Bài giảng Vật liệu điện và cao áp: Phần 2 - Phạm Thành Chung

Bài giảng Vật liệu điện và cao áp: Phần 2 - Phạm Thành Chung tiếp tục cung cấp tới người học nội dung kiến thức trọng tâm sau: Chương 8: Phòng điện trong điện môi; Chương 9: Vật liệu cách điện thể khí; Chương 10: Vật liệu cách điện thể lỏng; Chương 11: Vật liệu cách điện thể rắn; Chương 12: Đặc tính cách điện; Chương 13: Kết cấu cách điện của thiết bị dùng trong hệ thống điện. Mời các bạn cùng tham khảo phần 1 bài giảng tại đây

122

CHƯƠNG VIII

PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI

Khi cường độ điện trường đặt lên điện môi vượt quá một giới hạn nào đó sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện chọc thủng điện môi, khi đó điện môi bị mất hoàn toàn tính chất cách điện Hiện tượng đó chính là sự phóng điện chọc thủng của điện môi hay là sự phá hủy

độ bền điện môi

Trong thực tế có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cường độ điện trường cách điện của điện môi: dạng điện trường, dạng điện áp, thời gian tác dụng của điện áp, điều kiện môi trường như áp suất, nhiệt độ, độ ẩm…

Các chất khí, lỏng, rắn có cơ cấu và diễn biến quá trình phóng điện khác nhau, do

đó khi nghiên cứu sự phóng điện cần phải xét riêng từng trường hợp

8.1 PHÓNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ

Các chất khí chủ yếu là không khí thường được dùng làm chất cách điện của các thiết bị điện làm việc trong không khí và của đường dây tải điện trên không Khi chúng mất khả năng cách điện sẽ gây nên hiện tượng ngắn mạch và dẫn đến các sự cố

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

8.1.1 Các yêu cầu chung đối với các chất khí cách điện

Các chất khí dùng làm chất cách điện phải đạt được các yêu cầu sau đây:

- Phải là khí trơ, không tham gia phản ứng hoá học hay ăn mòn các phần tử khác của thiết bị điện

- Phải có cường độ cách điện(Edt) cao.(Làm giảm được kích thước, kết cấu thiết bị)

- Nhiệt độ hoá lỏng thấp để có thể sử dụng được ở áp suất cao

- Tản nhiệt tốt, truyền nhiệt tốt Ngoài nhiệm vụ cách điện của chất khí còn có nhiệm

Nhiệt độ hoá lỏng [ 0 C]

124

8.1.2 Các dạng ion hóa xảy ra trong chất khí

Các chất khí không phải là chất cách điện lý tưởng chỉ chứa các phần tử trung hòa

mà bao giờ cũng có một số ion và điện tử tự do Bình thường các điện tích và điện tử tự do này luôn ở trạng thái chuyển động nhiệt, Khi có cường độ điện trường bên ngoài tác động chúng sẽ chuyển động theo phương của trường và tạo nên dòng điện dẫn trong điện môi

Tùy thuộc vào dạng năng lượng cung cấp cho điện tử trong quá trình ion hóa, có thể

có các dạng ion hóa sau đây:

a Ion hóa 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

Khi các phân tử chuyển động sẽ va chạm với nhau, động năng của chúng sẽ truyền cho nhau, và có thể xảy ra ion hoá nếu:

(8.1)

Trong đó: Wi- năng lượng ion hóa; m- khối lượng phân tử; v- tốc độ chuyển động

2 i

mvW= W

2 ≥

b Ion hóa quang

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

Do bức xạ của sóng quang học (sóng ngắn), năng lượng bức xạ quang học là:

c Ion hóa nhiệt

Ở nhiệt độ cao có thể phát sinh các quá trình sau:

+ Ion hoá va chạm giữa các phân tử chuyển động nhiệt với tốc độ lớn

+ Ion hoá do bức xạ nhiệt của khí bị nung nóng

+ Ion hoá va chạm giữa những phân tử và điện tử hình thành do 2 quá trình trên

Điều kiện xảy ra ion hoá nhiệt:

(8.3)

Trong đó: K- hằng số Bonzoman

T- nhiệt độ tuyệt đối của chất khí

d Ion hoá bề mặt

Xảy ra trên các bề mặt điện cực, năng lượng gây nên ion hoá này có thể do va chạm,

do nhiệt độ nung nóng điện cực, các tia tử ngoại α, β, γ…

126

Có thể dùng các biện pháp sau đậy để tăng cường ion hóa bề mặt:

- Nung nóng âm cực Do cực được nung nóng, điện tử sẽ chuyển động mạnh hơn

và có năng lượng lớn hơn Nếu năng lượng này đạt được trị số nhất định vượt qua “hàng rào thế năng” thì nó sẽ thoát ra khỏi bề mặt điện cực

- Bắn phá bề mặt âm cực bằng các phần tử có động năng lớn (ion dương)

- Dùng sóng ngắn chiếu lên điện cực (tia α, β, γ…)

- Tác dụng bằng điện trường cực mạnh hay còn gọi là bức xạ nguội, thường xảy ra khi cường độ điện trường khoảng 1000kV/cm

8.1.3 Quá trình ion hoá và hệ số ion hoá chất khí khi ở trong điện trường

Gọi: r - bán kính phân tử khí

r0 - bán kính của điện tử (electron)

me - khối lượng của electron

Lúc này điều kiện để có va chạm giữa e với

phân tử trung hoà là:

- Khi đoạn đường là 1cm thì số lần va chạm giữa điện tử có bán kính r0với các phân

tử có bán kính r bằng số phân tử nằm trong hình trụ có diện tích đáy là: π(r + r0)2(chiều cao hình trụ là 1 cm)

- Nếu gọi S là số lần va chạm trong hình trụ thì S chính bằng toàn bộ số phần tử có

trong thể tích đó, tức là:

S = π(r + r0)2 1.N (Lần) (N - mật độ phân tử) (8.5)

- Ở nhiệt độ bình thường, năng lượng chuyển động nhiệt của các phân tử khí không đủ

để gây nên ion hoá, nhưng khi có điện trường đặt vào, các phân tử khí sẽ chuyển động tích luỹ năng lượng và tăng tốc độ, va chạm với nhau và bị ion hoá Vì vậy ion hoá va chạm là yếu tố cơ bản của quá trình phóng điện trong chất khí

- Nếu lấy đoạn đường chuyển động của điện tử (1 cm) chia cho số lần va chạm (S) ta sẽ được trị số quãng đường chuyển động tự do trung bình λTB trong môi trường các phần tử r

Như vậy, trong điều kiện nhiệt độ môi trường không đổi, trị số đoạn đường tự do trung bình tỷ lệ nghịch với áp suất Từ đó có thể suy ra được số lần va chạm của điện tử và ion với các phân tử r Trong các lần va chạm này không phải lần nào cũng đều gây nên ion háo phân tử khí vì còn phải đảm bảo yêu cầu về năng lượng, nghĩa là các điện tử, ion trong phạm vi của một đoạn đường tự do phải tích lũy đủ số năng lượng cần thiết

động theo chiều tác dụng của cường độ điện trường:

- Giả sử tại x=0 có n0điện tích bắt đầu chuyển động

- Khi chuyển động đến vị trí x còn lại n điệntích chưa bị va chạm

λ =π

=

128

của các điện tích chưa bị va chạm trên đoạn đường dx (dn = - n.S.dx)

Ta sẽ có:

- số lần va chạm của 1 điện tích trên đoạn đường dx

Dấu (-) là do trị số n sẽ giảm đi

nen

i

W

x (x ) eE.q

− λ

1AP

λ =

2

.rAK.T

π

=

i

A.P W E.q i

−

B.P E i

S (x ) A.P.e− f (P, E)

8.1.4 Diễn biến của quá trình phóng điện trong chất khí

Quá trình ion hóa chất khí sẽ đưa đến sự hình thành thác điện tích trong khu vực giữa hai điện cực Nếu tiếp tục tăng điện áp thác điện tích phát triển mạnh, khi mật độ điện tích

đủ lớn sẽ gây nên sự phóng điện trong điện môi khí tạo thành dòng plazma nối liền giữa hai điện cực

Xét quá trình ion hóa chất khí giữa hai điện cực

với nguồn điện áp một chiều (hình 8.3) Điện trường

bên ngoài E có chiều từ cực dương (+) đến cực âm (-)

Giả thiết ban đầu vì lý do nào đó có tồn tại một

điện tử tự do ở phía cực âm Dưới tác dụng của cường

độ điện trường E, điện tử sẽ bay về phía cực dương

Trong quá trình chuyển động điện tử sẽ va chạm với

các phân tử khí và gây nên ion hóa với hệ số ion hóa α

Sau mỗi lần ion hóa xuất hiện thêm điện tử tự do và

ion dương Các điện tử tự do mới được sinh ra cũng

được gia tốc, tích lũy thêm năng lượng và gây nên ion

hóa, đồng thời các ion dương mới sinh ra sẽ chuyển

động theo chiều ngược lại bay về phía cực âm cũng có

thể gây ion hóa chất khí với hệ số ion hóa là β (thường có β << α)… Do đó số lượng điện tích (ion dương và điện tử tự do) trong khoảng không gian giữa hai điện cực tăng thêm nhiều lần

Số điện tử trong thác:

+ Tại vị trí x có n điện tử trong thác

+ Trong khoảng dx có n.α.dx lần ion hoá và có thêm số điện tử mới là:

Giải phương trình vi phân trên ta sẽ được:

(8.19)

Với điều kiện ban đầu: khi x=0 thì n=1

Nếu điện trường đồng nhất: E = const  α = const  n = eαx (8.20)

Số ion (+) do 1 điện tử tạo nên: n(+) = n - 1 = eαx - 1

.dx

dn .dx n en

α

∫

130

Như vậy số lượng điện tử tự do sẽ tăng lên theo hàm số mũ Song song với sự phát sinh của điện tử kèm theo là sự phát sinh ra các ion dương với cùng số lượng Chúng tập

hợp thành thác điện tích; thường gọi là thác điện tử

Trên hình 8.3 cho ta mô hình thác điện tử khi thác phát triển tới độ dài x

Do điện tử bé và nhẹ nên có tốc độ lớn và dễ khuếch tán dồn về phía đầu thác và rải trên khoảng không gian rộng Còn các ion dương có khối lượng lớn nên di chuyển với tốc

độ chậm hơn (khoảng bằng 1/100 tốc độ của điện tử), chúng phân bố ở thân và đuôi thác

Xét về sự biến dạng của trường, ta thấy phía đầu thác trường được tăng cường nhiều, nhưng ngay phía sau đầu thác trường lại giảm đột ngột, cả hai nơi này đầu có khả năng bức

xạ photon Ở đầu thác thường được tăng cường cao hơn điện trường E bên ngoài, do vậy dễ dàng gây nên ion hóa phần khí tiếp theo tạo nên các thác điện tử mới hướng về phía điện cực đối diện Mặt khác, do trường tăng cao làm cho các phân tử khí ở gần sẽ bị kích thích, khi chúng trở lại trạng thái bình thường sẽ trả lại năng lượng dưới dạng pho tông Còn ở phía sau đầu thác do trường giảm đột ngột nên xảy ra hiện tượng kết hợp và cũng trả lại năng lượng dưới dạng phô tông Các phô tông này có khả năng gây nên ion hóa quang các phân tử khí hoặc được giải thoát điện tử từ bề mặt điện cực góp phần tăng thêm số lượng điện tích và để kế tiếp thác điện tử đầu kể trên

Dưới tác dụng của điện trường, thác điện tích càng được phát triển đồng thời được kéo dài ra va khi tiếp cận với các điện cực các điện tích của thác sẽ trung hòa trên điện cực, kết thúc quá trình hình thành và phát triển thác điện tử Quá trình đó chưa thể gọi là phóng điện vì chưa tạo nên một dòng điện lưu thông liên tục giữa hai điện cực

Như vậy để có phóng điện cần phải có nhiều thác điện tử, do đó điều kiện để tự duy trì của phóng điện là trước khi thác cũ triệt tiêu thì phải sinh ra ít nhất 1 thác điện tử mới

Thông thường phóng điện trong chất khí xảy ra rất nhanh gần như tức thời, nếu khe

hở khí là 1 cm thì thời gian phát triển phóng điện chọc thủng khoảng 10-7÷ 10-8

giây

Nếu điện áp tác dụng càng cao thì sự phóng điện chọc thủng càng chóng phát triển Nếu thời gian tác dụng của điện áp càng bé thì điện áp chọc thủng càng cao

8.1.5 Đặc tính von- ampe (V-A) và các dạng phóng điện trong chất khí

Khi icó điện áp một chiều tác dụng lên hai

điện cực, cho trị số điện áp thay đổi từ thấp đến

cao và đo trị số dòng điện ứng với các điện áp ta

được đặc tính V-A của chất khí (hình 8.4)

Qua hình vẽ chúng ta thấy trong giai đoạn

từ “0” đến “a” (u=0÷Ua) các ion và điện tử tự do

có sẵn trong chất khí (do yếu tố ion hóa bên

ngoài) dưới tác dụng của điện trường sẽ chuyển

động về các điện cực và tạo nên dòng điện Khi

điện áp tăng thì cường độ điện trường giữa hai điện

cực sẽ tăng (E=U/S); lực tác dụng lên các điện tích sẽ tăng lên (F=q.E), do vận tốc chuyển động của các điện tích tăng và dòng điện sẽ tăng tuyến tính theo định luật Ohm Ở trong vùng này các điện tích âm và dương có thể kết hợp với nhau thành phần tử trung hòa Ở điểm A có điện áp cao, tốc độ chuyển động của các điện tích lớn, quá trình tăng của dòng điện chấm dứt vì toàn bộ các điện tích đều tới được điện cực

Giai đoạn từ “a” đến “b” là giai đoạn bão hòa: (U= Ua÷Ub) Trong vùng này dòng điện vẫn được duy trì nhưng không tăng là do số lượng điện tích sinh ra bởi nhân tố ion hóa bên ngoài có hạn Tốc độ chuyển động của các điện tích khá cao, có bao nhiêu điện tích sinh ra thì có bấy nhiêu điện tích đi về các điện cực hết (không có sự kết hợp) và dòng điện đạt trị số bão hòa

Giai đoạn sau điểm “b” ( U> Ub): Nếu cho điện áp tiếp tục tiếp tục tăng, cường độ điện trường tăng cao và tốc độ chuyển động của các điện tích khá lớn, khi va chạm với phần

tử trung hòa sẽ gây nên ion hóa mãnh liệt Số lượng điện tích tăng lên theo hàm số mũ, do

đó dòng điện tăng vọt lên và gây nên phóng điện giữa hai điện cực

Sau điểm B nếu nguồn vẫn được duy trì thì dòng điện càng tăng và điện áp giữa hai điện cực giảm đi tới mức cần thiết để duy trì hồ quang (UTDT) Quá trình ion hóa trong giai

đoạn này là quá trình tự duy trì vì nó không phụ thuộc vào nhân tố ion hóa bên ngoài Lúc này chất khí bị mất hoàn toàn tính chất cách điện, trở thành vật dẫn ở trạng thái plazma

Trong plazma, phần lớn các phân tử khí được ion hóa và số điện tích âm (chủ yếu là điện tử) đã tạo nên điện dẫn chất khí Tuy nhiên điện dẫn điện tử của plazma có khác với điện dẫn điện tử của kim loại vì các điện tích khác dấu của nó không ngừng kết hợp với nhau, do

ImaxI(A)

U(V)

Ua UTDT Ub

Hình 8.4 Đặc tính V-A của chất khí

132

đó để có dẫn điện trong plazma phải luôn luôn có quá trình ion hóa để giữ cho mật độ điện tích ổn định

Trên thực tế dòng điện phóng điện không thể tăng lên vô cùng lớn được bởi vì công suất nguồn có hạn (Pmax =U.Imax) Do vật để bảo vệ nguồn điện áp cao người ta phải khống chế không cho dòng điện phóng điện vượt quá Imax(tương ứng với Pmax), bằng cách lắp role dòng điện bên phía sơ cấp Khi quá dòng role sẽ tác động cặt nguồn điện bên phía sơ cấp, điện áp bên phía thứ cấp (cao áp) sẽ bị cắt, dòng điện phóng điện bị triệt tiêu

Quá trình phóng điện trong chất khí là quá trình là quá trình hình thành dòng plazma trong toàn bộ hay một phần khoảng không gian giữa hai điện cực Tùy thuộc vào công suất nguồn, áp suất khí và dạng của điện trường, quá trình thình thành dòng plazma có khác nhau và đưa đến các dạng phóng điện khác nhau như sau:

a Phóng điện tỏa sáng: xảy ra khi áp suất thấp, plazma không thể có điện dẫn lớn ví số

lượng phân tử khí quá ít Phóng điện tỏa sáng thường chiếm toàn bộ khoảng không gian giữa các cực và được ứng dụng làm đèn nê ông, đèn quảng cáo, trang trí, ống phát

sáng…

b Phóng điện tia lửa: xảy ra khi áp suất lớn, plazma không thể chiếm hết toàn bộ khoảng

không gian mà chỉ là tia dòng nhỏ nối giữa các điện cực Mật độ điện tích trong dòng plazma rất lớn nên có thể dẫn được dòng điện lớn nhưng không lớn quá vì bị giới hạn bởi công suất nguồn Trong thực tế phóng điện tia lửa áp dụng làm thiết bị đốt lò gaz và dầu,

đánh lửa budi xe máy, oto, thử nghiệm cường độ trường cách điện của các điện môi…

c Phóng điện hồ quang: tương tự như phóng điện tia lửa nhưng ở đây công suất nguồn

lớn và tác dụng trong thời gian dài Phóng điện này xảy ra trong áp suất cao Dòng hồ quang lớn, đốt nóng dòng plazma làm cho điện dẫn của nó tăng thêm do đó dòng hồ quang càng tăng Dòng điện hồ quang sẽ tăng tới mức ổn định khi có sự cân bằng giữa

phát nóng và tỏa nhiệt của khe hồ quang

Phóng điện hồ quang là một quá trình đòi hỏi phải có đủ thời gian cần thiết Bởi vậy, khi thời gian tác dụng của điện áp ngắn dù công suất nguồn lớn cũng chỉ gây nên phóng điện tia lửa mà thôi (ví dụ như phóng điện của sét, phóng điện trên các đường dây tải điện…) Dòng điện phóng hồ quang có nhiệt độ cao, nên trong thực tế áp dụng là điện cực hồ quang, hàn hồ qunag, hàn điểm, đấy dây dẫn…

d Phóng điện vầng quang: là một dạng phóng điện đặc biệt chỉ tồn tại trong trường không

đồng nhất và xuất hiện trong khu vực xung quanh điện cực Dạng phóng điện này là dạng phóng điện không hoàn toàn vì dòng plazma không nối liền giữa hai điện cực, do đó

không thể có dòng điện lớn Phóng điện vầng quang chưa làm mất đi hẳn tính chất cách điện của chất khí nhưng cũng không nên để phát sinh vầng quang vì nó gây nhiều tác hại

có thể nói phóng điện vầng quang chính là ion hóa chất khí và quá trình kết hợp các ion trái dấu để trở lại trạng thái bình thường, cả 2 quá trình này đều trả lại năng lượng dưới dạng quang năng Khi thời tiết xấu có thể thấy phóng điện vầng quang trên các đường dây tải điện điện áp đi cao Phóng điện này gây nên tổn thất năng lượng lớn trên đường dây truyền tải điện, chúng ta phải làm giảm phóng điện vầng quang này bằng cách như: tăng tiết diện dây dẫn, dùng dây dẫn có bề mặt nhẵn bóng, phân dây pha thành các dây nhỏ nối liền với nhau để có đường kính lớn Trong công nghiệp phóng điện vầng quang

được sử dụng để sơn tính điện, lọc bụi tĩnh điện bảo vệ môi trường…

8 1.6 Phóng điện trong chất khí khi điện trường phân bố đều (trường đồng nhất)

Điện trường đồng nhất là trường ly 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 trường đồng nhất là:

Do trị số trường không đổi (E= const) và khi áp suất khí cũng không thay đổi thì hệ

số ion hóa α là hằng số

Quá trình hình thành và phát triển của phóng điện không phụ thuộc vào cực tính

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 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

134

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

n0điện 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

n

e n n dx n

dn

o

αα

∫

0

(8.22) Như vậy số điện tử đến được anode trong một giây ứng với số điện tử ở khoảng cách x=d, tức là :

x o

d n e

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 I0là 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 nslà 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

d n e

Hay là:

)1(1

1)1( d − =

136

quá trình phóng điện sẽ dừng lại Nên điều kiện Townsend được hiểu như là ngưỡng để tạo nên phóng điện trong chất khí

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=1,36.10-3

at) 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 8.5 Biến thiên dòng điện theo điện áp đặt vào trong lý thuyết phóng điện Townsend (điện trường đều) Trong khoảng thời gian ban đầu T 0 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 T2, 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 8.6-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

138

như hình 8.6-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 8.6-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 8.6 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 8.8 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 8.7 mô tả sự biến dạng của điện trường khi xuất hiện thác điện tử

Hình 8.7 : Sự biến dạng của điện trường khi xuất hiện điện tích không gian

Hình 8.8 : 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

140

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 d ≥1

eα

γ 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:

V

Phương trình này biểu diễn trị số của điện áp chọc thủng V theo tích của áp suất khí

và khoảng cách giữa hai điện cực d Nói cách khác sự thay đổi về áp suất và khoảng 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, CO2và 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 8.9 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 8.9 : 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 Vminvề 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 8.2

142

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 2930

K (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) (8.41) 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 quyển

8.1.7 Phóng điện trong chất khí khi điện trường phân bố không đều

1 Phóng điện vầng quang (corona discharge)

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

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

t đ 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

144

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 8.10 : 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 8.10

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

2 10)

/(

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 8.11)

146

Hình 8.11 : Hệ số K theo tỉ lệ điện áp làm việc V (điện áp dây) và điện áp xuất hiện vầng quang V 0 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 0,3-1,7kW/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 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:

tb

E

E

Trong đó Emaxlà điện trường cực đại tồn tại trong không gian giữa hai điện cực, còn

Etb là cường độ điện trường trung bình khi hai điện cực tạo nên điện trường đều nghĩa là

Etb=V/d

Nếu K<5, điện trường được gọi là gần đồng nhất Quá trình phóng điện khi đó sẽ tương tự như quá trình phóng điện trong điện trường đồng nhất nghĩa là phóng điện chọc thủng sẽ xảy gần như ngay lập tức mà không phải trải qua bước trung gian là hình thành phóng điện vầng quang Trong trường hợp K>5, điện trường trở lên không đồng nhất Quá trình phóng điện chọc thủng diễn ra sau khi có sự xuất hiện của vầng quang

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 8.12 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

148

- 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 8.12 : 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 10-6đến 10-8s, 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

Kết luận: Phóng điện trong điện trường rất không

đồng nhất:

Khi mũi nhọn mang điện tích (+), cực bản mang

điện tích (-)

(+) (+)

(-) (-)

x S

Để duy trì phóng điện vầng quang cần phải liên tục nâng điện áp lên so với điện áp đặt vào ban đầu (tức là Uphóng điện vầng quangtăng) Cường độ điện trường giữa 2 cực tăng sẽ thuận lợi cho quá trình phóng điện chọc chủng (Uct giảm)

Khi mũi nhọn mang điện tích (-), cực bản

mang điện tích (+)

Để duy trì phóng điện vầng quang liên tục

ta có thể giảm điện áp (sau khi thác điện tử

phát triển) so với điện áp ban đầu đặt vào giữa

2 điện cực Trong trường hợp này Uphóng điện

vầng quanggiảm, điện áp chọc thủng Ucttăng

Hình 8 Quá trình phóng điện chọc thủng khi mũi nhọn có cực tính âm

8.1.9 Phóng điện trong chất khí khi điện trường phân bố gần đều

Có nhiều biện pháp nâng cao Upđ nhưng biện pháp hay dùng và hiệu quả nhất là: cải tiến điện trường từ không đồng nhất  gần đồng nhất

Trong không khí: Khi E không đồng nhất: Epđ= 7,5kV/cm (mũi nhọn (+))

Epđ = 20kV/cm (mũi nhọn (-)) Khi E đồng nhất: Epđ = 30kV/cm

Để thực hiện biện pháp cải tiến điện trường từ không đồng nhất  đồng nhất, người

ta dùng màn chắn đặt giữa điện cực Màn chắn là 1 tấm cách điện mỏng có tác dụng làm thay đổi sự phân bố điện tích trong khoảng không gian giữa 2 cực Tuy nhiên tác dụng của màn chắn phụ thuộc nhiều vào cực tính của cực

150

S’ S’’

Khi không có màn chắn Khi có màn

chắn

8.1.10 Phóng điện trong 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 Vslên 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 t0điện 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 8.13 : Biểu diễn các thành phần của thời gian trễ Nếu thời gian t0có thể xác định theo dạng xung chuẩn của mỗi loại điện áp xung thì

ts và tflại phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau Dưới đây ta đi sâu vào xét ts và tf

152

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 (108điện 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 hệ điện cực

Nếu ta gọi β là tỉ lệ điện tích tự do được sinh ra bởi các nguồn tự nhiên, P1 là xác suất xuất hiện một điện tử tự do trong thể tích tới hạn còn P2là xác suất mà điện tử này có thể gây lên phóng điện chọc thủng Thời gian trễ thống kê trung bình được tính theo công thức:

2 1

1

P P

tb β

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 n0là 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

Phương trình này gọi là phương trình Laue, τtbcòn 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 8.13) rồi ghi lại trị số điện áp xảy ra phóng điện và thời gian trễ

Hình 8.13 : 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

154

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 8.14) Độ lệch giữa hai đường được gọi là dự trữ an toàn của thiết bị (safety margin)

Hình 8.14 : 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 8.15 : Phối hợp bảo vệ cách điện bằng phương pháp hàm phân bố xác suất

8.2 PHÓNG ĐIỆN TRONG CÁC VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ 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 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

Trong chất lỏng bao giờ cũng có các tạp chất như: nước, bọt khí, bụi bẩn…làm cho hiện tượng phóng điện phức tạp lên rất nhiều

8.2.1 Quá trình hình thành streamer

Giai đoạn hình thành streamer là giai đoạn mà các điều kiện thuận lợi cho việc phát triển streamer được tạo ra: hiện tượng xâm nhập và sự tăng theo cấp số nhân của các điện tích vào trong chất lỏng (quá trình thác điện tử) Giai đoạn này diễn ra như sau: Khi điện áp đặt vào vượt quá một ngưỡng nào đó, ở điện cực có điện trường lớn nhất sẽ xuất hiện những dòng điện xung Dòng điện xung này sẽ tạo ra các thác điện tử và do đó cung cấp cho chất lỏng ở khu vực đó một năng lượng rất lớn, năng lượng này phần lớn được chuyển thành nhiệt năng làm hóa hơi chất lỏng để tạo thành các bọt khí Như vậy giai đoạn này thực chất

là giai đoạn tạo nên các bọt khí trong đó khí chính là hơi của chất lỏng Do sự chênh lệch về hằng số điện môi tương đối giữa chất lỏng và khí, điện trường trong các bọt khí được tăng cường và lớn hơn nhiều điện trường trong chất lỏng Khi nó đạt giá trị tới hạn, khí trong bọt khí sẽ bị ion hóa và phát triển thành điện tử Các điện tử này tiếp tục va chạm vào thành của

156

bọt khí, là chất lỏng và tiếp tục gây ra các quá trình ion hóa mới để tạo ra các bọt khí mới Như vậy quá trình trong chất khi bắt đầu chuyển sang gia đoạn phát triển streamer

Giai đoạn phát triển streamer diễn ra rất ngắn (cho đến khi nó dừng lại hoặc phát triển thành hồ quang chỉ khoảng từ 10-9đến 10-4s) Căn cứ vào vận tốc và điện áp đặt vào người ta chia giai đoạn phát triển thành bốn loại:

Loại 1: Là giai đoạn phát triển của streamer chậm có dạng bụi (bush like hoặc buisson) với vận tốc không lớn hơn vài trăm m/s Ở bất kỳ dạng cực tính nào loại này chỉ quan sát thấy với điện cực mũi nhọn có bán kính rất nhỏ (vài µm) và khoảng cách giữa các cực rất nhỏ Streamer ở loại này chỉ phát triển ra khỏi điện cực mũi nhọn một khoảng ngắn

và thường không bao giờ gây ra phóng điện chọc thủng

Khi ta tăng điện áp đặt vào, giai đoạn phát triển loại 1 sẽ bước sang loại 2, 3 và 4

Hình 8.16 mô tả hình dáng và vận tốc của streamer cực tính dương trong dầu máy biến áp biến thiên theo biên độ của điện áp xung đặt vào Vận tốc của streamer ở đây được ước tính theo tỉ số giữa khoảng cách giữa các điện cực và thời gian từ khi xuất hiện streamer đến khi

có phóng điện chọc thủng

Loại 2: Loại này thường gặp nhất trong thực tế đối với các cách điện ở điện áp cao làm việc dưới tần số công nghiệp Nó thường được quan sát thấy ở điện áp xung (creneau) trong trường không đồng nhất ở trị số điện áp lớn hơn điện áp phóng điện chọc thủng Vb(trị

số điện áp chọc thủng ở đây được hiểu là giá trị điện áp xung nhưng với độ rộng đủ lớn: cỡ hàng nghìn ms) cho đến tận điện áp tăng tốc Va Vận tốc di chuyển của streamer cực tính dương ở loại này gần như là hằng số (2km/s) ở điện áp xoay chiều với V≤Vb và ở điện áp xung với V≤2Vb Ở giai đoạn đầu của quá trình phát triển xuất hiện nhiều tia hình sợi có ánh sáng yếu (hình 8.17), khi streamer phát triển đến một độ dài nào đó thì các cường độ sáng của các tia này đột ngột tăng cao và lặp lại (sau một vài µs) Mỗi lần ánh sáng lặp lại là tương đương với một đỉnh của dòng điện xung ghi được ở mạch ngoài, độ lớn của dòng điện này tăng với độ dài của streamer và có thể lên tới vài amper nếu khoảng cách giữa các điện cực lớn

Hình 8.16: Sự phụ thuộc của vận tốc streamer cực tính dương trong dầu máy biến áp vào biên độ của điện áp

xung đặt vào hệ điện cực mũi nhọn- cực bản (d=10cm)

Hình 8.17: Ánh sáng phát ra trong quá trình phát triển của streamer cực tính dương giữa hệ điện cực mũi

nhọn- cực bản Loại 3: Khi điện áp đặt vào lớn hơn điện áp Vb thì quá trình phát triển loại 3 đã có thể xuất hiện Vận tốc của loại này rất lớn vào khoảng 10-20km/s, và nó càng lớn nếu điện

áp đặt vào càng vượt Vb Quá trình phát triển ở loại này có các đặc tính giống như ở loại 2 nhưng có trị số lớn hơn (tần số và cường độ sáng)

Loại 4: Loại này xuất hiện ở điện áp lớn hơn Va, có vận tốc rất lớn (≥100km/s), streamer ở loại này có hình sợi mỏng ít phân nhánh và có cường độ sáng rất lớn Các xung dòng điện có trị số rất lớn và rất gần nhau

158

Khi streamer phát triển đến hết khoảng cách giữa hai điện cực, dòng hồ quang hình thành có trị số tăng rất nhanh, điện áp giảm rất mạnh và kèm theo sự phát ánh sáng mạnh Dòng điện lúc này có thể lên tới hàng trăm ampere và năng lượng rất lớn kèm theo sẽ được chất lỏng hấp thụ, khi đó sẽ sinh ra các bọt khí và các bọt khí này được hấp thụ vào trong chất lỏng

8.2.2 Quá trình phóng điện

Khi điện trường đặt lên chất lỏng đủ lớn, quá trình phóng điện chọc thủng sẽ diễn ra

Có nhiều mô hình để giải thích cơ chế xảy ra quá trình phóng điện chọc thủng trong chất khí

Lý thuyết phóng điện điện tử trong chất lỏng giải thích quá trình phóng điện chọc thủng trong chất lỏng diễn ra tương tự như quá trình hình thành và phát triển thác điện tử trong chất khí Các điện tử đầu tiên xuất phát từ cathode do cơ chế thoát nhiệt hoặc thoát do điện trường (hiệu ứng Schottky) Khi điện tử thoát khỏi điện cực (cathode) và xâm nhập vào trong chất lỏng, giả thiết rằng một số điện tử nhận năng lượng của điện trường ngoài lớn hơn lượng năng lượng mà nó mất đi do va chạm với các phân tử Các điện tử như vậy tiếp tục được tăng tốc cho đến khi năng lượng nó nhận được đủ lớn để ion hóa các phân tử mà

nó va chạm và hình thành lên thác điện tử Tuy nhiên lý thuyết này không được chấp nhận rộng rãi bởi các lý do sau:

1 Quãng đường tự do trung bình của các điện tử trong chất lỏng rất nhỏ (cỡ 10

-6cm), quãng đường này quá bé để cho điện tử có thể tích lũy đủ năng lượng cần thiết (≈10eV) để gây ion hóa cho các phân tử chất lỏng Hơn nữa chưa có kết quả thực nghiệm nào chứng tỏ sự tồn tại của quá trình α (quá trình hình thành thác điện tử đầu tiên)

2 Lý thuyết này không giải thích được sự phụ thuộc của quá trình phóng điện vào

áp suất Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng ở áp suất lớn (25 atm), giá trị điện trường

để xảy ra phóng điện tăng tới 50% trong khi ở áp suất này thì độ lớn của quãng đường chuyển động tự do trung bình không bị ảnh hưởng bởi áp suất

8.2.3 Vai trò của các bọt khí

Thực nghiệm trong nhiều chất lỏng đã quan sát thấy rằng cường độ điện trường phóng điện chọc thủng phụ thuộc mạnh vào áp suất thủy tĩnh đặt lên chất lỏng đó Kết quả này gợi ý rằng đã có sự chuyển pha nào đó của môi trường đã ảnh hưởng lên quá trình

phóng điện chọc thủng, nói một cách khác sự hình thành các bọt khí (gas bubble) có thể là nguyên nhân của phóng điện chọc thủng Các quá trình hình thành bọt khí bao gồm:

- Các túi khí ở bề mặt điện cực

- Lực tương tác tĩnh điện giữa các điện tích không gian có thể đủ lớn để vượt

quá giá trị của sức căng mặt ngoài Điều này dẫn tới sự hình thành các vùng có áp suất bằng không hay là tạo ra các lỗ hổng chân không

- Các sản phẩm khí kết quả của các quá trình tách các phân tử chất lỏng do

va chạm của các điện tử

- Quá trình bay hơi của chất lỏng do phóng điện vầng quang diễn ra ở các

đỉnh nhọn hoặc trên bề mặt không bằng phẳng của điện cực

- Đối với giấy tẩm dầu dùng trong cuộn dây máy biến áp, cáp và tụ điện, quá

trình thay đổi tải liên tục cũng dẫn đến sự hình thành các lỗ hổng và bọt khí

Khi một bọt khí được hình thành, nó sẽ bị kéo dài theo hướng của điện trường do ảnh hưởng của lực tĩnh điện Thể tích của bọt khí sẽ giữ không đổi trong quá trình bị kéo dài Quá trình phóng điện sẽ diễn ra khi điện áp rơi dọc theo chiều dài của bọt khí bằng với giá trị nhỏ nhất trên đường cong Paschen ứng với khí bên trong bọt khí Giá trị điện trường bên trong bọt khí khi đó được tính bằng công thức:

2 / 1 0

2 1 2

1

24

)2

(2)(

−

=

rE

V r

ε

Trong đó σ là sức căng mặt ngoài, ε1 là hằng số điện môi tương đối của chất lỏng, ε2

là hằng số điện môi tương đối của khí bên trong bọt khí, r là bán kính ban đầu của bọt khí (giả sử ban đầu là hình cầu) còn Vb là điện áp rơi trên chiều dài của bọt khí Từ phương trình này ta nhận thấy rằng cường độ phóng điện chọc thủng phụ thuộc vào kích cỡ ban đầu của bọt khí , mà kích cỡ này lại phụ thuộc vào áp suất thủy tĩnh và nhiệt độ của chất lỏng

8.2.4 Ảnh hưởng của tạp chất rắn và chuyển động của chất lỏng

Trong thực tế, các quy trình làm sạch chất lỏng không bao giờ loại trừ hết được các tạp chất rắn cỡ dưới micro mét Các tạp chất rắn này có thể tồn tại trong chất lỏng như các sợi hoặc các phần tử phân tán trong chất lỏng Giả thiết các phần tử phân tán có dạng hình cầu bán kính r và hằng số điện môi ε2, nếu điện trường đặt lên chất lỏng (có ε1) là E thì các phần tử này chịu một lực F có trị số:

160

2 2

1

1 2 3

2

)(

2

1

gradE r

F

εε

εε+

−

Nếu ε2>ε1(thực tế điều này luôn đúng), lực này sẽ có hướng về vùng có điện trường lớn nhất, do vậy các phần tử chất rắn sẽ di chuyển về phía điện cực nơi có điện trường mạnh

và tạo nên cầu nối giữa các điện cực rồi dẫn tới phóng điện chọc thủng

Hình 8.18: Một hình tựa cầu dài Nếu số lượng các phần tử chất rắn không đủ lớn (có một hoặc vài phần tử) để hình thành cầu nối giữa các điện cực, nó cũng làm tăng cường điện trường trong chất lỏng ở các

vị trí gần phần đuôi của các phần tử Độ tăng của điện trường tại các điểm này phụ thuộc vào hình dáng của phần tử chất lỏng Người ta đã tính được độ tăng này ứng với một số trường hợp đơn giản:

1 Phần tử hình cầu (γ=1): E1=3E

2 Phần tử hình tựa cầu dài (prolate spheroidal) (γ=2): E1=5,8E

3 Phần tử hình tựa cầu dài (prolate spheroidal) (γ=5): E1=18E

Trong đó γ là tỉ số giữa bán kính lớn nhất và bán kính nhỏ nhất của phần tử còn E và

E1lần lượt là điện trường trong chất lỏng khi không tồn tại phần tử chất rắn và điện trường

ở đuôi của phần tử Khi E1 lớn hơn cường độ điện trường chịu đựng của chất lỏng, hiện tượng phóng điện cục bộ tại phần đuôi của phần tử chất rắn sẽ xảy ra Hiện tượng phóng điện cục bộ này có thể tạo thành các bọt khí và dẫn tới phóng điện chọc thủng trong chất lỏng

Kích cỡ của các phần tử tạp chất cũng ảnh hưởng đến giá trị điện áp chọc thủng: kích cỡ càng lớn, giá trị điện áp phóng điện càng nhỏ Độ nhớt của chất lỏng ảnh hưởng đến thời gian gây lên phóng điện chọc thủng, độ nhớt càng lớn thời gian để hình thành phóng điện chọc thủng cũng tăng theo Hiện tượng phóng điện chọc thủng theo cơ chế này có thể xảy ra dưới điện áp một chiều hoặc xoay chiều tần số công nghiệp nhưng không thể xảy ra ở tần số cao hoặc điện áp xung

8.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Điện áp phóng điện của dầu máy biến áp hầu như không phụ thuộc và nhiệt độ của

nó, trừ khi nhiệt độ nó gần đạt tới nhiệt độ sôi Khi gần tới nhiệt độ sôi, chịu đựng giảm

mạnh, điều này có thể được giải thích do ở nhiệt độ này bắt đầu có sự hình thành của các bọt khí đồng thời với sự suy giảm của độ nhớt và sức căng mặt ngoài Tuy nhiên nếu dầu bị nhiễm hơi nước, điện áp chịu đựng rất nhạy với nhiệt độ ở khoảng nhiệt độ rất rộng từ -

20oC cho đến nhiệt độ sôi của dầu (khoảng 250o

C)

Áp suất ảnh hưởng rất lớn lên điện áp chịu đựng của cách điện lỏng, đặc biệt là điện

áp xoay chiều tần số công nghiệp và điện áp một chiều Nếu ta tăng áp suất từ áp suất khí quyển lên khoảng hơn 10 lần, điện áp chịu đựng có thể tăng đến 50% Điều này cũng dễ hiểu do sự hình thành các bọt khí bị cản trở và áp suất của khí trong bọt khí (nếu có) cũng tăng do đó điện áp tối thiểu gây nên ion hóa trong quá trình hình thành streamer cũng tăng lên Tuy nhiên ở điện áp xung có độ rộng nhỏ hơn 0,05µs thì điện áp phóng điện hầu như không bị ảnh hưởng bởi áp suất

8.3 PHÓNG ĐIỆN TRONG CÁC VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ RẮN

So với điện môi lỏng và khí, phóng điện trong điện môi rắn phức tạp hơn rất nhiều Nghiên cứu phóng điện trong điện môi rắn cũng khó khăn hơn vì điện môi rắn sau khi phóng điện không có tính thuận nghịch như khí và lỏng (tức là sau khi phóng điện không khôi phục lại được tính cách điện) Mặt khác khi phóng điện trong chất rắn thì mọi điểm không giống nhau, do vậy phải dùng lý thuyết xác suất thông kê để tính toán

Cường độ cách điện của điện môi rắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: loại phân tử, loại liên kết phân tử, lượng tạp chất trong điện môi, các yếu tố môi trường: độ ẩm, nhiệt độ…

Không như đối với chất khí hoặc lỏng, khi bị phóng điện chọc thủng điện môi rắn trở thành bị hư hại hoàn toàn Cơ chế phóng điện chọc thủng trong chất rắn tương đối phức tạp và vẫn chưa có một lý thuyết nào giải thích đầy đủ hiện tượng này Dưới đây chúng ta

đề cập đến những lý thuyết chính được dùng để giải thích cơ chế phóng điện chọc thủng trong chất rắn

8.3.1 Nguồn gốc các điện tích

Trong cơ chế phóng điện này, điện trường là nguyên nhân gây lên sự tăng về số điện

tử hoặc năng lượng mà chúng mang đến một giá trị không ổn định, từ giá trị đó chúng tăng vọt đến mức để gây ra phá hủy tinh thể mạng của của chất rắn Cơ chế phóng điện chọc