Bài giảng Vật liệu điện: Phần 2 - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Nối tiếp nội dung phần 1, phần 2 bài giảng Vật liệu điện - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tiếp tục cung cấp tới người học các nội dung chính sau: Môi điện khí; Điện môi lỏng; Cách điện rắn; Cách điện ngoài trời;... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 2 bài giảng tại đây.

CHƯƠNG V- ĐIỆN MÔI KHÍ

V.1 PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI KHÍ

Các cơ chế vật lý liên quan đến phóng điện trong điện môi khí có ý nghĩa quan trọng đối với tất cả các loại phóng điện khác Nắm bắt được bản chất của những cơ chế này giúp chúng ta dễ dàng hiểu được các cơ chế phóng điện trong điện môi lỏng và rắn Mặt khác điện môi khí còn có những ưu điểm hơn hai loại điện môi còn lại như đồng nhất hơn, dễ tiến hành thí nghiệm hơn Các thí nghiệm đo đạc phóng điện trong điện môi khí có thể được lặp lại sau một thời gian ngắn với sự sai khác nhỏ, thông thường độ lệch

cả điện áp phóng điện giữa các lần đo so với giá trị trung bình chỉ vào khoảng vài phần trăm

V.1.1 CÁC QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH ĐIỆN TÍCH TRONG ĐIỆN MÔI KHÍ

Khi đặt lên hai điện cực một tụ điện chứa một điện môi khí một điện trường E, dòng điện dẫn sẽ xuất hiện và chạy trong mạch nếu trong môi trường khí chứa các điện tích Các điện tích này có thể bao gồm: các điện tử e (mang điện tích âm), các ion dương

do nguyên tử trung hòa mất điện tử và các ion âm do các nguyên tử trung hòa nhận thêm điện tử Các điện tích này được sinh ra do các quá trình diễn ra trong điện môi khí hoặc

do các quá trình trên cathode (điện cực âm) Ta sẽ đề cập sơ qua đến các quá trình hình thành các điện tích này :

1 Ion hóa do va chạm

Khi có điện trường đặt lên các bản cực tụ điện và trong khoảng không gian điện môi giữa hai điện cực có điện tử tự do, các điện tự tự do sẽ nhận năng lượng của điện trường và chuyển động về phía điện cực dương (anode) Trong quá trình chuyển động nó

sẽ va chạm với các nguyên tử (hay phân tử) trung tính điện môi khí, nếu năng lượng của điện tử nhỏ hơn năng lượng ion hóa của của nguyên tử (hay phân tử) khí thì va chạm đó (có thể) gọi là va chạm đàn hồi Trong va chạm đàn hồi sự trao đổi năng lượng giữa điện

tử và nguyên tử khí rất bé, nó chỉ làm cho nguyên tử bị kích thích tức là chỉ có thể làm cho điện tử trong nguyên tử chuyển lên mức năng lượng cao hơn Đồng thời va chạm đàn hồi này làm đổi hướng di chuyển ban đầu của điện tử Trái lại khi năng lượng điện tử lớn hơn năng lượng ion hóa của nguyên tử khí, ta có va chạm không đàn hồi và nguyên tử bị ion hóa Khi đó nguyên tử khí trung tính ban đầu sẽ tạo thành một ion dương và một điện

tử mới Lúc đó ion dương này sẽ bị hút về phía điện cực âm (cathode) và hai điện tử sẽ tiếp tục nhận năng lượng của điện trường ngoài và gây nên các ion hóa tiếp theo Tùy theo điều kiện vật lý của điện môi đang xét mà quá trình này đạt đến một giá trị ổn định hoặc quá trình ion hóa sẽ trở thành hiện tượng thác điện tử và dẫn đến phóng điện Quá trình ion hóa do va chạm có thể được biểu diễn dưới dạng các phương trình sau :

A+e-ÆA++2e

-2A+2e-Æ2A++4e-

4A+4e-Æ4A++8e-

v v

2 Ion hóa quang (ion hóa do bức xạ)

Một nguyên tử bị kích thích thường có thời gian tồn tại khoảng 10-7 đến 10-9s Khi trở về trạng thái bình thường nó bức xạ phần năng lượng kích thích dưới dạng một photon Tuy photon này có năng lượng yếu nhưng cũng có thể gây ion hóa một nguyên tử khác có năng lượng ion hóa nhỏ hơn năng lượng của photon Quá trình ion hóa quang có thể được miêu tả bằng các phương trình :

A*ÆA+hf

B+hfÆ B++e

-Với A* là ký hiệu của trạng thái kích thích của nguyên tử A và hf là photon được bức xạ (h là hằng số Plank còn f là tần số của photon) Ion hóa quang là một quá trình quan trọng trong phóng điện, đặc biệt là đối với các hỗn hợp khí có chứa khí hiếm, biết rằng khí hiếm có thời gian tồn tại kích thích khá lâu

3 Ion hóa nhiệt

Khi nhiệt độ khí tăng đến một giá trị đủ lớn, các nguyên tử khí sẽ chuyển động nhanh hơn và do đó sẽ va chạm với nhau và gây nên ion hóa Ở nhiệt độ cao, năng lượng nhiệt (Wn) cũng có thể gây nên ion hóa cho nguyên tử theo quá trình sau :

A+ WnÆ A++e

-4 Tách điện tử (Electron detachement)

Quá trình này xảy ra khi một ion âm tách đi điện tử để trở thành nguyên tử trung tính :

A-Æ A++e

-Năng lượng cần thiết để tách điện tử ra khỏi ion âm trong quá trình này có thể được cung cấp bởi sự va chạm của nguyên tử khác (tách do va chạm : collisional detachement) hoặc bởi photon ( photodetachement) Mặc dù số điện tích không tăng lên trong quá trình này nhưng quá trình tách này có thể coi như quá trình ion hóa do một điện tích âm di chuyển chậm (ion âm) đã được chuyển thành một điện tích âm (điện tử) di

chuyển nhanh hơn Do động năng tỉ lệ nghịch với khối lượng và bình phương vận tốc nên mặc dù nhẹ động năng của điện tử lớn hơn nhiều so với động năng của ion âm trước đó

do điện tử có vận tốc lớn hơn Vì vậy điện tử tự do tách ra từ quá trình này có thể tiếp tục gây nên quá trình ion hóa do va chạm hiệu quả hơn so với ion âm

V.1.2 CÁC QUÁ TRÌNH TRÊN ĐIỆN CỰC ÂM (CATHODE)

Các quá trình trên điện cực, đặc biệt là điện cực âm (cathode) đóng vai trò quan trọng trong quá trình phóng điện trong chất khí vì chúng cung cấp các điện tử cho sự bắt đầu, duy trì và cuối cùng là hoàn thành một quá trình phóng điện

Ở trạng thái bình thường các điện tử không thể thoát ra khỏi điện cực do lực liên kết tĩnh điện giữa điện tử và ion trong mạng tinh thể Để rời khỏi điện cực điện tử cần một năng lượng đủ lớn gọi là công thoát (work function), giá trị của công thoát phụ thuộc vào vật liệu làm điện cực Bảng V.1 cho biết giá trị công thoát của một số kim loại điển hình Các nguồn cung cấp năng lượng cho điện tử rời khỏi điện cực có thể là :

1 Bắn phá cathode bằng ion dương hoặc bằng nguyên tử ở trạng thái kích thích

Khi một ion dương được bắn vào điện cực âm, nó sẽ giải phóng ít nhất hai điện tử trên điện cực : một điện tử dùng để trung hòa ion dương và một điện tử sẽ thoát khỏi điện cực Năng lượng cần thiết của ion dùng để bắn phá phải có trị số bằng ít nhất hai lần công thoát của điện tử Ngoài ra điện tử còn có thể thoát ra khỏi cathode do bắn phá điện cực bằng nguyên tử hay phân tử ở trạng thái kích thích bền vững (metastable : trạng thái mà nguyên tử kích thích mất thêm một phần năng lượng và chuyển đến một trạng thái kích thích mới, trạng thái kích thích mới này tương đối bền vững với thời gian tồn tại khoảng

10-3s)

Bảng V.1 : Công thoát của một số kim loại điển hình

2 Quang thoát (photoemission)

Nếu năng lượng của photon đập vào cathode có giá trị lớn hơn công thoát của điện tử, photon có thể giải phóng điện tử khỏi bề mặt điện cực Phần năng lượng dôi ra của photon so với công thoát được cung cấp cho điện tử dưới dạng động năng

3 Nhiệt thoát (thermionic emission)

Ở nhiệt độ phòng năng lượng nhiệt của các điện tử trong kim loại không đủ lớn để làm chúng thoát khỏi cathode Khi tăng nhiệt độ cathode lên khoảng 1500-2000K,

chuyển động nhiệt mãnh liệt của mạng tinh thể sẽ cung cấp cho các điện tử một năng lượng đủ lớn để thoát khỏi điện cực

4 Thoát do điện trường (Field emission)

Điện trường tĩnh ở giá trị lớn hơn lực liên kết giữa điện tử và proton sẽ giải phóng một hoặc nhiều điện tử ở cathode Tuy nhiên để làm được điều này điện trường phải vào khoảng 107-109 V/m (10-1000kV/mm) Phần lớn các phần tử dùng trong kỹ thuật điện đều làm việc ở điện trường nhỏ hơn điện trường này nhiều Nhưng khi bề mặt điện cực không bằng phẳng mà tồn tại những khuyết tật nhỏ, chỉ cần điện áp đặt vào khoảng 2-5kV thì điện trường ở những điểm khuyết tật có thể đạt tới trị số có xảy ra hiện tượng điện tử thoát do điện trường

V.1.3 CÁC QUÁ TRÌNH TRUNG HÒA ĐIỆN TÍCH TRONG ĐIệN MÔI KHÍ

Ngược lại với các quá trình hình thành điện tích trong điện môi khí làm tăng các điện tích (chủ yếu là các điện tử) trong điện môi, quá trình trung hòa điện tích làm giảm

số lượng các điện tử trong điện môi Trong một vài ứng dụng, quá trình trung hòa điện tích rất đáng quan tâm vì nó ngăn cản sự phát triển của thác điện tử Các quá trình trung hòa điện tích chính bao gồm :

−

dt

dn dt

Với β là hằng số tỉ lệ tái hợp Do n+≈ n- và giả thiết ở thời điểm t=0 số điện tích

ni=ni0 và số điện tích ở thời điểm t là ni(t), phương trình trên được viết thành :

t n

n t

n

i

i

β0

01)(+

2 Trung hòa do nhập điện tử (electron attachement)

Một vài khí có độ âm điện lớn như O2, CO2 hay SF6 luôn có xu hướng lấy thêm một điện tử tự do để tạo lên một ion nặng âm Quá trình có thể được viết dưới dạng :

A+eÆ A

-Đây là quá trình ngược với quá trình ion hóa do tách điện tử đã đề cập ở phần V.1.1

3 Trung hòa do khuyếch tán (diffusion)

Khi mật độ ion trong điện môi khí không đều, các ion luôn có xu hướng di chuyển

từ nơi có mật độ cao xuông nơi có mật độ thấp cho đến khi đạt đến sự cân bằng về mật

độ Quá trình này sẽ gây lên hiệu ứng ion hóa ở vùng có mật độ ion thấp và trung hòa ở vùng có mật độ ion cao

V.1.4 PHÓNG ĐIỆN CHỌC THỦNG CỦA CHẤT KHÍ TRONG ĐIỆN TRƯỜNG ĐỒNG NHẤT (ĐỀU)

Bản chất quá trình phóng điện chọc thủng của chất khí được giải thích bằng hai lý thuyết : Lý thuyết phóng điện Townsend và lý thuyết streamer Trong thực tế điện trường đặt lên điện môi khí có thể là đều hoặc không đều tùy theo dạng điện cực Nếu điện trường đều, trị số điện trường tại mọi điểm trong điện môi là bằng nhau do đó các tham

số về quá trình hình thành và trung hòa điện tích là không đổi Như vậy khi ta xét trong điện trường đều, bản chất của quá trình phóng điện chọc thủng có thể được hiểu dễ dàng hơn

1 Thác điện tử- Lý thuyết phóng điện Townsend

Khi ta đặt lên điện môi khí một điện trường E, giả thiết trong điện môi tồn tại một điện tử tự do Nếu điện trường đủ mạnh và điện tử không bị trung hòa bởi quá trình nhập điện tử, điện tử sẽ va chạm với các nguyên tử khí và gây ra quá trình ion hóa do va chạm Như vậy sau lần va chạm đầu tiên trong chất khí sẽ có hai điện tử và một ion dương và sau đó quá trình va chạm cứ tiếp tục diễn ra như miêu tả trong phần V.1.1 Quá trình cứ thế tiếp diễn với số điện tích tự do và ion dương tiếp tục tăng lên Tập hợp các điện tử và ion dương sinh ra theo cách này gọi là thác điện tử Trong không gian một vài milimét có thể có đến hàng triệu điện tử Việc hình thành thác điện tử chỉ là sự kiện đầu tiên (sau sự xuất hiện của điện tử ban đầu) của quá trình phóng điện chọc thủng trong chất khí Thác điện tử tiếp tục tăng cho đến khi các điện tử đến được anode hoặc chúng di chuyển đến vùng có điện trường không đủ mạnh để gia tốc cho chúng tạo nên va chạm mới

Trong lý thuyết của mình, Townsend nghiên cứu quá trình ion hóa do va chạm hiện tượng phóng điện trong điện môi khí ở điện trường tĩnh (DC) Ông giả thiết rằng lúc đầu có n0 điện tử tự do thoát ra khỏi cathode trong một giây (các điện tử này xuất hiện do bắn phá cathode bằng tia cực tím) Gọi α là số điện tử sinh ra bởi quá trình ion hóa do va chạm của một điện tử khi nó di chuyển trên một đơn vị quãng đường theo chiều điện trường, α còn gọi là hệ số ion hóa Townsend thứ nhất hay còn được gọi tắt là hệ số Townsend thứ nhất Độ lớn của α phụ thuộc vào áp suất của khí và độ lớn của điện trường Nếu ở khoảng cách x tính từ cathode ta có số lượng điện tử n thì sau khi đi thêm khoảng cách dx, số điện tử sinh ra thêm n sẽ được tính bằng công thức :

x

x

n

e n n dx n

dn o

x o

Điều này nghĩa là trung bình cứ mỗi điện tử rời khỏi cathode thì gây ra eαd-1 điện

tử mới (tương ứng với từng đó ion dương mới) trong suốt quá trình di chuyển trong khoảng cách d

Do dòng điện chạy trong chất khí tỉ lệ với số điện tích chạy trong một giây nên ta viết được :

x

o e I

Trong đó I0 là dòng điện ban đầu ở cathode

Phương trình trên chỉ mô tả một quá trình hình thành thác điện tử Trong khi số điện tử được tăng lên bởi quá trình Townsend thứ nhất α và di chuyển về phía anode, thì cùng lúc đó các ion dương sinh ra từ quá trình ion hóa do va chạm cũng di chuyển về phía cathode Nếu năng lượng của các ion này lớn hơn công thoát của điện tử ở cathode, khi ion dương đập vào cathode nó lại bứt ra một điện tử gọi là điện tử thứ cấp Điện tử thứ cấp này lại tạo lên một thác điện tử thứ cấp khác Gọi γ là hệ số ion hóa Townsend thứ hai hay hệ số Townsend thứ hai, γ được định nghĩa là số điện tử thứ cấp rời khỏi cathode khi có một ion dương đập vào cathode hay đơn giản hơn γ được định nghĩa là số điện tử thứ cấp rời cathode khi có một lần ion hóa va chạm xảy ra trong điện môi Độ lớn của γ phụ thuộc vào độ lớn của điện trường, áp suất và bản thân kim loại làm điện cực Ảnh hưởng của quá trình thứ cấp lên sự tăng của dòng điện được xét như sau Gọi ns là số

điện tử thứ cấp thoát khỏi cathode trong một giây, tổng số điện tử rời khỏi cathode trong một giây nt được tính là :

Biết rằng mỗi điện tử rời cathode gây ra eαd-1 va chạm để tạo ion hóa Như vậy số lần va chạm để gây ion hóa do tổng số nt điện tử rời khỏi cathode khi chúng di chuyển hết quãng đường d từ cathode sang anode sẽ là nt(eαd-1)

Theo định nghĩa về γ ở trên ta viết được:

)1

Hay là:

)1(1

1)1(eαd − =

Do α và γ đều phụ thuộc vào điện trường và áp suất nên ứng với mỗi giá trị của d

sẽ có một giá trị của điện trường E (hay điện áp V) thỏa mãn điều kiện Townsend Giá trị điện áp V thỏa mãn điều kiện Townsend được gọi là điện áp chọc thủng

Đối với những chất khí có độ âm điện lớn, hiện tượng trung hòa do nhập điện tử luôn diễn ra cùng lúc với các quá trình α và γ Vì thế phương trình về dòng điện của Townsend phải tính thêm đến hệ số nhập điện tử η Tương tự như α, η được định nghĩa là

số va chạm để tạo nên sự nhập điện tử do một điện tử chuyển động trên một đơn vị chiều dài theo chiều điện trường gây ra Khi đó dòng điện chạy trong mạch được viết lại thành :

) ( 0

d

d

e

e I

I

η α

η α

ηα

αγ

ηα

ηη

α

Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng lý thuyết Townsend chỉ giải thích được hiện tượng phóng điện trong chất khí ở áp suất thấp và khoảng cách giữa hai điện cực là nhỏ Nó chỉ đúng với điện trường đều và tích số Pd dưới 1000 torr.cm (1torr=1mmHg=1,36.10-3at) và

áp suất từ 0,01-300 torr Ở áp suất lớn hơn và tích số Pd lớn hơn ta phải dùng lý thuyết phóng điện streamer

Hình V.0: Biến thiên dòng điện theo điện áp đặt vào trong lý thuyết phóng điện Townsend (điện trường đều) Trong khoảng thời gian ban đầu T0 dòng điện tăng tuyến tính với điện áp đặt vào

và gần như không đổi ở giá trị I 01 (nửa đầu của khoảng T 1 ) Khi điện áp vượt quá trị một trị số V 2

nào đó dòng điện bắt đầu tăng nhanh chóng tương ứng với quá trình ion hóa do va chạm (nửa sau của T 1 ) Quá trình thứ cấp ứng với khoảng thời gian T 2 , và sau đó là phóng điện chọc thủng

2 Lý thuyết phóng điện streamer

Theo biểu thức Townsend thì sự tăng dòng điện chỉ phụ thuộc vào quá trình ion hóa Nhưng thực nghiệm đã chứng tỏ rằng điện áp phóng điện còn phụ thuộc vào áp suất khí và hình dạng của khoảng không giữa hai điện cực Thứ hai là theo cơ chế Townsend khoảng thời gian để hình thành phóng điện chọc thủng (hình thành các thác điện tử liên tiếp) là khoảng 10-5s nhưng thực nghiệm đã chứng minh rằng phóng điện có thể xảy ra ở khoảng thời gian ngắn hơn nhiều (cỡ khoảng 10-8s) Và cuối cùng là lý thuyết Townsend

dự đoán phóng điện có dạng khuyếch tán từ cathode sang anode theo sự di chuyển của các điện tử, nhưng trong thực tế ta hay gặp phóng điện có dạng hình nhánh hoặc zic-zag

Để giải thích những hạn chế của lý thuyết phóng điện Townsend, lý thuyết phóng điện streamer ra đời

Lý thuyết phóng điện streamer trong chất khí có hai phiên bản, streamer cực tính dương được phát triển bởi Loeb & Meek và streamer cực tính âm được phát triển bởi Raether Sự hình thành của streamer cực tính âm hay dương tùy vào điều kiện của thực nghiệm, chúng đều dẫn đến phóng điện chọc thủng trong chất khí và được tóm tắt như sau :

1 Sự hình thành của thác điện tử bởi một điện tử đầu tiên trong quá trình

Townsend (quá trình α)

2 Điện trường tăng cao mạnh mẽ ở phần đầu của thác điện tử do ảnh

hưởng của điện tích không gian (ion space charge)

3 Sự xuất hiện của quá trình ion hóa quang các phân tử khí ở khoảng

không gian đầu của thác điện tử (quá trình thứ cấp) Như đã nói ở trên, giả thiết ban đầu có một điện tử tồn tại trong điện môi và được gia tốc dưới điện trường để bay về anode Trên suốt quãng đường đi nó va chạm với các phân tử khí và tạo nên hiện tượng ion hóa do va chạm và hình thành lên một thác điện tử

Do điện tử có khối lượng nhẹ nên vận tốc lớn hơn nhiều vận tốc của ion dương (tỉ lệ vận tốc trung bình giữa điện tử và ion vào khoảng 102), khi đó thác điện tử có phần đầu là các điện tử nhẹ di chuyển về phía anode, còn phần đuôi của thác là các ion dương nặng di chuyển về phía cathode

a Mô hình Loeb & Meek

Khi thác điện tử phát triển hết khoảng cách giữa hai điện cực, các điện tử sẽ bị quét sạch ở anode còn các ion dương vẫn tiếp tục di chuyển về cathode tạo thành một hình nón dọc theo khoảng cách điện cực như hình V.1-a Khu vực đuôi nón phía anode có mật độ ion (điện tích không gian) rất lớn vì thế số photon phát ra từ khu vực này cũng lớn, hậu quả là môi trường khí xung quanh khu vực này dễ bị ion hóa quang để tạo ra các điện tử mới và các ion dương mới Các điện tử mới và ion mới này lại tiếp tục tạo ra một thác điện tử phụ như hình V.1-b , thác điện tử phụ này được định hướng cả bởi điện trường của điện trường ngoài và điện trường của điện tích không gian Như thế sự nhân rộng của các thác điện tử phụ sẽ được phát triển dọc theo trục của thác điện tử chính Các ion dương bị bỏ lại sau các thác điện tử phụ này lại tiếp tục tăng cường và kéo dài cho thác chính để cuối cùng hình thành một kênh dẫn bao gồm các loại ion (- và +) nối giữa hai bản cực (streamer) như hình V.1-c Điều kiện để một thác điện tử phát triển thành một streamer là điện trường tạo bởi các ion dương ở đầu thác Er xấp xỉ điện trường ngoài Hay chính là điều kiện để xảy ra phóng điện chọc thủng trong chất khí

Hinh V.1: Streamer cực tính dương, phát triển về phía cathode do Meek & Loeb đề xuất Các giai đoạn: a- Thác điện tử đầu tiên phát triển hết khoảng cách giữa các điện cực; b- Streamer được phát triển từ anode; c- streamer phát triển hết khoảng cách điện cực (phóng điện chọc thủng)

b Mô hình Raether

Như vậy ở mô hình Loeb&Meek đề cập ở trên, các điện tử bị quét sạch ở anode

và streamer được xuất phát từ sự tăng của điện trường tạo bởi điện tích không gian dương Trong mô hình Raether streamer xuất phát ngay từ lần xuất hiện thác điện tử chính và chính sự tăng của điện trường tạo bởi điện tích không gian âm (điện tử đầu thác)

đã gây nên streamer Trong quá trình bay về anode các điện tử linh động tập trung ở đầu thác như hình V.3 còn các ion dương chậm sẽ bay phía sau Như vậy điện trường do điện tích không gian của thác điện tử sẽ được tạo ra Trong khoảng không gian giữa anode và đầu thác, điện trường tổng hợp giữa điện trường ngoài (hướng từ anode sang cathode) và điện trường(có hướng từ anode đến phần đầu thác) sẽ được tăng cường Tương tự như thế

điện trường tổng hợp ở phần đuôi thác cũng được tăng cường Trái lại điện trường giữa phần đầu thác là điện tử với phần đuôi thác là ion dương có hướng ngược với hướng của điện trường ngoài nên điện trường tổng cộng trong vùng đó bị giảm Hình V.2 mô tả sự biến dạng của điện trường khi xuất hiện thác điện tử

Hình V.2: Sự biến dạng của điện trường khi xuất hiện điện tích không gian

Hình V.3: Streamer cực tính dương, phát triển về phía anode do Raether đề xuất

Điện trường tăng theo số điện tích không gian, do đó nó tỉ lệ với αx Khi αx đạt tới trị số tới hạn khoảng 18-20 (tương ứng với số điện tử 106-108) thì điện trường tạo bởi điện tích không gian ở phần đầu thác có trị số tương đương với trị số của điện trường ngoài E0 Do đó các phân tử khí ở phần đầu thác bị kích thích và ion hóa mãnh liệt Tuy nhiên các phân tử bị kích thích lại ngay lập tức trở về trạng thái bình thường đồng thời phát ra photon Tiếp theo các photon này lại gây ra các quá trình ion hóa quang và tạo ra các điện tử thứ cấp ở đầu thác sơ cấp Vì thế nó tạo lên các thác điện tử phụ đồng thời các thác điện tử phụ di chuyển không theo hướng điện trường ban đầu nữa do điện trường của các điện tích không gian đã làm biến dạng hướng điện trường ngoài Các thác điện tử phụ này lại tiếp tục tạo ra các photon mới và quá trình ion hóa quang lại tiếp tục diễn ra theo nhiều hướng khác nhau và các thác điện tử thế hệ thứ ba này có thể xuất hiện đồng thời Các ion dương bị bỏ lại sau các thác điện tử phụ này sẽ tăng cường độ lớn và làm tăng

chiều dài điện tích không gian gây bởi thác điện tử ban đầu còn các điện tử mới tạo ra lại

bị hấp thụ và nhập vào điện tích không gian ban đầu Như vậy điện tích không gian này

sẽ được phát triển dần dần từ anode sang cathode và tạo thành một kênh plasma giữa các điện cực và kết quả là tạo nên phóng điện chọc thủng Kênh điện tích này được gọi là streamer Do photon lan truyền với vận tốc ánh sáng nên các thác điện tử thứ cấp được phát triển gần như ngay lập tức cùng với thác điện tử sơ cấp Kết quả là ta quan sát thấy phóng điện phát triển đồng thời theo nhiều nhánh hoặc đường zig-zag và sau đó nhanh chóng phát triển thành kênh plasma nối liền hai điện cực để tạo thành phóng điện chọc thủng

c Tổng kết

Như vậy khác với lý thuyết của Townsend về sự hình thành liên tiếp các thác điện

tử phát triển từ cathode để tạo nên phóng điện chọc thủng trong điện môi khí, lý thuyết streamer cho rằng phóng điện chọc thủng được phát triển từ một thác điện tử duy nhất và sau đó tự nó phát triển thành kênh dẫn nối giữa hai điện cực Trong khi lý thuyết Townsend yêu cầu điều kiện 1γeαd ≥ phải thỏa mãn, nghĩa là γn c ≥1trong đó nc là số điện tử ở đầu thác Ta dễ dàng rút ra kết luận rằng cơ chế streamer chỉ xảy ra khi nc≤1/γ Như vậy mỗi cơ chế phóng điện xảy ra đối với một trị số α, γ và d khác nhau do đó khi ta thay đổi các tham số này (nghĩa là thay đổi áp suất, điện trường, khoảng cách điện cực và tình trạng bề mặt điện cực) cơ chế phóng điện sẽ chuyển từ Townsend sang streamer hoặc ngược lại Cơ chế streamer được sử dụng rộng rãi để giải thích hiện tượng phóng điện trong điện trường không đồng nhất ví dụ điện trường giữa hai điện cực mũi nhọn -cực bản hay mũi nhọn -mũi nhọn

3 Định luật Paschen

Hai hệ số Townsend 1 và 2 đều phụ thuộc vào điện trường và áp suất, nên ta có thể viết:

)(

1

p

E pf

=

và:

)(

2

p

E f

=

Do ta đang xét ở điện trường đều nên E=V/d

Vì vậy tiêu chuẩn Townsend (công thức V.16) có thể được viết dưới dạng:

cách giữa các điện cực ảnh hưởng đến trị số của điện áp chọc thủng V Phương trình này

có thể được viết dưới dạng chung:

Đây là phương trình do Paschen thiết lập sau khi đo điện áp phóng điện của

không khí, CO2 và hydro hay còn gọi là định luật Paschen Nó là một trong những định

luật quan trọng nhất trong ngành kỹ thuật điện cao áp Hình V.4 miêu tả hình dáng cơ bản

của đường cong quan hệ giữa điện áp phóng điện và tích pd, trường hợp này được thiết

lập cho không khí

Hình V.4 : Dạng cơ bản của đường cong Paschen

Hình dáng của đường cong Paschen đường giải thích như sau: Coi khoảng cách

giữa các điện cực d là không đổi, và áp suất tăng từ điểm ứng với trị số Vmin về phía bên

phải của đồ thị Khi đó mật độ các phân tử khí tăng, do đó các điện tử trên đường bay về

anode va chạm với rất nhiều các phân tử khí nên để tạo nên ion hóa Tuy nhiên do mật độ

khí cao nên quãng đường di chuyển ngắn vì vậy năng lượng tích lũy trong điện trường

trước khi va chạm nhỏ Vì thế để có phóng điện chọc thủng cần gia tăng điện áp đặt vào

Đối với nhánh bên trái của đồ thị, mật độ các phân tử khí nhỏ do đó quãng đường giữa

hai va chạm lớn Tuy nhiên vì mật độ không khí nhỏ nên xác suất va chạm để ion hóa các

phân tử khí thấp vì vậy để có phóng điện xảy ra cũng cần thiết phải tăng trị số điện áp đặt

vào Giá trị điện áp phóng điện nhỏ nhất của một số chất khí được cho trên bảng V.2

Bảng V.2: Giá trị điện áp phóng điện nhỏ nhất đối với một số chất khí

Tuy nhiên định luật Paschen không chuẩn đối với một số khí, người ta thấy rằng

trị số điện áp phóng điện đối với hai khoảng cách điện cực khác nhau nhưng với tích số

pd giống nhau thì khác nhau Cụ thể là đối với khoảng cách điện cực lớn hơn trị số điện

áp phóng điện cũng lớn hơn Điều này được giải thích là do sự mất mát điện tử trong

khoảng không giữa hai điện cực do hiện tượng khuyếch tán

Ngoài ra, do áp suất của khí phụ thuộc vào nhiệt độ theo phương trình khí lý

tưởng pV=NRT (V là thể tích, T là nhiệt độ, N là mật độ khí và R là hằng số) nên điện áp

phóng điện trong định luật Paschen cũng phụ thuộc vào nhiệt độ Theo kết quả thực

nghiệm, người ta đã rút ra quan hệ giữa điện áp phóng điện và tích số pd của không khí

như sau:

T

pd T

pd

760

293.22,

Ở đây p được biểu diễn theo mmHg hoặc torr

Ở áp suất khí quyển (760 torr) và nhiệt độ 2930K (230C) Ta có trị số cường độ

điện trường phóng điện E được tính viết như sau:

d d

V

E= =24,22.+6,08 (kV/cm) (V.25) Phương trình này cho thấy đối với khoảng cách điện cực d rất lớn, E đạt trị số giới

hạn là 24kV/cm và ở khoảng cách d=1cm thì điện trường phóng điện là 30kV/cm Đây

chính là cường độ điện trường phóng điện của không khí ở nhiệt độ phòng và áp suất khí

Trong điện trường đồng nhất hoặc gần đồng nhất khi ta tăng dần điện áp đặt lên hai điện cực thì hiện tượng phóng điện chọc thủng sẽ diễn ra ngay sau khi có hiện tượng ion hóa Trái lại, trong điện trường không đồng nhất khi ta tăng điện áp thì hiện tượng phóng điện do sự hình thành của các thác điện tử xuất hiện trước tiên ở những điểm có cường độ điện trường lớn nhất (hay còn gọi là phóng điện cục bộ- partial discharge) Tuy nhiên, thác điện tử không thể phát triển để nối liền hai điện cực được do điện trường ở khu vực xa hơn bị yếu đi, do đó hiện tượng phóng điện chọc thủng không thể xảy ra ngay lập tức Hiện tượng phóng điện này khi xảy ra trong các điện môi khí (không khí hoặc các loại khí khác) và dưới điện trường không đồng nhất được gọi là hiện tượng phóng điện vầng quang Phóng điện vầng quang thường được quan sát thấy bằng sự xuất hiện những đốm sáng và tiếng nổ nhỏ đồng thời vùng không khí bao quanh điện cực bị oxy hóa thành ozone Vầng quang gây nên tổn thất đáng kể trên đường dây tải điện và là nguyên nhân gây nên sự suy giảm cách điện

a Điện trường hình thành hồ quang

Điện trường hình thành hồ quang là điện trường cực đại trên bề mặt điện cực (hay dây dẫn) khi đó xuất hiện hồ quang Đối với tần số công nghiệp, điện trường hình thành

hồ quang được xác định như sau:

- Đối với dây dẫn trên không, điện trường hình thành hồ quang được cho

bởi công thức:

)/)(

301,01(

r D D

m E

tđ tđ

s

Ở đây r là bán kính dây dẫn, ms là hệ số nhẵn bề mặt (ms=1 với dây dẫn nhẵn, m<1 nếu bề mặt dây dẫn nhám) còn Dtđ là mật độ không khí tương đối xác định bởi công thức:

r

H r E

Trong đó H là độ cao của dây dẫn đối với đất

- Đối với điện môi khí nằm trong tụ điện hình trụ có bán kính trong và ngoài lần lượt là r1 và r2 , giá trị của Evq và Uvq được xác định như sau

)/)(

308,01( 31

1

cm kV r D D

m E

tđ tđ

s

)ln(

1

2 1

r

r r E

Khi vầng quang xuất hiện, điện trường bị biến dạng bởi sự xuất hiện của điện tích không gian Sự phụ thuộc của điện áp phóng điện vào dạng điện cực trở nên phức tạp hơn nhiều so với sự phụ thuộc của điện áp xuất hiện vầng quang Ngoài ra cực tính của điện

áp gây ra vầng quang quyết định màu sắc và cách phân bố của chúng trên đường dây Khi điện áp dương, vầng quang xuất hiện dưới dạng quầng ánh sáng trắng nhạt bao toàn bộ xung quanh dây dẫn Dưới điện áp âm, vầng quang xuất hiện như những đốm nhỏ màu đỏ trải đều dọc dây dẫn, số đốm vầng quang tăng với cường độ dòng điện Vì những lý do trên, trước khi xét đến ảnh hưởng của vầng quang lên phóng điện chọc thủng của điện môi khí trong điện trường không đồng nhất ta xét riêng từng loại vầng quang cực tính khác nhau Dưới đây ta xét hai loại vầng quang âm và vầng quang dương ở điện trường không đồng nhất tạo bởi hệ điện cực: mũi nhọn-cực bản

A1 Vầng quang dương

Điện trường được tăng cường ở những vùng có bán kính cong nhỏ, vì vậy trong

hệ điện cực mũi nhọn- cực bản thì điện trường có giá trị rất lớn ở khoảng không gần mũi nhọn Vầng quang dương được tạo ra khi cực tính mũi nhọn dương còn cực bản dương hoặc nối đất Do điện trường tăng cao ở khu vực mũi nhọn nên xảy ra quá trình ion hóa

do va chạm Các điện tử sẽ nhanh chóng bị hút về phía mũi nhọn và bị trung hòa ở đó, còn các ion dương bị bỏ lại và tạo nên một đám điện tích không gian gần bản cực dương Điện tích không gian giống như kéo dài điện cực dương nhưng lại làm giảm điện trường

ở khu vực mũi nhọn Nếu trị số điện trường ở khu vực mũi nhọn và điện trường tạo bởi điện tích không gian nhỏ hơn trị số xảy ra ion hóa thì quá trình phóng điện sẽ ngừng lại Trong một vài trường hợp đặc biệt, điện trường tạo bởi điện tích không gian có thể tạo ra một số streamer phát triển theo hướng tiếp tuyến với anode, các streamer này tạo thành một dòng điện xung chạy trong mạch ngoài gọi là vầng quang vỡ tung hay xung streamer

vỡ tung (burst corona or burst pulse streamer) Vì thế toàn bộ quá trình đến khi xuất hiện vầng quang vỡ tung còn được gọi là streamer khởi đầu (onset streamer) Các xung streamer này có thời gian tăng lớn (slow rise time) và cường độ nhỏ Để vầng quang tiếp tục ở trị số điện áp ban đầu thì phải chờ đến thời điểm tất cả các ion dương bị trung hòa hết ở cực bản Trường hợp vẫn tồn tại điện tích không gian dương ở gần anode, muốn vầng quang hình thành ta phải tiếp tục tăng điện áp Khi đó số lượng streamer được hình thành rất lớn, chúng xếp chồng trong không gian và thời gian nên dòng điện chạy trong mạch ngoài gần như ổn định Vầng quang ở chế độ này được gọi là vầng quang phát sáng (glow corona) Nếu ta tiếp tục tăng điện áp dòng điện tiếp tục tăng và các streamer sẽ phát triển giữa hai điện cực cho đến khi xảy ra phóng điện chọc thủng

A2 Vầng quang âm

Trong trường hợp này mũi nhọn mang cực tính âm, điện tích không gian dương cũng sẽ hình thành ở vùng xung quanh mũi nhọn và làm tăng điện trường ở khu vực này Các điện tử di chuyển về phía anode, nếu điện môi khí không có khả năng tạo nên các ion

âm bằng cách nhập thêm điện tử thì quá trình phóng điện chọc thủng sẽ diễn ra ngay lập tức Quá trình phóng điện vầng quang trong trường hợp này không thể xảy ra do các ion dương ngày càng di chuyển nhiều về phía mũi nhọn và tiếp tục làm tăng điện trường ở khu vực này Tuy nhiên đa số các chất khí sử dụng trong kỹ thuật điện đều có khả năng hút điện tử để tạo nên các ion âm, đặc biệt là không khí Vì thế khi điện tử đi vào khu vực điện trường yếu gần anode chúng kết hợp với các phân tử khí để tạo nên các ion âm Các ion này tạo thành một lớp điện tích không gian âm và di chuyển chậm chạp khỏi cathode Lớp điện tích không gian âm này cùng với lớp điện tích không gian dương ở khu vực gần mũi nhọn tạo nên một điện trường ngược hướng với điện trường ngoài, do đó giảm điện trường tổng hợp ở khu vực gần mũi nhọn xuống dưới giá trị để xảy ra ion hóa do va chạm Sau khi các điện tích âm và điện tích dương bị trung hòa hết, quá trình ion hóa lại diễn ra như ban đầu Kết quả là hình thành một dòng điện xung với độ rộng khoảng 10ns chạy trong mạch ngoài Khi tăng điện áp thì tần số xuất hiện xung tăng lên nhưng độ lớn lại giảm xuống Các xung này lần đầu tiên được quan sát bởi Trichel vào năm 1938 nên thường được gọi là xung Trichel Nếu ta tiếp tục tăng điện áp đến mức mà điện trường gây bởi các điện tích không gian không thể giảm điện trường xung quanh mũi nhọn xuống dưới trị số xảy ra ion hóa, phóng điện sẽ xảy ra liên tục đồng thời dòng điện chạy trong mạch ngoài cũng có dạng liên tục hay còn gọi là vầng quang phát sáng (chú ý vầng quang phát sáng này ứng với mũi nhọn mang cực tính âm) Khi tiếp tục tăng điện áp thì

sẽ xuất hiện các streamer và cuối cùng là phóng điện chọc thủng sẽ diễn ra

Hình V.5: Sự hình thành vầng quang trên toàn bộ chu kỳ của điện áp xoay chiều

b.Vầng quang của điện áp xoay chiều và tổn hao do vầng quang trên đường dây tải điện xoay chiều

Sự khác nhau cơ bản giữa vầng quang một chiều và vầng quang xoay chiều là ảnh hưởng của hướng điện trường lên các điện tích không gian sau mỗi nửa chu kỳ Các điện tích không gian còn dư trong nửa chu kỳ âm có thể ảnh hưởng lên điện áp hình thành vầng quang ở nửa chu kỳ dương và ngược lại Vì thế trong nửa chu kỳ dương vầng quang

vỡ tung có thể xuất hiện ở điện áp rất nhỏ (nhỏ hơn nhiều điện áp xuất hiện của loại vầng quang này ở điện trường một chiều) Nói chung ta có thể coi vầng quang dưới điện áp xoay chiều xuất hiện lần lượt như trên hình vẽ V.5

Công thức thực nghiệm về tính tổn hao vầng quang lần đầu tiên do Peek thiết lập đầu thế kỷ 20 ngày nay ít được dùng do sai số khi áp dụng với đường dây điện áp cao Ngày nay người ta thường dùng công thức Peterson để tính tổn hao do vầng quang:

5 2

)/(

73,3

fV r D

K

Trong đó f là tần số, V là điện áp dây, D là khoảng cách giữa các dây pha và r bán kính của dây K là hằng số phụ thuộc vào tỉ số giữa điện áp làm việc V (điện áp dây) và điện áp hình thành vầng quang V0 (xem hình V.6)

Hình V.6: Hệ số K theo tỉ lệ điện áp làm việc V (điện áp dây) và điện áp xuất hiện vầng quang V0

dùng trong công thức Peterson

Trong điều kiện thời tiết đẹp, tổn hao do vầng quang trên dây dẫn là không đáng

kể Đối với đường dây 500kV công suất do tổn hao vầng quang nằm trong khoảng từ 1,7kW/pha/km, còn đối với đường dây 700kV giá trị này là từ 0,7 đến 17kW/pha/km Các điều kiện thời tiết như nhiệt độ không khí, áp suất, mưa, tuyết và bụi bẩn ảnh hưởng mạnh đến tổn hao vầng quang Trong khi nhiệt độ và áp suất của không khí ảnh hưởng lên điện áp hình thành hồ quang thì các yểu tố còn lại làm tăng điện trường xung quanh

0,3-dây dẫn Mưa có thể làm tăng tổn hao do vầng quang đến hơn 10 lần so với điều kiện thời tiết đẹp

Để giảm tổn hao do vầng quan trên đường dây truyền tải, người ta dùng dây phân pha thay vì dùng một dây dẫn duy nhất Khi đó giá trị bán kính r phải được thay bằng giá trị rtđ của toàn bộ các dây phân pha Khoảng cách giữa các dây phân pha được tính toán sao cho tổn hao vầng quang là nhỏ nhất

c Các ứng dụng của vầng quang

Ngoài những hậu quả xấu như tổn hao trên đường dây tải điện, gây nhiễu cho các thiết bị radio và TV Vầng quang cũng có vai trò tích cực trong việc giảm biên độ của sóng sét trên đường dây tải điện Ngoài ra hiệu ứng vầng quang còn sử dụng trong nhiều ứng dụng trong thực tế như trong máy phát điện Van de Graff, thiết bị hút tĩnh điện (electrostatic precipitator), in tĩnh điện (electrostatic printing), phủ tĩnh điện (electrostatic deposition), sản xuất ozone, đếm số ion hóa…Sau đây ta đề cập một số ứng dụng thường gặp:

1 Máy phát điện Van de Graaff

2 Thiết bị hút tĩnh điện

3 Máy photocopy

2 Phóng điện chọc thủng trong điện trường không đồng nhất

Trong thực tế ta không thể thực hiện được một hệ điện cực với phân bố điện trường đồng nhất Điện trường luôn luôn có dạng không đồng nhất hoặc gần đồng nhất

Để đặc trưng cho khả năng đồng nhất của điện trường người ta đưa ra hệ số đồng nhất K với:

a Phóng điện chọc thủng ở điện áp một chiều

Trong điện trường không đồng nhất, các hệ số α và γ không còn là hằng số nữa Chúng phụ thuộc vào điện trường do đó nhận các giá trị khác nhau ở từng vị trí khác nhau so với bản cực Khi vầng quang xuất hiện tại một vị trí nào đó, điện trường ở khu

vực này sẽ bị biến dạng do sự xuất hiện của các điện tích không gian Do vậy trị số điện

áp phóng điện chọc thủng phụ thuộc rất lớn vào sự xuất hiện của vầng quang và quá trình phóng điện chọc thủng diễn biến rất phức tạp Sự phụ thuộc của điện áp phóng điện vào dạng điện cực phức tạp hơn nhiều so với điện áp hình thành vầng quang vào dạng điện cực Khi điện trường được tăng cường ở điện cực có cực tính dương (ví dụ trường hợp mũi nhọn dương), các điện tích không gian sẽ đóng vai trò như kéo dài điện cực dương Trường hợp ngược lại khi điện cực có cực tính âm (mũi nhọn âm), điện tích không gian đóng vai trò như một màn chắn để giảm điện trường ở khu vực trường được tăng cường

Do đó điện áp chọc thủng với khu vực trường tăng cường mang cực tính âm cao hơn so với trường hợp cực tính dương, vì thế trong thực tế ta cần quan tâm nhiều hơn đến phóng điện chọc thủng với trường hợp cực tính dương Hình V.7 mô tả sự phụ thuộc của điện áp phóng điện vào khoảng cách giữa hai điện cực và bán kính của điện cực cầu trong hệ điện cực cầu-mặt phẳng Đường đặc tính được chia làm ba vùng chính:

- Vùng I: Ở khoảng cách điện cực bé, điện trường gần như đồng nhất và

điện áp phóng điện phụ thuộc chủ yếu vào khoảng cách điện cực

- Vùng II: Khi khoảng cách giữa hai điện cực tăng, phân bố điện trường

trở lên không đồng nhất Điện áp phóng điện tăng theo khoảng cách điện cực và bán đường kính hình cầu Ảnh hưởng của đường kính hình cầu càng lớn khi khoảng cách điện cực càng tăng

- Vùng III: Khi khoảng cách điện cực lớn hơn hai lần bán kính hình cầu,

phóng điện vầng quang sẽ xuất hiện trước khi xảy ra phóng điện chọc thủng Điện áp hình thành vầng quang phụ thuộc vào điện trường cực đại

ở khu vực gần hình cầu, do đó Vvq tăng theo đường kính hình cầu Còn điện áp chọc thủng chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai bản cực

Hình V.7: Đường đặc tính giữa điện áp choc thủng, điện áp hình thành vầng quang trong hệ điện cực cầu- mặt phẳng trong đó khoảng cách giữa các điện cực và bán kính cầu thay đổi

b Phóng điện chọc thủng ở điện trường xoay chiều

Do quá trình xảy ra phóng điện chọc thủng chỉ diễn ra sau khoảng thời gian từ 10

-6 đến 10-8 s, rất nhỏ so với một chu kỳ tần số công nghiệp (0,02s) nên cơ chế phóng điện chọc thủng ở điện trường xoay chiều gần giống với điện áp một chiều Sự khác nhau lớn nhất của phóng điện chọc thủng trong hai trường hợp này là các điện tích không gian bị định hướng lại sau mỗi nửa chu kỳ Nếu biên độ của điện áp xoay chiều đủ lớn để các hiện tượng phóng điện xảy ra tại giá trị đỉnh của điện áp, các thác điện tử cũng được hình thành giống như ở điện áp một chiều Các điện tích không gian có đủ thời gian để trung hòa hết ở điện cực trước khi điện áp đổi cực tính nếu khoảng cách giữa các điện cực nhỏ hơn giá trị dmax=1m Trong hệ thống truyền tải điện khoảng cách này thường lớn hơn nhiều 1m nên có hiện tượng các ion kết hợp với nhau để trở thành phân tử trung tính sau mỗi nửa chu kỳ

V.1.6 PHÓNG ĐIỆN CHỌC THỦNG CỦA CHẤT KHÍ Ở ĐIỆN ÁP XUNG

Trong hệ thống điện, điện áp xung xuất hiện do sóng sét hoặc do quá điện áp do đóng cắt (quá điện áp thao tác) Các quá trình dẫn tới phóng điện chọc thủng dưới điện áp xung rất khác so với điện áp một chiều hoặc xoay chiều Thật vậy, khi ta đặt một điện áp lớn hơn hoặc bằng điện áp phóng điện chọc thủng của chất khí Vs lên hai điện cực tại thời điểm t=0, để phóng điện chọc thủng xảy ra cần phải thỏa mãn hai điều kiện Thứ nhất là thời gian đặt điện áp phải đủ dài và thứ hai là phải tồn tại ít nhật một điện tử trong khoảng không giữa hai điện cực để gây lên thác điện tử Trong trường hợp điện trường một chiều hay điện trường xoay chiều, dễ dàng xuất hiện một điện tử tự do trong khoảng giữa hai điện cực từ những nguồn tự nhiên như : tia vũ trụ hay điện tử được tách ra từ các ion âm Với điện trường xung diễn ra trong thời gian ngắn, các nguồn tự nhiên không đủ

để sinh ra điện tử đầu tiên cho quá trình thác điện tử nên xác suất tồn tại điện tử tự do trong khoảng thời gian này thấp Nếu một trong hai điều kiện để xảy ra phóng điện chọc thủng kể trên không thỏa mãn, phóng điện chọc thủng vẫn diễn ra nhưng sau một khoảng thời gian trễ t, t là tổng hợp của ba thành phần :

1 Thời gian để t0 điện áp đạt giá trị điện áp ngưỡng Vs

2 Thời gian trễ thống kê ts : thời gian tính từ lực điện áp đạt giá trị ngưỡng cho đến khi xuất hiện điện tử tự do đầu tiên Khoảng thời gian này khác nhau đối với các thực nghiệm khác nhau, vì vậy nó mang tính thống kê

3 Thời gian hình thành tf : khoảng thời gian từ lúc xuất hiện điện tử đầu tiên cho đến khi phóng điện chọc thủng tạo dòng điện nối liền hai điện cực

Hình V.8: Biểu diễn các thành phần của thời gian trễ

Nếu thời gian t0 có thể xác định theo dạng xung chuẩn của mỗi loại điện áp xung thì ts và tf lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau Dưới đây ta đi sâu vào xét ts và tf

1 Thời gian trễ thống kê

Thời gian chậm trễ thống kê phụ thuộc vào tình trạng ion hóa của chất khí trước khi đặt điện áp, vật liệu làm điện cực, tình trạng bề mặt điện cực, áp suất của khí…Ở áp suất khí quyển thời gian chậm trễ thống kê vào khoảng 10-7s Tuy nhiên cần chú ý rằng không phải hễ cứ có điện tử tự do xuất hiện trong khoảng không giữa hai bản cực là có thể gây lên thác điện tử và sau đó là phóng điện chọc thủng, vì thế thời gian trễ thống kê chỉ có ý nghĩa nếu điện tử tự do đó gây nên phóng điện chọc thủng Ta lấy ví dụ với hệ điện cực mũi nhọn – cực phẳng với mũi nhọn mang cực tính dương: nếu điện tử tự do được sinh ra ở khoảng cách rất gần điện cực dương, khoảng cách di chuyển từ điểm đó đến điện cực quá gần nên số va chạm gây ra không đủ lớn để tạo lên thác điện tử để có thể phát triển theo cơ chế streamer (108 điện tử) Còn nếu điện tử được sinh ra ở khoảng cách quá xa điện cực dương, điện trường nơi đó quá thấp nên không thể gia tốc được cho

nó để gây ra quá trình ion hóa do va chạm Vì thế người ta định nghĩa phần thể tích trong

không gian giữa hai điện cực, được giới hạn bởi hai điều kiện trên, là thể tích tới hạn

Mọi điện tử tự do được sinh ra nằm ngoài thể tích tới hạn này đều không thể gây ra hiện tượng phóng điện chọc thủng Vì vậy để tăng thể tích tới hạn ta phải tăng điện áp đặt vào

1

P P

Nếu trong khoảng thời gian t không xuất hiện phóng điện chọc thủng, thì xác suất xuất hiện phóng điện chọc thủng ở khoảng thời gian dt tiếp theo là βP1P2dt Gọi n0 là số lần đặt vào điện áp mà chưa có điện tử tự do xuất hiện còn nt là số lần xuất hiện phóng điện chọc thủng với thời gian trễ thống kê lớn hơn t Số lần phóng điện chọc thủng ở khoảng thời gian dt tiếp theo sẽ được tính theo công thức:

ndt P P

dn

0 2 1

n /τ0

−

Phương trình này gọi là phương trình Laue, τtb còn được gọi là thời gian trễ thống

kê trung bình Thời gian này giảm nếu thể tích tới hạn lớn và điện trường cao, thông thường nó nhận giá trị cỡ độ vài μs

2 Thời gian hình thành

Thời gian hình thành được tính từ khi điện tử tự do đầu tiên xuất hiện, điện tử này

sẽ gây ra ion hóa do va chạm để tạo lên thác điện tử Tiếp sau đó là các quá trình hình thành thác điện tử thứ cấp hoặc streamer và cuối cùng là hình thành dòng plasma nối liền hai điện cực để có phóng điện chọc thủng Thời gian hình thành phụ thuộc vào nhiều yếu

tố như điện áp đặt vào, áp suất khí, dạng điện cực, vật liệu làm điện cực và tình trạng bề mặt điện cực Thực nghiệm thực hiện trong không khí chứng tỏ rằng ở điện áp xung yếu,

cơ chế phóng điện luôn là Townsend với thời gian hình thành cỡ vài μs Ở điện áp xung lớn, cơ chế phóng điện streamer diễn ra với thời gian hình thành rất bé

3 Đặc tính vôn giây của điện áp xung- phối hợp cách điện

Do tính chất thống kê của ts nên thời gian trễ t cũng có tính thống kê, không phải mọi điện áp xung có biên độ Vp lớn hơn Vs đặt vào là sẽ xảy ra phóng điện chọc thủng Khoảng thời gian tồn tại điện áp như vậy phải lớn hơn thời gian trễ, vì thế phóng điện chọc thủng cũng xảy ra theo xác suất Người ta định nghĩa V100% là biên độ mà mỗi khi

có điện áp xung với biện độ lớn hơn hoặc bằng biên độ này đặt vào đều xảy ra phóng điện, trị số điện áp này rất quan trọng và được gọi là “mức bảo vệ” (protective level)

V50% là trị số biên độ của điện áp mà một nửa số lần đặt vào sẽ xảy ra phóng điện V0% là biên độ điện áp xung lớn nhất đặt vào mà không xảy ra phóng điện, nó còn được gọi là mức điện áp xung chịu đựng (impulse withstand level), nó rất quan trọng trong thiết kế thiết bị

Như vậy ứng với một điện áp có biên độ lớn hơn Vs đặt vào khe hở giữa hai điện cực, thời gian để nó tạo thành phóng điện chọc thủng phụ thuộc vào tốc độ tăng điện áp cũng như hình dạng điện cực Do đó ứng với mỗi một hình dạng điện cực ta có thể xây dựng được đường đặc tính điện áp –thời gian bằng cách đặt lên một xung chuẩn nhưng có trị số cực đại khác nhau (hình V.9) rồi ghi lại trị số điện áp xảy ra phóng điện và thời gian trễ

Hình V.9: Đường đặc tính vôn- giây của điện áp xung

Đặc tính vôn-giây là tính chất quan trọng của thiết bị trong việc bảo vệ chống quá điện áp và phối hợp bảo vệ cách điện Theo phương pháp cổ điển, để bảo vệ chống quá điện áp, đường đặc tính vôn- giây của thiết bị bảo vệ phải nằm dưới đường đặc tính vôn giây của thiết bị được bảo vệ (Hình V.10) Độ lệch giữa hai đường được gọi là dự trữ an toàn của thiết bị (safety margin)

Hình V.10: Phối hợp bảo vệ cho thiết bị theo phương pháp dùng đường đặc tính vôn-giây

Ngày nay để phối hợp bảo vệ cách điện người ta dùng phương pháp thống kê các trị số của điện trường đặt vào (electrical stress) và trị số điện trường chịu đựng của cách

điện (electrical strength) Phương pháp này đòi hỏi những hiểu biết về hàm phân bố dự báo (distribution of anticipated stress and strength) của cả trị số điện trường đặt vào và trị

số điện trường chịu đựng Tính chất thống kê của quá điện áp (đặc biệt là quá điện áp thao tác) đòi hỏi phải tính toán một số lượng lớn các lần quá điện áp nhằm xác định trị số quá điện áp với một độ tin cậy cho phép (Chi tiết của phương pháp này sẽ được trình bày trong giáo trình Kỹ thuật điện cao áp)

Hình V.11: Phối hợp bảo vệ cách điện bằng phương pháp hàm phân bố xác suất

V.2 ĐIỆN MÔI CHÂN KHÔNG

Chân không là hệ có mật độ các phân tử khí rất thấp, do đó có áp suất rất bé so với áp suất khí quyển Tùy theo áp suất, người ta có thể chia chân không ra làm ba loại khác nhau :

- Chân không cao : Áp suất dao động từ 10-3-10-6 Torr (Chú ý rằng áp suất

khí quyển là 756 Torr)

- Chân không rất cao : Áp suất có trị số từ 10-6-10-8 Torr

- Chân không cực cao : Áp suất dưới 10-9

Trong kỹ thuật điện chân không được dùng thường nằm trong khoảng từ 10-3-10-6 Torr

Theo lý thuyết Townsend, thác điện tử- điều kiện cần để hình thành phóng điện chọc thủng được hình thành do sự va chạm của điện tử với các phân tử khí Trong chân không cao (dưới 10-4 Torr), mật độ phân tử khí thấp cỡ khoảng dưới 3.1012/cm3 và đoạn đường tự do của điện tử có thể đạt tới hàng mét Vì thế điện tử dễ dàng chuyển động hết khoảng cách giữa hai điện cực (ví dụ khoảng cách là 1cm) mà không va chạm với bất kỳ phân tử khí nào Do vậy thác điện tử không thể hình thành và như vậy chân không có thể

được coi là một loại chất điện môi lý tưởng Trong thực tế do sự có mặt của điện cực kim loại và các loại khí khác làm cho chân không bị ô nhiễm Kết quả là chân không có một ngưỡng phóng điện, mà nếu điện trường vượt qua ngưỡng này thì nó có thể bứt các điện

tử ra khỏi điện cực hoặc ra khỏi các chất khí ô nhiễm, và gây nên phóng điện chọc thủng Mặc dù vậy, cường độ điện trường đánh thủng của chân không vẫn cao hơn rất nhiều phần lớn các điện môi khí khác Vì thế cùng với khí SF6, chân không là một trong hai chất khí được dùng trong hầu hết các máy cắt cao áp của hệ thống điện

Do hiện tượng phóng điện chọc thủng diễn ra sau khi có dòng điện dẫn ban đầu nối giữa hai điện cực Các quá trình hình thành dòng điện dẫn này gọi là hiện tượng tiền phóng điện chọc thủng (pre-breakdown) Hiểu biết sâu về các quá trình này giúp ta biết được bản chất của quá trình phóng điện Trong phần tiếp theo ta sẽ đi sâu vào nghiên cứu các quá trình tiền phóng điện trong chân không

V.2.1 CÁC QUÁ TRÌNH GIẢI THOÁT ĐIỆN TỬ TRONG CHÂN KHÔNG

Khi ta đặt lên hai điện cực đặt trong chân không một hiệu điện thế tương đối lớn

và khoảng cách giữa các điện cực nhỏ (dưới 2mm) Một dòng điện ổn định với giá trị nhỏ chạy trong mạch ngoài, người ta đã chứng tỏ rằng các điện tích tạo lên dòng điện này chủ yếu là điện tử Cũng với điện áp đó ta di chuyển các bản cực ra xa (lớn hơn 10mm), thì ta thấy xuất hiện những xung điện tích với giá trị vài microcoulomb và độ rộng ms (mili giây- còn gọi là microdischarge) có thể xảy ra đồng thời hoặc độc lập với dòng điện ổn định trên Khi ta tiếp tục tăng điện áp, các xung điện áp biến mất và chỉ còn dòng điện ổn định chạy trong mạch Tăng điện áp tiếp tục sẽ dẫn đến phóng điện chọc thủng cho dù khoảng cách điện cực lớn hay nhỏ Quá trình phóng điện chọc thủng này có thể do cả hai hiện tượng trên (dòng ổn định và xung điện tích) tạo lên hoặc do một trong hai hiện tượng trên gây lên Vì vậy ta sẽ đi sâu vào các cơ chế hình thành điện tử và các xung điện tích trên

1 Cơ chế thoát điện tử từ bề mặt điện cực

Trong tinh thể kim loại các điện tử chuyển động gần như tự do trong mạng tinh thể Tuy nhiên nó không thể thoát ra khỏi do hàng rào thế năng ở lớp tiếp giáp giữa điện cực và chân không Điện tử như vậy được gọi là bị giam trong một hố thế năng có độ sâu

χ, độ sau này tương đương với năng lượng cần thiết để đưa điện tử từ vị trí bên trong kim loại ra một vị trí trong chân không Trong kim loại, các điện tử chuyển động có động năng được phân bố ở các mức năng lượng khác nhau Mức năng lượng cao nhất mà điện

tử chiếm giữ được gọi là mức Fermi, kí hiệu là ξ Như vậy để đưa điện tử vượt qua hàng

rào thế năng, phần năng lượng cần thiết để cung cấp cho nó gọi là công thoát φ có độ lớn φ= χ-ξ

Hình V.12: Hiệu ứng giảm độ cao hàng rào thế năng trong kim loại khi có điện trường ngoài đặt vào Đường 1: Thế năng khi không có điện trường Đường 2: Thế năng cung cấp bởi điện trường

ngoài: -qEx Đường 3: Thế năng tổng cộng khi có điện trường: -(qEx+q 2 /4x)

Bây giờ xét độ lớn của hàng rào thế năng khi điện cực kim loại được đặt vào điện trường vuông góc với bề mặt điện cực Khi điện tử thoát ra khỏi bề mặt kim loại và bay vào trong môi trường chân không, nó bị hút trở lại kim loại bởi điện tích do nó cảm ứng ở

bề mặt điện cực và có độ lớn –q/4x2, với x là khoảng cách đến bề mặt điện cực Mặt khác điện trường E không đổi ở bề mặt điện cực cung cấp cho điện tử một lượng thế năng có

độ lớn –qEx Khi đó thế năng P của điện tử là một hàm theo khoảng cách x:

x

q qEx x

P

4)

Công thức này chỉ áp dụng đối với các thiết bị có nhiệt độ rất cao ví dụ như sợi đốt trong các ống phóng điện tử (filaments in electronic tubes) Còn đối với nhiệt độ thấp, dòng điện do hiệu ứng thoát nhiệt rất nhỏ

- Trong trường hợp có điện trường đặt vào điện cực, hàng rào thế năng được giảm xuống một lượng như đã nói ở trên Điện tử có thể thoát ra khỏi điện cực nếu bề mặt điện cực được đốt nóng để cung cấp đủ động năng vượt qua hàng rào thế năng thấp này Trường hợp này gọi là hiệu ứng Schottky Hàng rào thế năng trong trường hợp này được giảm xuống một lượng là q3/2E1/2 nên có giá trị là φ1=φ-q3/2E1/2 Mật độ dòng điện

do hiệu ứng này gây nên được tính bằng công thức:

)exp(

2 / 1 2 / 3 2

1

kT

E q ST

- Dòng điện thoát ở nhiệt độ phòng nếu tính theo công thức Schottky ở trên

có giá trị rất bé đối với các giá trị công thoát từ 3-5eV và điện trường khoảng 1000kV.mm-1 Do đó ta không thể giải thích được dòng điện có độ lớn tới microampere

mà thực nghiệm đo được đối với giá trị điện trường này Fowler và Norhein cho rằng nhờ đặc tính sóng của điện tử, ở một điện trường đủ lớn nó vẫn thoát được ra ngoài bằng hiệu ứng đường ngầm mà không cần tới động năng để vượt qua hàng rào thế Khi ấy độ rộng của hàng rào thế năng được coi là “hẹp” lại để cho điện tử xuyên qua dễ dàng hơn Trường hợp này gọi là thoát do điện trường hoặc thoát lạnh (field or cold emission) Độ lớn dòng điện do hiệu ứng Fowler-Norheim được tính bởi công thức:

)10.8,6exp(

.)

(10.2,

2 / 1

2 / 1 6

E S

E

φφξ

+

=

Mặc dù giá trị điện trường để xảy ra hiệu ứng Fowler-Norheim là rất lớn so với đa

số các ứng dụng trong ngành kỹ thuật điện Tuy nhiên bề mặt điện cực luôn tồn tại những

vi khuyết tật, vì thế điện trường ở những điểm này được tăng cao đột ngột để đạt tới ngưỡng cho hiệu ứng F-N xảy ra

2 Cơ chế thoát điện tử từ bề mặt không kim loại (nonmetallic)

Các hiện tượng của giai đoạn tiền phóng điện gồm dòng điện điện tử và xung cũng có thể bắt đầu từ bề mặt không kim loại như các lớp oxít cách điện hoặc bán dẫn trên bề mặt điện cực hoặc do các tạp chất xuất hiện trên bề mặt điện cực Thật vậy, quá trình bơm chân không luôn làm cho bề mặt điện cực xuất hiện một số tạp chất như các lớp oxít, các chất khí còn sót lại, hơi dầu của máy bơm, hơi nước hoặc bụi bẩn bám vào

Mặt khác, hiện tượng oxy hóa trong điều kiện chân không xảy ra dễ dàng hơn ở áp suất bình thường tạo nên trên mặt điện cực tồn tại một lớp oxít và hơi cùng một số khí khác

Sự có mặt của các lớp này làm tăng quá trình thoát điện tử do điện trường đồng thời tạo điều kiện cho các thác điện tử thứ cấp phát triển

3 Cơ chế xung điện tích

Cơ chế tạo nên các xung điện tích hiện nay vẫn chưa được hiểu một cách rõ ràng Người ta đề cập đến ba giả thiết có khả năng tạo nên các xung điện tích Thứ nhất là các phần tử rất nhỏ của vật liệu làm điện cực bị bứt ra dưới tác động của điện trường và va đập vào điện cực đối diện Thứ hai là các chùm điện tử xuất phát từ cathode có thể kéo theo sự bốc hơi của một lượng nhỏ vật liệu làm điện cực ở cả cathode và anode Và cuối cùng là các cơ chế trao đổi ion xảy ra ở các lớp ô nhiễm (oxít hoặc hơi) trên bề mặt điện cực

Sự hình thành các xung điện tích phụ thuộc rất lớn vào tình trạng bề mặt điện cưc

Ở một áp suất nhất định, tần số xuất hiện các xung điện tích tăng khi điện áp đặt vào tăng cho đến khi hiện tượng phóng điện chọc thủng diễn ra

V.2.2 CÁC CƠ CHẾ GÂY RA HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN CHỌC THỦNG TRONG CHÂN KHÔNG

1 Cơ chế tương tác

Khi một điện tử xuất hiện trong không gian giữa các điện cực sẽ được tăng tốc bởi điện trường và đập vào athode Tại đây điện tử sẽ giải phóng một ion dương và photon do ion hóa với các lớp khí trên điện cực Các phần tử này (ion dương, photon) lại được tăng tốc quay ngược trở lại cathode và giải phóng tiếp tục các điện tử thứ cấp Quá trình cứ như thế nối tiếp nhau cho đến mức độ tới hạn để xảy ra phóng điện chọc thủng

Nếu một điện tử ban đầu xuất hiện qua quá trình va chạm sinh ra A điện tích dương (và cũng chính là A điện tử) và C photon Các điện tích dương này khi đập vào cathode lại giải phóng B điện tử cong mỗi photon giải phóng D điện tử Quá trình phóng điẹn chọc thủng sẽ xảy ra nếu hệ số sinh ra điện tử thứ cấp lớn hơn 1 Nghĩa là:

đồng, nhôm và thép không gỉ và cơ chế phóng điện này diễn ra đối với điện áp lớn hơn 250kV

2 Cơ chế thoát bởi điện trường

- Cơ chế đốt nóng anode: theo lý thuyết này các điện tử thoát ra ở cathode do điện trường sẽ bắn phá anode và gây ra sự tăng cục bộ nhiệt độ ở anode đồng thời giải phóng các khí và hơi vào trong chân không Các điện tử này ion hóa nguyên tử khí (ở anode) và sinh ra các ion dương Các ion dương này sẽ di chuyển về cathode và gây ra hai hiệu ứng: (1) làm tăng điện trường tạo bởi điện tích không gian do đó sinh ra thêm các điện tử sơ cấp và (2) bắn phá cathode để sinh ra các điện tử thứ cấp Quá trình này tiếp tục cho đến khi số lượng điện tử đủ lớn để sinh ra phóng điện chọc thủng

- Cơ chế đốt nóng cathode: Cơ chế này cho rằng những điểm lồi lõm trên bề mặt cathode sẽ làm tăng cường điện trường ở những điểm đó với hệ số có thể lên tới 200, và điện trường này sẽ sinh ra dòng điện theo cơ chế Fowler-Nordheim Dòng điện này sẽ đốt nóng đỉnh lồi đó và khi nó đạt tới giá trị tới hạn, đỉnh lồi sẽ nóng chảy và phát nổ kèm theo giải phóng một lượng vật chất làm điện cực ở cathode Lượng vật chất này sẽ đi vào khoảng giữa hai điện cực và tiếp tục bị ion hóa cho đến khi quá trình phóng điện chọc thủng xảy ra

3 Cơ chế cụm (clump mechanism)

Cơ chế phóng điện này được phát triển dựa trên những giả thiết sau: có một cụm phần tử vật chất ở bề mặt điện cực bị mất liên kết với các phần tử vật chất khác của điện cực Khi đặt một điện áp cao lên điện cực, cụm này tích điện và bị tách ra khỏi điện cực sau đó di chuyển đến điện cực đối diện Khi đến điện cực kia, nó đập vào và gây lên sự tăng nhiệt độ trên bề mặt điện cực đồng thời giải phóng một số vật chất khác trên điện cực này như khí, hơi hoặc vật liệu trên điện cực Cranberg là người đầu tiên đã phát triển

lý thuyết phóng điện cụm này, ông cho rằng phóng điện xảy ra khi năng lượng gửi đến do

va chạm của cụm đạt tới một trị số tới hạn W Trị số năng lượng W này là tích của điện

áp đặt lên hệ điện cực V với mật độ điện tích của cụm, điện tích của cụm lại phụ thuộc vào điện trường E tại điện cực xuất phát của cụm Tiêu chuẩn để có phóng điện chọc thủng có dạng:

Trong đó C’ là hằng số đặc trưng cho từng hệ điện cực

Đối với hệ điện cực phẳng song song ta có E=V/d, khi đó tiêu chuẩn phóng điện chọc thủng trở thành:

Với C là một hệ số đặc trưng cho C’ và tình trạng bề mặt của điện cực

Cranberg đã kiểm tra tiêu chuẩn phóng điện chọc thủng bên trên qua nhiều thực nghiệm với độ chính xác khá tốt Ông giả thiết cụm vật chất bắt đầu từ cathode bằng sắt

và tìm được hệ số C=60.1010V2/s

4 Tổng kết các cơ chế phóng điện chọc thủng trong chân không

Không một lý thuyết nào trong số lý thuyết kể trên có thể giải thích được các kết quả thực nghiệm đã đạt được Tùy vào từng điều kiện cụ thể như dạng điện cực, vật liệu làm điện cực, dạng sóng điện áp, tình trạng bề mặt điện cực… mà một trong các cơ chế

kể trên là nguyên nhân gây nên phóng điện chọc thủng trong chân không Ngày nay người ta nghiêng nhiều về cơ chế thoát bởi điện trường để giải thích cho hiện tượng phóng điện chọc thủng của chân không Cơ chế này có thể kéo theo hoặc xuất hiện cùng với các cơ chế khác để gây nên phóng điện chọc thủng

V.2.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN TRỊ SỐ ĐIỆN ÁP PHÓNG ĐIỆN CHỌC THỦNG TRONG CHÂN KHÔNG

Trị số điện áp phóng điện chọc thủng (breakdown strength) của chân không được xác định như giá trị điện áp mà phóng điện chọc thủng xảy ra một cách lặp đi lặp lại Nói chung trị số này bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố như khoảng cách điện cực, vật liệu làm điện cực, áp suất còn dư và dạng sóng của điện áp đặt vào

1 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các điện cực

Đối với khoảng cách điện cực d<2mm và bề mặt điện cực cực sạch, khi điện áp tăng quá giá trị xảy ra các hiện tượng tiền phóng điện rất nhiều điểm sáng xuất hiện trên anode Các vùng nóng bắt đầu nổi lên trên điện cực do va chạm của chùm điện tử đến từ cathode đập lên bề mặt anode, các vùng này bức xạ nhiệt và cuối cùng dẫn đến phóng điện chọc thủng Trị số điện áp phóng điện chọc thủng Vb tỉ lệ tuyến tính với khoảng cách giữa các điện cực theo quan hệ:

Trong đó k là hằng số

Đối với những khoảng cách nhỏ như vậy, trị số điện trường chọc thủng tương đối cao (vào khoảng 10MV/mm) Quan hệ tuyến tính này chỉ ra rằng cơ chế thoát do điện trường đóng vai trò chủ đạo trong quá trình hình thành phóng điện chọc thủng

Khi khoảng cách điện cực lớn (d>1cm), dòng điện do hiệu ứng thoát do điện trường nhỏ nhưng hiện tượng phóng điện chọc thủng vẫn diễn ra, thậm chí ở điện trường rất thấp chỉ khoảng 1kV/mm Quan hệ điện áp- khoảng cách khi đó không tuyến tính:

Đối với một tình trạng bề mặt điện cực nhất định thì k và n là hằng số

Trong trường hợp này người ta cho rằng cấu trúc lồi lõm của bề mặt điện cực gây

ra phóng điện chọc thủng

2 Ảnh hưởng của vật liệu làm điện cực

Bảng V.3 liệt kê một số giá trị của điện áp phóng điện đối với các điện cực làm

bằng các vật liệu khác nhau có khoảng cách giữa các điện cực là 1mm Rõ ràng sự lựa

chọn vật liệu thích hợp để làm điện cực là rất quan trọng đối với khả năng cách điện của

một khoảng cách cho trước

Thép không gỉ 179

Chrome mạ đồng (không nung) 89,4

Nickel 89,5 Nhôm 57 Bạc 27

Bảng V.3: Điện áp phóng điện của chân không đo ở khoảng cách điện cực 1mm

Hình dạng và độ lớn của điện cực cũng ảnh hưởng lớn đến điện áp phóng điện

chọc thủng Diện tích bề mặt điện cực càng lớn điện áp phóng điện càng nhỏ và nếu mỗi

điện cực làm bằng một vật liệu khác nhau cũng tăng mạnh hiệu ứng cực tính

Ngoài ra để cải thiện điện áp phóng điện ta có thể tăng độ nhẵn của bề mặt điện

cực Một biện pháp khác cũng được sử dụng là mạ lên bề mặt điện cực một lớp kim loại

hoặc một lớp điện môi, trường hợp này ta có thể tăng điện áp phóng điện chọc thủng lên

từ hai đến ba lần

3 Ảnh hưởng của áp suất

Ảnh hưởng của áp suất khí còn dư trong chân không lên điện áp phóng điện chọc

thủng phụ thuộc vào khoảng cách giữa các điện cực Đối với khoảng cách nhỏ dưới 1mm,

giảm áp suất xuống từ áp suất 10-2 Pa không thay đổi đáng kể điện áp phóng điện chọc

thủng Đối với khoảng cách lớn hơn sự thay đổi này còn phức tạp hơn: khi ta tăng áp suất

trước hết điện áp phóng điện tăng nhưng sau đó giảm đột ngột rồi lại tiếp tục tăng (Hình

V.13)

4 Ảnh hưởng của dạng điện áp

Đối với khoảng cách điện cực nhỏ khoảng vài milimét, thực nghiệm đã chứng tỏ

rằng điện áp phóng điện chọc thủng của chân không dưới điện áp xoay chiều và một

chiều là tương đương nhau Đối với điện áp xung (sóng sét tiêu chuẩn 1,2/50μs), giá trị điện áp phóng điện chọc thủng lớn hơn từ 30% đến 40% so với giá trị đo được ở điện áp xoay chiều

V.3 CÁCH ĐIỆN SF6

Ngày nay thiết bị đóng cắt sử dụng khí SF6 ngày càng được sử dụng rộng rãi với

do nó có những ưu điểm vượt trội so với thiết bị đóng cắt sử dụng

Hình V.14: So sánh đặc tính điện áp chịu đựng (ở điện áp một chiều) của một số điện môi không

bị, đồng thời nó cũng có nhiệt độ hóa lỏng rất thấp nên hầu như vận hành hoàn toàn bình thường ở dải nhiệt độ này Tuy nhiên khi bị phóng điện với sự có mặt của oxy và hơi nước, SF6 bị phân hủy thành một số sản phẩm tương đối độc hại và gây ăn mòn như

S2F10, SOF4 hoặc HF Khi bị phân hủy do hiện tượng phóng điện, các sản phẩm phân hủy trong SF6 nhanh chóng kết hợp lại với nhau để tạo thành SF6 vì thế khả năng chịu đựng điện áp của SF6 được phục hồi như lúc đầu Nhờ tính chất này mà SF6 là một môi trường dập hồ quang rất tốt nên nó là chất cách điện lý tưởng cho các thiết bị cao áp nơi xuất

hiện hồ quang mạnh Ngoài ra SF6 còn là một khí có đặc tính tản nhiệt rất tốt Các tính chất như nhiệt dung riêng, nhiệt dẫn, độ nhớt của SF6 rất tốt nên khả năng tiêu tán nhiệt năng của nó tốt hơn nhiều so với không khí Đối với một dòng khí làm mát ở chảy với vận tốc âm thanh như trong môi trường của máy cắt, hiệu quả làm mát bằng đối lưu của

SF6 cao gấp bốn lần không khí

Khối lượng phân tử 144,6

Nhiệt dung riêng (ở 30 oC), J/g 0,599

Áp suất hơi ở 20 oC, Bar 10,62

Bảng V.4: Một số đặc tính cơ lý hóa của SF6

V.3.2 PHÓNG ĐIỆN CHỌC THỦNG TRONG SF6

Giống như các khí khác, quá trình ion hóa sơ cấp trong SF6 là do sự ion hóa do va chạm đặc trưng bởi hệ số ion hóa Townsend thứ nhất α Các quá trình ion hóa thứ cấp quan trọng trong SF6 là ion hóa quang của chất khí, quang thoát từ điện cực và ion hóa nhiệt Trong SF6 các ion âm được tạo thành từ quá trình nhập điện tử Các quá trình nhập điện tử được đặc trưng bởi hệ số nhập η Cả hai hệ số α và η đều phụ thuộc mạnh vào cường độ điện trường đặt vào E và áp suất của khí P Hệ số ion hóa thực α =α −ηvà được biểu diễn bằng công thức:

E K P

ηαα

(V.45) Trong đó K=27 và (E/P)th=877,5(cm.kPa)-1 với Eth là trị số điện trường tới hạn Nếu điện trường đặt vào E>Eth thì α > η thì quá trình ion hóa sẽ dẫn đến phóng điện Ngược lại nếu E<Eth thì α < η và quá trình ion hóa sẽ ngừng lại mà không có phóng điện Như vậy theo lý thuyết thì quá trình phóng điện chọc thủng trong SF6 sẽ không diễn ra nếu điện trường đặt vào E nhỏ hơn giá trị Eth=P.(E/P)th Từ đó suy ra SF6 có điện trường chịu đựng vào cỡ xấp xỉ 9kV/mm ở áp suất 1bar, còn ở áp suất 3,5Bar giá trị điện trường chịu đựng vượt quá 300kV/mm

Ở áp suất thực tế của các thiết bị dùng cách điện SF6, quá trình phóng điện chọc thủng diễn ra theo cơ chế streamer trong chất khí như đã trình bày ở trên Tiêu chuẩn để xảy ra phóng điện theo cơ chế streamer trong SF6 được tính theo phương trình Pedersen:

M N

Với Nc là số lượng tới hạn các ion trong thác điện tử di chuyển trong đoạn xc (độ dài tới hạn của thác điện tử) theo hướng của điện trường đặt vào khi nó trở thành streamer M là một hằng số và có giá trị nằm từ 10 đến 20 Thể tích khí trong đó một thác điện tử phát triển thành streamer được gọi là thể tích tới hạn

V.3.4 HỖN HỢP CỦA SF6 VỚI CÁC KHÍ KHÁC

Mặc dù có những ưu thế vượt trội về cường độ điện trường chịu đựng và khả năng dập hồ quang nhưng SF6 lại gây những vấn đề về môi trường Ngoài những sản phẩm độc hại sinh ra khi có phóng điện với sự có mặt của oxy và hơi nước như đã đề cập ở trên,

SF6 rò rỉ ra ngoài môi trường tích tụ ở lớp trên cùng của bầu khí quyển, hấp thụ năng lượng mặt trời rồi bức xạ vào bầu khí quyển trong thời gian dài làm cho trái đất nóng lên Người ta ước tính lượng SF6 rò rỉ từ các thiết bị cao áp vào tích tụ trong môi trường khoảng 10 000 tấn Để giảm bớt lượng SF6 dùng trong các thiết bị mà vẫn tận dụng được các ưu điểm của SF6 đồng thời không bỏ đi các thiết bị cứng trước đã dùng với SF6, người ta đang tiến hành nghiên cứu để thay thế SF6 bằng hỗn hợp của nó với một số chất khí khác như N2 hoặc CO2 Hiện nay hỗn hợp SF6 và N2 với thành phần SF6 dao động từ 4-40% tùy từng ứng dụng đã chứng minh nó vận hành rất tốt

Tỉ lệ hỗn hợp Cường độ điện trường phóng điện

(kV/mm)

- Điện trường chịu đựng cao

- Độ ổn định nhiệt và tính trơ đối với vật liệu dùng với nó

- Khả năng dập hồ quang tốt

- Nhiệt độ đông đặc thấp

- Khả năng tản nhiệt tốt

- Trữ lượng nhiều và giá rẻ

Cho đến ngày nay thì SF6 là chất khí duy nhất thỏa mãn hầu hết các điều kiện trên, tuy nhiên những hậu quả về môi trường không mà nó gây ra lại khá nguy hại Trong

số những tính chất kể trên thì điện trường chịu đựng là tính chất quan trọng nhất Bảng V.6 trình bày tính chất của một số cách điện thể khí so sánh với SF6

thức hóa học

Nhiệt độ sôi

Điện trường chịu đựng tương đối (so với SF6)

Triflouromethyl sulfur pentafluoride CF3SF5 -20 1,55

CHƯƠNG VI- ĐIỆN MÔI LỎNG

Điện môi lỏng có những tính chất đặc biệt mà điện môi khí và rắn không thể có được nên nó được sử dụng rộng rãi trong các phần tử của hệ thống điện như máy biến áp, cáp, máy cắt, tụ công suất, cách điện xuyên…Ưu điểm của nó nằm ở chỗ mật độ vật chất của nó thường lớn hơn khí khoảng 103 lần vì thế điện áp đánh thủng của nó rất cao (nằm bên phải đường cong Paschen) Nó tốt hơn điện môi rắn ở chỗ nó có khả năng lấp đầy mọi khoảng không cần được cách điện nên hạn chế được sự tăng cục bộ của điện trường, hay nói khác đi tránh được các hiện tượng phóng điện cục bộ Đồng thời khả năng tản nhiệt của nó rất tốt, lấy ví dụ như dầu máy biến áp thì khả năng tản nhiệt của nó lớn hơn không khí hay nitơ đến 10 lần, nên nó được dùng như một vật liệu làm mát rất hiệu quả

Đối với kỹ sư điện, hai vấn đề cần quan tâm khi làm việc với điện môi lỏng là dòng điện dẫn chạy trong điện môi và hiện tượng phóng điện chọc thủng Khi dòng điện dẫn xuất hiện sẽ kéo theo tổn hao điện môi, các hiện tượng phóng điện cục bộ, gây lên già hóa điện môi và phóng điện chọc thủng được xem như kết cục tất yếu của những quá trình trên Trong chương này chúng tôi sẽ trình bày hai vấn đề cơ bản của điện môi lỏng

là các cơ chế hình thành dòng điện dẫn và phóng điện chọc thủng Ở phần cuối chương các ứng dụng chi tiết của điện môi lỏng sẽ được tóm lược

VI.1 HIỆN TƯỢNG DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI LỎNG

VI.1.1 CHẤT LỎNG CỰC TÍNH VÀ KHÔNG CỰC TÍNH

Chất lỏng thường được chia là hai loại, loại thứ nhất là chất lỏng không cực tính

và cực tính Trong chất lỏng cực tính luôn tồn tại một mô men lưỡng cực thường trực ngay cả khi không có điện trường ngoài đặt vào, và vì thế hằng số điện môi của loại này rất lớn Những chất lỏng đặc trưng cho loại này là nước nguyên chất (εr=80), polypylen carbonate(εr=65), nitrobenzen- C6H5NO2 (εr=35)…Phần lớn chất lỏng thuộc loại này rất

dễ bị hòa tan hoặc bị phân tích thành tạp chất vì thế chất lỏng loại này có điện dẫn khá cao Ngược lại, chất lỏng không cực tính có hằng số điện môi rất thấp (dao động từ 1,5 đến 2,5), các điện môi tiêu biểu thuộc loại này là các khí hóa lỏng, hexane, benzen, cyclohexane, dầu thiên nhiên, silicone… Phần lớn các điện môi lỏng ứng dụng làm vật liệu cách điện trong ngành kỹ thuật điện thuộc thuộc loại không cực tính, vì thế trong khuôn khổ chương này ta chỉ xét đến loại điện môi lỏng này

VI.1.2 QUÁ TRÌNH ĐIỆN DẪN NỘI TẠI CỦA ĐIỆN MÔI

Khi đặt trong điện trường, các điện tích tự do trong điện môi lỏng sẽ tham ra quá trình dẫn điện và tạo ra dòng điện dẫn Dòng điện dẫn đánh giá mức độ cách điện của điện môi lỏng và là một trong những tiêu chuẩn để rất quan trọng để đánh giá chất lượng của điện môi Các điện tích tự do trong điện môi lỏng xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau như các ion tạp chất tồn tại từ trước, sự phân ly của các phân tử điện môi và sự xâm nhập điện tử từ điện cực Ở điện trường thấp, các điện tích (ion) sinh ra do sự phân ly của chính phân tử điện môi hoặc phân ly của các tạp chất tồn tại như một chất điện phân (electrolyte) Giả thiết một phân tử trung tính AB được cấu tạo từ hai ion A+B-, phương trình phân ly có dạng:

Trong đó kd là hằng số tốc độ phân ly, kr là hằng số tốc độ tái hợp

Phương trình phân ly trên phụ thuộc vào nhiệt độ điện môi, điện trường đặt vào và hằng số điện môi tương đối Nhiệt độ tăng và điện trường tăng đều làm cho quá trình phân ly tăng và do đó làm tăng mật độ điện tích trong điện môi Còn hằng số điện môi ảnh hưởng lên quá trình phân ly là do ảnh hưởng của nó lên lực tĩnh điện Coulomb giữa hai ion A+ và B- theo công thức:

2

'

d

qq k

số ion sinh ra do phân ly bằng số ion nhập vào do tái hợp, hay là:

=

Do đó ta suy thành phần điện dẫn σ của một điện môi gây bởi các ion dương và

âm là tổng điện dẫn của các ion thành phần:

r

d

k

k e q

μ