Bài giảng HIGH VOLTAGE - Chương 2 Phóng điện trong chất khí - Kỹ thuật điện cao áp

Bài giảng HIGH VOLTAGE - Chương 2 Phóng điện trong chất khí - Kỹ thuật điện cao áp

Để phân loại điện

trường, có thể dùng hệ số không đồng nhất k

Hệ số nầy được định

nghĩa như sau

tbE

E



Trong đó:

gọi là đồng nhất

2

min max E

Phân loại điện trường cũng có thể dựa

vào hệ số ion hóa va chạm 

II Phóng điện trong điện

trường đồng nhất.

Thông số có ý nghĩa quan trọng đối với hiện

tượng phóng điện là hệ số ion hóa va chạm 

Hệ số nầy phụ thuộc vào áp suất và điện trường

tác dụng lên chất khí

Trong điện trường đồng nhất thì:

Hay:

const s

U x

KHẢO SÁT 2 TRƯỜNG HỢP:

1) TRƯỜNG HỢP ÁP SUẤT THẤP

*mật độ phân tử khí bé

*đoạn đường tự do trung bình sẽ lớn

*các ion dương và photon có gia tốc lớn

*gây bắn phá bề mặt âm cực

*có thể giải thoát điện tử thứ cấp để

hình thành thác điện tử mới

Khi thác điện tử đầu tiên di

chuyễn đến điện cực đối diện

thì số lượng điện tử có

trong thác là es

thì số lượng ion dương

sinh ra tương ứng là es  1

Số ion dương nầy sẽ bắn phá vào âm cực giải thoát số điện tử trên bề mặt

âm cực là:

) 1 (  es



Số photon do bức xạ từ điện tử cũng tham gia vào quá trình bắn phá âm cực và giải thoát số điện tử tương ứng

f

es

Từ đó xác định điều kiện tự duy trì

phóng điện:

1 )

1 ( e s   e s f   e s  e s f 

1 )

(   s dt 

e    

Hay:

Viết lại:

Hay:

dt

s e

NHẬN XÉT:

*Để có phóng điện thì số điện tích

sinh ra trong khe hở phải đạt đến một giá trị cần thiết nào đó;

*Số lần gây nên ion hóa va chạm

trong khoảng cách cực cũng phải đạt đến một giá trị cần thiết nào đấy

2) TRƯỜNG HỢP ÁP SUẤT CAO

*mật độ phân tử khí lớn

*đoạn đường tự do trung bình sẽ bé

*các ion dương và photon không thể có

gia tốc lớn

*để gây bắn phá bề mặt âm cực

*để có thể giải thoát điện tử thứ cấp để

hình thành thác điện tử mới

Do dó, Trong trường hợp nầy

* gây nên ion hóa trong thể tích khí chỉ

do các photon

Quá trình gây nên ion hóa quang do

photon bức xạ từ điện tử ở khu vực đầu thác và ngay sau đầu thác

* điều kiện tự duy trì cũng có dạng

tương tự như ở áp suất thấp

Điều kiện tự duy trì sẽ là:

vật lý khác nhau:

*Ở áp suất thấp là hệ số ion hóa bề mặt

*Ở áp suất cao là hệ số ion hoá quang







3) GIÁ TRỊ

ĐIỆN ÁP PHÓNG ĐIỆN BÉ NHẤT Uo

Gọi Uo điện áp bé nhất đặt vào hai

đầu điện cực của khe hở khí

nghĩa là giá trị điện áp đủ để khởi

đầu hiện tượng phóng điện

Khảo sát 2 trường hợp sau đây:

a) Trường hợp u=Uo

Như vậy,

*điện tứ thứ cấp sinh ra chỉ khi thác điện tử thứ nhất đi hết chiều dài khoảng cách cực

*thác điện tử mới sinh ra phải ở phía sau thác thứ nhất

Cơ chế hình thành dòng plasma

Ghi chú:

*Thác hình thành trước

b Khi đđi n áp u>Uo ện áp u>Uo

b Khi đđi n áp u>Uo ện áp u>Uo

*Điện trường lớn hơn trường hợp

c Giá trị điện áp phóng điện bé nhất

Xuất phát từ các biểu thức đã học:

Có thể viết được công thức sau đây:

Hay có thể viết lại:

ln

1 ln

ln

0

Aps Aps

E

Bp

Với các thông số: 

ln

0

Aps

Bps U

kT

r A

Nếu gọi là mật độ tương đối của chất khí, thì:

Và cuối cùng là:

Nh v y, d ng t ng quát có thể viết như ư vậy, dạng tổng quát có thể viết như ậy, dạng tổng quát có thể viết như ạng tổng quát có thể viết như ổng quát có thể viết như

Nh v y, d ng t ng quát có thể viết như ư vậy, dạng tổng quát có thể viết như ậy, dạng tổng quát có thể viết như ạng tổng quát có thể viết như ổng quát có thể viết như

0





) (

) (

s f

ps f

d Định luật Pasen

Định luật Pasen phát biểu như sau:

Điện áp phóng điện bé nhất của chất khí phụ thuộc vào tích số của áp suất và khoảng cách giữa

muốn nâng cao điện áp phóng điện thì cần phải tăng áp suất.

III Phóng điện trong điện

trường gần đồng nhất.

Theo phân loại điện trường thì khi hệ số không đồng nhất k<2 thì trường giữa

khoảng cách cực là gần đồng nhất

Trong thực tế, điện trường gần đồng nhất tồn tại giữa các điện cực dạng tròn với các

điều kiện sau đây

Điều kiện tự duy trì cũng xẫy ra tương tự như trong trường đồng nhất, chỉ khác nhau ở

biểu thức về điều kiện tự duy trì:

1 Giá trị điện áp phóng điện Uo

Để đơn giản trong tính toán, khảo sát

trường hợp điện cực là hai quả cầu đồng tâm r và R Khoảng cách cực thỏa mãn điều kiện s<<r

Xuất phát từ điều kiện tự duy trì

U r

R Bpx r

R x U Bp

const Ape

dx Ape

U E

ln

0

Sau biến đổi, nhận được:

Và để ý rằng

Thì biểu thức điện áp bé nhất có thể

viết dưới dạng tổng quát như sau:

)]

ln exp(

)

ln [exp(

r

R U

r

R B

pr U

r

R B

r

R B

) ,

( )

, (

) ,

(0

r

R s

f r

R ps

f r

R pr

f

2 Định luật đồng dạng

Biểu thức trên biểu thị định luật Đồng Dạng Định luật Đồng Dạng phát biểu như sau:

Điện áp phóng điện bé nhất của chất khí phụ thuộc vào tích số của áp suất và khoảng cách giữa các điện cực và tỷ số kích thước của các điện cực

2 Định luật đồng dạng

Nếu thay đổi kích thước của điện cực nhưng đảm bảo tỉ số giữa chúng không thay đổi thì điện áp điện bé phóng điện nhất chỉ phụ thuộc vào tích số ps

Nếu giữ nguyên khoảng cách cực và

muốn nâng cao điện áp phóng điện thì cần phải tăng áp suất

IV Phóng điện trong điện

trường không đồng nhất.

Theo phân loại điện trường thì khi hệ số không đồng nhất k>4 thì trường giữa khoảng cách cực là không đồng nhất

Trong thực tế, điện trường không đồng nhất tồn tại giữa các điện cực có kích

thước sau đây:

a) Mũi nhọn-mũi nhọn b) Mũi nhọn-cực bản

Quá trình phóng điện xẩy ra theo các

thứ tự sau đây: phóng điện vầng quang,phóng điện chọc thủng và phóng điện ngược

Đây là một dạng phóng điện đặc biệt

chỉ xẩy ra trong môi trường điện trường không đồng nhất

dòng plasma chỉ tồn tại xung quanh điện

cực có bán kính cong be

1) Phóng điện vầng quang

Xuất hiện của phóng điện vầng quang

không làm phá hủy tính cách điện của

khe hở khí

Tuy nhiên sự tồn tại của nó sẽ làm già cổi cách điện, gây tổn hao vầng quang, nhiểu thông tin v.v…

Quá trình phóng điện không những phụ thuộc vào cường độ của điện từ trường

mà còn phụ thuộc vào cực tính của nó

a) Khi mũi nhọn có cực tính dương.

*Ngay tại mũi nhọn điện trường giảm thấp, làm cho quá trình phóng điện vầng quang khó khăn hơn.

*Phía bên phải mũi nhọn điện trường tăng lên, làm tạo điều kiện cho phóng điện chọc thủng (phát triển về phía điện cực đối diện)



vq

U

Gọi là điện áp phóng điện vầng

quang khi cực tính mũi nhọn là dương

b) Khi mũi nhọn có cực tính âm.

*Ngay tại mũi nhọn điện trường tăng lên, làm cho quá trình phóng điện vầng quang dễ dàng hơn.

*Phía bên phải mũi nhọn điện trường

giảm xuống, làm cho phóng điện chọc thủng (phát triển về phía điện cực đối

diện) càng khó hơn

Gọi là điện áp phóng điện vầng quang khi cực tính mũi nhọn là âm

a) Khi mũi nhọn có cực tính dương.

2) Phóng điện chọc thủng

Quá trình phóng điện trong trường

hợp nầy tương đối dễ dàng

chính vì thế bề rộng của dòng plasma

tương đối hẹp



ct U

Gọi là điện áp phóng điện chọc thủng khi cực tính mũi nhọn là dương

b) Khi mũi nhọn có cực tính âm.

Quá trình phóng điện trong trường hợp nầy rất khó khăn, năng lượng cung cấp cho quá trình phóng điện rất lớn

chính vì thế bề rộng của dòng

plasma rất rộng



ct

U

Gọi là điện áp phóng điện

chọc thủng khi cực tính mũi nhọn

3) Phóng điện ngược.

1



2



V Tác dụng nâng cao điện áp phóng điện của màn chắn trong điện trường không đồng

nhất

Trong khảo sát phóng điện trong chất khí, ta thấy tồn tại những vùng điện tích không

gian

Chính chúng làm biến dạng trường và làm

giảm điện áp phóng điện

Làm thế nào để phân bố lại lớp điện tích không gian nầy cho đều để nâng cao điện

trường phóng điện của chất khí

a) Màn chắn khi cực thanh dương

Sự phụ thuộc vị trí màn chắn lên giá trị điện

áp phóng điện

Uct+max khi Sm=(0.2-0.3)S

b Màn chắn khi cực thanh âm

Khi màn chắn ở

xa mũi nhọn: màn chắn chủ yếu phân bố lại vùng điện tích âm.

Làm trường tăng

do đó điện áp

giảm.

b Màn chắn khi cực thanh âm

Khi màn chắn ở

gần mũi nhọn: màn chắn chủ yếu phân bố lại vùng điện tích dương

Làm trường đều

hơn do đó điện áp phóng điện tăng lên.

TÓM LẠI:

Với điện áp DC:

lúc mũi nhọc có cực tính +

Với điện áp AC:

Màn chắn vẫn có tác dụng nâng cao điện áp phóng điện ở bán chu kỳ dương

IV Phóng điện trong chất khí khi điện áp tác

dụng có dạng xung

1 Giới thiệu dạng sóng xung tiêu biểu

IV Phóng điện trong chất khí khi điện áp tác

dụng có dạng xung

2 Các thành phần của thời gian phóng điện

a) Thời gian t1

trường

c) Thời gian hình thành phóng điện

*Thác điện tử

*Phát triển dòng

*Phóng điện ngược

nhất: Thời gian THÁC Trong trường không đồng nhất: Thời

gian DÒNG

Như vậy thời gian phóng điện sẽ là:

t p= t 1+ t tk+ t ht

Dạng E Emax/Emin Vd+(cm/s) Vd-(cm/s)

Vd+/Vd-Bản-Bản 1 1,5x10e8 8x10e7 #2

Cầu-Bản 13,5 10e8 2,5x10e7 #4

Thanh-Bản 100 2,5x10e7 2x10e6 #12,5

Tốc độ dòng theo dạng điện trường

2 Đặc tính VÔN GIÂY

a) Dạng sóng xung chuẩn

% 20 50

% 30 2

Theo CIGRE:(International Conference on large High Voltage Electric Systems)

b) Phương pháp xác định dặc tính V-S

*Mạch điện:

*Phương pháp xác định dặc tính V-S

c) Ý nghĩa thực tế của đặc tính V-S

CHÚC CÁC BẠN THÀNH CÔNG