Kỹ thuật cao áp

Bộ môn năng lượng điện

Phần I

Quá điện áp khí quyển và bảo vệ chống quá điện áp khí quyển

Chương I

Hiện tượng phóng điện của sét

nguồn phát sinh quá điện áp khí quyển

Đ1-1 Quá trình phóng điện của sét

Sét là một trường hợp phóng điện tia lửa khi khoảng cách giữa các điện cực rất lớn (trung bình khoảng 5km) Quá trình phóng điện của sét giống như quá trình xẩy ra trong trường không đồng nhất(xem chương III) Khi các lớp này được tích điện ( khoảng 80% số trường hợp phóng điện sét xuống đất điện tích của mây có cực tính âm) tới mức độ có thể tạo nên cường độ trường lớn sẽ hình thành dòng phát triển về phía mặt dất Giai đoạn này gọi là giai đoạn phóng điện tiên đạo và dòng gọi là dòng tiên

đạo Tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo của lần số phóng điện đầu tiên khoảng 1,5 107 cm/s, của các lần sau nhanh hơn và đạt tới 2.108cm/s (trong một đợt sét

đánh có thể có nhiều lần phóng điện kế tiếp nhau, trung bình là ba lần, điều này được giải thích bởi trong cùng lớp mây điện có thể hình thành nhiều trung tâm điện tích, chúng sẽ lần lượt phóng điện xuống đất)

Tia tiên đạo là môi trường plasma có điện dẫn lớn Đầu tia nối với một trong các trung tâm điện tích của lớp mây điện nên một phần điện tích của trung tâm này đi vào trong tia tiên đạo và phân bố có thể xem như gần đều dọc theo chiều dài tia (hình 16-1a) Dưới tác dụng của điện trường của tia tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện tích khác dấu trên mặt đất mà địa điểm tập kết tuỳ thuộc vào tình hình dẫn điện của đất Nếu vùng đất có điện dẫn đồng nhất thì địa điểm này nằm ngay ở phía dưới tia tiên đạo Trường hợp mặt đất có nhiều nơi điện dẫn khác nhau thì điện tích trong dất sẽ tập trung

về nơi có điện dẫn cao ví dụ các ao, hồ, sông, lạch ở vùng đất đá

Quá trình phóng điện sẽ phát triển dọc theo đường sức nối liền giữa các tia tiên

đạo với nơi tập trung điện tích trên mặt đất vì ở đấy cường độ trường có trị số lớn nhất

và như vậy là địa điểm sét đánh trên mặt đất đã được định sẵn Tính chất chọn lọc của phóng điện đã được vận dụng trong việc bảo vệ chống sét đánh thẳng cho các công trình : cột thu lôi có độ cao lớn và trị số điện trở nối đất bé sẽ thu hút các phóng điện sét về phía mình, do đó tạo nên khu vực an toàn quanh nó

Cần nêu thêm rằng, nếu ở phía mặt đất điện tích khác dấu được tập trung dễ

đường dây cao áp) thì có thẻ đồng thời xuất hiện tia tiên đạo từ phía mặt đất phát triển

ngược chiều với tia tiên đạo từ lớp máy điện

Khi tia tiên đạo phát triển tới gần mặt đất thì trường trong khoảng không gian

giữa các điện cực sẽ có trị số rất lớn và bắt đầu có quá trình ion hoá mãnh liệt dẫn đến

sự hình thành dòng Plasma với mật độ ion lớn hơn nhiều so với của tia tiên đạo ( hình

16-1b) Do có điện dẫn bản thân rất cao nên đầu dòng sẽ có điện thế mặt đất và như vậy

toàn bộ hiệu số điện thế ( giữa đầu tia đạo với mặt đất) được tập trung vaò khu vực giữa

nó với đầu tia tiên đạo, trường trong khu vực này tăng cao và gây ion hoá mãnh liệt

dòng Plasma được kéo dài và di chuyển ngược lên phía trên Giai đoạn này gọi là giai

đoạn phóng điện ngược (hình 16-1c và d) Tốc độ phát triển của phóng điện ngược thay

đổi trong giới hạn 1,5.109 ữ 1,5.1910 cm/s tức là 0,05 ữ 0,5 tốc độ ánh sáng Trong giai

đoạn này điện tích của lớp máy điện sẽ theo dòng Plasma chuyển về phía mặt đất tạo

nên dòng điện ở nơi sét đánh

1 1 1

2 3

2 3

is is is is

t t t t

Hình 1-1

Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét và

biến thiên của dòng điện theo thời gian

a) Giai đoạn phóng điện tiên đạo

b) Hình thành khu vực ion hoá mãnh liệt gàn mặt đất

d) Giai đoạn phóng điện ngược

1 Tia tiên đạo ; 2 Khu vực ion hoá mãnh liệt ; 3 Dòng của phóng điện ngược

Nếu tốc độ phát triển của phóng điện ngược là v và mật độ đường của điện tích

trong tia tiên đạo bằng δ thì trong đơn vị thời gian điện tích đi vào trong dất sẽ là

δv và đó cũng là công thức tính dòng điện sét:

Công thức này tính toán cho trường hợp sét đánh vào nơi nối đất tốt(có trị số

điện trở nối đất rất bé không đáng kể)

Quá trình chuyển từ phóng điện tiên đạo sang phóng điện ngược gần giống như quá trình ngắn mạch chạm đất của dây dẫn thẳng đứng có nạp điện trước (hình 16-2)

Dọc theo dây dẫn sẽ truyền sóng điện tích dương với tốc độ ánh sáng làm giảm điện thế dây dẫn tới trị số không Nếu dây dẫn ngắn mạch chạm đất qua một điện trở r thì trị số dòng điện sẽ giảm theo công thức:

s =

+

0 (16-2)

Z0ưTổng trở sóng của dây dẫn tức là của khe phóng điện sét, có trị số khoảng 200 ữ300Ω

ở các cột thu sét và cột điện,bộ phận nối đất thường có trị số điện trở không quá 20 ữ30Ω nên khi bị sét đánh dòng điện sẽ gần bằng trị số tính theo công thức (16-1) Nếu sét đánh vào các nơi không có bộ phận nối đất nhân tạo hoặc có nhưng

điện trở nối đất quá lớn, dòng điện sét giảm nhiều và theo quy ước hiện nay thường lấy bằng một nửa trị số dòng điện ở nơi có nối đất tốt

Đ1-2 Tham số của phóng điện sét

Tham số chủ yếu của phóng điện sét là

dòng điện sét Hiện nay đã tích luỹ được khá

nhiều số liệu thực nghiệm về tham số này( đo

bằng thỏi sắt từ hoặc bằng máy hiện sóng cao

áp) Trên hình 16-1 cho dạng sóng dòng điện sét,

đó là dạng sóng xung kích - chỗ tăng vọt của

dòng điện ứng với giai đoạn phóng điện ngược

còn quá trình giảm dần về sau là quá trình

chuyển số điện tích dư từ lớp mấy xuống đất

Kết quả đo lường cho thấy biên dộ dòng

điện sét (I s) biến thiên trong phạm vi rộng từ mấy

kA tới hàng trăm kA và được phân bố theo quy

luật thực nghiệm như sau:

c

-δ +δ

a) b)

Hình 1-2

Quá trình ngắn mạch chạm đất của

dây dẫn được nạp điện trước

kA

100

80

60

40

20

0 20 40 60 80 %

Hình 1-3

Xác xuất của dòng điện sét (dùng ở Liên xô)

vI e

I s I s

= 10ư60 = ư26 1 ,

hoặc Igvi = ư Is

60 (16-3)

I sưbiên dộ dòng điện sét, kA

v I ưxác suất xuất hiện sét có biên độ dòng điện ≥ I s

Quy luật này cũng được biểu thị trên đường cong 16-3

Độ dài sóng trung bình của dòng điện sét khoảng 40μs Số liệu này được chấp nhận trong tính toán thiết kế và thí nghiệm mặc dù có thể khác xa so với độ dài sóng của các lần đo thực tế

Khi phân tích các sơ đồ chống sét hoặc tính toán các quá trình quá độ, đầu sóng

dòng điện sét thường được thay bằng đoạn

thẳng xiên có độ dốc trung bình a I s

ds

=

τ (

τdsưđộ dài đầu sóng) Tuy số liệu thực nghiệm về độ dốc trung bình không nhiều nhưng vẫn có thể xuất được quy luật phân

bố tương tụ của biên độ dòng điện

a

2

25

gv a = ư a ( 16-4)

aưĐộ dốc trung bình của dòng

điện sét, kA/μ s v a ưXác suất xuất hiện sét

có độ dốc trung bình ≥ a

Quy luật này cũng được biểu thị trên hình 16-4

Trong tính toán có khi cần phải đồng thời xét đến cả hai yếu tố: Biên độ và độ dốc dòng điện sét; trong các trường hợp này dùng xác suất phối hợp

( )

1

60 25

⎝⎜ ⎞⎠⎟ ( 16-5)

Để quá trình tính toán được đơn giản, trong từng trường hợp cụ thể có thể dùng các dạng sóng tính toán khác nhau dạng sóng có đầu sóng xiên góc ở hình 16-5a dùng khi quá trình cần xét xảy ra ở đầu sóng hoặc trong các trường hợp mà thời gian

a

10

Ua

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Hình 1-4

Xác xuất của độ dốc trung

bình của dòng điện sét

50

40

30

20

kA/ks

: diễn biến tương đối ngắn so với độ dài sóng Trong các trường hợp này sự giảm dòng điện sau trị số cực đại không có ý nghĩa nên khi t>τ có thể xem dòng điện ds không thay đổi và bằng trị số biên độ Ngược lại khi quá trình xảy ra trong thời gian dài ( t> τds ) như khi tính toán về hiệu ứng nhiệt của dòng điện sét, có thể không sét đến giai đoạn sóng và dạng sóng tính toán được chọn theo dạng hàm số mũ (hình 16-5b)

Đ1-3 Cường độ hoạt động của sét

Cường độ hoạt động của sét được

biểu thị bằng số ngày có giông sét hàng

năm (n ng.s) hoặc tổng số thời gian kéo dài

của giông sét trong năm tính theo giờ (ng

s) Các trị số này được xác định theo các số

liệu quan trắc ở các đài khí tượng phân bố

trên lãnh thổ tùng nước và trên cơ sở đó vẽ

bản đồ phân vùng giông sét

Theo số liệu thống kê của nhiều

nước, số ngày sét hàng năm ở vùng xích

đạo khoảng 100 ữ 150 ngày, vùng nhiệt đới

75 ữ100 ngày, vùng ôn đới khoảng 30 ữ 50

ngày, còn ở các vùng nam bắc cực chỉ

khoảng vài ngày Số ngày và số giờ có

giông sét nói trên là chỉ các hoạt động

giông sét chung, quá trình phóng điện có

thể xảy ra giữa các lớp mây với nhau hoặc là giữa lớp mây với đất ( theo danh từ Việt nam, đó là số ngày giờ có sẫm sét)

Để tính toán số lần có phóng điện xuống đất cần biết về số lần có sét đánh trên diện tích 1km2 mặt đất ứng với một ngày sét, nó có trị số khoảng 0,1 ữ 0,15; từ đó sẽ tính được số lần sét đánh vào các công trình hoặc đánh lên đường dây tải điện Kết quả tính toán này chỉ cho một khái niệm trung bình vì phóng điện sét mang sẵn tính chọn lọc mà không phải rải đều trên mọi nơi của mặt đất

Đ1-4 Điện từ trường của khe phóng điện

Vì phóng điện sét có kèm theo việc di chuyển trong không gian một số lượng

điện tích đáng kể nên sản sinh ra điện từ trường mạnh được biểu thị bởi thế véctơ Avà thế vô hướng ϕ

is

is=at Is = aτđs

τ đs

i s i s = I s eưt T

Is T =

7 , 0 s

τ

τ s

Hình 1-5

Dạng sóng tính toán của dòng điện sét

a) Dạng sóng xiên góc

b) dạng sóng hàm số mũ.

ϕ πε

=

ư

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

∫

1

4 ( )V

c

( )

V

R c

= 4μπ ∫ δ ư

( )

(16-7) Trong các đẳng thức trên tích phân tiến hành theo khối (V) chứa điện tích với mật độ khối q và dòng điện có mật độ δ R là khoảng cách từ các phần tử dV của khối tới điểm cần xác định thế Ký hiệu q t R

c

ư

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟và δ t

R c

ư

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟có nghĩa là để xác định thế tại

thời điểm t thì trong (16-6), (16-7) cần phải xét hiện tượng " chậm trễ " tức là trị số q và

δ phải tính ở thời điểm sớm hơn t một khoảng thời gian bằng thời gian truyền tín hiệu

từ phần tử dV tới điểm cần xét với tốc độ ánh sáng R

c

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟ Như vậy nếu biết được sự

phân bố trong không gian và biến thiên theo thời gian của điện tích khôí q và của mật

độ dòng điện δ thì có thể xác định thế và suy ra cường độ điện trường:

Điện trường gồm hai thành phần, thành phần điện E d = ưgradϕ xác định bởi sự

biến thiên trong không gian của điện trường và phần tử E A

t

t = ưδ

ϕ sinh ra bởi sự thay

đổi theo thời gian của từ trường

Điện từ trường sinh ra do phóng điện sét là nguồn nhiễu loạn vô tuyến cực mạnh,

nó còn giữ được cường độ rất lớn ngay ở những nơi cách xa hàng trăm km

Tính toán gần đúng về điện từ trường trong thời gian sét đánh không khó khăn nếu cho rằng dòng sét là đường thẳng vuông góc với mặt đất còn phóng điện ngược

được biểu thị bởi sự di chuyển của điện tích mật độ δ theo tốc độ thay đổi v, tức là khi dòng điện có dạng sóng vuông góc và biên độ I s =δ v

Chuyển dịch của phóng điện ngược xác định sự thay đổi của điện tích và dòng

điện không gian và thời gian và vì ở ngoài giới hạn của dòng không có điện tích và dòng điện nên tích phân khối của (16-6), (16-7) được rút gọn về tích phân đường

Hướng về vectơ A trùng với hướng của vectơ dòng điện sét i s tức là có hường thẳng đứng và do đó vectơ E A

t

t = ưδ

δ cũng có hướng thẳng đứng Ngược lại vectơ

E t = ưgradϕ ở các điểm khác nhau của không gian sẽ có hướng khác nhau Vì điện áp

đối với đất được xác định bởi thành phần thẳng đứng của điện trường nên chỉ cần xét

đến hình chiếu của vectơ E d

trên trục thẳng đứng EY d

ở đây không đi vào phương pháp tính toán mà chỉ đưa ra kết quả để xác định cường độ điện trường trên mặt đất

Y

s

= = ư

60

1

β

Y

d

s

= ư

⎡

⎣

⎢

⎢

⎤

⎦

⎥

⎥

1

trong đó: β = v δ =

c

I v

s

μ

πc πε

Trị số r= x2 +b2

là khoảng cách từ điểm P, điểm cần xác định cường độ trường, tới trục của dòng sét (hình 16-6) Trên hình 16-7 cho đồ thị biến thiên theo thời gian của cường độ trường tổng hợp và các thành phần của nó tính theo các công thức trên ứng với hai khoảng cách r = 100 và 300m Từ các đồ thị thấy rằng, thành

Y

t

phần từ tăng vọt (do đầu sóng vuông góc

của dòng điện sét) và sau đó giảm dần

Thành phần điện sẽ tăng tới giới hạn xác

định bởi số hạng đầu của biểu thức (16-10)

Các thành phần này xuất hiện chậm hơn so

với lúc bắt đầu có phóng điện ngược khoảng

thời gian t x b

c

0

= + có nghĩa là từ lúc

bắt đầu có phóng điện ngược cho đến khi tín

hiệu của điện từ trường truyền đến P (điểm

quan sát) thì cả hai thành phần E d

và E t

ở

điểm đó đều bằng không

Hình 1-6

Tính toán về cường độ điện trường đo khe sét gây nên

y

x

z

x

E-t

b P

Eyđ

Ezđ

Exđ

E-t

a) b)

a) b)

Hình 1-7

Biến thiên theo thời gian của cường độ trường tổng hợp

Hình a ưβ = 0,1 Hình b ưβ = 0,5

1 Khoàng cách r = 100m ; 2 Khoàng cách r = 300m

80 60 40 20

Eyđ

E y

Eyt

E y

đ

E yt

Ey

kV/m E

y

2 4 6 8 μs 2 4 6 8 μs

80

60

40

20

E y

E y

E y

Eyđ

E yt

kV/m

1

2