Bài giảng Kỹ thuật cao áp: Chương 5 - TS. Nguyễn Văn Dũng

CHƯƠNG V: PHÓNG ĐIỆN
TRONG CHÂN KHÔNG
1. Giới thiệu
2. Phân loại chân không
3. Đặc tính phóng điện trong chân không
4. Nguyên lý phóng điện trong chân không

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


1. Giới thiệu
 Theo lý thuyết Townsend/streamer, phóng điện xảy ra khi tồn tại
chất khí giữa hai bản cực và chất khí bị ion hóa
 Chân không không tồn tại các chất khí  không dẫn điện và
không bị phóng điện  chất cách điện lý tưởng
 Thực tế, sự hiện diện của các điện cực kim loại là nguồn gốc gây
ra phóng điện trong chân không nhưng ở điện áp rất cao
 Chân không được sử dụng làm cách điện cho máy cắt, rơle, khởi
động từ…
 Máy cắt chân không cấp trung thế dần thay thế máy cắt dầu, máy
cắt SF6 và các loại máy cắt khác

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


Máy cắt chân không chiếm ưu thế ở cấp trung thế

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


Kết cấu của máy cắt chân không (7,2-36 kV)-Siemens

Chân
không

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


2. Phân loại chân không
 Chân không cao: 10-3-10-6 Torr
 Chân không siêu cao: 10-6-10-8 Torr
 Chân không cực cao: < 10-9 Torr

1 torr = 1 mmHg
= 1mbar

Cách điện chân không có áp suất 10-3-10-6 Torr

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


3. Đặc tính phóng điện trong chân không





Phụ thuộc vào trạng thái bề mặt của điện cực kim loại
Phụ thuộc vào kim loại làm điện cực
Phụ thuộc vào độ tinh khiết của kim loại vào điện cực
Phụ thuộc vào độ chân không nhưng khi áp suất nhỏ hơn 1

bar, điện áp phóng điện không phụ thuộc vào độ chân không
 Áp suất khoảng 1 bar, quảng đường tự do trung bình giữa hai
lần va chạm  = 50 mm  không tồn tại phóng điện thác hoặc
dòng điện tử

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


a. Sự phát xạ điện tử từ cực âm – Schottky
effect
Điện trường
cao

 Trong môi trường chân
không, điện tử phát xạ từ
cực âm khi điện trường tác
dụng đủ lớn
 Bán kính mũi nhọn (cực âm)
khoảng vài nm
 Phát xạ điện tử có thể xảy ra
ở nhiệt độ phòng

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


 Giản đồ năng lượng của mặt tiếp xúc kim loại -chân không

f
EF

Chân
không
Ec

Kim loại

EF: mức năng lượng Fermi
EC: năng lượng vùng dẫn

f: công thoát kim loại

 Để tách điện tử từ kim loại, cần phải cung cấp cho điện tử
năng lượng lớn hơn giá trị EF +f (nhiệt năng hoặc năng lượng
điện trường)
 Khi năng lượng cung cấp cho điện tử từ điện trường  hiệu
ứng Schottky

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


 Thế năng của điện tử tại vị trí cách bề mặt kim loại đoạn x

PE ( x)  EF  f  

q2
16 o x

 Thế năng của điện tử do tác
động của điện trường

 Tổng thế năng của điện tử

PEt ( x)  EF  f  

q2
16 o x

 qEx

PEa ( x)  qEx

Dưới tác động của
điện trường thế năng
giảm một lượng f
= (f - feff)

EF

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


 Mật độ dòng điện do hiệu ứng Schottky





1/ 2




f


E
2
s
J  BeT exp 

kT



s: hệ số Schottky
Be: hằng số phát xạ

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


 Ví dụ: Ống chân không chứa 2 điện cực cách nhau 1 mm. Điện
áp đặt lên hệ thống điện cực là 4 kV. Công thoát kim loại của
cực âm là 2,6 eV. Tính dòng điện theo lý thuyết?
Với các thông số như sau:
s = 3,7910-5 (eV/(V/m)1/2)
Diện tích bề mặt điện cực: A = 2,5 10-4 m2
Be= 3 104 Am-2K-2 (điện cực Tungsten phủ Thorium)
T = 300 K
Bài giải
Điện trường tại cực âm

4.103
E  3  4.10 6V / m
10
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.






1/ 2



f


E
2
s
J  BeT exp 

kT


19
5
19
6



2
,
6

1
,
6
.
10

3
,
79

10

1
,
6
.
10

4

10
 3 10 4  300 2 exp 
 23
1
,

38

10
 300

 1,12 10 34 A / m 2



 I  JA  1,12.10 24  2,5.10 4  2,3.10 28 A

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.






b. Sự phát xạ điện tử từ cực âm - Tunnelling
effect
 Khi điện trường lớn hơn 109 V/m  rào cản thế càng giảm
thấp và bề rộng rào cản thế năng càng hẹp  điện tử có cơ
hội “chui” ngang rào cản
 Mật độ dòng điện

 Ec 
J  qnvx exp  
 E
22m f 


1/ 2

Ec

e eff

f

qh

n: mật độ điện tử
vx: vận tốc điện tử
TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


4. Nguyên lý phóng điện trong chân không
 Theo lý thuyết Townsend, phóng điện trong chất khí là do sự hình
thành các thác điện tử
 Chân không không tồn tại các chất khí, phóng điện trong chân
không không hoàn toàn tuân theo lý thuyết Townsend
 Các nguyên lý phóng điện trong chân không
- Nguyên lý trao đổi hạt
- Lý thuyết phát xạ điện tử
- Lý thuyết đám

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


* Nguyên lý trao đổi hạt

 Bề mặt điện cực nhẵn, trơn
 Điện trường rất cao (>107108 V/m)

 01 điện tử bị tách khỏi cực
âm (do hiệu ứng schottky
hay tunnelling)
- gia tốc về phía cực dương

- va đập vào cực dương
- giải phóng A ion dương và
C photon

Điều kiện xảy ra phóng điện

AB  CD  1

 Mỗi ion dương va đập vào
cực âm giải phóng B điện tử
 Mỗi photon được hấp thụ tại
cực âm sinh ra D điện tử

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


* Lý thuyết phát xạ điện tử
- Nguyên lý cực dương nóng

 Bề mặt điện cực không
nhẵn chứa các nhấp nhô
 Điện trường cao (107-108

V/m)
 Các điện tử dễ dàng bị
tách khỏi các nhấp nhô
trên bề mặt cực âm
- gia tốc về phía cực
dương
- va đập vào cực dương
- đốt nóng cực dương
giải phóng các chất
khí và hơi kim loại
 Ion hóa do va chạm sẽ
xảy ra
 Phóng điện có thể xảy ra
theo lý thuyết Townsend

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


- Nguyên lý cực âm nóng

 Bề mặt điện cực không
nhẵn chứa các nhấp nhô
 Điện trường cao (107-108
V/m)
 Các điện tử dễ dàng bị
tách khỏi các nhấp nhô
trên bề mặt cực âm
 Xuất hiện dòng điện
 Mật độ dòng điện lớn do
tiết diện đỉnh nhấp nhô rất

nhỏ
 Đun chảy các đỉnh nhấp
nhô giải phóng các chất
khí và hơi kim loại
 Ion hóa do va chạm xảy ra
 Phóng điện có thể xảy ra
theo lý thuyết Townsend

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


* Lý thuyết đám

 Tồn tại các “cục” tạp chất trên bề mặt
điện cực
 Dưới tác động của điện áp, các cục
tạp chất trở nên nhiễm điện và tách
khỏi cực âm do lực hút tĩnh điện
 Các cục tạp chất gia tốc và va chạm
vào cực dương  tạo các chất khí và
hơi kim loại
 Phóng điện có thể xảy ra theo lý
thuyết Townsend

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


 Điện áp phóng điện:

V  Cd

C: hệ số phụ thuộc vào khoảng cách điện cực, tình trạng bề
điện cực và vật liệu làm điện cực (V2/cm)
d: khoảng cách điện cực (cm)

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


5. Điện áp phóng điện phụ thuộc vào áp suất

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.


 Chân không có độ bền điện lớn hơn các chất cách điện khác

TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.