ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ
Đặc tính chung của các chất khí cách điện
Các chất khí, chủ yếu là không khí, thường được sử dụng làm chất cách điện cho các thiết bị điện hoạt động trong môi trường không khí và cho các đường dây tải điện trên không.
Không khí, khi kết hợp với các điện môi khác hoặc sử dụng độc lập, đóng vai trò quan trọng trong việc cách điện giữa các pha hoặc giữa pha và vỏ máy Do đó, đặc tính cách điện của chất khí là yếu tố quan trọng trong kỹ thuật điện cao áp.
Khi các điện môi mất khả năng cách điện, hiện tượng ngắn mạch sẽ xảy ra, dẫn đến sự cố trong thiết bị và hệ thống điện Trong các điện môi rắn và lỏng, bọt khí thường tồn tại, tạo ra các điểm cách điện suy yếu Sự hư hỏng cách điện của các điện môi này thường xuất phát từ các quá trình phóng điện liên quan đến bọt khí.
* Yêu cầu chung đối với các chất khí cách điện
Các chất khí chọn dùng làm chất cách điện phải đạt đƣợc các yêu cầu sau đây:
1 Phải là loại khí trơ nghĩa là không gây các phản ứng hóa học với các chất cách điện khác trong cùng kết cấu cách điện hoặc với các kim loại của thiết bị điện
2 Có cường độ cách điện cao Sử dụng các chất khí có cường độ cách điện cao sẽ giảm được kích thước của kết cấu cách điện và của thiết bị
3 Nhiệt độ hóa lỏng thấp để có thể sử dụng chúng ở trạng thái có áp suất cao Nhƣ sau này sẽ thấy các chất khí có cường độ cách điện cao ở cả hai trạng thái hoặc áp suất nhỏ (chân không) hoặc áp suất cao Trạng thái dầu ít đƣợc dùng trong công nghiệp điện vì các chất cách điện khác khi tiếp xúc với chân không có thể sinh hơi làm tăng áp suất và do đó làm giảm cường độ cách điện, vì vậy để tăng cường độ cách điện của khí thường dùng nó ở áp suất cao
4 Phải rẻ tiền và dễ tìm kiếm
5 Tản nhiệt tốt Trong trường hợp chất khí ngoài nhiệm vụ cách điện còn có nhiệm vụ làm mát (nhƣ trong máy điện) thì còn yêu cầu phải dẫn nhiệt tốt
Không khí là loại khí phổ biến nhưng không đáp ứng tốt các yêu cầu về cách điện, đặc biệt là yêu cầu cường độ cách điện Quá trình ion hóa trong không khí tạo ra các chất như ozon và oxit nito, gây ăn mòn các bộ phận cách điện và kim loại Cường độ cách điện trung bình của không khí chỉ khoảng 30kV/cm, trong khi dầu biến áp sạch có cường độ cách điện lên đến 280kV/cm Điều này cho thấy cường độ cách điện của không khí chỉ bằng 1/10 so với dầu biến áp, do đó cần có biện pháp tăng cường cường độ cách điện cho không khí.
Page 5 mức với các chất cách điện rắn và lỏng cần phải tăng áp suất không khí tới 10÷15 atm điều đó sẽ làm cho kết cấu và vận hành của thiết bị càng phức tạp
Các quá trình ion hóa trong chất khí
Các chất khí không phải chỉ chứa các phân tử trung hòa mà còn có ion và điện tử tự do Dưới tác động của các yếu tố bên ngoài như tia cực ngắn từ mặt trời và tia vũ trụ, không khí có thể trải qua hàng chục lần ion hóa trong 1 cm³ mỗi giây.
Quá trình ion hóa là quá trình chuyển đổi một phân tử trung hòa thành ion dương bằng cách tách điện tử ra khỏi phân tử Để thực hiện điều này, cần có một lượng công để vượt qua lực hạt nhân, được gọi là năng lượng ion hóa (ký hiệu W i) Năng lượng này tỷ lệ với hiệu số điện áp của trường mà điện tử di chuyển qua, và do đó, năng lượng ion hóa cũng có thể được biểu thị bằng hiệu thế ion hóa (U i) Khi điện tử bay qua trường với hiệu thế này, chúng sẽ tích lũy năng lượng tương đương với năng lượng ion hóa W i, và đơn vị đo lường của năng lượng ion hóa là eV.
Khi cung cấp cho điện tử một năng lượng nhỏ hơn mức ion hóa, điện tử chỉ có thể được đưa ra quỹ đạo bên ngoài với năng lượng cao hơn, khiến phân tử ở trạng thái bị kích thích Các phân tử này thường chỉ tồn tại trong trạng thái bị kích thích khoảng 10^-8 giây Quá trình ion hóa và kích thích cũng có thể xảy ra với các điện tử khác trong cùng một phân tử, nhưng cần năng lượng lớn hơn do chúng gần hạt nhân và chịu tác động của lực hạt nhân mạnh hơn.
Các ion dương có khả năng kết hợp với điện tử hoặc ion âm để tạo thành các phân tử trung hòa Năng lượng cần thiết cho quá trình ion hóa ban đầu sẽ được giải phóng lại dưới dạng bức xạ, với độ dài sóng được xác định theo công thức hυ = W i + ΔW k.
Tần số bức xạ (υ) và hằng số Planck (h = 6,5.10 -29 erg.s) là các yếu tố quan trọng trong quá trình phân tử bị kích thích Sự chênh lệch tổng năng lượng của phân tử trước và sau va chạm (ΔW k) quyết định cách năng lượng được phát ra Khi các phân tử trở lại trạng thái bình thường, chúng sẽ phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ tương tự.
1.2.1 Ion hóa va chạm: khi các phân tử đang chuyển động va chạm nhau, động năng của chúng sẽ truyền cho nhau và do đó có thể xảy ra ion hóa nếu:
2 m là khối lƣợng phân tử và v là tốc độ chuyển động của phân tử
1.2.2 Ion hóa quang: năng lƣợng cần thiết để ion hóa có thể lấy từ bức xạ của sóng ngắn với điều kiện: i i h W hay c.h
Trong đó: λ là độ dài sóng của sóng ngắn; υ là tần số bức xạ của sóng ngắn; c là tốc độ ánh sáng
1.2.3 Ion hóa nhiệt: Ở nhiệt độ cao có thể phát sinh các quá trình nhƣ sau:
- Ion hóa va chạm giữa các phân tử do các phân tử chuyển động với tốc độ lớn
- Ion hóa do bức xạ nhiệt của khí bị nung nóng
Ion hóa xảy ra do va chạm giữa các phân tử và điện tử, hình thành từ hai quá trình khác nhau Theo lý thuyết khí động học, ở bất kỳ nhiệt độ nào, các phân tử đều chuyển động với nhiều tốc độ khác nhau, theo định luật phân bố phân tử Maxwell – Boltzmann Do đó, khả năng ion hóa tồn tại ở mọi nhiệt độ, chỉ khác nhau ở xác suất xảy ra.
1.2.4 Ion hóa bề mặt: ba dạng ion hóa trên xảy ra trong thể tích chất khí còn dạng ion hóa bề mặt thì xảy ra ngay trên bề mặt của các cực kim loại Muốn thoát điện tử ra khỏi bề mặt cực cũng cần một năng lƣợng nhất định, năng lƣợng này đƣợc gọi là công thoát Trị số công thoát phụ thuộc vào loại vật liệu làm điện cực và trạng thái bề mặt của điện cực
Có thể dùng các biện pháp sau đây:
Nung nóng âm cực làm tăng tốc độ chuyển động của điện tử, dẫn đến năng lượng lớn hơn Khi năng lượng này đạt mức đủ cao để vượt qua hàng rào thế năng, điện tử sẽ thoát ra khỏi bề mặt điện cực.
+ Bắn phá bề mặt âm cực bằng những phần tử có động năng lớn (bằng các ion dương có tốc độ cao)
Bức xạ nguội là hiện tượng xảy ra khi tác dụng của trường điện cực mạnh, với yêu cầu trường đạt khoảng 1000kV/cm Tuy nhiên, biện pháp này ít được áp dụng do yêu cầu về cường độ trường quá cao.
Các quá trình chủ yếu của phóng điện trong chất khí
Ở nhiệt độ bình thường, năng lượng của chuyển động nhiệt của các phần tử không đủ để ion hóa Tuy nhiên, khi có điện trường tác dụng, các điện tích tự do trong chất khí sẽ chuyển động, với điện tích dương di chuyển theo phương của trường và điện tích âm ngược lại Quá trình này tích lũy năng lượng và tăng tốc độ, dẫn đến việc va chạm với các phân tử khí, có khả năng ion hóa chúng.
Ion hóa va chạm là yếu tố chính trong quá trình phóng điện của chất khí, với hệ số ion hóa va chạm của điện tử được gọi là hệ số ion hóa thứ nhất (α) và hệ số ion hóa va chạm của ion là hệ số ion hóa thứ hai (β) Do β nhỏ hơn nhiều so với α (βGiai đoạn của phóng điện ngƣợc (có thể bỏ qua do việc phát triển với tốc độ càng cao)
Tốc độ của thác thực chất là tốc độ của điện tử, với sự phát triển của dòng nhanh hơn nhiều so với tốc độ của điện từ, đạt từ 2 đến 10 lần Điều này xảy ra do sự xuất hiện của nhiều thác mới ở khu vực đầu dòng.
2.2.3.2 Định nghĩa đặc tính Vôn-giây Đặc tính Vôn-giây là sự phụ thuộc của thời gian phóng điện vào biên độ điện áp tác dụng
2.2.3.3 Sơ đồ tạo đặc tính Vôn-giây
Hình 2.9 Sơ đồ tạo đặc tính V-S
Phóng điện vầng quang
Phóng điện vầng quang là hiện tượng phóng điện tự duy trì, diễn ra trong các trường điện không đồng nhất, đặc biệt ở những khu vực có cường độ điện trường cao.
Phóng điện có khả năng tự duy trì nhưng dòng điện chỉ tồn tại trong một phạm vi nhỏ gần điện cực với bán kính cong nhỏ Khu vực này được gọi là quầng của vầng quang, nơi xảy ra các quá trình ion hóa, kết hợp hoặc trở về trạng thái bình thường của các phân tử bị kích thích, tạo ra nhiều photon và khiến cho vùng hẹp này phát sáng thành vầng quang.
Các ion được sinh ra trong quầng của vầng quang dưới tác động của điện trường sẽ di chuyển ra ngoài, tạo thành dòng điện vầng quang, hay còn gọi là dòng plasma.
- Vầng quang xảy ra khi cường độ trường trên bề mặt dây dẫn lớn hơn cường độ trường xảy ra vầng quang trong không khí
- Ƣu và khuyết điểm của phóng điện vầng quang:
+ dùng vầng quang âm để lọc bụi trong khói ở 1 số cơ sở luyện kim và nhà máy nhiệt điện
Vầng quang đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ hệ thống điện khỏi quá điện áp khí quyển, đặc biệt khi có sét đánh trên đường dây Nó giúp tiêu hao năng lượng của các sóng quá điện áp, từ đó làm giảm biên độ và độ dốc sóng, tăng cường an toàn cho cách điện của trạm biến áp và nhà máy điện, đồng thời cải thiện khả năng truyền sóng.
/ vầng quang gây nên 1 loại dòng điện rò gây tổn hao năng lƣợng do sự chuyển dịch của các ion dưới tác dụng của trường
/ vầng quang gây nhiễu loạn thông tin hữu tuyến và vô tuyến, ăn mòn vật liệu
- Cường độ trường xảy ra vầng quang giữa:
Hình 2.11 Vầng quang giữa 2 trụ + 2 dây dẫn hoặc dây dẫn và mặt đất:
+ ζ là mật độ tương đối của không khí
+ S là khoảng cách giữa hai dây dẫn (S>>r 0 )
Chú ý: khi tính toán thì đƣa về 2 hình trụ để dễ tính toán
Hình 2.12 Vầng quang giữa dây dẫn và mặ đất r 0
2.3.1 Phóng điện vầng quang trên đường dây dẫn điện một chiều
Sự dịch chuyển điện tích từ dây dẫn có vầng quang đến điện cực đối diện tạo ra dòng điện vầng quang, được xem như một dòng điện rò Dòng điện này gây ra tổn hao năng lượng, được gọi là tổn hao vầng quang.
Khi dây dẫn dài, vầng quang có thể xuất hiện đồng thời tại nhiều điểm, dẫn đến việc các xung dòng điện hợp nhất thành một dòng điện liên tục Tăng điện áp sẽ khiến vầng quang phát triển trên toàn bộ bề mặt dây dẫn, làm mất đi tính chất không liên tục của dòng điện.
- Các điện tích chuyển dịch theo 1 chiều từ cực này sang cực kia
- Ứng với đơn vị dài của đường dây, tổn hao này được tính:
Với I là dòng điện vầng quang và I = f(U) là đặc tính vôn-ampe của vầng quang điện
- Công thức tính tổn hao vầng quang của đường dây dẫn điện 1 chiều:
P = A.U 2 (U – U vq ) [kW/km] với A là hệ số phụ thuộc vào kích thước của khe hở
Hình 2.13 Vầng quang trên đường dây dẫn điện một chiều
Hai dây dẫn mang điện thế (+U/2) và (–U/2) được phân cách bởi một bản kim loại nối đất Quá trình ion hoá diễn ra độc lập ở mỗi nửa khe hở, với các điện tích khối do quá trình này tạo ra không ảnh hưởng đến nhau Đây là hiện tượng vầng quang đơn, vì trong khe hở giữa "dây dẫn-bản cực" chỉ có một cực tạo ra vầng quang Tổn hao vầng quang trong trường hợp này được tính bằng tổng tổn hao trên mỗi dây dẫn: P = P + + P -
- Khe hở không có bản kim loại ngăn ở giữa (bản kim loại-mặt phẳng trung hoà)
Khi các ion khác dấu gặp nhau trên mặt phẳng trung tính, chúng chỉ kết hợp một phần, trong khi phần còn lại sẽ xâm nhập vào không gian của các điện tích khác dấu Sự tương tác này làm phá vỡ trạng thái cân bằng hiện có và dẫn đến việc tăng cường độ điện trường xung quanh dây dẫn.
Để phục hồi trạng thái cân bằng, cần tiếp tục ion hóa gần dây dẫn, dẫn đến việc tăng dòng điện vầng quang và làm tăng tổn hao vầng quang.
- Cả hai điện cực đều có vầng quang nên gọi là vầng quang kép, chúng phát sinh ảnh hưởng lẫn nhau làm cho tổn hao vầng quang P > P + + P -
- Trên đường dây dẫn điện 1 chiều, vầng quang đơn xảy ra khi dây dẫn chỉ có 1 cực tính (giữa dây dẫn và mặt đất)
- Vầng quang kép là khi các dây dẫn đặt trên cột có cực tính khác nhau
2.3.2 Phóng điện vầng quang trên đường dây dẫn điện xoay chiều
Do tính chất cực tính của các dây dẫn thay đổi trong từng chu kỳ, điện tích khối của mỗi pha chỉ bị đẩy ra xa khỏi dây dẫn một khoảng nhất định, và trong nửa chu kỳ tiếp theo, nó lại bị kéo trở về gần dây dẫn.
- Ở đường dây dẫn điện xoay chiều thì điện áp thay đổi theo tần số f điện tích chuyển động 2f lần trên 1 giây
Cường độ trường trên mặt dây dẫn trong nửa chu kỳ được giả thiết là không đổi và bằng trị số tới hạn của vầng quang (Evq) Ở không gian ngoài, tại điểm cách trục dây dẫn một đoạn r, cường độ trường E sẽ được xác định.
E = (E vq r 0 )/r với r 0 là bán kính dây dẫn
Tốc độ chuyển dịch của 1 điện tích tỷ lệ với điện trường:
Suy ra: với k là độ linh hoạt của phần tử chuyển động (với ion âm, ion dương thì k tương tự nhau) Đoạn đường chuyển dịch của điện tích khối:
Điện tích khối của mỗi pha được coi là độc lập, nghĩa là quá trình phóng điện vầng quang ở một pha không bị ảnh hưởng bởi các pha lân cận.
2.3.3.1 Quá trình phóng điện trên một dây dẫn điện xoay chiều
- Điện áp nguồn biến thiên theo hình sin: u(t) = U max sinωt
- Giả thiết dây dẫn đƣợc nối với nguồn đúng vào lúc điện áp bằng không
Hình 2.14 Quá trình phóng điện trên một dây dẫn điện xoay chiều
+ thời điểm t = t 0 ÷ t 1 Thời gian này chƣa xuất hiện vầng quang nên điện tích của dây dẫn đƣợc tính:Q dd = U.C hh
Với C hh là điện dung của dây dẫn đối với đất khi chƣa có vầng quang (là một hằng số chỉ phụ thuộc vào kích thước hình học)
+ thời điểm t = t 1 ÷ t 2 Điện áp và cường độ điện trường trên mặt dây dẫn đạt trị số tới hạn
Khi áp dụng điện áp U và E, vầng quang sẽ được phát sinh, dẫn đến sự xuất hiện của các dòng plasma Một số ion dương di chuyển từ dây dẫn ra không gian xung quanh, tạo ra điện tích khối dương, trong khi các electron bị hút trở lại vào dây dẫn Sự gia tăng điện áp từ trị số ban đầu sẽ ảnh hưởng đến quá trình này.
Khi đạt đến trị số biên độ Umax, dòng điện kéo dài hơn và số lượng điện tích di chuyển ra ngoài tăng lên, dẫn đến điện dẫn cao hơn và trường nội bộ dòng điện nhỏ hơn nhiều so với trị số E vq Cường độ trường trên bề mặt dây dẫn giữ nguyên và bằng E vq, vì chỉ cần đảm bảo quá trình ion hóa xung quanh dây dẫn Sự gia tăng điện áp sẽ làm cho dòng điện dài hơn, nhưng không làm tăng trường Vì vậy, điện tích trên bề mặt dây dẫn vẫn giữ nguyên và có trị số không đổi.
Q dd = 2πε.E vq Điện tích này tạo lên phần điện áp trên dây dẫn:
Do các dòng plasma dẫn các ion dương ra ngoài không gian nên ngoài Q dd ra sẽ còn một ΔQ nào đó, ΔQ này tăng khi điện áp tăng
Sự chênh lệch giữa điện áp của nguồn và điện áp U’ dd là do điện tích không gian ΔQ gây lên, hay:ΔU = U ng – U’ dd
Khi điện áp đạt giá trị U max, các trị số ΔU max, ΔQ max, Q max, E dd = E vq và Q dd tương ứng với điện tích tại thời điểm mới phát sinh vầng quang sẽ được xác định.
Truyền sóng trên đƣ ờng dây tải điện
2.4 Truyền sóng trên đường dây tải điện
2.4.1 Phương trình truyền sóng trên đường dây tải điện
Hình 2.16Quá trình truyền sóng trên đường dây tải điện
- Điện áp và dòng điện được xác định từ các phương trình vi phân:
+ u và i là hàm số của khoảng cách x và thời gian t
+ R, L, C và g là các tham số của đường dây trên một đơn vị chiều dài đường dây
- Giải hệ phương trình dưới dạng toán tử Laplace
- Đối với đường dây cao áp và siêu cao áp
+ cách điện tốt nên dòng rò ít và có g bé
+ đường kính dây dẫn lớn nên điện trở dây bé và R bé
- Do vậy có thể bỏ qua các tham số này
Biến đổi Laplace, ta có:
+ gọi là hệ số lan truyền sóng
Nghiệm của phương trình là:
+ gọi là tổng trở sóng của đường dây Đặt gọi là vận tốc truyền sóng (nếu không kể tổn thất thì bằng vận tốc ánh sáng, v = c
Biến đổi ngƣợc Laplace, ta có:
2.4.2 Truyền sóng trên hệ thống nhiều đường dây
Hình 2.17 Cách xác định hệ số của hệ phương trình Macxoen + α kk là hệ số thế của bản thân dây dẫn thứ k
+ α kp là hệ số thế của đường dây thứ k đối với đường dây thứ p
+ h k là độ treo cao của đường dây thứ k
+ dkp là khoảng cách giữa hai dây dẫn k và p
+ b kp là khoảng cách giữa dây thứ k và ảnh của dây thứ p
Sóng điện từ truyền dọc theo đường dây không có tổn hao là sóng phẳng, cho phép xác lập dạng trường ở trạng thái sóng Điện trường do điện tích không chuyển động tạo ra di chuyển dọc theo đường dây với tốc độ v, liên quan đến dòng điện I.
+ Z kk là tổng trở sóng dây dẫn thứ k
+ Z kp là tổng trở sóng tương hỗ giữa hai dây dẫn thứ k và thứ p
2.4.2.1 Trường hợp các dây dẫn đều nối với nguồn
Khi đường dây không được trang bị dây chống sét, hiện tượng quá điện áp có thể xảy ra ở cả hai đầu của thiết bị, do cảm ứng hoặc phóng điện ngược qua cách điện.
- Điện áp trên các dây dẫn bằng nhau:
- Xét trường hợp sét đánh vào cả 3 dây dẫn:
- Nếu các dây có bán kính như nhau, bố trí trên cùng mặt phẳng ngang (đường dây dùng cột hình П) thì:
- Nếu cột hình П đối xứng: đảo các pha cho nhau thì:
Khi có nhiều dây dẫn, dòng điện trong từng dây sẽ giảm, điều này phản ánh đặc điểm của quá trình sóng Trong trạng thái tĩnh, dòng điện sẽ giữ nguyên do điện áp ở đầu đường dây không thay đổi.
- Nếu không đảo các pha thì:
kp kp kp kp kp b b
Hình 2.17 Các dây dẫn nối nguồn
2.4.2.2 Một dây nối nguồn, số còn lại nối đất
- Trường hợp này dây nối đất là dây chống sét 2, sét đánh vào dây pha
- Điện áp trên các dây dẫn:
Dòng điện trong dây dẫn có giá trị lớn hơn so với trường hợp chỉ có một dây đơn, do sự tương tác giữa hai dòng điện ngược chiều nhau Hiện tượng này dẫn đến việc từ trường do dây thứ hai tạo ra làm giảm từ trường trong dây thứ nhất, từ đó làm giảm điện cảm L và tăng điện dung C.
Hình 2.18 Một dây nối nguồn, dây còn lại nối đất
2.4.2.3 Một dây nối nguồn và dây bên cạnh không nối đất (sét đánh vào dây chống sét cạnh dây pha)
- Có điện áp trên cả k dây nhƣng dòng điện ở các dây còn lại bằng không
- Phương trình điện áp trên các dây dẫn:
Với gọi là hệ số ngẫu hợp của dây 1 đối với dây 2
- Hệ số ngẫu hợp quyết định bởi kích thước hình học của đường dây và khoảng cách giữa các dây dẫn
Do tác dụng ngẫu hợp, điện áp có thể xuất hiện trên các dây cách điện không nối với nguồn, dẫn đến việc tăng điện áp tác dụng và làm giảm khả năng cách điện của đường dây.
Hình 2.19 Một dây nối nguồn, dây còn lại không nối đất
2.4.2.4 Hai dây nối nguồn, dây bên cạnh không nối đất (hai dây chống sét và sét đánh vào dây chống sét cạnh dây pha)
- Phương trình điện áp trên các dây dẫn:
- Khi hai dây chống sét cùng trên mặt phẳng ngang và có cùng kích thước thì:
+ Hệ số ngẫu hợp lớn hơn so với khi đường dây chỉ treo một dây chống sét và điều đó càng có lợi cho cách điện đường dây
Hình 2.20 Hai dây nối nguồn, dây bên cạnh không nối đất
2.4.3 Phản xạ và khúc xạ của sóng
Khi môi trường truyền sóng thay đổi, hiện tượng phản xạ và khúc xạ xảy ra tại điểm nút, nơi có sự chuyển đổi môi trường Tại đây, sóng sẽ phân tách thành hai thành phần: một phần khúc xạ đi vào môi trường mới và một phần phản xạ trở về môi trường cũ.
+ u t và i t là sóng tới từ môi trường I (u t = Z 1 i t )
+ u k và i k là sóng khúc xạ sang môi trường II (u k = Z 2 i k )
+ u f và i f là sóng phản xạ trở về môi trường I (u f = Z 1 i f )
Hình 2.21 Phản xạ và khúc xạ của sóng
- Lấy phương trình (1) chia cho u t có: α = 1+β
- Lấy phương trình (2) nhân với Z 1 có: i k Z 1 + u k = 2.u t
- Nếu sóng truyền từ môi trường Z 1 sang môi trường Z 2 dài vô tận (không có phản xạ từ đầu cuối Z 2 ) thì:
Hệ số khúc xạ là: k t u
Sóng phản xạ và khúc xạ tại một điểm trên đường dây có thể được xác định bằng cách chuyển đổi sơ đồ đường dây thành sơ đồ tham số tập trung, trong đó nguồn được thay thế bằng hai lần sóng tới.
- Đối với sơ đồ phức tạp người ta sử dụng sơ đồ toán tử Laplace, khi đó hệ số phản xạ toán tử là:
2.4.4.1 Truyền sóng trong các trường hợp giới hạn (Z 2 =∞ và Z 2 =0)
Môi trường Z 1 được xem như bị hở mạch với các hệ số α=2 và β=1, dẫn đến việc điện áp tăng gấp đôi do hiện tượng phản xạ dương toàn phần.
Môi trường Z 1 có thể được coi là bị ngắn mạch với các hệ số α=0 và β=-1, dẫn đến việc điện áp giảm xuống còn 0 do hiện tượng phản xạ âm toàn phần, trong khi dòng điện trong mạch lại tăng gấp đôi.
2.4.4.2 Truyền sóng trong trạm có nhiều đường dây
- Trạm có n đường dây nối vào thanh góp:
Như vậy, số đường dây tăng thì u A giảm nhưng xác suất sét đánh trúng tăng lên và sóng quá điện áp đến trạm nhiều hơn
Khi n đủ lớn thì sóng sẽ giảm tới mức an toàn đối với cách điện của trạm
Hình 2.22 Truyền sóng trong trạm có nhiều đường dây
2.4.4.3 Trường hợp giữa hai môi trường có ghép điện dung C
+ Điện áp tại điểm A cũng là điện áp trên điện dung C: với giả thiết sóng tới là sóng vuông góc dài vô tận nên u t không đổi
+ là hệ số khúc xạ khi không có ghép điện dung C
+ là hằng số thời gian
+ điện dung không ảnh hưởng đến trị số biên độ của sóng khúc xạ nhưng làm giảm độ dốc đầu sóng
+ sóng khúc xạ tăng dần tới trị số ổn định và độ dốc cực đại của nó xuất hiện lúc ban đầu (khi t=0)
- Ứng dụng: bảo vệ chống sét truyền vào trạm vì cách điện của máy biến áp chịu ảnh hưởng nhiều vào độ dốc đầu sóng
Hình 2.23 Truyền sóng giữa hai môi trường truyền sóng có ghép điện dung C
Hình 2.24 Dạng sóng điện áp khúc xạ
2.4.5.4 Trường hợp giữa hai môi trường có mắc nối tiếp điện cảm L
- Giả thiết sóng tới là sóng vuông góc dài vô tận và bỏ qua các tính toán chi tiết:
+ điện áp tại điểm B (sóng khúc xạ sang môi trường Z 2 )
+ là hệ số khúc xạ nếu không có L
+ là hằng số thời gian Điện áp tại điểm B là:
Page 38 Điện áp tại điểm A là:
- Sóng khúc xạ sang môi trường Z 2 có độ dốc cực đại xuất hiện ngay lúc ban đầu (khi t=0) và tăng dần từ 0 đến giá trị ổn định
- Nhƣ vậy điện cảm cũng có tác dụng làm giảm biên độ dốc đầu sóng và không ảnh hưởng đến biên độ áp
Điện áp tại điểm A trước điện cảm tăng gấp đôi và sau đó giảm dần đến mức ổn định, do điện cảm không cho phép dòng điện tăng đột ngột Trong giai đoạn đầu, môi trường Z1 có thể được coi là hở mạch, dẫn đến hiện tượng phản xạ dương toàn phần, từ đó làm tăng độ nhạy của hệ thống bảo vệ.
Hình 2.25 Truyền sóng giữa hai môi trường có ghép điện cảm L
Hình 2.26 Dạng sóng điện áp khúc xạ
2.4.5 Quy tắc sóng đẳng trị
Quá trình truyền sóng trên đường dây thường gặp nhiều nút với các đường dây nối tham số tập trung Các phần tử này có tổng trở sóng Z1, Z2, , Z, và dọc theo chúng có các dạng sóng u1x, u2x, truyền về phía điểm nút Tại điểm nút, các phần tử sẽ được ghép lại.
Khi các phần tử trong tập trung Z x không phát sinh ngẫu hợp và quy ước chiều dòng điện đi về phía điểm nút là chiều dương, ta có thể diễn đạt mối quan hệ giữa chúng bằng công thức: x 1x x1 2x x 2 x mx xm u u u u u u u u.
Gọi là phương trình mạch vòng n x mx xm m 1 i (i i )
n n n n mx xm mx x mx mx x x m 1 m m m 1 m m m 1 m m 1 m u u u u u u u i 2
+ u x là điện áp tại điểm nút x
+ i x là dòng điện đi trong phần tử Z x
Chú ý: để tính điện áp và dòng điện tại nút có nhiều đường dây nối vào một tham số tập trung thì có sơ đồ thay thế nhƣ sau:
là tổng các sóng khúc xạ tại điểm nút khi Z x = ∞
Hình 2.27 Mạch điện thay thế theo quy tắc sóng đẳng trị
VỆ SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP
Khái niệm chung
Khi dòng tiên đạo phát triển từ trên xuống, điện tích trái dấu sẽ tập trung ở mặt đất, đặc biệt là tại mũi thu lôi trong trường hợp có thu lôi Sự tập trung này làm tăng cường trường điện tại khu vực đó, ảnh hưởng đến sự phát triển của dòng tiên đạo.
Độ cao định hướng của sét (H) là độ cao so với mặt đất, từ đó phóng điện tiên đạo bắt đầu phát triển theo hướng thu sét.
Bộ phận nối đất trong hệ thống thu sét cần có điện trở thấp để dễ dàng tập trung điện tích cảm ứng từ mặt đất Điều này giúp đảm bảo khi có dòng điện sét đi qua, điện áp trên các bộ phận thu sét sẽ không đủ cao để gây phóng điện ngược tới các công trình lân cận.
+ H là độ cao định hướng (H = 300m đối với dây thu sét khi h > 30m và H = 600m đối với cột thu sét)
+ h là chiều cao cột thu lôi (h 30m)
+ k là hệ số tỷ lệ (k đối với dây thu sét và k = 20 đối với cột thu sét)
Để bảo vệ an toàn cho công trình, cần đảm bảo rằng điện áp phóng điện từ điểm định hướng đến công trình lớn hơn điện áp phóng điện đến cột thu sét hoặc mặt đất Điều này có nghĩa là công trình phải có độ cao thấp hơn và được đặt gần cột thu sét.
- Phạm vi bảo vệ của cột thu lôi là phần không gian chung quanh thu lôi mà ở đó không bị sét đánh.
Mô hình phạm vi bảo vệ
3.2.1 Phương pháp xác định phạm vi bảo vệ của cột thu lôi bằng thực nghiệm
- khi A=0 thì dĩ nhiên toàn bộ số lần sét đánh sẽ phóng vào cột thu lôi
- khi A tăng dần thì xác suất sét phóng xuống đất chung quanh cột thu lôi tăng lên
- Ở một cự ly A nhất định thì sét bắt đầu phóng cả xuống đất và vào cột thu lôi, gọi là khoảng cách tới hạn (A th )
- Khi A>A th thì toàn bộ số lần sét đánh đều phóng xuống đất
Cột thu lôi tạo ra sự biến dạng trong dòng tiên đạo, khiến phóng điện hướng về vị trí cách cột thu lôi một khoảng r0, với điều kiện r0 < A th Điều này cho thấy cột thu lôi có khả năng thu hút đường tiên đạo về phía mình Do đó, tại mặt đất, cột thu lôi sẽ bảo vệ một khu vực hình tròn với bán kính r0.
- Khi A3,5h thì toàn bộ số lần phóng sét đều tập trung vào cột thu sét, khu vực này gọi là khu vực có xác suất 100% sét đánh vào cột
+ A=3,5.H đối với cột thu sét
+ A=2.h đối với dây thu sét
Khi chiều cao A lớn hơn 3,5h, một số lần phóng điện sẽ hướng về phía mặt đất, với các phóng điện này lệch khỏi đường thẳng đứng và cách chân cột ít nhất 1,6h Đối với cột thu sét, khoảng cách B được xác định là 1,6h.
+ B=1,2h đối với dây thu sét
- Vật có độ cao mặt đất (h x = 0) thì đƣợc bảo vệ trong phạm vi B
- Vật có độ cao h x thì có phạm vi bảo vệ là r x
Hình 3.1 Mô hình xác định phạm vi bảo vệ của cột thu lôi bằng thực nghiệm
Hình 3.2 Phạm vi bảo vệ r x của cột có chiều cao h x
Bảo vệ bằng cột thu sét
3.3.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét
- Lấy một vật cao h x đặt cách cột thu lôi một khoảng cách r x , đây là bán kính bảo vệ của vật và có công thức: x x x r 1, 6 h h
- Nếu cột thu lôi có độ cao h30m thì vùng bảo vệ giảm đi vì độ cao định hướng lấy không đổi và bằng 600m r x (h30m) = r x (h