CAO AP VA CHONG SET

UBND THÀNH PHỐ CẦN THƠ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC
KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ CẦN THƠ

Bài Giảng Học phần:

KỸ THUẬT
CAO ÁP VÀ CHỐNG SÉT

- Biên soạn: GV. Ths. Võ Minh Thiện
- Đơn vị

: Khoa Điện – Điện tử - Viễn thông

- Email

:

Cần Thơ 2016


LỜI NÓI ĐẦU
Trong nhiệm vụ xây dựng và phát triển cơ sở hạ tầng để phục vụ cho sự nghiệp
đổi mới và phát triển của đất nước, việc giải quyết các vấn đề năng lượng, trước hết là
điện năng, đóng vai trò cực kỳ quan trọng.
Để đáp ứng Nhu cầu phát triển nhanh của nền kinh tế quốc dân, từng bước thực
hiện điện khí hóa đất nước, con đường hợp lý nhất, hiệu quả nhất và kinh tết nhất là tập
trung hóa sản xuất điện năng trên cơ sở những nhà máy điện có công suất thiết kế lớn,
xây dựng gần với các nguồn nhiên liệu và năng lượng sơ cấp, đồng thời với sự phát triển
mạng lưới điện cơ khả năng đưa điện năng đến nơi tiêu thụ ở xã nhất và nối liền chúng
lại thành một hệ thống điện thống nhất cả nước, để có thể huy động một cách hợp lý nhất

về kinh tế kỹ thuật.
Để truyền tải điện năng công suất lớn từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ ở xa đòi hỏi
phải thiết lập những lưới điện có điện thế cao. Khả năng truyền tải của đường dây tỉ lệ
với bình phương của điện áp làm việc. Ví dụ, đường dây 35 kV có thể truyền tải một công
suất từ 8 – 10 MW đi xa 30 – 40 km, đường dây điện áp 110 kV có thể truyền tải một
công suất khoảng 30MW đi xa 110 – 150 km, còn để truyền tải một công suất khoảng 200
– 250 MW trên khoảng cách 200 – 250 km cần phải có đường dây điện áp 220 kV…
Việc dùng lưới điện có điện áp cao để truyền tải điện năng đã đặt ra một loạt vấn
đề về khoa học kỹ thuật mà người làm công tác trong ngành điện, đặc biệt trong lĩnh vực
kỹ thuật điện cao áp và kỹ thuật cách điện phải nghiên cứu và giải quyết.
Những trang thiết bị điện và máy điện có điện áp cao phải được thiết kế, chế tạo
sao cho vừa đảm bảo các yếu tố kỹ thuật, an toàn, tin cậy, tuổi thọ cao, gọn nhẹ, kinh
tế… Muốn như thế, một mặt các phần tử mang điện áp cao phải có cấu tạo hợp lý về mặt
phân bố điện trường, mặt khác phải đưa vào sử dụng những vật liệu có khả năng cách
điện, chịu nhiệt và có độ bền cơ ngày càng tốt hơn, đồng thời phải nghiên cứu các biện
pháp để cải thiện điều kiện làm việc của chúng.
Trong vận hành, cách điện của các thiết bị và máy điện không chỉ chịu tác dụng
lâu dài của điện áp làm việc mà còn có thể chịu tác dụng trong một thời gian ngắn hoặc
rất ngắn các điện áp cao gấp nhiều lần điện áp định mức làm việc của chúng, tức là chịu
tác dụng của quá điện áp. Quá điện áp có thể gây nên do sét đánh trực tiếp hay các vùng
lân cận với những xung điện áp rất cao vào hệ thống điện. Các điện áp xâm nhập vào hệ
thống thường rất cao có thể đến hàng triệu vôn trong thời gian rất ngắn, thường không
quá vài trăm micro giây, đó là quá điện áp khí quyển. Quá điện áp cũng xuất hiện do sự
thay đổi chế độ làm việc của bản thân hệ thống điện như việc đóng cắt các phần tử của
hệ thống điện hoặc các dạng sự cố như đứt dây, chạm đất, ngắn mạch… với trị số có thể

i


gấp bốn, năm lần trị số điện áp pha định mức, trong thời gian ngắn từ một vài tram

micro giây đế hàng chục giây, đó là quá điện áp nội bộ.
Quá điện áp, do đó, là nguyên nhân chủ yếu gây ra những sự cố và hư hỏng trong
hệ thống điện. Vì vậy, phải nghiên cứu và áp dụng Những biện pháp, những thiết bị để
ngăn ngừa và hạn chế trị số quá điện áp, phải xác đingj mức cách điện của thiết bị theo
đặc tính của thiết bị bảo vệ với một độ dự trữ hợp lý, tức là giải quyết tốt vấn đề phối hợp
các giải pháp thực hiện cách điện.
Các thiết bị điện, máy điện được chế atọ phải trải qua những thử nghiệm tại nhà
máy trước khi xuất xưởng, sau khi chuyên chở và lắp đặt, theo các tiêu chuẩn hiện hành
của nhà mước, để đảm bảo các tính năng quy định và suốt trong thời gian vận hành phải
được thử nghiệm và kiểm tra định kỳ, để kịp thời phát hiện các khuyết tật trong cách
điện, xuất hiện trong quá trình làm việc để sửa chữa hoặc thay thế, tránh những sự cố và
hư hỏng làm gián đoạn sự cung cấp điện. Đó là vấn đề thử nghiệm và kiểm tra phòng
ngừa cho cách điện.
Tóm lại, nghiên cứu các quá trình xảy ra trong cách điện dưới tác dụng của điện
áp cao các dạng khác nhau trong điện trường cao từ đông nhất đến không đồng nhất
mức độ khác nhau, nghiên cứu các hiện tượng quá điện áp và các biện pháp bảo vệ
chống quá điện áp trong hệ thống điện, nghiên cứu kết cấu cách điện của trang thiết bị,
máy điện có điện áp cao, nghiên cứu các biện pháp thử nghiệm kiểm tra phòng ngừa cho
cách điện là các đối tượng nghiêm cứu chủ yếu của môn học KỸ THUẬT CAO ÁP trong
hệ thống điện.
Giáo trình bài giảng KỸ THUẬT CAO ÁP VÀ CHỐNG SÉT được dùng làm tài
liệu nghiên cứu, học tập cho sinh viên các ngành hệ thống điện, kỹ thuật điện có thể dùng
làm tài liệu tham khảo cho các học viên sau đại học các ngành chuyên môn trên và cũng
có thể giúp ích cho các kỹ sư đang làm việc trong các lĩnh vực của ngành điện có liên
quan đến trang thiết bị điện cao áp.
Những sai sót, những hạn chế về nhiều mặt của bài giảng này là điều khó tránh
khỏi. Tác giả mong được sự góp ý của các đồng nghiệp, sự góp ý của người sử dụng để
giáo trình càng hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!

ii


MỤC LỤC
---------CHƯƠNG I: CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN TRONG CÁC
LOẠI ĐIỆN MÔI DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐIỆN TRƯỜNG CAO ................................. 01
1.1. Cách điện ngoài và hiện tượng phóng điện của chất khí. ................................... 01
1.1.1. Đặc điểm của cách điện ngoài. ...................................................................... 01
1.1.2. Điều chỉnh điện trường tác dụng lên cách điện ngoài. .................................... 01
1.2. Cơ sở vật lí của hiện tượng phóng điện trong chất khí....................................... 02
1.2.1. Vai trò của điện môi khí trong các cơ cấu cách điện cao áp. ........................ 02
1.2.2. Những cơ sở vật lý chủ yếu của hiện tượng trong chất khí. .......................... 03
1.3. Phóng điện xuyên thủng khoảng cách khí. .......................................................... 05
1.3.1. Phóng điện trong điện trường đồng nhất. ..................................................... 05
1.3.1.1. Điều kiện phóng điện tự duy trì; thuyết phóng điện theo thác của
Townsend. .............................................................................................................. 05
1.3.1.2. Lý thuyết phóng điện theo dòng: .......................................................... 06
1.3.1.3. Điện áp phóng điện xuyên thủng (Uct) khoảng cách khí trong điện trường
đồng nhất – Định luật Paschen. ................................................................................. 07
1.3.2. Phóng điện trong điện trường không đồng nhất. .......................................... 09
1.3.2.1. Độ không đồng nhất của điện trường. ................................................... 09
1.3.2.2. Phóng điện tự duy trì trong điện trường hơi không đồng nhất. .............. 11
1.3.2.3. Phóng diện trong điện trường rất không đồng nhất: .............................. 13
1.3.2.4. Tác dụng nâng cao điện áp phóng điện của màn chắn trong điện trường
không đồng nhất:....................................................................................................... 19
1.3.3. Phóng điện trong chất khí khi điện áp tác dụng có dạng xung. ..................... 21
1.3.3.1. Các thành phần của thời gian phóng điện. ............................................ 21
1.3.3.2. Đặc tính Volt – giây. ............................................................................ 25
1.4. Phóng điện vầng quang trên đường dây tải điện.................................................. 30
1.4.1. Khái niệm chung. ........................................................................................ 30

1.4.2. Vầng quang trên đường dây tải điện một chiều: ........................................... 32
1.4.3. Vầng quang trên đường dây tải điện xoay chiều. ......................................... 36
1.4.3.1. Sự di chuyển của điện tích không gian: ................................................ 36
1.4.3.2. Quá trình phóng điện vầng quang trên mỗi pha: ................................... 38
1.5. Sét - Nguồn gốc của quá điện áp khí quyển ..................................................... 41
1.5.1. Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét ................................................. 41
1.5.2 Các tham số chủ yếu của sét – cường độ hoạt động của sét.......................... 46
1.5.3 Biên độ dòng điện sét và xác suất xuất hiện của nó ..................................... 47
1.5.4. Độ dốc đầu sóng dòng điện sét và xác suất xuất hiện của nó........................ 49
1.5.5. Cường độ hoạt động của sét – mật độ sét ..................................................... 52
i


1.5.6. Cực tính của sét ........................................................................................... 52
1.5.7. Tình hình dông sét ở Việt Nam.................................................................... 52
1.5.8. Đặc điểm và phân bố dông trên lãnh thổ Việt Nam...................................... 53
1.5.8.1. Phân hóa mùa của dông ........................................................................ 53
1.5.8.2. Tần suất xuất hiện dông trong ngày ...................................................... 54
1.5.8.3. Phân vùng mật độ sét Việt Nam .......................................................... 55
1.5.8.4. Phân bố xác suất biên độ và độ dốc dòng sét ở Việt Nam ..................... 56
CHƯƠNG II: CÁCH ĐIỆN Ở ĐIỆN ÁP CAO ....................................................... 61
2.1. Các yêu cầu đối với cách điện trong hệ thống điện. .......................................... 61
2.1.1. Những yêu cầu chung đối với cấu tạo của các vật cách điện. ....................... 61
2.1.2. Các loại cách điện đường dây. ..................................................................... 61
2.1.3. Cách lựa chọn số lượng đĩa cách điện và các khoảng không khí nhỏ nhất cho
phép
......................................................................................................................... 68
2.2. Thực hiện cách điện cho trạm phân phối và nhà máy điện. ............................... 70
2.2.1. Các yêu cầu chung và thử nghiệm cách điện................................................ 71
2.2.2. Vật cách điện dung trong trạm phân phối. ................................................... 72

2.3. Cách điện của cáp điện ngầm cao áp. ............................................................... 76
2.3.1. Khái niệm chung ......................................................................................... 76
2.3.2. Cáp có cách điện bằng giấy tẩm cho điện áp dưới 35kV. ............................. 76
2.3.3. Cáp khí nén. ................................................................................................ 78
2.3.4. Cáp dầu và cáp dầu nén. .............................................................................. 79
2.3.5. Cáp có cách điện bằng Polyetylen hoặc PVC............................................... 81
2.3.6. Một số loại cáp mới. .................................................................................... 82
2.3.7. Các phụ kiện thi công cáp ngầm. ................................................................. 82
CHƯƠNG III: BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO HỆ THỐNG ĐIỆN.
3.1. Khái niệm chung. ............................................................................................. 85
3.2. Xác định phạm vi bảo vệ của cột thu sét – mô hình A. Kopian. ........................ 86
3.3. Phạm vi bảo vệ của dây chống sét. ................................................................... 92
3.4. Các yêu cầu kỹ thuật kinh tế khi dùng hệ thống cột thu sét để bảo vệ sét đánh
thẳng cho trạm biến áp và nhà máy điện. ........................................................................... 95
CHƯƠNG IV: NỐI ĐẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ........................................... 119
4.1. Khái niệm chung. ............................................................................................. 119
4.2. Điện trở tản nối đất ở tần số công nghiệp ......................................................... 122
4.3. Điện trở tản của nối đất chống sét. ................................................................... 127
4.4. Điện trở suất của đất và các nhân tố ảnh hưởng ................................................ 134
4.5. Các yêu cầu về kinh tế kỹ thuật khi thiết kế hệ thống nối đất cho trạm và đường
dây tải điện. ....................................................................................................................... 136
4.6. Phương pháp diện tích để tính điện trở tản của lưới nối đất ................................ 138
CHƯƠNG V: BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN ................. 145
ii


5.1. Phương pháp tổng quát để tính toán chỉ tiêu chống sét của đường dây tải điện . 145
5.2. Quá điện áp cảm ứng........................................................................................ 149
5.3. Sét đánh trực tiếp vào đường dây không có dây chống sét ................................ 152
5.4. Sét đánh trên đường dây có dây chống sét. ....................................................... 157

CHƯƠNG VI: THIẾT BỊ CHỐNG SÉT ................................................................. 168
6.1. Khái niệm chung. ............................................................................................. 168
6.2. Khe hở bảo vệ .................................................................................................. 169
6.3. Thiết bị chống sét kiểu ống. ............................................................................. 170
6.4. Thiết bị chống sét kiểu van (CSV).................................................................... 173
6.5. Thiết bị hạn chế QĐA hay CSV không có khe hở ............................................ 181
CHƯƠNG VII: BẢO VỆ CHỐNG SÉT TRUYỀN VÀO TRẠM PHÂN PHỐI ĐIỆN
7.1. Khái niệm ........................................................................................................ 184
7.2. Biện pháp và yêu cầu đối với việc bảo vệ chống sét truyền vào trạm ................ 184
7.3. Sơ đồ nguyên lý bảo vệ trạm ............................................................................ 188
7.4. Tham số tính toán của sóng sét truyền vào trạm và cách tính chỉ tiêu chịu sét của
trạm
......................................................................................................................... 190
7.5. Điện áp trên cách điện của trạm ....................................................................... 192
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 203
PHỤ LỤC ...............................................................................................................

iii


Chương 1
CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA HIỆN TƯỢNG
PHÓNG ĐIỆN TRONG CÁC LOẠI ĐIỆN MÔI
DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐIỆN TRƯỜNG CAO
1.1. Cách điện ngoài và hiện tượng phóng điện của chất khí.
1.1.1. Đặc điểm của cách điện ngoài.
Dây dẫn của các đường dây tải điện trên không, thanh góp của các trạm biến áp phân
phối được cách ly lẫn nhau và được cách ly với đất bởi những khoảng cách không khí thuần
túy.
Ngoài ra, ở những vị trí thích hợp, các phần tử mang điện (dây dẫn, thanh góp, đầu ra

của các thiết bị như máy biến áp, tụ điện…) được cố định nhờ những vật cách điện rắn
(isolator). Các khoảng cách không khí thuần túy và khoảng cách không khí men theo bề mặt
cách điện rắn đó đó tạo thành cách điện ngoài của trang thiết bị điện. Như vậy cách điện
ngoài là phần tử tiếp xúc trực tiếp với khí quyển của cơ cấu cách điện của trang thiết bị điện.
Ảnh hưởng của điều kiện khí tượng đến độ bền điện của cách điện ngoài cũng phải
được tính đến trong khi tiến hành thử nghiệm cách điện, cụ thể là phải tính đổi trị số điện áp
phóng điện trong điều kiện thử nghiệm về điều kiện chuẩn: áp suất p0 = 1,013.105 (Pa) hay
760 mmHg, nhiệt độ t0 = 200C và độ ẩm tuyệt đối của không khí H0 = 11g/m3. Khi đo điện áp
phóng điện ướt và bẩn ẩm của bề mặt cách điện thì cách thức tạo mưa nhân tạo và tạo lớp bẩn
ẩm phải tuân theo các qui phạm tương ứng.
Không khí, điện môi chủ yếu của cách điện ngoài, không bị già hóa, có nghĩa là chỉ số
trung bình của độ bền điện của chúng không giảm theo thời gian, không phụ thuộc vào chế
độ làm việc của trang thiết bị điện. Vì vậy đối với những khoảng cách không khí thuần túy,
phần tử chủ yếu cách điện ngoài, vấn đề thời gian phục vụ không đặt ra, trong khi đối với
cách điện trong, đó là một trong những vấn đề phức tạp phải được tính đến.
1.1.2. Điều chỉnh điện trường tác dụng lên cách điện ngoài.
Độ bền điện của không khí ở điều kiện bình thường không cao vào khoảng 25 –
30kV/cm ở khoảng cách giữa các điện cực cỡ cm, tức là 10 – 30 lần nhỏ hơn của điện môi
rắn. Khoảng cách giữa các điện cực càng lớn, trường càng không đồng nhất, độ bền điện
càng giảm. Những khoảng cách không khí ở trang thiết bị điện áp cao và siêu cao thường rất
lớn, có thể đến hàn nhiều mét, trong khi kích thước của bản than điện cực (dây dẫn, thanh
góp v.v…) lựa chọn theo mật độ dòng kinh tế, theo độ bền cơ và theo các chỉ tiêu khác
thường không lớn, bán kính cong của bề mặt điện cực ít vượt qua 1cm. Ở điều kiện kích
thước và khoảng cách điện cực như vậy, điện trường tác dụng lên cách điện ngoài rất không
đồng nhất, làm cho việc tạo cách điện ngoài rất khó khăn vì.
- Trong điện trường rất không đồng nhất có khả năng suất điện phóng điện vầng quang
ở cách điện ngoài. Bản thân phóng điện vầng quang tuy không quá hoại sự làm việc của trang
thiết bị điện áp cao, nhưng gây thêm tổn hao năng lượng, ăn mòn dần các phụ kiện kim loại
của cách điện rắn và gây nhiễm mạnh đối với thông tin vô tuyến.
1

- Độ bền điện của không khí trong điện trường không đồng nhất rất thấp: ở khoảng cách
điện cực 1m giảm còn 5 – 6 (kV/cm), ở khoảng cách 10m còn khoảng 2 – 3 (kV/cm). Vì vậy
ở cấp điện áp cao và siêu cao, kích thước và giá thành của trang thiết bị điện tăng nhanh và
áp đến một giới hạn điện áp nào đó, nếu không có những biện pháp nâng cao độ bền điện của
cách điện ngoài, chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của trang thiết bị điện sẽ giảm thấp đến mức
không có thể chấp nhận được.
Vì những lý do trên, các biện pháp nhằm giảm độ không đồng nhất của điện trường tác
dụng lên cách điện ngoài rất có ý nghĩa, vì nó giảm công suất tổn hao vầng quang, giảm
cường độ nhiễu vô tuyến xuống giới hạn cho phép và tăng điện áp phóng điện. Có các biện
pháp chủ yếu sau:
- Tăng bán kính cong của bề mặt điện cực; ví dụ ở đường dây tải điện thuộc các cấp
điện áp cao và siêu cao thường dùng dây dẫn có tiết diện tăng cường hoặc chùm dây dẫn
phân nhỏ, dùng những đai kim loại có cấu tạo hình dạng thích hợp gắng vào vật cách điện để
tạo màng chắn điều chỉnh trường. Loại trừ các cạnh sắt của bộ phận mang điện và phụ kiện
kim loại.
- Quét lên bề mặt vật cách điện rắn ở những vị trí thích hợp lớp sơn dẫn điện hoặc sơn
bán dẫn điện giảm độ không đồng nhất của điện trường.
- Dùng những điện cực phụ đặt trong bản thân điện môi rắn của vật cách điện để điều
chỉnh điện trường trên bề mặt của nó.
1.2. Cơ sở vật lí của hiện tượng phóng điện trong chất khí.
1.2.1. Vai trò của điện môi khí trong các cơ cấu cách điện cao áp.
Ngoài ứng dụng làm cách điện ngoài, không khí và một số các chất khí khác còn được
dùng làm cách điện trong của các thiết bị điện áp cao, như máy cắt, cáp điện, tụ điện v.v…
Để làm nhiệm vụ cách điện trong các chất khí phải có các tính chất hóa lý sau:
- Phải có độ bền điện cao để cho kích thước của cơ cấu cách điện để kiến trúc của trang
thiết bị được gọn nhẹ
- Phải trơ về mặt hóa học, nghĩa là không gây nên các phản ứng hóa học với các vật liệu
cách điện và kim loại tiếp xúc với nó.

- Phải có nhiệt độ hóa lỏng thấp để có thể làm việc ở áp suất cao, vì ở điều kiện đó độ
bền điện của các chất khí cao hơn ở áp suất bình thường.
- Đối với các thiết bị và máy điện tỏa nhiệt mạnh thì chất khí dùng làm cách điện phải
có tính dẫn nhiệt tốt để điều kiện làm mát được dễ dàng.
- Trên quan điểm an toàn, các chất khí dùng làm cách điện không được gây nổ, cháy và
không độc hại.
- Ngoài ra các chất khí dùng làm cách điện phải dễ tạo và rẻ tiền.
Ngày nay nhiều nước trên thế giới đã đưa vào sử dụng rộng rãi các chất khí có độ bền
điện cao như SF6 (êlêga), CCl2F2 (freon), một vài tính chất của chúng cho trong bảng 1.1
dưới đây:

2


Bảng 1.1: Độ bền điện và nhiệt độ hóa lỏng của chất khí.
Chất khí
Không khí
Êlêga
Freon
Tetrachlormethan

Công thức

Độ bền điện
Tương đối

Nhiệt độ hóa lỏng
(0C)

SF6

CCl2F2
CCl4

1
2,5
2,5
6,3

-62
-30
+76

Êlêga vẫn giữ trạng thái khí ở áp suất dưới 20 ata và Freon dưới 6 (ata). Chỉ cần nâng
áp suất lên đến 3(ata) thì độ bền điện của chúng đã tương đương với các chất cách điện rắn.
Khí Tetrachlormethan có độ bền điện cao, nhưng ở nhiệt độ và áp suất bình thường đã ở
trạng thái lỏng, ngoài ra không phải là một khí trơ nên ít được ứng dụng trong lĩnh vực cách
điện.
1.2.2. Những cơ sở vật lý chủ yếu của hiện tượng trong chất khí.
1.2.2.1. Khái niệm vầ cấu tạo nguyên tử:
Khi nghiêm cứu các vấn đề của kỹ thuật điện cao áp có thể dùng mô hình cấu tạo
nguyên tử như một thái dương hệ, tạo thành bởi một hạt nhân mang điện tích dương và các
điện tử mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân theo những quỹ đạo nhất định.
Điện tử có khối lượng tĩnh moe = 9.10-28g và mang một điện tích âm q = -1,6. 10-19C.
Hạt nhân có khối lượng tĩnh lớn gấp 1837 lần của điện tử, tạo thành bởi các proton và
neutron. Proton mang điện tích dương, bằng điện tích của điện tử về trị số, còn neutron thì
trung tính về điện.
Khối lượng của một phân tử chuyển động có khối lượng mv tăng theo tốc độ chuyển
động của nó theo quy luật
mv 

m0
v
1  
c

(1.1)
2

Trong đó:

m0 - khối lượng tĩnh của phần tử
c - tốc độ ánh sáng, 3.108m/s
Bán kính nguyên tử vào khoảng 10-8 cm, của hạt nhân khoảng 10-13 cm, còn của proton
hoặc neutron khoảng 10-14 cm; Như vậy chỉ có một phần rất nhỏ thể tích của nguyên tử có
chứa vật chất – hạt nhân và điện tử.
Ở tình trạng bình thường, nguyên tử trung tính về điện, có nghĩa là không chịu tác
dụng cơ nào của điện hoặc từ trường ngoài. Tổng điện tích của toàn bộ các điện tử bằng điện
tích hạt nhân về trị số, số lượng điện tử hoặc proton của nguyên tử bằng số thứ tự của nguyên
tố đó trong bảng tuần hoàn Mendeleev. Khối lượng của nguyên tử gần đúng bằng tổng khối
lượng các proton và neutron của hạt nhân và tương ứng với trọng lượng nguyên tử của
nguyên tố.

3


Sự chuyển động của điện tử trên một quỹ đạo nhất định quanh hạt nhân được thực
hiện không có tổn hao năng lượng, mỗi quỹ đạo có dự trữ động và thế năng nhất định (so với
hạt nhân), được gọi là mức năng lượng.
Phần năng lượng nhận thêm đó bằng hiệu của các mức năng lượng W1 của quỹ đạo
mới là W2 của quỹ đạo ban đầu.

Năng lượng của điện tử hoặc bất kỳ một phần tử nào không thay đổi liên tục mà gián
đoạn theo một lượng nhất định được gọi là lượng tử (quant). Dưới dạng tổng quát, lượng tử
năng lượng bằng hiệu các mức năng lượng của hai quỹ đạo điện tử theo biểu thức
W

1

W

2

 h

(1.2)

Với  - tần số dao động điện từ, đặc trưng cho lượng tử (1/s).
h = 6,542.10-34 J.s – là hằng số lượng tử hay là hằng số Planck
Tần số của bức xạ điện từ càng cao thì lượng tử năng lượng càng lớn. Vì vậy lượng tử
của các bức xạ tăng dần từ vùng đỏ của dãy án sang trông thấy sang vùng tím đến cực tím
của phổ ánh sang, tiếp đến vùng bức xạ Rowntgen, bức xạ  và cao nhất là vùng bức xạ vũ
trụ (hình 1.1)

Hình 1.1: Các giải tần bức xạ
Năng lượng của điện tử và của phần tử mang điện khác đo bằng đơn vị electron – Volt
(eV). Một eV là năng lượng cung cấp bởi lực điện trường để di chuyển một phần tử mang
điện, có điện tích bằng một điện tích của một điện tử, giữa hai điểm của điện trường có hiệu
điện thế bằng 1V.
Nếu thừa nhận điện tích của điện tử bằng đơn vị thì chỉ số năng lượng của các phần tử
có thể biểu thị bằng volt.
1.3. Phóng điện xuyên thủng khoảng cách khí.

1.3.1. Phóng điện trong điện trường đồng nhất.
1.3.1.1. Điều kiện phóng điện tự duy trì, thuyết phóng điện theo thác của
Townsend.

4


Sự xuất hiện của thác điện tử đầu tiên trong khoảng cách khí chưa phải là dấu hiệu
phóng điện tự duy trì, vì sau khi các điện tử và ion dương của thác về đến điện cực trái dấu
tương ứng và trung hòa tại đấy thì dòng điện chạy qua khoảng cách khí cũng chấm dứt.
Muốn có dòng điện liên tục thì trước khi thác đều tiên kết thúc phải có những điện tử tự do
mới xuất hiện ở gần âm cực để tạo nên những thác điện tử kế tục. Nếu điện tử mới nầy chỉ do
các nguồn ion hóa bên ngoài tạo nên thì quá trình phóng điện là không tự duy trì, dòng điện
chạy qua khoảng cách khí có dạng những xung rời rạc, tần số lặp lại của chúng phụ thuộc vào
cường độ của nguồn ion hóa bên ngoài.
Để cho quá trình phóng điện trở nên tự duy trì ngay cả khi không tồn tại các nguồn ion
hóa bên ngoài thì điều kiện không thể thiếu được là mỗi điện tử xuất phát từ cực âm để tạo
thành thác phải tạo nên ít nhất là một điện tử thứ cấp mới thay thế cho mình.
Ví dụ: xét trường hợp điện tử thứ cấp được tạo nên bởi quá trình ion hóa va đập bề
mặt cực âm bởi ion dương. Khi các điện tử phát triển qua toàn bộ khoảng cách khí (s) với
trường đồng nhất thì số lượng điện tử trong thác bằng exp(αs) và số lượng ion dương bằng
(exp (αs) – 1). Nếu γi là số điện tử được giải phóng khỏi bề mặt âm cực bởi tất cả các số ion
dương của thác bằng γi (exp (αs) – 1). Để có phóng điện tự duy trì, số điện tử thứ cấp này ít
nhất phải bằng 1, tức là:
γi(exp (αs) – 1) ≥ 1
(1.3)
Townsend (nhà bác học Anh 1868 – 1957) là người đầu tiên đã nêu ra điều kiện này
và cho rằng sự phóng điện trong chất khí gây nên bởi các thác điện tử phát triển kế tục nhau
trong khoảng cách khí, vì vậy lý thuyết phóng điện theo thác được gọi là lý thuyết phóng
điện Townsend.

Cũng tương tự như trường hợp ion hóa va đập bề mặt âm cực bởi ion dương, số lượng
điện tử thứ cấp được tạo nên bởi các quá trình ion hóa quang bề mặt âm cực và ion hóa quang
trong thể tích khí đều tỉ lệ với số điện tử trong thác ban đầu. Vì vậy, nếu gọi γ là hệ số ion
hóa thứ cấp tổng hợp (để chú ý cả 3 quá trình ion hóa khác nhau) thì tổng số điện tử thứ cấp
bằng γ(exp (αs) – 1) và điều kiện phóng điện tự duy trì trong điện trường đồng nhất có thể
viết một cách tổng quát như sau:
γ(exp (αs) – 1) ≥ 1
hoặc biến đổi ra dưới dạng
1
 s  ln(  1)  cons t


Theo cách viết sau, điều kiện phóng điện tự duy trì được phát biểu như sau: Để có
phóng điện tự duy trì mỗi điện tử chuyển dịch trên toàn bộ khoảng cách khí phải thực hiện
một số lần ion hoa nhấy định. Thực nghiệm cho thấy:
Đối với không khí ở áp suất thấp
= 3,7 4
(tính với A  14, 6

1
1
và B  365
)
cm.mmHg
cm.mmHg

(1.4)

Và ở áp suất khí quyển  s  20
(tính với A  8, 5

1
1
và B  250
)
cm.mmHg
cm.mmHg

(1.5)

Cần lưu ý là hệ số ion hóa thứ cấp tổng hợp γ trong hai trường hợp áp suất thấp áp
suất cao có ý nghĩa vật lý và trị số khác nhau về cơ bản. Ở khí áp suất thấp γ là hệ số ion hóa
5


bề mặt cực âm (bởi ion dương và proton) phụ thuộc và công thoát của vật liệu làm cực âm. Ở
áp suất cao γ chủ yếu là hệ số ion hóa quang thể tích khí, hầu như không phụ thuộc vào vật
liệu làm cực âm.
1.3.1.2. Lý thuyết phóng điện theo dòng:
Ở mật độ khí cao nếu không tính đến ảnh hưởng của điện tích không gian thì sẽ không
giải thích được một loạt các vấn đề thực tế như: Thời gian phóng điện đo được bé hơn rất
nhiều so với thời gian thác điện tử đầu tiên đi qua toàn bộ khoảng cách khí theo lý thuyết
Townsend, sự phát triển của khe phóng điện từ cực dương, sự không phụ thuộc của điện áp
phóng điện vào vật liệu khí v.v…
Lý thuyết phóng điện theo dòng được trình bày dưới đây được đề xuất bởi Hans Peter
và John Mike (1939), đã bổ sung cho lý thuyết phóng điện theo thác và giải đáp được các tồn
tại trên.

Hình 1.2: Quá trình phát triển phóng điện theo dòng khi u = U0.
Trong lý thuyết phóng điện theo dòng, hiện tượng ion hóa quang trong thể tích khí

dưới tác dụng của các bức xạ sóng ngắn, tạo nên bởi bản thân quá trình phóng điện đòng một
vai trò quang trọng.
- Nếu điện áp tác dụng lên hai cực chỉ bằng điện áp bắt đầu phóng điện U = U0, thác
điện tử đầu tiên phải đi qua toàn bộ khoảng cách khí. Số điện tử ở đầu thác chạy nhanh về
cực dương và bị trung hòa, còn để lại trong khoảng cách khí, đặc biệt ở khu vực gần cực
dương một lượng ion dương lớn (hình 1.2a), chúng làm tăng cao cường độ điện trường ở khu
vực này do đó tác dụng kích thích mãnh liệt các phân tử khí. Các phần tử khí bị kích thích trở
về trạng thái bình thường phát ra một số lượng lớn photon, gây ion hóa quang chất khí tạo
nên các điện tử thứ cấp. Các điện tử này bị hút về phía cực dương tạo nên đồng thời nhiều
thác điện tử thứ cấp (hình 1.2b). Điện tử của thác thứ cấp chạy vào khu vực tập trung ion
dương của thác đầu tiên và biến khu vực này thành Plasma (hình 1.2c) tức là thành dòng
(srteamer) dẫn điện. Cường độ điện trường trong dòng giảm thấp, trong khi đó ion dương của
thác đầu tiên còn lại và của các thác thứ cấp tập trung ở đầu dòng làm cho cường độ trường ở
đấy tăng cao tạo điều kiện cho sự ion hóa quang chất khí và sự hình thành của thác thứ cấp
mới ở khu vực này. Điện tử của chúng bị hút vào đám ion dương và biến khu vực này thành
Plasma (hình 1.2d), kết quả là dòng được kéo dài thêm một đoạn về phía cực âm. Quá trình
lại diễn ra tiếp tục, tương tự như vậy, cho đến khi dòng kéo dài qua toàn bộ khoảng cách khí
bị phóng điện xuyên thủng (hình 1.2e).
6


Phóng điện xuất hiện dưới dạng tia lửa hoặc hồ quang tùy theo công suất nguồn. Vì
dòng xuất phát từ cực dương nên được gọi là dòng dương (dòng anode), tốc độ phát triển
trung bình của nó vào khoảng 3.108 cm/s (khoảng 1% tốc độ ánh sáng).
1.3.1.3. Điện áp phóng điện xuyên thủng (Uct) khoảng cách khí trong điện
trường đồng nhất – Định luật Paschen.
Như đã trình bày ở trên điện trường đồng nhất, khi điều kiện phóng điện tự duy trì
được thực hiện thì sẽ dẫn đến phóng điện xuyên thủng khoảng cách khí, Tức là điện áp phóng
điện xuyên thủng Uct bằng điện áp phóng điện tự duy trì U0. Do đó có thể xác định điện áp
phóng điện xuyên thủng từ điều kiện phóng điện tự duy trì.

1 
s  ln  1



(1.6)
 A0U i
 Ect 

Biết   A0 .exp





Với Ect: cường độ điện trường lúc phóng điện xuyên thủng, trong trường đồng nhất
Ect 

U ct
s



Như vậy:   A0s. exp 


1 
A0U is 
  ln   1
U ct 




(1.7)

Từ đó suy ra điện áp xuyên thủng khoảng cách khí:
U ct 

A 0 U i ( s )
 f ( s )
A0 ( s )
ln
1

ln   1 



(1.8)

Biểu thức này cho thấy:
“Trong điện trường đồng nhất, điện áp phóng điện xuyên thủng khoảng cách khí là
hàm của tích số mật độ chất khí với chiều dài khoảng cách khí”.
Quy luật này đã được Paschen, (Bác học Đức 1865 – 1974) xác định bằng thực
nghiệm nên được gọi là qui luật Paschen.
Đường cong Uct = f(  s ) (hình 3.3) đi qua một cực tiểu ở trị số  s tương đối bé, tương
ứng với điều kiện ion hóa va chạm thuận lợi nhất, tức là lúc hệ số ion hóa va chạm điện tử α
có trị số lớn nhất.

7

Hình 1.3: Quan hệ U ct  f ( s ) và Ect /   f ( s ) đối với không khí.
Đối với không khí, điện áp phóng điện bé nhất U ct  300V khi  s  0,0007 cm.
Để giải thích quan hệ này, cần nhắc lại rằng, để có phóng điện tự duy trì, số lần ion
hóa va chạm bởi 1 điện tử trong khoảng cách khí phải đạt đến một trị số không đổi nhất định
nào đó, ví dụ đối với không khí ở điều kiện bình thường thì:
 A U (s) 
  20
  A0 (s) exp  0 i
(1.9)
U ct 

1
Ở đây A0s  s là số lần va chạm gây nên bởi một điện tử trên toàn bộ khoảng cách
e
 A U s 
s, còn exp  0 i    là xác xuất ion hóa khi va chạm. Quan hệ s  f (s ) có dạng giống
U ct 

như đường cong   f ( ) .

Trị số cực đại (s) max xảy ra tại trị số (s) m , đó
là lúc điện áp phóng điện bé nhất. Bên trái trị số (s) m
, khi δs giảm thì số lần ion hóa va chạm giảm, do số
lần va chạm giảm nhanh hơn sự tăng xác xuất ion hóa.
Còn bên phải chữ số (s) m , khi tăng δs thì số lần ion
hóa va chạm s cũng giảm do ion hóa xác xuất giảm
nhanh hơn sự tăng số lần va chạm. Trong cả hai
trường hợp, để duy trì sự phóng điện, tức là để giữ cho

s không đổi cần phải tăng xác suất ion hóa bằng cách
tăng điện áp tác dụng.
Quan hệ của cường độ điện trường theo  s khi
phóng điện xuyên thủng

Hình 1.4: Quan hệ  s  f ( s)

Ect U ct
A0 U i



s ln A0 (s )
1 
ln   1



(1.10)

Cũng được trình bày trong hình 1.3 (đường cong nét đứt)
8


Quy luật Paschen có nhiều ứng dụng thực tế:
- Sự tăng điện áp phóng điện xuyên thủng khi tăng mật độ (hay áp suất) khí được ứng
dụng trong chế tạo cáp có điện môi là khí nén. Không khí ở áp suất 10 – 15 atu có độ bền
điện xấp xỉ dầu máy biến áp sạch, nhờ đó kích thước thiết bị giảm đi rất nhiều.
- Còn sự tăng điện áp phóng điện của chất khí ở mật độ rất thấp được ứng dụng
trong các kết cấu cách điện chân không như đèn kenotron cao áp, tụ chân không

cao áp ...
- Điện áp phóng điện bé nhất cũng được ứng dụng trong các thiết bị phóng điện khí
(dùng trong bảo vệ chống quá điện áp).
1.3.2. Phóng điện trong điện trường không đồng nhất.
1.3.2.1. Độ không đồng nhất của điện trường.

Hình 1.5: Điện trường không đồng nhất có dạng cực đối xứng
(a) và không đối xứng (b & c).
Trong điện trường không đồng nhất, cường độ điện trường không giống nhau dọc theo
chiều dài khoảng cách.
Trong điện trường tạo nên bởi các điện cực đối xứng, thì cường độ điện trường lớn
nhất trên bề mặt điện cực, và bé nhất ở chình giữa khoảng cách (hình 1.5a). Trong điện
trường với các điện cực dạng không đối xứng thì cường độ trường lớn nhất ở trên mặt điện
cực có bán kính cong bé, còn chỉ số bé nhất dịch về phía điện cực đối diện (hình 1.5b và c).
Mức độ không đồng nhất của điện trường được đặc trưng bởi hệ số không đồng nhất:
k E max / Etb với E tb 

U
s

(1.11)

Như vậy đối với điện trường đồng nhất thì k = 1, không đồng nhất thì k > 1 và k càng
lớn khi bán kính cong của điện cực càng bé và khoảng cách giữa các điện cực càng lớn.
Độ không đồng nhất của điện trường có ảnh hưởng nhiều đến sự phát triển của quá
trình phóng điện của các điện cực.
Để có một khái niệm về ảnh hưởng đó, xét phân bố trường của ba tụ điện khí hình trụ
đồng tâm có điện cực ngoài bán kính R không đổi, còn bán kính điện cực trong khác nhau, do
đó hệ số không đòng nhất sẽ khác nhau. Như đã biết, cường độ điện trường trong một điện
cực hình trụ được xác định theo:

E( x ) 

U
R
x ln
r

(1.12)

9


Và trị số lớn nhất trên bề mặt trụ trong bằng: E max  U
r ln

R
r

Chọn điện áp tác dụng trên tụ trong 3 trường hợp sao cho Emax bằng nhau và bằng
cường độ điện trường tới hạn E0 = 30 kV/cm. Vẽ phân bố cường độ điện trường E(x) và biến
thiên của hệ số ion hóa va chạm điện tử α(x) cho cả 3 trường hợp
 AU 
 ( x)  A0 exp  0 i
 E( x )


  f ( x)



(1.13)

Hình 1.6: Phân bố trường E ( x) và hệ số ion hóa va chạm  ( x) trong tụ hình trụ ở 3 trường
hợp r = 8cm; 5cm; 0,6cm
Hình 1.6 tương ứng với R = 10cm và lần lượt:
r1 = 8cm

→ k = 1,1 đường E1 (x) và α1(x)

r2 = 5cm

→ k = 1,5 đường E2 (x) và α2(x)

r3 = 0,6cm

→ k = 5,5 đường E3 (x) và α3(x)

- Trong trường hợp thứ nhất với hệ số không đồng nhất bé, k = 1,1 thì α(x) có giá trị
khác không trong toàn bộ khoảng cách khí, điều đó có nghĩa là thác điện tử đầu tiên đi qua
suốt chiều dài khoảng cách khí, sau đó hình thành dòng dương (anode).
- Trường hợp thứ hai, hệ số không đồng nhất cao hơn chút ít, k = 1,5 thì α(x) có giá
trị khác không trong một phần đáng kể khoảng cách khí có nghĩa là thác điện tử đầu tiên phát
triển qua khoảng cách khí đó rồi tạo thành dòng. Tuy nhiên cường độ điện trường trong
khoảng cách còn lại đủ cao, đảm bảo cho sự ion hóa chất khí và sự phát triển tiếp tục của
dòng cho đến cực ngoài.
- Trường hợp thứ ba, hệ số không đồng nhất rất cao, k = 5,5 thì α(x) có giá trị khác
không chỉ trong một cự ly rất ngắn gần bề mặt cực trong, cho nên thác điện tử đầu tiên chỉ đi
qua khoảng cách rất ngắn này và dòng được tạo nên không thể phát triển đến cực ngoài được
10

vì cường độ điện trường trong khoảng cách còn lại quá bé không đủ để gây ion hóa chất khí
tiếp tục.
1.3.2.2.

Phóng điện tự duy trì trong điện trường hơi không đồng nhất.

* Qui luật đồng dạng của phóng điện:
Như đã trình bày trên, quá trình phóng điện trong điện trường hơi không đồng nhất
tương tự như trong điện trường đồng nhất, tác là khi điều kiện phóng điện tự duy trì được
thực hiện thì sẽ dẫn đến phóng điện xuyên thủng khoảng cách khí. Nhưng trong điện trường
không đồng nhất nói chung, do phân bố cường độ điện trương E(x) không giống nhau trong
khoảng cách nên hệ số ion hóa va chạm điện tử α(x) ≠ const. Vì vậy điều kiện phóng điện tự
duy trì ở đây có dạng.
s

1



  ( x)dx  ln    1  const

(1.14)

0

Tích phân này được tiến hành theo đường sức ngắn nhất nối hai điện cực. Chính vì E
và α phụ thuộc vào dạng trường nên không có một công thức chung cho điện áp phóng điện
xuyên thủng, chỉ đối với những dang trường đơn giản, cho phép xác định được E và α bằng
giải tích thì mới có thể tính toán được điện áp phóng điện xuyên thủng từ điều kiện phóng

điện duy trì: Uct = U0.
Ví dụ: Trường hợp điện trường trong khoảng cách khí giữa hai điện cực hình trụ đồng
tâm (s = R-r < r), biết:
E ( x) 

U0
R
x ln
r

(1.15)

R 

 A0U i ln x 
 A0U i 
r 
  A0 exp 
→  ( x)  A0 exp 

E
U


( x) 
0




Theo điều kiện phóng điện tự duy trì ở áp suất khí quyển:
R 

 A0U i ln

r x dx  ln 1  1  20

A

exp


r 0  U 0






R

Tính được:
 
R 
R


 A0U i ln R 
  A0U i ln r 
r r   20

exp 
r   exp 

R 
U
U
r



0
0

U i ln




r  



U0

(1.16)

Có thể thấy điện áp phóng điện từ duy trì trong dạng trường này có dạng tổng quát:
U 0  f (r , R r )

(1.17)

11


Vì dạng trường này được xác định hoàn toàn bởi hai kích thước hình học độc lập, nên
cũng có thể biểu thị U0 dưới dạng tổng quát sau:
R
r
R
U 0  f (r , )  f (R, )  f (s , )
r
R
s

(1.18)

Đấy là cách biểu thị toán học của qui luật Paschen tổng quát, trong điện trường hơi
không đồng nhất còn được gọi là qui luật đồng dạng của phóng điện:
“Trong điện trường hơi không đồng nhất, điện áp phóng điện tự duy trì U0 của khoảng
cách khí là hàm của tích số mật độ δ (hay áp suất p) của chất khí với một kích thước hình học
của trường và là hàm của tỉ số đối với kích thước đó của các kích thước hình học độc lập còn
lại của trường”.
Áp dụng qui luật này để viết điện áp phóng điện tự duy trì của khoảng cách khí s giữa
hai điện cực hình cầu có bán kính R và r với s < r:
s r
 r R
 s R

U 0  f1   s , ,   f 2   r , ,   f 3   R , , 
R R

 s s
 r r


(1.19)

Qui luật đồng dạng của phóng điện trong điện trường hơi không đồng nhất cho thấy:
- Có thể bằng cách nâng cao mật độ (hay áp suất) của chất khí để nâng cao điện áp
phóng điện xuyên thủng của khoảng cách khí.
- Trong hai khoảng cách khí đồng dạng về hình học, điện áp phóng điện chỉ còn làm
hàm của tích số δs, và nếu lại cho mật độ δ thay đổi tỉ lệ nghịch voeis khoảng cách s thì điện
áp phóng điện cảu hai khoảng cách khí sẽ bằng nhau. Điều này cho phép trong thực nghiệm
dùng mô hình đồng dạng để nghiên cứu điện áp phóng điện trong một dạng trường hơi không
đồng nhất nào đó.
- Để chứng minh hệ quả này, có thể lấy ví dụ hai tụ khí hình trụ đồng dạng có các
kích thước tỉ lệ nhau theo:
r1 R1 s1

 a
(1.20)
r2 R2 s2
Nếu mật độ chất khí trong hai khoảng cách chọ theo tỉ lệ

1 1
 thì điện áp phóng điện
2 a

tự duy trì trong hai trường hợp phải bằng nhau.
Giả thuyết cho tác dụng lên hai khoảng cách khí một điện áp giống nhau U1 = U2 = U,
nếu số lần ion hóa va chạm trong hai khoảng cách khí bằng nhau m1 = m2, tức là điều kiện

phóng điện tự duy trì trong hai khoảng cách khí xảy ra ở cùng một điện áp.
Vì hai khoảng cách khí chịu tác dụng cùng một trị số điện áp nên cườn độ điện trường
tại các điểm tương ứng của chúng có quan hệ theo tỉ lệ

E1 ( x) 1

E2 (ax) a

Hệ số ion hóa va chạm trong khoảng cách khí thứ nhất bằng:
1  1 f (

E1

E
) thay  1  2 , E1  2
1
a
a

Sẽ có: 1 

2
a

 E /a  
f  2   2
 2 / a  a

(1.21)

E  
f  2   2
 2  a

12


R1

Số lần va chạm ion hóa trong khoảng cách khí thư nhất bằng m1   1dx1 , thay đổi
r1

biến số và giới hạn tích phân một cách tương ứng sẽ có:
R2

R

2
2
m1   d (ax2 )    2 dx2 m2
a
r2
r2

(1.22)

Như vậy hệ quả thứ hai đã được chứng minh.
1.3.2.3. Phóng diện trong điện trường rất không đồng nhất:
Trong điện trường đồng nhất khi điện áp tác dụng nhỏ hơn điện áp phóng điện tự duy
trì, U < U0, thì thực tế không có ion hóa va chạm, tác không có điện tích không gian trong

khoảng cách khí, cho nên khi U ≥ U0 thì thác điện tử đầu tiên hình thành và phát triển trong
điều kiện không có ảnh hưởng của điện tích không gian.
Nhưng trong điện trường rất không đồng nhất, ngay cả khi điện áp tác dụng còn nhỏ
hơn điện áp phóng điện tự duy trì U < U0, thì cường độ điện trường ở bề mặt điện cực có bán
kính cong bé đã có thể đủ cao để gây ion hóa chất khí. Đám điện tích không gian, trong đó
quyết định là đám ion dương, được tạo ra ở gần điện cực có bán kính cong bé trong giai đoạn
trước phóng – điện này làm biến dạng điện trường ngoài và có ảnh hưởng quan trọng đến quá
trình phóng điện tiếp theo.
Trong điện trường không đối xứng, sự biến dạng trường ngoài khác nhau tùy thuộc
cực tính của điện cực có bán kính cong bé, do đó có ảnh hưởng khác nhau đến sự phát triển
phóng điện và trị số điện áp phóng điện vầng quang Uvq và điện áp phóng điện xuyên thủng
Uct.
Trong mô tả các quá trình phóng điện sau đây sẽ dùng các khoảng cách khí giữa một
cực thanh và một cực bảng phẳng để đặc trưng cho trường không đồng nhất không đối xứng.
 Phóng điện vầng quang:
i. Khi cực thanh dương (hình 1.7).

13


Hình 1.7: Phóng điện vầng quang
Hình 1.8: Phóng điện vầng quang
khi cực thanh dương
khi cực thanh âm
Khi điều kiện phóng điện tự duy trì được thực hiện (hình 3.6), điện áp tác dụng lên hai
điện cực U = U0, các điện tử được tạo nên trong khoảng cách trong giai đoạn trước phóng
điện trên đường chạy về cực dương gây ion hóa tạo nên những thác điện tử, đầu thác hướng
về cực thanh (hình 1.7a). Chuyển dịch trong phạm vi cường độ điện trường cao, các điện tử
nhẹ bay nhanh về cực thanh và bị trung hòa tại đấy, để lại trước đầu cực thanh một đám ion
dương chuyển dịch chậm chạp về phía cực bảng âm (ion có khối lượng lớn lại chuyển dịch

về khu vực có cường độ điện trường giảm nhanh, nên tốc độ chậm hơn nhiều so với điện tử)
(hình 1.7b). Điện trường riêng của đám ion dương Eq+ này làm giảm điện trường ngoài E về
phía cực thanh và tăng E về phía cực bảng (hình 1.7c). Do đó sự ion hóa tiếp tục ở gần cực
thanh bị yếu đi, tức là làm cho điều kiện phóng điện tự duy trì khó được thực hiện, nói cách
khác, gây khó khăn cho sự bắt đầu phóng điện vầng quang.
ii. Khi cực thanh âm:
Các điện tử có mặt ở gần cực thanh chuyển dịch về phía cực bảng trong khu vực
cường độ điện trường cao gây ion hóa va chạm tạo nên các thác điện tử, đầu thác hướng về
phía cực bảng (hình 1.8a). Các điện tử của thác rời khỏi khu vực điện trường cao, tốc độ
giảm đần, một số bay về đến cực bảng và bị trung hòa, còn một số bám vào các phân tử
oxygen tạo thành ion âm, phân bố rãi rác trong khoảng cách. Còn các ion dương chạy về cực
thanh, nhưng do khối lượng lớn nên tốc độ không cao, kết quả là trước đầu cực thanh tập
trung một đám ion dương mật độ cao (hình 1.8b) và điện trường riêng Eq+ của chúng gây nên
biến dạng trường ngoài đáng kê (hình 1.8c).
Điện trường ở gần cực thanh được tăng cường làm dễ dàng cho sự ion hóa tiếp tục, tạo
điều kiện thuận lợi cho sự xuất hiện phóng điện vầng quang. Mặt khác khu vực phóng điện
thu hẹp lại ở gần đầu cực thanh, vì cường độ điện trường ở bên phải đám điện tích dương
giảm xuống rất nhanh.
Tóm lại, điện áp phóng điện vầng quang khi cực thanh âm bé hơn khi cực thanh
dương:


U vq  U vq



14


 Phóng điện xuyên thủng khoảng cách khí:

i. Khi cực thanh dương (hình 1.9).
Nếu tăng điện áp tác dụng,
cường độ điện trường tổng E- được nâng
cao, đến lúc nào đấy sẽ gây ion hóa chất
khí và tạo thành thác ở khu vực bên phải
đám ion dương (hình 3.9a). Điện tử của
thác mới (II) bay vào vùng tập trung điện
tách dương của thác đầu tiên và tạo thành
dòng – Plasma (hình 1.9b). Cường độ
điện trường trong dòng giảm thấp và tăng
cao ở đầu dòng. Thêm vào đó đầu dòng
tập trung đám điện tích dương của thác
(II), chúng có tác dụng nâng cao cường
độ điện trường ở đầu dòng (hình 1.9d,
đường cong 2), tạo điều kiện cho sự ion
hóa tiếp tục và hình thành thác điện tử
mới ở đầu dòng (hình 1.9b). Điện tử của
thác (III) chạy vào khu vực tập trung điện
tích dương còn lại của thác trước (II),
biến khu vực này thành Plasma. Kết quả
là dòng ngược kéo dài thêm một đoạn về
phía cực bảng âm (hình 1.9c), và cường
độ điện trường ở đầu dòng lại tiếp tục
nâng cao (hình 1.9d, đường 3) gây ion
hóa và tạo thành thác mới (IV).
Quá trình diễn ra tiếp tục
tương tự, và dòng kéo dần về phía cực
Hình 1.9: Quá trình phóng điện xuyên thủng
bảng âm với tốc độ ngày càng nhanh, do
khoảng cách khí khi cực thanh dương

dòng càng dài thì cường độ điện trường ở
đầu dòng càng tăng cao. Như vậy đám
điện tích dương ở đầu dòng tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển lien tục của dòng về phía
cực bảng dương tức là làm dễ dàng cho sự phóng điện xuyên thủng khoảng cách khí.
Vì dòng trong trường hợp này xuất phát từ cực thanh dương, tốc độ phát triển
trung bình của nó vd+≈10-8 -10-9 cm/s.
ii. Khi cực thanh âm (hình 1.10).

15


Đám điện tích dương phía
trước cực thanh làm cường độ điện
trường ở đầu cực thanh tăng cao và
giảm đột ngột về phía cực bảng. Kết
quả là ion hóa xảy ra mãnh liệt và làm
xuất hiện đồng thời nhiều thác điện tử
(I’) trong phạm vi hẹp giữa đầu cực
thanh và đám điện tích dương phía
trước nó (hình 3.10a). Điện tử của các
thác này cùng với đám ion dương tạo
thành Plasma. Quá trình phát triển tiếp
tục cho đến khi dòng chiếm lĩnh toàn
bộ khoảng cách mà thác đầu tiên đã đi
qua (hình 1.10c và b). Plasma tỏa rộng
bao trùm cực thanh, tương đương sự
tăng bán kính cong của cực thanh, do
đó làm giảm bớt mức độ không đồng
nhất của điện trường → cường độ
trường trong dòng giảm và ở đầu dòng

tăng cao, nhưng chưa đủ cao để có thể
gây ion hóa chất khí tiếp tục (đường
1’ hình 1-10d). Sau đó, nếu tiếp tục
Hình 1.10: Quá trình phóng điện xuyên thủng
tăng điện áp tác dụng thì cường độ
khoảng cách khí khi cực thanh âm
điện trường ở đầu dòng mới tăng lên
(đường 2 hình 1.10d) tạo điều kiện cho sự ion hóa và hình thành thác thứ cấp (II). Thác này
cũng chỉ phát triển được một khoảng cách ngắn rồi dừng lại vì càng đi sâu vào khoảng cách
thì cường độ trường càng yếu. Điện tích dương của thác mới (II) làm tăng cường độ điện
trường về phía trái của nó (đầu dòng) làm cho ion hóa trong khu vực này phát triển mãnh liệt,
tạo nên nhiều thác điện tử (II’) dẫn đến sự hình thành Plasma trong khoảng cách mà thác (II)
đã đi qua (hình 1.10d). Sau đó nếu tiếp tục tăng điện áp, để tăng cường độ điện trường ở đầu
dòng thì mới tạo điều kiện cho sự xuất hiện thác mới (III) sâu vào khoảng cách (hình 1.10e
đường 3). Quá trình lập lại tương tự như vậy, cho đến khi dòng kéo dài đến cực bảng dương,
gây phóng điện xuyên thủng khoảng cách khí. Dòng Plasma trong trường hợp này xuất phá
từ cực âm nên gọi là dong âm (dòng katode). Do phát triển gồm nhiều giai đoạn, không liên
tục, nên tốc độ trung bình của dòng âm bé hơn nhiều so với dòng dương, và vào khoảng vd-≈
106 – 107 cm/s. Ngoài ra sau mỗi giai đoạn phải nâng cao điện áp tác dụng để mở rộng khu
vực phóng điện, nên điện áp xuyên thủng khoảng cách khí khi cực thanh âm cao hơn nhiều so
với khi cực thanh dương.


U ct  (2  2,5)U ct



 Giai đoạn phóng điện chủ yếu hay phóng điện ngược.
Sự khác nhau về cực tính của cực thanh khiến cho quá trình hình thành và phát triển
của dòng có khác nhau, nhưng điểm giống nhau là ở chỗ dòng điều xuất phát từ cực thanh và

kéo dài dần về phía cực bảng. Khi dòng tiếp cận cực bảng thì khe hở khí bị xuyên thủng.
Nhưng đó chưa phải là pha cuối cùng của quá trình phóng điện.
16


Hình 1.11: Sự phát triển của phóng điện chủ yếu (a, b, c) và sự phân bố cường độ điện
trường trong khe phóng điện (d).
Vì dòng (1) dẫn điện nên sự phát triển của nó có thể xem tương đương như sự kéo dài
của cực thanh sâu vào khoảng cách, điện thế ở đầu dòng gần bằng điện thế ở cực thanh
(Chênh lệch boeir phần điện áp giáng không lớn lắm trên than dòng). Khi dòng (1) gần tiếp
cận với cực bảng (hình 1.11,a) thì cường độ điện trường trong khe hở nhỏ còn lại (2) giữa
đầu dòng và cực bảng sẽ tăng lên rất cao (hình 1.11,d, đường α) vì hầu như toàn bộ điện áp
đặ lên khe hở này, gây nên ion hóa chất khí rất mãnh liệt và tạo nên Plasma mới (3) vói mật
độ điện tích rất cao trong khe hở này (hình 1.11,b). Plasma mới (3) có điện dẫn rất cao cường
độ điện trường cần thiết để duy trì nó rất bé, nên điện thế ở đầu dòng (3) có thể coi như bằng
điện thế của cực bảng. Như vậy cường độ điện trường ở khu vực tiếp giáp (4) giữa hai dòng
(1) và (3) sẽ tăng cao (hình 1.11,d, đường δ) gây ion hóa mãnh liệt và biến khu vực này
thành Plasma với mật độ điện tích cao. Cứ như thế khu vực có cường độ điện trường tăng cao
và ion hóa mãnh liệt (4) chuyển dịch với tốc độ cao về phía cực thanh (hình 1.11c và d,
đường γ). Quá trình này xuất phát từ cực bảng phá triển về phá cực thanh, ngược chiều với
dòng (1) ban đầu nên được gọi là phóng điện ngược. Chạy qua dòng ngược này là dòng điện
ngắn mạch khoảng cách khí của nguồn cung cấp, vì vậy còn gọi là giai đoạn phóng điện chủ
yếu.
Tốc độ phát triển của quá trình phóng điện chủ yếu rất cao khoảng 109 - 1010 cm/s.
Phóng điện xuyên thủng dưới dạng tia lửa hay hồ quang tùy theo công suất của nguồn cung
cấp và thời gian tác dụng của điện áp. Tóm lại, trong điện trường rất không đồng nhất, khi
điều kiện phóng điện tự duy trì được thực hiện thì chỉ mới gây nên phóng điện vầng quang
trong một lớp khí rất mỏng quang điện cực có bán kính cong bé. Khi điện áp tác dụng tăng
lên thì khu vực phóng điện vầng quang được mở rộng. Khi điện áp đủ cao thì dẫn đến phóng
điện xuyên thủng khoảng cách khí. Cường độ điện trường trung bình khi phóng điện xuyên

thủng khoảng cách không khí không lớn lắm (khoảng vài chục centimet trở lại) vào khoảng
8-15kV/cm, tức là thấp hơn rất nhiều so với cường độ điện trường tới hạn của không khí
trong điện trường đồng nhất (khoảng 30kV/cm). Điều này được giải thích bởi đặc điểm của
sự phóng điện theo dòng, dòng đã gây nên biến dạng trường trong phần khoảng cách chưa
phóng điện và nâng cao cường độ điện trường ở đầu dòng.
17


 Đặc điểm của quá trình phóng điện trong khoảng cách khí lớn – giai đoạn
phóng điện tiên đạo (leader).
Trong những khoảng cách không khí lớn từ một vài mét trở lên, như giữa dây dẫn của
các pha khác nhau, giữa dây dẫn pha dưới đất của các đường dây tải điện siêu cao áp, giữa
mây giông và mặt đất v.v…, quá trình phóng điện có những đặc điểm riêng. Với khoảng cách
lớn như vậy, mật độ điện tích cua dòng rất bé (khoảng 1012 ion/cm3) điện dẫn của dòng
không cao, do đó điện áp giáng trên chiều dài của dòng đáng kể, cường độ điện trường ở đầu
dòng khi dòng đạt đến một chiều dài nào đó, không còn đủ cao để tiếp tục gây ion hóa không
khí, dòng không tiếp tục phát triển được nữa. Theo đường mà dòng đã đi qua xuất hiện một
giai đoạn phóng điện mới – phóng điện tiên đạo (leader). Quá trình diễn ra nha sau:

Hình 1.12: Sơ đồ giải thích cơ chế phóng điện tiên đạo: dòng tiên đạo mk chiếm lĩnh
dần đoạn đường mn mà dòng (streamer) đã đi qua.
Khi điện áp tác dụng lên khoảng cách tăng thì chiều dài của dòng tăng và khi dòng dài
ra thì điện dung giữa hai đầu dòng và điện cực đối diện sẽ tăng lên làm tăng dòng điện chạy
trong dòng:
i

d
dC
dU
(UC )  U

C
dt
dt
dt

(1.23)

Có nghĩa là mật độ điện tử chuyển dịch trong dòng plasma dưới tác dụng của điện
trường (hướng về cực thanh dương – trường hợp dòng dương, hoặc ròi xa cực thanh âm –
trường hợp dòng âm) tăng lên. Khi mật độ dòng điện đủ cao, tức là dòng điện đủ lớn, khe
plasma bị đốt nóng lên nhiệt độ khá cao (T > 30000K), gây ion hóa nhiệt chất khí và cung cấp
cho dòng nhiều điện tích mới, làm cho điện dẫn của khe plasma tăng lên, và do đó dòng điện
lại tiếp tục tăng. Bộ phận của dòng được cung cấp thêm điện tích mới bởi ion hóa nhiệt được
gọi là dòng tiên đạo (leader) hình 3.13a, đoạn mn.
Dòng tiên đạo xuất phát từ điện cực có bán kính cong bé, ví toàn bộ dòng điện tử điều
đi qua tiết diện của khe plasma ở gầnđiện cực nên ở đây được đốt nóng trước tiên. Mật độ
điện tích trong dòng tiên đạo đạt đến 1018 ion/cm3, tức cao hơn rất nhiều so với dòng plasma
ban đầu (1012 ion/cm3) do đó điện dẫn của nó cao hơn và điện áp giáng trên nó thấp hơn. Vì
vậy khi dòng điện tiên đạo (leader) đã chiếm lĩnh toàn bộ chiều dài mà dòng đã đi qua thì
cường độ điện trường ở đầu khe tiên đạo tăng cao, tạo điều kiện cho sự ion hóa phá triển
(hình 1.13b) và dòng kéo dài sâu vào khoảng cách khí. Dòng kéo dài them mộ đoạn nhất định
cho đến khi cường độ trường ở đầu dòng không còn đủ cao để tiếp tục gây ion hóa không khí
thì dừng lại (hình 1.13c, đoạn kl) và dòng tiên đạo phá triển chiếm lĩnh dần đoạn đường mà
dòng đã đi qua. Quá trình lại tiếp tục phá triển tương tự như trên, cho đến khi dòng tiên đạo
tiếp cận điện cực đối diện thì bắt đầu giai đoạn phóng điện ngược.

18


Chính cơ cấu phóng điện này đã

đảm bảo cho dòng tiên đạo phát triển
dần qua toàn bộ khoảng cách khí lớn
trong một điện trường có cường độ
điện trường rất bé. Ví dụ như phóng
điện sét với khoảng cách khí vài ba
kilomet đã hình thành với cường độ
điện trường trung bình khoảng 12kV/cm.
Trong việc xây dựng các đường
dây siêu cao áp, các khoảng cách khí
phải được lựa chọn thích hợp (đủ lớn)
để không xuất hiện dạng phóng điện
loại này (dạng leader dương).
Hình 1.13: Sự phát triển của dòng tiên đạo dương
Sự phóng điện theo dòng
a) Tiên đạo phát triển theo chiều dài dòng mk
(Streamer) trong điện trường rất không
đồng nhất là một dạng phóng điện cục
b) Tiên đạo chiếm lĩnh toàn bộ chiều dài mk
bộ, đồng thời có tính chất xung. Dòng
c) Dòng tiếp tục phát triển kl
điện xung của streamer, tùy thuộc vào
khoảng cách giữa các điện cực, nằm trong phạm vi từ mA đến A.
Nếu tăng điện áp vượt quá điện áp phát sinh dòng thì dòng sẽ dài thêm và số dòng
trong một đơn vị thời gian cũng tăng lên. Trong điện trường rất không đồng nhất sự phóng
điện theo dòng có tính chất ổn định, tức là sự phóng điện cục bộ lặp lại một cách ngẫu nhiên
và không dẫn đến phóng điện xuyên thủng. Trong điện trường hơi không đồng nhất sự phóng
điện theo dòng không ổn định, nó chuyển qua những giai đoạn phóng điện khác để đi đến
phóng điện xuyên thủng.
Nếu tăng điện áp vượt quá điện áp phát sinh dòng, thì như đã nêu ở trên, chiều dài của
dòng và tần số lặp lại của các xung sẽ tăng, làm tăng cường năng lượng trong khu vực dòng

phát triển và nóng lên một cách mãnh liệt, tạo khả năng cho sự ion hóa nhiệt các nguyên tử
(và phân tử) khí trung tính. Sự xuất hiện điện tích do ion hóa nhiệt tạo nên một dạng phóng
điện cục bộ mới – phóng điện leader (tiên đạo). Dạng phóng điện tiên đạo này có đặc tính VA âm. Và có tính chất gián đoạn. Trong điện trường rất không đồng nhất phóng điện tiên đạo
cũng có tính chất ổn định, đó là phóng điện tia lửa. Điện áp giáng trên dòng tiên đạo rất thấp,
tùy thuộc chiều dài khoảng cách phóng điện nằm trong phạm vi 0,15 đến 0,03 MV/m. Tỉ số
bé tương ứng với khoảng cách không khí lớn (vài mét).
Ở điện áp rất cao, trong điện trường rất không đồng nhất, phóng điện leader ổn định sẽ
chuyển sang dạng không ổn định, mở đầu cho giai đoạn phóng điện hồ quang xuyên thủng
khoảng cách khí.
Trong điện trường hơi không đồng nhất, phóng điện leader luôn luôn không ổn định
và đó là một giai đoạn chuyển tiếp (quá độ).
1.3.2.4. Tác dụng nâng cao điện áp phóng điện của màn chắn trong điện trường
không đồng nhất:
Sự phân tích quá trình phóng điện trong chất khí ở điện trương không đồng nhất cho
thấy rằng sự tồn tại của các điện tích không gian, đặc biệt của đám ion dương, trong khoảng
19