BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829 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 mơ hình dùng để tính xấp xỉ dịng điện tồn tia sét, bao gồm: mơ hình gas dynamic (physical); electromagnetic; distributed circuit; mơ hình “engineering” Tài liệu tìm hiểu mơ hình modified transmission line (TL) “engineering” xét trường hợp sét đánh vào đối tượng to lớn Tại điểm tiếp xúc tia sét đối tượng, tia sét tách thành thành phần, thành phần phản xạ thành phần xuyên qua, cấu trúc vật liệu đối tượng bỏ qua có ảnh hưởng tới phép tính Tồn phép tính thực miền thời gian Đối tượng to lớn chọn tịa tháp CN Tower, thể thể dạng hoặc đoạn đường truyền nối tiếp Trong đó, tia sét thể đoạn đường truyền có chiều dài thay đổi Mơ hình cho phép tính tồn dịng điện sinh độ cao tòa tháp CN Towe, tương ứng với tia sét thời điểm nào, thơng số cần thiết để tính trường điện từ khoảng cách Mơ hình BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829 áp dụng cho tịa nhà hay cơng trình xây dựng to lớn khác BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829 Contents I GIỚI THIỆU II MƠ HÌNH HĨA SỰ KIỆN SÉT ĐÁNH TẠI TÒA THÁP CNT III MƠ HÌNH HĨA ĐA ĐOẠN .11 IV TÍNH TỐN DÒNG 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 I GIỚI THIỆU Sét tượng ấn tượng cổ xưa tự nhiên Mặc dù nghiên cứu thời gian dài, chế xác chưa nghiên cứu đầy đủ, bắt đầu với việc hình thành, di chuyển qua tầng khí khác lớp điện khí hóa kết thúc với việc mây dơng bị tiêu tan Vì khó để dự báo xác thời gian, địa điểm xảy tượng sét đánh, mức tác động gây Tuy nhiên, tượng sét đánh nghiên cứu ghi nhận thời gian dài, nên có nhiều tài liệu liên quan nhiều phương thức để mô hình hóa tượng [1]-[4] Thực tế, tượng sét đánh quan sát ghi nhận suốt 30 năm tòa tháp CN Tower – Toronto Trong suốt thời gian này, thiết bị đo điện tích liên tục nâng cấp Cho đến tích hợp thành phần cảm biến điện tích tịa tháp, cảm biến trường điện từ đặt cách tòa tháp 2km phía bắc, đồng thời có thiết bị ghi hình đặt 2km 11km tương ứng phía bắc tây tòa tháp Nhiều tài liệu đặc điểm khu vực khảo sát thông số tia sét thu thập ([5]-[9]) Có thể xem thêm số tài liệu khảo sát tài liệu [10], [11] Dòng điện quan sát tháp CNT mơ hình hóa lý thuyết theo mơ hình có sẵn [4] Các liệu sau thu thập dùng để tính tốn dạng sóng vị trí đặt cảm biến dịng nằm cách mặt đất 472m 509m Trong tài liệu này, trước tiên xem xét tổng quát tòa tháp CNT thiết bị đo đạc sử dụng Sau tính tốn chi tiết theo mơ hình dự kiến, mơ hình “engineering” đường truyền dẫn (transmission line - TL) sửa đổi, có xét đến diện đối tượng bị sét đánh tòa nhà cao tầng [12], có số thay đổi bổ sung để phù hợp với đặc điểm không liên tục mặt vật lý trước kênh sét (lightning channel - LC) Phương pháp mơ hình hóa phát triển để áp dụng cho trường hợp sét đánh tòa tháp CNT, áp dụng để nghiên cứu dạng sóng dịng tia sét dự báo trường phát xạ tương ứng cho cơng trình cao lớn khác trước xây dựng Tất liên hệ toán học sử dụng tài liệu thực miền thời gian Cuối cùng, BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829 khảo sát kiện thực ghi nhận, đưa số nhận định kết luận II MƠ HÌNH HĨA SỰ KIỆN SÉT ĐÁNH TẠI TỊA THÁP CNT Tịa tháp CNT Toronto hoàn thành tháng năm 1976, sau 40 tháng thi cơng Nó cao 553m nắm giữ kỷ lục tòa nhà cao giới suốt 30 năm Nó cịn cơng trình kiến trúc cao giới dùng để nghiên cứu tượng sét đánh ngày Mặc dù tần suất sét đánh khu vực Toronto vào khoảng lần/km năm, riêng với tòa tháp CNT, tần suất sét đánh đạt từ 50 – 70 lần năm Hệ thống chống sét tòa nhà bao gồm cột thu lôi nằm đỉnh, nối tới điện cực nối đất thông qua hệ thống dây đồng chạy bên tòa nhà Tuy nhiên, theo báo cáo tài liệu số [13], phần lớn dòng điện sinh sét nối đất thông qua cấu trúc bê tông cốt thép theo hiệu ứng bề mặt, theo thiết kế ban đầu tịa nhà Hình minh họa cuộn cảm biến dòng điện đặt cố định tòa nhà vị trí cách mặt đất tương ứng 474m (cuộn cũ) 509m (cuộn mới) Đây cuộn Rogowski, dùng để bắt trực tiếp dòng điện phát sinh sét đánh Dữ liệu thu thập chuyển tiếp thông qua cáp đồng trục (cuộn cũ) cáp quang (cuộn mới) tới số hóa, liệu lưu trữ máy tính, sau xem xét LabView cuối xử lý thủ tục tích hợp đặc biệt Matlab để tái tạo lại dạng sóng dịng điện BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829 Hình CNT vị trí đặt thiết bị cảm biến Bermudez et al [14] mơ hình TL (Transmission line) hồn tồn phù hợp để mơ hình hóa kiện sét đánh tòa nhà cao tầng Trong thời gian đầu nghiên cứu, tài liệu kỹ thuật [15]-[17], người ta sử dụng mơ hình “engineering” đơn đoạn đoạn (single and three-section) dựa cách tiếp cận mơ hình hóa TL [18] Nhưng nay, mơ hình “engineering” đoạn dựa tảng mơ hình TL phức hóa sử dụng thay tịa tháp CNT Việc xem xét đoạn mơ hình giúp tái cấu trúc chi tiết Mơ hình bao gồm phản xạ từ hướng truyền tới tia sét (LC- lightning channel) Để mơ hình hóa phép xử lý thành phần phản xạ khúc xạ mức khác tòa tháp kênh sét, người ta sử dụng đồ hình dạng lưới Để hình dung phương thức sử dụng đồ hình lưới, xem xét trường hợp đơn giản, mơ hình đơn đoạn, hình Tuy nhiên nguyên lý đưa áp dụng trực tiếp cho mơ hình đoạn đoạn Chú ý rằng, kênh sét (LC) thể trường hợp tổng quát, phần: ion hóa hồn tồn (đường nét liền) ion hóa khơng hồn tồn (đường BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829 nét đứt) tồn kênh sét Trong đó, dòng điện trả xem xét phần ion hóa khơng hồn tồn Hình Mơ hình đơn đoạn Các giả thiết sau áp dụng với mơ hình đơn đoạn, phần lớn chúng áp dụng với mơ hình đoạn đoạn 1) Tịa tháp CNT thể dạng đoạn TL có trở kháng khơng đổi, tính tốn cơng thức Chisholm cho 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 3) Hệ số phản xạ tính 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 đánh vào đỉnh tòa tháp 5) Chiều dài cực đại LC zMAX=8km 6) LC chia thành phần Trước có luồng sét phản hồi, LC thể dạng TL có trở kháng khơng đổi (Zt ch=495Ω).) để tính tốn trạng thái ion hóa khơng hồn tồn Ngay có dịng phản hồi ngược lại LC, lúc LC gồm có thành phần, phần có dịng điện qua bị ion hóa hồn tồn, nên có trở kháng thay đổi (theo chiều hướng giảm) (Zch=330Ω).) Các giá trị sử dụng tương ứng 4.5 x Zt x Zt 7) Tốc độ truyền phần ion hóa khơng hồn tồn LC không đổi giả thiết v=1.9e8m/s Chú ý tốc độ giả thiết v=1.0e8m/s trường hợp thức tế hình 11 8) Hằng số phân rã theo cấp số nhân phần ion hóa khơng hồn tồn tuyến truyền LC ψ = 2000m 9) Tốc độ truyền phần ion hóa hồn tồn LC tịa tháp CNT số c=3e8 m/s (tốc độ ánh sáng) 10) Giả thiết khơng có tượng phân rã phần đường truyền ion hóa hồn tồn tịa tháp CNT 11) Các ảnh hưởng phản xạ, khúc xạ vị trí khác tòa tháp LC theo dõi xem xét biên độ chúng nhỏ 1% so với sóng gốc BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829 12) Tổng hàm Heidler [3] (xem thêm phụ lục) dùng để xấp xỉ dòng sét chèn vào Dòng sét chèn vào điển xen CNT LC Hai dịng có dạng sóng y hệt biên độ tỉ lệ nghịch tương ứng với trở kháng CNT phần ion hóa khơng hồn tồn LC bắt đầu đánh xuống tòa tháp phản xạ ngược lại kênh sét Sóng đánh xuống tịa tháp có tốc độ ánh sáng “c”, sóng truyền lên phần ion hóa khơng hồn tồn LC lại có tốc độ “v” Quan sát biểu đồ mắt lưới hình 3, trước tiên dịng xen đánh xuống tịa tháp CNT Khi xuống tới đáy tịa tháp, có thay đổi trở kháng nên xuất dịng phản xạ Sóng phản xạ ngược lại đỉnh tháp tách thành thành phần phản xạ ngược trở lại đáy tịa tháp, đồng thời có phần khúc xạ vào kênh sét LC Thành phần phản xạ lần lại truyền tới đáy tòa tháp lại xuất thành phần phản xạ khác quay ngược lên đỉnh tháp, trình tiếp tục lặp lại Hình 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 LC tiếp tục truyền lên phần ion hóa hồn tồn kênh sét với tốc độ ánh sáng, số điểm, bắt kịp phần LC truyền chậm Tại điểm này, phần sóng khúc xạ gốc bị phản xạ ngược lại phía đỉnh tịa tháp phần cịn lại tiếp tục truyền lên phần ion hóa khơng hồn tồn LC, với sóng xen ban đầu với tốc độ “v” Tiến trình tương tự xảy với tất thành phần phản xạ khác, không từ đáy tòa tháp mà thành phần phản xạ ngược vào kênh sét LC điểm gián đoạn phần ion hóa LC chóp đỉnh tịa tháp Chú ý có số điểm nhắc đến giả thiết kể phù hợp với mơ hình đơn đoạn, cụ thể gồm: 1) Các thành phần truyền phát (transmitted components) vượt lên điểm phản xạ lớp biên phần ion hóa hồn tồn khơng hồn tồn LC xem xét mơ hình Trong cách xem xét mơ hình khác, người ta giả thiết có khơng liên tục thành phần dịng điện chúng truyền tới lớp biên vượt qua biên chúng khơng cịn tồn Đây điểm mâu thuẫn cần phải có phép tính bổ sung để hiệu chỉnh Trong mơ hình thành phần khơng liên tục xem xét tính tốn, ảnh hưởng thành phần dòng phản xạ truyền dẫn mơ xác Các thành phần truyền phát (transmitted components) ghép chung vào dòng xen gốc (originally injected current), khuếch đại lên truyền với tốc độ thấp hơn, hướng đến phần ion hóa khơng hoàn toàn LC, thành phần phản xạ (reflected components) quay ngược lại phần ion hóa hồn tồn kênh sét hướng tới đỉnh chóp tòa tháp với tốc độ ánh sáng 2) Bỏ qua thành phần (phản xạ khúc xạ) có ảnh hưởng, thường thành phần có đóng góp 1% vào dòng tổng BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829 19 Hình Dạng sóng dịng điện mơ hình CNT đơn đoạn, đoạn, đoạn với kiện sét đánh tùy chọn Hai thành phần phản xạ khác từ đáy đỉnh Space Deck tính tốn mơ hình đoạn Hai thành phần bố trí gần miền thời gian nên khó để quan sát chúng trục thời gian hình 8, vùng khuếch đại từ t=0.35-0.50µs di=38-42kA/µs để quan sát thành phần rõ Tương tự, để ghi lại xem xét ảnh hưởng chúng đạo hàm dịng điện dạng sóng, nên sử dụng thang thời gian chi tiết hơn, thành phần phản xạ tới từ vị trí cách 9m (xem hình 6) Điều có nghĩa thời gian truyền hết vịng (18m) điểm phản xạ 60ns Vì trục thời gian cần sử dụng đến bước chạy 1ns để tính tốn đạo hàm dịng điện hình 8, bước chạy sử dụng cho tất phép tính tài liệu Đối với mơ hình đơn đoạn đoạn, sử dụng bước chạy 100ns Trong trường hợp hình 9, phần đỉnh trước xem dịng cặp phản xạ Space Deck tương ứng với mơ hình đoạn Có thay đổi khác dạng sóng tính tốn phản xạ đến từ tác động lẫn điểm không liên tục tòa tháp CNT từ điểm phản xạ kênh sét LC Những tác động điểm quan sát theo tiến trình thời gian, cộng vào trừ để tính tốn dạng sóng tổng cuối BTL Tương thích điện từ - Lớp KTTT1 - MSHV: CB110829 20 Trong hình cho ta dạng sóng dịng điện độ cao 474m tương ứng với mơ hình phân đoạn khác tịa tháp CNT, hình 10 cho ta thơng tin dạng sóng dịng điện độ cao khác tòa tháp CNT kênh sét LC, tính tốn mơ hình đoạn Chú ý rằng, có độ trễ dạng sóng dịng điện khảo sát cao độ khác nhau, điều cho thấy cần có thời gian để dịng điện truyền xuống tịa tháp với tốc độ ánh sáng “c”, thành phần phản xạ quay ngược lại phần ion hóa khơng hồn tồn kênh sét với tốc độ “v” Biên độ đỉnh dịng điện tính tốn phụ thuộc vào số lượng thành phần phản xạ khúc xạ, gây dòng điện đáy tòa tháp CNT Cần ý thêm đến dòng cao độ 4000m truyền kênh sét LC, bắt đầu thời điểm 18μs Dạng sóng chi tiết dịng sét tất cao độ tòa tháp CNT kênh sét LC thơng số cần thiết để tính tốn trường điện từ khoảng cách V SO SÁNH VỚI MỘT SỰ KIỆN SÉT ĐÃ ĐƯỢC GHI NHẬN Một kiện thực tế ghi nhận cao độ 474m vào ngày 19 tháng năm 2005, dạng sóng đo hình 11, đường màu đen Đây lần đánh trúng #3 tia chớp #11 thời điểm 14:11:43 ngày 19/8/2005 so với lần đánh trúng #2 tia chớp #7 thời điểm 14:13:13 ghi lại tài liệu [24] Có thể thấy dạng sóng ghi nhận chứa nhiều nhiễu Đó tín hiệu từ điểm quan sát 474m tiếp sóng tới thiết bị ghi thông qua cáp đồng Một điều không may, ghi nhiễu vị trí 509 khơng lưu lại cho kiện cá biệt (các kiện nhiễu tái tạo lại với cách tiếp cận mơ hình hóa trình bày trên, xem lại tài liệu [25]) Tuy nhiên, tác giả tài liệu dự định nghiên cứu trình bày cách tính tốn trường điện từ tài liệu họ, nên họ tận dụng kiện sét chưa nghiên cứu từ trước (như hình 11), có ghi video liên quan lưu trữ, sử dụng phục vụ cho việc nghiên cứu ... để nghiên cứu tượng sét đánh ngày Mặc dù tần suất sét đánh khu vực Toronto vào khoảng lần/km năm, riêng với tòa tháp CNT, tần suất sét đánh đạt từ 50 – 70 lần năm Hệ thống chống sét tòa nhà bao... nhiều phương thức để mơ hình hóa tượng [1]-[4] Thực tế, tượng sét đánh quan sát ghi nhận suốt 30 năm tòa tháp CN Tower – Toronto Trong suốt thời gian này, thiết bị đo điện tích liên tục nâng cấp Cho... qua tầng khí khác lớp điện khí hóa kết thúc với việc mây dơng bị tiêu tan Vì khó để dự báo xác thời gian, địa điểm xảy tượng sét đánh, mức tác động gây Tuy nhiên, tượng sét đánh nghiên cứu ghi