Bài giảng Kỹ thuật cao áp - Chương 6: Phóng điện cục bộ

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
 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
1. Giới thiệu
 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
2. Điện trường trong bọt khí
 Bọt khí dạng hình cầu
solid
r
r
void EE


21
3
 Bọt khí dạng phẳng
solidrvoid EE  
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
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
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<<a
 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
 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.
rotoc UUU 
5. Thông số của phóng điện cục bộ
 Điện tích qi được tính như sau
 roto
cccei
UUcb
UbcU
ba
ab
cUCq
 1
 Điện tích qi không thể đo được nhưng độ sụt áp trên tụ a có thể đo được
cca U
a
b
U
ba
b
U 
 a vì b<<a
b
a
c
 Uc
 Ua
 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
 rotoc
aaaes
UUbUb
UaU
cb
bc
aUCq
 2
 Điện tích qs (pC) gọi là điện tích biểu kiến và được dùng để đo độ lớn
của phóng điện cục bộ
b
c
a
 Ua
u1
tU
cb
b
uco sin2
b
c
a
 Ua
 Uc
 Điện áp đặt lên khối cách điện
tUua sin2 
 Khi chưa phóng điện, điện áp trên bọc khí
tU
cb
b
uco sin2
 Điện áp trên bọc khí khi phóng điện xảy ra u1 , khi bắt đầu chu kỳ điện
áp (t t1)
couu 1
u1
tU
cb
b
uco sin2
 Khi u1 đạt giá trị Uto, phóng điện xảy ra và u1 giảm một lượng Uc
 roto UUtU
cb
b
u 
 sin21 (t1< t < t2)
 Khi t = t2, u1 đạt giá trị Uto một lần nữa và phóng điện xảy ra. t2 có thể
xác định từ công thức
 rototo UUtU
cb
b
U 
 2sin2 
 Khi t > t2, u1 được xác định như sau:
 roto UUtU
cb
b
u 
 2sin21 
 Uc
u1
tU
cb
b
uco sin2
 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
(*)
22
222.
roto
ro
roc
UU
UU
cb
b
n
U
cb
b
UUn
* Chú ý:
- công thức trên chỉ chính xác khi phóng điện xảy ra tại uco đạt cực
đại
- 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
 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)
2
2 tobbto
U
b
cb
U
cb
b
UU 
 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
22
(*)
22
roto
s
roto
ro
UU
b
cb
U
UU
UU
cb
b
n
(với n = 1)
Thay U = Us
 Điện áp xuất hiện trên bọt khí tương ứng với giá trị hiệu dụng Us của
điện áp ngoài được tính như sau:
2
2 rotos
UU
cb
b
U
 tU
cb
b
uco sin2
22
roto
s
UU
b
cb
U
 Năng lượng tiêu tán khi có 1 lần phóng điện trong bọc khí
  
 rotoroto
roto
roto
roetoePDsauPDtruoc
UUUUcb
UUcb
U
ba
ab
cU
ba
ab
c
UCUCWWW
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
22
22
2
1
2
1
(với a>>c>>b)
mà: 
22
roto
s
rotos
UU
b
cb
U
UUbq
ssqUW 2 
 Tổn hao công suất do PD
ssqUnf
T
Wn
P 22
2
 (n: số lần phóng 
điện trong ½ chu kỳ)
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.
 Mạch đo lường thực tế
 Hiển thị kết quả
Mũi nhọn-cực bảng
Bọt khí tại Ub
Bọt khí tại 2Ub
 Thiết bị