Thí nghiệm môn Vật liệu điện 2020| Môn Vật liệu điện| Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

PHẦN I THÍ NGHIỆM 1 BÀI 1
ĐO ĐIỆN TRỞ SUẤT CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN I. MỤC ĐÍCH
1. Xác định điện trở suất mặt và điện trở suất khối của vật liệu cách điện thể rắn
2. Xác định mối quan hệ của điện trở suất với thời gian tác động của điện áp và với điện áp. II. MỘT SỐ KHÁI NIỆM
Các vật liệu cách điện hay còn gọi là điện môi trên thực tế đều có một điện dẫn nhất
định. Độ dẫn điện của điện môi phụ thuộc vào trạng thái của vật liệu (rắn, lỏng, khí), vào
môi trường (nhiệt độ, độ ẩm), cường độ điện trường (điện áp) và vào thời gian làm việc trong điện trường.
Sự dẫn điện của điện môi là do sự dịch chuyển của các điện tích tự do tồn tại trong
điện môi cũng như các ion tạp chất trong điện môi. Các ion tự do không chỉ tồn tại trong
thể tích điện môi mà còn ở trong các lớp ẩm, lớp bụi bẩn bám trên bề mặt điện môi và cũng
do đó dòng điện qua điện môi không chỉ theo bề dày (dòng điện khối Iv) mà còn có khả
năng theo bề mặt của điện môi (dòng điện mặt Is). Chính vì vậy với điện môi rắn người ta dùng hai khái niệm:
• Điện trở suất khối (  ): Là điện trở của khối lập phương có cạnh bằng 1 cm hình v
dung cắt ra từ vật liệu khi dòng điện đi qua hai mặt đối diện khối lập phương đó, đơn vị là cm  .
• Điện trở suất mặt (  ): Là điện trở của một hình vuông khi dòng điện đi qua hai s
cạnh đối diện, đơn vị là  .
Như vậy để đảm bảo có thể xác định điện trở suất khối v và điện trở suất mặt  
s , của điện môi thì khi đo v ta phải tìm cách loại bỏ dòng điện mặt Is và ngược lại khi
đo s ta phải tìm cách loại bỏ dòng điện khối Iv.
III. ĐO ĐIỆN TRỞ SUẤT CỦA MẪU ĐIỆN MÔI RẮN, PHẲNG 1. Phương pháp đo
Thực tế để đo điện trở suất ta dùng điện áp một chiều đặt lên điện môi rồi đo dòng
điện đi qua điện môi đó. Thông thường dòng điện này khá nhỏ với điện áp thí nghiệm cỡ
hàng trăm volt. Ta sẽ sử dụng đồng hồ A
 để đo dòng điện trong thí nghiệm này.
Hệ thống dụng cụ thí nghiệm gồm những phần tử cơ bản như sau:
• Nguồn điện: Trong sơ đồ 1.3, nguồn điện áp xoay chiều cấp vào một máy biến áp
có thể thay đổi được điện áp đầu ra. Điện áp này được đưa qua bộ bôi áp để chỉnh
lưu thành điện áp một chiều đồng thời tăng được biên độ điện áp.
• Hệ thống ba cực thí nghiệm: Gồm một trụ kim loại đặc có đường kính D2 = 5 cm,
một trụ kim loại rỗng đặt bao quanh trụ kim loại trên và một trụ kim loại đặc khác có đường kính D1 = 7cm. 2
• Đồng hồ Microampemet ( A
 ): Ta sử dụng một đồng hồ A  .
• Vôn kế: Ta sử dụng hai đồng hồ Vônmet sử dụng đo điện áp xoay chiều và một
chiều đặt vào điện môi. Trên mặt bàn thí nghiệm có núm chỉnh định điện áp.
• Dưới đây là hai sơ đồ đơn giản để đo   v và s . A  A  (1) (1) (2) D (2) D 2 2 (4) d (4) d (3) (3) D D 1 1
Hình 1.1. Sơ đồ mặt cắt dọc
Hình 1.2. Sơ đồ mặt cắt dọc
hệ thống ba cực trong sơ đồ đo   s
hệ thống ba cực trong sơ đồ đo v Trong đó: 1- Điện cực đo lường 1- Điện cực đo lường 2- Điện cực cao áp 2- Điện cực bảo vệ 3 - Điện cực bảo vệ 3 - Điện cực cao áp 4 – Mẫu điện môi 4 – Mẫu điện môi
Từ đó ta có thể thấy rằng cực bảo vệ có hai tác dụng:
• Làm cho điện trường giữa hai cực cao áp và cực đo lường phân bố đều hơn (ở khu vực mép cực).
• Đưa dòng điện mặt Is và phần dòng điện khối ở mép cực xuống đất, không qua cơ
cấu đo trong sơ đồ đo điện trở suất khối. Đưa dòng điện khối và dòng điện mặt ở
mép cực xuống đất trong sơ đồ đo điện trở suất mặt.
Để cho kết quả thí nghiệm cũng như việc đánh giá phẩm chất của điện môi được
chính xác cần chú ý đến những quy định chung về mẫu điện môi và về các điện cực:
• Đối với điện môi rắn (trừ loại màng mỏng) thì việc xác định  và  được tiến v s
hành trên các mẫu phẳng (tròn hay vuông) hoặc mẫu hình ống với đường kính
(hoặc cạnh hình vuông) của mẫu vào khoảng từ 25 mm đến 100 mm.
• Bề dày d của mẫu phẳng vào khoảng 0.5 mm – 2.5 mm và được xác định với sai số không quá  1 ,
0 mm ở 5 điểm khác nhau.
• Cực cần phải có điện dẫn cao, đảm bảo sự tiếp xúc điện tốt với bề mặt và không
được để tồn tại lớp không khí giữa cực và mẫu. 3
• Trong điều kiện thí nghiệm, điện cực không được gây tác động lên mẫu như không
làm mẫu bị biến dạng hay gây ra các phản ứng hoá học với mẫu.
• Kích thước và hình dạng của cực không được thay đổi trong quá trình làm thí
nghiệm, không xảy ra các quá trình hoá lý trong bản thân cực như cháy, oxy hoá.
• Để tránh sai số trong thí nghiệm cần chú ý khử các sức nhiệt điện động và hiệu điện
thế tiếp xúc bằng cách dùng một loại dây (dây cùng vật liệu) để nối các phần tử của
sơ đồ thí nghiệm. Tất cả các mối nối đều nên hàn.
Tất cả các điều kiện trên về hình dạng và kích thước của mẫu là dựa trên các điều
kiện tiêu chuẩn và điều kiện làm việc của vật liệu được thí nghiệm. Ngoài ra còn có yêu
cầu mẫu không được cong, vênh, nứt, vỡ, bẩn, . . .Nếu như mẫu phải qua gia công cơ khí
thì sau khi gia công phải làm cho bề mặt mẫu sạch, bóng, nhẵn và không có vết xây sát.
Với phương pháp đo như trên, công thức tính điện trở suất khối và điện trở suất mặt của
mẫu điện môi phẳng là: US 2 U   = ( 1 )  = ( 2) v I d s D v I ln 1 s D2 Trong đó:
• v - điện trở suất khối của mẫu, cm  .
• s - điện trở suất mặt của mẫu, .
• Iv - dòng điện khối, A.
• Is - dòng điện mặt, A.
• U- điện áp một chiều giữa hai bản cực, V.
• S - diện tích của cực đo lường, cm2.
• d - bề dày của điện môi, cm.
• D1 - đường kính trong của cực cao áp, cm.
• D2 - đường kính của cực đo lường, cm.
Trong đó D1 = 7 cm và D2 = 5 cm. 4
Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm: A  A  p¸ iå AC b V éB 2 1 K2 2 1 K1
Hình 1.3. Sơ đồ để xác định điện trở suất mặt và điện trở suất khối.
Sơ đồ mặt bàn thí nghiệm: LA ρv at L1 UAC,V UDC,V I,A ρ m s CBV KBV to p A K2 2 1 K1 2 1 Tự Ngẫu
2. Tiến hành thí nghiệm
2.1. Điều kiện thí nghiệm
• Nhiệt độ môi trường (theo nhiệt kế): t = . . . . . 0C.
• Độ ẩm môi trường (theo ẩm kế):  = . . . . . %.
2.2. Trình tự thí nghiệm
1- Đặt vật liệu cần đo điện trở suất vào giữa hệ thống ba cực như hình vẽ. Các cực đồng tâm.
2- Bật aptômat cấp điện cho bàn thí nghiệm. Đèn LA sang
3- Kiểm tra đưa tự ngẫu về vị trí O.
4- Đóng điện bằng cách ấn nút N1 (màu xanh). Đèn L1 sáng.
5- Để xác định điện trở suất khối của vật liệu cách điện ấn nút  . Đèn K1 sáng v ở vị trí 1.
Để đo trường hợp có cực bảo vệ, ấn nút CBV. Đèn K22 sáng 5
Để đo trường hợp không có cực bảo vệ, ấn nút KBV. K21 và K22 đều tắt.
6- Để đo điện trở suất mặt của vật liệu cách điện ấn nút s . Đèn K12 sáng.
Để đo trường hợp có cực bảo vệ, ấn nút CBV. Đèn K21 sáng
Để đo trường hợp không có cực bảo vệ, ấn nút KBV. K21 và K22 đều tắt.
2.2. Kết quả thí nghiệm Loại điện Bề dày Điện áp Dòng điện I, A  Ghi Trạng thái đo môi d, mm U (V) Chú Khối Mặt ực vệ c o ó C bả ó c o bả …………………. …………………. vệ ựcc Không ựcc vệ ó o C bả ó c o bả …………………. …………………. vệ ựcc Không ựcc vệ ó o C bả ó c o bả …………………. …………………. vệ ựcc Không
Bảng 1.1. Kết quả thí nghiệm đo điện trở suất của một số vật liệu cách điện.
3. Xác định quan hệ giữa điện trở của mẫu với thời gian tác dụng của điện áp
Khi làm việc lâu dài dưới điện áp, dòng điện đi trong điện môi rắn và lỏng có thay
đổi theo thời gian. Điều đó chứng tỏ điện trở của vật liệu có thay đổi.
Để kiểm chứng điều này ta tiến hành thí nghiệm đo điện trở suất khối trong trường hợp có cực bảo vệ. 6
3.1.Trình tự thí nghiệm
• Chọn một giá trị nào đó của điện áp tác dụng U. Thông thường chọn giá trị nào đó
của U sao cho độ lệch ban đầu của đồng hồ A
 không lớn quá (nên vào khoản 2/3 thang đo).
• Dùng cầu dao cắt nguồn điện đưa vào hệ thống cực đo. Đóng lại cầu dao và theo dõi kim đồng hồ A
 . Ghi lại các giá trị dòng điện tại các thời điểm khác nhau.
3.2. Kết quả thí nghiệm Loại Chiều dày d, Dòng điện I, Điện áp U, V Thời gian t, điện môi mm giây A  0 5 10 15 .. . . . . . . . . . 20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 . . . . ... ... 30 35 …………. …………. …………. 40 45 50 55 60
Bảng 1.2. Kết quả đo quan hệ điện trở khối và thời gian tác dụng của điện áp. 7
4. Xác định quan hệ điện trở khối (hay điện trở suất khối) với điện áp tác dụng.
Ta tiến hành thí nghiệm với một mẫu điện môi trong trường hợp có điện cực bảo vệ
để đo các giá trị dòng điện khối ứng với các giá trị điện áp khác nhau. Mỗi cặp giá trị điện
áp – dòng điện được đo tại các điểm khác nhau để tránh sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên
điện trở của điện môi. Để đảm bảo an toàn cho đồng hồ A
 thì ta nên chọn dải điện áp
trong bảng 1.1 đã tiến hành trước đó. Loại Bề dày d, Điện áp U, Trạng thái Dòng điện I, điện môi mm V đo A  Ghi chú . . ệ v oả b c ự c ó ……………………. ……………………. C
Bảng 1.3. Kết quả đo quan hệ điện trở suất khối và điện áp tác dụng 8 BÀI 2
XÁC ĐỊNH CÁC TÍNH CHẤT CỦA DẦU MÁY BIẾN ÁP I. MỤC ĐÍCH
Xác định một số tính chất vật lý của dầu máy biến áp:
• Tìm hiểu các thiết bị để xác định độ nhớt, điểm chớp cháy của dầu máy biến áp.
• Xác định độ nhớt, điểm chớp cháy của dầu máy biến áp.
• Dựa vào số liệu điện áp chọc thủng ở cự ly tiêu chuẩn 2,5 mm trong phần thí
nghiệm “Xác định cường độ cách điện của dầu máy biến áp” và các số liệu thu
được trong bài thí nghiệm này để kết luận sơ bộ về khả năng sử dụng của mẫu dầu được thí nghiệm.
Xác định cường độ cách điện của dầu máy biến áp:
• Nghiên cứu cơ cấu của sự phóng điện trong chất điện môi lỏng
• Nghiên cứu phương pháp xác định cường độ cách điện của dầu máy biến áp theo tiêu chuẩn quy định.
• Nghiên cứu quan hệ của điện áp phóng điện với số lần phóng điện.
II. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA DẦU MÁY BIẾN ÁP
Dầu máy biến áp là loại vật liệu cách điện thể lỏng được chế tạo từ dầu mỏ bằng
phương pháp chưng cất từng cấp. Đây là loại vật liệu dùng rất thông dụng để làm cách điện
trong máy biến áp, trong cáp cao áp, tụ điện, làm mát cho các cuộn dây máy biến áp hay
dập hồ quang trong các loại máy cắt điện. 1. Độ nhớt
Tính chất rất quan trọng của dầu máy biến áp là độ nhớt. Độ nhớt của dầu có ảnh
hưởng tới quá trình truyền nhiệt và tốc độ chuyển động của các tiếp điểm trong dầu cũng
như tới tính chất điện (điện dẫn và tổn hao điện môi). Vì vậy khi tính toán quá trình nhiệt
của các thiết bị dùng dầu hay tốc độ tách của các đầu tiếp xúc trong máy cắt điện ta cần
phải biết độ nhớt của dầu và quan hệ của độ nhớt với nhiệt độ.
Theo quy định về dầu máy biến áp thì độ nhớt quy định tiêu chuẩn được xác định ở
nhiệt độ 500C và không được lớn hơn 1,80E (13,41 cSt).
2. Điểm chớp cháy của hơi dầu
Trong quá trình vận hành của thiết bị, dầu bị phát nóng và bốc hơi. Khi nhiệt độ
của hơi dầu và của bản thân dầu đạt tới một trị số nào đó và có sự xuất hiện của hồ quang
hay tia lửa, hơi dầu có thể bốc cháy. Nhiệt độ thấp nhất của dầu tại đó hơi dầu sẽ bốc
cháy khi tiếp xúc thoáng với lửa gọi là điểm chớp cháy của hơi dầu. Điểm chớp cháy
của hơi dầu đặc trưng cho tính chống cháy của nó, đồng thời nó cũng cho biết một cách
gián tiếp thành phần hoá học của dầu như sự có mặt của các thành phần dễ bay hơi, dầu
hoả và cả nước trong dầu. Điểm chớp cháy quy định của dầu máy biến áp không được thấp hơn 1350C. 9
3. Cường độ cách điện
Ngoài hai tính chất trên ta còn quan tâm tới cường độ cách điện của dầu máy biến
áp. Đây là giá trị điện áp tại đó xảy ra sự phóng điện giữa hai bản cực ngâm trong
dầu với một khoảng cách nhất định giữa hai bản cực. Cường độ cách điện của dầu máy
biến áp không chỉ phụ thuộc vào bản thân dầu mà còn phụ thuộc vào lượng và loại tạp
chất, đặc biệt là tạp chất loại sợi và ẩm. Trong quá trình bảo quản, chuyên chở cũng như
trong vận hành, lượng tạp chất trong dầu ngày càng tăng làm cho cường độ cách điện ngày
càng giảm. Trong quá trình vận hành, dưới tác dụng của nhiệt độ và cường độ điện trường
cao, của oxy trong không khí nên dầu bị già cỗi và dần dần sẽ mất tính chất cách điện.
Chính vì vậy, trước khi cho dầu vào máy biến áp hay các thiết bị khác cũng như trong quá
trình vận hành các thiết bị ấy, phải định kỳ kiểm tra cường độ cách điện của dầu cũng như
một số đặc tính vật lý, hoá, nhiệt khác. Quá trình tính toán các kết cấu cách điện trong đó
có dùng dầu cũng yêu cầu ta biết cường độ cách điện.
Tiêu chuẩn về điện áp phóng điện của dầu theo quy trình quy định như trong bảng 2.1.
Cấp điện áp làm việc của
Điện áp phóng điện của dầu, kV (không nhỏ hơn) thiết bị, kV Dầu mới Dầu đang làm việc ≥35 40 35 6 – 35 30 25 ≤6 25 20
Bảng 2.1. Quy định về điện áp phóng điện của dầu máy biến áp. III. THÍ NGHIỆM
1. Thí nghiệm đo độ nhớt
Hình 2.1. Bộ gia nhiệt VB - 1423
Hình 2.2. Ống Cannon - fenske 10
1.1. Thiết bị thí nghiệm
Để xác định độ nhớt người ta dùng một loại thiết bị gồm bộ gia nhiệt VB – 1423
điện áp U = 220 V, f= 50  60 Hz, công suất 1000 W. Ống đo độ nhớt của dầu được đặt
bên trong bình đựng nước. Đồng hồ cài đặt các nhiệt độ cho mỗi mẫu dầu thí nghiệm.
Vách ngăn và thiết bị khuấy đều nước có tác dụng đẳng nhiệt giữa nước và dầu. Bộ gia
nhiệt có thể thay đổi nhiệt độ dầu từ t = 00C  100 0C. Nắp bộ gia nhiệt có ba lỗ để đặt ba
kiểu ống Cannon có tiết diện ống khác nhau để kiểm tra độ nhớt.
Thiết bị xác định đo độ nhớt Cannon – fenske là thiết bị thường được sử dụng để đo
độ nhớt của chất lỏng. Độ nhớt động học tỷ lệ với thời gian chảy của chất lỏng trong một
ống có tiết diện và dung lượng cho trước bằng một hệ số chỉnh định cho trước: n = t . k (2.1) Trong đó:
n - độ nhớt động học, cSt.
t – thời gian chảy của chất lỏng, s.
k – hệ số chỉnh định, cSt/s.
1.2. Tiến hành thí nghiệm
Dùng một vít dầu cao su để nạp vào bình A của ống Cannon – fenske 10 ml dầu thí
nghiệm rồi đặt ống lên trên giá đỡ theo phương thẳng đứng ngâm trong bình nước của thiết bị gia nhiệt.
Ống Cannon cổ hẹp có vạch chuẩn ứng với dung lượng dầu cho sẵn. Trước khi thí
nghiệm, ống đựng dầu phải khô, sạch. Nếu trước khi thí nghiệm trong ống đã có dầu thì
không cần phải rửa ống.
Sau khi cho dầu vào bình ta cần kiểm tra mặt phẳng của dầu, sau đó theo dõi nhiệt
độ của dầu.Thường phải đợi 2 – 3 phút mới đọc nhiệt độ của dầu (chính là nhiệt độ phòng)
sau đó mới tiến hành xác định độ nhớt của dầu ở nhiệt độ phòng.
Để tránh sai số khi theo dõi vạch dầu thì không nên để trong ống thuỷ tinh có bọt
khí tạo thành trên mặt lớp dầu và khi theo dõi, tầm mắt phải ngang với vạch chuẩn. 11
Dùng vít cao su hút dầu trong ống lên điểm B tại nhiệt độ môi
trường và rút ra cho dầu chảy tự do trong ống. Khi mặt trên
của dầu chảy đến điểm C thì bắt đầu đo thời gian chảy đến điểm D.
Để đảm bảo kết quả đo được chính xác nên tiến hành cũng
theo trình tự như trên khoảng 2 -3 lần sau đó lấy trị số trung
bình thời gian chảy của dầu.
Sau đó tiến hành xác định thời gian chảy của dầu ở các nhiệt
độ khác nhau. Để nâng nhiệt độ của dầu người ta dùng nước
bao bọc xung quanh ống chứa dầu và đun nóng nước bởi thiết
bị gia nhiệt. Để cho dầu được nóng đều, bộ khuấy luôn hoạt
động và vách ngăn giữ cho nhiệt độ của dầu và nước không có
sự chênh lệch. Từ lúc này nhiệt độ dầu sẽ tiếp tục tăng nhờ
nhiệt lượng của nước. Hình 2.3. Cách đo với ống Cannon - fenske
Thí nghiệm này được tiến hành ở các nhiệt độ khác nhau như bảng 2.3. Độ nhớt
được xác định theo công thức 2.1. Dưới đây là thông số về các ống Cannon – fenske. Kiểu Hệ số chỉnh định
Khoảng độ nhớt cho phép 25 0,002 0,4 – 1,6 50 0,004 0,8 – 3,2 75 0,008 1,6 – 6,4 100 0,015 3 – 15 150 0,035 7 – 35 200 0,1 20 – 100 300 0,25 50 – 200 350 0,5 100 – 500 400 1,2 240 – 1200 450 2,5 500 – 2500 500 8 1600 – 8000 600 20 4000 – 20 000
Bảng 2.2. Thông số về các ống Cannon – fenske. 12
Kết quả đo độ nhớt của dầu máy biến áp được ghi trong bảng sau. Nhiệt độ, 0C Thời gian t, s Nhiệt độ phòng, 0C 30 40 50 60 70
Bảng 2.3. Kết quả đo độ nhớt của dầu máy biến áp
2. Đo điểm chớp cháy của dầu máy biến áp
2.1. Thiết bị thí nghiệm
Sơ đồ nguyên lý của thiết bị đo điểm chớp cháy của chất lỏng như hình 2.4. Lỗ thoát hơi dầu (1): Dầu máy biến áp Nhiệt kế (2): Hơi dầu Cốc đựng dầu (2) Tấm gia nhiệt (1) Vỏ bình 220 V
Hình 2.4. Thiết bị tăng nhiệt độ của dầu
2.2. Tiến hành thí nghiệm
Dầu được đun nóng bằng bếp điện. Khi đun dầu phải thường xuyên theo dõi nhiệt
độ ở nhiệt kế. Bắt đầu từ 1200C thì khống chế tốc độ tăng nhiệt độ dầu khoảng 40C/phút và
khuấy dầu liên tục. Cũng từ thời điểm này, cứ mỗi lần nhiệt độ tăng lên 20C thì cho ngọn
lửa tiếp xúc với hơi dầu một lần cho đến khi hơi dầu bốc cháy thì dừng thí nghiệm. Nhiệt
độ thấp nhất của dầu tại đó hơi dầu bốc cháy khi tiếp xúc với ngọn lửa là điểm chớp
cháy của hơi dầu. Đối với các chất lỏng cách điện (dầu) thì không quy định nhiệt độ cháy
của dầu vì nhiệt độ cháy của hơi dầu cũng đủ nói lên tính nguy hiểm.Thí nghiệm được tiến
hành ít nhất là 3 lần. Sau mỗi lần thì dùng mẫu dầu mới. Kết quả ghi vào bảng 2.4. Lần Điểm chớp cháy, 0C Trung bình, 0C 1 2 ……………. 3
Bảng 2.4. Kết quả đo điểm chớp cháy của dầu 13
3. Xác định cường độ cách điện của dầu máy biến áp
3.1. Thiết bị thí nghiệm * Bình đựng dầu
Thí nghiệm xác định cường độ cách điện của dầu máy biến áp được tiến hành trong
bình bằng sứ có thể tích vào khoảng 300 cm3 – 500 cm3. Trong bình có gắn hai cực và
khoảng cách giữa chúng có thể thay đổi được. Cực có thể có dạng đĩa tròn đường kính 25
mm. Khoảng cách tiêu chuẩn giữa hai cực là 2,5 mm.
Mặt cực yêu cầu phải được xử lý thật cẩn thận và
trong quá trình sử dụng bình thí nghiệm phải thường
xuyên kiểm tra trạng thái bề mặt cực. Mức dầu trong
bình phải cao hơn mép cực ít nhất là 15 mm. Hình 2.5 Bình đựng dầu * Nguồn điện
Thí nghiệm được tiến hành với thiết bị dùng để thử dầu làm việc với điện áp xoay
chiều tần số công nghiệp. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị như hình 2.6. Møc dÇu (1) (4) R bv (6) (5) ~ (2) V (3)
Hình 2.6 Sơ đồ cấp điện cho thí nghiệm xác định cường độ cách điện của dầu
1. Cầu chì 2. Máy biến áp tự ngẫu
3. Vôn – mét đo điện áp vạch độ theo kV 4. Máy biến áp tăng áp
5. Bình dầu 6. Điện trở bảo vệ
3.2. Tiến hành thí nghiệm
Sau khi đặt khoảng cách giữa hai cực là 2,5 mm, ta tiến hành theo trình tự sau:
• Cắt nguồn cung cấp cho thiết bị, đưa tay quay của tự ngẫu về vị trí “0”, mở nắp
thiết bị và đặt bình đựng dầu vào, nối hai cực của bình vào các đầu ra của máy biến
áp tăng áp. Sau đó đóng nắp thiết bị lại.
• Đóng nguồn cung cấp, khi đó đèn tín hiệu sẽ sáng. Việc này chỉ có thể thực hiện
sau khi nắp thiết bị đã được đóng, nếu không khoá an toàn sẽ không cho phép đóng nguồn.
• Chỉnh tay quay để tăng điện áp với tốc độ khoảng 2 – 5 kV/giây cho đến lúc nào
xảy ra phóng điện với tia lửa sáng chói. Sau đó bộ phận bảo vệ sẽ làm việc và cắt
nguồn cung cấp. Ta đọc chỉ số điện áp trên vôn-mét sẽ được trị số điện áp phóng điện. 14
• Trả tay quay của tự ngẫu về vị trí “0”, cắt nguồn cung cấp điện. Chờ 5 phút rồi thực
hiện lần phóng điện tiếp theo.
Trong quá trình thí nghiệm phải chú ý ghi lại trong biên bản các trị số điện áp xuất
hiện tia lửa đầu tiên và điện áp phóng điện vì tỉ số giữa hai điện áp đó cho phép xác định
mức độ bẩn của dầu. Với một mẫu dầu phải cho phóng điện 6 lần, mỗi lần cách nhau 5
phút để cho các tạp chất rắn và khí do dầu bị cháy gây nên có thể lắng xuống hoặc đi ra
khu vực giữa hai cực. Muốn làm cho quá trình này nhanh hơn, ta dùng que thuỷ tinh sạch, khô khuấy đều dầu.
Trong sáu lần phóng điện thì chỉ lấy kết quả năm lần sau cùng (từ lần thứ hai đến
lần thứ sáu). Trong lần phóng điện thứ nhất trên mặt cực còn có tạp chất nên kết quả có thể
sai lệch. Kết quả đo được ghi trong bảng 2.5. Điện áp phóng điện
Điện áp phóng điện trung bình Lần Uct, kV Ucttb, kV 1 2 3 ………………….. 4 5 6
Bảng 2.5. Kết quả đo điện áp phóng điện trong dầu máy biến áp.
Khảo sát quan hệ giữa điện áp phóng điện và số lần phóng điện. Kết quả ghi trong bảng 2.6. Khoảng cách Lần phóng điện 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 cực Điện áp phóng điện s = 2,5 mm Upđ, kV
Bảng 2.6. Quan hệ giữa điện áp phóng điện và số lần phóng điện 15 BÀI 3
PHÓNG ĐIỆN TRONG KHÔNG KHÍ I. MỤC ĐÍCH
• Nghiên cứu quan hệ giữa điện áp phóng điện trong không khí với các loại cực khác
nhau và khoảng cách giữa chúng.
• Xác định ảnh hưởng của cực tính đối với điện áp phóng điện khi cực được bố trí không đối xứng.
• Xác định ảnh hưởng của vị trí màn chắn đối với điện áp phóng điện trong không
khí ở trường không đồng nhất. II. KHÁI NIỆM
Với một khoảng cách đã cho của hai cực thì điện áp phóng điện phụ thuộc vào dạng
của điện trường, vào thời gian tác dụng của điện áp, vào cực tính của cực bán kính cong bé
và cuối cùng là phụ thuộc vào mật độ và độ ẩm của không khí.
Tuỳ theo mức độ giống nhau của cường độ điện trường tại các điểm mà người ta
chia điện trường thành các loại: điện trường đồng nhất, điện trường gần đồng nhất và điện
trường rất không đồng nhất.
Điện trường đồng nhất là trường hợp lý tưởng, trị số điện trường tại mọi điểm đều
bằng nhau (E = const) và có đường sức của từ trường song song với nhau. Đặc điểm của
phóng điện trong điện trường đồng nhất là quá trình hình thành và phát triển của phóng
điện không phụ thuộc vào cực tính.
Tuy vậy trên thực tế các điều kiện trên rất ít khi xảy ra nên ta thường gặp điện trường
không đồng nhất. Mức độ không đồng nhất của trường được biểu thị bằng hệ số không
đồng nhất, ký hiệu là f. Hệ số này được xác định là tỷ số giữa cường độ điện trường cực
đại và cường độ điện trường trung bình: Emax f = Etb U trong đó E =
, với U là điện áp tác dụng còn s là khoảng cách giữa hai cực. tb s
Điện trường gần đồng nhất có được khi hệ số f không lớn (f<2). Ví dụ điển hình là
điện trường giữa hai quả cầu dùng trong đo lường điện áp cao với khoảng cách giữa hai
cực không lớn so với bán kính cong của cực. Trong điện trường gần đồng nhất thì điện áp
phóng điện vầng quang hầu như trùng với điện áp phóng điện chọc thủng và cực tính (với
trường hợp được bố trí không đối xứng – một cực nối đất) cũng ít ảnh hưởng đến điện áp
phóng điện. Thời gian tác dụng của điện áp, nếu như nó lớn hơn 1 s  thì cũng ít ảnh
hưởng đến điện áp phóng điện. Nếu gọi s là khoảng cách giữa hai cực và r là bán kính của
hai quả cầu thì ta có giá trị của f tương ứng với tỷ số s/r như sau: 16 s/r Hai quả cầu cách điện
Một quả cầu nối đất 0,1 1,03 1,03 0,2 1,068 1,07 0,4 1,137 1,14 0,6 1,208 1,23 0,8 1,283 1,32 1 1,359 1,41 1,2 1,440 1,51 1,4 1,525 1,62 1,6 1,600 1,73 1,8 1,680 1,85 2 1,770 1,97 3 2,214 3,21
Bảng 3.1. Giá trị của f theo s/r
Điện áp phóng điện trong điện trường gần đồng nhất có thể được tính theo công thức: E s U max = pd f
Với Emax là cường độ điện trường cực đại trên mặt cực khi xảy ra phóng điện. Giá trị này
được tính theo công thức sau: k E = k (1 2 + ) max 1 r trong đó:
•  là mật độ tương đối của không khí
• r là bán kính cong của quả cầu, trong bài này r = 5 cm
• k1, k2 là các hệ số xác định từ thực nghiệm. Hệ số k1 ứng với cường độ trường
phóng điện khi trường là đồng nhất và  =1 (điều kiện khí hậu tiêu chuẩn). Hệ số
k2 đặc trưng cho sự tăng của cường độ trương phóng điện khi độ không đồng nhất
của trường tăng, trong trường đồng nhất thì k2 = 0. Đối với hai quả cầu nếu bán
kính đo bằng cm và điện áp đo bằng kV thì k1=27,2 và k2=0,54.
Mật độ tương đối của không khí có thể xác định được theo công thức: 0.386p  = t + 273
trong đó p là áp suất của không khí (mmHg) còn t là nhiệt độ không khí (0C). 17
Từ công thức trên ta thấy rằng Emax không phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai cực
trong khi cường độ điện trường phóng điện trung bình lại tỷ lệ nghịch với khoảng cách này.
Ta cũng thấy rằng trong trường đồng nhất và gần đồng nhất, độ ẩm không khí
không ảnh hưởng tới điện áp phóng điện. Trong trường rất không đồng nhất, ví dụ trường
hợp mũi nhọn cực bản thì độ ẩm làm giảm điện áp phóng điện. Như vậy để tránh ảnh
hưởng của độ ẩm khi đánh giá điện áp phóng điện, ta quy đổi điện áp phóng điện về điều kiện tiêu chuẩn: k 1 + U = U 1 = k 01 , 0 U 0 pd  pd  trong đó:
• Upđ là điện áp phóng điện ở điều kiện thí nghiệm
• U0 là điện áp phóng điện ở điều kiện thí nghiệm
•  là mật độ tương đối của không khí (g/m3)
• k1=1+0,01k là hệ số hiệu chỉnh theo ảnh hưởng của độ ẩm
• k là hệ số hiệu chỉnh theo độ ẩm của không khí. Giá trị của k có thể tra theo phụ lục 1.
Trường rất không đồng nhất thường gặp khi khoảng cách giữa hai cực lớn hơn
nhiều so với bán kính cong của cực và hệ số không đồng nhất f là khá lớn (f>4). Trong
trường hợp này điện áp phóng điện vầng quang nhỏ hơn nhiều so với điện áp phóng điện
chọc thủng khi trường là đồng nhất. Còn hình dạng của cực không có ảnh hưởng quyết
định (ví dụ cả hai điện cực là mũi nhọn nhưng có hình dạng và tiết diện khác nhau). Khi
các cực có hình dạng không đối xứng, ví dụ một cực có dạng bản và cưc kia là mũi nhọn
thì cực tính của mũi nhọn có ảnh hưởng nhiều đến điện áp phóng điện. Với cùng khoảng
cách thì điện áp phóng điện khi mũi nhọn có cực tính dương nhỏ hơn nhiều khi mũi nhọn
có cực tính âm. Cuối cùng thời gian tác dụng của điện áp cũng có ảnh hưởng không ít tới
trị số điện áp phóng điện.
Để tăng cường độ cách điện của không khí trong trường rất không đồng nhất, ta
dùng màn chắn bằng điện môi rắn. Ví dụ như trong trường hợp màn chắn – mũi nhọn.
Khi mũi nhọn có cực tính dương thì các ion dương di chuyển về phía cực bản bị
giữ lại trên màn chắn và phân bố trên màn chắn. Phần điện trường giữa màn chắn và cực
bản là gần đồng nhất. Do đó nếu màn chắn đặt càng gần mũi nhọn thì khoảng không gian
này càng lớn và điện áp phóng điện chọc thủng càng tăng. Tuy vậy nếu đặt màn chắn quá
sát mũi nhọn làm cho các ion dương phân bố không đều trên màn chắn, độ đồng nhất của
trường màn chắn – cực bản giảm nên điện áp phóng điện chọc thủng sẽ giảm đi.
Khi mũi nhọn có cực tính âm tác dụng của màn chắn cũng tương tự như trên. Tuy
vậy, màn chắn chỉ phát huy tác dụng ở một khoảng cách nào đó so với mũi nhọn. Tại các
vị trí gần cực bản, điện áp phóng điện chọc thủng nhỏ hơn giá trị điện áp phóng điện khi
không có màn chắn. Điều này có thể giải thích là do ở phía mũi nhọn và cực bản có mật độ 18
điện tích lớn gần như dẫn điện, màn chắn là điện cực âm, giữa màn chắn và cực bản có
khoảng cách bé và điện áp phóng điện sẽ có trị số thấp. III. THÍ NGHIỆM
1. Thiết bị thí nghiệm
1.1. Thiết bị tạo điện áp xoay chiều
Thiết bị được sử dụng ở đây là máy biến áp một pha, công suất 2 kVA, tần số 50
Hz, làm mát tự nhiên với điện áp định mức phía hạ áp 180 V, của phía cao áp là 100 kV.
1.2. Thiết bị tạo điện áp một chiều
Nguồn một chiều được tạo bởi máy biến áp thí nghiệm và thiết bị chỉnh lưu cao áp
với chỉnh lưu 1/2 chu kỳ với điện áp ra có thể biến đổi trong phạm vi rộng. Các tham số
của máy biến áp như sau: • Công suất 2kVA
• Điện áp cung cấp định mức 180 V • Tần số 50 Hz • Điện áp ra 140 kV max
• Dòng điện chỉnh lưu 5 mA
1.3. Sơ đồ thí nghiệm
Sơ đồ nguyên lý khi dùng nguồn xoay chiều như sau: (1) (4) R bv (6) MC AC (2) V (5) (3)
Hình 3.1. Sơ đồ thí nghiệm khi dùng nguồn xoay chiều (1) (4) R bv K (6) MC AC (2) V (5) (3)
Hình 3.2. Sơ đồ thí nghiệm khi dùng nguồn một chiều Trong đó: 1. Cầu chì bảo vệ
2. Máy biến áp tự ngẫu
3. Đồng hồ đo điện áp sơ cấp của máy biến áp thí nghiệm 19
4. Máy biến áp thí nghiệm 5. Các loại cực 6. Điện trở bảo vệ K: diode chỉnh lưu MC: màn chắn
2. Tiến hành thí nghiệm
Khi tiến hành thí nghiệm cần chú ý một số đặc điểm sau:
• Lúc bắt đầu một thí nghiệm phải đưa khoảng cách giữa các cực về không.
• Đưa tay quay của tự ngẫu về vị trí không
• Khi làm thí nghiệm phải cho điện áp tăng dần với tốc độ không đổi trong mọi lần
thí nghiệm. Khi xảy ra phóng điện phải theo dõi chỉ số của vôn mét trên mạch hạ áp
của máy biến áp thí nghiệm.
• Khi có phóng điện thì bộ phận bảo vệ sẽ tự động cắt nguồn cung cấp vào máy biến
áp thí nghiệm. Trường hợp bộ phận bảo vệ hỏng thì phải dùng tay nhanh chóng cắt
nguồn cung cấp hay nhanh tay quay tay quay máy biến áp về vị trí 0.
• Với mỗi khoảng cách cực ta cho phóng điện 3 lần và tính trị số điện áp trung bình.
• Mỗi khi tiến hành các thao tác trong khu vực rào chắn phải cắt cầu dao chính trên
mạch cung cấp điện hạ áp cho máy biến áp thí nghiệm và nối đất để khử các điện tích dư.
2.1. Xác định điện áp phóng điện với điện cực cầu – cầu
Khoảng cách s lấy lần lượt là 1; 2; 3; 4 cm.
Các kết quả đo điện áp phóng điện ở điện áp xoay chiều và điện áp một chiều với
loại cực cầu – cầu được ghi trong bảng 3.2.
Điện áp phóng điện sơ cấp Khoảng cách điện cực Phóng điện một chiều Phóng điện xoay chiều s, cm 1 2 3 TB 1 2 3 TB 1 2 3 4
Bảng 3.2. Kết quả đo điện áp phóng điện giữa hai điện cực cầu – cầu 20