Muốn chống sét cho công trình cơ điện, trước tiên, cả chủ đầu tư lẫn đơn vị thầu cơ điện cần hiểu rõ đâu là nguyên nhân gây ra sét, cơ chế hình thành sét thế nào, sét gây ra điều gì…

Trong các hạng mục thi công điện công trình, hệ thống chống sét là một hạng mục quan trọng, có tính ảnh hưởng lớn đến sự bền vững của công trình nói chung. Đặc biệt với hệ thống nhà xưởng. Với đặc điểm phần lớn kết cầu nhà xưởng đều là hệ dàn thép không gian khẩu độ lớn, vị trí thường ở ngoại ô, nơi ít nhà cao tầng nên càng dễ chịu thiệt hại do sét gây ra nếu ko trang bị hệ thống chống sét.

Muốn chống sét hiệu quả, trước tiên, cả chủ đầu tư lẫn đơn vị thầu cơ điện cần hiểu rõ đâu là nguyên nhân gây ra sét, cơ chế hình thành sét thế nào, sét gây ra điều gì… Bài viết dưới đây sẽ giải đáp những câu hỏi nêu trên dưới góc độ khoa học.

1. Sét bắt nguồn từ đâu?

Sự hình thành, phân bố điện tích của mây dông nhiệt trong tầng đối liu.

Mặt trời nung nóng Trái đất, không khí ẩm tại chỗ nóng lên tạo nên dòng không khí nóng ẩm  bốc mạnh lên cao với tốc độ 120 m/h. Hơi nuớc trong không khí nóng ẩm bay lên với tốc độ lớn, cọ sát với nhau và với không khí gây ra quá trình tích điện. Trong các đám mây, điện tích dương nhẹ đư­ợc đẩy lên đỉnh đám mây, điện tích âm nặng hơn lắng xuống d­ưới chân đám mây. Đám mây dông có chiều cao từ 8 đến 12 km, các khối điện tích dư­ơng nằm ở độ cao 6 đến 10 km, các khối điện tích âm nằm ở độ cao 2 đến 5 km. Chân đám mây dông ở độ cao trên  dư­ới 1 km. Đôi khi có một vùng nhỏ điện tích dư­ơng nằm ở đáy đám mây dông, do vậy có lúc xuất hiện sét mang cực tính d­ương, thư­ờng sét mang cực tính âm.

2. Yếu tố sinh ra dông là gì?

Dông sinh ra là do nhiễu loạn khí quyển, nhiệt động lực, chủ yếu là do bức xạ nhiệt của mặt trời tạo nên khí hậu thời tiết từng mùa. Kết hợp với địa hình, địa chất, địa điện mà trong đó chủ yếu là điện trở suất của đất nơi xây dựng.

Nóng và ẩm ở từng khu vực nhỏ tạo ra các dòng thăng mạnh, tốc độ lớn, tức các luồng không khí nóng bốc thẳng lên cao kéo theo hơi nước sinh ra dông nhiệt. Phạm vi dông nhiệt tương đối nhỏ (thường xảy ra vào mùa hè).

Nóng và lạnh, trong phạm vi đới cầu tạo ra các khí đoàn (phông lạnh - phông nóng). Phông lạnh (nặng) từ phía Bắc tràn về, luồn dưới phông nóng (nhẹ) ở xích đạo, đẩy các phông nóng lên cao   cuốn theo mây tạo ra dông phông. Dông phông có quy mô lớn đến hàng trăm Km (xảy ra ở miền Bắc ở mùa thu khi trời trở lạnh).

Mùa mưa bão, các xoáy thuận nhiệt đới tạo ra vùng áp thấp hoặc xoáy bão cũng hình thành các mây dông ở ngoài rìa mắt bão, di chuyển từ biển Đông, theo hướng Tây hoặc Tây Bắc vào đất liền Việt Nam tạo ra dông áp thấp nhiệt đới.

Dông xẩy ra nhiều ở vùng nhiệt đới. Càng xa về các địa cực hoạt động của dông càng giảm. Theo khu vực địa lý ở vào thời điểm độ nghiêng trục quay của trái đất so với mặt phẳng hoàng đạo, các trung tâm dông của thế giới dịch chuyển dọc theo kinh độ theo mùa trong năm. Đầu năm trung tâm dông lệch về cùng nhiệt đới Bắc bán cầu. Cuối năm dông di chuyển dần về vùng nhiệt đới Nam bán cầu.

3. Mây dông và sét là hiện tượng gì?

Mây dông là mây tích điện, cảm ứng xuống mặt đất một lượng điện tích ng­ược dấu với  nó, tạo ra giữa mây dông và mặt đất một trư­ờng tĩnh điện. Khi gradian điện thế giữa chân mây dông và mặt đất đạt đến giá trị 3.10⁶ V/m thì bắt đầu hình thành sự đánh xuyên không khí để xuống mặt đất – hình thành sét.

Sét là hiện tư­ợng phóng điện có tia lửa điện (chớp) xảy ra từ mây dông trong tầng đối li­u khí  quyển xuống đất, kèm theo tiếng nổ và tiếng vang rền phản xạ xuống mặt đất hoặc giữa hai đám mây dông có điện tích trái dấu.

Hoăc, sét còn là sự phóng điện giữa các trung tâm tích điện trái dấu trong cùng một đám mây dông (chớp mặt) hoặc từ đỉnh mây dông lên tầng điện ly rồi truyền về miền đẹp trời hình thành dòng điện giáng xuống đất.

4. Sét gây ra điều gì?

Cảm ứng tĩnh điện:

Cảm ứng tĩnh điện xuống mặt đất trước khi sét đánh.

Khi xuất hiện mây dông, giữa mây dông và mặt đất sẽ tồn tại một điện trư­ờng. Các điện tích (trái dấu với điện tích mây dông) dư­ới mặt đất sẽ bị hút và tập trung lên các đỉnh nhọn trên mặt đất. Nếu c­ường độ điện trư­ờng E tăng lớn thì tất cả các đỉnh nhọn (tháp cao, góc bờ mái…) sẽ phóng tia dẫn lên.

Sét sẽ xảy ra tại nơi có điện trường mạnh nhất, nơi tia dẫn lên sớm nhất và dài nhất để gặp tia  dẫn xuống từ mây dông, tạo nên  một kênh dẫn. Tia sét sẽ theo kênh dẫn đó đi xuống đất. Để hình thành sét thì tr­ước đó phải có quá trình tập trung điện tích.

Tạo ra dòng điện hàng chục kA

Hậu quả của cảm ứng tĩnh điện sau khi sét đánh vào nơi khác trên mặt đất.

Lúc này điện tr­ường khí quyển mây dông và mặt đất đột nhiên bằng 0 (E = 0). Để cân bằng điện thế giữa các đỉnh nhọn ở trên cao và mặt đất ở dư­ới thấp, các điện tích cảm ứng bị hút lên các đỉnh nhọn sẽ ào ạt quay về mặt đất. Hiện tư­ợng này tạo nên dòng điện hàng chục kA, đủ để  làm  chảy các cột thép dọc trong các cấu kiện bê tông cốt thép của công trình.

Điện áp của sét gây ra là bao nhiêu?

Phóng điện tạt ngang ở nơi điện trường cao.

Khi sét đánh vào công trình, dòng điện sét sẽ đư­ợc truyền theo dây thoát sét xuống hệ thống tiếp địa (làm triệt tiêu dòng điện từ sét). Lúc này do chênh lệch điện thế giữa dây thoát sét và một bộ phận nào đó sẽ tạo nên một điện tr­ường cao đủ để phát sinh ra phóng điện thứ cấp - gọi là sét đánh tạt ngang. Điện thế này lên đến hàng chục kV. Vì thế cần có một khoảng cách an toàn trên không cũng như­ ở trong lòng đất, giữa dây thoát sét và các vật thể kim loại khác. Tiêu chuẩn quy định khoảng cách này tối thiểu là 5 m.

Cảm ứng điện từ quanh dây thoát sét gây phóng điện thứ cấp ở các mạch vòng kim loại.

Dòng xung sét tạo ra từ trường bức xạ

Khi dòng sét truyền trong dây thoát sét, do dòng sét là dòng xung nên từ trư­ờng biến đổi của nó sẽ tạo ra sức điện động cảm ứng và dòng cảm ứng trong các mạch vòng. Dòng cảm ứng dù nhỏ cũng gây ra nhiễu. Khi dòng cảm ứng lớn sẽ phá hoại các thiết bị đầu cuối nhạy cảm.

Khi sét đã đánh xuống mặt đất, dòng xung sét chạy trong các kênh dẫn sét tạo nên một nguồn bức xạ sóng điện từ. Trư­ờng điện từ của dòng xung sét có bán kính ảnh h­ưởng hàng nghìn mét. Càng gần nơi sét đánh trư­ờng điện từ này càng mạnh. Sét có cực tính nên có sét âm và sét dương. Sét là dòng xung, có từ 3 đến 20 xung trong một tia sét.

Phạm vi ảnh hưởng điện từ trường của sét.

Có cách nào chống sét cho công trình cơ điện

Sét là hiểm họa tiềm ẩn trong thiên nhiên. Cho đến nay, con người vẫn không thể ngăn chặn một cách triệt để tác hại do sét đánh, cả về mặt khoa học công nghệ cũng như về mặt kinh tế xã hội. Tuy vậy, bằng kinh nghiệm thực tế, thực nghiệm khoa học, đo đạc thống kê quan trắc trong suốt nhiều thế kỷ, con người đã hạn chế được rất nhiều tai họa do sét.

Trên đây là những kiến thức khoa học cơ bản về nguồn gốc, sự hình thành và tác động của sét gây ra đối với môi trường. Nội dung này nhằm hỗ trợ những người đang hoạt động trong lĩnh vực thầu cơ điện, tư vấn, thiết kế, xây dựng hệ thống chống sét cho các công trình, đồng thời bổ trợ các kiến thức cần thiết cho các chủ doanh nghiệp, đặc biệt nhóm doanh nghiệp hoạt động sản xuất công nghiệp, xây dựng nhà cao tầng.

BBT Galaxy M&E