Giáo trình Cao áp - Chương 2

Phần I

Chơng 2 : Phóng điện xung kích
1


Kỹ thuật điện áp cao PDF by
Chơng 2 : Phóng điện xung kích
2.1 Máy phát điện áp xung kích
2.1.1 Mở đầu
Trong giáo trình vật liệu điện đã trình bày các nghiên cứu quá trình phóng điện trong chất vật liệu cách điện (phóng
điện đánh thủng) dới tác dụng của điện áp xoay chiều và một chiều. Nếu chúng ta đặt lên một mẫu vật liệu cách điện
một điện áp tăng dần, chẳng có loại vật liệu nào có thể chịu tác dụng đợc một điện áp tăng mãi. Bắt đầu từ một giá trị
điện áp nào đó, cách điện bị phá huỷ với việc hình thành một kênh dẫn xuyên suốt khối điện môi. Cơ chế phóng điện điện
môi rất là phức tạp. Nó phụ thuộc vào dạng điện áp, thới gian đặt điện áp.
Trong thực tế cách điện còn phải chịu tác dụng của điện áp xung kích (thời gian tác dụng ngắn hơn nhiều lần so với
điện áp xoay chiều và một chiều).
Loại điện áp này xuất hiện do quá điện áp khí quyển gây nên bởi các phóng điện sét và có dạng sóng xung kích :
điện áp tăng nhanh đến giá trị cực đại (phần đầu sóng) sau đó giảm dần đến trị số không (phần đuôi sóng).
Điện áp tác dụng trong mạng điện có thể chia thành 3 nhóm theo dạng của điện áp đặt :
9 điện áp xoay chiều tần số công nghiệp
9 quá điện áp thao tác
9 quá điện áp khí quyển
Đối với điện áp tần số công nghiệp chẳng có vấn đề khó khăn gì khi mô phỏng. Ngời ta dùng các máy biến áp thí
nghiệm tăng áp hoặc một số máy biến áp nối cấp (cascade).
Quá điện áp thao tác dễ mô phóng hơn vì hình dạng và biên độ của chúng khó có thể xác định đợc một dạng sóng
mẫu. Nhiều nhất là chúng ta chỉ có thể chỉ ra rằng sóng quá điện áp khí quyển đạt giá trị biên độ trong khoảng thời gian từ
hàng chục microco giây đến hàng trăm mili giây.
Nhng hoàn toàn không phải nh vậy đối với quá điện áp khí quyển, nơi mà dạng sóng phụ thuộc vào đặc tính của

cú sét đánh xuống.
Để thí nghiệm các cách điện bằng điện áp xung kích, ngời ta sử dụng các máy phát xung điện áp cho phép tạo ra
điện áp cao có dạng thay đổi đợc. Các máy phát xung này đặc trng bởi :
9 giá trị đính thay đổi từ kV đến 10 MV;
9 thời gian tăng từ nano giây đến mili giây
9 thời gian giảm hoặc thời gian đến khi khe hở bị phóng điện từ 100 ns đến 1s.
Tồn tại hai dạng máy phát xung
9 máy phát xung điện áp để tạo ra điện áp xung kích cao áp
9 máy phát xung dòng điện để tạo ra dòng xung kích có biên độ rất lớn
2.1.2. Điện áp xung chuẩn
Trong các phòng thí nghiệm cao áp, quá điện áp đợc mô tả bởi các xung điện áp dới dạng hai hàm mũ


Phần I

Chơng 2 : Phóng điện xung kích
2


Kỹ thuật điện áp cao PDF by

=


f
t
q
t
f
cr
T
q
cr
T
ee
ee
Ucr
tu


)(
(2. 1)
trong đó : U
cr
biên độ của sóng quá điện áp đạt tới ở cuối thời gian T
cr
,

q
hằng số thời gian đuôi sóng

f
thời gian đầu sóng

t

u(t)

U
cr

0.5U
cr

T
cr

T
2
T
90

T
30


Sóng điện áp xung kích đặc trng bởi hai tham số sau :
9 Thời gian đến khi điện áp giảm còn nửa giá trị biên độ T
2

9 Thời gian ớc lệ của đầu sóng

Do phần đầu của sóng tăng rất chậm và không có ý nghĩa quan trọng đến quá trình phóng điện nên nó đợc thay
thế bằng đầu sóng nghiêng đẳng trị bởi một đờng xiên góc qua các điểm có tung độ 0,3Umax và 0,9Umax. Giao điểm
của đờng xiên này với trục hoành và đờng nằm ngang qua đỉnh cho độ dài đầu sóng và ký hiệu bằng

đs. Độ dài sóng

s tính tới khi điện áp giảm xuống còn 50% trị số biên độ. Quy định này xuất phát từ kết quả thực nghiệm là khi biên độ
điện áp giảm chỉ còn một nửa trị số biên độ sẽ không còn khả năng phóng điện do đó không cần chú ý đến.
Nếu T
90
là thời gian cần thiết để điện áp đạt 90% giá trị biên độ và T
30
là thời gian tơng ứng với 30% giá trị biên độ.
Khi đó ta có :
( )
30901
67,1 TTT =

Định nghĩa này chính xác hơn thời gian T
cr
, bởi vì dạng sóng xung kích này không phải lúc nào cũng dễ dàng có
đợc trên máy hiện sóng, gốc toạ độ thờng rất mờ nhạt bởi các giao động nhiễu. Hơn thế nữa đỉnh của sóng không phải
thơng xuyên bằng phằng, thời điểm khi sóng đạt giá trị đỉnh rất khó xác định chính xác.
Sóng sét thờng rất khác nhau về biên độ và hình dạng.
Trị số điện áp phóng điện xung kích còn phụ thuộc vào dạng sóng cho nên khi dùng điện áp xung kích để thí
nghiệm cách điện cần tiến hành theo một dạng sóng thống nhất.
Sóng xung kích tiêu chuẩn có độ dài phần đầu sóng [CEI Publication 60] T
1
=1,2

s

30% và độ dài sóng (khi điện
áp giảm còn một nửa trị số biên độ) T
2
=50

s

20%. Dạng sóng này đợc quy ớc viết nh sau 1,2 /50 s.
2.1.3. Xung quá điện áp thao tác (switching impulse):


Phần I

Chơng 2 : Phóng điện xung kích
3


Kỹ thuật điện áp cao PDF by
Về quá điện áp thao tác, chúng có thể đợc thể hiện bởi xung chuẩn hoá 250/2500s [CEI Publication 60]
t
u(t)
U
cr
0.5U
cr
T
cr
T

h

Xung quá điện áp thao tác 250/2500

s.
9 Thời gian đấu sóng (thời gian tăng đến giá trị đỉnh)
T
cr
=250

50

s.
9 Thời gian của đuôi (thời gian giẩm đến giá trị nửa
biên độ) T
h
=2500

1500

s.
2.1.4. Xung sét (lightning impulse)
Xung sét chuẩn 1,2/50

s..
9 Thời gian đấu sóng (thời gian tăng đến giá trị đỉnh) T
1
=1,2

0,36

s.
9 Thời gian của đuôi (thời gian giảm đến giá trị nửa biên độ)
T
2
=50

10

s. O1 : gốc toạ độ quy ớc.


Trong thực tế khi sóng sét lan truyền trên đờng dây, có thể gây phóng điện trên cách điện của đờng dây nên
dạng xung điện áp còn có thể là các xung cắt
t
u(t)
1
0.9
0.5
0.3
0
0
1
T
c
0.7
0.1
A
B
C

D
t
u(t)
1
0.9
0.3
0
0
1
T
c
A
B
C
D
0.1

0.7



Xung cắt a) ở phần đầu sóng b) ở phần thân sóng.
2.2. Thiết bị tạo điện áp xung
2.2.1. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý làm việc của thiết bị tạo điện áp xung trong các phòng thí nghiệm cao áp (Máy phát điện áp xung -GIN)
9 các tụ điện cao áp đợc tích điện song song (nguồn cấp là MBA nối với lới điện)
9 cho tụ điện phóng điện nối tiếp
9 mạch giao động cộng hởng L-C
9 mạch trễ gồm các module L, C tập trung nối hình hoặc T bằng các sợi cáp.
2.2.2. Phân loại

Tồn tại một số sơ đồ máy phát xung khác nhau.
9 để tạo điện áp xung có độ dốc ban đầu rất lớn ngời ta chỉ sử dụng một cấp điện áp
9 để tạo điện áp lớn có dạng sóng tiêu chuẩn thờng sử dụng sơ đồ nhiều cấp.


Phần I

Chơng 2 : Phóng điện xung kích
2


Kỹ thuật điện áp cao PDF by
2.2.3. ứng dụng
Các thiết bị tạo xung đợc sử dụng trong các lĩnh vực sau :
9 thí nghiệm cách điện bằng điện áp xung kích
9 đánh lửa mỏ đốt dùng khí hoặc than nghiền
9 các ống phóng điện (flash có công suất lớn)
9 hàn xung
9 ăn mòn do điện
9 laser phóng điện
9 máy phát plasma
2.3. Máy phát xung điện áp
Máy phát xung nhiều cấp Marx, mang tên ngời phát minh ra nó Erwin Marx (1893-1980), hoạt động theo nguyên lý
của một hệ thống các tụ điện cao áp khi nạp điện song song nhng khi phongs điện lại nối tiếp. Điện áp đầu ra quyết định
trực tiếp bởi số tầng. Các máy phát xung áp có thể tạo ra các điện áp xung kích từ 10 kV đến 10 MV với thời gian tăng từ 1
ns đến1 ms và thời gian giảm hoặc bị cắt từ 100 ns đến 1 s. Các xung này có thể duy nhất hoặc lặp lại với quãng thời gian
10 ms đến vài phút.
2.3.1. Máy phát xung điện áp một tầng điện dung - điện trở
Sơ đồ máy phát xung một tầng gồm một máy biến áp, bộ chỉnh lu cao áp, các tụ điện và điện trở nh trên hình 2-5.

Redresseur
U
p
U
s
R
r
U
g
C
c
U
c

C
g
R
s2
R
s1
R
p

Hình 2.5. Máy phát xung điện áp một tầng điện dung - điện trở
C
g
là tụ xung, R
p
là điện trở song song, R
s1

là các điện trở nối tiếp đầu nguồn, và R
s2
là điện trở nối tiếp cuối nguồn,
C
c
là điện dung của đối tợng thí nghiệm.
Máy phát xung này hoạt động nh sau : trong khoảng thời gian đầu tiên (t<0 khi mà khoá công tắc mở), tụ điện Cg
ở chế độ nạp bằng nguồn máy biến áp cung cấp, chỉnh lu. Giai đoạn này có thể kéo dài vài giây đối với các máy phát
xung bé (năng lợng vài J) đến vài phút đối với các máy phát xung lứon hơn (năng lợng vài kJ). Giai đoạn thứ hai (t0)
khoá công tắc đóng, tụ điện C
g
phóng điện trong mạch gồm các phần tử R
p
, R
s1
, R
s2
et C
c
sẽ cho ta sóng xung kích.

2.3.2. Phơng trình mạch và dạng điện áp
Bây giờ chúng ta tính điện áp xung kích u
c
(t) từ mạch điện với các tham số và điện áp chỉnh lu một chiều ở thời
điểm phóng điện U
g0
.
Giả thiết trong giai đoạn phóng điện chúng ta có thể bỏ qua dòng điện nạp của nguồn cao áp chỉnh lu một chiều.

Phần I

Chơng 2 : Phóng điện xung kích
3


Kỹ thuật điện áp cao PDF by
Các phơng trình Kirchoff ở các nút có dạng :
ccspp
c
c
cg
g
g
ccsgsgcpg
uiRiR
dti
C
udti
C
u
uiRiRiii
+=
==
++=+=

2
21
1

;
1
u ;
(2. 2)
Ta có :
c
cc
s
cc
s
cc
p
s
p
c
sg
ccscc
p
s
p
c
sg
u
dt
duC
R
dt
duC
R
dt

duC
R
R
R
u
R
uiRii
R
R
R
u
R
++++=
++








++=
21
2
1
2
2
1
u

u
(2. 3)
Dòng điện i
g
:
dt
du
Cu
Rdt
du
R
CR
c
cc
p
c
p
cs
cpg
++=+=
1
iii
2
(2. 4)
Cuối cùng ta tính đợc :
dt
du
C
C
u

CRdt
du
R
CR
dt
c
g
c
c
gp
c
p
cs
g
=
1
du
2
(2. 5)
Cân bằng các phơng trình dẫn suất và sáp xếp theo trật tự đạo hàm bậc cao xuống thấp, chúng ta có phơng trình
vi phân của mạch nh sau :
0
1
11
.1
12
2
21
2
=+

++








++

++








c
p
c
p
s
g
p
s
c
c
ss
p
s
gc
u
Rdt
du

R
R
C
R
R
C
dt
ud
RR
R
RR
CC
(2. 6)
Ngắn gọn hơn ta có thể viết:
0
1
2
=++
c
p
cc
u
Rdt
du
B
dt
ud
A
(2. 7)
Dùng biến đổi Laplace trực tiếp thay thế hàm thời gian t bằng hàm tần số p với điều kiện ban đầu:

()
A
U
C
dt
du
Utu
g
g
t
c
c
0
0
0
00
=
===
=
(2. 8)
Biến đổi Laplace ngợc cho ta kết quả:
()
() ()
[]
ttg
g
ppU
A
C
tuc

210
expexp +=
(2. 9)
trong đó p
1
và p
2
là nghiệm của phơng trình:
0
2
=++ CBpAp
(2. 10)