BÀI GIẢNG: KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ CAO ÁP PHÓNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN MÔI

CHươNGư7

PHóNGưđIệNưTRONGưđIệNưMôI

7.1ư

Giớiưthiệu

7.2ư

Phóngưđiệnưtrongưchânưkhông

7.3ư

Phóngưđiệnưtrongưchấtưkhí

7.4ư

Phóngưđiệnưtrongưchấtưlỏng

7.5ư

Phóngưđiệnưtrongưchấtưrắn

7.6ư

Phóngưđiệnưxungưkích

7.7ư

Phóngưđiệnưvầngưquang

7.8ư

Phóngưđiệnưdọcưtheoưbềưmặtưcáchưđiệnưrắn

7.9ư

Phóngưđiệnưcụcưbộ


7.1 Giới thiệu
Tính chất của một môi trờng 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 đợc 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 trờng không thể tăng không có
giới hạn. Khi có một điện trờng đặt đủ lớn lên hai điện cực với môi trờng cách điện
(chân không hoặc một điện môi) thì sẽ xảy ra quá trình đặc biệt. Môi trờng vốn
đợc xem là cách điện sẽ bị nối liền bằng tia lửa điện (hồ quang) có điện dẫn rất
cao
Ngời ta gọi hiện tợng 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 ngợc đợc.
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 chơng trớc, 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 hởng cho phép có những biện pháp ngăn ngừa phóng điện trong thiết kế,
vận hành thiết bị điện cũng nh dự báo

Phóng điện chọc thủng là một hiện tợng 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 thờng của thiết bị và hệ thống điện không
còn đợc đảm bảo


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

Phóng điện một phần (discharge) - một dạng phóng điện nói chung, không
hoàn toàn ví dụ nh 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 nh giai đoạn cuối cùng của phóng điện với vì nếu ta nâng
điện áp đặt lên vật cách điện vợt quá ngỡng phóng điện cục bộ thì đến một
lúc nào đó sẽ xảy ra phóng điện


Để đặc trng cho khả năng của một vật liệu cách điện có thể làm việc lâu dài dới
tác dụng của điện áp hoặc điện trờng cao ngời ta thờng dùng khái niệm độ bền
điện, đó là cờng độ điện trờng cực đại có thể đặt lên vật liệu mà không dẫn

đến phóng điện
Ngời ta cũng dùng khái niện cờng độ điện trờng khi xảy ra phóng điện
Đại lợng này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố

độ đồng nhất của điện trờng (kích thớc hình học, khoảng cách giữa các đ
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 trờng (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 hởng đến độ bền điện của các chất cách điện, đặc biệt là
cách điện thể rắn là điện trờng 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 trờng thấp
hơn
Môi

trờng

cách Độ bền điện

Ghi chú

điện
Không khí, 1 at

31,7 kV/cm, 60 khe hở 1cm
Hz

khí SF6
Polybutene

79,3

kV/cm, sử dụng trong các máy cắt để tránh phóng

60Hz

điện

>138 kV/cm

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

dầu MBA
kV/cm
Ngoài
ra còn phải nói128
thêm
rằng dới tác dụng
của điện trờng và điều kiện làm, các
polypropylene
- 314
kV/cm
tính
chất cách điện 295
của vật

liệu
sẽ bị giảm sút.

Quá trình già cỗi của vật liệu (lão hoá) thờng làm tăng điện dẫn, giảm độ bền cách đ


Để so sánh các vật liệu cách điện theo độ bền điện, ngời 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


Quyưchuẩnưthiếtưbịưthíưnghiệm
1.ưBìnhưđựngưdầu
Cốc đo độ bền điện của chất lỏng (tiêu chuẩn IEC156).

Bình bằng sứ có thể tích vào khoảng 300-500 cm 3.
Trong bình có gắn 2 cực mà khoảng cách giữa chúng có thể thay đổi đợc
Mặt cực yêu cầu phải sử lý thật cẩn thận và trong quá trình sử dụng bình
thí nghiệm phải thờng xuyên kiểm tra trạng thái bề mặt của cực.
Mức dầu trong bình phải cao hơn mép cực ít nhất là 15 mm
2.ưNguồn

Dạng điện áp thí nghiệp : xoay chiều, công suất, độ méo hình sin không q
Tốc độ tăng điện áp : 2 kV/s


Quyưtrìnhưthíưnghiệm
1.ưLấyưmẫuưdầu
1. 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 đa đến kết luận sai lầm về phẩm chất của dầu.
2. Theo qui trình kiểm tra chất lợng của dầu máy biến áp và máy cắt điện thì
mẫu dầu thí nghiệm phải đợc lấy từ thùng máy biến áp hay máy cắt và đợc
đựng trong chai thủy tinh khô, sạch, đậy nút, có gắn xi hoặc parafin.
3. Để lấy mẫu dầu đầu tiên phải mở vòi ở phía dới thùng dầu, để cho dầu chảy
đi 1 ít để rửa sạch vòi, sau đó mới để chai vào lấy dầu.
4. Để cho không khí ẩm không xâm nhập vào trong mẫu dầu thì nên lấy mẫu
khi thời tiết khô ráo khô, lợng dầu lấy để thí nghiệm ít nhất phải đợc 1 lít.
5. Nếu vào mùa đông thì trớc khi tiến hành thí nghiệm cần phải đợc để dầu
trong phòng thí nghiệm trong khoảng thời gian 8-12 giờ để cho dầu có
nhiệt độ trong phòng.
2.ưKiểmưtraưbìnhưthửưdầuưvàưcáchưđổưdầuưvàoưbình
1.
2.
3.

Trớc 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 nhng 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 trớc.

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.


Xửưlýưsốưliệu

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 cờng độ cách điện của dầu theo công thức

Ed =

U ct ( t .binh )
s


Mẫuưthíưnghiệmưđoưđiệnưápưphóngưđiệnưtrongưchấtưrắn

Để đo độ bền điện của các vật liệu rắn đợc tiến hành trong điện trờng 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 nhng tiếp xúc giữa điện cực và vật liệu vẫn là chỗ

yếu nhất.
Trong một số trờng hợp cần có những biện pháp để loại bổ phóng điện theo hiệu
ừng mép cực ví dụ nh sử dụng nhựa epoxy
Điện cực

PMMA

Epoxy

Mẫu


Các thí nghiệm thờng đợc tiến hành dựa trên những đo lờng 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 q


7.2

Phóng điện trong chân không

7.2.1ư Giớiưthiệuư
ý tởng 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 trờng sẽ tự phóng điện,
sự phóng điện nhanh hay phóng điện đột ngột phụ thuộc vào quá trình ion hoá
điện môi

Lúc đầu, ngời ta cho rằng sự vắng mặt của các vật chất (chân không) cho phép
có đợc một cách điện lý tởng 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 ngời 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) nhng 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 đợc 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 p 10-1 Pa) quãng đờng 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 đợc đa ra. Các hiện tợng vật lý đợc xem là thuyết phục hơn cả :
giải thoát điện tử phụ thuộc chủ yếu vào điện trờng
trao đổi các ion với điện cực dẫn đến các vi phóng điện
Hiện tợng phóng điện trong chân không khoảng cách nhỏ d 5mm đợc giải thích bởi sự

giải thoát điện tử từ bề mặt âm cực theo hiệu ứng Fowler-Nordheim.
Với khoảng cách lớn hơn, nó đợc giải thích bởi các vi hạt (microparticles) và các vi
phóng điện (microdischarges).


7.2.2ư Hiệnưtượngưgiảiưthoátưnhiệtưđiệnưtửư(thermoelectronicưemission)
Do mật độ phân tử trong chân không bé nên quá ttrình phóng điện đợc xây dựng
trên giả thiết là các điện tử đợc bức xạ từ các bề mặt điện cực kim loại và thâm
nhập vào khoảng không gian giữa hai điện cực
Kim loại đợc 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 lợng của một điện tử trong điện trờng của các hạt nhân đợc xác định đơn giản

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 lợng của các điện tử chuyển động trong
không gian đặt dới một thế không đổi nh sau

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

W
dW
W Wi

1 + exp
kT

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


ởưnhiệtưđộưT=ư0ưK, năng lợng Wi đợc 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 lợng Wi thay đổi rất ít khi nhiệt độ thay đổi vì thế công thức có giá trị

trong dải nhiệt độ nằm dới nhiệt độ nóng chảy của kim loại.
ở nhiệt độ T=0 K, WTa tính đợc số điện tử Nx(Wx)dWx có mức năng lợng nằm trong khoảng Wx 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 đợc giải thoát từ bề mặt âm cực thì năng lợng Wx phải
= Wa-Wx đợc gọi là công thoát, tức là năng lợng 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.
Khiưtaưtăngưnhiệtưđộưcủaưđiệnưcực, 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 T 2
Wa Wi
b
2
Js =
exp
hay J s =AT exp
3

T
h
kT
Phơng trình trên đợc gọi là phơng trình Richardson-Dushman


âm cực đợc 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 trờng E, tồn tại một khoảng cách tới hạn xc mà ở đó lực tác
dụng lên điện tử bằng 0. Khoảng cách xc đợc tính trên cơ sở cân bằng lực

eE =

2

e
16 o xc2



1 e

xc =
2 4 oE

0,5

Sự giảm năng lợng cho phép các điện tử vợt qua hàng rào thế năng. Hiện tợng 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 đợc


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

T

Phơng trình này (đợc gọi là hiệu ứng Schottky) cho phép xác định ảnh hởng của
điện trờng mạnh, ít nhất cũng vào khoảng 107 V/m đến sự bức xạ nhiệt điện tử

7.2.3ư Hiệnưtượngưthoátưđiệnưtửưbởiưđiệnưtrườngư(fieldưelectronưemission)
ở nhiệt độ bình thờng, nếu điện trờng tăng cao hơn 1010 V/m, sự bức xạ điện tử
gây lên bởi điện trờng.
Một bề mặt điện cực bằng kim loại đợc giả thiết là bức xạ điện tử dới tác dụng của
điện trờng mạnh, ngay cả trong trờng hợp nhiệt độ tuyệt đối (T 0 K). Hiện tợng
giải thoát điện tử bởi điện trờng là do hàng rào năng lợng trên bề mặt điện cực bị
biến đổi dới tác dụng của điện trờng ngoài.
Hình dung một điện tử muốn đợc giải thoát từ vùng dẫn của kim loại có mức năng l
ợng là W, hàng rào năng lợng không thể có chiều dày vô cùng mà phải là hữu hạn và
xác suất điện tử vợt qua hàng rào năng lợng của kim loại sang vùng chân không là
khác 0
W(eV)
Chân không

Kim loại
5

Mức Fermi

WF

10

15

20 X (10-10m)


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

1,5



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

E


t ( y)

1

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.m1
.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 đợc 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 lợng 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 tợng 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 trờng đạt giá trị tới hạn
Trên đầu mút của các điểm này điện trờng tăng cao hẳn so với điện trờng trung
bình và đặc trng bởi hệ số khuyếch đại điện trờng

Emax = Etb=U/d
Phơng trình Fowler-Nordheim biểu diễn quan hệ dòng điện qua chân không và điện
t 2 ( y ) d 2 B2 ( y ) 1,5 d 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/U 2) và 1/U thì độ nghiêng của
đờng thẳng cho phép xác định đợc 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 cờng độ điện trờng 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 trờng 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 nh 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 l
ợng lớn bắn phá anode và làm kim loại bay hơi


7.2.4ư

Phóngưđiệnưchọcưthủng

Các cơ chế dẫn đến phóng điện trong chân không đợc dựa trên sự thực của các
quá trình vật lý xảy ra trong điện trờng mạnh nhng còn phụ thuộc vào sự hiểu biết
cha đầy đủ về phóng điện trong chân không
Fieldưelectronưemision
dòng điện do sự bức xạ điện tử do điện trờng 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 đợc tăng tốc trong điện trờng mạnh bắn phá và truyền
năng lợng đốt nóng và làm bốc hơi phần bề mặt anode cũng là
nguyên nhân dẫn đến phóng điện
Quáưtrìnhưgiảiưthoátưđiệnưtử,ưionưvàưcácưphotonưthứưcấp
quá trình phóng điện xảy ra theo trình tự tích luỹ
Cácưviưhạtưkimưloạiưhayưtạpưchất
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 trờng bên ngoài. Khi tiếp xúc với điện cực, chúng tạo
ra các điều kiện dẫn đến phóng điện nh là : hình thành một dạng
vi phóng điện giữa chúng với điện cực, tự nóng chảy và bốc hơi