Mäùi thaïc âiãûn tæí âãöu âoìi hoíi phaíi coï 1 âiãûn tæí taïc duûng ban âáöu, âiãûn tæí taïc duûng ban âáöu thãú hãû sau phaíi âæåüc saín sinh ra ngay trong näüi bäü khe håí khê dæûa v[r]
(1)CHỈÅNG
PHĨNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MƠI I.Khái niệm chung
Ơí chương trước, có điện áp tác dụng vào-> phân cực ,dịng điện gây tổn thất điện mơi.-> chưa đề cập đến tác dụng U đến tính chất dẫn điện điện mơi
Bất kì điện môi ta tăng dần điện áp đặt điện mơi, đến lúc xuất dịng điện có giá trị lớn chạy qua điện mơi từ điện cực sang điện cực khác.Điện môi tính chất cách điện ->đánh thủng điện mơi
1.1 Định nghĩa phóng điện điện mơi:
Là tượng điện mơi bị tính chất cách điện điện áp đặt vào vượt ngưỡng cho phép Hiện tượng gọi tượng đánh thủng điện môi tượng phá huỷ điện mơi
Khi điện mơi phóng điện, điện áp giảm vàtại vị trí điện mơi bị chọc thủng ta quan sát thấy tia lửa điện hay hồ quang, gây nóng chảy,làm nức điện môi hay điện cực
Sau điện môi bị phá huỷ tuỳ điện mơi, ta đưa điện mơi khỏi điện trường tuỳ loại điện mơi có đặt điểm khác
Rắn: quan sát vết chọc thủng tiếp tục cung cấp U, bị đánh thủng vị trí cũ U thấp hơn.=>cần sửa chữa nghiêm túc
Lỏng khí:nguoc lại với chất rắn
Trí số điện áp mà điện mơi bắt đầu xảy đánh thủng gọi điện áp đánh thủng điện môi Uđt [kV] Udt phụ thuộc phi tuyến vào bề dày điện môi
Uđt phụ thuộc vào ( độ dày,bản chất điện môi) => sở để đưa tham số
vật liệu cách điện xác định Eđt 1.2 Độ bền điện điện môi:
Cường độ điện trường tương ứng với điện áp đánh thủng vị trí thời điểm đánh thủng gọi cường độ điện trường đánh thủng độ bền điện điện mơi, kí hiệu Ebd Ebd xác định tỷ số điện áp thời điểm đánh
thủng Udt [kV] bề dày điện mơi vị trí đánh thủng h[m]
Ebd=
h dt U
[kV/m] (5.1) mang tính chất trung bình
(2)Eđt phụ thuộc vào yếu tố:
* Nhiệt độ độ ẩm, tầng số thời gian đặt U * Ebd phụ thuộc phi tuyến theo bề dày điện môi
* Ebd phụ thuộc vào chất vật liệu làm điện môi
Sau Ebd cua số điện môi:
Tên vật liệu Eđt(MV/m)
Mica 100 - 300
Cao su 30 - 50
Dầu biến áp 15 - 25
Không khí điều kiện thường áp suất nhiệt độ
2 -
Nhận xét:
Khi điện mơi rắn đặt điện cực tình trạng phóng điện bề mặt diễn trước Với điện mơi rắn xốp có chưa nhiều bọt khí> so với không chứa lỗ xốp Nếu điện môi xốp tẩm điện môi lỏng rắn cải thiện nhiều
Ví dụ: cáp giấy khơng tẩm Ect=3-5MV/m tẩmbằng dầu nhựa thông Ect=40-80MV/m
=> để điện môi làm việc với độ tin cậy cao điện áp làm việc Up<Uct k=Up/Uct
được gọi hệ số trữ độ bền cách điện II Phóng điện điện mơi khí :
2.1 Hiện tượng Ion hố kích thích nguyên tử chất khí: Theo mẫu nguyên tử bor:
-Nguyên tử thành phần nhỏ cấu tạo nên vật chất, nguyên tử gồm có thành phần: hạt nhân lớp vỏ điện tử
-Mõi điện tử cđ quĩ đạo định, có lượng định W=
r q
2
-Ở trạng thái bình thường ngun tử khơng thu phát lượng
-Khi điện tử nhận lượng W đưa điện tử chuyển động quĩ đạo xa hạt nhân
-Khi điện tử chuyển từ quĩ đạo xa hạt nhân quĩ đạo gần hạt nhân phát năng lượng độ chênh lệch mức lượng
(3)Điện tử tách khỏi lực hút hạt nhân gọi điện tử tự
Phần cịn lại ngun tử cân điện tích gọi ion dương Vẽ hình minh hoạ
Các hạt mang điện tạo q trình ion hố chất khí, tiếp tục khuyếch tán moi trường khí tác dụng điện trường, q trình khuếch tán hạt mang điện tích trái dấu gặp xảy trình tái hợp, lượng trả lại dạng ton ánh sáng.Năng lượng phôton hf=dW Cả hai tượng làm cho mật độ hạt mang điện bị giảm
Muốn thực q trình ion hố chất khí , yêu cầu lượng cung cấp vào phân tử trung hồ phải lớn lơn lượng ion hố W>Wi (5.2)
Wi lượng ion hoá, lượng cần thiết để thắng lực hút hạt nhân Trong lý thuyết phóng điện ta thường gặp dạng ion hoá điện sau dây:
2.1.1.1 Ion hoá va chạm: tượng va chạm hạt mang điện phân tử trung hồ, động chúng trao đổi cho nhau, gây nên tượng ion hoá 2.1.1.2 Ion hoá quang: Năng lượng cung cấp lượng ton ánh sáng W=h.f
2.1.1.3 Ion hoá nhiệt: Năng lượng cung cấp để gây ion hoá lượng nhiệt W=
2 3KT
2.1.1.4 Ion hoá cấp: Năng lượng cung cấp lượng tổng hợp nhiều lần va chạm kết hợp dạng ion hoá
2.1.1.5 Ion hoá bề mặt : phụ thuộc vào cơng kim loại làm điện cực búc xạ nhiệt
xạ quang
2.1.2 Hiện tượng kích thích
Là tượng điện tử chuyển sang quĩ đạo xa hạt nhân nằm phạm vi kiểm sót hạt nhân.Khi nguyên tử nhận lượng bên ngồi
Điều kiện gây nên tượng kích thiïch: W<Wi
W
(4)Đặc điểm phân tử trạng thái kích thích: phân tử khí trung tính chuyển trạng thái kích thích, sau thời gian ngắn trở lại trạng thái bình thường lượng lúc đầu trả lại dạng ton ánh sáng
W’-Wo =hf
2.2 Diễn biến q trình phóng điện chất khí:
2.2.1 Định nghĩa phóng điện điện mơi khí: Phóng điện hình thành dịng điện liên tục điện cực Như môi trường khí trước khia cách điện biến thành dẫn điện( mơi trường plasma)
Vậy phóng điện chất khí q trình hình thành dịng plasma 2.2.2 Một số giả thuyết ban đầu:
Ban đầu, bên khe hở điện cực tồn điện tử tự (giải thích tồn điện tử tự do)
Không xét đến tượng ion hố nhiệt, quang Khơng xét đến tượng ion hố cấp 2.2.3 Giải thích q trình phóng điện: 2.2.3 Số lần va chạm:
Xét điện tử có bán kính ro chuyển mơi trường khí có bán kính phân tử r
và mật độ phân tử N
Để có tượng va chạm xảy khoảng cách tâm ( phân tử khí điện tử)
A<= (r+ro)
Cho điện tử chuyển mơi trường 1cm số lần va chạm
S=π.(r+ro)2.1.N (5.3)
Như trung bình điện tử dịch chuyển đoạn đường
tb
λ =
N r r
S ( o)
1
2
+ =
π cm có lần va chạm xảy Tức λtb khoảng cách
trung bình lần va chạm liên tiếp Với điện tử, ro<<r nên λetb=
N r) (
1
2
π (5.4)
với ion ro≈ r nên λiontb=
N r) (
1
2
π (5.5)
=>λetb=4.λiontb
Công thức (5.3) -> (5.5) cho ta khái niệm cách tính trị số đoạn đường tự trung bình Đoạn đường thực tế bé lớn đoạn đường tự trung bình phân bố theo qui luật định
r r
o
(5)2.2.3.2 Qui luật phân bố đoạn đường tự do:
Để khảo sát qui luật ta xét khe hở, xây dựng hệ trục toạ độ hình vẽ giả thuyết x=0, có nophân tử chuyển động cực đối
diện
tại vị trí x cịn n phân tử chưa va chạm x+dx n-dn phân tử
Như vậy: dn số hao hụt va chạm quãng đường dx số lần va chạm đoạn đường
dn = -n
λ
1
.dx
n = λ
x oe n −
Tuy nhiên không phải va chạm xảy tượng ion hố mà S lần va chạm trung bình có α lần đủ điều kiện để gây nên tượng ion hoá Hệ số α hệ số ion hố
2.2.3.3 Hệ số ion hóa va chạm
Hệ số ion hóa va chạm số lần va chạ mà gây ion hóa điện tử đơn vị chiều dài môi trường khí
Như điện tử di chuyển 1cm α=S.P( x x r N
tb i
i tb
i r Ne
e
x ) /λ π .π.2
λ
λ > = − = −
xi=Wi/Eq, N=P/K.T
=> α =A.P BP Eq e− /
Như α=f(P,E)
α
αmax
2.2.3.4 Qui luật tăng số điện tích cực:
Giả thuyết ban đầu phía âm cực có tồn điện tử tự Dưới tác dụng điện trường, điện tử tự dịch chuyển phía cực dương Trong q trình
chuyển gây ion hố va chạm với phân tử khí trung hồ với hệ số ion hoá va chạm α.Các điện tử sinh lại tiêïp tục dịch chuyển, gây nên
x x x+dx
AP
E
α
(6)tượng ion hoá va chạm, số điện tử sinh cực ngày nhiều
Giả sử toạ độ x có n điện tử , toạ độ x+dx có n+dn điện tử Như số điện tử sinh quãng đường dx :
dn=n.α dx => n.α
dx dn
= => n= x eα
α =f(P,E) Nếu P,E hắng số αcũng số
Ö n = ∫
x
dx e0
α
như qui luật tăng điện tích qui luật hàm số mũ Song song với trình phát sinh điện tử sinh ion dương khối lượng chúng tập hợp lại tạo thành thác điện tử
Các điện tử có khối lượng nhẹ nên chuyển với tốc độ lớn đồng thời dễ khuếch tán nên tập trung phía đầu thác chím khoảng khơng gian rộng lớn,trong ion dương có khối lượng lớn nên chuyển động với tốc độ chậm electron nên tập trung vùng đuôi thác Sự tồn thác điện tử làm biến dạng cường độ điện trường
Ở đầu thác, E tăng cường nên gây nên tượng ion hố Ngay phía sau đầu thác trường giảm đột ngột có tượng tái hợp,năng lượng trả lại dạng ton Như đầu thác đuôi thác nơi sản sinh ton.Các photon có khả gây ion hố phân tử khí giải thoát điện tử từ bề mặt điện cực
x x x+dx
e
e
+
+
e +
(7)
2.2.3.5 Q trình hình thành mơi trường Plasma
Dưới tác dụng điện trường thác kéo dài nối liền khoảng cách điện cực, lúc thác bị triệt tiêu điện tích bị trung hồ điện cực Q trình chưa thể gọi phóng điện chưa thể hình thành dịng điện liên tục điện cực.Muốn có tượng phóng điện xảy cần phải đảm bảo:
Có nhiều thác điện tử khe hở
Thác hệ sau phải sản sinh sau thác hệ trước triệt tiêu
Mỗi thác điện tử địi hỏi phải có điện tử tác dụng ban đầu, điện tử tác dụng ban đầu hệ sau phải sản sinh nội khe hở khí dựa vào tượng ion hoá quang áp suất cao dựa vào ion hoá bề mặt áp suất thấp 2.3 Đặc tính V-A chất khí:
Khi đặt điện áp chiều lên khe hở,và cho điện áp tăng dần từ thấop đến cao xây dựng đặc tính V-A
Giai đoạn ab: Các điện tử tự có sãn khe hở khí dịch chuyển tác dụng điện trường điện cực đối diện Khi điện áp tăng tốc độ dịch chuyển tăng lêndo có khả kết hợp với , nên hầu hết điện tích đến điện cực nên dịng tăng lên quan hệ dòng áp lúc
Uvq
U I
Uo
a
b
c d
E
x
- - - - -
- - - + + +
+ + + +