Chuong VI Phong dien trong chat ran 2017

CHƯƠNG VI: PHÓNG ĐIỆN TRONG CHẤT RẮN Giới thiệu Phóng điện riêng (phóng điện điện tử, phóng điện thác dòng điện tử) Phóng điện điện Phóng điện nhiệt TS Nguyễn Văn Dũng 26/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức 1 Giới thiệu  Yêu cầu chất rắn cách điện: độ bền điện cao, tổn hao điện môi thấp, độ bền lớn, khơng có tạp chất (đặc biệt bọt khí), có khả chịu nhiệt kháng thối hóa hóa học  Ưu: độ bền điện chất rắn cao so với chất khí lỏng  Nhược: chất rắn cách điện khơng có khả phục hồi sau phóng điện  Đối với chất rắn tinh khiết, độ bền điện đạt đến giá trị 5-10 MV/cm  theo nguyên lý phóng điện riêng  Thực tế, chất rắn có tạp chất (“chất rắn kỹ thuật”): độ bền điện đạt khoảng 200-300 kV/cm  theo nguyên lý phóng điện khác TS Nguyễn Văn Dũng 26/10/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức  Loại nguyên lý phóng điện xảy chất rắn phụ thuộc vào thời gian tác động điện áp Phóng điện điện tử, phóng điện điện vBD Phóng điện thác điện tử/dòng điện tích Phóng điện nhiệt Vrated Phóng điện thối hóa hóa học, phóng điện cục 10 ns Log t 30 năm TS Nguyễn Văn Dũng 26/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức 2 Phóng điện riêng (intrinsic breakdown) a Phóng điện điện tử  Xảy chất rắn tinh khiết  Cường độ điện trường tác dụng lớn (5-10 MV/cm) thời gian ngắn (10-8 s = 10 ns)  Điều kiện: tồn số lượng lớn điện tử tự chất rắn  Điện tử tự nhận lượng điện trường để chuyển từ vùng hóa trị sang vùng dẫn  tăng số lượng điện tử vùng dẫn  phóng điện TS Nguyễn Văn Dũng 26/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức b Phóng điện thác hay dòng điện tích  Xảy chất rắn tinh khiết  Cường độ điện trường tác dụng lớn (5-10 MV/cm) thời gian ngắn (10-8 s)  Điều kiện: tồn số điện tử tự chất rắn  Quá trình phóng điện xảy tương tự chất khí  Điện tử bắt đầu cực âm chuyển động gia tốc phía cực dương  va chạm vào phân tử hay nguyên tử nút mạng tinh thể  giải phóng thêm điện tử (nếu lượng điện tử ban đầu lớn lượng ion hóa mạng tinh thể)  q trình tiếp diễn  thác điện tử  phóng điện xảy kích thước thác đạt đến giá trị tới hạn TS Nguyễn Văn Dũng 26/10/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức  Thực tế, phóng điện kết sau hình thành nhiều thác điện tử, thác phát triển bước xuyên qua chiều dày cách điện (xuất nhiều kênh dẫn điện) Điện trường cao Thủy tinh hữu Các thác điện tử (kênh dẫn điện) TS Nguyễn Văn Dũng 26/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức 3 Phóng điện điện (electro-mechanical breakdown)  Xảy nhóm nhựa nhiệt dẽo…  Khi đặt chất cách điện rắn điện trường hai cực  phân cực điện môi  xuất điện tích bề mặt  lực hút lẫn điện tích trái dấu hai bề mặt  biến dạng giảm chiều dày cách điện  tiếp tục tăng cường độ điện trường ngồi  biến dạng khơng hồi phục  phóng điện E=0 E>0 TS Nguyễn Văn Dũng 26/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức E>0 E=0  Lực tác động lên bề mặt điện môi 1 V F1  DE   o r E   o r 2 2 d  Lực đàn hồi vật liệu (định luật Hooke)   F2  Y ln  d  Với: Y-Young’s modulus TS Nguyễn Văn Dũng 26/10/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức F1  F2  Tại trạng thái cân V2     o r  Y ln  d d  2Y  d o  V  d ln   o r  d  2  Vật liệu trở nên không ổn định d  0,6 VBD  Y  d    o r 1/ Điện áp phóng điện     Cường độ điện trường phóng điện EBD  Y VBD   0,6   o r 1/    TS Nguyễn Văn Dũng 26/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức 3 Phóng điện nhiệt (thermal breakdown)  Tổn thất điện môi trường hợp điện áp AC PAC   o "E 2V   o ' tan E 2V Thể tích khối điện mơi  Tổn thất điện môi trường hợp điện áp DC PDC  E 2V Thể tích khối điện mơi  Tổn thất điện môi nguồn sinh nhiệt (PG) để làm nóng điện mơi (PS) tỏa mơi trường xung quanh (Pout) TS Nguyễn Văn Dũng 26/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức  Nếu công suất tiêu tán nhiệt nhỏ tổn hao điện môi  điện môi bị nhiệt (Tmax  Tcritical)  độ bền điện giảm  phóng điện E1 > E2 TS Nguyễn Văn Dũng 26/10/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức  Xét trường hợp điện môi đặt cực Nhiệt tổn hao điện môi PG PS Nhiệt vào To Tmax To Nhiệt đốt nóng điện mơi Nhiệt tản Pout Pin - Ở trạng thái cân nhiệt Pin  PG  PS  Pout TS Nguyễn Văn Dũng 26/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Pin PS Pout dT d  dT   dT   dT   k dV  k  dA  PG dV  CV dA   k dV dx dx  dx   dx   dx  d  dT  dT   PG  (*) k   CV dx  dx  dx Với: Tiêu tán môi trường xung quanh CV: nhiệt dung riêng Làm nóng điện mơi - Ở trạng thái ổn định: k: hệ số dẫn nhiệt dT CV 0 dx d  j  dx TS Nguyễn Văn Dũng 26/10/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức - Điện áp DC, phương trình (*) có nghiệm sau: Tmax U DC 8  To k dT  - Điện áp AC, phương trình (*) có nghiệm sau: U AC   o Tmax  To k dT  ' tan   Lưu ý: o Phóng điện nhiệt xảy giá trị điện áp xác định Ut (không phải cường độ điện trường) sinh Tmax > Tcritical o Ut không phụ thuộc vào chiều dày cách điện phụ thuộc vào To TS Nguyễn Văn Dũng 26/10/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức  Nếu có nguyên lý phóng điện khác xảy cường độ điện trường Ea phóng điện nhiệt xảy điện áp Ut, lúc chiều dày cách điện lớn giá trị d khơng có ý nghĩa Ut d Ea  Điện áp phóng điện nhiệt số vật liệu cách điện Vật liệu Mica DC (MV) 24 AC (MV) 10 Sứ 0,4 - 2,8 Thủy tinh 2-5 Giấy tẩm dầu 0,8 - 3,5 PE 3-5 PVC 0,1 – 0,2 TS Nguyễn Văn Dũng 26/10/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức