Bài giảng học phần Kỹ thuật cao áp: Chương 5 - TS. Nguyễn Văn Dũng

(BQ) Bài giảng môn học Kỹ thuật cao áp - Chương 5: Phóng điện trong chân không cung cấp cho người học các kiến thức: Giới thiệu, Phân loại chân không, đặc tính phóng điện trong chân không, nguyên lý phóng điện trong chân không. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

CHƯƠNG V: PHĨNG ĐIỆN TRONG CHÂN KHƠNG Giới thiệu Phân loại chân khơng Đặc tính phóng điện chân khơng Ngun lý phóng điện chân khơng TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức 1 Giới thiệu  Theo lý thuyết Townsend/streamer, phóng điện xảy tồn chất khí hai cực chất khí bị ion hóa  Chân khơng khơng tồn chất khí  khơng dẫn điện khơng bị phóng điện  chất cách điện lý tưởng  Thực tế, diện điện cực kim loại nguồn gốc gây phóng điện chân khơng điện áp cao  Chân không sử dụng làm cách điện cho máy cắt, rơle, khởi động từ…  Máy cắt chân không cấp trung dần thay máy cắt dầu, máy cắt SF6 loại máy cắt khác TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Máy cắt chân không chiếm ưu cấp trung TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức Kết cấu máy cắt chân không (7,2-36 kV)-Siemens Chân không TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức 2 Phân loại chân khơng  Chân không cao: 10-3-10-6 Torr  Chân không siêu cao: 10-6-10-8 Torr  Chân không cực cao: < 10-9 Torr torr = mmHg = 1mbar Cách điện chân khơng có áp suất 10-3-10-6 Torr TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức 3 Đặc tính phóng điện chân không     Phụ thuộc vào trạng thái bề mặt điện cực kim loại Phụ thuộc vào kim loại làm điện cực Phụ thuộc vào độ tinh khiết kim loại vào điện cực Phụ thuộc vào độ chân không áp suất nhỏ bar, điện áp phóng điện khơng phụ thuộc vào độ chân không  Áp suất khoảng bar, quảng đường tự trung bình hai lần va chạm  = 50 mm  khơng tồn phóng điện thác dòng điện tử TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức a Sự phát xạ điện tử từ cực âm – Schottky effect Điện trường cao  Trong môi trường chân không, điện tử phát xạ từ cực âm điện trường tác dụng đủ lớn  Bán kính mũi nhọn (cực âm) khoảng vài nm  Phát xạ điện tử xảy nhiệt độ phịng TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức  Giản đồ lượng mặt tiếp xúc kim loại -chân không f EF Chân không Ec Kim loại EF: mức lượng Fermi EC: lượng vùng dẫn f: cơng kim loại  Để tách điện tử từ kim loại, cần phải cung cấp cho điện tử lượng lớn giá trị EF +f (nhiệt năng lượng điện trường)  Khi lượng cung cấp cho điện tử từ điện trường  hiệu ứng Schottky TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức  Thế điện tử vị trí cách bề mặt kim loại đoạn x PE ( x)  EF  f   q2 16 o x  Thế điện tử tác động điện trường  Tổng điện tử PEt ( x)  EF  f   q2 16 o x  qEx PEa ( x)  qEx Dưới tác động điện trường giảm lượng f = (f - feff) EF TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức  Mật độ dòng điện hiệu ứng Schottky   1/    f   E s J  BeT exp   kT   s: hệ số Schottky Be: số phát xạ TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức  Ví dụ: Ống chân không chứa điện cực cách mm Điện áp đặt lên hệ thống điện cực kV Cơng kim loại cực âm 2,6 eV Tính dịng điện theo lý thuyết? Với thông số sau: s = 3,7910-5 (eV/(V/m)1/2) Diện tích bề mặt điện cực: A = 2,5 10-4 m2 Be= 104 Am-2K-2 (điện cực Tungsten phủ Thorium) T = 300 K Bài giải Điện trường cực âm 4.103 E  3  4.10 6V / m 10 TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức   1/    f   E s J  BeT exp   kT   19 5 19   ,  , 10  , 79  10  , 10   10  10  300 exp   23 , 38  10  300   1,12 10 34 A / m   I  JA  1,12.10 24  2,5.10 4  2,3.10 28 A TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức   b Sự phát xạ điện tử từ cực âm - Tunnelling effect  Khi điện trường lớn 109 V/m  rào cản giảm thấp bề rộng rào cản hẹp  điện tử có hội “chui” ngang rào cản  Mật độ dòng điện  Ec  J  qnvx exp    E 22m f   1/ Ec e eff f qh n: mật độ điện tử vx: vận tốc điện tử TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Không phép chép hay công bố rộng rãi hình thức 4 Nguyên lý phóng điện chân khơng  Theo lý thuyết Townsend, phóng điện chất khí hình thành thác điện tử  Chân không không tồn chất khí, phóng điện chân khơng khơng hoàn toàn tuân theo lý thuyết Townsend  Các nguyên lý phóng điện chân khơng - Ngun lý trao đổi hạt - Lý thuyết phát xạ điện tử - Lý thuyết đám TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức * Nguyên lý trao đổi hạt  Bề mặt điện cực nhẵn, trơn  Điện trường cao (>107108 V/m)  01 điện tử bị tách khỏi cực âm (do hiệu ứng schottky hay tunnelling) - gia tốc phía cực dương - va đập vào cực dương - giải phóng A ion dương C photon Điều kiện xảy phóng điện AB  CD   Mỗi ion dương va đập vào cực âm giải phóng B điện tử  Mỗi photon hấp thụ cực âm sinh D điện tử TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức * Lý thuyết phát xạ điện tử - Nguyên lý cực dương nóng  Bề mặt điện cực khơng nhẵn chứa nhấp nhô  Điện trường cao (107-108 V/m)  Các điện tử dễ dàng bị tách khỏi nhấp nhô bề mặt cực âm - gia tốc phía cực dương - va đập vào cực dương - đốt nóng cực dương giải phóng chất khí kim loại  Ion hóa va chạm xảy  Phóng điện xảy theo lý thuyết Townsend TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức - Nguyên lý cực âm nóng  Bề mặt điện cực không nhẵn chứa nhấp nhô  Điện trường cao (107-108 V/m)  Các điện tử dễ dàng bị tách khỏi nhấp nhô bề mặt cực âm  Xuất dòng điện  Mật độ dòng điện lớn tiết diện đỉnh nhấp nhô nhỏ  Đun chảy đỉnh nhấp nhơ giải phóng chất khí kim loại  Ion hóa va chạm xảy  Phóng điện xảy theo lý thuyết Townsend TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức * Lý thuyết đám  Tồn “cục” tạp chất bề mặt điện cực  Dưới tác động điện áp, cục tạp chất trở nên nhiễm điện tách khỏi cực âm lực hút tĩnh điện  Các cục tạp chất gia tốc va chạm vào cực dương  tạo chất khí kim loại  Phóng điện xảy theo lý thuyết Townsend TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức  Điện áp phóng điện: V  Cd C: hệ số phụ thuộc vào khoảng cách điện cực, tình trạng bề điện cực vật liệu làm điện cực (V2/cm) d: khoảng cách điện cực (cm) TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay công bố rộng rãi hình thức 5 Điện áp phóng điện phụ thuộc vào áp suất TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức  Chân khơng có độ bền điện lớn chất cách điện khác TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức  ... không cao: 1 0-3 -1 0-6 Torr  Chân không siêu cao: 1 0-6 -1 0-8 Torr  Chân không cực cao: < 1 0-9 Torr torr = mmHg = 1mbar Cách điện chân khơng có áp suất 1 0-3 -1 0-6 Torr TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/20 15 Tài... trung TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/20 15 Tài liệu có quyền Khơng phép chép hay cơng bố rộng rãi hình thức Kết cấu máy cắt chân không (7, 2-3 6 kV)-Siemens Chân khơng TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/20 15 Tài liệu... 3,7910 -5 (eV/(V/m)1/2) Diện tích bề mặt điện cực: A = 2 ,5 1 0-4 m2 Be= 104 Am-2K-2 (điện cực Tungsten phủ Thorium) T = 300 K Bài giải Điện trường cực âm 4.103 E  3  4.10 6V / m 10 TS Nguyễn Văn