Tổn thất phóng điện (corona discharge) ở đường dây cao thế là gì?

Bạn đã bao giờ đi gần đường dây điện cao thế vào một đêm ẩm ướt và nghe thấy tiếng “xè xè” hay “lách tách” kèm theo một vầng sáng mờ ảo màu tím xanh bao quanh dây dẫn chưa? Nếu có, bạn đã chứng kiến một hiện tượng vật lý thú vị nhưng không hề mong muốn trong ngành điện, đó chính là phóng điện (Corona discharge).

Đây không chỉ là một hiện tượng quang học đơn thuần mà còn là một trong những nguyên nhân chính gây tổn thất năng lượng trên lưới truyền tải điện.

I. Phóng điện Corona là gì?

1. Định nghĩa

Phóng điện Corona (Corona Discharge) là một dạng phóng điện cục bộ, xảy ra khi điện trường xung quanh một vật dẫn (như dây điện cao thế) đủ mạnh để ion hóa lớp không khí ngay sát bề mặt của nó.

Khi không khí bị ion hóa, nó trở nên có khả năng dẫn điện. Dòng điện nhỏ bắt đầu rò rỉ qua lớp không khí bị ion hóa này, tạo ra các biểu hiện đặc trưng:

• Vầng sáng (Glow): Một quầng sáng mờ, thường có màu tím xanh, bao quanh dây dẫn.
• Tiếng ồn (Noise): Tiếng rít “xè xè” hoặc lách tách do sự chuyển động nhanh của các ion.
• Mùi (Smell): Quá trình ion hóa biến đổi oxy (O₂) trong không khí thành khí Ozone (O₃), tạo ra một mùi hăng đặc trưng.

Hiện tượng này xảy ra khi điện áp vượt qua một ngưỡng tới hạn, nhưng chưa đủ mạnh để tạo ra tia lửa điện hay hồ quang (hồ quang là một sự cố phóng điện hoàn toàn).

2. Nguyên nhân

Corona không tự nhiên xảy ra mà phụ thuộc vào sự kết hợp của nhiều yếu tố:

• Điện áp cao: Đây là điều kiện tiên quyết. Điện áp càng cao, điện trường xung quanh dây dẫn càng mạnh. Corona thường chỉ xuất hiện trên các đường dây cao thế (từ 33 kV trở lên).
• Tình trạng dây dẫn:
  • Hình dạng: Điện trường tập trung mạnh nhất ở những nơi có độ cong nhỏ, tức là các điểm sắc, nhọn, cạnh hoặc các chỗ xước trên bề mặt dây dẫn.
  • Đường kính: Dây dẫn có đường kính càng nhỏ, điện trường bề mặt càng lớn, càng dễ xảy ra Corona.
• Điều kiện khí quyển:
  • Thời tiết: Độ ẩm cao, sương mù, mưa hoặc tuyết làm tăng mạnh hiện tượng Corona. Các giọt nước đọng trên dây dẫn hoạt động như những mũi nhọn, làm tăng cường độ điện trường cục bộ và dễ gây ion hóa.
  • Mật độ không khí: Ở những nơi có mật độ không khí thấp (như vùng núi cao), không khí dễ bị ion hóa hơn, do đó Corona xảy ra ở mức điện áp thấp hơn.

3. Tác hại của phóng điện Corona

Mặc dù có một ưu điểm nhỏ là giúp tiêu tán một phần năng lượng của các xung sét đột ngột, nhưng nhìn chung, phóng điện Corona gây ra rất nhiều tác hại:

• Tổn thất điện năng: Đây là tác hại lớn nhất. Năng lượng điện bị biến đổi thành ánh sáng, âm thanh, nhiệt và các phản ứng hóa học, gây ra một sự lãng phí liên tục trên đường dây.
• Nhiễu sóng vô tuyến: Sự phóng điện tạo ra nhiễu điện từ, có thể ảnh hưởng đến tín hiệu radio, truyền hình và các hệ thống thông tin liên lạc khác.
• Sản sinh khí Ozone ăn mòn: Khí Ozone (O₃) là một chất oxy hóa mạnh, có thể gây ăn mòn, lão hóa dây dẫn và các phụ kiện cách điện theo thời gian.
• Gây tiếng ồn và rung động cơ học: Tiếng ồn có thể gây khó chịu cho khu dân cư gần đó. Trong một số điều kiện, Corona còn có thể gây ra rung động cho dây dẫn, làm tăng hao mòn cơ học.

II. Các biện pháp giảm thiểu phóng điện Corona

Để vận hành lưới điện một cách hiệu quả, các kỹ sư phải tính toán và thiết kế để giảm thiểu tổn thất Corona. Các biện pháp chính bao gồm:

• Tăng đường kính dây dẫn: Sử dụng dây có đường kính lớn hơn sẽ làm giảm cường độ điện trường trên bề mặt, từ đó nâng cao ngưỡng điện áp xảy ra Corona.
• Sử dụng dây dẫn bó (Bundled Conductors): Đây là giải pháp hiệu quả và phổ biến nhất trên các đường dây cao thế và siêu cao thế. Thay vì dùng một sợi dây cực lớn, người ta dùng một bó gồm 2, 3 hoặc 4 sợi dây nhỏ hơn được giữ cách nhau một khoảng. Bó dây này hoạt động như một dây đơn có đường kính hiệu dụng rất lớn, giúp giảm mạnh hiện tượng Corona.
• Sử dụng vòng chống Corona (Corona Rings): Đây là những chiếc vòng kim loại hình xuyến, trơn nhẵn, được lắp đặt tại các điểm có điện trường tập trung cao như đầu chuỗi sứ cách điện trong các trạm biến áp. Chúng giúp phân bổ điện trường đều hơn, ngăn chặn sự phóng điện tại các điểm nhạy cảm này.

Phóng điện Corona là một hiện tượng vật lý không thể tránh khỏi hoàn toàn trong truyền tải điện cao thế, nhưng có thể được kiểm soát và hạn chế ở mức tối thiểu thông qua các thiết kế kỹ thuật thông minh. Việc giảm thiểu tổn thất Corona là một bài toán quan trọng giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điện quốc gia.