NGHIÊN CỨU VỀ ĐẶC TÍNH PHÓNG ĐIỆN CỦA BUỒNG PLASMA LẠNH

- NGHIÊN CỨU VỀ ĐẶC TÍNH PHÓNG ĐIỆN CỦA BUỒNG PLASMA LẠNH Nguyễn Văn Dũng 1 và Nguyễn Hồng Nhanh 1.
- Plasma, điện áp phóng điện, cách điện, điện cực, cao áp.
- Nghiên cứu này trình bày đặc tính phóng điện của buồng plasma lạnh và khảo sát điện áp tạo plasma ở tần số 50 Hz.
- Đặc tính phóng điện được khảo sát thông qua các thí nghiệm về phóng điện đánh thủng và phóng điện bề mặt.
- Nước máy dẫn điện khá tốt và chỉ chịu được điện áp tác dụng khoảng 1,5 kV rms .
- Tuy nhiên, độ bền điện bề mặt khô của thủy tinh chỉ đạt khoảng 0,48 kV rms /mm.
- Khi điện áp tác dụng đạt giá trị khoảng 9 kV rms , quan sát được sự xuất hiện của plasma lạnh.
- Tuy nhiên, sự phóng điện đánh thủng bề dày của thành ống thủy tinh đã không xảy ra và kết quả là plasma đã được duy trì.
- Chiều dài cách điện bề mặt của ống thủy tinh đã được tính toán dựa trên các số liệu thí nghiệm..
- Phương pháp đơn giản và tin cậy nhất để tạo plasma lạnh là gây phóng điện tia lửa giữa các điện cực kim loại có màn chắn trong môi trường không khí.
- Khi điện áp đặt lên các điện cực đủ lớn, plasma sẽ hình thành do phóng điện tia lửa trong không khí từ bề mặt ngoài của lớp nước đến mặt trong của ống thủy tinh (Kuraica et al., 2006).
- Với A là kênh phóng điện đánh thủng xuyên qua lớp nước, khe không khí và bề dày của thành ống thủy tinh..
- Do độ bền điện của thủy tinh rất lớn nên chỉ cần khảo sát sự phóng điện đánh thủng trong không khí và nước.
- Tuy nhiên, ống thủy tinh cần phải được thử nghiệm khả năng chịu đựng điện áp khi plasma được tạo ra.
- B chính là kênh phóng điện trên bề mặt ống thủy tinh và nắp cách điện.
- Do chiều dài phóng điện dọc theo nắp cách điện ngắn hơn rất nhiều so với tổng chiều dài phóng điện bề mặt nên chỉ cần khảo sát phóng điện trên bề mặt ống thủy.
- Do đó, nghiên cứu này khảo sát sự phóng điện đánh thủng trong môi trường nước, sự phóng điện đánh thủng trong môi trường không khí, sự phóng điện trên bề mặt ống thủy tinh và kiểm tra khả năng chịu đựng điện áp của ống thủy tinh.
- Ngoài ra, điện áp nhỏ nhất để tạo ra plasma cũng được xác định và chiều dài cách điện bề mặt được tính toán dựa trên số liệu thí nghiệm..
- Hình 1: Mô hình hệ thống xử lý nước bằng plasma (Kuraica et al., 2006) 2 HỆ THỐNG ĐIỆN CỰC VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM.
- 2.1 Hệ thống điện cực.
- 2.1.1 Phóng điện đánh thủng thể tích.
- Hình 2 trình bày hệ thống điện cực trụ đồng trục được sử dụng để đo điện áp đánh thủng trong môi trường nước và không khí.
- Khe hở điện cực d được thay đổi lần lượt là 1.
- Khi thực hiện phóng điện trong môi trường nước, toàn bộ hệ thống điện cực được đặt chìm trong một thùng chứa nước máy..
- Hình 2: Hệ thống điện cực trụ đồng trục.
- 2.1.2 Phóng điện đánh thủng bề mặt.
- Phóng điện trên bề mặt của ống thủy tinh được thực hiện với hệ thống điện cực vòng như Hình 3..
- Do đó, để tăng độ an toàn cho hệ thống, sự phóng điện trên bề mặt ống thủy tinh bị ẩm cần phải được khảo sát.
- Để tạo ẩm, bề mặt ống thủy tinh được phun nước máy dạng sương..
- Hình 3: Hệ thống điện cực vòng-vòng 2.1.3 Điện áp tạo plasma.
- Thí nghiệm xác định điện áp tạo plasma sử dụng hệ thống điện cực có màn chắn là ống thủy tinh như Hình 4.
- Bề dày của thành ống thủy tinh là 1,5 mm.
- Không khí chiếm toàn bộ thể tích bên trong của hệ thống điện cực..
- Hình 4: Hệ thống điện cực có màn chắn thủy tinh.
- 2.1.4 Thử nghiệm điện áp chịu đựng của ống thủy tinh.
- Hình 5 biểu diễn hệ thống điện cực trụ đồng trục được dùng để thử nghiệm điện áp chịu đựng của ống thủy tinh.
- Đây cũng chính là bề dày của thành ống thủy tinh được sử dụng ở mô hình hệ thống điện cực có màn chắn (Hình 4)..
- Hình 5: Hệ thống điện cực trụ đồng trục 2.2 Phương pháp thí nghiệm.
- Tất cả các thí nghiệm đều được thực hiện ở điện áp AC-50Hz.
- Đối với thí nghiệm phóng điện đánh thủng, điện áp đặt lên hệ thống điện cực được tăng từ 0 cho đến khi cho đến khi phóng điện xảy ra với tốc độ tăng điện áp là 1 kV rms /s theo tiêu chuẩn IEC 60060-1.
- Đối với thí nghiệm xác định điện áp tạo plasma, điện áp được tăng từ 0 cho đến khi xuất hiện plasma với tốc độ tăng điện áp cũng là 1 kV rms /s..
- Đối với thí nghiệm thử nghiệm điện áp chịu đựng của ống thủy tinh, điện áp đặt lên ống được thay đổi theo qui trình như ở Hình 6.
- Điện áp tác dụng được tăng từ 0 đến V w với tốc độ 1 kV rms /s..
- V w là giá trị điện áp chịu đựng được xác định từ điện áp tạo plasma (V p ) theo tiêu chuẩn IEC 60071- 1.
- Sau đó điện áp tác dụng được giữ ở giá trị V w.
- Cuối cùng điện áp tác dụng được giảm về 0 cũng với tốc độ 1 kV rms /s.
- Nếu trong cả 3 lần thí nghiệm đều không xảy ra phóng điện đánh thủng thì ống thủy tinh chịu được điện áp V p trong thời gian lâu dài..
- Hình 6: Qui trình thử nghiệm khả năng chịu đựng điện áp của ống thủy tinh 3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM.
- 3.1 Đặc tính phóng điện đánh thủng trong không khí và nước.
- Hình 7 trình bày quan hệ giữa điện áp phóng điện đánh thủng V B và khe hở điện cực d trong môi trường không khí.
- Điều này có thể giải thích bằng sự tăng độ không đều của điện trường giữa hai điện cực khi khe hở điện cực d tăng dẫn đến sự hình thành phóng điện vầng quang trước khi phóng điện đánh thủng diễn ra.
- d  d  (1) Khi môi trường giữa hai điện cực là nước,.
- không đo được điện áp phóng điện đánh thủng.
- Do có độ dẫn điện lớn nên thực tế chỉ với điện áp tác dụng khoảng 1,5 kV rms đặt lên hệ thống điện cực đã tạo nên dòng điện dẫn đủ lớn khoảng 20 mA chạy trong nước để tác động lên hệ thống bảo vệ ngắn mạch của máy phát cao áp.
- Điện áp phóng điện (kVrms).
- Khe hở điện cực (mm).
- Không khí Nước Điện áp tác độngcủa máy phát cao áp.
- Hình 7: Quan hệ giữa điện áp đánh thủng và khe hở điện cực.
- 3.2 Đặc tính phóng điện bề mặt ống thủy tinh Hình 8 trình bày quan hệ giữa điện áp phóng điện bề mặt V F và khe hở điện cực d.
- Điều này cho thấy đặc tính bề mặt của thủy tinh có ảnh hưởng đến V F lớn hơn so với ảnh hưởng của hình dạng điện trường giữa hai điện cực.
- Điều đó có nghĩa là hơi ẩm xúc tiến quá trình phóng điện bề mặt dẫn đến làm giảm đáng kể V F .
- Độ bền điện bề mặt khô trung bình tính.
- Bề mặt khô .
- Bề mặt ướt .
- Khe hở điện cực (cm).
- Hình 8: Quan hệ giữa điện áp phóng điện bề mặt và khe hở điện cực 3.3 Điện áp tạo plasma.
- Khi tăng điện áp đến giá trị 9 kV rms , quan sát được sự xuất hiện của các tia lửa điện và ánh sáng màu xanh nhạt ở một số vị trí trong môi trường không khí giữa hai điện cực cũng như nghe được âm thanh của phóng điện vầng quang.
- Tăng điện áp đến 12 kV rms , quan sát được sự gia tăng nhanh số lượng các tia lửa điện đồng thời toàn bộ không gian giữa hai điện cực đều phát ra ánh sáng màu xanh nhạt (Hình 9).
- Điều này chứng tỏ rằng plasma đã chiếm toàn bộ thể tích giữa hai điện cực.
- Tăng điện áp quá 12 kV rms có thể gây vỡ ống thủy tinh do phóng điện nhiệt hoặc do tương tác của các điện tích với bề mặt ống thủy tinh..
- Hình 9: Sự xuất hiện của plasma trong ống thủy tinh tại 12 kV rms.
- Điện trường trong không khí và trong lớp thủy tinh của mô hình (Hình 4) được tính toán với điện áp tạo plasma V p lần lượt là 9 và 12 kV rms .
- Điện trường trong không khí giữa hai điện cực được tính theo công thức 4 trong khi điện trường trong lớp thủy tinh được tính theo công thức 5..
- Điện trường trong thành ống thủy tinh.
- Sự phân bố điện trường của hệ thống điện cực ở Hình 10 được biểu diễn ở Hình 11.
- Như vậy, với điện áp tác dụng từ 9 kV rms trở lên hoàn toàn có khả năng tạo ra plasma trong môi trường không khí giữa hai điện cực có màn chắn.
- Hình 11: Phân bố điện trường của hệ thống điện cực ở Hình 10 3.4 Thử nghiệm điện áp chịu đựng của ống.
- thủy tinh.
- Mục 3.2 đã xác định được điện áp để plasma chiếm toàn bộ khe hở điện cực là 12 kV rms .
- Do đó lúc này ống thủy tinh sẽ chịu toàn bộ điện áp 12 kV rms .
- Theo qui định ống thủy tinh cần phải được thử nghiệm khả năng chịu đựng điện áp trong 60 s ở một mức cao hơn (V w ) để đảm bảo ống hoạt động bình thường trong thời gian dài ở mức 12 kV rms .
- Phương pháp thử nghiệm khả năng chịu đựng điện áp V w của ống thủy tinh đã được giới thiệu ở mục 2.2.
- Cả 3 lần thử nghiệm ở điện áp 28 kV rms đều không gây ra phóng điện đánh thủng ống thủy tinh.
- Điều đó chứng tỏ rằng ống thủy tinh có độ bền điện lớn hơn 18 kV rms /mm và chịu được điện áp 12 kV rms trong thời gian dài..
- 3.5 Chiều dài cách điện bề mặt ống thủy tinh Từ Hình 8 thấy rằng điện áp phóng điện bề mặt V F tăng tuyến tính khi khe hở điện cực d tăng.
- Vì vậy, hoàn toàn có thể chọn dữ liệu về điện áp phóng điện bề.
- Để tăng độ an toàn cho ống thủy tinh, điện áp phóng điện bề mặt ướt được chọn..
- Thông thường khi tính toán chiều dài cách điện, độ bền điện cực tiểu (E m ) được xác định tại xác suất phóng điện tích lũy là 0%.
- Có nghĩa là khi ứng suất điện trường thiết kế bằng với độ bền điện cực tiểu thì sẽ không gây ra phóng điện.
- Độ bền điện bề mặt ướt (kV/cm).
- Xác suất phóng điện tích lũy.
- thức 5 (Kwag et al., 2005), với V w = 28 kV rms là điện áp chịu đựng của ống thủy tinh, k = 1,45 là hệ số an toàn.
- Chiều dài cách điện bề mặt ống thủy tinh tính toán được là 18,5 cm..
- Đặc tính phóng điện của buồng plasma lạnh đã được khảo sát chi tiết.
- Điện áp phóng điện đánh thủng không khí tăng không tuyến tính trong khi điện áp phóng điện bề mặt ống thủy tinh tăng tuyến tính với khe hở điện cực.
- Điều đó chứng tỏ rằng độ không đồng đều của điện trường giữa hai điện cực sẽ quyết định điện áp đánh thủng của không khí.
- trong khi đặc tính bề mặt sẽ ảnh hưởng mạnh đến điện áp phóng điện bề mặt.
- Điện áp tạo plasma trong khe không khí (d = 5 mm) của hệ thống điện cực có màn chắn đã được xác định.
- Với điện áp tác dụng là 9 kV rms , plasma bắt đầu được tạo ra.
- Khi điện áp tăng lên 12 kV rms , plasma chiếm toàn bộ khe không khí