Nghiên cứu về vầng quang và phân pha để giảm tổn hao vầng quang trên đz cao áp và siêu cao áp

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 6
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: ...................................................................................... 6
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU: .............................................................................. 7
3. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU:............................................................................ 7
4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: ..................................................................... 8
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI:............................... 8
CHƢƠNG I: VẦNG QUANG VÀ TỔN HAO VẦNG QUANG TRÊN ĐZ CAO ÁP
VÀ SIÊU CAO ÁP........................................................................................................... 9
I.

TỔNG QUAN VỀ VẦNG QUANG. ................................................................... 9
1. Sự phóng điện trong điện môi khí: ..................................................................... 9
2. Phóng điện của chất khí trong điện trƣờng không đồng nhất: .................. 10
2.1 Phân biệt giữa hai loại điện trƣờng gần đồng nhất và không đồng nhất. ...... 10
2.2 Phóng điện trong điện trƣờng không đồng nhất (Phóng điện vầng quang): .. 14
2.2.1 Khi mũi nhọn có cực tính dƣơng: ........................................................ 15
2.2.2 Khi mũi nhọn có cực tính âm: .............................................................. 16

II.

PHÓNG ĐIỆN VẦNG QUAN TRÊN ĐƢỜNG DÂY TẢI ĐIỆN. ............. 18

1. Vầng quang trên đƣờng dây dẫn điện một chiều. ....................................... 19
2. Vầng quang trên đƣờng dây dẫn điện xoay chiều ....................................... 21
3. Tổn hao vầng quang trên đƣờng dây dẫn điện xoay chiều. ........................ 25
III.

CÁC PHƢƠNG PHÁP HẠN CHẾ VẦNG QUANG .................................. 31

CHƢƠNG II: PHÂN PHA TRÊN ĐZ CAO ÁP VÀ SIÊU CAO ÁP ........................... 36

I. TÁC DỤNG CỦA PHÂN PHA TRÊN ĐƢỜNG DÂY SIÊU CÁO ÁP VÀ
CỰC CAO ÁP ........................................................................................................... 36
1. Ảnh hƣởng của phân pha tới thông số cơ bản của Đz: ............................... 36
1.1 Thông số đƣờng dây khi chƣa phân pha: ....................................................... 36
1.1.1 Điện dung Đz:......................................................................................... 36

~1~


1.1.2
1.2

Điện cảm và điện kháng Đz: ............................................................ 39

Thông số đƣờng dây sau khi phân pha .................................................. 40

1.2.1

Điện dung khi dùng dây phân pha: ................................................. 40

1.2.2

Điện cảm và điện kháng khi dùng dây phân pha .......................... 43

2. Tác dụng của phân pha tới vầng quang: ...................................................... 43
2.1

Triệt tiêu vầng quang bằng cách sử dụng dây đơn: ............................. 43

2.2

Ảnh hƣởng của phân pha đối với công suất tự nhiên ........................... 46

II.

LỰA CHỌN KẾT CẤU PHÂN PHA ........................................................... 48

III.

SƠ BỘ VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỔN THẤT VẦNG QUANG . 49

1. Tính toán tổn hao bằng phƣơng pháp Levitop: ........................................... 49
1.1

Thời tiết tốt: .............................................................................................. 50

1.2

Thời tiết mƣa:........................................................................................... 53

2. Tính toán tổn hao theo phƣơng pháp tra cứu sổ tay của Nga: .................. 54
3. Tính toán tổn hao vầng quang bằng phƣơng pháp Mayr: ......................... 59
CHƢƠNG III: TÍNH TOÁN TỔN HAO CÔNG SUẤT DO VẦNG QUANG CHO
ĐƢỜNG DÂY 220kV và 500kV. .................................................................................. 62
I.

PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN: ....................................................................... 62
1. Đối với n = 2 .................................................................................................... 63
1.1

Chọn dây ASCR 200/32,6 ........................................................................ 63

1.1.1

Đz 500kV ............................................................................................ 64

1.1.2 Đz 220kV: ............................................................................................... 69
1.2

Tính toán tƣơng tự với dây ASCR 240/32: ............................................ 73

1.2.1

ĐZ 500kV: .......................................................................................... 74

1.2.2 ĐZ 220kV: .............................................................................................. 75
1.3

Dây ASCR 300/39: ................................................................................... 76

1.3.1

ĐZ 500kV: .......................................................................................... 77

1.3.2

ĐZ 220kV: .......................................................................................... 79

~2~

1.4 Dây ASCR 400/51,9: ..................................................................................... 80
1.4.1 ĐZ 500kV: .............................................................................................. 81
1.4.2 ĐZ 220kV: .............................................................................................. 82
1.5 Dây ASCR 450/58,3: ..................................................................................... 83
1.5.1 ĐZ 500kV: .............................................................................................. 84
1.5.2 ĐZ 220kV: .............................................................................................. 86
1.6 Dây ASCR 500/64: ........................................................................................ 87
1.6.1 ĐZ 500kV: ............................................................................................. 88
1.6.2 ĐZ 220kV: ............................................................................................. 89
II.

THỰC TẾ ỨNG DỤNG ................................................................................. 91

III. TÍNH TOÁN TỔN THẤT VẦNG QUANG ĐỐI VỚI ĐZ 500/220kV
HIỆP HÒA – ĐÔNG ANH – BẮC NINH 2............................................................ 93
1. Lựa chọn phƣơng án tính toán:..................................................................... 93
1.1

Sơ bộ tuyến Đz 220kV và Đz 500kV: ....................................................... 94

1.2

Thông số Đz: .............................................................................................. 97

2. Tính toán tổn thất vầng quang tuyến Đz 500/220kV HIỆP HÒA – ĐÔNG
ANH – BẮC NINH 2 theo phƣơng pháp Mayer: ............................................... 98
2.1 Tổn hao vầng quang trên Đz 220kV (Đoạn 1 và Đoạn 2): ............................ 98
2.1.1 Tính Etrb:................................................................................................. 98
2.1.2 Tính toán Emax:....................................................................................... 99

2.1.3 Tính toán Etđ: ......................................................................................... 99
2.1.4 Tính toán tổn hao trên 1 km Đz 220kV: ............................................ 100
2.1.5 Tổn hao điện năng do vầng quang trung bình năm: ........................ 101
2.1.6 Tổn hao điện năng do vầng quang trung bình năm trên toàn đoạn
tuyến: ............................................................................................................. 101
2.2 Tổn hao vầng quang trên Đz 500kV (Đoạn 3): ........................................... 102
2.2.1 Tính Etrb:............................................................................................... 102
2.2.2 Tính toán Emax:..................................................................................... 102

~3~


2.2.3 Tính toán Etđ: ....................................................................................... 103
2.2.4 Tính toán tổn hao trên 1 km Đz 500kV: ............................................ 103
2.2.5 Tổn hao điện năng do vầng quang trung bình năm: ........................ 104
2.2.6 Tổn hao điện năng do vầng quang trung bình năm trên toàn đoạn
tuyến: ............................................................................................................. 104
3. Tính toán tổn thất tuyến Đz 500/220kV HIỆP HÒA – ĐÔNG ANH – BẮC
NINH 2 theo phƣơng pháp tra cứu Sổ tay của Nga. ............................................. 105
3. 1

Đz 220kV (Đoạn 1 và Đoạn 2): ............................................................... 105

3.1.1

Xác định áp suất không khí tại độ treo cao dây so với mặt biển:
105

3.1.2

Xác định mật độ tƣơng đối của không khí: .................................. 105

3.1.3

Xác định cƣờng độ điện trƣờng khởi đầu vầng quang E0: ......... 105

3.1.4
giữa:

Xác định cƣờng độ điện trƣờng trung bình pha ngoài và pha
105

3.1.5
dẫn:

Xác định cƣờng độ điện trƣờng tƣơng đƣơng trên bề mặt dây
106

3.1.6

Xác định hàm khi thời tiết tốt Ftốt và Fxấu: .................................... 107

3.1.7

Tổn thất công suất trên 1 km đƣờng dây: .................................... 108

3.1.8

Tổn thất điện năng trên một km đƣờng dây trong một năm: .... 109

3.1.9

Tổn thất điện năng trên toàn tuyến trong vòng 1 năm: .............. 109

3.2

Đz 500kV (Đoạn 3):................................................................................ 109

3.2.1

Xác định áp suất không khí tại độ treo cao dây so với mặt biển:
109

3.2.2

Xác định mật độ tƣơng đối của không khí: .................................. 110

3.2.3

Xác định cƣờng độ điện trƣờng khởi đầu vầng quang E0: ......... 110

3.2.4
giữa:

Xác định cƣờng độ điện trƣờng trung bình pha ngoài và pha
110

3.2.5
dẫn:

Xác định cƣờng độ điện trƣờng tƣơng đƣơng trên bề mặt dây
111

~4~


3.2.6

Xác định hàm khi thời tiết tốt Ftốt và Fmƣa: ................................... 111

3.2.7

Tổn thất công suất trên 1 km đƣờng dây: .................................... 112

3.2.8

Tổn thất điện năng trên một km đƣờng dây trong một năm: .... 112

3.2.9

Tổn thất điện năng trên toàn tuyến trong vòng 1 năm: .............. 112

KẾT LUẬN .......................................................................................................... 113
1. Nhận xét về nghiên cứu tính toán: .............................................................. 113
2. Khả năng ứng dụng thực tế:..................................................................... 114
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................... 115

~5~

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:
Trong bối cảnh xã hội ngày càng phát triển từng ngày từng giờ, không những ta
có thể nói rằng từng phút từng giây đang diễn ra sự thay đổi về chất lƣợng cuộc sống
con ngƣời ngày càng tăng dẫn đến sự phát triển công nghệ cũng nhƣ các lĩnh vực khác
đều không ngừng thay đổi, cải tiến để phù hợp với thực tế.
Những năm gần đây, do nhu cầu phụ tải tăng theo nhu cầu tiêu thụ điện của
ngƣời dân ngành Điện đã xây mới các hệ thống cung cấp Điện cũng nhƣ hệ thống
truyền tải để đáp ứng điều này. Tuy nhiên, khi đi vào thực tế triển khai chúng ta gặp
phải nhiều vƣớng mắc liên quan đến việc hiệu quả thực hiện hay chính là việc sử dụng
hữu ích nguồn vốn nhà nƣớc để đảm bảo đời sống nhân dân ngoài việc đảm bảo no đủ
còn phải đáp ứng đƣợc nhu cầu ngày càng tăng. Một phần nhỏ trong những vấn đề phải
quan tâm là tổn hao trên Đz truyền tải Điện cao áp và siêu cao áp.
Trong những tổn hao gây ra bởi máy biến áp, dây dẫn, tự dùng và vầng quang
trên Đz cao áp và siêu cao áp thì phần tổn thất gây ra bởi vầng quang là phần tổn thất ta
có thể kiểm soát đƣợc tốt nhất và chính tổn thất này cũng chiếm khá lớn (khoảng 10%).
Điều đầu tiên chúng ta phải nghiên cứu đƣợc tổn thất vầng quang là do đâu, tiếp đến là
giải pháp khắc phục và cuối cùng là ta phải chủ động tính toán đƣợc sau khi thực hiện
giải pháp thì tổn thất là bao nhiêu phần trăm để có những dự báo cần thiết đối với nội
bộ ngành Điện cũng nhƣ các khách hàng dùng Điện. Nói rộng ra là đảm bảo ngành
Điện có thể hoạt động tốt phục vụ khách hàng dùng Điện, nghĩa là tự nuôi sống bản
thân và sinh lợi nhuận, phù hợp với nhu cầu và điều kiện của khách hàng dùng Điện.

~6~


Trong đề tài này, tôi đề cập đến giải pháp phân pha mà hiện tại Điện lực Việt
Nam đang áp dụng cho Đz cao áp và siêu cao áp. Tuy nhiên, thực tế cho thấy chúng ta
chƣa thực sự lƣờng trƣớc đƣợc tổn hao thực tế khi vận hành Đz là bao nhiêu để có
những dự báo kịp thời và việc tính toán vầng quang trong thiết kế Đz và Trạm 220kV,

500kV còn tính toán rất sơ sài không đảm bảo độ tin cậy nhất định.
Tôi mong rằng với những nghiên cứu, tìm tòi và áp dụng vào thực tế tính toán
về giải pháp phân pha để giảm tổn hao vầng quang trên Đz Cao áp và Siêu cao áp của
mình sẽ góp phần nhỏ vào sự phát triển bền vững, dài lâu của ngành Điện. Và đây
cũng là lý do tôi chọn đề tài này.

2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU:
-

Mục đích nghiên cứu của tôi gồm 2 phần cụ thể bao gồm:
o Nghiên cứu về vầng quang và phƣơng pháp hữu ích thực tế để giảm
tổn hao vầng quang trên Đz Cao áp và Siêu cao áp.
o Tính toán tổn thất vầng quang trên Đz 220kV và Đz 500kV thực tế.

Phần nghiên cứu về vầng quang tôi tập trung chủ yếu vào mục đích nắm rõ đƣợc
nguyên nhân, kết quả gây ra bởi hiện tƣợng vầng quang. Tiếp theo tôi tập trung vào
phƣơng pháp phân pha hiện nay các nƣớc trên thế giới và Việt Nam đang áp dụng.
Về phần tính toán tôi xây dựng chƣơng trình tính toán đơn giản, hiệu quả dựa
trên phần mềm rất thông dụng của Microsoft Office (Excel) để tính toán. Mục đích của
tôi là đơn giản hóa những tính toán mà không cần lập trình phức tạp.

3. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU:
Đối tƣợng nghiên cứu của tôi là hệ thống Đz Cao áp và Siêu cao áp đang sử
dụng trong Hệ thống Điện Việt Nam trong tính toán sơ bộ.

~7~


Khi tính toán tổn hao cụ thể tôi tập trung vào Đz hiện đang thi công (đã có
thiết kế) để có thể ứng dụng vào việc đánh giá, thiết kế đối với các Đơn vị tƣ vấn xây

dựng Điện.

4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:
-

Nghiên cứu về hiện tƣợng vầng quang bao gồm nguyên nhân, kết quả,

các phƣơng pháp hạn chế vầng quang.
-

Nghiên cứu về phân pha và các phƣơng pháp tính toán tổn thất vầng

quang gây ra trên Đz Cao áp và Siêu cao áp.
-

Lựa chọn tính toán thử nghiệm thực tế khi phân pha và tính toán tổn hao

cụ thể trên đoạn tuyến Đz 220/500kV hiện đang thi công lắp đặt (đã có thiết kế) bằng
việc xây dựng chƣơng trình tính toán hiệu quả và dễ sử dụng bằng Excel.

5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI:
Đề tài tập trung chủ yếu vào việc nghiên cứu về hiện tƣợng vầng quang, phƣơng
pháp phân pha để làm giảm tổn thất vầng quang trên Đz Cao áp và Siêu cao áp.
Ngoài ra, việc xây dựng chƣơng trình tính toán tổn hao do vầng quang gây ra
trên Đz Cao áp và Siêu cao áp đƣợc cụ thể hóa, đơn giản hóa bởi phần mềm Excel phổ
thông để mọi ngƣời có thể sử dụng dễ dàng, hiệu quả.

~8~

CHƢƠNG I: VẦNG QUANG VÀ TỔN HAO VẦNG QUANG
TRÊN ĐZ CAO ÁP VÀ SIÊU CAO ÁP
I.

TỔNG QUAN VỀ VẦNG QUANG.
1. Sự phóng điện trong điện môi khí:
Quá trình phóng điện trong chất khí là quá trình hình thành dòng plazma trong

toàn bộ hay một phần khoảng không gian giữa hai điện cực. Tùy thuộc vào công suất
nguồn, áp suất khí và dạng của điện trƣờng, quá trình hình thành dòng plazma có khác
nhau và đƣa đến các dạng phóng điện khác nhau nhƣ sau:
-

Phóng điện tỏa sáng: xảy ra khi áp suất thấp, plazma không thể có điện

dẫn lớn vì số lƣợng phân tử khí quá ít. Phóng điện tỏa sáng thƣờng chiếm toàn bộ
khoảng không gian giữa các cực và đƣợc ứng dụng làm đèn nê-ông, đèn quảng cáo,
trang trí, ống phát sáng…vv.
-

Phóng điện tia lửa: xảy ra khi áp suất lớn, plazma không chiếm hết toàn

bộ không gian mà chỉ là một tia dòng nhỏ nối giữa các điện cực. Mật độ điện tích trong
dòng plazma rất lớn nên có thể dẫn đƣợc dòng lớn nhƣng không lớn quá vì bị giới hạn
công suất nguồn. Trong thực tế phóng điện tia lửa áp dụng làm thiết bị đốt lò gaz và
dầu, đánh lửa budi xe máy, ô tô, thử nghiệm cƣờng độ trƣờng cách điện của các điện
môi…vv.
-

Phóng điện hồ quang : tƣơng tự nhƣ phóng điện tia lửa nhƣng ở đây

công suất nguồn lớn và tác dụng thời gian dài. Phóng điện này xảy ra trong quá trình áp
suất cao. Dòng điện hồ quang lớn, đốt nóng dòng plazma làm cho điện dẫn của nó tăng
thêm do đó dòng hồ quang càng tăng. Dòng điện hồ quang sẽ tăng tới mức ổn định khi
có sự cân bằng giữa phát nóng và tỏa nhiệt của khe hồ quang.

~9~


Phóng điện hồ quang là một quá trình đòi hỏi phải có đủ thời gian cần thiết. Bởi
vậy, khi thời gian tác động của điện áp ngắn dù công suất nguồn lớn cũng chỉ gây nên
tia lửa mà thôi (ví dụ phóng điện của sét, phóng điện trên các đường dây tải điện…).
Dòng điện phóng hồ quang có nhiệt độ cao, nên trong thực tế áp dụng là điện cực hồ
quang, hàn hồ quang, hàn điểm, đấu dây dẫn…
-

Phóng điện vầng quang: là một dạng phóng điện đặc biệt chỉ tồn tại

trong trƣờng không đồng nhất và xuất hiện trong khu vực chung quanh điện cực. Dạng
phóng điện này là dạng phóng điện không hoàn toàn vì dòng plazma không nối liền
giữa hai điện cực, do đó không thể có dòng điện lớn. Phóng điện vầng quang chƣa làm
mất hẳn tính chất cách điện của chất khí nhƣng cũng không nên để phát sinh vầng
quang vì nó gây nhiều tác hại. Có thể nói phóng điện vầng quang chính là sự ion hóa
chất khí và quá trình kết hợp các ion trái dấu để trở lại trạng thái bình thƣờng, cả hai
quá trình này đều trả lại năng lƣợng dƣới dạng quang năng. Khi thời tiết xấu có thể
thấy phóng điện vầng quang trên các Đz tải điện áp cao. Phóng điện này gây nên một
tổn thất năng lƣợng lớn trên Đz truyền tải điện, chúng ta phải làm giảm phóng điện này
bằng cách: tăng thiết diện dây dẫn, dùng dây dẫn có bề mặt nhẵn bóng, phân pha dây
thành các dây nhỏ nối liền với nhau để có đƣờng kính lớn. Trong công nghiệp phóng
điện vầng quang đƣợc sử dụng để sơn tĩnh điện, lọc bụi tĩnh điện bảo vệ môi trƣờng…

2. Phóng điện của chất khí trong điện trƣờng không đồng nhất:
2.1 Phân biệt giữa hai loại điện trƣờng gần đồng nhất và không
đồng nhất.
Trong thực tế rất ít khi đạt đƣợc điện trƣờng đồng nhất mà thƣờng là loại điện
trƣờng không đồng nhất nhƣ: điện trƣờng giữa hai dây dẫn, giữa hai hình trụ hoặc giữa
dây dẫn với mặt đất…

~ 10 ~


Đặc điểm của loại điện trƣờng không đồng nhất là sự phân bố không đều của
cƣờng độ điện trƣờng trong không gian giữa hai điện cực. Mức độ không đồng nhất
của điện trƣờng đƣợc biểu thị bằng hệ số không đồng nhất K – đó là tỷ số giữa trị số
cƣờng độ điện trƣờng cực đại (Emax) với trị số trung bình:
K=

(1.1)

: cƣờng độ điện trƣờng trung bình, bằng tỷ số giữa điện áp với chiều dài khoảng
cách giữa các điện cực (

= ).

Cƣờng độ điện trƣờng cực đại

xuất hiện ở trên bề mặt điện cực mà có bán kính

cong bé nhất

(Hình 1.1: Điện trường giữa hai hình trụ đồng tâm)
Thực nghiệm cho thấy tính chất không đồng nhất của trƣờng ảnh hƣởng nhiều
đến quá trình phóng điện. Xét trƣờng hợp điện trƣờng giữa hai hình trụ đồng tâm (Hình
01), trụ có bán kình cong r và trụ ngoài có bán kính R.

~ 11 ~


Cƣờng độ điện trƣờng tại điểm cách tâm khoảng cách x (r

x

R) đƣợc xác

định theo công thức sau:
Ex=

(1.2)

Từ công thức trên ta xác định đƣợc điện trƣờng cực đại xuất hiện trên mặt điện
cực hình trụ nhỏ và có trị số:
Emax =

(1.3)

Còn điện trƣờng cực tiểu xuất hiện trên bề mặt hình trụ lớn:
Emin=

(1.4)

Khi cho thay đổi bán kình r của trụ trong nhƣng giữ cố định bán kính R của trụ
ngoài để đƣợc các mức độ không đồng nhất khác nhau (r càng bé trường càng không
đồng nhất), đồng thời thay đổi trị số điện áp sao cho mọi trƣờng hợp trị số điện trƣờng
cực đại giữ không đổi.

(Hình 1.2: Biểu thị sự phân bố của trường)

~ 12 ~


(Hình 1.3: Biểu thị sự phân bố của hệ số ion hóa α theo x )
Khi bán kính trụ trong càng bé thì trƣờng càng không đồng nhất và hệ số ion
hóa α giảm càng nhanh, đặc biệt ở trƣờng hợp 1 và 2, hệ số α chỉ tồn tại trong một
phạm vi nào đó của khoảng cực nên quá trình ion hóa va chạm chỉ xảy ra trong lớp khí
bao quanh hình trụ bên trong.
Ở trƣờng hợp 3 có hệ số α ≠ 0 trên toàn bộ khoảng cực nên thác điện tử đầu tiên
đƣợc phát triển trên suốt chiều dài khoảng cực và sau đó hình thành dòng, quá trình
phóng điện xảy ra tƣơng tự nhƣ trong trƣờng đồng nhất.
Ở trƣờng hợp 2 thác điện tử chỉ phát triển trong một đoạn tƣơng đối lớn của
chiều dài cực (đoạn có hệ số α ≠ 0), tiếp theo sau là quá trình hình thành dòng thác
khác với trƣờng đồng nhất. Vì cƣờng độ trƣờng ở đoạn còn lại đủ lớn nên vẫn có thể
khiến cho dòng tiếp tục phát triển tới cực đối diện để duy trì quá trình phóng điện giữa
hai điện cực.
Ở trƣờng hợp 1 thác điện tử chỉ phát triển đƣợc một đoạn đƣờng rất ngắn, sau
đó có hình thành dòng nhƣng vì trƣờng ở đoạn còn lại quá bé nên dòng không thể phát
triển tới điện cực đối diện đƣợc. Quá trình phóng điện ở đây vẫn là tự duy trì nhƣng chỉ
~ 13 ~


tồn tại trong một phạm vi nhỏ bao quanh trụ trong mà không chiếm đƣợc toàn bộ

khoảng cách giữa các điện cực. Dạng phóng điện này đƣợc gọi là phóng điện “vầng
quang”. Để có phóng điện hoàn toàn cần phải tăng điện áp cao hơn so với trị số điện áp
phóng điện vầng quang.
Tƣơng ứng với hai trƣờng hợp sau gọi là trƣờng gần đồng nhất. Nhƣ vậy, trong
trƣờng không đồng nhất có hai dạng phóng điện đó là: phóng điện “vầng quang” và
phóng điện “chọc thủng”.
Trên thực tế rất khó xác định ranh giới giữa hai loại điện trƣờng ở trên. Có thể
cho rằng khi trƣờng gần đồng nhất thì hệ số không đồng nhất K < 2 và chỉ khi K > 4 thì
các đặc điểm của quá trình phóng điện của trƣờng không đồng nhất mới biểu hiện rõ
rệt. Từ đó ta có trƣờng gần đồng nhất của hai hình trụ đồng tâm khi có S < r. Trong
trƣờng hợp điện cực là hai bán cầu đƣờng kính là D, trƣờng phân bố giữa hai điện cực
gần đồng nhất khi S < D (S - là khoảng cách giữa hai điện cực).

2.2 Phóng điện trong điện trƣờng không đồng nhất (Phóng điện
vầng quang):
Đặc điểm của điện trƣờng không đồng nhất là sự phân bố không đồng đều
cƣờng độ điện trƣờng trong khoảng không gian giữa hai điện cực. Do sự tăng cƣờng
trƣờng ở phía điện cực có bán kính cong bé nên mọi quá trình ion hóa, quá trình phóng
điện cũng đều bắt nguồn từ đấy dù điện cực là dƣơng hay âm. Khi có ion hóa điện tích
không gian sinh ra sẽ làm biến dạng điện trƣờng bên ngoài và có ảnh hƣởng rất lớn đến
sự phát triển của phóng điện về sau. Cho nên để nghiên cứu về phóng điện trọng
trƣờng không đồng nhất ta cần phải nghiên cứu riêng trong từng trƣờng hợp cụ thể (khi
điện cực có bán kính cong bé là dương hay âm).
Dạng điện cực điển hình cho loại trƣờng không đồng nhất là đôi cực: mũi nhọn
– bản cực. Trong trƣờng hợp không đồng nhất có thể xảy ra hai loại phóng điện đó là:

~ 14 ~


phóng điện “vầng quang” và phóng điện “chọc thủng”. Cả hai loại phóng điện này đều

phụ thuộc vào cực tính, ngoài ra trong đề tài nghiên cứu này mục tiêu của tôi là về
phóng điện vầng quang nên tôi sẽ đi vào vấn đề chính:
2.2.1 Khi mũi nhọn có cực tính dƣơng:
Khi mũi nhọn có cực tính dƣơng và cũng là khu có điện trƣờng mạnh nên trƣớc
khi có xuất hiện vầng quang ở đấy đã có quá trình ion hóa và tạo nên thác điện tử (hình
04a), các thác này sẽ di chuyển về phía mũi nhọn (cực dương) và khi tới nơi các điện
tử của thác đi vào điện cực để lại các ion dƣơng tạo nên lớp điện tích không gian ở khu
vực mũi nhọn. Trƣờng của điện tích không gian dƣơng E+ sẽ làm biến dạng trƣờng bên
ngoài. Kết quả ở phía bên phải trƣờng đƣợc tăng cƣờng (E+ cùng phương với trường
bên ngoài E), ngƣợc lại ở phía bên trái tức là ở khu vực gần điện cực mũi nhọn trƣờng
bị giảm đi (E+ ngược phương với E) do đó sẽ hạn chế quá trình ion hóa gây khó khăn
cho sự hình thành vầng quang. Để duy trì phóng điện vầng quang liên tục cần phản
nâng điện áp lên so với điện áp đặt vào ban đầu, tức là Ufđvq tăng.

(Hình 1.4a: Quá trình phóng điện vầng quang khi mũi nhọn cực tính dương giai đoạn
đầu)

~ 15 ~


(Hình 1.4b: Quá trình phóng điện vầng quang khi mũi nhọn cực tính dương giai đoạn
cuối)
2.2.2 Khi mũi nhọn có cực tính âm:
Cƣờng độ điện trƣờng bên ngoài giảm dần từ mũi nhọn đến cực bản. Ở phía mũi
nhọn có trị số trƣờng cực đại cho nên quá trình ion hóa và hình thành thác điện tử cũng
xảy ra ở khu vực điện cực mũi nhọn, bây giờ là cực âm. Các điện tử của thác sẽ di
chuyển về phía cực dƣơng (cực bản) nhƣng khi bay về phía này, điện tử rơi vào khu
vực trƣờng yếu dần nên ngoài một số bay tới đƣợc cực dƣơng và bị hút vào đấy, số còn
lại do tốc độ giảm dần nên dễ bị hút vào nguyên tử Oxy, hình thành một lớp điện tích
không gian âm ở lƣng trừng khoảng giữa các điện cực.

Các điện tích dƣơng của thác sẽ di chuyển về phía mũi nhọn và hình thành một
lớp điện tích không gian dƣơng ở khu vực này. Chúng không bị hút ngay vào cực âm vì
khối lƣợng của chúng lớn nên tốc độ di chuyển chậm. Trƣờng của các điện tích không
gian (E+ của lớp điện tích không gian dương; E của lớp điện tích không gian âm) sẽ
làm biến dạng trƣờng chung bên ngoài. Do mật độ của lớp điện tích không gian âm bé
hơn so với điện tích không gian dƣơng nên tác dụng làm biến dạng trƣờng của nó yếu
hơn và do đó cƣờng độ điện trƣờng tổng ở khu vực mũi nhọn đƣợc tăng cƣờng làm cho
quá trình ion hóa cũng nhƣ phóng điện vầng quang phát triển dễ dàng hơn. Do vậy, để
duy trì phóng điện vầng quang liên tục ta có quyền giảm điện áp sau khi có thác điện tử
phát triển so với điện áp ban đầu đặt vào giữa hai cực (Ufđvq giảm xuống). Sự phân tích

~ 16 ~


trên đây hoàn toàn phù hợp với kết quả thực nghiệm: điện áp phóng điện vầng quang
khi mũi nhọn có cực tính dƣơng cao hơn so với khi mũi nhọn có cực tính âm nếu có
cùng một khoảng cách cực.

(Hình 1.5a: Quá trình phóng điện vầng quang khi mũi nhọn cực tính âm giai đoạn đầu)

(Hình 1.5b: Quá trình phóng điện vầng quang khi mũi nhọn cực tính âm giai
đoạn cuối)

~ 17 ~


II.

PHÓNG ĐIỆN VẦNG QUAN TRÊN ĐƢỜNG DÂY TẢI
ĐIỆN.

Đƣờng dây tải điện là một phần tử lớn trong hệ thống điện để truyền tải và phân

phối điện năng từ các nhà máy điện đến các nơi tiêu thụ. Sự truyền tải năng lƣợng điện
với công suất lớn thƣờng đòi hỏi phải tăng điện áp và dòng điện trên đƣờng dây dài
hàng trăm thậm chí tới hàng nghìn ki lô mét. Xung quanh dây dẫn điện áp cao có
cƣờng độ điện trƣờng lớn sẽ gây ra hiện tƣợng phóng điện vầng quang và gây nên tổn
hao năng lƣợng lớn, gây nhiễu loạn hệ thống thông tin liên lạc và sự ăn mòn vật
liệu…Do vậy chúng ta phải tìm hiểu và nghiên cứu hiện tƣợng vầng phóng điện vầng
quang trên đƣờng dây cao áp, từ đó đƣa ra các biện pháp làm giảm phóng điện vầng
quang và những tổn thất mà loại phóng điện này gây nên.
Vầng quang là một dạng phóng điện tự duy trì đặc trƣng cho sự phóng điện
trong trƣờng không đồng nhất. Phóng điện tuy đạt đƣợc điều kiện tự duy trì nhƣng
dòng không thể kéo dài trên toàn bộ khoảng cực mà chỉ giới hạn trong phạm vi nhỏ ở
gần điện cực có bán kính cong bé. Phạm vi ấy là quầng của vầng quang, các quá trình
ion hóa hoặc kết hợp trở về trạng thái bình thƣờng của các phân tử bị kích thích phát
sinh rất nhiều phô tông khiến cho vùng hẹp này tỏa sáng (do đó mà có tên gọi là vầng
quang). Các ion đƣợc tạo nên trong quầng của vầng quang dƣới tác dụng của điện
trƣờng sẽ di chuyển dịch ra phía ngoài và hình thành dòng điện vầng quang. Điện áp
tăng cao thì số ion tăng và dòng điện vầng quang tăng. Quan hệ của dòng điện vầng
quang với điện áp là một trong các đặc tính năng lƣợng cơ bản của phóng điện vầng
quang.
Hiện tƣợng vật lý của vầng quang đã đƣợc nghiên cứu ở mục về khe hở mũi
nhọn – cực bản, trong đó mũi nhọn thay thế cho dây dẫn có đƣờng kính bé. Điện áp bắt
đầu có phóng điện tự duy trì gọi là điện áp phát sinh vầng quang ứng với trị số Uvq…

~ 18 ~


Phóng điện vầng quang có ý nghĩa quan trọng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật điện
cao áp. Ở một số cơ sở luyện kim, nhà máy nhiệt điện, nhà máy sản xuất xi măng, hóa

chất…vv…đã dùng vầng quang âm để lọc bụi. Điện tử sinh ra bởi quá trình ion hóa
trong quầng của vầng quang sẽ chuyển dịch về phía cực dƣơng, trong quá trình đó nó
sẽ bám vào bụi khói, di chuyển về và bám vào cực lắng là cực dƣơng. Qua hệ thống
rung và gõ sau chu kỳ nhất định, bụi đƣợc xả xuống phễu thu bụi. Ngoài ra phóng điện
vầng quang còn sử dụng trong hệ thống sơn tĩnh điện đem lại hiệu quả kinh tế và chất
lƣợng sơn.
Trong hệ thống điện vầng quang có các tác dụng khác nhau. Bình thƣờng không
nên để xảy ra vầng quang vì sự chuyển dịch của ion dƣới tác dụng của trƣờng sẽ tạo
nên dòng điện rò, gây tổn hao năng lƣợng. Tuy vậy vầng quang lại có tác dụng tích cực
trong bảo vệ hệ thống điện chống quá điện áp khí quyển. Chẳng hạn khi có sét đánh
trên đƣờng dây, vầng quang sẽ tiêu hao năng lƣợng của các sóng quá điện áp sét, làm
giảm biên độ và độ dốc đầu sóng, do vậy tăng độ an toàn cho cách điện của trạm biến
áp và nhà máy điện.

1. Vầng quang trên đƣờng dây dẫn điện một chiều.
Đặc điểm của phóng điện vầng quang của “dây dẫn – cực bản” khi dây dẫn ngắn
cũng giống nhƣ của khe hở “mũi nhọn – cực bản”. Kết quả quan sát cho thấy khi dây
dẫn có cực tính âm, dòng điện vầng quang cũng có các dạng xung lặp lại đều đặn, còn
khi cực tính dƣơng thì các xung dòng điện rất hỗn loạn. Nhƣng cần phải biết rằng trên
thực tế ngay cả khi dây dẫn đƣợc đánh bóng rất kỹ trên bề mặt cũng có chỗ bị nhám và
ở đó vầng quang xuất hiện sớm.
Khi dây dẫn dài, vầng quang có thể phát triển đồng thời tại nhiều điểm vì vậy
các xung dòng điện hợp lại thành dòng điện liên tục. Nếu tăng điện áp thì vầng quang

~ 19 ~


sẽ phát triển trên toàn bộ bề mặt dây dẫn và dòng điện mất hẳn tính chất không liên tục
của nó.
Thực nghiệm cho thấy, cƣờng độ trƣờng phát sinh vầng quang Evq ít phụ thuộc

vào cực tính. Trong tụ điện hình trụ - dây dẫn bán kính r0 đặt dọc theo trục của hình trụ
bán kính R (R>>r0) – cƣờng độ trƣờng phát sinh vầng quang đƣợc xác định bằng công
thức kinh nghiệm:
Evq=

*

+

√

(1.5)

Và điện áp phát sinh vầng quang:
Uvq = Evq. r0.

(1.6)

Với hai dây dẫn bánh kính r0 đặt cách nhau khoảng cách là s (s >> r0) hay là dây
dẫn đặt cách mặt phẳng h = thì cũng có công thức tính tƣơng tự:
Evq = 29,8. . *

√

+

Uvq = Evq.r0.

(1.7)
(1.8)

Sự dịch chuyển của điện tích từ dây dẫn có vầng quang đến điện cực đối diện
tạo nên dòng điện vầng quang. Dòng điện này có tính chất nhƣ một dòng điện rò và
gây tổn hao năng lƣợng gọi là tổn hao vầng quang. Ứng với đơn vị dài của đƣờng dây,
tổn hao này đƣợc xác định theo công thức:
P = U.I = U.f(u).
I – dòng điện vầng quang; I = f(u) – đặc tính vôn-ampe của vầng quang.

~ 20 ~

(1.9)


Việc xác định biểu thức để giải thích đặc tính vôn-ampe của vầng quang rất
phức tạp, cho đến nay vẫn chƣa đƣợc giải quyết thích đáng do chƣa xác định đƣợc
chính xác sự phân bố điện tích trong quầng của vầng quang cũng nhƣ trong khu vực
ngoài.
Trong tụ điện hình trụ có thể xác định gần đúng đặc tính vôn-ampe bằng cách
giải phƣơng trình Poisson trong tọa độ trụ:
divE =
Với:

+ = .

– mật độ điện tích khối; K =

= .

(1.10)

– độ linh hoạt của điện tích.

Để tính dòng điện vầng quang trong trƣờng hợp này có thể sử dụng công thức
sau:
l=

.U(U-Uvq).

(1.11)

Công thức tính tổn hao vầng quang của đƣờng dây dẫn điện một chiều có thể
viết dƣới dạng gần đúng nhƣ sau:
P = A.U2.(U-Uvq) (kW/km).

(1.12)

Trong đó: A- là hệ số phụ thuộc vào kích thƣớc khe hở.
Trên đƣờng dây dẫn một chiều vầng quang đơn xảy ra khi dây dẫn chỉ có một
cực tính, còn vầng quang kép là khi các dây dẫn đặt trên cột có cực tính khác nhau.

2. Vầng quang trên đƣờng dây dẫn điện xoay chiều
Khi nghiên cứu về phóng điện vầng quang trên đƣờng dây dẫn điện xoay chiều
ba pha, ta cần phải xem xét điện tích khối của các pha có ảnh hƣởng lẫn nhau không.
Vì cực tính của các dây dẫn biến đổi trong từng chu kỳ nên điện tích khối của mỗi pha
~ 21 ~


chỉ bị đẩy ra khỏi dây dẫn một đoạn đƣờng nào đó, còn trong nửa chu kỳ sau lại bị kéo
về phía dây dẫn.
Ta xét quá trình phóng điện trên một dây dẫn xoay chiều với giả thiết dây dẫn

đƣợc nối với nguồn đúng vào lúc điện áp bằng không. Trên hình 06 cho đƣờng biểu
diễn điện áp nguồn U(t) cƣờng độ trƣờng trên mặt dây dẫn Edd(t) và điện tích dây dẫn
Qdd(t) biến thiên trong phạm vi một chu kỳ.

(Hình 1.6: Biến thiên điện áp U theo thời gian, cường độ điện trường E, điện
tích tổng Q, dòng điện vầng quang ivq)
~ 22 ~


*Khi t = t0

t1 thời gian này chƣa xuất hiện vầng quang nên điện tích của dây

dẫn đƣợc tính theo công thức:
Qdd = U.Cdd

(1.13)

Cdd: điện dung của dây dẫn đối với đất khi chƣa có vầng quang.
*Khi t = t1

t2 điện áp và cƣờng độ trên bề mặt dây dẫn đạt trị số tới hạn Uvq,

Evq để phát sinh vầng quang. Lúc này có xuất hiện các dòng plazma, một số ion theo
dòng đi từ dây dẫn ra khoảng không gian xung quanh sẽ tạo nên điện tích khối
dƣơng… Khi điện áp tăng từ trị số Uvq tới trị số biên độ Umax thì dòng càng kéo dài và
số điện tích chuyển dịch ra ngoài càng nhiều khiến cho dòng điện dẫn cao và trƣờng
trong nội bộ dòng bé hơn nhiều so với trị số Evq. Trong khi đó cƣờng độ trƣờng trên bề
mặt dây dẫn giữ không đổi và bằng Evq vì nó chỉ cần đảm bảo có quá trình ion hóa
chung quanh dây dẫn, điện áp tăng sẽ làm cho dòng dài thêm nhƣng trƣờng thì không

tăng thêm. Do đó điện tích trên mặt dây dẫn cũng giữ không đổi:
Qdd = 2.

.Evq

(1.14)

Điện tích này tạo nên phần điện áp trên dây dẫn:
U’dd =

.

(1.15)

Nhƣ vậy phần điện áp còn lại trên dây dẫn U = U = U’dd (biểu thị bởi phần
gạch theo chiều thẳng đứng trên hình…) là do điện tích khối Q tạo nên. Trên hình vẽ,
đƣờng chấm biểu thị trị số điện tích tổng mà nguồn phải cung cấp do có thêm quá trình
hình thành điện tích khối Q, điện tích này có trị số:
Q = Qdd + U

(1.16)

Khi điện áp đạt tới trị số Umax thì cũng đạt đƣợc các trị số Umax, Qmax, Qmax.

~ 23 ~


*Khi t = t2

t3 khi t > t2 điện áp nguồn bắt đầu giảm và kéo theo sự giảm của

điện tích Q. Những điện tích trên bề mặt dây dẫn sẽ chạy về nguồn trƣớc nghĩa là Qdd
bị giảm do đó làm giảm cƣờng độ trƣờng trên mặt dây dẫn và ion hóa chấm dứt. Các
dòng plazma mất dần và tiến tới mất hẳn tính chất dẫn điện, để lại trong khoảng không
gian quanh dây dẫn số lƣợng điện tích khối Qmax.
Tại thời điểm t = t3, toàn bộ phần điện tích trên dây dẫn đã trả về nguồn, cƣờng
độ trƣờng trên mặt dây dẫn cũng nhƣ thành phần điện áp U’dd giảm tới số không. Điện
áp U(t) còn có trị số dƣơng là do ảnh hƣởng của điện tích khối. Đƣờng biểu diễn Edd,
Qdd và U’dd trong khoảng thời gian này đƣợc xác định bằng cách lấy tung độ của đƣờng
U(t) trừ đi một đoạn Umax còn đƣờng Q(t) thì xác định bằng cách cộng thêm vào tung
độ đƣờng Qdd đại lƣợng , Qmax.
*Khi t = t4 trên dây dẫn xuất hiện điện tích âm đủ để tạo nên phần điện áp có trị
số bằng Umax triệt tiêu phần điện áp do điện tích khối gây nên và làm cho điện áp tổng
giảm tới số không.
Tại thời điểm t5 trƣờng trên dây dẫn đã đạt đƣợc trị số tới hạn để phát sinh vầng
quang âm. Xung quanh dây dẫn bắt đầu hình thành điện tích khối âm, chúng sẽ bù các
điện tích khối dƣơng còn lại từ nữa chu kỳ trƣớc và đến khi t = t6 thì điện tích khối
dƣơng đƣợc bù hoàn toàn và điện tích tổng Q lúc này có trị số bằng không. Các thành
phần Edd, Qdd và U’dd sẽ giữ không đổi trong suốt giai đoạn có xảy ra quá trình ion hóa
(t5 ÷ t7).
Từ hình vẽ có thể thấy đƣợc khi t = t5 điện áp nguồn chỉ cần đạt đƣợc tới mức
U0 < Uvq thì đã có thể bắt đầu có vầng quang âm. Trị số U0 đƣợc xác định theo biểu
thức:
U0 = Uvq - Umax

~ 24 ~

(1.17)

Thay thế trị số Umax = Umax - Uvq sẽ đƣợc:
U0 = 2Uvq – Umax.

(1.18)

Do đó nếu biên độ điện áp nguồn càng lớn thì vầng quang âm xuất hiện càng
sớm thậm chí có thể phát sinh ngay trong nửa chu kỳ dƣơng của điện áp (khi Umax >
2Uvq thì U0 < 0).
*Khi t = t5

t7 : Quá trình đƣợc lặp lại nhƣ ở đoạn thời gian t = t1

t2, điện áp

nguồn tăng tới trị số biên độ và điện tích khối âm đạt trị số cực đại Qmax. Các quá
trình về sau cũng đƣợc lặp lại tƣơng tự.
Đồ thị 2 của Hình 06 cho ta quan hệ về dòng điện khi có vầng quang. Trên
thành phần dòng điện, điện dung hình “sin” ic xác định bởi điện áp nguồn và điện dung
hình học của đƣờng dây (ic = Chd

)có xếp chồng thành phần dòng điện do sự chuyển

dịch ion của quá trình ion hóa. Thành phần này chỉ tồn tại trong giai đoạn có vầng
quang (khoảng thời gian t1

t2, t5

t7).

3. Tổn hao vầng quang trên đƣờng dây dẫn điện xoay chiều.

Chúng ta hiểu rằng ngay cả khi thời tiết tốt ở trên dây dẫn của đƣờng dây luôn
luôn tồn tại những phần tử phóng điện vầng quang trong dạng vạch sáng chói hay
stream, mặc dù điện áp làm việc của đƣờng dây thƣờng nhỏ hơn điện áp khởi đầu
không tính đến mọi hƣ hỏng và bụi bẩn trên bề mặt dây dẫn.
Vầng quang xuất hiện gây ra tổn hao công suất ở điện ạp thấp hơn so với điện
áp khởi đầu khi ta nhìn thấy vầng quang, ta gọi đó là vầng quang cục bộ mà nguyên
nhân gây nên là tất cả các dạng không đồng nhất khu trú trên bề mặt dây dẫn (những
vết trầy xước, những điểm gồ ghề, những vết bụi bẩn…). Những điểm xù xì nhƣ vậy
của bề mặt dây dẫn phụ thuộc nhiều vào điều kiện lắp ráp thi công khi tiến hành treo

~ 25 ~