Trong thế kỷ 20, chúng ta đã chuyển sang khám phá sự phóngđiện như một hàm của tần số, trong khi mô hình hóa tiến triển do sự phát triển ngàycàng nhiều ứng dụng của sự phóng điện [1].1.1
TỔNG QUAN VỀ PHÓNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ
Tổng quan về phóng điện trong chất khí
1.1.1 Giới thiệu phóng điện trong chất khí
Hiện tượng phóng điện dù đã được nghiên cứu gần hai thế kỷ nhưng vẫn là chủ đề nghiên cứu tích cực của các nhà khoa học Chúng ta có thể ngạc nhiên trước tình trạng này nhưng chúng ta sẽ nhanh chóng hiểu rằng điều này chỉ do tính phức tạp lớn của hiện tượng và các cơ chế cấu thành nên nó Tuy nhiên, những tiến bộ lớn đã được thực hiện trong những thập kỷ gần đây trong việc cải thiện phương tiện chẩn đoán những thời điểm đầu tiên của quá trình phóng điện và trong nghiên cứu các cơ chế khởi đầu Điều này giúp nâng cao kiến thức về hiện tượng này và nâng cao các ứng dụng đã được mở rộng hơn nhiều [1]. Đối với các ứng dụng công nghiệp, hiểu biết về phóng điện trong chất khí rất quan trọng để thiết kế và duy trì các hệ thống điện, đảm bảo an toàn và ổn định trong môi trường làm việc [1].
Hình 1.1: Phóng điện trong chất khí
Việc nghiên cứu khoa học về sự phóng điện bắt đầu từ thế kỷ 18 bằng việc quan sát thực nghiệm tia lửa điện do máy phát tĩnh điện và bão sét tạo ra Sau đó, việc phát minh ra loại pin đủ mạnh đã cho phép V.V Petrov tạo ra hồ quang điện đầu tiên trong không khí vào năm 1803 Humphrey Davy sau đó đã nghiên cứu nó Nhưng chính Michael Faraday, trong khoảng thời gian từ 1831 đến 1835, đã phát hiện và bắt đầu nghiên cứu sự phóng điện phát sáng bằng cách sử dụng các ống chứa khí ở áp suất khoảng 100 Pa dưới 1000 Volt Sau đó, vào cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, vật lý về sự phóng điện trong chất khí đã cho phép vật lý nguyên tử đạt được bước tiến đầu tiên với công trình của William Crookes và Thomson, đặc biệt với việc nhấn mạnh vai trò cơ bản của các electron trong quá trình phóng điện và đo tỷ lệ tỉ số của điện tích trên khối lượng [1].
Khoảng năm 1900, một sinh viên của Thompson, Townsend, đã thực hiện mô hình đầu tiên về sự phóng điện, tương ứng với trường hợp phóng điện phát quang trong một trường đều Langmuir cũng nghiên cứu về các chất phóng điện này và đưa ra khái niệm về plasma Trong thế kỷ 20, chúng ta đã chuyển sang khám phá sự phóng điện như một hàm của tần số, trong khi mô hình hóa tiến triển do sự phát triển ngày càng nhiều ứng dụng của sự phóng điện [1].
1.1.3 Thông tin chung về phóng điện
Phóng điện là sự hình thành dòng điện liên tục giữa các cực, môi trường khí mà dẫn điện được người ta gọi là môi trường plasma (phóng điện là sự hình thành môi trường plasma) [1].
Plasma bản thân là chất khí, trong đó một phần đáng kể các phân tử khí đã bị ion hóa [2].
Plasma phóng điện được sản xuất trong phòng thí nghiệm và sử dụng cho các ứng dụng công nghệ là môi trường ion hóa yếu chứa các electron tự do, ion dương và có thể cả ion âm Tùy thuộc vào giá trị nhiệt độ hoặc mức độ ion hóa, các plasma này có thể được phân thành hai loại chính: plasma nhiệt (plasma cân bằng) và plasma không nhiệt (plasma không cân bằng) [1].
Định nghĩa về phóng điện trong chất khí
Phóng điện trong chất khí là toàn bộ các hiện tượng dẫn đến sự xuất hiện dòng điện xuyên qua khoảng cách không khí dưới tác dụng của điện trường [2].
Trong không khí luôn luôn tồn tại một số lượng điện tích tự do – điện tử và ion nào đó, do tác dụng của các nhân tố ion hóa tự nhiên (như tia cực tím của ánh sáng mặt trời, tia phóng xạ của các nguyên tố phóng xạ của trái đất, tia vũ trụ…) chúng làm cho không khí có một độ dẫn điện nhất định Tuy nhiên công suất của các nguồn ion hóa tự nhiên này rất bé, cho nên trong mỗi giây trong 1cm 3 không khí trung bình chỉ có một đôi điện tích tự do được tạo nên, tương ứng với sự tăng mật độ điện tích không gian 0
= 1,6.10 -19 C/cm 3 trong 1 giây Nhưng mặt khác, đồng thời cũng xảy ra sự kết hợp lại của các điện tích tự do trái dấu để tạo thành các phân tử khí trung tính Kết quả là trong lớp không khí trên bề mặt trái đất có chứa khoảng 750 ion dương và 650 ion âm trong 1cm 3 Các ion này tạo nên một điện dẫn suất trung bình khoảng 2,2.10 -6 -1 , do đó không khí có thể coi như một điện môi rất tốt [2].
Sự hình thành phóng điện và các yếu tố ảnh hưởng đến phóng điện trong chất khí 4
1.3.1 Sự hình thành phóng điện
Song song với sự phát sinh của điện tử kèm theo sự phát sinh của ion dương với cùng số lượng và các điện tích này sẽ tập hợp thành các thác điện tử [3].
Hình 1.2: Quá trình hình thành phóng điện
Các electron âm do nhẹ di chuyển với tốc độ nhanh đồng thời dễ khuyếch tán phân bố trong khoảng không gian tương đối rộng Còn các ion dương nặng di chuyển chậm cho nên tập trung ở phía sau [3]. ¿)
Dưới tác dụng của điện trường thì các electron âm càng ngày càng được kéo dài ra cho đến lúc nó nối liền khoảng cách giữa các điện cực Lúc đó thác sẽ tự triệt tiêu bởi vì các điện tích khác dấu đã được trung hòa trên các điện cực đối diện.
Quá trình này chưa thể gọi là phóng điện được bởi vì chưa hình thành dòng liên tục giữa các cực [3].
Muốn có phóng điện: Phải có nhiều thác điện tử
Thác điện tử thế hệ sau phải sinh sản ra trước khi thác thế hệ trước nó tiêu diệt.
Mỗi một thác điện tử đều đòi hỏi 1 electron âm tác dụng ban đầu thứ cấp Nhưng các electron âm tác dụng ban đầu của các thế hệ sau phải được sinh ra ngay trong nội bộ khe hở khí dựa vào hiện tượng ion hóa quang ở áp suất cao hoặc ion hóa bề mặt ở áp suất thấp [3].
1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến phóng điện trong chất khí
Khả năng phóng điện trong không khí được ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bên ngoài Dưới đây là một số trong những yếu tố quan trọng này: Độ ẩm không khí Độ ẩm có thể ảnh hưởng đến khả năng phóng điện trong không khí Không khí ẩm hơn thường có khả năng phóng điện kém hơn so với không khí khô Điều này do phân tử nước trong không khí có khả năng hấp thụ và dẫn điện tốt hơn so với không khí khô [5].
Nhiệt độ cũng có thể ảnh hưởng đến khả năng phóng điện Không khí nóng thường có khả năng phóng điện tốt hơn so với không khí lạnh Điều này liên quan đến việc nhiệt độ cao tạo điều kiện cho phân tử trong không khí di chuyển nhanh hơn và gây ra sự phóng điện dễ dàng hơn [5]. Áp suất không khí Áp suất không khí cũng có thể ảnh hưởng đến khả năng phóng điện Ở độ cao cao hơn, áp suất không khí thấp hơn, và điều này có thể làm cho phóng điện trở nên khó khăn hơn [5].
Môi trường xung quanh, chẳng hạn như sự hiện diện của các chất bẩn, các hạt bụi, hoặc các hạt ion có thể ảnh hưởng đến khả năng phóng điện Các hạt này có thể tạo điều kiện cho sự phóng điện xảy ra dễ dàng hơn bằng cách tạo ra các điểm triệt hạng (điểm nơi phóng điện bắt đầu) [5]. Điện trường bên ngoài
Sự tồn tại của một điện trường bên ngoài có thể ảnh hưởng đến khả năng phóng điện trong không khí Nếu có một điện trường mạnh, nó có thể thúc đẩy quá trình phóng điện [5].
Những yếu tố này có thể tương tác với nhau và ảnh hưởng đến quá trình phóng điện trong không khí Khả năng phóng điện cũng thay đổi tùy thuộc vào điều kiện cụ thể và môi trường trong đó nó xảy ra [5]. Đặc tính cách điện
Loại cách điện hoặc chất khí có đặc tính cách điện khác nhau Điều này có thể ảnh hưởng đến khả năng phóng điện Một số cách điện dễ bị chọc thủng hơn so với các loại khác [5].
Hình dạng điện cực Đối tượng có hình dạng và cạnh sắc bắn có thể tạo ra điện trường cục bộ mạnh hơn các điểm nhọn dẫn đến phóng điện vầng quang hoặc chọc thủng [5]. Điện áp Điện áp áp dụng cũng là một yếu tố quan trọng Điện áp cao hơn có thể kích thích phóng điện, đặc biệt là trong các ứng dụng như đường dây điện trung áp và cấp cao áp [5].
Thời gian và tần số của điện áp áp dụng
Tần số và thời gian của điện áp áp dụng có thể ảnh hưởng đến quá trình phóng điện Ví dụ, sự áp dụng điện áp tần số cao có thể gây ra phản ứng phóng điện khác nhau so với điện áp tần số thấp [5].
Kiểm soát và môi trường
Môi trường và kiểm soát thường ảnh hưởng đến quá trình phóng điện Ví dụ, các ứng dụng công nghiệp có thể điều chỉnh các yếu tố này để đảm bảo an toàn hiệu suất.
Tất cả những yếu tố này cùng tác động và có thể thay đổi từng ứng dụng cụ thể, do đó quá trình phóng điện có thể được nghiên cứu và kiểm soát để đáp ứng yêu cầu cụ thể của các ứng dụng khác nhau [5].
Sự phóng điện trong điện môi khí
Các chất khí, chủ yếu là không khí thường được dùng làm chất cách điện của các thiết bị điện làm việc trong không khí và của đường dây tải điện trên không Không khí hoặc phối hợp với các điện môi khác hoặc đơn độc làm nhiệm vụ cách điện giữa các pha hoặc giữa pha với đất (vỏ máy) Do vậy đặc tính cách điện của chất khí có ý nghĩa rất quan trọng trong kỹ thuật điện cao áp Khi chúng mất khả năng cách điện sẽ gây nên hiện tượng ngắn mạch và dẫn đến sự cố trong các thiết bị điện và hệ thống điện Trong điện môi rắn và lỏng thường tồn tại các bọt khí, đó là các điểm cách điện suy yếu vì cách điện của các điện môi này bị hư hỏng thường bắt nguồn từ các quá trình phóng điện của bọt khí Vì vậy, nghiên cứu quá trình phóng điện trong điện môi khí với mục đích khắc phục và loại trừ sự cố trong các thiết bị hệ thống điện [3].
1.4.1 Yêu cầu chung đối với chất khí cách điện
Các chất khí dùng làm chất cách điện phải đạt được các yêu cầu sau đây:
Phải là loại khí trơ, nghĩa là không gây ra phản ứng hóa học với các chất cách điện khác trong cùng kết cấu cách điện hoặc với các kim loại của thiết bị điện (1).
Có cường độ cách điện cao, sử dụng các chất khí có cường độ cách điện cao sẽ giảm được kích thước của kết cấu cách điện và của thiết bị (2).
Nhiệt độ hóa lỏng thấp để có thể sử dụng chúng ở trạng thái áp suất cao (3). Phải rẻ tiền, dễ tìm kiếm và chế tạo (4).
Ngoài nhiệm vụ cách điện của chất khí còn có nhiệm vụ làm mát (như trong máy điện) và yêu cầu phải dẫn điện tốt.
Không khí là loại khí thường gặp nhất thỏa mãn được yêu cầu (4) nhưng lại không đạt yêu cầu (1) và (2), nhất là yêu cầu (1) Quá trình ion hóa trong không khí thường phát sinh các chất ôzôn, ôxitnitơ, biôxit nitơ và kết hợp với nước thành axit nitơric (HNO 3 ), chúng sẽ ăn mòn kim loại và các bộ phận cách điện khác Cường độ cách điện của không khí chỉ bằng 1/10 so với dầu biến áp, cho nên để tăng độ cách điện của nó lên ngang với chất cách điện rắn và lỏng cần phải tăng áp suất không khí 10-15 at, điều đó sẽ làm cho kết cấu và vận hành của thiết bị càng thêm phức tạp.
Hiện nay, đã và đang sử dụng các chất khí có cường độ cách điện cao như êlêgaz, frêôn…
Bảng 1.1: Đặc tính của một số chất khí cách điện
Tên chất khí Thành phần hóa học
Cường độ cách điện tương đối so với không khí
1.4.2 Các dạng ion hóa xảy ra trong chất khí
Quá trình ion hóa tự nhiên: trong không khí dưới tác dụng của các yếu tố bên ngoài thường xảy ra mấy lần ion hóa trong 1 giây.
Quá trình ion hóa: là quá trình điện tử nhận được năng lượng bên ngoài để tách ra khỏi nguyên tử hay phân tử, biến chúng thành ion dương và điện tử tự do.
Năng lượng ion hóa: năng lượng cần thiết để cung cấp cho phân tử trung hòa để phân tử đó bị ion hóa Năng lượng ion hóa của các chất khác nhau, phụ thuộc vào năng lượng liên kết giữa hạt nhân và điện tử của phân tử chất khí đó.
Ion hóa va chạm (quan trọng nhất đối với sự phóng điện của chất khí)
Ion hóa va chạm là quá trình trong đó một electron bị tách ra khỏi một nguyên tử hoặc phân tử sau khi chúng va chạm với một hạt khác, chẳng hạn như một electron, một ion hoặc một hạt phân tử khác Quá trình này xảy ra khi có sự trao đổi năng lượng đủ lớn trong quá trình va chạm giữa các hạt này [3].
Ion hóa va chạm là một quá trình quan trọng trong nghiên cứu về sự tương tác giữa các hạt và cấu trúc nguyên tử và phân tử, cũng như trong nghiên cứu về các hiện tượng vật lý và hóa học liên quan đến ion hóa và tạo ra các ion [3].
Trong đó: m là khối lượng phân tử v: tốc độ chuyển đổi của phân tử
Ion hóa quang (photoionization) là quá trình trong đó các electron trong một nguyên tử hoặc phân tử bị tách ra bởi ánh sáng hoặc photon có đủ năng lượng Đây là một quá trình quan trọng trong nghiên cứu về tương tác giữa ánh sáng và vật chất, và nó thường được sử dụng trong spectroscopy để xác định cấu trúc nguyên tử và phân tử [3].
Năng lượng cần thiết để ion hóa: W =hv ≥ W i
Trong đó: : độ dài sóng của sóng ngắn ¿ C V v: tần số bức xạ sóng ngắn c: tốc độ ánh sáng
Khi một photon có năng lượng đủ lớn va chạm với một nguyên tử hoặc phân tử, nó có thể gây ra ion hóa bằng cách tách ra một hoặc nhiều electron ra khỏi hệ thống. Khi electron bị tách ra, nó trở thành một ion, và nguyên tử hoặc phân tử ban đầu trở thành một dạng dương hoặc âm tính tùy thuộc vào việc electron bị mất hoặc thêm vào [3].
Ion hóa quang là cơ sở cho nhiều kỹ thuật quan trọng trong phân tích phổ học và nghiên cứu về cấu trúc vật lý và hóa học của vật chất Nó cho phép các nhà khoa học điều tra các mức năng lượng của các electron trong nguyên tử và phân tử, và từ đó có thể xác định thông tin về cấu trúc và tính chất của chúng [3].
Ion hóa nhiệt (heat ionization) là quá trình trong đó một electron bị tách ra khỏi một nguyên tử hoặc phân tử khi nhiệt độ của hệ thống tăng lên đủ cao Điều này xảy ra khi nhiệt độ đạt đến hoặc vượt quá một ngưỡng gọi là nhiệt độ ion hóa nhiệt động (thermionic ionization temperature), cũng được gọi là nhiệt độ ion hóa.
Năng lượng nhiệt và nhiệt độ cần thiết để xảy ra quá trình ion hóa:
Trong đó: T: nhiệt độ tuyệt đối của chất khí k=1,37 −16 erg/° K - hằng số Boltzmann
Khi nhiệt độ tăng lên đủ cao, các electron trong nguyên tử hoặc phân tử sẽ nhận được đủ năng lượng để vượt qua lực hấp dẫn của hạt nhân và bị tách ra Kết quả là nguyên tử hoặc phân tử ban đầu trở thành một ion và một electron tự do Quá trình này thường xảy ra trong các ứng dụng liên quan đến điện tử, chẳng hạn như trong thiết bị phát điện tử nóng, trong đó nhiệt độ cao được sử dụng để tạo ra electron tự do từ các vật liệu [3].
Nhiệt độ ion hóa nhiệt động phụ thuộc vào tính chất của vật chất cụ thể và có thể thay đổi cho từng vật liệu Quá trình này được sử dụng trong các ứng dụng như thiết bị điện tử, tiếp điểm điện tử và trong nghiên cứu về các hiện tượng vật lý và hóa học liên quan đến ion hóa nhiệt.
Ion hóa bề mặt (surface ionization) là một hiện tượng trong đó các electron bị tách ra từ bề mặt của một vật thể, chẳng hạn như một kim loại, khi nhiệt độ tăng lên đủ cao hoặc khi nó tiếp xúc với một chất khác có khả năng tạo ra các ion Hiện tượng này thường xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn so với ion hóa nhiệt (heat ionization) trong nguyên tử hoặc phân tử [3]. hv=W i +∆ W k
Trong đó: h: là hằng số Plank, h=6,5.10 −27
∆ W k : là sự chênh lệch tổng năng lượng của phân tử trước và sau khi va chạm.
Điện dẫn của điện môi khí
Trong điện môi khí luôn xảy ra quá trình ion hóa tự nhiên, khi điều kiện môi trường không thay đổi trong các chất khí bao giờ cũng tồn tại một số lượng điện tích tự do nhất định Sở dĩ, có hiện tượng này là vì trong điện môi khí tồn tại quá trình tái hợp song song với quá trình ion hóa, đó là quá trình kết hợp giữa các điện tích trái dấu tạo thành phân tử trung hòa Trạng thái cân bằng của điện môi đạt được khi số điện tích xuất hiện do ion hóa cân bằng với số điện tích bị tái hợp.
Dưới tác dụng của điện trường bé, các điện tích được sinh ra bởi quá trình ion hóa tự nhiên sẽ chuyển động và tạo nên dòng điện dẫn trong điện môi khí Dòng điện dẫn này thường được gọi là “điện dẫn không tự duy trì”.
Hình 1.3: Quá tình gây ra ion hóa trong chất khí
Một loại khí chịu sự phóng điện trong phòng thí nghiệm có thể được tìm thấy ở các chế độ vận hành khác nhau Để xác định các chế độ này, ta xem xét kiểu phóng điện liên tục: tiến hành kết nối với nguồn điện áp trực tiếp, hai điện cực (cực dương và cực âm) được ngăn cách bởi khí (ở áp suất thấp và hạn chế) sẽ bị ion hóa Sự phóng điện thu được trong thiết bị Townsend có thể được phân tích bằng cách kiểm tra đường cong đặc tính V(I) liên quan đến nó Bốn chế độ phóng điện có thể đạt được trong loại hệ thống này [4].
Chế độ thứ nhất: Tương ứng với phóng điện không duy trì Sự phóng điện chỉ có thể tồn tại khi có phương tiện bên ngoài, thường là nguồn sáng, đảm bảo tạo ra các electron sơ cấp ở cực âm bằng hiệu ứng quang điện.
Chế độ thứ hai: Tương ứng với cái mà chúng ta gọi là phóng điện Townsend.
Nó được đặc trưng bởi sự tăng trưởng gần như thẳng đứng của dòng điện đối với một giá trị điện áp được gọi là điện áp đánh thủng Sự tăng trưởng này tương ứng với sự chuyển đổi từ chế độ trong đó sự nhân lên của các electron chủ yếu bị chi phối bởi sự ion hóa do tác động của các electron lên các phân tử khí sang chế độ trong đó phần lớn sự nhân lên được đảm bảo bằng sự gia tăng dòng điện tử bắn phá Cathode Trong chế độ Townsend, điện tích không gian do plasma tạo ra thấp và điện trường vẫn bằng trường Laplacian.
Chế độ thứ ba: Tương ứng với sự phóng điện phát quang Trong trường hợp áp suất thấp được xem xét, các dòng thải này thường được duy trì bằng cơ chế loạiTownsend Sự khác biệt lớn mà chúng thể hiện với cái gọi là sự phóng điện Townsend nằm ở chỗ chính trường điện tích không gian chứ không phải trường Laplacian chi phối động lực học của các loại tích điện.
Chế độ thứ tư: Tương ứng với chế độ hồ quang Arce Điều này được đặc trưng bởi điện áp giữ rất thấp (vài chục Volt), mật độ dòng điện cao và sự phóng điện đáng kể, nhiệt độ có thể dễ dàng đạt tới vài nghìn Kelvin Việc duy trì chế độ hồ quang cũng bị chi phối bởi các quá trình cơ bản ở cực âm Tuy nhiên, những quá trình rất phức tạp này khác với những quá trình gặp phải trong trường hợp phóng điện phát sáng Các hiệu ứng như hiệu ứng nhiệt điện, phát xạ trường thường được trích dẫn Duy trì chế độ hồ quang cũng đặt ra những hạn chế mạnh mẽ đối với nguồn cung cấp điện vốn phải có khả năng đảm bảo sự lưu thông của dòng điện mạnh.
Hình 1.4: Quan hệ giữa dòng điện và điện áp đối với chất khí
Khi cường độ điện trường đặt lên điện môi khí đủ lớn, những điện tích có trong điện môi nhận được năng lượng và tăng tốc chuyển động, khi va chạm với phân tử trung hòa sẽ gây nên ion hóa (ion hóa do va chạm) Số lượng điện tích được tạo nên bởi quá trình ion hóa do va chạm sẽ tăng lên theo hàm số mũ làm cho dòng điện tăng. Điện dẫn của chất khí trong trường hợp này gọi là “điện dẫn tự duy trì”. Để thấy rõ mối quan hệ giữa dòng điện trong điện môi khi điện áp đặt vào điện môi thay đổi, ta tìm hiểu thêm trên Hình 1.4.
Trên biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp của chất khí hay còn gọi là đặc tính Volt – Ampe (V-A) Với đặc tính trên ta có thể giải thích như sau:
Vùng I: Đoạn đầu của đường cong, điện áp tăng từ O cho đến U A tương ứng với miền của định luật Ohm, trong chất khí có thể xem số lượng ion dương và âm (n o ) không đổi Khi điện áp đặt lên hai điện cực tăng, thì cường độ trường (E = U S ) sẽ tăng lên Lực điện trường tác dụng lên các điện tích tăng (F = qE), do đó tốc độ chuyển động của các điện tích sẽ tăng, mật độ dòng điện tăng và dòng điện sẽ tăng tuyến tính với điện áp tuân theo định luật Ohm.
Vùng II: Ứng với khu vực điện trường có dòng điện bão hòa Khi áp tăng cao, cường độ điện trường đủ lớn, tốc độ chuyển động của các điện tích lớn, các ion chưa kịp tái hợp đã bị kéo đến điện cực Điều đó có nghĩa là: có bao nhiêu điện tích sinh ra thì có bấy nhiêu điện tích đi về các cực điện cực trung hòa Nhưng số lượng điện tích sinh ra bởi ion hóa tự nhiên không thay đổi, cho nên các dòng điện đạt tới trị số bão hòa, mặc dù điện áp vẫn tăng lên nhưng không làm cho dòng điện tăng - ứng với đoạn nằm ngang của đồ thị. Đối với không khí ở điều kiện bình thường với khoảng cách giữa các điện cực là
10 mm và cường độ điện trường khoảng 0,0006 V/mm thì dòng điện đạt trị số bão hòa với mật độ dòng điện khoảng 10 -21 A/mm 2 Vì thế có thể xem không khí là điện môi tốt khi chưa có các điều kiện đưa đến ion hóa va chạm.
Vùng III: Ứng với khu vực có cường độ điện trường mạnh Ở khu vực này dòng điện bắt đầu tăng nhanh không tuân theo định luật Ohm Điều này có thể giải thích dựa trên cơ sở của hiện tượng ion hóa do va chạm khi cường độ điện trường đặt lên điện môi có trị số lớn Khi mật độ điện tích lớn sẽ gây nên phóng điện tạo thành dòng plasma nối liền giữa hai điện cực, chất khí trở thành vật liệu dẫn điện, dòng điện tăng lên theo hàm số mũ Song theo nguyên lý bảo toàn năng lượng và do công suất nguồn có hạn, để duy trì dòng điện phóng điện, điện áp sẽ không tăng mà giảm tới điện áp tự duy trì (U TDT ).
Phóng điện trong chất khí ở 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 phúng điện dao động trong khoảng ns đến às.
Dòng 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 không khí. Ở áp suất thấp: để duy trì phóng điện trong chất khí việc giải thoát điện tử dựa vào hiện tượng ion hóa bề mặt âm cực do ion hóa dương và các photon bức xạ của thác thứ nhất. Ở áp suất cao: điện tử thứ cấp được tạo nên bởi sự ion hóa quang khối khí, sau khi thác thứ nhất kết thúc, điện tử thác mới bị điện tích dương của thác thứ nhất kéo về và vì điện trường trong không gian điện tích khối không khí lớn nên các điện tử dễ hút vào và phân tử trung tính trở thành ion âm Các ion âm cùng với ion dương có sẵn tạo thành dòng plasma Quá trình phóng điện hoàn toàn khi dòng plasma phát triển nối liền giữa các điện cực.
Phóng điện trong chất khí ở điện trường không đều
1.7.1 Mô tả điện trường không đều Điện trường giữa các phần có chênh lệch điện thế trong các thiết bị điện thực tế là không đều và có thể đại diện bằng các hệ thống điện cực như: mũi nhọn - mặt phẳng, cầu - phẳng, thanh - phẳng.
Mức độ không đều của điện trường được xác định bằng hệ số (hệ số Schwaiger). ¿ E ave
0 ≤ ≤ 1 Điện trường gần đều: 0,25 ≤ ≤ 1 Điện trường rất không đều: ≤ 0,01
Với E ave : Điện trường trung bình.
E max : Điện trường cực đại. Điện trường đều và gần đều: sự xuất hiện của hiện tượng ion hóa luôn kết thúc bằng phóng điện đánh thủng. Điện trường không đều: phóng điện vầng quang (biểu hiện: ánh sáng và âm thanh) xảy ra trước và có thể không dẫn đến phóng điện đánh thủng. Điện trường không đều phân tán mạnh trong các hệ thống điện cực: mũi nhọn - mũi nhọn, mũi nhọn - bản phẳng, cầu - bản phẳng…
Hình 1.5: Phân bố điện trường
1.7.2 Điều kiện phóng điện trong điện trường không đều
Hệ số ion hóa: α = p f ( E p ) Điện trường thay đổi trong khe hở điện cực dẫn đến hệ số ion hóa α thay đổi. Điều kiện phóng điện Townsend (thác điện tử) được hiệu chỉnh như sau: Điện trường đều Điện trường không đều
(thác điện tử) (dòng điện tử). γ[exp(αd)−1]=1 γ¿
Với : Hệ số ion hóa thứ hai (xác xuất để sinh ra 1 điện tử tự do 1 ion dương va đập vào Cathode). d: Khe hở điện cực.
E: Cường độ điện trường. p: Áp suất chất khí. α(x): Hệ số ion hóa va chạm. x(cm): Khoảng cách khí.
Trong trường hợp tổng quát, điều kiện xảy ra phóng điện trong điện trường không đều. exp¿ ¿0
Cường độ điện trường tại đầu thác khi chuyển từ thác điện tử sang dòng điện tử.
Phóng điện đánh thủng trong điện trường không đều trong chất khí luôn bắt đầu bằng hiện tượng phóng điện vầng quang.
Phóng điện vầng quang
Là một dạng phóng điện tạo ra sự từ ion hóa chất khí hoặc chất lỏng xung quanh vật dẫn điện khi điện trường không đều và cường độ điện trường tại hoặc gần bề mặt vật dẫn vượt quá độ bền điện nhưng không đủ điều kiện để gây ra phóng điện đánh thủng toàn bộ khe hở điện cực. Đặc tính: Phóng điện tự duy trì trong điện trường không đều. Điện áp bắt đầu vầng quang nhỏ hơn điện áp đánh thủng.
Phát sáng và âm thanh.
Cường độ điện trường cần thiết E vq tại bề mặt vật dẫn trong không khí để tạo ra phóng điện vầng quang AC nhìn thấy được tính từ công thức Peek. Đối với trường hợp hai dây dẫn song song, công thức Peek được biểu diễn như sau:
E vq !,4δ m 1 m 2 ( 1+ 0,298 √ rδ ) ( kV cm ) r: đường kính dây dẫn. m 1 : hệ số phụ thuộc điều kiện bề mặt dây dẫn. m 2 : hệ số phụ thuộc điều kiện khí hậu.
: mật độ tương đối của không khí. Điện áp tạo vầng quang
U vq =E vq rlnd r (kV) Với d: khoảng cách giữa hai dây. Ảnh hưởng của cực tính
Trong điện trường rất không đều, phóng điện vầng quang bắt đầu tại điện cực có bán kính nhỏ hơn và không bị ảnh hưởng bởi vật liệu làm điện cực.
Cực tính của điện cực ảnh hưởng đến quá trình phóng điện, cường độ điện trường và điện áp phóng điện trong khe khí.
Cực tính của điện cực rất quan trọng trong điện trường không đều.
Xem xét trong trường hợp hệ thống điện cực mũi nhọn - bảng được sử dụng để minh họa sự phóng điện trong điện trường không đều.
Hình 1.6: Phóng điện vầng quang khi mũi nhọn dương
Sự ion hóa va chạm xảy ra tại khu vực điện trường cao gần đầu mũi nhọn. Điện tử bị hút về cực dương bỏ lại các ion dương ở lại phía sau là điện tích không gian.
Các điện tích không gian làm giảm điện trường tại mũi nhọn nhưng làm tăng điện trường ở phía xa mũi nhọn.
Vùng có điện trường cao phát triển về phía khe khí làm mở rộng khu vực ion hóa
Cường độ điện trường tại khu vực chứa điện tích không gian có thể đủ lớn để bắt đầu dòng điện tử hình thành phóng điện đánh thủng.
Hình 1.7: Phóng điện vầng quang khi mũi nhọn âm
Các điện tử bị đẩy về vùng có điện trường thấp và gắn kết với các phân tử khí tạo ion âm.
Các ion âm có xu hướng kéo các ion dương ra khỏi cực âm, các ion dương định vị ở giữa điện tích âm và cực âm.
Tại vùng lân cận mũi nhọn, cường độ điện trường tăng cao nhưng vùng ion hóa bị thu hẹp làm chấm dứt quá trình phát triển ion hóa.
Ngay khi quá trình ion hóa chấm dứt, điện trường “quét sạch” các điện tích ở khu vực lân cận mũi nhọn, và một chu kỳ mới bắt đầu sau thời gian khử điện tích không gian. Để loại trừ tác động của các ion, cần một điện áp tác dụng cao hơn dẫn đến điện áp đánh thủng âm lớn hơn điện áp đánh thủng dương. Điện áp bắt đầu vầng quang
Vầng quang dương: các ion dương làm giảm điện trường gần cực dương dẫn đến tăng điện áp bắt đầu vầng quang.
Vầng quang âm: các ion dương làm tăng điện trường gần cực dương làm giảm điện áp bắt đầu vầng quang.
Do đó, phóng điện vầng quang bắt đầu tại bán kỳ âm của điện áp AC khi tăng điện áp tác dụng nhưng phóng điện đánh thủng xảy ra ở bán kỳ dương.
Phóng điện vầng quang trong thực tế
Phóng điện vầng quang thường xảy ra khi một đối tượng sắc bắn chẳng hạn như một đường dây điện hoặc một cạnh sắc bắn được đặc trong một điện trường mạnh Nó tạo ra một hiện tượng phát ra ánh sáng và tiếng ồn nhỏ, thường là một vầng quang màu xanh hoặc tím xung quanh đối tượng sắc bén
Phóng điện vầng quang xảy ra mà không gây chọc thủng môi trường cách điện xung quanh. Ứng dụng của phóng điện vầng quang
Phóng điện vầng quang thường xảy ra trong các ứng dụng như đường dây trung áp và cấp cao áp, nơi nó có thể tạo ra hiện tượng mất điện năng và tiếng ồn không mong muốn Việc kiểm soát và giảm thiểu phóng điện vầng quang là quan trọng để tăng hiệu suất mạng lưới điện.
Phóng điện chọc thủng điện môi
1.9.1 Đặc điểm của phóng điện chọc thủng điện môi
Phóng điện chọc thủng xảy ra khi một điện trường mạnh đủ lớn được áp dụng vào một vùng môi trường cách điện, và dẫn đến sự đứt gãy hoặc phá vỡ cấu trúc phân tử của môi trường cách điện.
Nó thường là hiện tượng đột ngột và không thể kiểm soát, dẫn đến mất điện áp và chọc thủng môi trường cách điện.
Mũi nhọn cực tính dương: lớp điện tích không gian dương ở khu vực mũi nhọn làm giảm gây khó khăn cho quá trình phóng điện vầng quang nhưng nếu ta tiếp tục tăng điện áp đến mức tạo nên thác điện tử mới, điện tử của thác mới kết hợp với ion dương của lớp không gian tạo nên dòng plasma bám vào mũi nhọn Quá trình trên tương đương với việc kéo dài mũi và cứ tiếp hình thành thác mới và được kéo dài về phía bản cực với tốc độ tăng dần.
Mũi nhọn cực tính âm: vì trường ở phía mũi nhọn tăng cường cho nên cùng 1 lúc tạo ra rất nhiều thác điện tử nên tạo nên 1 lớp plasma rộng bao quanh mũi nhọn Phía bên trái plasma trường được tăng cường và bên phải trường trường được giảm sút Bên trái plasma, quá trình ion hóa được phát triển mãnh liệt, nếu tiếp tục tăng điện áp thì trong giai đoạn đầu quá trình ion hóa vẫn xảy ra mãnh liệt ở phía bên trái plasma Nếu điện áp cứ tiếp tục tăng đến trị số đủ lớn thì sẽ tiếp tục ion hóa và hình thành thác mới.Quá trình tiếp tục tăng và kết quả là lớp plasma tiếp tục kéo dài về phía cực bảng So với cực tính dương, quá trình phóng điện khó khăn hơn do đó điện áp phóng điện lớn hơn.
1.9.2 Ứng dụng của phóng điện chọc thủng điện môi
Phóng điện chọc thủng thường không mong muốn và đôi khi có thể gây hỏng hoặc hỏng cháy các thiết bị điện tử hoặc cách điện.
Tuy nhiên, trong một số ứng dụng điện học, phóng điện chọc thủng có thể được sử dụng để kiểm tra và đánh giá tính cách điện của vật liệu, đo điện áp chọc thủng của cách điện, hoặc xác định tính cách điện của vật liệu.
Phóng điện ở điện áp xung
Trong thực tế, cách điện của các trang thiết bị điện áp cao còn thường chịu tác dụng của những xung điện áp cao với thời gian duy trì rất ngắn, đó là dạng điện áp xuất hiện khi có quá điện áp khí quyển gây nên bởi sét đánh trực tiếp hoặc đánh gần các trang thiết bị điện Vì các xung điện áp lan truyền từ nơi phát sinh theo đường dây tải điện dưới dạng sóng điện từ nên thường được gọi là sóng điện áp Phần sóng trong đó điện áp tăng cho đến trị số cực đại được gọi là đầu sóng, còn phần sóng trong đó điện áp giảm được gọi là đuôi sóng Trị số cực đại U được gọi là biên độ sóng [2].
Khoảng thời gian trong đó điện áp tăng đến trị số cực đại là thời gian đầu sóng (T1) và khoảng thời gian cho đến khi điện áp giảm còn bằng nửa biên độ (ở phần đuôi sóng) được gọi là thời gian toàn sóng hay độ dài sóng (T2) [2].
Do sét đánh gây nên với biên độ rất lớn và thời gian tồn tại rất ngắn.
Ký hiệu xung sột chuẩn: T1/T2: 1,2/50às.
1.10.1 Các thành phần của thời gian phóng điện
Hình 1.9: Các thành phần của thời gian phóng điện
Giả thiết cho tác dụng lên khoảng cách khí một xung điện áp có dạng như hình trên, với U 0 là điện áp phóng điện tự duy trì Rõ ràng, là trước thời điểm t 1 , và ngay ở cả thời điểm t 1 quá trình phóng điện chưa thể bắt đầu được Để bắt đầu quá trình phóng điện, cần phải có trước hết trong khoảng cách ở gần cực âm một điện tử tự do hiệu dụng đầu tiên, khoảng thời gian từ t 1 cho đến khi xuất hiện điện tử tự do hiệu dụng đầu tiên đó phụ thuộc vào nhiều nhân tố ngẫu nhiên và được xác định bằng giá trị trung bình thống kê nên được gọi là thời gian chậm trễ thống kê t tk Quá trình phóng điện bắt đầu tại thời điểm t 2 = t 1 + t tk và kết thúc tại thời điểm t 3 bằng sự xuyên thủng khoảng cách khí, đánh dấu bởi sự sụt điện áp đột ngột xuống trị số không Khoảng thời gian từ t 2 đến t 3 gọi là thời gian hình thành phóng điện t ht , trong đó bao gồm thời gian thác phát triển, thời gian dòng đi qua suốt khoảng cách và thời gian phóng điện ngược Như vậy thời gian đến khi phóng điện t p bao gồm ba thành phần: t p = t 1 + t tk + t ht t 1 là thời gian tăng điện áp đến trị số U0 có thể điều chỉnh được nên không xét đến.
Tổng của hai thành phần t tk + t ht = t cp được gọi là thời gian chậm phóng điện hay thời gian trì hoãn phóng điện, bản thân cũng là một đại lượng thống kê.
1.10.2 Thời gian chậm trễ thống kê
Không phải bất cứ điện tử tự do nào có mặt trong khoảng cách khí cũng có khả năng tại thành thác và mở đầu quá trình phóng điện: một số điện tử khuếch tán ra ngoài khu vực có điện trường cao, một số điện tử kết hợp với các phân tử khí để trở thành các ion âm, xác suất ion hóa va chạm của chúng rất thấp Vì vậy, khái niệm điện tử tự do hiệu dụng là để chỉ những điện tử có khả năng tạo thành thác, mở đầu quá trình phóng điện Sự xuất hiện của các điện tử này, như đã biết, phụ thuộc vào một loạt các nhân tố, trong đó có những nhân tố ngẫu nhiên Thời gian chậm trễ thống kê trung bình t s phụ thuộc vào các nhân tố chủ yếu sau:
Nguồn ion hóa bên ngoài: có thể là nguồn ion hóa tự nhiên như tia vũ trụ, tia cực tím của bức xạ mặt trời, tia phóng xạ của quả đất…, những cũng có thể là các nguồn ion hóa nhân tạo như bức xạ của đèn thủy ngân thạch anh Nếu cường độ của nguồn ion hóa bên ngoài mạnh thì thời gian chậm trễ thống kê trung bình sẽ ngắn, ví dụ trong các phòng thí nghiệm thường dùng đèn thủy ngân thạch anh chiếu vào cực âm (hoặc một liều lượng nguyên tố phóng xạ, hoặc một khe phóng điện tia lửa) có thể giảm ts hơn 10 lần.
Công thoát của vật liệu kim loại làm cực âm: Điện cực được chế tạo bằng kim loại có công thoát bé thì thời gian chậm trễ thống kê trung bình sẽ giảm, vì với cường độ của nguồn ion hóa bên ngoài không đổi thì số điện tử được giải thoát khỏi bề mặt cực âm nhiều hơn, do đó xác xuất xuất hiện điện tử tự do hiệu dụng cao hơn. Điện áp tác dụng: Tăng điện áp áp dụng sẽ rút ngắn được thời gian chậm trễ thống kê, vì khi cường độ điện trường trong khoảng cách tăng, tốc độ của điện tử tăng sẽ làm giảm xác xuất tạo thành ion âm và giảm số lượng điện tử khuếch tán, có nghĩa là trong số các điện tử được giải thoát khỏi bề mặt âm cực có nhiều điện tử có khả năng trở thành điện tử tự do hiệu dụng hơn.
Mức độ không đồng nhất của điện trường: Trong điện trường rất không đồng nhất thì thời gian chậm trễ thống kê trung bình rất bé và và ít phụ thuộc vào các nguồn ion hóa bên ngoài hơn so với trong điện trường đồng nhất và hơi không đồng nhất, vì ngay cả khi điện áp tác dụng còn bé hơn điện áp phóng điện tự duy trì thì cường độ điện trường ở bề mặt điện cực có bán kính cong bé đã có thể đủ cao để gây ion hóa chất khí và tự cung cấp các điện tử tự do hiệu dụng hơn.
1.10.3 Thời gian hình thành phóng điện
Như đã trình bày ở trên, từ lúc điện tử tự do hiệu dụng xuất hiện (t 2 ) đến khi quá trình phóng điện kết thúc (t 3 ) trải qua ba giai đoạn:
- Thác điện tử đầu tiên phải phát triển đến mật độ dài x k cần thiết để tạo điều kiện cho sự hình thành dòng (mật độ điện tích trong thác đủ cao, gây biến dạng trường ngoài đáng kể, tạo điều kiện cho sự xuất hiện các dạng ion – hóa thứ cấp).
- Dòng phát triển qua suốt chiều dài khoảng cách.
- Phóng điện ngược qua toàn bộ khoảng cách.
Do phóng điện ngược phát triển với tốc độ cao hơn nhiều so với tốc độ điện tử (cũng là tốc độ phát triển của thác) và tốc độ phát triển của dòng, nên thời gian phóng điện ngược rất bé, có thể bỏ qua, như vậy thời gian hình thành phóng điện t ht gần đúng bằng tổng thời gian phát triển của thác t t và của dòng t d [2].
Thời gian để thác đi qua một đoạn xk bằng: t t =x k k e =x k v e
Với ke: độ di động của điện tử, với E > 100 V/cm thì k e=5 10 3 V cm /s
/cm v e: tốc độ của điện tử, cũng chính là tốc độ của thác.
Thời gian để dòng phát triển qua toàn bộ khoảng cách khi (s) t d = s b k e E= s v d
Với v d : tốc độ của dòng b : hệ số chỉ khả năng phát triển nhảy vọt của dòng so với tốc độ điện tử dưới tác dụng của ion hóa quang b = 2 I 10 (tốc độ của photon lớn hơn nhiều so với tốc độ của thác và cả của dòng).
Tương quan giữa thời gian phát triển của thác và của dòng thay đổi theo mức độ không đồng nhất của điện trường và trị số điện áp tác dụng:
- Trong trường đồng nhất và hơi không đồng nhất, khi điện áp tác dụng xấp xỉ điện áp phóng điện tự duy trì U o thì thác điện tử đầu tiên phải phát triển qua toàn bộ khoảng cách s, sau đó mới hình thành dòng, do đó thời gian phóng hình thành phóng điện thực tế gần bằng thời gian phát triển của thác [2]. t ht t t s k e E o = s v e Ở điều kiện khí quyển bình thường E o 30kV/cm thì ve = 0,35.10 7 cm/s (khoảng cách s khoảng một vài centimet) do đó t ht 0,3 s với s = 1cm.
Nếu U = 1,6 U o thì t ht giảm ba lần, do v e tăng.
- Trong trường rất không đồng nhất, thác điện tử đầu tiên chỉ cần phát triển qua một đoạn x k
