Kỹ thuật cao áp : Phóng điện vầng quang trên đường dây

Chia sẻ: Asgfkj Aslfho | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:14

Thêm vào BST

Báo xấu

283
lượt xem 83
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Vầng quang là một dạng phóng điện tự duy trì đặc trưng cho sự phóng điện trong trường không đồng nhất. Phóng điện tuy đạt được điều kiện tự duy trì nhưng dòng không thể kéo dài trên toàn bộ khoảng cực mà chỉ giới hạn trong phạm vi nhỏ ở T gần điện cực có bán kính cong bé. Các quá trình ion hoá, kết hợp hoặc trở về trạng thái bình thường của các phân tử bị kích thích phát sinh rất nhiều phô tông khiến cho vùng hẹp này toả sảng (do đó mà có tên gọi...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Kỹ thuật cao áp : Phóng điện vầng quang trên đường dây

Ch−¬ng V Phãng ®iÖn vÇng quang trªn ®−êng d©y §5-1. VÇng quang-mét d¹ng Phãng §iÖn tù duy tr×. VÇng quang lµ mét d¹ng phãng ®iÖn tù duy tr× ®Æc tr−ng cho sù phãng ®iÖn trong tr−êng kh«ng ®ång nhÊt. Phãng ®iÖn tuy ®¹t ®−îc ®iÒu kiÖn tù duy tr× nh−ng dßng kh«ng thÓ kÐo dµi trªn toµn bé kho¶ng cùc mµ chØ giíi h¹n trong ph¹m vi nhá ë T gÇn ®iÖn cùc cã b¸n kÝnh cong bÐ. C¸c qu¸ tr×nh ion ho¸, kÕt hîp hoÆc trë vÒ tr¹ng th¸i b×nh th−êng cña c¸c ph©n tö bÞ kÝch thÝch ph¸t sinh rÊt nhiÒu ph« t«ng khiÕn cho vïng hÑp nµy to¶ s¶ng (do ®ã mµ cã tªn gäi lµ vÇng quang). C¸c ion ®−îc t¹o nªn trong quÇng cña vÇng quang d−íi t¸c dông a.) cña ®iÖn tr−êng sÏ chuyÓn dÞch ra phÝa ngoµi vµ h×nh thµnh dßng ®iÖn vÇng quang. §iÖn ¸p t¨ng cao th× sè ion t¨ng vµ dßng ®iÖn vÇng quang t¨ng. Quan hÖ cña dßng ®iÖn vÇng b.) quang víi ®iÖn ¸p lµ mét trong c¸c ®Æc tÝnh n¨ng l−îng c¬ b¶n cña phãng ®iÖn vÇng quang. I I (A) (A) 3.10-7 7,5.10-5 H×nh 5-1 2 5,0 Dßng ®iÖn vÇng quang trong 1 2,5 khe hë mòi nhän - cùc b¶n A B C U C a) Kh¸c ®é thêi gian T = 125 μs Uct b) VÇng quang ©m I tr.b = 0,7μA 4,6 4,7 4,8 4,3 Kv 0 5 10 15 20 kV c) VÇng quang ©m I tr.b = 2 μA d) VÇng quang d−¬ng I tr.b = 0,5 μA H×nh 5-2 §Æc tÝnh v«n - ampe cña vÇng quang khi mòi nhän cã cùc tÝnh d−¬ng Néi dung vËt lý cña vÇng quang th−êng ®−îc nghiªn cøu trong khe hë mòi nhän - cùc b¶n, trong ®ã mòi nhän thay thÕ cho d©y dÉn cã ®−êng kÝnh bÐ. KÕt qu¶ ®o l−êng cho thÊy, khi mòi nhän cùc tÝnh ©m dßng ®iÖn vÇng quang cã d¹ng c¸c xung ®−îc lÆp l¹i ®Òu ®Æn (h×nh 5-1b). §iÖn ¸p t¨ng th× biªn ®é cña xung gi÷ kh«ng ®æi nh−ng kho¶ng c¸ch thêi gian gi÷a c¸c xung rót ng¾n do ®ã dßng ®iÖn trung b×nh t¨ng lªn. Khi mòi ngän cã cùc tÝnh d−¬ng dßng ®iÖn vÇng quang còng cã d¹ng xung nh−ng chóng rÊt hçn lo¹n vµ xÕp chèng lªn nhau (h×nh 5-1d). §Æc tÝnh v«n - ampe cña vÇng quang khi mòi nhän cã cùc tÝnh d−¬ng cho trªn h×nh 5-2. Trong khu vùc A cã sù phãng ®iÖn kh«ng tù duy tr× gäi lµ phãng ®iÖn tèi, dßng ®iÖn cã trÞ sè kho¶ng : 10-14 ®Õn 10-8 Khu vùc B dßng ®Þen kho¶n 10-8 ®Õn 10-6 A vµ ph¸t s¸ng yÕu nh−ng còng lµ phãng ®iÖn kh«ng tù duy tr× vµ chØ tån t¹i khi cã c¸c nh©n tè ion ho¸ bªn ngoµi. http://www.ebook.edu.vn
Khu vùc C lµ giai ®o¹n phãng ®iÖn tù duy tr×, dßng ®iÖn cã trÞ sè 10-5 A vµ lín h¬n. Dßng ®iÖn A nµy t¨ng theo ®iÖn ¸p cho ®Õn khi khe hë phãng ®iÖn hoµn toµn (øng víi trÞ sè ®iÖn ¸p Uct). §iÖn ¸p b¾t ®Çu cã phãng ®iÖn tù duy tr× gäi lµ ®iÖn ¸p ph¸t sinh vÇng quang (øng víi trÞ sè Uvq). Phãng ®iÖn vÇng quang cã ý nghÜa quan träng trong nhiÒu lÜnh vùc cö kÜ thuËt ®iÖn cao ¸p. ë mét sè c¬ së luyÖn kim vµ nhµ m¸y nhiÖt ®iÖn ®É dïng vÇng quang ©m ®Ó läc bôi trong khãi. Th©n èng khãi b»ng kim lo¹i lµm cùc d−¬ng, cùc ©m lµ d©y dÉn nhá ®Æt däc theo trôc èng vµ lµ n¬i ph¸t sinh vÇng quang ©m. §iÖn tö sinh ra bëi qu¸ tr×nh ion ho¸ trong quÇng vÇng quang sÏ chuyÓn dÞch vÒ phÝa cùc d−¬ng, trong qu¸ tr×nh ®ã nã sÏ b¸m vµo bôi khãi vµ kÐo theo vÒ phÝa th©n èng. Trong hÖ thèng ®iÖn vÇng quang cã c¸c t¸c dông kh¸c nhau. B×nh th−êng kh«ng nªn ®Ó x¶y ra vÇng quang v× sù chuyÓn dÞch cña ion d−íi t¸c dông cña tr−êng sÏ t¹o nªn mét lo¹i dßng ®iÖn rß g©y tæn hao n¨ng l−îng. Ngoµi ra vÇng quang cßn g©y nhiÔu lo¹n ®èi víi th«ng tin h÷u tuyÕn vµ v« tuyÕn, ¨n mßn vËt liÖu... Tuy vËy vÇng quang l¹i cã t¸c dông tÝch cùc trong b¶o vÖ hÖ thèng ®iÖn chèng qu¸ ®iÖn ¸p khÝ quyÓn , khi cã sÐt ®¸nh trªn ®−êng d©y, vÇng quang sÏ tiªu hao n¨ng l−îng cña c¸c sãng qu¸ ®iÖn ¸p, lµm gi¶m biªn dé vµ ®é dèc song do ®ã t¨ng an toµn cho c¸ch ®iÖn cña tr¹m biÕn ¸p vµ m¸y ®iÖn. §5-2. VÇng quang trªn ®−êng d©y dÉn ®iÖn mét chiÒu. §Æc ®iÓm cña phãng ®iÖn vÇng quang " d©y dÉn - cùc b¶n" khi d©y dÉn ng¾n còng gièng nh− cña khe hë " mòi nhän - cùc b¶n". KÕt qu¶ quan s¸t thÊy khi d©y dÉn cã cùc tÝnh ©m dßng ®iÖn vÇng quang còng cã t¸c dông xung lÆp l¹i ®Òu ®Æn nh− trªn h×nh 7-1b vµ c cßn khi cùc tÝnh d−¬ng th× c¸c xung dßng ®iÖn còng rÊt hçn lo¹n. Nh−ng cÇn c¸u ý lµ ngay c¶ khi d©y dÉn ®−îc ®¸nh bãng rÊt kü trªn bÒ mÆt còng cã chç bÞ nh¸m vµ ë dã vÇng quang xuÊt hiÖn sím. Khi d©y dÉn dµi, vÇng quang cã thÓ ph¸t triÓn ®ång thêi tÞa nhiÒu ®iÓm v× vËy c¸c xung dßng ®iÖn hîp l¹i thµnh dßng ®iÖn liªn tôc. NÕu t¨ng ®iÖn ¸p th× vÇng quang sÏ ph¸t triÓn trªn toµn bé bÒ mÆt d©y dÉn vµ dßng ®iÖn mÊt h¼n tÝnh chÊt kh«ng liªn tôc cña nã. Thùc nghiÖm cho thÊy, c−êng ®é tr−êng ph¸t sinh vÇng quang Evq Ýt phô thuéc vµo cùc tÝnh. Trong tô ®iÖn h×nh trô - d©y dÉn b¸n kÝnh r0 däc theo trôc cña h×nh trô b¸n kÝnh R > r0 c−êng ®é tr−êng ph¸t sinh vµng quang ®−îc x¸c ®Þnh b»ng c«ng thøc kinh nghiÖm: ⎛ 0,308 ⎞ E vq = 31.δ ⎜1 + ⎟ (5-1) ⎜ r0 δ ⎟ ⎝ ⎠ vµ ®iÖn ¸p ph¸t sinh vÇng quang: R U v q = E v q r0 ln (5-2) r0 Víi hai d©y dÉn b¸n kÝnh r0 ®Æt c¸ch nhau s >> r0 hay lµ d©y dÉn ®Æt c¸ch mÆt ph¼ng s h= th× còng cã c¸c c«ng thøc t−¬ng tù: 2 ⎛ 0,304 ⎞ E vq = 29 ,8δ ⎜ 1 + ⎟ ⎜ r0 δ ⎟ (5-3) ⎝ ⎠ http://www.ebook.edu.vn
s U vq = E vq r0 ln (5-4) r0 So s¸nh (5-1) vµ (5-3) thÊy chóng kh«ng chØ cã kÕt cÊu gièng nhau mµ c¸c hÖ sè còng cã gi¸ trÞ gÇn b»ng nhau. §iÒu nµy ®−îc gi¶i thÝch b»ng sù ph©n bè tr−êng xung quanh d©y dÉn - khu vùc cã ý nghÜa quyÕt ®Þnh ®èi víi phãng ®iÖn vÇng quang - trong c¶ hai tr−êng hîp ®Òu gÇn gièng nhau vµ còng tõ ®ã ®Ò xuÊt kh¶ n¨ng nghiªn cøu vÇng quang cña ®−êng d©y dÉn mét chiÒu trªn m« h×nh tô ®iÖn h×nh trô. Sù chuyÓn dÞch cña ®iÖn tÝch tõ d©y dÉn cã vÇng quang ®Õn ®iÖn cùc ®èi diÖn t¹o nªn dßng ®iÖn vÇng quang. Dßng ®iÖn nµy cã tÝnh chÊt nh− mét dßng ®iÖn rß vµ g©y tæn hao n¨ng l−îng gäi lµ tæn hao vÇng quang. øng víi ®¬n vÞ dµi cña ®−êng d©y tæn hao nµy ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: p = UI = U . f (U ) (5-5) I − dßng ®iÖn vÇng quang. I = f (U ) − ®Æc tÝnh v«n - ampe cña vÇng quang. ViÖc x¸c ®Þnh biÓu thøc gi¶i tÝch cña ®Æc tÝnh v«n - ampe cña vÇng quang rÊt phøc t¹p vµ cho ®Õn nay vÉn ch−a ®−îc gi¶i quyÕt thÝch ®¸ng do ch−a x¸c ®Þnh ®−îc chÝnh x¸c sù ph©n bè ®iÖn tÝch khèi trong quÇng cña vÇng quang còng nh− trong khu vùc ngoµi. Trong tô ®iÖn h×nh trô cã thÓ x¸c ®Þnh gÇn dïng ®Æc tÝnh V«n - ampe b»ng c¸ch gi¶i ph−¬ng tr×nh Poisson trong to¹ ®é trô" dE E 1 d ( Er ) ρ divE = + =. = (5-6) ε dr r r dr kÌm theo mét sè gi¶ thiÕt sau ®©y: - Khi cã vÇng quang xung quanh d©y dÉn h×nh thµnh ®iÖn cùc khèi cïng dÊu víi ®iÖn tÝch cña d©y dÉn (xem môc § 3-3 vÒ phãng ®iÖn vÇng quang).C¸c ®iÖn tÝch khèi nµy lµm gi¶m, c−êng ®é tr−êng trªn mÆt d©y dÉn, h¹n chÕ qu¸ tr×nh ion ho¸ ph¸t triÓn KÕt qu¶ lµ sè ion míi sinh ra c©n b»ng víi sè ion chuyÓn dÞch vÒ ®iÖn cùc ®èi diÖn; dßng ®iÖn vÇng quang (øng víi ®¬n vÞ dµi) còng ®¹t trÞ sè æn ®Þnh vµ c−êng ®é tr−êng trªn mÆt d©y dÉn gi÷ møc cè ®Þnh vµ cã trÞ sè Evq . - NÕu dßng ®iÖn vÇng quang kh«ng lín cã nghÜa lµ mËt ®é ®iÖn tÝch khèi còng kh«ng lín th× tÝnh to¸n vÒ tr−êng sÏ ®−a vÒ tr−êng hîp nh− lµ khi kh«ng xÐt ®Õn ¶nh h−ëng cña ®iÖn tÝch khèi. C−êng ®é tr−êng t¹i ®iÓm bÊt k× c¸ch trôc cña tô ®iÖn h×nh trô kho¶ng c¸ch r cã trÞ sè b»ng: U E= R r ln r0 Trong ®ã U- §iÖn ¸p t¸c dông lªn tô ®iÖn h×nh trô. Cã thÓ viÕt biÓu thøc trªn ë d¹ng tæng qu¸t: Rr = const (5-7) - C¸c ®iÖn tÝch khèi cã mËt ®é ρ vµ chuyÓn dÞch víi tèc ®é v sÏ t¹o nªn dßng ®iÖn vÇng quang. øng víi ®¬n vÞ dµi cña d©y dÉn dßng ®iÖn vÇng quang ®−îc tÝnh theo biÓu thøc: I = 2π rρ v = 2π rρ kE (5-8) v k= − ®é dÞch chuyÓn cña ion. E Do tÝnh chÊt liªn tôc nªn dßng ®iÖn kh«ng phô thuéc vµo to¹ ®é r vµ kÕt hîp víi gi¶ thiÕt Er = const cã thÓ suy luËn ®−îc mËt ®é ®iÖn tÝch trong toµn bé khe hë cã trÞ sè kh«ng ®æi. Víi ®iÒu http://www.ebook.edu.vn
kiÖn Êy cã thÓ gi¶i ph−¬ng tr×nh Poisson vµ tõ ®ã tÝnh ®−îc mét c¸ch gÇn ®óng vÒ c−êng ®é tr−êng: ρr Er d ( Er) = ∫ rdr ∫ εr Evq . r0 0 Sau khi ph©n tÝch ®−îc: ρ22 ( r − r0 ) Er − Evq r0 = (5-8) 2ε §iÖn ¸p t¸c dông gi÷a c¸c ®iÖn cùc ®−îc tÝnh theo: ρ ⎛ r02 ⎞ R R R r0 ∫ E dr = ∫ E ∫ ⎜ r − r ⎟ dr U= dr + vq r0 ⎝ ⎠ r r r0 r0 LÊy ®−îc tÝch ph©n vµ chó ý lµ r0 < R, cã ®−îc: ρ R U ≈ E v q r0 In + + R2 4ε r0 ρ U − Uvq = R2 hay lµ (5-9) 4ε R v× ®iÖn ¸p vÇng quang cã trÞ sè U vq = Evq r.ln . r0 §Ó tÝnh dßng ®iÖn vÇng quang, cã thÓ dïng biÓu thøc (7-8) viÕt ë mÆt trô ngoµi l = 2π U RkρER vµ nÕu thay trÞ sè ER = sÏ ®−îc. R R ln r0 8πεk ( ) l= U U − U vq (5-10). R 2 R ln r0 MÆc dï dùa vµo c¸c gi¶ thiÕt thiÕu chÝnh x¸c nh−ng c«ng thøc (5-10) ph¶n ¸nh ®−îc gÇn ®óng sù phô thuéc cña dßng ®iÖn vÇng quang víi ®iÖn ¸p. V× thÕ c¸c c«ng thøc tÝnh tæn hao vÇng quang cña ®−êng d©y dÉn mét chiÒu ®Òu cã d¹ng: p = AU 2 (U − U vq ) kW / km (5-11) Trong ®ã A lµ hÖ sè phôthuéc vµo kÝch th−íc cña khe hë. http://www.ebook.edu.vn
Khi tÝnh to¸n vÒ tæn hao vÇng quang cÇn ph©n biÖt c¸c tr−êng hîp vÇng quang ®¬n vµ vÇng quang kÐp (h×nh 5-3a vµ b). ë tr−êng hîp thø nhÊt hai U U d©y dÉn cã ®iÖn thÕ + vµ − ®Æt c¸ch nhau bëi 2 2 b¶n kim lo¹i ®−îc nèi ®Êt. Do ®ã qu¸ tr×nh ion ho¸ + U ph¸t triÓn ®éc lËp trªn mçi nöa khe hë vµ c¸c ®iÖn tÝch −U khèi do c¸c qu¸ tr×nh Êy t¹o nªn kh«ng ¶nh h−ëng lÉn 2 2 nhau. §ã lµ vÇng quang ®¬n v× trong phÇn khe hë h×nh thµnh bëi "d©y dÉn - cùc b¶n " chØ cã mét cùc ph¸t sinh vÇng quang. Tæn hao vÇng quang trong tr−êng hîp nµy b»ng tæn hao trªn mçi d©y P = P++ P - . Trong a) khe hë thø hai ( h×nh 5-3b) kh«ng cã b¶n kim lo¹i ng¨n ë gi÷a. NÕu c¸c ion kh¸c dÊu khi gÆp nhau ë mÆt trung tÝnh kÕt hîp víi nhau hoµn toµn th× tr−êng hîp nµy kh«ng kh¸c g× so víi tr−êng hîp trªn. Nh−ng thùc tÕ trªn mÆt ph¼ng trung tÝnh chØ cã mét sè ion kh¸c dÊu kÕt hîp víi nhau, sè cßn l¹i sÏ ®i vµo kho¶ng kh«ng gian cña c¸c ®iÖn tÝch khèi kh¸c dÊu. C¸c ion ®ãph¸ huû tr¹ng th¸i c©n b»ng ®· cã s½n vµ lµm t¨ng c−êng ®é tr−êng ë xung quanh d©y dÉn. §Ó kh«i phôc l¹i tr¹ng th¸i c©n b»ng ph¶i tiÕp tôc ion ho¸ ë gÇn d©y b) dÉn, do ®ã dßng ®iÖn vÇng quang t¨ng vµ tæn hao H×nh 7-3 vÇng quang t¨ng. Tr−êng hîp nµy gäi lµ vÇng quang VÇng quang ®¬n vµ quang kÐp kÐp v× trªn c¶ hai ®iÖn cùc ®Òu cã vÇng quang, chóng ph¸t sinh ¶nh h−ëng lÉn nhau lµm cho tæn hao vÇng quang P > P++ P - . Trªn ®−êng d©y dÉn ®iÖn mét chiÒu vÇng quang ®¬n x¶y ra khi d©y dÉn chØ cã mét cùc tÝnh cßn vÇng quang kÐp lµ khi c¸c d©y dÉn ®Æt trªn cét cã cùc tÝnh kh¸c nhau. §5-2. VÇng quang trªn ®−êng d©y dÉn ®iÖn xoay chiÒu. Khi nghiªn cøu vÒ phãng ®iÖn vÇng quang trªn ®−êng d©y dÉn ®iÖn xoay chiÒu ba pha, tr−íc hÕt cÇn ph¶i xem xÐt ®iÖn tÝch khèi cña c¸c pha cã ¶nh h−ëng lÇn nhau kh«ng. V× cùc tÝnh cña c¸c d©y dÉn biÕn ®æi trong cïng chu k× nªn ®iÖn tÝch khèi cña mçi pha chØ bÞ ®Èy xa khái d©y dÉn mét ®o¹n ®−êng nµo ®ã cßn trong nöa chu kú sau l¹i bÞ kÐo vÒ phÝa d©y dÉn. §Ó x¸c ®Þnh ®o¹n ®−êng trªn gi¶ thiÕt c−êng ®é tr−êng trªn mÆt d©y dÉn trong toµn bé thêi gian cña nöa chu kú lµ kh«ng ®èi vµ b»ng trÞ sè tíi h¹n cña vÇng quang (Evq) cßn ë kho¶ng kh«ng gian ngoµi, thÝ dô ë ®iÓm c¸ch xa trôc d©y dÉn mét ®o¹n r th× c−êng ®é tr−êng (E) ®−îc x¸c ®Þnh theo ®iÒu kiÖn: E.r = const (5-12) E vq . r0 E= hoÆc : (5-13) r r0 − b¸n Ýnh d©y dÉn. Tèc ®é chuyÓn dÞch cña ion tû lÖ víi ®iÖn tr−êng vµ ®−îc x¸c ®Þnh theo: http://www.ebook.edu.vn
dr r v= = kE = kEvq 0 dt r r . dr dt = Suy ra kEvq . r0 ΔUmax ΔU EddQddUdd ΔUmax ΔUmax t4 t5 t6 Uvq Evq t7 t8 t0 t1 t2 U0 t3 Evq t0 t1 t5 t7 ic ivq +Q 2 5 Q=Chh 2 1 5 +U -U 6 8 7 8 7 -Q http://www.ebook.edu.vn
H×nh 5-4 VÇng quang trªn ®−êng d©y dÉn ®iÖn xoay chiÒu. a.BiÕn thiªn theo thêi gian cña ®iÖn ¸p U, c−êng ®é tr−êng trªn mÆt d©y dÉn Fdd vµ ®iÖn tÝch tæng Q. b.Dßng ®iÖn ®iÖn dung ic vµ dßng ®iÖn vÇng quang ivq. c. §Ëc tÝnh V«n - Cul«ng. §−êng I : §Æc tÝnh V«n-Cul«ng x©y dùng tõ h×nh 7-4a. §−êng II : §Æc tuyÕn V«n -Cul«ng khi Umax > 2Uv−. LÊy tÝch ph©n trong ph¹m vi nöa chu kú sÏ ®−îc: r − r0 T = m ax 2 2 kE vq . r0 Nh− vËy ®o¹n ®−êng chuyÓn dÞch cña ®iÖn tÝch khèi ®−îc tÝnh gÇn ®óng: rmax ≈ kTEvq .r0 (5-14) ( bá qua r02 v× r0
tr×nh ion ho¸ chung quanh d©y dÉn, ®iÖn ¸p t¨ng sÏ lµm cho dßng dµi thªm nh−ng tr−êng th× kh«ng t¨ng thªm. Do ®ã ®iÖn tÝch trªn mÆt d©y dÉn còng gi÷ kh«ng ®æi vµ cã trÞ sè: Qdd = 2πε . Evq (5-16) §iÖn tÝch nµy t¹o nªn phÇn ®iÖn ¸p trªn d©y dÉn. Qdd U 'dd = (5-17) Chh Nh− vËy phÇn ®iÖn ¸p cßn l¹i trªn d©y dÉn , U = U - Udd ( biÓu thÞ bëi phÇn cã g¹ch theo chiÒu th¼ng ®øng trªn h×nh 5-4a) lµ do ®iÖn tÝch khèi ΔQ t¹o nªn. Trªn h×nh vÏ, ®−êng chÊm biÓu thÞ trÞ sè ®iÖn tÝch tæng mµ nguån ph¶i cung cÊp do cã thªm qu¸ tr×nh h×nh thµnh ®iÖn tÝch khèi ΔQ, ®iÖn tÝch nµy cã trÞ sè: Q = Qdd + ΔQ Khi ®iÖn ¸p ®¹t tíi sè U max th× còng ®¹t ®−îc c¸c trÞ sè ΔU m ax , ΔQ max , Q max ... − t = t2 + t3 khi t > t2, ®iÖn ¸p nguån b¾t ®Çu gi¶m vµ kÐo theo sù gi¶m cña ®iÖn tÝch tæng Q. Nh÷ng ®iÖn tÝch trªn mÆt d©y dÉn sÏ ch¹y vÒ nguån tr−íc nghÜa lµ Qdd bÞ gi¶m do ®ã lµm gi¶m c−êng ®é tr−êng trªn mÆt d©y dÉn vµ qu¸ tr×nh ion ho¸ bÞ chÊm døt. C¸c dßng Plasma mÊt dÇn vµ tiÕn tíi mÊt h¼n tÝnh chÊt dÉn ®iÖn, ®Ó l¹i trong kho¶ng kh«ng gian quanh d©y dÉn sè l−îng ®iÖn tÝch khèi ΔQmax (h×nh 5-4b). a) d) - T¹i thêi ®iÓm t = t3 toµn bé phÇn ®iÖn tÝch trªn d©y dÉn ®· tr¶ vÒ nguån, c−êng ®é tr−êng trªn ' mÆt d©y dÉn còng nh− thµnh phÇn ®iÖn ¸p U dd gi¶m tíi sè kh«ng. §iÖn ¸p U(t) cßn cã trÞ sè d−¬ng lµ do ¶nh h−ëng cña ®iÖn tÝch khèi (®−êng ' biÓu diÔn cña Edd , Qdd vµ U dd trong kho¶ng thêi b) e) gian nµy ®−îc x¸c ®Þnh b»ng c¸ch lÊy tung ®é cña ®−êng U(t) trõ ®i mét ®o¹n ΔUmax cßn ®−êng Q(t) th× x¸c ®Þnh b»ng c¸ch céng thªm vµo tung ®é ®−êng Qdd ®¹i l−îng ΔQmax ). . - Khi t = t4, trªn d©y dÉn xuÊt hiÖn diÖn tÝch ©m ®ñ ®Ó t¹o nªn phÇn ®iÖn ¸p cã trÞ sè b»ng c) ΔUmax (h×nh 5-4a) triÖt tiªu phÇn ®iÖn ¸p do ®iÖn H×nh 7-5 tÝch khèi g©y nªn vµ lµm cho ®iÖn ¸p tæng gi¶m tíi §iÖn tÝch khèi chung quanh d©y sè kh«ng. dÉn t¹i c¸c thêi ®iÓm kh¸c nhu - T¹i thêi ®iÓm t5 tr−êng trªn d©y dÉn ®· ®¹t ®îc trÞ sè tíi h¹n ®Ó ph¸t sinh vÇng quang ©m. Chung quanh d©y dÉn b¾t ®Çu h×nh thµnh ®iÖn tÝch khèi ©m, chóng sÏ bï c¸c ®iÖn tÝch khèi d−¬ng cßn l¹i tõ nöa chu kú tr−íc (h×nh 5-5d) vµ ®Õn khi t = t6 th× ®iÖn tÝch khèi d−¬ng ®−îc bï hoµn toµn vµ ®iÖn tÝch tæng Q lóc nµy cã trÞ sè b»ng kh«ng. ' C¸c thµnh phÇn Qdd Edd vµ U dd sÏ gi÷ kh«ng ®æi trong suèt giai ®o¹n cã xÈy ra qu¸ tr×nh ion ho¸ ( t5 ÷ t7) . http://www.ebook.edu.vn
Tõ h×nh vÏ cã thÓ thÊy ®−îc khi t = t5 ®iÖn ¸p nguån chØ cÇn ®¹t tíi møc U0 < Uvq ®· cã thÓ b¾t ®Çu cã vÇng quang ©m. TrÞ sè U0 ®−îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc: U 0 = U vq − ΔU max Δ U m a x = U m a x − U v q s Ï ®−îc Thay thÕ trÞ sè : U 0 = 2U vq − U max (5-18) Do ®ã nÕu biªn ®é ®iÖn ¸p nguån cµng lín th× vÇng quang ©m xuÊt hiÖn cµng sím thËm chÝ cã thÓ ph¸t sinh ngay trong nöa chu kú d−¬ng cña ®iÖn ¸p (khi U max > 2U vq th× U 0 < 0 ). − t = t5 ÷ t7 , qu¸ tr×nh ®−îc lÆp l¹i nh− ë ®o¹n thêi gian t = t1 ÷ t2 ®iÖn ¸p nguån t¨ng tíi trÞ sè biªn ®é vµ ®iÖn tÝch khèi ©m ®¹t trÞ sè cùc ®¹i ΔQmax (h×nh 5-5e). C¸c qu¸ tr×nh vÒ sau t¨ng ®−îc lÆp l¹i t−¬ng tù. H×nh 5-4b cho quan hÖ vÒ dßng ®iÖn khi cã vÇng quang. Trªn thµnh phÇn dßng ®iÖn ®iÖn ( ) dung h×nh sin ic x¸c ®Þnh bëi ®iÖn ¸p nguån vµ ®iÖn dung h×nh häc cña ®−êng d©y ic = Chh dt dU cã xÕp chång thµnh phÇn dßng ®iÖn do sù chuyÓn dÞch ion cña qu¸ tr×nh ion ho¸. Thµnh phÇn nµy chØ tån t¹i trong giai ®o¹n cã vÇng quang ( kho¶ng thêi gian t1 : t2 , t5 : t7 ). H×nh 5-4c cho ®Æc tuyÕn v«n - cu l«ng cña ®−êng d©y cã vÇng quang, ®ã lµ quan hÖ gi÷a ®iÖn tÝch tæng do nguån cung cÊp víi ®iÖn ¸p nguån. §o¹n th¼ng 01 øng víi kho¶ng thêi gian khi ch−a xuÊt hiÖn vÇng quang, ®é nghiªng cña nã x¸c ®Þnh bëi ®iÖn dung h×nh häc cña ®−êng d©y; c¸c phÇn ®−êng ®Æc tuyÕn ®−îc x©y dùng tõ c¸c sè liÖu trªn h×nh 5-4a. §5-3. Tæn hao VÇng quang trªn ®−êng d©y dÉn ®iÖn xoay chiÒu. Tæn hao vÇng quang cña ®−êng d©y dÉn ®iÖn xoay chiÒu cã d¹ng kh¸c h¼n so víi cña d©y dÉn ®iÖn mét chiÒu v× ®iÖn tÝch khèi vÒ c¨n b¶n kh«ng ®i ®Õn ®iÖn cùc ®èi diÖn. Khi ®−êng d©y kh«ng t¶i vµ kh«ng cã vÇng quang th× sÏ kh«ng cã tæn hao (bá qua tæn hao g©y nªn bëi ®iÖn trë t¸c dông cña d©y dÉn vµ dßng ®iÖn rß trªn bÒ mÆt c¸ch ®iÖn) vµ n¨ng l−îng mµ nguån ph¶i cung cÊp ®Ó t¹o ®iÖn tr−êng sÏ ®−îc hoµn l¹i trong thêi gian cña nöa chu lú sau. NÕu cã vÇng quang vµ khi ®iÖn ¸p nguån b¾t ®Çu gi¶m ( t > t2) th× chØ cã phÇn n¨ng l−îng cña sè ®iÖn tÝch trªn d©y dÉn lµ ΔU . ΔQ ®−îc tr¶ vÒ nguån cßn n¨ng l−îng cã liªn quan ®Õn sè ®iÖn tÝch khèi ( tÝnh theo ) vÉn ®−îc 2 gi÷ l¹i d−íi d¹ng tr−êng d−, tíi nöa chu kú sau sè ®iÖn tÝch khèi nµy tuy ®−îc bï hoµn toµn nh−ng kh«ng ph¶i lµ trë vÒ d©y dÉn vµ phÇn n¨ng l−îng cña chóng còng kh«ng ®−îc tr¶ vÒ nguån mµ trë thµnh mét d¹ng tæn hao n¨ng l−îng. Nguyªn nh©n lµm cho sè ®iÖn tÝch khèi kh«ng trë vÒ d©y dÉn lµ do sù c¶n trë cña c¸c phÇn tö kh«ng khÝ, do ®ã tæn hao vÇng quang thÓ hiÖn chñ yÕu ë chç lµm nãng m«i tr−êng kh«ng khÝ quanh d©y dÉn. §Ó tÝnh tæn hao vÇng quang cña ®−êng d©y dÉn ®iÖn xoay chiÒu cã thÓ dùc vµo ®−êng ®Æc tÝnh b«n - cul«ng (h×nh 5-4c), tæn hao trong mét chu kú ®−îc tÝnh theo: T P = ∫ uldt = ∫ udQ δ nã tû lÖ víi diÖn tÝch cña ®−êng ®Æc tÝnh v«n - cul«ng. Tæn hao trong ®¬n vÞ thêi gian nghÜa lµ c«ng suÊt tæn hao vÇng quang cã trÞ sè b»ng: http://www.ebook.edu.vn
ΔP = f ∫ udQ f − tÇn sè ®iÖn ¸p xoay chiÒu. TÝnh tæn hao vÇng quang theo ph−¬ng ph¸p nµy ®−îc thÓ hiÖn trong c«ng thøc Mair¬ ( c«ng thøc 5-3b). Tuy nhiªn trong c«ng thøc nµy còng ch−a thÓ hiÖn ®−îc c¸ch chøng minh gi¶i tÝch chÝnh x¸c vµ hoµn chØnh, v× c¸c hÖ sè ®Òu ph¶i x¸c ®Þnh b»ng thùc nghiÖm . V× vËy ph−¬ng h−íng ®Ó x¸c ®Þnh tæn hao vÇng quang trªn ®−êng d©y dÉn ®iÖn xoay chiÒu vÉn lµ tæng qu¸t ho¸ c¸c sè liÖu thùc nghiÖm. Mét trong c¸c c«ng thøc kinh nghiÖm ®· ®−îc quen biÕt nhiÒu lµ c«ng thøc cña PÝch: r0 (f + 25) (U − U 0 ) 2 .10−5 kW / km. pha ΔP = 244 δ s trong ®ã: δ − mËt ®é t−¬ng ®èi cña kh«ng khÝ. r0 − b¸n kÝnh d©y dÉn, m. s − kho¶ng c¸ch trung b×nh h×nh häc gi÷a c¸c d©y dÉn, cm. f − tÇn sè. U − trÞ sè hiÖu dông cña ®iÖn ¸p pha, kV. U 0 − TrÞ sè ®iÖn ¸p tÝnh to¸n, gÇn b»ng ®iÖn ¸p vÇng quang. TrÞ sè nµy ®−îc tÝnh theo c«ng thøc: s = 21 , 2 .δ . r 0 . m 1 . m 2 . ln U (5-20) 0 r0 Trong c«ng thøc, m1 ®−îc gäi lµ hÖ sè ph¶n ®Æc tr−ng cho tr¹ng th¸i bÒ mÆt cña d©y dÉn. NÕu mÆt ngoµi d©y dÉn nh½n bãng hÖ sè nµy gÇn b»ng ®¬n vÞ. HÖ sè m2 ®−îc gäi lµ hÖ sè khÝ hËu. BiÓu thÞ mèi liªn quan gi÷a tæn hao vÇng quang víi ®iÒu kiÖn khÝ hËu. Tæn hao vÇng quang t¨ng nhiÒu khi trêi b¾t ®Çu m−a hoÆc cã s−¬ng. Tuy nhiÖn nay c«ng thøc tÝnh tæn hao vÇng quang cña Pich Ýt ®−îc dïng v× ®é chÝnh x¸c so víi thùc nghiÖm kh«ng cao. VÝ dô: lÊy m1 = 0,8, ®é Èm t−¬ng dèi cña kh«ng khÝ δ =1 vµ ®èi víi ®−êng d©y cao ¸p th−êng lÊy S Ln =6,5 tõ c«ng thøc tÝnh to¸n trªn ta cã thÓ suy ra ®−êng kÝnh tèi thiÓu cña d©y dÉn lµ: r 0 Ud Uph =
x©y l¾p . VÊn ®Ò nµy ®· ®−îc gi¶i quyÕt b»ng c¸ch dïng d©y dÉn ph©n nhá - d©y dÉn ë mçi pha cã tiÕt diÖn lín thay thÕ b»ng mét sè d©y dÉn tiÕt diÖn nhá h¬n ®Æt c¸ch nhau theo kho¶ng c¸ch thÝch hîp. H×nh 5-6 cho sù ph©n bè cña tr−êng khi d©y dÉn ®−îc thay b»ng 2, 3, 4 d©y ph©n nhá. http://www.ebook.edu.vn
TÝnh to¸n cho tr−êng hîp ®−êng d©y dÉn ®iÖn xoay chiÒu hai pha mçi pha dïng hai d©y ph©n nhá (h×nh 5-7). S NÕu kh«ng xÐt ®Õn ¶nh h−ëng cña ®Êt vµ gi¶ thiÕt c¸c pha ®Æt ®èi xøng, ®iÖn tÝch ë mçi d©y ph©n nhá trong D + Uph - Uph tõng pha sÏ liªn hÖ víi ®iÖn ¸p theo c«ng thøc: U ph = q(α 11 + α 12 ) (5-22) víi c¸c hÖ sè thÕ: s 1 α 11 = ln 2πε r0 H×nh 7-7 §−êng d©y hai pha s 1 α 12 = ln hai d©y ph©n nhá 2πε D q⎛ s s⎞ U ph = ⎜ ln + ln ⎟ Nh− vËy : 2πε ⎝ r0 D⎠ q s = ln U ph 2πε r0 D vµ ®iÖn dung cña ®¬n vÞ dµi cña ®−êng d©y ®−îc tÝnh theo: 2πε C= (5-23) s ln rtd TrÞ sè rtd = r0 D gäi lµ b¸n kÝnh t−¬ng ®−¬ng cña hÖ 2 d©y ph©n nhá. Khi dïng hÖ n d©y ph©n nhá b¸n kÝnh t−¬ng ®−¬ng cña nã sÏ b»ng: Rt® = n r0 . D 1 D 2 ... D n − 1 (7-24) D1D2 ... Dn −1 − lµ kho¶ng c¸ch tõ mét d©y ph©n nhá ®Õn c¸c d©y ph©n nhá kh¸c cïng pha. Sù ph©n bè ®iÖn tÝch trªn c¸c d©y ph©n nhá nh− trªn h×nh 7-8. §Ó tÝnh c−êng ®é tr−êng trªn mÆt d©y ph©n nhá cã D thÓ dïng ph−¬ng ph¸p xÕp chèng: tr−êng trªn mÆt ph©n q2 nhá sÏ lµ tæng hîp cña tr−êng t¹o nªn bëi ®iÖn tÝch cña q 3ΔĒ chÝnh nã vµ tr−êng t¹o nªn bëi ®iÖn tÝch cña d©y ph©n nhá 1 r0 bªn c¹nh. 4 Tr−êng t¹o nªn bëi ®iÖn tÝch cña chÝnh nã cã d¹ng Ecp h×nh tia vµ trÞ sè tuyÖt ®èi b»ng: U ph H×nh 5-8 E= (5-25) Ph©n bè ®iÖn tÝch s nr0 ln trªn d©y ph©n nhá r+d http://www.ebook.edu.vn
(C«ng thøc nµy dïng cho tr−êng hîp tæng qu¸t cã n d©y ph©n nhá, x©y dùng tõ quan hÖ q E= vµ nq = CU ph ). Tr−êng t¹o nªn bëi ®iÖn tÝch cña d©y ph©n nhá bªn c¹nh còng cã d¹ng 2πεr0 h×nh tia vµ cã trÞ sè: r0 q ΔE = =E (5-26) 2πεD D D−íi t¸c dông cña tr−êng ΔE , trong d©y ph©n nhá sÏ cã sù chuyÓn dÞch ®iÖn tÝch nh− trªn h×nh 5-8; tr−êng do c¸c ®iÖn tÝch nµy t¹o nªn sÏ triÖt tiªu tr−êng trong néi bé d©y ph©n nhá vµ ë c¸c ®iÓm 1,3 chóng cã trÞ sè b»ng trÞ sè tr−êng ngoµi ( ΔE ). Nh− vËy t¹i c¸c ®iÓm nµy tr−êng t¹o r0 nªn bëi ®iÖn tÝch cña d©y ph©n nhá bªn c¹nh sÏ t¨ng tíi møc 2ΔE = 2E . Cã thÓ dÔ dµng nhËn D thÊy ë ®iÓm l, tr−êng tæng hîp sÏ cã trÞ sè cùc ®¹i Emax = E + 2ΔE . V× trÞ sè E còng lµ trÞ sè tr−êng trung b×nh E tr .b nªn: ⎛ 2r ⎞ Emax = Etr .b ⎜ 1 + 0 ⎟ (5-27) ⎝ D⎠ ë ®iÓm 3 tr−êng tæng hîp sÏ cã trÞ sè cùc ®¹i: ⎛ 2r ⎞ Emin = Etr .b ⎜ 1 − 0 ⎟ (5-28) ⎝ D⎠ Víi c¸ch chøng minh t−¬ng tù cã thÓ tÝnh ®−îc trÞ sè tr−êng cùc ®¹i khi dïng 3 vµ 4 d©y ph©n nhá: ⎛ 2 3.r0 ⎞ ( 3) Emax = Etr .b ⎜ 1 + ⎟ (5-29) ⎝ D⎠ ⎛ 3 .r0 ⎞ (4 ) E max = E tr .b ⎜1 + ⎟ (5-30) ⎜ D⎟ ⎝ ⎠ Tõ biÓu thøc cña trÞ sè Emax − trÞ sè ®¸ng ®−îc quan t©m nhÊt v× cã liªn quan tùc tiÕp ®Õn sù ph¸t sinh vÇng quang- cã thÓ râ víi kho¶ng c¸ch D thÝch hîp th× trÞ sè Emax − cã trÞ sè bÐ nhÊt, ®ã lµ trÞ sè ®−îc chän b»ng ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n hoÆc thùc nghiÖm khi thiÕt kÕ ®−êng d©y. Dïng ®−êng d©y ph©n nhá ngoµi t¸c dông lµm gi¶m tæn hao vÇng quang cßn cã −u ®iÓm kh¸c lµ lµm gi¶m c¶m cña ®−êng d©y do ®ã t¨ng thªm kh¶ n¨ng chuyÓn t¶i c«ng suÊt vµ ®em l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ lín. HiÖn nay ®Ó tÝnh to¸n s¬ bé vÒ trÞ sè tæn hao vÇng quang th−êng dïng c«ng thøc Mai r¬, c«ng thøc nµy cã thÓ dïng cho d©y ®¬n còng nh− d©y ph©n nhá. ⎛ ⎞ Δ P = nkfr 02 E td (E td − E vq )⎜ 2 ,3 ln 1350 Etd − 1 ⎟. 10 − 5 kW/km pha (5-31) ⎜ ⎟ fr0 ⎝ ⎠ n − sè d©y ph©n nhá cïng pha. f − tÇn sè, Hz. r0 − b¸n kÝnh d©y dÉn, cm. Evq − c−êng ®é tr−êng ph¸t sinh vÇng quang,kV/cm. Etd − c−êng ®é tr−êng t−¬ng ®−¬ng cã trÞ sè b»ng: http://www.ebook.edu.vn
E max + E tr .b E td = KV / cm. 2 k − hÖ sè cã liªn quan ®Õn ®iÒu kiÖn khÝ hËu. §èi víi c«ng thøc Mair¬ mäi ®iÒu kiÖn khÝ hËu ®Òu quy n¹p vÒ hai lo¹i, lo¹i khÝ hËu tèt cã: k = 44 vµ E vq = 17kV / cm ( trÞ sè hiÖu dông). Vµ lo¹i khÝ hËu xÊu: k = 31,5 vµ E vq = 11kV / cm ( trÞ sè hiÖu dông). NÕu thêi gian cã khÝ hËu xÊu chiÕm tû lÖ m% cña thêi gian c¶ n¨m th× c«ng suÊt tæn hao vÇng quang trung b×nh hµng n¨m lµ: ΔP .bnam = m%ΔPxau + (1 − m%) ΔP (5-32) tr tot C«ng thøc Mair¬ chØ cho trÞ sè tæn hao trung b×nh hµng n¨m mµ kh«ng cho phÐp x¸c ®Þnh trÞ sè tæn hao cùc ®¹i. ChØ cã thÓ x¸c ®Þnh trÞ sè nµy b»ng ph−¬ng ph¸p ®o trùc tiÕp trªn ®−êng d©y. Nãi chung c¸c tÝnh to¸n vÒ vÇng quang cho ®Õn nay vÉn ch−a toµn diÖn v× chÝnh x¸c v× b¶n th©n vÇng quang cã liªn quan ®Õn nhiÒu yÕu tè phøc t¹p mµ trong tÝnh to¸n ch−a ®Ò cËp ®Õn mét c¸ch ®Çy ®ñ. http://www.ebook.edu.vn