Hệ thống định vị sét

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết giới thiệu tổng quan về nguyên lý hoạt động của các hệ thống định vị sét phổ biến trên thế giới. Bên cạnh đó, dữ liệu hoạt động sét tiêu biểu trích xuất từ hệ thống định vị sét Blitzortung trên phạm vi Việt Nam được trình bày nhằm minh họa cho vai trò vô cùng quan trọng của các hệ thống định vị sét không những trong công tác bảo vệ chống sét mà còn trong quá trình phân tích nguyên nhân các sự cố xảy ra trên hệ thống điện.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Hệ thống định vị sét

HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ SÉT TS. NGUYỄN NHẬT NAM Bộ môn Hệ thống điện Trường ĐH Bách Khoa – ĐH Quốc Gia TP. HCM TÓM TẮT trăm mét). Đây chính là quá trình phóng điện Bài viết giới thiệu tổng quan về nguyên lý đón sét. Khi kênh tiên đạo bậc từ trên hướng hoạt động của các hệ thống định vị sét phổ biến xuống tiếp cận với kênh tiên đạo ngược hoặc trên thế giới. Bên cạnh đó, dữ liệu hoạt động mặt đất, cường độ điện trường trong khoảng sét tiêu biểu trích xuất từ hệ thống định vị sét cách không khí giữa hai kênh này tăng lên cao Blitzortung trên phạm vi Việt Nam được trình gây ion hóa mãnh liệt không khí bắt đầu cho bày nhằm minh họa cho vai trò vô cùng quan giai đoạn phóng điện chính. Lúc này, các điện trọng của các hệ thống định vị sét không những tích cảm ứng mặt đất bên dưới tràn lên trung trong công tác bảo vệ chống sét mà còn trong quá hòa các điện tích trong kênh tiên đạo từ đám trình phân tích nguyên nhân các sự cố xảy ra trên mây và tiếp tục đi lên theo đường tiên đạo ban hệ thống điện. đầu, tạo thành kênh phóng điện chính. Cường I. GIỚI THIỆU độ dòng điện sét giai đoạn này tăng lên rất cao, Phóng điện sét là một hiện tượng thiên đốt nóng mãnh liệt kênh phóng điện chính. nhiên kỳ bí và nguy hiểm. Hiện tượng này có Nhiệt độ trong kênh phóng điện chính có thể thể xảy ra giữa hai trung tâm điện tích trái dấu lên đến 20.000oC đến 30.000oC, kênh phóng thuộc cùng một đám mây hoặc thuộc hai đám điện chính sáng chói chang và được quan sát mây khác nhau. Tuy nhiên, trường hợp nguy từ xa dưới dạng tia chớp. Bên cạnh đó, một hiểm nhất là khi phóng điện sét hình thành giữa lượng nhiệt khổng lồ được giải phóng từ kênh mây và mặt đất bên dưới. phóng điện chính, làm đốt nóng lớp không khí xung quanh khiến nó giản nở đột ngột tạo ra Đại đa số các trường hợp, phóng điện sét những đợt sóng âm mãnh liệt mà dân gian gọi giữa mây và đất xảy ra từ trung tâm điện tích là tiếng sấm. Khi kênh phóng điện chính lên tới âm của mây (90%) [1]. Quá trình này bắt đầu trên đám mây, dòng điện sét đạt giá trị đỉnh. với những dãy sáng mờ kéo dài thành từng đợt Các điện tích cảm ứng từ mặt đất bên dưới cũng gián đoạn phát triển về phía mặt đất gọi là giai lên theo, trung hòa các điện tích trên đám mây. đoạn tiên đạo bậc (step leader). Đồng thời, các Các điện tích còn thừa trên đám mây theo kênh điện tích cảm ứng trái dấu sẽ tập trung ở vùng phóng điện chính tản xuống mặt đất bên dưới. đất nằm bên dưới đám mây dưới tác động của Trong giai đoạn kết thúc phóng điện này, dòng điện trường của điện tích trên đám mây và điện sét giảm dần biên độ. Một cơn sét thường trong kênh tiên đạo. Khi mới bắt đầu, hướng gồm nhiều lần phóng điện liên tiếp nhau, trong phát triển của các tia tiên đạo bậc là ngẫu nhiên đó cú phóng điện đầu tiên (first stroke) và các và không chịu sự chi phối bởi mặt đất bên dưới. cú phóng điện kế tiếp (subsequent stroke) cần Tuy nhiên, khi kênh tiên đạo phát triển xuống được phân biệt với nhau qua các dạng dòng sét dưới đến độ cao định hướng (600m nếu mặt đất đặc trưng. [2] bên dưới có các công trình cao hơn 30m, hoặc gấp 20 lần chiều cao của các công trình bên dưới Để ước chừng vị trí xảy ra phóng điện sét, trong trường hợp không có công trình nào cao thời gian chênh lệch giữa lúc thấy tia chớp và quá 30m), các tia tiên đạo sẽ phát triển hướng lúc nghe tiếng sấm có thể dùng để ước tính về các vị trí có sự tập trung các điện tích cảm được khoảng cách giữa ta đến vị trí sét đánh. ứng trái dấu với mật độ cao. Rõ ràng, vị trí đổ Ánh sáng truyền trong không khí với vận tốc bộ của sét xuống mặt đất bên dưới có tính chọn 3x108m/s, trong khi sóng âm lại lan truyền với lọc và đây chính là cơ sở cho hoạt động của các vận tốc chậm hơn nhiều, 330m/s [1]. Vì vậy, hệ thống bảo vệ chống sét trực tiếp. Mặt đất bên nếu ta nghe được tiếng sấm sau 5s kể từ khi thấy dưới, ở những vị trí có sự tập trung điện tích cảm tia chớp, khoảng cách ước lượng giữa ta với vị ứng với mật độ cao, tiêu biểu như đỉnh kim thu trí sét là khoảng 1,65km. sét, cường độ điện trường cục bộ tăng cao dẫn Một phương pháp định vị sét khác phổ biến đến quá trình ion hóa không khí và hình thành hiện nay là sử dụng các cảm biến quang lắp đặt nên dòng tiên đạo phát triển hướng lên trên gọi trên các vệ tinh nhân tạo để ghi nhận ánh sáng là tiên đạo ngược (có thể phát triển lên hàng phát ra từ bề mặt của các đám mây trong các đợt 14 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019
định phương này chính là cơ sở để xác định hướng của vị trí sét. Hình 1 – Phân bố năng lượng trường điện từ sinh ra bởi quá trình phóng điện sét theo phổ tần số [3] phóng điện sét. Dữ liệu ghi nhận này từ các vệ tinh được sử dụng để xây dựng mật độ sét trên toàn cầu [1]. Tuy nhiên, nhược điểm lớn của các bộ dữ liệu này là không phân biệt được phóng điện sét mây – đất với các dạng phóng điện bên trong đám mây hoặc mây – mây [3]. Bên cạnh Hình 2 – Từ trường phân bố trên mặt đất với đường sức là ánh sáng và âm thanh đặc trưng, sóng điện từ những vòng tròn có tâm là vị trí đổ bộ của sét cũng là một sản phẩm tiêu biểu của hiện tượng phóng điện sét. Hình 1 minh họa sự phân bố năng lượng trường điện từ sinh ra bởi quá trình phóng điện sét theo phổ tần số tương ứng với các khu vực tần số rất thấp (VLF), tần số thấp (LF), tần số cao (HF) và tần số rất cao (VHF). Các hệ thống định vị sét hiện đại hoạt động dựa trên đo đạc tín hiệu trường điện từ phát sinh bởi sét đã được xây dựng và phát triển rất nhiều nơi trên thế giới. Các hệ thống này không những đã và đang chứng tỏ được hiệu quả trong công tác định vị sét mà còn thể hiện được tiềm năng trong việc xác định tham số dòng điện sét. Phần kế tiếp sẽ được dành để trình bày về nguyên lý hoạt động các hệ thống này. II. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ SÉT Hình 3 – Tối thiểu 2 trạm thu tín hiệu có thể xác định được Trong phần này, nguyên lý hoạt động điển vị trí sét không nằm trên đường thẳng đi qua chúng hình của các hệ thống định vị sét được giới thiệu lần lượt dựa trên hai phương phương pháp Về mặt lý thuyết, một mạng lưới gồm 2 định vị hướng từ trường, Magnetic Direction trạm thu tín hiệu từ trường cho phép xác định Finding (MDF) và so lệch thời gian truyền đến, được 2 đường thẳng định phương và giao điểm Time-of-Arrival (TOA). của của 2 đường này chính là vị trí đổ bộ của A. Phương pháp định vị hướng từ trường sét như minh họa trong hình 3. Trong trường Từ trường sinh ra do dòng điện sét chạy hợp này, vị trí sét chỉ có thể xác định nếu nó qua kênh phóng điện chính thẳng đứng lan không nằm trên đường thẳng nối liền 2 trạm. truyền với vận tốc ánh sáng về mọi hướng dọc Để khắc phục trở ngại trên, hệ thống với tối theo bề mặt đất với đường sức là những đường thiểu 3 trạm thu tín hiệu sẽ được xây dựng tròn có tâm là vị trí đổ bộ của sét như hình 2. phục vụ cho công tác định vị sét. [1] Tại mọi điểm trên các đường tròn này, vector cảm ứng từ luôn tiếp tuyến với đường tròn. Hệ thống định vị sét dựa trên phương pháp Vì vậy, hướng của từ trường sẽ cho phép xác MDF có thể xác định được cực tính của cú định đường thẳng định phương nối liền vị trí phóng điện sét. Trong trường hợp hình 3, dòng đổ bộ của sét với trạm thu tín hiệu từ trường điện sét có chiều dương từ dưới đất hướng lên (đường màu đỏ trong hình 2). Đường thẳng đám mây xác định theo quy tắc đinh ốc cổ BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019 15
điển quay theo hướng từ trường ngược chiều các nhà khoa học Nhật Bản trong tham khảo kim đồng hồ. Như vậy, đây là quá trình phóng [5]. Như trong hình 4, dạng sóng điện trường điện sét giữa trung tâm điện tích âm trên đám ở 5 vị trí đo này đều giống nhau và vị trí càng mây với mặt đất bên dưới và lúc này dòng sét xa nguồn sét, độ lớn của điện trường đo được được xác định có cực tính âm. Ngược lại với ví càng nhỏ. Các trạm đo này được đồng bộ hóa dụ trên, khi hướng của từ trường xoay thuận về thời gian, và độ lệch thời gian truyền đến chiều kim đồng hồ, dòng điện sét có chiều giữa 2 trạm có thể được xác định dựa vào thời dương hướng xuống mặt đất và được xác định điểm đạt giá trị đỉnh của sóng điện trường ghi có cực tính dương. Để tăng độ chính xác, các nhận như trong hình 4. hệ thống định vị sét loại này còn đo đạc bổ sung thêm hướng của điện trường [1]. Hệ thống định vị dùng phương pháp MDF chỉ làm việc chính xác khi kênh phóng điện sét có chiều thẳng đứng từ trên xuống. Đòi hỏi này đạt được với phần kênh phóng điện gần mặt đất (tính từ mặt đất lên hàng trăm mét). Chính vì vậy, tín hiệu từ trường đo đạc trong vài giây đầu tiên trong giai đoạn phóng điện chính được thống nhất sử dụng cho việc xác định vị trí sét. Điều này cho phép lấy được tính hiệu từ trường bức xạ ra từ phần kênh phóng điện sét gần mặt đất trong giai đoạn phóng điện chính. Mặt khác, từ trường sinh ra trong khoảng thời gian này của giai đoạn phóng điện Hình 4 – Dạng sóng điện trường ghi nhận tại 5 vị trí đo chính là mạnh nhất và có thể được ghi nhận từ trong thí nghiệm trình bài trong [5] khoảng cách xa. [1] Một trở ngại đối với hệ thống định vị loại này trong thực tế là sự thay đổi địa hình trên mặt đất cũng như các kết cấu kim loại lớn làm nhiễu loạn hướng của từ trường trong quá trình lan truyền. Kết quả là đường thẳng định phương vị trí sét của ba trạm thu tín hiệu trong hệ thống sẽ không giao nhau tại một điểm mà tạo thành một vùng tam giác. Lúc này, một quá trình tối ưu dựa trên các tín hiệu thu được từ các trạm thu trong mạng lưới định vị được sử dụng để ước tính được vị trí của sét. [1] B. Phương pháp so lệch thời gian truyền đến Ở các khoảng cách đủ xa vị trí sét (các Hình 5 – Hệ thống định vị theo TOA gồm 3 trạm thu tín hiệu khoảng cách này rất lớn so với bước sóng của sóng điện từ ứng với dãy tần số thu nhận), Ta xét một hệ thống định vị sét gồm 3 trạm trường điện từ sinh ra bởi cú phóng điện thu 1, 2 và 3 như trong hình 5. Khoảng cách chính có tính chất của trường bức xạ. Lúc của 3 trạm này tới vị trí sét là 3 ẩn số r1, r2 và này, sóng điện trường ghi nhận sẽ giữ nguyên r3. Vận tốc sóng điện từ truyền trong không hình dáng khi tiếp tục lan truyền ra xa với khí là c=3x108m/s. Với Δt21 và Δt31 lần lượt là biên độ giảm dần [1]. Điều này được kiểm độ lệch thời gian sóng điện từ truyền đến cặp chứng trong thí nghiệm ghi lại tín hiệu điện trạm 2-1 và cặp trạm 3-1, ta được 2 phương trường tại 5 điểm đo đạc bắt nguồn từ một cú trình (1) và (2). phóng điện sét nhân tạo thực hiện bởi nhóm 16 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019
r2 - r1 = c Δt21 (1) Hiện nay, đa số các hệ thống định vị sét r3 - r1= c Δt31 (2) phạm vi rộng trên thế giới đều hoạt động Rõ ràng, hai phương trình trên đều có vế dựa trên các cảm biến thu nhận tín hiệu điện từ trong phổ tần số VLF/LF. Theo thống kê phải là hằng số (const) và chúng chính là phương trong tài liệu [3], trên thế giới hiện nay có trình của 2 đường hyperbol như trong hình 5. hơn 60 hệ thống định vị sét phạm vi rộng và Giao điểm của 2 đường hyperbol này chính là vị tập trung vào định vị phóng điện sét mây – trí đổ bộ của sét. Tuy nhiên, nếu sét đánh nằm đất. Bảng 1 liệt kê thông tin của một số hệ ngoài vùng tam giác có đỉnh là 3 trạm thu, các thống định vị sét tiêu biểu. đường hypebol trên sẽ có 2 giao điểm và lúc này Tại các nước phát triển, việc thu thập dữ chưa thể xác định được vị trí sét. Để khắc phục liệu sét phục vụ cho công tác chống sét rất trở ngại này, một hệ thống định vị gồm tối thiểu được chú trọng. Vì vậy, các nước này đã đầu 4 trạm thu cho phép xác định được vị trí của bất tư xây dựng không những một mà nhiều hệ kỳ cú sét nào. [1] thống định vị sét hoạt động độc lập nhằm Cũng giống như phương pháp MDF, trong bố sung, đối chiếu và thu thập được các bộ thực tế khi mặt đất không đồng nhất và có sự dữ liệu hoạt động sét có độ tin cậy cao. Một hiện diện của các kết cấu kim loại lớn, hệ thống ví dụ điển hình là Nhật, hiện nay nước này định vị sét sẽ xác định được không phải một có 3 hệ thống định vị sét tiêu biểu của công điểm mà một vùng trong đó sét có khả năng ty tư nhân (JLDN), công ty điện lực Tokyo xuất hiện. Lúc này, một quá trình phân tích tối và trung tâm khí tượng [6]. ưu sẽ được sử dụng để xác định vị trí sét trong III. HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ SÉT vùng này. [1] BLITZOTURNG C. Các hệ thống định vị sét phạm vi rộng Phần này sẽ giới thiệu về hệ thống định vị tiêu biểu sét Blitzortung và các dữ liệu minh họa về hoạt Bảng 1. Thông tin một số hệ thống định sét động sét thu thập trên phạm vi Việt Nam. phạm vi rộng tiêu biểu [1,3,6,7] A. Tổng quan về hệ thống Blitzortung Blitzortung là hệ thống định vị sét toàn Hệ thống Phương Nước/Khu cầu phi thương mại chi phí thấp. Hệ thống TT này được khởi sướng từ Đại học Heinrich định vị pháp vực Heine của Đức từ năm 2012. Với sự tham gia của các tình nguyện viên lắp đặt các EUCLID và TOA và trạm thu tín hiệu trên khắp thế giới, cho tới 1 Châu Âu, Úc thời gian này, hơn 2000 trạm thu tín hiệu ALDIS khác đã tham gia vào hệ thống [6]. Tháng 7 năm 2018, trường Đại học Bách khoa Tp. HCM 2 LINET TOA Châu Âu đã hợp tác với học viện kỹ thuật Shonan của Nhật (thông qua sự liên lạc của GS. Tonomi Narita) lắp đặt một trạm thu tín hiệu trên 3 NLDN TOA Mỹ nóc nhà C4 của trường và trở thành tình nguyện viên đóng góp vào sự phát triển của hệ thống Blitzortung. Trạm thu tín hiệu 4 JLDN TOA Nhật này có kích thước nhỏ gọn và có dạng như trong hình 6. Từ việc tham gia hệ thống này, bộ môn Hệ thống điện của trường đã 5 BrazilDAT TOA Brazil có thể truy xuất được kho dữ liệu khổng lồ và quý giá về hoạt động sét không chỉ giới hạn riêng ở Việt Nam mà còn trên phạm vi 6 WWLLN TOA Toàn thế giới toàn thế giới. BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019 17
Hình 8 – Giao diện nhập thông tin phục vụ cho truy xuất dữ liệu tươi trên Blitzortung [4] Hình 9 – Minh hoa dữ liệu sét được lưu trữ theo định dạng CSV.gz tải từ Blitzortung Các thiết bị thu tín hiệu trong hệ thống định vị này hoạt động ở phổ tần số VLF dựa trên phương pháp TOA và có khả năng bắt sóng điện từ sinh ra từ phóng điện sét mây – đất hiệu quả nhất trong tầm từ 50km đến 250km. Tối thiểu 6 trạm thu trong mạng định vị này bắt được sóng điện từ sinh ra bởi cú sét thì cú sét ấy mới được định vị và ghi nhận vào kho dữ liệu để phân biệt khỏi các nhiễu loạn điện từ. [6] Trang http://en.blitzortung.org [4] cho phép quan sát miễn phí bản đồ hoạt động sét thời gian thực với hình ảnh động các cú sét đang xãy Hình 6 – Trạm thu tín hiệu với kích thước nhỏ gọn trong hệ thống Blitzortung [6] ra (thực tế là trễ vài giây cho quá trình xử lý và truyền dữ liệu) như trong hình 7. Bản đồ này cũng cho thấy được vị trí các cú sét ghi nhận được bởi hệ thống định vị tới 120 phút trong quá khứ. B. Dữ liệu hoạt động sét thu thập từ hệ thống Blitzorturng Với tài khoản thành viên tình viện, hệ thống Blitzortung cho phép truy xuất vào kho dữ liệu tươi ghi nhận các cú sét trong quá khứ. Để tải dữ liệu này, các thông tin về khoảng thời gian trong quá khứ và giới hạn về kinh độ và vĩ độ của khu vực truy xuất cần phải nhập vào như trong hình 8. Dữ liệu tươi tải xuống được cho Hình 7 – Bản đồ sét thời gian thực trên trang http:// phép lưu trữ với nhiều định dạng, trong đó có en.blitzortung.org [4] CSV.gz như trong hình 9. 18 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019
thế hoạt động sét trong tương lai và từ đó có những biện pháp bảo vệ chống sét phù hợp. Hình 10 biểu diễn phân bố hoạt động sét trên lãnh thổ nước ta và khu vực lân cận trong tháng 10 năm 2017 từ dữ liệu của hệ thống định vị Blitzortung. IV. KẾT LUẬN Bài viết giới thiệu tổng quan về hai phương pháp định vị tiêu biểu mà các hệ thống định vị sét đang vận dụng phổ biến trên thế giới, bao gồm định vị hướng từ trường và so lệch thời gian truyền đến. Mặt khác, hệ thống Blitzortung được trình bày như một ví dụ minh họa với các dữ liệu hoạt động sét trên phạm vi Việt Nam, được thu thập trong năm 2017. Các dữ liệu hoạt động sét dạng này có thể được phân tích để làm cơ sở cho công tác bảo vệ chống sét và trả lời một cách khoa học khi có nghi vấn một sự cố trên hệ thống điện do hiện tượng phóng điện sét gây ra. TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH [1] Vernon Cooray, “An Introduction to Lightning,” Springer, 2015. [2] Hoàng Việt, “Kỹ thuật điện cao áp Tập 2 – Quá điện áp trong hệ thống điện,” Nhà xuất bản ĐHQGTPHCM, 2012. Hình 10 – Phân bố hoạt động sét trên lãnh thổ Việt Nam và [3] K. L. Cummins, M. J. Murphy, “An khu vực lân cận trong tháng 10 năm 2017 xây dựng trên dữ overview of Lightning Locating Systems: liệu của Blitzortung History, Techniques, and Data Uses, with an In-Depth Look at the U.S. NLDN,” IEEE Trans. Với dạng lưu trữ này, mỗi cú sét sẽ được Electromagnetic Compatibility, Vol. 51, No. 3, ghi nhận với 7 chỉ số phân cách bởi dấu phẩy, 2009. trong đó 3 chỉ số đầu đặc biệt quan trọng là [4] http://en.blitzortung.org (Ngày 31 thời điểm ghi nhận cú sét (tính theo thời gian tháng 5 năm 2019). Unix), vĩ độ và kinh độ. Như vậy, 3 chỉ số này [5] Koji M.K., Hongo Y., Yokoyama S., cung cấp thông tin về thời điểm xảy ra và vị “Estimation of lightning striking points by time trí xuất hiện của cú sét và có ý nghĩa đặc biệt of arrival method with small network,” X Int. quan trọng trong việc trả lời nghi vấn một sự symposium on Lightning protection, Curitiba - cố xảy ra có phải do sét hay không. Mặt khác, Brazil, 2009. dữ liệu thu thập được trong khoảng thời gian [6] Tomomi Narita, et al., “A study of 12 năm có thể làm cơ sở để xây dựng bản đồ lightning location system (Blitz) based on mật độ sét cho một khu vực. Bên cạnh đó, dữ VLF sferics,” 34 Int. conference on Lightning liệu hoạt động sét thu thập trong khoảng thời protection, Rzeszow – Poland, 2018. gian gần có thể cho phép dự đoán được xu [7] http://www.euclid.org/# (Ngày 31/05/2019). BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019 19