Phóng điện trong điện trường đều Quá trình ion hóa Ion hóa quang Ion hóa nhiệt Ion hóa do va chạm Lý thuyết phóng điện thác điện tử (Nguyên lý PĐ Townsend) Phóng điện trong khí điện âm Định luật Paschen Lý thuyết phóng điện dòng điện tử (streamer) Phóng điện trong khe hở không khí Phóng điện trong điện trường không đều Ảnh hưởng của điều kiện khí quyểnCách điện khí nén ở áp suất cao
CHƯƠNG IV: SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ 1. Giới thiệu 2. Phóng điện trong điện trường đều 3. Quá trình ion hóa 4. Ion hóa quang 5. Ion hóa nhiệt 6. Ion hóa do va chạm 7. Lý thuyết phóng điện thác điện tử (Nguyên lý PĐ Townsend) 8. Phóng điện trong khí điện âm 9. Định luật Paschen 10. Lý thuyết phóng điện dòng điện tử (streamer) 11. Phóng điện trong khe hở không khí 12. Phóng điện trong điện trường không đều 13. Ảnh hưởng của điều kiện khí quyển 14. Cách điện khí nén ở áp suất cao 1. Giới thiệu Không khí là chất khí cách điện phổ biến nhất (ví dụ: cách điện đường dây truyền tải và phân phối trên không) Để sử dụng tốt không khí làm chất cách điện yêu cầu: o Hiểu biết về đặc tính điện o Các quá trình dẫn đến phóng điện vầng quang và đánh thủng o Ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài đến các quá trình phóng điện Trong các hệ thống kín, không khí và một số chất khí khác được sử dụng ở áp suất cao: SF 6 , H 2 , CO 2 , N 2 Chất cách điện khí có khả năng tự phục hồi sau khi bị phóng điện Độ bền điện thấp hơn chất lỏng và rắn. 2. Phóng điện trong điện trường đều Khi phóng điện xảy ra: chất khí chuyển từ chất cách điện sang chất dẫn điện trên kênh phóng điện Thời gian phóng điện dao động trong khoảng ns → µs Dẫn điện trong chất khí là do sự chuyển động của các điện tích (điện tử và ion) dưới tác động của điện trường Sự phóng điện phụ thuộc rất lớn vào loại chất khí, áp suất và nhiệt độ nhưng phụ thuộc rất ít vào vật liệu làm điện cực ⇒ điện tích chuyển động được tạo ra từ môi trường khí 3. Quá trình ion hóa Là quá trình biến phân tử hay nguyên tử khí trung tính thành ion Các quá trình ion hóa: o Ion hóa do va chạm (quan trọng nhất đối với sự phóng điện của chất khí) o Ion hóa quang o Ion hóa nhiệt 4. Ion hóa quang (photo-ionization) Dưới tác động của bức xạ, nguyên tử hay phân tử khí trung tính sẽ hấp thu Photon của bức xạ Năng lượng của Photon: ).(10.626,6 34 sJh hfW − = = Phương trình kích thích * AAhf i Vhf →+ < Phương trình ion hóa −+ ≥ + →+ eAAhf i Vhf Hằng số Planck Tần số của bức xạ Năng lượng ion hóa Nguyên tử ở trạng thái kích thích Với: i i V hc V hcc f ≤⇔≥⇒= λ λλ Ví dụ: một chất khí có năng lượng ion hóa khoảng 10 eV, tính bước sóng của bức xạ có thể gây ra ion hóa chất khí ( ) )(2,124 10.242,1 )(10.6,110 )/(10.3).(10.626,6 7 19 834 lightUVnm m J smsJ = = × × ≤ − − − λ 5. Ion nhiệt Động năng trung bình của chuyển động nhiệt của phân tử/nguyên tử khí kTW k 2 3 = Khi W k ≥ V i : gây ion hóa chất khí do va chạm giữa các phân tử/nguyên tử khí chuyển động nhiệt Tại nhiệt độ phòng, W k nhỏ ⇒ không gây ra ion hóa do va chạm Ví dụ: tính W k tại nhiệt độ phòng (300K) Hằng số Boltzmann (1,38.10 -23 J/K = 8,617.10 -5 eV.K -1 ) eVeV KKeVkTW k 10039,0 )(300).(10.617,8 2 3 2 3 15 <<= ××== −− 6. Ion do va chạm Định nghĩa: Quá trình ion hóa do va chạm giữa điện tử tự do và nguyên tử hay phân tử trung tính Phương trình kích thích: Phương trình ion hóa: * AeAe i V + →+ − < − ε Năng lượng ion hóa ε: năng lượng thu nhận của điện tử giữa hai lần va chạm −+− ≥ − ++→+ eAeAe i V ε 6.1 Chuyển hóa năng lượng Hệ thống 02 hạt (phần tử) có khối lượng m 1 và m 2 m 1 V 1 m 2 , V 2 +) trước khi va chạm V 1 > 0; V 2 = 0 +) sau khi va chạm V 1 →V’ 1 ; V 2 → V’ 2 m 1 V’ 1 m 2 , V’ 2 Sự va chạm giữa 02 hạt (phần tử) có thể là: - Va chạm đàn hồi: tổng động năng của các hạt trước khi va chạm vẫn được duy trì dưới dạng động năng sau khi va chạm - Va chạm không đàn hồi: một phần của tổng động năng trước khi va chạm chuyển hóa thành một dạng năng lượng khác a) Va chạm đàn hồi Phương trình động lượng ( ) 1 ' 22 ' 112211 VmVmVmVm +=+ Phương trình năng lượng ( ) 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2' 22 2' 11 2 2 2 11 2 VmVmVmVm +=+ Phần tử 1: 2' 11 ' 1 1 21 21 ' 1 2 1 VmW V mm mm V = + − = [...]... trị điện áp phóng điện theo lý thuyết Đối với điện áp xung (1,2/50 µs): thời gian để điện áp tăng từ 0 đến giá trị điện áp đủ gây phóng điện rất nhỏ (1,2 µs) → không đủ thời gian để hình thành các điện tử đầu tiên có khả năng gây ra ion hóa Tồn tại khoảng thời gian từ giá trị điện áp đủ gây phóng điện đến giá trị điện áp phóng điện thực: thời gian trễ trong phóng điện Thời gian trễ trong phóng... trường gần đều khi d ≤ D/2 Điện áp phóng điện đánh thủng không phụ thuộc vào cực tính của điện cực UBD (+) = UBD (-) UBD ít phụ thuộc vào độ ẩm không khí Thời gian phóng điện nhỏ (< 1µs) UBD ít phụ thuộc vào dạng sóng của điện áp tác dụng (AC, DC, xung) Đặc tính điện áp- thời gian U UW: điện áp chịu đựng U > UW: phóng điện U ≤ UW: không phóng điện UW t Đồ thị điện áp phóng điện-khoảng cách điện... tại ngắn U Trong đó: o T1: thời gian đầu sóng o T2: độ dài sóng T1 T2 o Ký hiệu xung sét đánh chuẩn: T1/T2: 1,2/50µs * Thời gian trễ trong phóng điện Phóng điện theo lý thuyết thác hay dòng điện tử đều cần sự xuất hiện của 1 số điện tử đầu tiên Ở điện áp AC và DC: thời gian tác dụng của điện áp đủ dài để hình thành các điện tử đầu tiên → phóng điện xảy ra tức thời ngay khi điện áp tác dụng đạt... có thể truyền toàn bộ động năng Nhận xét: chuyển động trong điện trường, điện tử tích lũy động năng → khi va chạm không đàn hồi, điện tử truyền toàn bộ động năng cho các phần tử trung hòa → tăng xác suất gây ion hóa → tăng số lượng điện tử tự do 11 Phóng điện trong khe hở không khí a Các hệ thống điện cực tiêu biểu Trong các thiết bị cao áp, tồn tại nhiều hình dáng khe hở không khí khác nhau →... tiêu chuẩn có áp suất p (mm Hg) và t (oC) mo: hệ số bất thường của bề mặt của dây dẫn * Công suất tổn hao vầng quang ( ) 243 r rms 2 ( f + 25) U − U vq ×10−5 (kW / km pha) Pvq = δ d Với: δ- hệ số hiệu chỉnh mật độ không khí ở trạng thái khác tiêu chuẩn có áp suất p (mm Hg) và t (oC) f: tần số (Hz) U: điện áp pha (kV) Uvqrms: điện áp xảy ra phóng điện vầng quang (kV) Khi mưa bão, điện áp xảy ra phóng... αdx) ( xc / p ) 0 1/ 2 (V / cm) Điện áp phóng điện UBD phụ thuộc vào cực tính của điện cực U BD (+) < UBD (-) f Phóng điện vầng quang * Hiện tượng Là một dạng phóng điện tự duy trì xảy ra trong điện trường không đều Quá trình phóng điện chỉ diễn ra xung quanh điện cực có điện trường cao (E ≥ 30 kV/cm) Sinh ra âm thanh và phát sáng Phụ thuộc vào điện áp tác dụng, điều kiện bề mặt điện cực,... dụng cụ đo điện áp phóng điện của không khí c Hệ thống điện cực thanh-bảng và thanh-thanh Điện trường không đều Điện áp phóng điện đánh thủng phụ thuộc vào cực tính của điện cực UBD (+) < UBD (-) (do sự xuất hiện của điện tích không gian) UBD phụ thuộc vào độ ẩm không khí Thời gian phóng điện lớn UBD phụ thuộc vào dạng sóng của điện áp tác dụng (AC, DC, xung) d Phóng điện ở điện áp xung * Khái... độ bức xạ chiếu lên cathode o Sử dụng cathode có công thoát kim loại nhỏ * Có sử dụng hình ảnh từ bài giảng của tác giả Hồ Văn Nhật * Đặc tính điện áp- thời gian của cách điện Điện áp tác dụng tăng thì tf giảm ⇒ Thời gian phóng điện tBD giảm khi điện áp tác dụng tăng Cách xây dựng đặc tính V-t của cách điện o Cho sóng xung có tỉ số T1/T2 không đổi tác dụng lên cách điện với biên độ xung tăng dần... trường và thời tiết * Tác hại Tổn hao công suất truyền tải Nhiễu sóng radio Ô nhiễm tiếng ồn Sản sinh ozone (O3) Thoái hóa cách điện có nguồn gốc từ polymer và cao su * Nguyên lý phóng điện vầng quang Positive Cường độ điện trường cao trên bề mặt điện cực (E ≥ 30 kV/cm) Ion hóa do va chạm sinh ra thác điện tử đầu tiên Photon sinh ra tại đầu thác điện tử đầu tiên → ion hóa quang → quang điện... dẫn điện Do điện trường ở vị trí xa điện cực nhỏ → không khí không bị ion hóa → cách điện Negative * Dòng điện vầng quang Không có phóng điện vầng quang → dòng điện thuần dung dạng sin chuẩn giữa hai điện cực → không tổn hao Phóng điện vầng quang → dòng không sin chứa sóng hài bậc cao → tổn hao * Điện áp xảy ra phóng điện vầng quang d U Ex = d −r x ln r r Điều kiện xảy ra phóng điện vầng quang . tăng xác suất gây ion hóa → tăng số lượng điện tử tự do 11. Phóng điện trong khe hở không khí Trong các thiết bị cao áp, tồn tại nhiều hình dáng khe hở không khí khác nhau → nhiều loại điện. dạng sóng của điện áp tác dụng (AC, DC, xung) Đặc tính điện áp- thời gian U t U W U W : điện áp chịu đựng U > U W : phóng điện U ≤ U W : không phóng điện Đồ thị điện áp phóng điện-khoảng. của các yếu tố bên ngoài đến các quá trình phóng điện Trong các hệ thống kín, không khí và một số chất khí khác được sử dụng ở áp suất cao: SF 6 , H 2 , CO 2 , N 2 Chất cách điện khí có khả