7 ảnh hưởng của hiệu ứng Corona ở đường dây trên cao

tổn-thất-điện

Tất cả các quá trình ion hóa liên quan đến việc tạo ra phóng điện hào quang trong các vùng có ứng suất cao và gần dây dẫn của đường dây, cũng như sự chuyển động của các hạt mang điện trong điện trường, đều gây tổn thất năng lượng.

Phần lớn năng lượng được chuyển thành nhiệt làm nóng không khí ở vùng lân cận của các dây dẫn. Một phần nhỏ năng lượng được chuyển đổi thành bức xạ điện từ bao gồm phát xạ ánh sáng, thành năng lượng âm thanh hoặc năng lượng điện hóa và tạo ra khí thải ozon và oxit nitric.

  1. Tổn thất Corona

Tổn thất điện năng, được xác định bằng tốc độ mà năng lượng được hút bởi hào quang từ nguồn điện cao áp, được gọi là tổn thất hào quang. Vì các thành phần điện từ, âm học và điện hóa chỉ là một phần nhỏ của năng lượng tổng thể nên sự mất mát hào quang được gây ra bởi sự chuyển động của các ion âm và dương trong điện trường.

Thời gian tồn tại của các electron được tạo ra trong quá trình phóng điện, trước khi chúng đính vào các phân tử trung hòa và trở thành ion âm là rất ngắn, do đó, chuyển động của chúng trong điện trường chỉ làm phát sinh các xung dòng điện thời gian ngắn, không đóng góp đáng kể vào hào quang.

Trước khi xuất hiện hào quang, nguồn điện chủ yếu là dòng điện dung. Dòng điện dung chạy trong dây dẫn làm phát sinh công suất hao phí nhỏ.

Tuy nhiên, điện áp ở thời điểm khởi phát hào quang, chuyển động dao động của điện tích không gian ion trong điện trường xoay chiều gần vật dẫn làm phát sinh thêm thành phần dòng điện xoay chiều.

Dòng điện hào quang cũng tạo ra một thành phần nhỏ cùng pha với dòng điện điện dung, do đó làm tăng điện dung của cấu hình dây dẫn một cách rõ ràng.

  1. Nhiễu điện từ

Corona trên dây dẫn đường dây truyền tải thường được giới hạn trong một số nguồn điểm phân bố ngẫu nhiên dọc theo chiều dài của mỗi dây dẫn. Mật độ tuyến tính của các nguồn hào quang phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết và môi trường xung quanh, với mật độ xảy ra thấp nhất khi thời tiết đẹp và cao nhất trong thời tiết xấu như mưa, ẩm ướt.

Cả hai chế độ hào quang này đều làm phát sinh xung dòng điện với thời gian tăng nhanh và thời gian ngắn, như thể hiện trong Hình 1.

corona-discharge-current-pulses-768x558

Tuy nhiên, các thông số xác định ba dạng xung — cụ thể là biên độ, thời gian tăng và khoảng thời gian — tương đối khác nhau, như được thể hiện trong Bảng 1. Người ta thấy rằng các xung phóng điện khe hở có biên độ cao nhất, thời gian tăng nhanh nhất và tổng thời gian ngắn nhất.

Biên độ của xung hào quang dương cao hơn một bậc so với biên độ của xung hào quang âm, trong khi biên độ của xung hào quang sau có thời gian tăng nhanh hơn và thời gian ngắn hơn.

Bảng 1 – Đặc điểm của xung dòng điện phóng điện Corona và khoảng cách

Kiểu xung Biên độ (mA) Thời gian tăng (ns) Khoảng thời gian (ns) Tỷ lệ lặp (xung/s)
Hào quang dương 10-50 50 250 103 – 5.103
Hào quang âm 1-10 10 100 104 – 105
Phóng điện khe hở 500-2000 1 5 102 – 5.103

Các xung dòng điện nhất thời như xung được tạo ra bởi hào quang và phóng điện khe hở tạo ra EMI trên một dải tần số rộng. Các đặc tính của EMI phụ thuộc trực tiếp vào các đặc tính phổ tần số của các xung dòng điện, là các hàm của các tham số xác định các xung cũng như các đặc tính lặp lại của xung.

Biên độ của phổ tần số của xung tỷ lệ với tích của biên độ và thời gian xung (hàm lượng điện tích), trong khi băng thông là hàm nghịch đảo của thời gian tăng xung.

frequency-spectra-corona-gap-discharge-current-pulses

Các xung phóng điện khoảng trống và hào quang dương có biên độ cao nhất của phổ tần số, và các xung phóng điện khe hở cũng có băng thông tần số rộng nhất, mở rộng ra phạm vi GHz. Phổ tần số của các xung hào quang dương bắt đầu giảm nhanh ở tần số từ 1 đến 2 MHz, trong khi phổ tần số của các xung hào quang âm có thể kéo dài đến khoảng 100 MHz.

Do có trở kháng cao với mặt đất, hào quang cũng như phóng điện khe hở có thể được coi là nguồn dòng điện, đưa các xung dòng điện vào các dây dẫn của đường dây truyền tải và phân phối. Trên các đường truyền, mỗi nguồn hào quang đưa một dòng xung dòng ngẫu nhiên vào dây dẫn mà nó được đặt trên đó. Nguồn trên bất kỳ dây dẫn nào cũng tạo ra dòng điện có biên độ thấp hơn nhiều trong các dây dẫn khác của đường dây.

Xung dòng điện được đưa vào tại một điểm bất kỳ sẽ chia thành hai xung, mỗi xung có biên độ bằng một nửa xung ban đầu, truyền theo các hướng ngược nhau dọc theo dây dẫn.

Các xung có thể bị suy giảm và biến dạng khi chúng di chuyển, cho đến khi biên độ trở nên không đáng kể. Tùy thuộc vào đặc tính trở kháng của đường truyền, ảnh hưởng của nguồn hào quang chỉ mở rộng đến một khoảng cách hữu hạn ở cả hai phía.

Do đó, dòng điện kết quả chạy tại bất kỳ điểm nào dọc theo đường thẳng bao gồm các xung cách nhau ngẫu nhiên có biên độ khác nhau đến từ các nguồn được phân bố ngẫu nhiên và đi theo cả hai hướng.

Vì EMI được tạo ra bởi phóng điện khe hở, xảy ra chủ yếu trên các đường dây phân phối, mở rộng đến các tần số trong dải GHz, việc xử lý phân tích thậm chí còn trở nên phức tạp hơn.

  1. Tiếng ồn có thể nghe được

Các chế độ chính của hào quang trên đường truyền – cụ thể là bộ phát sóng Trichel âm và bộ phát sóng khởi phát tích cực về cơ bản bao gồm phóng điện tức thời lặp đi lặp lại trong đó quá trình ion hóa diễn ra nhanh chóng trong một khoảng thời gian ngắn theo thứ tự vài trăm nano giây.

Kết quả là, áp suất cục bộ bên trong kênh streamer được tăng lên phù hợp với các quy luật vật lý điều chỉnh khí. Theo định nghĩa, sự gia tăng cục bộ của áp suất khí tương ứng với việc tạo ra sóng áp suất âm truyền ra bên ngoài từ vị trí phóng điện.

Hình dạng điển hình của một xung âm thanh duy nhất được tạo ra bởi phóng điện hào quang xung được thể hiện trong Hình 3 dưới đây.

corona-generated-acoustic-pulse

Các xung âm thanh do cả hào quang dương và âm có hình dạng tương tự nhau, nhưng biên độ ở cực dương là một bậc cao hơn so với biên độ ở cực âm, tương tự như biên độ xung hiện tại. Như trong trường hợp của EMI, do đó, hào quang dương là nguồn chính của nhiễu âm thanh trên đường truyền.

Phổ tần số của xung âm thanh do hào quang tạo ra mở rộng hơn phạm vi âm thanh bình thường của con người – tức là trên 15 kHz.

Các dải ngẫu nhiên của các xung âm thanh được tạo ra bởi các nguồn khác nhau phân bố dọc theo dây dẫn truyền đi những khoảng cách khác nhau trong không khí để đến một điểm trong không gian gần mặt đất nơi có thể có người quan sát. Do sự phân bố ngẫu nhiên của chúng trong không gian và thời gian, các sóng âm thanh đến điểm quan sát có mối quan hệ pha ngẫu nhiên.

Ngoài thành phần ngẫu nhiên được mô tả ở trên, tạp âm từ đường dây tải điện xoay chiều còn bao gồm một hoặc nhiều âm thuần, được tạo ra bởi chuyển động dao động của các điện tích không gian ion tạo ra trong vùng lân cận của vật dẫn trong cả hai nửa chu kỳ của điện áp xoay chiều.

Sóng hài cao hơn cũng có thể có trong tiếng ồn, nhưng thường có cường độ thấp hơn nhiều. Do sự tương đồng trong các cơ chế vật lý liên quan, tiếng ồn có tương quan tốt với sự mất hào quang.

  1. Ozone và NOx

Các phản ứng điện hóa phức tạp diễn ra trong quá trình phóng điện của hào quang dương và âm, dẫn đến việc tạo ra ozon và các oxit khác nhau của nitơ, được gọi chung là NOx.

  1. Phát xạ nhẹ

Các quá trình dẫn đến phóng điện hào quang trong không khí làm phát sinh kích thích cũng như ion hóa các phân tử. Các phân tử bị kích thích, trong đó các electron ở quỹ đạo ngoài cùng bị va đập đến một trạng thái năng lượng cao hơn, phát ra các photon khi chúng trở về trạng thái năng lượng ban đầu.

Quan sát bằng mắt thường cho thấy ánh sáng có màu xanh nhạt. Các nghiên cứu về quang phổ phát xạ của phóng điện hào quang chỉ ra rằng phần lớn ánh sáng được phát ra từ các phân tử nitơ bị kích thích.

corona-light-spectrum

Hình 4 cho thấy quang phổ điển hình của ánh sáng phát ra do phóng xạ hào quang trong không khí. Quang phổ của bức xạ mặt trời nhìn thấy được cũng được thể hiện trong hình.

Người ta thấy rằng hào quang chủ yếu tạo ra bức xạ cực tím cường độ thấp ở rìa của quang phổ ánh sáng mặt trời.

  1. Gió điện và rung động do Corona gây ra

Ngoài các hiệu ứng được quan sát rộng rãi được mô tả ở trên, phóng điện hào quang cũng tạo ra các hiệu ứng ít được biết đến hơn như gió điện và rung động do hào quang gây ra.

Trong trường hợp có cả hào quang dương và âm, các ion có cùng cực được tạo ra và đẩy ra khỏi vật dẫn có ứng suất cao.

Sự hiện diện của các giọt nước trên dây dẫn trong thời tiết mưa đôi khi có thể làm cho dây dẫn dao động ở tần số rất thấp (1-5 Hz), làm phát sinh dao động do hào quang. Các giọt nước trên vật dẫn bị kéo dài ra khi có mức điện trường cao trên bề mặt vật dẫn, làm cho chúng phóng ra các giọt nước.

Lực đẩy tĩnh điện giữa giọt phóng ra và giọt lơ lửng, cùng với phản lực do gió điện sinh ra do hào quang tạo ra cũng như do sự phóng ra của nước, tác động lên vật dẫn.

Trong khi đó, giọt lơ lửng được bổ sung và một lần nữa kéo dài trong điện trường.

Rung động do Corona gây ra, trước tiên, được kích thích bởi lực tĩnh điện, chủ yếu là lực đẩy Coulombic và phản lực do gió ion gây ra. Biên độ của dao động sau đó được khuếch đại bởi lực phản ứng cơ học trong quá trình phóng ra các giọt hoặc các giọt từ các giọt lơ lửng.

  1. Các hiệu ứng khác

Ngoài các tác động khác nhau được mô tả ở trên đã được điều tra thử nghiệm và phân tích, đã có một số suy đoán trong các phiên điều trần công khai về môi trường và thậm chí trong các tài liệu khoa học rằng hào quang trên dây dẫn đường dây tải điện có thể làm phát sinh các hiệu ứng khác dẫn đến tác động xấu đến môi trường.

EMI do Corona tạo ra ở tần số lên đến 1 GHz đã được đo từ đường dây điện hoạt động ở điện áp lên đến 800 kV. Các phép đo EMI cũng đã được thực hiện gần đây hơn ở tần số 900 MHz trên đường dây 230kV và 500kV mạch kép trong điều kiện thời tiết mưa.

Các nghiên cứu này chỉ ra rằng EMI đo được có thể được tạo ra bởi các đường truyền ngay cả ở tần số trên 1 GHz, nhưng mức giảm tỷ lệ nghịch với tần số. Do đó, bất kỳ EMI nào được tạo ra bởi các đường truyền ở tần số vi sóng thấp chỉ có thể được phát hiện trong thời tiết mưa và mức độ thấp đến mức không gây ra bất kỳ rủi ro nào cho sức khỏe.

Người ta cũng suy đoán rằng các electron được tạo ra bởi hào quang trên các vật dẫn có thể tương tác với các phân tử nước xung quanh để tạo ra bức xạ vi sóng trong dải X và K (9 – 25 GHz). Tuy nhiên, một nghiên cứu trong phòng thí nghiệm (DeVore và Ungvichian 1975) đã chỉ ra rằng không có bức xạ đo được nào được tạo ra ở các tần số này.

Vì các photon của tia X có năng lượng cao hơn từ hai đến ba bậc độ lớn so với năng lượng của bức xạ tử ngoại, nên về mặt vật lý, sự phóng xạ khe hở và hào quang không thể tạo ra tia X.

Ngoài dây dẫn và phần cứng, hào quang có thể xuất hiện trên bề mặt của vật liệu cách nhiệt, chẳng hạn như vật liệu cách điện không gốm và cáp quang, gây xói mòn và cuối cùng dẫn đến hỏng cách điện. Cuối cùng, hào quang cũng có thể xuất hiện trên các đầu nhọn của lá cây, thảm thực vật và các vật thể khác nằm gần dây dẫn đường dây tải điện.

Dịch từ: Electrical-engineering-portal

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.