Kỹ thuật cao áp

Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện
Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.

1

Phần I

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

Chơng I
Hiện tợng phóng điện của sét
nguồn phát sinh quá điện áp khí quyển

Đ1-1. Quá trình phóng điện của sét.
Sét là một trờng 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 nh quá trình xẩy ra
trong trờng không đồng nhất(xem chơng III). Khi các lớp này đợc tích điện (
khoảng 80% số trờng hợp phóng điện sét xuống đất điện tích của mây có cực tính âm)
tới mức độ có thể tạo nên cờng độ trờng 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. 10
7
cm/s, của các lần sau nhanh hơn và đạt tới 2.10
8
cm/s (trong một đợt sét
đánh có thể có nhiều lần phóng điện kế tiếp nhau, trung bình là ba lần, điều này đợc
giải thích bởi trong cùng lớp mây điện có thể hình thành nhiều trung tâm điện tích,
chúng sẽ lần lợt phóng điện xuống đất).

Tia tiên đạo là môi trờng 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 nh gần đều dọc theo chiều dài tia (hình 16-
1a). Dới tác dụng của điện trờng 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 dới tia tiên đạo.
Trờng 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 đờng sức nối liền giữa các tia tiên
đạo với nơi tập trung điện tích trên mặt đất vì ở đấy cờng độ trờng có trị số lớn nhất
và nh vậy là địa điểm sét đánh trên mặt đất đã đợc định sẵn. Tính chất chọn lọc của
phóng điện đã đợc 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 đợc tập trung dễ
dàng và có điều kiện thuận lợi để tạo nên khu vực trờng mạnh ( ví dụ đỉnh cột điện

Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện
Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.

2
đờng dây cao áp) thì có thẻ đồng thời xuất hiện tia tiên đạo từ phía mặt đất phát triển
ngợc chiều với tia tiên đạo từ lớp máy điện.
Khi tia tiên đạo phát triển tới gần mặt đất thì trờng 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 nh vậy
toàn bộ hiệu số điện thế ( giữa đầu tia đạo với mặt đất) đợc tập trung vaò khu vực giữa
nó với đầu tia tiên đạo, trờng trong khu vực này tăng cao và gây ion hoá mãnh liệt...
dòng Plasma đợc kéo dài và di chuyển ngợc lên phía trên. Giai đoạn này gọi là giai

đoạn phóng điện ngợc (hình 16-1c và d). Tốc độ phát triển của phóng điện ngợc thay
đổi trong giới hạn 1,5.10
9
ữ 1,5.19
10
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

i
s
i
s
i
s
i
s


t t t t

a) b) c) d)

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

Nếu tốc độ phát triển của phóng điện ngợc là
v
và mật độ đờng của điện tích
trong tia tiên đạo bằng thì trong đơn vị thời gian điện tích đi vào trong dất sẽ là

Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện
Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.

3

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

iv
s
=

(16-1)
Công thức này tính toán cho trờng 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 ngợc gần giống nh
quá trình ngắn mạch chạm đất của dây dẫn thẳng đứng có nạp điện trớc (hình 16-2).
Dọc theo dây dẫn sẽ truyền sóng điện tích dơng
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:

iv
Z
Zr
s
=
+

0
0
(16-2)

Z
0

Tổng trở sóng của dây dẫn tức là của
khe phóng điện sét, có trị số khoảng 200 ữ300.
ở các cột thu sét và cột điện,bộ phận nối đất
thờng có trị số điện trở không quá 20 ữ30 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 nhng

điện trở nối đất quá lớn, dòng điện sét giảm nhiều và theo quy ớc hiện nay thờng 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 đợc 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 ngợc
còn quá trình giảm dần về sau là quá trình
chuyển số điện tích d từ lớp mấy xuống đất.
Kết quả đo lờng cho thấy biên dộ dòng
điện sét (I
s
) biến thiên trong phạm vi rộng từ mấy
kA tới hàng trăm kA và đợc phân bố theo quy
luật thực nghiệm nh sau:



c

- +

a) b)

Hình 1-2
Quá trình ngắn mạch chạm đất của
dây dẫn đợc nạp điện trớc



kA
Is
100

80

60

40

20



0 20 40 60 80 %
Hình 1-3
Xác xuất của dòng điện sét
(dùng ở Liên xô)

Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện
Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.

4

ve
I
I
I
s
s
==


10
60
26 1,

hoặc
Igv
I
i
s
=
60
(16-3)


I
s

biên dộ dòng điện sét, kA.

v
I

xác suất xuất hiện sét có biên độ dòng điện
I
s
.
Quy luật này cũng đợc biểu thị trên đờng cong 16-3.
Độ dài sóng trung bình của dòng điện sét khoảng 40s. Số liệu này đợc 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 thờng đợc thay bằng đoạn
thẳng xiên có độ dốc trung bình
a
I
s
ds
=

(

ds

độ dài đầu sóng). Tuy số liệu thực
nghiệm về độ dốc trung bình không nhiều
nhng vẫn có thể xuất đợc quy luật phân
bố tơng tụ của biên độ dòng điện.

ve

a
a
==


10
2
25
10 9,

hoặc
1
25
gv
a
a
=
( 16-4)

a

Độ dốc trung bình của dòng
điện sét,
kA s/

.
v
a

Xác suất xuất hiện sét

có độ dốc trung bình a.
Quy luật này cũng đợc 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 trờng hợp này dùng xác suất phối hợp

()
1
60 25
gv
Ia
Ia
s
,
= +






( 16-5)
Để quá trình tính toán đợc đơn giản, trong từng trờng 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 trờng 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/k
s


Kỹ thuật cao áp. Bộ môn: Năng lợng điện
Trờng Đại học Kỹ Thuật công Nghiệp Thái Nguyên.

5

: diễn biến tơng đối ngắn so với độ dài sóng. Trong các trờng hợp này sự giảm
dòng điện sau trị số cực đại không có ý nghĩa nên khi
t
ds
>

có thể xem dòng điện
không thay đổi và bằng trị số biên độ. Ngợc lại khi quá trình xảy ra trong thời gian dài
( t>
ds
) nh khi tính toán về hiệu ứng nhiệt của dòng điện sét, có thể không sét đến
giai đoạn sóng và dạng sóng tính toán đợc chọn theo dạng hàm số mũ (hình 16-5b).

Đ1-3. Cờng độ hoạt động của sét.
Cờng độ hoạt động của sét đợc
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 (n
g.
s
). Các trị số này đợc xác định theo các số
liệu quan trắc ở các đài khí tợng phân bố
trên lãnh thổ tùng nớc và trên cơ sở đó vẽ
bản đồ phân vùng giông sét.
Theo số liệu thống kê của nhiều
nớc, 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 1km
2
mặt đất ứng với một ngày sét, nó có trị số khoảng 0,1 ữ 0,15; từ đó sẽ
tính đợc số lần sét đánh vào các công trình hoặc đánh lên đờng 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 trờng của khe phóng điện.
Vì phóng điện sét có kèm theo việc di chuyển trong không gian một số lợng
điện tích đáng kể nên sản sinh ra điện từ trờng mạnh đợc biểu thị bởi thế véctơ
A
và
thế vô hớng .

i
s


i
s
=at I
s
= a

đs

t

đs


i
s
i
s
= I
s
e
T
t


Is
T =
7,0
s




s

Hình 1-5
Dạng sóng tính toán của dòng điện sét.
a) Dạng sóng xiên góc.
b) dạng sóng hàm số mũ.