giáo trình vật liệu điện chuẩn

Khái niệm chung về tính dẫn điện của điện môi Điện môi là một loại vật liệu được dùng để chế tạo cách điện nhưng thực tế không là mộtvật liệu cách điện hoàn toàn vì trong điện môi cũng c

CHƯƠNG 1: CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU v

1.1 CẤU TẠO VẬT LIỆU v

1.1.1 Cấu tạo nguyên tử v

1.1.2 Cấu tạo phân tử vi

1.2 PHÂN LOẠI VẬT LIỆU vii

1.2.1 Lý thuyết phân vùng năng lượng trong chất rắn vii

1.2.2 Phân loại theo khả năng dẫn điện vii

1.2.3 Phân loại vật liệu theo từ tính viii

CHƯƠNG 2: TÍNH DẪN ĐIỆN VÀ SỰ PHÂN CỰC CỦA ĐIỆN MÔI ix

2.1 NHỮNG HIỂU BIẾT CHUNG VỀ ĐIỆN MÔI KHI ĐẶT VÀO ĐIỆN TRƯỜNG.ix 2.2 TÍNH DẪN ĐIỆN, ĐIỆN DẪN CỦA ĐIỆN MÔI x

2.2.1 Khái niệm chung về tính dẫn điện của điện môi x

2.2.2 Điện dẫn của điện môi xi

2.2.3 Điện trở của điện môi xi

2.2.4 Điện trở suất khối và điện trở suất mặt xi

2.2.5 Điện dẫn suất khối γV và điện dẫn suất mặt γS xii

2.3 ĐIỆN DẪN CỦA ĐIỆN MÔI KHÍ, LỎNG VÀ RẮN xii

2.3.1 Điện dẫn của điện môi khí xii

2.3.2 Điện dẫn của điện môi lỏng xiv

2.3.3 Điện dẫn của điện môi rắn xv

2.4 SỰ PHÂN CỰC TRONG ĐIỆN MÔI VÀ HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI xv

2.4.1 Khái niệm về sự phân cực xv

2.4.2 Hằng số điện môi (ε) xvi

2.5 CÁC DẠNG PHÂN CỰC XẢY RA TRONG ĐIỆN MÔI xvi

2.5.1 Phân cực nhanh xvi

2.5.2 Phân cực chậm xvii

2.5.3 Phân loại điện môi theo các dạng phân cực xvii

CHƯƠNG 3: TỔN HAO ĐIỆN MÔI VÀ QUÁ TRÌNH PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI xix

3.1 KHÁI NIỆM VỀ TỔN HAO ĐIỆN MÔI xix

3.2 CÁC DẠNG TỔN HAO XẢY RA TRONG ĐIỆN MÔI xxi

3.2.1 Tổn hao điện môi do dòng điện rò xxi

3.2.2 Tổn hao điện môi do phân cực xxi

3.2.3 Tổn hao điện môi do ion hoá xxii

3.2.4 Tổn hao điện môi do cấu tạo không đồng nhất xxii

3.3 TÍNH TOÁN TỔN HAO ĐIỆN MÔI xxiii

3.3.1 Tính toán công suất tổn hao lớn (sơ đồ song song) xxiv

3.3.2 Tính toán công suất tổn hao nhỏ(sơ đồ nối tiếp) xxv

3.4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỔN HAO ĐIỆN MÔI xxvi

3.4.1 Tổn hao điện môi của chất khí xxvi

3.4.2 Tổn hao điện môi của chất lỏng xxvii

3.4.3 Tổn hao điện môi của chất rắn xxviii

3.5 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ QUÁ TRÌNH PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI.xxviii 3.6 SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI KHÍ xxix

3.6.1 Các yêu cầu chung của chất khí dùng làm chất khí cách điện xxix

3.6.2 Các dạng ion hoá xảy ra trong chất khí xxx

3.6.3 Quá trình hình thành thác điện tử và sự phóng điện trong điện môi khí xxxi

3.6.4 Phóng điện trong trường đồng nhất và không đồng nhất xxxvi

3.7 SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI LỎNG VÀ RẮN xxxix

3.7.1 Sự phóng điện trong điện môi lỏng xxxix 3.7.2 Sự phóng điện trong điện môi rắn xli CHƯƠNG 4: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN xlv 4.1 TÍNH CHẤT CƠ, LÝ, HÓA CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN xlv 4.1.1 Đặc tính vật lý của điện môi xlv 4.1.2 Đặc tính cơ giới của điện môi xlvii 4.1.3 Đặc tính hóa học của điện môi xlix 4.2 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ KHÍ xlix 4.2.1 Không khí xlix 4.2.2 Khí SF6 (Hecxanflorit hay êlêgaz) li 4.2.3 Khí Hydro (H2) li 4.3 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ LỎNG lii

4.3.2 Dầu tụ điện, dầu cáp điện liv4.3.3 Điện môi lỏng tổng hợp liv4.4 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ RẮN lv4.4.1 Điện môi hữu cơ cao phân tử lv4.4.2 Điện môi vô cơ lix4.4.3 Vật liệu cách điện dạng sợi lxii4.4.4 Mica lxii4.5 CÁC LOẠI CÁCH ĐIỆN CHO CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN lxiii4.5.1 Nhóm cách điện cơ bản lxiii4.5.2 Cách điện của MBA lxx4.5.3 Cách điện của máy điện lxxiv4.5.4 Cách điện khí cụ điện lxxviiiCHƯƠNG 5: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN lxxxiv5.1 PHÂN LOẠI VÀ CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN lxxxiv5.1.1 Định nghĩa lxxxiv5.1.2 Phân loại lxxxiv5.1.3 Các tính chất cơ bản của vật liệu dẫn điện lxxxv5.2 VẬT LIỆU CÓ ĐIỆN DẪN CAO lxxxviii5.2.1 Đồng(Cu) lxxxviii5.2.2 Nhôm(Al) xcii5.2.3 Sắt (Fe) xciii

i Các sợi cấu thành xcv5.2.4 Một số kim loại khác xcvi5.3 LƯỠNG KIM LOẠI xcviii5.3.1 Định nghĩa xcviii5.3.2 Phân loại và ứng dụng: xcviii5.4 VẬT LIỆU DÙNG LÀM DÂY DẪN ĐIỆN, ĐIỆN TRỞ VÀ TIẾP ĐIỂM ĐIỆN xcix

5.4.1 Khái quát và phân loại xcix5.4.2 Kim loại tinh khiết dùng làm điện trở xcix5.4.3 Hợp kim dùng làm điện trở c

5.4.4 Vật liệu làm tiếp điểm điện cCHƯƠNG 6: VẬT LIỆU BÁN DẪN ciii6.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN ciii6.1.1 Khái niệm chung về vật liệu bán dẫn ciii6.1.2 Phân loại bán dẫn cv6.2 CÁC CHẤT BÁN DẪN CHÍNH DÙNG TRONG KỸ THUẬT ĐIỆN cvi6.2.1 Cacbon(Than) cvi6.2.2 Gecmani (Ge) cvii6.2.3 Silic (Si) cviii6.2.4 Sêlen (Se) cix6.3 CÁC LOẠI VẬT LIỆU BÁN DẪN KHÁC cx6.3.1 Vật liệu bán dẫn có tạp chất cx6.3.2 Vật liệu bán dẫn ghép cxii6.3.3 Vật liệu bán dẫn ghép có tạp chất cxiii6.4 QUÁ TRÌNH DẪN ĐIỆN TRONG VẬT LIỆU BÁN DẪN cxiv6.4.1 Quá trình dẫn điện trong Vật liệu bán dẫn (VLBD) cxiv6.4.2 Dòng điện trong VLBD cxvi6.5 TIẾP GIÁP P – N cxix6.5.1 Cách để chế tạo lớp p-n cxix6.5.2 Tiếp giáp p-n cxxCHƯƠNG 7: VẬT LIỆU TỪ cxxvi7.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU TỪ TÍNH cxxvi7.2 CÁC LOẠI VẬT LIỆU TỪ CHÍNH cxxviii7.2.1 Vật liệu từ mềm cxxviii7.2.2 Vật liệu từ cứng cxxx7.2.3 Những vật liệu từ đặc biệt cxxxii7.3 MẠCH TỪ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH TỪ cxxxii7.4 NAM CHÂM ĐIỆN cxxxiv

CHƯƠNG 1: CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU

1.1 CẤU TẠO VẬT LIỆU

Để hiểu được bản chất dẫn điện và cách điện của vật liệu, chúng ta cần có khái niệm về cấutạo vật liệu cũng như sự hình thành các phân tử mang điện trong vật liệu

1.1.1 Cấu tạo nguyên tử

Hình 1 - : Mô hình nguyên tử Borh

Mọi vật chất được cấu tạo từ nguyên tử vàphân tử Nguyên tử là phần tử cơ bản nhất của vậtchất Theo mô hình nguyên tử Borh, nguyên tử đượccấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương và cácđiện tử (electron) mang điện tích âm Các điện tử nàychuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo nhấtđịnh Hạt nhân nguyên tử được tạo nên từ các hạtproton va nơtron Nơtron là hạt không mang điện,còn proton mang điện tích dương Điện tích của cácnơtron là Z.q

Trong đó :

Z- số lượng điện tử của nguyên tử, đồng thời là số thứ tự của nguyên tố nguyên tử trongbảng tuần hoàn Mendeleep

q- điện tích của điện tử e (qe= -1,601.10-19 C)

Protôn có khối lượng bằng mp=1,67.10-27kg, còn khối lượng của một điện tử bằngme=9,1.10-31kg

Ở trạng thái bình thường, nguyên tử trung hoà về điện, tức là tổng các điện tích dương củahạt nhân bằng tổng các điện tích âm của điện tử Nếu vì lý do nào đó mà nguyên tử mất đi mộthay nhiều điện tử thì sẽ mang điện tích dương, thường gọi là ion dương Ngược lại, nếu nguyên tửtrung hòa nhận thêm điện tử thì mang điện tích âm, trở thành ion âm

Trong nguyên tử, điện tử chuyển động trên những quỹ đạo xác định tương ứng với mộtmức năng lượng nhất định

Khi điện tử chuyển động trên quỹ đạo tròn bán kính r xung quanh hạt nhân thì điện tử sẽchịu lực hút của hạt nhân f1 và được xác định bởi công thức :

2

1 2

q f r

Lực hút f1 sẽ được cân bằng với lực ly tâm của chuyển động f2

2 2

mv f

r

Trong đó: m – khối lượng của điện tử

v – vận tốc chuyển động của điện tử

Từ (1- 0) và (1- 0) ta có f1 = f2, hay

2

2 q mv

Trong thực tế, năng lượng ion hoá và kích thích do nhiều nguồn năng lượng khác nhau như: nhiệt năng, quang năng, điện năng hay năng lượng của các tia bức xạ α, β, γ

1.1.2 Cấu tạo phân tử

Phân tử được tạo nên từ nhữn nguyên tử thông qua các liên kết phân tử Trong vật chất tồntại bốn loại liên kết sau

1 Liên kết đồng hoá trị

Liên kết đồng hóa trị được đặc trưng bởi sự dùng chung những điện tử trong phân tử Khi

đó, mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở thành bão hòa, liên kết phân tử bền vững Vídụ: O2; H2 hay Cl2 Tùy thuộc cấu trúc đối xứng hay không mà liên kết đồng hoá trị được chia làmhai loại như sau:

Liên kết ion là liên kết được xác lập do lực hút giữa các ion dương và các ion âm trongphân tử Loại liên kết này khá bền vững, do đó vật rắn có cấu tao ion này thường có độ bền cơ học

và nhiệt độ nóng chảy cao Ví dụ điển hình là các muối halogen của các kim loại kiềm, như NaCl

3 Liên kết kim loại

Thường gặp trong các mạng tinh thể kim loại (chất rắn), sự liên kết này là do lực hút giữacác ion dương của mạng tinh thể với các điện tử tự do của kim loại Lực hút này tạo nên tínhnguyên khối của kim loại, do vậy liên kết kim loại khá bền vững Kim loại có đọ bền cơ học vànhiệt độ nóng chảy cao Do sự tồn tại của các điện tử tự do làm cho kim loại có tính ánh kim, tínhdẫn nhiệt và dẫn điện tốt

4 Liên kết Vandec-Vanx

Đay là dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thể không vững chắc nên chúng có độ nóngchảy và độ bền cơ thấp, ví dụ như sáp(parafin)

1.2 PHÂN LOẠI VẬT LIỆU

1.2.1 Lý thuyết phân vùng năng lượng trong chất rắn

Có thể sử dụng lý thuyết phân vùng năng lượng để giải thích, phân loại vật liệu thành cácnhóm vật liệu dẫn điện, bán dẫnvà cách điện(điện môi)

Trong đó:

1: - Vùng đầy điện tử 2: - Vùng cấm 3: - Vùng các mức năng lượng tự do

Hình 1 - : Sơ đồ phân bố vùng năng lượng của chất rắn ở 0 o K

Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường không bị kích thích, một số trong các mức nănglượng được các điện tử lấp đầy, còn các mức năng lượng khác điện tử chỉ có thể có mặt khinguyên tử nhận được năng lượng từ bên ngoài tác động (trạng thái kích thích) Vùng năng lượng

bình thường của nguyên tử ở vị trí thấp nhất được gọi là vùng hoá trị (vùng đầy) Những điện tử

tự do có mức năng lượng hoạt tính cao hơn tập hợp thành vùng tự do (vùng điện dẫn) ở phần trên

cùng của sơ đồ phân bố vùng năng lượng Giữa vùng tự do và vùng đầy tồn tại vùng năng lượngđược gọi là vùng cấm hay vùng trống Tùy theo chiều rộng của vùng cấm (ΔW) mà vật liệu phânthành vật liệu dẫn điện, vật liệu bán dẫn và vật liệu cách điện (điện môi)

1.2.2 Phân loại theo khả năng dẫn điện

1 Cách điện (điện môi)

Điện môi là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự dẫn điện bằng điện

tử không xảy ra Các điện tử hoá trị tuy được cung cấp thêm năng lượng của chuyển động nhiệtvẫn không thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn Chiều rộng vùng cấm củađiện môi ∆W nằm trong khoảng 1,5 đến vài điện tử vôn (eV)

2 Bán dẫn

Bán dẫn là chất có vùng cấm hẹp hơn so với điện môi, vùng này có thể thay đổi nhờ tácdộng từ năng lượng bên ngoài Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé (∆W=0,2÷1,5eV), do đó ởnhiệt độ bình thường một số điện tử hoá trị ở trong vùng đầy được tiếp sức của chuyển động nhiệt

có thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn

3 Vật dẫn

Vật dẫn là chất có vùng tự do nằm sát với vùng đầy thậm chí có thể chồng lên vùng đầy(∆W≤0,2eV) Vật dẫn điện có số lượng điện tử tự do rất lớn, ở nhiệt độ bình thường các điện tửhoá trị trong vùng đầy có thể chuyển sang vùng tự do rất dễ dàng, dưới tác dụng của lực điệntrường các điện tử này tham gia vào dòng điện dẫn Chính vì vậy vật dẫn có tính dẫn điện tốt

1.2.3 Phân loại vật liệu theo từ tính

Theo từ tính, người ta phân vật liệu thành nghịch từ, thuận từ và dẫn từ

1 Nghịch từ

Nghịch từ là những chất có độ từ thẩm µ <0 và không phụ thuộc vào cường độ từ trườngbên ngoài Loại này gồm có Hydro, các khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, một số các kim loạinhư đồng, kẽm, bạc, vàng, thủy ngân,…

2 Thuận từ

Thuận từ là những chất có độ từ thẩm µ >1 và cũng không phụ thuộc vào cường độ từtrường bên ngoài Loại này gồm có Oxy, ni tơ oxit, muối đất hiếm, muối sắt, các muối Coban vàNiken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim…

Chất nghịch từ và thuận từ thường có độ từ thẩm xấp xỉ bằng 1

3 Chất dẫn từ

Chất dẫn từ là các chất có độ từ thẩm µ >>1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bênngoài Loại này gồm có sắt, Niken và Coban và các hợp kim của chúng, hợp kim Crom vàMangan, Gadoloit, Pherit…

CHƯƠNG 2: TÍNH DẪN ĐIỆN VÀ SỰ PHÂN CỰC CỦA ĐIỆN

MÔI

2.1 NHỮNG HIỂU BIẾT CHUNG VỀ ĐIỆN MÔI KHI ĐẶT VÀO ĐIỆN TRƯỜNG

Khi đặt điện môi vào trong điện trường E, điện môi sẽ chịu lực tác dụng của cường độ điệntrường Tuỳ theo dạng của cường độ điện trường và thời gian tác dụng mà trong điện môi xảy ranhững hiện tượng với các đặc điểm khác nhau Dưới tác dụng của điện trường, trong điện môi cóthể xảy ra hai hiện tượng cơ bản đó là hiện tượng dẫn điện và phân cực điện môi

Hiện tượng dẫn điện: Dưới tác dụng của lực điện trường, các điện tích dương chuyển

động theo chiều của điện trường, các điện tích âm (bao gồm cả điện tử tự do) chuyển động theo

chiều ngược lại, chúng tạo nên một dòng điện đi trong điện môi Như vậy điện dẫn của điện môiđược xác định bởi sự chuyển động có hướng của các điện tích dưới tác dụng của điện trường bênngoài Số lượng điện tích tự do của các điện môi không nhiều, do đó dòng điện này có trị số nhỏ

Hiện tượng phân cực: Phân cực là sự chuyển dịch có giới hạn của các điện tích liên kết

hay sự định hướng của các phần tử lưỡng cực dưới tác dụng của điện trường Trong quá trìnhphân cực cũng tạo nên dòng điện phân cực

Do có dòng điện dẫn và sự phân cực mà một phần năng lượng điện bị tiêu hao và tỏa radưới dạng nhiệt năng làm cho điện môi nóng lên Phần năng lượng tiêu hao đó gọi là tổn hao điệnmôi Dựa vào trị số tổn hao điện môi mà người ta đánh giá chất lượng vật liệu cách điện

Mỗi loại điện môi với chiều dày nhất định chỉ chịu được điện áp giới hạn nhất định Khiđiện áp cao hơn trị số giới hạn sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện làm hỏng điện môi Độ bền củavật liệu là khả năng vật liệu chịu điện áp mà không bị phá huỷ Độ bền điện được đặc trưng bởi trị

số cường độ điện trường đánh thủng [kV mm]

Các chương dưới đây chúng ta sẽ nghiên cứu từng hiện tượng xảy ra trong điện môi

2.2 TÍNH DẪN ĐIỆN, ĐIỆN DẪN CỦA ĐIỆN MÔI

2.2.1 Khái niệm chung về tính dẫn điện của điện môi

Điện môi là một loại vật liệu được dùng để chế tạo cách điện nhưng thực tế không là mộtvật liệu cách điện hoàn toàn vì trong điện môi cũng có một số tuy không nhiều, các điện tích tự do

và các tạp chất (không đồng nhất) Do vậy sẽ có dưới tác dụng của lực điện trường vẫn có dòng

điện đi qua Tuỳ theo nguyên nhân sinh ra dòng điện mà người ta phân ra dòng điện chạy trongđiện môi ra như sau :

- Dòng điện chuyển dịch : Do tác dụng của cường độ điện trường E làm cho điện tích

trong điện môi chuyển dịch có hướng Các điện tích đó sẽ chuyển dịch từ trạng thái cân bằng nàysang trạng thái cân bằng khác, nói cách khác đó là sự chuyển dịch năng lượng và nó biến thiêntrong khoảng thời gian rất ngắn

- Dòng điện hấp thụ : Là thành phần do phân cực chậm gây lên, dưới tác dụng của một

điện áp đặt vào điện môi thì các phân tử lưỡng cực sẽ xoay hướng và tạo nên dòng điện hấp thụ

Sự phân cực này phụ thuộc vào loại điện áp tác dụng Nếu là điện áp một chiều thì dòng điện chỉxuất hiện khi đóng cắt mạch, còn nếu là điện áp xoay chiều thì dòng điện này tồn tại trong suốtthời gian đóng mạch

- Dòng điện rò : Nguyên nhân sinh ra là do các điện tích tự do như bụi bẩn bám trên bề

mặt của điện môi hoặc là có ở bên trong chất điện môi Dưới tác dụng của điện trường các điệntích tự do có thể dịch chuyển theo hướng của điện trường, trị số dòng điện rò này rất nhỏ

Hình 2 - : Quan hệ giữa dòng điện với điện áp và thời gian

Khi đặt điện môi trong điện trường E, điện áp U và đo trị số dòng điện đi qua điện môi

ta thấy dòng điện biến thiên theo thời gian và được biểu điễn như Hình 2 - Dòng điện đi trongđiện môi gồm hai thành phần là dòng điện rò (Irò) và dòng điện phân cực (Iph.c)

Ở điện áp một chiều, dòng điện phân cực chỉ tồn tại trong một thời gian quá trình quá độkhi đóng hay cắt mạch điện.Đối với điện áp xoay chiều, dòng điện phân cực tồn tại trong suốt thờigian đặt điện áp

I = Ipc +Irò

Ipc= Icd +Iht

I = Irò +Icd +Iht

Vậy bất kỳ một chất điện môi nào khi có tác dụng của một điện trường thì nó cũng gồm haithành phần I= Ipc +Irò Dưới tác dụng của điện áp một chiều thì sau khi sự phân cực hoàn thành thìtrong chất điện môi chỉ còn thành phần dòng điện Irò

2.2.2 Điện dẫn của điện môi

Trong vật liệu KTĐ có nhiều loại điện tích tự do khác nhau tham gia vào quá trình dẫnđiện Dựa vào thành phần của dòng điện dẫn người ta chia điện dẫn thành ba loại sau đây:

- Điện dẫn điện tử: thành phần của loại điện dẫn này chỉ là các điện tử tự do chứa trong

điện môi

- Điện dẫn ion: thành phần của loại điện dẫn này là các ion dương và âm.Các ion sẽ

chuyển động đến điện cực khi có điện trường tác động, tại điện cực các ion sẽ trung hoà về điện

và tích luỹ dần trên bề mặt điện cực giống như quá trình điện phân.Vì vậy, nó còn được gọi làđiện dẫn điện phân

- Điện dẫn điện di (môliôn):bao gồm các nhóm phân tử hay tạp chất được tích điện tồn tại

trong điện môi, chúng được tạo nên bởi ma sát trong quá trình chuyển động nhiệt

2.2.3 Điện trở của điện môi

Điện trở của điện môi được xác định bằng định luật Ohm Nếu là điện áp một chiều thìdòng điện trong điện môi chủ yếu là dòng điện rò Irò Khi đó:

[ ]

rò

U

I ; I

2.2.4 Điện trở suất khối và điện trở suất mặt

1 Điệntrở suất khối ρV

Điện trở suất khối ρV có trị số bằng điện trở của khối lập phương chiều dài mỗi cạch 1cm,

được tưởng tượng cắt ra từ vật liệu nghiên cứu, khi dòng điện chạy qua vuông góc hai mặt đốidiện của khối đó

Với mẫu vật liệu phẳng và điện trường đồng nhất, điện trở suất khối được tính theo côngthức:

[ ]

S

R ; cm h

Trong đó :

RV : Điện trở khối của mẫu(Ω)S: Điện tích của điện cực(cm2)h: chiều dài của khối mẫu(cm)

2 Điện trở suất mặt

Điện trở suất mặt có trị số bằng điện trở của một hình vuông(kích thước bất kỳ) được tách

ra một cách tưởng tượng trên bề mặt của vật dẫn khi dòng điện chạy qua vuông góc hai cạnh đốidiện của hình vuông đó

2.2.5 Điện dẫn suất khối γV và điện dẫn suất mặt γS

Điện dẫn suất khối γV và điện dẫn suất mặt γS của mẫu vật liệu bằng nghịch đảo của điệntrở suất khối và điện trở suất mặt của mẫu vật liệu đó

V V

1

γ ;[1/ ] ρ

Điện dẫn toàn phần tương ứng với điện trở cách điện Rcđ của điệm môi rắn bằng tổng cácđiện dẫn khối và mặt Điện trở cách điện của khối điện môi Rcđ

cd rò

U R I

=

Trong đó U là điện áp một chiều [V]

2.3 ĐIỆN DẪN CỦA ĐIỆN MÔI KHÍ, LỎNG VÀ RẮN

2.3.1 Điện dẫn của điện môi khí

Trong điện môi khí luôn xảy ra quá trình ion hoá 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.Dưới tác dụng của điện trường bé, các điện tích được sinh ra bởi quá trình ion hoá tự nhiên sẽ

chuyển động và tạo nên dòng điện dẫn trong điện môi khí Dòng điện dẫn này được gọi là “điện

dẫn không tự duy trì”.

Khi cường độ điện trường đặt lên điện môi khí đủ lớn, những điện tích có trong điện môi sẽnhận được năng lượng và tăng tốc độ chuyển động, khi va chạm với các phân tử trung hòa sẽ gây

lên ion hóa (ion hóa do va chạm) Số lượng điện tích được tạo nên bởi quá trình ion hóa do va

chạm sẽ tăng theo hàm số mũ làm cho dòng điện dẫn tăng Điện dẫn của chất khí trong trường

hợp này được gọi là điện dẫn tự duy trì.

Hình 2 - : Quan hệ giữa dòng điện và điện áp đối với chất khí

Mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp của chất khí hay còn gọi là đặc tính A) được thể hiện trên Hình 2 - Có thể thấy đặc tính chia thành 3 vùng riêng biệt

định luật Ohm, trong chất khí có thể xem số lượng ion dương và âm(n0) không đổi Khi điện ápđặt lên hai điện cực tăng, thì cường độ điện trường E sẽ tăng lên Lực điện trường tác dụng lên cácđiện tích tăng(F=q.E)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 cong dòng điện bão hòa Khi điện áp tăng cao,

cường độ trường đủ lớn, tốc độ chuyển động của các điện tích lớn các ion chưa kịp tái hợp đã bịkéo đến các điện cực Điều đó có nghĩa là: có bao nhiêu điện tích sinh ra thì có bấy nhiêu điện tích

đi về các điện cực trung hoà Nhưng số lượng điện tích sinh ra bởi ion hoá tự nhiên không đổicho nên dòng điện đạt tới trị số bão hoà, mặc dù điện áp vẫn tăng lên nhưng không làm cho dòngđiện tăng-ứng với phần gần nằm ngang của đồ thị

Đối với không khí ở điều kiện bình thường với khoảng cách giữa các điện cực là 10mm vàcường độ trường khoảng 0,0006V/mm thì dòng điện đạt trị số bão hoà với mật độ dòng điệnkhoảng 10-21A/mm2.Vì vậy có thể xem không khí là điện môi tốt khi chưa kề đến các điều kiệnđưa đến ion hoá va chạm

Vùng III: ứng với khu vực có cường độ trường mạnh Ở khu vực này dòng điện bắt đầu

tăng nhanh không tuân theo định luật Ohm Điều này được hiểu trên cơ sở hiện tượng ion hoá vachạm khi cường độ điện trường đặt lên điện môi có trị số lớn Khi mật độ điện tích lớn sẽ gây nênphóng điện tạo thành dòng điện tử(Plasma) nối liền giữa hai điện cực, chất khí trở thành vật dẫnđiện, dòng điện tăng theo hàm số mũ Song theo định luật bảo toàn năng lượng và do công suấtnguồn hạn chế, để duy trì dòng điện phóng điện, điện áp sẽ không tăng mà giảm tới điện áp tự duytrì(UTDT)

2.3.2 Điện dẫn của điện môi lỏng

Trong điện môi lỏng tồn tại hai loại điện dẫn đó là điện dẫn ion và điện dẫn điện di

1 Điện dẫn ion của điện môi lỏng

Trong điện môi lỏng các điện tích tự do xuất hiện không chỉ do ion hoá tự nhiên mà còn doquá trình phân ly các phân tử của chính bản thân chất lỏng và tạp chất

Trên Hình 2 - là quan hệ giữa U và I Đường cong a là đặc tính Von-Ampe của điện môi

lỏng có chứa tạp chất.Trên đồ thị này không thấy phần dòng điện bão hoà, dòng điện tăng tuyếntính với điện áp đến giá trị Uth (điện áp tới hạn) sau đó xuất hiện quá trình ion hoá va chạm, điệntích tăng lên theo hàm số mũ, dòng điện cũng tăng nhanh và dẫn tới phóng điện trong điện môilỏng Đối với các điện môi lỏng tinh khiết đường đặc tính Von-Ampe có xuất hiện một đoạn nhỏ

giống như đoạn bão hoà của điện môi khí (đường cong b) Điện dẫn ion của điện môi lỏng phụ

thuộc rất nhiều vào nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng trong điện môi lỏng có sự dãn nở nhiệt, lực liên kếtgiữa các phân tử giảm đi, độ nhớt giảm làm tăng điện dẫn điện môi lỏng,ví dụ: dầu máy biến áp,

độ dẫn điện được xác định bởi chuyển động của các ion tạp chất, mức độ phân ly các ion này tăngtheo nhiệt độ vì thể tích của dầu cũng tăng theo nhiệt độ

Hình 2 - : Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trong điện môi lỏng

2 Điện dẫn điện di của điện môi lỏng

Điện dẫn điện di còn được gọi là điện dẫn môliôn được tạo ra bởi sự chuyển động cóhướng của các phân tử mang điện tích dưới tác dụng của điện trường bên ngoài Điện môi lỏngthường chứa các tạp chất: bọt khí, bụi bẩn dưới tác dụng của điện trường các khối điện tíchdương và âm của tạp chất sẽ chuyển động: khối điện tích dương đi về cực âm, khối điện tíchdương đi về cực âm, khối điện tích âm đi về cực dương chúng tạo nên dòng điện dẫn điện di

2.3.3 Điện dẫn của điện môi rắn

Điện môi rắn có nhiều loại, chúng đa dạng về cấu trúc, thành phần hoá học, nguồn gốc vàmức độ lẫn các tạp chất bụi bẩn do vậy điện dẫn của điện môi rắn rất phức tạp Điện dẫn của nóđược tạo nên là do sự chuyển dịch các ion của bản thân điện môi rắn cũng như của các loại tạpchất dưới tác dụng của điện trường Để đánh giá chất lượng của điện môi rắn người ta thường

đánh giá thông qua điện dẫn suất khối (γV) hay điện trở suất khối (ρV).

Khi bề mặt điện môi bị ẩm thì điện dẫn mặt (γS) thay đổi, sự hấp thụ hơi ẩm trên bề mặt

điện môi có quan hệ chặt chẽ với độ ẩm tương đối của môi trường xung quanh, nó sẽ giảm rõ rệtkhi độ ẩm tương đối cao hơn (60-80)% đặc biệt khi bề mặt điện môi càng sạch và nhẵn

2.4 SỰ PHÂN CỰC TRONG ĐIỆN MÔI VÀ HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI

2.4.1 Khái niệm về sự phân cực

Hình 2 - : Sự phân bố điện tích trong chất điện môi phân cực

Một hiện tượng phát sinh trong môi chất khi đặt nó trong điện trường gọi là hiện tượngphân cực Dưới tác dụng của điện trường E, các điện tích liên kết của điện môi xoay theo hướngcủa lực tác dụng vào nó Nếu cường độ điện trường càng mạnh, điện tích chuyển hướng càngmạnh, các điện tích dương chuyển dịch theo hướng của điện trường tác dụng còn điện tích âm thìdịch chuyển theo chiều ngược lại, còn khi không còn điện trường tác dụng nữa thì các điện tích lạiquay trở về trạng thái ban đầu Chính vì vậy chúng ta định nghĩa về sự phân cực như sau:

Phân cực được xác định bởi sự chuyển dịch có giới hạn của các điện tích ràng buộc hoặc

sự định hướng của các phân tử lưỡng cực dưới tác dụng của điện trường Như vậy điện môi sẽ

tạo thành một tụ điện với điện dung là C, điện tích của tụ điện có trị số tỷ lệ với điện áp đặt lên tụđiện và được tính bởi công thức sau:

Trong đó:

C; U- điện dung, điện áp của tụ điện

Điện tích Q bao gồm hai thành phần:

Q0-là điện tích có ở điện cực nếu như giữa các điện cực là chân không và Q’-điện tích tạonên bởi sự phân cực của điện môi

Q0- Điện tích có ở điện cực khi giữa các cực là chân không

Q’-Điện tích tạo lên bởi sự phân cực điện môi giữa các điện cực

Từ công thức trên ta thấy bất kỳ chất nào cũng có hằng số điện môi tương đối ε ≥1 và chỉbằng 1 khi điện môi là chân không Hằng số điện môi của chân không - εo phụ thuộc vào hệ đơn

vị Trong hệ CGSE nó bằng 1 còn trong hệ SI thì

2.5 CÁC DẠNG PHÂN CỰC XẢY RA TRONG ĐIỆN MÔI

Trong thực tế, tuỳ theo kết cấu của điện môi mà người ta chia sự phân cực điện môi thànhhai loại cơ bản sau :

2.5.2 Phân cực chậm

Dạng phân cực này xảy ra một cách chậm chạm vì quá trình xoay hướng phải thắng lực masát, với thời gian lớn (t≥10-10giây thậm chí đến hàng giờ) Loại phân cực này chỉ xảy ra trong điệnmôi có kết cấu lưỡng cực hay có cực tính, nó phụ thuộc vào t0,p và điện áp, có phát sinh tổn haođiện môi Sơ đồ thay thế điện môi bằng một điện dung C mắc nối tiếp với một điện trở.Trongphân cực chậm có 5 loại phân cực chính: phân cựclưỡng cực, phân cực điện tử chậm, phân cựcion chậm, phân cực kết cấu và phân cực tự phát

2.5.3 Phân loại điện môi theo các dạng phân cực

1 Nhóm một

Bao gồm các điện môi chủ yếu chỉ có loại phân cực điện tử nhanh Trong nhóm này có cácchất trung tính ở trạng thái khí, lỏng và rắn, ngoài ra còn có một số chất cực tính yếu có cấu trúctinh thể, vô định hình như: farafin, polistirol, dầu máy biến áp, dầu tụ điện

2 Nhóm hai

Bao gồm các điện môi có loại phân cực điện tử nhanh và phân cực lưỡng cực chậm Loạinày gồm các chất hữu cơ cực tính ở trạng thái lỏng, nửa lỏng và rắn như các hydrocacbon bị clohoá, xenlulô

Bảng 2 - : Hằng số điện môi của một số môi chất

CHƯƠNG 3: TỔN HAO ĐIỆN MÔI VÀ QUÁ TRÌNH PHÓNG

ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI

3.1 KHÁI NIỆM VỀ TỔN HAO ĐIỆN MÔI

Khi điện môi đặt trong điện trường, trong điện môi xảy ra quá trình dịch chuyển các điệntích tự do và điện tích ràng buộc Như vậy trong điện môi tồn tại dòng điện dẫn và dòng điện phâncực Chúng tác động đến điện môi và làm cho điện môi nóng lên Đã có sự biến đổi điện năng

thành nhiệt năng Lượng điện năng tổn hao chuyển thành nhiệt năng làm nóng điện môi gọi là tổn

hao điện môi.

Tổn hao điện môi là phần năng lượng phát sinh ra trong điện môi, trong một đơn vị thời gian làm cho điện môi nóng lên khi có điện trường ngoài tác động.

Để đánh giá tổn hao điện môi người ta dùng góc tổn hao δ nhưng thực tế hay dùng dạng hàm tgδ Góc δ là góc phụ của góc lệch pha φ giữa dòng điện và điện áp.

- Nếu là điện áp một chiều tác dụng thì tổn hao điện môi chủ yếu là do thành phần ròngđiện rò (Irò) gây ra Công thức tính tổn hao điện môi

Trong đó: R - Điện trở, đo bằng ôm (Ω)

I – Dòng điện, đo bằng Ampe (A)

U – Điện áp, đo bằng Vôn (V)

- Nếu là điện áp xoay chiều tác dụng thì tổn hao điện môi ngoài thành phần Irò còn do thànhphần dòng điện phân cực chậm(Ipcc) gây ra

Nếu tổn hao điện môi càng lớn thì nhiệt phát ra trong chất điện môi đó càng lớn, nếu vượtquá giới hạn thì chất điện môi sẽ bị phân huỷ do nhiệt

Hình 3 - : Góc tổn hao điện môi

Ta xét một tụ điện mà môi trường giữa haiđiện cực là cách điện, có hằng số điện môi Ta đặtđiện áp xoay chiều vào tụ, dòng điện tích điện cho

tụ It có hai thành phần :

- Dòng điện IC sớm pha hơn 900 so với điện

áp, mang tính chất điện dung

[ ]

I CU ; A = ω (3- 0)

Trong đó : ω = 2πf với f - tần số dao động (1/s) của điện áp

C- Điện dung của tụ (F)U- Điện áp đặt vào tụ (V)

- Dòng điện IR gây tổn hao, làm nóng điện môi, đồng pha với điện áp U

- Dòng tích điện It là dòng tổng hợp của hai thành phần vuông góc với nhau :

2 2

R C

I tg I

(ε.tgδ) cho ta khái niệm chính xác hơn khả năng phát nhiệt của điện môi so với tgδ, vì nó cho biết

khả năng phân cực của điện mội (ε) và giá trị tổn hao điện môi(tgδ)

3.2 CÁC DẠNG TỔN HAO XẢY RA TRONG ĐIỆN MÔI

Theo đặc điểm và bản chất vật lý có thể chia tổn hao điện môi thành bốn dạng chính

3.2.1 Tổn hao điện môi do dòng điện rò

Trong điện môi bao giò cũng chứa các điện tích và điện tử tự do Dưới tác dụng của điệntrường E các điện tích kể trên sẽ tham gia vào dòng điện dẫn và dòng điện rò.Trong điện môi rắn

có dòng điện rò đi trên bề mặt và trong khối điện môi, còn điện môi khí và lỏng chỉ có dòng điện

khối Nếu dòng rò lớn thì tổn hao điện môi lớn, trị số tgδ của góc tổn hao điện môi trong trườnghợp này có thể tính theo công thức sau:

ρε

δ

10.8,

3.2.2 Tổn hao điện môi do phân cực

Dạng này thường thấy rõ ở các chất có phân cực chậm, chất có cấu tạo lưỡng cực

Tổn hao do phân cực chậm chúng gây ra bởi sự phá huỷ chuyển động nhiệt của các phân tửdưới tác động của cường độ điện trường, sự phân huỷ này làm phát sinh năng lượng tiêu tán vàđiện môi bị phát nóng Tổn hao trong các điện môi cực tính phụ thuộc vào tần số của điện áp đặtlên điện môi, biểu hiện rõ rệt nhất ở tần số vô tuyến và tần số siêu cao do đó tổn hao điện môi cótrị số lớn tới mức phá huỷ vật liệu

Trong các loại điện môi có tổn hao do phân cực cần phải kể đến hiện tượng gọi là tổn haocộng hưởng biểu hiện ở tần số ánh sáng Dạng tổn hao này thấy rõ trong một số chất khí khi ở mộttần số xác định có sự hấp thụ năng lượng điện trường.Tổn hao này cũng có thể xảy ra ở chất rắn

khi tần số dao động cưỡng bức do điện trường gây nên trùng với tần số dao động riêng của các hạtchất rắn.

3.2.3 Tổn hao điện môi do ion hoá

Thường xảy ra đối với các điện môi khí, nó thường xuất hiện trong các điện trường khôngđồng nhất khi cường độ điện trường cao hơn trị số bắt đầu ion hoá của loại khí đó.Ví dụ khôngkhí xung quanh dây dẫn của các đường dây tải điện trên không điện áp cao, đầu cực của các thiết

bị cao áp hay các bọt khí trong các điện môi rắn, lỏng khi chịu điện áp cao Tổn hao ion hoá đượctính theo công thức sau:

f - tần số của điện trường [Hz]

U - điện áp đặt lên điện môi [V]

U0 - Điện áp tương ứng với điểm bắt đầu ion hoá[V]

Quá trình ion hoá các phân tử khí sẽ tiếp nhận một năng lượng điện trường làm cho nhiệt

độ điện môi khí tăng lên và sinh ra tổn hao hoá Lúc này trong chất khí có thêm nhiều điện tích vàđiện tử tự do làm cho điện dẫn chất khí tăng lên, chúng góp phần tạo nên tổn hao điện môi lớn.Đặc biệt trong không khí có chứa oxy (O2)khi bị ion hoá nó biến thành O3 (ozôn) kết hợp vớinước, khí nitơ thành axit nitơric (HNO3) Nếu quá trình ion hoá liên tục thì nồng độ axit sẽ tănglên có thể gây nên sự ăn mòn hoá học của vật liệu và làm cho tuổi thọ của vật liệu giảm đi

3.2.4 Tổn hao điện môi do cấu tạo không đồng nhất

Loại tổn hao này có rất nhiều ý nghĩa trong thực tế, vì vật liệu cách điện của các thiết bịđiện thường có cấu trúc không đồng nhất.Do tính chất đa dạng về cấu trúc và thành phần của vậtliệu cách điện nên không thể có một công thức chung để tính toán tổn hao điện môi này.Trườnghợp đơn giản nhất có thể hình dung điện môi không đồng nhất dưới dạng hai lớp nối tiếp nhau

Hình 3 - : Sơ đồ điện môi mắc nối tiếp và sơ đồ đẳng trị thay thế

Trị số điện dung tương đương C1và C2 phụ thuộc vào hằng số điện môi của các lớp này vàkích thước hình học của chúng Điện trở R1 và R2 được xác định bởi điện trở suất và kích thướchình học điện môi các lớp Trị số tgδ được xác định bởi công thức sau:

2 2

N= C1 R1R2C2+ C2R2R1 C1

Trường hợp R1, R2, C1, C2 không phụ

thuộc vào tần số tổn hao do điện dẫn gây ra, ta

lấy đạo hàm theo tần số và cho nó bằng 0 để

giải Từ đó thấy rõ ràng tgδ có cực tiểu và cực

đại trong quan hệ của tgδ vào ω

Cực đại ở tần số

Nn

Nm Mn

2

3 2

∆ +

−

=ω

Cực tiểu ở tần số

Nn

Nm Mn

2

3 1

∆

−

−

=ω

N i

i i

C

tg C tg

1

2

δ

Trong đó: tgδi - tang góc tổn hao điện môi các lớp tương ứng với tần số đã cho.

3.3 TÍNH TOÁN TỔN HAO ĐIỆN MÔI

Khi đặt điện áp lên điện môi, trong nó xuất hiện ba thành phần dòng điện: dòng chuyểndịch do phân cực nhanh(Icd);dòng hấp thụ do phân cực chậm(Iht) và dòng điện rò(Irò), Như vậy:

cd pc rò

I I = + I + I

Khi điện áp đặt một chiều thì dòng điện phân cực chỉ xảy ra khi đóng, cắt nguồn điện do đótổn hao chủ yếu do dòng rò (Irò) gây ra Nếu điện áp đặt xoay chiều, dòng phân cực và dòng rò cósuốt trong thời gian đặt điện áp, tổn hao lúc này do cả dòng rò và dòng phân cực gây ra.

Hình 3 - : Sơ đồ thay thế điện môi và biểu đồ vector giữa điện áp và dòng điện

Dựa vào tính chất trên trong tính toán tổn hao điện môi ta có thể thay thế bằng các sơ đồđẳng trị mắc điện trở và điện dung nối tiếp hoặc song song

Trong sơ đồ thay thế (Hình 3 - ) ta thấy:

- Nhánh có điện dung Ccd đặc trưng cho sự phân cực tức thời và dòng điện này không tiêuhao năng lượng nên không có thành phần Rcd

- Nhánh có điện dung Cht và Rht đặc trưng cho dòng điện phân cực chậm và tổn hao nănglượng do dòng này gây lên

- Nhánh có điện trở cách điện(Rcđ) đặc trưng cho dòng điện rò Irò, dòng này không do sựphân cực trong điện môi nên không có điện dung

3.3.1 Tính toán công suất tổn hao lớn (sơ đồ song song)

Trong thực tế khi có điện áp cần phải tính dòng điện IR và IC ta dùng sơ đồ song song Các

sơ đồ thay thế phải thoả mãn điều kiện sau:

- Công suất tổn hao trong sơ đồ phải bằng công suất tiêu hao trong điện môi

- Góc lệch pha giữa dòng và áp của sơ đồ phải bằng góc lệch pha trong thực tế khi có cùngđiện áp và tần số đặt: tgδsơđồ= tgδthựctế

Hình 3 - : Sơ đồ mắc song song R// và C//

Ta có công suất tổn hao trong điện môi là:

δω

tg X

U U P

C

. //

2 //

C// - điện dung đẳng trị song song đặc trưng cho sự phân cực điện môi [µF]

R// - điện trở đẳng trị song song đặc trưng cho tổn hao của điện môi [Ω]

3.3.2 Tính toán công suất tổn hao nhỏ(sơ đồ nối tiếp)

Khi có dòng điện cần phải tính điện áp URvà UC ta dùng sơ đồ nối tiếp

Hình 3 - : Sơ đồ mắc nối tiếp Rnt và Cnt

Khi đó

nt R

nt nt

R U

nt nt

Từ điều kiện tương đương của hai sơ đồ P//=Pnt=P và tgδsơđồ= tgδthựctế khi cần chuyển đổi sơ

đồ nối tiếp sang sơ đồ song song hay ngược lại thì các tham số điện dung và điện trở được tínhbằng công thức chuyển đổi sau:







+

2 //

11

1

tg R

R

tg

C C

3.4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỔN HAO ĐIỆN MÔI

Trong thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tổn hao điện môi, trong đó có 4 yếu tố quantrọng nhất là:

- Tần số của điện trường ω =2πf

- Nhiệt độ làm việc của điện môi

- Độ ẩm của điện môi và môi trường

- Trị số điện áp hay cường độ trường tác dụng lên điên môi

3.4.1 Tổn hao điện môi của chất khí

Nguyên nhân gây nên tổn hao điện môi của các chất khí chủ yếu do dòng điện dẫn gây nên.Điện dẫn của các chất khí có trị số bé, do đó tổn hao điện môi sẽ thấp không đáng kể, đặc biệt ởtần số cao.Ví dụ điện dẫn của không khí vào khoảng 10-18(Ωcm)-1; hằng số điện môi ε≈1 khi ở tần

số f=50Hz có tgδ≤4.10-8

Khi ở điện áp cao và điện trường không đồng nhất khi cường độ điện trường vượt quá trị

số tới hạn, các phân tử khí sẽ bị ion hoá trong chất khí xuất hiện tổn hao do ion hoá Năng lượngtổn hao do ion hoá được tính bằng công thức sau:

Pi=A.f.(U-Ui)3Trong đó : A-hằng số; f-tần số

Ui-điện áp bắt đầu gây ion hoá[V]

U-điện áp đặt lên điện môi[V]

Quan hệ giữa tổn hao điện môi với điện áp được biểu diễn theo quan hệ tgδ=f(U) như sau:

Hình 3 - : Quan hệ tgδ=f(U)

Theo đó ta thấy tổn hao điện môi khi điện áp tăng, khi điện áp U>UB các phân tử chất khí

đã được ion hoá khi đó không cần tiêu tốn năng lượng cho quá trình ion hoá nữa nên tgδ có trị sốgiảm

Khi ở tần số cao hiện tượng ion hoá và tổn thất năng lượng trong chất khí tăng lên đáng kểđến mức làm cho các vật liệu cách điện bị cháy và phá huỷ Khi bị ion hoá ôxy của không khíbiến thành ôzôn(O3) chúng kết hợp với khí Nitơ(N2) và tạo thành axit nitơric(HNO3) Axit HNO3

sẽ gây nên sự phân huỷ hoá học các chất cách điện hữu cơ khi tiếp xúc với khí Các đường dây tảiđiện trên không điện áp cao gây nên phóng điện vầng quang(ion hoá)chất khí xung quanh dây dẫn

và tổn hao năng lượng làm giảm hiệu suất đường dây Để giảm tổn hao vầng quang trong thực tếcần phải thay đổi điện trường bằng cách tăng tiết diện dây dẫn hay phân dây thành các sợi nhỏ nối

với nhau tạo nên đường kính lớn (phân pha).

3.4.2 Tổn hao điện môi của chất lỏng

Trong chất lỏng trung tính, tổn hao điện môi chỉ dòng điện dẫn gây nên còn trong các điệnmôi lỏng cực tính tuỳ theo điều kiện nhiệt độ và tần số ngoài tổn hao do dòng điện dẫn còn có tổnhao do phân cực lưỡng cực gây nên, nó phụ thuộc nhiều vào tần số và nhiệt độ

Các điện môi lỏng dùng trong kỹ thuật điện thường là hỗn hợp các chất trung tính và cựctính ví dụ như: dầu nhựa thông, dầu xôvôn, dầu máy biến áp Tổn hao điện môi còn phụ thuộcvào độ nhớt của chất điện môi đó, mặt khác độ nhớt và điện dẫn lại phụ thuộc vào nhiệt độ Nếu

độ nhớt của chất lỏng đủ lớn để các phân tử không kịp xoay theo sự biến đổi của điện trường và

sự phân cực mất đi do đó tổn hao nhỏ, khi độ nhớt có trị số trung bình tổn hao có thể có trị sốđáng kể và đạt trị số cực đại ở một độ nhớt nào đó

Độ nhớt (η) thường được xác định bằng phương pháp Engler, theo phương pháp này thì độnhớt của chất lỏng xác định bằng tỷ số giữa thời gian chảy của 200ml chất lỏng ở nhiệt độ

500C(tA) qua một lỗ nhỏ có đường kính xác định với thời gian chảy của 200ml nước cất ở nhiệt độ

200C(tB) cũng qua lỗ nhỏ ấy với thời gian ≈ (50÷52) sec,

3.4.3 Tổn hao điện môi của chất rắn

Điện môi rắn có nhiều loại, đa dạng về cấu trúc và các thành phần do đó trong điện môi rắn

có tất cả các loại tổn hao điện môi

Tổn hao điện môi trong các điện môi có cấu tạo phân tử phụ thuộc vào loại phân tử: cácphân tử trung tính không có tạp chất thì tổn hao chỉ do dòng điện rò gây nên ví dụ nhựaPE,PVC,farafin , các phân tử cực tính tổn hao phụ thuộc vào tần số và nhiệt độ ví dụ như: thuỷtinh hữu cơ, cao su, nhựa bakêlit

Tổn hao điện môi của chất rẵn có cấu tạo ion liên quan tới các đặc điểm sắp xếp ion trongmạng tinh thế bao gồm các chất như: gốm, sứ, thuỷ tinh dùng trong kỹ thuật điện Chúng phụthuộc vào nhiệt độ và tần số

Tổn hao điện môi của chất rắn có cấu tạo không đồng nhất :gồm các vật liệu mà trongthành phần của nó chứa không ít hơn hai chất ví dụ như: chất dẻo, chất độn, các lớp cách điệnkhác nhau trong cáp và thiết bị điện do chúng thường chứa các bọt khí bên trong do vậy tổn haothường do các bọt khí này bị ion hoá dưới tác dụng của điện áp, điện trường tác dụng

3.5 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ QUÁ TRÌNH PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI

Thực nghiệm cho ta thấy khi cường độ điện trường đặt lên điện môi vượt qua một giới hạnnào đó sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện chọc thủng điện môi khi đó điện môi bị mất hoàn toàntính chất cách điện, phá huỷ độ bền điện của điện môi

Trị số điện áp mà ở đó xảy ra đánh thủng điện môi, được gọi là điện áp đánh thủng (Uđt),trị

số tương ứng của cường độ điện trường là cường độ đánh thủng hay cường độ điện trường cáchđiện của điện môi(Eđt)

dt dt

U

E ; kV / mm h

Trong đó: h - chiều dày của điện môi.[mm]

Cường độ trường cách điện của điện môi chính là điện áp đánh thủng điện môi trên mộtmilimét chiều dầy điện môi.Trong tính toán chiều dầy điện môi cách điện của thiết bị điện ta phảinhân thêm hệ số làm việc an toàn K

[ ]

dm dt

U

h K ; mm E

Trong thực tế, có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới khả năng cách điện của điện môi như:dạngđiện trường, điện áp, thời gian tác dụng điện áp, nhiệt độ, độ ẩm Các chất khí,lỏng hay rắn có cơ

cấu và diễn biến quá trình phóng điện khác nhau, do đó khi nghiên cứu sự phóng điện cần phải xétriêng cho từng trường hợp cụ thể.

3.6 SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI KHÍ

3.6.1 Các yêu cầu chung của chất khí dùng làm chất khí cách điện

Các chất khí, chủ yếu là không khí thường được dùng làm chất cách điện của các thiết bịđiện làm việc trong không khí và của đường dây tải điện trên không Nó phối hợp với các điệnmôi khác hoặc đơn độc làm nhiệm vụ cách điện giữa các pha hoặc giữa pha với vỏ máy Do đótính chất cách điện của chất khí có ý nghĩa rất quan trọng trong kỹ thuật điện cao áp Khi chúngmất khả năng cách điện sẽ gây 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 nên khi chúng bị hư hỏngthường bắt nguồn từ các quá trình phóng điện của bọt khí.Vì vậy nghiên cứu quá trình phóng điệntrong điện môi khí với mục đích khắc phục và loại trừ sự cố trong thiết bị và hệ thống điện

Các chất khí dùng làm cách điện phải đạt được các yêu cầu sau đây:

- Phải là loại khí trơ, nghĩa là không gây ra phản ứng hoá học với các chất cách điện kháctrong cùng kết cấu cách điện hoặc với các kim loại của thiết bị điện

- Có cường độ cách điện cao vì sử dụng các chất khí có cường độ cách điện cao sẽ giảmđược kích thước của kết cấu cách điện và của thiết bị

- Nhiệt độ hoá lỏng thấp để có thể sử dụng chúng ở trạng thái áp suất cao

- Tản nhiệt tốt, dẫn nhiệt tốt

- Dễ chế tạo, tìm kiếm và rẻ tiền

Ngoài nhiệm vụ cách điện, chất khí còn có nhiệm vụ làm mát (trong máy điện) Không khí

là chất dễ kiếm và rẻ tiền nhưng nó thường phát sinh các chất như ôzôn, ôxitnitơ kết hợp vớinước thành axit nitơric sẽ ăn mòn kim loại và các bộ phận cách điện khác,cường độ cách điện chỉbằng 1/10 so với dầu biến áp Các hạn chế này làm cho kết cấu và thiết bị dùng không khí làmcách điện trở nên kồng kềnh và phức tạp Hiện nay người ta thường sử dụng các chất khí cócường độ cách điện cao như SF6 (êlêgaz), frêôn…

3.6.2 Các dạng ion hoá xảy ra trong chất khí

Trong chất khí bao giờ cũng chứa một số ion và điện tử tự do Bình thường chúng luôntrong trạng thái chuyển động nhiệt Khi có điện trường bên ngoài tác dụng chúng sẽ chuyển độngtheo phương của điện trường và tạo nên điện dẫn trong điện môi

Quá trình ion hoá là quá trình biến đổi một phân tử trung hoà thành ion dương và điện tử tự

do, năng lượng cung cấp cho quá trình này được gọi là năng lượng ion hoá(Wi) Ngược lại với quátrình ion hoá là quá trình kết hợp giữa các ion dương với điện tử hay ion âm để trở thành phân tửtrung hoà Năng lượng ion hoá phân tử của các chất khí khác nhau thì cũng khác nhau, nó phụthuộc vào năng lượng liên kết giữa hạt nhân và điện tử của phân tử các chất khí đó Năng lượngdùng để ion hoá sẽ được trả lại dưới dạng bức xạ với độ dài sóng xác định theo công thức sau :

1 Ion hoá va chạm

Khi các phân tử chuyển đang chuyển động va chạm nhau, động năng của chúng sẽ chuyểncho nhau và do đó có thể xảy ra ion hoá nếu:

2 i

mv

2

Với m - khối lượng phân tử

v - tốc độ chuyển động của phân tử

2 Ion hoá quang

Năng lượng cần thiết để ion hoá có thể lấy bức xạ của sóng ngắn với điều kiện

3 Ion hoá nhiệt

Khi ở nhiệt độ cao có thể phát sinh các quá trình sau:

- Ion hoá va chạm giữa các phân tử do các phân tử chuyển động nhiệt với tốc độ lớn

- Ion hoá do bức xạ nhiệt của khí bị nung nóng

- Ion hoá va chạm giữa những phân tử và điện tử hình thành do hai quá trình trên

Nhiệt độ càng cao thì khả năng ion hoá càng lớn, năng lượng nhiệt và nhiệt độ cần thiết đểxảy ra quá trình ion hoá được xác định theo công thức:

i

3

W kT W 2

- Nung nóng âm cực: do cực được nung nóng,điện tử sẽ chuyển động mạnh và có khả năng thoát ra khỏi bề mặt điện cực

- Bắn phá bề mặt âm cực bằng các phân tử có động năng lớn(ion dương)

- Dùng sóng ngắn chiếu lên bề mặt điện cực(tia γ,α,β )

- Tác dụng bằng điện trường cực mạnh hay còn gọi bức xạ nguội, thường xảy ra khi cường

độ điện trường khoảng 1000kV/cm

Bảng 3 - : Trị số công thoát của kim loại

Tên kim loại Công thoát (eV)

W =Eqλ ≥W thì nó di chuyển về phía cực dương và gây ra sự ion hoá chất khí.

- Lần va chạm thứ nhất với phân tử khí, điện tử tự do thứ nhất nói trên sẽ gây ion hoáphân tử khí và tạo thêm một điện tử mới

- Điện tử mới sinh ra đó cùng với điện tử thứ nhất tiếp tục chuyển động về phía điệncực dương Lần va chạm thứ hai, hai điện tử này sẽ gây ra sự ion hoá và tạo thêm 2 điện tử mớinữa, tổng số điện tử tự do lúc này là 4 Quá trình cứ tiếp diễn như vậy, lần va chạm thứ ba, số điện

tử tự do tăng lên 8 Nghĩa là số điện tử tự do và ion dương lần lượt tăng thao cấp số nhân Dòngđiện tử (dòng plasma) tăng theo cấp số nhân đó gọi là thác điện tử.

Hình 3 - : Quá trình hình thành thác điện tử trong điện môi khí

Do các điện tử nhẹ sẽ chuyển động nhanh về phía dương cực nên tập trung ở đầu thác còn

ở các ion dương nặng sẽ chuyển động chậm về phía âm cực nên tập trung ở cuối thác Trong quátrình chuyển động sẽ tiếp tục gây ra sự ion hoá, các ion dương sẽ phát ra một năng lượng phôtôn ởxung quanh các điện tử khi đó những phôtôn này lại tiếp tục gây ra ion hoá và hình thành thácđiện tử mới

Các điện tử thì tập trung ở đầu thác còn các ion dương tập trung ở cuối thác do đó hai khốiđiện tích này sẽ gây ra một điện trường phụ làm biến dạng điện trường chính Do ở đầu thác điện

trường phụ E’ do khối điện tử gây ra sẽ cùng chiều với điện trường chính làm cho điện trường chính tăng, còn ở cuối thác điện trường phụ E’’ do khối ion dương gây ra sẽ cùng chiều với điện

trường chính sẽ làm cho điện trường chính tăng lên Lúc này ở giữa cho danh giới giữa hai khốiđiện tử và ion dương thì điện trường phụ E’’’ sẽ ngược chiều với điện trường chính do vậy sẽ làmgiảm điện trường chính Như vậy thác điện tử đã làm cho điện trường chính ở đầu thác và cuốithác tăng vọt lên còn ở giữa thác giảm đi, các điện tử càng chuyển động gần cực dương thì sự biếndạng của điện trường càng mạnh và càng có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình phóng điện của chấtkhí

2 Quá trình phóng điện trong điện môi khí:

Khi nghiên cứu về sự dẫn điện của điện môi khí ta đã biết quan hệ giữa mật độ dòng điệntrong điện môi khí(j) với cường độ điện trường tác dụng (E)

- Khi E< E2 thì dòng điện trong điện môikhí không tự duy trì

- Khi E=E2 trong điện môi khí bắt đầu xảy

ra hiện tượng ion hoá do va chạm , dòngđiện trong chất khí tự duy trì, dòng điệntăng rất nhanh Do đó chất khí sẽ mất

dần tính chất cách điện(chất khí cách điện bị chọc thủng).

Điện áp ứng với trường hợp này gọi là điện áp chọc thủng chất khí và cường độ điệntrường chọc thủng là :

CT CT

gọi là Plasma (plasma có điện dẫn lớn) Như vậy,quá trình phóng điện trong chất khí là quá trình

hình thành dòng plasma trong toàn bộ hay một phần không gian giữa hai điện cực, sự phóng điện

đó phụ thuộc vào dạng của điện trường, áp suất, công suất nguồn, quá trình hình thành dòngplasma có khác nhau và đưa đến các dạng phóng điện sau:

- Phóng điện toả sáng: là dạng phóng điện xảy ra trong khe hở không khí có áp suất thấp,

dòng plasma không có điện dẫn lớn Phóng điện toả sáng thường chiếm toàn bộ không giangiữa các điện cực và được ứng dụng làm đèn nêon, đèn quảng cáo, trang trí và ống phátsáng

- Phóng điện tia lửa: là dạng phóng điện xảy ra trong khe hở không khí có áp suất lớn,

plasma không chiếm hết toàn bộ không gian mà chỉ một tia dòng nhỏ nối giữa các điệncực Mật độ điện tích trong dòng plasma rất lớn nên có thể dẫn được dòng điện lớn nhưngkhông quá lớn vì bị giới hạn bởi công suất nguồn ví dụ như phóng điện sét, phóng điện trênđường dây tải điện thực tế nó được ứng dụng làm thiết bị đốt lò gaz và dầu, hệ thống đánhlửa buzi xe máy và ôtô, thử nghiệm cường độ trường cách điện của điện môi

- Phóng điện hồ quang: Là giai đoạn tiếp theo của phóng điện tia lửa khi công suất của

nguồn lớn và thời gian tác dụng lâu dài Dòng điện hồ quang lớn đốt nóng dòng plasmalàm cho điện dẫn của nó tăng thêm, dòng hồ quang càng tăng cho tới mức ổn định khi có

sự cân bằng giữa phát nóng và toả nhiệt của khe hồ quang Dòng hồ quang có nhiệt độ caonên thực tế áp dụng làm điện cực hồ quang, hàn hồ quang

- Phóng điện vầng quang: Là dạng phóng điện đặc biệt chỉ xảy ra trong điện trường không đồng

nhất và xuất hiện trong khu vực xung quanh các điện cực Dạng phóng điện này là dạng phóngđiện không hoàn toàn vì dòng plasma không nối liền giữa hai điện cực do vậy nó không có dòngđiện lớn Phóng điện vầng quang chưa làm mất hẳn tính chất cách điện của chất khí nhưng cũngkhông nên để phát sinh vầng quang vì nó cũng gây nhiều tác hại đặc biệt là đối với các đường dâytruyền tải điện cao áp, nó gây nên tổn thất năng lượng trên đường dây Do vậy để giảm phóng điệnkiểu này bằng cách tăng tiết diện dây dẫn, dùng dây dẫn có bề mặt nhẵn bóng, phân dây pha làmcác dây nhỏ nối liền với nhau để có đường kính lớn Có thể nói phóng điện vầng quang chính là sựion hoá chất khí và quá trình kết hợp giữa các ion trái dấu để trở lại trạng thái bình thường cả haiquá trình này đều trả lại năng lượng dưới dạng quang năng Thực tế trong công nghiệp phóng điệnvầng quang được sử dụng để sơn tĩnh điện, lọc bụi tĩnh điện để bảo vệ môi trường

Bảng 3 - : Tính chất hoá, lý của một số chất khí dùng trong kỹ thuật điện

Chất khí

Trọng lượng phân tử (g/phân

tử)

Mật độ g/dm 3

Điểm sôi ở 1.at ( 0 C)

Năng lượng ion hoá (eV)

Điện áp đánh thủng (KV) (1)

Hoạt tính hoá học

Tác dụng độc hại

Có thể bốc cháy

Tác dụng ăn mòn đối với đồng

và thép

Tác dụng

ăn mòn đối với chì

Hình 3 - : Độ bền cách điện và điện áp đánh thủng của không khí, trong hàm số của khoảng cách điện cực

Trên đồ thị trên chỉ sự biến thiên của độ bền cách điện (E) và điện áp đánh thủng(Uđt) củakhông khí với khoảng cách điện cực (Hình 3 - )

Hình 3 - : Độ bền cách điện của không khí trong điện của không khí trong điện trường hình trụ, trong hàm số của

Trong đó thì r là bán kính của điện cực; [cm]

Điện áp đánh thủng xác định như sau: Trường hợp điện cực nhọn đối với điện cực mặtphẳng là trường hợp phân bố rất không đồng nhất, điện áp đánh thủng tính theo biểu thức sau :

U= 3,5d +10 kV, đối với điện áp xoay chiềuU= 5d +40 kV, đối với điện áp xung 1/50

Trong đó:

d - là khoảng cách các điện cực (cm) và các công thức trên chỉ ứng với d >10 cm.Trong thực tế , có thể dùng quy tắc như sau: đối với điện áp xoay chiêù tần số 50Hz, cứ1cm khoảng cách không khí có thể chịu được (3,2-3,5) kV Khoảng cách điện cực d cần thiết đểkhỏi bị đánh thủng là:

Hình 3 - : Điện áp đánh thủng của không khí trong mội trường đồng nhất theo hàm số của tích (pd)

3.6.4 Phóng điện trong trường đồng nhất và không đồng nhất

1 Phóng điện trong trường đồng nhất

a Quá trình hình thành và đặc điểm

Điện trường đồng nhất (đều) trường hợp lý tưởng, trị số điện trường tại mọi điển bằng nhau

và bằng hằng số, ví dụ điện trường trong tụ điện phẳng Nguyên nhân để hình thành sự phóngđiện trong điện trường đều khi phát sinh thác điện tử đầu tiên nối liền khe hở không khí giữa haiđiện cực sau đó lại xảy ra quá trình ion hoá tiếp và hình thành các thác điện tử và liên tục duy trìdòng điện thì sẽ gây ra phóng điện

Đặc điểm chính của quá trình phóng điện này là xảy ra trong thời gian ngắn(tức thời), trị số

điện áp phụ thuộc vào khoảng cách phóng điện, áp suất chất khí và nhiệt độ

Quá trình phóng điện được bắt đầu từ phóng điện tia lửa, nếu công suất nguồn tăng thì nó

sẽ phát sinh thành phóng điện hồ quang

b Quá trình phóng điện trong trường đều

- Khi áp suất thấp

Mật độ khí loãng các phân tử khí xa nhau để sản sinh ra các điện tử tự do và hình thànhthác điện tử thì phải dựa vào ion hoá bề mặt, tức là các ion dương và phôtông bay đến bề mặt âmcực dễ dàng không bị ngăn cản giải phóng các điện tử tự do Do chúng có động năng tích lũy lớnnhư vậy các điện tử giải thoát tiếp tục gây ion hoá hình thành các thác điện tử tiếp theo Do đó ở

áp suất thấp điều kiện phóng điện tự duy trì là toàn bộ số ion dương khi đập vào âm cực phải giảithoát ít nhất một điện tử tự do

- Khi ở áp suất cao(từ áp suất khí quyển trở lên)

Nguồn sinh ra điện tử chủ yếu là do ion hoá quang, lúc này mật độ điện tử phân tử khí lớnnên số điện tử và ion sinh ra làm biến dạng điện trường chính Trong khe hở khí sẽ phát sinh racác tia sóng ngắn có năng lượng lớn gây ion hoá quang Như vậy ở áp suất cao điều kiện phóngđiện tự duy trì là phải có sự phát triển mãnh liệt của các ion hoá quang khối khí tức là thác điện tửphải có một lượng điện tích lớn để có thể làm biến dạng điện trường chính

- Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phóng điện

Nếu ở áp suất không đổi thì khoảng cách giữa các điện cực càng nhỏ thì Epđ lớn, khi d tăngđiện trường trở lên không đồng nhất sẽ khó xảy ra phóng điện hơn

Nếu khoảng cách giữa các điện cực không đổi, áp suất càng lớn tức là mật độ chất khí tăngthì điện áp phóng điện càng tăng ngược lại nếu giảm áp suất đến một giới hạn nào đó nhỏ hơn ápsuất khí quyển thì độ loãng phân tử khí cao thì điện áp phóng điện lại bắt đầu tăng Do đó trongthực tế để nâng cao điện áp phóng điện của chất khí trong trường đều người ta sẽ tăng áp suất

lên(nén khí) hoặc giảm áp suất đi rất nhỏ được ứng dụng trong các bộ tụ cao áp hoặc cáp cao áp

2 Phóng điện trong trường không đồng nhất

a Quá trình hình thành và đặc điểm

- Điện trường không đều được tạo ra bởi các điện cực có cấu tạo như: hai mũi nhọn, mũinhọn với điện cực phẳng, giữa hai quả cầu có bán kính nhỏ hơn nhiều so với khoảng cáchgiữa chúng hoặc giữa hai dây dẫn có điện áp khác nhau

- Đặc điểm chính của dạng phóng điện này là xảy ra trong khoảng thời gian ngắn, điện ápđánh thủng phụ thuộc vào cực tính của điện cực Quá trình phóng điện bắt đầu từ phóngđiện vầng quang đến phóng điện tia lửa được chia làm ba giai đoạn:

+ Hình thành thác điện tử đầu tiên + Phóng điện mở đường

+ Phóng điện chính

b Quá trình phóng điện trong điện trường không đồng nhất

Trường hợp 1: Khi mũi nhọn dương cực bản âm

- Giai đoạn hình thành thác điện tử đầu tiên

Giả sử trước mũi nhọn có 1 số điện tử tự do dưới tác dụng của điện trường nó sẽ gây ionhoá va chạm Nếu cường độ điện trường lớn nó sẽ tạo ra thác điện tử đầu tiên

- Giai đoạn phóng điện mở đường

Do có thác điện tử trước mũi nhọn hình thành khối ion âm và điện tử khi đến khối iondương nó sẽ tạo nên các điện trường phụ Điện trường phụ E’ giữa khối ion âm với mũi nhọncùng chiều với điện trường chính làm cho điện trường chính tăng Giữa khối ion âm và ion dươngsinh ra E” ngược chiều với điện trường chính làm cho điện trường chính giảm Điện trường đầuthác với cực bản E”’ cùng chiều với điện trường chính làm điện trường chính tăng làm phía cựcbản âm tiếp tục bị ion hoá thác điện tử mới được hình thành Các điện tử mới đi vào vùng iondương tạo nên một vùng chứa đầy dòng điện tử(dòng plasma)

Đầu dòng plasma tồn tại một đám ion âm mới nó lại làm biến dạng điện trường chính Quátrình đó cứ tiếp diễn điện trường chính tăng dòng plasma kéo dài về điện cực âm

Hình 3 - : Quá trình phóng điện trong trường không đồng nhất (a) - Khi mũi nhọn mang cực tính âm; (b) - Khi mũi nhọn mang cực tính dương

- Giai đoạn phóng điện chính

Nếu điện áp giữa các điện cực không đổi, điện trường ở đầu thác điện tử giảm tới mứckhông tạo ra thác điện tử thì sự phóng điện sẽ dừng lại ở phóng điện vầng quang Nếu điện áp tiếptục tăng điện tử mới phát triển mạnh về phía cực bản âm Dòng plasma phát triển tương đương

với sự kéo dài mũi nhọn với tốc độ cao nối liền hai điện cực thì khe hở bị chọc thủng hoàn toàn,giai đoạn này được gọi là giai đoạn phóng điện chính.

Khi mũi nhọn âm cực bản dương

- Giai đoạn hình thành thác điện tử đầu tiên

Giả sử trước mũi nhọn có một số điện tử di chuyển nhanh về phía cực bản còn các iondương trước mũi nhọn, dưới tác dụng của điện trường nó sẽ gây ion hoá va chạm tạo ra thác điện

tử đầu tiên

- Giai đoạn phóng điện mở đường

Sự tồn tại đám ion dương trước mũi nhọn làm cho E chính ở phía mũi nhọn tăng tạo điềukiện ion hoá mãnh liệt Thác điện tử mới xuất hiện khối ion dương với mũi nhọn tạo nên điệntrường phụ E’ cùng chiều với E chính làm tăng E chính Giữa khối ion dương và khối ion âm sinh

ra E’’ ngược chiều E chính làm E chính giảm Điện trường phía mũi nhọn tăng làm nhiều thácđiện tử phát triển về phía cực bản các điện tử đi vào vùng ion dương nên dòng plasma phân bốrộng phát triển về phía cực bản tiếp tục tăng điện áp sự ion hoá tiếp tục xảy ra dòng plasma pháttriển về phía cực bản dương

- Giai đoạn phóng điện chính

Nếu tiếp tục tăng điện áp dòng plasma kéo về cực bản dương lúc đó sẽ có dòng phóng điệnngược trở lại với tốc độ lớn nối liền giữa hai điện cực khe hở sẽ bị chọc thủng hoàn toàn

- Quá trình phóng điện mở đường phụ thuộc rất nhiều vào cực tính Nếu điện trường tạo bởimũi nhọn dương thì quá trình phóng điện xảy ra liên tục và dễ dàng, điện áp phóng điệntrong trường hợp này nhỏ Nếu mũi nhọn âm thì quá trình phóng điện xảy ra gián đoạn vàkhó khăn, điện áp phóng điện trong trường hợp này lớn hơn nhiều so với trường hợp mũinhọn dương

- Quá trình phóng điện ngược không phụ thuộc vào cực tính nghĩa là sự ion hoá mãnh liệtxảy ra ở phía cực bản để tạo ra một lớp plasma phát triển ngược trở lại phía mũi nhọn vàkhi nó nối liền giữa hai điện cực thì khe hở bị chọc thủng hoàn toàn

3.7 SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI LỎNG VÀ RẮN

3.7.1 Sự phóng điện trong điện môi lỏng

Ở điều kiện bình thường điện môi lỏng có cường độ điện trường cách điện cao hơn nhiều

so với điện môi khí Hiện tượng phóng điện trong điện môi lỏng phức tạp hơn nhiều so với điện

môi khí ngay cả khi điện môi lỏng tinh khiết và sau mỗi lần phóng điện sẽ sinh ra các tạp chất làmuội khói do chất lỏng bị đốt cháy Trong các chất lỏng thường chứa các tạp chất: nước, bọt khí,bụi bẩn,xơ…lơ lửng ở bên trong Sự tồn tại các tạp chất này làm cho hiện tượng phóng điện đánhthủng điện môi lỏng phức tạp hơn nhiều gây khó khăn cho việc thành lập lý thuyết chính xác vềphóng điện trong điện môi lỏng Đã có nhiều công trình nghiên cứu về phóng điện, diễn biến quátrình phóng điện để giải thích cơ cấu của sự phóng điện chất lỏng, người ta đưa ra một số lýthuyết cơ bản sau đây:

1 Lý thuyết về nhiệt

Lý thuyết này áp dụng đối với các điện môi lỏng kỹ thuật, trong nó thường chứa các tạpchất như bọt khí, nước và tạp chất cơ học, các chất dẫn điện, bán dẫn ở đây sự phóng điện khôngphải là do ion hoá va chạm mà do sự phát nóng cục bộ và sự sôi cục bộ ở bên trong chất lỏng ởnhững nơi có chứa nhiều tạp chất sẽ đến sự hình thành một cầu dẫn điện giữa hai cực Theo lýthuyết này khi điện áp tác dụng tăng lên thì lúc đầu sẽ có sự ion hoá trong các bọt khí, ở phần bọtkhí có nhiệt độ và độ dẫn điện tăng dưới tác dụng của điện trường nó sẽ bị kéo dài ra và gây nênphóng điện giữa hai cực

2 Lý thuyết ion hoá

Đối với các điện môi lỏng đã được lọc sạch các tạp chất người ta giải thích sự phóng điệnnhư sự ion hoá đối với chất khí Song mật độ phân tử lớn hơn nhiều so với chất khí nên đoạnđường chuyển động tự do của điện tử bé và năng lượng tích luỹ trên quãng đường này có trị số bé,khó gây nên ion hoá lớn Chính vì vậy mà chất lỏng có cường độ cách điện cao hơn nhiều so vớichất khí

3 Lý thuyết phóng điện do điện thuần tuý

Sự phóng điện trong trường hợp này là do các điện tử thoát ra từ mặt điện cực bằng kimloại dưới tác dụng của cường độ điện trường mạnh đồng thời sự phân huỷ bản thân phân tử chấtlỏng

Như vậy, để giải thích sự phóng điện của điện môi lỏng người ta phối hợp cả ba lý thuyếttrên và cường độ cách điện của chất lỏng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như bọt khí, bụi bẩn, nhiệt

độ, áp suất và thời gian đặt điện áp tác dụng