Kỹ thuật cao áp - Chương 4 docx

http://www.ebook.edu.vn Chơng IV Phóng điện xung kích Các chơng trên đã nghiên cứu quá trình phóng điện (chọc thủng) trong khe hở khi điện áp tác dụng là điện áp một chiều và xoay chiều. Trong thực tế, cách đienẹ còn có thể phải chịu tác dụng của loại điện áp xung kích, ví dụ nh quá điện áp khí quyển gây nên bởi các phóng điện sét lên đờng dây trên không (hoặc khi sét đánh gần khu vực đờng dây). Loại điện áp này có dạng sóng xung kích: Điện áp tăng nhanh từ không đến trị số cực đại ( đầu sóng) và sau đó giảm chấm đến trị số không (dòng sóng). Hình 4-1 cho dạng sóng xung kích và cách xác định độ dài đầu sóng ds và độ dài s . Do phần đầu của đầu sóng tăng rất chậm và không có ý nghĩa quan trọng đến quá trình phóng điện neen nó đợc thay thế bằng đầu sóng nghiêng đẳng trị xác định bởi đờng xiên góc qua các điểm có tung độ 0,3 U ma x và 0,9 U ma x , giao điểm của đờng xiên này với trục hoành và đờng nằm ngang qua biên độ cho độ dài đầu sóng ds . Độ dài đầu sóng ds tính tới khi điện áp giảm xuống chi rcòn một nửa trị số biên độ. Quy định này xuất phát từ kết quả thực nghiệm, khi điện áp đã giảm tới mức 50 % trị số biên độ sẽ không còn khả năng gây nên phóng điện do đó có thể không cần chú ý đến tình hình ở phần sau của sóng. Trị số điện áp phóng điện xung kích phụ thuộc vào dạng sóng- đặc trng bởi độ dài đầu sóng và độ dài sóng - cho nên khi dùng điện áp xung kích để thử nghiệm cách điện cần tiến hành theo dạng sóng thống nhất. Theo quy ớc Quốc tế, dạng sóng tiêu chuẩn có độ dài đầu sóng 1,2 s 30 % và độ dài sóng 50s 20 % . ở Liên xô dùng sóng tiêu chuẩn với độ dài đầu sóng 1,5 s và độ dài sóng 10 s ( ký hiệu là sóng 1,5/40). Trong các phòng thí nghiệm thờng dùng máy phát điện áp xung đẻ tạo nên điện áp xung kích mà nguyên lý làm việc của nó là dựa trên các quá trình nạp và phóng của tụ điện. Để có điện áp xung kích có thể tiến hành bằng cách dùng nhiều tụ điện, chúng đợc nạp điện song song nhng khi phóng điện lại phóng nối tiếp làm cho điện áp tăng cao theo kiểu nối cấp. Hình 4-2 cho sơ đồ cụ thể của máy phát điện áp xung kích. 0,1U max U U max 0,3U max 0,2U max đs t s Hình 4-1 Cách xác định độ dài sóng và độ dài đầu sóng T R bv k A 2 R n B 2 R n C 2 N 2 kH 0 R 0 R ô R ô C A + C B C n C P _ kH 1 kH 2 kH 3 R P A 1 R n B 1 R n C 1 N 1 http://www.ebook.edu.vn Hình 4-2 Sơ đồ máy phát điện áp xung kích T- Máy biến áp thí nghiệm. KH KH KH 12 3 , khe hở phóng điện K- đèn chỉnh lu cap áp R n - điện trở nạp điện - C A , CC BN tụ điện nạp điện R - điện trở ổn định R bv - điện trở bảo vệ R p - điện trở phóng điện C p - tụ điện phóng điện Giai đoạn nạp: Qua máy biến áp T và chỉnh lu K các tụ điện C A , C B C N đợc nạp tới điểm U và khi quá trình nạp kết thúc thì điểm A 2 , B 2 N 2 có điện thế U còn các điểm A 1 , B 1 N 1 có điện thế bằng không (nối đất). Giai đoạn phóng: Nếu chọn khoảng cách của khe hở KH 1 sao cho ở điện áp U có thể phóng điện đợc thì sau khi phóng điện, thế của điểm B 1 sẽ tăng vọt tới mức U và nh vậy thế của điểm B 2 sẽ tăng tới mức 2U ( ) UUU U BBCB2 1 2=+ =. Khe hở KH 2 đợc chọn cho phóng điện ở điện áp 2U và sau khi nó phóng điện sẽ làm cho thế điểm C 1 tăng từ không tới mức 2U và của điểm C 2 tăng từ U tới mức 3U. Nh vậy nếu dùng n cấp để các tụ điện trong giai đoạn phóng đợc ghép nối tiếp nhau qua các khe hở KH 1 KH 2 thì điện áp xung kích ở đầu máy phát có thể đạt tới mức nU. Hiện nay các máy phát điện áp xung kích đã có thể tạo đợc điện áp cao tới 8MV. Các phân tử còn lại trong sơ đồ làm nhiệm vụ bảo vệ và điều chỉnh, ở đây không xét đến. Đ . 1-2. Thời gian phóng điện. Khi dùng điện áp một chiều hay xoay chiều thì trị số điện áp phóng điện không phụ thuộc vào thời gian tác dụng của điện áp. Nhng đối với điện áp xung kích, trị số điện áp phóng điện phụ thuộc rất nhiều vào thời gian tác dụng của điện áp thời gian này càng bé thì điện áp phóng điện càng tăng. Nguyên nhân chủ yếu của hiện tợng này là do bản thân quá trình phóng điện đòi hỏi phải có khoảng thời gian cần thiết gọi là thời gian phóng điện. Nh phần sau sẽ thấy thời gian này rất bé nhỏ so với chu kì của dòng điện xoay chiều nên thời gian tác dụng của điện áp (một chiều và xoay chiều) không ảnh hởng tới trị số điện áp phóng điện. Đối với đienẹ áp xung kích, thời gian tồn tại của nó rất ngắn nh loại quá điện áp khí quyển chỉ trong khoảng mấy chục s trửo lại nghĩa là xấp xỉ với thời gian phóng điện, do đó thời gian tồn tại của điện áp ảnh hởng rất lớn đến trị số điện áp phóng điện. Ví dụ cho tác dụng lên khe hở điện áp có dạng nh trên hình 4-3 và giả thiết tại mức điện áp U 0 điều kiện phóng điện tự duy trí đợc thực hiện ( xác định theo định luật phóng điện ở các chơng trên). Trớc thời điểm t 1 và ngay cả ở t 1 cũng cha có thể phóng điện vì trớc hết phải có có xuất hiện ít nhất là một điện tử tác dụng ở khu vực âm cực, từ đó tạo nên thác điện tử thứ nhất. Điện tử này có thể đợc tạo nên do sự bắn phá âm cực của các ion dơng luôn có sẵn trong không khí hoặc do các nhân tố ion hoá bên ngoài Nh vậy quá trình phóng điện không thể bắt đầu từ thời điểm t 1 mà phải từ thời điểm t 2 = t 1 + t 1tk trong đó t 1k là thời gian chờ đợi xuất hiện các điện tử U U 0 t 1 t 2 t 3 t t tk t ht t p Hình 4-3 Các thành phần của thời gian phóng điện http://www.ebook.edu.vn tác dụng đầu tiên. Vì thời gian này rất tản mạn, có thể nhanh chậm khác nhau và chỉ có thể xác định bằng phơng pháp thống kê nên gọi là thời gian chậm trễ thống kê. Quá trình phóng điện đợc hoàn thành ở thời điểm t 3 = t 2 + t ht trong đó t ht là thời gian hình thành phóng điện, trong khoảng thời gian này thác điện tử sẽ phát triển thành dòng để nối liền khoảng cực và hoàn thành quá trình phóng điện. Tổng hợp ba thành phần thời gian nói trên sẽ đợc thời gian phóng điện: tttt ptkht =+ + 1 (4-1) Sau đây sẽ xét đến từng thành phần của thời gian phóng điện và các yếu tố ảnh hởng đến chúng. 1. Thời gian chậm trễ thống kê. Có thể xác định đợc trị số của thời gian chậm trễ thống kê bằng phơng pháp thực nghiệm: Trong điều kiện trờng không lớn (không có bức xạ điện tử từ mặt điện cực) vfa khoảng cách khe hở bé (dới 1 cm) thời gian hình thành phóng điện sẽ rất bé không đáng kể và thời gian chậm trễ thống kê có trị số gần bằng thời gian phóng điện. Do tính chất tản mạn nên cần đa ra khái niệm về thời gian chậm trễ thống kê trung bình (t tk ) trb . Với lập luận tơng tự nh khi xác định quy luật phân bố của đoạn đờng tự do sẽ đợc quy luật phân bố của thời gian chậm trễ thống kê trung bình: () pe t t tk tr b = . (4-2) Mà p là xác suất có thời gian chậm trễ thống kê lớn hơn hoặc bằng t. Xuất phát từ định nghĩa và bản chất của thời gian chậm trễ thống kê, có thể thấy nó phụ thuộc vào khá nhiều yếu tố, ở đây chỉ nêu lên các yếu tố quan trọng: a) Nhân tố ion hoá bên ngoài. Nếu nhân tố này tác dụng với cờng độ mạnh thì t tk giảm vì điện tử tác dụng đợc xuất hiện sớm (chiếu mặt điện cực bằng tia sóng ngắn). b) Công thoát của vật liệu làm điện cực. Điện cực chế tạo bằng vật liệu có công thoát bé sẽ làm giảm thời gian chậm trễ thống kê vì với cờng độ ion hoá bên ngoài không đổi số điện tử đợc giaỉ thoát từ mặt âm cực tăng nhiều hơn. Hình 4-4 cho kết quả thực nghiệm về quan hệ giữa thời gian chậm trễ thống kê với công thoát của các vật liệu dùng làm điện cực. c) Điện áp. Tăng điện áp cũng có tác dụng làm giảm thời gian chậm trễ thống kê vì khi trờng mạnh khả năng khuyếch tán cũng nh kết hợp của điện tử với các phân tử để trở thành ion âm giảm, đồng thời khả năng ion hoá của nó tăng lên. Thực nghiệm cho thấy, trong trờng đồng nhất với cờng độ của nhân tố ion hoá bên ngoài không đổi thì khi tăng điện áp thời gian chậm trễ thống kê sẽ giảm tới mức ổn định (hình 4-5). Điều này đợc giải thích bởi khi điện áp đạt đợc mức khá lớn U U 0 18 , , trờng tăng cao sẽ đảm cho mọi điện tử tự do đều có thể gây ion hoá nghĩa là thành điện tử tác dụng. 5 t c 3 2 1,0 0,7 0,5 0,3 0,2 0.1 0.07 0,05 0,03 0,02 0,01 0 1 2 3 4 5 6 3t Hình 4-4 Quan hệ của thời gian chậm trễ thống kê với công thoát của vật liệu c u o c u Ag Al Mg http://www.ebook.edu.vn Cần chú ý trong trờng không đồng nhất, thời gian chậm trễ thống kê có trị số bé nhất ít phụ thuộc vào nhân tố ion hoá bên ngoài vì cờng độ trờng ở phía điện cực mũi nhọn khá lớn có thể gây ion hoá ngay trớc khi điện áp đạt tới trị số điện áp phóng điện, do đó ở đấy luôn luôn có điện tử tự do. Việc giảm bớt thời gian chậm trễ thống kê có ý nghĩa rất quan trọng trong một số trờng hợp thực tế. Trong cầu đo lờng, chống sét van , để ]ờng đặc tính vôn - giây đạt đợc dạng phẳng ngang thờng dùng biện pháp chiếu mặt điện cực (dùng đèn thuỷ ngân thạch anh hoặc các nguyên tố phóng xạ khác) hoặc tạo các phóng điện tia lửa đặt gần khe hở. 2. Thời gian hình thành phóng điện. Thời gian này gồm ba giai đoạn: - Giai đoạn thác điện tử đầu tiên phát triển tới độ dài x k chuẩn bị điều kiện cho việc hình thành dòng. - Giai đoạn phát triển của dòng tới suốt chiều dài khoảng cực. - Giai đoạn của phóng điện ngợc. Giai đoạn thứ ba phát triển vơi tốc độ cực nhanh nên có thể bỏ qua thời gian của nó. Tốc độ phát triển của thác thực chất là tốc độ của điện tử. Tốc độ phát triển của dòng nhanh hơn nhiều so với tốc độ của điện tử ( 2ữ 10 lần) do có xuất hiện nhiều thác mới ở khu vực đầu dòng. Tuỳ thuộc vào tơng quan giữa các giai đoạn phát triển của thác và dòng có thể dùng cách tính gần đúng để xác định thời gian hình thành phóng điện trong từng trờng hợp cụ thể. Trong trờng đồng nhất, khi điện áp tác dụng gần bằng trị số, điện áp phóng điện, thác điện tử đầu tiên phải phát triển tới mức dài gần bằng chiều dài khoảng cực thì mới có điều kiện hình thành dòng, do đó thời gian hình thành phóng điện thực tế bằng khoảng thời gian phát triển của thác. t s v ht c (4-3) Trong đó v c là tốc độ củat điện tử, phụ thuộc vào cờng độ trờng và áp suất khí nh trên hình 4-6 (khi nhiệt độ giữ không đổi). Trong trờng không đồng nhất độ dài x k của thác điện tử đầu tiên rất bé so với chiều dài khoảng cực ( x k < s) nên thời gian hình thành phóng điện sẽ là khoảng thời gian phát triển của dòng và có thể viết. t s v ht d (4-4) Theo số liệu của Bête, tốc độ của dòng tơng 2,4 Sắt Bạc 2,2 Đồng 2,0 Nhôm Ôxít - Đồng 1,8 Điện tử 1,6 1,4 5cm 1,2 =1,1cm 1,0 0,01 2 3 45 6 8 0,1 2 3 4 5 6 8 1 2 3 4 5 6 8 10 2 3 4 5 6 8 100 Hình 4-5 Quan hệ của thời gian chậm trễ thống kê với điện áp cm/s 2.10 7 U 3 1 0 30 40 50 60 V/cm mmHg Hình 4-6 Quan hệ củatốc độ điện tử theo tỷ số E/p khi nhiệt đ môi trờng không khí t = 20 0 C http://www.ebook.edu.vn đơng v d + (dòng phát triển từ phía cực dơng) và của dòng âm v d cảu các loại điện cực khác nhau cho ở bảng 4-1. Bảng 4-1 Tốc độ phát triển của dòng của các loại điện cực khác nhau. Khe hở Mũi nhọn Cầu cực bản E ma x / min E 100 13,5 vcm s d + / 2,5. 10 7 10 8 vcm s d / 2. 10 6 2,5.10 7 Từ bảng số thấy rằng, khi độ không đồng nhất củaổtờng tăng thì tốc độ của dòng giảm do trong quá trình phát triển dòng càng đi sâu vào khu vực khu vực có trờng yếu; cũng với lý do đó khi khoảng cách giữa các điện cực cũng tăng( trờng càng không đồng nhất) thì thời gian thình thành phóng điện càng kéo dài. Tốc độ phát triển của thác cũng nh của dòng đều tăng theo điện áp và do đó làm giảm thời gian hình thành phóng điện. Sự phát triển của dòng là do có nhiều thác mới mà sự hình thành của chúng lại phụ thuộc vào thời gian chờ đợi xuất hiện các điện tử thứ cấp, tuy thời gian này rất bé so với thời gian chậm trễ thống kê của thác đầu tiên; điện tích không gian phân bố không theo quy luật nhất định; đặc biệt trong các khoảng cách dài quỹ đạo phóng điện không thei đờng thẳng v.v những nguyên nhân này đều làm chi thời gian hình thành phóng điện cũng bị tản mạn và có tính chất thống kê. Đ4-3. Phóng điện xung kích. Sau khi xét về thời gian phóng điện thấy rằng trị số điện áp phóng điện xung kích phụ thuộc vào thời gian tác dụng của điện áp, thời gian càng ngắn thì yêu cầu trị số điện áp càng cao. Do đó đối với phóng điện xung kích không thể biểu thị điện áp phóng điện xung kích không biểu thị điện áp phóng điện bằng trị số cố định mà biểu thị bởi đặc tính vôn - giây - quan hệ giữa biên độ điện áp tác dụng với thời gian phóng điện. Đặc tính này đợc xác định bằng thực nghiệm theo sơ đồ hình 4-7. Nguồn điện áp là máy phát điện xung áp và dùng máy hiện sóng để đo điện áp và thời gian phóng điện (máy hiện sóng không thể đo trực tiếp mà phải qua bộ phân áp). Xây dựng đặc tính vôn - giây rất công phu và phức tạp. Phải dùng dạng sóng nhất định và do tính tản mạn của thời gian phóng điện nên phải tiến hành thí nghiệm nhiều lần cho mỗi cặp trị số U(t). PA MHS Hình 4-7 Sơ đồ nguyên lý để xác định đặc tính vôn - giây bằng phơng pháp thực nghiệm. MPX - máy phát điện xung áp KH- khe hở, PA - phân áp MHS- Máy hiện sóng MPX KH http://www.ebook.edu.vn U u U t t t a) b) c) Hình 4-8 Cách xây dựng đặc tính vôn - giây Hình 4-8 cho kết quả thực nghiệm và cách xây dựng đặc tính von - giây của cách điện. Hình 4-8a ứng với các trờng hợp phóng điện xảy ra ở giai đoạn đầu sóng khi điện áp cso biên độ lớn còn hình 4-8b là biên độ bé phóng điện xảy ra ở đuôi sóng. ứng với mỗi trị số biên dộ điện áp sẽ có nhiều trị số của thời gian phóng điện và ngợc lại cho nên đặc tính vôn - giây là một khu vực tập hợp nhiều điểm ( hình 4-8c). Thực tế thờng biểu thị theo đờng cong trung bình có kèm theo giới hạn sai số so với đờng trung bình ấy. Trong phóng điện xung kích không những chỉ có thời gian phóng điện mà cả khả năng phóng điện cũng mang tính tản mạn. đặc điểm này đợc biểu thị bằng xác suất về số lần phóng điện, nó phụ thuộc rất nhiều vào biên độ điện áp tác dụng: biên dộ càng lớn thì xác suất phóng điện càng cao. Trong thực tế thờng dùng các trị số điện áp phóng điện theo các xác suất phóng điện sau đây để biểu thị mức cách điện xung kích (khi không xây dựng đợc đặc tính vôn - giây): - Trị số điện áp phóng điện xung kích 50 %, con fgọi là điện áp phóng điện bé nhất (ký hiệu U 50 % ), là biên độ sóng xung kích khi cho tác dụng nhiều lần sẽ có 50% số lần xảy ra phóng điện. Trị số này ứng với đoạn nằm ngang của đờng đặc tình vôn - giây và có thời gian phóng điện khoảng 6 ữ10 s. - Cờng độ xung kích đảm bảo, là giới hạn an toàn của cách điện với xác suất phóng điện bằng không. Trị số này thờng bé hơn điện áp thí nghiệm xung kích(khi thử nghiệm) khoảng 10 ữ 30 %. - Cần chú ý là các đờng đặc tính và tham số nói trên có phân biệt theo cực tính của sóng (sóng có cực tính âm hay dơng). Đờng đặc tính vôn - giây cũng có dạng khác nhau khi trờng là đồng nhất hoặc không đồng nhất ( hình 4-9). Trong trờng không đồng nhất, thời gian phóng điện tăng khi điện áp giảm vì tốc độ hình thành phóng điện giảm thấp và do đó đờng đặc tính vôn giây có độ dốc lớn ( đờng a trên hình 4-9). Ngợc lại trong trờng đồng nhất , sự tăng của thời gian phóng điện khi điện áp giảm chủ yếu là do thời gian chậm v a b s Hình 4-9 Đặc tính vôn - giây khi trờng đồng nhất và không đồng nhất http://www.ebook.edu.vn trễ thống kê tăng, do đó nếu khe hở đợc đặt ngoài không khí ( các điện tử tự do luôn có sẵn do tác dụng của các nhân tố ion hoá bên ngoài) hoặc có các biện pháp thích hợp, thời gian chậm trễ thống kê sẽ đợc rút ngắn và nh vậy đờng đặc tính vôn - giây sẽ có dạng phẳng ngang( đờng b trên hình 4-9). v v s 1 s 1 s 2 s 2 s s a) b) Hình 4-10 Sự phối hợp về đặc tính vôn - giây trong bảo vệ cách điện a) Cách điện đợc bảo vệ an toàn b) Cách điện không đợc bảo vệ Đờng đặc tính vôn - giây có ý nghĩa rất quan trọng trong việc phối hợp cách điện giữa thiết bị điện và thiết bị bảo vệ cho nó. Trên hình 4-10, đặc tính vôn - giây của thiết bị (của cách điện ) biểu thị bằng đờng s 1 và của thiết bị bảo vệ, bằng đờng s 2 . Có thể nhận thấy nh trên hình 4-9a thiết bị điện sẽ đợc bảo vệ an toàn vì khi có điện áp tác dụng, thiết bị bảo vệ (s 2 ) sẽ đảm bảo phóng điện trớc tiên, còn ở hình 4-10b khi đờng s 1 có giao chéo với đờng s 2 , hoặc đờng s 1 lại nằm phía dới đờng s 2 thì thiết bị điện sẽ không đợc bảo vệ. Từ đó suy ra, để bảo đảm an toàn cho cách điện thiết bị bảo vệ cần phải có đờng đặc tính vôn - giây hoàn toàn nằm dới đờng đặc tính vôn - giây của cách điện và có dạng phẳng ngang để không xảy giao chéo ở khoảng thời gian bé, thực tế thờng dùng các biện pháp làm đều điện trờng để thiết bị bảo vệ có đặc tính vôn - giây theo yêu cầu trên ( xem chơng XX về cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị chống sét). . PA MHS Hình 4- 7 Sơ đồ nguyên lý để xác định đặc tính vôn - giây bằng phơng pháp thực nghiệm. MPX - máy phát điện xung áp KH- khe hở, PA - phân áp MHS- Máy hiện sóng MPX KH. 2 3 4 5 6 8 1 2 3 4 5 6 8 10 2 3 4 5 6 8 100 Hình 4- 5 Quan hệ của thời gian chậm trễ thống kê với điện áp cm/s 2.10 7 U 3 1 0 30 40 50 60 V/cm mmHg Hình 4- 6 Quan. http://www.ebook.edu.vn Hình 4- 2 Sơ đồ máy phát điện áp xung kích T- Máy biến áp thí nghiệm. KH KH KH 12 3 , khe hở phóng điện K- đèn chỉnh lu cap áp R n - điện trở nạp điện - C A , CC BN