CHƯƠNG 7 PHÓNG điện TRONG điện môi

CHươNG 7

PHóNG đIệN TRONG đIệN MôI

7.1

Giới thiệu

7.2

Phóng điện trong chân không

7.3

Phóng điện trong chất khí

7.4

Phóng điện trong chất lỏng

7.5

Phóng điện trong chất rắn

7.6

Phóng điện xung kích

7.7

Phóng điện vầng quang

7.8

Phóng điện dọc theo bề mặt cách điện rắn

7.9

Phóng điện cục bộ


7.1 Giới thiệu
Tính chất của một môi trường điện môi không chỉ là khả năng có điện dung lớn mà cũng rất
quan trong là khả năng cách điện hoặc có một điện dẫn bé
Các chất điện môi có điện trở suất cao được dùng để cách điện cho những vật dẫn cố
điện thế khác nhau
Điện áp đặt lên vật liệu cách điện và do đó điện trường không thể tăng không có giới hạn. Khi
có một điện trường đặt đủ lớn lên hai điện cực với môi trường cách điện (chân không hoặc một
điện môi) thì sẽ xảy ra quá trình đặc biệt. Môi trường vốn được xem là cách điện sẽ bị nối liền
bằng tia lửa điện (hồ quang) có điện dẫn rất cao
Người ta gọi hiện tượng này phóng điện chọc thủng
Các chất khí và chất lỏng cách điện, phóng điện chọc thủng vẫn không có phải là vĩnh cửu.
Vật liệu chỉ mất tính chất cách điện tạm thời trong thời gian tồn tại hồ quang. Nếu ta cắt nguồn
điện áp gây phóng điện, thì vật liệu lại có khả năng chịu điện áp tác dụng caô đến khi nó bị
phóng điện trở lại. Trong các vật liệu cách điện thể rắn, phóng điện chọc thủng là một quá
trình không ngược được. Phóng điện sẽ dẫn đến hình thành một kênh dẫn do đó dẫn đến phá
huỷ vĩnh cửu


Với những hiểu biết về các tính chất dẫn điện và phân cực của điện môi đã trình bày
trong các chương trước, việc nghiên cứu sâu quá trình hình thành phóng điện hết sức

cần thiết

Sự hiểu biết về cơ chế hình thành, diễn biến của quá trình cùng các yếu tố ảnh hưởng cho
phép có những biện pháp ngăn ngừa phóng điện trong thiết kế, vận hành thiết bị điện cũng
như dự báo

Phóng điện chọc thủng là một hiện tượng rất quan trọng đối với các thiết bị điện đặc biệt đo
với cách điện của các thiết bị cao áp. Khi có sự cố hỏng hóc cách điện, thì chế độ làm việc
bình thường của thiết bị và hệ thống điện không còn được đảm bảo


Tuy nhiên cần phân biệt hai khái niệm được gọi là phóng điện sau:

Phóng điện một phần (discharge) - một dạng phóng điện nói chung, không hoàn toàn ví
dụ như phóng điện vầng quang, phóng điện cục bộ....

Phóng điện chọc thủng (breakdown) là dạng phóng điện hồan toàn, khi toàn bộ không
gian giữa hai điện cực bị ngắn mạch bởi một tia lửa điện.

Có thể xem đây như giai đoạn cuối cùng của phóng điện với vì nếu ta nâng điện áp đặt lên
vật cách điện vượt quá ngưỡng phóng điện cục bộ thì đến một lúc nào đó sẽ xảy ra phóng
điện


Để đặc trưng cho khả năng của một vật liệu cách điện có thể làm việc lâu dài dưới tác dụng của
điện áp hoặc điện trường cao người ta thường dùng khái niệm độ bền điện, đó là cường độ điện
trường cực đại có thể đặt lên vật liệu mà không dẫn đến phóng điện
Người ta cũng dùng khái niện cường độ điện trường khi xảy ra phóng điện
Đại lượng này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố
độ đồng nhất của điện trường (kích thước hình học, khoảng cách giữa các điện cực...),

bản chất và trạng thái bề mặt các điện cực sử dụng để thí nghiệm
quy trình thử nghiệm, thời gian tác dụng của điện áp
điều kiện môi trường (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm),
độ nhiễm bẩn của vật liệu (khuyết tật, tạp chất
điện áp xoay chiều, một chiều và điện áp xung


Một yếu tố nữa ảnh hưởng đến độ bền điện của các chất cách điện, đặc biệt là cách điện thể rắn
là điện trường phóng điện phụ thuộc vào độ dày của mẫu thử. Các mẫu hoặc các kết cấu cách
điện dày có thể tích vật liệu lớn hơn do đó có xác suất chứa các khuyết tật nhiều hơn do đó dẫn
đến phóng điện ở điện trường thấp hơn
Môi trường cách điện Độ bền điện

Ghi chú

Không khí, 1 at

31,7 kV/cm, 60 Hz khe hở 1cm

khí SF6

79,3 kV/cm, 60Hz

sử dụng trong các máy cắt để tránh phóng điện

Polybutene

>138 kV/cm

Chất lỏng sử dụng để tẩm và cách điện cáp cao áp

dầu MBA

128 kV/cm

-

polypropylene

295 - 314 kV/cm

Ngoài ra còn phải nói thêm rằng dưới tác dụng của điện trường và điều kiện làm, các tính chất
cách điện của vật liệu sẽ bị giảm sút.
Quá trình già cỗi của vật liệu (lão hoá) thường làm tăng điện dẫn, giảm độ bền cách điện


Để so sánh các vật liệu cách điện theo độ bền điện, người ta tiến hành đo điện áp phóng điện
trong các điều kiện thí nghiệm nghiêm ngặt theo các tiêu chuẩn
Các quy trình và tiêu chuẩn thí nghiệm phóng điện trong các điện môi không hoàn toàn giống nhau.
Ví dụ để xác định độ bền điện củả chất lỏng cách điện
Quy chuẩn thiết bị thí nghiệm

Quy trình thí nghiệm

Xử lý số liệu

Ví dụ để xác định độ bền điện của chất rắn cách điện


Quy chuẩn thiết bị thí nghiệm

1. Bình đựng dầu
Cốc đo độ bền điện của chất lỏng (tiêu chuẩn IEC156).

Bình bằng sứ có thể tích vào khoảng 300-500 cm3.
Trong bình có gắn 2 cực mà khoảng cách giữa chúng có thể thay đổi được
Mặt cực yêu cầu phải sử lý thật cẩn thận và trong quá trình sử dụng bình thí nghiệm
phải thường xuyên kiểm tra trạng thái bề mặt của cực.
Mức dầu trong bình phải cao hơn mép cực ít nhất là 15 mm
2. Nguồn
Dạng điện áp thí nghiệp : xoay chiều, công suất, độ méo hình sin không quá 5%
Tốc độ tăng điện áp : 2 kV/s


Quy trình thí nghiệm
1. Lấy mẫu dầu
1.
2.
3.
4.
5.

cần đặc biệt chú ý tới cách lấy mẫu dầu bởi vì nếu việc lấy mẫu không theo đúng các
qui định thì có thể làm cho kết quả thí nghiệm sai lệch và do đó đưa đến kết luận sai lầm
về phẩm chất của dầu.
Theo qui trình kiểm tra chất lượng của dầu máy biến áp và máy cắt điện thì mẫu dầu thí
nghiệm phải được lấy từ thùng máy biến áp hay máy cắt và được đựng trong chai thủy
tinh khô, sạch, đậy nút, có gắn xi hoặc parafin.
Để lấy mẫu dầu đầu tiên phải mở vòi ở phía dưới thùng dầu, để cho dầu chảy đi 1 ít để
rửa sạch vòi, sau đó mới để chai vào lấy dầu.
Để cho không khí ẩm không xâm nhập vào trong mẫu dầu thì nên lấy mẫu khi thời tiết

khô ráo khô, lượng dầu lấy để thí nghiệm ít nhất phải được 1 lít.
Nếu vào mùa đông thì trước khi tiến hành thí nghiệm cần phải được để dầu trong phòng
thí nghiệm trong khoảng thời gian 8-12 giờ để cho dầu có nhiệt độ trong phòng.

2. Kiểm tra bình thử dầu và cách đổ dầu vào bình
1.
2.
3.

Trước khi đổ dầu vào bình thử dầu cần kiểm tra kỹ tình trạng của bình và trạng thái
của mặt cực
Khi đổ dầu vào bình dù bình đã sạch và khô nhưng cũng cần rửa lại bình bằng dầu 2,3
lần. Khi rửa nên rót dầu lên 2 mặt cực để có thể rửa các vệt dầu và than còn sót lại
trên mặt cực từ các lần thí nghiệm trước.
Sau khi đổ dầu vào bình thì phải đợi độ 10-15 phút sau đó mới tiến hành thí nghiệm
để cho các hạt khí trong dầu có thể thoát ra ngoài.


Xử lý số liệu

Trong 6 lần phóng điện thì chỉ lấy kết quả 5 lần sau cùng (từ lần thứ 2 đến lần thứ 6), bỏ kết
quả của lần phóng điện thứ nhất vì cho là ban đầu, do trên mặt cực còn có thể có tạp chất
nên kết quả có thể sai lệch.

6

U ct ( t .binh ) = U cti
i =2

Từ các kết quả đó tính điện áp phóng điện trung bình (của 5 lần sau cùng) và tính cường

độ cách điện của dầu theo công thức

Ed =

U ct (t .binh )
s


Mẫu thí nghiệm đo điện áp phóng điện trong chất rắn

Để đo độ bền điện của các vật liệu rắn được tiến hành trong điện trường đồng nhất; cần phải loại
bỏ tất cả các dạng phóng điện cục bộ, phóng điện bề mặt bằng các dạng điện cực và mẫu thí
nghiệm quy chuẩn
Dù có quy định nghiêm ngặt nhưng tiếp xúc giữa điện cực và vật liệu vẫn là chỗ yếu nhất.
Trong một số trường hợp cần có những biện pháp để loại bổ phóng điện theo hiệu ừng mép cực
ví dụ như sử dụng nhựa epoxy
Điện cực

PMMA

Epoxy

Mẫu


Các thí nghiệm thường được tiến hành dựa trên những đo lường sau

mức chịu đựng điện áp ở tần số công nghiệp 50 hoặc 60 Hz

mức chịu đựng điện áp một chiều

mức chịu đựng điện áp xung kích, ví dụ chịu đựng các sóng quá điên áp khí quyển 1,2/50às


7.2

Phóng điện trong chân không

7.2.1

Giới thiệu

ý tưởng sử dụng chân không làm cách điện không mới mẻ, từ quan sát trên thực nghiệm rằng
một tụ điện tích điện nếu để trong môi trường sẽ tự phóng điện, sự phóng điện nhanh hay
phóng điện đột ngột phụ thuộc vào quá trình ion hoá điện môi
Lúc đầu, người ta cho rằng sự vắng mặt của các vật chất (chân không) cho phép có được một
cách điện lý tưởng với điện trở suất vô cùng lớn và vectơ phân cực zero. Do vậy có thể nghĩ
rằng tụ điện sẽ tích điện mãi mãi
Tuy nhiên sau đó người ta nhận ra quan niệm này là sai.
Thực tế là cho dù áp suất của chất khí rất thấp, phóng điện trong chất khí vẫn có thể xảy ra
với nguyên nhân chủ yếu là ion va chạm (xem phần phóng điện trong điện môi khí sẽ trình
bày sau) nhưng khi áp suất thấp hơn một giá trị nào đó quá trình phóng điện xảy ra hoàn
toàn khác, sự hình thành phóng điện trong chân không bắt đầu và được duy trì bởi những
điện tích xuất phát từ các điện cực.


U

vïng I øng víi ch©n kh«ng

Vïng III : ¸p suÊt cao h¬n ¸p
suÊt khÝ quyÓn

Pd


Trong chân không trung bình (áp suất p10-1 Pa) quãng đường chuyển động tự do trung bình của
điện tử >3 m nên phóng điện không thể xảy ra theo cơ chế ion hoá chất khí mà chỉ có thể do các
điện tích xuất phát từ điện cực
Để giải thích quá trình hình thành và phát triển của phóng điện trong chân không, nhiều giả thuyết
được đưa ra. Các hiện tượng vật lý được xem là thuyết phục hơn cả :
giải thoát điện tử phụ thuộc chủ yếu vào điện trường
trao đổi các ion với điện cực dẫn đến các vi phóng điện
Hiện tượng phóng điện trong chân không khoảng cách nhỏ d5mm được giải thích bởi sự giải thoát
điện tử từ bề mặt âm cực theo hiệu ứng Fowler-Nordheim.
Với khoảng cách lớn hơn, nó được giải thích bởi các vi hạt (microparticles) và các vi phóng điện
(microdischarges).


7.2.2

Hiện tượng giải thoát nhiệt điện tử (thermoelectronic emission)

Do mật độ phân tử trong chân không bé nên quá ttrình phóng điện được xây dựng trên giả thiết là
các điện tử được bức xạ từ các bề mặt điện cực kim loại và thâm nhập vào khoảng không gian giữa
hai điện cực
Kim loại được xem là một mạng ba chiều với các nguyên tử nằm ở các nút mạng và bao
quanh chúng một là đám mây các điện tử tự do
Năng lượng của một điện tử trong điện trường của các hạt nhân được xác định đơn giản bằng

Ze 2
W=
4 o r
Trong đó Z là số thứ tự của nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn, e là điện tích của điện tử, r
là khoảng cách giữa điện tử và hạt nhân
Fermi và Dirac xác định phân bố năng lượng của các điện tử chuyển động trong không gian đặt dư
ới một thế không đổi như sau

8 2 m1e,5
N (W)dW =
h3

W
dW
W Wi

1 + exp
kT

trong đó Wi là năng lượng ở mức Fermi; N(W) số điện tử có năng lượng W trong 1 đơn vị thể
tích; h : hằng số Planck; k : hằng số Boltzman; me khối lượng của điện tử


ở nhiệt độ T= 0 K, năng lượng Wi được xác đinh, bởi

h 2 3n
Wi =

8m e

0 , 66

= 3,64.10

19

n

0 , 66

(eV)

n là mật độ điện tử, cm-3

Năng lượng Wi thay đổi rất ít khi nhiệt độ thay đổi vì thế công thức có giá trị trong dải nhiệt độ
nằm dưới nhiệt độ nóng chảy của kim loại.
ở nhiệt độ T=0 K, WTa tính được số điện tử Nx(Wx)dWx có mức năng lượng nằm trong khoảng W x và Wx+Wx đạt
tới một đơn vị diện tích bề mặt trong một đơn vị thời gian

4 m e kT
Wi Wx
N (Wx )dWx =
ln 1 + exp
dWx


kT
h3

Để một điện tử có thể có thể được giải thoát từ bề mặt âm cực thì năng lượng Wx phải lớn hơn Wa.
= Wa-Wx được gọi là công thoát, tức là năng lượng tối thiểu cần cung cấp cho một điện tử nằm
trong vùng dẫn để nó có thể thoát khỏi kim loại chuyển sang chân không.
Khi ta tăng nhiệt độ của điện cực, số điện tử bức xạ từ một đơn vị diện tích bề mặt trong một đơn
vị thời gian


n x = N x ( Wx ) dWx
Wa

Từ đó suy ra mật độ dòng điện

4 eme k 2 T2
Wa Wi
b
2
Js =
exp
hay J s = AT exp
3

T
h
kT
Phương trình trên được gọi là phương trình Richardson-Dushman


âm cực được xem là một mặt phẳng đẳng thế ở một khoảng cách x (vài bán kính nguyên

tử); khi mà một điện tử rời kim loại bức xạ vào chân không, nó chịu tác dụng của một lực F
bằng

e2
F=
2
4 o ( 2x)
Nếu ta đặt một điện trường E, tồn tại một khoảng cách tới hạn xc mà ở đó lực tác dụng lên điện
tử bằng 0. Khoảng cách xc được tính trên cơ sở cân bằng lực

eE =

2

e
16 o x c2



1 e

x c =
2 4 o E

0,5

Sự giảm năng lượng cho phép các điện tử vượt qua hàng rào thế năng. Hiện tượng này goi là hiệu
ứng Schottky
2
e

Wa Wa' = eEx c +
2 dx
xc 16 o x



mức giảm chiều cao hàng rào thế năng

eE

=
4 o

0 ,5

eE

' =
4 o

0 ,5

Do vậy
'


e

2
J = AT exp

kT

Ta tính tiếp và thu được


E 0 ,5
J = J s exp 0,44

T

Phương trình này (được gọi là hiệu ứng Schottky) cho phép xác định ảnh hưởng của điện trư
ờng mạnh, ít nhất cũng vào khoảng 107 V/m đến sự bức xạ nhiệt điện tử


7.2.3

Hiện tượng thoát điện tử bởi điện trường (field electron emission)

ở nhiệt độ bình thường, nếu điện trường tăng cao hơn 10 10 V/m, sự bức xạ điện tử gây lên bởi điện
trường.
Một bề mặt điện cực bằng kim loại được giả thiết là bức xạ điện tử dưới tác dụng của điện trường
mạnh, ngay cả trong trường hợp nhiệt độ tuyệt đối (T 0 K). Hiện tượng giải thoát điện tử bởi điện
trường là do hàng rào năng lượng trên bề mặt điện cực bị biến đổi dưới tác dụng của điện trường
ngoài.
Hình dung một điện tử muốn được giải thoát từ vùng dẫn của kim loại có mức năng lượng là W,
hàng rào năng lượng không thể có chiều dày vô cùng mà phải là hữu hạn và xác suất điện tử vư
ợt qua hàng rào năng lượng của kim loại sang vùng chân không là khác 0
W(eV)
Chân không

Kim loại
5

Mức Fermi
WF

10

15

20 X (10-10 m)


Mật độ dòng điện ở nhiệt độ K xác định theo quan hệ Fowler-Nordheim
1,5


1

2
J = B1 2
E exp B2 v( y)

E


t ( y)

y=3,79.10-5E0,5F-1;

B1, B2 : các hằng số
B1 = 1,541.10-6 (A.eV.V-2); B2 =6,83.109 (V.m-1.eV0,5)
t(y) và v(y) là hai hàm của y
F là công thoát

ở nhiệt độ 0 K, hầu hết các điện tử được giải thoát bởi cơ chế bức xạ điện tử từ mức Fermi từ bề
mặt âm cực
Trong kim loại, mức Fermi là mức năng lượng cao nhất của điện tử trong vùng dẫn
Các kết quả nghiên cứu về phóng điện trong chân không đều dựa trên giả thiết cho rằng hiện tư
ợng giải thoát điện tử xuất phát từ một số điểm cực nhỏ (micropoint) do sự gồ ghề trên bề mặt
điện cực mà tại đó điện trường đạt giá trị tới hạn
Trên đầu mút của các điểm này điện trường tăng cao hẳn so với điện trường trung bình và đặc trư
ng bởi hệ số khuyếch đại điện trường


Emax = Etb=U/d
Phương trình Fowler-Nordheim biểu diễn quan hệ dòng điện qua chân không và điện áp có dạng
t 2 ( y ) d 2 B2 ( y ) 1,5d 1
I

log 2 = log
2
U
S
B

2,302 U


e 1

Se là diện tích điện cực; I=J.Se.
Nếu ta vẽ quan hệ I(V) trong hệ trục toạ độ log(I/U2) và 1/U thì độ nghiêng của đường thẳng
cho phép xác định được hệ số b :

B2 ( y) 1,5d
=
2,302 tg


Phân tích các kết quả thí nghiệm đối với nhiều kim loại khác nhau và với điều kiện là các chất
khí và các tạp chất không gây ô nhiễm bề mặt điện cực, Farral đánh giá cường độ điện trường
tới hạn Ec nằm trong khoảng 5.109 V/m đến 18.109 V/m tuỳ từng kim loại.

Sự giải thoát điện tử do điện trường làm bay hơi kim loại vùng điện cực. sự bốc hơi kim loại
vùng âm cực do hiệu ứng Joule hoặc kiệu ứng Nottingham. Có vẻ như là sự nóng lên của các
vi điểm trên bề mặt âm cực có thể đối với khoảng cách d nhỏ. Đối với các khoảng cách lớn hơn
và ở điện áp cao hơn, các điện tử có năng lượng lớn bắn phá anode và làm kim loại bay hơi


7.2.4

Phóng điện chọc thủng

Các cơ chế dẫn đến phóng điện trong chân không được dựa trên sự thực của các quá trình vật
lý xảy ra trong điện trường mạnh nhưng còn phụ thuộc vào sự hiểu biết chưa đầy đủ về phóng
điện trong chân không
Field electron emision
dòng điện do sự bức xạ điện tử do điện trường di qua một số vi điểm gồ ghề

trên bề mặt âm cực (cathode) làm cho chúng nóng đến điểm nóng chảy và
bốc hơi
sau đó các điện tử dẫn đến phóng điện
các điện tử được tăng tốc trong điện trường mạnh bắn phá và truyền năng lư
ợng đốt nóng và làm bốc hơi phần bề mặt anode cũng là nguyên nhân dẫn đến
phóng điện
Quá trình giải thoát điện tử, ion và các photon thứ cấp
quá trình phóng điện xảy ra theo trình tự tích luỹ
Các vi hạt kim loại hay tạp chất
Các hạt này gắn bó một cách rất yếu với điện cực do vậy chúng có thể dễ dàng
tách khỏi điện cực và di chuyển đến điện cực đối diện khi có điện trường bên
ngoài. Khi tiếp xúc với điện cực, chúng tạo ra các điều kiện dẫn đến phóng điện
như là : hình thành một dạng vi phóng điện giữa chúng với điện cực, tự nóng
chảy và bốc hơi hoặc làm biến dạng bề mặt điện cực.