Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Viện Điện Tử Viễn Thông
====o0o====
BÀI TẬP LỚN
MÔN TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ
Đề tài:
Những đặc trưng của sét điện trường liên quan
đến lỗi đường truyền vào mùa đông
Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Đào Ngọc Chiến
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Thành Trung
Lớp : 11BKTTT1

Hà Nội, 01/2012
1
Những đặc trưng của sét điện trường liên quan
đến lỗi đường truyền vào mùa đông
Tóm tắt: Trong bài báo này, dạng sóng của chớp điện trường liên quan đến
lỗi đường dây truyền tải điện năng đáng chú ý trong mùa đông dọc theo bờ biển của
Nhật Bản đã được khảo sát. Hầu hết các dạng sóng của những thay đổi điện từ
trường được quan sát, nhiều hơn năm lần so với mức giảm trung bình của các quan
sát trước đó, được suy ra từ các trường hợp phóng sét. Phóng sét được đưa ra như
đặc trưng dạng sóng được gọi là chớp sáng từ đất tới mây, và đặc trưng liên quan
đến lĩnh vực trường điện từ được khảo sát. Những tia sét vào mùa đông xảy ra xung
quanh bờ biển của Biển Nhật Bản theo nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào sự phân
cực của chúng.
I. GIỚI THIỆU
Sét vào mùa đông trong khu vực Hokuriku của Nhật Bản, dọc theo bờ biển
của Biển Nhật Bản, được biết đến rộng rãi do tính chất nguy hiểm của nó đến thiết
bị điện. Lỗi nghiêm trọng trong đường dây truyền tải điện và thường xuyên gây
thiệt hại cho các tua-bin gió do sét trong khu vực này thường xuyên xảy ra mặc dù
đó chỉ là những tia sét nhỏ trong mùa đông.

thống định vị sét (LLS) và một mạng lưới các trạm quan sát điện trường trên đồng
bằng Fukui.
Trong bài báo này, quy ước dấu hiệu điện khí quyển được sử dụng. Sự thay
đổi điện trường mang điện tích dương tương đương với việc thêm vào một vật mang
điện tích dương. Sự phóng điện trở lại mang điện tích âm, sẽ hút điện tích các đám
mây, và sẽ tạo ra 1 LEMP dương. Trong bài báo này, sét phóng ra tạo nên 1 LEMP
dương được gọi là sét phóng ra mang điện tích âm, và ngược lại.
II. THIẾT BỊ ĐO ĐẠC, DỮ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
Mạng lưới quan sát trên đồng bằng Fukui bao gồm tám trạm với khoảng cách
5 km. Có 5 ăng-ten nhanh (FAS) và 8 ăng-ten chậm (SA). Sự thay đổi điện trường
nhanh chóng được quan sát bởi một thiết bị gọi là FA, là một thiết bị để quan sát
những thay đổi điện trường trên một dải tần số rộng bằng cách sử dụng 1 ăng-ten
điện dung. Tần số của nó thường từ tần số rất thấp (VLF) tới tần số trung bình
(MF). Sự thay đổi điện trường gần như là tĩnh được quan sát bởi 1 thiết bị gọi là
SA, đó cũng là một ăng-ten điện dung. FA và SA được dùng có tần số tương ứng từ
0,32 kHz đến 1,2 MHz, và từ 0,02 Hz đến 70 kHz. Tỷ lệ mẫu cho đầu ra của FA và
SA tương ứng là 0,358 và 50 µs. Cái sau hạn chế tần số trên của các dữ liệu được
ghi lại từ SA đến 10 kHz. Hệ thống quan sát được kích hoạt bởi tín hiệu từ một FA.
Các sự kiện phóng sét liên quan tới các lỗi đường dây truyền tải đáng chú ý trong
vòng 90 km của mạng lưới quan sát đã được kiểm tra chi tiết. Có tổng cộng là 53 sự
kiện như vậy trong khoản thời gian từ năm 1998 đến năm 2007. Trong tất cả các lỗi
đã được điều tra, lỗi của đường dây 77 - và 154 kV là lỗi đa dòng. Trong dữ liệu
của đường dây 275 và 500 kV, có 1 lỗi đơn dòng. Tất cả các đường dây truyền tải
được điều tra là dây mạch kép.
Một số đường dây truyền tải được trang bị với một hệ thống chuyển tiếp tính
giờ theo giờ GPS, và 6 dữ liệu trong số 53 lỗi là của các đường dây đó. Thời gian
được ghi lại bằng hệ thống chuyển tiếp không phải là thời điểm chính xác của các
lỗi đường dây. Tuy nhiên, trong tất cả 6 dữ liệu đó, LEMPs cường độ cao đã được
tìm thấy trong vòng 15 phút từ thời gian hoạt động chuyển tiếp được ghi lại. Phạm
vi bình thường của những LEMPs này là vài chục vôn trên mét trong vòng 100 km,

(b), cụ thể là: 1) xung hẹp đầu tiên không có xung điện trước; 2) xung điện đầu tiên
theo sau đó theo sau bởi một xung hẹp biên độ tương tự trong phân cực ngược lại,
và 3) không có dấu hiệu của chuyển tiếp chậm trước/nhanh được công nhận ở phần
gia tăng của xung đầu tiên, và phần gia tăng đó không hiển thị một dạng lõm đều.
Nửa chiều rộng của xung đầu tiên thu hẹp chủ yếu là ít hơn 20 µs, hẹp hơn nhiều
chiều rộng xung của LEMP từ tia trở lại bình thường tầm vài chục micro giây.
Các tính năng trước đó khác biệt với các tia trở lại đầu tiên mang điện tích
âm. Một dạng sóng trở lại đầu tiên mang điện tích âm điển hình được đặc trưng bởi
các xung đầu tiên, đi trước là các xung đơn cực nhỏ liên kết với vật dẫn, như thể
hiện trong hình. 1 (c), mà là từ tia trở lại đầu tiên mang điện tích âm trong mùa hè.
Ngay cả sau khi truyền đi 50 km trên đất, hình dạng lõm và dấu hiệu của sự tồn tại
của quá trình chuyển đội phía trước chậm/nhanh chóng trong phần tăng của xung
chính được công nhận trong hình. 1 (c), không tồn tại trong hình 1(b).
Hồ sơ thay đổi điện trường trong số 21 phóng điện mang điện tích âm liên
quan với các lỗi đường dây truyền tải không bao gồm tia trở lại mang điện tích âm.
Tính đến báo cáo quan sát hình ảnh mà hầu hết các kênh sét gắn liền với trạm
truyền dẫn vào mùa đông đều có nhánh hướng lên, tia sét phóng ra mang điện tích
âm số 21 được coi là khởi đầu của vật dẫn mang điện tích dương đi lên từ các trạm
truyền dẫn. Chúng được thể hiện như các tia GC, trái ngược với các tia CG, đi trước
là các vật dẫn hướng xuống từ các đám mây theo sau bởi các tia trở lại. Trung bình
từ10% -90% thời gian tăng cho 17 dạng sóng GC trong khoảng cách từ 25 tới 75
km là 12,3 µs. Kết quả này lâu hơn nhiều so với giá trị trung bình của các tia trở lại
mang điện tích âm đầu tiên trong mùa hè, là trong vòng 5 µs. Chiều rộng tại một
nửa tối đa (FWHM) của điện cao thế ban đầu cho 17 mẫu giống nhau là được 13,6
µs và thời gian trung bình tổng thể là 53 µs. Sau đó được định nghĩa là thời gian từ
khi các phần đầu tiên của dạng sóng đi qua 10% của biên độ điện tích dương với
thời gian khi các dạng sóng không tới không tới được điện tích âm đi qua 10% của
cao điểm mang điện tích ấm trong quá trình quay trờ về mốc không. Vì vậy, về số
lượng, xung lưỡng cực chính của loại này mang đặc trưng là tăng chậm và xung hẹp
ban đầu mang điện tích dương, so với dạng sóng điển hình từ tia trở lại đầu tiên

mô hình một dây dẫn thẳng đứng tính kết nối với đất tại điểm dưới của nó thông
qua một vật chuyển đổi.
6
Hình 3. Mô hình phóng sét tới (trái) và phản hồi trở lại (phải).
Hình 3 cho thấy các mô hình tính toán của các trường điện từ từ một mô hình
điện. Trong mô hình điện từ, vật chuyển đổi và điện tích trên dây dẫn được thay thế
bởi một nguồn điện áp, và nguồn này được đại diện bởi một dây dẫn nạp. Mô hình
cho một tia GC được hiển thị bên trái, trong đó có một dây dẫn theo chiều thẳng
đứng với mặt đất dài 2 km, như chiều dài của điện tích âm của GC vào mùa đông
được quan sát bởi một tần số rất cao (VHF) lập mảng từ 2 đến 3 km. Mô hình điện
từ ban đầu cho một tia trở lại được hiển thị trên bên phải để so sánh.
Từ số liệu của dạng sóng trường E được quan sát bởi mạng lưới FA như hình.
2, 3-D vị trí của điểm nguồn tạo ra các dạng sóng lưỡng cực có thể bằng cách sử
dụng kỹ thuật thời gian đến (TOA). Một số liệu cho tia GC trong mạng lưới xảy ra
vào ngày 04 tháng 1 năm 2002, và nó bao gồm năm dữ liệu FA, tạo nên chiều cao
của nguồn sản sinh ra điện cao thế đầu tiên của dạng sóng lưỡng cực 3,5 ± 1 km.
Quan sát này hỗ trợ các mô hình đề xuất của GC rằng việc chuyển đổi xảy ra ở độ
cao.
Hình 4. Đo lường điện trường ở mức 100 km, tương tự như các trường sóng – GC.
Tốc độ truyền của một sóng trên nguồn sét mô hình được thiết lập khoảng
130 m/µs. Chiều dài của dây dẫn ngang là 0,25 km, tính đến độ ngắn (trung bình
0,2 ms) thời gian quan sát của bức xạ VHF trước xung chính của GC. Các nguồn
điện áp tạo ra một dạng sóng điện áp tương ứng với việc chuyển đổi giữa hai vật
dẫn và hình dạng của việc phân bố điện tích dọc theo dây dẫn dọc. Một dạng sóng
điện áp tăng lên trong khoảng 20 µs và từ từ phân rã được tiến hành.
Hình 4 cho thấy dạng sóng điện trường ở 100 km từ nguồn sét được tính toán
về số lượng với sự giúp đỡ của mã điện từ bằng số (NEC) -4, một mã máy tính dựa
7
trên phương pháp khoảnh khắc. Một xung điện trong thời gian ngắn được tạo ra ở
độ cao 2 km bằng cách chuyển đổi giữa 2 nguồn dẫn. Nó truyền xuống nguồn dọc

µ
s, lâu hơn
nhiều so với trung bình từ 10% đến 90% thời gian tăng 8,7
µ
s với dạng sóng trở lại
mang điện tích dương quan sát trong mùa đông ở Nhật Bản. Vì vậy, có sự khác biệt
về số lượng trong sự tồn tại của bề mặt sóng. FWHM trung bình của điện cao thế
ban đầu với 12 mẫu tương tự nhau là 42 µs, và tổng thời gian trung bình là 197 µs.
8
Định nghĩa của các thông số thời gian giống như với các dạng sóng -GC. Bảng I
tóm tắt các thông số dạng sóng của -GC và +GC với giá trị trung bình và độ lệch
chuẩn.
Độ rộng xung trung bình và thời gian của dạng sóng +GC-I rộng hơn từ 3
đến 4 lần và dài hơn của –GC; tuy nhiên, các dạng sóng +GC-I cũng có thể được
tạm tái tạo bằng các mô hình của hình 3 bằng cách mở rộng chiều dài của kênh
ngang. Thời gian quan sát dài hơn nhiều của bức xạ VHF trước khi xung chính của
+ GC-I (trung bình 8 ms) chứng minh cho một mô hình như vậy. Việc quan sát bức
xạ VHF ngụ ý rằng sét phóng ra mang điện tích dương bắt đầu trong các đám mây,
và các vật dẫn nối mang điện tích âm rất dài mở rộng hướng lên từ những cấu trúc
cao trên mặt đất hướng xuống các vật dẫn magn điện tích dương. Có thể không có
nhiều khác biệt giữa +CG và +GC trong các cấu trúc tổng thể của các đường phóng
ra trong những đám mây.
VI. TỪ TRƯỜNG
LEMP được quan sát bởi mạng lưới quan sát rất khó để định vị nếu nó ở xa
bên ngoài mạng lưới; tuy nhiên, nếu LEMP đồng thời được định vị bởi LLS, vị trí
ban đầu của nó được biết đến và các dữ liệu có thể được phân tích chi tiết. Bằng
cách này, 274 tia sét phóng ra mang điện tích âm và 216 tia sét phogns ra mang điện
tích dương với điện trường cao tuyệt đối được bình thường hoá cao hơn 18 V/m vào
mùa đông trong khoảng 80 km từ mạng lưới được thu thập. Các giai đoạn tập hơn
các tia phóng ra mang điện tích âm là tháng 12 và tháng 1 từ năm 2001 đến năm

hơn so với -CG trong phạm vi điện
cao thế hơn 30 V/m ở 100 km. Vì
vậy, trong phạm vi hiện tại, các tia
10
Hình 5. Điện trường dạng sóng của tia sét dương liên
quan tới các lỗi đường dây truyền tải trong mùa đông
được quan sát bởi FA. (a) Ví dụ về một + GC-I Bước
sóng. (b) Ví dụ về một dạng sóng + GC-II. (c) Ví dụ về
một dạng sóng phản hồi sóng dương.
phóng lên ảnh hưởng đến tần số phân bổ của dòng sét cao thế được quan sát bởi
LLS, mặc dù chỉ trong một mùa nhất định và 1 khu vực nhất định.
Cường độ trung bình của phạm vi bình thường hoá của 21-GC liên quan với
các lỗi đường truyền tải là 70 V/m, và với 29 +GC và
3 +CG là -62 V/m.
VII. PHÂN PHỐI KHÔNG GIAN
Hình 7 cho thấy các đường bờ biển và đường
viền của địa hình và vị trí của khoảng 5800 tia mang dòng âm được dò bởi LLS trên
toàn mạng lưới quan trắc trong suốt tháng 12 năm 2001 và tháng 1 năm 2002.
Hình 7. Phân phối các phóng sét âm
được phát hiện bởi LLS xung quanh khu vực
Fukui vào mùa đông.
Mạng lưới trường quan sát được đặt
xung quanh gốc (0, 0), và nửa bên trái
của khu vực hiển thị là biển. Khoảng
1000 dòng trong 5800 dòng âm được
coi như là dòng được phóng bởi LLS
trong mây và khoảng 20% dòng –GC
được bao gồm trong đó. Trong khi đó,
4800 dòng còn lại được coi như là
dòng CG, có thể chứa khoảng 1400

tia sét, và hiệu quả phát hiện của mạng
lưới quan trắc không thống nhất trên khu vực quan sát bởi vì sự nhạy cảm của FA
trong mạng được thiết lập khá thấp. Diện tích trống ở góc phía tây bắc trong hình 8
là do hiệu quả phát hiện thấp của FA trong mạng lưới quan sát.
Theo hình. 8 (a), gần như tất cả các – GC trên đất liền, trong khi - CG hiện
nay phân phối đồng đều cả trên biển và trên đất liền. Lỗi vị trí của LLS xác định
-GC có xu hướng nhiều so -CG do sự khác biệt trong trường bước sóng. Do đó, một
số –GC đượcLLS xác định nằm trên biển có thể liên quan đến lỗi vị trí và các địa
điểm thật sự của chúng có thể lại là trên đất liền.
Khác với sự phân bố không gian của tia sét mang dòng âm với mức điện
trường có cường độ cao hơn mức bình thường, tia sét mang dòng dương phân phối
điện trên biển tương tự như trên đất liền, như đã thấy trong hình. 8 (b). Mật độ
không gian của tia mang dòng dương trên đất liền giảm nhanh hơn so với dòng
dương do khoảng cách từ bờ biển tăng.
VIII. KẾT LUẬN
Các tính năng của bước sóng điện trường số 53 liên quan tới các tia sét, cái
mà có khả năng gây ra lỗi đường truyền trong mùa đông, được tách ra và sắp xếp
thành bốn loại: một cho các dòng âm và ba cho dòng dương. Tất cả các dòng âm và
khoảng 95% các tia sét gây ra lỗi truyền dẫn dòng vào mùa đông được khắc phục
bởi cáp dẫn chính đi lên từ đường dây truyền tải, và được dẫn vào mạnh cao thế
hiện tại tới các tháp truyền dẫn dẫn tới việc phóng điện trở lại. Một hoặc ba dạng
sóng trong số 53 dữ liệu cho thấy đặc điểm của những dòng dương đi xuống gây ra
bước sóng trở lại.
Những tia sét tạo ra năng lượng đi lên được gọi là dòng GC. Phần gia tăng
của trường sóng dòng GC chậm, và không hiển thị sóng lõm và thẳng phía trước, đó
là các tính năng của bước sóng trở lại bình thường. Đối với dạng sóng + GC,
thường có khó khăn trong việc xác định chúng từ các trường sóng nào. Tuy nhiên,
có sự xác nhận bằng hình ảnh rằng tia sét mang dòng dương đi lên trong mùa đông
từ một tháp vô tuyến được tạo ra trường sóng tương tự như dạng của + GC.
Phạm vi trung bình tuyệt đối của điện trường chuẩn của LEMP, mà được

in
winter,” in Proc. 28th Int. Conf. Lightning Protection, Kanazawa, Japan, Sep. 2006,
vol. 1, no. INV-4, pp. 20–25.
[6] M. Ishii, M. Saito, F. Fujii, J. Hojo, M. Matsui, N. Itamoto, and K. Shinjo,
“LEMP from
lightning discharges
observed by JLDN,” IEEJ Trans. Power Energy,
vol. 125, no. 8, pp. 765–770, Aug. 2005.
[7] M. Ishii, M. Saito, J. Hojo, and K. Kami, “Location of charges associated with
positive C-G
flashes
in winter,” in Proc. 12th Int. Conf. Atmos. Electr., Versailles,
France, Jun. 2003, pp. 151–154.
[8] C. D. Weidman and E. P. Krider, “Submicrosecond rise times in lightning
return-stroke fields,” Geophys. Res. Lett., vol. 7, pp. 955–958, 1980.
[9] V. A. Rakov and M. A. Uman, Lightning—Physics
and

Effects. Cam
bridge,
U.K.: Cambridge Univ. Press, 2003.
[10] S. Miyazaki, M. Saito, and M. Ishii,
“Reproduction

of
features of
electromagnetic field waveforms associated with upward lightning dis- charge,”
(in Japanese), presented at the 2006 Annu. Meeting of IEE Jpn., Yokohama, Japan,
Mar. 2006, no. 7-30.
[11] Y. Baba and M. Ishii, “Numerical electromagnetic field analysis of light-