Nghiên cứu hiện tượng dòng điện tích trong dầu khoáng trắng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu hiện tượng dòng điện tích trong dầu khoáng trắng trình bày các kết quả nghiên cứu về hiện tượng dòng điện tích trong dầu khoáng trắng. Thí nghiệm được thực hiện với hệ thống điện cực mũi nhọn - bảng phẳng với khoảng cách điện cực là 8 cm dưới tác dụng của điện áp bước.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu hiện tượng dòng điện tích trong dầu khoáng trắng

20 Nguyễn Văn Dũng NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG DÒNG ĐIỆN TÍCH TRONG DẦU KHOÁNG TRẮNG A STUDY ON THE PHENOMENON OF STREAMERS IN WHITE MINERAL OIL Nguyễn Văn Dũng Trường Đại học Cần thơ; nvdung@ctu.edu.vn Tóm tắt - Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu về hiện Abstract - This paper presents the results of a study on streamers in tượng dòng điện tích trong dầu khoáng trắng. Thí nghiệm được white mineral oil. The experiments have been performed with a point- thực hiện với hệ thống điện cực mũi nhọn - bảng phẳng với khoảng plane electrode system with a distance of 8 cm among the electrodes cách điện cực là 8 cm dưới tác dụng của điện áp bước. Ảnh hưởng under the effect of step voltage. The influence of the amplitudes and của độ lớn và cực tính của điện áp tác dụng lên hiện tượng dòng polarities of the voltage on streamers has been carefully investigated điện tích được khảo sát chi tiết. Điện áp tác dụng tăng làm thay đổi in detail. It is observed that the increased voltage changes the shapes hình dạng và vận tốc di chuyển dòng điện tích dẫn đến hình thành and speeds of the streamers, which results in different propagation các loại dòng điện tích khác nhau. Khi điện áp tác dụng vượt quá modes. As the voltage in effect exceeds a threshold value, the một giá trị ngưỡng, vận tốc dòng điện tích tăng đột ngột. Dòng điện velocities of the streamers increase sharply. Positive streamers tích dương di chuyển với tốc độ cao hơn nhưng có điện áp phóng propagate with higher velocities but they have lower breakdown and điện và điện áp gia tốc nhỏ hơn so với dòng điện tích âm. Trong acceleration voltages compared to negative streamers. During the quá trình di chuyển của dòng điện tích, ghi nhận được sự xuất hiện propagation of the streamers, the appearance of current and light của xung dòng điện và xung ánh sáng. Nguyên nhân gây chuyển pulses has been recorded. The reason for the transition from low to từ dòng điện tích loại chậm sang nhanh được thảo luận. fast mode streamers is to be discussed. Từ khóa - dầu khoáng trắng; dòng điện tích; điện áp bước; vận Key words - white mineral oil; streamers; step voltage; velocity; tốc; điện cực. electrodes. 1. Đặt vấn đề hình dạng của dòng điện tích cũng được khảo sát. Cuối Dầu máy biến áp có nguồn gốc từ dầu mỏ là chất lỏng cùng, giả thuyết về sự chuyển từ dòng điện tích loại chậm cách điện duy nhất được sử dụng trong các máy biến áp điện sang nhanh được đề nghị. lực tính đến thời điểm hiện tại bởi đặc tính cách điện và làm Để phân biệt các kiểu dòng điện tích, hệ thống phân loại mát tốt. Khi dầu máy biến áp bị phóng điện đánh thủng, thì dựa vào vận tốc di chuyển của nó được trình bày tại nghiên máy biến áp hầu như bị hư hỏng nặng và kết quả là sự cung cứu [6, 7] được sử dụng. Trong nghiên cứu này, Loại 1 di cấp điện năng bị gián đoạn. Trước khi sự phóng điện diễn ra chuyển với tốc độ nhỏ hơn 200-300 m/s trong khi loại 2 có trong dầu, người ta quan sát được sự xuất hiện của dòng điện vận tốc lớn hơn (1-3 km/s). Loại 4 có thể đạt vận tốc 100- tích [1-3]. Do đó, việc nghiên cứu về dòng điện tích trong 200 km/s đối với dòng dương và 10-40 km/s đối với dòng dầu máy biến áp trở nên rất quan trọng và đã được thực hiện âm. Loại 3 là sự chuyển tiếp từ loại 2 sang loại 4 và có vận trong vòng vài thập kỷ trở lại đây. Tuy nhiên, sự hiểu biết tốc khoảng 5 -10 km/s. một cách hoàn toàn về nguyên lý phát triển dòng điện tích trong dầu máy biến áp vẫn chưa đạt được bởi nhiều nguyên 2. Bố trí thí nghiệm và trình tự thí nghiệm nhân. Một trong số đó là cấu trúc hóa học phức tạp của dầu. Hình 1 trình bày cách bố trí thí nghiệm được sử dụng trong Dầu máy biến áp có nguồn gốc từ dầu mỏ là hỗn hợp của nghiên cứu này. Hệ thống điện cực mũi nhọn - mặt phẳng nhiều hydrô cácbon được chia thành ba nhóm chính đó là được đặt trong buồng thí nghiệm bằng thủy tinh Borosilicate. parafin, naphthene và hydrô cácbon thơm. Gần đây, việc Điện cực mũi nhọn được làm bằng dây tungsten có bán kính nghiên cứu dầu cách điện có khả năng phân hủy sinh học là 75 m với đầu điện cực có hình bán cầu. Việc sử dụng điện hoàn toàn đã được tiến hành để tìm ra chất lỏng cách điện cực mũi nhọn có bán kính đầu điện cực lớn là bởi vì hai lý do. mới có thể thay thế được dầu máy biến áp trong tương lai Thứ nhất là nghiên cứu này chỉ tập trung vào quá trình di [4, 5]. Vì vậy sự hiểu biết sâu hơn về dòng điện tích là rất chuyển của dòng điện tích và quá trình này không ảnh hưởng quan trọng cho việc thiết kế một loại dầu cách điện mới. Do đáng kể vào bán kính đầu điện cực mũi nhọn [4]. Thứ hai là đó việc nghiên cứu ảnh hưởng của từng thành phần của dầu để hạn chế khả năng đầu điện cực bị phá hủy sau khi xảy ra máy biến áp đến đặc tính của dòng điện tích là rất cần thiết. phóng điện đánh thủng. Điện cực phẳng được chế tạo bằng Vì vậy nghiên cứu về dòng điện tích sẽ được thực hiện theo thép không gỉ có đường kính 340 mm. Máy phát cao áp Marx hai giai đoạn. Đầu tiên, khảo sát dầu khoáng trắng chỉ bao được dùng để tạo ra điện áp bước (0,5/1700 s). Độ lớn của gồm các phân tử thuộc nhóm parafin và naphthene. Sau đó, điện áp này được đo ở phía cao áp bằng cách sử dụng tụ cao các chất phụ gia có tính chất tương tự như các hydrô cácbon áp nối tiếp với mạch tích phân. thơm được thêm vào. Camera tốc độ cao, IMACON 468, được dùng để chụp Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của cực tính của điện lại hình dạng dòng điện tích trong suốt quá trình phát triển. áp tác dụng lên sự di chuyển của dòng điện tích trong dầu Camera có 8 khung hình. Khung hình từ 1 đến 7 dùng để khoáng trắng (Marcol-52) được khảo sát chi tiết. Đặc tính chụp lại hình dạng của dòng điện tích tại các thời điểm khác của dòng điện tích được trình bày thông qua chiều dài dòng, nhau trong quá trình phát triển. Riêng khung Hình 8 ghi lại điện áp phóng điện, điện áp gia tốc và vận tốc. Ngoài ra, toàn bộ quá trình phát triển của dòng điện tích. Xung dòng
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(88).2015 21 điện được đo tại phía hạ áp của buồng thí nghiệm. Ống camera cho thấy dòng dương có cấu trúc “sợi” được tạo thành nhân ánh sáng được đặt tại cửa quan sát của buồng thí từ nhiều kênh hẹp và mịn trong khi dòng âm có cấu trúc “bụi nghiệm để ghi lại xung ánh sáng phát ra từ dòng điện tích. cây” bao gồm nhiều nhánh phát xuất từ một điểm trên bề mặt Tất cả các thí nghiệm đều được thực hiện với khe hở đầu điện cực mũi nhọn (Hình 3). Có lẽ cấu trúc sợi đã làm cho điện cực là 8 cm trong dầu khoáng trắng có độ tinh khiết dòng dương di chuyển dễ dàng hơn dòng âm. cao (Marcol-52). Loại dầu này chứa 67% nguyên tử cácbon 80 trong cấu trúc parafin và 33% nguyên tử cácbon trong cấu Dòng dương trúc naphthene. Marcol-52 có khối lượng riêng là 0,825- Dòng âm 0,834 g/cm3 tại 20oC, độ nhớt động học là 7 mm2/s tại 40oC 60 Chiều dài dòng (mm) và nhiệt độ sôi là 316oC. Để khảo sát sự tác động của điện áp lên dòng điện tích, điện áp đặt lên hệ thống điện cực được tăng theo từng bước có 40 các giá trị khác nhau tùy theo từng giai đoạn phát triển của dòng điện tích. Xung quanh giá trị điện áp phóng điện và điện áp gia tốc, điện áp tác đụng được tăng 5 kV/bước trong khi ở 20 các giá trị điện áp khác, điện áp được tăng 15-30 kV/bước. Tại mỗi bước điện áp, thí nghiệm được lặp lại 10 lần. 0 Sau mỗi lần phóng điện, dầu được luân chuyển qua hệ 0 50 100 150 200 250 300 350 400 thống lọc trong thời gian 30 phút để loại bỏ muội than được Điện áp tác dụng (kV) sinh ra khi dầu bị cháy do phóng điện. Hình 2. Chiều dài dòng và điện áp tác dụng Điện trở Máy tạo hạn dòng xung Buồng thí Tụ đo nghiệm lường cao áp Ống nhân ánh sáng a b 8 cm Hình 3. Hình dạng dòng điện tích tại 150 kV; Camera Đèn Xenon a. dòng dương (hình được chụp trước khi phóng điện); Máy hiện sóng b. dòng âm (hình được chụp tại thời điểm dòng ngừng phát triển) Bảo vệ quá áp Mạch 3.2. Điện áp phóng điện tích phân Mạch giảm tín hiệu 99 ò Weibull - 95% CI 90 Dòng dương Hình 1. Bố trí thí nghiệm 80 Hệ số Hệ số Dòng âm Xác suất phóng điện tích lũy (%) 70 hình dạng tỉ lệ 60 26,84 164,3 50 50 3. Kết quả nghiên cứu và khảo sát 40 72,01 390,8 30 3.1. Chiều dài dòng 20 Hình 2 trình bày quan hệ giữa chiều dài dòng điện tích 10 trung bình (ls) và điện áp tác dụng (V). Đầu tiên dòng điện 5 tích xuất hiện tại bề mặt điện cực mũi nhọn và phát triển về 3 phía điện cực phẳng. Chiều dài dòng điện tích tăng khi điện 2 388,8 162,1 áp tác dụng tăng. Khi V  Vb, dòng điện tích kết thúc sự 1 100 150 200 250 300 350 400 phát triển tại một chiều dài có giá trị nhỏ hơn khoảng cách Điện áp tác dụng (kV) điện cực (d). Trong bài báo này, Vb được định nghĩa là giá trị điện áp phóng điện có xác suất tích lũy 50%. Cùng với Hình 4. Điện áp phóng điện giá trị trung bình, sự phân tán dữ liệu được thể hiện bằng Điện áp phóng điện (Vb) được xác định từ phân phối độ lớn của thanh sai số. Độ phân tán dữ liệu càng tăng khi Weibull. Biểu thức xác định xác suất phóng điện tích lũy điện áp tác dụng càng lớn. Đối với dòng âm, sự phân tán theo phân phối Weibull hai tham số được cho ở công thức dữ liệu lớn nhất khi dòng điện tích tiến đến gần điện cực 1. Trong công thức này, Vo và  lần lượt là hệ số tỉ lệ và phẳng. Khi V  Vb, vì dòng điện tích luôn phát triển hết hình dạng, và V là giá trị biên độ của điện áp tác dụng. Điện khoảng cách điện cực nên ls = d. Đồng thời quan sát được áp phóng điện của dòng dương chỉ bằng 41,7% so với điện sự xuất hiện phóng điện đánh thủng. áp phóng điện của dòng âm (162,1 kV so với 388,8 kV) Từ Hình 2, chúng ta thấy rằng chiều dài dòng phụ thuộc như thể hiện ở Hình 4. Sự suy giảm mạnh điện áp phóng lớn vào cực tính của điện áp tác dụng. Dòng dương luôn dài điện của dòng dương có thể liên quan đến sự gia tăng một hơn dòng âm. Sự khác biệt này càng lớn khi điện áp tác dụng cách đáng kể chiều dài của dòng điện tích dương được thể càng tăng. Điều đó có nghĩa là với cùng một giá trị điện áp tác hiện ở Hình 2. Hệ số hình dạng  trong trường hợp dòng dụng thì dòng dương dễ phát triển hơn dòng âm. Hình chụp từ dương chỉ bằng 37,3% so với hệ số hình dạng trong trường
22 Nguyễn Văn Dũng hợp dòng âm (26,84 so với 72,01). Điều này chỉ ra rằng độ dòng âm khoảng 10 lần. Dòng dương đột ngột tăng vận tốc phân tán dữ liệu điện áp phóng điện của dòng dương lớn tại điện áp khoảng 210 kV trong khi dòng âm gia tốc tại hơn nhiều so với dòng âm. điện áp xấp xỉ 390 kV. Do đó, tỉ số Va/Vb khoảng 1,3 đối với dòng dương và 1,0 đối với dòng âm.   V   F (V ) = 1 − exp −    (1) 1000   Vo   Dòng dương Dòng âm 3.3. Thời gian phóng điện 100 Thời gian phóng điện (tBD) giảm khi điện áp tác dụng Vận tốc trung bình (km/s) tăng và phụ thuộc mạnh vào cực tính của điện áp tác dụng 10 (Hình 5). Tại một giá trị điện áp ngưỡng (Vth), tBD giảm đột ngột từ 20 s xuống 1 s đối với dòng dương và từ 200- 300 s xuống 5 s đối với dòng âm. Sau đó, tBD giảm từ từ và 1 có xu hướng bão hòa khi điện áp tác dụng tiếp tục tăng. Kết quả tương tự đã quan sát được ở một số chất lỏng khác [8-11]. 0,1 Vb 1000 Dòng dương Vb Va Va Dòng âm 0,01 100 0 100 200 300 400 500 600 Thời gian phóng điện (µs) Điện áp tác dụng (kV) Hình 6. Vận tốc trung bình 10 3.5. Loại, hình dạng và sự di chuyển của dòng điện tích 3.5.1. Dòng dương Vb (-) Trong nghiên cứu này, chỉ quan sát được dòng điện tích 1 loại 2, loại 3 và loại 4. Dòng điện tích loại 1 chỉ xuất hiện khi bán kính của đầu điện cực mũi nhọn vào khoảng một Vth (+) Vb (+) Vth (-) vài m [13]. 0,1 0 100 200 300 400 500 600 Khi V  Vb, chỉ ghi nhận được sự xuất hiện của dòng điện Điện áp tác dụng (kV) tích loại 2 với vận tốc di chuyển 1-2 km/s. Hình dạng tiêu biểu của dòng dương loại 2 được biểu diễn ở Hình 8. Dòng Hình 5. Thời gian phóng điện điện tích được tạo thành từ một vài nhánh chính được bao 3.4. Vận tốc bọc xung quanh bởi các nhánh phụ. Sự phân nhánh diễn ra Hình 6 minh họa quan hệ giữa vận tốc trung bình của rất mạnh tại các đầu nhánh. Khi Vb  V  Va, vẫn duy nhất dòng điện tích và điện áp tác dụng. Khi V  Vb, vận tốc dòng điện tích loại 2 xuất hiện. Vận tốc đạt giá trị lớn hơn dòng được tính từ chiều dài dòng (ls) và thời gian phát triển khoảng 3-4 km/s. Dòng điện tích càng phân nhánh khi điện dòng tương ứng (ts). Khi V  Vb, vận tốc dòng được xác áp tác dụng càng tăng (Hình 8). Hình ảnh tiêu biểu của toàn định từ khoảng cách điện cực (d) và thời gian phóng điện bộ quá trình di chuyển của dòng dương loại 2 được trình bày (tBD). Tổng quát, vận tốc dòng tăng theo “bậc” khi điện áp ở Hình 9. Dòng điện tích bắt đầu bằng nhiều điểm sáng mờ tác dụng tăng. Vận tốc tính được tại Vb vào khoảng 1-2 tạo nên phần nền sáng. Mặc dù không thể quan sát rõ trên km/s đối với dòng dương và xấp xỉ 100-200 m/s đối với Hình 9 nhưng các điểm sáng mờ được quan sát rất rõ trên dòng âm. Tại giá trị điện áp ngưỡng Va, vận tốc dòng dương màn hình camera. Các điểm sáng mờ này được phát ra từ các tăng lên đạt 3-4 km/s nhưng vận tốc dòng âm không tăng kênh sáng mờ của dòng điện tích [14]. Dòng điện tích kết do Va  Vb. Va được gọi là điện áp gia tốc và có giá trị xấp thúc với sự xuất hiện của các kênh sáng lặp lại ở giai đoạn xỉ Vth ở Hình 5. Ngay khi điện áp tác dụng lớn hơn Va, quan cuối của quá trình di chuyển. Các kênh sáng lặp lại là do hiện sát được sự gia tăng vận tốc một cách đột ngột đối với cả tượng phóng điện trong môi trường khí bên trong các nhánh dòng dương và âm. Hiện tượng này cũng đã xảy ra ở nhiều của dòng điện tích [2, 14]. Cùng với sự xuất hiện của các loại chất lỏng [4, 5, 8, 12]. Sự tăng đột ngột vận tốc của kênh sáng lặp lại, đo được sự xuất hiện của xung ánh sáng dòng điện tích có liên quan đến sự suy giảm nhanh chóng và xung dòng điện. Tốc độ di chuyển của dòng điện tích đo thời gian phóng điện như trình bày ở Hình 5. Lúc này, quan được khoảng 2,5 km/s xuyên suốt khe hở điện cực. sát được sự giảm đáng kể số lượng nhánh của dòng dương Xung quanh giá trị Va, dòng loại 3 (loại chuyển tiếp) cũng như sự xuất hiện của nhánh chính được bao quanh bởi xuất hiện. Vận tốc dao động từ 3,5 đến 21 km/s. Dòng điện nhiều nhánh phụ trong trường hợp dòng âm (Hình 7). Tuy tích được tạo thành từ một nhánh chính được bao bọc bởi nhiên, các nhánh phụ chỉ phát triển được một đoạn ngắn. nhiều nhánh phụ xung quanh như Hình 10. Hình 11 minh Tiếp tục tăng điện áp tác dụng, dòng dương đạt tốc độ họa toàn bộ quá trình di chuyển của dòng dương loại 3. Tại khoảng 200 km/s trong khi dòng âm chỉ di chuyển với vận giai đoạn đầu, dòng điện tích bắt đầu bằng một tia sáng tốc khoảng 25 km/s. Điều này chỉ ra rằng tốc độ phát triển mạnh đạt vận tốc 50-100 km/s. Tuy nhiên dòng điện tích của dòng điện tích phụ thuộc lớn vào cực tính của điện áp chỉ di chuyển với vận tốc 2,5-4 km/s ở giai đoạn kế tiếp. tác dụng. Dòng dương luôn di chuyển với vận tốc lớn hơn Quan sát được sự xuất hiện của kênh sáng lặp lại sau tia
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(88).2015 23 sáng đầu tiên và các kênh sáng này tái diễn có tính chất chu kỳ. Nền sáng vẫn phát hiện được giữa hai kênh sáng lặp lại. 58.3 km/s 2.6 km/s (a) 210 kV (b) No. 7 V= +190 kV  Va V= +220 kV Va Xung ánh sáng Thời gian (4 s/div.) Dòng điện (c) (2A/div.) Điện áp (216 kV/div.) Thứ tự khung V= - 380 kV  Va V= - 410 kV  Va 1 7 hình Camera Hình 7. Ảnh hưởng của điện áp tác dụng Hình 11. (a) Hình ảnh tiêu biểu của quá trình di chuyển của lên hình dạng dòng điện tích dòng điện tích dương loại 3, (b) hình chụp tại khung hình số 7 của (a), và (c) các tín hiệu tương ứng của (a) Khi V  Va, dòng dương loại 4 xuất hiện. Dòng điện tích bao gồm một nhánh chính rất sáng được bao quanh bằng một vài nhánh phụ như Hình 12a. So sánh với dòng điện tích loại 2 và 3, dòng điện tích loại 4 có số nhánh giảm đáng kể và di chuyển với vận tốc rất lớn (100-200 km/s). Lúc này chỉ ghi nhận được một vùng sáng liên tục có cường độ mạnh trong (a) 150 kV (b) 180 kV Hình 8. Hình dạng tiêu biểu của dòng dương loại 2 suốt quá trình di chuyển của dòng điện tích (Hình 13). Nếu tiếp tục tăng điện áp tác dụng đạt giá trị 2  Va, dòng điện tích sẽ phân nhánh mạnh như Hình 12b. 2.4 km/s Nền sáng Kênh sáng lặp lại (a) 180 kV Đường biên (b) No. 7 Thời gian (10 s/div.) (a) 230 kV (b) 450 kV Xung ánh sáng Hình 12. Hình dạng tiêu biểu của dòng dương loại 4 Dòng điện (c) (2A/div.) Điện áp (216 kV/div.) Thứ tự khung 220 km/s 1 7 hình Camera Hình 9. (a) Hình ảnh tiêu biểu của quá trình di chuyển của dòng dương loại 2, (b) hình chụp tại khung hình số 7 của (a), (a) 230 kV (b) và (c) các tín hiệu tương ứng của (a) Hình 13. (a) Hình ảnh tiêu biểu của quá trình di chuyển của dòng dương loại 4, (b) hình chụp tại một khung hình của (a) 3.5.2. Dòng âm Dòng âm loại 1 xuất hiện khi điện áp tác dụng nhỏ hơn Va. Loại dòng âm này có thể phát triển hết khe hở điện cực với vận tốc rất nhỏ 20-300 m/s và kết thúc bằng sự phóng điện đánh thủng. Dòng điện tích có dạng “bụi cây”. Số lượng kênh tăng theo điện áp tác dụng. Các kênh này tiếp tục phân nhánh như Hình 14. Hình 10. Hình dạng tiêu biểu của dòng dương loại 3 tại 210 kV. Hình ảnh tiêu biểu của quá trình di chuyển của dòng âm Hình chụp ngay trước thời điểm xảy ra phóng điện loại 1 được mô tả ở Hình 15. Sự di chuyển của dòng điện tích
24 Nguyễn Văn Dũng được bắt đầu bằng một kênh sáng có vận tốc khoảng 7 km/s. quan sát được ở dòng âm loại 3 (Hình 16b) phát triển thành Sau đó, dòng điện tích phát triển với tốc độ thấp hơn khoảng các nhánh nhỏ ở dòng âm loại 4. Dòng âm loại này di 200-400 m/s. Một số kênh sáng lặp lại và nhiều điểm lóa sáng chuyển với tốc độ 10-40 km/s. Khi tiếp tục tăng điện áp tác xuất hiện trong quá trình di chuyển của dòng điện tích. dụng, quan sát được dòng âm loại 4 tiếp tục phân nhánh. Toàn bộ quá trình phát triển của dòng âm loại 4 được minh họa ở Hình 18. Khi dòng âm loại 4 phát triển, quan sát được đồng thời các kênh sáng lặp lại và phần nền sáng. (a) 240 kV (b) 370 kV Hình 14. Hình dạng tiêu biểu của dòng âm loại 1 Điểm lóa sáng 480 kV Hình 17. Hình dạng tiêu biểu của dòng âm loại 4 0.4 km/s 6.8 km/s Kênh sáng lặp lại 10 km/s Nền sáng (a) 370 kV (b) No. 1 Xung ánh sáng (a) 420 kV (b) Dòng điện (1A/div.) Hình 18. (a) Hình ảnh tiêu biểu của quá trình di chuyển của Thời gian (40 s/div.) (c) dòng âm loại 4, (b) hình chụp tại một khung hình của (a) Thứ tự khung Điện áp (216 kV/div.) hình Camera 4. Bàn luận 1 4.1. So sánh giữa dòng điện tích dương và dòng điện tích âm Hình 15. (a) Hình ảnh tiêu biểu của quá trình di chuyển của Dòng điện tích dương “mảnh” hơn so với dòng điện tích dòng âm loại 1, (b) hình chụp tại khung hình số 1 của (a), âm (Hình 8 và 16) và phát triển nhanh gấp 10 lần dòng điện và (c) các tín hiệu tương ứng của (a) tích âm (Hình 6). Có lẽ do dòng dương “mảnh” hơn dòng Dòng âm loại 2 và 3 quan sát được xung quanh giá trị âm nên cường độ điện trường tại đầu dòng dương sẽ lớn Va. So với dòng âm loại 1, dòng âm loại 2 có vẻ “mảnh” hơn điện trường tại đầu dòng âm. Mà cường độ điện trường hơn (Hình 16a). Vận tốc của loại dòng âm này thay đổi từ tại đầu dòng điện tích được xem như là một trong các yếu 0,6 đến 2 km/s. Dòng âm loại 3 được tạo thành từ một thân tố quan trọng nhất để thúc đẩy sự phát triển của dòng điện chính được bao quanh bởi các nhánh phụ. Các nhánh nhỏ tích [15]. Do đó, với điện trường tại đầu dòng điện tích cao dọc trên thân chính và phụ có xu hướng kết thúc dưới dạng hơn nên dòng dương phát triển với tốc độ cao hơn dòng các nốt tròn nhỏ (Hình 16b). So với dòng âm loại 2, dòng âm. Điện áp phóng điện của dòng điện tích dương chỉ bằng âm loại 3 dường như “mảnh” hơn và di chuyển với vận tốc khoảng 42% giá trị điện áp phóng điện của dòng âm cao hơn (5-8 km/s). Bởi vì xung quanh giá trị Va, dòng âm (Hình 4). Đối với dòng dương, chỉ quan sát được 3 loại loại 2 và 3 xuất hiện một cách ngẫu nhiên theo từng lần thí trong khi cả 4 loại dòng âm đều ghi nhận được. Khi điện nghiệm nên không thể điều chỉnh được camera để ghi lại áp tác dụng vượt quá điện áp gia tốc (Va), số lượng nhánh toàn bộ quá trình di chuyển của hai loại dòng âm này trong của cả dòng dương và âm giảm nhanh chóng và dòng điện một số lần lặp lại thí nghiệm hạn chế. tích chuyển từ loại chậm sang nhanh (Hình 6, 7 và 16). 4.2. Giả thuyết về sự chuyển từ dòng điện tích loại chậm sang nhanh Dòng điện tích loại 1 và 2 được xếp vào loại chậm trong khi dòng loại 3 và 4 được phân vào loại nhanh [7]. Dòng điện tích sẽ chuyển từ loại chậm sang loại nhanh, có nghĩa là từ loại 2 sang 3 hoặc 4, khi điện áp tác dụng vượt giá trị Va. Lúc này quan sát được sự thay đổi lớn về vận tốc và a) 390 kV b) 395 kV hình dạng dòng điện tích (Hình 6, 7 và 16). Hiện tượng này Hình 16. (a) Hình dạng tiêu biểu của dòng âm loại 2, cũng đã quan sát được ở nhiều loại chất lỏng khác nhau (b) hình dạng tiêu biểu của dòng âm loại 3 [8-12]. Điều này chứng tỏ rằng nguyên nhân gây chuyển từ dòng điện tích loại chậm sang loại nhanh sẽ giống nhau ở Dòng âm loại 4 dễ dàng quan sát khi điện áp tác dụng tất cả các loại chất lỏng khác nhau. đạt giá trị khoảng 1,1 Va. Dòng âm loại này được tạo thành từ một vài nhánh chính được bao quanh bởi nhiều nhánh 4.2.1. Dòng dương phụ như biểu diễn ở Hình 17. Dường như các nốt tròn nhỏ Có một vài giả thuyết được đưa ra để giải thích sự
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(88).2015 25 chuyển từ loại chậm sang nhanh của dòng điện tích dương chi tiết. Rõ ràng dòng điện tích dương nguy hiểm hơn dòng khi điện áp tác dụng vượt quá giá trị Va [3, 10]. Theo [3], điện tích âm rất nhiều bởi vì dòng điện tích dương có tốc độ khi điện áp tác dụng thấp, hiệu ứng “phân nhánh” sẽ làm phát triển lớn hơn, điện áp phóng điện và điện áp gia tốc nhỏ cho dòng điện tích phát triển với tốc độ chậm. Khi hiệu ứng hơn so với các giá trị tương ứng của dòng điện tích âm. Mặc “phân nhánh” bị khử do điện áp tác dụng lớn hơn giá trị Va, dù nguyên nhân gây chuyển từ dòng điện tích loại chậm sang điện trường tại đầu dòng điện tích tăng rất cao dẫn đến vận nhanh không thể chứng minh được, cường độ điện trường tại tốc dòng điện tích đột ngột tăng cao tức là dòng điện tích đầu dòng điện tích được xem là một yếu tố quyết định. Khi đã chuyển từ loại 2 sang 3 hoặc 4. chuyển từ dòng điện tích loại chậm sang nhanh có lẽ bản chất Trong nghiên cứu [10], giả thiết về mối quan hệ giữa và nguyên lý di chuyển dòng điện tích đã thay đổi. vận tốc và sự phân nhánh của dòng điện tích được giới thiệu. Theo giả thuyết này, khi điện áp tác dụng đủ lớn dòng TÀI LIỆU THAM KHẢO điện tích sẽ phát triển với tốc độ cao (10-20 km/s) ngay khi [1] J. C. Devins, S. J. Rzad, and R. J. Schwabe, “Breakdown and Pre- hình thành. Do đó, sự phân nhánh bị ngăn cản và cường độ Breakdown Phenomena in Liquids”, Journal of Applied Physics, điện trường tại đầu dòng điện tích càng tăng lên dẫn đến vol. 52, 1981, pp. 4531-4545. kết quả là dòng điện tích phát triển với tốc độ cao. [2] O. Lesaint and G. Massala, “Positive streamer propagation in large oil gaps - Experimental characterization of propagation modes”, Từ kết quả tại Hình 7, 9 và 13, tác giả nhận thấy khi dòng IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 5, điện tích bắt đầu bằng kênh sáng chói có vận tốc cao thì dòng 1998, pp. 360-370. điện tích sẽ di chuyển với vận tốc rất lớn. Điều đó có nghĩa [3] G. Massala and O. Lesaint, “Positive streamer propagation in large oil gaps - Electrical properties of streamers”, IEEE Transactions on là bản chất của dòng điện tích cũng như loại nguyên lý chiếm Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 5, 1998, pp. 371-381. ưu thế gây di chuyển dòng điện tích có lẽ đã thay đổi. Đến [4] C. T. Duy, O. Lesaint, A. Denat, and N. Bonifaci, “Streamer thời điểm hiện tại thì cả bản chất cũng như nguyên lý di Propagation and Breakdown in Natural Ester at High Voltage”, chuyển của dòng điện tích loại nhanh vẫn chưa hiểu. Để bổ IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 16, sung cho hai giả thuyết ở trên, tác giả đề nghị khi điện áp tác 2009, pp. 1582-1594. dụng lớn hơn Va, điện trường tại đầu điện cực mũi nhọn có [5] Q. Liu and Z. D. Wang, “Streamer Characteristic and Breakdown in Synthetic and Natural Ester Transformer Liquids under Standard thể đạt đến vài chục MV/cm. Với giá trị rất cao của điện Lightning Impulse Voltage”, IEEE Transactions on Dielectrics and trường, các phân tử dầu ở xung quanh đầu điện cực mũi nhọn Electrical Insulation, vol. 18, 2011, pp. 285-294. bị ion hóa trực tiếp sinh ra các điện tử tự do và ion dương [6] R. E. Hebner, The Liquid state and its Electrical Properties, NATO cũng như các ion âm do sự bắt giữ điện tử của phân tử dầu. ASI series, Vol. B193, Plenum press, 1988. Sự tương tác của các điện tích với điện cực mũi nhọn cũng [7] O. Lesaint, “Propagation of positive discharges in long liquid gaps”, như với các phân tử dầu xung quanh điện cực mũi nhọn hình Proceedings of the 12th International Conference on Conduction and Breakdown in Dielectric Liquids, 1996, pp. 161-166. thành nên kênh plasma đầu tiên có độ dẫn điện cao gắn vào [8] D. Linhjell, L. Lundgaard, and G. Berg, “Streamer Propagation điện cực mũi nhọn. Tuy nhiên các quá trình cụ thể để hình under Impulse Voltage in Long Point-Plane Oil Gaps”, IEEE thành kênh plasma vẫn không hiểu rõ và cần phải được tiếp Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 1, 1994, tục nghiên cứu. Sự hình thành của kênh plasma có tác dụng pp. 447-458. tương tự như kéo dài điện cực mũi nhọn. Do đó điện trường [9] D. Linhjell, S. Ingebrigtsen, L. E. Lundgaard, and M. Unge, tại đầu điện cực mũi nhọn càng tăng cao làm tăng các quá “Streamers in Long Point-Plane Gaps in Cyclohexane with and without Additives under Step Voltage”, Proceedings of the trình như: ion hóa phân tử dầu, kích thích và khử kích thích International Conference on Dielectric Liquids, 2011. phân tử dầu, phát xạ photon, đốt nóng và hóa hơi dầu và hình [10] N. V. Dung, H. K. Høidalen, D. Linhjell, L. E. Lundgaard, and M. thành bọt khí… Tuy nhiên quá trình nào chiếm ưu thế vẫn Unge, “Influence of Impurities and Additives on Positive Streamers không xác định được. Kết quả là hình thành thêm một đoạn in Paraffinic Model Oil”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 19, 2012, pp. 1593-1603. kênh plasma mới gắn vào kênh đầu tiên. Quá trình tương tự [11] N. V. Dung, H. K. Hoidalen, D. Linhjell, L. E. Lundgaard, and M. được lặp lại tạo thành sự phát triển của dòng điện tích dương Unge, “Influence of Impurities and Additives on Negative Streamers hướng về cực bảng âm với vận tốc rất lớn. in Paraffinic Model Oil”, IEEE Transactions on Dielectric and 4.2.2. Dòng âm Electrical Insulation, vol.20, 2013, pp. 876-886. [12] G. Massala and O. Lesaint, “A comparison of negative and positive Đối với dòng điện tích âm, nguyên nhân gây chuyển từ streamers in mineral oil at large gaps”, Journal of Physics D-Applied dòng loại chậm (loại 2) sang loại nhanh (loại 3 hoặc 4) vẫn Physics, vol. 34, 2001, pp. 1525-1532. không được xác định. Tuy nhiên, như thể hiện ở Hình 16, [13] O. Lesaint and P. Gournay, “Initiation and Propagation Thresholds dòng loại 3 dường như mảnh hơn và ít phân nhánh hơn so of Positive Prebreakdown Phenomena in Hydrocarbon Liquids”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 1, với dòng loại 2. Điều đó chỉ rằng có lẽ điện trường tại đầu 1994, pp. 702-708. dòng loại 3 sẽ cao hơn so với dòng loại 2. Do đó các quá [14] N. V. Dung, H. K. Hoidalen, D. Linhjell, L. E. Lundgaard, and M. trình điện tử diễn ra tại đầu dòng loại 3 sẽ mạnh hơn nên Unge, “A Study on Positive Streamer Channels in Marcol Oil”, tốc độ di chuyển sẽ cao hơn. Annual Report of IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, Montreal, Canada, 2012, pp. 365-370. 5. Kết luận [15] T. V. Top, G. Massala, and O. Lesaint, “Streamer propagation in mineral oil in semi-uniform geometry”, IEEE Transactions on Các đặc tính cơ bản của dòng điện tích đã được khảo sát Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 9, 2002, pp. 76-83. (BBT nhận bài: 18/10/2014, phản biện xong: 02/03/2015)