Kü thuËt cao ¸p. Bé m«n: N¨ng l−îng ®iÖn
Tr−êng §¹i häc Kü ThuËt c«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn. http://www.ebook.edu.vn 1
PhÇn I
Qu¸ ®iÖn ¸p khÝ quyÓn vµ b¶o vÖ
chèng qu¸ ®iÖn ¸p khÝ quyÓn
Ch−¬ng I
HiÖn t−îng phãng ®iÖn cña sÐt
nguån ph¸t sinh qu¸ ®iÖn ¸p khÝ quyÓn
§1-1. Qu¸ tr×nh phãng ®iÖn cña sÐt.
SÐt lµ mét tr−êng hîp phãng ®iÖn tia löa khi kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c ®iÖn cùc rÊt
lín (trung b×nh kho¶ng 5km). Qu¸ tr×nh phãng ®iÖn cña sÐt gièng nh− qu¸ tr×nh xÈy ra
trong tr−êng kh«ng ®ång nhÊt(xem ch−¬ng III). Khi c¸c líp nµy ®−îc tÝch ®iÖn (
kho¶ng 80% sè tr−êng hîp phãng ®iÖn sÐt xuèng ®Êt ®iÖn tÝch cña m©y cã cùc tÝnh ©m)
tíi møc ®é cã thÓ t¹o nªn c−êng ®é tr−êng lín sÏ h×nh thµnh dßng ph¸t triÓn vÒ phÝa
mÆt dÊt. Giai ®o¹n nµy gäi lµ giai ®o¹n phãng ®iÖn tiªn ®¹o vµ dßng gäi lµ dßng tiªn
®¹o. Tèc ®é di chuyÓn trung b×nh cña tia tiªn ®¹o cña lÇn sè phãng ®iÖn ®Çu tiªn
kho¶ng 1,5. 107 cm/s, cña c¸c lÇn sau nhanh h¬n vµ ®¹t tíi 2.108cm/s (trong mét ®ît sÐt
®¸nh cã thÓ cã nhiÒu lÇn phãng ®iÖn kÕ tiÕp nhau, trung b×nh lµ ba lÇn, ®iÒu nµy ®−îc
gi¶i thÝch bëi trong cïng líp m©y ®iÖn cã thÓ h×nh thµnh nhiÒu trung t©m ®iÖn tÝch,
chóng sÏ lÇn l−ît phãng ®iÖn xuèng ®Êt).
Tia tiªn ®¹o lµ m«i tr−êng plasma cã ®iÖn dÉn lín. §Çu tia nèi víi mét trong c¸c
trung t©m ®iÖn tÝch cña líp m©y ®iÖn nªn mét phÇn ®iÖn tÝch cña trung t©m nµy ®i vµo
trong tia tiªn ®¹o vµ ph©n bè cã thÓ xem nh− gÇn ®Òu däc theo chiÒu dµi tia (h×nh 16-
1a). D−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−êng cña tia tiªn ®¹o, sÏ cã sù tËp trung ®iÖn tÝch kh¸c
dÊu trªn mÆt ®Êt mµ ®Þa ®iÓm tËp kÕt tuú thuéc vµo t×nh h×nh dÉn ®iÖn cña ®Êt. NÕu
vïng ®Êt cã ®iÖn dÉn ®ång nhÊt th× ®Þa ®iÓm nµy n»m ngay ë phÝa d−íi tia tiªn ®¹o.
Tr−êng hîp mÆt ®Êt cã nhiÒu n¬i ®iÖn dÉn kh¸c nhau th× ®iÖn tÝch trong dÊt sÏ tËp trung
vÒ n¬i cã ®iÖn dÉn cao vÝ dô c¸c ao, hå, s«ng, l¹ch ë vïng ®Êt ®¸...
Qu¸ tr×nh phãng ®iÖn sÏ ph¸t triÓn däc theo ®−êng søc nèi liÒn gi÷a c¸c tia tiªn
®¹o víi n¬i tËp trung ®iÖn tÝch trªn mÆt ®Êt v× ë ®Êy c−êng ®é tr−êng cã trÞ sè lín nhÊt
vµ nh− vËy lµ ®Þa ®iÓm sÐt ®¸nh trªn mÆt ®Êt ®· ®−îc ®Þnh s½n. TÝnh chÊt chän läc cña
phãng ®iÖn ®· ®−îc vËn dông trong viÖc b¶o vÖ chèng sÐt ®¸nh th¼ng cho c¸c c«ng
tr×nh : cét thu l«i cã ®é cao lín vµ trÞ sè ®iÖn trë nèi ®Êt bÐ sÏ thu hót c¸c phãng ®iÖn
sÐt vÒ phÝa m×nh, do ®ã t¹o nªn khu vùc an toµn quanh nã.
CÇn nªu thªm r»ng, nÕu ë phÝa mÆt ®Êt ®iÖn tÝch kh¸c dÊu ®−îc tËp trung dÔ
dµng vµ cã ®iÒu kiÖn thuËn lîi ®Ó t¹o nªn khu vùc tr−êng m¹nh ( vÝ dô ®Ønh cét ®iÖn
Kü thuËt cao ¸p. Bé m«n: N¨ng l−îng ®iÖn
Tr−êng §¹i häc Kü ThuËt c«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn. http://www.ebook.edu.vn 2
®−êng d©y cao ¸p) th× cã thÎ ®ång thêi xuÊt hiÖn tia tiªn ®¹o tõ phÝa mÆt ®Êt ph¸t triÓn
ng−îc chiÒu víi tia tiªn ®¹o tõ líp m¸y ®iÖn.
Khi tia tiªn ®¹o ph¸t triÓn tíi gÇn mÆt ®Êt th× tr−êng trong kho¶ng kh«ng gian
gi÷a c¸c ®iÖn cùc sÏ cã trÞ sè rÊt lín vµ b¾t ®Çu cã qu¸ tr×nh ion ho¸ m·nh liÖt dÉn ®Õn
sù h×nh thµnh dßng Plasma víi mËt ®é ion lín h¬n nhiÒu so víi cña tia tiªn ®¹o ( h×nh
16-1b). Do cã ®iÖn dÉn b¶n th©n rÊt cao nªn ®Çu dßng sÏ cã ®iÖn thÕ mÆt ®Êt vµ nh− vËy
toµn bé hiÖu sè ®iÖn thÕ ( gi÷a ®Çu tia ®¹o víi mÆt ®Êt) ®−îc tËp trung vaß khu vùc gi÷a
nã víi ®Çu tia tiªn ®¹o, tr−êng trong khu vùc nµy t¨ng cao vµ g©y ion ho¸ m·nh liÖt...
dßng Plasma ®−îc kÐo dµi vµ di chuyÓn ng−îc lªn phÝa trªn. Giai ®o¹n nµy gäi lµ giai
®o¹n phãng ®iÖn ng−îc (h×nh 16-1c vµ d). Tèc ®é ph¸t triÓn cña phãng ®iÖn ng−îc thay
®æi trong giíi h¹n 1,5.109 ÷ 1,5.1910 cm/s tøc lµ 0,05 ÷ 0,5 tèc ®é ¸nh s¸ng. Trong giai
®o¹n nµy ®iÖn tÝch cña líp m¸y ®iÖn sÏ theo dßng Plasma chuyÓn vÒ phÝa mÆt ®Êt t¹o
nªn dßng ®iÖn ë n¬i sÐt ®¸nh.
1 1 1
2 3
2 3
is is is is
t t t t
a) b) c) d)
H×nh 1-1
C¸c giai ®o¹n ph¸t triÓn cña phãng ®iÖn sÐt vµ
biÕn thiªn cña dßng ®iÖn theo thêi gian.
a) Giai ®o¹n phãng ®iÖn tiªn ®¹o.
b) H×nh thµnh khu vùc ion ho¸ m·nh liÖt gµn mÆt ®Êt.
d) Giai ®o¹n phãng ®iÖn ng−îc
1. Tia tiªn ®¹o ; 2. Khu vùc ion ho¸ m·nh liÖt ; 3. Dßng cña phãng ®iÖn ng−îc.
NÕu tèc ®é ph¸t triÓn cña phãng ®iÖn ng−îc lµ v vµ mËt ®é ®−êng cña ®iÖn tÝch
trong tia tiªn ®¹o b»ng δ th× trong ®¬n vÞ thêi gian ®iÖn tÝch ®i vµo trong dÊt sÏ lµ
Kü thuËt cao ¸p. Bé m«n: N¨ng l−îng ®iÖn
Tr−êng §¹i häc Kü ThuËt c«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn. http://www.ebook.edu.vn 3
δv vµ ®ã còng lµ c«ng thøc tÝnh dßng ®iÖn sÐt:
iv
s
=
δ
(16-1)
C«ng thøc nµy tÝnh to¸n cho tr−êng hîp sÐt ®¸nh vµo n¬i nèi ®Êt tèt(cã trÞ sè
®iÖn trë nèi ®Êt rÊt bÐ kh«ng ®¸ng kÓ).
Qu¸ tr×nh chuyÓn tõ phãng ®iÖn tiªn ®¹o sang phãng ®iÖn ng−îc gÇn gièng nh−
qu¸ tr×nh ng¾n m¹ch ch¹m ®Êt cña d©y dÉn th¼ng ®øng cã n¹p ®iÖn tr−íc (h×nh 16-2).
Däc theo d©y dÉn sÏ truyÒn sãng ®iÖn tÝch d−¬ng
víi tèc ®é ¸nh s¸ng lµm gi¶m ®iÖn thÕ d©y dÉn tíi
trÞ sè kh«ng. NÕu d©y dÉn ng¾n m¹ch ch¹m ®Êt
qua mét ®iÖn trë r th× trÞ sè dßng ®iÖn sÏ gi¶m
theo c«ng thøc:
iv
Z
Zr
s=+
δ
0
0
(16-2)
Z0
−
Tæng trë sãng cña d©y dÉn tøc lµ cña
khe phãng ®iÖn sÐt, cã trÞ sè kho¶ng 200 ÷300Ω.
ë c¸c cét thu sÐt vµ cét ®iÖn,bé phËn nèi ®Êt
th−êng cã trÞ sè ®iÖn trë kh«ng qu¸ 20 ÷30Ω nªn
khi bÞ sÐt ®¸nh dßng ®iÖn sÏ gÇn b»ng trÞ sè tÝnh
theo c«ng thøc (16-1). NÕu sÐt ®¸nh vµo c¸c n¬i
kh«ng cã bé phËn nèi ®Êt nh©n t¹o hoÆc cã nh−ng
®iÖn trë nèi ®Êt qu¸ lín, dßng ®iÖn sÐt gi¶m nhiÒu vµ theo quy −íc hiÖn nay th−êng lÊy
b»ng mét nöa trÞ sè dßng ®iÖn ë n¬i cã nèi ®Êt tèt.
§1-2. Tham sè cña phãng ®iÖn sÐt.
Tham sè chñ yÕu cña phãng ®iÖn sÐt lµ
dßng ®iÖn sÐt. HiÖn nay ®· tÝch luü ®−îc kh¸
nhiÒu sè liÖu thùc nghiÖm vÒ tham sè nµy( ®o
b»ng thái s¾t tõ hoÆc b»ng m¸y hiÖn sãng cao
¸p). Trªn h×nh 16-1 cho d¹ng sãng dßng ®iÖn sÐt,
®ã lµ d¹ng sãng xung kÝch - chç t¨ng vät cña
dßng ®iÖn øng víi giai ®o¹n phãng ®iÖn ng−îc
cßn qu¸ tr×nh gi¶m dÇn vÒ sau lµ qu¸ tr×nh
chuyÓn sè ®iÖn tÝch d− tõ líp mÊy xuèng ®Êt.
KÕt qu¶ ®o l−êng cho thÊy biªn dé dßng
®iÖn sÐt (Is) biÕn thiªn trong ph¹m vi réng tõ mÊy
kA tíi hµng tr¨m kA vµ ®−îc ph©n bè theo quy
luËt thùc nghiÖm nh− sau:
c
-δ +δ
a) b)
H×nh 1-2
Qu¸ tr×nh ng¾n m¹ch ch¹m ®Êt cña
d©y dÉn ®−îc n¹p ®iÖn tr−íc
kA
Is
100
80
60
40
20
0 20 40 60 80 %
H×nh 1-3
X¸c xuÊt cña dßng ®iÖn sÐt
(dïng ë Liªn x«)
Kü thuËt cao ¸p. Bé m«n: N¨ng l−îng ®iÖn
Tr−êng §¹i häc Kü ThuËt c«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn. http://www.ebook.edu.vn 4
ve
I
II
ss
==
−−
10 60 26 1,
hoÆc
Igv I
i
s
=−60 (16-3)
Is−biªn dé dßng ®iÖn sÐt, kA.
vI−x¸c suÊt xuÊt hiÖn sÐt cã biªn ®é dßng ®iÖn ≥Is.
Quy luËt nµy còng ®−îc biÓu thÞ trªn ®−êng cong 16-3.
§é dµi sãng trung b×nh cña dßng ®iÖn sÐt kho¶ng 40μs. Sè liÖu nµy ®−îc chÊp
nhËn trong tÝnh to¸n thiÕt kÕ vµ thÝ nghiÖm mÆc dï cã thÓ kh¸c xa so víi ®é dµi sãng
cña c¸c lÇn ®o thùc tÕ.
Khi ph©n tÝch c¸c s¬ ®å chèng sÐt hoÆc tÝnh to¸n c¸c qu¸ tr×nh qu¸ ®é, ®Çu sãng
dßng ®iÖn sÐt th−êng ®−îc thay b»ng ®o¹n
th¼ng xiªn cã ®é dèc trung b×nh aIs
ds
=
τ
(
τ
ds
−
®é dµi ®Çu sãng). Tuy sè liÖu thùc
nghiÖm vÒ ®é dèc trung b×nh kh«ng nhiÒu
nh−ng vÉn cã thÓ xuÊt ®−îc quy luËt ph©n
bè t−¬ng tô cña biªn ®é dßng ®iÖn.
ve
a
a
==
−−
10
2
25 10 9,
hoÆc
125
gv a
a=− ( 16-4)
a
−
§é dèc trung b×nh cña dßng
®iÖn sÐt, kA
s
/
μ
.va
−
X¸c suÊt xuÊt hiÖn sÐt
cã ®é dèc trung b×nh ≥ a.
Quy luËt nµy còng ®−îc biÓu thÞ
trªn h×nh 16-4.
Trong tÝnh to¸n cã khi cÇn ph¶i ®ång thêi xÐt ®Õn c¶ hai yÕu tè: Biªn ®é vµ ®é
dèc dßng ®iÖn sÐt; trong c¸c tr−êng hîp nµy dïng x¸c suÊt phèi hîp
()
160 25
gv Ia
Ia
s
,=− +
⎛
⎝
⎜⎞
⎠
⎟ ( 16-5)
§Ó qu¸ tr×nh tÝnh to¸n ®−îc ®¬n gi¶n, trong tõng tr−êng hîp cô thÓ cã thÓ dïng
c¸c d¹ng sãng tÝnh to¸n kh¸c nhau. d¹ng sãng cã ®Çu sãng xiªn gãc ë h×nh 16-5a dïng
khi qu¸ tr×nh cÇn xÐt x¶y ra ë ®Çu sãng hoÆc trong c¸c tr−êng hîp mµ thêi gian
a
10
Ua
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
H×nh 1-4
X¸c xuÊt cña ®é dèc trung
b×nh cña dßng ®iÖn sÐt
50
40
30
20
kA/k
s
Kü thuËt cao ¸p. Bé m«n: N¨ng l−îng ®iÖn
Tr−êng §¹i häc Kü ThuËt c«ng NghiÖp Th¸i Nguyªn. http://www.ebook.edu.vn 5
: diÔn biÕn t−¬ng ®èi ng¾n so víi ®é dµi sãng. Trong c¸c tr−êng hîp nµy sù gi¶m
dßng ®iÖn sau trÞ sè cùc ®¹i kh«ng cã ý nghÜa nªn khi tds
>
cã thÓ xem dßng ®iÖn
kh«ng thay ®æi vµ b»ng trÞ sè biªn ®é. Ng−îc l¹i khi qu¸ tr×nh x¶y ra trong thêi gian dµi
( t> τds ) nh− khi tÝnh to¸n vÒ hiÖu øng nhiÖt cña dßng ®iÖn sÐt, cã thÓ kh«ng sÐt ®Õn
giai ®o¹n sãng vµ d¹ng sãng tÝnh to¸n ®−îc chän theo d¹ng hµm sè mò (h×nh 16-5b).
§1-3. C−êng ®é ho¹t ®éng cña sÐt.
C−êng ®é ho¹t ®éng cña sÐt ®−îc
biÓu thÞ b»ng sè ngµy cã gi«ng sÐt hµng
n¨m (n ng.s) hoÆc tæng sè thêi gian kÐo dµi
cña gi«ng sÐt trong n¨m tÝnh theo giê (ng.
s). C¸c trÞ sè nµy ®−îc x¸c ®Þnh theo c¸c sè
liÖu quan tr¾c ë c¸c ®µi khÝ t−îng ph©n bè
trªn l·nh thæ tïng n−íc vµ trªn c¬ së ®ã vÏ
b¶n ®å ph©n vïng gi«ng sÐt.
Theo sè liÖu thèng kª cña nhiÒu
n−íc, sè ngµy sÐt hµng n¨m ë vïng xÝch
®¹o kho¶ng 100 ÷ 150 ngµy, vïng nhiÖt ®íi
75 ÷100 ngµy, vïng «n ®íi kho¶ng 30 ÷ 50
ngµy, cßn ë c¸c vïng nam b¾c cùc chØ
kho¶ng vµi ngµy. Sè ngµy vµ sè giê cã
gi«ng sÐt nãi trªn lµ chØ c¸c ho¹t ®éng
gi«ng sÐt chung, qu¸ tr×nh phãng ®iÖn cã
thÓ x¶y ra gi÷a c¸c líp m©y víi nhau hoÆc lµ gi÷a líp m©y víi ®Êt ( theo danh tõ ViÖt
nam, ®ã lµ sè ngµy giê cã sÉm sÐt).
§Ó tÝnh to¸n sè lÇn cã phãng ®iÖn xuèng ®Êt cÇn biÕt vÒ sè lÇn cã sÐt ®¸nh trªn
diÖn tÝch 1km2 mÆt ®Êt øng víi mét ngµy sÐt, nã cã trÞ sè kho¶ng 0,1 ÷ 0,15; tõ ®ã sÏ
tÝnh ®−îc sè lÇn sÐt ®¸nh vµo c¸c c«ng tr×nh hoÆc ®¸nh lªn ®−êng d©y t¶i ®iÖn. KÕt qu¶
tÝnh to¸n nµy chØ cho mét kh¸i niÖm trung b×nh v× phãng ®iÖn sÐt mang s½n tÝnh chän
läc mµ kh«ng ph¶i r¶i ®Òu trªn mäi n¬i cña mÆt ®Êt.
§1-4. §iÖn tõ tr−êng cña khe phãng ®iÖn.
V× phãng ®iÖn sÐt cã kÌm theo viÖc di chuyÓn trong kh«ng gian mét sè l−îng
®iÖn tÝch ®¸ng kÓ nªn s¶n sinh ra ®iÖn tõ tr−êng m¹nh ®−îc biÓu thÞ bëi thÕ vÐct¬
A
vµ
thÕ v« h−íng ϕ.
is
is=at Is = aτ®s
t
τ®s
is is = Is eT
t−
Is T = 7,0
s
τ
τs
H×nh 1-5
D¹ng sãng tÝnh to¸n cña dßng ®iÖn sÐt.
a) D¹ng sãng xiªn gãc.
b) d¹ng sãng hµm sè mò.