Các hệ số chuyển động electron và giới hạn cường độ điện trường trong hỗn hợp khí CF4-N2

Bài viết trình bày các hệ số chuyển động electron và giới hạn cường độ điện trường trong hỗn hợp khí CF4-N2 được tính toán lần đầu tiên sử dụng phương pháp xấp xỉ bậc hai phương trình Boltzmann. Kết quả của nghiên cứu là cơ sở để áp dụng cho các ứng dụng công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực cách điện khí.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) CÁC HỆ SỐ CHUYỂN ĐỘNG ELECTRON VÀ GIỚI HẠN CƯỜNG ĐỘ ĐIỆN TRƯỜNG TRONG HỖN HỢP KHÍ CF4-N2 ELECTRON TRANSPORT COEFFICIENTS AND LIMITING FIELD STRENGTH IN CF4-N2 MIXTURE Phạm Xuân Hiển1, Đỗ Anh Tuấn2 Trường Đại học Giao thông Vận tải, 2Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên Ngày nhận bài: 04/02/2020, Ngày chấp nhận đăng: 14/07/2020, Phản biện: TS Nguyễn Đức Quang Tóm tắt: Các hệ số chuyển động electron giới hạn cường độ điện trường hỗn hợp khí CF4-N2 tính tốn lần sử dụng phương pháp xấp xỉ bậc hai phương trình Boltzmann Kết nghiên cứu sở để áp dụng cho ứng dụng công nghiệp, đặc biệt lĩnh vực cách điện khí Từ khóa: Cách điện khí, hệ số chuyển động electron, giới hạn cường độ điện trường, phương trình Boltzmann Abstract: Electron transport coefficients and limiting field strength in CF 4-N2 mixture were firstly calculated using two-term Boltzmann equation approximation The results of this research are considered to use in industrial applications,especially in gas insulation Keywords: Gas insulation, electron transport coefficients, limiting field strength, Boltzmann equation ĐẶT VẤN ĐỀ Khí SF6 sử dụng rộng rãi lĩnh vực cách điện khí Tuy nhiên khí SF6 chất khí có khả gây nóng tồn cầu cao nên việc tìm chất khí thay ứng dụng cách điện nhận quan tâm từ nhiều nhà khoa học giới Trong chất khí nhận quan tâm chất khí cách điện carbon florua 24 CF3I, CF4, C2F6, C3F8, c-C4F8 [1,2] Zhong cộng [1] nghiên cứu thuộc tính đánh thủng điện mơi hỗn hợp chất khí carbon florua CF3I, C2F6, C3F8, c-C4F8 trộn với CO2, N2 CF4 Những phân tích dựa việc giải phương trình Boltzmann, nhiên thuộc tính đánh thủng điện mơi chất khí CF4 với N2 chưa thực CF4 chất khí khơng màu, khơng Số 23 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) mùi, không dễ cháy bị nén khả bị bay cao [2] Nó hợp chất bền khó bị phân hủy nước nhiệt độ phịng [2] CF4 có khả gây nóng tồn cầu nhỏ SF6 nhiều không phá hủy tầng ozon Thêm vào bền tồn khí thời gian dài, khoảng 50000 năm, lớn nhiều so với SF6 [2] Các hệ số chuyển động electron khả cách điện chất khí CF4 nguyên chất nhận quan tâm từ nhiều nhà nghiên cứu Những nghiên cứu giới hạn cường độ điện trường (E/N)lim CF4 nhỏ tương đối so với khí SF6 [2] Tuy nhiên hiệu ứng phân tán CF4 mạnh so với SF6 Do để cải thiện khả cách điện CF4 trộn thêm với khí có độ âm điện cao Do việc nghiên cứu hệ số chuyển động electron thuộc tích cách điện hỗn hợp chất khí CF4 với chất khí khác cần thiết để đưa đánh giá, lựa chọn sử dụng ứng dụng, đặc biệt ứng dụng cách điện khí nhằm thay phần cho việc sử dụng chất khí SF6 Một chất khí phổ biến sử dụng để trộn với chất khí cách điện N2 Do nghiên cứu này, hệ số chuyển động electron giới hạn cường độ điện trường hỗn hợp CF4-N2 với tỉ lệ trộn khác tính tốn sử dụng phương pháp xấp xỉ phương trình bậc hai Boltzmann Kết nghiên cứu nguồn tài liệu quan trọng việc cân nhắc ứng dụng hỗn hợp CF4-N2 ứng dụng công nghiệp, đặc biệt lĩnh vực cách điện Số 23 TÍNH TỐN HỆ SỐ CHUYỂN ĐỘNG ELECTRON VÀ GIỚI HẠN CƯỜNG ĐỘ ĐIỆN TRƯỜNG TRONG HỖN HỢP KHÍ CF4-N2 2.1 Phương Boltzmann pháp phương trình Trong nghiên cứu này, việc tính tốn hệ số chuyển động electron hỗn hợp khí CF4-N2 dựa việc giải phương trình Boltzmann xấp xỉ bậc hai Phương pháp tính tốn thực nhờ vào phần mềm lập trình sử dụng ngơn ngữ Fortran đưa Tagashira cộng [3] Phương pháp dựa việc mô phương pháp thực nghiệm phương pháp “thời gian bay” (time-of-flight) phương pháp “trạng thái ổn định Townsend” (steady state Townsend) Các hệ số chuyển động electron ngun chất/hỗn hợp khí nhận vận tốc trôi electron Wr, hệ số khuếch tán dọc DL, hệ số ion hóa electron  hệ số đính kèm electron  Xuất phát từ dạng tổng quát phương trình Boltzmann cho chất khí: f  f   v r f  a v f    t  t coll (1) f = f( r , v , t ) hàm phân bố vị trí r thời gian t với vận tốc v electron, a gia tốc gây nên ngoại lực, (∂f/∂t)coll hệ số va chạm gây thay đổi số lượng electron đơn vị thể tích khơng gian pha Mối liên hệ vận tốc trôi electron hàm phân bố electron thể biểu thức (2): 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)  eE  df ( , E / N) d  N q m ( ) d 1/ 1  W   3 m  (2) đó,  lượng electron, m khối lượng electron, e điện tích electron qm(ε) tiết diện va chạm đàn hồi Hệ số khuếch tán dọc electron biểu diễn biểu thức (3):   V1     1  E (F1 )d   F0 d  (3) q  3N  q T  T      A  1A1   02  NDL  đó, V1 tốc độ electron, qT tiết diện tổng electron, Fn  n phân bố lượng electron với bậc khác giá trị riêng V1,  n ,  0n , An tính tốn theo biểu thức: 1/  2e  V1    m (3.1)  0  V1 N   qi F0 d (3.2) 1   V1E    1 (F0  )d  (0 A1  01 ) (3.3) 3N 0 q T   0n  V1 N   qi Fn d (3.4)  A n   Fn d (3.5) Hệ số ion hóa: 1/  /N  2   Wm  f (, E / N) 1/ q i ()d (4) I I ngưỡng lượng ion hóa qi(ε) tiết diện ion hóa Phương pháp áp dụng cho chất khí nguyên chất hỗn hợp hai chất khí với tỉ lệ trộn tùy ý Phương 26 pháp áp dụng chứng minh tính đắn cho chất khí/hỗn hợp khí [4-8] 2.2 Các hệ số chuyển động electron hỗn hợp khí CF4-N2 Trong nghiên cứu giả sử chất khí CF4 N2 nguyên chất 100% tính tốn nhiệt độ 300 K, áp suất Torr Như trình bày trên, hệ số chuyển động electron hỗn hợp khí CF4-N2 có liên quan đến tiết diện va chạm electron chất khí thành phần Do việc lựa chọn tiết diện va chạm electron đáng tin cậy để đưa vào tính tốn quan trọng Do đó, liệu tiết diện va chạm electron lấy từ [9] cho chất khí CF4 từ [10] cho chất khí N2 Tính tin cậy tiết diện va chạm cho phân tử khí chứng minh [9,10] Các hệ số chuyển động electron hỗn hợp khí CF4-N2 với tỉ lệ trộn khác thể hình 1-4 Vận tốc trơi electron hỗn hợp khí CF4-N2 với tỉ lệ trộn khác tham số quan trọng đặc trưng cho độ dẫn điện Các vận tốc trơi electron hàm cường độ điện trường E/N biểu diễn hình Ngoại trừ trường hợp 90%CF4-10%N2 hầu hết giá trị vận tốc trôi electron nhỏ giá trị vận tốc trôi nguyên chất CF4 N2 Hình biểu diễn giá trị hệ số khuếch tán dọc NDL hỗn hợp CF4-N2 với Số 23 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) tỉ lệ trộn khác Tại giá trị E/N cố định, giá trị NDL hỗn hợp CF4-N2 tăng với tăng tỉ lệ CF4 Trong khoảng E/N 20 Td, hầu hết giá trị NDL hỗn hợp CF4-N2 nhỏ giá trị NDL nguyên chất CF4 N2 Hình Hệ số ion hóa hỗn hợp khí CF4-N2 Hình biểu diễn giá trị hệ số ion hóa hỗn hợp khí CF4-N2 Tại giá trị E/N, giá trị hệ số ion hóa  tỉ lệ thuận với tỉ lệ trộn CF4 Hình Hệ số ion hóa theo mật độ đặc trưng hỗn hợp khí CF4-N2 Hình Vận tốc trơi electron hỗn hợp khí CF4-N2 Hình Giá trị giới hạn cường độ điện trường hỗn hợp khí CF4-N2 theo tỉ lệ trộn Hình Hệ số khuếch tán dọc hỗn hợp khí CF4-N2 Số 23 Hệ số ion hóa theo mật độ đặc trưng biểu diễn hình Đồng thời giá trị giới hạn cường độ điện trường (E/N)lim 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) (giá trị E/N hệ số ion hóa với hệ số đính kèm) thay đổi theo tỉ lệ trộn hỗn hợp CF4-N2 biểu diễn hình Ta dễ dàng nhận thấy giá trị E/N)lim hỗn hợp CF4-N2 hầu hết lớn giá trị (E/N)lim CF4 nguyên chất Đặc biệt giá trị (E/N)lim tỉ lệ trộn 50%CF4-50%N2 160Td Giá trị lớn tỉ lệ trộn khảo sát lớn nhiều so với (E/N)lim khí CF4 nguyên chất Từ kết thấy việc sử dụng hỗn hợp khí CF4-N2 hiệu việc sử dụng khí CF4 nguyên chất lĩnh vực cách điện khí KẾT LUẬN Các hệ số chuyển động electron (vận tốc trôi electron, hệ số khuếch tán dọc, hệ số ion hóa) giới hạn cường độ điện trường hỗn hợp khí CF4-N2 tính tốn phân tích sử dụng phương pháp xấp xỉ bậc hai phương trình Boltzmann Kết nghiên cứu cho thấy ưu điểm hỗn hợp khí CF4-N2 so với khí CF4 nguyên chất lĩnh vực cách điện khí TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Zhong L, Wang J, Wang X, Rong M, Comparison of Dielectric Breakdown Properties for Different carbon-fluoride Insulating Gases as SF6 Alternatives, AIP Advances, vol 8, pp 085122, 2018 [2] Xiao D, Gas Discharge and Gas Insulation, Energy and Environment Research in China, 2016 [3] Tagashira H, Sakai Y and Sakamoto S, The Development of Electron Avalanches in Argon at High E/N Values II Boltzmann Equation Analysis, J Phys D, vol.10, 1051, 1977 [4] Tuan D.A and Jeon B.H., Electron Collision Cross Sections for the Tetraethoxysilane Molecule and Electron Transport Coefficients in Tetraethoxysilane-O2 and Tetraethoxysilane-Ar Mixtures, Journal of the Physical Society of Japan, vol 81, no 6, pp 064301-1-8, 2012 [5] Tuoi P.T., Hien P.X and Tuan D.A., Electron Collision Cross Sections for the TRIES Molecule and Electron Transport Coefficients in TRIES-Ar and TRIES-O2 Mixtures, Journal of the Korean Physical Society, vol 73, no 12, pp 1855-1862, 2018 [6] Hien P.X., Jeon B.H., and Tuan D.A., Electron Cross Sections for the BF3 Molecule and Electron Transport Coefficients in BF3-Ar and BF3-SiH4 mixtures, Journal of the Physical Society of Japan, Vol 82, no 3, pp 034301-1–8, 2013 [7] Tuan D.A., Analysis of Insulating Characteristics of Cl2-He Mixture Gases in Gas Discharges, Journal of Electrical Engineering & Technology, vol 10, no 4, pp 1735-1738, 2015 [8] Tuan D.A and Hanh C.D., Analysis of Electron Transport Coefficients in CF3I-N2 Mixture Gas Using an Electron Swarm Study, AETA 2013: Recent Advances in Electrical Engineering and Related SciencesLecture Notes in Electrical Engineering Volume 282, pp 29-38, 2014 [9] Hayashi Y and Nakamura Y, Electron Collision Cross Sections for the CF4 Molecule by Electron Swarm Study, International Conference on Atomic and Molecular Data and Their Applications, edited by Wiese W L and Mohr P J, NIST Special Publication, no 926, pp 248–251, 1998 [10] Nakamura Y, Tokyo Denki Univ., Tokyo, Japan, Private Communication, 2010 28 Số 23 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Giới thiệu tác giả: Tác giả Phạm Xuân Hiển tốt nghiệp đại học Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên năm 2008; nhận Tiến sĩ ngành kỹ thuật điện năm 2016 Trường Dongguk, Hàn Quốc Hiện tác giả giảng viên Khoa Cơ khí, Trường Đại học Giao thông Vận tải Lĩnh vực nghiên cứu: vật liệu điện - điện tử phóng điện cao áp; nâng cao độ xác phép đo đại lượng không điện; nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống tự động hóa Tác giả Đỗ Anh Tuấn tốt nghiệp đại học nhận Thạc sĩ ngành hệ thống điện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội vào năm 2004 2008; nhận Tiến sĩ Kỹ thuật năm 2012 Trường Dongguk, Hàn Quốc; Phó Giáo sư ngành điện năm 2016 Hiện tác giả giảng viên Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên Lĩnh vực nghiên cứu: hệ thống điện, vật liệu điện - điện tử phóng điện cao áp, tiết kiệm lượng Số 23 29 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 30 Số 23 ... cân nhắc ứng dụng hỗn hợp CF4-N2 ứng dụng công nghiệp, đặc biệt lĩnh vực cách điện Số 23 TÍNH TỐN HỆ SỐ CHUYỂN ĐỘNG ELECTRON VÀ GIỚI HẠN CƯỜNG ĐỘ ĐIỆN TRƯỜNG TRONG HỖN HỢP KHÍ CF4-N2 2.1 Phương... hỗn hợp khí CF4-N2 hiệu việc sử dụng khí CF4 nguyên chất lĩnh vực cách điện khí KẾT LUẬN Các hệ số chuyển động electron (vận tốc trôi electron, hệ số khuếch tán dọc, hệ số ion hóa) giới hạn cường. .. trị hệ số ion hóa  tỉ lệ thuận với tỉ lệ trộn CF4 Hình Hệ số ion hóa theo mật độ đặc trưng hỗn hợp khí CF4-N2 Hình Vận tốc trơi electron hỗn hợp khí CF4-N2 Hình Giá trị giới hạn cường độ điện trường