Khái niệm
Phóng điện cục bộ là một quá trình phóng điện phát triển trong các vật liệu dưới tác dụng của điện áp và lan truyền chí trong một phần của khe hở cách điện. Đây là một dạng phóng điện không hoàn toàn, chỗ xấu phát triển nhanh và cuối cùng dẫn đến phóng điện đánh thủng
Phóng điện cục bộ có thể xuất hiện tại những chỗ yếu về cách điện, ví dụ trong các bọc khí hoặc tại những nơi cường độ điện trường tăng vọt như tại các canh nhọn của
điện cực. Nguy hiểm hơn cả là phóng điện cục bộ xảy ra trong các bọc khí vì phóng
điện cục bộ xuất hiện ở điện áp bé hơn nhiều so với trong những thành phần cách điện rắn và lỏng khác của kết cấu cách điện
Các vết rạn, nứt và các bọt khí, các bọc khí trong các vật liệu cách điện rắn là các chỗ thường gặp trong các kết cấu cách điện. Do hằng số điện môi của chất khí bé, cường độ
điện trường tại những nơi này lớn hơn so với trị số trung bình trong cách điện. Bởi vậy quá
trình ion hoá trong các bọc khí có thể xuất hiện sớm, ngay cả ở điện áp làm việc, và gây phóng điện cục bộ trong cách điện
11/08/15 Page 195
Khi xảy ra phóng điện cục bộ trong các túi khí, một số điện tử tích luỹ được năng lượng khi va chạm vào bề mặt điện môi có khả năng phá vỡ các liên kết hoá học. Hiện tượng này làm cho bề mặt giáp với bọt khí bị nóng lên và dẫn đến mất ổn định nhiệt.
Ngoài ra phóng điện cục bộ còn sinh ra một số sản phẩm như ozôn O3 hoặc NO2 gây sự ăn mòn vật liệu, sự thay đổi cấu trúc. Nếu phóng điện cục bộ tồn tại lâu dài có thể dẫn đến sự giảm sút các tính chất cách điện và phóng điện đánh thủng cả khối điện môi.
Vì vậy trong rất nhiều trường hợp, phóng điện cục bộ có vai trò quyết định để lựa chọn cường
độ điện trường làm việc và giới hạn cho phép đổi với cách điện
11/08/15 Page 196
Giả thiết trong một vật liệu cách điện rắn chiều dày d có chứa một bọc khí chiều dày t.
Chiều dày t nhỏ hơn rất nhiều chiều dày d của điện môi
d d1 Tói khÝ
d2 t
Cường độ điện trường trong bọt khí xác định bởi
εr: hằng số điện môi
Ea cường độ điện trường trong điện môi
a r
c E
E =ε
Khi điện áp trong bọt khí đạt trị số Uct, bọt khí sẽ bị phóng điện. Điện áp phóng điện cục bộ Uct xác định bởi
+ −
=
r o o
ct
ct d d
d E
U ε
Cường độ điện trường Ect tương ứng với điện áp phóng điện của chất khí trong điều kiện áp suất và nhiệt độ và được suy từ đường cong Pashen bằng công thức gần đúng sau
trong đó K là hằng số
7 . 0 3 . 0 p Kt
Ect = −
11/08/15 Page 197
Sơ đồ thay thế
Để giải thích các quy luật phát triển chủ yếu của phóng điện cục bộ chúng ta sử dụng sơ đồ thay thế của điện môi chứa bọc khí.
Cb của túi khí tham gia vào phóng điện cục bộ,
Cδ là điện dung của túi phần điện môi nối tiếp với túi khí, Ca là điện dung của phần còn lại của điện môi,
IP là khe hở phóng điện mô phóng phóng điện trong túi khí, R là điện trở của kênh phóng điện cục bộ trong túi khí
Cần xác định điện áp Ucb mà tại đó bắt đầu phóng điện cục bộ
Giả thiết ta đặt điện áp xoay chiều dạng u=Umsinwt
Trong trường hợp không có phóng điện cục bộ điện áp trên bọc khí ub tức là trên điện dung Cb
δ
ω δ
C C
C U U
t U
u
b bm m
bm
b = sin = +
Nếu Ubm ³Ub,ct trong đó Ub,ct là điện áp đánh thúng túi khí, thì sẽ xảy ra phóng điện trong bọc khí này tức là phóng điện cục bộ
Điều kiện xuất hiện phóng điện cục bộ Ubm = Ub,ct xảy ra khi điện áp U trên cách điện U
b ct b
b
cb C
C U C
U
U = = δ +
2
,
IP
11/08/15 Page 198
Để đánh giá các đại lượng Cb và Cd , có thể dùng các công thức tính điện dung của tụ điện phẳng sau
d là kích thước bọc khí dọc theo điện trường, d là chiều dày khối điện môi,
Sb diện tích của bọc khí theo chiều vuông góc với đường sức của điện trường, εrb và εri là hằng số điện môi của không khí và của cách điện
δ ε ε δ
ε ε
δ = −
= d C S
C S
k ri o
k rk
b o ;
Thay các trị số Cb và Cd và với giả thiết δ<<d, ta có
δ ε ε d U U
ri ct rb b
cb 2
= ,
Công thức trên đúng với cách điện bên trong điện trường đồng nhất.
Trong thực tế điện trường trong cách điện thường là trường không đồng nhất. Ngoài ra điện
áp phóng điện cục bộ Uvcb còn phụ thuộc vào vị trí phân bố túi khí.
Điện áp phóng điện cục bộ có trị số bé nhất nếu bọc khí nằm trong vùng điện trường lớn nhÊt.
Trong trường hợp này ta có
h ri ct rb
cb b K
U d
U ε δ
ε 2
= ,
11/08/15 Page 199
Theo định luật Pashen với các bọc khí kích thước cỡ phần trăm milimet ở áp suất gần
áp suất khí quyển, điện áp phóng điện Ub,ct ít phụ thuộc vào kích thước của nó và vào khoảng 300V.
h ri
cb rb
K U d
δ ε 2 ε ,
= 0
Vì thế biểu thức Ub,ct có dạng sau
Kích thước d của bọc khí là đại lượng ngẫu nhiên nên trong cùng một điều kiện như nhau của các kết cấu cách điện, độ tản mạn điện áp phóng điện cục bộ rất lớn (độ lệch quân phương s bằng 10-25% giá trị trung bình)
Nếu điện áp U<Ucb phóng điện vầng quang không thể xáy ra, do đó tác động lâu dài
điện áp U không gây giảm tuổi thọ của cách điện. Vì vậy điện áp phòng điện cục bộ Ucb càng lớn thì điện áp làm việc cho phép với cách điện càng cao
11/08/15 Page 200
xem xét phát triển phóng điện cục bộ theo thời gian
Giả thiết vào thời điểm t=0 ta đặt điện áp u=Umsinωt tác động lên cách điện với Ubm>Ub,ct
điện áp trong bọc khí thay đổi theo u=Ubmsinwt
Cho đến thời điểm t1 : ub<Ub,ct
phóng điện cục bộ không xuất hiện
Vào thời điểm t=t1
khi điện áp ub=Ub,ct xảy ra phóng điện cục bộ trong túi khí
Điện dung Cb sẽ bị ngắn mạch bởi điện trở R của kênh phóng điện làm cho điện áp trên tụ
điện Cb giảm rất nhanh
Khi nó giảm xuống đến trị số Ub,G, phóng điện trong bọc khí bị dập tắt
Quá trình dập tắt phóng điện xảy ra trong một thời gian rất ngắn khoảng 10-7-10-8s do đó có thể coi quá trình này xảy ra tức thời
Sau khi phóng điện cục bộ đàu tiên bị dập tắt điện áp trên điện dung Cb tiếp tục tăng theo quy luËt sau
( − Γ)
+ −
= m b ct b
b
b U t U U
C C
u C sinω ,
δ δ
11/08/15 Page 201
§Õn thêi ®iÓm t2
điện áp trên Cb lại đạt trị số Ub,ct do đó xảy ra phóng điện lần thứ hai
Sau khi dập tắt phóng điện lần thứ hai điện áp trên điện dung Cb tiếp tục tăng theo quy luật sau
( − Γ)
+ −
= m bct b
b
b U t U U
C C
u C sinω 2 ,
δ δ
Bằng cách lập luận tiếp tục như trên ta có được hình vẽ trên.
Phóng điện cục bộ xảy ra trong mỗi nửa chu kỳ với tần suất nhất định
11/08/15 Page 202
Theo công thức nếu f=0 (điện áp một chiều) nf=0 nghĩa là phóng điện cục bộ không xảy ra
Tuy nhiên bằng việc phân tích một cách đầy đủ và chính xác có xét thêm ảnh hưởng của
điện dẫn của cách điện đến thay đổi điện áp trong bọc khí người ta đã chỉ ra rằng ở điện áp một chiều vẫn có phóng điện cục bộ lặp lại đều đặn nhưng số lần phóng điện trong một đơn vị thời gian nhỏ hơn ở điện áp xoay chiều
Có thể chỉ ra số lần phóng điện trong một đơn vị thời gian nếu coi rằng điện áp ub,ct và ubГ không phụ thuộc vào cực tính
U- điện áp tác dụng lên cách điện
f- tÇn sè
(η−η)
= − 4 1
cb f cb
U
U f U
n
h=UbG/Ub,ct. Theo các số liệu thực tế h=0,5-0,8
Số lần phóng điện cục bộ bé nhất trong một nửa chu kỳ khi U=Ucb và bằng hfmin=4f. Nghĩa là ở tÇn sè f=50Hz, nfmin=200 s-1
( )
∑=
= −
= i k −
i cbi
i cb
f U
U f U
n
1 ,
,
4 1
η
η Ucb,i- điện áp xuất hiện phóng điện cục bộ trong bọc khí thứ i
k- số bọc khí có Ucb
11/08/15 Page 203
Tổn thất năng lượng do phóng điện cục bộ
Mỗi lần phóng điện trong bọc khí sẽ làm ngắn mạch điện dung Cb kèm theo một lượng điện tích Q đi qua bọc khí và điện áp phóng điện Ub,ctd ứng với Ect sẽ sụt mất một giá trị DU
Hiện tượng sụt áp này là chỉ tạm thời vì để khôi phục lại điện áp Uct, cách điện (ở đây thể hiện bằng điện dung Ca) phải sinh ra lượng điện tích Dq bằng
Như vậy trong mạch sẽ xuất hiện dòng điện nạp dạng xung kích với thời gian tồn tại 10-7-10-8 s
Nếu Cc <<Ca và Ca>>Cb, điện tích đi qua bọc khí vào thời điểm xảy ra phóng điện bằng
( c a )( c b )
b c
b
b b
C C
C C
UC C
C
C U U
+
= +
= +
∆ 2
(Cc Cc ) (Uci Ucp ) (Cc Cc ) Uc
Q ≈ + − = + ∆
11/08/15 Page 204
Điện tích q không thể đo trực tiếp bằng thực nghiệm, bởi vì sự di chuyển của chúng xảy ra trong nội bộ điện môi rắn.
Tuy nhiên để tiện, có thể hình dung sự thay đổi điện áp xảy ra do sự thay đổi điện tích giả tạo qcb trên điện cực với điện dung không đổi C, ngoài ra ∆Ux=qcb/Cx
Công suất tổn hao trung bình của các phóng điện cục bộ lập lại đều đặn xác đinh bởi
cb f
cb n W
P =
Từ các biểu thức trên cho thấy khi điện áp tác dụng tăng, số lần phóng điện cục bộ trong một
đơn vị thời gian và công suất trung bình tăng làm cho tôc độ lão hoá tăng và tuổi thọ cách
điện giảm
Trong mỗi lần phóng điện một phần năng lượng điện Wcb bị tiêu hao
Có thể coi là vào thời điểm xuất hiện phóng điện cục bộ, điện tích trên các điện cực vẫn giữ
nguyên vì điện dung của tụ điện và của cả khối điện môi cách ly với phần điện dung còn lại của mạch bởi điện cảm của các dây nối. Vì vậy sự thay đổi ∆U là do điện dung của tụ điện của cả khối điện môi khi có phóng điện cục bộ
11/08/15 Page 205
Nguồn tiêu thụ năng lượng trong kênh phóng điện cục bộ là điện trường cách điện trên các
điện dung Cb, Ca, Cd.
( )
2
2
2, − Γ
= td bct b
cb
U U
W C a b
b b a
td C C
C C C
C = + +
Để đánh giá độ lớn của Wcb với bọc khí kích thước d=0,1 mm và diện tích S=1 mm2, ta tính đư
ợc Cb. Ub,ct=300 V và h=0,5, Wcb vào khoảng 10-8J và công suất Pcb vào khoảng 10-6W với Um=Ucb.
Ta thây tổn thất năng lượng và công suất rất là nhỏ.
Tuy nhiên tổn thất này chỉ xảy ra trong một thể tích vô cùng bé, năng lượng này truyền cho một phần rất nhỏ bề mặt của bọc khí vì vậy dưới tác dụng của phóng điện cục bộ sẽ làm phá
huỷ một thể tích rất nhỏ của cách điện.
Càng ngày kích thước của bọc khí càng tăng theo hướng của điện trường và sẽ kết thúc bằng phóng điện toàn bộ
11/08/15 Page 206
Đo cường độ phóng điện cục bộ
Tốc độ lão hoá và tuổi thọ cách điện phụ thuộc vào công suất Pcb và năng lượng Wcb. Vì
vậy hai đại lượng này là những đặc tính quan trọng nhất của phóng điện cỵc bộ.
Tuy nhiên việc đo trực tiếp Pcb và Wcb trong nhiều trường hợp không thể thực hiện được vì
chúng quá nhỏ. Để xác định cường độ phóng điện cục bộ sử dụng các đại lượng tỷ lệ với Pcb và Wcb nhưng có thể đo trực tiếp được
Để giải thích ý nghĩa vật lý của phép đo cường độ phóng điện cục bộ, chúng ta khảo sát cơ
sở đô phóng điện cục bộ.
Một trong những biểu lộ bên ngoài của phóng điện cục bộ được sử dụng trong phương pháp
đo này là sự giảm đột ngột điện áp trên mẫu thí nghiệm trong mỗi lần phóng điện cục bộ (chính xác hơn là trong khoảng thời gian 10-7-10-8 s) một lương bằng ∆ux.
Ta chứng minh rằng ∆ux tỷ lệ với Wcb
11/08/15 Page 207
Sơ đồ đo đặc tính phóng điện cục bộ
Khi xảy ra phóng điện cục bộ trong mẫu thử nghiệm, quá trình quá độ xuất hiện trong mạch vòng Cx của mẫu thử nghiệm, điện dung Cc của tụ liên lạc, nguồn điện áp (bién áp thí nghiệm) và phần tử đo lường Zi (điện trở hoặc điện cảm). Do quá trình quá độ nên trên phần tử đo Zi xuất hiện các xung điện áp. Vì mạch bao gồm các phần tử tuyến tính nên điện áp trên phần tử Zi tỉ lệ với ∆ux
Xung điện áp từ phần tử Zi qua bộ lọc Φ vào bộ khuyếch đại Y sau đó dùng osciloscope để
đo biên độ của nó và bộ đếm xung để xác định só lần phóng điện cục bộ trong một đơn vị thời gian. Bộ lọc Φ có nhiệm vụ không cho các nhiễu điện áp tần số công nghiệp và các hài của nó vào bộ khuyếch đại Y ảnh hưởng đến kết quả đo
Đột biến điện áp ∆ux được giải thích bởi trong kênh phóng điện cục bộ một phần năng lư
ợng bị tiêu hao. Vào thời điểm trước phóng điện cục bộ, tụ điện Cx tích luỹ năng lượng bằng Cxu2/2. Một cách gần đúng có thể coi sau khi dập tắt phóng điện trong cách điện còn lại năng lượng bằng Cx(u-ux)2/2. trong đó u là điện áp vào thời điểm xảy ra phóng
điện cục bộ
11/08/15 Page 208
( )
2 2
2 2
x x x
cb
u u
u C
W ≈ C − −∆
Vì ∆ux << u nên sau các biến đổi đơn giản ta có
u C u
Wcb ≈ ∆ x x
Nếu tính đến phân bố điện trường giữa các điện dúng Cb, Cd, Ca khi xảy ra phóng điện cục bộ ta có biểu thức
( +η)
= 1
2
2 cb x
cb C u U
W
11/08/15 Page 209
Phóng điện cục bộ trong cách điện giấy tẩm dầu và dầu màn chắn
Trong cách điện giấy tẩm dầu và dầu màn chắn của các thiết bị điện áp cao nếu tuân thủ nghiêm ngặt công nghệ chế tạo không tồn tại các bọc khí. Điều này có được nếu sử dụng phương pháp sấy và tẩm ccáh điện trong chân không bằng dầu đã loại lọc khí. Tuy nhiên trong các cách điện này vẫn thấy xuất hiện phóng điện cục bộ nhưng trị số điện trường phóng điện lớn hơn nhiều so với trường hợp có các bọc khí
Thực nghiệm cho thấy trong cách điện giấy tẩm dầu và dầu màn chắn có hai dạng phóng
điện cục bộ : khởi đầu và giứo hạn
Phóng điện cục bộ khởi đầu đặc trưng bởi điện tích biểu kiến từ 10-14-10-11 C. Chúng phát triển ngay trong lớp dầu giữa điện cực với lớp giấy tại nơi điện trường tăng cao một cách cục bộ như tại điểm nhọn hoặc những điểm gồ ghề trên điện cực. Ví dụ trong cách điện giấy tẩm dầu của tụ điện cao áp người ta sử dụng các điện cực loại giấy nhôm rất mỏng, phóng điện cục bộ khởi đầu xuất hiện ở ngaòi mép cực
Bằng thực nghiệm người ta xác định trị số trung bình điện áp phóng điện cục bộ khởi đầu Ucbo (kV) theo chiều dày cách điện d (mm) như sau
kH là hệ số phụ thuộc vào mật độ giấy. Với các loại giấy nặng từ 0,8; 1,0; 1,2 g/cm2, hệ số kH bằng 4,0; 3,8; 3,3
Trong các cách điện giấy tẩm dầu gần đồng nhất phóng điện cục bộ xuất hiện trên bề mặt
điện cực với trị số điện trường trung bình khoảng 15-20 kV/mm
42 ,
d0
k Ucbo = H
11/08/15 Page 210
Nếu điện áp tác dụng tăng công suất phóng điện cục bộ tăng chủ yếu do tăng số lần phóng
điện trong một đơn vị thời gian
Với U>1,5Ucbo quan hệ công suất trung bình Pcbo xác đinh bởi
m trung bình theo các kết quả thực nghiệm
cbo kUm
P =
Do năng lượng rất bé trong mỗi lần phóng điện cục bộ, các phóng điện này không hgây tác
động phá huỷ đối với cách điện giấy nhưng dẫn đến phân huỷ chậm dầu cách điện với sự hình thành các khí và các sản phẩm khác. Bản chất lào hoá điện do phóng điện cục bộ là ở chổ tích luỹ các sản phâme phân huỷ của dầu làm tăng tgd và tổn hao điện môi
Cùng với thời gian quá trình này dẫn đến phóng điện đánh thủng do nhiệt. Ngoài ra còn cơ
chế khác về lão hoá cách điện : tích tụ khí dưới tác dụng phóng điện cục bộ tăng dần.
Lão hoá hoàn tất khi mà dầu bị bão hoá bởi lượng khí, khí không thể hoà tan trong dầu được hơn nữa nên dẫn đến hình thành bọt khí. Phóng điện cục bộ xuất hiện với công suất tới hạn làm cho lớp cách điện giấy bị phá huỷ nhanh cho đến khi bị đánh thủng
Phóng điện cục bộ khởi đấu trong cách điện giấy tẩm dầu ở điện áp làm việc về nguyên tắc có thể cho phép tồn tại, tuy nhiên công suất của nó không được vượt quá giới hạn xác định bởi thời gian phục vụ của cách điện. Trong một số kết cấu với cách điện giấy tẩm dầu với sự cẩn trọng
đặc biệt theo điều kiện không thể có phóng điện cục bộ ở điện áp làm việc
11/08/15 Page 211
Phóng điện cục bộ tới hạn có điện tích biểu kiến 10-9 C. Khi tăng nhanh điện áp các phóng điện cục bộ dạng này xuất hiện, và khi công suất phóng điện cục bộ khởi đầu tăng đến mức làm cho tốc độ thoát khí vượt tốc độ hoà tan khí thì trong cách điện xuất hiện các bọc khí. Trong các bọc khí này xuất hiện phóng điện cục bộ tới hạn
Điện áp phóng điện cục bộ tới hạn Ucb,c đối với cách điện giấy tẩm dầu lớn hơn điện áp phóng điện cục bộ khởi đầu Ucbo từ 3-5 lần. Trong các cách điện giấy tẩm dầu điện trường gần đồng nhất điện áp Ucb,c hầu như trùng với điện áp phóng điện đánh thủng
Phóng điện cục bộ tới hạn có công suất đủ lớn trong một thời gian tương đối dài (hàng giờ, phút) đê phá huỷ cách điện các lớp giấy.
Chúng còn đặc biệt nguy hiểm ở chỗ là sự xuất hiện của chúng trong một thời gian rất ngắn ví dụ như khi có quá điện áp có thể làm xuất hiện các bọc khí mà sau đó trong các bọc khí này xuất hiện các phóng điện cục bộ mạnh mẽ hơn có thể xuất hiện ở điện áp bé hơn trị số Ucbo và có thể duy trì ở điện áp làm việc.
Do đó cách điện bị phá hỏng trong một thời gian ngắn. Vì vậy điều kiện làm việc tin cậy lâu dài của cách điện giấy tẩm dầu là không cho phép xuất hiện phóng điện cục bộ tới hạn khi có quá
điện áp cũng như khi tiến hành thí nghiệm điện áp cao