CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ HIỆN TƯỢNG SÉT, HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG SÉT VÀ CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ĐƯỜNG DÂY PHÂN PHỐI 22KV TRÊN KHÔNG.1 Lý thuyết về hiện tượng sét: Nguồn gốc của sét: Sét là một dạng phóng điện tia lửa trong không khí với khoảng cách rất lớn. Chiều dài trung bình của khe sét khoảng 3÷5 km, phần lớn chiều dài đó phát triển trong các đám mây giông. Điện thế của các đám mây giông vào khoảng 107÷108 V. Năng lượng tỏa ra bởi một cơn sét khoảng 250kWh.[1] Trong một bầu khí quyển không ổn định, sự đối lưu làm cho các không khí nóng hơn tăng lên do mật độ của chúng thấp hơn không khí xung quanh.
Những luồng không khí nóng này chứa hơi ẩm và nở ra khi chúng tăng lên do áp suất khí quyển giảm xuống. Khi các luồng khí này mở rộng, chúng bắt đầu nguội đi. Nhiều luồng không khí nóng bốc lên dẫn đến hình thành các dòng thác mây, có thể mở rộng đến độ cao 7km. [2] Nếu không khí trong đến nhiệt độ nhất định, các giọt nước bắt đầu hình thành và nhiệt tiềm ẩn được giải phóng trong quá trình này.
Các giọt nước trong không khí tạo thành các đám mây tích điện, và nhiệt tỏa ra sẽ kích thích sự phát triển đi lên của đám mây. [2] Với nguồn cung cấp không khí ẩm liên tục và sự phát triển tiếp tục đi lên của đám mây giông tích điện, kích thước của các giọt nước tăng lên. Nếu một giọt phát triển quá lớn so với trọng lượng của nó để duy trì ở các vùng phía trên của đám mây thì nó sẽ bắt đầu rơi xuống, thường để lại đám mây ở dạng kết tủa. Luồng không khí đi xuống được gọi là sự suy giảm được hình thành khi nhiều giọt lớn hơn này bắt đầu rơi vào trong đám mây.
[2] Khi đám mây kéo dài thêm về phía trên, nó sẽ vượt qua mức đóng băng. Mức đóng băng là độ cao thấp nhất trong khu vực có nhiệt độ không khí là 0 ° C - điểm đóng băng của nước. Kết quả là, sự phân tách pha xảy ra trong đám mây. Các vùng phía dưới 4 của đám mây chủ yếu bao gồm các giọt nước, vùng giữa phần lớn bao gồm nước và các hạt băng (vì lý do này, nó thường được gọi là lớp pha hỗn hợp), và các vùng trên phần lớn bao gồm các tinh thể băng và mưa đá.
1: Quá trình hình thành mây giông và tích điện trong đám mây Quá trình hình thành sét: Người ta thường chấp nhận rằng sự nhiễm điện của đám mây là kết quả của sự tương tác giữa nước và các hạt băng trong lớp mây hỗn hợp[3]. Cơ chế băng - nước mưa (ice-graupel) là cách có khả năng xảy ra nhất trong đó quá trình tạo điện tích, và do đó sự điện hóa, có thể xảy ra trong một đám mây.[3] Cơ chế Ice-graupel gợi ý rằng điện tích trong một đám mây được tạo ra do va chạm giữa các hạt kết tủa và các hạt đám mây (thường là các tinh thể nước đá) với sự hiện diện của các giọt nước có nhiệt độ rất thấp. Tốc độ rơi được sử dụng để phân biệt các hạt kết tủa với các hạt đám mây. Các hạt mưa có tốc độ rơi trên 0,3m/s, trong khi các hạt đám mây có tốc độ rơi dưới ngưỡng này.
Do mối liên hệ này với tốc độ rơi, các hạt kết tủa rơi xuống dưới, trong khi các hạt đám mây hoặc bay lên trong nhiệt hoặc ở trạng thái lơ lửng. Sự chuyển giao điện tích giữa các hạt xảy ra trong những va chạm này, dẫn đến các hạt trở nên tích điện âm hoặc dương 5 Sự thay đổi từ điện tích dương sang điện tích âm xảy ra xung quanh một nhiệt độ tới hạn, được gọi là hiện tượng đảo vì nhiệt của điện tích. Một nghiên cứu chỉ ra rằng [4] rằng nhiệt độ tới hạn cũng là một hàm theo biến kích thước của các hạt kết tủa và đám mây, với các hạt nhỏ hơn 10 µm có thể có nhiều hơn một nhiệt độ tới hạn và các hạt nhỏ hơn 4 µm có thể có tới bốn hằng số nhiệt độ tới hạn. Đồng thời, mức độ bão hòa nước trong đám mây có ảnh hưởng liên quan đến quá trình điện khí hóa của đám mây [5].
Mô hình lưỡng cực của một đám mây sấm sét, được gọi là cấu trúc điện khí lưỡng cực, lần đầu tiên được đề xuất vào [6] vào năm 1963. Những thay đổi về điện tích âm được quan sát khi một đám mây ở xa, và những thay đổi điện tích dương được quan sát khi nó ở gần hơn. Các nghiên cứu này được sử dụng để suy luận rằng một đám mây có sự phân tách điện tích lưỡng cực, với vùng tích điện âm thấp hơn vùng tích điện dương. Các nghiên cứu chỉ ra rằng các vùng tích điện trái dấu này không nhất thiết phải xếp chồng lên nhau một cách chính xác và có khả năng tồn tại một vùng điện tích dương nhỏ nằm ở dưới cùng của đám mây.
Sự phân bố điện tích này được thể hiện trong hình sau. Cấu trúc điện khí lưỡng cực được nghiên cứu trong nhiều tài liệu[7], trong đó đề cập các tia sét có điểm đầu dưới 7,43 km phổ biến hơn nhiều so với các tia sét có điểm đầu trên 7,43 km [7] .Trong một tài liệu nghiên cứu ghi nhận cực tính của 165 trong số 214 tia sét; chỉ một tia sét có cực tính dương. Cấu trúc điện khí lưỡng cực được tiếp tục nghiên cứu mở rộng. Một số tài liệu ước vùng mang điện tích dương trong đám mây thường được tìm thấy ở độ cao khoảng 12 km so với mặt đất và có nhiệt độ khoảng -25 ◦C[8].
Vùng giữa tích điện âm trong đám mây thường được tìm thấy ở khoảng 7 km và có nhiệt độ khoảng -10 ◦C. Nếu vùng tích điện dương dưới cùng có mặt, nó thường được tìm thấy ở độ cao khoảng 2 km [8]. Phóng điện giữa các vùng mang điện tích trái dấu có thể xảy ra trong một đám mây (sét trong đám mây) hoặc giữa một đám mây lân cận khác (sét giữa các đám 6 mây). Các phóng điện này thường xảy ra trong quá trình hình thành giông bão, và thường hoạt động như một tín hiệu báo trước các tia sét từ đám mây đến mặt đất[6].
Một lý thuyết chi tiết về cơ chế mà sét từ đám mây đến mặt đất có thể xảy ra đã được đề xuất trong nhiều tài liệu[6]. Theo lý thuyết này, giả thiết rằng một điện trường mạnh được tạo ra giữa các vùng tích điện âm lớn trong đám mây và mặt đất. Các vật thể trên mặt đất tạo ra các hạt mang điện tích dương, với các vật thể cao hơn tạo ra nhiều điện tích dương hơn. Các hạt mang điện tích dương được chuyển động lên trên do chuyển động của không khí chuyển động theo hướng của đám mây - điện trường cũng góp phần vào chuyển động này, nhưng ở mức độ nhỏ hơn.
Do đó, sự phân bố của các hạt mang điện tích dương này phần lớn bị ảnh hưởng bởi gió, và chính sự phân bố này sẽ quyết định quá trình phóng điện từ đám mây xuống mặt đất. [6] Do sự hiện diện của vùng mang điện tích âm trong đám mây, một đường dẫn bắt đầu hình thành theo hướng đi xuống, di chuyển qua các vùng của các hạt mang điện tích dương, trong nỗ lực tiếp cận mặt đất. Sự phân bố các vùng của các hạt mang điện tích dương ảnh hưởng đến đường đi của tia sét. Một tia sét đầu có thể tách ra và bắt đầu đi theo nhiều nhánh khác nhau với sự hiện diện của nhiều vùng mang điện tích dương bằng nhau bên dưới nó.
Điều này là do bản chất thường không thể đoán trước của tia tiên đạo. Do đó, các đường nét của tia tiên đạo còn được gọi là các tia bậc thang. Quá trình này được minh họa trong hình trên. Một đường tia sét được hình thành giữa các đỉnh của các nhánh của tia và phần tâm tích điện âm của đám mây.
[6] Khi một đầu của đường dẫn sét ở gần mặt đất, một dòng điện được gọi là đường dẫn hướng lên hình thành. Đường dẫn hướng lên này gặp đỉnh gần đó của đường dẫn hướng lên, tạo thành một kênh ion hóa giữa đám mây và mặt đất. Nhánh tiếp xúc với mặt đất đầu tiên được gọi là kênh chính. Tại thời điểm kênh chính được thiết lập, quá trình phóng điện ngược xảy ra để cân bằng điện tích âm trong kênh.
Đường kính của tia sét đầu có thể là 1-10 m, trong khi đường kính trung bình của tia phóng ngược là khoảng 16 cm. Một tia sét bao gồm cả quá trình phóng điện xuống mặt đất và phóng điện ngược. 2: Quá trình hình thành sét 1.2 Quá điện áp cảm ứng trên đường dây phân phối 22kV: Hầu hết các nguyên nhân gây ra quá điện áp đều có tính quá độ, chỉ kéo dài vài micro giây đến vài chu kỳ và có nguồn gốc từ hệ thống hay ngoài hệ thống. Nguồn bên ngoài chủ yếu do giông sét, hiện tượng khó đoán trước, tạo áp lực đối với các hệ thống[9].
Các nguồn gốc bên trong chủ yếu do thao tác đóng cắt mạch điện và sự cố chạm pha. Tuy những nguồn quá áp này ít gây áp lực cho thiết bị so với giông sét. Như vậy, mặc dù sóng xung có thể được phát sinh từ trong hệ thống, nhưng rõ ràng giông sét vẫn là nguyên nhân chính có nguy cơ gây quá áp có hại cho hệ thống. Đó có thể quá áp do sét đánh trực tiếp vào đường dây hoặc do sét đánh cảm ứng [1].1 Tỷ lệ sét đánh: Sét xuất hiện trong các trận mưa bão, bão tuyết và các hiện tượng tự nhiên khác.
Tuy nhiên, trong hầu hết các lĩnh vực, mưa bão là nguồn sét chính. Bão tạo ra 8 đám mây tích điện, đám mây tích điện hình thành với đám mây tích điện và đám mây tích điện đến sét nối đất[9]. Sét trong đám mây tích điện là thường xuyên nhất, nhưng sét từ đám mây tích điện với mặt đất ảnh hưởng đến đường dây phân phối trên không. Độ tin cậy của đường dây phân phối phụ thuộc vào khả năng tiếp xúc với sét của nó.
Để xác định mức độ tác động, nhà thiết kế đường phân phối cần biết mật độ tia chới tác động trên mặt đất (GFD), được định nghĩa là số lượng tia chớp trên một đơn vị diện tích trên một đơn vị thời gian[9]. Phép đo ưu tiên của GFD là N g là số lần đánh tía chớp từ đám mây đến mặt đất trên mỗi km vuông mỗi năm.