Bài giảng Kỹ thuật cao áp: Chương 4 - TS. Nguyễn Văn Dũng

(BQ) Bài giảng Kỹ thuật cao áp - Chương 4: Phóng điện trong điện trường không đều trong chất khí cung cấp cho người học các kiến thức: Lý thuyết phóng điện dòng điện tử, phóng điện trong điện trường không đều, phóng điện vầng quang trên dây truyền tải cao áp,... Mời các bạn cùng tham khảo.

Trang 1

CHƯƠNG IV: PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN TRƯỜNG KHÔNG

ĐỀU TRONG CHẤT KHÍ

1 Lý thuyết phóng điện dòng điện tử (streamer)

2 Phóng điện trong điện trường không đều

3 Phóng điện vầng quang trên dây truyền tải cao áp

4 Phóng điện trong khe hở không khí

5 Ảnh hưởng của điều kiện khí quyển

Trang 2

TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có bản quyền Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào

1 Lý thuyết phóng điện dòng điện tử-streamer

 Điều kiện áp dụng:

- Áp suất khí quyển hoặc cao hơn

- Pd > 1000 mmHg.cm

 Hiện tượng:

- Thời gian phóng điện nhỏ: 10-8s (PĐ Townsend: 10-5s)

- Chỉ cần 01 thác điện tử duy nhất có thể phát triển thành phóng điện đánh thủng

Trang 3

 Raether (1964): đề nghị lý thuyết phóng điện dòng điện tử như sau:

- Khi số lượng điện tử tại đầu thác chính đạt 5.108  E tăng cao  phát

photon  ion hóa quang  quang điện tử  thác thứ cấp

- Thác thứ cấp gắn vào thác chính  tạo kênh plasma dẫn điện tốt phát

triển nhanh về phía điện cực đối diện

- Điều kiện chuyển từ thác sang dòng điện tử

) exp(

10 27

,

5

2 / 1

7

cm

V p

x

x E

c

c r

Photon

xc

5.10 8 e

Trang 4

Trang 5

 Phân bố điện trường khi xuất hiện điện tích không gian

Điện trường tăng cao

Trang 6

 Điện trường giữa các phần có chênh lệch điện thế trong các thiết bị điện

thực tế là không đều và có thể đại diện bằng các hệ thống điện cực như: mũi nhọn-mặt phẳng, cầu-phẳng, thanh-phẳng và trụ đồng trục

 Mức độ không đều của điện trường được xác định bằng hệ số  (hệ số

Schwaiger)

 Điện trường đều và gần đều: sự xuất hiện của hiện tượng ion hóa luôn kết

thúc bằng phóng điện đánh thủng

 Điện trường không đều: phóng điện vầng quang (biểu hiện: ánh sáng và

âm thanh) xảy ra trước và có thể không dẫn đến phóng điện đánh thủng

1 0

1

max max

U E

Eave

2 Phóng điện trong điện trường không đều

- Điện trường gần đều: 0,25    1

- Điện trường rất không đều:  < 0,01

2.1 Mô tả điện trường không đều

Trang 7

 Điện trường không đều phân tán mạnh trong các hệ thống điện cực: mũi

nhọn-mũi nhọn, mũi nhọn- bản phẳng, cầu - bản phẳng…

Điện trường cao

Trang 8

 Hệ số ion hóa:

 Điện trường thay đổi trong khe hở điện cực hệ số ion hóa  thay đổi

 Điều kiện phóng điện Townsend (thác điện tử) được hiệu chỉnh như sau:

2.2 Điều kiện phóng điện trong điện trường không đều

 exp(  d )  1   1



)

1 1

ln(

) (

1 1

) ) ( exp(

1 1

) ) ( exp(

0

0 0

dx x

Điện trường đều

(thác điện tử)

Điện trường không đều

(dòng điện tử)

d: là khe hở điện cực



Trang 9

 Trong trường hợp tổng quát, điều kiện xảy ra phóng điện trong điện

trường không đều

d x

c c

dx x

0

8

0

20 18

) (

10 )

) ( exp(

10 27

, 5

2 / 1

0

7

cm

V p

x

dx E

Trang 10

2.3 Phóng điện vầng quang

 Là một dạng phóng điện tạo ra từ sự ion hóa chất khí hoặc chất lỏng

xung quanh vật dẫn điện khi điện trường không đều và cường độ điệntrường tại hoặc gần bề mặt vật dẫn vượt quá độ bền điện nhưng không

đủ điều kiện để gây ra phóng điện đánh thủng toàn bộ khe hở điện cực

 Đặc tính:

o Phóng điện tự duy trì trong điện trường không đều

o Điện áp bắt đầu vầng quang nhỏ hơn điện áp đánh thủng

o Phát sáng và âm thanh

a Hiện tượng

Trang 11

 Cường độ điện trường cần thiết Evq tại bề mặt vật dẫn trong không khí

để tạo ra phóng điện vầng quang AC nhìn thấy được tính từ công thứcPeek

 Đối với trường hợp hai dây dẫn song song, công thức Peek được biểu

diễn như sau:

) /

(

298 ,

0 1

4 ,

r

m m

m1 - hệ số phụ thuộc điều kiện bề mặt dây dẫn

m2 - hệ số phụ thuộc điều kiện khí hậu

 - mật độ tương đối của không khí

 Điện áp tạo vầng quang

) (

r

d r

E

Uvq  vq d - khoảng cách giữa hai dây

Trang 12

b Ảnh hưởng của cực tính

 Trong điện trường rất không đều, phóng điện vầng quang bắt đầu tại điện

cực có bán kính nhỏ hơn và không bị ảnh hưởng bởi vật liệu làm điện cực

 Cực tính của điện cực ảnh hưởng đến quá trình phóng điện, cường độ

điện trường và điện áp phóng điện trong khe khí

 Cực tính của điện cực rất quan trọng trong điện trường không đều

 Xem xét trường hợp hệ thống điện cực mũi nhọn-bảng được sử dụng để

minh họa sự phóng điện trong điện trường không đều

Trang 13

* Mũi nhọn dương  Sự ion hóa va chạm xảy ra tại

khu vực điện trường cao gần đầu mũi nhọn

 Điện tử bị hút về cực dương, bỏ

lại các ion dương ở phía sau điện tích không gian

 Các điện tích không gian làm

giảm điện trường tại mũi nhọn nhưng làm tăng điện trường ở phía xa mũi nhọn

 Vùng có điện trường cao phát

triển về phía khe khí  mở rộng khu vực ion hóa

 Cường độ điện trường tại khu

vực chứa điện tích không gian

có thể đủ lớn để bắt đầu dòng điện tử  phóng điện đánh thủng

Trang 14

* Mũi nhọn âm

 Các điện tử bị đẩy về vùng có

điện trường thấp và gắn kết vớicác phân tử khí  tạo ion âm

 Các ion âm có xu hướng kéo các

ion dương ra khỏi cực âm  cácion dương định vị ở giữa điện tích

âm và cực âm

 Tại vùng lân cận mũi nhọn,

cường độ điện trường tăng caonhưng vùng ion hóa bị thu hẹp chấm dứt quá trình phát triển ionhóa

Trang 15

 Ngay khi quá trình ion hóa chấm dứt, điện trường “quét sạch” các điện

tích ở khu vực lân cận mũi nhọn, và một chu kỳ mới bắt đầu sau thờigian khử điện tích không gian

 Để loại trừ tác động của các ion, cần một điện áp tác dụng cao hơn 

điện áp đánh thủng âm lớn hơn điện áp đánh thủng dương

Trang 16

c Điện áp bắt đầu vầng quang

 Vầng quang dương: các ion dương làm giảm điện trường gần cực dương

 tăng điện áp bắt đầu vầng quang

 Vầng quang âm: các ion dương làm tăng điện trường gần cực dương 

giảm điện áp bắt đầu vầng quang

 Do đó, phóng điện vầng quang bắt đầu tại bán kỳ âm của điện áp AC khi

tăng điện áp tác dụng nhưng phóng điện đánh thủng xảy ra ở bán kỳdương

Trang 17

 Điện áp phóng điện UBD phụ thuộc vào cực tính của điện cực UBD (+) < UBD (-)

Trang 18

* Các quá trình xảy ra khi tăng điện áp ở cực thanh dương

Trang 19

* Các quá trình xảy ra khi tăng điện áp ở cực thanh âm

Trang 20

3 Phóng điện vầng quang trên dây truyền tải điện cao

áp

 Là một dạng phóng

điện tự duy trì xảy ra

trong điện trường

Trang 22

Trang 23

c Nguyên lý phóng điện vầng quang

Positive Negative

 Cường độ điện trường

cao trên bề mặt điện cực (E  30 kV/cm)

 Ion hóa do va chạm sinh

ra thác điện tử đầu tiên

 Photon sinh ra tại đầu

thác điện tử đầu tiên ion hóa quang  quang điện tử  thác điện tử thứ cấp do va chạm

Trang 24

d Dòng điện vầng quang

 Không có phóng điện vầng quang  dòng điện thuần dung dạng

sin chuẩn giữa hai điện cực (dây dẫn)  không tổn hao

 Phóng điện vầng quang  dòng không sin chứa sóng hài bậc cao

 tổn hao công suất

Trang 25

e Điện áp xảy ra phóng điện vầng quang

U E

ln 2

, 21

) /

( 2 , 21 2

/ 30

) /

( 30

kV r

d r

U

cm kV

E

cm kV

Trang 26

 Phóng điện vầng quang phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và tình

trạng bề mặt điện cực

) ,

( ln

2 ,

r

d r

Trang 27

f Công suất tổn hao vầng quang

pha km

kW U

U d

r f

Uvq rms: điện áp xảy ra phóng điện vầng quang (kV)

 Khi mưa bão, điện áp xảy ra phóng điện vầng quang chỉ bằng

80% giá trị so với điều kiện thời tiết khô ráo.

Trang 28

Ví dụ: xác định điện áp phóng điện vầng quang và công suất tổn hao vầng quang trong điều kiện thời tiết khô ráo và mưa bão của đường dây 03 pha, 132 kV dài 100 km có đường kính dây dẫn là 1,04 cm được bố trí trên các đỉnh của tam giác đều có độ dài cạnh

là 3 mét Nhiệt độ không khí là 20oC và áp suất khí quyển là 750 torr Tần số hệ thống là 50 Hz Hệ số bất thường hình dạng là 0,85.

Hệ số điều chỉnh mật độ không khí

Trang 29

Điện áp phóng điện vầng quang

kV

r

d r

m

1 , 55

0052 ,

0

3 ln

52 , 0 85

, 0 925

, 0 2

, 21

ln 2

, 21

( 365

100 10

1 ,

55 3

132 3

0052 ,

0 25

50 925

, 0 243

) /

( 10

25 243

5 2

pha kW

L U

U d

r f

Trang 30

Công suất tổn hao vầng quang khi thời tiết mưa bão

) /

( 847

100 10

1 , 55 8

,

0 3

132 3

0052 ,

0 25

50 925

, 0 243

) /

( 10

25 243

5 2

pha kW

L U

U d

r f

Trang 31

4 Phóng điện trong khe hở không khí

 Trong các thiết bị cao áp, tồn tại nhiều hình dạng khe hở không khí khác nhau  nhiều loại điện trường khác nhau  không thể thiết kế cách điện theo từng hình dạng cụ thể

 Chọn 3 hệ thống điện cực tiêu biểu đại diện cho tất cả các loại hình dạng khe hở không khí

o Cầu - cầu (bảng phẳng - bảng phẳng)- điện trường gần đều

o Thanh - bảng phẳng (mũi nhọn - bảng phẳng) - điện trường

không đều

o Thanh - thanh ( điện trường rất không đều )

a Các hệ thống điện cực tiêu biểu

Trang 32

b Hệ thống điện cực cầu-cầu

D

D d

 Tạo điện trường gần đều khi d  D/2

 Điện áp phóng điện đánh thủng không phụ thuộc vào cực tính của điện cực UBD (+) =

UBD (-)

 UBD ít phụ thuộc vào độ ẩm không khí

 Thời gian phóng điện nhỏ (< 1  s)

 UBD ít phụ thuộc vào dạng sóng của điện áp tác dụng (AC, DC, xung)

Trang 33

 Đặc tính điện áp-thời gian

U

t

UW

UW: điện áp chịu đựngU UW: phóng điện

U < UW: không phóng điện

Trang 34

 Đồ thị điện áp phóng điện-khoảng cách điện cực

o D nhỏ: điện trường

không đều - UBD tăng không tuyến tính với d (UBD = A.dn với n<1)

 Hệ thống điện cực cầu-cầu được sử dụng làm khe hở cầu đo

lường điện áp phóng điện của không khí

Trang 35

c Hệ thống điện cực thanh-bảng và thanh-thanh

 Điện trường không đều

 Điện áp phóng điện đánh thủng phụ thuộc vào cực tính của điện cực UBD (+) < UBD (-)

 UBD phụ thuộc vào độ ẩm không khí

 Thời gian phóng điện lớn

 UBD phụ thuộc vào dạng sóng của điện áp tác dụng (AC, DC, xung)

Trang 36

d Phóng điện ở điện áp xung

* Xung điện áp

 Do sét đánh gây nên với

biên độ rất lớn và thời gian tồn tại rất ngắn

Trang 37

 Phóng điện theo lý thuyết thác hay dòng điện tử đều cần sự

xuất hiện của 1 số điện tử đầu tiên

 Ở điện áp AC và DC: thời gian tác dụng của điện áp đủ dài để

hình thành các điện tử đầu tiên  phóng điện xảy ra tức thời

ngay khi điện áp tác dụng đạt đến giá trị điện áp phóng điện

 Đối với điện áp xung (1,2/50  s): thời gian để điện áp tăng từ 0

đến giá trị điện áp đủ gây phóng điện rất nhỏ (  1,2  s) 

không đủ thời gian để hình thành các điện tử đầu tiên có khả năng gây ra ion hóa

 Tồn tại khoảng thời gian từ giá trị điện áp đủ gây phóng điện

đến giá trị điện áp phóng điện thực: thời gian trễ trong phóng điện

* Thời gian trễ trong phóng điện

Trang 38

 Thời gian trễ trong phóng điện

 Thời gian phóng điện

tBD = t1 + ts + tf

 Thời gian phóng điện có thể giảm bằng cách giảm ts

o Tăng cường độ bức xạ chiếu lên cathode

o Sử dụng cathode có công thoát kim loại nhỏ

Us: điện áp đủ gây phóng điện

Trang 39

* Đặc tính điện áp-thời gian của cách điện

 Điện áp tác dụng tăng thì tf giảm  Thời gian phóng điện tBD giảm khi U tăng

 Cách xây dựng đặc tính V-t của cách điện

o Cho sóng xung có tỉ số T1/T2 không đổi tác dụng lên cách điện với biên

độ xung tăng dần từ nhỏ đến lớn

o Ghi nhận thời gian phóng điện

* Có sử dụng hình ảnh từ bài giảng của tác giả Hồ Văn Nhật Chương

Trang 40

* Công dụng của đặc tính V-t

 Dùng để phối hợp cách điện giữa thiết bị điện và thiết bị bảo vệ (ví dụ: dùng

chống sét van để bảo vệ MBA điện lực)

* V- t của thiết bị bảo vệ đồng dạng V-t của thiết bị điện

Trang 41

5 Ảnh hưởng của điều kiện khí quyển

 Điện áp phóng điện của cách điện ngoài phụ thuộc vào điều kiện

khí quyển (mật độ hay độ ẩm của không khí)

 Sử dụng các hệ số điều chỉnh để chuyển đổi điện áp phóng điện

(hoặc thử nghiệm) tại điều kiện chuẩn (to, po, ho) sang điện áp phóng điện (hoặc thử nghiệm) tại điều kiện thực (t, p, h)

Trang 42

Với kt: hệ số điều chỉnh

2

1k k

Trang 43

t p

k: là thông số phụ thuộc vào dạng sóng điện áp (AC, DC,

xung) được xác định từ tỉ số giữa độ ẩm tại điều kiện thực và mật

độ không khí tương đối h/ 

w: số mũ có giá trị bằng m

Trang 44

Trang 45

e Số mũ m và w

  g f

w

Với:

k L

UB: điện áp phóng điện 50% (kV) Trong trường hợp kiểm

tra điện áp chịu đựng, UB có thể tính bằng 1,1 lần giá trị điện áp thử nghiệm

L: chiều dài phóng điện (m)

 : mật độ không khí tương đối

Trang 46

Trang 47

Ví dụ: một sứ treo có chiều dài 2m cần được thử nghiệm với điện áp 700

kV, 50 Hz tại điều kiện chuẩn theo tiêu chuẩn IEC (p 0 = 1013 mbar; T 0 =

293 K; h 0 = 11 g/m 3 )

Xác định điện áp thử nghiệm tại điều kiện thực (p = 700 mmHg; T = 25°C;

h = 5 g/m 3 )

Điện áp thử nghiệm tại điều kiện thực

Xác định mật độ không khí tương đối  và tỉ số h/

Trang 48

 điện áp phóng điệngiảm

Định dạng
Số trang	48
Dung lượng	1,4 MB