hệ thống nối ñất:
Là một hoặc nhóm các vật dẫn ñược chôn sâu trong ñất nhằm tản dòng sét
vào ñất.
12. ðiện cực ñất:
Là một hàng, một nhóm các ñiện cực của hệ thống nối ñất mà tiếp xúc trực
tiếp với ñất và có tác dụng tản dòng sét vào ñất.
13. Cực nối ñất mạch vòng:
Cực nối ñất tạo ra một vòng khép kín xung quanh công trình ở dưới hoặc trên
bề mặt ñất, hoặc ở phía dưới hoặc ngay trong móng của công trình.
14. Cực nối ñất tham chiếu:
Cực nối ñất có thể tách hoàn toàn khỏi mạng nối ñất ñể dùng vào mục ñích
ño ñạc kiểm tra.
15. ðiện trở của hệ thống nối ñất:
Là ñiện trở giữa ñiểm kiểm tra của hệ thống nối ñất và ñất.
16. Cấp bảo vệ:
Là mức ñộ bảo vệ của hệ thống chống sét ñối với công trình.

17. Vùng tập trung tương ñương A
c
:
Là diện tích mặt phẳng trên mặt ñất có khả năng bị số lần sét ñánh giống như
công trình ở cùng một ñiều kiện.
18. MATLAB:
MATLAB là từ viết tắt của Matrix Laboratory, có nghĩa là phòng thí nghiệm
ma trận, một môi trường tính toán số và lập trình, ñược thiết kế bởi công ty
MathWorks.












LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



5

MỞ ðẦU

Dông sét là hiện tượng phóng ñiện trong khí quyển giữa các ñám mây và mặt

ñất. Hoạt ñộng dông sét gây ảnh hưởng trực tiếp ñến kinh tế - xã hội, gây thiệt hại
lớn về người và tài sản.
Ở Ấn ðộ, ngày 04/01/2005,15 người bị sét ñánh chết. Ngày 21/05/2005, Sét
ñánh ở Burundi làm 6 người bị chết. Ngày 18/12/2005, một máy bay Nhật Bản bị
sét ñánh khi tiếp ñất. Ngày 20/11/2006, ở Colombie, sét làm chết 5 người và bị
thương 28 người. Khoảng 10 người bị chết ở Pháp mỗi năm và 10000 gia súc bị sét
ñánh.
Dông sét ñốt rừng làm kiệt quệ tài nguyên và phá hoại môi sinh. Từ năm
1938 ñến 1939, trên ñất nước Liên Xô (cũ) người ta thống kê ñược sét gây ra 6.000
vụ cháy rừng.
Sét phá nhà cửa, công trình kiến trúc, gây hỏa hoạn và ñổ nát. Năm 1769 ở
Ý, sét ñánh vào một kho vũ khí làm toàn kho bị nổ và thành phố Brecsia bị phá hủy
hoàn toàn và có khoảng 3000 người chết.
Cao ốc Empire States ở Mỹ cao 400m có năm, thống kê có tới 48 lần bị sét
ñánh. Công ty bảo hiểm Mỹ hàng năm phải bồi thường ñến 500 triệu USD cho thiệt hại
do sét.
Sét phá hoại các công trình bưu chính viễn thông và ngành ñiện lực. Các
ñường dây truyền tải ñiện có thể bị sét ñánh thẳng hay sét lan truyền từ dây dẫn vào
phá hoại các thiết bị tiêu thụ ñiện trong nhà và công sở.
Nước ta nằm ở tâm dông Châu Á, một trong ba tâm dông thế giới có hoạt
ñộng dông sét mạnh. Theo tạp chí Bưu chính viễn thông số: 3/1999: năm 1997 ở
bưu ñiện Long An, sét ñánh 8 lần, phá hỏng hai máy thu phát viba. Năm 1998 sét
ñánh vào mạng Thông tin viễn thông khắp cả nước 149 lần gây thiệt hại hàng tỷ
ñồng.
Năm 1990, sét ñánh vào máy biến áp 110/35/10KV trạm trung gian Sơn Tây,
sét lan truyền ñánh vào trạm T2 Bắc Ninh làm ñứt dây gây ngắt mạch và nổ máy cắt
35kV.
Tuy nhiên, việc nghiên cứu dông sét của nước ta hiện nay còn ở giai ñoạn
ñầu và kém xa các nước phát triển. Với tình hình biến ñổi phức tạp của khí hậu toàn
cầu hiện nay, diễn biến dông sét cũng phức tạp, gần ñây có nhiều cú sét ñánh xuống

khu dân cư gây thiệt hại lớn về người và tài sản, gây tâm lý hoang mang cho dân
chúng ở một số ñịa phương.

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



6

Trên thực tế, trong lĩnh vực phòng chống sét, nhiều loại máy móc thiết bị
chống sét ñược bán trên thị trường mà hiệu quả còn chưa rõ ràng. Qua khảo sát của
các công trình nghiên cứu cho thấy khi thiết kế lắp ñặt, người thi công không chú
trọng tới việc khảo sát ñiện trở suất của ñất, không chú ý tới phạm vi bảo vệ của
kim thu sét, nối ñất theo kinh nghiệm với nhiều cọc ñóng thẳng gây lãng phí, việc
bố trí dây dẫn sét còn ñặt nặng vấn ñề thẩm mỹ nên vi phạm các tiêu chuẩn kỹ thuật
và gây mất an toàn…
Từ những lý do trên, người thiết kế cần thiết phải có kiến thức khoa học về
ñiện khí quyển và kỹ thuật phòng chống sét tiên tiến. ðề tài: “ðiện khí quyển và
phương án chống sét cho khu dân cư” góp phần giải quyết các vấn ñề nêu trên.

Mục tiêu nghiên cứu của ñề tài:
Phân tích bản chất của ñiện khí quyển và cơ chế hình thành dông sét.
Lựa chọn ñược phương án chống sét tối ưu và lựa chọn thiết bị chống sét
hiệu quả cho một công trình cụ thể.
Sản phẩm ñạt ñược là chương trình tính toán chống sét ñược viết bằng ngôn
ngữ Matlab.

Phạm vi và ñối tượng nghiên cứu:
ðối tượng nghiên cứu: cơ chế hình thành mây dông và sét; nghiên cứu
phương án chống sét cho công trình khu hiệu bộ và ký túc xá ðại học Tây Nguyên.

Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu khí quyển tầng thấp, lựa chọn phương án
chống sét ñánh thẳng cho công trình.

Giả thuyết nghiên cứu:
Nếu nghiên cứu rõ cơ chế hình thành và bản chất của dông sét, vận dụng các
tiêu chuẩn chống sét và khai thác các phần mềm hỗ trợ sẽ ñề ra ñược phương án
chống sét tối ưu cho công trình và tiết kiệm ñược chi phí khi thiết kế.

Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu ñiện khí quyển ñể hiểu cơ chế
hình thành dông sét, nghiên cứu tiêu chuẩn chống sét làm cơ sở cho tính toán thiết kế
chống sét.
Phương pháp thực nghiệm: ño kích thước của các công trình ký túc xá ðại học
Tây Nguyên, khảo sát ñiện trở suất của ñất ở các vị trí tiếp ñất của hệ thống chống sét.


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



7

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ðIỆN KHÍ QUYỂN

1.1. ðiện khí quyển khi thời tiết tốt [7][12][13][16]
1.1.1. Trường ñiện của Trái ðất
Trong nhiều nghiên cứu ño ñạc hệ thống ñiện trường tại nhiều ñiểm trên mặt
ñất, cường ñộ ñiện trường ñược tính qua biểu thức:
VgradVE −∇=−=
(1.1)

Trong ñó V là ñiện thế có ñơn vị là Volt (V)
E là cường ñộ ñiện trường ñơn vị là V/m, hay còn gọi là gradient ñiện thế.
- Gradient ñiện thế:
Gradien ñiện thế (PG- Potential Gradient) là một ñại lượng quan trọng của
ñiện khí quyển ñược nghiên cứu khá rộng rãi. Khi thời tiết tốt và không khí không
nhiễm bẩn bởi những hạt son khí (aerosol), biến thiên ngày ñêm của PG từ năm
1903 – 1904 ở Lapland do Simson (1906) biểu diễn ở Hình 1.1. Sự biến thiên PG
theo quy luật: biên ñộ của PG một chu kỳ ngày ñêm lớn nhất vào mùa ñông và nhỏ
nhất vào mùa hè.


Hình 1.1. Biến thiên PG một ngày ñêm trong năm ở Lapland
Những quan sát tại Karasjok ở Lapland của Simpson (1905) và tại Cape
Evans ở Nam cực (Simpson, 1919) chỉ ra rằng sự biến ñổi của PG ở hai trường hợp
chỉ ñơn giản cùng một cực ñại trong hai thời ñiểm khác nhau. Cả hai trường hợp ño
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



8

ñạc ñều ở trong ñiều kiện thời tiết tốt và bỏ qua ảnh hưởng của ion lớn (large ions).
Hoffmann (1923) chỉ ra rằng PG có giá trị cực ñại như nhau trong hai trường hợp
ñó thực ra cùng một lúc, trong khi ñó thời gian ñịa phương (local time) hai nơi là
khác nhau.
Sau ñó không lâu, Mauchly (1923) cũng nghiên cứu PG trên biển cùng kết
quả trong ñiều kiện thời tiết tốt. Hình 1.2 biểu diễn các ñường PG ñã ñược so sánh
với giá trị trung bình (mean). ðường cong Carnegie biểu diễn sự biến thiên ngày
ñêm của PG trên tất cả các ñại dương (All ocean). ðường cong Maud biểu diễn sự
biến thiên ngày ñêm của PG trên Bắc băng dương (Arctic ocean). Biên ñộ PG cực

tiểu lúc bình minh và cực ñại vào khoảng 19: 00 GMT.














Hình 1.2. Biến thiên một ngày ñêm của PG trên ñại dương
Vôn Schweidler (1929) ñã tổng hợp kết quả ño ñạc về cường ñộ ñiện trường
của 57 bóng thám không (balloon) trên bầu trời Châu Âu và ñề xuất biểu thức thực
nghiệm:
E(z) = 90.e
-0,0035.Z
+ 40e
-0,00023.Z
(1.2)
E

tính bằng V/m và z là ñộ cao tính bằng m
Tính một vài giá trị cường ñộ ñiện trường:
* với z = 0 km thì E = 130 V m
-1

* với z = 10 km thì E = 4 V m
-1

* với z = 50 km thì E ≈ 0 V m
-1

Ph
ần trăm giá trị trung
Thời gian quốc tế (GMT)
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



9

Nhận xét: Ở mặt ñất, cường ñộ ñiện trường lớn nhất bằng 130V/m, trên cao
50km ñiện trường gần như bằng không (minh họa ở Hình 1.4). Vậy cường ñộ ñiện
trường của Trái ðất giảm theo ñộ cao.
- Cấu trúc ñiện của Trái ðất:
Sử dụng ñịnh lý Gauss ñể tính tổng ñiện tích của Trái ðất. Nội dung của ñịnh
lý Gauss ñược phát biểu như sau:
Thông lượng ñiện trường qua một mặt kín bằng ñiện tích bên trong mặt ñó
chia cho hằng số ñiện
ε
0
.

Hình 1.3. Bề mặt của Gauss Hình 1.4. Cấu trúc ñiện của Trái ðất
∫∫
∫∫
∫∫
=
=−
−=
=
2
int
int
4
.
RdS
Q
dSE
EnE
Q
dSnE
o
o

oo
o
o
π
ε
ε

Trong ñó E
o
là cường ñộ ñiện trường của trường ñiện ñều, R là bán kính của
quả cầu Gauss, Q
int
là ñiện tích bên trong quả cầu.
Với E
o
= 130V/m, R = 6378 km, ε
0
= 8,85 × 10
-12
F m
-1

Suy ra ñiện tích của Trái ðất: Q
int
= - 4π ε
0
R
2
E
0

= -590000 C

Nhận xét : Trái ðất mang ñiện tích âm, khí quyển chứa các ñiện tích dương
ở 50 km ñầu tiên, trên ñộ cao 50 km khí quyển trung hòa về ñiện (Hình 1.4).
- Mật ñộ ñiện tích trong khí quyển:

(1.3)


(1.4)

(1.5)

(1.6)
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



10

Sử dụng phương trình Poisson ñể tính mật ñộ ñiện tích của khí quyển. Ta có:

o
Ediv
ε
ρ
=
(1.7)
Vì E phụ thuộc chiều cao nên ρ phụ thuộc chiều cao z :
Ediv

o
ερ
=
= 2,9.e
-0,0035.Z
+ 0,08e
-0,00023.Z
x 10
-12
(1.8)
(ρ tính bằng C m
-3
và z tính bằng km)
Ví dụ:
Ở mặt ñất : ρ = 2,88×10
-12
C m
-3

Ở ñộ cao 10 km: ρ = 8,1×10
-15
C m
-3
1.1.2. Ion khí quyển và sự dẫn ñiện của không khí
- Sự hình thành ion trong không khí:
Sự tồn tại của ion trong khí quyển là nguyên nhân cơ bản của khí quyển có
tính chất ñiện. Khái niệm ion dương và ion âm (các loại hạt tải của khí quyển) ñược
ñặt bởi J.Elster và H. Geitel (1899) và ñã giải thích ñược tính dẫn ñiện của không
khí. Chúng ta ñã biết có ba loại ion chính: ion nhỏ (small ions), ion loại trung
(intermediate ions) và ion loại lớn (large ions). Quan trọng nhất là ion loại nhỏ. Ion

nhỏ là sản phẩm của quá trình phân tử không khí hấp thụ bức xạ. Có ba nguồn chủ
yếu của hạt có năng lượng cao ñể gây ra ion: ñồng vị phóng xạ (radon isotopes), tia
vũ trụ và bức xạ gamma từ Trái ðất. Trên bề mặt châu lục, quan trọng nhất là sự ion
hóa từ hoạt ñộng phóng xạ của ñồng vị phóng xạ cùng với bức xạ gamma. Sự ion
hóa từ tia vũ trụ luôn luôn thường trực chiếm 20% của quá trình ion hóa. Sự ion hóa
tăng theo ñộ cao.













Hình 1.5. Tốc ñộ sản sinh ion phụ thuộc vào ñộ cao
Số ion sinh ra trên một mét khối trong một giây

ð
ộ cao (km)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



11

Hình 1.5 biểu diễn tốc ñộ ion sản sinh ra do tia vũ trụ là một hàm của ñộ cao
do Wählin ñề xuất (1994). Tốc ñộ sản sinh của ion ngay mực nước biển khoảng 10
triệu cặp trên một mét khối trong một giây (10
7
m
-3
s
-1
). Tuy nhiên, ñến ñộ cao mà
tốc ñộ sản sinh ra ion 10
9
m
-3
s
-1
thì tốc ñộ này bắt ñầu tăng chậm theo ñộ cao.
- ðo lường bằng xilanh (cylindrial condenser):
Một hệ thống ống xilanh với nguyên tắc làm việc ñơn giản, chúng ñược sử
dụng ñể ño ñộ linh ñộng của ion (Zeleny, 1900), ñếm số ion (Ebert, 1901) và ñiện
dẫn suất của không khí (Gerdien, 1905).
Hệ thống ống gồm: một xilanh rỗng bán kính a, một ống xilanh nhỏ ñặt ñồng
trục có bán kính b (hình 1.6). Không khí ñược thổi vào giữa hai xilanh bằng quạt
hoặc bằng bơm với vận tốc U. ðặt một thế hiệu (bias) giữa hai xilanh tạo một ñiện
cực ngoài (outer electrode) và một ñiện cực phía trong (central electrode). Nguồn
ñiện ñược nối qua một ñiện kế nhạy (electrometer) ñể ño dòng ñiện.

Hình 1.6. Ống Gardien
Gọi V là hiệu ñiện thế giữa hai ñiện cực, cường ñộ ñiện trường tại ñiểm cách
trục của các xilanh một khoảng r :

bar
V
E
e
/log
=
(1.9)
Goi ω là ñộ linh ñộng của ion thì ñộ di chuyển nhỏ của ion trong thời gian dt là
Edtdr
ω
=

V
drbar
E
dr
dt
e
ωω

./log
==
(1.10)
Tổng thời gian ñể ion ñi hết khoảng không từ xilanh ngoài ñến xilanh trong là
V
ba
ba
t
e
ω
/log
2
)(
22
−
=
(1.11)
2b

2a
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



12

Trong thời gian này, khối không khí di chuyển một khoảng cách là U.t dọc
theo ống. Nếu khoảng cách này nhỏ hơn ñộ dài của ống xilanh phía trong (L), toàn
bộ ion chuyển ñộng bên trong ñược ghi nhận. Ta có ñiều kiện sau:
baba

VL
UtLU
e
/log)(
2
/
22
−
<⇒<
ω
(1.12)
Nếu U lớn hơn giá trị này (L/t), chỉ một phần ion sẽ ñến xilanh bên trong,
những ion này sẽ bắt ñầu ñến gần tới trục hơn và khoảng cách tới hạn R ñược xác
ñinh bởi biểu thức:
VLbabRU
e
ω
2/log)(
22
=−
(1.13)
Khối khí chuyển ñộng với vận tốc không ñổi U, thể tích khối khí thổi qua
ống trong một giây là
)(
22
baU −
π

Vì vậy ñộ linh ñộng lớn hơn lượng sau :
VL

babaU
e
2
/log)(
22
−
>
ω

Nếu gọi n là mật ñộ ion (số ion trên 1 m
3
không khí) thì số ion di chuyển qua
ống trong thời gian 1 s là:
)(
22
banU −
π

Dòng ñiện ño ñược là
ebanU )(
22
−
π
, trong ñó e là ñiện tích của một
ion. Dòng ñiện phụ thuộc vào hiệu ñiện thế theo ñịnh luật Ôm, nhưng khi ñến một
ñiều kiện hiệu ñiện thế nào ñó thì không tuân theo ñịnh luật Ôm (vì khi tăng hiệu
ñiện thế lên nhưng số ion có hạn nên sẽ cho dòng ñiện bão hòa) (Hình 1.7).

Hình 1.7. Dòng ñiện trong chất khí chứa ion
Ví dụ : U = 2m/s, L = 30cm, a bằng 1cm hoặc 2cm, b bằng vài mm và V =
200V thì t = 10
-2
/ω (s), trong ñó ω là ñộ linh ñộng của ion. Giá trị của ñại lượng L/t
cho ion nhỏ là 30m/s và 0,03m/s cho ion lớn. Nếu ta tăng V, giảm U và U thỏa mãn
ñiều kiện nhỏ hơn 0,03m/s thì ta có thể ghi nhận ñược cả ion nhỏ và ion lớn. Bằng
ðiện thế
(V)
Dòng ñiện
(i)
Dòng ñiện
bão hòa
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



13

cách này, Nolan, Boylan và De Sachy (1925) trước tiên ñếm cả hai loại ion rồi ño
riêng rẽ loại ion nhỏ sau ñó xác ñịnh ion lớn bằng phép trừ.
- ðiện dẫn suất của không khí:
Gọi n
+

và n
-
lần lượt là số ion dương và ion âm trên 1 m
3
không khí. ðiện
dẫn suất tổng cộng của không khí:
λ = λ
+
+ λ
-
= e(ω
+
n
+
+ ω
-
n
-
) (1.14)
Trong ñó ω
+
, ω
-
là ñộ linh ñộng của ion dương và ion âm
PG và ñiện dẫn suất quan hệ với nhau theo ñịnh luật Ôm :
j = λ.E (1.15)
j là mật ñộ dòng ñiện trong cột không khí thẳng ñứng (A/m
2
), E là cường ñộ
ñiện trường (V/m).

Các nhà khoa học sử dụng bóng thám không (balloon) ñể nghiên cứu sự thay
ñổi của ñiện dẫn suất của không khí. Sử dụng dữ liệu ño ñạc từ bóng thám không
Explore II (Gish và Sherman, 1936), Gish (1944) giới thiệu khái niệm ñiện trở của
cột khí quyển (columnar resistance) và tìm thấy ñiện dẫn suất thay ñổi theo ñộ cao.
Gish (1944) ñề xuất biểu thức thực nghiệm của ñiện trở suất phụ thuộc vào ñộ cao:
γ = (2,94e
-0,00452Z
+ 1,39e
-0,00375Z
+ 0,369e
-0,000121Z
) x10
13
(1.16)
γ là ñiện trở suất của khí quyển (ñơn vị Ω.m), ñiện dẫn suất bằng nghịch ñảo của
ñiện trở suất λ = 1/γ.
Từ dồ thị biểu diễn của ñiện dẫn suất tăng theo ñộ cao (Hình 1.8), ta thấy rằng:
khi thời tiết có nắng gắt, ñiện dẫn suất tăng nhanh hơn khi thời tiết có nắng nhẹ.

Hình 1.8. ðiện ñẫn suất thay ñổi theo ñộ cao
Từ biểu thức thực nghiệm trên (1.16), các nhà khoa học ñã tính ñược ñiện trở
cột R
c
= 1,2.10
17
Ωm
2
.
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



14

1.1.3. Dòng ñiện toàn cầu
Mô hình cổ ñiển dòng ñiện toàn cầu (the global circuit) ñược ñề nghị bởi
C.T.R Wilson (1920,1929). Dòng ñiện toàn cầu phát sinh từ sự cân bằng giữa ñiện
tích sinh ra trong vùng có thời tiết bị xáo ñộng và dòng ñiện toàn cầu của ion nhỏ ñi
vào vùng có thời tiết tốt.
ðiện thế của tầng ñiện ly (ionosphere potential) gây ra một dòng ñiện chạy
qua ñiện trở cột thẳng ñứng của tầng ñối lưu (troposphere) và tầng bình lưu
(stratosphere).
- ðiện thế của tầng ñiện ly :
ðiện thế V
1
của tầng ñiện ly so với gốc ñiện thế (ở mặt ñất) ñược tính :
∫

=
1
0
1
)(
z
dzzEV
(1.17)
E(z) ñược ño bằng sensor ñặt trên bóng thám không hoặc máy bay. ðộ dẫn
ñiện của không khí tăng thực chất ở trên tầng ñối lưu. Sự tăng nhiệt ñộ trên bề mặt
Trái ðất dẫn ñến sự ñối lưu mạnh mẽ hơn, ñiều này làm tăng ñiện thế của tầng ñiện
ly V
1
(Price, 1993) và có thể ñề nghị một phương pháp gián tiếp của sự dự báo nhiệt
ñộ trên bề mặt Trái ðất. Những thu thập nghiên cứu của Mülheisen (Budyko, 1971)
ở ðức từ năm 1959 ñến 1972 ñã cung cấp những dẫn chứng quan trọng cho mô hình
dòng ñiện toàn cầu và những thay ñổi của ñiện thế tầng ñiện ly ở các ñịa phương.
Hình 1.9 chỉ ra sự so sánh của V
1
ở Weissenau (Germany) và ðại Tây Dương (ñược
nghiên cứu trên tàu Meteor) với PG ở Lerwich. ðo ñạc này do Mülheisen và
Fischer tiến hành ở hai thời ñiểm 17 tháng 3 và ngày 2 tháng 4 năm 1969. ðiện thế
của tầng ñiện ly và PG ñều có các biên ñộ lớn nhất vào các ngày 20 và 21 tháng 3;
các biên ñộ này giảm dần và thấp nhất vào những ngày cuối tháng 3 và những ngày
ñầu tháng 4.

Hình 1.9. ðiện thế của tầng ñiện ly ở các nơi so với PG ở cùng chu kỳ thời gian
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

15

- Mật ñộ dòng ñiện:
Mật ñộ dòng ñiện có mối quan hệ với ñiện trở cột khí quyển trên một ñơn vị
diện tích R
c
và ñiện thế V
1
của tầng ñiện ly:

c
R
V
j
1
=
(1.18)
j là mật ñộ dòng ñiện (A/m
2
), R
c
là ñiện trở cột.
Tại bề mặt Trái ðất, dòng j có thể ñược xác ñịnh như dòng ñiện ñi từ bầu khí
quyển vào ñất.
Ví dụ khi thời tiết tốt, ñề xuất của Israël (1953) V
1
= 270 kV và R
c
= 10

17

Ωm
2

thì j = V
1
/R
c
= 2.7.10
-12

A/m
2

Dòng ñiện i = j.S
T
= 2.7.10
-12
x 4π(6400.10
3
)
2
≈1400 A

Hình 1.10. Mạch ñiện tương ñương của Trái ðất
Trái ðất nhận ñược các ñiện tích dương, nó phóng ñiện trong thời gian t =
|Q
T
| / i = 590000/1400 ≈ 421 s. ðiện tích của nó vẫn giữ nguyên không ñổi nhờ
hoạt ñộng dông sét.
Như vậy hệ thống cầu hình thành bởi tầng ñiện ly bao xung quanh Trái ðất
làm thành một cái tụ có ñiện dung và tạo thành mạch RC tích và phóng có hằng số
thời gian τ khoảng 7 phút. Ta có thể ñưa ra mạch ñiện tương ñương cho Trái ðất
ñược minh họa ở Hình 1.10.
Vậy, Gradient ñiện thế của Trái ðất khi thời tiết tốt biến thiên theo chu kỳ
ngày, cực ñại vào lúc vừa tối và cực tiểu vào lúc bình minh. Cường ñộ ñiện trường
Trái ðất giảm theo ñộ cao. Tính dẫn ñiện của khí quyển quyết ñịnh chủ yếu bới các
ion nhỏ và ñiện dẫn suất tăng theo ñộ cao.

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



16

1.2. ðiện dông[3][4][7][17][18][19]
1.2.1. Sơ lược về lịch sử nghiên cứu
Tiếng sét trong thần thoại là sự ñem ñến sợ hãi cho con người bởi sức mạnh
của tự nhiên. Người Hy Lạp kinh sợ sét và coi nó như là sự gào thét của thần Zớt.
Những tên cướp ở Bắc Âu (thế kỷ VIII và X) cho rằng sét ñược sinh ra bởi ông

Thor bằng cách lấy cái búa ñánh vào ñe, chúng ñược chở bằng xe ngựa băng qua
những ñám mây. Bộ lạc Bắc Mỹ tin rằng sấm sét sinh ra là do tiếng vỗ của ñôi cánh
phát sáng của con chim huyền bí. Ngày nay, khoa học ñã giải thích sét thông qua
thực nghiệm ño ñạc thay cho những khái niệm trực giác và huyền bí ñó.
Tia lửa kèm theo tiếng nổ phát ra từ máy ñiện và chai Leyden là những thí
nghiệm ñầu tiên của Hanksbee, Newton, Wall, Nollet và Gray. Các ông ñã chỉ ra
rằng sấm sét là do sự phóng ñiện. Năm 1708, tiến sĩ William Wall là một trong
những người ñầu tiên quan sát tia lửa ñiện giống với tia sét thu nhỏ.
Giữa thế kỷ 18, Benjamin Franklin chỉ ra rằng hiện tượng phóng ñiện trong
khí quyển về cơ bản không khác với tia lửa ñiện. Tháng 7 năm 1750, Franklin giả
thiết rằng ñiện năng có thể lấy ñược từ một ăng ten cao với một ñầu nhọn. Vào năm
1952, Thomas-Francois Dalibard dựng một cột sắt cao 12 m tại Marly-la-Ville (gần
Paris), bắt ñược tia lửa nổ (detonating sparks) khi ñám mây ñi qua. Tháng 5 năm
1752, Thomas-Francois Dalibard khẳng ñịnh lý thuyết của Franklin ñúng.
Franklin ñã nêu ra sự giống nhau giữa tia lửa ñiện và sét:
- Cả hai phát ra ánh sáng màu giống nhau
- Chúng di chuyển nhanh chóng
- Dẫn ñược trong kim loại, nước và nước ñá
- Nấu chảy kim loại và bắt lửa ñối với chất dễ cháy
- Có mùi “lưu huỳnh” (mà ngày nay ta biết là mùi của ôzôn)
- Ngọn lửa Sant-Elma tương tự với sự phóng ñiện phát sáng.
- Có thể dùng kim nhọn ñể thu.
Tháng 6 năm 1752, Franklin làm thí nghiệm nổi tiếng về sét bằng diều. Thí
nghiệm này ñược lập lại bởi Romass, ông ñã lấy ra tia lửa từ sợi dây kim loại dài
2,7m.
Với việc sáng chế ñiện kế xách tay và bình ngưng của Kenvin thế kỷ 19, việc
ño lường ñạt ñộ chính xác cao. H.H.Hoffert (1888) nhận biết sét ñánh thẳng bằng
camera và công bố trong tác phẩm “Intermittent Lightning – Flashes”. J. Elster và
H. Geitel làm việc trên máy phát xạ electron nhiệt và ñã ñề xuất lý thuyết giải thích
cấu trúc ñiện dông (1885). Bằng cách ñó có thể xác ñịnh rõ ion dương và ion âm

luôn tồn tại trong khí quyển. F.Pocket (1897-1900) ước tính cường ñộ dòng sét bằng
cách phân tích ánh sáng của chớp. Nghiên cứu sét bằng kỹ thuật ño lường hiện ñại
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



17

của C.T.R Wilson ñã ñánh giá ñược cấu trúc của ñiện dông gồm cả phóng ñiện sét.
Wilson ñược giải thưởng Nobel với phát minh ra bình mây (Cloud Chamber).
ðịnh vị phóng ñiện từ không gian bằng vệ tinh dùng kỹ thuật OTD (Optical
Transient Detector) và LIS (Lightning Imaging Sensor) (Christian, 1999; Christian
et al., 2003). Bằng phương tiện này Christian ñã chỉ ra rằng 78% hoạt ñộng sét tập
trung ở giữa vĩ ñộ 30
0
vĩ Nam và 30
0
vĩ Bắc. Châu Phi là nơi tập trung sét lớn nhất
thế giới và tỉ số về sét ñánh trên ñất liền so với sét ñánh trên biển là 10:1 (Christian,
2003).
Tiến sĩ Nguyễn Xuân Anh, trưởng Phòng Vật lý khí quyển, Viện Vật lý ñịa
cầu, khuyến cáo vào mùa mưa, người dân phải chú ý tới sét, hiện tượng này thường
xảy ra do sự phát triển bất thường của khí hậu. Việt Nam là một trong 3 vùng có
hoạt ñộng sét mạnh nhất thế giới, với mức trung bình 80 ñến 90 ngày dông trong
năm. Các tỉnh hay bị sét nhất là Hòa Bình, Hải Dương, Hà Tĩnh và ñồng bằng sông
Mekong. Dông kèm theo mưa lớn và sét xuất hiện thường xuyên ở Việt Nam vào
tháng 5 ñến tháng 9. Việc nghiên cứu và dự báo dông sét ở Việt Nam gần ñây ñược
cải thiện một cách ñáng kể, nhờ việc lắp ñặt một hệ thống quan sát gồm 8 trạm trên
cả nước. Viện Vật lý ñịa cầu ñã ñưa ra dự báo rủi ro sét cho người dân.
1.2.2. Mây dông

Dông là hiện tượng xảy ra chủ yếu vào mùa hè liên quan ñến sự phát triển
mạnh mẽ của ñối lưu nhiệt và các nhiễu ñộng khí quyển. Dông ñược ñặt trưng bởi
sự xuất hiện những ñám mây dông hay mây tích vũ (Cumulonimbus) có ñộ dầy từ
10 ÷ 16 km, tích tụ một lượng nước và tạo ra những ñiện thế cực mạnh.













Hình 1.11. Cấu trúc của mây dông
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



18

Trong thực tế sự hình thành các cơn dông gắn liền với sự xuất hiện của
những luồng không khí khổng lồ từ mặt ñất bốc lên. Các luồng không khí này ñược
hình thành do sự ñốt nóng bởi ánh sáng Mặt Trời, ñặc biệt ở các vùng cao (dông
nhiệt) hoặc do sự gặp nhau của những luồng không khí nóng ẩm với không khí lạnh
(dông Front). Sau khi ñã ñạt ñược ñộ cao nhất ñịnh (khoảng vài kilômet trở lên –
vùng nhiệt ñộ âm), luồng không khí ẩm này bị lạnh ñi, hơi nước ngưng tụ thành

những giọt nhỏ li ti hay các tinh thể băng và tạo thành những ñám mây dông. Cơn
dông có thể kéo dài từ 30 phút ñến 12 tiếng và có thể trải rộng từ vài chục ñến hàng
trăm km.
Thông thường, thành phần của mây dông gồm có mưa, tuyết hòn và mảnh
băng. Tuyết hòn (snow pellets) hoặc tuyết hạt ñược tạo thành bởi nước chậm ñông
bám lên các tinh thể tuyết. Mảnh băng: tinh thể băng tập hợp các hạt nước ñông
cứng ở bề mặt. Trong những chuyển ñộng thẳng ñứng ñủ lớn, các hạt nước này chảy
ra và ñóng băng trở lại (có cấu trúc vỏ hành).
1.2.3. Quá trình nhiễm ñiện
ðã từ lâu người ta khẳng ñịnh về nguồn tạo ra ñiện trường giữa các ñám mây
dông và mặt ñất chính là những ñiện tích tích tụ trên các hạt nước li ti và các tinh
thể băng của các ñám mây dông ñó.

Xét quá trình nhiễm ñiện trong mây phải dựa vào hai tiêu chuẩn chung :
* Vật lý vi mô (vai trò của hạt nước- hydrométéores)
* ðộng học (vai trò của các ion)
- Các cơ chế vật lý vi mô :
1- Va chạm giữa các hạt nước dẫn ñến sự truyền ñiện tích theo hai kiểu quá
trình: quá trình cảm ứng (có vai trò của ñiện trường) và không cảm ứng (không có
vai trò của ñiện trường)
2- Hiệu ứng trọng lực dẫn ñến phân tách các hạt và tạo thành sự phân cực hạt.


Hình 1.12. Quá trình va chạm cảm ứng
Hai giai ñoạn trong quá trình cảm ứng (Hình 1.12):
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



19

+ Va chạm giữa các hạt trung hòa nhưng bị phân cực và có kích thước khác
nhau, kết quả hạt lớn tích ñiện âm, hạt nhỏ tích ñiện dương.
+ Phân tách giữa hai ñám hạt: các hạt lớn tích ñiện âm tách xuống phía dưới
và các hạt nhỏ tích ñiện dương ở phía trên.
Thuận lợi của tiêu chuẩn này là giải thích tốt cấu trúc phân cực chính của
mây. Và gặp bất thuận lợi là cần sự tồn tại trước một ñiện trường trong mây (quá
trình không khởi ñầu).
Quá trình không cảm ứng là

sự va chạm của các hạt bị ñóng băng có nhiệt ñộ
khác nhau (Hình 1.13)
Tinh thể băng mang nhiệt ñộ T
2
ñi lên va chạm với tuyết hạt mang nhiệt ñộ
T
1
(T
1
< T
2
) ñi xuống. Kết quả là phần dương ở trên ñám mây (các tinh thể), phần
âm ở giữa ñám mây (tuyết hạt), phần dương ở dưới ñám mây (tuyết hạt).

Hình 1.13. Quá trình va chạm không cảm ứng

- Quá trình ñộng học:
Theo lý thuyết nhiễm ñiện ñối lưu của Vonnegut (1963), sự vận chuyển của
các ion dương tạo nên ở mặt ñất về phía ñám mây bởi các dòng ñối lưu. Các ion
dương ñi tới ñỉnh của ñám mây hút các hạt tích ñiện âm và các hạt tích ñiện âm này

vì thế bị kéo xuống dưới bởi các dòng ñi xuống.
- Cấu trúc ñiện của mây tích vũ:








Hình 1.14. Cấu trúc ñiện cơ bản của mây tích vũ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



20

Cấu trúc 3 cực là phổ biến nhất, các cực mang tên p, N, P (Hình 1.14). Vùng
phía trên chiếm một nửa vùng mây, chứa ñiện tích dương gọi là vùng P. Vùng chính
giữa mây gọi là vùng ñiện tích âm N, vùng thấp nhất phân bố ít ñiện tích hơn mang
ñiện tích dương gọi là vùng p ở chân mây. Vùng N và P có ñiện tích xấp sỉ bằng
nhau tạo thành lưỡng cực. Malan (1952) ñã cho biết phân bố vùng ñiện tích P, N, p
theo ñộ cao của mây dông ở Nam Mỹ (cách 1.8km trên mực nước biển). ðiện tích
tổng cộng 10C ở giới hạn 2 km, - 40 C ở giới hạn 5 km và + 40 C ở giới hạn 10 km.
- ðiện trường giữa mây dông và mặt ñất:
+ Mặt ñất là một mặt phẳng dẫn ñiện, ñiện trường (trong không gian) gây
cảm ứng một ñiện tích trên mặt này (lượng ñiện tích cảm ứng này làm thay ñổi ñiện
trường trong ñất tạo ra ảnh của ñiện trường không gian qua mặt phẳng Trái ðất,
biểu diễn ở Hình 1.15).

Hình 1.15. ðám mây lưỡng cực và ảnh ñiện của nó trên mặt ñất

+ ðiện trường ñược tăng cường bởi các vật dẫn: hạt nước trong mây, các vật
nhô cao của mặt ñất (cây cối, các cột ñiện cao thế, các tháp cao, các tòa nhà cao…)
1.2.4. Hoạt ñộng phóng ñiện
ðến một mức ñộ nào ñó ñộ lớn của các ñiện tích trái dấu của mây sẽ tạo nên
một sự chênh lệch ñiện thế ñể ñánh thủng lớp không khí ngăn cách nó với mặt ñất
(cường ñộ ñiện trường ở mặt ñất lúc này khoảng 25 ÷ 30kV/cm), lúc này xảy ra
hiện tượng phóng ñiện giữa ñám mây dông và mặt ñất.
Tiến trình có khả năng nhất của cấu trúc mây và kiểu phóng ñiện trong quá
trình dông theo Krehbiel (1986) ñược biểu diễn bằng Hình 1.16.
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



21

Theo thống kê của các nghiên cứu, phóng ñiện trong mây chiếm 80%, phóng
ñiện mây-ñất chiếm 20%.

Hình 1.16. Bốn kiểu phóng ñiện
a) Phóng ñiện trong mây
b) Phóng ñiện mây-ñất
c) và d) Phóng ñiện có thể có sự truyền chéo hoặc nằm ngang giữa các ñám
mây với nhau.
- Các giai ñoạn phóng ñiện của sét
Ban ñầu xuất phát từ mây dông một dải sáng mờ kéo dài từng ñợt gián ñoạn
về phía mặt ñất với tốc ñộ trung bình khoảng 10

5
÷ 10
6
m/s, ñó là giai ñoạn phóng
ñiện tiên ñạo theo từng ñợt. Kênh tiên ñạo là một dòng plasma mật ñộ ñiện tích
không cao lắm, khoảng 10
13
÷10
14
ion/m
3
. Một phần ñiện tích âm của mây dông tràn
vào kênh và phân bố tương ñối ñều dọc theo chiều dài của nó (hình 1.17a).
Thời gian phát triển của kênh tiên ñạo mỗi ñợt kéo dài khoảng 1µs (mỗi ñợt
kênh tiên ñạo kéo dài thêm trung bình vài chục mét). Thời gian tạm ngưng phát
triển giữa hai ñợt liên tiếp khoảng từ 30 ÷ 90 µs.
ðiện tích âm tổng từ mây tràn vào kênh tiên ñạo bằng: Q = σ.L
Với: σ là mật ñộ ñiện tích, L là chiều dài kênh.
ðiện tích này thường chiếm khoảng 10% lượng ñiện tích chạy vào ñất trong
một lần phóng ñiện sét. Dưới tác dụng của ñiện trường tạo nên bởi ñiện tích của
mây dông và ñiện tích trong kênh tiên ñạo, sẽ có sự tập trung ñiện tích trái dấu
(thường là ñiện tích dương) trên vùng mặt ñất phía dưới ñám mây dông (hình
1.17b). Nếu vùng ñất phía dưới bằng phẳng và có ñiện dẫn ñồng nhất thì nơi ñiện
tích cảm ứng tập trung sẽ nằm trực tiếp dưới kênh tiên ñạo. Nếu vùng ñất phía dưới
có ñiện dẫn khác nhau thì ñiện tích sẽ tập trung chủ yếu ở vùng kế cận, nơi có ñiện
dẫn cao như vùng quặng kim loại, vùng ñất ẩm, ao hồ, sông ngòi, vùng nước ngầm,
kết cấu kim loại các nhà cao tầng, cột ñiện, cây cao bị ướt,… những nơi ñó sẽ là nơi
ñổ bộ của sét.
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

22


Hình 1.17. Các giai ñoạn phóng ñiện sét và biến thiên của dòng ñiện sét theo thời gian.
a. Giai ñoạn phóng ñiện tiên ñạo.
b. Tiên ñạo ñến gần mặt ñất hình thành khu vực ion hoá mãnh liệt.
c. Giai ñoạn phóng ñiện ngược hay phóng ñiện chủ yếu.
d. Phóng ñiện chủ yếu kết thúc.
Cường ñộ ñiện trường ở ñầu kênh tiên ñạo trong phần lớn giai ñoạn phát
triển của nó (trong mây dông) ñược xác ñịnh bởi ñiện tích bản thân của kênh và của
ñiện tích tích tụ ở ñám mây. ðường ñi của kênh tiên ñạo này không phụ thuộc vào
tình trạng của mặt ñất. Chỉ khi kênh tiên ñạo còn cách mặt ñất một ñộ cao ñịnh
hướng nào ñó thì mới thấy rõ dần ảnh hưởng sự tập trung ñiện tích ở mặt ñất và ở
các vật thể dẫn ñiện nhô khỏi mặt ñất với hướng phát triển tiếp tục của kênh theo
hướng có cường ñộ ñiện trường lớn nhất.
Ở những nơi vật dẫn có ñộ cao (nhà cao tầng, cột ăng ten, ñài phát thanh,…)
từ ñỉnh của nó nơi ñiện tích trái dấu tập trung nhiều sẽ ñồng thời xuất hiện ion hóa
tạo nên dòng tiên ñạo phát triển hướng lên ñám mây dông. Chiều dài của kênh tiên
ñạo từ dưới lên trên tăng theo ñộ cao của vật dẫn và tạo ñiều kiện dễ dàng cho sự
ñịnh hướng của sét vào vật dẫn ñó.
Khi kênh tiên ñạo xuất phát từ mây dông tiếp cận mặt ñất hay tiếp cận kênh
tiên ñạo ngược chiều thì bắt ñầu giai ñoạn phóng ñiện ngược lại hay phóng ñiện chủ
yếu, tương tự như các quá trình phóng ñiện ngược trong chất khí ở ñiện trường
không ñồng nhất (hình 1.17c). Trong khoảng cách không khí còn lại giữa ñầu kênh
tiên ñạo và mặt ñất, cường ñộ ñiện trường tăng cao gây nên ion hóa mãnh liệt dẫn
ñến hình thành một dòng plasma có mật ñộ ñiện tích từ 10
16
÷ 10

19
ion/m
3
cao hơn
nhiều so với mật ñộ ñiện tích của tia tiên ñạo, ñiện dẫn của nó tăng lên hàng trăm
lần, ñiện tích cảm ứng từ mặt ñất tràn vào dòng ngược và thực tế ñầu dòng mang
ñiện thế của ñất làm cho cường ñộ ñiện trường ñầu dòng tăng lên gây ion hóa mãnh
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



23

liệt và cứ như vậy dòng plasma ñiện dẫn cao tiếp tục phát triển ngược lên trên theo
ñường chọn sẵn của kênh tiên ñạo. Tốc ñộ phát triển của kênh tiên ñạo phóng ngược
rất cao vào khoảng 0,5.10
7
÷ 1,5.10
8
m/s (bằng 0,05 ÷ 0,5 lần vận tốc ánh sáng) tức
là nhanh gấp trên trăm lần tốc ñộ phát triển của kênh tiên ñạo hướng xuống. Vì mật
ñộ ñiện tích cao ñốt nóng mãnh liệt nên tia phóng ñiện chủ yếu sáng chói còn gọi là
chớp. ðặt ñiểm quan trọng nhất của phóng ñiện chủ yếu là cường ñộ dòng ñiện lớn.
Gọi V là tốc ñộ của phóng ñiện, σ là mật ñộ ñiện tích thì dòng ñiện sét sẽ ñạt
giá trị cao nhất
i
s
= σV.
Khi kênh phóng ñiện chủ yếu lên tới ñám mây thì số ñiện tích còn lại của
mây sẽ theo kênh phóng ñiện chạy xuống ñất và cũng tạo nên ở chỗ sét ñánh một

dòng ñiện có trị số nhất ñịnh giảm nhanh tương ứng với phần ñuôi sóng (Hình
1.17d).
Kết quả quan trắc sét cho thấy phóng ñiện sét thường xảy ra nhiều lần kế tục
nhau (trung bình là 3 lần, nhiều nhất có thể ñến vài chục lần). Các lần phóng ñiện
sau có dòng tiên ñạo phát triển liên tục (không theo từng ñợt như lần ñầu), không
phân nhánh và theo ñúng quĩ ñạo của lần ñầu nhưng với tốc ñộ cao hơn (2.10
6
m/s).
Qua nghiên cứu về sét, người ta lý giải ñược sự phóng ñiện nhiều lần của sét.
Trong ñám mây dông có thể có nhiều trung tâm ñiện tích khác nhau ñược hình
thành do những luồng không khí xoáy. Lần phóng ñiện ñầu ñược xảy ra giữa ñất và
trung tâm ñiện tích có cường ñộ ñiện trường cao nhất. Trong giai ñoạn phóng ñiện
tiên ñạo thì hiệu ñiện thế giữa các trung tâm ñiện tích này với trung tâm ñiện tích
ñầu tiên thực tế không thay ñổi và ít có ảnh hưởng qua lại với nhau. Nhưng khi
kênh phóng ñiện chủ yếu ñã lên ñến mây thì trung tâm ñiện tích ñầu tiên của ñám
mây thực tế mang ñiện thế của ñất làm cho hiệu ñiện thế giữa trung tâm ñã phóng
với trung tâm ñiện tích lân cận tăng lên và có thể dẫn ñến phóng ñiện với nhau. Khi
ñó thì kênh phóng ñiện cũ vẫn còn một ñiện thế nhất ñịnh do sự khử ion chưa hoàn
toàn nên phóng ñiện tiên ñạo lần sau theo ñúng quỹ ñạo ñó, liên tục và với tốc ñộ
cao hơn lần ñầu.
- Các thông số của sét :
Khi tính toán bảo vệ chống sét, thông số chính cần chú ý là dòng ñiện sét có
phạm vi giới hạn rất rộng, biên ñộ dòng sét có thể lên ñến 200-300 KA. Tuy nhiên,
phần lớn trường hợp gặp sét ñánh ở trị số 50 KA, sét có dòng ñiện từ 100 KA trở
lên rất hiếm xảy ra. Do ñó, trong tính toán thường lấy dòng ñiện sét bằng 50 KA.
Dòng ñiện sét có dạng một sóng xung. Thường trong khoảng vài ba micro giây
dòng ñiện tăng nhanh ñến trị số cực ñại tạo thành phần ñầu sóng, sau ñó giảm chậm
trong khoảng 20 - 100 µs tạo nên phần ñuôi sóng (Hình 1.18).

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

24









Hình 1.18. Dạng sóng dòng ñiện sét.
Các thông số chủ yếu:
+ Biên ñộ dòng sét: là giá trị lớn nhất của dòng ñiện sét (i
smax
)
+ Thời gian ñầu sóng (t
ds
): là thời gian dòng sét tăng từ 0 ñến giá trị cực ñại.
+ ðộ dốc dòng ñiện sét: a = di
s
/dt
+ ðộ dài dòng ñiện sét (t
s
): là thời gian từ ñầu dòng ñiện sét ñến khi dòng
ñiện giảm bằng 1/2 biên ñộ.
- Biên ñộ dòng sét và xác suất xuất hiện:
Dòng ñiện sét có trị số lớn nhất vào lúc kênh phóng ñiện chủ yếu ñến trung

tâm ñiện tích của ñám mây dông gọi là biên ñộ dòng ñiện sét.
Xác suất xuất hiện dòng ñiện sét có thể tính gần ñúng theo công thức:
+ Cho vùng ñồng bằng: V
I
= e
-is/60
= 10
-is/60
, hay lgV
I
= -i
s
/60
+ Cho vùng núi cao: V
I
= 10
-is/30
, hay lgV
I
= -i
s
/30
(V
I
là xác suất xuất hiện dòng ñiện sét, có biên ñộ lớn hơn hoặc bằng i
s
).
Chẳng hạn, xác suất phóng ñiện sét có biên ñộ dòng sét i
s
≥ 60KA: lgV

I
= -
60/60 = -1 ⇒ V
I
= 10%.
Có nghĩa là trong tổng số lần sét ñánh chỉ có 10% số lần sét có biên ñộ dòng
ñiện sét từ 60KA trở lên.
- ðộ dốc ñầu sóng dòng ñiện sét và xác suất xuất hiện:
ðể ño ñộ dốc dòng ñiện sét người ta dùng một khung bằng dây dẫn nối vào
một hoa ñiện kế. Khi sét ñánh vào cột thu sét với ñộ dốc a thì trong khung sẽ cảm
ứng lên một sức ñiện ñộng bằng M.di
s
/dt (M là hệ số hổ cảm giữa dây dẫn dòng
ñiện sét của cột thu sét với khung).
ðiện áp ñầu ra của khung: U = M.(di
s
/dt)
max
.
ðộ dốc lớn nhất của dòng ñiện sét chạy qua cột: a = (di
s
/dt)
max
, (KA/µs).
Xác suất xuất hiện ñộ dốc có thể tính theo:
+ Cho vùng ñồng bằng: V
a
= e
-a/15,7
= 10

-a/36

+ Cho vùng núi cao: V
a
= 10
-a/18

- Cường ñộ hoạt ñộng của sét:
0.
5ismax

ismax

t
ds
t
s

is

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



25

Cường ñộ hoạt ñộng của dông sét ñược xác ñịnh bằng số ngày dông trong
một năm và xem như trị số trung bình qua nhiều năm quan sát và ño ñạt ở những ñịa
phương khác nhau.
1.2.5. Các phương pháp chống sét

Trên thế giới hiện nay, trải qua 250 năm kể từ khi Franklin ñề xuất phương
pháp chống sét (PPCS), trong lĩnh vực phòng chống sét ñã có nhiều phương pháp
khác nhau ñược sử dụng.
- Phương pháp dùng lồng Farañây:
Lồng Faradây là lồng kim loại bao kín khu vực bảo vệ. Theo lý thuyết
sóng ñiện từ thì ñây là phương pháp lý tưởng ñể phòng chống sét. PPCS này
ñược sử dụng bảo vệ một số khu vực ñặc biệt như nơi chứa thuốc nổ, hạt nhân.
Tuy nhiên phương pháp này tốn kém và không khả thi trên thực tế áp dụng cho
tất cả các công trình.
- Phương pháp chống sét truyền thống
Benjamin Franklin (1752) ñã ñề xuất một PPCS bảo vệ nhà cửa thuyền bè.
Ông dùng kim thu sét bằng kim loại ñặt trên ñỉnh nóc nhà, nối với một dây kim loại
dẫn xuống ñất. Qua kiểm chứng trải qua 250 năm qua, PPCS của Franklin và những
hệ tương ñương phương pháp này ñã thật sự giảm thiệt hại về nhà cửa, tài sản.
Phương pháp chống sét truyền thống có hai dạng là: hệ gắn thẳng với nhà và
hệ bao quanh hay nằm trên. Hệ Franklin là thí dụ về hệ gắn thẳng và hiện nay vẫn
sử dụng rộng rãi. Quy phạm TCXDVN 46 -2007 ñã quy ñịnh về chiều cao và cách
bố trí kim thu sét, kích cỡ của dây nối ñất, cách thực hiện và ñặc tính của hệ nối ñất.
Gần ñây một vài kiểm chứng cho thấy kim tù làm việc tốt hơn kim nhọn.
Hệ Franklin bao quanh hay nằm trên hay còn gọi là hệ mắt xích hay lưới. Nó
thường bao gồm hệ dây dẫn ở trên ñỉnh treo trên các cột và nối với hệ thống ñất. Hệ
này có ưu việt là một khi nó tiếp nhận tia sét thì tia sét ở cách xa khu vực bảo vệ xa
hơn hệ Franklin nối trực tiếp. Dạng bảo vệ này thường ñắt hơn dạng gắn trực tiếp.
Thực nghiệm cho thấy, hệ Franklin không cho hiệu quả chống sét 100%. Tuy
sét ñánh vào kim thu sét nhiều hơn và hiệu quả của PPCS là khá tốt, song nhiều kết
quả thực nghiệm cho thấy sét có thể bỏ qua kim thu sét mà ñánh trực tiếp vào nhà
mặc dù có thể làm kim thu sét lên rất cao. Ngay cả khi sét ñánh vào kim thu sét thì
dây nối ñất không hiệu quả cho việc dẫn các thành phần tần số cao của tia sét khi có
các vật kim loại ở gần. Các nhà có chứa các dụng cụ nhạy cảm với sét như các thiết
bị ñiện tử sẽ bị hỏng hóc.

Như vậy, phương pháp truyền thống trong nhiều năm qua ñã chứng tỏ khả
năng bảo vệ của nó, tuy nhiên ñối với yêu cầu cao như hiện nay (các thiết bị ñiện tử,