CAO AP VA CHONG SET

LỜI NÓI ĐẦU Trong nhiệm vụ xây dựng và phát triển cơ sở hạ tầng để phục vụ cho sự nghiệp đổi mới và phát triển của đất nước, việc giải quyết các vấn đề năng lượng, trước hết là điện năng, đóng vai trò cực kỳ quan trọng. Để đáp ứng Nhu cầu phát triển nhanh của nền kinh tế quốc dân, từng bước thực hiện điện khí hóa đất nước, con đường hợp lý nhất, hiệu quả nhất và kinh tết nhất là tập trung hóa sản xuất điện năng trên cơ sở những nhà máy điện có công suất thiết kế lớn, xây dựng gần với các nguồn nhiên liệu và năng lượng sơ cấp, đồng thời với sự phát triển mạng lưới điện cơ khả năng đưa điện năng đến nơi tiêu thụ ở xã nhất và nối liền chúng lại thành một hệ thống điện thống nhất cả nước, để có thể huy động một cách hợp lý nhất về kinh tế kỹ thuật. Để truyền tải điện năng công suất lớn từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ ở xa đòi hỏi phải thiết lập những lưới điện có điện thế cao. Khả năng truyền tải của đường dây tỉ lệ với bình phương của điện áp làm việc. Ví dụ, đường dây 35 kV có thể truyền tải một công suất từ 8 – 10 MW đi xa 30 – 40 km, đường dây điện áp 110 kV có thể truyền tải một công suất khoảng 30MW đi xa 110 – 150 km, còn để truyền tải một công suất khoảng 200 – 250 MW trên khoảng cách 200 – 250 km cần phải có đường dây điện áp 220 kV… Việc dùng lưới điện có điện áp cao để truyền tải điện năng đã đặt ra một loạt vấn đề về khoa học kỹ thuật mà người làm công tác trong ngành điện, đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật điện cao áp và kỹ thuật cách điện phải nghiên cứu và giải quyết. Những trang thiết bị điện và máy điện có điện áp cao phải được thiết kế, chế tạo sao cho vừa đảm bảo các yếu tố kỹ thuật, an toàn, tin cậy, tuổi thọ cao, gọn nhẹ, kinh tế… Muốn như thế, một mặt các phần tử mang điện áp cao phải có cấu tạo hợp lý về mặt phân bố điện trường, mặt khác phải đưa vào sử dụng những vật liệu có khả năng cách điện, chịu nhiệt và có độ bền cơ ngày càng tốt hơn, đồng thời phải nghiên cứu các biện pháp để cải thiện điều kiện làm việc của chúng. Trong vận hành, cách điện của các thiết bị và máy điện không chỉ chịu tác dụng lâu dài của điện áp làm việc mà còn có thể chịu tác dụng trong một thời gian ngắn hoặc rất ngắn các điện áp cao gấp nhiều lần điện áp định mức làm việc của chúng, tức là chịu tác dụng của quá điện áp. Quá điện áp có thể gây nên do sét đánh trực tiếp hay các vùng lân cận với những xung điện áp rất cao vào hệ thống điện. Các điện áp xâm nhập vào hệ thống thường rất cao có thể đến hàng triệu vôn trong thời gian rất ngắn, thường không quá vài trăm micro giây, đó là quá điện áp khí quyển. Quá điện áp cũng xuất hiện do sự thay đổi chế độ làm việc của bản thân hệ thống điện như việc đóng cắt các phần tử của hệ thống điện hoặc các dạng sự cố như đứt dây, chạm đất, ngắn mạch… với trị số có thể ii gấp bốn, năm lần trị số điện áp pha định mức, trong thời gian ngắn từ một vài tram micro giây đế hàng chục giây, đó là quá điện áp nội bộ. Quá điện áp, do đó, là nguyên nhân chủ yếu gây ra những sự cố và hư hỏng trong hệ thống điện. Vì vậy, phải nghiên cứu và áp dụng Những biện pháp, những thiết bị để ngăn ngừa và hạn chế trị số quá điện áp, phải xác đingj mức cách điện của thiết bị theo đặc tính của thiết bị bảo vệ với một độ dự trữ hợp lý, tức là giải quyết tốt vấn đề phối hợp các giải pháp thực hiện cách điện. Các thiết bị điện, máy điện được chế atọ phải trải qua những thử nghiệm tại nhà máy trước khi xuất xưởng, sau khi chuyên chở và lắp đặt, theo các tiêu chuẩn hiện hành của nhà mước, để đảm bảo các tính năng quy định và suốt trong thời gian vận hành phải được thử nghiệm và kiểm tra định kỳ, để kịp thời phát hiện các khuyết tật trong cách điện, xuất hiện trong quá trình làm việc để sửa chữa hoặc thay thế, tránh những sự cố và hư hỏng làm gián đoạn sự cung cấp điện. Đó là vấn đề thử nghiệm và kiểm tra phòng ngừa cho cách điện. Tóm lại, nghiên cứu các quá trình xảy ra trong cách điện dưới tác dụng của điện áp cao các dạng khác nhau trong điện trường cao từ đông nhất đến không đồng nhất mức độ khác nhau, nghiên cứu các hiện tượng quá điện áp và các biện pháp bảo vệ chống quá điện áp trong hệ thống điện, nghiên cứu kết cấu cách điện của trang thiết bị, máy điện có điện áp cao, nghiên cứu các biện pháp thử nghiệm kiểm tra phòng ngừa cho cách điện là các đối tượng nghiêm cứu chủ yếu của môn học KỸ THUẬT CAO ÁP trong hệ thống điện. Giáo trình bài giảng KỸ THUẬT CAO ÁP VÀ CHỐNG SÉT được dùng làm tài liệu nghiên cứu, học tập cho sinh viên các ngành hệ thống điện, kỹ thuật điện có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các học viên sau đại học các ngành chuyên môn trên và cũng có thể giúp ích cho các kỹ sư đang làm việc trong các lĩnh vực của ngành điện có liên quan đến trang thiết bị điện cao áp. Những sai sót, những hạn chế về nhiều mặt của bài giảng này là điều khó tránh khỏi. Tác giả mong được sự góp ý của các đồng nghiệp, sự góp ý của người sử dụng để giáo trình càng hoàn thiện hơn.

UBND THÀNH PHỐ CẦN THƠ TRƯỜNG ĐẠI HỌC

KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ CẦN THƠ

Bài Giảng Học phần:

KỸ THUẬT CAO ÁP VÀ CHỐNG SÉT

- Biên soạn: GV Ths Võ Minh Thiện

- Đơn vị : Khoa Điện – Điện tử - Viễn thông

- Email : vmthien@ctuet.edu.vn

Cần Thơ 2016

i

LỜI NÓI ĐẦU

Trong nhiệm vụ xây dựng và phát triển cơ sở hạ tầng để phục vụ cho sự nghiệp đổi mới và phát triển của đất nước, việc giải quyết các vấn đề năng lượng, trước hết là điện năng, đóng vai trò cực kỳ quan trọng

Để đáp ứng Nhu cầu phát triển nhanh của nền kinh tế quốc dân, từng bước thực hiện điện khí hóa đất nước, con đường hợp lý nhất, hiệu quả nhất và kinh tết nhất là tập trung hóa sản xuất điện năng trên cơ sở những nhà máy điện có công suất thiết kế lớn, xây dựng gần với các nguồn nhiên liệu và năng lượng sơ cấp, đồng thời với sự phát triển mạng lưới điện cơ khả năng đưa điện năng đến nơi tiêu thụ ở xã nhất và nối liền chúng lại thành một hệ thống điện thống nhất cả nước, để có thể huy động một cách hợp lý nhất

về kinh tế kỹ thuật

Để truyền tải điện năng công suất lớn từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ ở xa đòi hỏi phải thiết lập những lưới điện có điện thế cao Khả năng truyền tải của đường dây tỉ lệ với bình phương của điện áp làm việc Ví dụ, đường dây 35 kV có thể truyền tải một công suất từ 8 – 10 MW đi xa 30 – 40 km, đường dây điện áp 110 kV có thể truyền tải một công suất khoảng 30MW đi xa 110 – 150 km, còn để truyền tải một công suất khoảng 200 – 250 MW trên khoảng cách 200 – 250 km cần phải có đường dây điện áp 220 kV…

Việc dùng lưới điện có điện áp cao để truyền tải điện năng đã đặt ra một loạt vấn

đề về khoa học kỹ thuật mà người làm công tác trong ngành điện, đặc biệt trong lĩnh vực

kỹ thuật điện cao áp và kỹ thuật cách điện phải nghiên cứu và giải quyết

Những trang thiết bị điện và máy điện có điện áp cao phải được thiết kế, chế tạo sao cho vừa đảm bảo các yếu tố kỹ thuật, an toàn, tin cậy, tuổi thọ cao, gọn nhẹ, kinh tế… Muốn như thế, một mặt các phần tử mang điện áp cao phải có cấu tạo hợp lý về mặt phân bố điện trường, mặt khác phải đưa vào sử dụng những vật liệu có khả năng cách điện, chịu nhiệt và có độ bền cơ ngày càng tốt hơn, đồng thời phải nghiên cứu các biện pháp để cải thiện điều kiện làm việc của chúng

Trong vận hành, cách điện của các thiết bị và máy điện không chỉ chịu tác dụng lâu dài của điện áp làm việc mà còn có thể chịu tác dụng trong một thời gian ngắn hoặc rất ngắn các điện áp cao gấp nhiều lần điện áp định mức làm việc của chúng, tức là chịu tác dụng của quá điện áp Quá điện áp có thể gây nên do sét đánh trực tiếp hay các vùng lân cận với những xung điện áp rất cao vào hệ thống điện Các điện áp xâm nhập vào hệ thống thường rất cao có thể đến hàng triệu vôn trong thời gian rất ngắn, thường không quá vài trăm micro giây, đó là quá điện áp khí quyển Quá điện áp cũng xuất hiện do sự thay đổi chế độ làm việc của bản thân hệ thống điện như việc đóng cắt các phần tử của

hệ thống điện hoặc các dạng sự cố như đứt dây, chạm đất, ngắn mạch… với trị số có thể

gấp bốn, năm lần trị số điện áp pha định mức, trong thời gian ngắn từ một vài tram micro giây đế hàng chục giây, đó là quá điện áp nội bộ

Quá điện áp, do đó, là nguyên nhân chủ yếu gây ra những sự cố và hư hỏng trong

hệ thống điện Vì vậy, phải nghiên cứu và áp dụng Những biện pháp, những thiết bị để ngăn ngừa và hạn chế trị số quá điện áp, phải xác đingj mức cách điện của thiết bị theo đặc tính của thiết bị bảo vệ với một độ dự trữ hợp lý, tức là giải quyết tốt vấn đề phối hợp các giải pháp thực hiện cách điện

Các thiết bị điện, máy điện được chế atọ phải trải qua những thử nghiệm tại nhà máy trước khi xuất xưởng, sau khi chuyên chở và lắp đặt, theo các tiêu chuẩn hiện hành của nhà mước, để đảm bảo các tính năng quy định và suốt trong thời gian vận hành phải được thử nghiệm và kiểm tra định kỳ, để kịp thời phát hiện các khuyết tật trong cách điện, xuất hiện trong quá trình làm việc để sửa chữa hoặc thay thế, tránh những sự cố và

hư hỏng làm gián đoạn sự cung cấp điện Đó là vấn đề thử nghiệm và kiểm tra phòng ngừa cho cách điện

Tóm lại, nghiên cứu các quá trình xảy ra trong cách điện dưới tác dụng của điện

áp cao các dạng khác nhau trong điện trường cao từ đông nhất đến không đồng nhất mức độ khác nhau, nghiên cứu các hiện tượng quá điện áp và các biện pháp bảo vệ chống quá điện áp trong hệ thống điện, nghiên cứu kết cấu cách điện của trang thiết bị, máy điện có điện áp cao, nghiên cứu các biện pháp thử nghiệm kiểm tra phòng ngừa cho cách điện là các đối tượng nghiêm cứu chủ yếu của môn học KỸ THUẬT CAO ÁP trong

hệ thống điện

Giáo trình bài giảng KỸ THUẬT CAO ÁP VÀ CHỐNG SÉT được dùng làm tài liệu nghiên cứu, học tập cho sinh viên các ngành hệ thống điện, kỹ thuật điện có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các học viên sau đại học các ngành chuyên môn trên và cũng

có thể giúp ích cho các kỹ sư đang làm việc trong các lĩnh vực của ngành điện có liên quan đến trang thiết bị điện cao áp

Những sai sót, những hạn chế về nhiều mặt của bài giảng này là điều khó tránh khỏi Tác giả mong được sự góp ý của các đồng nghiệp, sự góp ý của người sử dụng để giáo trình càng hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

- -

CHƯƠNG I: CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN TRONG CÁC LOẠI ĐIỆN MÔI DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐIỆN TRƯỜNG CAO 01

1.1 Cách điện ngoài và hiện tượng phóng điện của chất khí 01

1.1.1 Đặc điểm của cách điện ngoài 01

1.1.2 Điều chỉnh điện trường tác dụng lên cách điện ngoài 01

1.2 Cơ sở vật lí của hiện tượng phóng điện trong chất khí 02

1.2.1 Vai trò của điện môi khí trong các cơ cấu cách điện cao áp 02

1.2.2 Những cơ sở vật lý chủ yếu của hiện tượng trong chất khí 03

1.3 Phóng điện xuyên thủng khoảng cách khí 05

1.3.1 Phóng điện trong điện trường đồng nhất 05

1.3.1.1 Điều kiện phóng điện tự duy trì; thuyết phóng điện theo thác của Townsend 05

1.3.1.2 Lý thuyết phóng điện theo dòng: 06

1.3.1.3 Điện áp phóng điện xuyên thủng (Uct) khoảng cách khí trong điện trường đồng nhất – Định luật Paschen 07

1.3.2 Phóng điện trong điện trường không đồng nhất 09

1.3.2.1 Độ không đồng nhất của điện trường 09

1.3.2.2 Phóng điện tự duy trì trong điện trường hơi không đồng nhất 11

1.3.2.3 Phóng diện trong điện trường rất không đồng nhất: 13

1.3.2.4 Tác dụng nâng cao điện áp phóng điện của màn chắn trong điện trường không đồng nhất: 19

1.3.3 Phóng điện trong chất khí khi điện áp tác dụng có dạng xung 21

1.3.3.1 Các thành phần của thời gian phóng điện 21

1.3.3.2 Đặc tính Volt – giây 25

1.4 Phóng điện vầng quang trên đường dây tải điện 30

1.4.1 Khái niệm chung 30

1.4.2 Vầng quang trên đường dây tải điện một chiều: 32

1.4.3 Vầng quang trên đường dây tải điện xoay chiều 36

1.4.3.1 Sự di chuyển của điện tích không gian: 36

1.4.3.2 Quá trình phóng điện vầng quang trên mỗi pha: 38

1.5 Sét - Nguồn gốc của quá điện áp khí quyển 41

1.5.1 Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét 41

1.5.2 Các tham số chủ yếu của sét – cường độ hoạt động của sét 46

1.5.3 Biên độ dòng điện sét và xác suất xuất hiện của nó 47

1.5.4 Độ dốc đầu sóng dòng điện sét và xác suất xuất hiện của nó 49

1.5.5 Cường độ hoạt động của sét – mật độ sét 52

1.5.6 Cực tính của sét 52

1.5.7 Tình hình dông sét ở Việt Nam 52

1.5.8 Đặc điểm và phân bố dông trên lãnh thổ Việt Nam 53

1.5.8.1 Phân hóa mùa của dông 53

1.5.8.2 Tần suất xuất hiện dông trong ngày 54

1.5.8.3 Phân vùng mật độ sét Việt Nam 55

1.5.8.4 Phân bố xác suất biên độ và độ dốc dòng sét ở Việt Nam 56

CHƯƠNG II: CÁCH ĐIỆN Ở ĐIỆN ÁP CAO 61

2.1 Các yêu cầu đối với cách điện trong hệ thống điện 61

2.1.1 Những yêu cầu chung đối với cấu tạo của các vật cách điện 61

2.1.2 Các loại cách điện đường dây 61

2.1.3 Cách lựa chọn số lượng đĩa cách điện và các khoảng không khí nhỏ nhất cho phép 68

2.2 Thực hiện cách điện cho trạm phân phối và nhà máy điện 70

2.2.1 Các yêu cầu chung và thử nghiệm cách điện 71

2.2.2 Vật cách điện dung trong trạm phân phối 72

2.3 Cách điện của cáp điện ngầm cao áp 76

2.3.1 Khái niệm chung 76

2.3.2 Cáp có cách điện bằng giấy tẩm cho điện áp dưới 35kV 76

2.3.3 Cáp khí nén 78

2.3.4 Cáp dầu và cáp dầu nén 79

2.3.5 Cáp có cách điện bằng Polyetylen hoặc PVC 81

2.3.6 Một số loại cáp mới 82

2.3.7 Các phụ kiện thi công cáp ngầm 82

CHƯƠNG III: BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO HỆ THỐNG ĐIỆN 3.1 Khái niệm chung 85

3.2 Xác định phạm vi bảo vệ của cột thu sét – mô hình A Kopian 86

3.3 Phạm vi bảo vệ của dây chống sét 92

3.4 Các yêu cầu kỹ thuật kinh tế khi dùng hệ thống cột thu sét để bảo vệ sét đánh thẳng cho trạm biến áp và nhà máy điện 95

CHƯƠNG IV: NỐI ĐẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 119

4.1 Khái niệm chung 119

4.2 Điện trở tản nối đất ở tần số công nghiệp 122

4.3 Điện trở tản của nối đất chống sét 127

4.4 Điện trở suất của đất và các nhân tố ảnh hưởng 134

4.5 Các yêu cầu về kinh tế kỹ thuật khi thiết kế hệ thống nối đất cho trạm và đường dây tải điện 136

4.6 Phương pháp diện tích để tính điện trở tản của lưới nối đất 138

CHƯƠNG V: BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 145

5.1 Phương pháp tổng quát để tính toán chỉ tiêu chống sét của đường dây tải điện 145

5.2 Quá điện áp cảm ứng 149

5.3 Sét đánh trực tiếp vào đường dây không có dây chống sét 152

5.4 Sét đánh trên đường dây có dây chống sét 157

CHƯƠNG VI: THIẾT BỊ CHỐNG SÉT 168

6.1 Khái niệm chung 168

6.2 Khe hở bảo vệ 169

6.3 Thiết bị chống sét kiểu ống 170

6.4 Thiết bị chống sét kiểu van (CSV) 173

6.5 Thiết bị hạn chế QĐA hay CSV không có khe hở 181

CHƯƠNG VII: BẢO VỆ CHỐNG SÉT TRUYỀN VÀO TRẠM PHÂN PHỐI ĐIỆN 7.1 Khái niệm 184

7.2 Biện pháp và yêu cầu đối với việc bảo vệ chống sét truyền vào trạm 184

7.3 Sơ đồ nguyên lý bảo vệ trạm 188

7.4 Tham số tính toán của sóng sét truyền vào trạm và cách tính chỉ tiêu chịu sét của trạm 190

7.5 Điện áp trên cách điện của trạm 192

TÀI LIỆU THAM KHẢO 203

PHỤ LỤC

Chương 1

CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN TRONG CÁC LOẠI ĐIỆN MÔI DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐIỆN TRƯỜNG CAO

1.1 Cách điện ngoài và hiện tượng phóng điện của chất khí

1.1.1 Đặc điểm của cách điện ngoài

Dây dẫn của các đường dây tải điện trên không, thanh góp của các trạm biến áp phân phối được cách ly lẫn nhau và được cách ly với đất bởi những khoảng cách không khí thuần túy

Ngoài ra, ở những vị trí thích hợp, các phần tử mang điện (dây dẫn, thanh góp, đầu ra của các thiết bị như máy biến áp, tụ điện…) được cố định nhờ những vật cách điện rắn (isolator) Các khoảng cách không khí thuần túy và khoảng cách không khí men theo bề mặt cách điện rắn đó đó tạo thành cách điện ngoài của trang thiết bị điện Như vậy cách điện ngoài là phần tử tiếp xúc trực tiếp với khí quyển của cơ cấu cách điện của trang thiết bị điện Ảnh hưởng của điều kiện khí tượng đến độ bền điện của cách điện ngoài cũng phải được tính đến trong khi tiến hành thử nghiệm cách điện, cụ thể là phải tính đổi trị số điện áp phóng điện trong điều kiện thử nghiệm về điều kiện chuẩn: áp suất p0 = 1,013.105 (Pa) hay

760 mmHg, nhiệt độ t0 = 200C và độ ẩm tuyệt đối của không khí H0 = 11g/m3 Khi đo điện áp phóng điện ướt và bẩn ẩm của bề mặt cách điện thì cách thức tạo mưa nhân tạo và tạo lớp bẩn

ẩm phải tuân theo các qui phạm tương ứng

Không khí, điện môi chủ yếu của cách điện ngoài, không bị già hóa, có nghĩa là chỉ số trung bình của độ bền điện của chúng không giảm theo thời gian, không phụ thuộc vào chế

độ làm việc của trang thiết bị điện Vì vậy đối với những khoảng cách không khí thuần túy, phần tử chủ yếu cách điện ngoài, vấn đề thời gian phục vụ không đặt ra, trong khi đối với cách điện trong, đó là một trong những vấn đề phức tạp phải được tính đến

1.1.2 Điều chỉnh điện trường tác dụng lên cách điện ngoài

Độ bền điện của không khí ở điều kiện bình thường không cao vào khoảng 25 – 30kV/cm ở khoảng cách giữa các điện cực cỡ cm, tức là 10 – 30 lần nhỏ hơn của điện môi rắn Khoảng cách giữa các điện cực càng lớn, trường càng không đồng nhất, độ bền điện càng giảm Những khoảng cách không khí ở trang thiết bị điện áp cao và siêu cao thường rất lớn, có thể đến hàn nhiều mét, trong khi kích thước của bản than điện cực (dây dẫn, thanh góp v.v…) lựa chọn theo mật độ dòng kinh tế, theo độ bền cơ và theo các chỉ tiêu khác thường không lớn, bán kính cong của bề mặt điện cực ít vượt qua 1cm Ở điều kiện kích thước và khoảng cách điện cực như vậy, điện trường tác dụng lên cách điện ngoài rất không đồng nhất, làm cho việc tạo cách điện ngoài rất khó khăn vì

- Trong điện trường rất không đồng nhất có khả năng suất điện phóng điện vầng quang

ở cách điện ngoài Bản thân phóng điện vầng quang tuy không quá hoại sự làm việc của trang thiết bị điện áp cao, nhưng gây thêm tổn hao năng lượng, ăn mòn dần các phụ kiện kim loại của cách điện rắn và gây nhiễm mạnh đối với thông tin vô tuyến

- Độ bền điện của không khí trong điện trường không đồng nhất rất thấp: ở khoảng cách điện cực 1m giảm còn 5 – 6 (kV/cm), ở khoảng cách 10m còn khoảng 2 – 3 (kV/cm) Vì vậy

ở cấp điện áp cao và siêu cao, kích thước và giá thành của trang thiết bị điện tăng nhanh và

áp đến một giới hạn điện áp nào đó, nếu không có những biện pháp nâng cao độ bền điện của cách điện ngoài, chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của trang thiết bị điện sẽ giảm thấp đến mức không có thể chấp nhận được

Vì những lý do trên, các biện pháp nhằm giảm độ không đồng nhất của điện trường tác dụng lên cách điện ngoài rất có ý nghĩa, vì nó giảm công suất tổn hao vầng quang, giảm cường độ nhiễu vô tuyến xuống giới hạn cho phép và tăng điện áp phóng điện Có các biện pháp chủ yếu sau:

- Tăng bán kính cong của bề mặt điện cực; ví dụ ở đường dây tải điện thuộc các cấp điện áp cao và siêu cao thường dùng dây dẫn có tiết diện tăng cường hoặc chùm dây dẫn phân nhỏ, dùng những đai kim loại có cấu tạo hình dạng thích hợp gắng vào vật cách điện để tạo màng chắn điều chỉnh trường Loại trừ các cạnh sắt của bộ phận mang điện và phụ kiện kim loại

- Quét lên bề mặt vật cách điện rắn ở những vị trí thích hợp lớp sơn dẫn điện hoặc sơn bán dẫn điện giảm độ không đồng nhất của điện trường

- Dùng những điện cực phụ đặt trong bản thân điện môi rắn của vật cách điện để điều chỉnh điện trường trên bề mặt của nó

1.2 Cơ sở vật lí của hiện tượng phóng điện trong chất khí

1.2.1 Vai trò của điện môi khí trong các cơ cấu cách điện cao áp

Ngoài ứng dụng làm cách điện ngoài, không khí và một số các chất khí khác còn được dùng làm cách điện trong của các thiết bị điện áp cao, như máy cắt, cáp điện, tụ điện v.v…

Để làm nhiệm vụ cách điện trong các chất khí phải có các tính chất hóa lý sau:

- Phải có độ bền điện cao để cho kích thước của cơ cấu cách điện để kiến trúc của trang thiết bị được gọn nhẹ

- Phải trơ về mặt hóa học, nghĩa là không gây nên các phản ứng hóa học với các vật liệu cách điện và kim loại tiếp xúc với nó

- Phải có nhiệt độ hóa lỏng thấp để có thể làm việc ở áp suất cao, vì ở điều kiện đó độ bền điện của các chất khí cao hơn ở áp suất bình thường

- Đối với các thiết bị và máy điện tỏa nhiệt mạnh thì chất khí dùng làm cách điện phải

có tính dẫn nhiệt tốt để điều kiện làm mát được dễ dàng

- Trên quan điểm an toàn, các chất khí dùng làm cách điện không được gây nổ, cháy và không độc hại

- Ngoài ra các chất khí dùng làm cách điện phải dễ tạo và rẻ tiền

Ngày nay nhiều nước trên thế giới đã đưa vào sử dụng rộng rãi các chất khí có độ bền điện cao như SF6 (êlêga), CCl2F2 (freon), một vài tính chất của chúng cho trong bảng 1.1 dưới đây:

Bảng 1.1: Độ bền điện và nhiệt độ hóa lỏng của chất khí

Tương đối

Nhiệt độ hóa lỏng

(0C) Không khí

1 2,5 2,5 6,3

- -62 -30 +76

Êlêga vẫn giữ trạng thái khí ở áp suất dưới 20 ata và Freon dưới 6 (ata) Chỉ cần nâng

áp suất lên đến 3(ata) thì độ bền điện của chúng đã tương đương với các chất cách điện rắn Khí Tetrachlormethan có độ bền điện cao, nhưng ở nhiệt độ và áp suất bình thường đã ở trạng thái lỏng, ngoài ra không phải là một khí trơ nên ít được ứng dụng trong lĩnh vực cách điện

1.2.2 Những cơ sở vật lý chủ yếu của hiện tượng trong chất khí

1.2.2.1 Khái niệm vầ cấu tạo nguyên tử:

Khi nghiêm cứu các vấn đề của kỹ thuật điện cao áp có thể dùng mô hình cấu tạo nguyên tử như một thái dương hệ, tạo thành bởi một hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân theo những quỹ đạo nhất định Điện tử có khối lượng tĩnh moe = 9.10-28g và mang một điện tích âm q = -1,6 10-19C Hạt nhân có khối lượng tĩnh lớn gấp 1837 lần của điện tử, tạo thành bởi các proton và neutron Proton mang điện tích dương, bằng điện tích của điện tử về trị số, còn neutron thì trung tính về điện

Khối lượng của một phân tử chuyển động có khối lượng mv tăng theo tốc độ chuyển động của nó theo quy luật

2 0

m

Trong đó: m0 - khối lượng tĩnh của phần tử

c - tốc độ ánh sáng, 3.108m/s Bán kính nguyên tử vào khoảng 10-8 cm, của hạt nhân khoảng 10-13 cm, còn của proton hoặc neutron khoảng 10-14 cm; Như vậy chỉ có một phần rất nhỏ thể tích của nguyên tử có chứa vật chất – hạt nhân và điện tử

Ở tình trạng bình thường, nguyên tử trung tính về điện, có nghĩa là không chịu tác dụng cơ nào của điện hoặc từ trường ngoài Tổng điện tích của toàn bộ các điện tử bằng điện tích hạt nhân về trị số, số lượng điện tử hoặc proton của nguyên tử bằng số thứ tự của nguyên

tố đó trong bảng tuần hoàn Mendeleev Khối lượng của nguyên tử gần đúng bằng tổng khối lượng các proton và neutron của hạt nhân và tương ứng với trọng lượng nguyên tử của nguyên tố

Sự chuyển động của điện tử trên một quỹ đạo nhất định quanh hạt nhân được thực hiện không có tổn hao năng lượng, mỗi quỹ đạo có dự trữ động và thế năng nhất định (so với hạt nhân), được gọi là mức năng lượng

Phần năng lượng nhận thêm đó bằng hiệu của các mức năng lượng W1 của quỹ đạo mới là W2 của quỹ đạo ban đầu

Năng lượng của điện tử hoặc bất kỳ một phần tử nào không thay đổi liên tục mà gián đoạn theo một lượng nhất định được gọi là lượng tử (quant) Dưới dạng tổng quát, lượng tử năng lượng bằng hiệu các mức năng lượng của hai quỹ đạo điện tử theo biểu thức

h W

Với  - tần số dao động điện từ, đặc trưng cho lượng tử (1/s)

h = 6,542.10-34 J.s – là hằng số lượng tử hay là hằng số Planck

Tần số của bức xạ điện từ càng cao thì lượng tử năng lượng càng lớn Vì vậy lượng tử của các bức xạ tăng dần từ vùng đỏ của dãy án sang trông thấy sang vùng tím đến cực tím của phổ ánh sang, tiếp đến vùng bức xạ Rowntgen, bức xạ  và cao nhất là vùng bức xạ vũ trụ (hình 1.1)

Hình 1.1: Các giải tần bức xạ

Năng lượng của điện tử và của phần tử mang điện khác đo bằng đơn vị electron – Volt (eV) Một eV là năng lượng cung cấp bởi lực điện trường để di chuyển một phần tử mang điện, có điện tích bằng một điện tích của một điện tử, giữa hai điểm của điện trường có hiệu điện thế bằng 1V

Nếu thừa nhận điện tích của điện tử bằng đơn vị thì chỉ số năng lượng của các phần tử

có thể biểu thị bằng volt

1.3 Phóng điện xuyên thủng khoảng cách khí

1.3.1 Phóng điện trong điện trường đồng nhất

1.3.1.1 Điều kiện phóng điện tự duy trì, thuyết phóng điện theo thác của

Townsend

Sự xuất hiện của thác điện tử đầu tiên trong khoảng cách khí chưa phải là dấu hiệu phóng điện tự duy trì, vì sau khi các điện tử và ion dương của thác về đến điện cực trái dấu tương ứng và trung hòa tại đấy thì dòng điện chạy qua khoảng cách khí cũng chấm dứt Muốn có dòng điện liên tục thì trước khi thác đều tiên kết thúc phải có những điện tử tự do mới xuất hiện ở gần âm cực để tạo nên những thác điện tử kế tục Nếu điện tử mới nầy chỉ do các nguồn ion hóa bên ngoài tạo nên thì quá trình phóng điện là không tự duy trì, dòng điện chạy qua khoảng cách khí có dạng những xung rời rạc, tần số lặp lại của chúng phụ thuộc vào cường độ của nguồn ion hóa bên ngoài

Để cho quá trình phóng điện trở nên tự duy trì ngay cả khi không tồn tại các nguồn ion hóa bên ngoài thì điều kiện không thể thiếu được là mỗi điện tử xuất phát từ cực âm để tạo thành thác phải tạo nên ít nhất là một điện tử thứ cấp mới thay thế cho mình

Ví dụ: xét trường hợp điện tử thứ cấp được tạo nên bởi quá trình ion hóa va đập bề

mặt cực âm bởi ion dương Khi các điện tử phát triển qua toàn bộ khoảng cách khí (s) với trường đồng nhất thì số lượng điện tử trong thác bằng exp(αs) và số lượng ion dương bằng (exp (αs) – 1) Nếu γi là số điện tử được giải phóng khỏi bề mặt âm cực bởi tất cả các số ion dương của thác bằng γi (exp (αs) – 1) Để có phóng điện tự duy trì, số điện tử thứ cấp này ít nhất phải bằng 1, tức là:

Townsend (nhà bác học Anh 1868 – 1957) là người đầu tiên đã nêu ra điều kiện này

và cho rằng sự phóng điện trong chất khí gây nên bởi các thác điện tử phát triển kế tục nhau trong khoảng cách khí, vì vậy lý thuyết phóng điện theo thác được gọi là lý thuyết phóng điện Townsend

Cũng tương tự như trường hợp ion hóa va đập bề mặt âm cực bởi ion dương, số lượng điện tử thứ cấp được tạo nên bởi các quá trình ion hóa quang bề mặt âm cực và ion hóa quang trong thể tích khí đều tỉ lệ với số điện tử trong thác ban đầu Vì vậy, nếu gọi γ là hệ số ion hóa thứ cấp tổng hợp (để chú ý cả 3 quá trình ion hóa khác nhau) thì tổng số điện tử thứ cấp bằng γ(exp (αs) – 1) và điều kiện phóng điện tự duy trì trong điện trường đồng nhất có thể viết một cách tổng quát như sau:

γ(exp (αs) – 1) ≥ 1

hoặc biến đổi ra dưới dạng

1 ln( 1) ons

Đối với không khí ở áp suất thấp = 3,7  4

bề mặt cực âm (bởi ion dương và proton) phụ thuộc và công thoát của vật liệu làm cực âm Ở

áp suất cao γ chủ yếu là hệ số ion hóa quang thể tích khí, hầu như không phụ thuộc vào vật liệu làm cực âm

1.3.1.2 Lý thuyết phóng điện theo dòng:

Ở mật độ khí cao nếu không tính đến ảnh hưởng của điện tích không gian thì sẽ không giải thích được một loạt các vấn đề thực tế như: Thời gian phóng điện đo được bé hơn rất nhiều so với thời gian thác điện tử đầu tiên đi qua toàn bộ khoảng cách khí theo lý thuyết Townsend, sự phát triển của khe phóng điện từ cực dương, sự không phụ thuộc của điện áp phóng điện vào vật liệu khí v.v…

Lý thuyết phóng điện theo dòng được trình bày dưới đây được đề xuất bởi Hans Peter

và John Mike (1939), đã bổ sung cho lý thuyết phóng điện theo thác và giải đáp được các tồn tại trên

Hình 1.2: Quá trình phát triển phóng điện theo dòng khi u = U 0.

Trong lý thuyết phóng điện theo dòng, hiện tượng ion hóa quang trong thể tích khí dưới tác dụng của các bức xạ sóng ngắn, tạo nên bởi bản thân quá trình phóng điện đòng một vai trò quang trọng

- Nếu điện áp tác dụng lên hai cực chỉ bằng điện áp bắt đầu phóng điện U = U0, thác điện tử đầu tiên phải đi qua toàn bộ khoảng cách khí Số điện tử ở đầu thác chạy nhanh về cực dương và bị trung hòa, còn để lại trong khoảng cách khí, đặc biệt ở khu vực gần cực dương một lượng ion dương lớn (hình 1.2a), chúng làm tăng cao cường độ điện trường ở khu vực này do đó tác dụng kích thích mãnh liệt các phân tử khí Các phần tử khí bị kích thích trở

về trạng thái bình thường phát ra một số lượng lớn photon, gây ion hóa quang chất khí tạo nên các điện tử thứ cấp Các điện tử này bị hút về phía cực dương tạo nên đồng thời nhiều thác điện tử thứ cấp (hình 1.2b) Điện tử của thác thứ cấp chạy vào khu vực tập trung ion dương của thác đầu tiên và biến khu vực này thành Plasma (hình 1.2c) tức là thành dòng (srteamer) dẫn điện Cường độ điện trường trong dòng giảm thấp, trong khi đó ion dương của thác đầu tiên còn lại và của các thác thứ cấp tập trung ở đầu dòng làm cho cường độ trường ở đấy tăng cao tạo điều kiện cho sự ion hóa quang chất khí và sự hình thành của thác thứ cấp mới ở khu vực này Điện tử của chúng bị hút vào đám ion dương và biến khu vực này thành Plasma (hình 1.2d), kết quả là dòng được kéo dài thêm một đoạn về phía cực âm Quá trình lại diễn ra tiếp tục, tương tự như vậy, cho đến khi dòng kéo dài qua toàn bộ khoảng cách khí

bị phóng điện xuyên thủng (hình 1.2e)

Phóng điện xuất hiện dưới dạng tia lửa hoặc hồ quang tùy theo công suất nguồn Vì dòng xuất phát từ cực dương nên được gọi là dòng dương (dòng anode), tốc độ phát triển trung bình của nó vào khoảng 3.108 cm/s (khoảng 1% tốc độ ánh sáng)

1.3.1.3 Điện áp phóng điện xuyên thủng (Uct) khoảng cách khí trong điện

trường đồng nhất – Định luật Paschen

Như đã trình bày ở trên điện trường đồng nhất, khi điều kiện phóng điện tự duy trì được thực hiện thì sẽ dẫn đến phóng điện xuyên thủng khoảng cách khí, Tức là điện áp phóng điện xuyên thủng Uct bằng điện áp phóng điện tự duy trì U0 Do đó có thể xác định điện áp phóng điện xuyên thủng từ điều kiện phóng điện tự duy trì

U A

s U A s

Từ đó suy ra điện áp xuyên thủng khoảng cách khí:

)(1

1ln

)(ln

)(

0

s A

s U A

Biểu thức này cho thấy:

“Trong điện trường đồng nhất, điện áp phóng điện xuyên thủng khoảng cách khí là hàm của tích số mật độ chất khí với chiều dài khoảng cách khí”

Quy luật này đã được Paschen, (Bác học Đức 1865 – 1974) xác định bằng thực nghiệm nên được gọi là qui luật Paschen

Đường cong Uct = f( s) (hình 3.3) đi qua một cực tiểu ở trị số  s tương đối bé, tương ứng với điều kiện ion hóa va chạm thuận lợi nhất, tức là lúc hệ số ion hóa va chạm điện tử α

có trị số lớn nhất

Hình 1.3: Quan hệ U ct  f( s) và E ct/  f( s) đối với không khí

Đối với không khí, điện áp phóng điện bé nhất U ct 300V khi  s 0 , 0007cm.

Để giải thích quan hệ này, cần nhắc lại rằng, để có phóng điện tự duy trì, số lần ion hóa va chạm bởi 1 điện tử trong khoảng cách khí phải đạt đến một trị số không đổi nhất định nào đó, ví dụ đối với không khí ở điều kiện bình thường thì:

20)(exp

s U A s

s U

A0

exp là xác xuất ion hóa khi va chạm Quan hệ   s f ( s  ) có dạng giống như đường cong   f()

Trị số cực đại ( s  )max xảy ra tại trị số ( s) m, đó

là lúc điện áp phóng điện bé nhất Bên trái trị số ( s) m

, khi δs giảm thì số lần ion hóa va chạm giảm, do số

lần va chạm giảm nhanh hơn sự tăng xác xuất ion hóa

Còn bên phải chữ số ( s) m, khi tăng δs thì số lần ion

hóa va chạm  scũng giảm do ion hóa xác xuất giảm

nhanh hơn sự tăng số lần va chạm Trong cả hai

trường hợp, để duy trì sự phóng điện, tức là để giữ cho

)(

ln 0 0

Quy luật Paschen có nhiều ứng dụng thực tế:

- Sự tăng điện áp phóng điện xuyên thủng khi tăng mật độ (hay áp suất) khí được ứng dụng trong chế tạo cáp có điện môi là khí nén Không khí ở áp suất 10 – 15 atu có độ bền điện xấp xỉ dầu máy biến áp sạch, nhờ đó kích thước thiết bị giảm đi rất nhiều

- Còn sự tăng điện áp phóng điện của chất khí ở mật độ rất thấp được ứng dụng trong các kết cấu cách điện chân không như đèn kenotron cao áp, tụ chân không cao áp

- Điện áp phóng điện bé nhất cũng được ứng dụng trong các thiết bị phóng điện khí (dùng trong bảo vệ chống quá điện áp)

1.3.2 Phóng điện trong điện trường không đồng nhất

1.3.2.1 Độ không đồng nhất của điện trường

Hình 1.5: Điện trường không đồng nhất có dạng cực đối xứng (a) và không đối xứng (b & c)

Trong điện trường không đồng nhất, cường độ điện trường không giống nhau dọc theo chiều dài khoảng cách

Trong điện trường tạo nên bởi các điện cực đối xứng, thì cường độ điện trường lớn nhất trên bề mặt điện cực, và bé nhất ở chình giữa khoảng cách (hình 1.5a) Trong điện trường với các điện cực dạng không đối xứng thì cường độ trường lớn nhất ở trên mặt điện cực có bán kính cong bé, còn chỉ số bé nhất dịch về phía điện cực đối diện (hình 1.5b và c)

Mức độ không đồng nhất của điện trường được đặc trưng bởi hệ số không đồng nhất:

tb E E

Và trị số lớn nhất trên bề mặt trụ trong bằng:

r

R r

U E

ln

max 

Chọn điện áp tác dụng trên tụ trong 3 trường hợp sao cho Emax bằng nhau và bằng cường độ điện trường tới hạn E0 = 30 kV/cm Vẽ phân bố cường độ điện trường E(x) và biến thiên của hệ số ion hóa va chạm điện tử α(x) cho cả 3 trường hợp

)(exp

)

(

) (

0

E

U A A

- Trường hợp thứ hai, hệ số không đồng nhất cao hơn chút ít, k = 1,5 thì α(x) có giá trị khác không trong một phần đáng kể khoảng cách khí có nghĩa là thác điện tử đầu tiên phát triển qua khoảng cách khí đó rồi tạo thành dòng Tuy nhiên cường độ điện trường trong khoảng cách còn lại đủ cao, đảm bảo cho sự ion hóa chất khí và sự phát triển tiếp tục của dòng cho đến cực ngoài

- Trường hợp thứ ba, hệ số không đồng nhất rất cao, k = 5,5 thì α(x) có giá trị khác không chỉ trong một cự ly rất ngắn gần bề mặt cực trong, cho nên thác điện tử đầu tiên chỉ đi qua khoảng cách rất ngắn này và dòng được tạo nên không thể phát triển đến cực ngoài được

vì cường độ điện trường trong khoảng cách còn lại quá bé không đủ để gây ion hóa chất khí tiếp tục

1.3.2.2 Phóng điện tự duy trì trong điện trường hơi không đồng nhất

* Qui luật đồng dạng của phóng điện:

Như đã trình bày trên, quá trình phóng điện trong điện trường hơi không đồng nhất tương tự như trong điện trường đồng nhất, tác là khi điều kiện phóng điện tự duy trì được thực hiện thì sẽ dẫn đến phóng điện xuyên thủng khoảng cách khí Nhưng trong điện trường không đồng nhất nói chung, do phân bố cường độ điện trương E(x) không giống nhau trong khoảng cách nên hệ số ion hóa va chạm điện tử α(x) ≠ const Vì vậy điều kiện phóng điện tự duy trì ở đây có dạng

const dx

(



Tích phân này được tiến hành theo đường sức ngắn nhất nối hai điện cực Chính vì E

và α phụ thuộc vào dạng trường nên không có một công thức chung cho điện áp phóng điện xuyên thủng, chỉ đối với những dang trường đơn giản, cho phép xác định được E và α bằng giải tích thì mới có thể tính toán được điện áp phóng điện xuyên thủng từ điều kiện phóng điện duy trì: Uct = U0

Ví dụ: Trường hợp điện trường trong khoảng cách khí giữa hai điện cực hình trụ đồng

tâm (s = R-r < r), biết:

r

R x

U x

) (

0 0

lnexp

exp)

(

U

x r

R U A A

E

U A A

x

i

x i

1ln

lnexp

R U A A

ln exp

R U A r

U r

R U A

Vì dạng trường này được xác định hoàn toàn bởi hai kích thước hình học độc lập, nên cũng có thể biểu thị U0 dưới dạng tổng quát sau:

) , ( ) , ( ) , (

0

s

R s f R

r R f r

R r f

Áp dụng qui luật này để viết điện áp phóng điện tự duy trì của khoảng cách khí s giữa hai điện cực hình cầu có bán kính R và r với s < r:

s R f r

R r

s r f s

R s

r s f

Qui luật đồng dạng của phóng điện trong điện trường hơi không đồng nhất cho thấy:

- Có thể bằng cách nâng cao mật độ (hay áp suất) của chất khí để nâng cao điện áp phóng điện xuyên thủng của khoảng cách khí

- Trong hai khoảng cách khí đồng dạng về hình học, điện áp phóng điện chỉ còn làm hàm của tích số δs, và nếu lại cho mật độ δ thay đổi tỉ lệ nghịch voeis khoảng cách s thì điện

áp phóng điện cảu hai khoảng cách khí sẽ bằng nhau Điều này cho phép trong thực nghiệm dùng mô hình đồng dạng để nghiên cứu điện áp phóng điện trong một dạng trường hơi không đồng nhất nào đó

- Để chứng minh hệ quả này, có thể lấy ví dụ hai tụ khí hình trụ đồng dạng có các kích thước tỉ lệ nhau theo:

a s

s R

tự duy trì trong hai trường hợp phải bằng nhau

Giả thuyết cho tác dụng lên hai khoảng cách khí một điện áp giống nhau U1 = U2 = U, nếu số lần ion hóa va chạm trong hai khoảng cách khí bằng nhau m1 = m2, tức là điều kiện phóng điện tự duy trì trong hai khoảng cách khí xảy ra ở cùng một điện áp

Vì hai khoảng cách khí chịu tác dụng cùng một trị số điện áp nên cườn độ điện trường tại các điểm tương ứng của chúng có quan hệ theo tỉ lệ

a ax E

x

) (

) (

1

1 1

a E f a

2 2

2 2 2

2 2 1

Số lần va chạm ion hóa trong khoảng cách khí thư nhất bằng  

1

1

1 1 1

R

r dx

m  , thay đổi biến số và giới hạn tích phân một cách tương ứng sẽ có:

2 2 2 2

2 1

2

2 2

2

)(ax dx m d

a m

R

r R

Như vậy hệ quả thứ hai đã được chứng minh

1.3.2.3 Phóng diện trong điện trường rất không đồng nhất:

Trong điện trường đồng nhất khi điện áp tác dụng nhỏ hơn điện áp phóng điện tự duy trì, U < U0, thì thực tế không có ion hóa va chạm, tác không có điện tích không gian trong khoảng cách khí, cho nên khi U ≥ U0 thì thác điện tử đầu tiên hình thành và phát triển trong điều kiện không có ảnh hưởng của điện tích không gian

Nhưng trong điện trường rất không đồng nhất, ngay cả khi điện áp tác dụng còn nhỏ hơn điện áp phóng điện tự duy trì U < U0, thì cường độ điện trường ở bề mặt điện cực có bán kính cong bé đã có thể đủ cao để gây ion hóa chất khí Đám điện tích không gian, trong đó quyết định là đám ion dương, được tạo ra ở gần điện cực có bán kính cong bé trong giai đoạn trước phóng – điện này làm biến dạng điện trường ngoài và có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình phóng điện tiếp theo

Trong điện trường không đối xứng, sự biến dạng trường ngoài khác nhau tùy thuộc cực tính của điện cực có bán kính cong bé, do đó có ảnh hưởng khác nhau đến sự phát triển phóng điện và trị số điện áp phóng điện vầng quang Uvq và điện áp phóng điện xuyên thủng

Hình 1.7: Phóng điện vầng quang

khi cực thanh dương

Hình 1.8: Phóng điện vầng quang khi cực thanh âm

Khi điều kiện phóng điện tự duy trì được thực hiện (hình 3.6), điện áp tác dụng lên hai điện cực U = U0, các điện tử được tạo nên trong khoảng cách trong giai đoạn trước phóng điện trên đường chạy về cực dương gây ion hóa tạo nên những thác điện tử, đầu thác hướng

về cực thanh (hình 1.7a) Chuyển dịch trong phạm vi cường độ điện trường cao, các điện tử nhẹ bay nhanh về cực thanh và bị trung hòa tại đấy, để lại trước đầu cực thanh một đám ion dương chuyển dịch chậm chạp về phía cực bảng âm (ion có khối lượng lớn lại chuyển dịch

về khu vực có cường độ điện trường giảm nhanh, nên tốc độ chậm hơn nhiều so với điện tử) (hình 1.7b) Điện trường riêng của đám ion dương Eq+ này làm giảm điện trường ngoài E về phía cực thanh và tăng E về phía cực bảng (hình 1.7c) Do đó sự ion hóa tiếp tục ở gần cực thanh bị yếu đi, tức là làm cho điều kiện phóng điện tự duy trì khó được thực hiện, nói cách khác, gây khó khăn cho sự bắt đầu phóng điện vầng quang

ii Khi cực thanh âm:

Các điện tử có mặt ở gần cực thanh chuyển dịch về phía cực bảng trong khu vực cường độ điện trường cao gây ion hóa va chạm tạo nên các thác điện tử, đầu thác hướng về phía cực bảng (hình 1.8a) Các điện tử của thác rời khỏi khu vực điện trường cao, tốc độ giảm đần, một số bay về đến cực bảng và bị trung hòa, còn một số bám vào các phân tử oxygen tạo thành ion âm, phân bố rãi rác trong khoảng cách Còn các ion dương chạy về cực thanh, nhưng do khối lượng lớn nên tốc độ không cao, kết quả là trước đầu cực thanh tập trung một đám ion dương mật độ cao (hình 1.8b) và điện trường riêng Eq+ của chúng gây nên biến dạng trường ngoài đáng kê (hình 1.8c)

Điện trường ở gần cực thanh được tăng cường làm dễ dàng cho sự ion hóa tiếp tục, tạo điều kiện thuận lợi cho sự xuất hiện phóng điện vầng quang Mặt khác khu vực phóng điện thu hẹp lại ở gần đầu cực thanh, vì cường độ điện trường ở bên phải đám điện tích dương giảm xuống rất nhanh

Tóm lại, điện áp phóng điện vầng quang khi cực thanh âm bé hơn khi cực thanh dương:

 Phóng điện xuyên thủng khoảng cách khí:

i Khi cực thanh dương (hình 1.9)

Nếu tăng điện áp tác dụng,

cường độ điện trường tổng E- được nâng

cao, đến lúc nào đấy sẽ gây ion hóa chất

khí và tạo thành thác ở khu vực bên phải

đám ion dương (hình 3.9a) Điện tử của

thác mới (II) bay vào vùng tập trung điện

tách dương của thác đầu tiên và tạo thành

dòng – Plasma (hình 1.9b) Cường độ

điện trường trong dòng giảm thấp và tăng

cao ở đầu dòng Thêm vào đó đầu dòng

tập trung đám điện tích dương của thác

(II), chúng có tác dụng nâng cao cường

độ điện trường ở đầu dòng (hình 1.9d,

đường cong 2), tạo điều kiện cho sự ion

hóa tiếp tục và hình thành thác điện tử

mới ở đầu dòng (hình 1.9b) Điện tử của

thác (III) chạy vào khu vực tập trung điện

tích dương còn lại của thác trước (II),

biến khu vực này thành Plasma Kết quả

là dòng ngược kéo dài thêm một đoạn về

phía cực bảng âm (hình 1.9c), và cường

độ điện trường ở đầu dòng lại tiếp tục

nâng cao (hình 1.9d, đường 3) gây ion

hóa và tạo thành thác mới (IV)

Quá trình diễn ra tiếp tục

tương tự, và dòng kéo dần về phía cực

bảng âm với tốc độ ngày càng nhanh, do

dòng càng dài thì cường độ điện trường ở

đầu dòng càng tăng cao Như vậy đám

điện tích dương ở đầu dòng tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển lien tục của dòng về phía cực bảng dương tức là làm dễ dàng cho sự phóng điện xuyên thủng khoảng cách khí

Vì dòng trong trường hợp này xuất phát từ cực thanh dương, tốc độ phát triển trung bình của nó vd+≈10-8 -10-9 cm/s

ii Khi cực thanh âm (hình 1.10)

Hình 1.9: Quá trình phóng điện xuyên thủng khoảng cách khí khi cực thanh dương

Đám điện tích dương phía trước cực thanh làm cường độ điện trường ở đầu cực thanh tăng cao và giảm đột ngột về phía cực bảng Kết quả là ion hóa xảy ra mãnh liệt và làm xuất hiện đồng thời nhiều thác điện tử (I’) trong phạm vi hẹp giữa đầu cực thanh và đám điện tích dương phía trước nó (hình 3.10a) Điện tử của các thác này cùng với đám ion dương tạo thành Plasma Quá trình phát triển tiếp tục cho đến khi dòng chiếm lĩnh toàn

bộ khoảng cách mà thác đầu tiên đã đi qua (hình 1.10c và b) Plasma tỏa rộng bao trùm cực thanh, tương đương sự tăng bán kính cong của cực thanh, do

đó làm giảm bớt mức độ không đồng nhất của điện trường → cường độ trường trong dòng giảm và ở đầu dòng tăng cao, nhưng chưa đủ cao để có thể gây ion hóa chất khí tiếp tục (đường 1’ hình 1-10d) Sau đó, nếu tiếp tục tăng điện áp tác dụng thì cường độ điện trường ở đầu dòng mới tăng lên (đường 2 hình 1.10d) tạo điều kiện cho sự ion hóa và hình thành thác thứ cấp (II) Thác này cũng chỉ phát triển được một khoảng cách ngắn rồi dừng lại vì càng đi sâu vào khoảng cách thì cường độ trường càng yếu Điện tích dương của thác mới (II) làm tăng cường độ điện trường về phía trái của nó (đầu dòng) làm cho ion hóa trong khu vực này phát triển mãnh liệt, tạo nên nhiều thác điện tử (II’) dẫn đến sự hình thành Plasma trong khoảng cách mà thác (II)

đã đi qua (hình 1.10d) Sau đó nếu tiếp tục tăng điện áp, để tăng cường độ điện trường ở đầu dòng thì mới tạo điều kiện cho sự xuất hiện thác mới (III) sâu vào khoảng cách (hình 1.10e đường 3) Quá trình lập lại tương tự như vậy, cho đến khi dòng kéo dài đến cực bảng dương, gây phóng điện xuyên thủng khoảng cách khí Dòng Plasma trong trường hợp này xuất phá

từ cực âm nên gọi là dong âm (dòng katode) Do phát triển gồm nhiều giai đoạn, không liên tục, nên tốc độ trung bình của dòng âm bé hơn nhiều so với dòng dương, và vào khoảng vd-≈

106 – 107 cm/s Ngoài ra sau mỗi giai đoạn phải nâng cao điện áp tác dụng để mở rộng khu vực phóng điện, nên điện áp xuyên thủng khoảng cách khí khi cực thanh âm cao hơn nhiều so với khi cực thanh dương

 Giai đoạn phóng điện chủ yếu hay phóng điện ngược

Sự khác nhau về cực tính của cực thanh khiến cho quá trình hình thành và phát triển của dòng có khác nhau, nhưng điểm giống nhau là ở chỗ dòng điều xuất phát từ cực thanh và kéo dài dần về phía cực bảng Khi dòng tiếp cận cực bảng thì khe hở khí bị xuyên thủng Nhưng đó chưa phải là pha cuối cùng của quá trình phóng điện

Hình 1.10: Quá trình phóng điện xuyên thủng

khoảng cách khí khi cực thanh âm

Hình 1.11: Sự phát triển của phóng điện chủ yếu (a, b, c) và sự phân bố cường độ điện

trường trong khe phóng điện (d)

Vì dòng (1) dẫn điện nên sự phát triển của nó có thể xem tương đương như sự kéo dài của cực thanh sâu vào khoảng cách, điện thế ở đầu dòng gần bằng điện thế ở cực thanh (Chênh lệch boeir phần điện áp giáng không lớn lắm trên than dòng) Khi dòng (1) gần tiếp cận với cực bảng (hình 1.11,a) thì cường độ điện trường trong khe hở nhỏ còn lại (2) giữa đầu dòng và cực bảng sẽ tăng lên rất cao (hình 1.11,d, đường α) vì hầu như toàn bộ điện áp

đặ lên khe hở này, gây nên ion hóa chất khí rất mãnh liệt và tạo nên Plasma mới (3) vói mật

độ điện tích rất cao trong khe hở này (hình 1.11,b) Plasma mới (3) có điện dẫn rất cao cường

độ điện trường cần thiết để duy trì nó rất bé, nên điện thế ở đầu dòng (3) có thể coi như bằng điện thế của cực bảng Như vậy cường độ điện trường ở khu vực tiếp giáp (4) giữa hai dòng (1) và (3) sẽ tăng cao (hình 1.11,d, đường δ) gây ion hóa mãnh liệt và biến khu vực này thành Plasma với mật độ điện tích cao Cứ như thế khu vực có cường độ điện trường tăng cao

và ion hóa mãnh liệt (4) chuyển dịch với tốc độ cao về phía cực thanh (hình 1.11c và d, đường γ) Quá trình này xuất phát từ cực bảng phá triển về phá cực thanh, ngược chiều với dòng (1) ban đầu nên được gọi là phóng điện ngược Chạy qua dòng ngược này là dòng điện ngắn mạch khoảng cách khí của nguồn cung cấp, vì vậy còn gọi là giai đoạn phóng điện chủ yếu

Tốc độ phát triển của quá trình phóng điện chủ yếu rất cao khoảng 109 - 1010 cm/s Phóng điện xuyên thủng dưới dạng tia lửa hay hồ quang tùy theo công suất của nguồn cung cấp và thời gian tác dụng của điện áp Tóm lại, trong điện trường rất không đồng nhất, khi điều kiện phóng điện tự duy trì được thực hiện thì chỉ mới gây nên phóng điện vầng quang trong một lớp khí rất mỏng quang điện cực có bán kính cong bé Khi điện áp tác dụng tăng lên thì khu vực phóng điện vầng quang được mở rộng Khi điện áp đủ cao thì dẫn đến phóng điện xuyên thủng khoảng cách khí Cường độ điện trường trung bình khi phóng điện xuyên thủng khoảng cách không khí không lớn lắm (khoảng vài chục centimet trở lại) vào khoảng 8-15kV/cm, tức là thấp hơn rất nhiều so với cường độ điện trường tới hạn của không khí trong điện trường đồng nhất (khoảng 30kV/cm) Điều này được giải thích bởi đặc điểm của

sự phóng điện theo dòng, dòng đã gây nên biến dạng trường trong phần khoảng cách chưa phóng điện và nâng cao cường độ điện trường ở đầu dòng

 Đặc điểm của quá trình phóng điện trong khoảng cách khí lớn – giai đoạn phóng điện tiên đạo (leader)

Trong những khoảng cách không khí lớn từ một vài mét trở lên, như giữa dây dẫn của các pha khác nhau, giữa dây dẫn pha dưới đất của các đường dây tải điện siêu cao áp, giữa mây giông và mặt đất v.v…, quá trình phóng điện có những đặc điểm riêng Với khoảng cách lớn như vậy, mật độ điện tích cua dòng rất bé (khoảng 1012 ion/cm3) điện dẫn của dòng không cao, do đó điện áp giáng trên chiều dài của dòng đáng kể, cường độ điện trường ở đầu dòng khi dòng đạt đến một chiều dài nào đó, không còn đủ cao để tiếp tục gây ion hóa không khí, dòng không tiếp tục phát triển được nữa Theo đường mà dòng đã đi qua xuất hiện một giai đoạn phóng điện mới – phóng điện tiên đạo (leader) Quá trình diễn ra nha sau:

Hình 1.12: Sơ đồ giải thích cơ chế phóng điện tiên đạo: dòng tiên đạo mk chiếm lĩnh

dần đoạn đường mn mà dòng (streamer) đã đi qua

Khi điện áp tác dụng lên khoảng cách tăng thì chiều dài của dòng tăng và khi dòng dài

ra thì điện dung giữa hai đầu dòng và điện cực đối diện sẽ tăng lên làm tăng dòng điện chạy trong dòng:

dt

dU C dt

dC U UC dt

d

Có nghĩa là mật độ điện tử chuyển dịch trong dòng plasma dưới tác dụng của điện trường (hướng về cực thanh dương – trường hợp dòng dương, hoặc ròi xa cực thanh âm – trường hợp dòng âm) tăng lên Khi mật độ dòng điện đủ cao, tức là dòng điện đủ lớn, khe plasma bị đốt nóng lên nhiệt độ khá cao (T > 30000K), gây ion hóa nhiệt chất khí và cung cấp cho dòng nhiều điện tích mới, làm cho điện dẫn của khe plasma tăng lên, và do đó dòng điện lại tiếp tục tăng Bộ phận của dòng được cung cấp thêm điện tích mới bởi ion hóa nhiệt được gọi là dòng tiên đạo (leader) hình 3.13a, đoạn mn

Dòng tiên đạo xuất phát từ điện cực có bán kính cong bé, ví toàn bộ dòng điện tử điều

đi qua tiết diện của khe plasma ở gầnđiện cực nên ở đây được đốt nóng trước tiên Mật độ điện tích trong dòng tiên đạo đạt đến 1018 ion/cm3, tức cao hơn rất nhiều so với dòng plasma ban đầu (1012 ion/cm3) do đó điện dẫn của nó cao hơn và điện áp giáng trên nó thấp hơn Vì vậy khi dòng điện tiên đạo (leader) đã chiếm lĩnh toàn bộ chiều dài mà dòng đã đi qua thì cường độ điện trường ở đầu khe tiên đạo tăng cao, tạo điều kiện cho sự ion hóa phá triển (hình 1.13b) và dòng kéo dài sâu vào khoảng cách khí Dòng kéo dài them mộ đoạn nhất định cho đến khi cường độ trường ở đầu dòng không còn đủ cao để tiếp tục gây ion hóa không khí thì dừng lại (hình 1.13c, đoạn kl) và dòng tiên đạo phá triển chiếm lĩnh dần đoạn đường mà dòng đã đi qua Quá trình lại tiếp tục phá triển tương tự như trên, cho đến khi dòng tiên đạo tiếp cận điện cực đối diện thì bắt đầu giai đoạn phóng điện ngược

Chính cơ cấu phóng điện này đã

đảm bảo cho dòng tiên đạo phát triển

dần qua toàn bộ khoảng cách khí lớn

trong một điện trường có cường độ

điện trường rất bé Ví dụ như phóng

điện sét với khoảng cách khí vài ba

kilomet đã hình thành với cường độ

điện trường trung bình khoảng

1-2kV/cm

Trong việc xây dựng các đường

dây siêu cao áp, các khoảng cách khí

phải được lựa chọn thích hợp (đủ lớn)

để không xuất hiện dạng phóng điện

loại này (dạng leader dương)

Sự phóng điện theo dòng

(Streamer) trong điện trường rất không

đồng nhất là một dạng phóng điện cục

bộ, đồng thời có tính chất xung Dòng

điện xung của streamer, tùy thuộc vào

khoảng cách giữa các điện cực, nằm trong phạm vi từ mA đến A

Nếu tăng điện áp vượt quá điện áp phát sinh dòng thì dòng sẽ dài thêm và số dòng trong một đơn vị thời gian cũng tăng lên Trong điện trường rất không đồng nhất sự phóng điện theo dòng có tính chất ổn định, tức là sự phóng điện cục bộ lặp lại một cách ngẫu nhiên

và không dẫn đến phóng điện xuyên thủng Trong điện trường hơi không đồng nhất sự phóng điện theo dòng không ổn định, nó chuyển qua những giai đoạn phóng điện khác để đi đến phóng điện xuyên thủng

Nếu tăng điện áp vượt quá điện áp phát sinh dòng, thì như đã nêu ở trên, chiều dài của dòng và tần số lặp lại của các xung sẽ tăng, làm tăng cường năng lượng trong khu vực dòng phát triển và nóng lên một cách mãnh liệt, tạo khả năng cho sự ion hóa nhiệt các nguyên tử (và phân tử) khí trung tính Sự xuất hiện điện tích do ion hóa nhiệt tạo nên một dạng phóng điện cục bộ mới – phóng điện leader (tiên đạo) Dạng phóng điện tiên đạo này có đặc tính V-

A âm Và có tính chất gián đoạn Trong điện trường rất không đồng nhất phóng điện tiên đạo cũng có tính chất ổn định, đó là phóng điện tia lửa Điện áp giáng trên dòng tiên đạo rất thấp, tùy thuộc chiều dài khoảng cách phóng điện nằm trong phạm vi 0,15 đến 0,03 MV/m Tỉ số

bé tương ứng với khoảng cách không khí lớn (vài mét)

Ở điện áp rất cao, trong điện trường rất không đồng nhất, phóng điện leader ổn định sẽ chuyển sang dạng không ổn định, mở đầu cho giai đoạn phóng điện hồ quang xuyên thủng khoảng cách khí

Trong điện trường hơi không đồng nhất, phóng điện leader luôn luôn không ổn định

và đó là một giai đoạn chuyển tiếp (quá độ)

1.3.2.4 Tác dụng nâng cao điện áp phóng điện của màn chắn trong điện trường không đồng nhất:

Sự phân tích quá trình phóng điện trong chất khí ở điện trương không đồng nhất cho thấy rằng sự tồn tại của các điện tích không gian, đặc biệt của đám ion dương, trong khoảng

Hình 1.13: Sự phát triển của dòng tiên đạo dương a) Tiên đạo phát triển theo chiều dài dòng mk b) Tiên đạo chiếm lĩnh toàn bộ chiều dài mk c) Dòng tiếp tục phát triển kl

cách khí là ngyên nhân gây nên biến dạng trường, làm tăng cục bộ cường độ trường, tạo điều kiện thuận lợi cho sự ion hóa chất khí và hình thành dòng Bằng cách thay đổi sự phân bố điện tích trong không gian sao cho trường trong phần lớn khoảng cách khí trở nên đồng nhất hơn thì có thể nâng cao được điện áp phóng điện Theo phương hwongs đó người ta dùng những tấm hoặc ống vật liệu cách điện mỏng (tùy dạng trường cụ thể) làm màn chắn đặt trong khoảng cách khí ở vị trí thích hợp để thay đổi sự phân bố các điện tích không gian

Tác dụng của màn chắn cũng khác nhau tùy thuộc cực tính của điện cực có bán kính cong bé

 Màn chắn khi điện cực thanh dương

Khi chưa có màn chắn, các ion dương ở đầu dòng làm tăng cục bộ cường độ trường nơi đó và tạo điều kiện dễ dàng cho sự phát triển của dòng

Khi đặt màn chắn ở gần cực thanh thì các ion dơng này bị giữ lại và phân bố tương đối đều đặn hơn trên màn chắn (hình 3.14a) Trường trong khoảng cách khí giữa màn chắn và cực bảng trở nên gần đồng nhất hơn (hình 3.14b, đường 2) Do đó điện áp phóng điện xuyên thủng được nâng cao Hiệu quả này phụ thuộc vào vị trí đặt màn chắn Điện áp phóng điện xuyên thủng đạt giá trị cao nhất khi đặt màn chắn ở vị trí Sm = (0,2 – 0,3)s (hình 3.15, đường cong 1) Khi S’ < Sm ion dương phân bố không đều trên màn chắn, làm tăng cục bộ cường độ điện trường ở phía sau màn chắn có thể đủ để gây ion hóa chất khí và làm giảm điện áp phóng điện

1- Khi cực thanh dương; 2- Khi cực thanh âm

Hình 1.14: Phân bố điện tích (a) và cường

độ trường (b) khi có màn chắn trong

khoảng cách khí với cực thanh dương

Hình 1.15: Sự thay đổi của điện áp phóng điện theo vị trí đặt mằn chắn

Khi S’ > Sm thì điện áp phóng điện giảm do chiều dài của khoảng cách giưa màn chắn

và cực bảng s’’ giảm (khu vực có phân bố cường độ điện trường gần đồng nhất hơn)

 Màn chắn khi cực thanh âm

Khi không có màn chắn, các điện tử

trên đường chạy về cực bảng dương tốc độ

giảm nhanh có khả năng bám vào các phần

tử oxygen để trở thành ion âm và phân bố rãi

rác trong khoảng cách khí Và mật độ bé và

ở trong khu vực cường độ trường ngoài thấp

nên các ion này không có ảnh hưởng đáng kể

đến quá trình phóng điện

Khi có màn chắn, các ion này bị giữ

lại trên màn chắn (hình 1.16), mật độ tập

trung tăng lên làm cho cường độ điện trường

phía sau màn chắn tăng lên đáng kể, tạo điều

kiện cho ion hóa phát triển tại đây do đó điện

áp phóng điện xuyên thủng giảm, và giảm

càng rõ rệt khi màn chắn dịch về phía cực

bảng (hình 1.15, đường cong 2)

Khi màn chắn đặt gần cực thanh âm,

các điện tử tốc độ càn cao, một số lớn xuyên

qua màn chắn, như vậy số ion tập trung trên

màn chắn không nhiều, trong khi đó một

phần các ion dương bị giữ lại ở màn chắn

làm cho trường giữa bảng màn chắn và cực

bảng yếu đi, do đó mà điện áp phóng điện có tăng lên chút ít

Tóm lại, với điện áp tác dụng một chiều, màng chắn có tác dụng nâng cao điện áp phóng điện xuyên thủng khi cực thanh dương, còn khi cực thanh âm thì điện áp phóng điện nói chung giảm

Với điện áp tác dụng xoay chiều như đã biết, điện áp phóng điện xuyên thủng ở nữa chu kỳ khi cực thanh dương thấp hơn nhiều (2 – 2,5 lần) so với nữa chu ký khi cực thanh

âm Vì vậy màn chắn trong trường hợp này vẫn có tác dụng tốt, vì nó nâng cao điện áp phóng điện trong nữa chu kỳ cực thanh dương Vị trí đặt màn chắn thích hợp nhất là Sm= (0,2 – 0,3)s

1.3.3 Phóng điện trong chất khí khi điện áp tác dụng có dạng xung

Trong các phần trước khi nghiên cứu quá trình phóng điện ta chưa chú ý đến thời gian tác dụng của điện áp, bởi vì với dạng điện áp một chiều và ngay cả với dạng điện áp xoay chiều tần số công nghiệp thì thời gian tác dụng của điện áp trong nữa chu kỳ đủ lớn so với thời gian cần thiết để hoàn thành phóng điện

Trong thực tế cách điện của các trong thiết bị điện áp cao còn thường chịu tác dụng của những xung điện áp cao với thời gian duy trì rất ngắn, đó là dạng xuất hiện khi có quá điện áp khí quyển gây nên bởi sét đánh trực tiếp hoặc đánh gần các trang thiết bị điện Vì điện áp xung lan truyền từ nơi phát sinh theo đường dây tải điện dưới dạng sóng điện từ nên thường gọi là sóng điện áp Phần sóng trong đó điện áp tăng đến trị số cực đại được gọi là đầu sóng, còn phần sóng có điện áp giảm được gọi là đuôi sóng Trị số cực đại Umax được gọi là biên độ sóng Khoảng thời gian trong đó điện áp tăng đến trị số cực đại là thời gian

Hình 1.16: Phân bố điện tích (a) và trường (b) khi màn chắn đặt trong khoảng cách khí

có cực thanh âm

đầu sóng (τđs) và khoảng thời gian cho đến khi điện áp giảm càn bằng nữa biên độ (ở phần đuôi sóng) được gọi là thời gian toàn sóng hay độ dài sóng (τs)

1.3.3.1 Các thành phần của thời gian phóng điện

Giả thuyết cho tác dụng lên khoảng cách khí một xung điện áp có dạng như hình 3.17, với U0 là điện áp phóng điện tự duy trì Rõ ràng là trước thời điển t1 quá trình phóng điện chưa thể bắt đầu được Để bắt đầu quá trình phóng điện, cần phải có trước hết trong khoảng cách ở gần cực âm một điện tử tự do hiệu dụng đầu tiên, khoảng thời gian t1 cho đến khi xuất hiện điện tử tự do hiệu dụng đầu tiên đó được gọi là thời gian chậm trễ thống kê ttk Quá trình phóng điện bắt đầu tại thời điểm t2 = t1 + ttk và kết thúc tại thời điểm t3 bằng sự xuyên thủng khoảng cách khí, đánh dấu bởi sự sụt điện áp đột ngột xuống trị số không Khoảng thời gian từ t2 đến t3 gọi là thời gian hình thành phóng điện tht, trong đó bao gồm thời gian thác phát triển, thời gian dòng đi qua suốt khoảng cách và thời gian phóng điện ngược Như vậy thời gian đến khi phóng điện tp bao gồm ba thành phần

Hình 1.17: Các thành phần của thời gian phóng điện

t1: là thời gian tăng điện áp đến trị số U0 có thể điều chỉnh được nên không xét đến Tổng của hai thành phần ttk + tht = tcp được gọi là thời gian chậm phóng điện hay thời gian trì hoản phóng điện

 Thời gian chậm trễ thống kê

Không phải bất cứ điện tử tự do nào có mặt trong khoảng cách khí cũng có khả năng tạo thành thác và mở đầu quá trình phóng điện: một số điện tử khuếch tán ra ngoài khu vực

có điện trường cao, một số điện tử kết hợp với các phân tử khí để trở thành các ion âm, xác suất ion hóa va chạm của chúng rất thấp Vì vậy khái niệm điện tử tự do hiệu dụng là để chỉ những điện tử có khả năng tạ thành thác, mở đầu quá trình phóng điện Sự xuất hiện của các điện tử này, như đã biết phụ thuộc vào một loạt các nhân tố chủ yếu sau:

- Nguồn ion hóa bên ngoài: có thể là các nguồn ion hóa tự nhiên như tia vũ trụ, tia cực tím của bức xạ mặt trời, tia phóng xạ quả đất v.v…, nhưng cũng có thể là các nguồn ion hóa nhân tạo đèn thủy ngân, thạch anh Nếu cường độ của nguồn ion hóa bên ngoài mạnh thì thời gian chậm trễ thống kê trung bình sẽ ngắn, ví dụ trong các phòng thí nghiệm thường

dùng các đèn thủy ngân thạch anh chiếu vào cực âm (hoặc một liều lượng nguyên tố phóng

xạ, hoặc một khe phóng điện tia lửa) có thể giảm t tk hơn 10 lần

- Công thoát của vật liệu kim loại làm cực âm:

Điện cực được chế tạo bằng kim loại có công thoát bé thì thời gian chậm trễ thống kê trung bình sẽ giảm, vì với cường độ của nguồn ion hóa bên ngoài không đổi thì số điện tử được giải thoát khỏi bề mặt cực âm nhiều hơn Ví dụ, với cực âm bằng nhôm thì ttkmin = 0,05µs

- Điện áp tác dụng: Tăng điện áp tác dụng sẽ rút ngắn được thời gian chậm trễ thống

kê, vì khi cường độ điện trường trong khoảng cách tăng, tốc độ của điện tử tăng sẽ làm giảm

xã suất tạo thành ion âm và giảm số lượng điện tử khuếch tán, có nghĩa là trong số các điện

tử được giải thoát khỏi bề mặt âm cực có nhiều điện tử trở thành điện tử tự do hiệu dụng hơn

Thực nghiệm cho thấy, trong điện trường đồng nhất, với cường độ của nguồn ion hóa bên ngoài không đổi, thì khi điện áp tác dụng tăng đến một giới hạn nào ( 1 6 1 8 )

đủ cao để đảm bảo cho mọi điện tử được giải thoát khỏi bề mặt cực âm đều trở thành điện tử

tự do hiệu dụng hơn

Khi điện áp tác dụng xấp xỉ điện

áp phóng điện tự duy trì thì thời gian

chậm trễ thống kê kéo dài, có thể đến

hàng chục µs

- Mức độ không đồng nhất của

điện trường

Trong điện trường rất không đồng

nhất thì thời gian chậm trễ thống kê

trong bình rất bé và ít phụ thuộc vào các

nguồn ion hóa bên ngoài hơn so với

trong điện trường đồng nhất và hơi

không đồng nhất, và ngay cả khi điện áp

tác dụng còn bé hơn điện áp phóng điện

tự duy trì thì cường độ điện trường ở bề

mặt điện cực có bán kính cong bé đã có

thể đủ cao để gây ion hóa chất khí và tự cung cấp các điện tử tự do hiệu dụng

 Thời gian hình thành phóng điện

Như đã trình bày ở trên, từ lúc điện tử tự do hiệu dụng xuất hiện (t2) đến khi quá trình phóng điện kết thúc (t3) trãi qua 3 giai đoạn:

- Thác điện tử đầu tiên phải phát triển đến một độ dài xk cần thiết để tạo điều kiện cho sự hình thành dòng

- Dòng phát triển qua suốt chiều dài khoảng cách

- Phóng điện ngược qua toàn bộ khoảng cách

Hình 1.18: Quan hệ giữa điện áp phóng điện và

thời gian chậm trễ thống kê

Do phóng điện ngược phát triển với tốc độ cao hơn nhiều so với tốc độ điện tử (cùng

là tốc độ phát triển của thác) và tốc độ phát triển của dòng, nên thời gian phóng điện ngược rất bé, có thể bỏ qua, như vậy thời gian hình thành phóng điện tht gần đúng bằng tổng thời gian phát triển của thác tt của dòng td

Thời gian để thác đi qua một đoạn xk bằng:

E k

s cm

k e

/

/ 10

5 3



Thời gian để dòng phát triển qua toàn bộ khoảng cách khí:

E bk

s t

Trong trường hợp đồng nhất và hơi không đồng nhất, khi điện áp tác dụng xấp xỉ điện

áp phóng điện tự duy trì U0 thì thác điện tử đầu tiên phải phát triển qua toàn bộ khoảng cách

s, sau đó mới hình thành dòng, do đó thời gin hình thành phóng điện thực tế gần bằng thời gian phát triển của thác

e e

t

th

v

s E k

s t

t   

Ở điều kiện hkis quyển bình thường và E0 ≈ 30kV/cm thì ve = 0,35.107 cm/s (khoảng cách s khoảng một vài cm) do đó tht ≈ 0,30µs với s = 1cm

Nếu tăng U = 1,6U0 thì tht giảm gần 3 lần, do ve tăng

Trong trường rất không đồng nhất, thác điện tử đầu tiên chỉ cần phát triển qua một đoạn xk<< s thì đủ điều kiện hình thành dòng, do đó thời gian hình thành phóng điện thực tế gần bằng thời gian phát triển của dòng (hay của leader)

d d

th

v

s t

t  

Tốc độ phát triển của dòng vdphụ thuộc vào loại chất khí, mức độ không đồng nhất của trường, điện áp tác dụng và cực tính của cực có bán kính cong bé Bảng 3.1 dưới đây cho một vài ví dụ về tốc độ của dòng theo mức độ không đồng nhất của trường và cực tính

của điện cực có bán kính cong bé đối với không khí

Bảng 1.2: Tốc độ trung bình của dòng đối với không khí

Qua bảng 3.1 có thể thấ ylà khi mức độ không đồng nhất của trường tăng thì tốc độ trung bình của dòng giảm, vì trong quá trình phát triển dòng càng đi sâu vào khoảng cách khí thì rơi vào vùng có cường độ trường càng yếu Cũng với lý do đó khi tăng khoảng cách giữa các điện cực, thì trường càng trở nên không đồng nhất và thời gian hình thành phóng điện càng tăng

Khi tăng điện áp tác dụng thì tốc độ của thác cũng như dòng đều tăng, do đó tt và tdđều giảm dù bất cứ trong dụng trường nào

Cuối cùng cũng cần lưu ý là, thời gian hình thành phóng điện cũng tản mạng và có tính chất thống kê Nguyên nhân là sự phát triển của dòng phụ thuộc vào sự xuất hiện của thác thứ cấp tức là sự xuất hiện của những điện tử thứ cấp, vào sự phân bố ngẫu nhiên của các điện tích không gian, đặc biệt là trong các khoảng cách lớn, phóng điện không theo đường thẳng

1.3.3.2 Đặc tính Volt – giây

Qua phân tích về các thành phần của thời gian phóng điện, thấy rằng thời gian chậm phóng điện tcp, và do đó toàn bộ thời gian đến khi phóng điện tp có tính chất thống kê, và trị

số trung bình của nó t p ph ụ thuộc vào trị sso của điện áp tác dụng Quan hệ của trị số điện

áp tác dụng và trị số trung bình của thời gian phóng điện U  f(t p) được gọi là đặc tính Volt – giây (V-S) của khoảng cách khí (hay của một cơ cấu cách điện bất kỳ)

Như vậy, đặc tình V-S biểu thị một cách đầy đủ điện áp phóng điện xung của một khoảng cách khí (hay của một cơ cấu cách điện)

 Dạng sóng xung chuẩn

Vì rằng thời gian phóng điện không những

phụ thuộc vào trị số mà còn phụ thuộc vào dạng

sóng tác dụng, nên để có thể so sánh, người ta quy

ước phải dùng dạng sóng xung chuẩn để xác định

đặc tính Volt – giây, tức là sóng có thời gian đầu

sóng τđs và độ dài sóng τs xác định Dạng sóng

chuẩn này được mô phỏng gần đúng với dạng sóng

quá điện áp khí quyển, được quan trắc qua nhiều

năm ở nhiều nước trên thế giới

Dạng sóng xung chuẩn được tạo ở các phòng

thí nghiệm (hình 1.19) có đoạn bắt đầu thường ít

dốc, không có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình

phóng điện mà thường gây khó khăn cho việc xác định gốc thời gian của các dao động đồ, vì vậy người ta qui ước thay thế phần đầu sóng thực bởi một đầu sóng xiên góc tương đương: Qua các điểm có tung độ U = 0,3Umax (điểm a) và U = 0,9Umax (điểm b) ở phần đầu sóng kẻ một đường thẳng, nó cắt trục thời gian tại điểm c và cắt đường ngang qua biên độ U = Umaxtại điểm d Khoảng thời gian giữa hai điểm c và d cho thời gian đầu sóng τđs tương đương Khoảng thời gian giữa điểm c và điểm e, điểm có tung độ U = 0,5Umax ở phần đuôi sóng có

độ dài sóng τs tương đương

Theo đề nghị của CIGRÉ (Ủy ban điện quốc tế) và được nhiều nước trên thế giới chấp nhận, dạng sóng xung chuẩn có:

τđs = 1,2 ± 0,36 µs (± 30%)

τs = 50 ± 10 µs (± 20%)

Dạng sóng chuẩn này được ký hiệu là sóng 1,2/50

Trong thử nghiệm cách điện, ngoài dạng xung chuẩn toàn sóng như đã trình bày người ta còn dùng dạng sóng cắt ở tc = 2-3µs (hình 3.19), đường nét đứt

 Phương pháp xác định đặc tính Volt – giây (V-S)

Đặc tính V-S của khoảng cách khí (hay của một cơ cấu cách điện bất kỳ) được xác định bằng thực nghiệm theo sơ đồ nguyên lý cho trong hình 1.20 vào điện áp xung chuẩn tác dụng lên khoảng cách khí K, được phát ra từ máy

phát điện áp xung (MFX) cà được ghi lại trên màng

hiền sóng của một dao động ký điện tử (DĐK), đấu

song song với khoảng cách khí qua một thiết bị phân

áp (hình 1.21a) Tại mỗi trị số hoặc biên độ của điện

áp xung chuẩn phải thí nghiệm lặp lại nhiều lần để

xác định toàn bộ phạm vi tản mạn của thời gian

phóng điện

Khi biên độ sóng còn bé, phóng điện thường

xảy ra ở phần đuôi sóng (hình 1.21b) trong trường

hợp này điện áp phóng điện lấy bằng biên độ, còn

thời gian lấy ngay tại thời điểm xyar ra phóng điện

Với biên độ sóng lớn, phóng điện có thể xảy

ra ở phần đầu sóng, trong trường hợp này chỉ số điện

áp và thời gian phóng điện lấy bằng trị số tức thời lúc xảy ra phóng điện (hình 1.21c)

Đặc tính V-S của khoảng cách khí cho bởi đường cong trung bình nằm giữa hai đường cong xác định toàn bộ phạm vi tản mạn của thời gian phóng điện (hình 1.21d)

Hình 1.19: Dạng sóng xung chuẩn

Hình 1.20: Sơ đồ nguyên lý để xác

định đặc tính V-S

Trong điện trường đồng nhất và hơi không đồng nhất, đặc tính V-S bằng phẳng hơn, nhất là khi cực âm đươc chiếu bởi bức xạ sóng ngắn nhân tạo (hình 1.22)

Điều đó được giải thích bởi trong điện trường đồng nhất, thời gian chậm trễ thống kê có tác dụng chủ yếu Khi khoảng cách khí được cung cấp điện tử bởi các nguồn ion hóa bên ngoài thì thời gian chậm trễ thống

kê được rút ngắn, đặc biệt khi tăng điện áp thì t tk giảm nhanh

1- Trong điện trường không đồng nhất 2- Trong điện trường đồng nhất 3- Trong điện trường rất không đồng nhất

Hình 1.22: Đặc tính V-S

Hình 1.23: Phối hợp cách điện bảo vệ máy biến áp chống quá điện áp khí quyển bằng CSV

Đặc tính V-S có nghĩa quan trọng trong việc phối hợp cách điện Ví dụ, để bảo vệ cách điện của một máy biến áp chống sóng quá điện áp khí quyển truyền theo đường dây và trạm phân phối, người ta mắc song song với MBA một thiết bị chống sét kiểu van (hình 1.23a) Để thực hiện được nhiệm vụ bảo vệ được cho cách điện của MBA, rõ rang là đặc tính V-S của chống sét van, kể cả phạm vi tản mạn, phải nằm toàn bộ dưới đặc tính V-S của cách điện MBA, kể cả phạm vi tản mạn (hình 1.23b), không được có một điểm giao chéo nào Như vậy khi quá điện áp đạt trị số nguy hiểm thì CSV sẽ phóng điện, giảm điện áp tác dụng lên cách điện của MBA xuống dưới mức nguy hiểm

Việc xây dựng đặc tinhs V-S như đã trình bày ở trên Thường mất nhiều thời gian và tốn kém, vì ứng với mỗi điểm của đường đặc tính, tức là ứng với mỗi trị số của biên độ điện

áp, phải lặp lại thí nghiệm nhiều lần để có một số lượng đủ lớn cho việc xác định một trị số trung bình của thời gian phóng điện với độ tin cậy chấp nhận được

Vì vậy trong nhiều trường hợp, nhất là đối với cách điện ngoài, người ta thường dùng hai chỉ số sau để biểu diễn mức cách điện xung của chúng

Trị số điện áp phóng điện 50% (U0,5) là biên độ sóng xung chuẩn mà khi có tác dụng lên cơ cấu cách điện nhiều lần thì có 50% số lần xảy ra phóng điện

Thực nghiệm cho thấy U0,5 không khác bao nhiêu so với chỉ số bé nhất của biên độ điện áp phóng điện xung, nên người ta cũng thường gọi U0,5 là điện áp phóng điện xung bé nhất, và nó tương ứng với phần bằng phẳng của đặc tính V-S với thời gian phóng điện trung bình khoảng 6 ÷10µs Tỉ số 0,5

p

U U

  , trong đó U p là trị số trung bình của biên độ điện áp phóng điện khi thời gian tác dụng lâu (ví dụ điện áp tần số 50Hz), được gọi là hệ số xung Đối với trường đồng nhất β ≈ 1 Đối với trường không đồng nhất β > 1 và phụ thuộc cực tính của sóng xung và mức độ không đồng nhất của điện trường

Trị số điện áp phóng điện ở tp = 2 ÷ 3µs (sóng cắt):

Ký hiệu U(2µs hoặc 3µs), trị số này ứng với đặc tính đoạn dốc V-S

Ngoài ra có thể xây dựng đặc tính V-S một cách gần đúng theo công thức thực nghiệm của Gorew và Maskileison:

1 2

s U T

(tương ứng với Ut = U0,5) thì t = 10µs, với Ut = U(2µs) thì t = 2µs)

 Đường cong hiệu dụng:

Để đặc trưng cho điện áp phóng điện khung của khoảng cách khí ngoài đặc tính V-S, người ta còn có thể dùng đường cong hiệu dụng hay còn gọi là đường cong xác suất phóng điện Pp(Umax)

Giả thuyết ở một khoảng cách khí

có dạng trường xác định trong điều kiện

môi trường không đổi, cho tác dụng một

sóng xung chuẩn có biên độ không đổi

Umax nào đó, thì phóng điện có thể xảy ra

hoặc không xảy ra, đó là một sự kiện ngẫu

nhiên

Lặp lại thí nghiệm nhiều lần và lập

tỉ số của số lần xảy ra phóng điện np trên

Khi Umax còn quá nhỏ thì phóng

điện không thể xảy ra np = 0 và   Khi p 0

tăng trị số Umax lên thì số lần phóng điện sẽ

tăng, do đó ψp tăng, và khi Umax đạt đến

một trị số nào đó thì có thể tất cả các lần thử nghiệm đều dẫn đến phóng điện np = n và ψp =

1 Như vậy

0 ≤ ψp ≤ 1, đường cong ψp(Umax) được gọi là đường cong hiệu dụng Khi số lần thử nghiệm n rất lớn thì đường cong hiệu dụng ψp(Umax) xác định bằng thực nghiệm, thực tế trùng với đường cong lý thuyết phân bố chuẩn Pp(Umax) (hình 1.24)

Hình 1.24: Đường cong tích phân của hàm

phân bố chuẩn ( cho theo tỉ lệ đối với U max )

(Theo lý thuyết xác suất khi một đại lượng nào đó đồng thời chịu tác dụng của nhiều nhân tố ngẫu nhiên độc lập có tính bù trừ nhau và không có nhân tố nào trội hẳn lên thì có thể được mô tả bởi qui luật phân bố chuẩn hay còn gọi là phân bố Gauss)

Giữa đường cong hiệu dụng và đặc tính V-S có quan hệ như sau:

Đường cong hiệu dụng cho độ tản mạng của biên độ điện áp phóng điện ở dạng toàn sóng, còn đặc tính V-S cho độ tản mạn của điện áp ở dạng sóng cắt với thời gian tc khác nhau (khi biên độ sóng lớn)

Như vậy đặc tính V-S cho những thông tin đầy đủ hơn về điện áp phóng điện của khoảng cách khí Đường cong hiệu dụng thực tế chỉ xác định độ tản mạn của trị số trung bình của điện áp phóng điện xung U0,5

Ngoài ra, qua U0,5 cũng để ký hiệu điện

áp phóng điện trung bình ở dạng toàn

sóng

Đường cong hiệu dụng được xây

dựng đơn giản hơn nhiều so với đặc

tính V-S, và đó chính là ưu điểm của

nó Nếu đã biết dạng sóng tác dụng thì

để xây dựng đường cong hiệu dụng

không cần thiết phải đo bằng dao động

ký,

Theo đường cong hiệu dụng có

thể đánh giá khả năng bảo vệ cách điện

của các thiết bị bảo vệ (hình 1.25)

Cách điện sẽ được bảo vệ nếu giới hạn

dưới của điện áp phóng điện của cách

điện (đường 2) nằm cao hơn giới hạn

trên của điện áp phóng điện của thiết bị

bảo vệ (đường 1)

Tuy nhiên để đi đến kết luận tương tự chỉ cần biết đặc tính V-S của cách điện hoàn toàn nằm trên đặc tính V-S của thiết bị bảo vệ là đủ Mà điều này có thể khẳng định nếu biết dạng trường của khoảng cách khí

1.4 Phóng điện vầng quang trên đường dây tải điện

1.4.1 Khái niệm chung

Hình 1.25: Đường cong hiệu dụng đối với cách

điện (2) và thiết bị bảo vệ (1)

Như đã trình bày trong trong các phần trước, vầng quang là một dạng phóng điện tự duy trì xuất hiện trong điện trường rất không đồng nhất Cường độ điện trường có trị số lớn

ở gần điện cực có bán kính cong bé và giảm nhanh trong khoảng cách còn lại Khi điện áp tác dụng đạt đến một trị số nào đó thì cường độ điện trường ở gần điện cực có bán kính cong

bé đạt đến trị số tới hạn để gây ion hóa va chạm không khí (khoảng 30kV/cm) Điều kiện phong điện tự duy trì được thực hiện, nhưng thác và dòng plasma được tạo nên chỉ tồn tại trong một lớp khí mỏng quanh điện cực bán kính cong bé, nơi có ion hóa va chạm Điện áp tăng thì dòng dài ra do khu vực ion hóa va chạm được mở rộng, nhưng trong khoảng cách còn lại , không khí vẫn giữ tính chất cách điện – đây là dạng phóng điện không hoàn toàn hay phóng điện cục bộ Các quá trình ion hóa, quá trình kết hợp lại của các điện tích trái dấu

và quá trình trở về trạng thái bình thường của các phân tử khí bị kích thích phát ra nhiều photon, làm cho lớp khí mỏng bao quanh điện cực có bán kính cong bé tỏa sáng, tạo nên một quầng sáng, do đó mà có tên gọi là vầng quang (korona)

Quá trình ion hóa va chạm trong khu vực quầng sáng liên tục tạo ra các phần tử mang điện cả hai dấu Những phần tử mang điện cùng dấu với điện cực bán kính cong bé, điện cực phát vầng quang, dưới tác dụng của điện trường ngoài bị đẩy ra khỏi quầng sang và chuyển dịch chậm chạp (tốc độ giảm dần vì khi vào khu vực có cường độ điện trường yếu dần) về điện cực đối diện

Nếu tác dụng lên khoảng cách không khí là điện áp một chiều thì toàn bộ khu vực ngoài quầng sang (tức là khu vực không có hiện tượng ion hóa) sẽ tích lũy dần điện tích không gian cùng dấu với điện cực phát vầng quang Khi số điện tích đạt đến điện cực đối diện thì bị trung hòa trong một đơn vị thời gian bằng số điện tích rời khỏi quầng sang, tức là điện tích không gian tổng giữ không đổi thì phóng điện quầng quang đạt đến tình trạng ổn định

Có thể chứng minh được rằng, số lượng và đặc điểm của điện tích không gian ở khu vực ngoài quầng sang (không kể đến điện tích không gian trong khu vực có ion hóa) làm cho cường độ điện trường trên bề mặt điện cực phá vầng quang vẫn giữ bằng trị số tới hạn trong suốt quá trình phóng điện vầng quang, trị số cần thiết để duy trì ion hóa va chạm không khí (Evq = E0 = const), dù điện áp tác dụng tăng

Thực vậy, khi có điện tích không gian ∆Q thì điện áp tác dụng lên khoảng cách khí gồm hai thành phần: Điện áp trên mặt cực phát vầng quang Ucực và điện áp ∆U tương ứng với lượng điện tích không gian ∆Q

C - điện dung giữa điện cực phát vầng quang và điện cực đối diện

Sự có mặt của phần điện áp ∆U có tác dụng điều chỉnh điện tích trên mặt cực và do

đó cả cường độ điện trường trên mặt cực phát vầng quang (Ecực = Qcực/2πε0εr) Nếu Ecực

giảm thấp dưới sơ tới hạn E0 thì quá trình ion hóa không khí trong quầng sáng sẽ bị gián đoạn, không có điện tích ròi khỏi vầng sáng để thay thế cho số điện tích đạt đến và bị khử ở điện cực đối diện, điện tích không gian ∆Q và do đó ∆U giảm Kết quả là điện tích trên mặt cực Qcực và do đó cường độ điện trường trên mặt cực Ecực lại tăng lên, và khi đạt đến E0 thì điện tích không gian đạt giá trị trước đây của nó Nếu Ecực> E0 thì cường độ ion hóa va chạm không khí trong quầng sáng sẽ tăng, số điện tích rời khỏi quầng sáng nhiều hơn là số điện tích bị mất đi ở điện cực đối diện, điện tích không gian ∆Q tăng làm tăng ∆U, kết quả là điện tích trên bề mặt cực và do đó cường độ điện trường ở đó giảm trở về trị số tới hạn E0

Tính chất này của phóng điện vầng quang rất quang trọng vì nó điều chỉnh số lượng điện tích không gian ở khu vực ngoài quầng sang

Sự di chuyển của các điện tích không gian này dưới tác dụng của điện trường tạo nên dòng điện vầng quang ivq

Ở đường dây tải điện, dòng điện vầng quang lớn gấp hang tram lần dòng điện rò và gây nên tổn hao lớn

Tổn hao vầng quang có thể tương đương tổn hao trên điện trở tác dụng của dây dẫn dưới tác dụng của dòng điện làm việc

Như vậy tổn hao vầng quang chủ yếu gắng liền với sự chuyển dịch tương đối chậm của điện tích không gian (vơi tốc độ ion) ở khu vực ngoài quầng sáng Còn trong quầng sáng, các quá trình tạo thành thác và dòng là những quá trình nhanh (với tốc độ điện tử và tốc độ dòng) Vì vậy dòng điện vầng quang ngoài thành phần biến thiên chậm chạp kể trên còn chứa nhiều xung ngắn tương ứng với sự phát triển của nhóm thác hoặc dòng

Thành phần cao tần của dòng điện vầng quang này không có ảnh hưởng đến tổn hao năng lượng, nhưng là nguồn phát ra những bức xạ điện từ mạnh có phổ tần rộng (khoảng từ 0,15 đến 100MHz), trùng với dải tần kỹ thuật vô tuyến Đó là một trong những nguồn gây nhiễu mạnh đối với các thiết bị thông tin, liên

lạc, truyền hình vô tuyến đặt quá gần các

đường dây tải điện cao áp

Để giảm tổn thất điện năng và nhiễu

vô tuyến đến mức có thể chấp nhận được thì

trong thiết kế đường dây tải điện, nhất là các

đường dây siêu cao áp, phải chú ý đến cấu

trúc hợp lý của dây dẫn và phụ kiện, đồng

thời phải tôn trọng những khoảng cách cho

phép đến các trung têm liên lạc vô tuyến

Phóng điện vầng quang trong không

khí thường kèm theo sự tạo thành khó Ozôn

(O3) và Oxyd azốt (NO2) Ozôn là một chất

khí gây oxy hóa mạnh, có tác dụng phân hủy

mạnh các vật liệu các điện hữu cơ gốc

cellulose, dầu máy biến áp và làm rỉ sét

nhanh các bộ phận kim loại Còn acid nitric

(HNO2), HNO3) cũng có tác dụng phân hủy

nhiều loại vật liệu cách điện gốc hữu cơ và

làm rỉ sét kim loại

Trong cách điện rắn và lỏng của các

thiết bị cao áp như máy biến áp, máy điện

quay, cáp, tụ v.v… trong quá trình vận hành

cũng có thể xuất hiện các bọc khí Phóng điện vầng quang (cục bộ) trong các bọ khí này thúc đẩy nhanh chóng quá trình suy thoái (giá hóa do điện) vật liệu cách điện và cuối cùng dẫn đến phóng điện xuyên thủng cách điện Khi thiết kế các thiết bị này phải đảm bảo sao cho ở điện áp làm việc lớn nhất cho phép không xảy ra phóng điện vầng quang (phóng điện cục bộ) Mặt khác trên các đường dây tải điện khi xảy ra quá điện áp thì xuất hiện phóng điện

Hình 1.26: Nguyên lý làm việc của một

máy lọc bụi

vầng quang có tác dụng tiêu hao bớt một phần năng lượng, làm cho biên độ và độ dốc của sóng quá điện áp giảm bớt, thuận lợi cho việc bảo vệ các thiết bị điện quan trọng trong các trạm phân phối và nhà máy điện

Vầng quang âm được ứng dụng trong các thiết bị lọc bụi ở ống khói các nhà máy nhiệt điện đốt than, nhà máy luyện kim, xi măng, hóa chất.v.v… để làm sạch môi trường không khí Nguyên làm việc của một thiết bị lọc kiểu đó như (hình 1.25) vào Thâm ống khói là những ống kim loại hình trụ mang cực tính dương (A) Theo trục ống đặt dây dẫn nhỏ mang điện áp cao cực tính âm là điện cực phát vầng quang âm (K) Điện áp đặt trên dây dẫn thường không quá 100kV, cường độ điện trường trung bình trong ống hình trụ vào khoảng 2-3kV/cm Điện tử và ion âm được tạo ra trong phóng điện vầng quang bị đẩy ra xa dây dẫn, trên đường chạy về cực dương (than ống khói), chúng bám vào bụi khói, tích điện cho các phần tử này và tiếp tục chạy về cực dương và bám lại đấy Thân ống khói được định

kỳ làm sạch bằng cách rung lắc

1.4.2 Vầng quang trên đường dây tải điện một chiều:

Ở điện áp một chiều điện áp vầng quang trên đường dây có tính chất ổn định Trong trường hợp dây dẫn mang cực tính dương thì điện tử xuất hiện trong khu vực ion hóa chạy

về dây dẫn còn ion dương tạo thành điện tích không gian, chuyển dịch dần dần về điện cực đối diện, cực âm Còn khi dây dẫn mang cực tính âm thì điện tử rời khỏi khu vực ion hóa, tạo thành ion âm và chuyển dịch chậm chạp về điện cực đối diện, cực dương, còn ion dương thì chạy về dây dẫn

Trong cả hai trường hợp, giữa khoảng cách xuất hiện dòng ion ổn định, tạo thành dòng điện vầng quang Iqv còn điện tích không gian xung quanh dây dẫn cùng dấu với nó thì làm giảm cường độ điện trường và do đó làm tăng ít nhiều điện áp phát sinh vầng quang

Cũng ở điện áp một chiều có sự phân biệt rõ rệt hai trường hợp vầng quang: đơn cực

và lưỡng cực

- Vầng quang đơn cực là trường hợp vầng quang chỉ xuất hiện ở một cực, còn ở điện cực kia do cường độ điện trường bé nên không xảy ra ion hóa không khí Như vậy dòng điện vầng quang Ivq được tạo thành bởi sự chuyển dịch của chỉ một loại điện tích cùng dấu với dây dẫn phát vầng quang Đấy là trường hợp như giữa dây dẫn mang điện một chiều và mặt đất (hình 1.27a)

- Vầng quang lưỡng cực là trường hợp vầng quang đồng thời xuất hiện ở cả hai cực khác dấu nhau, trên đường dây tải điện gồm hai dây dẫn điện thế ±U (hình 1.27b) Trong trường hợp này ở khu vực ngoài quầng sáng các ion trái dấu chuyển dịch ngược chiều nhau

Giả sử ở mặt phẳng trung tính I – I xảy ra sự kết hợp lại hoàn toàn của các ion trái dấu thì vầng quang lưỡng cực chỉ gồm hai vầng quang đơn cực độc lập nhau hợp thành và như vậy thì dòng điện vầng quang cũng như tổn hao vầng quang chỉ gấp đôi vầng quang đơn cực, như trong hình 1.27a giữa hai dây dẫn ±U đặt một tấm kim loại làm màng chắn ở ngay giữa khoảng cách vào

Hình 1.27: Vầng quang trên đường dây tải điện một chiều

a) Vầng quang đơn cực b) Vầng quang lưỡng cực c) Dòng điện vầng quang phụ thuộc điện áp

Trong thực tế, các ion tạo nên bởi vầng quang ở cực này có thể thâm nhập vào không gian của điện cực trái dấu đối diện, một phần trung hòa với điện tích không gian trái dấu tạo

ra bởi vầng quang phát ra từ điện cực đối diện, còn một phần thâm nhập vào khu vực xung quanh điện cực này Như vậy xang quanh mỗi dây dẫn còn có những ion khác dấu với dây dẫn, chúng làm tăng ít nhiều cường độ điện trường trên bề mặt dây dẫn, do đó tăng cường độ ion hóa ở dây dẫn và làm tăng dòng điện vầng quang Ivq, đồng thời ở gần dây dẫn cũng xảy

ra liên tục sự kết hợp lại của các ion trái dấu nhau

Chính vì vậy mà ở vầng quang lưỡng cực, trong thực tế dòng điện vầng quang (hình 1.27c, đường 2) và do đó tổn hao vầng quang lớn hơn tổng dòng điện (đường 3) và tổng tổn hao của hai vầng quang đơn cực độc lập (đường 1)

Cường độ điện trường tới hạn trên bề mặt dây dẫn khi vầng quang ổn định có trị số gâng như nhau ở cả hai cực tính và được xác định trên cơ sở của điều kiện phóng điện tự duy trì trong điện trường không đồng nhất theo công thức thực nghiệm của Peek như sau:

0

0,330,3 1 , /