Kỹ thuật cao áp (Chuong IV phong dien trong chat khi)

CHƯƠNG IV: SỰ PHÓNG
ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ
1. Giới thiệu
2. Phóng điện trong điện trường đều
3. Quá trình ion hóa
4. Ion hóa quang
5. Ion hóa nhiệt
6. Ion hóa do va chạm
7. Lý thuyết phóng điện thác điện tử (Nguyên lý PĐ Townsend)
8. Phóng điện trong khí điện âm
9. Định luật Paschen
10. Lý thuyết phóng điện dòng điện tử (streamer)
11. Phóng điện trong khe hở không khí
12. Phóng điện trong điện trường không đều
13. Ảnh hưởng của điều kiện khí quyển
14. Cách điện khí nén ở áp suất cao
1. Giới thiệu

Không khí là chất khí cách điện phổ biến nhất (ví dụ: cách điện
đường dây truyền tải và phân phối trên không)

Để sử dụng tốt không khí làm chất cách điện yêu cầu:
o
Hiểu biết về đặc tính điện
o
Các quá trình dẫn đến phóng điện vầng quang và đánh thủng
o
Ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài đến các quá trình phóng
điện

Trong các hệ thống kín, không khí và một số chất khí khác được

sử dụng ở áp suất cao: SF
6
, H
2
, CO
2
, N
2

Chất cách điện khí có khả năng tự phục hồi sau khi bị phóng điện

Độ bền điện thấp hơn chất lỏng và rắn.
2. Phóng điện trong điện trường đều

Khi phóng điện xảy ra: chất khí chuyển từ chất cách điện sang
chất dẫn điện trên kênh phóng điện

Thời gian phóng điện dao động trong khoảng ns → µs

Dẫn điện trong chất khí là do sự chuyển động của các điện tích
(điện tử và ion) dưới tác động của điện trường

Sự phóng điện phụ thuộc rất lớn vào loại chất khí, áp suất và nhiệt
độ nhưng phụ thuộc rất ít vào vật liệu làm điện cực ⇒ điện tích
chuyển động được tạo ra từ môi trường khí
3. Quá trình ion hóa

Là quá trình biến phân tử hay nguyên tử khí trung tính thành ion

Các quá trình ion hóa:

o
Ion hóa do va chạm (quan trọng nhất đối với sự phóng điện
của chất khí)
o
Ion hóa quang
o
Ion hóa nhiệt
4. Ion hóa quang (photo-ionization)

Dưới tác động của bức xạ, nguyên tử hay phân tử khí trung tính sẽ
hấp thu Photon của bức xạ

Năng lượng của Photon:
).(10.626,6
34
sJh
hfW
−
=
=

Phương trình kích thích
*
AAhf
i
Vhf
 →+
<

Phương trình ion hóa

−+
≥
+ →+ eAAhf
i
Vhf
Hằng số Planck
Tần số của bức xạ
Năng lượng ion hóa
Nguyên tử ở trạng
thái kích thích
Với:
i
i
V
hc
V
hcc
f ≤⇔≥⇒=
λ
λλ

Ví dụ: một chất khí có năng lượng ion hóa khoảng 10 eV,
tính bước sóng của bức xạ có thể gây ra ion hóa chất khí
( )
)(2,124
10.242,1
)(10.6,110
)/(10.3).(10.626,6
7
19

834
lightUVnm
m
J
smsJ
=
=
×
×
≤
−
−
−
λ
5. Ion nhiệt

Động năng trung bình của chuyển động nhiệt của phân tử/nguyên
tử khí
kTW
k
2
3
=

Khi W
k
≥ V
i
: gây ion hóa chất khí do va chạm giữa các phân
tử/nguyên tử khí chuyển động nhiệt


Tại nhiệt độ phòng, W
k
nhỏ ⇒ không gây ra ion hóa do va chạm

Ví dụ: tính W
k
tại nhiệt độ phòng (300K)
Hằng số Boltzmann (1,38.10
-23
J/K =
8,617.10
-5
eV.K
-1
)
eVeV
KKeVkTW
k
10039,0
)(300).(10.617,8
2
3
2
3
15
<<=
××==
−−
6. Ion do va chạm


Định nghĩa: Quá trình ion hóa do va chạm giữa điện tử tự do và
nguyên tử hay phân tử trung tính

Phương trình kích thích:

Phương trình ion hóa:
*
AeAe
i
V
+ →+
−
<
−
ε
Năng lượng ion hóa
ε: năng lượng thu nhận của điện tử giữa hai lần va chạm
−+−
≥
−
++→+ eAeAe
i
V
ε
6.1 Chuyển hóa năng lượng

Hệ thống 02 hạt (phần tử) có khối lượng m
1
và m

2
m
1
V
1
m
2
, V
2
+) trước khi va chạm
V
1
> 0; V
2
= 0
+) sau khi va chạm
V
1
→V’
1
; V
2
→ V’
2
m
1
V’
1
m
2

, V’
2

Sự va chạm giữa 02 hạt (phần tử) có thể là:
- Va chạm đàn hồi: tổng động năng của các hạt trước khi va
chạm vẫn được duy trì dưới dạng động năng sau khi va
chạm
- Va chạm không đàn hồi: một phần của tổng động năng trước
khi va chạm chuyển hóa thành một dạng năng lượng khác
a) Va chạm đàn hồi

Phương trình động lượng
( )
1
'
22
'
112211
VmVmVmVm +=+

Phương trình năng lượng
( )
2
2
1
2
1
2
1
2

1
2'
22
2'
11
2
2
2
11
2
VmVmVmVm +=+

Phần tử 1:
2'
11
'
1
1
21
21
'
1
2
1
VmW
V
mm
mm
V
=

+
−
=

Phần tử 2:
2'
22
'
2
1
21
1
'
2
2
1
2
VmW
V
mm
m
V
=
+
=
* TH1: m
1
≈ m
2
1

'
21
'
2
'
1
'
1
;
0;0
WWVV
WV
==
==
Va chạm giữa ion và
phân tử/nguyên tử ⇒
chuyển toàn bộ động
năng sau va chạm
* TH2: m
1
<< m
2
0;0
2
;
'
21
2
1
'

2
1
'
111
2
2
'
1
≈≈=
=−=
−
=
WV
m
m
V
WWVV
m
m
V
Va chạm giữa điện tử và
phân tử/nguyên tử ⇒
tích lũy động năng
b) Va chạm không đàn
hồi

Phương trình động lượng
( )
*
'

22
'
112211
VmVmVmVm +=+

Phương trình năng lượng
( )
**
2
1
2
1
2
1
2
1
2'
22
2'
11
2
2
2
11
2
i
WVmVmVmVm ++=+
W
i
: năng lượng chuyển đổi có thể ở dạng nhiệt hoặc năng lượng dùng để ion

hóa








−−=
2'
2
1
2
2'
1
2
11
2
1
V
m
m
VVmW
i

Từ (*)
( )
0
2

2
'
1111
'
2
≈
−
= V
m
VmVm
V

Thế vào (**)
( )








−−−=
2
'
11
2
1
2'
1

2
11
2
1
VV
m
m
VVmW
i

Xác định (W
i
)
max
=?
0
'
1
=
dV
dW
i
( )
022020
'
11
2
1
'
1

=+−−−⇒ VV
m
m
V
( )
21
2
2
11
max
'
1
21
11
'
2
21
11
'
1
'
11
2
1
'
1
2
1
;
222

mm
m
VmW
V
mm
Vm
V
mm
Vm
V
VV
m
m
V
i
+
=⇒
=
+
=
+
=⇔
−=⇔
Sau khi va chạm,
hai phần tử di
chuyển cùng vận
tốc
* TH1: m
1
≈ m

2
2
11
max
4
1
VmW
i
=
* TH2: m
1
<< m
2
2
11
max
2
1
VmW
i
=
-
Các ion chỉ có thể
truyền ½ động năng
của nó cho phân
tử/nguyên tử sau va
chạm
-
Các điện tử có thể
truyền toàn bộ động

năng

Nhận xét: chuyển động trong điện trường, điện tử tích lũy động
năng → khi va chạm không đàn hồi, điện tử truyền toàn bộ động
năng cho các phần tử trung hòa → tăng xác suất gây ion hóa →
tăng số lượng điện tử tự do
11. Phóng điện trong khe hở không khí

Trong các thiết bị cao áp, tồn tại nhiều hình dáng khe hở không
khí khác nhau → nhiều loại điện trường khác nhau → không thể
thiết kế cách điện theo từng hình dạng cụ thể (tốn thời gian và chi
phí)

Chọn 3 hệ thống điện cực tiêu biểu đại diện cho tất cả các loại
hình dạng khe hở không khí
o
Cầu - cầu (bảng phẳng - bảng phẳng) (điện trường gần đều)
o
Thanh - bảng phẳng (mũi nhọn - bảng phẳng) (điện trường
không đều)
o
Thanh - thanh (điện trường không đều)
a. Các hệ thống điện cực tiêu biểu
b. Hệ thống điện cực cầu-cầu
D
D
d

Tạo điện trường gần đều khi d ≤ D/2


Điện áp phóng điện đánh thủng không phụ
thuộc vào cực tính của điện cực U
BD
(+) = U
BD

(-)

U
BD
ít phụ thuộc vào độ ẩm không khí

Thời gian phóng điện nhỏ (< 1µs)

U
BD
ít phụ thuộc vào dạng sóng của điện áp
tác dụng (AC, DC, xung)

Đặc tính điện áp-thời gian
U
t
U
W
U
W
: điện áp chịu đựng
U > U
W
: phóng điện

U ≤ U
W
: không phóng điện

Đồ thị điện áp phóng điện-khoảng cách điện cực
d
U
D lớn
D nhỏ
o
D lớn: điện trường đều
- U
BD
tăng tuyến tính
với d (U
BD
= A.d)
o
D nhỏ: điện trường
không đều - U
BD
tăng
không tuyến tính với d
(U
BD
= A.d
n
với n<1)
(do xuất hiện phóng
điện vầng quang)


Khe hở cầu có thể được sử dụng làm dụng cụ đo điện áp phóng
điện của không khí
c. Hệ thống điện cực thanh-bảng và thanh-thanh

Điện trường không đều

Điện áp phóng điện đánh thủng phụ thuộc vào
cực tính của điện cực U
BD
(+) < U
BD
(-) (do sự
xuất hiện của điện tích không gian)

U
BD
phụ thuộc vào độ ẩm không khí

Thời gian phóng điện lớn

U
BD
phụ thuộc vào dạng sóng của điện áp tác
dụng (AC, DC, xung)
d. Phóng điện ở điện áp xung
* Khái niệm chung

Do sét đánh gây nên với
biên độ rất lớn và thời

gian tồn tại ngắn

Trong đó:
o
T
1
: thời gian đầu sóng
o
T
2
: độ dài sóng
o
Ký hiệu xung sét đánh
chuẩn: T
1
/T
2
: 1,2/50µs
U
T
1
T
2

Phóng điện theo lý thuyết thác hay dòng điện tử đều cần sự
xuất hiện của 1 số điện tử đầu tiên

Ở điện áp AC và DC: thời gian tác dụng của điện áp đủ dài để
hình thành các điện tử đầu tiên → phóng điện xảy ra tức thời
ngay khi điện áp tác dụng đạt đến giá trị điện áp phóng điện

theo lý thuyết

Đối với điện áp xung (1,2/50 µs): thời gian để điện áp tăng từ 0
đến giá trị điện áp đủ gây phóng điện rất nhỏ (1,2 µs) → không
đủ thời gian để hình thành các điện tử đầu tiên có khả năng gây
ra ion hóa

Tồn tại khoảng thời gian từ giá trị điện áp đủ gây phóng điện
đến giá trị điện áp phóng điện thực: thời gian trễ trong phóng
điện
* Thời gian trễ trong phóng điện

Thời gian trễ trong phóng điện
t = t
s
+t
f
t
s
: thời gian chậm trễ thống kê được xác
định từ thời điểm U
s
đến khi xuất hiện
1 điện tử đầu tiên có khả năng gây ion
hóa
t
f
: thời gian hình thành phóng điện được
xác định từ khi xuất hiện 1 điện tử đầu
tiên đến hình thành thác điện tử và

phóng điện

Thời gian phóng điện
t
BD
= t
s
+ t
f

Thời gian phóng điện có thể giảm
bằng cách giảm t
s
o
Tăng cường độ bức xạ chiếu lên cathode
o
Sử dụng cathode có công thoát kim loại
nhỏ
U
s
: điện áp đủ gây phóng điện
U
BD
: điện áp phóng điện thực
U
U
s
U
BD
t

s
t
f
* Có sử dụng hình ảnh từ bài giảng của tác giả Hồ Văn Nhật
Chương
* Đặc tính điện áp-thời gian của cách điện

Điện áp tác dụng tăng thì t
f
giảm ⇒ Thời gian phóng điện t
BD
giảm khi
điện áp tác dụng tăng

Cách xây dựng đặc tính V-t của cách điện
o
Cho sóng xung có tỉ số T
1
/T
2
không đổi tác dụng lên cách điện với
biên độ xung tăng dần từ nhỏ đến lớn
o
Ghi nhận thời gian phóng điện
* Có sử dụng hình ảnh từ bài giảng của tác giả Hồ Văn Nhật
Chương
* Ứng dụng của đặc tính V-t

Dùng để phối hợp cách điện giữa thiết bị điện và thiết bị bảo vệ (ví dụ: dùng
chống sét van để bảo vệ MBA điện lực