Phóng Điện Cục Bộ

Phóng Điện Cục Bộ

Khi đặt vật liệu cách điện vào trong một điện trường, phần cách điện yếu là nơi tạo ra một điện trường tập trung cao hơn những vùng khác giống như điện trường ở 2 má của một tụ điện hay như khe hở giữa 2 điện cực (xem hình 1). 

Mặc dù các phần còn lại của vật liệu cách điện có thể chịu được cường độ điện trường đặt vào nhưng do tính không đồng nhất, điện trường tập trung tại bộ phận cách điện yếu và khi nó vượt quá giá trị tới hạn nào đó thì lập tức cách điện ở khu vực yếu này bị phá huỷ do phóng điện giống như sự đánh thủng tụ điện do quá điện áp. Sự phóng điện này gọi là phóng điện cục bộ. 

Sự phóng điện cục bộ này xảy ra rất nhanh và gây ra các xung dòng điện có tần số cao, xung dòng điện này gây ra nhiễu cao tần cho nguồn cung cấp. Nhưng do điện áp nguồn là tín hiệu có cường độ lớn hơn nhiều so với điện áp phóng điện này cho nên sự phóng điện này thông thường bị dập tắt rất nhanh (khi phóng điện thì lỗ thủng bị phá huỷ trở nên dẫn điện, khi điện trường tại đây bị triệt tiêu thì lỗ hổng lại tái xuất hiện), khi cường độ điện trường tiếp tục tăng lên đến một mức nào đó thì lại xuất hiện phóng điện cục bộ tiếp theo. Sự phóng điện này lặp đi lặp lại trong vật liệu cách điện. 

Hình 1: Phóng điện tại bọt khí trong vật liệu cách điện Uc là cường độ điện trường dọc theo bọt khí

Hình 2: Mạch tương đương mô tả hiện tượng phóng điện trong bọt khí

Hiện tượng trên được mô tả đơn giản hóa bằng mạch tương đương như hình vẽ 2. Ca là điện dung của toàn bộ khối vật liệu cách điện, Cc là điện dung của lỗ bọt khí và Cb là điện dung của vật liệu cách điện nối nối tiếp với Cc. 

Khi điện áp dọc theo Cc tăng đủ lớn đến mức tới hạn, lập tức có sự phóng điện trong bọt khí, tương tự trường hợp Cc phóng điện và điện áp dọc theo bọt khí triệt tiêu trong khoảng thời gian từ 1 đến 1000 ns. Quan hệ giữa biên độ phóng điện hay năng lượng phóng điện toàn phần q và điện áp Uc như sau:

Q = Cb x Uc

Sự phóng điện này tạo ra một xung dòng điện và gây ra thành phần điện áp biến đổi nhanh. Sự thay đổi này có thể đo được bằng bộ đo điện áp kiểu điện dung (capacitive voltage divider) và máy biến áp xung. 

Sự phóng điện cục bộ tuy không dẫn đến hư hỏng cách điện ngay lập tức nhưng nó ảnh hưởng đến môi trường cách điện như sau: 

- Có sự bắn phá do các ion trong vật liệu cách điện gây ra phát nhiệt cục bộ có thể dẫn đến sự thay đổi và suy giảm đặc tính hoá học của vật liệu cách điện. Trong trường hợp xấu, điểm phóng điện cục bộ lan rộng dẫn đến phá huỷ dần vật liệu cách điện theo thời gian. 

- Sự thay đổi các đặc tính hoá học ảnh hưởng đến các thành phần hoá học, làm tăng tốc độ già hoá của vật liệu. Mặt khác phóng điện cục bộ cũng có thể ảnh hưởng xấu đến các bộ phận khác của thiết bị. 

- Phóng điện cục bộ gây ra điện trường cao quanh vùng phóng điện có thể dẫn đến phóng điện thứ phát (do tạo ra môi trường dẫn điện xung quanh chỗ phóng điện làm suy yếu tính chất cách điện của điện môi) 

Hiện tượng này cũng làm xấu các đặc tính điện của vật liệu cách điện và làm tăng tổn hao, tăng nhiệt độ, giảm tuổi thọ của thiết bị. 

Trường hợp phóng điện cục bộ có cường độ lớn có thể dẫn đến phá hỏng thiết bị do suy giảm hoặc phá huỷ cách điện. 

Đo phóng điện cục bộ tại máy biến áp 

Việc đo lường phóng điện cục bộ thường được tiến hành tại máy biến áp truyền tải (điện áp 110 kV trở lên), đây là hạng mục thí nghiệm điển hình (type test). 

Khi đo phóng điện cục bộ tại máy biến áp, sơ đồ đấu dây như khi thử cách điện các vòng dây bằng tần số nâng cao như hình 3.

Hình 3: Sơ đồ mạch đo phóng điện cục bộ

Trong sơ đồ:

• G1 máy phát cấp nguồn; P1 đồng hồ ampe  
• T1 máy biến áp được thí nghiệm; P2 đồng hồ đo điện áp đỉnh 
• T2 máy biến áp xung; P3 bộ đo PD 
• T3 máy biến áp tăng áp; P4 đồng hồ volt 
• L1 cuộn kháng; Z3 trở kháng 
• Z1 bộ lọc dải thấp 
• Z2 điện trở đấu dây cáp đo 
• W1 cáp đo lường 
• E bộ phân áp đo lường kiểu tụ 

Người ta tiến hành đo năng lượng phóng điện toàn phần (Q) và đếm số lần phóng điện trong một khoảng thời gian nhất định. Chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá phóng điện cục bộ là năng lượng phóng điện toàn phần tính theo pico culông (pC) và xu hướng thay đổi của phóng điện cục bộ. 

Khi đo phóng điện cục bộ ta cấp điện nguồn giống như khi thí nghiệm cách điện vòng dây bằng nguồn có tần số nâng cao và trong quá trình thử điện áp thay đổi như hình 4. 

Hình 4 - Sự thay đổi điện áp khi đo PD

U1 = Um (Um là điện áp thí nghiệm điện áp cảm ứng).
U2 = 1,5 Um / 1.732     với Q = 500 pC 
U2 = 1,3 Um / 1.732     với Q = 300 pC 
t2 = 5 phút 
tmes = 30 phút 

Do kết quả đo phóng điện cục bộ bị ảnh hưởng rất lớn của nhiễu điện từ cao tần cũng như phóng điện vầng quang của môi trường và trong máy do vậy cần các biện pháp để giảm ảnh hưởng của các nhiễu này là cực kỳ quan trọng.

Thực tế từ kết quả đo PD có thể đánh giá được chất lượng cách điện của thiết bị nói chung (cả vật liệu cách điện cũng như kết cấu và công nghệ chế tạo) và có thể phát hiện các hiện tượng phóng điện khác trong thiết bị trong quá trình vận hành.

Tài liệu tham khảo:
1.   Hướng dẫn thí nghiệm máy biến áp truyền tải (ABB transmit OY).
2.   Đo phóng điện cục bộ (ABB ETI – Raleight, North Carolina, USA)
3.   IEC 76.3.