Khe hở phóng điện

Sự làm việc của CSV bắt đầu bằng sự phóng điện xuyên thủng và kết thúc bằng sự dập tắt hồ quang của dòng điện kèm theo tại ngay các khe hở. Mỗi giai đoạn làm việc có những yêu cầu riêng đối với khe hở.

Giai đoạn phóng điện đòi hởi khe hở phải có đặt tính Volt-giây tương đối bằng phẳng, có nghĩa là điện áp xuyên thủng Uxt ít biến thiên trong một khoảng thời gian rộng - từ micro – giây đến mili – giây – và ít tản mạn. Ngoài ra Uxt không được thay đổi sau nhiều lần cho qua dòng xung và dòng kèm theo định mức, cũng như khi có dao động nhiệt độ, hoặc chịu những tác dụng cơ như xóc lắc va đập và rung động. Khe hở phóng điện phải dập tắt hồ quang của dòng điện kèm theo khi qua trị số không lần đầu tiên.

Để thoả mãn các yêu cầu này trong loại CSV đầu tiên dùng một chuỗi nhiều khe

điện áp xung phân bố trên các khe hở không đều nhau, rất lớn ở về phía cực cao áp, điều đó dẫn đến sự phóng điện dây chuyền (tức là lần lượt kế tiếp nhau từ đấu cao áp trở đi) của toàn bộ các khe hở nhỏ ở một trị số điện áp bé hơn tổng điện áp phóng điện xung của từng khe hở nhỏ riêng rẽ. Ở điện áp làm việc tần số công nghiệp lớn nhất cho phép mỗi khe hở chịu tác dụng của một lượng điện áp từ 1,0 ÷1,7 kV (trị số hiệu dụng).

Trong giai đoạn dập tắt hồ quang, khi dòng điện kèm theo qua trị số không, quá trình ion hoá trong các khe hở bị đình chỉ, quá trình khử ion được tăng cường. Nếu khả năng cách điện của khe hở được phục hồi nhanh hơn là tốc độ phục hồi điện áp làm việc thì hồ quang sẽ không bị cháy lại. Chính là nhờ cá điện trở tác dụng lớn nối song song với từng nhóm khe hở tạo điều kiện cho sự phục hồi điện áp đều đặn trên các khe hở, loại trừ khả năng hồ quang cháy lại.

Các loại CSV thông dụng hiện nay có khe hở với các nguyên tắc dập hồ quang khác nhau như sau:

* Với hồ quang của dòng điện kém theo đứng yên ngay tại chỗ khe hở bị phóng điện xuyên thủng cho đến khi bị dập tắt (tương ứng loại PBC của Nga)

* Với hồ quang chạy quanh trong một khe hở hình xuyên giữa các điện cực dưới tác dụng của từ trương, như loại PBM (3÷35kV), PBMT (110÷500kV) của Nga.

* Với hồ quang được kéo dài chuyển dịch giữa các điện cực dưới tác dụng của từ tường, chiều dài của hồ quang tăng lên đáng kể (đến hàng trăm lần) như loại PBT và PBPE của Nga.

a) Khe hở nhỏ có hồ quang đứng yên được tạo nên giữa hai điện cực đối diện (H.6.9) dạng tang trống 1 bằng đồng thau, ngăn cách nhau bởi một vòng đệm hình xuyên 2 bằng mica (hoặc cacton điện) có bề dày δ = 0,5÷0,6mm.

Hình 6.9: Khe hở nhỏ có hồ quang đứng yên khi xảy ra phóng điện xuyên thủng Với dạng điện cực như vậy, điện trường trong khe hở nhỏ tương đối đồng nhất;

mặt khác lớp khí mỏng tồn tại giữa vòng đệm mica và các điện cực chịu một cường độ

cấp điện tử cho khe hở khí đảm bảo cho sự phóng điện của khe hở với thời gian chậm trễ thống kê bé với hệ số xung gần bằng đơn vị.

Như vậy, ưu điểm của loại khe hở này là cấu tạo tương đối đơn giản và trường trong khi vực phóng điện đồng nhất. Nhược điểm của nó là sự dập tắt hồ quang trong khe hở cơ sở vào sự phục hồi tự nhiên độ bền điện giữa các điện cực, do đó giới hạn của dòng điện kèm theo được dập tắt đảm bảo tương đối bé, chỉ vào khoảng It = 80÷100A.

Trong khi đó thì nếu tăng được dòng điện dập tắt sẽ cho phép giảm bớt trị số của điện trở không đường thẳng (giảm bớt số đĩa điện trở), cải thiện được đặc tính bảo vệ của CSV (giảm được Udư) và mở ra khả năng giảm được mức cách điện xung của trang thiết bị điện.

b) Khe hở nhỏ có hồ quang di chuyển đã cho phép nâng cao được giới hạn của dòng điện dập tắt đảm bảo lên đến 250A (được ứng dụng chế tạo các loại CSV xêri PBMΓ và PBM của Nga). Nguyên lý cấu tạo của loại khe hở này cho trong hình 6.10.

Hình 6.10: khe hở với hồ quang quay

Một điện cực đĩa tròn 4 và một điện cực hình xuyến lệch tâm 2 tạo nên một khe hở không đồng đều nơi hẹp nhất bằng δ, toàn bộ nằm trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu 5.

Khi khe hở phóng điện dưới tác dụng của lực F tạo ra bởi từ trường, hồ quang bị đẩy chạy tròn trong khe hở với tốc độ cao và bị làm nguội mãnh liệt, nhờ đó khi dòng điện kèm theo qua tri số không đầu tiên thì hồ quang bị dập tắt dễ dàng và khe hở được phục hồi bền điện nhanh hơn nhiều so với loại khe hở có hồ quang tĩnh đã nêu trên.

Nhờ dập tắt được dòng điện kèm theo cao hơn nên cho phép giảm số đĩa điện trở không đường thẳng, do đó giảm được Udư trên CSV và cải thiện rõ rệt hệ số bảo vệ của CSV (6.3).

Đối với CSV xêri PBC (khe hở với hồ quang tĩnh) Kbv =2,5÷2,7 còn đối với CSV xêri PBMΓ (khe hở với hồ quang quay) Kbv =2 có nghĩa là ở cùng một điện áp dập tắt Ut, điện áp dư cảu loại CSV sau giảm từ 20÷26%.

c) Khe hở với hồ quang bị kéo dài

Hình 6.11: Khe hở với hồ quang bị kéo dài

Một bước tiếp theo giảm nhỏ hệ số bảo vệ còn Kbv =1,7 đã đạt được nhờ áp dụng loại khe hở phóng điện hạn chế dòng với hồ quang của dòng điện kèm theo bị kéo dài và nhờ tác dụng của từ trường dẫn nó vào trong những rãnh hẹp và bị khử ion mãnh liệt.

Nguyên lý làm việc của loại khe hở được trình bày ở hình 6.11.

Hai điện cực 1 nằm giữa các vách của một buồng dập hồ quang 2 và trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu (hoặc của một cuộn cảm). Khi khe hở S giữa hai điện cực bị phóng điện xuyên thủng, lực F của từ trường tác dụng lên hồ quang làm cho nó di chuyển và bị kéo dài dần ra từ vị trí D1 cho đến vị trí cuối cùng D3 len lỏi giữa những tấm vách cách điện 3 của buồng dập hồ quang, bị nguội đi và bị khử ion mãnh liệt tại đó. Lúc này điện trở của khe hồ quang tăng lên, điện áp giáng ΔU trên khe hở

Dòng điện kèm theo cùng pha với điện áp làm việc của CSV. Vì vậy sau khi dòng điện kèm theo bị cắt khi qua trị số không thì điện áp trên khe hở cũng từ trị số không phục hồi dần theo dạng hình sin tần số công nghiệp và như vậy chậm hơn rất nhiều so với sự phục hồi độ bền điện của khe hở. Ở đây cần nhắc lại vai trò quan trọng trong quá trình dập hồ quang của dòng điện kèm theo là sự phục hồi điện áp đều đặn trên tất cả các khe hở nhỏ nối tiếp nhau. Để đạt được sự phân bố điện áp đều đặn này là nhờ các điện trở cao nối tắt các nhóm khe hở như đã trình bày ở hình 6.7.