Cú sét đầu tiên đóng vai trò quan trọng trong việc xác định đặc tính của toàn bộ quá trình phóng điện sét. Đây là giai đoạn khởi đầu khi một kênh dẫn điện hình thành từ đám mây xuống mặt đất, tạo ra dòng điện mạnh nhất trong chuỗi phóng điện, đòi hỏi các biện pháp chống sét hiệu quả.
Theo nghiên cứu của Berger và cộng sự, cường độ dòng điện đỉnh của cú sét đầu tiên có thể đạt tới 80 kA ở mức 5% xác suất vượt quá. Thời gian tăng trưởng dòng điện cũng rất nhanh, chỉ khoảng vài microsecond. Đặc điểm này quyết định mức độ nguy hiểm và khả năng gây hại của cú sét, đồng thời ảnh hưởng đến thiết kế các hệ thống chống sét và bảo vệ công trình.
Trong nghiên cứu về sét và phát triển giải pháp chống sét, có năm thông số quan trọng cần được phân tích kỹ lưỡng để hiểu rõ bản chất và tác động của hiện tượng này.
Có thể bạn quan tâm
Những khu vực nào có nguy cơ sét đánh nhiều nhất?
Cường độ dòng điện sét đỉnh (kA)
Chỉ số quan trọng nhất trong thiết kế chống sét, đo lường giá trị cực đại của dòng điện trong cú sét. Theo dữ liệu từ nghiên cứu của Berger và cộng sự, cường độ này có thể dao động từ 14 kA (ở mức 95% xác suất vượt quá) đến 80 kA (ở mức 5% xác suất vượt quá) đối với cú sét đầu tiên âm (Sét đánh xuống đất) .
Thông số này quyết định trực tiếp đến mức độ nguy hiểm và yêu cầu chống sét. Mức độ nguy hiểm của sét tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện đỉnh, đòi hỏi các biện pháp chống sét tương ứng. Ví dụ, một cú sét có cường độ 30 kA có thể tạo ra điện áp lên đến 3 MV khi đi qua một vật có điện trở 10 Ω.
Điện áp này đủ lớn để gây ra các hiện tượng phóng điện bên (side flashes) từ hoặc dọc theo vật bị đánh, cần có giải pháp chống sét phù hợp. Đối với các công trình cao tầng hoặc cấu trúc kim loại lớn, cường độ dòng điện cao có thể dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ đột ngột, gây biến dạng hoặc nóng chảy cục bộ, đòi hỏi hệ thống chống sét hiệu quả.
Trong lĩnh vực bảo vệ chống sét, việc thiết kế các hệ thống thu lôi và dây dẫn sét phải dựa trên giá trị cường độ dòng điện đỉnh dự kiến. Theo tiêu chuẩn IEC 62305 về chống sét, các cấp bảo vệ chống sét (LPL) được xác định dựa trên các mức cường độ dòng điện khác nhau, từ 3 kA đến 200 kA. Ví dụ, LPL I – cấp bảo vệ chống sét cao nhất – được thiết kế để chịu được cú sét có cường độ lên đến 200 kA.
Ngoài ra, cường độ dòng điện đỉnh còn ảnh hưởng đến phạm vi tác động của sét và yêu cầu chống sét. Một cú sét mạnh có thể gây ra các hiệu ứng cảm ứng điện từ trên một khu vực rộng lớn, ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử nhạy cảm ngay cả khi chúng không bị đánh trực tiếp. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc thiết kế hệ thống chống sét để bảo vệ các hệ thống thông tin liên lạc và điều khiển trong công nghiệp.
Thời gian tăng
Một thông số quan trọng trong việc phân tích đặc tính của sét và thiết kế hệ thống chống sét, đo lường khoảng thời gian dòng điện tăng từ 10% đến 90% giá trị đỉnh. Theo các nghiên cứu của Anderson và Eriksson, thời gian tăng cho cú sét đầu tiên thường nằm trong khoảng từ 1,76 μs (ở mức 95% xác suất vượt quá) đến 11,32 μs (ở mức 5% xác suất vượt quá), với giá trị trung bình khoảng 4,46 μs.
Thông số này phản ánh trực tiếp tốc độ phát triển của kênh sét và có ý nghĩa quan trọng trong nhiều ứng dụng kỹ thuật chống sét. Thời gian tăng ngắn tương ứng với sự phát triển nhanh chóng của kênh sét, dẫn đến tốc độ tăng dòng điện cao, đòi hỏi các biện pháp chống sét hiệu quả.
Điều này có thể gây ra các hiệu ứng cảm ứng mạnh mẽ trong các vật dẫn gần đó. Ví dụ, một dòng điện sét có thời gian tăng 2 μs và cường độ đỉnh 30 kA sẽ tạo ra tốc độ tăng dòng điện khoảng 15 kA/μs. Với một cuộn cảm 1 μH, điều này có thể tạo ra điện áp cảm ứng lên tới 15 kV, đủ để gây hỏng hóc nghiêm trọng cho các thiết bị điện tử không được bảo vệ bởi hệ thống chống sét phù hợp.
Trong lĩnh vực bảo vệ chống sét, thời gian tăng là yếu tố quan trọng trong việc thiết kế các thiết bị bảo vệ quá áp (SPD). Các SPD, một phần quan trọng của hệ thống chống sét, phải có khả năng phản ứng nhanh hơn thời gian tăng của sét để ngăn chặn hiệu quả các xung điện áp nguy hiểm. Ví dụ, một SPD loại 1 được các nhà sản xuất thiết kế theo tiêu chuẩn IEC 61643-11 về chống sét có thời gian phản ứng dưới 100 ns, nhanh hơn nhiều so với thời gian tăng điển hình của sét.
Ngoài ra, thời gian tăng còn ảnh hưởng đến việc thiết kế các hệ thống chống sét cho các cấu trúc cao. Trong trường hợp các tòa nhà chọc trời hoặc tháp truyền hình, thời gian tăng ngắn có thể dẫn đến sự phân bố không đồng đều của dòng điện sét dọc theo cấu trúc, tạo ra các điểm tập trung ứng suất điện từ cần được xem xét kỹ lưỡng trong quá trình thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét.
Điện tích truyền
Trong một cú sét là tổng lượng điện tích di chuyển trong suốt quá trình phóng điện, được đo bằng đơn vị Coulomb (C). Thông số này có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá tác động nhiệt và khả năng gây cháy của sét, đồng thời ảnh hưởng trực tiếp đến thiết kế hệ thống chống sét.
Theo nghiên cứu của Berger và cộng sự, điện tích truyền trong cú sét đầu tiên âm thường dao động từ 1,1 C (ở mức 95% xác suất vượt quá) đến 20 C (ở mức 5% xác suất vượt quá), với giá trị trung bình khoảng 4,5 C. Mối quan hệ giữa điện tích truyền và năng lượng giải phóng trong cú sét được thể hiện qua công thức E = QV, trong đó E là năng lượng, Q là điện tích truyền, và V là điện thế.
Ví dụ, một cú sét có điện tích truyền 20 C và điện thế 100 MV sẽ giải phóng năng lượng lên tới 2 GJ. Năng lượng này đủ để làm nóng chảy đáng kể lượng kim loại tại điểm tiếp xúc hoặc gây cháy các vật liệu dễ cháy, đòi hỏi các biện pháp chống sét hiệu quả.
Trong lĩnh vực bảo vệ chống sét cho các cấu trúc kim loại như máy bay hay tàu vũ trụ, điện tích truyền là thông số quan trọng để tính toán khả năng chịu nhiệt của vật liệu và thiết kế hệ thống chống sét phù hợp.
Theo tiêu chuẩn SAE ARP5412A về chống sét cho hàng không, các thử nghiệm chống sét cho máy bay phải thử nghiệm tác động trực tiếp, thành phần C nên có biên độ dòng điện từ 200A đến 800A, với thời gian khoảng từ 0.25 đến 1 giây và điện tích truyền lên tới 200 C cho các khu vực quan trọng như bình nhiên liệu. Điều này đảm bảo rằng cấu trúc máy bay và hệ thống chống sét có thể chịu được tác động nhiệt mà không bị hỏng hóc nghiêm trọng.
Ngoài ra, điện tích truyền còn ảnh hưởng đến khả năng gây cháy của sét, một yếu tố quan trọng trong thiết kế chống sét. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cần ít nhất 15 C điện tích để gây cháy đối với các vật liệu như gỗ khô.
Điều này giải thích tại sao sét là nguyên nhân chính gây ra các đám cháy rừng tự nhiên và tầm quan trọng của hệ thống chống sét trong bảo vệ rừng. Trong việc thiết kế hệ thống chống sét cho các kho chứa vật liệu dễ cháy nổ, việc xem xét điện tích truyền là rất quan trọng để đảm bảo an toàn tuyệt đối.
Độ dốc dòng điện
Hay tốc độ thay đổi dòng điện theo thời gian (di/dt), là một thông số quan trọng trong việc đánh giá tác động của sét đối với các hệ thống điện và điện tử. Theo nghiên cứu của Anderson và Eriksson, độ dốc dòng điện cực đại (TAN-G) cho cú sét đầu tiên có thể dao động từ 9,06 kA/μs (ở mức 95% xác suất vượt quá) đến 64,97 kA/μs (ở mức 5% xác suất vượt quá), với giá trị trung bình khoảng 24,27 kA/μs.
Độ dốc dòng điện cao có ảnh hưởng đáng kể đến hiện tượng cảm ứng điện từ. Theo định luật Faraday, điện áp cảm ứng trong một vòng dây tỷ lệ thuận với tốc độ thay đổi từ thông qua vòng dây đó. Trong trường hợp sét, từ thông thay đổi nhanh chóng do sự thay đổi nhanh của dòng điện, dẫn đến điện áp cảm ứng lớn trong các vòng dây gần đó. Ví dụ, một cú sét có độ dốc dòng điện 50 kA/μs có thể tạo ra điện áp cảm ứng lên tới 1 kV trong một vòng dây có diện tích 1 m² đặt cách kênh sét 100 m.
Hiệu ứng này đặc biệt quan trọng trong việc bảo vệ các hệ thống điện tử nhạy cảm. Trong lĩnh vực viễn thông, các cáp tín hiệu dài có thể hoạt động như các ăng-ten, thu nhận các xung điện từ do sét gây ra. Tiêu chuẩn ITU-T K.20 quy định rằng các thiết bị viễn thông phải chịu được các xung điện áp lên tới 5 kV do cảm ứng sét gây ra. Để đạt được điều này, các kỹ sư phải thiết kế hệ thống chống sét phù hợp, bao gồm việc sử dụng các thiết bị bảo vệ quá áp (SPD) và kỹ thuật che chắn điện từ.
Ngoài ra, độ dốc dòng điện cao còn ảnh hưởng đến hiệu ứng sét đánh gián tiếp. Trong các tòa nhà cao tầng, dòng điện sét chảy qua hệ thống chống sét có thể tạo ra các trường điện từ mạnh, gây nhiễu hoặc hỏng hóc các thiết bị điện tử bên trong tòa nhà. Để giảm thiểu những tác động này, các kỹ sư thường áp dụng nguyên tắc vùng bảo vệ chống sét (LPZ) theo tiêu chuẩn IEC 62305, trong đó các thiết bị nhạy cảm được đặt trong các vùng có mức bảo vệ cao hơn, cách xa nguồn sét.
Thời gian bán rộng xung
Là một thông số quan trọng trong việc đánh giá đặc tính của sét, đo lường khoảng thời gian mà dòng điện duy trì trên 50% giá trị đỉnh của nó. Theo nghiên cứu của Berger và cộng sự, thời gian bán rộng xung của cú sét đầu tiên thường dao động từ 30 μs (ở mức 95% xác suất vượt quá) đến 200 μs (ở mức 5% xác suất vượt quá), với giá trị trung bình khoảng 75 μs. Thông số này phản ánh trực tiếp thời gian tác động của sét và có ý nghĩa quan trọng trong nhiều ứng dụng kỹ thuật.
Thời gian bán rộng xung dài hơn thường tương ứng với lượng điện tích truyền lớn hơn, do đó có thể gây ra tác động nhiệt đáng kể. Trong lĩnh vực bảo vệ chống sét cho các cấu trúc kim loại, như máy bay hay tàu vũ trụ, thời gian bán rộng xung là yếu tố quan trọng để tính toán khả năng chịu nhiệt của vật liệu. Ví dụ, tiêu chuẩn SAE ARP5412B quy định rằng các thử nghiệm chống sét cho máy bay phải mô phỏng được các xung dòng điện có thời gian bán rộng lên tới 500 μs cho các khu vực quan trọng như bình nhiên liệu.
Trong thiết kế hệ thống chống sét, thời gian bán rộng xung ảnh hưởng đến việc lựa chọn và định cỡ các thiết bị bảo vệ. Các thiết bị bảo vệ quá áp (SPD) phải có khả năng hấp thụ và phân tán năng lượng trong suốt thời gian tác động của sét. Theo tiêu chuẩn IEC 61643-11, SPD loại I phải chịu được các xung dòng điện có thời gian bán rộng 10/350 μs, mô phỏng đặc tính của cú sét đầu tiên. Điều này đảm bảo rằng SPD có thể bảo vệ hiệu quả các thiết bị điện tử khỏi tác động kéo dài của sét.
Ngoài ra, thời gian bán rộng xung còn ảnh hưởng đến hiệu ứng cảm ứng điện từ trong các hệ thống dây dẫn. Xung điện từ có thời gian bán rộng dài hơn có thể xâm nhập sâu hơn vào các cấu trúc kim loại và gây nhiễu cho các mạch điện bên trong. Trong lĩnh vực EMC (Electromagnetic Compatibility), việc thiết kế các biện pháp chống nhiễu phải tính đến cả biên độ và thời gian bán rộng của xung điện từ do sét gây ra để đảm bảo bảo vệ toàn diện cho các thiết bị điện tử nhạy cảm.