Hiệu ứng Ferranti là một Vôn tăng đầu nhận của đường dây tải điện khi nó được vận hành trong điều kiện không tải hoặc tải thấp. Điều này dẫn đến giá trị điện áp cuối nhận cao hơn điểm gửi.
Hiện tượng này được phát hiện bởi kỹ sư điện Sebastian Ziani de Ferranti. Năm 1887, lần đầu tiên ông ghi nhận sự gia tăng điện áp ở những điểm nhất định của hệ thống điện London.
Hiệu ứng gây ra bởi sự tương tác giữa độ tự cảm và điện dung của đường dây.
Khi đường dây làm việc ở điều kiện không tải hoặc tải thấp, điện áp ở đầu nhận có thể cao hơn điện áp đầu vào, nếu điện áp này vượt quá giá trị danh định của đường dây có thể dẫn đến các tình huống nguy hiểm và gây ra căng thẳng. đến dây cáp và các thành phần.
Sơ đồ chữ T cổ điển thể hiện trong hình dưới đây giúp giải thích hiệu ứng Ferranti xảy ra như thế nào trong đường dây tải điện. Ở đây, chúng tôi giả định rằng hành vi điện trở của đường dây là không đáng kể.
T Lược đồ của một đường truyền.
Địa điểm:
- L là độ tự cảm dọc của đường dây [H / km]
- l là chiều dài của đoạn thẳng [km]
- C là điện dung ngang của đường dây [F / km]
- Vi là điện áp ở đầu vào của đường dây
- Ii là dòng điện ở đầu vào của dòng
- Vo là điện áp ở đầu ra của đường dây
Phương trình dưới đây giả định đường dây ở điều kiện "không tải" (mạch hở) và áp dụng nguyên tắc Kirchoff cho mạch điện trên:
Từ mô hình mạch, do điều kiện không tải, hiển nhiên rằng điện áp đầu ra là điện áp trên điện dung. Chúng ta sẽ thấy rằng điện dung ngang của đường dây đóng một vai trò quan trọng trong hiệu ứng Ferranti.
Từ các phương trình trên, có thể nhận thấy rằng điện áp đầu ra Vo cao hơn điện áp đầu vào Vi và đặc biệt tính toán sự khác biệt giữa chúng, quy về điện áp đầu ra, ta có:
Do đó, rõ ràng là sự chênh lệch điện áp tỷ lệ với:
- Bình phương của tần số của hệ thống điện (thực sự = 2f)
- Tích số của điện cảm đường dây và điện dung
- Bình phương của độ dài đoạn thẳng
Những quan sát này đưa chúng ta đến một số kết luận đáng nói:
Đường dây tải điện trong hệ thống điện hoạt động ở tần số cao hơn có nhiều khả năng bị ảnh hưởng bởi Hiệu ứng Ferranti. Ví dụ, xem xét hai đường dây giống nhau hoạt động ở cùng một điện áp nhưng ở tần số khác nhau, đường dây hoạt động ở tần số cao hơn phải ngắn hơn để tránh tăng điện áp không mong muốn và nguy hiểm ở đầu nhận.
Với đường dây cáp, Hiệu ứng Ferranti sẽ rõ ràng hơn, bởi vì các giá trị điển hình của điện cảm dịch vụ trong cáp xấp xỉ 0.5 đến 0.7 lần điện cảm của đường dây trên không. Tuy nhiên, các giá trị của điện dung cao hơn khoảng 20 đến 60 lần. Do đó, với một đường cáp, tích số của điện cảm và điện dung của đường dây có thể cao hơn khoảng 10 đến 30 lần.
Chiều dài của dòng là rất quan trọng. Tuy nhiên, độ dài thậm chí còn trở nên quan trọng hơn khi độ dài dòng càng gần / 4. Xét kí hiệu lượng giác của phương trình đường truyền, ở điều kiện không tải, có thể chứng minh rằng:
Vì vậy, đối với 0l / 4 (vì vậy đối với 0l1500 km ở 50 Hz) chúng ta có 02l // 2, do đó số hạng ở mẫu số nằm trong khoảng từ 1 đến 0. Khi chiều dài đường dây tiến tới / 4 thì điện áp ở đầu nhận của đường dây có xu hướng là vô hạn.
Như đã đề cập ở trên, lý do chính của Hiệu ứng Ferranti là do sự tương tác giữa điện dung và độ tự cảm của đường dây.
Nhìn chung, Hiệu ứng Ferranti được biết đến nhiều và cần được xem xét khi thiết kế hệ thống phân phối điện để tránh việc tăng điện áp bất ngờ có thể gây ra hỏng hóc và các tình huống nguy hiểm.
Để tránh Hiệu ứng Ferranti, chúng ta cần giới hạn độ dài tối đa của đường dây tải điện. Đó là lý do tại sao các đường truyền điện thông thường không vượt quá 600-700 km ở tần số 50 Hz, (hoặc 500-600 km ở tần số 60Hz).
Bằng cách giảm chiều dài của đường dây để giảm thiểu hiện tượng này, độ tự cảm và điện dung của đường dây có thể tạo ra tình huống cộng hưởng, do các đặc tính cấu tạo nội tại của bản thân đường dây. Để tránh Hiệu ứng Ferranti, giải pháp phổ biến là lắp đặt thêm một cuộn kháng (về cơ bản là cuộn cảm). Điều này bù đắp cho điện dung ngang của đường dây và làm giảm đáng kể hiện tượng này.
Thực tế của những vấn đề này có thể trở nên phức tạp hơn nhiều so với những giải thích được đưa ra ở trên. Người ta phải nghĩ đến bất kỳ tổn thất nào có thể xảy ra, thay vì giả định trường hợp “lý tưởng” của đường dây có điều kiện không tải.