Lịch Sử Phát Triển Công Nghệ Chống Sét Thế Giới

Công nghệ chống sét đã trải qua một hành trình phát triển kéo dài hơn 250 năm, từ những thiết bị thô sơ ban đầu cho đến các hệ thống phức tạp hiện đại ngày nay. Quá trình này không chỉ đánh dấu những bước tiến quan trọng trong lĩnh vực khoa học điện, mà còn góp phần bảo vệ con người và cơ sở hạ tầng khỏi những thảm họa do sét gây ra. Bài viết này sẽ trình bày chi tiết lịch sử phát triển của công nghệ chống sét trên toàn thế giới, từ thời kỳ đầu với phát minh của Benjamin Franklin cho đến các công nghệ tiên tiến của thế kỷ 21.

Khởi Nguồn Của Công Nghệ Chống Sét (Thế Kỷ 18)

Phát Minh Của Benjamin Franklin

Công nghệ chống sét hiện đại có nguồn gốc từ phát minh quan trọng của Benjamin Franklin vào năm 1752. Trước đó, sét được xem là hiện tượng thiên nhiên bí ẩn và không thể kiểm soát. Franklin, thông qua các nghiên cứu về điện, đã suy đoán rằng có thể “kéo” điện từ các đám mây bằng cách sử dụng một thanh kim loại nhọn. Ông đã phát minh ra thiết bị được gọi là “thanh dẫn sét”, “cột thu lôi” hay “thanh Franklin”, mở ra kỷ nguyên mới trong việc bảo vệ con người trước hiện tượng sét đánh

Thí Nghiệm Con Diều Lịch Sử

Vào tháng 6 năm 1752, Franklin đã thực hiện một thí nghiệm mang tính đột phá để chứng minh bản chất điện của sét. Ông cùng con trai William đã thả một con diều trong cơn giông, với một thanh kim loại nhọn gắn ở đầu diều để thu hút sét. Con diều được buộc vào một sợi dây có khả năng dẫn điện, và ở đầu sợi dây có một chiếc chìa khóa. Khi mưa làm ẩm sợi dây, tăng khả năng dẫn điện, Franklin đã có thể cảm nhận được dòng điện tích tụ trong chiếc chìa khóa. Thí nghiệm này đã chứng minh rằng sét chính là hiện tượng phóng điện trong tự nhiên.

Benjamin Franklin rất may mắn khi thực hiện thí nghiệm này mà không gặp tai nạn nghiêm trọng. Chỉ một năm sau đó, nhà vật lý người Đức Georg Wilhelm Richmann đã thiệt mạng khi cố gắng tái hiện thí nghiệm tương tự tại St. Petersburg, Nga. Đây được ghi nhận là trường hợp tử vong đầu tiên trong lịch sử nghiên cứu điện từ học, gây chấn động trong giới khoa học thời bấy giờ.

Những Ứng Dụng Đầu Tiên

Sau khi thí nghiệm thành công, Franklin đã mạnh dạn lắp đặt cột thu lôi đầu tiên tại ngôi nhà của mình ở Philadelphia. Sau nhiều ngày dông bão, căn nhà không bị ảnh hưởng, chứng minh hiệu quả của thiết bị. Nhận thấy tính hiệu quả, người dân Philadelphia đã nhanh chóng làm theo, và dần dần cột thu lôi trở nên phổ biến không chỉ ở Mỹ mà còn trên khắp thế giới. Franklin sau đó đã chia sẻ kiến thức về công dụng của cột thu lôi trong cuốn sách “The Poor Richard Almanach” của ông.

Sự Phát Triển Trong Thế Kỷ 19

Cải Tiến Cột Thu Lôi

Trong thế kỷ 19, cột thu lôi không chỉ là thiết bị bảo vệ mà còn trở thành một yếu tố trang trí kiến trúc. Chúng thường được tô điểm bằng những quả cầu thủy tinh trang trí. Mặc dù có giá trị thẩm mỹ, những quả cầu này còn có chức năng thực tế: chúng cung cấp bằng chứng về việc sét đánh bằng cách vỡ hoặc rơi xuống. Nếu sau cơn bão, chủ sở hữu phát hiện quả cầu bị vỡ hoặc mất, họ sẽ kiểm tra tòa nhà, cột thu lôi và dây tiếp địa để phát hiện các hư hỏng có thể xảy ra

Một niềm tin mê tín thú vị trong thời kỳ này là việc sử dụng quả cầu thủy tinh đặc để ngăn sét đánh vào tàu thuyền. Lý thuyết cho rằng vì thủy tinh là vật không dẫn điện và hiếm khi bị sét đánh, nên có thể có đặc tính đẩy lùi sét. Do đó, người ta tin rằng chôn một quả cầu thủy tinh ở đầu cột buồm cao nhất sẽ bảo vệ tàu khỏi sét đánh

Đóng Góp Của Joseph Henry

Vào những năm 1830-1840, Joseph Henry, người sau này trở thành Thư ký đầu tiên của Viện Smithsonian, đã có những đóng góp quan trọng trong việc nghiên cứu về sét và bảo vệ chống sét. Năm 1841, ông đã ghi lại chi tiết về ảnh hưởng của một cơn bão sét dữ dội tại Princeton7. Qua quan sát, Henry đã xác định ba hiệu ứng quan trọng của sét: năng lượng đẩy đột ngột và mạnh mẽ khi sét đi qua không khí và các vật thể; sự cảm ứng của các điện tích tĩnh trong khu vực dưới đám mây trước khi sét đánh, khiến các vật thể kim loại cao thu hút sét; và hiện tượng phóng điện ngang, cho phép tia lửa được rút ra từ cột thu lôi ngay cả khi chúng được tiếp đất tốt.

Thiết Bị Chống Sét Đầu Tiên Cho Đường Dây Điện

Theo những ghi chép của Joseph Henry, các thiết bị chống sét đầu tiên cho đường dây điện trên thế giới được lắp đặt bởi các công ty điện báo. Đường dây truyền thông tin của những công ty này thường là đối tượng dễ bị sét đánh nhất thời điểm đó2. Trong một bài báo xuất bản năm 1847, Henry đã mô tả chi tiết về thiết bị chống sét cho đường dây điện báo. Ông đề xuất sử dụng một dây dẫn kim loại đi dọc theo cột đỡ dây tín hiệu, nối từ đất lên đến đỉnh, với một khoảng cách nhỏ (khoảng 1/2 inch) so với đường dây điện báo2.

Henry giải thích rằng trong điều kiện bình thường, điện trở khí quyển cho phép tín hiệu điện báo được truyền tải ổn định qua đường dây. Tuy nhiên, khi có hiện tượng sét, luồng điện sẽ nhảy vào khe hở giữa đường dây điện và dây kim loại nối xuống đất, giúp dẫn năng lượng điện xuống đất và bảo vệ hệ thống điện báo2. Đây chính là nguyên lý cơ bản của các thiết bị chống sét hiện đại sau này.

Cách Mạng Công Nghệ Chống Sét Trong Thế Kỷ 20

Thiết Bị Chống Sét Sớm (Đầu Thế Kỷ 20)

Vào đầu thế kỷ 20, khi hệ thống điện trở nên phổ biến hơn, nhu cầu về các thiết bị chống sét hiệu quả cũng tăng lên. Cụm từ “chống sét van” lần đầu tiên được sử dụng vào những năm 1960, khi khe hở đơn giản trong các thiết bị thô sơ ban đầu được thay thế bằng cơ chế phức tạp hơn, được điều khiển từ xa.

Trong những năm 1920, nhiều loại thiết bị chống sét mới đã xuất hiện, bao gồm thiết bị chống sét lan truyền bằng nhôm, thiết bị chống sét màng oxit và thiết bị chống sét dạng viên thuốc. Những thiết bị này được thiết kế để bảo vệ các đường dây điện và thiết bị điện khỏi tác động của sét.

Năm 1926 đánh dấu một bước ngoặt quan trọng khi John Robert McFarlin, làm việc cho công ty ESSCO, đã đăng ký bằng sáng chế cho một loại vật liệu mới mà ông gọi là “vật liệu chịu lửa không thể nấu chảy với độ dẫn điện giới hạn và điện trở suất tương đối thấp trong họ silicon carbide”. Ông lưu ý rằng “những đặc tính này làm tăng đáng kể hiệu quả, độ bền, độ ổn định và tính đơn giản của các thiết bị chống sét”. Đây là khởi đầu cho lịch sử lâu dài của dòng thiết bị chống sét Silicon Carbide (SiC).

Sự Ra Đời Của Thiết Bị Chống Sét Silicon Carbide (1926-1950)

Thiết bị chống sét Silicon Carbide (SiC) nhanh chóng trở nên phổ biến và duy trì vị trí hàng đầu trong thiết kế chống sét cho tất cả các cấp điện áp. Mặc dù McFarlin tại ESSCO là người đầu tiên phát triển công nghệ này, các công ty lớn như General Electric (GE) và Westinghouse cũng nhanh chóng theo đuổi công nghệ tương tự.

Tại GE ở Pittsfield, Massachusetts, đội ngũ thiết kế do Karl B McEachron dẫn đầu đã phát triển vật liệu điện trở dựa trên silicon carbide mà họ gọi là “Thyrite”, được cấp bằng sáng chế vào năm 1931. Họ đã nộp đơn đăng ký bằng sáng chế vào tháng 6 năm 1927, chỉ 14 tháng sau McFarlin tại ESSCO.

Trong những năm 1930, thiết bị chống sét dạng ống cũng ra đời, bổ sung thêm một lựa chọn cho các phương pháp bảo vệ chống sét.

Kỷ Nguyên Của Khe Hở Hạn Chế Dòng Điện (1957)

Vào năm 1957, công ty Ohio Brass đã tạo ra một bước đột phá lớn trong việc phát triển thiết bị chống sét với việc giới thiệu khe hở hạn chế dòng điện (current-limiting gap). Thiết kế mới, được gọi là Dynagap, đã chuyển đổi thiết bị chống sét từ một thiết bị bảo vệ chống sét đơn thuần thành một thành phần quan trọng trong kế hoạch phối hợp cách điện.

Khác với các thiết bị trước đó, khe hở này được sử dụng để phát triển một trường điện từ ngược trong quá trình hoạt động theo dòng điện, cho phép thiết bị không phải chờ đến khi điện áp hệ thống về zero để ngắt dòng điện theo sau9. Đóng góp quan trọng nhất của khe hở hạn chế dòng điện đối với bảo vệ hệ thống là cho phép giảm đáng kể mức bảo vệ của thiết bị chống sét, dẫn đến giảm mức cách điện hệ thống, giúp các công ty điện tiết kiệm hàng triệu đô la.

Sự đổi mới này đã thay đổi thiết kế, sản xuất và ứng dụng của thiết bị chống sét trong 20 năm tiếp theo, cho đến khi chuyển sang công nghệ MOV.

Bước Đột Phá Với Công Nghệ Metal Oxide Varistor (MOV) (1970s)

Những năm 1970 chứng kiến một bước ngoặt quan trọng trong lịch sử phát triển công nghệ chống sét với sự ra đời của thiết bị chống sét oxit kim loại (Metal Oxide Varistor – MOV). Công nghệ này nhanh chóng thay thế các thiết bị chống sét Silicon Carbide do những ưu điểm vượt trội về kỹ thuật.

Năm 1978, Ohio Brass (sau này được mua bởi Hubbell) bắt đầu sản xuất đĩa MOV, một khoản đầu tư đã thay đổi tương lai của bảo vệ quá áp. Nỗ lực này dẫn đến sự ra đời của DynaVar vào năm 1979, chuyển đổi công nghệ MOV hiện đại thành một sản phẩm chống sét vượt trội. DynaVar cung cấp những lợi thế kỹ thuật đáng kể, nhờ vào tính phi tuyến của thành phần MOV.

Sự tăng đột biến về khả năng bảo vệ đã khiến thiết bị chống sét MOV nhanh chóng thành công. Công nghệ MOV đã được cải tiến liên tục trong 50 năm qua và vẫn được sử dụng cho đến ngày nay.

Công Nghệ Chống Sét Hiện Đại (Cuối Thế Kỷ 20 – Thế Kỷ 21)

Sự Phát Triển Của Công Nghệ MOV

Công nghệ Metal Oxide Varistor (MOV) tiếp tục được cải tiến trong những thập kỷ cuối của thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21. Các thiết bị chống sét MOV hiện đại không chỉ được sử dụng để hạn chế quá áp do sét trong hệ thống điện mà còn hạn chế quá áp do hoạt động của hệ thống.

Ohio Brass, sau khi được mua bởi Hubbell vào năm 1978, đã trở thành nền tảng cho Hubbell Power Systems, Inc. Hubbell tiếp tục dẫn đầu trong đổi mới thiết kế thiết bị chống sét, đưa công nghệ này vào cả kỷ nguyên MOV và polymer của bảo vệ chống sét.

Công Nghệ Polymer Trong Thiết Bị Chống Sét

Một trong những tiến bộ quan trọng trong công nghệ chống sét hiện đại là việc sử dụng vật liệu polymer. Vật liệu này mang lại nhiều ưu điểm so với vật liệu truyền thống, bao gồm trọng lượng nhẹ hơn, độ bền cao hơn và khả năng chống chịu điều kiện môi trường khắc nghiệt tốt hơn.

Hubbell đã tiếp tục dẫn đầu trong việc đổi mới thiết kế thiết bị chống sét, đưa công nghệ này vào cả kỷ nguyên MOV và polymer của bảo vệ chống sét. Sự kết hợp giữa công nghệ MOV và vật liệu polymer đã tạo ra các thiết bị chống sét hiệu quả hơn, đáng tin cậy hơn và có tuổi thọ dài hơn.

Các Hệ Thống Bảo Vệ Chống Sét Tích Hợp Hiện Đại

Kể từ đầu những năm 1990, các hệ thống bảo vệ chống sét ngày càng trở nên phức tạp và tích hợp. Năm 1992, mô-đun chống sét SPD (Surge Protection Device) có thể cắm vào đường ray 35mm tiêu chuẩn điều khiển công nghiệp do Đức và Pháp phát triển đã được giới thiệu đến Trung Quốc trên quy mô lớn. Sau đó, các hệ thống chống sét cấp nguồn kiểu hộp tích hợp do Hoa Kỳ và Anh phát triển cũng đã được đưa vào Trung Quốc

Hiện nay, khe hở tia lửa (spark gap) vẫn là một thành phần quan trọng trong các hệ thống bảo vệ chống sét. Chức năng chính của nó là EQUIPOTENTIALIZE (cân bằng điện thế) hoặc tách biệt về điện các bộ phận kim loại không nên có tiếp xúc điện tử trong điều kiện hoạt động bình thường. Khi sét đến gần một cấu trúc hoặc thiết bị được bảo vệ, điện tích cao trong không khí xung quanh tạo ra một trường điện mạnh. Khi trường điện này đạt đến mức độ tới hạn (đột biến), khe hở tia lửa được kích hoạt và thiết lập kết nối tạm thời giữa các yếu tố

Kết Luận

Lịch sử phát triển công nghệ chống sét thế giới là một hành trình dài từ phát minh đơn giản của Benjamin Franklin vào năm 1752 đến các hệ thống phức tạp và hiệu quả của thời đại hiện nay. Mỗi giai đoạn phát triển đều đánh dấu những bước tiến quan trọng trong việc bảo vệ con người và cơ sở hạ tầng khỏi sức mạnh hủy diệt của sét.

Từ cột thu lôi đầu tiên, qua các thiết bị chống sét Silicon Carbide của những năm 1920-1950, đến thiết bị chống sét MOV hiện đại và các hệ thống tích hợp của thế kỷ 21, công nghệ chống sét không ngừng được cải tiến để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về bảo vệ các hệ thống điện và điện tử phức tạp. Sự phát triển này không chỉ thể hiện sự tiến bộ trong công nghệ vật liệu và kỹ thuật điện mà còn phản ánh tầm quan trọng của việc nghiên cứu cơ bản và ứng dụng thực tiễn trong khoa học.

Trong tương lai, với sự phát triển của các công nghệ mới và vật liệu tiên tiến, công nghệ chống sét có thể sẽ tiếp tục được cải tiến để cung cấp bảo vệ tốt hơn, hiệu quả hơn và bền vững hơn cho con người và các hệ thống hạ tầng quan trọng trên toàn thế giới.