Nối tiếp nội dung phần 1, phần 2 bài giảng Vật liệu điện - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tiếp tục cung cấp tới người học các nội dung chính sau: Môi điện khí; Điện môi lỏng; Cách điện rắn; Cách điện ngoài trời;... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 2 bài giảng tại đây.
CHƯƠNG V- ĐIỆN MƠI KHÍ V.1 PHĨNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MƠI KHÍ Các chế vật lý liên quan đến phóng điện điện mơi khí có ý nghĩa quan trọng tất loại phóng điện khác Nắm bắt chất chế giúp dễ dàng hiểu chế phóng điện điện mơi lỏng rắn Mặt khác điện mơi khí cịn có ưu điểm hai loại điện mơi cịn lại đồng hơn, dễ tiến hành thí nghiệm Các thí nghiệm đo đạc phóng điện điện mơi khí lặp lại sau thời gian ngắn với sai khác nhỏ, thơng thường độ lệch điện áp phóng điện lần đo so với giá trị trung bình vào khoảng vài phần trăm V.1.1 CÁC QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH ĐIỆN TÍCH TRONG ĐIỆN MƠI KHÍ Khi đặt lên hai điện cực tụ điện chứa điện mơi khí điện trường E, dịng điện dẫn xuất chạy mạch môi trường khí chứa điện tích Các điện tích bao gồm: điện tử e (mang điện tích âm), ion dương nguyên tử trung hòa điện tử ion âm nguyên tử trung hịa nhận thêm điện tử Các điện tích sinh trình diễn điện mơi khí q trình cathode (điện cực âm) Ta đề cập sơ qua đến q trình hình thành điện tích : Ion hóa va chạm Khi có điện trường đặt lên cực tụ điện khoảng khơng gian điện mơi hai điện cực có điện tử tự do, điện tự tự nhận lượng điện trường chuyển động phía điện cực dương (anode) Trong q trình chuyển động va chạm với nguyên tử (hay phân tử) trung tính điện mơi khí, lượng điện tử nhỏ lượng ion hóa của nguyên tử (hay phân tử) khí va chạm (có thể) gọi va chạm đàn hồi Trong va chạm đàn hồi trao đổi lượng điện tử ngun tử khí bé, làm cho ngun tử bị kích thích tức làm cho điện tử nguyên tử chuyển lên mức lượng cao Đồng thời va chạm đàn hồi làm đổi hướng di chuyển ban đầu điện tử Trái lại lượng điện tử lớn lượng ion hóa ngun tử khí, ta có va chạm không đàn hồi nguyên tử bị ion hóa Khi ngun tử khí trung tính ban đầu tạo thành ion dương điện 114 tử Lúc ion dương bị hút phía điện cực âm (cathode) hai điện tử tiếp tục nhận lượng điện trường gây nên ion hóa Tùy theo điều kiện vật lý điện môi xét mà trình đạt đến giá trị ổn định q trình ion hóa trở thành tượng thác điện tử dẫn đến phóng điện Q trình ion hóa va chạm biểu diễn dạng phương trình sau : A+e-ỈA++2e2A+2e-Ỉ2A++4e4A+4e-Ỉ4A++8ev v Ion hóa quang (ion hóa xạ) Một nguyên tử bị kích thích thường có thời gian tồn khoảng 10-7 đến 10-9s Khi trở trạng thái bình thường xạ phần lượng kích thích dạng photon Tuy photon có lượng yếu gây ion hóa nguyên tử khác có lượng ion hóa nhỏ lượng photon Q trình ion hóa quang miêu tả phương trình : A*ỈA+hf B+hfỈ B++eVới A* ký hiệu trạng thái kích thích nguyên tử A hf photon xạ (h số Plank f tần số photon) Ion hóa quang q trình quan trọng phóng điện, đặc biệt hỗn hợp khí có chứa khí hiếm, biết khí có thời gian tồn kích thích lâu Ion hóa nhiệt Khi nhiệt độ khí tăng đến giá trị đủ lớn, nguyên tử khí chuyển động nhanh va chạm với gây nên ion hóa Ở nhiệt độ cao, lượng nhiệt (Wn) gây nên ion hóa cho ngun tử theo q trình sau : A+ WnỈ A++e- Tách điện tử (Electron detachement) Q trình xảy ion âm tách điện tử để trở thành nguyên tử trung tính : A-Ỉ A++eNăng lượng cần thiết để tách điện tử khỏi ion âm q trình cung cấp va chạm nguyên tử khác (tách va chạm : collisional detachement) photon ( photodetachement) Mặc dù số điện tích khơng tăng lên q trình q trình tách coi q trình ion hóa điện tích âm di chuyển chậm (ion âm) chuyển thành điện tích âm (điện tử) di 115 chuyển nhanh Do động tỉ lệ nghịch với khối lượng bình phương vận tốc nên nhẹ động điện tử lớn nhiều so với động ion âm trước điện tử có vận tốc lớn Vì điện tử tự tách từ q trình tiếp tục gây nên q trình ion hóa va chạm hiệu so với ion âm V.1.2 CÁC QUÁ TRÌNH TRÊN ĐIỆN CỰC ÂM (CATHODE) Các q trình điện cực, đặc biệt điện cực âm (cathode) đóng vai trị quan trọng q trình phóng điện chất khí chúng cung cấp điện tử cho bắt đầu, trì cuối hồn thành q trình phóng điện Ở trạng thái bình thường điện tử khơng thể khỏi điện cực lực liên kết tĩnh điện điện tử ion mạng tinh thể Để rời khỏi điện cực điện tử cần lượng đủ lớn gọi cơng (work function), giá trị cơng phụ thuộc vào vật liệu làm điện cực Bảng V.1 cho biết giá trị cơng số kim loại điển hình Các nguồn cung cấp lượng cho điện tử rời khỏi điện cực : Bắn phá cathode ion dương nguyên tử trạng thái kích thích Khi ion dương bắn vào điện cực âm, giải phóng hai điện tử điện cực : điện tử dùng để trung hòa ion dương điện tử thoát khỏi điện cực Năng lượng cần thiết ion dùng để bắn phá phải có trị số hai lần cơng điện tử Ngồi điện tử cịn khỏi cathode bắn phá điện cực nguyên tử hay phân tử trạng thái kích thích bền vững (metastable : trạng thái mà nguyên tử kích thích thêm phần lượng chuyển đến trạng thái kích thích mới, trạng thái kích thích tương đối bền vững với thời gian tồn khoảng 10-3s) Kim loại Ag Al Cu Fe W Wa(eV) 4,74 2,98-4,43 4,07-4,7 3,91-4,6 4,35-4,6 Bảng V.1 : Cơng số kim loại điển hình Quang (photoemission) Nếu lượng photon đập vào cathode có giá trị lớn cơng điện tử, photon giải phóng điện tử khỏi bề mặt điện cực Phần lượng dôi photon so với công thoát cung cấp cho điện tử dạng động Nhiệt (thermionic emission) Ở nhiệt độ phịng lượng nhiệt điện tử kim loại khơng đủ lớn để làm chúng khỏi cathode Khi tăng nhiệt độ cathode lên khoảng 1500-2000K, 116 chuyển động nhiệt mãnh liệt mạng tinh thể cung cấp cho điện tử lượng đủ lớn để thoát khỏi điện cực Thoát điện trường (Field emission) Điện trường tĩnh giá trị lớn lực liên kết điện tử proton giải phóng nhiều điện tử cathode Tuy nhiên để làm điều điện trường phải vào khoảng 107-109 V/m (10-1000kV/mm) Phần lớn phần tử dùng kỹ thuật điện làm việc điện trường nhỏ điện trường nhiều Nhưng bề mặt điện cực không phẳng mà tồn khuyết tật nhỏ, cần điện áp đặt vào khoảng 25kV điện trường điểm khuyết tật đạt tới trị số có xảy tượng điện tử điện trường V.1.3 CÁC Q TRÌNH TRUNG HỊA ĐIỆN TÍCH TRONG ĐIệN MƠI KHÍ Ngược lại với q trình hình thành điện tích điện mơi khí làm tăng điện tích (chủ yếu điện tử) điện mơi, q trình trung hịa điện tích làm giảm số lượng điện tử điện môi Trong vài ứng dụng, q trình trung hịa điện tích đáng quan tâm ngăn cản phát triển thác điện tử Các q trình trung hịa điện tích bao gồm : Q trình tái hợp Các ion dương âm có xu hướng tái hợp để tạo thành nguyên tử trung hòa theo phương trình : A++B-Ỉ AB+hf Tỉ lệ tái hợp tỉ lệ thuận với số điện tích dương n+ điện tích âm n-, nghĩa : dn + dn − = = − βn+ n− (V.1) dt dt Với β số tỉ lệ tái hợp Do n+≈ n- giả thiết thời điểm t=0 số điện tích ni=ni0 số điện tích thời điểm t ni(t), phương trình viết thành : dni = − βni2 (V.2) dt Chuyển vế tích phân vế theo số lượng điện tích theo thời gian ta : ni t dni = − β ∫ ∫0 dt ni ni Ta tính lượng điện tích thời điểm : 117 (V.3) n(t ) = ni + ni β t (V.4) Trung hòa nhập điện tử (electron attachement) Một vài khí có độ âm điện lớn O2, CO2 hay SF6 ln có xu hướng lấy thêm điện tử tự để tạo lên ion nặng âm Q trình viết dạng : A+ AĐây q trình ngược với q trình ion hóa tách điện tử đề cập phần V.1.1 Trung hòa khuyếch tán (diffusion) Khi mật độ ion điện mơi khí khơng đều, ion ln có xu hướng di chuyển từ nơi có mật độ cao xng nơi có mật độ thấp đạt đến cân mật độ Quá trình gây lên hiệu ứng ion hóa vùng có mật độ ion thấp trung hịa vùng có mật độ ion cao V.1.4 PHĨNG ĐIỆN CHỌC THỦNG CỦA CHẤT KHÍ TRONG ĐIỆN TRƯỜNG ĐỒNG NHẤT (ĐỀU) Bản chất q trình phóng điện chọc thủng chất khí giải thích hai lý thuyết : Lý thuyết phóng điện Townsend lý thuyết streamer Trong thực tế điện trường đặt lên điện mơi khí khơng tùy theo dạng điện cực Nếu điện trường đều, trị số điện trường điểm điện môi tham số q trình hình thành trung hịa điện tích khơng đổi Như ta xét điện trường đều, chất q trình phóng điện chọc thủng hiểu dễ dàng Thác điện tử- Lý thuyết phóng điện Townsend Khi ta đặt lên điện mơi khí điện trường E, giả thiết điện môi tồn điện tử tự Nếu điện trường đủ mạnh điện tử khơng bị trung hịa q trình nhập điện tử, điện tử va chạm với ngun tử khí gây q trình ion hóa va chạm Như sau lần va chạm chất khí có hai điện tử ion dương sau q trình va chạm tiếp tục diễn miêu tả phần V.1.1 Quá trình tiếp diễn với số điện tích tự ion dương tiếp tục tăng lên Tập hợp điện tử ion dương sinh theo cách gọi thác điện tử Trong khơng gian vài milimét có đến hàng triệu điện tử Việc hình thành thác điện tử kiện (sau xuất điện tử ban đầu) q trình phóng điện chọc thủng chất khí Thác điện tử tiếp tục tăng điện tử đến anode chúng di chuyển đến vùng có điện trường khơng đủ mạnh để gia tốc cho chúng tạo nên va chạm 118 Trong lý thuyết mình, Townsend nghiên cứu q trình ion hóa va chạm tượng phóng điện điện mơi khí điện trường tĩnh (DC) Ông giả thiết lúc đầu có n0 điện tử tự thoát khỏi cathode giây (các điện tử xuất bắn phá cathode tia cực tím) Gọi α số điện tử sinh q trình ion hóa va chạm điện tử di chuyển đơn vị quãng đường theo chiều điện trường, α gọi hệ số ion hóa Townsend thứ hay cịn gọi tắt hệ số Townsend thứ Độ lớn α phụ thuộc vào áp suất khí độ lớn điện trường Nếu khoảng cách x tính từ cathode ta có số lượng điện tử n sau thêm khoảng cách dx, số điện tử sinh thêm n tính cơng thức : dn = αndx (V.5) Giải phương trình với điều kiện đầu n=n0 x=0 α=const (điện trường đều) ta : n x dn αx ∫ n = ∫0 αdx ⇒ n x =no e n (V.6) o Như số điện tử đến anode giây ứng với số điện tử khoảng cách x=d, tức : (V.7) n d = n o e αx αd Điều nghĩa trung bình điện tử rời khỏi cathode gây e -1 điện tử (tương ứng với ion dương mới) suốt q trình di chuyển khoảng cách d Do dòng điện chạy chất khí tỉ lệ với số điện tích chạy giây nên ta viết : I = I o e αx (V.8) Trong I0 dịng điện ban đầu cathode Phương trình mơ tả trình hình thành thác điện tử Trong số điện tử tăng lên trình Townsend thứ α di chuyển phía anode, lúc ion dương sinh từ trình ion hóa va chạm di chuyển phía cathode Nếu lượng ion lớn cơng điện tử cathode, ion dương đập vào cathode lại bứt điện tử gọi điện tử thứ cấp Điện tử thứ cấp lại tạo lên thác điện tử thứ cấp khác Gọi γ hệ số ion hóa Townsend thứ hai hay hệ số Townsend thứ hai, γ định nghĩa số điện tử thứ cấp rời khỏi cathode có ion dương đập vào cathode hay đơn giản γ định nghĩa số điện tử thứ cấp rời cathode có lần ion hóa va chạm xảy điện mơi Độ lớn γ phụ thuộc vào độ lớn điện trường, áp suất thân kim loại làm điện cực Ảnh hưởng trình thứ cấp lên tăng dòng điện xét sau Gọi ns số 119 điện tử thứ cấp thoát khỏi cathode giây, tổng số điện tử rời khỏi cathode giây nt tính : (V.9) nt=n0+ns αd Biết điện tử rời cathode gây e -1 va chạm để tạo ion hóa Như số lần va chạm để gây ion hóa tổng số nt điện tử rời khỏi cathode chúng di chuyển hết quãng đường d từ cathode sang anode nt(eαd-1) Theo định nghĩa γ ta viết được: n s = γnt (e αd − 1) Kết hợp với (V.9) ta viết : nt = n0 + γnt (eαd − 1) (V.10) (V.11) Hay là: n0 (V.12) − γ (e αd − 1) Mặt khác từ ta tính số điện tử đến anode theo công thức: nt = n d = n t e αx (V.13) Hay là: n e αd − γ (eαd − 1) Tương tự vậy, dòng điện chạy mạch trạng thái ổn định là: nd = (V.14) I e αd I= (V.15) − γ (e αd − 1) Phương trình miêu tả q trình tăng dịng điện điện mơi trước phóng điện chọc thủng diễn Khi xảy phóng điện chọc thủng IỈ∞, điều dẫn tới mẫu thức biểu thức dòng điện tiến tới hay ta gọi điều kiện phóng điện Townsend (Townsend criterion) : γ (e αd − 1) = (V.16) Thực tế e >>1, nên điều kiện phóng điện Townsend viết đơn giản hơn: αd γeαd = Ta dễ nhận thấy γ (e αd (V.17) − 1) số điện tử thứ cấp thoát khỏi điện cực có điện tử sơ cấp ban đầu khỏi điện cực, γ (e αd − 1) =1 nghĩa q trình ion hóa va chạm đủ lớn để ion dương tạo nên trình bắn phá điện cực âm đủ giải phóng điện tử để hình thành thác điện tử Nếu γ (e αd − 1) >1 q trình phóng điện tự trì thác điện tử tăng lên γ (e αd − 1) lớn q trình phóng điện tăng nhanh Khi 120 γ (e αd − 1) 0 (VIII.7) dX Đối với điện áp xoay chiều phóng điện bề mặt thường xảy đỉnh nửa chu kỳ cần tính đến hồ quang lặp lại sau dòng qua trị số Điều kiện hồ quang lặp lại viết là: V (r ) = NXI − n (VIII.8) Trong n N số bề mặt hình dạng (shape) cách điện Riêng loại sứ có thiết kế đặc biệt (ví dụ loại chống sương) cần phải tính đến hệ số hình dạng bề mặt (form factor of surface) Đối với hình dạng có phóng điện rị hình VIII.7 hệ số F tính cơng thức: F= L dl π ∫ D(l ) (VIII.9) Trong L chiều dài dòng rò bề mặt cách điện D(l) đường kính cách điện điểm rị l Một yếu tố cần tính đến hồ quang khơng phát triển tồn chiều dài bề mặt cách điện mà số đoạn (hình VIII.7) Ngồi tượng phóng điện khơng khí ảnh hưởng đến chiều dài hồ quang, điều làm giảm tăng chiều dài hồ quang tùy vào tình trạng bề mặt cách điện , gọi chiều dài hồ quang X(a) chiều dài hình học bề mặt cách điện nơi phát triển hồ quang X(i) ta có: X(a)=kX(i) (VIII.10) Hệ số k1 trường hợp làm tăng chiều dài hồ quang Thực nghiệm điều kiện tới hạn đạt được, phóng điện bề mặt có khả xảy hồ quang phát triển phần chiều dài bề mặt cách điện Như giai đoạn điện trở lớp điện phân xung quanh hồ quang nhỏ nhiều so với điện trở phần chiều dài điện phân bị hồ quang lan tỏa Trong thực tế ta coi ρ khơng đổi f(X) có dạng: X⎞ ⎛ f ( X ) = F ⎜1 − ⎟ (VIII.11) L⎠ ⎝ Đối với điện áp chiều, tiêu chuẩn điện áp để xảy phóng điện bề mặt tính công thức: V FO , DC ≈ ( ρF ) a / 1+ a (kAL)1 / 1+ a 212 (VIII.12) Đối với trường hợp điện áp xoay chiều, tiêu chuẩn phóng điện bề mặt phức tạp tính sau làm đơn giản số hệ số Thứ cho n=a, giả thiết thứ hai cho V=V(r) từ rút I theo X giả thiết thứ ba (mặc dù chưa kiểm chứng) trị số tới hạn X khoảng 2L/3 Với giả thiết tiêu chuẩn phóng điện bề mặt điện áp xoay chiều là: V FO , AC ≈ 0,7( ρF / 2( N − A)) n / 1+ n (kL)1 / 1+ n (VIII.13) Bằng cách so sánh giá trị tính tốn với giá trị thu từ thực nghiệm người ta tìm giá trị a=n=0,5; A=10 V.mm-1.A-1/2 Đối với sứ có cấu hình chống sương mù k dao động 0,4 Nó phụ thuộc vào độ mạnh yếu ô nhiểm, n nhỏ ứng với điện trở cao Thay trị số a, n, A k vào hai phương trình người ta tính trị số điện áp phóng điện điện áp chiều nhỏ nhiều so với điện áp xoay chiều ứng với độ nhiễm Vì khơng có hồ quang lặp lại nên cách điện điện áp chiều tránh phóng điện bề mặt lâu so với xoay chiều Trong trường hợp điện áp xoay chiều phóng điện bề mặt xảy thời gian nửa chu kỳ, (nghĩa không cần điện áp đạt tới giá trị cực đại) khơng có hồ quang lặp lại Phóng điện bề mặt giống trường hợp giống điện áp chiều Vì lý quan hệ điện áp phóng điện bề mặt chiều dài bề mặt cách điện khơng hẳn tuyến tính tồn chiều dài Điều có nghĩa thơng tin phóng điện bề mặt cách điện bị ô nhiểm đáng tin cậy ta thử nghiệm chiều dài thực gần thực cách điện Trường hợp với điện áp chiều khơng cần thiết vậy, ta tiến hành thử nghiệm mẫu rút gọn vật liệu VIII.2.3 TRƯỜNG HỢP VẬT LIỆU GHÉT NƯỚC (HYDROPHOBIC) Đối với vật liệu ghét nước, hạt nước bám thành giọt nhỏ (droplet) gián đoạn bề mặt vật liệu không tạo thành lớp trường hợp vật liệu thích nước Trong trường hợp phóng điện bề mặt xảy khe khơng khí hạt nước Trong trường hợp giọt nước đóng hai vai trị Thứ chênh lệch số điện môi nước với cách điện mơi trường khơng khí bao quanh (nước=80, khơng khí =1, cách điện khoảng từ 2,5 đến 10) nên xuất nước làm cho điện trường khu vực tăng mạnh Thứ hai đường phóng điện bề mặt qua hạt nước nước có điện dẫn cao Một đặc tính giọt nước bị biến dạng điện trường cho trường tăng cường lớn khoảng cách không khí giọt theo chiều điện trường nhỏ Đơi điện trường cịn làm cho giọt hợp lại (coalesce) để tạo thành dòng 213 Tất tượng kể làm chế phóng điện bề mặt vật liệu ghét nước khác so với bề mặt thích nước Phóng điện bề mặt trường hợp phát triển nhanh Cường độ điện trường chịu đựng vật liệu ghét nước lớn nhiều so với thích nước, nhiên chưa có phương pháp cho phép tính tốn khác biệt VIII.3 CÁC TÍNH CHẤT ẢNH HƯỞNG LÊN TRỊ SỐ PHÓNG ĐIỆN BỀ MẶT Để nghiên cứu ảnh hưởng nhiễm lên đặc tính điện mơi vật liệu người ta sử dụng trạm ô nhiễm tự nhiên phịng mơi trường nhân tạo Độ nhiễm bề mặt vật liệu đánh giá qua tiêu chuẩn sau: • Mật độ chất nhiễm bề mặt cách điện • Điện dẫn bề mặt cách điện bị nhiễm • Hàm lượng ô nhiễm môi trường dùng phòng môi trường dùng để thử nghiệm, ví dụ hàm lượng NaCl đơn vị thể tích nước dùng để tạo mơi trường sương muối Từ trước đến có lượng chất nhiễm hịa tan phủ bề mặt cách điện đáng quan tâm thử nghiệm độ nhiễm Lượng chất nhiễm cịn biết tên mật độ muối tương đương rải bề mặt (ESDD- Equivalent Salt Deposit Density) Tuy nhiên CIGRE khuyến cáo cần phải tính đến mật độ chất khơng hịa tan (NSDD- Non Soluble Deposit Density) phần tử khơng hịa tan tác nhân giứ lại lớp nước Trong vật liệu ghét nước ví dụ cao su silicone, phần tử khơng hịa tan làm tạm thời tính ghét nước vật liệu Căn vào độ mặn sương (kg/m3) CIGRE chia ô nhiễm thành cấp độ sau: • Nhẹ (light): nhỏ 7,5kg/m3 • Trung bình (average): từ 7,5 đến 15 kg/m3 • Nặng (heavy): Từ 15 đến 30 kg/m3 • Rất nặng (very heavy): Từ 30 đến 80 kg/m3 Ưu điểm nghiên cứu mơi trường nhân tạo (phịng mơi trường) có khả tái tạo hồn tồn mơi trường làm việc vật liệu Những ưu điểm là: • Độ nhiễm thay đổi dải rộng • Các thử nghiệm tiến hành nhanh chóng • Nó rẻ tiền so sánh với thử nghiệm tương tự điều kiện tự nhiên 214 Tuy nhiên hạn chế thời gian tiến hành vài năm kết ứng dụng cho loại cách điện loại môi trường tiến hành nghiên cứu VIII.3.1 ẢNH HƯỞNG CỦA PHẦN TỬ HỊA TAN Thơng thường cường độ điện trường tới hạn để xảy phóng điện bề mặt cách điện sứ theo nồng độ nhiễm tính theo biểu thức: E(s)∝S-p, với p nằm khoảng từ 0,1 đến 0,6 Cách điện với bề mặt phẳng (plain shedding) có trị số p cao, trường hợp khác p có giá trị khoảng 0,2 Từ quan điểm tốn học p trị số trung bình bề mặt điện phân (nuớc muối có p=0,3) phóng điện khơng khí (p=0) Hình VIII.8: Cường độ điện trường phóng điện bề mặt số loại cách điện thích nước thử nghiệm mơi trường sương muối với nồng độ muối khác nhau, trục y nghịch đảo cường độ điện trường phóng điện bề mặt VIII.3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA PHẦN TỬ KHƠNG HỊA TAN Điện áp chịu đựng cách điện mũ, cách điện cách điện đứng (post insulator) tất sứ theo hàm lượng chất khơng hịa tan vẽ hình xxx, phần tử khơng hịa tan vật liệu Tonoko (Một loại bột thiên nhiên- mineral powder- mịn dùng Nhật để làm phẳng bề mặt sản phẩm gỗ) 215 Hình VIII.9: Điện áp chịu đựng số vật liệu thích nước theo nồng độ chất khơng hịa tan NSDD Quan hệ điện áp chịu đựng nồng độ NSDD biểu diễn dạng: V∝(NSDD)-0,15 Áp dụng cho dải NSDD từ 0,1 đến 10mg/cm2 VIII.3.2 ẢNH HƯỞNG ĐƯỜNG KÍNH TRUNG BÌNH ĐỐI VỚI CÁCH ĐIỆN THÍCH NƯỚC Khi cách điện dạng đường kính thay đổi người ta nhận thấy quan hệ độ dài riêng (nghịch đảo cường độ điện trường phóng điện) SL (specific length) bán kính trung bình D(a) có dạng: SL∝D(a)q Hình VIII.10 mơ tả quan hệ sứ đỡ đặt môi trường sương mù (clean fog) với mật độ muối tương đương ESDD=0,12mg/cm2, q có giá trị 0,16 Ở điện trường thử nghiệm điện trường chiều 216 Hình VIII.10: Quan hệ độ dài riêng đường kính cách điện trung bình mơi trường sương điện áp chiều Mặc dù đường kính trung bình tăng dẫn tới giảm đáng kể điện áp phóng điện bề mặt cách điện có ưu điểm tăng đường kính, lượng chất nhiễm tích tụ bề mặt cách điện giảm đáng kể Quan hệ biểu diễn công thức: ESDD(r)=2,6D(a)-2,1 Vì trình chọn lựa cách điện cần tính đến hai yếu tố (điện áp phóng điện lượng chất nhiễm tích tụ) VIII.3.3 Q ĐIỆN ÁP Q ĐỘ Hình VIII.11 mơ tả tỉ lệ phóng điện bề mặt gây điện áp xung điện áp làm việc theo thời gian điện áp đặt vào Thời gian biểu diễn trục x điện áp xung thời gian mà điện áp xung đặt vào có trị số lớn 50% trị số cực đại Đối với điện áp xoay chiều, trục thời gian thời gian đặt điện áp 50Hz trước xảy phóng điện Như ta thấy mức độ ô nhiễm ảnh hưởng đến điện áp làm việc, biên độ điện áp xung lớn (đặc biệt xung sét) Nhưng thời gian để hình thành phóng điện bề mặt lớn nên trường hợp điện áp xung, trị số giảm nhanh trước hồ quang phát triển tồn chiều dài cách điện 217 Hình VIII.11: So sánh trị số phóng điện bề mặt điện áp xung cực tính dương điện áp làm việc 50Hz chuỗi sứ bát (sứ mũ có móc), cấp độ nhiễm nặng VIII.3.4 SO SÁNH GIỮA ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU VÀ MỘT CHIỀU Hình VIII.12: So sánh cường độ điện trường phóng điện bề mặt loại cách điện mũ có chốt đặt điện áp chiều xoay chiều Các số liệu hình VIII.12 EPRI (Electric Power Research Institute) cung cấp mô tả khác điện áp phóng điện loại cách điện, tiến hành điện áp chiều xoay chiều Ta nhận thấy điện trường gây phóng điện bề mặt trường hợp xoay chiều (lấy giá trị lớn nhất) lớn chiều khoảng 70% loại nhiễm VIII.4 CÁC BIỆN PHÁP CẢI THIỆN PHĨNG ĐIỆN BỀ MẶT 218 Tính chất phóng điện bề mặt cách điện ngồi trời vùng nhiễm không đủ tốt xuất phát từ nhiều nguyên nhân Ví dụ thiết kế lựa chọn ban đầu không chuẩn xác, mức độ ô nhiễm tăng vùng tăng (xây thêm nhà máy, tăng sản lượng sản xuất…) tính chất quan trọng thiết bị, đường dây tăng sau xây dựng Trong cách điện khơng thể thay đổi giá thành thân cách điện, thay đổi kèm theo hệ thống đỡ đường dây, khoảng cách an tồn khơng cho phép Vì cần có biện pháp để cải thiện khả chịu đựng cách điện phóng điện bề mặt Sau xin trình bày số phương pháp thơng dụng VIII.4.1 MŨ ĐỠ (BOOSTER SHED) Mũ đỡ dùng cho việc giảm phóng điện bề mặt điều kiện nhiễm kèm độ ẩm cao Nó cấu tạo từ đồng trùng hợp (copolymer) cao su silicone polyethylen liên kết chéo với Loại polymer chứng tỏ vận hành tốt điều kiện ô nhiễm nặng nề, đặc biệt vùng có độ mặn cao Hình VIII.13: Phương pháp dùng mũ đỡ để cải thiện phóng điện bề mặt cho cách điện sứ Khi thêm lớp mũ đỡ vào cách điện sứ có sẵn có hai tác dụng Thứ làm cho dịng nước tích tụ bề mặt bị gián đoạn, điện trở lớp điện phân tăng cao điện áp phóng điện bề mặt cải thiện rõ rệt Thứ hai phần hồ quang phát triển bề mặt lớp mũ bị làm mát nhanh trường hợp khơng có lớp mũ thêm vào, có nghĩa trị số A(x) phương trình Suit lớn trường hợp hồ quang phát triển bề mặt sứ Như điện trở hồ quang phuơng trình Suit tăng lên điện áp phóng điện bề mặt tăng lên Việc gia cố thêm lớp mũ đỡ đồng nghĩa với việc cách điện làm việc mơi trường nhiễm nặng VIII.4.2 MỞ RỘNG VÙNG MŨ (SHED EXTENDER) Ngược lại với biện pháp dùng mũ đỡ với lớp mũ polymer đặt bên bề mặt cách điện, biện pháp mở rộng vùng mũ gắn trực tiếp lớp mũ vào bề mặt cách điện nhằm kéo dài chiều dài ròng rò Loại nhựa dùng để gắn nhân tố 219 biện pháp phóng điện vùng gắn làm hủy hoại sứ lớp polymer kéo dài Hình VIII.14: Mũ kéo dài cho cách điện sứ dùng cao su silicone Với kết cấu có kết hợp bề mặt ghét nước (silicone) bề mặt thích nước (sứ), có nghĩa hạt nước lớp nước nối tiếp với bề mặt cách điện Vấn đề chưa sáng tỏ có nghiên cứu tiến hành VIII.4.3 PHỦ BẰNG MỘT LỚP KHÁC (COATING) Một biện pháp thông dụng để cải thiện khả làm việc môi trường ô nhiễm cho sứ phủ lên bề mặt sứ lớp mỡ (grease) Lớp mỡ làm cho toàn bề mặt sứ trở thành bề mặt ghét nước Hai loại mỡ thường dùng hydrocarbon silicone Hydrocarbon dùng cho số vùng có nhiệt độ nằm giới hạn nhiệt độ chảy tương đối thấp, silicone dùng rộng rãi Hydrocarbon rẻ tiền tồn bề mặt phủ khoảng 10 năm Mỡ silicon đắt thường phải thay hàng năm Lớp mỡ phủ lên sứ tay, dùng chổi qt bình xịt Khó khăn loại phải lột bỏ hoàn toàn lớp cũ trước phủ lớp Gần phát triển cách điện trời dùng cao su silicone kích thích mạnh việc sử dụng lớp phủ cao su silicon RTV Kinh nghiệm vận hành cho thấy lớp phủ cao su silicone dùng vài năm Khi lớp phủ có vài chỗ bị khả ghét nước, khu vực làm sau phủ lại lớp khác VIII.4.4 LAU RỬA Một phương pháp thông dụng lau rửa lại bề mặt cách điện nước để cải thiện khả làm việc Một số axít dung mơi sử dụng rộng rãi để lau loại ô nhiễm bám vào cách điện Lau rửa tiến hành sau ngắt điện tiến hành thiết bị vận hành, gọi rửa sống (live washing) Để rửa sống cần phải thỏa mãn hai điều kiện Thứ nước phải khử ion (demineralize) để đảm bảo điện trở suất >50 000Ω.cm Thứ hai trình làm phải tránh có tập trung chất nhiễm, có nghĩa cách điện 220 treo thẳng đứng phần phải lau trước, sau đến phần bị ướt hai khu vực lau Bốn phương pháp rửa sống cách điện thơng dụng gồm: • Sử dụng vịi nước cầm tay • Vịi phun cố định • Vịi phun điều khiển từ xa kiểu rơ bốt • Vịi phun gắn máy bay trực thăng 221 ... (F-1381) CBrF3 -5 8 0,75 Chlorotrifluoroethylene (CTFE) C2F3Cl -2 8 0,69 Nitrous oxide N2O -8 9 0,5 150 Carbon tetrafluoride (F-14) CF4 - 128 0, 42 Khơng khí N2+O2 Nitơ N2 -1 96 0,37 Cácbonic CO2 -7 9... fluoride SOF2 -4 4 1, 42 Trifluoronitromethane CF3NO2 -3 1 1,34 Perfluoro-n-butane C4F8 1,5 Chloropentanfluoroethane (F-115) C2F5Cl -3 9 1,13 Perfluoro-butane C4F10 -2 1,06 Sulfur dioxide SO2 -1 0 1,0... Điện trường thức hóa sơi chịu đựng học tương đối (so với SF6) Hexaflouro -2 - butyne C4F6 -2 5 2, 2 Triflouromethyl sulfur pentafluoride CF3SF5 -2 0 1,55 Triflouromethane sulfonyl fluoride CF3SO2F -2 2