Bài giảng Kỹ thuật điện cao áp - Chương 2: Phóng điện xung kích

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật điện cao áp - Chương 2: Phóng điện xung kích

1. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP CHƯƠNG 2 : PHÓNG ĐIỆN XUNG KÍCH 2.1 Máy phát điện áp xung kích 2.2. Thiết bị tạo điện áp xung 2.3. Máy phát xung điện áp 2.4. Thời gian phóng điện 2.4. Phóng điện xung kích 3/31/2014 Page 1
2. 2.1 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. 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, điện áp phóng điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có dạng điện áp, thới gian đặt điện áp. 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 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). 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 3/31/2014 Page 2
3. Điện áp xung chuẩn Trong các phòng thí nghiệm cao áp, quá điện áp được mô tả u(t) bởi các xung điện áp dưới dạng hai hàm mũ Ucr t t Ucr   u(t) e q e f T T 0.5U cr cr cr e  q e  f • (Ucr biên độ của sóng quá điện áp đạt tới ở cuối thời gian Tcr T T T 30 90 cr T2 t •q hằng số thời gian đuôi sóng ; f thời gian đầu sóng). 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 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. 3/31/2014 Page 3
4. Xung sét (lightning impulse) 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 s. Thời gian đấu sóng (thời gian tăng đến giá trị đỉnh) T1=1,2 0,36 s. Thời gian của đuôi (thời gian giảm đến giá trị nửa biên độ) T2=50 10 s. O1 : gốc toạ độ quy ước. 3/31/2014 Page 4
5. U(t) 1 0,9 0,5 0,3 c a b d e O1 ­ gốc ảo Thời gian đầu sóng T1=(O1 – c) Thời gian thõn sóng T2=(O1 – e) 1,67(a-b) 3/31/2014 Page 5
6. Xung quá điện áp thao tác (switching impulse) u(t) U Về quá điện áp thao tác, chúng có thể được thể hiện bởi cr xung chuẩn hoá 250/2500s [CEI Publication 60] 0.5U cr T T t Xung quá điện áp thao tác 250/2500 s. cr h Thời gian đấu sóng (thời gian tăng đến giá trị đỉnh) Tcr=250 50 s. Thời gian của đuôi (thời gian giẩm đến giá trị nửa biên độ) Th=2500 1500 s. 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 u(t) u(t) 1 1 0.9 B 0.9 B 0.7 C C 0.5 0.7 0.3 A 0.3 A D D 0.1 0.1 0 01 0 01 t t Tc Tc 3/31/2014 Page 6
7. 2.2. Thiết bị tạo điện áp xung 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) .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 giao động cộng hưởng L-C .mạch trễ gồm các module L, C tập trung nối hình  hoặc T bằng các sợi cáp. 3/31/2014 Page 7
8. U Uo C R U t U R Uo C C U U t R Uo C ? C U t 3/31/2014 Page 8
9. Tồn tại một số sơ đồ máy phát xung khác nhau. .để tạo điện áp xung có độ dốc ban đầu rất lớn người ta chỉ sử dụng một cấp điện áp .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 Các thiết bị tạo xung được sử dụng trong các lĩnh vực sau : .thí nghiệm cách điện bằng điện áp xung kích .đánh lửa mỏ đốt dùng khí hoặc than nghiền .các ống phóng điện (flash có công suất lớn) .hàn xung .ăn mòn do điện .laser phóng điện .máy phát plasma 3/31/2014 Page 9
10. 2.3. MÁY PHÁT XUNG ĐIỆN ÁP Máy phát điện áp xung 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 một tầng điện dung - điện trở Sơ đồ máy phát xung một tầng gồm một máy biến áp, bộ chỉnh lưu cao áp, các tụ điện và điện trở. Redresseur Rr Rs1 Rs2 Cg là tụ xung, Rp là điện trở song song, Up Us Cg Ug Rp Cc Uc 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. Máy phát xung này hoạt động như 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 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 lứon hơn (năng lượng vài kJ). .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. 3/31/2014 Page 10
11. 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. ig Redresseur Rr Rs1 Rs2 ip Up Us Cg Ug Rp Cc Uc Các phương trình Kirchoff ở các nút có dạng 1 1 u R i R i u u i dt; u i dt g s1 g s2 c c g C g c C c g c 1 R R i u R i u u R u s2 i i R i u R i R i u i s2 c c s2 c c g s1 c c c s2 c c p p s2 c c p Rp Rp Rp Rp Rp Rs1 Rs1Rs2 duc duc duc Rs2ic uc Rs2 1 u g uc Cc Rs1Cc Rs2Cc u ig ip ic ic ic uc ic Rp Rp dt dt dt Rp Rp Rp 1 R du du R R du R u s2 C c C c s1 s2 R R C c s1 1 u R c R c dt c dt s1 s2 c c p p Rp dt Rp 3/31/2014 Page 11
12. Cuối cùng ta tính được 2 R .R d 2u R R du 1 d u du 1 s1 s2 R R C C c 1 s2 C 1 s1 C c u 0 A c B c u 0 R s1 s2 c g dt R c R g dt R c c p p p p dt dt Rp dạng điện áp uc t 0 U 0 0 C uc t g U exp p t exp p t  duc U g 0 g 0 1 2 Cg A dt t 0 A trong đó p1 và p2 là nghiệm của phương trình: Ap2 Bp C 0 u 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 t 0 1 1  1 et  2 p1 p2 khác nhau sẽ dẫn đến dạng điện áp xung kích 3/31/2014 Page 12
13. 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 cúa điện áp (thân sóng). Biểu thức Uc(t) đạt được với giả thiết là điện cảm của mạch (vài H) có thể bỏ qua đối với các tần số tương đương MHz. Ugo : điện áp nạp lớn nhất của tụ điện Cg. t t : hệ số xác định hình dáng điện áp xung kích U 2 1 2 1 g 0    : hiệu suất của máy phát xung được xác định bởi tỉ lệ uc t e e 2 1 điện áp nạp và điện áp lớn nhất của xung  : hệ số xác định thời gian  CcCg Rs1Rs2 Rs1Rp Rp Rs2 A B B Cc Rs2 Rs1  ; ;   1 1 C R R B 2 AC Cg g p p 1  R C 2 p g  3/31/2014 Page 13
14. Sơ đồ lắp ráp máy phát xung một tầng Redresseur R s2 C1 R r E Mesure C2 Cg R U p Up s 3/31/2014 Page 14
15. 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 được 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. ¸ ChØnh l­ u Rr A Rc B Rc C Rc D Rc E Ug Ug Ug Ug Ug Cg S2 S3 S4 S5 S1 Cg Cg Cg Cg Vp V s S2 S3 S4 S5 S1 R Rd R d Rd d Rs Rl R c A’ Rc B’ Rc C’ Rc D’ Rc E’ M¸y biÕn ¸p t¨ng ¸p Cc Cm Ph©n ¸p Nèi ví i oscilloscope KÝch thÝch ®ång bé 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 được 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 3/31/2014 mứcPagenUo 15 .
16. 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). 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. U  cr Hiệu suất của máy phát xung nU g năng lượng tĩnh điện tích trữ do bằng kJ của máy phát xung E 1nC U 2 2 g g 3/31/2014 Page 16
17. 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 3/31/2014 Page 17
18. 3/31/2014 Page 18
19. Máy phát xung Marx 12 bậc - 1.2 MV - 36 kJ 3/31/2014 Page 19
20. 2.4. THỜI GIAN PHÓNG ĐIỆN Phóng điện các khe hở khí không phải là hiện tượng tức thời. để có thể dẫn đến phóng điện chọc thủng, các điện tử phải có khả năng hình thành thác điện tử. Khi sử dụng điện áp xoay chiều hoặc một chiều thì trị số điện áp phóng điện không phụ thuộc vào thời gian tác dụng của điện áp. Nhưng tình hình sẽ khác hẳn nếu thời gian tác dụng của điện áp quá ngắn, thời gian này càng bé thì trị số điện áp phóng điện càng cao. Dưới tác dụng của điện áp xung kích những xung ngắn, khe hở có thể hoàn toàn không phóng điện cho dù điện áp tác dụng đạt trị số điện áp phóng điện bé nhất. Nguyên nhân chủ yếu của hiện tượng này là do bản thân quá trình phóng điện đòi hỏi phải có khoảng thời gian nhất định gọi là thời gian phóng điện. Thời gian này rất nhỏ so với chu kỳ của điện áp xoay chiều nên thời gian tác dụng của điện áp không ảnh hưởng đến trị số điện áp phóng điện. 3/31/2014 Page 20
21. Đối với điện áp xung kích, thời gian tồn tại của nó rất ngắn, như đối với loại quá điện áp khí quyển, chỉ trong mấy chục às trở lại, nghĩa là xấp xỉ thời gian phóng điện, do đó nó ảnh hưởng rất lớn đến trị số điện áp phóng điện. U(t) Us 0 to t1 t2 ts tf t Nếu ta đặt một điện áp lớn hơn hoặc bằng điện áp phóng điện giữa hai điện cực, không có nghĩa là phóng điện sẽ xảy ra một cách rất hệ thống. Vào thời điểm to, điện áp đặt tăng đến giá trị Us ứng với điện áp phóng điện điện áp một chiều. Nhưng sự phóng điện chỉ xảy ra vào cuối thời điểm t2 Để xảy ra phóng điện hoàn toàn thì cần thoả mãn hai điều kiện sau : điện áp phóng điện phải đủ lớn về biên độ và có thời gian tồn tại đủ dài tồn tại ít nhất một điện tử trong khoảng khe hở thì mới có thể dẫn đến phóng điện 3/31/2014 Page 21
22. Nếu hai thoả mãn hai điều kiện trên, phóng điện xảy ra nhưng ở cuối thời gian mà người ta gọi là thời gian chậm trễ thống kê. Thời gian này gồm các thành phần : trt t o t s t f t0 cần thiết để điện áp xung đạt giá trị ngưỡng Us; thời gian chậm trễ thống kê ts, là khoảng thời gian chờ đợi xuất hiện điện tử đầu tiên (điện tử mầm) một yếu tố cơ bản của quá trình hình thành thác điện tử và phóng điện ; thời gian hình thành phóng điện. Trong khoảng thời gian này thác điện tử sẽ phát triển và hoàn thành quá trình phóng điện Thời gian t0 phụ thuộc vào dạng sóng đặc biệt là thời gian đầu sóng. Trong thực tế dạng sóng xung kích thí nghiêm có thời gian đầu sóng được chọn rất ngắn nên thời gian này có thể bỏ qua 3/31/2014 Page 22
23. a) Thời gian chậm trễ thống kê Có thể xác định được thời gian chậm trễ thống kê bằng phương pháp thực nghiệm : trong điện trường không lớn nhằm ngăn hiện tượng bức xạ điện tử từ bề mặt âm cực và với khoảng cách khe hở bé thì thời gian hình thành phóng điện sẽ rấ bé, không đáng kể nên thời gian chậm trễ thống kê sẽ có giá trị gần bằng thời gian phóng điện. Do tính chất tản mạn nên chỉ cần đưa ra khái niệm thời gian chậm trễ thống kê trung bình ttk tb. Với lập luận tương tự như khi xác định quy luật phân bố quãng đường tự do trung bình sẽ được quy luật phân bố của thời gian chậm trễ thống kê trung binh : t ttktb t ttktb e b) Thời gian hình thành phóng điện Thời gian chậm trễ hình thành phóng điện phụ thuộc vào một số yếu tố ví dụ như bản chất của loại khí, hình dạng và kích thước điện cực, vật liệu và trạng thái bề mặt của điện cực 3/31/2014 Page 23
24. 2.5. PHÓNG ĐIỆN XUNG KÍCH 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. 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. Khi mà thời gian hình thành và phát triển phóng điện có giá trị ngang bằng thời gian đầu sóng, thì việc mô tả phóng điện bằng đặc tính điện áp – thời gian phóng điện là hợp lý. 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 điện áp – thời gian chậm trễ phóng điện (còn gọi là đặc tính volt-giây) là một khu vực tập hợp nhiều điểm. 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. Nếu biên độ điện áp xung Ucr bé, thời gian phát triển phóng điện hoàn toàn rất tản mạn. Khi Ucr có trị số lớn, phóng điện phân bố theo luật logarit – chuẩn 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. 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 3/31/2014 Page 24
25. U U t t Họ các đường cong này được xây dựng bằng cách 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 250s), nhưng biên độ có thể thay đổi. 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. 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. 3/31/2014 Page 25
26. Thực tế đường đặc tính volt-giây biểu thị bằng đường cong trung bình có kèm theo sai số giới hạn so với đường trung bình ấy. Cũng cần nhấn mạnh rằng đường cong điện áp – thời gian phóng điện phụ thuộc nhiều vào cực tính của sóng xung kích và hình dạng hình học của điện cực. 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. Cách điện của thiết bị điện được chỉ được bảo vệ an toàn khi cách điện được phối hợp tốt với thiết bi bảo vệ : đường 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 3/31/2014 Page 26