a) Điện trường gần đồng nhất và điện trường không đồng nhất
Tính chất đồng nhất của điện trường ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình phóng điện.
Trong điện trường đồng nhất hoặc gần đồng nhất bé (điện trường bằng nhau hoặc khác nhau ít), sẽ không có hiện tượng phóng điện vầng quang
Khi điện trường đạt giá trị phóng điện tự duy trì thì xảy ra phóng điện chọc thủng
Ngược lại trong điện trường không đồng nhất, điện trường phân bố không đều trong khoảng
không gian giữa hai điện cực , tại một số nơi ví dụ ở lân cận mũi nhọn như giữa mũi nhọn và bản cực điện trường tăng cục bộ
Trong trường hợp này, khi điện áp tác dụng chưa đạt tới trị số điện áp phóng điện chọc thủng, có một dạng phóng điện không hoàn toàn tồn tại trong khu vực này và được gọi là phóng điện vầng quang
11/08/15 Page 48
Các loại điện trường trong các thiết bị điện cao áp thực tế thường gặp là các dạng điện trường không đồng nhất. Mức độ không đồng nhất được biểu thị bằng hệ số sử dụng a, đó là tỉ số giữa cường độ trường trung bình và cực đại
Trong trường đồng nhất hệ số a bằng đơn vị
Emax
a = Etb
Như vậy trong điện trường đồng nhất và gần đồng nhất trị số điện áp phóng điện vầng quang cũng có nghĩa là điện áp chọc thủng còn trong điện trường không đồng nhất phóng điện vầng quang vẫn chưa dẫn đến ngắn mạch, dạng phóng điện cục bộ không phát triển hết toàn bộ khe hở.
Chênh lệch giữa trị số điện áp phóng điện vầng quang và điện áp phóng điện chọc thủng càng lớn khi điện trường càng không đồng nhất. Hơn thế nữa trong điện trường không đồng nhất
điện áp phóng điện chọc thủng luôn bé hơn so với điện áp phóng điện chọc thủng trong cùng
điều kiện nếu điện trường đồng nhất.
11/08/15 Page 49
Đối với trường không đồng nhất thì hệ số a càng bé khi khoảng cách giữa 2 điện cực càng lớn hơn bán kính cong của cực bởi vì khi đó trường phân bố chủ yếu trên đoạn ngắn giữa gần cực còn trên phần còn lại của khoảng cách thì trường rất bé.
K a 1
=
Hệ số K lớn hơn đơn vị và tăng theo tỉ số giữa khoảng cách giữa 2 cực a và bán kính r của cực bởi vì khi đó độ không đồng nhất của trường tăng.
Thông thường để đặc trưng cho độ không đồng nhất của trường người ta sử dụng hệ số không
đồng nhất K - đó là tỷ số giữa cường độ điện trường cực đại và cường độ điện trường trung bình
Người ta phân biệt hai loại điện trường : điện trường gần đồng nhất và điện trường không đồng nhất. rất khó xác định ranh giới giữa hai loại điện trường nói trên.
Một cách tương đối có thể cho rằng khi hệ số không đồng nhất K<2 thì điện trường là gần đồng nhất và khi K>4 thì các đặc điểm trong điện trường không đồng nhất mới thể hiện
11/08/15 Page 50
d/r Hai quả cầu cách điện Một quả cầu nối đất
0,1 1,03 1,03
0,2 1,068 1,07
0,4 1,137 1,14
0,6 1,208 1,23
0,8 1,283 1,32
1,0 1,359 1,41
1,2 1,440 1,51
1,4 1,525 1,62
1,6 1,600 1,73
1,8 1,680 1,85
2,0 1,770 1,97
3,0 2,214 3,21
Đối với các cực có dạng đơn giản (khoảng cách giữa 2 quả cầu), các trụ đồng trục và song song, trục và mặt phẳng) thì có thể xác định hệ số sử dụng bằng biểu thức giải thích hoặc từ thực
nghiệm
11/08/15 Page 51
b) Phóng điện trong điện trường gần đồng nhất
Loại điện trường gần đồng nhất thường gặp trong thực tế là trường giữa hai điện cực hình cầu khi khoảng cách d giữa hai điện cực nhỏ hơn bán kính cong của của cực (d<R) hoặc giữa hai điện cực hình trụ đồng tâm khi d nhỏ hơn bán kính trụ trong r.
Trong trường gần đồng nhất cầu-cầu, thì sự khác nhau giữa cường độ trường cực đại và cường độ trung bình không lớn (cường độ trường trung bình chính là tỉ số giữa điện áp tác dụng với khoảng cách giữa 2 cực Etb=U/d).
Dạng điển hình nhất của trường gần đồng nhất là trường của 2 quả cầu dùng trong đo lường điện
áp cao.
11/08/15 Page 52
Tuy vậy không thể xác định một công thức chung để tính điện áp phóng điện cho tất cả các điện trường gần đồng nhất, bởi vì cường độ điện trường cũng như hệ số ion hoá còn phụ thuộc vào kích thước hình học của từng loại điện cực
Quá trình phóng điện xảy ra tương tự như trong điện trường đồng nhất
Thời gian tác dụng của điện áp, nếu như nó lớn hơn 1 microsec, thì cũng ít ảnh hưởng đến điện
áp phóng điện
Điện áp vầng quang hầu như trùng với điện áp phóng điện chọc thủng và cực tính (với trường hợp
được bố trí không đối xứng nghĩa là một cực được nối đất) cũng ít ảnh hưởng đến trị số điện áp phóng điện.
11/08/15 Page 53
α dx const
d =
∫0
Trong trường hợp đơn giản, khi ta biết phân bố điện trường trong khe hở ta có thể tính được Uo. Dạng tổng quát của điện áp phóng điện của điện trường gần đồng nhất được viết theo
Do cường độ điện trường không là hằng số, hệ số ion hoá không giống nhau trong toàn bộ khe hở nên không thể viết αd=const mà phải viết
=
d r d d r f
Uo δ , 1 , 2 d, r1, r2 là kích thước hình học của điện cực
Định luật về phóng điện trong điện trường gần đồng nhất cho thấy đối với các khe hở đồng
dạng, nghĩa là có tỷ lệ hình học giữa các kích thước không đổi thì điện áp phóng điện chỉ còn là hàm của tích δd.
Do vậy nó đặt cơ sở cho việc nghiên cứu phóng điện trên các mô hình đồng dạng, tạo khả
năng khái quát hoá các kết quả thực nghiệm để xác định trị số điện áp phóng điện.
11/08/15 Page 54
K d a E
d E
U pd = max . = max
Emax - cường độ trường cực đại trên mặt cực khi xảy ra phóng điện.
d- khoảng cách giữa 2 cực
Cường độ trường cực đại Emax có thể tính theo công thức kinh nghiệm sau
+
= δ δ
r k k
Emax 1 1 2 r- bán kính cực
δ- mật độ tương đối của không khí
k1 và k2 - các hệ số được xác định từ thực nghiệm.
Điện áp phóng điện trong trường gần đồng nhất thường có thể được tính theo công thức
Hệ số k1 tương ứng với cường độ trường phóng điện khi trường là đồng nhất và δ=1 (điều kiện khí hậu tiêu chuẩn)
Hệ số k2 đặc trưng cho sự tăng của cường độ trường phóng điện khi độ không đồng nhất của trường tăng (trong trường đồng nhất) thì k2=0
11/08/15 Page 55
Đối với 2 quả cầu, bán kính được đo bằng met và điện áp bằng kV thì k1=27,2 và k2=0,54
Theo công thức tính Emax thấy rằng nó phụ thuộc vào mật độ của không khí vào bán kính cực và không phụ thuộc vào khoảng cách cực, còn cường độ trường phóng điện trung
bình lại phụ thuộc vào khoảng cách cực s và giảm khi khoảng cách s tăng.
p- áp suất không khí mm.Hg t- nhiệt độ bách phân, 0C
273 . 386 ,
0
= + t δ p
Trong các công thức trên không thấy ảnh hưởng của độ ẩm không khí Mật độ tương đối của không khí tính theo
11/08/15 Page 56
b) Phóng điện trong điện trường không đồng nhất
Trường rất không đồng nhất là trường đặc trưng bởi khoảng cách giữa 2 cực lớn hơn nhiều so với bán kính của cực và cường độ trường cực đại lớn hơn nhiều so với cường độ trường trung b×nh
Trong trường hợp này điện áp phóng vầng quang nhỏ hơn nhiều so với điện áp phóng điện chọc thủng khi trường là đối xứng và các cực đối xứng thì dạng của cực (ví dụ cả 2 cực là mũi nhọn có hình dạng và tiết diện khác nhau) không có ảnh hưởng quyết định
Khi các cực có hình dạng không đối xứng, ví dụ 1 cực có dạng bản và cực kia là mũi nhọn thì cực tính của mũi nhọn có ảnh hưởng nhiều đến điện áp phóng điện : với cùng khoảng cách thì điện áp phóng điện khi mũi nhọn có cực tính dương nhỏ hơn nhiều so với điện áp phóng điện khi mũi
nhọn có cực tính âm
11/08/15 Page 57
Với một khoảng cách đã cho của 2 cực thì điện áp phóng điện phụ thuộc vào dạng của điện trường (trường phân bố đều, không đều, đối xứng, không đối xứng), vào thời gian tác dụng của điện áp, vào cực tính của cực bán kính cong bé và cuối cùng vào mật độ và độ ẩm của không khí
Cuối cùng thời gian tác dụng của điện, cũng có ảnh hưởng không ít đến trị số điện áp phóng điện
Trong các dạng điện trường không đồng nhất, điện trường giữa điện cực mũi nhọn và cực phẳng
được xem là điển hình cho các nghiên cứu về phóng điện trong điện trường không đồng nhất
11/08/15 Page 58
Trong điện trường này, cường độ điện trường ở vùng lân cận mũi nhọn được tăng cường như
ng sau đó giảm rất nhanh về phía cực bản.
( ) ( )
p p
p r
xr d dr
x dx
x dU
E 4
2
2
2 + − ln
= −
Do sự tăng cường của điện trường ở gần mũi nhọn nên quá trình phóng điện cũng bắt đầu từ
đó dù điện cực là cực tính âm hay dương nhưng sự khác nhau về cực tính lại ảnh hưởng rất lớn đến giai đoạn về sau cho nên khi nghiên cứu về phóng điện trong điện trường không
đồng nhất cần phải nghiên cứu riêng cho từng trường hợp cụ thể khi điện cực mũi nhọn mang cực tính dương hay âm
Sự phân bố điện trường trong khe hở mũi nhọn- cực bản có dạng
11/08/15 Page 59
Khi mũi nhọn mang cực tính dương
Mũi nhọn là khu vực có điện trường mạnh nên trước khi có xuất hiện vầng quang, ở đấy đã có quá
trình ion hoá và tạo nên thác điện tử. các thác này di chuyển về phía mũi nhọn cực tính dương và khi
đến mũi nhọn các điện tử ở đầu thác sẽ bị trung hoà trên điện cực còn cá ion dương lưu lại trong khu vực trước mũi nhọn, hình thành đám điện tích không gian.
11/08/15 Page 60
Kết quả là điện trường bị giảm gần mũi nhọn và được tăng cường ở phía kia
Trường của các điện tích không gian dương Ei sẽ làm biến dạng điện trường chung.
-++++ +++
--- -
E
+ - ++++ +++
E
+ -
E
x
E
x
+ +++
+++
E
+ -
Ei Ei
+ +++
++ +
E
x Quá trình phóng điện khi mũi nhọn có cực tính dương : phóng điện vầng quang
11/08/15 Page 61
-++++ +++
--- -
E
+ - ++++ +++
E
+ -
E
x
E
x
+ +++
+++
E
+ -
Ei Ei
+ +++
+++
E
x
Các điện tử ở phần đầu của thác trung hoà với các ion dương ở đuôi của thác điện tử thứ nhất Quá trình trên tương đương với sự kéo dài điện cực mũi nhọn thêm một đoạn
Quá trình tiếp theo xảy ra tương tự : sẽ hình thành các thác điện tử mới ở phía đầu dòng và dòng được kéo dài thêm
11/08/15 Page 62
Do các điện tích không gian làm suy yếu điện trường ở lân cận mũi nhọn nên có thể hình dung quá
trình ion hoá và sự hình thành vầng quang ở khu vực này khó khăn hơn.
Ngược lại điện trường ở phía cực bản lại được tăng cường và nếu tiếp tục tăng điện áp thì đến lúc cư
ờng độ điện trường ở đó có đủ độ lớn và có thể tạo lên các thác điện tử mới.
-++++ +++
--- -
E
+ - ++++ +++
E
+ -
E
x
E
x
+ +++
+++
E
+ -
Ei Ei
+ +++
+++
E
x
Do vậy dòng được kéo dài về phía bản cực ngày càng nhanh do cường độ điện trường ở khi vực đầu dòng ngày càng tăng cao
11/08/15 Page 63
Quá trình phóng điện khi mũi nhọn có cực tính dương : phóng điện chọc thủng
-
E
+ -
+ +++
++ --+ ---
+ - -
+ -
+ -
+ -
Xuất hiện điện tử mầm
Thác điện tử sơ cấp
Hình thành thác điện tử thứ cấp
Phân nhánh của streamer
Điện tích không gian
Khi dòng plasma tiếp cận với cực bản thì cường độ
điện trường ở khe hở giữa nó với cực bản sẽ tăng lên rất cao vì hầu như toàn bộ điện áp đặt vào khe hở còn lại này, sẽ gây ion hoá mãnh liệt và tạo nên dòng plasma có mật độ điện tích lớn hơn nhiều so với dòng cũ. .
Phóng điện ngược phát triển rất nhanh và bảo
đảm hình thành một dòng có điện dẫn lớn nối liền hai điện cực, kết thúc quá trình phóng điện Quá trình này được gọi là phóng điện ngược vì
nó phát triển ngược với dòng ban đầu.
Vì có điện dẫn cao nên trường trong nội bộ dòng nhỏ nhưng ở đầu dòng rất lớn đảm bảo cho
dòng tiéep tục phát triển từ cực bản về phía mũi nhọn
sự phát triển của dòng trên toàn bộ khe hở giữa các điện cực đảm bảo có quá trình phóng điện hoàn toàn nhưng chưa phải kết thúc
11/08/15 Page 64
Khi mũi nhọn mang cực tính âm
Quá trình ion hoá và hình thành thác điện tử cũng xảy ra ở khu vực mũi nhọn bây giờ mang cực tÝnh ©m
Các thác điện tử sẽ di chuyển về phía cực bản bây giờ có cực tinhd dương
Nhưng khi bay về phía cực này, điện tử rơi vào miền điện trường yếu hơn nên ngoài một số có thể đến được điện cực và bị hút vào cực dương, số còn lại do tốc độ giảm dần nên dễ bị kết hợp với các phân tử khí âm điện ví dụ oxy hình thành một ddamd điện tích không gian âm ở khoảng lưng chừng giữa hai điện cực
+ - + +++++---
- E
- + ++++ +++
E
- +
E
x
E
x Ei
Ei
- --- -- Ei Ei
11/08/15 Page 65
Sự tồn tại của hai loại điện tích không gian trong khe hở làm cho điện trường bị biến dạng + -
+ +++++--- -
E
- + ++++ +++
E
- +
E
x
E
x Ei
Ei
- --- -- Ei Ei
Trong khi đó điện tích dương của thác điện tử sẽ di chuyển về mũi nhọn và hình thành đám điện tích không gian dương ở ngay trước mũi nhọn
Cường độ điện trường tổng ở khu vực đầu mũi nhọn được tăng cường làm cho quá trình ion hoá
cũng như phóng điện vầng quang phát triển dễ dàng hơn
Sự phân tích trên đây phù hợp với kết quả thực nghiệm : điện áp xuất hiện vầng quang khi mũi nhọn mang cực tính dương bé hơn khi mũi nhọn mang cực tính âm
11/08/15 Page 66
Trong trường đồng nhất và gần đồng nhất độ ẩm hầu như không ảnh hưởng tới điện áp phóng điện, còn trong trường rất không đồng nhất, ví dụ trường giữa mũi nhọn- cực bản thì độ ẩm có làm cho
điện áp phóng điện tăng lên
Sự tăng điện trường ở khu vực mũi nhọn làm cho quá trình ion hoá ở nơi này phát triển càng mạnh và hình thành cùng một lúc càng nhiều thác điện tử bao quanh mũi nhọn
Tuy nhiên điện trường ở khu vực càng xa mũi nhọn lại giảm sút làm cho các thác điện tử khó phát triển xa hơn. Xung quang mũi nhọn hình thành một lớp plasma rộng có tác dụng như một lớp
màn chắn với bán kính cong lớn hơn nhiều so với mũi nhọn
Nếu tiếp tục tăng điện áp cường độ điện trường ở phía bên phải dòng plasma cũng tăng theo và khi nó đạt trị số đủ lớn sẽ gây ion hoá và hình thành các thác điện tử mới. Kết quả là lớp plasma ngày càng được kéo dài về phía cực bản. So với trường hợp khi mũi nhọn mang cực tính dương thì quá trình phóng điện ở đây khó khăn hơn và do đó điện áp phóng điện cao hơn
11/08/15 Page 67
Sự thay đổi của điện áp phóng điện về điều kiện khí hậu tiêu chuẩn (p=760mm.Hg, t=20oC và độ ẩm 11 g/m3) sẽ như sau
d U k
d
k 1 0 , 01 '.
U'
U = 1 = +
U điện áp phóng điện ở điều kiện chuẩn
U'- điện áp phóng điện ở điều kiện thí nghiệm δ- mật độ tương đối của không khí
k1=1+0,01k- hệ số hiệu chỉnh chú ý đến ảnh hưởng của độ ẩm k= hiệu chỉnh theo % độ ẩm
Hiệu chỉnh theo độ ẩm chỉ tiến hành với trường không đồng nhất còn trong trường đồng nhất và gần đồng nhất thì k1=1 (k=0)
11/08/15 Page 68