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

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

LÊ HẢI ĐĂNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------

LÊ HẢI ĐĂNG

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

MƠ HÌNH HỐ Q TRÌNH THU SÉT CỦA
THIẾT BỊ THU LƠI BẢO VỆ CHỐNG SÉT
ĐÁNH TRỰC TIẾP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỆN

2007-2009
HÀ NỘI - 2010


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------

LÊ HẢI ĐĂNG

MƠ HÌNH HỐ Q 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
Tơi xin cam đoan đây là cơng 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


-1-

MỤC LỤC 
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 PHĨNG ĐIỆN KHOẢNG CÁCH LỚN
TRONG KHƠNG KHÍ ............................................................ - 11 1.1. Tổng quan về hiện tượng phóng điện khoảng cách lớn

trong khơng 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 khơng 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 PHĨNG 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-

2.3. Phóng điện sét âm từ đám mây dơng xuống mặt đất ...................... - 44 2.4. Q trình phóng điện ngược............................................................ - 49 2.4.1. Dịng 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 MƠ HÌNH TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT
ĐÁNH TRỰC TIẾP................................................................ - 67 3.1. Phương pháp tính tốn 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 mơ hình điện hình học .............................................. - 75 3.2.1. Nội dung lý thuyết mơ hình điện hình học .............................. - 75 3.2.2. Nghiên cứu hiệu quả bảo vệ của cột thu lơi Franklin bằng phương
pháp mơ hình điện hình học............................................................... - 77 3.3. Kết luận ........................................................................................... - 82 Chương 4: MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU BẢO VỆ CHỐNG SÉT
ĐÁNH TRỰC TIẾP................................................................ - 86 4.1. Mô tả lý thuyết mô hình .................................................................. - 86 4.2. Mơ hình tia tiên đạo từ đám mây dơng ........................................... - 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 tốn điện trường và điện thế gây ra bởi điện tích
tia tiên đạo .......................................................................................... - 92 -


-3-

4.3. Mơ 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. Cơng cụ để tính tốn phạm vi bảo vệ của cột thu lơi
theo mơ hình nghiên cứu............................................................. - 106 5.2. Kết quả tính tốn phạm vi bảo vệ cột thu lơi
theo mơ hình nghiên cứu............................................................. - 110 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................. - 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................ - 118 -


-4-

MỞ ĐẦU
Dông sét là hiện tượng thiên nhiên thường gặp, đặc biệt là ở một nước
nằm ở tâm dông châu Á như Việt Nam. Thiệt hại khi sét đánh vào cơng trình
là vơ cùng to lớn. Hiện nay, việc tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vẫn
dựa trên việc xác định phạm vi bảo vệ của cột thu lôi theo phương pháp cổ
điển của Liên Xô (cũ) hoặc phương pháp mơ hình điện hình học. Các phương
pháp này đều được tính tốn trên cơ sở các cơng thức mang tính thực nghiệm,

các cơng thức đó được xây dựng thơng qua nghiên cứu mơ hình phóng điện
khoảng cách lớn trong khơng khí trong phịng thí nghiệm cao áp, đặc biệt là
trong q trình tính tốn chưa đề cập một cách đầy đủ các đặc tính vật lý của
q trình phóng điện sét trong khí quyển. Thực tế cho thấy các phương pháp
cũ không thật tin cậy, những năm gần đây nhiều quan sát cho thấy còn xảy ra
sự cố do sét ở những cơng trình đã được chống sét đầy đủ theo qui phạm, nhất
là ở các cơng trình như tồ nhà cao tầng, cột cao, các cơng trình điện.... Ngồi
ra, hiện nay các thiết bị thu lơi 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
mơ hình q trình thu sét của các thiết bị thu lơi trong đó có tính đến các đặc
tính vật lý của q trình phóng điện sét trong khí quyển.
Tơi 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 q báu cho tơi
trong q trình nghiên cứu đề tài này. Do kinh nghiệm cịn hạn chế nên luận
văn khơng tránh khỏi những thiếu sót, tơi mong nhận được những nhận xét
góp ý của các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện
hơn.


-5-

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
MHĐHH

:

Mơ hình điện hình học


-6-

DANH MỤC CÁC BẢNG
Ký hiệu

Tên bảng

Trang

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

32

Bảng 1.2 Thông số của phóng điện khoảng cách lớn

33

Tham số của tia sét điện tích âm từ đám mây dơng xuống
đất

52

Bảng 2.2: Bảng so sánh số ngày dơng và số lần phóng
Bảng 2.2 điện sét trên 100km2 mặt đất và ở một số khu vực trên thế
giới

63

Bảng 2.3 Trị số dự kiến mật độ sét theo khu vực

64

Bảng 3.1

76

Bảng 2.1

Hệ số Krs và n

 


-7-

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Ký hiệu

Tên hình vẽ và biểu đồ

Trang

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 khơng
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
trong điều kiện bình thường

19

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
trường đồng nhất

26

Hình 1.8

Streamer phát
E0=7,7kV/cm

triển trong điện trường

đồng

nhất

27

Hình 1.9

Streamer phát
E0=10kV/cm

triển trong điện trường

đồng

nhất

Hình 1.10

Hình ảnh về phần đầu của tia tiên đạo

30

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

34

Hình 1.12

Hình ảnh một tia tiên đạo âm phát triển trong phịng thí
nghiệm

35

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

28


-8-

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 dơng

42

Hình 2.3

Mơ hình lý thuyết về phân bố điện tích trong đám mây đối
lưu

42

Hình 2.4

Hình ảnh biểu diễn q trình phóng điện từ đám mây dông
xuống mặt đất bao gồm 3 lần phóng điện ngược và dịng
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
70m tại đỉnh San Salvatore

47

Hình 2.7

Phân bố thống kê của dịng điện cực đại của phóng điện
ngược và xấp xỉ logarit của chúng

51

Hình 2.8

Xung dịng 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 dịng điện sét của phóng điện
ngược

54

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 dịng sét tại Việt Nam

58

Hình 2.12

Đường phân bố xác suất độ dốc dịng sét tại Việt Nam

59

Hình 2.13

Phân bố dơng trên lãnh thổ Việt Nam

61

Hình 2.14

Bản đồ phân vùng mật độ dơng sét tại Việt Nam

66

Hình 3.1

Phạm vi bảo vệ của một cột thu lơi

68

Hình 3.2

Phạm vi bảo vệ của cột thu lơi

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


-9-

Hình 3.6

Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu lơi

74

Hình 3.7

Định hướng tia tiên đạo tới cơng trình trên mặt đất

75

Hình 3.8

Phạm vi bảo vệ của cột thu lơi Franklin

77

Hình 3.9

Phạm vi bảo vệ của cột thu lôi ứng với dịng điện I

79

Hình 3.10

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

80

Hình 3.11

Phạm vi bảo vệ và parabol thu sét của kim thu sét có độ cao
h.

82

Hình 3.12

Một số thiết bị thu lơi phát xạ sớm

84

Hình 4.1

Biểu diễn từng bước q trình phóng điện sét

87

Hình 4.2

Phân bố điện tích trong tia tiên đạo từ đám mây dơng

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 q trình lan truyền

92

Hình 4.4a

Mơ hình tính tốn điện trường, điện thế gây ra bởi một đoạn
nhỏ tia tiên đạo

94

Hình 4.4b

Mơ hình tính tốn 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,
EL khi ERizk < EL

102

Hình 4.8

Các trường hợp có thể xảy ra giữa các đại lượng E0C, ERizk,
EL khi ERizk > EL

103

Hình 5.1

Mơ tả thuật tốn

108

Hình 5.2

Tia tiên đạo âm từ đám mây đông bị chặn bởi tia tiên đạo
dương từ kim thu sét

109

Hình 5.3

Tia tiên đạo âm từ đám mây đông không bị chặn bởi tia tiên
đạo dương từ kim thu sét

110


- 10 -

Hình 5.5

Kết quả tính tốn với cường độ dịng điện sét I=10kA và
I=40kA

111

Hình 5.6

Kết quả tính tốn với cường độ dịng điện sét I=20kA và
I=50kA

112

Hình 5.7

Ảnh hưởng của yếu tố vận tốc tương đối của tia tiên đạo đối
với kết quả tính tốn phạm vi bảo vệ của cột thu lôi

115


- 11 -

Chương 1 
TÍNH CHẤT CỦA PHĨNG ĐIỆN KHOẢNG CÁCH LỚN 
TRONG KHƠNG KHÍ 
Chương này sẽ đề cập đến q trình phóng điện khoảng cách lớn trong
khơng khí. Ngày nay, nhiều phịng thí nghiệm cao áp trên thế giới đã có khả
năng tạo ra và nghiên cứu về phóng điện trong khơng khí với khoảng cách
lớn tới hàng chục thậm chí hàng trăm mét [8]. Những kết quả nghiên cứu
thực nghiệm cho thấy, nhiều thơng 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 mơ phỏng hoặc tái tạo
lại trong phịng thí nghiệm [8]. Do vậy, việc nghiên cứu các tính chất của
phóng điện khoảng cách lớn trong khơng khí là khơng 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 
khơng 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
do cần thiết trong khơng khí (Ei ≈ 30kV/cm trong điều kiện bình thường). Lấy
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.
Đây là điểm khởi đầu của kênh phóng điện. Tại khoảng cách r = 10ra từ tâm
của điện cực, phần đầu (tip) của kênh sẽ đi vào vùng không gian giữa 2 điện


- 12 -

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 khơng khí trung hịa giữa hai điện cực thành dạng plasma.
Khơng 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. Dịng 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 khơng 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 khơng gian giữa 2 điện cực.
Tính tự nhiên của phóng điện chọc thủng khơng 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 dịng điện


- 13 -

dọc theo kênh để tính tốn 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.

Anode
Cathode
nối đất

Hình 1.1: Hình ảnh streamer hướng về cathode: U0(x) là điện thế bên
ngoài, U(x) là điện thế dọc trục của streamer
Streamer tạo ra hiện tượng plasma mà nếu khơng có hiện tượng này, sẽ
khơng có khả năng vận chuyển một lượng lớn điện tích vào vùng khơng 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 q 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 khơng khí để streamer lan truyền khơng 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 cịn đối với mơ hình phóng điện
trong phịng thí nghiệm, nơi mà thời gian hồn tất q trình phóng điện là từ


- 14 -

10-4 đến 10-3s [8]. Do vậy chúng ta cần phải phân tích q 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 khơng khí.
Khi nghiên cứu về streamer người ta nhận thấy dịng trong streamer tăng
mà khơng cần tăng điện áp khe hở chỉ ra một điều chắc chắn rằng đã có sự
tăng nhiệt đáng kể của khơng 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 q trình khác xảy ra khi tăng nhiệt độ là sự thay đổi trong cấu trúc
khơng 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 trị 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 khơng
khí trong kênh. Ở đây, kết quả cuối cùng dường như phụ thuộc vào tỷ lệ mơ
hình trong phịng thí nghiệm hay phóng điện sét và các điều kiện khởi đầu của
q trình phóng điện đó. Trong phịng thí nghiệm, một streamer vượt qua khe
hở hiếm khi trực tiếp tạo ra phóng điện chọc thủng. Một streamer lan truyền
qua khơng khí có nhiệt độ thấp sẽ vẫn giữ nhiệt độ thấp do năng lượng cung
cấp cho khơng khí q 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,
khơng phải kênh plasma mà chỉ là phần dấu vết khơng dẫn điện của nó đã
vượt qua khe hở [8]. Trong điều kiện phịng thí nghiệm cần có những kỹ năng


- 15 -

đặc biệt để có thể tạo ra streamer có khả năng đánh thủng khơng khí với nhiệt
độ phịng [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 khơng khí có nhiệt độ cao của thành phần trước đó. Do được
bao quanh bởi khơng khí có nhiệt độ thấp bên ngồi, 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 khơng 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 (5.00010.000K) 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 khơng 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 phịng 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 khơng có cách nào khác nghiên cứu về phóng điện khoảng
cách lớn ngồi cách xem xét phóng điện khe hở trong phịng 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


- 16 -

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

Hình 1.2: Hình ảnh của một tia tiên đạo dương
1.2. Một streamer phát triển dài 
1.2.1 Phần đầu streamer 

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

- 17 -

Hãy xem xét một streamer điển hình, được bắt đầu từ anode điện áp cao
và dịch chuyển đến cathode nối đất. Q 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
khơng 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 khơng gian ít, điện trường giảm xấp xỉ còn E = Em(rm/r)2, ở đây, Em
là điện trường cực đại của streamer tại điểm đầu kênh, rm là bán kính mà tại
đó điện trường đạt cực đại và được gọi là bán kính phần đầu streamer, rm xấp
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
phân tử N2 bị quá kích thích do vậy các lượng tử do chúng phát ra sẽ ion hóa
các phân tử O2. Sự phát xạ cứ tiếp diễn như vậy, với tốc độ mà nó chỉ đủ để
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 khơng gian phía trước đầu

- 18 -

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 khơng gian dương
trong plasma. Đồng thời, các electron ở vùng phía trước sẽ trung hịa 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 q 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
hàm có dạng E(x,t) = E(x - Vst). Tham số bên ngoài quyết định đến các đặc
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.
1.2.2. Xác định các tham số của streamer 
Q trình ion hóa dọc theo trục của streamer có thể được miêu tả theo
những cơng thức đơn giản sau:

∂ne
= ν i ne
∂t

nc
dx
= exp ∫ν i dt = exp ∫ν i

n0
Vs

[8]

(1.1)

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

Vs ≈

ν im rm
ln(rc / r0 )

với ν im ≡ ν i ( Em )

[8]

(1.2)


- 19 -

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
Lấy thí dụ với Em = 170kV/cm trong khơng khí và rm = 0,1cm (ứng với
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 

Điện áp sau phần đầu của streamer Ul xấp xỉ bằng điện áp của phần đầu
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 cơng thức:

il =

2πε 0 [U l − U 0 (l )]Vs
ln(l / r )

[8]

(1.3)

Quan hệ giữa dòng điện il và dòng điện trên anode ia là tùy thuộc vào
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.


- 20 -

Một streamer chỉ có thể phát triển dài tại điện áp không đổi khi điện
trường trong kênh E(x, t) khơng thay đổi nhiều theo thời gian. Khi đó điện thế

tại bất kỳ điểm nào trong kênh Ux = Ua -

∫

x

0

E ( x)dx chỉ thay đồi nhỏ theo thời

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 khơng khí
theo định luật Joule. Năng lượng tỏa ra trong 1cm3 kênh dẫn trong 1s là
jE = σE2 trong đó j = σE là mật độ dòng điện và σ là điện dẫn của kênh
plasma.
Năng lượng giải phóng trong 1cm3 do q trình ion hóa là
W = ∫ σ E 2 dt = ∫ σ E 2 dx / Vs

[8]

(1.4)

Nhiệt lượng tỏa ra phân bố chủ yếu ở lớp mỏng phía sau đầu sóng ion
hóa. Cơng thức trên được viết lại cho vùng này sẽ là W ≈ ε 0 Em2 / 2 ≈ 2,6.10-3
J/cm3 tương ứng tại Em = 170kV/cm [8].

1.2.5 Phản ứng electron – phân tử và sự suy giảm plasma 
Electron bị mất đi trong khơng khí nhiệt độ thấp là do sự kết hợp với
phân tử oxy:
O2 + e + O2 → O −2 + O2
Trong trường cao hơn quá trình chiếm lợi thế hơn lại là quá trình phá vỡ
kết hợp:
O2 + e → O − + O


- 21 -

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 O +2 theo phản ứng sau:

O +2 + e → O + O
Ngồi ra, trong khơng khí cịn có thể xảy ra những phản ứng kết hợp
giữa electron và các phân tử ion phức tạp sau:

O +4 + e → O2 + O2
H 3O + (H 2O)3 + e → H + 4H2O
Dẫn suất của plasma sẽ giảm 2 lần so với giá trị ban đầu sau khoảng thời
gian t ≈ 3.10-7s [8]. Với tốc độ của streamer Vs ≈ 106m/s điều này sẽ xảy ra tại
điểm cách phần đầu của streamer khoảng 30cm [8]. Khoảng 1 micro giây sau
đó dẫn suất sẽ giảm xuống chỉ cịn 1/6. Chỉ những kênh streamer được hỗ trợ
bởi điện áp lên tới hàng mega vơn mới có khả năng phát triển tới chiều dài l ≈
1m trong khơng khí nhiệt độ thấp mà không bị mất mối liên hệ với điện cực
[8].

1.2.6. Chiều dài của streamer 

Khi một streamer bắt đầu từ một điện cực (anode) bán kính nhỏ ra, mà ở
đó có điện áp Ua, nó lan truyền cùng với sự suy giảm nhanh của điện trường
vùng khơng gian giữa 2 điện cực. Lúc đầu nó phát triển rất nhanh nhưng sau
đó chậm dần khi rời khỏi vùng có chiều dài ra tức là ra khỏi vùng ảnh hưởng
trực tiếp của anode. Nếu điện áp quá thấp, streamer có thể dừng lại trong khe
hở mà khơng đến được cực đối diện. Với điện áp đủ lớn, nó sẽ nối liền khe
hở. Thơng thường khơng chỉ có một streamer đơn lẻ mà ln có sự xuất hiện
của một số lượng các streamer.


- 22 -

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
bình thường giá trị Ecr ≈ 4,5-5kV với khoảng cách d ≈ 0,1-10m [8]. Dựa vào
các kết quả thực nghiệm, Bazelyan và Goryunov đã đề xuất giá trị Ea =4,65kV
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.
Ta có cơng thức sau:
Ecr ≈

U a − U o (lmax )
lmax

lmax ≈

U a − U o (lmax )
E cr

[8]

(1.5)

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
Ecr có thể được xác định từ các giá trị thực nghiệm có được từ streamer mà
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.
Tuy nhiên, cũng có thể xác định được U0(lmax) với trường hợp streamer phát
triển trong trường khơng đồng nhất vì khi đó U0(lmax) << Ua. Như vậy, ta có
thể đơn giản hóa cơng thức trên như sau: lmax ≈ Ua/Ecr.
Qua các kết quả thực nghiệm, người ta thu được chiều dài streamer phát
triển trong khơng khí từ anode hình cầu bán kính ra = 5cm với điện áp Ua =
500kV được biểu diễn trên hình 1.5.
Từ hình 1.5 ta nhận thấy tốc độ của streamer nhanh chóng đạt tối đa
107m/s và sau đó giảm chậm và dừng lại tại lmax = 0,94m. Giá trị thực tế điện
trường trung bình tại thời điểm tốc độ bằng 0 là Ecr = 4,9kV/cm. Nếu sử dụng