Nghiên cứu tính toán vầng quang và biến dạng sóng trên đường dây truyền tải điện do quá điện áp khí quyển

1
CHƯƠNG I

MỞ ĐẦU
I. Đặt vấn đề
Cùng với sự phát triển nền kinh tế của đất nước, ngành Điện Lực Việt
Nam cũng đã phát triển rất mạnh do nhu cầu và áp lực phát triển rất lớn từ phía
phụ tải. Vì vậy ngành điện phải đầu tư và xây dựng hệ thống điện truyền tải với
cấp điện áp cao, việc truyền tải điện năng ở cấp điện áp cao đã nảy sinh ra
nhiều vấn đề về mặt kỹ thuật khác với lưới điện có cấp điện áp thấp. Vì điện áp
vận hành của hệ thống càng cao nên biên độ điện áp quá độ càng lớn từ đó gây
ra áp lực nguy hiểm cho cách điện đường dây cũng như cách điện của thiết bị.
Hệ thống điện 500KV hình thành ở Việt Nam từ năm 1994 cho đến nay vẫn tiếp
tục phát triển và đường dây 500KV mạch 2 đã đóng điện kip thời vào mùa khô
năm 2005 giải quyết tình trạng thiếu điện ở Miền Bắc, điều này cho thấy việc
thiết kế, tính toán và vận hành đường dây theo một qui trình rất chặt chẽ.
Đường dây truyền tải đóng vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống điện,
vì nó liên kết giữa các nhà máy điện và các hộ tiêu thu điện. Do đường dây
truyền tải có chiều dài lớn và cấp điện áp cao, với chiều dài lớn trải dài từ Bắc
chí Nam của nước ta nên việc xảy ra sự cố do hứng chịu nhiều đợt thiên tai và do
sự cố vận hành trên đường dây là không tránh khỏi. Hiện tượng vầng quang xuất
hiện trên đường dây truyền tải chủ yếu là do quá điện áp gây ra (quá điện áp khí
quyển và quá điện áp nội bộ). Vì vậy vầng quang là một trong những vấn đề cần
khảo sát và nghiên cứu, vì vầng quang làm giảm biên độ điện áp do quá điện áp
xung của khí quyển gây ra do đó vầng quang là một yếu tố không thể bỏ qua.
Khi tính toán thiết kế cần xem xét một cách kỹ lưỡng hiện tượng tổn hao vầng

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

GVHD: TS. Dương Vũ Văn

2
quang trên đường dây để tiết kiệm cách điện cho đường dây và thiết bị điện
trong các nhà máy điện và trạm biến áp.
Vì vậy việc nghiên cứu và tính toán vầng quang trên đường dây tải điện
cao áp là cần thiết mục đích hổ trợ trong công việc thiết kế đường dây và dự báo
được các sự cố xảy ra để cho đường dây vận hành một cách liên tục, ổn định để
tránh tổn thất về kinh tế.
II. Nhiệm vụ của luận văn
1. Nghiên cứu vầng quang một chiều.
2. Nghiên cứu vầng quang xoay chiều.
3. Nghiên cứu vầng quang xung.
4. Nghiên cứu các mô hình vầng quang đã có.
5. Chương trình mô phỏng bằng Matlab.
III. Phạm vi của luận văn
1. Nghiên cứu vầng quang một chiều.
2. Nghiên cứu vầng quang xoay chiều.
3. Nghiên cứu vầng quang xung.
4. Nghiên cứu các mô hình vầng quang đã có.
5. Lựa chọn mô hình.
6. Chương trình mô phỏng bằng Matlab.
7. Kiểm chứng, đánh giá độ chính xác của mô hình.
IV. Các bước tiến hành
-

Nghiên cứu phần mềmï Matlab.

-

Nghiên cứu các mô hình vầng quang đã có.

-

Thu thập tài liệu.

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

GVHD: TS. Dương Vũ Văn


3

-

Lựa chọn mô hình.

-

Thực thi mô hình.

-

Đánh giá mô hình.

V. Tính mới của đề tài
-

Nghiên cứu đặc tính động (phụ thuộc điện áp) mô hình vầng quang cho một
pha của đường dây truyền tải điện.

-

Phương pháp giải mới là dùng hệ phương trình trạng thái giải mô hình vầng
quang.

-

Giải bài toán mô hình vầng quang một pha với hệ phương trình trang thái và
so sánh độ chính xác với mô hình thí nghiệm.

VI. Tính thực tiễn
-

Là một công cụ rất hữu ích để phân tích các thí nghiệm và mô phỏng vầng
quang trong thiết kế và lựa chọn tối ưu thiết bị cho đường dây tải điện, nhà
máy điện và trạm biến áp.

-

Là công cụ rất quan trọng trong việc xem xét phối hợp cách điện và nghiên
cứu độ biến dạng điện áp xung trên đường dây.

-

Với phần mềm Matlab rất quen thuộc và thông dụng sẽ giúp ích cho việc
nghiên cứu, phục vụ công tác thiết kế đường dây tải điện.

VII. Nội dung của luận án
Chương 1. Mở đầu
Chương 2 . Tổng quan về vầng quang.

Chương 3 . Các mô hình tính toán vầng quang xung đã có.

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

GVHD: TS. Dương Vũ Văn


4
Chương4. Phương pháp phân tích quá độ của không gian trang thái của
đường dây tải điện với vầng quang.
Chương 5 . Kết qủa mô phỏng và kết luận.

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

GVHD: TS. Dương Vũ Văn


5
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ VẦNG QUANG

I. Giới thiệu:
- Điện áp xung truyền trên đường dây tải điện trên không bị tổn hao và
méo dạng phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Vầng quang là một yếu tố làm
giảm giá trị biên độ và độ dốc của điện áp xung. Vầng quang có vai trò
rất quan trọng trong việc bảo vệ quá điện áp và cách điện của đường
dây.
- Hiệu ứng vầng quang truyền trên đường dây đã được các nhà khoa học
nghiên cứu từ đầu thế kỷ 19. Vầng quang là một trong những hiện tượng
quá độ của đường dây truyền tải. Tuy nhiên vầng quang được tính một
cách định lượng vì nhiều lý do: Tính chất vật lý phức tạp của vầng quang,

sự ảnh hưởng qua lại giữa vầng quang và điện áp xung.
- Mặc dù vầng quang trên đường dây truyền tải gây ra tổn hao điện áp,
nhiễu tín hiệu thông tin, vô tuyến, hiệu ứng điện trường, thay đổi điện
dung của đường dây… nhưng vầng quang điện đã làm suy hao và biến
dạng sóng điện áp xung của đường dây do đó vầng quang làm tiết kiệm
vật liệu cách điện, thiết bị bảo vệ cho đường dây, cho các nhà máy điện
và trạm biến áp…
II. Sự hình thành vầng quang:
Vầng quang là một dạng phóng điện tự duy trì xuất hiện trong điện
trường rất không đồng nhất.
Khi điện áp tác dụng đạt đến một trị số nào đấy, cường độ điện trường ở
gần điện cực có bán kính cong bé đạt đến trị số tới hạn để gây ion hoá va chạm
không khí, phóng điện duy trì được thực hiện. Nhưng, thác và dòng plasma được

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

GVHD: TS. Dương Vũ Văn


6
tạo nên chỉ tồn tại trong một lớp khí mỏng xung quanh điện cực bán kính cong
bé (nơi có ion hoá va chạm). Trong khoảng cách còn lại, không khí vẫn giữ tính
chất cách điện. Đây là dạng phóng điện không hoàn toàn hay phóng điện cục
bộ.
Quá trình kết hợp lại của các điện tích trái dấu và quá trình trở về trạng
thái bình thường của các phân tử khí bị kích thích phát ra nhiều photon, làm cho
lớp khí mỏng bao quanh điện cực có kính cong bé toả sáng, tạo nên vầng sáng,
do đó mà có tên gọi là vầng quang (corona).
III. CÁC DẠNG PHÓNG ĐIỆN VẦNG QUANG TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI
ĐIỆN:

Phóng điện vầng quang trên đường dây tải điện ở các dạng điện áp khác
nhau được xét ở ba dạng sau: vầng quang điện một chiều, vầng quang điện xoay
chiều ở tần số công nghiệp và vầng quang ở điện áp xung.
1.Vầng quang trên đường dây tải điện một chiều:
Đường dây truyền tải điện một chiều ở nước ta hiện nay chưa được xây
dựng và phát triển nhưng ở một số nước Bắc Mỹ có ngành điện lực phát triển
mạnh họ đã xây dựng và vận hành đường dây truyền tải điện một chiều vì có
những tính năng vượt trội của nó. Do đó vầng quang trên truyền tải điện một
chiều cũng cần nghiên cứu.
a. Khái niệm:
Xung quanh dây dẫn của đường dây tải điện có điện áp cao (điện cực có
bán kính cong bé) nơi có điện trường đủ cao để gây ion hoá va chạm chất
khí gây nên phóng điện vầng quang.

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

GVHD: TS. Dương Vũ Văn


7
b. Phân loại:
- Vầng quang đơn cực: là trường hợp vầng quang chỉ xuất hiện ở một
cực, còn ở cực kia do cường độ điện trường bé nên không xảy ra ion hoá
không khí.
Ví dụ: trường hợp giữa dây dẫn mang điện một chiều và mặt đất.
I
+

+
+

+

+

+

+
+ +
+
+ +
++ +
+
+ + +
+ +
+
+ +
+
+u
+ + +
+
+
+
+
+
+
+
+ + + + ++ +
+
+ +

+

-

Hình 1.1: Vầng quang đơn cực trên đường dây tải điện một chiều.
- Vầng quang lưỡng cực: vầng quang đồng thời xuất hiện ở cả 2 cực trái
dấu nhau.
Ví dụ: trên đường dây tải điện một chiều gồm 2 dây dẫn điện thế ±U

+
+

+

+

+

+
+

+

+
+

+
+

+

+

+

+
++ + +
+
+
+
+
+
++ +
+ + + +u
+
+ +
+
+ +
+
+
+
++
+
+ + + + ++++++
+ +
+
+ +

Hình 1.2: Vầng quang lưỡng cực trên đường dây tải điện một chiều.

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

GVHD: TS. Dương Vũ Vaên


8
c. Một số công thức:
- Cường độ điện trường tới hạn trên bề mặt dây dẫn khi vầng quang ổn
định:
Evq = 30.3m. δ (

0 .3
ro.δ

) [kV/cm]

(1.1)

- Điện áp phát sinh vầng quang:
Uvq=Evq.r0.ln

s
[kV]
r0

(1.2)

Với:
m - hệ số nhẵn của dây dẫn, ở dây vặn xoắn m = 0.82- 0.9
r0 - bán kính của dây dẫn (cm)

s - khoảng cách giữa hai dây dẫn s >> ro (cm)
δ - Mật độ tương đối của không khí

- Tổng quát, tổn hao vầng quang ứng với một đơn vị chiều dài của đường
dây (km)
P = U.ivq
-

(1.3)

Lượng ion rời khỏi vầng sáng phụ thuộc điện áp tác dụng U, suy ra ivq
= f(U)

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

GVHD: TS. Dương Vũ Văn


9

ivq(µA/k
m)
20

2
10

3
1
0

2

26 2

3

3

u(kV)

Hình 1.3: Dòng điện vầng quang trên đường dây tải điện một chiều
phụ thuộc vào điện áp.
Trên cơ sở vầng quang ổn định, ta xác định biểu thức gần đúng cho
ivq=(U).
ta có:
Evq = Eo
ivq / đơn vị dài = const
ivq =
với A =

8.π .εo.ε .k
.U.(U - Uvq) = k.A.U.(U-Uvq)
R 2 . ln( R / ro)

(1.4)

8.π .εo.ε
hệ số phụ thuộc kích thước hình học của dây dẫn.
R . ln( R / ro)

2

- Tổn hao vầng quang trên một đơn vị chiều dài đường dây tải điện một chiều.
P = U.ivq = k.A. U2 . (U - Uvq)

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

[kw/km]

(1.5)

GVHD: TS. Dương Vũ Văn


10

P(kW/k
m)

1

0.8

2

0.6
1

0.4
0.2

0

100

U(kV)
300

200

1 – Thời tiết tốt.

2 – Mưa phùn.

Hình 3.3: Tổn hao vầng quang ờ đường dây tải điện một chiều,
đường kính dây dẫn 25 mm.
2. Vầng quang trên đường dây tải điện xoay chiều:
a. Sự di chuyển của điện tích không gian:
Trên đường dây tải điện xoay chiều, cực tính của dây dẫn thay đổi
trong từng chu kỳ. Trong nửa chu kỳ này, khi xuất hiện phóng điện vầng
quang, thì số điện tích không gian cùng dấu với cực tính của dây dẫn bị đẩy
ra xa, nhưng sang nửa chu kỳ sau, cực tính của dây dẫn thay đổi, số điện
tích không gian đó lại bị kéo về phía dây dẫn.
Cũng dựa trên tính chất là cường độ điện trường trên bề mặt dây dẫn
trong suốt quá trình phóng điện vầng quang ở mỗi nửa chu kỳ là không đổi
và bằng trị số tới hạn Evq = Eo, mật độ điện tích không gian ρ khi vầng quang
ổn định là không đổi thì ta có Er = const. Như vậy, tại một điểm cách xa trục
dây dẫn một đoạn r sẽ có quan hệ: E * r = Eo * ro = const

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

GVHD: TS. Dương Vũ Văn


11

ro
Eo

E
r

Hình 2.6: Sự thay đổi của cường độ điện trường trong khoảng cách không khí.
Tốc độ di chuyển của ion tỉ lệ với cường độ điện trường:
v=

r
dr
= k .E = k .E o o
dt
r

Từ đó suy ra:
dt =

1
r.dr
k .E o .ro

Quảng đường dài nhất rmax mà một ion có thể chuyển dịch được trong khoảng
thời gian nửa chu kỳ (T/2) được xác định từ tích phân phương trình theo các

giới hạn tương ứng:
T /2

∫

0

dt =

1
k .E0 .r0

2
− r02
T rmax
=
2 2.k .E 0 .r0

∫

rmax

0

rdr

(2.6)

Vì rmax >> r0 thì có thể tính gần đúng:

rmax = k .T .E 0. r0

(2.7)

Trong nửa chu kỳ của điện áp, ion chỉ dịch chuyển được một đoạn đường
rất ngắn so với khoảng cách giữa dây dẫn các pha khác nhau. Do đó có thể
xét quá trình phóng điện vầng quang ở mỗi pha độc lập nhau.

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

GVHD: TS. Dương Vũ Văn


12

Từ nhận xét trên, có thể suy ra rằng vầng quang trên đường dây dẫn mỗi pha
của đường dây tải điện xoay chiều có khoảng cách giữa các pha lớn là
trường hợp vầng quang đơn cực.

Quá trình phóng điện vầng quang trên mỗi pha:
∆Umax
+

Uvq,Evq

+
Upmax
t4 t6
t5

t0 t1

t2

t3

∆Umax

∆Umax t8
t7
t9
Uvq,Evq

t11
t10

U0

t

t12

∆Umax
Uvq,Evq

-

∆Umax
Hình 2.7: Sự biến thiên của điện áp tác dụng Uph và cường độ điện
trường trên bề mặt dây dẫn trong quá trình phóng điện vầng quang theo

thời gian.
Giả thiết đường dây được đóng vào nguồn điện áp tại thời điểm t0 lúc
điện áp qua trị số không (Uph=0), sau đó bắt đầu chu kỳ dương.

Trước thời điểm t1, chưa có ion hoá không khí nên điện tích do nguồn
cung cấp đều phân bố trên bề mặt dây dẫn và có quan hệ đường thẳng với điện
áp tác dụng theo:
Q = Qdd = CG.Uph

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

(2.8)

GVHD: TS. Dương Vũ Văn


13
Với CG – là điện dung đối với đất của dây dẫn khi chưa có vầng quang,
chỉ phụ thuộc vào các kích thước hình học của đường dây, nên còn gọi là điện
dung hình học.
Điện trường trên bề mặt dây dẫn trong giai đoạn này là:
E dd =

CG .U ph
Qdd
=
2π .ε 0 .ε .r0 2π .ε 0 .ε .r0

(2.9)

Sau thời gian t1, điện áp nguồn Uph tăng, trong không gian xung quanh
dây dẫn tích lũy dần điện tích không gian cùng dấu với cực tính của dây dẫn,
trong giai đoạn này là ion dương. Đám ion dương này có tác dụng điều chỉnh
cường độ điện trường trên bề mặt dây dẫn không đổi: Evq= m.E0. Ngay sau khi
xuất hiện vầng quang, điện áp tác dụng tiếp tục thay đổi theo quan hệ hình sin
còn cường độ điện trường trên bề mặt dây dẫn không đổi.

Sau thời điểm t2, điện áp nguồn Uph bắt đầu giảm, kéo theo sự giảm điện
tích tổng nhưng điện tích không gian vẫn tiếp tục bị đẩy ra xa dây dẫn vì dây dẫn
vẫn mang cực tính dương. Do vậy, điện tích trên dây dẫn giảm, làm cho cường
độ điện trường trên bề mặt dây dẫn giảm, chấm dứt quá trình ion hoá. Điện tích
của plasma giảm dần và vầng quang tắt, bỏ rơi lại trong không gian đám ion
dương tiếp tục bị đẩy xa dây dẫn.
Tại thời điểm t3, toàn bộ số điện tích trên bề mặt dây dẫn đã trả về nguồn
Qdd = Edd = Udd= 0 nhưng điện tích không gian dương vẫn tiếp tục bị đẩy ra xa
dây dẫn, vẫn duy trì lượng ∆Qmax.

Từ thời điểm t4, điện áp nguồn đổi sang nửa chu kỳ âm, vẫn duy trì lượng
∆Qmax.

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

GVHD: TS. Dương Vũ Văn


14
Tại thời điểm t5, khi cường độ điện trường trên bề mặt dây dẫn đạt đến trị
số tới hạn Evq để phát sinh vầng quang âm thì điện áp nguồn Uph chỉ đạt đến trị
số U0 < Uvq.

Trong khoảng thời gian từ t5 đến t6: khi vầng quang âm xuất hiện, điện
tích không gian âm bị đẩy ra xa dây dẫn, số lượng tăng dần theo điện áp và khử
dần số ion dương của nửa chu kỳ trước còn lại đang bị hút về phía dây dẫn.

Tại thời điểm t6, số điện tích không gian dương của nửa chu kỳ trước bị
khử hoàn toàn.

Trong thời gian từ t6 đến t7: điện áp nguồn tăng, quá trình ion hóa tiếp tục
phát triển. Số ion âm bị đẩy ra khỏi vầng quang sáng trở thành điện tích không
gian âm tăng dần.

Tại thời điểm t7, điện tích không gian đạt đến trị số cực đại. Khi điện áp
nguồn qua trị số cực đại âm, điện tích tổng cũng đạt đến trị số cực đại.

Sau thời gian t7, điện áp nguồn giảm kéo theo sự giảm điện tích tổng. Quá
trình lặp lại như ở chu kỳ dương.
Trong tất cả các nửa chu kỳ của điện áp nguồn, trừ nửa chu kỳ đầu tiên,
nguồn phải cung cấp cho dây dẫn một lượng điện tích không gian bằng 2∆Qmax.
Trong đó một nửa chu kỳ đã bị tiêu hao để khử lượng điện tích không gian ∆Qmax
ngược dấu của nửa chu kỳ trước còn lại.

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

GVHD: TS. Dương Vũ Văn


15
Về sự biến thiên của dòng điện trong quá trình phóng điện vầng quang của dây
dẫn:
ivq

U
i = ivq + ic
t
ic

+

+
t1

t2

t4

+
t6

t7

t9

Hình 2.8: Dòng điện điện dung (ic) và dòng điện vầng quang (ivq) biến thiên theo
thời gian.
Về sự biến thiên của dòng điện trong quá trình phóng điện vầng quang
của dây dẫn, dòng điện tổng chủ yếu gồm hai thành phần xếp chồng lên nhau:
− Dòng điện điện dung ic = CG

dU
được xác định bởi điện dung hình

dt

học cũa dây dẫn và tốc độ biến thiên của điện áp nguồn. Nó vượt
trước Uph 900.

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

GVHD: TS. Dương Vũ Văn


16

− Dòng điện vầng quang ivq, chủ yếu do sự chuyển dịch chậm chạp
của các ion dưới tác dụng của điện trường ra xa dây dẫn trong nửa
chu kỳ dây dẫn có cùng cực tính và bị hút về phía dây dẫn trong
nửa chu kỳ trái dấu sau.
Trong thực tế, quá trình phát triển của các nhóm thác điện tử và các dòng
trong khu vực ion hoá, mãnh liệt nhất là trong nửa chu kỳ dương của điện áp
nguồn, đã tạo ra các xung cao tần gây nhiễu vô tuyến.

3. Phóng điện vầng quang trên đường dây truyền tải ở điện áp xung:
Trong thực tế hệ thống điện thường chịu tác dụng của điện áp xung như
quá điện áp khí quyển và quá điện áp nội bộ. Loại quá điện áp này làm điện
tăng nhanh từ zero đến giá trị cực đại (đỉnh của đầu sóng) và sau đó giảm đến
giá trị zero (đuôi sóng). Từ thực nghiệm thấy rằng khi điện áp đi qua giá trị biên
độ thì sóng quá điện áp không còn khả năng gây nên phóng điện. Do đó chúng
ta không cần khảo sát ở phần đuôi sóng.
Phóng điện vầng quang trên đường dây truyền tải ở điện áp xung cũng như
tương tự như phóng điện vầng quang ở đường dây tải điện một chiều và xoay
chiều ở tần số công nghiệp, tuy nhiên biên độ sóng quá điện áp thường vượt rất

nhiều lần so với điện áp phát sinh vầng quang. Vì vậy khi truyền trên đường dây
nó gây nên phóng điện vầng quang mãnh liệt. Vầng quang tiêu hao một phần
năng lượng của sóng, do đó làm biến dạng và giảm biên độ của sóng.
Ở cùng giá trị biên độ điện áp thì vầng quang dương mãnh liệt hơn vầng
quang âm nhiều lần, dòng plasma dài hơn và tiêu hao nhiều năng lương hơn và
sóng biến dạng nhiều hơn.

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

GVHD: TS. Dương Vũ Văn


17
Vầng quang do sóng quá điện áp tạo nên là vầng quang xung, nó có một
số đặc điểm khác với vầng quang một chiều và vầng quang xoay chiều ở tần số
công nghiệp. Các đặc điểm đó như sau:
- Khu vực ion hoaù của vầng quang xung cũng lan truyền trên đường dây
cùng với sóng quá điện áp đi qua. Sau khi sóng q điện áp đi qua thì vầng quang
xung giảm, các điện tích cịn sót lại sẽ bị trung hoà.
- Vầng quang xung có cấu tạo dịng, nhưng là dịng điện tích trong dịng
plasma. Do đó dịng điện tăng lên rất cao theo biên độ của sóng quá điện áp.
- Vầng quang xung lan truyền dọc theo chiều dài của dây dẫn gồm các dịng
plasma rời rạc khơng liền nhau nên khơng có sự dịch chuyển điện tích men theo
chiều dài đường dây.
- Đầu sóng bị biến dạng nhiều.
- Đi sóng ít biến dạng.
- Biên độ sóng giảm và dịch chuyển về phía đi.
- Khoảng cách truyền sóng càng dài thì sự biến dạng đầu sóng và biên độ
sóng giảm càng rõ rêt.
- Điện dung của dây dẫn sẽ tăng khi điện áp càng cao thì điện dung càng

lớn.
Khi điện áp xung nhỏ hơn điện áp hình thành vầng quang (Uvà điện áp quan hệ theo đường thẳng.
- Khi điện áp xung lớn hơn điện áp hình thành vầng quang (U>Uvq) thì quan
hệ giữa điện tích và điện áp ở đầu sóng có quan hệ theo hàm bậc hai.
- Khi xuất hiện vầng quang thì điện dung của dây dẫn sẽ tăng và khi điện áp
càng cao thì điện dung càng lớn, điện dung lúc này là điện dung động (phụ thuộc
vào điện áp).

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

GVHD: TS. Dương Vũ Văn


18

Trên đây là một số đặc điểm của vầng quang xung. Trong phạm vi của luận
án này chỉ tâp trung nghiên cứu vầng quang xung xảy ra do sét trên đường dây
truyền tải.
4. Tác hại và biện pháp giảm thiểu ảnh hưởng:
4.1 Tác hại:
− đường dây tải điện, dòng điện vầng quang lớn gấp hàng trăm lần
dòng điện rò và gây nên tổn hao năng lượng lớn. Tổn hao vầng
quang có thể tương đương với tổn hao trên điện trở tác dụng của
dây dẫn dưới tác dụng của dòng điện làm việc.
− Dòng điện vầng quang ngoài thành phần biến thiên chậm do sự
chuyển dịch tương đối chậm của điện tích không gian (với tốc độ
ion) ở khu vực ngoài quầng sáng, còn chứa nhiều xung cao tần
tương ứng với sự phát triển của các nhóm thác hoặc dòng. Thành
phần cao tần của dòng điện vầng quang là nguồn phát ra những bức

xạ điện từ mạnh có phổ tần rộng (khoảng từ 0.15 đến 100Mhz),
trùng với dải tần kỹ thuật vô tuyến. Do đó, gây nhiễu mạnh đối với
các thiết bị thông tin, liên lạc, truyền hình vô tuyến đặt quá gần các
đường dây tải điện cao áp.

− Ngoài ra, phóng điện vầng quang trong không khí còn làm phân
huỷ nhiều loại cách điện gốc hữu cơ và làm rỉ sét kim loại.

− Thúc đẩy quá trình suy thoái vật liệu cách điện và cuối cùng dẫn
đến phóng điện xuyên thủng cách điện rắn và lỏng của các thiết bị
cao áp như MBA, máy điện quay, cáp, tụ….

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

GVHD: TS. Dương Vũ Văn


19
4.2 Biện pháp:
− Để giảm tổn thất điện năng và nhiễu vô tuyến đến mức có thể
chấp nhận được thì trong thiết kế đường dây tải điện, nhất là
các đường dây siêu cao áp, phải chú ý đến cấu trúc hợp lý của
dây dẫn và phụ kiện, đồng thời phải tôn trọng những khoảng
cách cho phép đến các trung tâm thông tin liên lạc vô tuyến.
− Tăng bán kính cong của bề mặt điện cực.
Ví dụ: Ở đường dây tải điện thuộc các cấp điện áp cao và siêu cao
thường dùng dây dẫn có tiết diện tăng cường hay phân pha.

4.3 Ứng dụng:
− Trên các đường dây tải điện khi xảy ra quá điện áp thì sự xuất

hiện phóng điện vầng quang có tác dụng tiêu hao bớt một phần
năng lượng, làm cho biên độ và độ dốc của sóng quá điện áp
giảm bớt, thuận lợi cho việc bảo vệ các thiết bị điện quan trọng
trong các trạm phân phối và nhà máy điện.

− Vầng quang âm được ứng dụng trong các thiết bị lọc bụi (có
nguyên lý làm việc như hình 1) ở ống khói các nhà máy nhiệt
điện đốt than, nhà máy luyện kim, xi măng, hoá chất…. Để làm
sạch môi trường không khí.

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

GVHD: TS. Dương Vũ Văn


20

110kV
K
-

v

2

A

1
+

Hình 2.1: Nguyên lý làm việc của một máy lọc bụi

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

GVHD: TS. Dương Vũ Vaên


21
CHƯƠNG III:

CÁC MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VẦNG QUANG XUNG
Quá điện áp khí quyển truyền trên đường dây bị tổn hao và biến dạng do
nhiều nguyên nhân trong đó có hiệu ứng vầng quang và hiệu ứng mặt ngoài của
dây dẫn gây ra. Sự tổn hao này làm giảm độ dốc đầu sóng, giá trị đỉnh sóng có
thể cho phép ta giảm thấp cấp cách điện của thiết bị để bảo vệ cho trạm biến áp
và thiết bị cho các nhà máy điện.
Tính toán ảnh hưởng vầng quang xung đến sự biến dạng của sóng quá
điện áp đã được thực hiện bỡi nhiều nhà nghiên cứu. Có nhiều mô hình tính
toán với nhiều khiá cạnh khác nhau: tính toán tổn hao vầng quang, tính toán
dòng điện dung vầng quang, dòng điện vầng quang… hầu hết các mô hình được
xây dựng dựa trên đường cong Q-V có sẵn, mà đường cong này không phải lúc
nào cũng có sẵn. Sau đây là một số mô hình vầng quang tiêu biểu đã được xây
dựng.
I. Mô hình của Dolginov (1949) [1]
Dưa vào kết quả tính toán thực nghiệm của đường cong Q-V không
đường thẳng của vầng quang xung trên đường dây, Dolginov đã đề nghị mô hình
như sau:
Trước khi xuất hiện vầng quang xung (Utrên dây dẫn có quan hệ theo đường thẳng:
Qdd = CGU

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

GVHD: TS. Dương Vũ Văn


22

Hình 1: Đường cong q-v của dây
dẫn

Hình 1: Mô hình vầng quang, khi V>Vi và ∆V > 0 ,S
đóng
Trong đó: CG là điện dung hình học của dây dẫn đối với đất.
Khi U>Uvq thì quan hệ giữa điện dung Q và điện áp U ở phần đầu sóng có thể
biểu diễn theo hàm bậc hai:
Q = CGU (1 + BU )

Qdd và Q là điện tích được tính theo đơn vị chiều dài của đường
dây.
B là hệ số xác định bằng thực nghiệm phụ thuộc vào đường kính d
và cực tính của dây dẫn.

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

GVHD: TS. Dương Vũ Văn


23
Điện dung động có thể biểu diễn bằng biểu thức:

Cd =

dq
= CG (1 + 2 BU )
dt

* Nhận xét mô hình:
1. Ưu điểm của mô hình:
- Mô hình tính toán đơn giản.
- Mô hình tính toán sự thay đổi điện dung của dây dẫn khi vầng quang
xảy ra. Vầng quang là một trong những nguyên nhân quan trọng gây nên sự suy
giảm và biến dạng sóng quá điện áp.
2. Nhược điểm của mô hình:
- Xác định hệ số B phải dựa vào đường cong thực nghiện Q-V của đường
dây.
- Mô hình chưa đề cập đến thời gian trễ.
- Mô hình tính toán đơn giản nên chưa có độ chính xác cao.

II. Mô hình của Mohamed Khalifa, Rushdy Radwan, Assaad Zeitoun, Afaf
Abdel Fattah (1970)

[2]

Các tính toán trước đây theo hai phương pháp:
- Phương pháp 1: Việc ion hoá lớp không khí xung quanh dây dẫn làm
tăng đường kính và điện dung của dây dẫn do đó làm giảm tốc độ truyền
sóng.
Phương pháp 2: Tổn thất vầng quang.
Tính toán tổn thất dòng điện vầng quang và sóng quá điện áp. Mô
hình được xây dựng với các giả thiết sau:

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

GVHD: TS. Dương Vũ Văn


24
i.

Biên giới của vùng ion hoá có bán kính ri tương ứng với cường độ điện
trường ion hoá tiêu chuẩn. ri phụ thuộc vào giá trị tức thời của điện áp.

ii.

Các ion hoá tạo ra ở mỗi thác điện tử trước đó đến quá trình hình thác
điện tử mới.

iii.

Điện tích không gian của mỗi thác tập trung ở khoảng 1/α (cm) tính từ
đỉnh thác. Điện tích không gian trước đó được thay bằng một điện tích
tương đương.

iv.

Thác điện tử phát triển dễ dàng khi đầu thác đến gần dây dẫn hoặc ở
vị trí mà cường độ điện trường giảm xuống dưới điện trường tiêu
chuẩn.

v.

Các thác điện tử sinh ra do sự giải phóng các photon của các thác điện
tử trước đó. Số thác điện tử sinh ra trong lần thứ n là (2n-1).

vi.

Điện trường trong vùng ion hoá thì đối xứng quanh dây dẫn có dạng
hình trụ.

vii.

Điện tích không gian ảnh hưởng tới biên độ của điện trường nhưng
không ảnh hưởng tới phương của điện trường.

viii.

Tốc độ ion hoá và thác điện tử tỉ lệ với cường độ điện trường tổng.

ix.

Số thác điện tử sinh ra tại mỗi thời điểm xảy ra vầng quang xung
quanh dây dẫn là không tuyến tính.

x.

Các điểm trong vùng xảy ra vầng quang được phân bố đồng nhất xung
quanh dây dẫn.

a. Tính toán dòng điện vầng quang xung:
Các bước tính toán của mô hình có thể tóm tắt như sau:

i.

Giả sử ban đầu có một điện tử di chuyển về phiá dây dẫn từ khoảng
cách ri. Xem điện tử bắt đầu của thác điện tử thứ nhất, số các điện tử ở
khoảng cách x so với điểm bắt đầu ở thác thứ n là:

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

GVHD: TS. Dương Vũ Văn


25



N e ( x ) = (2n − 1) exp ∫ (α + µ − η )dx 





Quá trình ion hoá được thực hiện theo từng bước ∆x =
α : hệ số ion hoá va chạm

1

α

µ : hệ số năng lượng ion hoá
η : hệ số va chạm

x − ∆x

∑ N (x )

ii.

Điện tích không gian của các bước trước đó là:

iii.

Số điện tích không gian dương di chuyển ra khỏi dây dẫn là: KNET

iv.

Dòng điện vầng quang của thác thứ n là:
ivq = in =

e

1
[eN e ( x )KE 2 ( x ) / U (t )]dt
Tn ∫

Trong đó:
e: điện tử
E(x): cường độ điện trường
K: hằng số chuyển động của ion và thác điện tử
Từ biểu thức này ta có thể vẽ được đường cong biểu diễn quá trình thay đổi dòng
điện vầng quang theo thời gian.
b. Tính toán biến dạng sóng:

Đường dây được chia làm nhiều phân đoạn, mỗi phân đoạn dài 5m.
Bỏ qua điện trở và điện dẫn của dây dẫn. Sóng biến dạng được xem như chỉ
chịu duy nhất ảnh hưởng của vầng quang. Điện dẫn trên mỗi phân đoạn là:
G (U ) = 5.I vq (u ) / u (t , x )

Các bước tính toán như sau:
i.

Điện áp xung được chia làm nhiều phân đoạn nhỏ, mỗi phần 50ns.
Trong suốt thời gian của một phân đoạn điện áp được xem bằng hằng

Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân

GVHD: TS. Dương Vũ Văn