Trong việc quản lý vận hành hệ thống điện với tiêu chí đảm bảo độ tin cậy cao, sử dụng điện tiết kiệm và hiệu quả, chất lượng điện tốt, đồng thời cung cấp điện một cách an toàn liên tục cho các phụ tải, việc sử dụng các hệ thống giám sát và thiết bị bảo vệ phù hợp là một trong những vấn đề cần quan tâm nhất.

So với các phương pháp bảo vệ trong hệ thống điện (HTĐ), việc phân tích phóng điện cục bộ (PD- Partial discharge) là một trong những giải pháp triển vọng trong giám sát và phát hiện các sự cố tiềm ẩn trong hệ thống trước khi nó xảy ra. Nhờ vào sự phát triển của các lĩnh vực kỹ thuật khác như: điện tử viễn thông, khoa học máy tính và xử lý tín hiệu, bảo vệ hệ thống ngày càng dễ tiếp cận hơn, hiệu quả hơn và có độ nhạy cao. Phân tích PD có khả năng phát hiện các dấu hiệu tiềm ẩn của sự cố trong hệ thống một cách đơn giản nhất.

Hình 1: Những hình ảnh về phóng điện cục bộ trong vật liệu cách điện

Định nghĩa
PD là hiện tượng đánh thủng điện môi cục bộ của một bộ phận nhỏ trong hệ thống cách điện rắn hoặc lỏng dưới tác động của điện áp cao. Trong khi đó phóng điện vầng quang thường được phát hiện bởi sự phát sáng liên tục và tương đối ổn định hoặc phóng điện thoáng qua trong không khí, những hiện tượng phóng điện cục bộ trong một hệ thống cách điện có thể quan sát hoặc không quan sát được thường xuyên bằng mắt và số lần phóng điện cục bộ trong hệ thống cách điện thường ít xảy ra hơn so với phóng điện vầng quang trong tự nhiên.

Cơ chế phóng điện
PD thường xuất hiện ở những khoảng trống, những vết nứt bên trong điện môi rắn, tại bề mặt ranh giới giữa điện môi và vật dẫn điện trong điện môi rắn và lỏng, hoặc những bọt khí nằm trong điện môi lỏng. Hiện tượng phóng điện được giới hạn một phần của cách điện, nó chỉ cầu cục bộ khoảng cách của những điện cực. Phóng điện cục bộ cũng có thể xuất hiện dọc theo ranh giới giữa những vật liệu cách điện khác nhau.

Tại những khoảng trống chứa đầy khí trong chất điện môi thường xảy ra hiện tượng phóng điện cục bộ, do ở những vị trí này độ bền điện môi yếu. Vì vậy cảm ứng điện xuất hiện ở những khoảng trống cao hơn so với các vị trí khác trong điện môi, nếu điện áp cảm ứng này cao hơn điện áp khởi đầu của vầng quang (CIV- Corona inception voltage) thì lúc đó phóng điện cục bộ bắt đầu xảy ra.

Khi xảy ra phóng điện cục bộ nó sẽ phá hủy nhanh chóng vật liệu cách điện và cuối cùng dẫn đến phóng điện. Phóng điện cục bộ có thể ngăn ngừa thông qua việc thiết kế và lựa chọn vật liệu cách điện. Trong tiêu chuẩn thiết bị điện áp cao, chất lượng của cách điện được đánh giá khi sử dụng thiết bị phát hiện PD trong suốt quá trình sản xuất cũng như kiểm tra định kỳ thiết bị điện. Sự phòng ngừa và phát hiện PD là cần thiết nhằm mục đích đảm bảo thiết bị điện hoạt động lâu dài, an toàn và tin cậy trong hệ thống điện.

Mạch tương đương phóng điện cục bộ

Điện môi kết hợp với lỗ trống được mô tả bằng sơ đồ thay thế như một tụ điện chia áp song song với một tụ điện khác. Trong sơ đồ này C1 là tụ phóng, C2 là tụ nối tiếp và C3 là tụ song song.

Để xác định phóng điện cục bộ người ta có thể dựa vào các phương pháp sau:
– Phương pháp phân tích tín hiệu điện do sự phóng điện cục bộ tạo nên.
– Phương pháp phát hiện sóng áp suất siêu âm do phóng điện cục bộ tạo nên.

Dòng phóng điện cục bộ:
Trong quá trình thử nghiệm PD, nếu có sự thay đổi rất nhỏ ở đồ thị dòng điện thì phóng điện cục bộ có thể được phát hiện được ngay, dòng phóng điện cục bộ rất khó đo đạc bởi vì cường độ bé và thời gian ngắn. Muốn xác định dòng phóng điện cục bộ phải thông qua tín hiệu điện áp biến đổi trên máy hiện sóng.

 Hình 3: Đồ thị minh họa điện áp và dòng điện quá trình phóng điện cục bộ

Dòng PD kéo dài trong khoảng thời gian ngắn và số lần tăng lên tính theo đơn vị nano giây. Trên máy hiện sóng, phóng điện thể hiện trông giống những cọc nhọn hoặc những xung xuất hiện lộn xộn. Đơn vị độ lớn của PD thường tính là picôculong.

Những ảnh hưởng của phóng điện cục bộ trong hệ thống cách điện
Những ảnh hưởng của phóng điện cục bộ trong cáp và thiết bị điện áp cao là rất nghiêm trọng, có thể dẫn đến phá hủy hoàn toàn hệ thống cách điện hay thiết bị điện. Ngoài ra, ảnh hưởng của PD trong điện môi rắn là hình thành nên nhiều nhánh phóng điện cục bộ dẫn đến việc xuất hiện những kênh phóng điện, quá trình này gọi là cây phóng điện. Quá trình phóng điện lặp đi lặp lại sẽ dẫn đến sự hư hỏng về cơ khí và phá hủy tính chất hóa học của vật liệu cách điện. Hư hỏng được gây ra bởi năng lượng bị tiêu tán do những điện tích và ion năng lượng cao, ánh sáng tia tử ngoại từ những phóng điện, khí ozon tấn công vào những vách trống và phân hủy như quá trình phá hoại hóa học giải phóng bột khí tại áp suất cao. Sự biến đổi hóa học của điện môi cũng có khuynh hướng gia tăng tính dẫn điện của điện môi. Sự gia tăng ứng suất điện trong vùng khe hở làm gia tăng nhanh hơn tiến trình phá hủy. Một số điện môi vô cơ, bao gồm thủy tinh, sứ và mêca có sức chịu đựng sự phát hủy bởi phóng điện cục bộ hơn những điện môi hữu cơ và polime.

Đối với cáp lực cách điện giấy, sự phóng điện lặp đi lặp lại sẽ làm thay đổi tính chất hóa học của những lớp giấy dẫn đến độ bền cách điện suy giảm và đến một lúc nào đó hình thành những cây cacbonnic dẫn điện cục bộ. Chính vì điều này sẽ xuất hiện quá trình đốt nóng cục bộ vật liệu cách điện và gây ra nổ cáp.

(Nguồn: hiendaihoa.com)