Giáo trình Cao áp - Chương 14

Giáo trình Cao áp Trường: BÁCH KHOA HÀ NỘI Giảng viên: TRẦN VĂN TỚP

Chương 14 : Cách điện bên trong vμ đặc tính chủ yếu

14.1 Các tính chất chủ yếu của cách điện bên trong

14.2 Phóng điện trong chân không

14.2.1 Giới thiệu

Thực ra, ý tưởng sử dụng chân không làm cách điện không mới mẻ, từ quan sát trên thực nghiệm rằng một tụ điện tích điện nếu để trong môi trường sẽ tự phóng điện, sự phóng điện nhanh hay phóng điện đột ngột phụ thuộc vào quá trình ion hoá điện môi Lúc đầu, người ta cho rằng sự vắng mặt của các vật chất (chân không) cho phép có được một cách điện lý tưởng với điện trở suất vô cùng lón và vectơ phân cực zero Do vậy có thể ngĩ rằng tụ điện sẽ tích điện mãi mãi Tuy nhiên sau đó người ta nhận ra quan niệm này là sai Thực tế là cho dù áp suất của chất khí rất thấp, phóng điện trong chất khí vẫn có thể xảy ra với nguyên nhân chủ yếu là ion va chạm (xem phần phóng điện trong điện môi khí sẽ trình bày sau) nhưng khi áp suất thấp hơn một giá trị nào đó quá trình phóng điện xảy ra hoàn toàn khác, sự hình thành phóng điện trong chân không bắt đầu và được duy trì bởi những điện tích xuất phát từ các điện cực

Hình 14.1 biểu diễn điện áp xuất hiện phóng điện trong khí nitơ giữa hai điện cực phằng cách nhau một khoảng d=1cm với sự thay đổi của áp suất

V

P (Pa)

Hình 14.1: Sự phụ thuộc của điện áp xuất hiện phóng điện trong điện trường đồng nhất vào áp suất p

Vùng II trên đồ thị 14.1 tương ứng với sự ion hoá chất khí, điện áp xuất hiện phóng điện tuân thủ định luật Pashen

và chỉ là hàm của tích pd ở hai vùng đầu mút I và III, đường cong này lệch khỏi định luật này Vùng III tương ứng với áp suất cao hơn áp suất khí quyển, còn vùng I ứng với chân không

Trong chân không trung bình (áp suất p≈10-1 Pa) quãng đường chuyển động tự do trung bình của điện tử λ>3 m nên phóng điện không thể xảy ra theo cơ chế ion hoá chất khí mà chỉ có thể do các điện tích xuất phát từ điện cực

Để giải thích quá trình hình thành và phát triển của phóng điện trong chân không, nhiều giả thuyết được đưa ra Các hiện tượng vật lý được xem là thuyết phục hơn cả :

giải thoát điện tử phụ thuộc chủ yếu vào điện trường;

trao đổi các ion với điện cực dẫn đến các vi phóng điện

Hiện tượng phóng điện trong chân không khoảng cách nhỏ d≤5mm được giải thích bởi sự giải thoát điện tử từ bề mặt âm cực theo hiệu ứng Fowler-Nordheim Với khoảng cách lớn hơn, nó được giải thích bởi các vi hạt (microparticles)

và các vi phóng điện (microdischarges)

14.2.2 Hiện tượng giải thoát nhiệt điện tử (thermoelectronic emission)

Do mật độ phân tử trong chân không bé nên quá ttrình phóng điện được xây dựng trên giả thiết là các điện tử được bức xạ từ các bề mặt điện cực kim loại và thâm nhập vào khoảng không gian giữa hai điện cực Kim loại được xem là một mạng ba chiều với các nguyên tử nằm ở các nút mạng và bao quanh chúng một là đám mây các điện tử tự do Năng lượng của một điện tử trong điện trường của các hạt nhân được xác định đơn giản bằng :

r

o

=

2

4 πε

Trong đó Z là số thứ tự của nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn, e là điện tích của điện tử, r là khoảng cách giữa điện tử và hạt nhân

Fermi và Dirac xác định phân bố năng lượng của các điện tử chuyển động trong không gian đặt dưới một thế không

đổi như sau :

h

W

W W kT

dW

e

i

( )

exp

,

=

+ ⎛ ⎝⎜ ư ⎞ ⎠⎟

1

1 5 3

π

trong đó Wi là năng lượng ở mức Fermi; N(W) số điện tử có năng lượng W trong 1 đơn vị thể tích; h : hằng số Planck; k : hằng số Boltzman; me khối lượng của điện tử

ở nhiệt độ T= 0 K, năng lượng Wi được xác đinh, bởi :

m

n

n

i e

19 0 66

8

3

3 64 10 π

,

,

n là mật độ điện tử, cm-3

Năng lượng Wi thay đổi rất ít khi nhiệt độ thay đổi vì thế công thức có giá trị trong dải nhiệt độ nằm dưới nhiệt độ nóng chảy của kim loại ở nhiệt độ T=0 K, W<Wi, số hạng dạng hàm mũ sẽ bằng 0

Ta tính được số điện tử Nx(Wx)dWx có mức năng lượng nằm trong khoảng Wx và Wx+ΔWx đạt tới một đơn vị diện tích bề mặt trong một đơn vị thời gian :

h

x

⎣

⎦

⎥

4

1

3

π

Để một điện tử có thể có thể được giải thoát từ bề mặt âm cực thì năng lượng Wx phải lớn hơn Wa Φ = Wa-Wx được gọi là công thoát, tức là năng lượng tối thiểu cần cung cấp cho một điện tử nằm trong vùng dẫn để nó có thể thoát khỏi kim loại chuyển sang chân không Khi ta tăng nhiệt độ của điện cực, số điện tử bức xạ từ một đơn vị diện tích bề mặt trong một đơn vị thời gian :

( )

nx N W dWx x x

W a

Từ đó suy ra mật độ dòng điện J :

J em k T

h

b T

s

= 4 ⎛ ⎝⎜ ư ư ⎞ ⎠⎟ ⎛ ⎝⎜ ư ⎞ ⎠⎟

3

2

π

exp hay J =s exp Phương trình trên được gọi là phương trình Richardson-Dushman

âm cực được xem là một mặt phẳng đẳng thế ở một khoảng cách x (vài bán kính nguyên tử); khi mà một điện tử rời kim loại bức xạ vào chân không, nó chịu tác dụng của một lực F bằng :

( )

x

o

=

2 2

Nếu ta đặt một điện trường E, tồn tại một khoảng cách tới hạn xc mà ở đó lực tác dụng lên điện tử bằng 0 Khoảng cách xc được tính trên cơ sở cân bằng lực :

x

e E

⎠

⎟

2 2

16

1

2 4

πε xc πε

0,5

Sự giảm năng lượng cho phép các điện tử vượt qua hàng rào thế năng Hiện tượng này goi là hiệu ứng Schottky

x dx

o

x c

2 2

Kết hợp với công thức 14.8, ta tìm được mức giảm chiều cao hàng rào thế năng :

⎠

⎠

⎟

Do vậy :

kT

= ⎛ ⎝ ⎜ ư ⎞

⎠

⎟

'

Φ

Ta tính tiếp và thu được :

T

s

⎠

⎟ exp ,

,

0 44

0 5

Phương trình này (được gọi là hiệu ứng Schottky) cho phép xác định ảnh hưởng của điện trường mạnh, ít nhất cũng vào khoảng 107 V/m đến sự bức xạ nhiệt điện tử

14.2.3 Hiện tượng thoát điện tử bởi điện trường (field electron emission)

ở nhiệt độ bình thường, nếu điện trường tăng cao hơn 1010 V/m, sự bức xạ điện tử gây lên bởi điện trường

Một bề mặt điện cực bằng kim loại được giả thiết là bức xạ điện tử dưới tác dụng của điện trường mạnh, ngay cả trong trường hợp nhiệt độ tuyệt đối (T ≈0 K) Hiện tượng giải thoát điện tử bởi điện trường là do hàng rào năng lượng trên

bề mặt điện cực bị biến đổi dưới tác dụng của điện trường ngoài

Hình dung một điện tử muốn được giải thoát từ vùng dẫn của kim loại có mức năng lượng là W, hàng rào năng lượng không thể có chiều dày vô cùng mà phải là hữu hạn và xác suất điện tử vượt qua hàng rào năng lượng của kim loại sang vùng chân không là khác 0

WF Mức Fermi

Hình 14.2 Sơ đồ năng lượng trên bề mặt kim loại

Mật độ dòng điện ở nhiệt độ K xác định theo quan hệ Fowler-Nordheim :

J B

t y E B v y E

⎠

⎟

1 5

1 Φ

Φ exp

,

trong đó y=3,79.10-5E0,5Φ-1; B1 và B2 là các hằng số

B1 = 1,541.10-6 (A.eV.V-2); B2 =6,83.109 (V.m-1.eV0,5)

t(yw) và v(y) là hai hàm của y

Φ là công thoát

ở nhiệt độ 0 K, hầu hết các điện tử được giải thoát bởi cơ chế bức xạ điện tử từ mức Fermi từ bề mặt âm cực Trong kim loại, mức Fermi là mức năng lượng cao nhất của điện tử trong vùng dẫn

Các kết quả nghiên cứu về phóng điện trong chân không đều dựa trên giả thiết cho rằng hiện tượng giải thoát điện

tử xuất phát từ một số điểm cực nhỏ (micropoint) do sự gồ ghề trên bề mặt điện cực mà tại đó điện trường đạt giá trị tới hạn Trên đầu mút của các điểm này điện trường tăng cao hẳn so với điện trường trung bình và đặc trưng bởi hệ số khuyếch đại điện trường β:

Emax = βEtb=U/d

Phương trình Fowler-Nordheim biểu diễn quan hệ dòng điện qua chân không và điện áp có dạng :

U

d y B B

S

d y t U

I

e

1 302 , 2 log

log

5 , 1 2 2

1

2 2

Φ

ư

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ Φ

ư

=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Se là diện tích điện cực; I=J.Se

Nếu ta vẽ quan hệ I(V) trong hệ trục toạ độ log(I/U2) và 1/U thì độ nghiêng của đường thẳng (hình 14.3) cho phép xác định được hệ số β :

Hình 14.3

( )

β = B2ν y tg α d

1 5

2 302

Φ,

Phân tích các kết quả thí nghiệm đối với nhiều kim loại khác nhau và với điều kiện là các chất khí và các tạp chất không gây ô nhiễm bề mặt điện cực, Farral đánh giá cường độ điện trường tới hạn Ec nằm trong khoảng 5.109 V/m đến 18.109 V/m tuỳ từng kim loại

Sự giải thoát điện tử do điện trường làm bay hơi kim loại vùng điện cực sự bốc hơi kim loại vùng âm cực do hiệu ứng Joule hoặc kiệu ứng Nottingham Có vẻ như là sự nóng lên của các vi điểm trên bề mặt âm cực có thể đối với khoảng cách d nhỏ Đối với các khoảng cách lớn hơn và ở điện áp cao hơn, các điện tử có năng lượng lớn bắn phá anode và làm kim loại bay hơi

14.2.4 Phóng điện đánh thủng

Các cơ chế dẫn đến phóng điện trong chân không được dựa trên sự thực của các quá trình vật lý xảy ra trong điện trường mạnh nhưng còn phụ thuộc vào sự hiểu biết chưa đầy đủ về phóng điện trong chân không

Field electron emision : dòng điện do sự bức xạ điện tử do điện trường di qua một số vi điểm gồ ghề trên bề mặt âm cực

(cathode) làm cho chúng nóng đến điểm nóng chảy và bốc hơi Và sau đó các điện tử dẫn đến phóng điện Mặt khác, các điện tử được tyăng tốc trong điện trường mạnh bắn phá và truyền năng lượng đốt nóng và làm bốc hơi phần bề mặt anode cũng là nguyên nhân dẫn đến phóng điện;

Quá trình giải thoát điện tử, ion và các photon thứ cấp : quá trình phóng điện xảy ra theo trình tự tích luỹ;

Các vi hạt kim loại hay tạp chất : Các hạt này gắn bó một cách rất yếu với điện cực do vậy chúng có thể dễ dàng tách

khỏi điện cực và di chuyển đến điện cực đối diện khi có điện trường bên ngoài Khi tiếp xúc với điện cực, chúng tạo ra các điều kiện dẫn đến phóng điện như là : hình thành một dạng vi phóng điện giữa chúng với điện cực, tự nóng chảy

và bốc hơi hoặc làm biến dạng bề mặt điện cực

Chân không được sử dụng làm cách điện bên trong nhiều thiết bị cao áp : ống máy chụp tia X, kính hiển vi điện tử, máy cắt, dao cách ly, tụ điện làm việc ở áp suất thấp 10-7 torr (10-2 Pa) Trong dải áp suất 10-5-10-8 torr độ bền điện của chân không không phụ thuộc vào áp suất, đạt giá trị rất cao 108 V/m

Kết quả thực nghiệm cho phép xác định các công thức thực nghiệm về điện áp phóng điện đánh thủng của chân không (Naidu và Maller, 1979) :

Điện áp một chiều : Vc=k1d nếu d≤1 mm, k1 = 3 đến 8.104 V/mm

Vc=k2dα nếu d≤1 mm, k1 = 4 đến 4,5.104 V/mm, α=0,6

Điện áp xoay chiều : Vc=45d0,8 với 0,05≤d≤1,5 mm

Vc=57d0.3 với 1,5<d≤2.8 mm

14.3 Phóng điện trong chất lỏng

Trong các ứng dụng công nghiệp thì người ta quan tâm nhiều đến độ bền cách điện của các chất lỏng trong điện trường đồng nhất hoặc gần đồng nhất; thiết bị để thí nghiệm độ bền điện gồm hai điện cực bằng đồng, hoặc bằng thép không rỉ có dạng hình hai nửa cầu với khoảng cách giữa hai điện cực là 2,5 mm như mô tả trên hình vẽ 14.12

Hình 14.12 : Cốc đo độ bền điện của chất lỏng (tiêu chuẩn IEC156)

Hầu hết các nghiên cứu về phóng điện trong chất lỏng cách điện tập trung về xem xét các ảnh hưởng của các yếu

tố như dạng điện trường, độ ẩm, tạp chất đến điện áp phóng điện trong các điều kiện rất hạn chế : điện trường gần

đồng nhất, khoảng cách không lớn Những kinh nghiệm vận hành và sử dụng chất lỏng cách điện như dầu máy biến áp

đã chỉ ra rằng trong các điều kiện này (khoảng cách lớn, thể tích chất lỏng nhiều ) quá trình phóng điện khác xa với nhữngkết quả trên đây Để tìm hiểu cơ chế phóng điện, các yếu tố ảnh hưởng khác nhau đến điện áp phóng điện của chất lỏng đã được khảo sát, một số lý thuyết được đưa ra để giải thích hiện tượng phóng điện Tuy vậy các nghiên cứu về quá trình phóng điện trong chất lỏng, đặc biệt các nghiên cứu về nguyên nhân dẫn đến phóng điện được biết đến ít hơn trong các chất khí Các kết quả nghiên cứu không thống nhất và vì vậy không có một lý thuyết chung về phóng điện trong chất lỏng ý tưởng ứng dụng các cơ chế phóng điện trong các chất khí vào các nghiên cứu sự phóng điện trong chất lỏng

đã được sử dụng trong rất nhiều trường hợp Tuy nhiên các kết quả không hoàn toàn thoả mãn Một trong những nguyên nhân chính là trong các chất lỏng mật độ phân tử dày đặc hơn trong chất khí, quãng đường chuyển động tự do ngắn hơn nhưng quan trọng hơn cả là các trạng thái vật lý cơ sở của chất lỏng chưa được mô tả một cách đầy đủ Hơn thế nữa, các quá trình quan trọng như sự phân ly của các phân tử, sự bức xạ nhiệt điện tử hoặc do điện trường được coi là nguồn gốc xuất hiện của các điện tích do

14.4.1 Bản chất và chuyển động của các ion trong điện trường mạnh

Tất cả các chất đều ở trạng thái rắn khi nhiệt độ rất thấp và chuyển sang trạng thái khí ở nhiệt độ đủ cao Các quá trình vật lý cơ bản của trạng thái lỏng có thể hiểu dễ dàng hơn nếu ta coi chất lỏng như là một trạng thái trung gian giữa một khí nén hoặc chất rắn

a) Các quá trình điện tử trong chất lỏng

Trong một môi trường dày đặc phân tử như chất lỏng, sự tương tác giữa các phân tử nói chung là mạnh hơn rất nhiều, quãng đường chuyển động tự do của các phần tử cũng bé hơn chỉ cỡ kích thước phân tử

Trên đường quan hệ giữa dòng điện và điện trường có thể phân biệt các vùng khác nhau Trong điện trường yếu dòng điện qua chất lỏng tăng tuyến tính với điện áp tác dụng sau đó có thể có giai đoạn bão hoà Dưới tác dụng của điện trường mạnh, dòng điện tăng rất nhanh gần như là tỷ lệ với hàm mũ với điện áp cho đến khi xảy ra phóng điện đánh thủng Tương tự với lý thuyết phóng điện của Townsend trong chất khí, các điện tử tự do sau khi bức xạ từ âm cực có thể gây ion hoá khi va chạm với các phân tử chất lỏng Tuy nhiên giả thiết này không đủ vì người ta đã xác định được là trong chất lỏng quá trình ion hoá va chạm chỉ có thể trong điện trường có lẽ vào khoảng 1 MV/cm nhưng phóng điện đánh thủng lại xảy ra trong điện trường thấp hơn 500 kV/cm

b) Sự phun (injection) điện tích

Dưới tác dụng của điện trường mạnh có hiện tượng phun (injection) điện tích từ điện cực do sự tồn tại của một lớp ion trên ranh giới tiếp giáp điện cực kim loại với chất lỏng (hình 14.13)

ư

ư

ư

ư

Điện cực

Hình 14.13 :

Một trong những hướng nghiên cứu để tìm lời giải thích cho cơ chế phóng điện trong chất lỏng là sử dụng những chất lỏng tinh khiết có cấu trúc đơn giản nhất ví dụ cyclohexane, trong điện trường đặc biệt không đồng nhất Với điện trường mũi nhọn-cực bản có bán kính cong của mũi nhọn rất nhỏ khoảng 0.2μm cường độ điện trường trên mũi nhọn có thể đạt tới 20 MV/cm không bị phóng điện đánh thủng Kết quả nghiên cứu cho thấy cho thấy trong các trường hợp này có các cơ chế trao đổi điện tử giữa một kim loại và chất lỏng như sau :

sự phát xạ điện tử theo hiệu ứng đường hầm từ âm cực sang chất lỏng vượt qua hàng rào thế năng theo định luật Fowler-Nordheim;

sự ion hoá là quá trình ngược lại, chất lỏng nhường điện tử cho anode

Hai hiệu ứng này dẫn đến các quy luật biến thiên rất dốc của dòng điện qua chất lỏng với điện áp tác dụng và được kiểm chứng trong một số chất khí hoá lỏng và trong một số hydrocarbure khi mũi nhọn mang cực tính âm

14.4.2 Các mô hình phóng điện trong chất lỏng

Một số các lý thuyết sau đây về quá trình phóng điện trong các điện môi lỏng được đề xướng :

lý thuyết phóng điện điện tử

phóng điện do các tạp chất cách rắn

lý thuyết về các túi (bọt) khí

a) Lý thuyết điện tử

Lý thuyết này dựa trên cơ sở của sự phóng điện trong chất khí với giả thiết rằng các điện tử dưới tác dụng của điện trường mạnh sẽ tăng tốc chuyển động khi va chạm với các phân tử chất lỏng sẽ gây ion hoá chúng Các điện tử xuất hiện trong chất lỏng được giải thchs do sự giải thoát nhiệt điện tử Tuy nhiên các kết quả thực nghiệm về điện áp phóng điện

đánh thủng trong dải nhiệt độ rất rộng cho thấy độ bền điện của chất lỏng thay đổi ít rõ nét vì vậy giả thiết là sự bức xạ

điện tử do điện trường là chắc chắn hơn cả Tuy vậy chỉ có sự giải thoát điện tử là chưa đủ gây ra phóng điện mà cần có quá trình nhân giống các điện tử điều kiện hình thành và phát triển của thác điện tử có thể viết như sau :

e E λ = c h ν trong đó λ : quãng đương tự do

Trong các điện môi lỏng cực sạch, độ linh hoạt của điện tử đủ lớn cho sự phát triển của thác điện tử Trong các

điện môi có độ linh hoạt của các điện tử bé, các điện tử không thể hình thành thác điện tử bằng ion hoá va chạm mà tạo

thành một vùng mật độ thấp trong đó các thác điện tử có thể phát triển với sự hình thành các bọt khí

Lý thuyết điện tử về phóng điện trong chất lỏng có thể giải thích quan hệ điện áp phóng điện nhưng các kết quả thực nghiệm về thời gian để xảy ra phóng điện (formative time lags) lại dài hơn so với dự báo của mô hình

b) Phóng điện do tồn tại các túi (bọt) khí

Các chất lỏng cách điện có thể chứa các túi (bọt) khí Các túi (bọt) khí này được hình thành do các quá trính sau : các bọc khí trên bề mặt điện cực;

quá trình thay đổi nhiệt độ và áp suất;

sự bay hơi của các chất khí do phóng điện vầng quang tại những điểm gồ ghề trên mặt điện cực

Cường độ điện trường trong các túi (bọt) khí xác định bởi :

εrkEk = εrclEo ⇒ Ek = εrclEo εrk ≈ 1

Eo là cường độ điện trường khi không có các túi (bọt) khí Nếu cường độ điện trường trong các túi (bọt) khí đạt giá trị ion hoá thì quá trình phóng điện xảy ra trước hết trong các bọc khí này và dẫn đến phóng điện trong toàn bộ chất lỏng Chúng ta có thể tham khảo một chỉ tiêu về cường độ điện trường phóng điện đánh thủng dạng sau :

2 / 1

1 2

4

2 2

1

⎪⎭

⎪

⎬

⎫

⎪⎩

⎪

⎨

⎧

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

ư

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ +

+

=

o

k rcl

rk rcl

rk

U r

ε

trong đó : Uk là sụt áp trên túi khí;

r là kích thước ban đầu của túi khí;

σ là ừng lực bề mặt của túi khí

c) Cơ chế phóng điện do các tạp chất rắn

Sự có mặt của các tạp chất dẫn điện hoặc tạp chất cách điện đều làm giảm độ bền điện Các tạp chất rắn tồn tại trong các chất lỏng có thể là các hạt hoặc các sợi cellulose hoặc các tạp chất kim loại

Giả thiết chúng ta có một hạt tạp chất hình cầu bán kính r, hằng số điện môi εrtc treo lơ lửng trong một chất lỏng có hằng số điện môi εtcl dưới tác dụng của điện trường E Hạt tạp chất này phân cực dưới tác dụng của điện trường và chịu tác dụng của một lực :

dx

rcl

2

3

Lực tác dụng này hướng theo điện trường nếu εrtc > εtcl nhưng với các túi (bọt) khí ta có εrtc≈1 < εtcl lực này có chiều ngược lại

Đối với các tạp chất kim loại ta có ε → ∞ lực tác dụng bằng

dx

Lực tác dụng này thúc đâỷ các tạp chất chuyển động đến vùng điện trường lớn nhất và liên kết với nhau hình thành một cầu nối dài Sự chuyển động của các hạt này bị cản bởi nội lực của các phân tử do độ nhớt

Lực này có gía trị bằng :

( )

Fdrag = 6π η r v x

trong đó η là độ nhớt của chất lỏng và v(x) là vận tốc chuyển động

điều kiện xảy ra phóng điện được viết như sau

2

1 4

ư

14.4.3 Diễn biến của quá trình phóng điện

Sau đây sẽ khảo sát một số kết quả gần đây về quá trình phóng điện trong chất lỏng

a) Hình thành và phát triển thác điện tử

Sự hình thành thác điện tử trong các chất lỏng tương tự như trong chất khí chỉ mới được chứng minh gần đây cho trường hợp mũi nhọn-cực bản Một trong những kết luận quan trọng khi nghiên cứu sự phát triển của thác điện tử là tồn tại một khoảng cách xi kể từ mũi nhọn cho quá trình ion hoá va chạm Khoảng cách này xấp xỉ bằng bán kính cong của mũi nhọn Trên khoảng cách này tồn tại cường độ điện trường tới hạn Ei≈2,5 MV/cm Vì vậy nếu mũi nhọn có bán kính cong nhỏ hơn 0,6 μm thì quá trình ion hoá va chạm không thể xảy ra Điều này phù hợp với các kết quả thực nghiệm

Tuy nhiên dòng điện trong các trường hợp này khá tản mạn nên các cơ chế của thác điện tử vẫn chưa được mô tả một cách đầy đủ

b) Hình thành các túi (bọt) khí

Khi cường độ điện trường đạt tới một ngưỡng, trong chất lỏng xuất hiện các túi (bọt) khí ở khu vực mũi nhọn một cách rất có hệ thống theo chu trình sinh ra, lớn lên và biến mất Quá trình này đặc biệt rõ nét khi mũi nhọn mang cực tính

âm Mô hình mô tả quá trình hình thành streamer từ những túi (bọt) khí được giải thích là kết quả giải phóng một năng lượng khu trú trong một miền rất hẹp do các thác điện tử Năng lượng này được chuyển hoá thành nhiệt năng làm cho chất lỏng bốc hơi

c) Cơ chế hình thành và phát triển của stremaer cực tính âm

Nếu điện trường tiếp tục tăng, sẽ xuất hiện một chùm các bọc khí nối tiếp nhau Thời gian đầu trong các bọc khí chủ yếu là các hơi do chất lỏng bốc hơi Quá trình phóng điện trong các bọc khí làm cho chúng kéo dài thêm ra Trong các bọc khí này, vận tốc chuyển động của các điện tử lớn hơn nhiều voí sự tiến triển của kênh này Các điện tử sẽ xuyên vào chất lỏng và tiếp tục sinh ra các khí mới cho đến khi điện áp trong kênh dẫn không đủ để duy trì phóng điện Sự phát triển của streamer cần điện áp cao hơn

Các streamer xuất hiện khi mũi nhọn mang cực tính âm có dạng hình bụi cây ít phân nhánh mà người ta gọi là bush-like stramer chuyển động với vận tốc nhỏ hơn tốc độ âm thanh (vài trăm mét/sec) Trong một số điều kiện, streamer

có dạng hình cây phân nhánh gần giống như streamer cực tính dương

a) Visualisation d’un streamer nộgatif en gộomộtrie semi-uniforme d=10 mm, h=3 mm, V=30

Echelle

1mm

b) Visualisation d’un streamer positif en gộomộtrie semi-uniforme d=10 mm, h=4 mm, V=25

Echelle

Hình 14.14 Streamer cực tính âm (trên) và cực tính dương (dưới) trong dầu máy biến áp

Trong các điện môi kỹ thuật, các ion dương có thể tập trung gần mũi nhọn mang cực tính âm làm biến dạng điện trường như ta thấy trong chất khí Quá trình này làm cho sự xuất hiện các streamer thuận lợi hơn nếu ngược lại điện cực mũi nhọn mang cực tính âm có thể phóng các ion dương làm suy yếu điện trường trên mũi nhọn do vậy lại gây khó khăn hơn cho sự xuất hiện các streamer Tuỳ theo chất lỏng mà khả năng này hay khả năng khác có thể xảy ra

d) Cơ chế hình thành và phát triển của stremaer cực tính dương

Trong các chất lỏng tồn tại cả hai dạng streamer : dạng streamer chậm có dạng bush-like chỉ tồn tại trong trường hợp mũi nhọn có bán kính cong rất bé (≈6μm trong cyclohexane) và ở điện áp thấp ở điện áp cao hoặc mũi nhọn có bán kính cong lớn hơn chỉ có dạng thứ hai : streamer dạng hình cây phân nhánh nhiều hay ít tuỳ thuộc vào chất lỏng Dạng thứ hai này phát triển với tốc độ siêu âm lhoảng 2-3 km/s Các streamer cực tính dương thường có điện dẫn cao vì vậy nó làm xuất hiện một điện trường ở đầu mút của nó đảm bảo cho nó phát triển về phía điện cực đối diện

Dưới tác dụng của các quá điện áp mạnh, streamer cực tính dương phát triển với vận tốc cực lớn Người ta đo dược vận tốc hàng trăm thậm chí hàng nghìn km/s

e) Streamer và phóng điện đánh thủng trong điện trường đồng nhất

Trong điện trường đồng nhất, các nghiên cứu tập trung vào đo điện áp phóng điện đánh thủng Do khó khăn về kỹ thuật đo và quan sát, có rất ít các nghiên cứu về sự hình thành các streamer trong chất lỏng Để quan sát được sự hình thành các túi khí, các thác điện tử bắt buộc phải biết trước vị trí xuất hiện streamer và vì vậy quá trình hình thành phóng

điện như thế nào chỉ có thể nghiên cứu trong điện trường mũi nhọn-cực bản, với hệ số khuyếch đại điện trường hàng nghìn lần nơi mà chúng ta biết chắc chắn rằng streamer luôn luôn xuất hiện ở đầu mút của mũi nhọn Vì vậy sự hình thành và phát triển streamer tronng điện trường gần đồng nhất chỉ có thể tiến hành bằng cách đo điện áp phóng điện

đánh thủng

Các nghiên cứu về phóng điện đánh thủng dưới tác dụng của điện áp xoay chiều với những khoảng cách khe hở giữa hai điện cực nhỏ hơn 1 cm cho thấy :

các streamer cực tính âm xuất hiện đầu tiên phát triển trên một khoảng cách ngắn và chuyển động rất chậm; Các streamer cực tính dương xuất hiện ở điên áp cao hơn, phát triển với tốc độ nhanh hơn và được coi là chịu trách nhiệm để dẫn đến phóng điện đánh thủng