Đối với phóng điện xung kích không thể biểu thị điện áp phóng điện bằng một trị số điện áp cố định mà biểu thị bằng đặc tính volt-giây-quan hệ giữa biên độ điện áp tác dụng với thời gian phóng điện. .
Đặc tính này được xác định bằng thực nghiệm. cách xây dựng đường đặc tính volt-giây của cách điện
Do trị số điện áp phóng điện phụ thuộc vào thời gian tác dụng của điện áp, thời gian tác dụng càng ngắn điện áp phóng điện càng cao.
11/08/15 Page 135
Cách xây dựng đường đặc tính volt-giây của cách điện
U
t
U
t 100%
0%
50%
Thông thường người ta dùng khái niệm điện áp phóng điện 50% (U50%) được định nghĩa là biên
độ sóng xung kích khi ta cho tác dụng nhiều lần sẽ có 50% số lần xảy ra phóng điện.
đặt điện áp xung một cách có hệ thống lên một khe hở cách điện
Điện áp xung kích được cấp bởi một máy phát xung điện áp có thời gian đầu song không đổi (1,2 hoặc 250às), nhưng biên độ có thể thay đổi
Để xác định U50% cần thực hiện rất nhiều lần thí nghiệm. Trong thực tế thì mỗi giá trị Ucr cần hàng chục lần thí nghiệm để xác định xác suất phóng điện.
11/08/15 Page 136
Do tính chất thống kê của thời gian phóng điện nên khi có hàng loạt các xung điện áp có biên độ lớn hơn trị số điện áp phóng điện tĩnh thì chỉ có một tỷ lệ nhất định dẫn đến phóng điện.
Do vậy ứng với mỗi trị số điện áp sẽ có nhiều trị số của thời gian phóng điện và ngược lại cho nên
đường đặc tính volt-giây là một khu vực tập hợp nhiều điểm
Thực tế đường đặc tính volt-giây biểu thị bằng đường cong trung bình có kèm theo sai số giới hạn so víi ®êng trung b×nh Êy
Trong phóng điện xung kích không chỉ có thời gian phóng điện mà ngay cả khả năng phóng điện cũng mang tính tản mạn
Đặc điểm này được biểu thị bằng xác suất về số lần phóng điện, nó phụ thuộc rất nhiều vào biên
độ điện áp tác dụng : biên độ càng lớn thì xác suất phóng điện càng cao U
t
U
t 100%
0%
50%
11/08/15 Page 137
Trị số điện áp phóng điện 50% còn gọi là điện áp phóng điện bé nhất (U50%) là biên độ sóng xung kích khi ta cho tác dụng nhiều lần sẽ có 50% số lần xảy ra phóng điện
Cần chú ý là các đường đặc tính và các tham số có phân biệt theo cực tính của sóng : đường đặc tính volt-giây cũng có dạng khác nhau khi điện trường là đồng nhất hay không đồng nhất
U
t
U
t 100%
0%
50%
11/08/15 Page 138
Cách điện của thiết bị điện được chỉ được bảo vệ an toàn khi các cách điện được phối hợp tốt : đư
ờng đặc tính volt-giây của thiết bị điện phải hoàn toàn nằm dưới đường đặc tính volt-giây của thiết bị bảo vệ nó. Khi có sóng điện áp xung kích, thiết bị bảo vệ phải phóng điện trước tiên
Đường đặc tính volt-giây có ý nghĩa quan trọng trong việc phối hợp cách điện giữa thiết bị điện cần bảo vệ và thiết bị bảo vệ nó
11/08/15 Page 139
Thiết bị cần bảo vệ (MBA)
§DK
Thiết bị bảo vệ
(khe hở phóng điện) Đặc tính V- S : 1
Đặc tính V- S : 2
V- S : 1
V- S : 2 U
t
V- S : 1
V- S : 2 U
t
V- S : 1 V- S : 2
U
t
?
11/08/15 Page 140
7.7 Phóng điện vầng quang
Dù khi xuất hiện vầng quang, cách điện không bị phóng điện chọc thủng nhưng quá trình này xuất hiện kèm theo tổn hao năng lượng, tạo những thành phần hoá học có hại cho môi trường và các cách điện khác do vậy cần phải nghiên cứu chi tiết hơn
vầng quang là dạng phóng điện tự duy trì nhưng không hoàn toàn
11/08/15 Page 141
Trong hệ thống điện, vầng quang có các tác dụng khác nhau. ở chế độ vận hành bình thường không nên xảy ra phóng điện vầng quang vì hiện tượng này sẽ tạo ra một dòng điện rò gây tổn hao năng lư
ợng. Ngoài ra dạng phóng điện này còn gây nhiễu đối với đường dây thông tin và ăn mòn vật liệu.
Khi nghiên cứu các đặc tính của phóng điện vầng quang và mối quan hệ của nó với các đặc tính của phóng điện chọc thủng, cần phân biệt vầng quang dưới tác dụng của điện áp xung kích có thời gian ngắn, không bị ảnh hưởng của các điện tích không gian và cơ quan dưới tác dụng của
điện áp một chiều hoặc xoay chiều
Nội dung của phóng điện vầng quang được nghiên cứu trong khe hở mũi nhọn - cực bản. Trong
đó mũi nhọn thay thế cho dây dẫn có kích thước bé
Tuy vậy, vầng quang lại có tác dụng tích cực trong việc bảo vệ hệ thống điện chống quá điện áp khí quyển. Khi có sét đánh trên đường dây, vầng quang sẽ tiêu hao năng lượng của sóng quá
điện áp, làm giảm biên độ và độ dốc do đó tăng độ an toàn cho cách điện của trạm biến áp và nhà máy điện
Phóng điện vầng quang có ý nghĩa quan trọng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật điện cao áp.
11/08/15 Page 142
Phóng điện vầng quang
Vầng quang và các đặc tính
Vầng quang là dạng phóng điện tự duy trì nhưng không hoàn toàn
đặc trưng cho sự phóng điện trong điện trường không đồng nhất
Tuy phóng điện đạt được điều kiện phóng điện tự duy trì nhưng dòng không thể kéo dài trên toàn bộ khoảng cực mà chỉ giới hạn trong phạm vi rất hạn chế
quanh khu vực điện cực bán kinh cong bé
Trong điện trường dây dẫn - mặt đất, mũi nhọn - mặt phẳng, xung quanh dây dẫn hoặc mũi nhọn hình thành một miền ion hoá gọi là quầng của vầng quang
Các quá trình ion hoá mãnh liệt cũng như quá trình kết hợp hoặc trở về trạng thái bình thường của các phân tử khí bị kích thích phát sinh rất nhiều các
photon khiến cho vùng hẹp này toả sáng và vì thế có tên gọi là vầng quang
11/08/15 Page 143
Các ion xuất hiện do phóng điện vầng quang dưới tác dụng của điện trường sẽ dịch chuyển ra phía ngoài và hình thành dòng điện vầng quang
Điện áp tăng cao thì số ion tăng và dòng điện vầng quang tăng
Quan hệ dòng điện vầng quang với điện áp tác dụng là một đặc tính năng lư
ợng cơ bản của phóng điện vầng quang và được gọi là đặc tính volt-ampe của vÇng quang
Dù khi xuất hiện vầng quang, cách điện không bị đánh thủng nhưng quá trình này xuất hiện kèm theo tổn hao năng lượng, tạo những thành phần hoá học có hại cho môi trư
ờng và các cách điện khác do vậy cần phải nghiên cứu kỹ lưỡng
Phóng điện vầng quang thường được nghiên cứu trong điện trường điển hình khe hở mũi nhọn - cực bản, trong đó mũi nhọn thay thế cho dây dẫn có bán kính nhỏ
11/08/15 Page 144
VÇng quang cùc tÝnh ©m
khi mũi nhọn mang cực tính âm
dòng điện vầng quang có dạng các xung được lặp lại rất
đều đặn
Các xung này được Trichel nghiên cứu chi tiết và do vậy được gọi là xung Trichel
Điện áp tăng thì biên độ các xung này không thay đổi như
ng khoảng cách thời gian giữa các xung rút ngắn do dòng
điện trung bình tăng
Tấn số lặp lại của các xung này còn phụ thuộc vào bán kính cong của mũi nhọn, khoảng cách giữa các điện cực và áp suất khí
11/08/15 Page 145
Trong khu vực A có sự phóng điện không tự duy trì gọi là phóng điện tối, dòng điện có trị số khoảng 10-14-10-8A.
Vầng quang cực tính dương
Khi mũi nhọn mang cực tính dương, dòng điện vầng quang cũng có dạng các xung nhưng chúng rất hỗn loạn và xếp chồng lên nhau
Đặc tính volt-ampe của vầng quang khi mũi nhọn mang cực tính dương
Khu vực C là giai đoạn phóng điện tự duy trì, dòng điện có trị số 0-5A và lớn hơn. Dòng điện
tăng nhanh theo điện áp cho đến khi khe hở bị phóng điện hoàn toàn (ứng với trị số Uct). Điện áp bắt đầu xuất hiện phóng điện tự duy trì gọi là điện áp phát sinh vầng quang (ứng với trị số Uvq).
Khu vực B có dòng điện 10-8-10-6A và phát sáng yếu nhưng phóng điện vẫn là không tự duy trì và chỉ tồn tại khi có các nhân tố gây ion hoá bên ngoài.
11/08/15 Page 146
ứng dụng hiệu ứng vầng quang
Phóng điện vầng quang có ý nghĩa quan trọng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật điện cao áp
Người ta ứng dụng vầng quang âm trong lĩnh vực sơn tĩnh điện và lọc bụi tĩnh điện
Bằng cách làm cho các hạt nhiễm điện tích bởi các điện tích sinh ra do hiệu ứng vầng quang, người ta có thể thu gom lại các hạt bụi có hại trước khi thải khói vào không khí (lọc bụi tĩnh điện) hoặc làm cho chúng bám dính đều trên bề mặt một chi tiết (sơn tĩnh điện).
ở các nhà máy xi măng, luyện kim, nhà máy điện.., thân ống khói bằng kim loại làm cực dương, cực âm là dây dẫn nhỏ đặt dọc theo trục ống khói và là nơi phát sinh vầng quang. Điện tử sinh ra bởi quá trình ion hoá không khí trong quầng vầng quang sẽ chuyển dịch về phía cực dương, trong quá trình đó nó sẽ bám vào bụi khói và kéo theo về phía thân ống, nơi người ta có thể thu gom chúng
11/08/15 Page 147
Trong hệ thống điện, vầng quang có các tác dụng khác nhau
ở chế độ vận hành bình thường
Tuy vậy, vầng quang lại có tác dụng tích cực trong việc bảo vệ hệ thống điện chống quá điện áp khí quyển
Khi có sét đánh trên đường dây, vầng quang sẽ tiêu hao năng lượng của sóng quá
điện áp, làm giảm biên độ và độ dốc do đó tăng độ an toàn cho cách điện của trạm biến áp và nhà máy điện
không nên xảy ra phóng điện vầng quang vì hiện tượng này sẽ tạo ra một dòng điện rò gây tổn hao năng lượng.
Ngoài ra dạng phóng điện này còn gây nhiễu đối với đường dây thông tin hữu tuyến và vô tuyến, tạo ra các chất ăn mòn vật liệu, phát ra tiếng ồn, sinh các giao động cơ
khí đối với các dây dẫn
11/08/15 Page 148
Vầng quang trên đường dây tải điện một chiều
Đặc điểm phóng điện vầng quang của dây dẫn - cực bản khi dây dẫn ngắn cũng giống như
của khe hở mũi nhọn - cực bản
Kết quả nghiên cứu cho thấy khi dây dẫn mang cực tính âm, dòng điện vầng quang gồm các các xung lặp lại (xung Trichel) còn khi dây dẫn mang cực tính dương thì các xung này rất hỗn loạn
Ngay cả khi các dây dẫn được đánh bóng rất kỹ, trên bề mặt cũng có những chỗ bị nhám và ở đó vầng quang xuất hiện sớm
Khi dây dẫn dài, vầng quang có thể xuất hiện đồng thời tại nhiều điểm, nên các xung dòng sẽ hợp thành dòng điện liên tục. Nếu ta tăng điện áp, vầng quang sẽ phát triển trên toàn bộ bề mặt dây dẫn và dòng điện mất hẳn tính chất không liên tục
11/08/15 Page 149
Thực nghiệm cho thấy cường độ điện trường phát sinh vầng quang Evq ít phụ thuộc vào cực tính. Trong điện trường giữa hai điện cực hình trụ đồng trục, dây dẫn bán kính ro đặt dọc theo trục của hình trụ bán kính R (R>>ro), cường độ điện trường phát sinh vầng quang được thể hiện bằng công thức kinh nghiệm
Evq - cường độ điện trường xuất hiện vầng quang ro - bán kính của dây dẫn
m là hệ số nhẵn của dây dẫn
áp suất p (mmHg), nhiệt độ t (0C)
( )
+
= 0,650,38 1
5 ,
24 m r
Evq
δ δ
d - là mật độ tương đối của không khí t
p t
p T
p p T
o o
= +
= +
= 0,386273
273 760 δ 293
Công thức trên dùng trong trường hợp dây dẫn mang cực tính âm, nhưng cũng có thể sử dụng trong trường hợp cực tính âm vì ảnh hưởng của cực tính thường không lớn
Đối với các dây dẫn có bán kính nhỏ (ro< 1 cm) có thể sử dụng công thức kinh nghiệm của Peek
+
=
o
vq m r
E 30,33 δ 1 0,δ308 Evq đo bằng kV/cm, r đo bằng cm
11/08/15 Page 150
Trên các đường dây tải điện, người ta sử dụng dây vặn xoắn gồm nhiều sợi dây nhỏ. Dây vặn xoắn có bề mặt không nhẵn, vì vậy so với dây cùng bán kính ngoài có bề mặt nhẵn cường độ
điện trường gần bề mặt giảm mạnh hơn và do đó vầng quang xuất hiện ở điện áp thấp hơn.
Khi xuất hiện phóng điện vầng quang do ion hoá không khí xung quanh dây dẫn dưới tác dụng của điện trường sẽ dịch chuyển ra phía ngoài và hình thành điện tích không gian cùng dấu với cực tính của dây dẫn
Khi xác định cường độ điện trường xuất hiện vầng quang, hệ số nhẵn m phụ thuộc vào dạng bề mặt dây vặn xoắn. Đối với các dây dẫn khác nhau có thể lấy m=0,82-0,94
11/08/15 Page 151
Cường độ điện trường trên bề mặt dây dẫn trong thời gian vầng quang nhờ đó mà giữ
nguyên ở trị số bằng Eva. Tăng điện áp trên dây dẫn làm tăng cường độ ion hoá và tăng
điện tính khối do đó sẽ làm giảm điện trường đến mức Eva.
Do điện tích khối tăng tổn hao năng lượng do vầng quang tăng càng mạnh nếu điện áp trên dây dẫn cáng vượt quá điện áp khởi đầu vầng quang Uvq
Bởi vì điện tích khối trong bất kỳ trường hợp cực tính của dây dẫn thế nào cũng đều dịch chuyển về phía mặt đất, cường độ điện trường trên bề mặt dây dẫn sẽ tăng dần. Nhưng do lượng điện tích không gian trong các quá trình ion hoá không khí xung quanh dây dẫn được bổ sung nên kết quả
là cường độ điện trường giữ nguyên giá trị Eva. Như vậy có thể kết luận là do lượng điện tích không gian luôn được bổ sung nên điện trường có thể giữ nguyên giá trị trong thời gian dài
o o
vq
vq r
r R E
U = ln
Sự chuyển động của các điện tích dưới tác động của điện trường tạo thành dòng điện giữa
điện cực vầng quang và mặt đất. Để di chuyển các điện tích cần tiêu hao một năng lượng điện chủ yếu do tổn hao vầng quang bởi vì năng lượng tổn hao để ion hoá chất khí không lớn
11/08/15 Page 152
Nếu dây dẫn có kích thước lớn, điện trường lân cận dây dẫn giảm chậm hơn lân cận dây dẫn kích thước bÐ. .
Vầng quang streamer (a) và vầng quang thác (b)
Vầng quang trong trường hợp này sau khi xuất hiện lập tức chuyển ngay sang dạng streamer, vùng ion hoá không liên tục, phát sáng dưới dạng vô số điểm
Vì vậy khu vực vầng quang (quầng vầng quang) có kích thước lớn hơn, thậm chí ngay cả ở điện
áp khởi đầu vầng quang thác điện tử có thể đạt tới độ dài tới hạn
11/08/15 Page 153
Trên các đường dây tải điện siêu cao áp vầng quang còn có thể kèm theo hiệu ứng âm thanh,
đạc biệt trong những ngày mưa hay thời tiết xấu
Với các dây dẫn tiết diện bé (đường kính dưới 1 cm) vầng quang xuất hiện dưới dạng dòng thác.
Vùng ion hoá tương đối đồng nhất, vầng quang phát sáng tập trung trong một quầng hẹp.
Tuy nhiên khi điện áp tăng quá điện áp khởi đầu vầng quang vùng ion hoá nới rộng và vầng quang chuyển từ dạng thác sang streamer
Dòng điện vầng quang streamer bao gồm nhiều xung đơn lẻ với độ dốc rất lớn (độ dài đầu xung vào khoảng nano giây).
Thành phần cao tần của dòng điện vầng quang chính là nguồn sinh ra các bức xạ điện từ trong dải tần số rất rộng, gây nhiễu loạn đối với sóng phát thanh và truyền hình.
11/08/15 Page 154
Trong vùng điện trường yếu giữa hai dây dẫn xảy ra hiện tượng tái hợp giữa các điện tích trái dÊu.
Dạng vầng quang này được gọi là vầng quang kép VÇng quang kÐp
Nếu vầng quang xảy ra giữa hai dây dẫn các ion trái dấu chuyển động ngược chiều nhau.
Một số các điện tích có thể thâm nhập sang vùng vầng quang cực tính ngược dấu, do đó làm tăng điện trường.
Nhờ vậy cường độ quá trình ion hoá ở khu vựcc này tăng, tổn hao do đó tăng
11/08/15 Page 155
Trường hợp hai dây dẫn bán kính ro đặt cách nhau một khoảng là s>>ro, hay dây dẫn
đặt cách mặt phẳng thì cũng có các công thức tương tự
o o
vq vq
o
vq r
r s E r U
E 0,301 ; ln
1 8 ,
29 =
+
= δ δ
So sánh các công thức thấy chúng không chỉ có kết cấu giống nhau mà các hệ số có giá
trị gần bằng nhau
Điều này được giải thích bởi sự phân bố trường xung quanh dây dẫn - khu vực có ý nghĩa quyết định đối với phóng điện vầng quang trong hai trường hợp đều gần giống nhau
Từ đó đề xuất khả năng nghiên cứu vầng quang trên đường dây một chiều bằng mô hình tụ
điện hình trụ
11/08/15 Page 156
Sự chuyển động của các điện tích từ điện cực vầng quang đến điện cực đối diện tạo lên dòng điện vầng quang
Dòng điện này có tính chất như một dòng điện rò và gây tổn hao năng lượng gọi là tổn hao vầng quang. ứng với một đơn vị chiều dài của đường dây, tổn hao này được xác định theo công thức
I - dòng điện vầng quang ;
I= f(U) - đặc tính volt-ampe của vầng quang
( )U
f U UI
P − = .
Việc xác định biểu thức giải tích của đặc tính volt-ampe của vầng quang rất phức tạp do sự phân bố điện tích khối trong quầng của vầng quang và trong khu vực ngoài
Trong tụ điện hình trụ như mô hình trên có thể xác định gần đúng đặc tính volt-ampe bằng cách giải phân tử Poisson trong toạ độ trụ
ρ là mật độ điện tích
ε là hằng số điện môi của chất khí
( ) ερ
ε
ρ ⇒ + = =
= Er
dr d r r E dr
divE dE 1