Chương 8. Vật liệu điện môi
8.1 Điện môi khí
8.1.1 Đặc tính chung của điện môi khí
- Khi làm việc ở điều kiện bình thường, độ bền điện không cao so với điện môi
lỏng và điện môi rắn.
- Điện môi khí có khă năng phục hồi cách điện. - Mật độ phân tử thấp do đó hằng số điện môi ε nhỏ tổn hao tgδ nhỏ.
8.1.2 Yêu cầu đối với chất khí cách điện
Bảng: Đặc tính của 1 số chất cách điện thường dùng
- Không được gây phản ứng hoá học với những chất khác trong kết cấu cách điện. - Phải có cường độ cách điện cao thì kích thước cách điện của thiết bị giảm. - Có nhiệt độ hoá lỏng thấp. - Tản nhiệt tốt. - Rẻ tiền, dễ kiếm.
Tên chất khí
Thành phần
Cường độ cách điện tương
hoá học
đối so với K.Khí
Nhiệt độ hoá lỏng [0C]
Không khí
1
2,5
-62
Êlêgaz
2,5
-30
Frêôn
6,3
+76
Tetraclorua Cacbon
184
SF6 CCl2F2 CCl4
Chương 8. Vật liệu điện môi 8.1.3 Một số chất khí thường dùng
- Không khí: cường độ cách điện không cao Ecđ = 30kV/cm, trong không khí có những chất gây phản ứng hoá học như O2… do đó ít dùng, thường dùng cách điện trên đường dây, hoặc dùng trong máy cắt không khí nén.
- Khí Nitơ: có cường độ cách điện tương tự như không khí nhưng nó không chứa O2 nên không gây phản ứng hoá học khi tiếp xúc với kim loại. Thường dùng trong tụ điện khí.
- Khí Hyđrô: có ưu điểm nhẹ, thường dùng để làm mát máy điện, nhưng
phải cẩn thận không lọt khí vì sẽ gây nổ.
- Khí SF6 (Êlêgaz): có cường độ cách điện cao hơn không khí gấp 2,5 lần, nặng hơn không khí 5 lần, không độc, ổn định về mặt hoá học và không bị phân huỷ ở nhiệt độ cao. Với áp suất nén càng cao thì độ bền điện càng lớn. Thường được dùng trong cáp điện, tụ điện, máy cắt trung, cao áp.
- Khí Cl2F2 (Frêôn): có độ bền điện gần bằng khí SF6, nó có thể ăn mòn 1 số
185
vật liệu hữu cơ thể rắn, thường được dùng trong các thiết bị làm lạnh.
Chương 8. Vật liệu điện môi
b. Nhựa thiên nhiên 8.2 Điện môi hữu cơ 8.2.1 Nhựa a. Nhựa nhân tạo
Trung tính: có tổn hao tgδ nhỏ
- Nhựa cánh kiến (do 1 số côn trùng tiết ra trên các cành cây ở xứ nóng) - Nhựa thông (colofan) - Nhựa côpan (hổ phách)
8.2.2 Dầu - Polyetylen - Polypropylen - Polyizobutylen - Polistirol - Vật liệu nhựa Flo hữu cơ
Cực tính: có tổn hao tgδ lớn
- Dầu mỏ - Dầu tổng hợp - Dầu thực vật - Dầu thầu dầu
186
- Polyvinylclorit - Polymetylmetalcrilat - Polyete - Polyamid - Epocxy - Nhựa Fenol - foocmandehit - Silic hữu cơ
Chương 8. Vật liệu điện môi
8.2.3 Bitum Là nhóm VL vô định hình, cực tính yếu, là hỗn hợp của cacbua hyđrô với O2
và S. Được dùng để chế tạo hỗn hợp cách điện: sơn tẩm vật liệu và cách điện cho cáp.
8.2.4 Vật liệu sáp (CnH2n+2) Dễ chảy, ε bé, dùng để gắn các đầu ra của đèn điện tử hoặc các thiết bị vì
có điện trở suất ρ cao. Chúng có các loại như: Parafin, Xerezin, Vazơlin.
8.2.5 Sơn
- Sơn nhựa: Có nguồn gốc từ nhựa tổng hợp hoặc nhựa thiên nhiên - Sơn xenlulô: Gốc sơn là chất xenlulô - Sơn dầu - Sơn dầu bitum - Sơn dầu pha nhựa
187
8.2.6 Vật liệu cao su - Cao su tự nhiên - Cao su nhân tạo
Chương 8. Vật liệu điện môi
8.2.7 Vật liệu xenlulô - Gỗ - Giấy cách điện - Vật liệu dệt
8.3 Điện môi vô cơ
Đặc tính chung của điện môi vô cơ
- Chịu được nhiệt độ cao - Rất ít hút ẩm - Có độ bền về điện và cơ cao - Chịu được các bức xạ năng lượng cao - Dễ tìm, rẻ tiền
Loại thủy tinh mới có cấu trúc tuân theo quy tắc, trái ngược với cấu trúc của những loại thủy tinh thông thường đã biết hiện nay
Các loại điện môi vô cơ
188
- Gốm, sứ cách điện - Vật liệu Xét - nhét - Mica - Thuỷ tinh
Chương 9. Điện môi khí
Các cơ chế vật lý liên quan đến phóng điện trong điện môi khí có ý nghĩa quan trọng đối với tất cả các loại phóng điện khác. Nắm bắt được bản chất của những cơ chế này giúp chúng ta dễ dàng hiểu được các cơ chế phóng điện trong điện môi lỏng và rắn. Khi nói đến điện môi khí thì ứng dụng duy nhất là cách điện:
Mật độ thấp Hằng số điện môi εr≈1 (so với chân không gần như nhau) Hay nói cách khác tính dẫn điện của điện môi khí
Chương 9. Điện môi khí Tính dẫn điện của điện môi khí
Khi nào I=0, I≠0
Quan tâm đến điện áp chịu đựng
Phóng điện
I xuất hiện và chạy trong mạch nếu trong ĐMK có chứa các điện tích Khi đặt lên 2 điện cực một tụ điện chứa ĐMK một E
Các điện tích bao gồm
-Các e -Các ion + do nguyên tử trung hòa mất e -Các ion – do nguyên tử trung hòa nhận e
Các điện tích này được sinh ra do Các quá trình diễn ra trong ĐMK
190
Các quá trình trên điện cực Cathode
Chương 9. Điện môi khí 9.1. Quá trình hình thành điện tích.
A. Quá trình hình thành điện tích trong điện môi khí
1. Ion hóa do va chạm •Do quá trình xảy ra trong ĐMK rất nhanh (cỡ µs)-> nguồn 1c’ và ∼ là như nhau.
Gọi là A
1e mới
1e cũ
•Bình thường trong ĐMK tồn tại e- di chuyển về điện cực + và các phân tử trung hòa về điện (02, N2, H2, Co…) •Khi e-> cực + va chạm với phân tử A •Nếu We trước khi va chạm > Wion hóa của phân tử khí A thì hiện tượng ion hóa sẽ diễn ra.
191
•Các e mới được sinh ra tiếp tục -> nhanh về cực + do E (hoặc V).
Chương 9. Điện môi khí 9.1. Quá trình hình thành điện tích.
A. Quá trình hình thành điện tích trong điện môi khí
1. Ion hóa do va chạm •Quá trình 1 e va chạm với 1 phân tử khí tạo ra 1 ion + với e mới gọi là ion hóa do va chạm.
Gặp điều kiện thuận lợi
192
nA + ne- nA++2ne-
Chương 9. Điện môi khí 2. Ion hóa quang (ion hóa do bức xạ) •Một nguyên tử bị kích thích thường có thời gian tồn tại khoảng 10-7÷10-9 s. •Khi trở về trạng thái bình thường nó bức xạ phần năng lượng kích thích dưới dạng photon. •Tuy photon này có năng lượng yếu nhưng cũng có thể gây ion hóa một nguyên tử khác có năng lượng ion hóa nhỏ hơn năng lượng của photon.
•Quá trình ion hóa quang có thể được miêu tả:
A*→A+hf B+hf →B++e-
193
Với A* là ký hiệu của trạng thái kích thích của nguyên tử A hf là photon được bức xạ (h là hằng số Plank còn f là tần số của photon). •Ion hóa quang là một quá trình quan trọng trong phóng điện, đặc biệt là đối với các hỗn hợp khí có chứa khí hiếm, biết rằng khí hiếm có thời gian tồn tại kích thích khá lâu.
Chương 9. Điện môi khí 3. Ion hóa nhiệt •Đốt lửa các ion khí giữa 2 bản cực→khi nhiệt độ tăng đến một giá trị đủ lớn → các nguyên tử khí chuyển động nhanh hơn →va chạm với nhau gây nên ion hóa. •Ở nhiệt độ cao, năng lượng nhiệt (Wn) cũng có thể gây nên ion hóa cho nguyên tử theo quá trình sau: A+Wn →A++e-
4. Tách điện tử •Quá trình này xảy ra khi một ion âm tách đi điện tử để trở thành nguyên tử trung tính.
194
•Năng lượng cần thiết để tách điện tử ra khỏi ion âm trong quá trình này có thể được cung cấp bởi sự va chạm của nguyên tử hoặc bởi photon. •Mặc dù số điện tích không tăng lên trong quá trình này nhưng quá trình tách này có thể coi như quá trình ion hóa do một điện tích - di chuyển chậm (ion -) đã được chuyển thành một điện tích - (e) di chuyển nhanh hơn. •Vì vậy e tự do tách ra từ quá trình này có thể tiếp tục gây nên quá trình ion hóa do va chạm hiệu quả hơn so với ion -.
Chương 9. Điện môi khí 9.1. Quá trình hình thành điện tích.
B. Quá trình hình thành điện tích trên cực Cathode (Đ.C.A)
Các quá trình trên điện cực, đặc biệt là điện cực âm (cathode) đóng vai trò quan trọng trong quá trình phóng điện trong chất khí vì chúng cung cấp các điện tử cho sự bắt đầu, duy trì và cuối cùng là hoàn thành một quá trình phóng điện. Ở trạng thái bình thường các điện tử không thể thoát ra khỏi điện cực do lực liên kết tĩnh điện giữa điện tử và ion trong mạng tinh thể. Để rời khỏi điện cực điện tử cần một năng lượng đủ lớn gọi là công thoát (work function), giá trị của công thoát phụ thuộc vào vật liệu làm điện cực.
Công thoát
195
Chương 9. Điện môi khí 9.1. Quá trình hình thành điện tích.
B. Quá trình hình thành điện tích trên cực Cathode (Đ.C.A)
1.Do điện tích dương đập vào Đ.C.A
•Giữa 2 bản cực có các điện tích + và – •Ion- →cực + và trung hòa. •Ion+ phụ thuộc vào lực của E đập vào Đ.C.A •Khi ion + đập vào Đ.C.A thì có thể giải phóng ra 1 hay nhiều e.
•Nếu Wion+ trước khi đập vào >Wcông thoát của VL làm điện cực →e được giải phóng chính là e
196
tự do di chuyển về Đ.C.D
Chương 9. Điện môi khí 9.1. Quá trình hình thành điện tích.
B. Quá trình hình thành điện tích trên cực Cathode (Đ.C.A)
2.Quá trình quang thoát
•Nếu cung cấp, chiếu một tia sáng hf. •Nếu năng lượng của photon đập vào cathode có giá trị lớn hơn công thoát của điện tử, photon có thể giải phóng điện tử khỏi bề mặt điện cực Whf>Wcông thoát của VL làm điện cực →e được giải phóng
3.Quá trình nhiệt thoát
197
•Đốt nóng chính Đ.C.A →e bứt ra khỏi Đ.C.A→e tự do •Nếu nhiệt độ của VL làm Đ.C.A=1500÷20000K thì các e và ion + trong mạng tinh thể VL làm Đ.C.A sẽ chuyển động mạnh mẽ →bứt ra e.
Chương 9. Điện môi khí 9.1. Quá trình hình thành điện tích.
B. Quá trình hình thành điện tích trên cực Cathode (Đ.C.A)
4. Thoát do điện trường (Field emission)
198
Điện trường tĩnh ở giá trị lớn hơn lực liên kết giữa điện tử và proton sẽ giải phóng một hoặc nhiều điện tử ở cathode. Tuy nhiên để làm được điều này điện trường phải vào khoảng 107÷109 V/m (10÷1000kV/mm). Phần lớn các phần tử dùng trong kỹ thuật điện đều làm việc ở điện trường nhỏ hơn điện trường này nhiều. Nhưng khi bề mặt điện cực không bằng phẳng mà tồn tại những khuyết tật nhỏ, chỉ cần điện áp đặt vào khoảng 2 ÷ 5kV thì điện trường ở những điểm khuyết tật có thể đạt tới trị số có xảy ra hiện tượng điện tử thoát do điện trường.
9.2.Các quá trình trung hòa điện tích trong Đ.M.K
1.Quá trình tái hợp Các ion dương và âm có xu hướng tái hợp để tạo thành một nguyên tử trung hòa theo phương trình :
2.Trung hòa do nhập điện tử (electron attachement)
Một vài khí có độ âm điện lớn như O2, CO2 hay SF6 luôn có xu hướng lấy thêm một điện tử tự do để tạo lên một ion nặng âm. Quá trình có thể được viết dưới dạng :
Đây là quá trình ngược với quá trình ion hóa do tách điện tử
3.Trung hòa do khuyếch tán (diffusion) Khi mật độ ion trong điện môi khí không đều, các ion luôn có xu hướng di chuyển từ nơi có mật độ cao xuống nơi có mật độ thấp cho đến khi đạt đến sự cân bằng về mật độ. Quá trình này sẽ gây lên hiệu ứng ion hóa ở vùng có mật độ ion thấp và trung hòa ở vùng có mật độ ion cao.
199
Chương 9. Điện môi khí 9.3. Điện trường đồng nhất (đều) và không đồng nhất •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, là mật độ đường sức tại mọi điểm là như nhau.
200
Chương 9. Điện môi khí 9.4. Phóng điện chọc thủng Đ.M.K ở E đồng nhất (E đều) •Phóng điện phải nối liền giữa 2 bản cực •Bản chất quá trình phóng điện chọc thủng của chất khí được giải thích bằng hai lý thuyết :
-Lý thuyết phóng điện Townsend -Lý thuyết Streamer.
9.4.1. Phóng điện chọc thủng do thác điện tử (Townsend) A. Thác điện tử
201
Khi ta đặt lên ĐMK một E (giả thiết trong điện môi tồn tại một e tự do). Nếu E đủ mạnh và e không bị trung hòa bởi quá trình nhập e, e sẽ va chạm với các nguyên tử khí và gây ra quá trình ion hóa do va chạm. Quá trình cứ tiếp tục→ 1 khu vực vô số e → thác điện tử
Chương 9. Điện môi khí 9.4. Phóng điện chọc thủng Đ.M.K ở E đồng nhất 9.4.1. Phóng điện chọc thủng do thác điện tử (Theory of Townsend discharge) B. Cơ chế phóng điện
Chiếu 1 chùm tia cực tím UV vào Đ.C.A (gt giữa 2 bản cực ban đầu ko có e nào) →1 số điện tử bứt ra khỏi Đ.C.A do chiếu tia UV. Gọi n0: số e bứt ra khỏi Đ.C.A/1s do chiếu tia UV
α: số e sinh ra do quá trình ion hóa v/c khi 1 e di chuyển trên 1 đơn vị
quãng đường (hệ số Townsend 1) Gọi số e ở vị trí x là n
1e từ x đi thêm dx sẽ sinh ra số e mới là dn
dn=αdx
Từ x có n đi thêm dx sẽ sinh ra số e mới là
202
dn=nαdx
Chương 9. Điện môi khí 9.4.1. Phóng điện chọc thủng do thác điện tử (Theory of Townsend discharge) B. Cơ chế phóng điện
203
Chương 9. Điện môi khí 9.4.1. Phóng điện chọc thủng do thác điện tử (Theory of Townsend discharge) B. Cơ chế phóng điện
204
•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 e ở cathode, khi ion + đập vào cathode nó lại bứt ra một e gọi là e thứ cấp. Điện tử thứ cấp này lại tạo lên một thác điện tử thứ cấp khác.
Cùng với việc hình thành e do ion hóa va chạm thì ion + cũng sẽ được sinh ra và đập vào Đ.C.D
Chương 9. Điện môi khí 9.4.1. Phóng điện chọc thủng do thác điện tử (Theory of Townsend discharge) B. Cơ chế phóng điện
•Gọi γ là số e thứ cấp bứt ra khỏi Đ.C.A khi có một ion + đập vào (Townsend 2) •Độ lớn γ phụ thuộc vào độ lớn của E, P và bản thân kim loại làm điện cực. •Gọi ns là số e thứ cấp thoát ra khỏi Đ.C.A/1s
(Tổng số e thoát ra khỏi Đ.C.A/1s)
(1) nt=n0+ns
205
ns= γ(eαd-1)nt (2)
1 e di chuyển hết quãng đường d→tạo ra eαd điện tử⇔tạo ra (eαd-1) ion+ →nt điện tử đi hết quãng đường d →tạo ra (eαd-1)nt ion+ →đập vào Đ.C.A →sinh ra γ(eαd-1)nt điện tử thứ cấp thoát ra ở Đ.C.A
Chương 9. Điện môi khí 9.4.1. Phóng điện chọc thủng do thác điện tử (Theory of Townsend discharge) B. Cơ chế phóng điện
Thay (2) vào (1) ta được:
206
Phương trình trên miêu tả quá trình tăng của dòng điện trong điện môi trước khi phóng điện chọc thủng diễn ra.
Chương 9. Điện môi khí 9.4.1. Phóng điện chọc thủng do thác điện tử (Theory of Townsend discharge) B. Cơ chế phóng điện
Khi xảy ra phóng điện chọc thủng I→∞, điều này dẫn tới mẫu thức của biểu thức
dòng điện →0 hay ta còn gọi là điều kiện phóng điện Townsend:
207
Ý nghĩa: Số e thứ cấp thoát ra khỏi Đ.C.A do các ion+ sinh ra từ 1 e sơ cấp là phải bằng 1 mới xẩy ra phóng điện chọc thủng (ngưỡng để tạo nên phóng điện chọc thủng trong chất khí)
Chương 9. Điện môi khí 9.4.1. Phóng điện chọc thủng do thác điện tử (Theory of Townsend discharge) B. Cơ chế phóng điện
Ưu điểm: Là hình thành thác điện tử Nhược điểm: Thực nghiệm chứng tỏ rằng lý thuyết Townsend chỉ giải thích được: - Hiện tượng pđct trong chất khí ở áp suất P thấp và khoảng cách d nhỏ - Chỉ đúng với E đều và tích P.d<1000 torr.cm (1 torr= 1mmHg=1,36.10-3 at) và P=0,01÷300 torr
208
Dạng hình nhánh hoặc zic-zag
→ở P lớn hơn và tích P.d lớn hơn dùng lý thuyết phóng điện Streamer. - Thời gian phóng điện theo cớ chế thác e cỡ 10-5s. Thực tế 10-8s. - Hình dạng phóng điện (càng xa số e sinh ra càng nhiều theo hàm mũ).
Chương 9. Điện môi khí 9.4.1. Phóng điện chọc thủng do thác điện tử (Theory of Townsend discharge) B. Cơ chế phóng điện
Do α và γ đều phụ thuộc vào E và P 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:
209
Do đó điều kiện phóng điện Townsend đối với các khí có độ âm điện lớn bây giờ trở thành:
Độ âm điện?
• Trong hóa học, độ âm điện là đơn vị đo lực hút của nguyên tử đối với electron trong liên kết hóa học. Nguyên tử có độ âm điện cao sẽ hút electron với lực mạnh, ngược lại nguyên tử có độ âm điện thấp sẽ hút electron với lực yếu.
trong phân tử NaCl
210
• Ví dụ, (natri clorua), nguyên tử clo có độ âm điện tương đối cao và nguyên tử natri có độ âm điện tương đối thấp. Do đó các electron bị kéo về phía nguyên tử clo và cách xa nguyên tử natri.
Chương 9. Điện môi khí 9.4.1. Phóng điện chọc thủng do thác điện tử (Theory of Townsend discharge) B. Cơ chế phóng điện
Biến thiên dòng điện theo điện áp đặt vào trong lý thuyết phóng điện Townsend (điện trường đều).
211
-Trong khoảng thời gian ban đầu T0 dòng điện tăng tuyến tính với điện áp đặt vào và gần như không đổi ở giá trị I01 (nửa đầu của khoảng T1). -Khi điện áp vượt quá trị một trị số V2 nào đó dòng điện bắt đầu tăng nhanh chóng tương ứng với quá trình ion hóa do va chạm (nửa sau của T1). -Quá trình thứ cấp ứng với khoảng thời gian T2, và sau đó là phóng điện chọc thủng
Chương 9. Điện môi khí 9.4.2. Lý thuyết phóng điện Streamer Cơ chế phóng điện
-Hình thành thác e đầu tiên do quá trình sơ cấp (cũng chiếu 1 tia UV) -Điện trường đầu thác được tăng cường -Thác e thứ cấp xuất hiện ngay ở đầu thác sơ cáp
Chiếu 1 tia UV kích thích→1e xuất hiện→va chạm→2e mới →… →tạo khu vực toàn e (nhẹ, cđ nhanh) → gọi là khu vực điện tích không gian âm (KVĐTKG -)
Hình thành các điện trường phụ E1, E2, E3
Ion + nặng, di chuyển chậm → khu vực điện tích không gian dương (KVĐTKG +)
212
E0- Điện trường khi giữa 2 điện cực là chân không
Khu vực điện tích không gian âm Khu vực điện tích không gian dương
Chương 9. Điện môi khí 9.4.2. Lý thuyết phóng điện Streamer Các điện trường phụ:
Do mật độ EΣ ở E3>E1 →E Σ đầu thác sơ cấp lớn hơn
213
-Điện trường ở đầu thác được tăng cường mạnh mẽ →các nguyên tử khí ở khu vực này bị kích thích và khi trở về trạng thái bình thường → bức xạ các photon →gây ion hóa quang cho các nguyên tử khí khác ngay đầu thác. -Thác e thứ cấp sẽ xuất hiện ngay đầu thác sơ cấp. -Quá trình cứ thế tiếp diễn → phóng điện chọc thủng trên Đ.M.K
Chương 9. Điện môi khí 9.4.3. Định luật Paschen
214
Đây là phương trình do Paschen thiết lập sau khi đo điện áp phóng điện của không khí, CO2 và hydro hay còn gọi là định luật Paschen.
Chương 9. Điện môi khí 9.4.3. Định luật Paschen
Đây là phương trình do Paschen thiết lập sau khi đo điện áp phóng điện của không khí, CO2 và hydro hay còn gọi là định luật Paschen.
215
Coi khoảng cách giữa các điện cực d là không đổi -Nhánh 1: p giảm →Vpt tăng ; 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 cần thiết phải tăng trị số điện áp đặt vào.
- Nhánh 2: p tăng →Vpt tăng: Khi đó mật độ các phân tử khí tăng, do đó các e 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.
Chương 9. Điện môi khí 9.4.3. Định luật Paschen
216
Giá trị điện áp phóng điện nhỏ nhất của một số chất khí được cho trên bảng:
Chương 9. Điện môi khí 9.4.3. Định luật Paschen
217
Chương 9. Điện môi khí 9.5. Phóng điện chọc thủng Đ.M.K ở E không đồng nhất Trải qua 2 giai đoạn:
1. Phóng điện vầng quang: là giai đoạn phóng điện ban đầu, nó xảy ra quanh
khu vực có bán kính cong nhỏ.
2. Phóng điện chọc thủng: là giai đoạn tiếp theo của phóng điện vầng quang,
lúc này tia lửa điện kéo dài giữa 2 cực. (giới hạn giữa 2 phóng điện rất mong manh) Trường không đồng nhất tạo bởi điện trường giữa 2 điện cực không giống nhau
218
VD: Hệ đường dây và mặt đất là hệ mũi nhọn và cực bản. Vậy đường dây mang điện tích gì?
Chương 9. Điện môi khí 9.5. Phóng điện chọc thủng Đ.M.K ở E không đồng nhất
9.5.1. Phóng điện vầng quang (VQ)
Hiện tượng phóng điện vầng quang cũng giống như ion hóa do va chạm
219
Quá trình VQ chính là quá trình ion hóa do va chạm ở khu vực điện cực có E>Epđkk trong chất khí. Càng xa điện cực mũi nhọn thì điện trường càng giảm→pđ VQ càng giảm đến khi mất hẳn.
Chương 9. Điện môi khí 9.5. Phóng điện chọc thủng Đ.M.K ở E không đồng nhất
9.5.2. Vầng quang dương
220
Quá trình ion hóa xảy ra ở gần mũi nhọn
→giải phóng các e và ion+
e nhẹ, cđ nhanh và gần như trung hòa
ngay lập tức trên Đ.C.D
Ion+ nặng, di chuyển chậm về cực bản⇔di
chuyển về khu vực có E yếu →di chuyển
càng chậm →KVĐTKG+ ngay ở đầu mũi nhọn
⇔tăng R mũi nhọn ⇔giảm E xung quang
mũi nhọn cho đến khi E Quá trình ion hóa xảy ra ở gần mũi nhọn
→giải phóng các e và ion+
e nhẹ, cđ nhanh càng xa mũi nhọn →khu vực
có E yếu → cđ giảm →phản ứng nhập e →ion -
năng →KVĐTKG- 221 Ion+ nặng, di chuyển chậm về mũi nhọn ko
trung hòa →KVĐTKG+ ngay ở đầu mũi nhọn.
Sự xuất hiện 2 KVĐTKG+ →Các E phụ:E1,E2,E3
→ EΣ thay đổi so với E0 ban đầu E gần mũi nhọn được tăng cường →pđVQ ở đầu mũi nhọn càng tăng.
E giữa 2 KVĐTKG giảm → khó xảy ra phóng điện chọc thủng. Phóng điện vầng quang + nguy hiểm hơn về cách điện
Phóng điện vầng quang -, do vq gần mũi nhọn càng
tăng về nhiệt→phá hủy vật liệu làm điệc cực mũi nhọn. 222 Rẻ, dễ kiếm
Khả năng phục hồi nhanh
Hằng số điện môi εr≈1
Điện dẫn suất ρ≈0
Epđkk≈3 kV/mm
Trong không khí có những chất gây phản ứng hoá học như O2,H2, N2,
Co2…do đó ít dùng
Thường dùng cách điện trên đường dây, hoặc dùng trong máy cắt
không khí nén. 223 Mật độ rất thấp (không có gì trong đó)-> e đi vào đó không có ion
hóa va chạm -> không phóng điện
Cách điện lý tưởng
Cấp điện áp 35 kV trở xuống dùng (110 kV rất ít vì khó khăn phòng
chứa chân không và tránh oxi lọt vào) Nhược điểm: Rò rỉ khí SF6 mỗi năm khoảng 10k tấn → Hiệu ứng nhà kính 224 Tương lai: trộn thêm khí nào đó (N2…)để đám mây có thể trở nên trong suốt→
giảm hiệu ứng nhà kính Ở đk bình thường (1 at) Epđ≈9 kV/mm
Ở P cao (nén lại) Epđ≈300 kV/mm →giảm được kích thước, khoảng
cách → TBA trong nhà (GIS)
Không độc, ổn định về mặt hoá học và không bị phân huỷ ở nhiệt độ
cao.
Thường được dùng trong cáp điện, tụ điện, máy cắt trung, cao áp 225 226 2 5 + − ∆ =
P .(f 25). .(U U ) .10 [kW/km.pha] 0 241
δ r
0
s Phương pháp chính để xác định tổn hao vầng quang trên đường dây là tổng
quát hoá số liệu thực nghiệm. Công thức kinh nghiệm thường dùng là công
thức Peek: Trong đó: δ - mật độ tương đối của không khí
r0 - bán kính dây dẫn (cm)
s - khoảng cách trung bình hình học giữa các dây dẫn (cm)
f - tần số
U - giá trị hiệu dụng điện áp pha
U0 - trị số điện áp tính toán, gần bằng điện áp vầng quang. Trị số này được tính theo công thức: U0 = 21,2.δ.r0.m1.m2.ln(s/r0) 227 m2 - hệ số nhẵn được đặc trưng cho bề mặt của dây dẫn (0,8 ÷ 0,9)
m1 - hệ số khí hậu dm = = < = δ = U U U dd p 0 21,2. .r .m .m .ln
0 1 2 U
d
3 1,15.U
3 s
r
0
Biện pháp giảm tổn hao vầng quang: làm U0 tăng ∆P bé, tương ứng U0
tăng là tăng r0 làm cho trường bề mặt dây dẫn trở nên đồng nhất hơn.
Để không xảy ra vầng quang:
Udd < Uvq = U0 (Udd - điện áp trên bề mặt dây dẫn) Trong thiết kế phải chọn dây dẫn sao cho trong điều kiện khí hậu tốt không
có pđ VQ và không có tổn hao vầng quang.
Từ các điều kiện trên→đường kính tối thiểu của dây dẫn. Nếu lấy các hệ số m1=1 (khí hậu tốt)
m2=0.8 (dây xoắn)
δ=1 228 Và đối với đường dây cao áp ta có: Thay vào pt trên ta có: 229 230 Khó khăn trong
sản xuất Tiết diện
dây rất lớn Đường dây
siêu cao áp Khó khăn trong
lắp đặt 231Chương 9. Điện môi khí
9.5. Phóng điện chọc thủng Đ.M.K ở E không đồng nhất
9.5.2. Vầng quang âm
Chương 9. Điện môi khí
9.5. Phóng điện chọc thủng Đ.M.K ở E không đồng nhất
9.5.3. So sánh vầng quang dương và âm
9.5.4. Một số điện môi khí
1. Không khí
2.
SF6
3. Chân không
Chương 9. Điện môi khí
1. Không khí
2. Chân không
Chương 9. Điện môi khí
3. SF6 (Êlêgaz)
Chương 9. Điện môi khí
9.5. Phóng điện vầng quang trên đường dây tải điện
Chương 9. Điện môi khí
9.5. Phóng điện vầng quang trên đường dây tải điện
Phóng điện vầng quang gây nên tổn hao năng lượng vì các điện
tích sinh ra trong quá trình phóng điện vầng quang gây ra sự
chuyển dịch các phân tử khí phát nóng tạo tổn hao vầng
quang:
- Gây tổn hao năng lượng
- Gây ăn mòn vật liệu
- Gây nhiễu loạn thông tin cho các thiết bị radio và TV vì nó
tạo nên sóng cao tần
- Gây biến dạng sóng truyền trên đường dây
Chương 9. Điện môi khí
9.5. Phóng điện vầng quang trên đường dây tải điện
Chương 9. Điện môi khí
Biện pháp giảm tổn hao vầng quang:
Chương 9. Điện môi khí
Biện pháp giảm tổn hao vầng quang:
Chương 9. Điện môi khí
Chương 9. Điện môi khí
Biện pháp giảm tổn hao vầng quang:
Dùng dây
phân pha
Như vậy biện pháp giảm tổn hao vầng quang: tăng r0 làm cho
Emax giảm để làm được điều này phải dùng dây phân pha.
Ngoài ra đường đây phân nhỏ còn có tác dụng làm giảm điện
cảm của đường dây do đó tăng thêm khả năng truyền tải công
suất và đem lại hiệu quả kinh tế cao.
