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

CH PHÓNG Đ 2.1 Máy phát điện áp xung kích 2.2. Thiết bị tạo điện áp xung 2.3. Máy phát xung BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP 3/31/2014 Page 1 2.4. Thời gian phóng 2.4. Phóng điện xung kích ƯƠNG 2 : IỆN XUNG KÍCH điện áp điện 2.1 MÁY PHÁT ĐIỆN ÁP XUNG KÍCH (MÁY Nếu chúng ta đặt lên một mẫu vật liệu cách điện chịu tác dụng được một điện áp tăng mãi. Bắt đầu việc hình thành một kênh dẫn xuyên suốt khối điện áp phóng điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đ Điện áp tác dụng trong cách điện có thể chia thành điện áp quá đ quá đ 3/31/2014 Page 2 Loại điện áp này xuất hiện do quá điện áp khí xung kích : điện áp tăng nhanh đến giá trị cực đ đuôi sóng). Đối với điện áp tần số công nghiệp không có biến áp thí nghiệm tăng áp hoặc một số máy biến Quá điện áp xung kích khó mô phóng hơn vì thể chỉ ra rằng sóng quá điện áp khí quyển đạt giá giây đến hàng trăm mili giây. Để thí nghiệm các cách điện bằng điện áp xung phép tạo ra điện áp cao có dạng thay đổi được PHÁT XUNG) một điện áp tăng dần, chẳng có loại vật liệu nào có thể từ một giá trị điện áp nào đó, cách điện bị phá huỷ với môi. Cơ chế phóng điện điện môi rất là phức tạp, điện ó có dạng điện áp, thới gian đặt điện áp. xoay chiều tần số công nghiệp iện áp thao tác iện áp khí quyển quyển gây nên bởi các phóng điện sét và có dạng sóng ại (phần đầu sóng) sau đó giảm dần đến trị số không (phần vấn đề khó khăn gì khi mô phỏng. Người ta dùng các máy áp nối cấp (cascade). khó có thể xác định được một dạng sóng mẫu, mà chỉ có trị biên độ trong khoảng thời gian từ hàng chục microco kích, người ta sử dụng các máy phát xung điện áp cho Điện áp xung chuẩn Trong các phòng thí nghiệm cao áp, quá điện áp bởi các xung điện áp dưới dạng hai hàm mũ Do phần đầu của sóng tăng rất chậm và không được thay thế bằng đầu sóng nghiêng đẳng trị bởi              fq f cr q cr tt TT ee ee Ucr tu   )( • (Ucr biên độ của sóng quá điện áp đạt tới ở cuối thời gian Tcr •q hằng số thời gian đuôi sóng ; f thời gian đầu sóng). 3/31/2014 Page 3 và 0,9Umax. Giao điểm của đường xiên này với đầu sóng và ký hiệu bằng tđs. Độ dài sóng ts tính tới định này xuất phát từ kết quả thực nghiệm là khi không còn khả năng phóng điện do đó không cần Sóng sét thường rất khác nhau về biên độ và hình Trị số điện áp phóng điện xung kích còn phụ thuộc để thí nghiệm cách điện cần tiến hành theo một dạng được mô tả có ý nghĩa quan trọng đến quá trình phóng điện nên nó một đường xiên góc qua các điểm có tung độ 0,3Umax t u(t) Ucr 0.5Ucr Tcr T2 T90 T30 trục hoành và đường nằm ngang qua đỉnh cho độ dài khi điện áp giảm xuống còn 50% trị số biên độ. Quy biên độ điện áp giảm chỉ còn một nửa trị số biên độ sẽ chú ý đến dạng. vào dạng sóng cho nên khi dùng điện áp xung kích sóng thống nhất. Xung sét (lightning impulse) Sóng xung kích tiêu chuẩn có độ dài phần đầu sóng (khi điện áp giảm còn một nửa trị số biên độ) Dạng sóng này được quy ước viết như sau 1,2 /50 3/31/2014 Page 4 Thời gian đấu sóng (thời gian tăng đến giá trị Thời gian của đuôi (thời gian giảm đến giá trị nửa biên O1 : gốc toạ độ quy ước. sóng [CEI Publication 60] T1=1,2ms ±30% và độ dài T2=50ms±20%. s. đỉnh) T1=1,20,36 s. độ) T2=5010 s. 0,3 0,5 0,9 1 U(t) c 3/31/2014 Page 5 O1 ­ gốc ảo a b d Thời gian đầu sóng T1=(O1 – c) Thời gian thõn sóng T2=(O1 – e e)  1,67(a-b) Xung quá điện áp thao tác (switching impulse) Xung quá điện áp thao tác 250/2500 Thời gian đấu sóng (thời gian t Thời gian của đuôi (thời gian giẩm Về quá điện áp thao tác, chúng có thể được thể xung chuẩn hoá 250/2500s [CEI Publication 60] 3/31/2014 Page 6 Trong thực tế khi sóng sét lan truyền trên đư đường dây nên dạng xung điện áp còn có thể là u(t) 1 0.9 0.5 0.3 0 01 Tc 0.7 0.1 A B C D t u(t) U cr 0.5U cr T cr T h s. ăng đến giá trị đỉnh) Tcr=25050 s. đến giá trị nửa biên độ) Th=25001500 s. hiện bởi ờng dây, có thể gây phóng điện trên cách điện của các xung cắt t t u(t) 1 0.9 0.3 0 01 Tc A B C D 0.1  0.7   Nguyên lý hoạt động của thiết bị tạo nguồn Nguyên lý làm việc của thiết bị tạo điện áp xung điện áp xung -GIN) các tụ điện cao áp được tích điện song song cho tụ điện phóng điện nối tiếp 2.2. Thiết bị tạo điện áp xung 3/31/2014 Page 7 mạch giao động cộng hưởng L-C mạch trễ gồm các module L, C tập trung nối điện áp xung trong các phòng thí nghiệm cao áp (Máy phát (nguồn cấp là MBA nối với lưới điện) hình  hoặc T bằng các sợi cáp. CUo UR R 3/31/2014 Page 8 CUo C CUo R C U U U t U tU t ? Tồn tại một số sơ đồ máy phát xung khác nhau để tạo điện áp xung có độ dốc ban đầu để tạo điện áp lớn có dạng sóng tiêu chuẩn ứng dụng của thiết bị tạo nguồn điện áp xung Các thiết bị tạo xung được sử dụng trong các 3/31/2014 Page 9 thí nghiệm cách điện bằng đ đánh lửa mỏ đốt dùng khí hoặc các ống phóng điện (flash có hàn xung ăn mòn do điện laser phóng điện máy phát plasma . rất lớn người ta chỉ sử dụng một cấp điện áp thường sử dụng sơ đồ nhiều cấp. lĩnh vực sau : iện áp xung kích than nghiền công suất lớn) Máy phát điện áp xung Máy phát xung nhiều cấp Marx, mang tên động theo nguyên lý của một hệ thống các tụ điện lại nối tiếp. Máy phát xung điện áp một tầng điện dung Redresseur Rr Rs1 Sơ đồ máy phát xung một tầng gồm một máy 2.3. MÁY PHÁT XUNG ĐIỆN ÁP 3/31/2014 Page 10 Up Us Ug Cg Rp trong khoảng thời gian đầu tiên (t<0 khi nguồn máy biến áp cung cấp, chỉnh lưu phát xung bé (năng lượng vài J) đến vài vài kJ). Máy phát xung này hoạt động như sau Giai đoạn thứ hai (t0) khoá công tắc tử Rp, Rs1, Rs2 et Cc sẽ cho ta sóng xung người phát minh ra nó Erwin Marx (1893-1980), hoạt điện cao áp khi nạp điện song song nhưng khi phóng - điện trở Rs2 biến áp, bộ chỉnh lưu cao áp, các tụ điện và điện trở. Cg là tụ xung, Cc Uc 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. mà khoá công tắc mở), tụ điện Cg ở chế độ nạp bằng . Giai đoạn này có thể kéo dài vài giây đối với các máy phút đối với các máy phát xung lứon hơn (năng lượng đóng, tụ điện Cg phóng điện trong mạch gồm các phần kích. Redresseur Up Us Rr Ug Cg Phương trình mạch và dạng điện áp tính điện áp xung kích uc(t) theo mạch điện với điểm phóng điện Ug0. Giả thiết trong giai đoạn của nguồn cao áp chỉnh lưu một chiều. Các phương trình Kirchoff ở các nút có dạng 3/31/2014 Page 11 1 1 1 ; 1 2 22 22 2 dt du C dt du C R R u R iu R i R R i R uiR iii R u R iR R uiR iuiRiR dti C udti C u c c c c p s c p cc p c p s c p ccs cpg p c p cs p ccs pccspp c c cg g g          Cc Uc Rs2Rs1 Rp các tham số và điện áp chỉnh lưu một chiều ở thời phóng điện chúng ta có thể bỏ qua dòng điện nạp ig ip c p sc css p ss c cs c cs c c p ss c p s g ccscc p s c p sg ccsgsg u R R dt du CRR R RR u dt du CR dt du CR dt du C R RR u R R uiRii R R u R R uiRiR                               1 u 1 u u 1 21 21 21 211 2 2 1 21   A U C dt du Utu g g t c c 0 0 0 00     tuc  trong đó p1 và p2 dạng điện áp Cuối cùng ta tính được 11 . 12 2 21 21                                            g p s c p sc gcss p ss duC R R C R R dt ud CCRR R RR 3/31/2014 Page 12 Vì tất cả các phần tử của mạch đều dương, p âm, hàm uc(t) tương ứng với chênh lệch giữa mũ mà hằng số thời gian 2 2 1 1 1 et 1 pp   khác nhau sẽ dẫn đến dạng điện áp xung kích     tptpU A C g g 210 expexp  là nghiệm của phương trình: 02  CBpAp 0 1  c p c u Rdt 0 12  c p cc u Rdt du B dt ud A 1 và p2 hai hàm t u 0 Phân tich hàm Uc(t) ta thấy rằng các phần tử Rs trội, còn các phần tử Rs1 et Cg lại can thiệp chủ yếu Biểu thức Uc(t) đạt được với giả thiết là điện cảm tương đương MHz.                              tt g c ee U tu 11 2 0 22 1 3/31/2014 Page 13 gC B ; AC2 B ;   B A 2 và Cc can thiệp vào thời gian tăng điện áp một cách vào thời gian giảm cúa điện áp (thân sóng). của mạch (vài H) có thể bỏ qua đối với các tần số Ugo : điện áp nạp lớn nhất của tụ điện Cg.  : hệ số xác định hình dáng điện áp xung kích  : hiệu suất của máy phát xung được xác định bởi tỉ lệ điện áp nạp và điện áp lớn nhất của xung  : hệ số xác định thời gian        gp p s p s g c sppsssgc CR R R R R C C RRRRRRCC 2 1 11 12 2121                             Sơ đồ lắp ráp máy phát xung một tầng Redresseur R r 3/31/2014 Page 14 Up U s Cg C1R s2 C2 MesureE R p Máy phát xung điện áp nhiều bậc ChØnh l­ u A Vp Rr V s Ug Cg Rc S1 S1 Để có điện áp xung kích biên độ lớn có thể điện song song đến một trị số điện áp Uo bởi nguồn cao áp. Sau đó bằng kích thích đồng bộ tạo điều tăng cao theo kiểu nối cấp. 3/31/2014 Page 15 Giai đoạn nạp : qua máy biến áp tăng áp, chỉnh khi quá trình kết thúc điện áp tại các điểm A, B, điện thế bằng không (nối đất). M¸y biÕn ¸p t¨ng ¸p A’ KÝch thÝch ®ång bé Giai đoạn phóng điện : Bằng tín hiệu kích thích điểm A' tăng vọt đến Uo, điện thế của điểm B sẽ t ở điện áp 2Uo và sau khi nó phóng điện sẽ làm cho các tụ điện trong giai đoạn phóng điện được ghép mức nUo. B C D E E’D’ Rs Rl Ug Cg Ug Cg Ug Cg Ug Cg R RRR Rd Rd RdRd ¸ S2 S3 S4 S5 Rc Rc Rc S2 S3 S4 S5 Rc tiến hành bằng cách dùng nhiều tụ điện, chúng được nạp cao áp gồm một máy biến áp tăng áp và bộ chỉnh lưu kiện để tất cả các tụ điện phóng điện làm cho điện áp lưu cao áp các tụ điện Cg được nạp tới điện áp Uo và C, D...có điện thế Uo, còn các điểm A', B', C', D'.... có B’ C’ Cm Nèi ví i oscilloscope Cc c ccc Ph©n ¸p đồng bộ, ta mồi cho khe hở S1 phóng điện, điện thế của ăng đến mức 2Uo. Khe hở S2 được chọn cho phóng điện điện thế tại điểm C tăng đến 3Uo. Nếu dùng n cấp để nối tiếp với nhau thì điện áp xung kích ở đầu ra đạt tới Máy phát xung hoạt động như sau Giai đoạn phóng điện : người ta tiến hành cho E phóng điện, sau đó trigger (6) từ bloc đánh lửa gây mất cân bằng điện áp bởi hiệu ứng trường đ Giai đoạn nạp : người ta tiến hành nạp các tụ các điện trở nạp Rc, điện trở nối tiếp Rsi và điện (điện áp cách điện của các khe hở phóng điện có cầu phóng điện). Giai đoạn ba :người ta có thể tạo ra xung cắt quá 3/31/2014 Page 16 Bằng cách chọn các điện trở nạp và điện trở nghiệm cách điện. Cần lưu ý việc tốn tại các phần điện trở dây quấn hoặc của tụ điện có thể gây muốn. Hiệu suất của máy phát xung năng lượng tĩnh điện tích trữ do bằng các tụ điện Cge phóng điện bằng tín hiệu mồi cho khe hở (trigatron) sẽ gây phóng điện khe hở E1. Quá trình này iện từ tất cả (n-1) khe hở còn lại. điện Cge qua máy biến áp tăng áp, chỉnh lưu cao áp, và trở song song Rp tới điện áp phóng điện Ugo định trước thể điều chỉnh bằng cách thay đổi khoảng cách giữa các điện áp bằng các làm cho xung trigger tác động phóng điện ta sẽ tạo được dạng sóng tiêu chuẩn để thí tử ký sinh, ví dụ điện kháng của các dây nối, của các khó khăn để tạo được dạng sóng điện áp xung kích mong g cr nU U  kJ của máy phát xung 2 2 1 gg UnCE 3/31/2014 Page 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 18 3/31/2014 Page 19 Máy phát xung Marx 12 bậc - 1.2 MV - 36 kJ Phóng điện các khe hở khí không phải là hiện tượng tức thời. 2.4. THỜI GIAN PHÓNG ĐIỆN để có thể dẫn đến phóng điện chọc thủng, các điện tử phải có khả n dụng điện áp xoay chiều hoặc một chiều thì trị số tác dụng của điện áp. 3/31/2014 Page 20 Nhưng tình hình sẽ khác hẳn nếu thời gian tác dụng của số điện áp phóng điện càng cao. Dưới tác dụng của hoàn toàn không phóng điện cho dù điện áp tác dụng Nguyên nhân chủ yếu của hiện tượng này là do bản thân quá trình phóng thời gian nhất định gọi là thời gian phóng điện. Thời gian này rất nhỏ so với chu kỳ của chiều nên thời gian tác dụng của điện áp không ảnh h ăng hình thành thác điện tử. Khi sử điện áp phóng điện không phụ thuộc vào thời gian điện áp quá ngắn, thời gian này càng bé thì trị điện áp xung kích những xung ngắn, khe hở có thể đạt trị số điện áp phóng điện bé nhất. điện đòi hỏi phải có khoảng điện áp xoay ưởng đến trị số điện áp phóng điện. Đối với điện áp xung kích, thời gian tồn tại của nó rất ngắn, nh chỉ trong mấy chục às trở lại, nghĩa là xấp xỉ thời gian phóng số điện áp phóng điện. 3/31/2014 Page 21 Vào thời điểm to, điện áp đặt tăng đến giá trị Us ứng với Nhưng sự phóng điện chỉ xảy ra vào cuối thời Nếu ta đặt một điện áp lớn hơn hoặc bằng đ phóng điện sẽ xảy ra một cách rất hệ thống. Để xảy ra phóng điện hoàn toàn thì cần thoả mãn hai điện áp phóng điện phải đủ lớn về biên tồn tại ít nhất một điện tử trong khoảng khe hở thì mới có thể dẫn U(t) Us ư đối với loại quá điện áp khí quyển, điện, do đó nó ảnh hưởng rất lớn đến trị t to 0 ts tf t1 t2 điện áp phóng điện điện áp một chiều. điểm t2 iện áp phóng điện giữa hai điện cực, không có nghĩa là điều kiện sau : độ và có thời gian tồn tại đủ dài đến phóng điện ort tt  t0 cần thiết để điện áp xung đạt giá trị ngưỡng Us; thời gian chậm trễ thống kê ts, là khoảng thời gian chờ Nếu hai thoả mãn hai điều kiện trên, phóng điện xảy ra nh gian chậm trễ thống kê. Thời gian này gồm các thành phần : 3/31/2014 Page 22 một yếu tố cơ bản của quá trình hình thành thác thời gian hình thành phóng điện. Trong khoảng thời gian này thác quá trình phóng điện Thời gian t0 phụ thuộc vào dạng sóng đặc biệt là thời gian kích thí nghiêm có thời gian đầu sóng được chọn rất ngắn nên thời gian này có thể bỏ qua fs tt  đợi xuất hiện điện tử đầu tiên (điện tử mầm) ưng ở cuối thời gian mà người ta gọi là thời điện tử và phóng điện ; điện tử sẽ phát triển và hoàn thành đầu sóng. Trong thực tế dạng sóng xung Có thể xác định được thời gian chậm trễ thống kê bằng ph trường không lớn nhằm ngăn hiện tượng bức xạ khe hở bé thì thời gian hình thành phóng điện sẽ rấ bé, không thống kê sẽ có giá trị gần bằng thời gian phóng khái niệm thời gian chậm trễ thống kê trung bình t quy luật phân bố quãng đường tự do trung bình sẽ thống kê trung binh :  tt  a) Thời gian chậm trễ thống kê 3/31/2014 Page 23 tktb Thời gian chậm trễ hình thành phóng điện phụ thuộc vào một số yếu tố ví dụ nh khí, hình dạng và kích thước điện cực, vật liệu và trạng thái bề mặt của b) Thời gian hình thành phóng điện ương pháp thực nghiệm : trong điện điện tử từ bề mặt âm cực và với khoảng cách đáng kể nên thời gian chậm trễ điện. Do tính chất tản mạn nên chỉ cần đưa ra tk tb. Với lập luận tương tự như khi xác định được quy luật phân bố của thời gian chậm trễ tktbt t e   ư bản chất của loại điện cực Do trị số điện áp phóng điện phụ thuộc vào thời gian tác dụng của ngắn điện áp phóng điện càng cao. Đối với phóng bằng một trị số điện áp cố định mà biểu thị bằng dụng với thời gian phóng điện. Đặc tính này 2.5. PHÓNG ĐIỆN XUNG KÍCH Khi mà thời gian hình thành và phát triển phóng điện có giá trị ngang bằng thời gian tả phóng điện bằng đặc tính điện áp – thời gian phóng trị số của thời gian phóng điện và ngược lại cho nên điện (còn gọi là đặc tính volt-giây) là một khu vực tập hợp nhiều 3/31/2014 Page 24 Do tính chất thống kê của thời gian phóng điện nên khi có hàng loạt các xung trị số điện áp phóng điện tĩnh thì chỉ có một tỷ lệ nhất Ucr bé, thời gian phát triển phóng điện hoàn toàn rất tản mạn. Khi Ucr có trị số lớn, phóng theo luật logarit – chuẩn Trong phóng điện xung kích không chỉ có thời gian phóng mang tính tản mạn. Đặc điểm này được biểu thị bằng xác suất về số lần phóng vào biên độ điện áp tác dụng : biên độ càng lớn thì xác suất phóng Cần chú ý là các đường đặc tính và các tham số có phân biệt theo cực tính của sóng. Đ giây cũng có dạng khác nhau khi điện trường là đồng nhất hay không điện áp, thời gian tác dụng càng điện xung kích không thể biểu thị điện áp phóng điện đặc tính volt-giây-quan hệ giữa biên độ điện áp tác được xác định bằng thực nghiệm. đầu sóng, thì việc mô điện là hợp lý. ứng với mỗi trị số điện áp sẽ có nhiều đường đặc tính điện áp – thời gian chậm trễ phóng điểm. điện áp có biên độ lớn hơn định dẫn đến phóng điện. Nếu biên độ điện áp xung điện phân bố điện mà ngay cả khả năng phóng điện cũng điện, nó phụ thuộc rất nhiều điện càng cao. ường đặc tính volt- đồng nhất U t U 3/31/2014 Page 25 Họ các đường cong này được xây dựng bằng cách hở cách điện. Điện áp xung kích được cấp bởi một máy phát xung không đổi (1,2 hoặc 250s), nhưng biên độ có thể thay Thông thường người ta dùng khái niệm điện áp phóng sóng xung kích khi ta cho tác dụng nhiều lần sẽ có 50% số lần xảy ra phóng cần thực hiện rất nhiều lần thí nghiệm. Trong thực tế thì mỗi giá trị U để xác định xác suất phóng điện. t đặt điện áp xung một cách có hệ thống lên một khe điện áp có thời gian đầu song đổi. điện 50% (U50%) được định nghĩa là biên độ điện. Để xác định U50% cr cần hàng chục lần thí nghiệm Thực tế đường đặc tính volt-giây biểu thị bằng với đường trung bình ấy. Cũng cần nhấn mạnh rằng thuộc nhiều vào cực tính của sóng xung kích và hình dạng hình học của Đường đặc tính volt-giây có ý nghĩa quan trọng trong việc phối hợp cách bảo vệ và thiết bị bảo vệ nó. 3/31/2014 Page 26 Cách điện của thiết bị điện được chỉ được bảo vệ an toàn khi cách bảo vệ : đường đặc tính volt-giây của thiết bị của thiết bị bảo vệ nó. Khi có sóng điện áp xung kích, thiết bị bảo vệ phải phóng đường cong trung bình có kèm theo sai số giới hạn so đường cong điện áp – thời gian phóng điện phụ điện cực. điện giữa thiết bị điện cần điện được phối hợp tốt với thiết bi điện phải hoàn toàn nằm dưới đường đặc tính volt-giây điện trước tiên