Lý thuyết về phân tán điện tích và chống sét

Ngày nay khoa học kỹ thuật càng tiến bộ, quá trình tự động hóa càng nhiều với các bộ vi xử lý điều khiển càng tăng thì sự ảnh hưởng của các xung điện càng lớn, càng dễ gây ra nhiều thiệt hại hơn. Các phương pháp bảo vệ truyền thống có thể không đáp ứng hết về yêu cầu bảo vệ an toàn trong một số trường hợp thực tế. Lý thuyết phân tán điện tích là giải pháp bảo vệ bên ngoài nhằm triệt tiêu khả năng bị sét đánh vào công trình mới nhất hiện nay.

Lý thuyết phân tán điện tích là gì ?

Đây là một giải pháp mới được nghiên cứu ứng dụng phát triển vào dân dụng trong khoảng hơn 10 năm gần đây, giải pháp này xuất phát từ yêu cầu thực tế cần nâng cao hay bảo đảm an toàn cho các hệ thống cần được bảo vệ khi mà các giải pháp sử dụng kim cổ điển hay kim thu sét ESE không đáp ứng phù hợp, nhất là đối với các hệ thống có nhạy cảm cao với cảm ứng điện từ. Hơn nữa, thực chất giải pháp kỹ thuật - công nghệ “Phân tán năng lượng điện” đã được ứng dụng rất sớm vào hoạt động bảo vệ cho máy bay trên không, nhưng vì lý do giá thành cao nên chưa được ứng dụng rộng rãi trong dân dụng.

Có nhiều cách mô tả đặc điểm của công nghệ này, nhưng “phân tán điện tích” hoặc “dịch chuyển điện tích” là mô tả công nghệ chính xác nhất. Để giải thích khái niệm phân tán điện tích, trước tiên ta cần sự tìm hiểu quá trình cơ bản liên quan đến dông và sự phát triển thành giông.

Các giai đoạn của cơn giông

Giai đoạn 1: Tích tụ điện tích

Các đám mây trong quá trình hình thành luôn tích điện và phân cực với điện tích trên mặt đất.

Giai đoạn 2: Tạo tiên đạo vạch hướng xuống

Khi cường độ điện trường đám mây dông đạt một ngưỡng tới hạn thì các điện tích bắt đầu xu hướng dịch chuyển, bức phá tạo thành các tía hướng xuống đất gọi là tiên đạo vạch thông qua con đường ion hóa khí quyển.

Gọi là tiên đạo vạch vì sự phóng điện này không đến ngay được mặt đất mà thông qua nhiều cấp, mỗi cấp chuyển dịch từ 50 đến 60 mét.

Giai đoạn 3: Tạo tia tiên đạo hướng lên

Đám mây dông có thể bị đánh thủng tại nhiều điểm, nên sẽ có nhiều tiên đạo vạch truyền hướng xuống đất, trên hình H2 là ví dụ tiên dạo vạch theo 3 hướng truyền xuống đất, các tiên đạo này sẽ tìm nơi điện tích đất tích tụ lớn nhất trong khu vực. Khi các tiên đạo phân cấp cách mặt đất khoảng 10 đến 150 m, các vật thể trên bề mặt đất nơi điện tích đất được tích tụ sẽ bức ra các tia hướng ngược lên trên.

Năng lượng từ các tiên đạo phân cấp thực tế đã lôi kéo điện tích tích tụ ra khỏi các vật trên bề mặt đất dưới dạng các tia hướng ngược lên trên.

Giai đoạn 4: Tạo thành kênh dẫn điện giữa 2 tiên đạo

Tại điểm, vật thể trên mặt đất tập trung các điện tích cao nhất với tia ngược được hình thành lớn nhất, có khả năng trở thành mục tiêu cho tiên dạo phân cấp gần nhất và làm hình thành đường dẫn điện.

Khi xảy ra điều này, điện tích từ các tiên đạo phân cấp khác được tạo ra từ cùng một nguồn sẽ giảm sút và chuyển năng lượng của chúng sang con đường xác định đó.

Lý thuyết về Phóng điện điểm

Công nghệ phân tán điện tích hoặc “phân phối lại điện tích” sử dụng nguyên lý của lý thuyết phóng điện điểm, còn gọi là phân tán hoặc giảm nhỏ sự tích lũy các điện tích tĩnh.

Công nghệ này chủ yếu sử dụng trong các ngành công nghiệp điện tử và chế tạo để kiểm tra sự tích lũy các điện tích tĩnh có thể gây nhiễu hoặc gây nguy hiểm đối với các tổ hợp điện tử nhạy cảm và nó đã được công nhận và sử dụng rộng rãi với sự thành công to lớn.

Mục đích duy nhất của sản phẩm phân tán tĩnh điện là giảm nhỏ sự tích lũy điện tích và do đó ngăn ngừa hồ quang điện hoặc dòng điện có thể gây nguy hiểm.

Với nguyên lý trên đã áp dụng thành công đối với kỹ nghệ bảo vệ bằng cách phát triển dòng sản phẩm có thể lắp đặt trên các công trình xây dựng để giảm nhỏ sự tích lũy điện tích trong đất và bề mặt công trình. Điều này thực hiện được nhờ quá trình ion hóa không khí xung quanh và các điện tích tích lũy trên bề mặt đất, bao gồm cả hệ thống tiếp đất bị trung hòa.

Khi một dây có đầu nhọn được nối đất lắp đặt trong trường điện cao (ví dụ trên công trình ở nơi mưa giông) hiệu ứng điện thế tại điểm này tăng lên rất lớn. Các điện tử từ các nguyên tử và phân tử khí quyển không ngừng được phân tách và chảy xuống đất qua dây được nối đất, bỏ lại các ion khí quyển dương xung quanh điểm này.

Quá trình này thường liên quan đến hiệu ứng “vầng quang”. Quá trình vầng quang này bắt đầu kéo dài trước khi sự tích lũy điện tích đạt mức tới hạn khi các tiên đạo phân cấp bắt đầu hình thành trong đám mây dông. Kết quả là tạo ra sự tích tụ các ion xung quanh điểm này.

Từ lúc này các điện tích cùng dấu sẽ đẩy nhau, sự tích lũy ion sẽ bị phân tán (hoặc tiêu tan) theo mọi hướng rời xa khỏi điểm này. Các điện tử tách ra từ sự phân tán ion này chảy xuống đất và trung hòa các điện tích dương tích tụ trên mặt đất và trên các công trình. Đây là quá trình diễn ra đồng thời với sự hình thành cơn dông và với mọi đối tượng trên mặt đất, mặt nước.

Một điểm riêng lẻ, đơn độc, ví dụ một cột thu lôi cổ điển, một góc của tháp hoặc công trình bị bảo hòa nó không thể phân tán điện tích với một tốc độ đủ nhanh và không giảm được sự tích tụ điện tích. Các vùng này khi đó trở thành các điểm tạo ra các tia ngược hướng lên, do đó sẽ thu hút dòng điện đi xuống.

Bằng cách kết hợp các điện cực để làm giảm bớt vầng quang điện trước khi các tia tiên đạo có thể hình thành, những điện cực này làm giảm đi sự tích lũy điện tích tĩnh, vì vậy làm giảm bớt hoặc trì hoãn sự phát sinh tia ngược.

Công nghệ phân tán điện tích hoặc “phân phối lại điện tích” sử dụng nguyên tắc của lý thuyết phóng điện điểm thuận tiện cho việc phân tán, hoặc giảm bớt sự tích lũy các điện tích tĩnh mà sự tích lũy các điện tích tĩnh có thể gây nhiễu và/hoặc gây thiệt hại cho các phần tử điện tử nhạy cảm.

Mục đích duy nhất của sản phẩm phân tán tĩnh là giảm bớt sự tích lũy các điện tích tĩnh và do đó ngăn chặn hồ quang điện hoặc dòng điện có thể gây ra thiệt hại. 

Tổng Kết

Lý thuyết về phân tán điện tích hay phóng điện điểm đã được công ty ALLTEC (Mỹ) ứng dụng thành công trong việc chống sét bảo vệ ngoài trời bằng dòng sản phẩm kim phân tán điện tích (hay giải tỏa điện tích) TerraStat. Dòng sản phẩm này gồm nhiều model khác nhau (TS100, TS400, TS500, TS510-38 ...) phù hợp theo các vị trí lắp đặt và đối tượng cần bảo vệ.

Đây là một công nghệ mới nhất, bảo vệ an toàn nhất cho các công trình nhạy cảm với các sự kiện sét đánh.

Một hệ thống chống sét hiệu quả cần phải chọn lựa các giải pháp chống sét phù hợp với đặc điểm của mỗi công trình, đặc biệt các hệ thống phân tán sét phải tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế và quốc gia hiện hành.

Để có giải pháp bảo vệ tối ưu, người sử dụng có thể tham vấn thêm từ nhà sản xuất hoặc công ty chống sét chuyên nghiệp.