Trong thiết kế đường dây truyền tải điện cao áp, khoảng cách giữa hai pha liền kề trong không khí, gọi là khoảng cách pha–pha, là thông số quyết định độ an toàn cách điện. Nếu khoảng cách quá ngắn, hiện tượng phóng điện bề mặt hoặc hồ quang có thể xảy ra khi lưới chịu quá điện áp do sét hoặc thao tác đóng cắt.
Ngược lại, nếu khoảng cách quá lớn, hành lang tuyến phải mở rộng, kéo theo chi phí giải tỏa đất và vật tư xây dựng. Bài toán tối ưu này trở nên đặc biệt quan trọng trong các đường dây HSIL – High Surge Impedance Loading, loại đường dây được nghiên cứu nhằm tăng khả năng tải công suất tự nhiên và giảm yêu cầu hành lang tuyến.
Theo Ghassemi (IEEE Transactions on Power Delivery, 2019), HSIL là hướng đi tất yếu để vừa đáp ứng nhu cầu truyền tải lớn vừa giảm chi phí sử dụng đất. Tuy nhiên, cấu hình bất quy tắc của dây dẫn trong HSIL khiến các công thức kinh nghiệm truyền thống không còn chính xác. Từ đây đặt ra nhu cầu về một phương pháp mới, dựa trên mô phỏng số, để xác định khoảng cách pha–pha tối thiểu.
Xem thêm:
Mất điện do sét đánh và hiện tượng Insulator Flashover
Có được phép đấu chung hệ thống tiếp địa chống sét và làm việc?
Tương lai cáp siêu dẫn trong lưới điện thông minh
Hiện tượng phóng điện trong khoảng cách pha–pha
Khi điện áp giữa hai pha vượt quá khả năng chịu đựng của không khí, quá trình đánh thủng điện môi bắt đầu bằng sự hình thành các streamer và leader. Streamer là kênh dẫn điện yếu xuất hiện trong điện trường mạnh, còn leader phát triển từ streamer thành đường dẫn hồ quang có khả năng truyền dòng lớn. Rizk (IEEE Transactions on Power Delivery, 1989) và Gallimberti (Journal of Physics D, 1997) đã mô tả quá trình này bằng các mô hình khí điện chi tiết.
Ý nghĩa của hiện tượng này là nếu leader có thể phát triển liên tục giữa hai dây dẫn, hồ quang sẽ khép mạch và gây ra sự cố. Ngược lại, nếu điện trường không đủ duy trì quá trình phát triển, hồ quang bị ngăn chặn và khoảng cách được xem là an toàn. Do đó, việc xác định “điểm giới hạn” của sự phát triển leader chính là chìa khóa để tìm ra khoảng cách pha–pha tối thiểu.
Phương pháp số mới trong xác định khoảng cách
Trong nghiên cứu đăng trên tạp chí IET Generation, Transmission & Distribution năm 2025, Arafat và Ghassemi đã giới thiệu một phương pháp số học mới để tính toán khoảng cách pha–pha an toàn của đường dây điện cao áp. Thay vì chỉ dựa vào công thức kinh nghiệm, họ sử dụng mô phỏng điện trường kết hợp với một loại đồ thị đặc biệt gọi là đường cong khả năng truyền hồ quang.
Cách làm bắt đầu bằng việc tính toán phân bố điện trường giữa hai dây dẫn gần nhau bằng phần mềm mô phỏng. Hai dây này được đặt điện áp ngược chiều nhau, với giá trị lấy từ mức điện áp tới hạn – tức là ngưỡng mà tại đó có 50% khả năng xảy ra phóng điện trong không khí. Ngưỡng này được tính bằng công thức thực nghiệm của EPRI (2004), trong đó phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai dây và hình dạng bố trí của chúng.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đi sâu vào hiện tượng hình thành hồ quang. Họ dùng một công thức của Gallimberti (2002) để xem xét sự phát triển của “leader” – giai đoạn quan trọng trước khi hồ quang bùng phát. Nếu tính toán cho thấy điện tích tích tụ đủ lớn, leader sẽ tiếp tục phát triển và hồ quang có thể xảy ra. Ngược lại, nếu điện tích không đủ, sự phát triển sẽ bị chặn lại và không có sự cố.
Bằng cách thử nhiều khoảng cách khác nhau và dựng nên các đường cong thể hiện khả năng hồ quang lan truyền, họ tìm ra giá trị khoảng cách pha–pha nhỏ nhất mà tại đó hồ quang chắc chắn bị ngăn chặn. Đây chính là khoảng cách an toàn tối thiểu cần thiết trong thiết kế đường dây.
Kết quả ứng dụng cho đường dây 500 và 735 kV
Khi áp dụng phương pháp cho ba trường hợp: đường dây 500 kV truyền thống, 500 kV HSIL bất quy tắc và 735 kV HSIL bất quy tắc, kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt. Với cấu hình truyền thống 500 kV, khoảng cách 12,3 m chỉ cho phép leader phát triển một phần, đủ để coi là an toàn. Trong khi đó, với thiết kế HSIL, khoảng cách có thể rút xuống còn 6,7 m cho 500 kV và 11,3 m cho 735 kV, vẫn đảm bảo leader bị ngăn chặn hoàn toàn.
Ý nghĩa thực tiễn là khoảng cách có thể giảm gần một nửa so với thiết kế truyền thống mà không đánh đổi độ tin cậy. Điều này mở ra khả năng xây dựng đường dây tải công suất lớn trên hành lang tuyến hẹp hơn, giảm đáng kể chi phí đền bù đất và hạ tầng cột.
Việc thay thế công thức kinh nghiệm bằng mô phỏng số có ba lợi ích rõ rệt. Thứ nhất, nó thích ứng với các cấu hình dây dẫn bất quy tắc của HSIL, vốn không nằm trong dữ liệu thực nghiệm cũ. Thứ hai, nó tích hợp được ảnh hưởng môi trường như độ ẩm, áp suất không khí, vốn rất quan trọng trong đánh giá cách điện. Thứ ba, nó cho phép tối ưu chi phí bằng cách rút ngắn hành lang tuyến mà vẫn duy trì an toàn.
Mặc dù phương pháp hiện mới dừng ở nghiên cứu học thuật, nhưng tiềm năng ứng dụng trong các phần mềm thiết kế và quy hoạch lưới điện là rất lớn. Khi nhu cầu truyền tải tăng mạnh và quỹ đất ngày càng hạn chế, công cụ này có thể giúp các công ty điện lực lựa chọn thiết kế kinh tế hơn mà không ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp điện.
Nguồn: IET Generation, Transmission & Distribution