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

BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829
1

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 tịa 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, thơng số này cần
thiết để tính trường điện từ tại một khoảng cách nào đó. Mơ hình này


BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829
2
có thể áp dụng cho bất kỳ tịa nhà hay cơng trình xây dựng to lớn nào
khác.


BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829
3

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


BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829
4

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 tịa
tháp. Nhiều tài liệu về đặc điểm của khu vực khảo sát và các thông số của tia sét đã được
thu thập ([5]-[9]). Có thể xem thêm một số tài liệu khảo sát trong tài liệu [10], [11].
Dòng điện quan sát được tại tháp CNT được 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 tịa 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 tòa tháp CNT, nhưng
cũng có thể áp dụng để nghiên cứu dạng sóng của dòng trong tia sét
dự báo và trường phát xạ tương ứng cho bất kỳ 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


BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829

5
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/km 2
mỗi năm, nhưng riêng với tòa tháp CNT, tần suất sét đánh đạt từ 50 –
70 lần mỗi năm. Hệ thống chống sét của tịa nhà bao gồm các cột thu
lơi nằm trên đỉnh, được nối tới 6 điện cực nối đất thơng qua hệ thống
dây đồng chạy bên trong tịa nhà. Tuy nhiên, theo như báo cáo trong
tài liệu số [13], phần lớn dòng điện sinh ra do sét được nối đất thông
qua cấu trúc bê tông cốt thép theo hiệu ứng bề mặt, theo như thiết kế
ban đầu của tòa nhà. Hình 1 minh họa các cuộn cảm biến dịng điện
được đặt cố định trong tòa nhà tại các vị trí cách mặt đất tương ứng
474m (cuộn cũ) và 509m (cuộn mới). Đây là các cuộn Rogowski, được
dùng để bắt trực tiếp dòng điện phát sinh do sét đánh. Dữ liệu thu thập
được chuyển tiếp thông qua cáp đồng trục (cuộn cũ) và cáp quang
(cuộn mới) tới bộ số hóa, tại đây dữ liệu được lưu trữ trên máy tính, sau
đó được xem xét bằng LabView và cuối cùng được xử lý bằng một thủ
tục tích hợp đặc biệt trong Matlab để tái tạo lại dạng sóng của dịng
điện.


BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829
6

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


BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829
7
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).).


BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829
8
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 (Zt 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) (Zch=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=3e8 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 tịa 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.


BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829
9
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


BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829
10
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 mô hình đơn đoạn, cụ thể gồm:
1) Các thành phần truyền phát (transmitted components) vượt
lên điểm phản xạ tại lớp biên giữa phần ion hóa 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 dịng 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 không 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.

BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829
11
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 

)
c
c
c
c  (1)
n 0 

Các thành phần bổ sung (bên trong tòa tháp CNT):

iA.1 kb (1  kt )kc (1  kt )i (t 

iA.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)


BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829
12
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



m m 1
b t

iI ,(2 m )  k k
n 0

(1  kt )k

n 1

c

2mh n ( z  h)
 
)
c
c

(4a)

2mh n (h(1  2m n )  z )
( kt ) i0 (t 
 
)
c v
c
n

(4b)

n
Với h  z  h(1  2m ) 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)

n
Với h(1  2m )  z  zMAX ; m 1, 2,3,...

Để tìm ra dịng điện tại bất kỳ vị trí cao độ nào của tòa tháp hay của kênh sét, thì các
phần tương ứng với cao độ đó trên đồ hình lưới được cộng gộp lại. Các giả thuyết từ (1)(5) được trình bày đầy đủ trong tài liệu [20].

III. 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.


BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829
13

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

BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829
14
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
không phù hợp với các sự kiện quan sát được.
Phần nối đất của tòa tháp CNT bao gồm 6 cọc đặt âm dưới đất dài 15m [22]. Trong quá
trình sét đánh chớp 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


BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829
15

Hình 7. Đồ hình dạng lưới cho mơ hình 5 đoạn

Section, #

Length, m

Impedance, Ω

LCh not-ionized

8000-z

Ztch

495

LCh fully-ionized

Z (variable)

Zch

330

L1

188

Z1

160

L2

30

Z2

86

L3

335

Z3

140

Zg

-

Zg

30


BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829
16
Bảng 1. Giá trị trở kháng trong mơ hình 3 đoạn

Section, #

Length, m

Impedance, Ω

LCh not-ionized

8000-z

Ztch

495

LCh fully-ionized

Z (variable)

Zch

330

L1

100

Z1

160

L2

9

Z2

105

L3

79

Z3

140

L4

30

Z4

86

L5

335

Z5

120

Zg

-

Zg

30

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


BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829
17
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 dòng 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 mô 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 tịa 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 tịa 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.


BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829
18

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).


BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829
19

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 toán 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.


BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829
20
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 khơng 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.