Bài giảng Kỹ thuật cao áp: Chương 6 - TS. Nguyễn Văn Dũng

CHƯƠNG VI: PHÓNG ĐIỆN
CỤC BỘ
1. Giới thiệu
2. Điện trường trong bọc khí
3. Tác hại của phóng điện cục bộ

4. Mạch tương đương abc
5. Thông số của phóng điện cục bộ
6. Đo lường phóng điện cục bộ

TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


1. Giới thiệu
 Phóng điện cục bộ xảy ra trong các thiết bị được cách điện bằng hệ
thống rắn-khí hoặc rắn-lỏng hoặc cách điện rắn có chứa bọt khí

 Cường độ điện trường tăng cao trong chất lỏng hoặc khí trong khi chúng
có độ bền điện thấp hơn chất rắn  phóng điện trong chất khí hoặc lỏng
TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


 Phóng điện trong bọt khí do điện trường cao ăn mòn cách điện 
hình thành vết lõm  phát triển thành các kênh dạng nhánh cây 
phóng điện đánh thủng
HIGH VOLTAGE

TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.

2. Điện trường trong bọt khí
 Bọt khí dạng hình cầu

Evoid

3 r

Esolid
1  2 r

 Bọt khí dạng phẳng

Evoid   r Esolid
 Độ bền điện của không khí là 3 kV/mm, trong khi ứng suất điện
trường khi vận hành trong chất rắn 1-2,5 kV/mm  ứng suất điện
trường trong trong chất khí lớn hơn độ bền điện  phóng điện cục
bộ xảy ra ở điện áp vận hành
TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


3. Tác hại của phóng điện cục bộ
 Tại điện áp AC, ít nhất 1 lần phóng điện cục bộ xảy ra ở mỗi nữa chu kỳ
 lão hóa cách điện từ từ  phóng điện đánh thủng

 Sự lão hóa cách điện do PD xảy ra theo 3 cách:
- Bắn phá vách bọc khí bằng điện tử hoặc ion
- Nhiệt độ cao từ PD tăng phản ứng hóa học của vật liệu cách điện
rắn xung quanh lỗ rỗng

- Bức xạ từ PD sẽ phá vỡ liên kết của vật liệu cách điện hữu cơ

TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


4. Mạch tương đương của khối cách điện có bọt khí
 Sử dụng mạch tương đương abc
- a: điện dung phần vật liệu không có bọt khí

- b: điện dung phần vật liệu nối tiếp bọt khí
- c: điện dung bọt khí
- b < c và c<
TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


5. Thông số của phóng điện cục bộ
 Khi bắt đầu phóng điện trong bọt khí, điện áp trên bọt khí giảm từ giá trị bắt
đầu phóng điện Uto đến giá trị điện áp dư Uro

U c  U to  U ro
 Sự phóng điện trong bọt khí tương ứng với nguồn dòng có lượng điện tích qi
nối song song tụ c
 Do khối cách điện nối nối tiếp với tổng trở có cảm kháng lớn nên trong thời
gian phóng điện rất ngắn (10 ns), xem như không có dòng điện chạy trong
mạch ngoài  mạch tương đương trong khoảng thời gian này.

TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.

 Điện tích qi được tính như sau

ab 

qi  Ce1U c   c 
U c  c  b U c
ab

 b  c U to  U ro 
 a vì b<
 Điện tích qi không thể đo được nhưng độ sụt áp trên tụ a có thể đo được

b
b
U a 
U c  U c
ab
a

Uc
b
c

Ua
a

TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.

 Ngay sau khi phóng điện, dòng quá độ từ mạch ngoài sẽ phục hồi điện
áp trên khối vật liệu từ Ua-Ua lên Ua. Dòng điện này là kết quả của
lượng điện tích qs được cung cấp từ mạch ngoài

bc 

qs  Ce 2 U a   a 
U a  aU a
bc

 bU c  bU to  U ro 
Ua
b
a
c

 Điện tích qs (pC) gọi là điện tích biểu kiến và được dùng để đo độ lớn
của phóng điện cục bộ

TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


Ua

b
uco 
2U sin t
bc

b

a

Uc
c

u1

TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


 Điện áp đặt lên khối cách điện

uco 

b
2U sin t
bc
u1

ua  2U sin t
 Khi chưa phóng điện, điện áp trên bọc khí

b
uco 
2U sin t
bc
 Điện áp trên bọc khí khi phóng điện xảy ra u1 , khi bắt đầu chu kỳ điện
áp (t  t1)

u1  uco

TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


 Khi u1 đạt giá trị Uto, phóng điện xảy ra và u1 giảm một lượng Uc

b
u1 
2U sin t  U to  U ro 
bc

(t1< t < t2)

Uc

 Khi t = t2, u1 đạt giá trị Uto một lần nữa và phóng điện xảy ra. t2 có thể
xác định từ công thức

b
U to 
2U sin t2  U to  U ro 
bc

uco 

b
2U sin t
bc
u1

 Khi t > t2, u1 được xác định như sau:

b
u1 
2U sin t  2U to  U ro 
bc
TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


 Số lần phóng điện trong nửa chu kỳ (n): xác định bằng cách điều chỉnh
điện áp để phóng điện xảy ra tại thời điểm uco đạt cực đại

b
n.U c  2U ro  2
2U
bc
 b

2
2U  U ro 
bc

 (*)
n
U to  U ro
TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


* Chú ý:
đại

- công thức trên chỉ chính xác khi phóng điện xảy ra tại uco đạt cực
- giảm nhẹ điện áp: n giảm đi 1

- n phải là số nguyên nên giá trị sau khi tính toán không là số
nguyên  giảm n về số nguyên gần nhất

TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


 Khi điện áp tác dụng ngoài được tăng từ 0, phóng điện sẽ xảy ra khi giá
trị hiệu dụng của điện áp bằng giá trị bắt đầu phóng điện Ub. Lúc này có
2 lần phóng điện trong nửa chu kỳ và Uto được xác định (tăng đến Ub
thì điện áp trên c đạt Uto)

b
b  c U to
U to  2U b
 Ub 

bc
b
2
TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


 Sau khi phóng điện, giảm điện áp tác dụng đến khi không còn phóng
điện được giá trị điện áp tắt Us. Tuy nhiên, chỉ cần điện áp ngoài lớn
hơn Us, sẽ có 1 lần phóng điện xảy ra trong nửa chu kỳ khi điện áp đạt
giá trị cực đại  n = 1

Thay U = Us

 b

2
2U  U ro 
bc

 (*)
n
U to  U ro
b  c U to  U ro
 Us 

b
2 2

(với n = 1)

TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


 Điện áp xuất hiện trên bọt khí tương ứng với giá trị hiệu dụng Us của
điện áp ngoài được tính như sau:

b


2U sin t 

 uco 
bc



U to  U ro
b
2U s

bc
2
b  c U to  U ro
Us 

b
2 2
TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


 Năng lượng tiêu tán khi có 1 lần phóng điện trong bọc khí

1
1
2
W  Wtruoc PD  Wsau PD  Ce1U to  Ce1U ro2
2
2
1
ab  2 1 
ab  2

 c 
U to   c 
U ro
2 ab
2 ab
1
(với a>>c>>b)
 b  c  U to2  U ro2
2
1
 b  c U to  U ro U to  U ro 
2



mà:



qs  bU to  U ro 
b  c U to  U ro
Us 

b
2 2

W  2U s qs

TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.

 Tổn hao công suất do PD

2nW
P
 2nf 2U s qs
T

(n: số lần phóng
điện trong ½ chu kỳ)

TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


6. Đo lường phóng điện cục bộ
T.O: khối vật liệu cần
đo PD (test object)
Zm: tổng trở đo lường
Ck: tụ liên lạc (coupling
capacitor)
qs: nguồn cung cấp
điện tích (charge
injector)

Nguyên lý:
- Khi phóng điện xảy ra trong T.O, điện áp trên T.O giảm một lượng tương
ứng với lượng điện tích biểu kiến qs qua T.O.
- Xuất hiện điện áp rơi trên Zm thông thường được đo bằng dao động ký
- Lúc này điện tích trên tụ Ck sẽ bù vào độ sụt áp trên T.O và điện áp rơi Zm
sẽ bằng 0.

TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


 Mạch đo lường thực tế

TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


 Hiển thị kết quả

Bọt khí tại Ub

Mũi nhọn-cực bảng

Bọt khí tại 2Ub

TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


 Thiết bị

TS. Nguyễn Văn Dũng. 10/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.