Bài giảng Kỹ thuật cao áp: Chương 5 - TS. Nguyễn Văn Dũng

(BQ) (BQ) Bài giảng Kỹ thuật cao áp - Chương 5: Phóng điện trong chân không cung cấp cho người học các kiến thức: Giới thiệu, phân loại chân không, đặc tính phóng điện trong chân không, nguyên lý phóng điện trong chân không. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

CHƯƠNG V: PHÓNG ĐIỆN TRONG CHÂN KHÔNG

1 Giới thiệu

2 Phân loại chân không

3 Đặc tính phóng điện trong chân không

4 Nguyên lý phóng điện trong chân không

 Thực tế, sự hiện diện của các điện cực kim loại là nguồn gốc gây

ra phóng điện trong chân không nhưng ở điện áp rất cao

 Chân không được sử dụng làm cách điện cho máy cắt, rơle, khởi động từ…

 Máy cắt chân không cấp trung thế dần thay thế máy cắt dầu, máy cắt SF6 và các loại máy cắt khác

Máy cắt chân không chiếm ưu thế ở cấp trung thế

Kết cấu của máy cắt chân không (7,2-36 kV)-Siemens

Chân không

 Chân không cao: 10 -3 -10 -6 Torr

 Chân không siêu cao: 10 -6 -10 -8 Torr

 Chân không cực cao: < 10 -9 Torr

2 Phân loại chân không

Cách điện chân không có áp suất 10 -3 -10 -6 Torr

1 torr = 1 mmHg

= 1mbar

3 Đặc tính phóng điện trong chân không

 Phụ thuộc vào trạng thái bề mặt của điện cực kim loại

 Phụ thuộc vào kim loại làm điện cực

 Phụ thuộc vào độ tinh khiết của kim loại vào điện cực

 Phụ thuộc vào độ chân không nhưng khi áp suất nhỏ hơn 1

bar, điện áp phóng điện không phụ thuộc vào độ chân không

 Áp suất khoảng 1  bar, quảng đường tự do trung bình giữa hai lần va chạm  = 50 mm  không tồn tại phóng điện thác hoặc dòng điện tử

a Sự phát xạ điện tử từ cực âm – Schottky

effect

 Trong môi trường chân không, điện tử phát xạ từ cực âm khi điện trường tác dụng đủ lớn

 Bán kính mũi nhọn (cực âm) khoảng vài nm

 Phát xạ điện tử có thể xảy ra

ở nhiệt độ phòng

Điện trường cao

 Giản đồ năng lượng của mặt tiếp xúc kim loại -chân không

E F : mức năng lượng Fermi

E C : năng lượng vùng dẫn f: công thoát kim loại

 Để tách điện tử từ kim loại, cần phải cung cấp cho điện tử năng lượng lớn hơn giá trị E F + f (nhiệt năng hoặc năng lượng điện trường)

 Khi năng lượng cung cấp cho điện tử từ điện trường  hiệu ứng Schottky

 Thế năng của điện tử tại vị trí cách bề mặt kim loại đoạn x

 

x

q E

x PE

o

) (

2







 Thế năng của điện tử do tác

động của điện trường

qEx x

x PE

 Mật độ dòng điện do hiệu ứng Schottky

B

2 / 1 2

 s : hệ số Schottky

B e : hằng số phát xạ

 Ví dụ: Ống chân không chứa 2 điện cực cách nhau 1 mm Điện

áp đặt lên hệ thống điện cực là 4 kV Công thoát kim loại của cực âm là 2,6 eV Tính dòng điện theo lý thuyết?

Với các thông số như sau:

 s = 3,79  10 -5 (eV/(V/m) 1/2 ) Diện tích bề mặt điện cực: A = 2,5  10 -4 m 2

B e = 3  10 4 Am -2 K -2 (điện cực Tungsten phủ Thorium)

T = 300 K

Bài giải

Điện trường tại cực âm

m V

10

10

 

2 34

23

6 19

5 19

2 4

2 / 1 2

/ 10

12

,

1

300 10

38 , 1

10 4

10 6 , 1 10

79 , 3 10

6 , 1 6 ,

2 exp

300 10

3

exp

m A

kT

E T

I   1 , 12 10  24  2 , 5 10  4  2 , 3 10  28



b Sự phát xạ điện tử từ cực âm - Tunnelling

effect

 Khi điện trường lớn hơn 10 9 V/m  rào cản thế càng giảm

thấp và bề rộng rào cản thế năng càng hẹp  điện tử có cơ

hội “chui” ngang rào cản

 Mật độ dòng điện

qh

m E

E

E qnv

J

eff e c

c x

f

f 1 / 2

2 2

4 Nguyên lý phóng điện trong chân không

 Theo lý thuyết Townsend, phóng điện trong chất khí là do sự hình thành các thác điện tử

 Chân không không tồn tại các chất khí, phóng điện trong chân không không hoàn toàn tuân theo lý thuyết Townsend

 Các nguyên lý phóng điện trong chân không

- Nguyên lý trao đổi hạt

- Lý thuyết phát xạ điện tử

- Lý thuyết đám

* Nguyên lý trao đổi hạt

* Lý thuyết phát xạ điện tử

- Nguyên lý cực dương nóng

 Bề mặt điện cực không nhẵn chứa các nhấp nhô

 Điện trường cao ( 10 7 -10 8

V/m)

 Các điện tử dễ dàng bị tách khỏi các nhấp nhô

trên bề mặt cực âm

- gia tốc về phía cực dương

- va đập vào cực dương

- đốt nóng cực dương

 giải phóng các chất khí và hơi kim loại

 Ion hóa do va chạm sẽ xảy ra

- Nguyên lý cực âm nóng  Bề mặt điện cực không

 Đun chảy các đỉnh nhấp nhô  giải phóng các chất khí và hơi kim loại

 Ion hóa do va chạm xảy ra

 Phóng điện có thể xảy ra theo lý thuyết Townsend

* Lý thuyết đám  Tồn tại các điện cực “cục” tạp chất trên bề mặt

 Dưới tác động của điện áp, các cục tạp chất trở nên nhiễm điện và tách khỏi cực âm do lực hút tĩnh điện

 Các cục tạp chất gia tốc và va chạm vào cực dương  tạo các chất khí và hơi kim loại

 Phóng điện có thể xảy ra theo lý thuyết Townsend

V 

 Điện áp phóng điện:

C: hệ số phụ thuộc vào khoảng cách điện cực, tình trạng bề

điện cực và vật liệu làm điện cực (V 2 /cm)

d: khoảng cách điện cực (cm)

5 Điện áp phóng điện phụ thuộc vào áp suất

 Chân không có độ bền điện lớn hơn các chất cách điện khác