Hiện tượng phóng điện corona: Cách giảm thiểu hiệu ứng corona

Hiện tượng phóng điện corona, còn được gọi là hiệu ứng corona, là hiện tượng phóng điện xảy ra khi một dây dẫn mang điện áp cao ion hóa chất lỏng xung quanh, thường là không khí. Hiệu ứng corona sẽ xảy ra trong các hệ thống điện áp cao trừ khi có biện pháp hạn chế cường độ của trường điện xung quanh.

Vì phóng điện corona liên quan đến sự mất năng lượng, các kỹ sư tìm cách giảm thiểu phóng điện corona để giảm thiểu sự mất mát công suất điện, sản xuất khí ozone và nhiễu radio.

Phóng điện corona có thể gây ra tiếng rít hoặc nổ do nó ion hóa không khí xung quanh các dây dẫn. Điều này phổ biến ở các đường dây truyền tải điện áp cao. Hiệu ứng corona cũng có thể tạo ra ánh sáng màu tím, sản xuất khí ozone xung quanh dây dẫn, nhiễu radio và mất công suất điện.

Hiệu ứng corona là gì?

Hiệu ứng corona xảy ra tự nhiên vì không khí không phải là vật liệu cách điện hoàn hảo—chứa nhiều electron và ion tự do trong điều kiện bình thường. Khi một trường điện được thiết lập trong không khí giữa hai dây dẫn, các ion và electron tự do trong không khí sẽ chịu một lực. Do tác động này, các ion và electron tự do được gia tốc và di chuyển theo hướng ngược lại.

Các hạt mang điện trong quá trình di chuyển va chạm với nhau và cũng với các phân tử không mang điện di chuyển chậm. Do đó, số lượng các hạt mang điện tăng nhanh chóng. Nếu trường điện đủ mạnh, sẽ xảy ra sự phá vỡ điện môi của không khí và một hồ quang sẽ hình thành giữa các dây dẫn.

Truyền tải điện liên quan đến việc chuyển giao năng lượng điện hàng loạt, từ các trạm phát điện nằm cách xa nhiều kilômét so với các trung tâm tiêu thụ chính hoặc các thành phố. Vì lý do này, dây dẫn truyền tải đường dài là cần thiết cho việc chuyển giao điện hiệu quả—mà không may dẫn đến sự mất mát lớn trong hệ thống.

Giảm thiểu những mất mát năng lượng này đã là thách thức lớn đối với các kỹ sư điện. Phóng điện corona có thể làm giảm đáng kể hiệu quả của các đường dây EHV (Extra High Voltage) trong hệ thống điện.

Hai yếu tố quan trọng để xảy ra phóng điện corona:

1. Phải cung cấp chênh lệch điện thế xoay chiều qua đường dây.

2. Khoảng cách giữa các dây dẫn phải lớn hơn so với đường kính của đường dây.

Khi dòng điện xoay chiều được làm chảy qua hai dây dẫn của đường dây truyền tải có khoảng cách giữa chúng lớn hơn so với đường kính, không khí xung quanh các dây dẫn (gồm các ion) bị áp lực điện môi.

Ở mức điện áp thấp, không có gì xảy ra vì áp lực quá nhỏ để ion hóa không khí bên ngoài. Nhưng khi chênh lệch điện thế tăng vượt quá một giá trị ngưỡng nào đó (được gọi là điện áp phá vỡ tới hạn), cường độ trường trở nên đủ mạnh để không khí xung quanh các dây dẫn phân ly thành ion—làm cho nó dẫn điện. Điện áp phá vỡ tới hạn xảy ra ở khoảng 30 kV.

Không khí ion hóa dẫn đến phóng điện xung quanh các dây dẫn (do dòng ion). Điều này tạo ra ánh sáng mờ, cùng với âm thanh rít đi kèm với sự giải phóng ozone.

Hiện tượng phóng điện xảy ra trong các đường dây truyền tải điện áp cao được gọi là hiệu ứng corona. Nếu điện áp qua các đường dây tiếp tục tăng, ánh sáng và âm thanh rít trở nên mạnh mẽ hơn—gây ra sự mất mát công suất lớn trong hệ thống.

Các yếu tố ảnh hưởng đến mất mát corona

Điện áp của dây dẫn là yếu tố chính quyết định phóng điện corona trong các đường dây truyền tải. Ở mức điện áp thấp (nhỏ hơn điện áp phá vỡ tới hạn), áp lực lên không khí không đủ mạnh để gây ra sự phá vỡ điện môi—và do đó không có phóng điện xảy ra.

Khi điện áp tăng, hiệu ứng corona trong đường dây truyền tải xảy ra do ion hóa không khí xung quanh các dây dẫn—nó chủ yếu bị ảnh hưởng bởi điều kiện của cáp cũng như trạng thái vật lý của bầu khí quyển. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến phóng điện corona là:

• Điều kiện khí quyển

• Tình trạng của dây dẫn

• Khoảng cách giữa các dây dẫn

Hãy xem xét chi tiết các yếu tố này:

Điều kiện khí quyển

Độ dốc điện áp cho sự phá vỡ điện môi của không khí tỷ lệ thuận với mật độ không khí. Do đó, vào những ngày giông bão, số lượng ion xung quanh dây dẫn tăng do luồng gió liên tục, làm cho phóng điện điện dễ xảy ra hơn so với những ngày thời tiết tốt.

Hệ thống điện áp phải được thiết kế để phù hợp với những điều kiện cực đoan này.

Tình trạng của dây dẫn

Ảnh hưởng của corona phụ thuộc rất nhiều vào dây dẫn và tình trạng vật lý của chúng. Hiện tượng này tỷ lệ nghịch với đường kính của dây dẫn, nghĩa là việc tăng đường kính sẽ giảm đáng kể hiệu ứng corona.

Ngoài ra, sự tồn tại của bụi bẩn hoặc bề mặt gồ ghề trên dây dẫn làm giảm điện áp phá vỡ tới hạn, khiến dây dẫn dễ bị mất mát do corona hơn. Yếu tố này đặc biệt quan trọng ở các thành phố và khu vực công nghiệp có ô nhiễm cao, nơi cần có chiến lược giảm thiểu để chống lại tác động tiêu cực của nó lên hệ thống.

Khoảng cách giữa các dây dẫn

Khoảng cách giữa các dây dẫn là yếu tố quan trọng cho phóng điện corona. Để phóng điện corona xảy ra, khoảng cách giữa các dây dẫn phải lớn hơn nhiều so với đường kính của chúng.

Tuy nhiên, nếu khoảng cách quá lớn, áp lực điện môi trên không khí giảm, làm giảm hiệu ứng corona. Nếu khoảng cách quá lớn, corona có thể không xảy ra ở khu vực đó của đường dây truyền tải.

Các chiến lược để giảm phóng điện corona

Vì phóng điện corona không tránh khỏi dẫn đến mất mát công suất dưới dạng ánh sáng, âm thanh, nhiệt và phản ứng hóa học, do đó rất quan trọng phải sử dụng các chiến lược để giảm thiểu sự xảy ra của nó trong các mạng điện áp cao.

Phóng điện corona có thể được giảm bằng cách:

• Tăng kích thước dây dẫn: Đường kính dây dẫn lớn hơn dẫn đến giảm hiệu ứng corona.

• Tăng khoảng cách giữa các dây dẫn: Tăng khoảng cách giữa các dây dẫn làm giảm hiệu ứng corona.

• Sử dụng dây dẫn nhóm: Dây dẫn nhóm tăng đường kính hiệu dụng của dây dẫn—do đó giảm hiệu ứng corona.

• Sử dụng vòng corona: Trường điện mạnh hơn ở các điểm cong của dây dẫn, do đó phóng điện corona đầu tiên xảy ra ở các điểm sắc, cạnh và góc. Vòng corona, được kết nối điện với dây dẫn điện áp cao, bao quanh các điểm mà hiệu ứng corona có khả năng xảy ra nhất. Chúng hiệu quả "làm tròn" dây dẫn, giảm độ sắc của bề mặt dây dẫn, và phân phối điện tích trên diện rộng hơn, do đó giảm phóng điện corona. Vòng corona được sử dụng ở các đầu cuối của thiết bị điện áp rất cao (như ở các bushings của máy biến áp điện áp cao).

Phóng điện corona và dòng điện

Một cái nhìn gần hơn về mối quan hệ giữa phóng điện corona và dòng điện tiết lộ thêm thông tin về tác động của hiện tượng này lên các hệ thống điện áp cao.

Vai trò của dòng điện trong phóng điện corona

Lưu lượng điện tích đóng vai trò quan trọng trong sự xảy ra của phóng điện corona. Khi một điện áp cao được áp dụng cho đường dây truyền tải, dòng điện chạy qua các dây dẫn tạo ra một trường điện xung quanh chúng.

Trường điện này ion hóa các phân tử không khí xung quanh các dây dẫn, dẫn đến hiệu ứng corona.

Độ lớn của dòng điện chạy qua đường dây truyền tải tỷ lệ thuận với mức độ nghiêm trọng của phóng điện corona. Dòng điện lớn hơn tạo ra một trường điện mạnh hơn, dẫn đến ion hóa nhiều hơn và khả năng xảy ra phóng điện corona cao hơn.

Dòng điện và mất mát corona

Tương tác giữa dòng điện và phóng điện corona góp phần đáng kể vào sự mất mát công suất trong các hệ thống truyền tải. Khi dòng điện tăng, phóng điện corona trở nên mạnh mẽ hơn, dẫn đến việc mất nhiều công suất dưới dạng ánh sáng, nhiệt, âm thanh và sản xuất ozone.

Quản lý dòng điện để giảm thiểu phóng điện corona

Với mối quan hệ này, quản lý dòng điện trong các hệ thống điện áp cao là một chiến lược hiệu quả để kiểm soát và giảm thiểu phóng điện cor