Để đo độ bền điện của các vật liệu rắn được tiến hành trong điện trường đồng nhất; cần phải loại bỏ tất cả các dạng phóng điện cục bộ, phóng điện bề mặt bằng các dạng điện cực và mẫu thí nghiệm quy chuẩn
Trong một số trường hợp cần có những biện pháp để loại bổ phóng điện theo hiệu ừng mép cực ví dụ như sử dụng nhựa epoxy trong
Dù có quy định nghiêm ngặt nhưng tiếp xúc giữa điện cực và vật liệu vẫn là chỗ yếu nhất.
11/08/15 Page 106
Ngoài ra trong quá trình thí nghiêm, còn một số yếu tố khác có ảnh hưởng lớn đến độ bền điện cần phải được kiểm soát chặt chẽ, mà ở đây chỉ xin lưu ý :
Hiện tượng có dạng tương tự trong các điện môi khí và lỏng này được biết đến dưới tên gọi là hiệu ứng diện tích hoặc hiệu ứng thể tích (surface hoặc volume effect)
Cường độ điện trường phóng điện Ec giảm khi ta thay đổi tăng chiều dày của mẫu (tương đư
ơng với việc tăng thể tích của vật liêu) hoặc tăng diện tích điện cực.
Một số kết quả cho thấy độ bền điện phụ thuộc vào thể tích của mẫu.
Thực tế tại các mép cực có khả năng xảy ra phóng điện do điện trường tại đây đạt trị số lờn hơn nhiều so với giá trị trung bình
Các thí nghiệm cho thấy độ bền điện phụ thuộc vào hình dạng điện cực (trường đồng nhất hay không đồng nhất) và vật liệu chế tạo chúng.
11/08/15 Page 107
Một trong những giả thuyết được đưa ra là khi kích thước của điện cực và của vật liệu tăng thì số lượng và xác suất các điểm yếu nhất (tạp chất, bọt khí....) tăng do đó phóng điện có thể xảy ra trong điện trường bé hơn.
E k d
E k A
c
n
c
=
= −
1 2
α
Quan hệ giữa Ec với chiều dày d của mẫu hoặc với diện tích điện cực có dạng
11/08/15 Page 108
7.6 Phóng điện xung kích
Loai 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)
Theo quy ước quốc tế dạng sóng xung kích tiêu chuẩn có độ dài phần đầu sóng 1,2às ±30% và
độ dài sóng (khi điện áp giảm còn một nửa trị số biên độ) 50às±20%.
Các thiết bị tạo điện áp xung kích trong các phòng thí nghiệm cao áp gọi là máy phát điện áp xung mà nguyên lý làm việc trên các quá trình nạp và phóng của các tụ điện
Trong thực tế cách điện còn phải chịu tác dụng của điện áp xung kích có thời gian tác dung ngắn hơn nhiều lần so với điện áp xoay chiều và một chiều.
11/08/15 Page 109
7.6.1 Điện áp xung chuẩn
Trong các phòng thí nghiệm cao áp, quá điện áp được mô tả bởi các xung điện áp dưới dạng hai hàm mũ
Do phần đầu của sóng tăng rất chậm và không có ý nghĩa quan trọng đến quá trình phóng
điện nên nó được thay thế bằng đầu sóng nghiêng đẳng trị bởi một đường xiên góc qua các
điểm có tung độ 0,3Umax và 0,9Umax. Giao điểm của đường xiên này với trục hoành và đường nằm ngang qua đỉnh cho độ dài đầu sóng và ký hiệu bằng tđs. Độ dài sóng ts 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
t u(t)
Ucr
0.5Ucr
Tcr T2
T90 T30
−
−
= − −
−
−
f q
f cr q
cr
t t
T
T e e
e e
t Ucr
u τ τ
τ τ
) (
• (Ucr biên độ của sóng quá điện áp đạt tới ở cuối thời gian Tcr
∀τq hằng số thời gian đuôi sóng ; τf thời gian đầu sóng).
Sóng sét thường 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.
11/08/15 Page 110
Xung sÐt (lightning impulse)
Thời gian đấu sóng (thời gian tăng đến giá trị đỉnh) T1=1,2±0,36 às.
Thời gian của đuôi (thời gian giảm đến giá trị nửa biên độ) T2=50±10 às.
O1 : gốc toạ độ quy ước.
Sóng xung kích tiêu chuẩn có độ dài phần đầu sóng [CEI Publication 60] T1=1,2ms ±30% và
độ dài sóng (khi điện áp giảm còn một nửa trị số biên độ) T2=50ms±20%.
Dạng sóng này được quy ước viết như sau 1,2 /50 às.
11/08/15 Page 111
O1 - g c oố ả
0,3 0,5 0,9 1
U(t)
a b d e
c
Th i gian ờ đầu sãng T1=(O1 – c)
Th i gian thân sãngờ T2=(O1 – e) ≈ 1,67(a-b)
11/08/15 Page 112
Xung quá điện áp thao tác (switching impulse)
t u(t)
Ucr
0.5Ucr
Tcr T
Xung quá điện áp thao tác 250/2500 às. h
Thời gian đấu sóng (thời gian tăng đến giá trị đỉnh) Tcr=250±50 às.
Thời gian của đuôi (thời gian giẩm đến giá trị nửa biên độ) Th=2500±1500 às.
Về quá điện áp thao tác, chúng có thể được thể hiện bởi xung chuẩn hoá 250/2500às [CEI Publication 60]
Trong thực tế khi sóng sét lan truyền trên đường dây, có thể gây phóng điện trên cách
điện của đường dây nên dạng xung điện áp còn có thể là các xung cắt
t u(t)
1 0.9
0.5 0.3
0 01 Tc 0.7
0.1
A
B
C
D
t u(t)
1 0.9
0.3
0 01
Tc A
B
C
D 0.1α
0.7α α
11/08/15 Page 113
7.6.2 Máy phát điện áp xung kích (máy phát xung)
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 được một điện áp tăng mãi
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 cách điện có thể chia thành
điện áp xoay chiều tần số công nghiệp
quá điện áp thao tác
quá điện áp khí quyển
Cơ chế phóng điện điện môi rất là phức tạp, điện áp phóng điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có dạng điện áp, thới gian đặt điện áp.
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
11/08/15 Page 114
Đối với điện áp tần số công nghiệp không có vấn đề khó khăn gì khi mô phỏng. Người ta dùng các máy biến áp thí nghiệm tăng áp hoặc một số máy biến áp nối cấp (cascade).
Quá điện áp xung kích khó mô phóng hơn vì khó có thể xác định được một dạng sóng mẫu, mà 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.
Để thí nghiệm các cách điện bằng điện áp xung kích, người ta sử dụng các máy phát xung điện
áp cho phép tạo ra điện áp cao có dạng thay đổi được
11/08/15 Page 115
Nguyên lý hoạt động của thiết bị tạo nguồn điện áp xung
Nguyên lý làm việc của thiết bị tạo điện áp xung trong các phòng thí nghiệm cao áp (Máy phát điện áp xung -GIN)
mạch giao động cộng hưởng L-C
các tụ điện cao áp được tích điện song song (nguồn cấp là MBA nối với lưới điện)
cho tụ điện phóng điện nối tiếp
mạch trễ gồm các module L, C tập trung nối hình Π hoặc T bằng các sợi cáp.
11/08/15 Page 116
Uo C R U
U
t
Uo C R
U
t C
Uo C R
C
U
t U ?
U
11/08/15 Page 117
Tồn tại một số sơ đồ máy phát xung khác nhau.
để tạo điện áp lớn có dạng sóng tiêu chuẩn thường sử dụng sơ đồ nhiều cấp.
ứng dụng của thiết bị tạo nguồn điện áp xung
đánh lửa mỏ đốt dùng khí hoặc than nghiền
Các thiết bị tạo xung được sử dụng trong các lĩnh vực sau :
thí nghiệm cách điện bằng điện áp xung kích
máy phát plasma
laser phóng điện
ăn mòn do điện
hàn xung
các ống phóng điện (flash có công suất lớn)
để tạo điện áp xung có độ dốc ban đầu rất lớn người ta chỉ sử dụng một cấp điện áp
11/08/15 Page 118
Máy phát xung nhiều cấp Marx, mang tên người 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 nhưng khi phóng điện lại nối tiếp.
Máy phát xung điện áp
11/08/15 Page 119
Máy phát xung điện áp một tầng điện dung - điện trở
Redresseur
Up Us
Rr
Ug Cc Uc
Cg
Rs2 2
Rs1
Rp
Sơ đồ máy phát xung một tầng gồm một máy biến áp, bộ chỉnh lưu cao áp, các tụ điện và điện trở.
Cg là tụ xung,
Rp là điện trở song song,
Rs1 là các điện trở nối tiếp đầu nguồn, Rs2 là điện trở nối tiếp cuối nguồn,
Cc là điện dung của đối tượng thí nghiệm.
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 lưu. Giai đoạn này có thể kéo dài vài giây đối với các máy phát xung bé (năng lượng vài J) đến vài phút đối với các máy phát xung lớn hơn (năng lượng vài kJ).
Máy phát xung này hoạt động như sau
Giai đoạn thứ hai (t≥0) khoá công tắc đóng, tụ điện Cg phóng điện trong mạch gồm các phần tử Rp, Rs1, Rs2 et Cc sẽ cho ta sóng xung kích.
11/08/15 Page 120
Redresseur
Up Us
Rr
Ug Cc Uc
Cg
Rs2 2
Rs1
Rp
Phương trình mạch và dạng điện áp
tính điện áp xung kích uc(t) theo mạch điện với các tham số và điện áp chỉnh lưu một chiều ở thời điểm phóng điện Ug0. Giả thiết trong giai đoạn phóng điện chúng ta có thể bỏ qua dòng điện nạp của nguồn cao áp chỉnh lưu một chiều.
Các phương trình Kirchoff ở các nút có dạng
1
1 1
1 ;
2
2 2
2 2
2
dt C du dt
C du R u R
R
i R u
R i i R
R u i i R
i i
R u R
i R R
u i i R
u i R i
R
dt C i
u dt C i
u
c c c
c p s c
p
c c p c
p c s
p c c c s
p g
p c p
c s p
c c s p
c c s p
p
c c c
g g g
+ +
=
+ +
= + +
= +
=
+ + =
=
⇒ +
=
−
=
−
= ∫ ∫
ig ip
c p
s c
c s
s p
s s
c c c c s
c c s
c p
s c s
p g s
c c s c
c p c s
p s
g
c c s g
s g
R u R dt
C du R
R R R R
dt u C du dt R
C du dt R
C du R
R u R
R R
u i R i
R i u R
R R
u i R i
R
+
+
+ +
=
+ +
+ +
=
+
+
+ +
=
+ +
=
1 u
u 1 u
1 2
1 2
1
2 2 1
1 1
2 2 1
2 1
11/08/15 Page 121
( )
A C U
dt du
U t
u
g g t
c c
0 0
0 0
0
=
=
=
=
=
( ) 0[ exp ( )1 exp ( )2 ] 1 τ1 2 τ2 t o t
o g
g U p t p t K U e K U e
A t C
uc = + = − + −
trong đó p1 và p2 là nghiệm của phương trình: Ap2 + Bp + C = 0
dạng điện áp
Vì tất cả các phần tử của mạch đều dương, p1 và p2 âm, hàm uc(t) tương ứng với chênh lệch giữa hai hàm mũ mà hằng số thời gian
2 2
1 1
et 1 1
p
p =−
−
= τ
τ
khác nhau sẽ dẫn đến dạng điện áp xung kích
Cuối cùng ta tính được
1 0 1
. 2 1 2 1
2 1 2
1 + =
+
+
+
+
+ +
c p c g p s c
p s c
g c s s p
s
s u
R dt C du R C R
R R dt
u C d C R R R
R
R 2 1 0
= +
+ c
p c
c u
R dt
B du dt
u Ad
11/08/15 Page 122
Phân tich hàm Uc(t) ta thấy rằng các phần tử Rs2 và Cc can thiệp vào thời gian tăng điện áp một cách trội, còn các phần tử Rs1 et Cg lại can thiệp chủ yếu vào thời gian giảm của điện áp (th©n sãng).
Biểu thức Uc(t) đạt được với giả thiết là điện cảm của mạch (vài àH) có thể bỏ qua đối với các tần số tương đương MHz.
Ugo : điện áp nạp lớn nhất của tụ điện Cg.
α : hệ số xác định hình dáng điện áp xung kích
η : hiệu suất của máy phát xung được xác định bởi tỉ lệ
điện áp nạp và điện áp lớn nhất của xung θ : hệ số xác định thời gian
( )
−
= − −α− α − θ −α+ α − θ α
ηuc t αUg e 1 t e 1 t
2
0 2 2
1
Cg
B AC ;
2 B
; = =
= α η
θ B
A
( )
θ α η
η θ
g p
p s p
s g
c
s p p
s s
s g c
C R
R R R
R C
C
R R R
R R
R C C
2 1
1
1 2 1
2 1
2 1
=
+
+
+
=
+ +
=
11/08/15 Page 123
Sơ đồ lắp ráp máy phát xung một tầng
Re dre ss e ur
Up Us
Rr C1
Cg
Rs2
R p
C2
Mesure E
11/08/15 Page 124
Máy phát xung điện áp nhiều bậc
Để có điện áp xung kích biên độ lớn có thể tiến hành bằng cách dùng nhiều tụ điện, chúng đư
ợc nạp điện song song đến một trị số điện áp Uo bởi nguồn cao áp gồm một máy biến áp tăng
áp và bộ chỉnh lưu cao áp.
Sau đó bằng kích thích đồng bộ tạo điều kiện để tất cả các tụ điện phóng điện làm cho điện
áp tăng cao theo kiểu nối cấp.
11/08/15 Page 125
Giai đoạn nạp : qua máy biến áp tăng áp, chỉnh lưu cao áp các tụ điện Cg được nạp tới điện
áp Uo và khi quá trình kết thúc điện áp tại các điểm A, B, C, D...có điện thế Uo, còn các điểm A', B', C', D'.... có điện thế bằng không (nối đất).
Giai đoạn phóng điện : Bằng tín hiệu kích thích đồng bộ, ta mồi cho khe hở S1 phóng điện,
điện thế của điểm A' tăng vọt đến Uo, điện thế của điểm B sẽ tăng đến mức 2Uo. Khe hở S2 đư
ợc chọn cho phóng điện ở điện áp 2Uo và sau khi nó phóng điện sẽ làm cho điện thế tại điểm C tăng đến 3Uo. Nếu dùng n cấp để các tụ điện trong giai đoạn phóng điện được ghép nối tiếp với nhau thì điện áp xung kích ở đầu ra đạt tới mức nUo.
11/08/15 Page 126
Máy phát xung hoạt động như sau
Giai đoạn nạp : người ta tiến hành nạp các tụ điện Cge qua máy biến áp tăng áp, chỉnh lưu cao
áp, và các điện trở nạp Rc, điện trở nối tiếp Rsi và điện trở song song Rp tới điện áp phóng điện Ugo định trước (điện áp cách điện của các khe hở phóng điện có thể điều chỉnh bằng cách thay
đổi khoảng cách giữa các cầu phóng điện).
Biểu đồ điện áp nạp
11/08/15 Page 127
Giai đoạn phóng điện : người ta tiến hành cho các tụ điện Cge phóng điện bằng tín hiệu mồi cho khe hở E phóng điện, sau đó trigger (6) từ bloc đánh lửa (trigatron) sẽ gây phóng điện khe hở E1. Quá trình này gây mất cân bằng điện áp bởi hiệu ứng trường điện từ tất cả (n-1) khe hở còn lại.
Giai đoạn ba :người ta có thể tạo ra xung cắt quá điện áp bằng các làm cho xung trigger tác
động
Bằng cách chọn các điện trở nạp và điện trở phóng điện ta sẽ tạo được dạng sóng tiêu chuẩn
để thí nghiệm cách điện. Cần lưu ý việc tốn tại các phần tử ký sinh, ví dụ điện kháng của các dây nối, của các điện trở dây quấn hoặc của tụ điện có thể gây khó khăn để tạo được dạng sóng điện áp xung kích mong muốn.
Hiệu suất của máy phát xung
g
nUcr
= U η
năng lượng tĩnh điện tích trữ do bằng kJ của máy phát xung 2
1 2
g gU nC E =
11/08/15 Page 128
1 - Nguồn
2 – MBA điều chỉnh (MBA tự ngẫu) 3 – MBA chỉnh lưu
4 - Chỉnh lưu
5 - Điện trở đo điện áp nạp
6 – Bloc mồi gồm : tụ điện, bộ cầu phóng điện 7 - Động cơ điều chỉnh các khe hở phóng điện 8 – Máy phát xung
Rc - điện trở nạp
Ro - điện trở phóng điện
Rsi – nội trở nối tiếp của một tầng Rse – ngoại trở song song
Rpe - điện trở điều chỉnh đuối sóng của một tầng Cge – tụ điện xung
E – khe hở phóng điện có khả năng điều chỉnh khoảng cách phóng điện
9 – Tiếp đất (ngắn mạch) khi không có điện áp 10 – Phân áp bằng điện trở bảo vệ bằng tụ điện 12 - đo khoảng cách
13 – bloc tạo sóng cắt
14 - Động cơ điều chỉnh khoảng cách
16 – Ghi dao động mạch thứ cấp máy biến áp đo lường (11) 17 – Bàn điều khiển
11/08/15 Page 129
Máy phát xung Marx 12 bậc - 1.2 MV - 36 kJ
11/08/15 Page 130
Phóng điện các khe hở khí không phải là hiện tượng tức thời.