Giáo trình Vật liệu điện http://www.ebook.edu.vn Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 19 Chơng III: sự phóng điện trong điện môi khí I. khái niệm chung Sự phóng điện trong điện môi khí Khi nghiên cứu về điện dẫn của điện môi khí ta đ biết quan hệ giữa mật độ dòng điện khí với cờng độ điện trờng tác dụng. - Khi E < E 2 thì dòng điện trong điện môi khí không tự duy trì. - Khi E > E 2 trong điện môi khí bắt đầu xảy ra hiện tợng io hoá va chạm, dòng điện trong chất khí tự duy trì, dòng điện lúc này tăng lên rất nhanh, do đó chất khí sẽ mất hết tính chất cách điện (chất khí cách điẹn bị chọc thủng). Điện áp ứng với trờng hợp này gọi là điện áp chọc thủng chất khí và cờng độ điện trờng chọc thủng là: d U E CT CT = (KV/cm) Trong đó: E CT : Cờng độ điện trờng chọc thủng U CT : Điện áp chọc thủng chất khí d: Bề dày điện môi chỗ chọc thủng. - Khi chất khí bị chọc thủng thì nó trở thành chất dẫn điện, có dố điện tử tự do và số ion lớn gọi là Plasma. Plasma có điện dẫn lớn. Vậy sự phóng điện trong chât khí là sự hình thành Plasma của toàn bộ hay một phần chất khí trong không gian giữa các điện cực, sự phóng điện đó phụ thộc vào dạng của điện trờng, công suất của nguồn và áp suất của chất khí môi trờng xung quanh. II. Các dạng phóng điện trong điện môi khí ở đây ta nêu ra các dạng phóng điện sau: 1. Phóng điện toả sáng Phóng điện toả sáng là dạng phóng điện trong khe hở không khí có áp suất thấp. Trờng hợp này Plasma không thể có điện dẫn lớn, mặc dù mức độ ion hoá có cao nhng vì số phân tử khí trong đơn vị khối rất ít. 0 E E 2 = E CT E 1 j Giáo trình Vật liệu điện http://www.ebook.edu.vn Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 20 Phóng điện tở sáng thờng chiếm cả khoảng không gian giữa các điện cực, thí dụ nh phóng điện trong đèn neon. 2. Phóng điện tia lửa Phóng điện tia lửa phát sinh trong khe hở không khí khi có áp suất cao, công suất của nguồn không lớn lắm hoặc lớn nhng thời gian tác dụng của điện áp nhỏ và chỉ phát sinh ra tia lửa hẹp giữa hai điện cực. Do công suất nhỏ, thời gian tác dụng ngắn do đó tia lửa của nó bị gián đoạn, chập chờn gẫy khúc và có khi chia thành nhánh giữa hai điện cực. 3. Phóng điện hồ quang Phóng điện hồ quang là giai đoạn tiếp theo của phóng điện tia lửa khi công suất của nguồn lớn. Trờng hợp này có thể có dòng điện lớn chạy qua khe hở làm nóng chất khí giữa khe hở dẫn đến sự ion hoá nhiệt tăng, điện dẫn của khe hở khí tăng và do đó lại làm cho dòng điện trong khe hở tăng tiếp đến khi đạt đến trạng thái cân bằng (tức là khi tổn hao nhiệt của tia phóng điện là chấm dứt sự tăng của nhiệt độ). Quá trình này cần có một thời gian, do đó phóng điện tia lửa sẽ không tr thành phóng điện hồ quang nếu điện áp tác dụng lên khe hở trong thời gian quá ngắn. Nh vậy phóng điện hồ quang đặc trng bởi nhiệt cao và độ ion hoá cao. 4. Phóng điện vầng quang Phóng điện vầng quan là một dạng phóng điện xảy ra trong điện trờng không đồng nhất. Trờng hợp này sự phóng điện (sự ion hoá) chỉ phát sinh trong một khu vực bé xung quanh điện cực có cờng độ điện trờng lớn. Khi có phóng điện vầng quang khe hở khí không phải đ mất tính chất cách điện, tuy vậy trong các kết cấu cách điện không nên để xảy ra phóng điện vầng quang. II. Hiện tợng ion hoá kích thích kết hợp khuếch tán 1. Hiện tợng ion hoá Là hiện tợng nguyên tử khí hoặc phân tử hấp thụ thêm năng lợng ở bên ngoài (do va chạm hoặc do các tia lửa bức xạ) làm cho một điện tử của nguyên tử hoặc phân tử trung tính tách ra khỏi nguyên tử hoặc phân tử đó. Điện tử bị tách ra có thể thàh điện tử tự do hoặc bị nguyên tử trung tính khác hấp thụ để trở Giáo trình Vật liệu điện http://www.ebook.edu.vn Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 21 thành ion âm. Do có điện tử tách ra nên nguyên tử, phân tử bị mất cân bằng về điện và sẽ trở thành ion dơng. Điều kiện để có hiện tợng ion hoá là: W e W i Trong đó: W e là năng lợng mà điện tử nhận đợc W e = E.q. E: Cờng độ điện trờng tác dụng q: Điện tích của điện tử : Đoạn đờng di chuyển tự do trung bình của điện tử W i là năng lợng cần thiết để ion hoá chất W i = q.U i U i : Điện áp để ion hoá q: Điện tích của điện tử 2. Hiện tợng kích thích Là hiện tợng nguyên tử khí hấp thụ một năng lợng bé hơn năng lợng ion hoá (W e < W i ), lúc đó các điện tử chỉ có thể chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác có mức năng lợng cao hơn. Nhng trạng thái đó chỉ tồn tại trong một thời gian rất ngắn 10 -7 ữ 10 -8 . Sau thời gian này các điện tử trở về trạng thái ban đầu có mức năng lợng thấp hơn Năng lợng đ tiêu thụ cho quá trình kích thích, lúc này đợc thoát ra dới dạng các tia sáng điện tử (quang tử). 3. Hiện tợng kết hợp Là hiện tợng mà các ion dơng va chạm với các điện tử tự do hoặc với các ion âm kết hợp với nhau để trở thành nguyên tử hay phân tử trung hoà. Hiện tợng này làm giảm điện tích trong không gian. Quá trình kết hợp cũng phát ra một năng lợng dới dạng bức xạ. 4. Hiện tợng khuếch tán Là hiện tợng các ion và điện tử di chuyển từ vùng có mật độ lớn sang vùng có mật độ bé. Nguyên nhân của hiện tợng này là do sự chuyển động nhiệt hỗn loạn chứ không phải do sự đẩy nhau của các ion cùng dấu, bởi vì dù cho mật độ các ion và điện tử rất lớn nhng về tơng đối thì khoảng cách giữa chúng là rất lớn. Giáo trình Vật liệu điện http://www.ebook.edu.vn Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 22 III. các dạng ion hoá - các hệ số 1. Các dạng ion hoá Ngời ta chia quá tình ion hoá chất khí ra làm hai loại: ion hoá bề mặt và ion hóa thể tích. 1.1. Ion hoá bề mặt Là hiện tợng điện tử tự do trong lớp kim loại làm điện cực âm vì một lý do nào đó nhận thêm năng lợng để thoát ra khỏi bề mặt của các điện cực. Muốn giải thoát một điện tử khỏi bề mặt điện cực thf phải cung cấp cho nó một năng lợng lớn hơn công thoát (W e > W i ). Dựa vào nguồn cung cấp năng lợng cho quá trình ion hoá, ngời ta chia các dạng ion hoá bề mặt nh sau: a) Phát xạ nhiệt điện tử Do cực âm bị đốt nóng, nhiệt độ cực âm tăng, tốc độ chuyển động của các điện tử lớn cho động năng của điện tử lớn hơn công thoát thì điện tử sẽ chuyển vợt qua khỏi hàng rào thế năng và thoát ra khỏ bề mặt của điện cực âm. Phát xạ nhiệt điện tử đợc ding trong các dụng cụ điện tử, ở đó cực âm đợc đốt nóng để phát xạ nhiều điện tử. b) Phát xạ nguội (tính điện) Dới tác dụng của điện trờng mạnh (E = 1.000HV/cm), điện tử trong kim loại bị lực điện trờng kéo ra ngoài. Dạng ion hoá này ít gặp trong các kế cấu cách điện công nghiệp. Tuy nhiên dới tác dụng của điện trờng trung bình và yếu nó có tác dụng làm giảm công thoát của kim loại, tạo điều kiện thuận lợi để gây ra các dạng ion hoá bề mặt khác. c) Phát xạ quang điện tử Trờng hợp này ion hoá bề mặt xảy ra do có cá tia bức xạ sang ngắn tác dụng lên bề mặt kim loại sẽ cung cấp năng lợng cho điện tử để điện tử thoát ra khỏi bề mặt kim loịa đó. Dạng ion hoá bề mặt này thờng gặp trong các khe hở của thiết bị cao áp. 1.2. Ion hoá thể tích Xảy ra trong lớp khí giữac hai điện cực, có 3 dạng sau: a) Ion hoá va chạm: Là hiện tợng ion hoá gây bởi sự va chạm của điện tử tự do với phân tử khí. Giáo trình Vật liệu điện http://www.ebook.edu.vn Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 23 Khi điện tử đợc đặt trong điện trờng lực tác dụng của E, F = E.q (q: điện tích điện tử) sẽ buộc điện tử di chuyển ngợc với chiều của điện trờng. Khi di chuyển thì điện tử tích luỹ năng lợng dới dạng động năng. W = q.E.x (x là đoạn đờng di chuyển của điện tử) và khi va chạm với phân tử khí nếu thoả mn điều kiện W e > W i thì phân tử mày bị ion hoá. b) Ion quang hoá Ion quang hoá là hiện tợng ion hoá năng lợng W nhân đợc tử bức xạ quang học. Nếu và là tần số và bớc sang (độ dài) của bức xạ quang học thì năng lợng W nhân đợc xác định: c.h h. W == Trong đó: h là hằng số Plank c là tốc độ ánh sáng Điều kiện ion hoá đợc viết i W c.h Số điện tích đợc sản sinh do quá trình ion hoá quang tự nhiên sẽ cân bằng với số điện tích tham gia quá trình kết hợp (các ion dơng và ion âm kết hợp lại để trở thành các phân tử trung tính). Trong phóng điện chất khí ion hoá quang học còn đựoc sản sinh bởi các nguyên nhân sau: - Bức xạ quang học do quá trình kết hợp của các điện tích khác dấu - Bức xạ quang học do quá trình hoàn nguyên của các phân tử khí bị kích thích. d) Ion hoá nhiệt Bao gồm tất cả các quá trình ion hoá do nhiệt độ cao của chất khí gây nên. Khi ở nhiệt dộ cao các phân tử khí chuyển động mạnh va chạm vào vách bình chứa hoặc vào các vật rắn khác thì phân tử khí sẽ mất hết động năng và sinh ra các tia bức xạ, khi nhiệt độ càng lớn thì năng lợng của các tia bức xạ càng lớn do đó gây ra sự ion hoá. Muốn thực hiện ion hoá nhiệt cần phải có điều kiện: Động năng trong chuyển động nhiệt của cácphân tử khí phải lớn hơn năng lợng để ion hoá. W = q.E.x 2. Các hệ số ion hoá Có 3 hệ số ion hoá: Giáo trình Vật liệu điện http://www.ebook.edu.vn Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 24 2.1. Hệ số ion hoá do điện tử va chạm (hệ số Taoxen 1 Ký hiệu ) Là số lần ion hoá thực hiện bởi một điện tử khi chuyển động trên đoạn đờn 1cm theo phơng của điện trờng. 2.2. Hệ số ion hoá do ion dơng va chạm (hệ số Taoxen 2 Ký hiệu ) Là số lần ion hoá thực hiện bởi một ion dơng khi chuyển độngtrên đoạn đờng 1cm theo phơng của điện trờng. 2.3. Hệ số ion hoá mật (hệ số Taoxen 3 Ký hiệu ) Là số điện tử trung bình đợc giải thoát từ bề mặt của cực âm khi một ion dơng đập vào. . trình Vật liệu điện http://www.ebook.edu.vn Biên soạn: Đỗ Nh Trởng 19 Chơng III: sự phóng điện trong điện môi khí I. khái niệm chung Sự phóng điện trong điện môi khí Khi nghiên cứu về điện. của điện môi khí ta đ biết quan hệ giữa mật độ dòng điện khí với cờng độ điện trờng tác dụng. - Khi E < E 2 thì dòng điện trong điện môi khí không tự duy trì. - Khi E > E 2 trong điện. Đỗ Nh Trởng 23 Khi điện tử đợc đặt trong điện trờng lực tác dụng của E, F = E.q (q: điện tích điện tử) sẽ buộc điện tử di chuyển ngợc với chiều của điện trờng. Khi di chuyển thì điện tử tích