Điện áp tác dụng tăng làm thay đổi hình dạng và vận tốc di chuyển dòng điện tích dẫn đến hình thành các loại dòng điện tích khác nhau.. Camera tốc độ cao, IMACON 468, được dùng để chụp
Trang 120 Nguyễn Văn Dũng
NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG DÒNG ĐIỆN TÍCH
TRONG DẦU KHOÁNG TRẮNG
A STUDY ON THE PHENOMENON OF STREAMERS IN WHITE MINERAL OIL
Nguyễn Văn Dũng
Trường Đại học Cần thơ; nvdung@ctu.edu.vn
Tóm tắt - Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu về hiện
tượng dòng điện tích trong dầu khoáng trắng Thí nghiệm được
thực hiện với hệ thống điện cực mũi nhọn - bảng phẳng với khoảng
cách điện cực là 8 cm dưới tác dụng của điện áp bước Ảnh hưởng
của độ lớn và cực tính của điện áp tác dụng lên hiện tượng dòng
điện tích được khảo sát chi tiết Điện áp tác dụng tăng làm thay đổi
hình dạng và vận tốc di chuyển dòng điện tích dẫn đến hình thành
các loại dòng điện tích khác nhau Khi điện áp tác dụng vượt quá
một giá trị ngưỡng, vận tốc dòng điện tích tăng đột ngột Dòng điện
tích dương di chuyển với tốc độ cao hơn nhưng có điện áp phóng
điện và điện áp gia tốc nhỏ hơn so với dòng điện tích âm Trong
quá trình di chuyển của dòng điện tích, ghi nhận được sự xuất hiện
của xung dòng điện và xung ánh sáng Nguyên nhân gây chuyển
từ dòng điện tích loại chậm sang nhanh được thảo luận
Abstract - This paper presents the results of a study on streamers in
white mineral oil The experiments have been performed with a point-plane electrode system with a distance of 8 cm among the electrodes under the effect of step voltage The influence of the amplitudes and polarities of the voltage on streamers has been carefully investigated
in detail It is observed that the increased voltage changes the shapes and speeds of the streamers, which results in different propagation modes As the voltage in effect exceeds a threshold value, the velocities of the streamers increase sharply Positive streamers propagate with higher velocities but they have lower breakdown and acceleration voltages compared to negative streamers During the propagation of the streamers, the appearance of current and light pulses has been recorded The reason for the transition from low to fast mode streamers is to be discussed
Từ khóa - dầu khoáng trắng; dòng điện tích; điện áp bước; vận
tốc; điện cực Key words - white mineral oil; streamers; step voltage; velocity; electrodes
1 Đặt vấn đề
Dầu máy biến áp có nguồn gốc từ dầu mỏ là chất lỏng
cách điện duy nhất được sử dụng trong các máy biến áp điện
lực tính đến thời điểm hiện tại bởi đặc tính cách điện và làm
mát tốt Khi dầu máy biến áp bị phóng điện đánh thủng, thì
máy biến áp hầu như bị hư hỏng nặng và kết quả là sự cung
cấp điện năng bị gián đoạn Trước khi sự phóng điện diễn ra
trong dầu, người ta quan sát được sự xuất hiện của dòng điện
tích [1-3] Do đó, việc nghiên cứu về dòng điện tích trong
dầu máy biến áp trở nên rất quan trọng và đã được thực hiện
trong vòng vài thập kỷ trở lại đây Tuy nhiên, sự hiểu biết
một cách hoàn toàn về nguyên lý phát triển dòng điện tích
trong dầu máy biến áp vẫn chưa đạt được bởi nhiều nguyên
nhân Một trong số đó là cấu trúc hóa học phức tạp của dầu
Dầu máy biến áp có nguồn gốc từ dầu mỏ là hỗn hợp của
nhiều hydrô cácbon được chia thành ba nhóm chính đó là
parafin, naphthene và hydrô cácbon thơm Gần đây, việc
nghiên cứu dầu cách điện có khả năng phân hủy sinh học
hoàn toàn đã được tiến hành để tìm ra chất lỏng cách điện
mới có thể thay thế được dầu máy biến áp trong tương lai
[4, 5] Vì vậy sự hiểu biết sâu hơn về dòng điện tích là rất
quan trọng cho việc thiết kế một loại dầu cách điện mới Do
đó việc nghiên cứu ảnh hưởng của từng thành phần của dầu
máy biến áp đến đặc tính của dòng điện tích là rất cần thiết
Vì vậy nghiên cứu về dòng điện tích sẽ được thực hiện theo
hai giai đoạn Đầu tiên, khảo sát dầu khoáng trắng chỉ bao
gồm các phân tử thuộc nhóm parafin và naphthene Sau đó,
các chất phụ gia có tính chất tương tự như các hydrô cácbon
thơm được thêm vào
Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của cực tính của điện
áp tác dụng lên sự di chuyển của dòng điện tích trong dầu
khoáng trắng (Marcol-52) được khảo sát chi tiết Đặc tính
của dòng điện tích được trình bày thông qua chiều dài dòng,
điện áp phóng điện, điện áp gia tốc và vận tốc Ngoài ra,
hình dạng của dòng điện tích cũng được khảo sát Cuối cùng, giả thuyết về sự chuyển từ dòng điện tích loại chậm sang nhanh được đề nghị
Để phân biệt các kiểu dòng điện tích, hệ thống phân loại dựa vào vận tốc di chuyển của nó được trình bày tại nghiên cứu [6, 7] được sử dụng Trong nghiên cứu này, Loại 1 di chuyển với tốc độ nhỏ hơn 200-300 m/s trong khi loại 2 có vận tốc lớn hơn (1-3 km/s) Loại 4 có thể đạt vận tốc
100-200 km/s đối với dòng dương và 10-40 km/s đối với dòng
âm Loại 3 là sự chuyển tiếp từ loại 2 sang loại 4 và có vận tốc khoảng 5 -10 km/s
2 Bố trí thí nghiệm và trình tự thí nghiệm
Hình 1 trình bày cách bố trí thí nghiệm được sử dụng trong nghiên cứu này Hệ thống điện cực mũi nhọn - mặt phẳng được đặt trong buồng thí nghiệm bằng thủy tinh Borosilicate Điện cực mũi nhọn được làm bằng dây tungsten có bán kính
là 75 m với đầu điện cực có hình bán cầu Việc sử dụng điện cực mũi nhọn có bán kính đầu điện cực lớn là bởi vì hai lý do Thứ nhất là nghiên cứu này chỉ tập trung vào quá trình di chuyển của dòng điện tích và quá trình này không ảnh hưởng đáng kể vào bán kính đầu điện cực mũi nhọn [4] Thứ hai là
để hạn chế khả năng đầu điện cực bị phá hủy sau khi xảy ra phóng điện đánh thủng Điện cực phẳng được chế tạo bằng thép không gỉ có đường kính 340 mm Máy phát cao áp Marx được dùng để tạo ra điện áp bước (0,5/1700 s) Độ lớn của điện áp này được đo ở phía cao áp bằng cách sử dụng tụ cao
áp nối tiếp với mạch tích phân
Camera tốc độ cao, IMACON 468, được dùng để chụp lại hình dạng dòng điện tích trong suốt quá trình phát triển Camera có 8 khung hình Khung hình từ 1 đến 7 dùng để chụp lại hình dạng của dòng điện tích tại các thời điểm khác nhau trong quá trình phát triển Riêng khung Hình 8 ghi lại toàn bộ quá trình phát triển của dòng điện tích Xung dòng
Trang 2ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(88).2015 21
điện được đo tại phía hạ áp của buồng thí nghiệm Ống
nhân ánh sáng được đặt tại cửa quan sát của buồng thí
nghiệm để ghi lại xung ánh sáng phát ra từ dòng điện tích
Tất cả các thí nghiệm đều được thực hiện với khe hở
điện cực là 8 cm trong dầu khoáng trắng có độ tinh khiết
cao (Marcol-52) Loại dầu này chứa 67% nguyên tử cácbon
trong cấu trúc parafin và 33% nguyên tử cácbon trong cấu
trúc naphthene Marcol-52 có khối lượng riêng là
0,825-0,834 g/cm3 tại 20oC, độ nhớt động học là 7 mm2/s tại 40oC
và nhiệt độ sôi là 316oC
Để khảo sát sự tác động của điện áp lên dòng điện tích,
điện áp đặt lên hệ thống điện cực được tăng theo từng bước có
các giá trị khác nhau tùy theo từng giai đoạn phát triển của
dòng điện tích Xung quanh giá trị điện áp phóng điện và điện
áp gia tốc, điện áp tác đụng được tăng 5 kV/bước trong khi ở
các giá trị điện áp khác, điện áp được tăng 15-30 kV/bước Tại
mỗi bước điện áp, thí nghiệm được lặp lại 10 lần
Sau mỗi lần phóng điện, dầu được luân chuyển qua hệ
thống lọc trong thời gian 30 phút để loại bỏ muội than được
sinh ra khi dầu bị cháy do phóng điện
Hình 1 Bố trí thí nghiệm
3 Kết quả nghiên cứu và khảo sát
3.1 Chiều dài dòng
Hình 2 trình bày quan hệ giữa chiều dài dòng điện tích
trung bình (l s) và điện áp tác dụng (V) Đầu tiên dòng điện
tích xuất hiện tại bề mặt điện cực mũi nhọn và phát triển về
phía điện cực phẳng Chiều dài dòng điện tích tăng khi điện
áp tác dụng tăng Khi V V b, dòng điện tích kết thúc sự
phát triển tại một chiều dài có giá trị nhỏ hơn khoảng cách
điện cực (d) Trong bài báo này, V b được định nghĩa là giá
trị điện áp phóng điện có xác suất tích lũy 50% Cùng với
giá trị trung bình, sự phân tán dữ liệu được thể hiện bằng
độ lớn của thanh sai số Độ phân tán dữ liệu càng tăng khi
điện áp tác dụng càng lớn Đối với dòng âm, sự phân tán
dữ liệu lớn nhất khi dòng điện tích tiến đến gần điện cực
phẳng Khi V V b, vì dòng điện tích luôn phát triển hết
khoảng cách điện cực nên l s = d Đồng thời quan sát được
sự xuất hiện phóng điện đánh thủng
Từ Hình 2, chúng ta thấy rằng chiều dài dòng phụ thuộc
lớn vào cực tính của điện áp tác dụng Dòng dương luôn dài
hơn dòng âm Sự khác biệt này càng lớn khi điện áp tác dụng
càng tăng Điều đó có nghĩa là với cùng một giá trị điện áp tác
dụng thì dòng dương dễ phát triển hơn dòng âm Hình chụp từ
camera cho thấy dòng dương có cấu trúc “sợi” được tạo thành
từ nhiều kênh hẹp và mịn trong khi dòng âm có cấu trúc “bụi cây” bao gồm nhiều nhánh phát xuất từ một điểm trên bề mặt đầu điện cực mũi nhọn (Hình 3) Có lẽ cấu trúc sợi đã làm cho dòng dương di chuyển dễ dàng hơn dòng âm
Hình 2 Chiều dài dòng và điện áp tác dụng
Hình 3 Hình dạng dòng điện tích tại 150 kV;
a dòng dương (hình được chụp trước khi phóng điện);
b dòng âm (hình được chụp tại thời điểm dòng ngừng phát triển)
3.2 Điện áp phóng điện
Hình 4 Điện áp phóng điện
Điện áp phóng điện (V b) được xác định từ phân phối Weibull Biểu thức xác định xác suất phóng điện tích lũy theo phân phối Weibull hai tham số được cho ở công thức
1 Trong công thức này, Vo và lần lượt là hệ số tỉ lệ và
hình dạng, và V là giá trị biên độ của điện áp tác dụng Điện
áp phóng điện của dòng dương chỉ bằng 41,7% so với điện
áp phóng điện của dòng âm (162,1 kV so với 388,8 kV) như thể hiện ở Hình 4 Sự suy giảm mạnh điện áp phóng điện của dòng dương có thể liên quan đến sự gia tăng một cách đáng kể chiều dài của dòng điện tích dương được thể hiện ở Hình 2 Hệ số hình dạng trong trường hợp dòng dương chỉ bằng 37,3% so với hệ số hình dạng trong trường
Máy hiện sóng Camera
Điện trở hạn dòng
Bảo vệ quá áp
Mạch giảm tín hiệu
Mạch tích phân Đèn Xenon
Ống nhân ánh sáng
ò
Buồng thí nghiệm
Máy tạo
xung
Tụ đo lường cao áp
8 cm
0 20 40 60 80
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Điện áp tác dụng (kV)
Dòng dương Dòng âm
400 350 300 250 200 150
100
99 90 80 60 40 30 20 10 5 3 2 1
Điện áp tác dụng (kV)
50
hình dạngHệ sốHệ sốtỉ lệ
Dòng dương Dòng âm
Weibull - 95% CI
Trang 322 Nguyễn Văn Dũng
hợp dòng âm (26,84 so với 72,01) Điều này chỉ ra rằng độ
phân tán dữ liệu điện áp phóng điện của dòng dương lớn
hơn nhiều so với dòng âm
( )
−
−
=
o V
V V
3.3 Thời gian phóng điện
Thời gian phóng điện (t BD) giảm khi điện áp tác dụng
tăng và phụ thuộc mạnh vào cực tính của điện áp tác dụng
(Hình 5) Tại một giá trị điện áp ngưỡng (Vth ), t BD giảm đột
ngột từ 20 s xuống 1 s đối với dòng dương và từ
200-300 s xuống 5 s đối với dòng âm Sau đó, t BD giảm từ từ và
có xu hướng bão hòa khi điện áp tác dụng tiếp tục tăng Kết
quả tương tự đã quan sát được ở một số chất lỏng khác [8-11]
Hình 5 Thời gian phóng điện
3.4 Vận tốc
Hình 6 minh họa quan hệ giữa vận tốc trung bình của
dòng điện tích và điện áp tác dụng Khi V V b , vận tốc
dòng được tính từ chiều dài dòng (l s) và thời gian phát triển
dòng tương ứng (t s ) Khi V V b , vận tốc dòng được xác
định từ khoảng cách điện cực (d) và thời gian phóng điện
(t BD) Tổng quát, vận tốc dòng tăng theo “bậc” khi điện áp
tác dụng tăng Vận tốc tính được tại V b vào khoảng 1-2
km/s đối với dòng dương và xấp xỉ 100-200 m/sđối với
dòng âm Tại giá trị điện áp ngưỡng Va, vận tốc dòng dương
tăng lên đạt 3-4 km/s nhưng vận tốc dòng âm không tăng
do Va Vb V a được gọi là điện áp gia tốc và có giá trị xấp
xỉ Vth ở Hình 5 Ngay khi điện áp tác dụng lớn hơn Va , quan
sát được sự gia tăng vận tốc một cách đột ngột đối với cả
dòng dương và âm Hiện tượng này cũng đã xảy ra ở nhiều
loại chất lỏng [4, 5, 8, 12] Sự tăng đột ngột vận tốc của
dòng điện tích có liên quan đến sự suy giảm nhanh chóng
thời gian phóng điện như trình bày ở Hình 5 Lúc này, quan
sát được sự giảm đáng kể số lượng nhánh của dòng dương
cũng như sự xuất hiện của nhánh chính được bao quanh bởi
nhiều nhánh phụ trong trường hợp dòng âm (Hình 7) Tuy
nhiên, các nhánh phụ chỉ phát triển được một đoạn ngắn
Tiếp tục tăng điện áp tác dụng, dòng dương đạt tốc độ
khoảng 200 km/strong khi dòng âm chỉ di chuyển với vận
tốc khoảng 25 km/s Điều này chỉ ra rằng tốc độ phát triển
của dòng điện tích phụ thuộc lớn vào cực tính của điện áp
tác dụng Dòng dương luôn di chuyển với vận tốc lớn hơn
dòng âm khoảng 10 lần Dòng dương đột ngột tăng vận tốc tại điện áp khoảng 210 kV trong khi dòng âm gia tốc tại
điện áp xấp xỉ 390 kV Do đó, tỉ số V a /V b khoảng 1,3 đối với dòng dương và 1,0 đối với dòng âm
Hình 6 Vận tốc trung bình
3.5 Loại, hình dạng và sự di chuyển của dòng điện tích
3.5.1 Dòng dương
Trong nghiên cứu này, chỉ quan sát được dòng điện tích loại 2, loại 3 và loại 4 Dòng điện tích loại 1 chỉ xuất hiện khi bán kính của đầu điện cực mũi nhọn vào khoảng một vài m [13]
Khi V V b, chỉ ghi nhận được sự xuất hiện của dòng điện tích loại 2 với vận tốc di chuyển 1-2 km/s Hình dạng tiêu biểu của dòng dương loại 2 được biểu diễn ở Hình 8 Dòng điện tích được tạo thành từ một vài nhánh chính được bao bọc xung quanh bởi các nhánh phụ Sự phân nhánh diễn ra
rất mạnh tại các đầu nhánh Khi V b V Va, vẫn duy nhất dòng điện tích loại 2 xuất hiện Vận tốc đạt giá trị lớn hơn khoảng 3-4 km/s Dòng điện tích càng phân nhánh khi điện
áp tác dụng càng tăng (Hình 8) Hình ảnh tiêu biểu của toàn
bộ quá trình di chuyển của dòng dương loại 2 được trình bày
ở Hình 9 Dòng điện tích bắt đầu bằng nhiều điểm sáng mờ tạo nên phần nền sáng Mặc dù không thể quan sát rõ trên Hình 9 nhưng các điểm sáng mờ được quan sát rất rõ trên màn hình camera Các điểm sáng mờ này được phát ra từ các kênh sáng mờ của dòng điện tích [14] Dòng điện tích kết thúc với sự xuất hiện của các kênh sáng lặp lại ở giai đoạn cuối của quá trình di chuyển Các kênh sáng lặp lại là do hiện tượng phóng điện trong môi trường khí bên trong các nhánh của dòng điện tích [2, 14] Cùng với sự xuất hiện của các kênh sáng lặp lại, đo được sự xuất hiện của xung ánh sáng
và xung dòng điện Tốc độ di chuyển của dòng điện tích đo được khoảng 2,5 km/s xuyên suốt khe hở điện cực
Xung quanh giá trị V a, dòng loại 3 (loại chuyển tiếp) xuất hiện Vận tốc dao động từ 3,5 đến 21 km/s Dòng điện tích được tạo thành từ một nhánh chính được bao bọc bởi nhiều nhánh phụ xung quanh như Hình 10 Hình 11 minh họa toàn bộ quá trình di chuyển của dòng dương loại 3 Tại giai đoạn đầu, dòng điện tích bắt đầu bằng một tia sáng mạnh đạt vận tốc 50-100 km/s Tuy nhiên dòng điện tích chỉ di chuyển với vận tốc 2,5-4 km/s ở giai đoạn kế tiếp Quan sát được sự xuất hiện của kênh sáng lặp lại sau tia
0,1
1
10
100
1000
0 100 200 300 400 500 600
Điện áp tác dụng (kV)
Dòng dương Dòng âm
Vth (+)
Vb (+)
V b (-)
Vth (-)
0,01 0,1 1 10 100 1000
Điện áp tác dụng (kV)
Dòng dương Dòng âm
Va
V b V a
V b
Trang 4ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(88).2015 23
sáng đầu tiên và các kênh sáng này tái diễn có tính chất chu
kỳ Nền sáng vẫn phát hiện được giữa hai kênh sáng lặp lại
Hình 7 Ảnh hưởng của điện áp tác dụng
lên hình dạng dòng điện tích
Hình 8 Hình dạng tiêu biểu của dòng dương loại 2
Hình 9 (a) Hình ảnh tiêu biểu của quá trình di chuyển của
dòng dương loại 2, (b) hình chụp tại khung hình số 7 của (a),
và (c) các tín hiệu tương ứng của (a)
Hình 10 Hình dạng tiêu biểu của dòng dương loại 3 tại 210 kV
Hình chụp ngay trước thời điểm xảy ra phóng điện
Hình 11 (a) Hình ảnh tiêu biểu của quá trình di chuyển của dòng điện tích dương loại 3, (b) hình chụp tại khung hình số 7 của (a), và (c) các tín hiệu tương ứng của (a)
Khi V V a, dòng dương loại 4 xuất hiện Dòng điện tích bao gồm một nhánh chính rất sáng được bao quanh bằng một vài nhánh phụ như Hình 12a So sánh với dòng điện tích loại
2 và 3, dòng điện tích loại 4 có số nhánh giảm đáng kể và di chuyển với vận tốc rất lớn (100-200 km/s) Lúc này chỉ ghi nhận được một vùng sáng liên tục có cường độ mạnh trong suốt quá trình di chuyển của dòng điện tích (Hình 13)
Nếu tiếp tục tăng điện áp tác dụng đạt giá trị 2 V a, dòng điện tích sẽ phân nhánh mạnh như Hình 12b
Hình 12 Hình dạng tiêu biểu của dòng dương loại 4
Hình 13 (a) Hình ảnh tiêu biểu của quá trình di chuyển của dòng dương loại 4, (b) hình chụp tại một khung hình của (a)
3.5.2 Dòng âm
Dòng âm loại 1 xuất hiện khi điện áp tác dụng nhỏ hơn
V a Loại dòng âm này có thể phát triển hết khe hở điện cực với vận tốc rất nhỏ 20-300 m/s và kết thúc bằng sự phóng điện đánh thủng Dòng điện tích có dạng “bụi cây” Số lượng kênh tăng theo điện áp tác dụng Các kênh này tiếp tục phân nhánh như Hình 14
Hình ảnh tiêu biểu của quá trình di chuyển của dòng âm loại 1 được mô tả ở Hình 15 Sự di chuyển của dòng điện tích
V= +220 kV V a
V= - 380 kV V a V= - 410 kV V a
V= +190 kV V a
(a ) 150 kV (b) 180 kV
(a)
2.4 km/s
(c)
Xung ánh sáng Thời gian (10 s/div.)
hình Camera
1
Dòng điện (2A/div.)
No 7
7
Kênh sáng lặp lại
Nền sáng
Đường biên
(a) 210 kV
2.6 km/s
58.3 km/s
(b)
(c)
Xung ánh sáng
Thời gian (4 s/div.)
Điện áp (216 kV/div.) Thứ tự khung
hình Camera
1
Dòng điện
(2A/div.)
No 7
7
220 km/s
Trang 524 Nguyễn Văn Dũng
được bắt đầu bằng một kênh sáng có vận tốc khoảng 7 km/s
Sau đó, dòng điện tích phát triển với tốc độ thấp hơn khoảng
200-400 m/s Một số kênh sáng lặp lại và nhiều điểm lóa sáng
xuất hiện trong quá trình di chuyển của dòng điện tích
Hình 14 Hình dạng tiêu biểu của dòng âm loại 1
Hình 15 (a) Hình ảnh tiêu biểu của quá trình di chuyển của
dòng âm loại 1, (b) hình chụp tại khung hình số 1 của (a),
và (c) các tín hiệu tương ứng của (a)
Dòng âm loại 2 và 3 quan sát được xung quanh giá trị
V a So với dòng âm loại 1, dòng âm loại 2 có vẻ “mảnh”
hơn (Hình 16a) Vận tốc của loại dòng âm này thay đổi từ
0,6 đến 2 km/s Dòng âm loại 3 được tạo thành từ một thân
chính được bao quanh bởi các nhánh phụ Các nhánh nhỏ
dọc trên thân chính và phụ có xu hướng kết thúc dưới dạng
các nốt tròn nhỏ (Hình 16b) So với dòng âm loại 2, dòng
âm loại 3 dường như “mảnh” hơn và di chuyển với vận tốc
cao hơn (5-8 km/s) Bởi vì xung quanh giá trị V a, dòng âm
loại 2 và 3 xuất hiện một cách ngẫu nhiên theo từng lần thí
nghiệm nên không thể điều chỉnh được camera để ghi lại
toàn bộ quá trình di chuyển của hai loại dòng âm này trong
một số lần lặp lại thí nghiệm hạn chế
Hình 16 (a) Hình dạng tiêu biểu của dòng âm loại 2,
(b) hình dạng tiêu biểu của dòng âm loại 3
Dòng âm loại 4 dễ dàng quan sát khi điện áp tác dụng
đạt giá trị khoảng 1,1 V a Dòng âm loại này được tạo thành
từ một vài nhánh chính được bao quanh bởi nhiều nhánh
phụ như biểu diễn ở Hình 17 Dường như các nốt tròn nhỏ
quan sát được ở dòng âm loại 3 (Hình 16b) phát triển thành các nhánh nhỏ ở dòng âm loại 4 Dòng âm loại này di chuyển với tốc độ 10-40 km/s Khi tiếp tục tăng điện áp tác dụng, quan sát được dòng âm loại 4 tiếp tục phân nhánh Toàn bộ quá trình phát triển của dòng âm loại 4 được minh họa ở Hình 18 Khi dòng âm loại 4 phát triển, quan sát được đồng thời các kênh sáng lặp lại và phần nền sáng
Hình 17 Hình dạng tiêu biểu của dòng âm loại 4
Hình 18 (a) Hình ảnh tiêu biểu của quá trình di chuyển của dòng âm loại 4, (b) hình chụp tại một khung hình của (a)
4 Bàn luận
4.1 So sánh giữa dòng điện tích dương và dòng điện tích âm
Dòng điện tích dương “mảnh” hơn so với dòng điện tích
âm (Hình 8 và 16) và phát triển nhanh gấp 10 lần dòng điện tích âm (Hình 6) Có lẽ do dòng dương “mảnh” hơn dòng
âm nên cường độ điện trường tại đầu dòng dương sẽ lớn hơn điện trường tại đầu dòng âm Mà cường độ điện trường tại đầu dòng điện tích được xem như là một trong các yếu
tố quan trọng nhất để thúc đẩy sự phát triển của dòng điện tích [15] Do đó, với điện trường tại đầu dòng điện tích cao hơn nên dòng dương phát triển với tốc độ cao hơn dòng
âm Điện áp phóng điện của dòng điện tích dương chỉ bằng khoảng 42% giá trị điện áp phóng điện của dòng âm (Hình 4) Đối với dòng dương, chỉ quan sát được 3 loại trong khi cả 4 loại dòng âm đều ghi nhận được Khi điện
áp tác dụng vượt quá điện áp gia tốc (Va), số lượng nhánh của cả dòng dương và âm giảm nhanh chóng và dòng điện tích chuyển từ loại chậm sang nhanh (Hình 6, 7 và 16)
4.2 Giả thuyết về sự chuyển từ dòng điện tích loại chậm sang nhanh
Dòng điện tích loại 1 và 2 được xếp vào loại chậm trong khi dòng loại 3 và 4 được phân vào loại nhanh [7] Dòng điện tích sẽ chuyển từ loại chậm sang loại nhanh, có nghĩa
là từ loại 2 sang 3 hoặc 4, khi điện áp tác dụng vượt giá trị
V a Lúc này quan sát được sự thay đổi lớn về vận tốc và hình dạng dòng điện tích (Hình 6, 7 và 16) Hiện tượng này cũng đã quan sát được ở nhiều loại chất lỏng khác nhau [8-12] Điều này chứng tỏ rằng nguyên nhân gây chuyển từ dòng điện tích loại chậm sang loại nhanh sẽ giống nhau ở tất cả các loại chất lỏng khác nhau
4.2.1 Dòng dương
Có một vài giả thuyết được đưa ra để giải thích sự
(a)240 kV (b)370 kV
370 kV
0.4 km/s
6.8 km/s
(a)
(c)
(b) Xung ánh sáng
Thời gian (40 s/div.) Điện áp (216 kV/div.) Thứ tự khung hình Camera
1
Dòng điện (1A/div.)
No 1 Nền sáng
Kênh sáng
lặp lại
Điểm lóa sáng
480 kV
10 km/s
Trang 6ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(88).2015 25
chuyển từ loại chậm sang nhanh của dòng điện tích dương
khi điện áp tác dụng vượt quá giá trị V a [3, 10] Theo [3],
khi điện áp tác dụng thấp, hiệu ứng “phân nhánh” sẽ làm
cho dòng điện tích phát triển với tốc độ chậm Khi hiệu ứng
“phân nhánh” bị khử do điện áp tác dụng lớn hơn giá trị V a,
điện trường tại đầu dòng điện tích tăng rất cao dẫn đến vận
tốc dòng điện tích đột ngột tăng cao tức là dòng điện tích
đã chuyển từ loại 2 sang 3 hoặc 4
Trong nghiên cứu [10], giả thiết về mối quan hệ giữa
vận tốc và sự phân nhánh của dòng điện tích được giới
thiệu Theo giả thuyết này, khi điện áp tác dụng đủ lớn dòng
điện tích sẽ phát triển với tốc độ cao (10-20 km/s) ngay khi
hình thành Do đó, sự phân nhánh bị ngăn cản và cường độ
điện trường tại đầu dòng điện tích càng tăng lên dẫn đến
kết quả là dòng điện tích phát triển với tốc độ cao
Từ kết quả tại Hình 7, 9 và 13, tác giả nhận thấy khi dòng
điện tích bắt đầu bằng kênh sáng chói có vận tốc cao thì dòng
điện tích sẽ di chuyển với vận tốc rất lớn Điều đó có nghĩa
là bản chất của dòng điện tích cũng như loại nguyên lý chiếm
ưu thế gây di chuyển dòng điện tích có lẽ đã thay đổi Đến
thời điểm hiện tại thì cả bản chất cũng như nguyên lý di
chuyển của dòng điện tích loại nhanh vẫn chưa hiểu Để bổ
sung cho hai giả thuyết ở trên, tác giả đề nghị khi điện áp tác
dụng lớn hơn V a, điện trường tại đầu điện cực mũi nhọn có
thể đạt đến vài chục MV/cm Với giá trị rất cao của điện
trường, các phân tử dầu ở xung quanh đầu điện cực mũi nhọn
bị ion hóa trực tiếp sinh ra các điện tử tự do và ion dương
cũng như các ion âm do sự bắt giữ điện tử của phân tử dầu
Sự tương tác của các điện tích với điện cực mũi nhọn cũng
như với các phân tử dầu xung quanh điện cực mũi nhọn hình
thành nên kênh plasma đầu tiên có độ dẫn điện cao gắn vào
điện cực mũi nhọn Tuy nhiên các quá trình cụ thể để hình
thành kênh plasma vẫn không hiểu rõ và cần phải được tiếp
tục nghiên cứu Sự hình thành của kênh plasma có tác dụng
tương tự như kéo dài điện cực mũi nhọn Do đó điện trường
tại đầu điện cực mũi nhọn càng tăng cao làm tăng các quá
trình như: ion hóa phân tử dầu, kích thích và khử kích thích
phân tử dầu, phát xạ photon, đốt nóng và hóa hơi dầu và hình
thành bọt khí… Tuy nhiên quá trình nào chiếm ưu thế vẫn
không xác định được Kết quả là hình thành thêm một đoạn
kênh plasma mới gắn vào kênh đầu tiên Quá trình tương tự
được lặp lại tạo thành sự phát triển của dòng điện tích dương
hướng về cực bảng âm với vận tốc rất lớn
4.2.2 Dòng âm
Đối với dòng điện tích âm, nguyên nhân gây chuyển từ
dòng loại chậm (loại 2) sang loại nhanh (loại 3 hoặc 4) vẫn
không được xác định Tuy nhiên, như thể hiện ở Hình 16,
dòng loại 3 dường như mảnh hơn và ít phân nhánh hơn so
với dòng loại 2 Điều đó chỉ rằng có lẽ điện trường tại đầu
dòng loại 3 sẽ cao hơn so với dòng loại 2 Do đó các quá
trình điện tử diễn ra tại đầu dòng loại 3 sẽ mạnh hơn nên
tốc độ di chuyển sẽ cao hơn
5 Kết luận
Các đặc tính cơ bản của dòng điện tích đã được khảo sát
chi tiết Rõ ràng dòng điện tích dương nguy hiểm hơn dòng điện tích âm rất nhiều bởi vì dòng điện tích dương có tốc độ phát triển lớn hơn, điện áp phóng điện và điện áp gia tốc nhỏ hơn so với các giá trị tương ứng của dòng điện tích âm Mặc
dù nguyên nhân gây chuyển từ dòng điện tích loại chậm sang nhanh không thể chứng minh được, cường độ điện trường tại đầu dòng điện tích được xem là một yếu tố quyết định Khi chuyển từ dòng điện tích loại chậm sang nhanh có lẽ bản chất
và nguyên lý di chuyển dòng điện tích đã thay đổi
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] J C Devins, S J Rzad, and R J Schwabe, “Breakdown and Pre-Breakdown Phenomena in Liquids”, Journal of Applied Physics, vol 52, 1981, pp 4531-4545
[2] O Lesaint and G Massala, “Positive streamer propagation in large oil gaps - Experimental characterization of propagation modes”,
IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol 5,
1998, pp 360-370
[3] G Massala and O Lesaint, “Positive streamer propagation in large oil gaps - Electrical properties of streamers”, IEEE Transactions on
Dielectrics and Electrical Insulation, vol 5, 1998, pp 371-381 [4] C T Duy, O Lesaint, A Denat, and N Bonifaci, “Streamer Propagation and Breakdown in Natural Ester at High Voltage”,
IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol 16,
2009, pp 1582-1594
[5] Q Liu and Z D Wang, “Streamer Characteristic and Breakdown in Synthetic and Natural Ester Transformer Liquids under Standard Lightning Impulse Voltage”, IEEE Transactions on Dielectrics and
Electrical Insulation, vol 18, 2011, pp 285-294
[6] R E Hebner, The Liquid state and its Electrical Properties, NATO
ASI series, Vol B193, Plenum press, 1988
[7] O Lesaint, “Propagation of positive discharges in long liquid gaps”,
Proceedings of the 12th International Conference on Conduction and Breakdown in Dielectric Liquids, 1996, pp 161-166
[8] D Linhjell, L Lundgaard, and G Berg, “Streamer Propagation under Impulse Voltage in Long Point-Plane Oil Gaps”, IEEE
Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol 1, 1994,
pp 447-458
[9] D Linhjell, S Ingebrigtsen, L E Lundgaard, and M Unge,
“Streamers in Long Point-Plane Gaps in Cyclohexane with and without Additives under Step Voltage”, Proceedings of the
International Conference on Dielectric Liquids, 2011
[10] N V Dung, H K Høidalen, D Linhjell, L E Lundgaard, and M Unge, “Influence of Impurities and Additives on Positive Streamers
in Paraffinic Model Oil”, IEEE Transactions on Dielectrics and
Electrical Insulation, vol 19, 2012, pp 1593-1603
[11] N V Dung, H K Hoidalen, D Linhjell, L E Lundgaard, and M Unge, “Influence of Impurities and Additives on Negative Streamers
in Paraffinic Model Oil”, IEEE Transactions on Dielectric and
Electrical Insulation, vol.20, 2013, pp 876-886
[12] G Massala and O Lesaint, “A comparison of negative and positive streamers in mineral oil at large gaps”, Journal of Physics D-Applied
Physics, vol 34, 2001, pp 1525-1532
[13] O Lesaint and P Gournay, “Initiation and Propagation Thresholds
of Positive Prebreakdown Phenomena in Hydrocarbon Liquids”,
IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol 1,
1994, pp 702-708
[14] N V Dung, H K Hoidalen, D Linhjell, L E Lundgaard, and M Unge, “A Study on Positive Streamer Channels in Marcol Oil”,
Annual Report of IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, Montreal, Canada, 2012, pp 365-370 [15] T V Top, G Massala, and O Lesaint, “Streamer propagation in mineral oil in semi-uniform geometry”, IEEE Transactions on
Dielectrics and Electrical Insulation, vol 9, 2002, pp 76-83
(BBT nhận bài: 18/10/2014, phản biện xong: 02/03/2015)
