Kỹ thuật cao áp (Chuong IV phong dien trong chat khi)

Phóng điện trong điện trường đều Quá trình ion hóa Ion hóa quang Ion hóa nhiệt Ion hóa do va chạm Lý thuyết phóng điện thác điện tử (Nguyên lý PĐ Townsend) Phóng điện trong khí điện âm Định luật Paschen Lý thuyết phóng điện dòng điện tử (streamer) Phóng điện trong khe hở không khí Phóng điện trong điện trường không đều Ảnh hưởng của điều kiện khí quyểnCách điện khí nén ở áp suất cao

CHƯƠNG IV: SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ

1 Giới thiệu

2 Phóng điện trong điện trường đều

3 Quá trình ion hóa

4 Ion hóa quang

5 Ion hóa nhiệt

6 Ion hóa do va chạm

7 Lý thuyết phóng điện thác điện tử (Nguyên lý PĐ Townsend)

8 Phóng điện trong khí điện âm

9 Định luật Paschen

10 Lý thuyết phóng điện dòng điện tử (streamer)

11 Phóng điện trong khe hở không khí

12 Phóng điện trong điện trường không đều

13 Ảnh hưởng của điều kiện khí quyển

14 Cách điện khí nén ở áp suất cao

1 Giới thiệu

 Không khí là chất khí cách điện phổ biến nhất (ví dụ: cách điện đường dây truyền tải và phân phối trên không)

 Để sử dụng tốt không khí làm chất cách điện yêu cầu:

o Hiểu biết về đặc tính điện

o Các quá trình dẫn đến phóng điện vầng quang và đánh thủng

o Ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài đến các quá trình phóng điện

 Trong các hệ thống kín, không khí và một số chất khí khác được

sử dụng ở áp suất cao: SF6, H2, CO2, N2

 Chất cách điện khí có khả năng tự phục hồi sau khi bị phóng điện

 Độ bền điện thấp hơn chất lỏng và rắn

2 Phóng điện trong điện trường đều

 Khi phóng điện xảy ra: chất khí chuyển từ chất cách điện sang

chất dẫn điện trên kênh phóng điện

 Thời gian phóng điện dao động trong khoảng ns  s

 Dẫn điện trong chất khí là do sự chuyển động của các điện tích (điện tử và ion) dưới tác động của điện trường

 Sự phóng điện phụ thuộc rất lớn vào loại chất khí, áp suất và nhiệt

độ nhưng phụ thuộc rất ít vào vật liệu làm điện cực  điện tích chuyển động được tạo ra từ môi trường khí

3 Quá trình ion hóa

 Là quá trình biến phân tử hay nguyên tử khí trung tính thành ion

 Các quá trình ion hóa:

o Ion hóa do va chạm (quan trọng nhất đối với sự phóng điện của chất khí)

o Ion hóa quang

o Ion hóa nhiệt

4 Ion hóa quang (photo-ionization)

 Dưới tác động của bức xạ, nguyên tử hay phân tử khí trung tính sẽ hấp thu Photon của bức xạ

 Năng lượng của Photon:

) ( 10

626 ,

2 , 124

10 242 ,

1 )

( 10

6 , 1 10

) / ( 10 3 ) ( 10

626 ,

19

8 34

light UV

nm

m J

s m s

eV eV

K K

eV kT

Wk

10 039

, 0

) ( 300 )

(

10 617 ,

8 2

3 2

Năng lượng ion hóa

: năng lượng thu nhận của điện tử giữa hai lần va chạm

6.1 Chuyển hóa năng lượng

 Hệ thống 02 hạt (phần tử) có khối lượng m1 và m2

+) trước khi va chạm

V1 > 0; V2 = 0+) sau khi va chạm

V1 V’1; V2  V’2 m1 V’1 m2, V’2

 Sự va chạm giữa 02 hạt (phần tử) có thể là:

- Va chạm đàn hồi: tổng động năng của các hạt trước khi va chạm vẫn được duy trì dưới dạng động năng sau khi va chạm

- Va chạm không đàn hồi: một phần của tổng động năng trước khi va chạm chuyển hóa thành một dạng năng lượng khác

a) Va chạm đàn hồi

 Phương trình động lượng

  1

' 2 2

' 1 1 2

2 1

 Phương trình năng lượng

  2 2

1 2

1 2

1 2

2 2

2

' 1 1

2 2

2 1

' 1

1 2

1

2 1

' 1

2

1

V m W

V m

m

m

m V









 Phần tử 2:

2

' 2 2

' 2

1 2

1

1

' 2

2 1

2

V m W

V m

m

m V

' 2

' 1

' 1

V V

W V

* TH2: m1 << m2

0

; 0 2

;

' 2

1 2

1

' 2

1

' 1 1

1 2

2

' 1

m V

W W

V

V m

m V

Va chạm giữa điện tử và phân tử/nguyên tử  tích lũy động năng

' 1 1 2

2 1

 Phương trình năng lượng

  * * 2

1 2

1 2

1 2

2 2

2

' 1 1

2 2

2 1

' 1

2 1 1

2

1

V m

m V

V m

Wi

 Từ (*)

 2 0 

2

' 1 1 1

m V

' 1

2 1 1

2

1

V

V m

m V

V m

Wi

 Xác định (Wi)max =?

0

' 1

 

2 1

2

2 1 1 max

' 1 2

1

1 1

' 2 2

1

1 1

'

1

' 1

1 2

1

' 1

2 1

;

2 2

2

m m

m V

m W

V m

m

V

m V

m m

V

m V

V

V m

m V

* TH1: m1  m2

2 1 1

max

4

1

V m

* TH2: m1 << m2

2 1 1

max

2

1

V m

- Các ion chỉ có thể truyền ½ động năng của nó cho phân tử/nguyên tử sau va chạm

- Các điện tử có thể truyền toàn bộ động năng

 Nhận xét: chuyển động trong điện trường, điện tử tích lũy động năng  khi va chạm không đàn hồi, điện tử truyền toàn bộ động năng cho các phần tử trung hòa  tăng xác suất gây ion hóa  tăng số lượng điện tử tự do

11 Phóng điện trong khe hở không khí

 Trong các thiết bị cao áp, tồn tại nhiều hình dáng khe hở không khí khác nhau  nhiều loại điện trường khác nhau  không thể thiết kế cách điện theo từng hình dạng cụ thể (tốn thời gian và chi phí)

 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 không đều)

a Các hệ thống điện cực tiêu biểu

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)

 Đặc tính điện áp-thời gian

U

t

UW

UW: điện áp chịu đựng U> UW: phóng điện

U  UW: không phóng điện

 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) (do xuất hiện phóng điện vầng quang)

 Khe hở cầu có thể được sử dụng làm dụng cụ đo điện áp phóng

điện của không khí

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 (-) (do sự xuất hiện của điện tích không gian)

 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)

d Phóng điện ở điện áp xung

* Khái niệm chung

 Do sét đánh gây nên với

biên độ rất lớn và thời gian tồn tại ngắn

 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

theo lý thuyết

 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

 Thời gian trễ trong phóng điện

 Thời gian phóng điện

tBD = 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

* Đặc tính điện áp-thời gian của cách điện

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

điện áp tác dụng 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

* Ứng 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

e Phóng điện trong điện trường không đều

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

ln(

11

)exp(

11

)exp(

0

0 0

dx

dx dx

 Điều kiện chuyển từ thác điện tử sang dòng điện tử

) exp(

10 27

, 5

2 / 1

0

7

cm

V p

x

dx E

c

x x

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

f Phóng điện vầng quang

 Là một dạng phóng

điện tự duy trì xảy ra

trong điện trường

* Nguyên lý phóng điện vầng quang

 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

* Dòng điện vầng quang

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

sin chuẩn giữa hai điện cực  không tổn hao

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

 tổn hao

* 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

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

trạng bề mặt điện cực  nhân hệ số phụ thuộc điều kiện môi trường

) ,

( ln

2 ,

r

d r

* Công suất tổn hao vầng quang

pha km

kW U

U d

r f

U vq 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

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 40oC 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

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

10010

1,

553

1323

0052,

025

50925

,0243

)/

(10

25243

5 2

5 2

pha kW

pha kW

L U

U d

r f

vq vq

Công suất tổn hao vầng quang khi thời tiết mưa bão

)/

(847

10010

1,558

,

03

1323

0052,

025

50925

,0243

)/

(10

25243

5 2

5 2

pha kW

pha kW

L U

U d

r f

vq vq

13 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, điện áp phóng điện (hoặc thử

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

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 tuyệt đối và mật độ

không khí tương đối h/

w: số mũ có giá trị bằng m

k = f(h/)

* Số mũ m và w

  g f

w

Với:

k L

U B: điện áp phóng điện 50% (kV) tại điều kiện thực Trong

trường hợp kiểm tra điện áp chịu đựng, U B 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

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 taị 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/

 điện áp phóng điện giảm

14 Cách điện khí nén ở áp suất cao

 Điện áp phóng điện của chất khí tăng khi áp suất khí tăng

 Điện áp phóng điện đạt giá trị bảo hòa khi áp suất đạt giá trị tới

hạn