Kỹ thuật cao áp - Chương 4 docx

Hình 4-1 cho dạng sóng xung kích Do phần đầu của đầu sóng tăng rất chậm và không có ý nghĩa quan trọng đến quá trình phóng điện neen nó được thay thế bằng đầu sóng nghiêng đẳng trị xác đ

Chương IV

Phóng điện xung kích

tác dụng là điện áp một chiều và xoay chiều Trong thực tế, cách đienẹ còn có thể phải chịu tác dụng của loại điện áp xung kích, ví dụ như quá điện áp khí quyển gây nên bởi các phóng điện sét lên đường dây trên không (hoặc khi sét đánh gần khu vực đường dây)

Loại điện áp này có dạng sóng xung kích: Điện áp tăng nhanh từ không đến trị số cực đại (

đầu sóng) và sau đó giảm chấm đến trị số không (dòng sóng) Hình 4-1 cho dạng sóng xung kích

Do phần đầu của đầu sóng tăng rất chậm

và không có ý nghĩa quan trọng đến quá trình phóng điện neen nó được thay thế bằng đầu sóng nghiêng đẳng trị xác định bởi đường xiên góc

giao điểm của đường xiên này với trục hoành và

đường nằm ngang qua biên độ cho độ dài đầu sóng τds Độ dài đầu sóng τds tính tới khi điện áp giảm xuống chi rcòn một nửa trị số biên độ Quy

định này xuất phát từ kết quả thực nghiệm, khi

điện áp đã giảm tới mức 50 % trị số biên độ sẽ không còn khả năng gây nên phóng điện do đó có thể không cần chú ý đến tình hình ở phần sau của sóng Trị số điện áp phóng điện xung kích phụ thuộc vào dạng sóng- đặc trưng bởi độ dài đầu sóng và độ dài sóng - cho nên khi dùng điện áp xung kích để thử nghiệm cách điện cần tiến hành theo dạng sóng thống nhất Theo quy ước Quốc

tế, dạng sóng tiêu chuẩn có độ dài đầu sóng 1,2 μs ± 30 % và độ dài sóng 50μs ± 20 % ở Liên xô dùng sóng tiêu chuẩn với độ dài đầu sóng 1,5 μs và độ dài sóng 10 μs ( ký hiệu là sóng 1,5/40)

Trong các phòng thí nghiệm thường dùng máy phát điện áp xung đẻ tạo nên điện áp xung kích mà nguyên lý làm việc của nó là dựa trên các quá trình nạp và phóng của tụ điện Để có điện

áp xung kích có thể tiến hành bằng cách dùng nhiều tụ điện, chúng được nạp điện song song nhưng khi phóng điện lại phóng nối tiếp làm cho điện áp tăng cao theo kiểu nối cấp Hình 4-2 cho sơ đồ cụ thể của máy phát điện áp xung kích

0,1Umax

U

Umax

0,3Umax 0,2Umax

τs

Hình 4-1 Cách xác định độ dài sóng và độ dài đầu sóng

T Rbv k A2 Rn B2 Rn C2 N2 kH0 R0

Rô Rô

CA+ CB Cn CP _ kH 1 kH 2 kH 3 RP

A1 Rn B1 Rn C1 N1

Hình 4-2 Sơ đồ máy phát điện áp xung kích

T- Máy biến áp thí nghiệm KH KH1, 2 KH3ư khe hở phóng điện

K- đèn chỉnh lưu cap áp Rn - điện trở nạp điện

- C A,C B C N ư tụ điện nạp điện Rσ - điện trở ổn định

Rbv - điện trở bảo vệ Rp - điện trở phóng điện

Cp - tụ điện phóng điện

Giai đoạn nạp: Qua máy biến áp T và chỉnh lưu K các tụ điện CA, CB CN được nạp tới

có điện thế bằng không (nối đất)

Giai đoạn phóng: Nếu chọn khoảng cách của khe hở KH1 sao cho ở điện áp U có thể phóng

Như vậy nếu dùng n cấp để các tụ điện trong giai đoạn phóng được ghép nối tiếp nhau qua

máy phát điện áp xung kích đã có thể tạo được điện áp cao tới 8MV

Các phân tử còn lại trong sơ đồ làm nhiệm vụ bảo vệ và điều chỉnh, ở đây không xét đến

Đ 1-2 Thời gian phóng điện

Khi dùng điện áp một chiều hay xoay chiều thì trị số điện áp phóng điện không phụ thuộc vào thời gian tác dụng của điện áp Nhưng đối với điện áp xung kích, trị số điện áp phóng điện phụ thuộc rất nhiều vào thời gian tác dụng của điện áp thời gian này càng bé thì điện áp phóng điện càng tăng Nguyên nhân chủ yếu của hiện tượng này là do bản thân quá trình phóng điện đòi hỏi phải có khoảng thời gian cần thiết gọi là thời gian phóng điện Như phần sau sẽ thấy thời gian này rất bé nhỏ so với chu kì của dòng điện xoay chiều nên thời gian tác dụng của điện áp (một chiều

và xoay chiều) không ảnh hưởng tới trị số điện áp phóng điện Đối với đienẹ áp xung kích, thời gian tồn tại của nó rất ngắn như loại quá điện áp khí quyển chỉ trong khoảng mấy chục μs trửo lại nghĩa là xấp xỉ với thời gian phóng điện, do đó thời gian tồn tại của điện áp ảnh hưởng rất lớn đến trị số điện áp phóng điện

Ví dụ cho tác dụng lên khe hở điện áp có dạng

kiện phóng điện tự duy trí được thực hiện ( xác định theo định luật phóng điện ở các chương trên) Trước

điện vì trước hết phải có có xuất hiện ít nhất là một

điện tử tác dụng ở khu vực âm cực, từ đó tạo nên thác

điện tử thứ nhất Điện tử này có thể được tạo nên do

sự bắn phá âm cực của các ion dương luôn có sẵn trong không khí hoặc do các nhân tố ion hoá bên ngoài Như vậy quá trình phóng điện không thể bắt

đầu từ thời điểm t1 mà phải từ thời điểm t2 = t1 + t1tk

U

U0

t1 t2 t3 t

ttk tht

tp Hình 4-3 Các thành phần của thời gian phóng điện

tác dụng đầu tiên Vì thời gian này rất tản mạn, có thể nhanh chậm khác nhau và chỉ có thể xác

định bằng phương pháp thống kê nên gọi là thời gian chậm trễ thống kê Quá trình phóng điện

khoảng thời gian này thác điện tử sẽ phát triển thành dòng để nối liền khoảng cực và hoàn thành quá trình phóng điện

Tổng hợp ba thành phần thời gian nói trên sẽ được thời gian phóng điện:

Sau đây sẽ xét đến từng thành phần của thời gian phóng điện và các yếu tố ảnh hưởng đến chúng

1 Thời gian chậm trễ thống kê Có thể xác định được trị số của thời gian chậm trễ thống kê

bằng phương pháp thực nghiệm: Trong điều kiện trường không lớn (không có bức xạ điện tử từ mặt điện cực) vfa khoảng cách khe hở bé (dưới 1 cm) thời gian hình thành phóng điện sẽ rất bé không đáng kể và thời gian chậm trễ thống kê có trị số gần bằng thời gian phóng điện Do tính

luận tương tự như khi xác định quy luật phân bố của đoạn đường tự do sẽ được quy luật phân bố của thời gian chậm trễ thống kê trung bình:

t

t tk tr b

= ư .

(4-2)

Mà p là xác suất có thời gian chậm trễ thống kê lớn hơn hoặc bằng t Xuất phát từ định nghĩa và bản chất của thời gian chậm trễ thống kê, có thể thấy nó phụ thuộc vào khá nhiều yếu tố,

ở đây chỉ nêu lên các yếu tố quan trọng:

a) Nhân tố ion hoá bên ngoài Nếu nhân tố này tác dụng với cường độ mạnh thì t tk giảm vì điện tử tác dụng được xuất hiện sớm (chiếu mặt điện cực bằng tia sóng ngắn)

b) Công thoát của vật liệu làm điện cực Điện cực chế tạo bằng vật liệu có công thoát bé

sẽ làm giảm thời gian chậm trễ thống kê vì với cường độ ion hoá bên ngoài không đổi số điện tử

được giaỉ thoát từ mặt âm cực tăng nhiều hơn Hình 4-4 cho kết quả thực nghiệm về quan hệ giữa thời gian chậm trễ thống kê với công thoát của các vật liệu dùng làm điện cực

c) Điện áp Tăng điện áp cũng có tác dụng làm giảm thời gian chậm trễ thống kê vì khi

trường mạnh khả năng khuyếch tán cũng như kết hợp của

điện tử với các phân tử để trở thành ion âm giảm, đồng thời khả năng ion hoá của nó tăng lên Thực nghiệm cho thấy, trong trường đồng nhất với cường độ của nhân tố ion hoá bên ngoài không đổi thì khi tăng điện áp thời gian chậm trễ thống kê sẽ giảm tới mức ổn định (hình 4-5)

Điều này được giải thích bởi khi điện áp đạt được mức

U0 ≥1 8

⎛

⎝

⎠

⎟

tử tự do đều có thể gây ion hoá nghĩa là thành điện tử tác dụng

5 t c

3

2

1,0

0,7

0,5

0,3

0,2

0.1

0.07

0,05

0,03

0,02

0,01

0 1 2 3 4 5 6 3t

Hình 4-4

Quan hệ của thời gian

chậm trễ thống kê với

công thoát của vật liệu

cuo

cu

Ag

Al

Mg

Cần chú ý trong trường không đồng

nhất, thời gian chậm trễ thống kê có trị số bé

nhất ít phụ thuộc vào nhân tố ion hoá bên

ngoài vì cường độ trường ở phía điện cực

mũi nhọn khá lớn có thể gây ion hoá ngay

trước khi điện áp đạt tới trị số điện áp phóng

điện, do đó ở đấy luôn luôn có điện tử tự do

Việc giảm bớt thời gian chậm trễ thống kê

có ý nghĩa rất quan trọng trong một số trường

hợp thực tế Trong cầu đo lường, chống sét

van , để ]ờng đặc tính vôn - giây đạt được

dạng phẳng ngang thường dùng biện pháp

chiếu mặt điện cực (dùng đèn thuỷ ngân

thạch anh hoặc các nguyên tố phóng xạ

khác) hoặc tạo các phóng điện tia lửa đặt gần

khe hở

2 Thời gian hình thành phóng điện

Thời gian này gồm ba giai đoạn:

thành dòng

- Giai đoạn phát triển của dòng tới suốt chiều dài khoảng cực

- Giai đoạn của phóng điện ngược Giai đoạn thứ ba phát triển vơi tốc độ cực nhanh nên có thể bỏ qua thời gian của nó Tốc độ phát triển của thác thực chất là tốc độ của điện tử Tốc độ phát triển của dòng nhanh hơn nhiều so với tốc độ của điện tử ( 2ữ 10 lần) do có xuất hiện nhiều thác mới ở khu vực đầu dòng Tuỳ thuộc vào tương quan giữa các giai đoạn phát triển của thác và dòng

có thể dùng cách tính gần đúng để xác định thời gian hình thành phóng điện trong từng trường hợp

cụ thể Trong trường đồng nhất, khi điện áp tác dụng gần bằng trị số, điện áp phóng điện, thác điện

tử đầu tiên phải phát triển tới mức dài gần bằng chiều dài khoảng cực thì mới có điều kiện hình thành dòng, do đó thời gian hình thành phóng điện thực tế bằng khoảng thời gian phát triển của thác

v

ht c

vào cường độ trường và áp suất khí như trên hình 4-6 (khi nhiệt độ giữ không đổi) Trong trường không

hình thành phóng điện sẽ là khoảng thời gian phát triển của dòng và có thể viết

v

ht d

Theo số liệu của Bête, tốc độ của dòng tương

2,4

Sắt Bạc 2,2

Đồng 2,0

Nhôm Ôxít - Đồng 1,8

Điện tử 1,6 1,4

φ 5cm 1,2

δ=1,1cm 1,0

0,01 2 3 45 6 8 0,1 2 3 4 5 6 8 1 2 3 4 5 6 8 10 2 3 4 5 6 8 100

Hình 4-5 Quan hệ của thời gian chậm trễ thống kê với điện áp

cm/s

2.10 7 U3

1

0

30 40 50 60 V/cm mmHg

Hình 4-6

Quan hệ củatốc độ điện tử

theo tỷ số E/p khi nhiệt đ

môi trường không khí t = 200

C

đương v d+ (dòng phát triển từ phía cực dương) và của dòng âm vdư cảu các loại điện cực khác nhau cho ở bảng 4-1

Bảng 4-1

Tốc độ phát triển của dòng của các loại điện cực khác nhau

Từ bảng số thấy rằng, khi độ không đồng nhất củaổtường tăng thì tốc độ của dòng giảm do trong quá trình phát triển dòng càng đi sâu vào khu vực khu vực có trường yếu; cũng với lý do đó khi khoảng cách giữa các điện cực cũng tăng( trường càng không đồng nhất) thì thời gian thình thành phóng điện càng kéo dài Tốc độ phát triển của thác cũng như của dòng đều tăng theo điện

áp và do đó làm giảm thời gian hình thành phóng điện

Sự phát triển của dòng là do có nhiều thác mới mà sự hình thành của chúng lại phụ thuộc vào thời gian chờ đợi xuất hiện các điện tử thứ cấp, tuy thời gian này rất bé so với thời gian chậm trễ thống kê của thác đầu tiên; điện tích không gian phân bố không theo quy luật nhất định; đặc biệt trong các khoảng cách dài quỹ đạo phóng điện không thei đường thẳng v.v những nguyên nhân này đều làm chi thời gian hình thành phóng điện cũng bị tản mạn và có tính chất thống kê

Đ4-3 Phóng điện xung kích

Sau khi xét về thời gian phóng điện thấy rằng trị số điện áp phóng điện xung kích phụ thuộc vào thời gian tác dụng của điện áp, thời gian càng ngắn thì yêu cầu trị số điện áp càng cao Do đó

đối với phóng điện xung kích không thể biểu thị điện

áp phóng điện xung kích không biểu thị điện áp phóng

điện bằng trị số cố định mà biểu thị bởi đặc tính vôn - giây - quan hệ giữa biên độ điện áp tác dụng với thời gian phóng điện Đặc tính này được xác định bằng thực nghiệm theo sơ đồ hình 4-7

Nguồn điện áp là máy phát điện xung áp và dùng máy hiện sóng để đo điện áp và thời gian phóng

điện (máy hiện sóng không thể đo trực tiếp mà phải qua bộ phân áp) Xây dựng đặc tính vôn - giây rất công phu và phức tạp Phải dùng dạng sóng nhất định và do tính tản mạn của thời gian phóng điện nên phải tiến hành thí nghiệm nhiều lần cho mỗi cặp trị số U(t)

PA

MHS

Hình 4-7 Sơ đồ nguyên lý để xác định

đặc tính vôn - giây bằng

phương pháp thực nghiệm

MPX - máy phát điện xung áp

KH- khe hở, PA - phân áp

MHS- Máy hiện sóng

a) b) c)

Hình 4-8 Cách xây dựng đặc tính vôn - giây Hình 4-8 cho kết quả thực nghiệm và cách xây dựng đặc tính von - giây của cách điện Hình 4-8a ứng với các trường hợp phóng điện xảy ra ở giai đoạn đầu sóng khi điện áp cso biên độ lớn còn hình 4-8b là biên độ bé phóng điện xảy ra ở đuôi sóng ứng với mỗi trị số biên dộ điện áp

sẽ có nhiều trị số của thời gian phóng điện và ngược lại cho nên đặc tính vôn - giây là một khu vực tập hợp nhiều điểm ( hình 4-8c) Thực tế thường biểu thị theo đường cong trung bình có kèm theo giới hạn sai số so với đường trung bình ấy

Trong phóng điện xung kích không những chỉ có thời gian phóng điện mà cả khả năng phóng điện cũng mang tính tản mạn đặc điểm này được biểu thị bằng xác suất về số lần phóng

điện, nó phụ thuộc rất nhiều vào biên độ điện áp tác dụng: biên dộ càng lớn thì xác suất phóng

điện càng cao Trong thực tế thường dùng các trị số điện áp phóng điện theo các xác suất phóng

điện sau đây để biểu thị mức cách điện xung kích (khi không xây dựng được đặc tính vôn - giây):

- Trị số điện áp phóng điện xung kích 50 %, con fgọi là điện áp phóng điện bé nhất (ký

điện Trị số này ứng với đoạn nằm ngang của đường đặc tình vôn - giây và có thời gian phóng điện khoảng 6 ữ10 μs

an toàn của cách điện với xác suất phóng điện bằng không Trị số này thường bé hơn điện áp thí nghiệm xung kích(khi thử nghiệm) khoảng 10 ữ

30 %

- Cần chú ý là các đường đặc tính và tham

số nói trên có phân biệt theo cực tính của sóng (sóng có cực tính âm hay dương) Đường đặc tính vôn - giây cũng có dạng khác nhau khi trường là

đồng nhất hoặc không đồng nhất ( hình 4-9) Trong trường không đồng nhất, thời gian phóng điện tăng khi điện áp giảm vì tốc độ hình thành phóng điện giảm thấp và do đó đường đặc tính vôn giây có độ dốc lớn ( đường a trên hình 4-9) Ngược lại trong trường đồng nhất , sự tăng của thời gian phóng

điện khi điện áp giảm chủ yếu là do thời gian chậm

v

a

b

s

Hình 4-9

Đặc tính vôn - giây khi trường đồng

nhất và không đồng nhất

trễ thống kê tăng, do đó nếu khe hở được đặt ngoài không khí ( các điện tử tự do luôn có sẵn do tác dụng của các nhân tố ion hoá bên ngoài) hoặc có các biện pháp thích hợp, thời gian chậm trễ thống kê sẽ được rút ngắn và như vậy đường đặc tính vôn - giây sẽ có dạng phẳng ngang( đường b trên hình 4-9)

s1

s1

s2

s2

Hình 4-10

Sự phối hợp về đặc tính vôn - giây trong bảo vệ cách điện

a) Cách điện được bảo vệ an toàn b) Cách điện không được bảo vệ

Đường đặc tính vôn - giây có ý nghĩa rất quan trọng trong việc phối hợp cách điện giữa thiết bị điện và thiết bị bảo vệ cho nó

thiết bị điện sẽ không được bảo vệ Từ đó suy ra, để bảo đảm an toàn cho cách điện thiết bị bảo vệ cần phải có đường đặc tính vôn - giây hoàn toàn nằm dưới đường đặc tính vôn - giây của cách điện

và có dạng phẳng ngang để không xảy giao chéo ở khoảng thời gian bé, thực tế thường dùng các biện pháp làm đều điện trường để thiết bị bảo vệ có đặc tính vôn - giây theo yêu cầu trên ( xem chương XX về cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị chống sét)