Sự đánh thủng khí là hiện tượng xuất hiện phóng điện 1 phần dưới dạng phóng điện vầng quang tại những chỗ mà ở đó cường độ điện trường đạt đến trị số tới hạn. Hiện tượng vầng quang sẽ chuyển sang phóng điện tia lửa và hồ quang khi điện áp tăng lên.
Xét dạng điện cực điển hình cho trường không đồng nhất là đôi cực mũi nhọn (kim) - cực bản (mặt phẳng):
Sự phân bố điện trường được mô tả như hình 4.4. Do sự tăng cường độ trường ở phía điện cực có bán kính cong bé nên mọi quá trình ion hoá, quá trình phóng điện cũng đều bắt nguồn từ đấy dù điện cực là dương hay âm nhưng sự khác nhau về cực tính lại ảnh hưởng rất lớn đến các giai đoạn phát triển về sau.
*) Khi mũi nhọn có cực tính dương
Mũi nhọn là khu vực có điện trường mạnh nên trước khi xuất hiện vầng quang ở đấy đã có quá trình ion hoá và tạo nên thác điện tử. Các thác này sẽ di chuyển về phía mũi nhọn và khi tới nơi các điện tử của thác sẽ đi vào điện cực để lại các ion dương tạo nên lớp điện tích không gian ở khu vực mũi nhọn, trường của điện tích không gian dương E' sẽ làm biến dạng trường tổng (hình 4.5a) và kết quả là ở bên phải nó trường được tăng cường (E' cùng phương với trường ngoài E) tạo điều kiện cho quá trình lan truyền của điện tích từ vầng quang đi ra điện cực đối diện, ngược lại ở phía bên trái tức là ở khu vực điện cực mũi nhọn trường bị giảm (E' ngược phương với E) do đó hạn chế quá trình ion hoá và gây khó khăn cho sự hình thành vầng quang. Vì thế quá trình đánh thủng trong trường này rất dễ xảy ra khi điện áp tăng lên (hình 4.5b).
Hình 4.5: Quá trình phóng điện
vầng quang khi mũi nhọn có cực
tính dương
Hình 4.6:Quá trình phóng điện
vầng quang khi mũi nhọn có cực
tính âm
*)Khi mũi nhọn có cực tính âm:
Cường độ điện trường ngoài giảm dần từ mũi nhọn đến cực bản - đường (1). Quá trình ion hoá và hình thành các thác điện tử cũng xảy ra ở khu vực điện cực mũi nhọn (cực âm). Các điện tử của thác sẽ di chuyển về phía điện cực dương (cực bản) nhưng khi bay về phía này, điện tử rơi vào khu vực trường yếu dần (phân bố của trường ngoài E theo đường chấm trên hình 4.6a) nên ngoài 1 số bay được tới cực dương và bị hút vào đấy, số còn lại do tốc độ bị giảm dần nên dễ bị hút vào các nguyên tử ôxy, hình thành 1 lớp điện tích không gian âm ở lưng chừng khoảng giữa các điện cực (hình 4.6a).
Điện tích dương của thác sẽ di chuyển về phía mũi nhọn và hình thành 1 lớp điện tích không gian dương ở khu vực này. Chúng không bị hút ngay vào cực âm vì khối lượng của chúng quá lớn nên tốc độ di chuyển bé. Trường của các lớp điện tích không gian (E+- của lớp điện tích không gian dương; E- của lớp điện tích không gian âm) sẽ làm biến dạng trường chung. Do mật độ của lớp điện tích không gian âm bé hơn so với điện tích không gian dương nên tác dụng làm biến dạng trường của nó yếu hơn và do đó cường độ trường tổng ở khu vực mũi nhọn được tăng cường làm cho quá trình ion hoá cũng như phóng điện vầng quang phát triển dễ dàng, cùng lúc hình thành nhiều thác điện tử mới. Thực nghiệm cũng cho thấy: điện áp vầng quang khi mũi nhọn có cực tính dương cao hơn so với khi mũi nhọn có cực tính âm nếu cùng 1 khoảng cách điện cực.
Nhưng ngay sau đó thì điện trường giảm mạnh có tác dụng ngăn cản điện tích lan truyền từ vầng quang sang phía điện cực phẳng. Vì thế, sự đánh thủng là khó khăn hơn so với trường mũi nhọn có cực tính (+) (Trị số điện áp phóng điện có thể cao hơn từ 2 đến 2,5 lần). Khi điện áp tăng lên mức độ nào đó điện trường phân bố ở phía điện cực phẳng cũng sẽ tăng cao và ở đó cũng xuất hiện sự ion hoá tạo nên quá trình phóng điện ngược có tốc độ phát triển rất nhanh (109cm/s) hình thành dòng điện có điện dẫn lớn nối liền 2 điện cực, kết thúc quá trình phóng điện (hình 4.6b).
*. Biện pháp để nâng cao trị số Uđttrong trường không đồng nhất:
Một trong những biện pháp tiêu biểu là sử dụng màn chắn, màn chắn làm bằng vật liệu cách điện mà độ bền điện của nó không quan trọng lắm, nó đặt trong khoảng giữa mũi nhọn và mặt phẳng. Hiệu quả của màn chắn phụ thuộc vào vị trí của màn chắn và cực tính mũi nhọn.
Bài giảng Vật liệu điện 29
4.2.7. Phóng điện ở điện áp xung
Thực tế cách điện còn có thể phải chịu tác dụng của loại điện áp xung kích như quá điện áp khí quyển gây bởi các phóng điện sét lên đường dây trên không hoặc khi sét đánh gần khu vực đường dây. Phóng điện xung kích có thể tác động trực tiếp đến cách điện của thiết bị hoặc có thể lan truyền trên đường dây đến cách điện của trạm. Cường độ và biên độ của sét khá lớn có thể gây ra sự phóng điện giữa các đường dây, giữa đường dây với đất và trên cách điện đầu vào của thiết bị. Có thể làm ngắn mạch hệ thống hoặc hư hại đến cách điện bên trong của thiết bị.
Đặc điểm của dạng sóng này là có biên độ lớn, độ rốc sườn trước rất rốc, thời gian tồn tại nhanh.
Để thử điện áp phóng điện xung kích cho cách điện người ta dùng 1 thiết bị phát điện áp xung kích dạng sóng của máy phát tạo ra được tiêu chuẩn trên toàn thế giới: độ dài đầu sóng 1,2/s 30 % và độ dài sóng 50/s 20 % (ký hiệu sóng = 1,2/50), hình 4.8
4.3. SỰ ĐÁNH THỦNG ĐIỆN MÔI LỎNG
Điện môi lỏng ở điều kiện bình thường có độ bền điện cao hơn chất khí rất nhiều. Sự tồn tại tạp chất (nước, khí, bụi bẩn, các hạt cơ học rất nhỏ...) làm cho hiện tượng đánh thủng chất lỏng rất phức tạp và việc xây dựng lý thuyết chính xác về sự đánh thủng chất lỏng rất khó khăn. Sau mỗi lần phóng điện sẽ sinh ra các tạp chất là muội khói do chất lỏng bị đốt cháy.
*.Lý thuyết nhiệt: (áp dụng với các điện môi lỏng kỹ thuật) gắn sự đánh thủng điện môi lỏng với sự quá nhiệt cục bộ và sự sôi cục bộ trong chất lỏng và sự nổi bọt ở những chỗ có lượng tạp chất nhiều nhất dẫn đến việc tạo thành 1 cầu bằng khí giữa các điện cực.
*. Lý thuyết ion hóa: Đối với chất lỏng đã lọc sạch tạp chất ta áp dụng lý thuyết đánh thủng ion hoá như đối với chất khí. Do mật độ phân tử chất lỏng cao hơn nên độ bền của chất lỏng cao hơn chất khí vì trong chất lỏng chiều dài đoạn đường tự do của điện tử giảm đi nhiều.
*.Lý thuyết đánh thủng điện thuần tuý:(điện môi lỏng tinh khiết) gắn hiện tượng đánh thủng với sự bứt các điện tử ra khỏi điện cực kim loại hoặc với sự phân huỷ bản thân phân tử của chất lỏng dưới tác dụng của điện trường mạnh.
* Các yếu tố ảnh hưởng đến sự đánh thủng điện môi lỏng:
+ Tạp chất: Khi nồng độ tạp chất tăng lên, độ bền điện của điện môi lỏng giảm đi rõ rệt.
+ Khi nhiệt độ làm việc < 800C thì độ bền điện ít phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng cao độ bền điện giảm xuống, đặc biệt đối với điện môi chứa nhiều tạp chất.
+ áp suất: điện môi lỏng bình thường không phụ thuộc áp suất, nếu có chứa bọt khí thì cường độ cách điện sẽ tăng khi áp suất tăng.
+ Thời gian tác động của điện áp tăng thì độ bền điện sẽ giảm. Chất lỏng chứa nhiều tạp chất thì càng suy giảm mạnh.
4.4. SỰ ĐÁNH THỦNG ĐIỆN MÔI RẮN
Khi nghiên cứu về phóng điện điện môi rắn ta thấy có 2 khả năng xảy ra là phóng điện đánh thủng hay còn gọi là phóng điện xuyên qua điện môi rắn và phóng điện bề mặt điện môi rắn.
4.4.1. Phóng điện đánh thủng điện môi rắn.
Điện môi rắn khi bị đánh thủng sẽ mất hoàn toàn tính cách điện, không khôi phục được. Người ta phân biệt thành bốn dạng phóng điện sau.