1. CHƯƠNG VI: PHÓNG ĐIỆN TRONG CHẤT RẮN 1. Giới thiệu 2. Phóng điện riêng (phóng điện điện tử, phóng điện thác hoặc dòng điện tử) 3. Phóng điện điện cơ 4. Phóng điện nhiệt TS. Nguyễn Văn Dũng. 26/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  2. 1. Giới thiệu  Yêu cầu của chất rắn cách điện: độ bền điện cao, tổn hao điện môi thấp, độ bền cơ lớn, không có tạp chất (đặc biệt là bọt khí), có khả năng chịu nhiệt và kháng thoái hóa hóa học  Ưu: độ bền điện của chất rắn cao hơn so với chất khí và lỏng  Nhược: chất rắn cách điện không có khả năng phục hồi sau phóng điện  Đối với chất rắn tinh khiết, độ bền điện có thể đạt đến giá trị 5-10 MV/cm  theo nguyên lý phóng điện riêng  Thực tế, đối với chất rắn có tạp chất (“chất rắn kỹ thuật”): độ bền điện chỉ đạt khoảng 200-300 kV/cm  theo các nguyên lý phóng điện khác TS. Nguyễn Văn Dũng. 26/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  3.  Loại nguyên lý phóng điện xảy ra trong chất rắn phụ thuộc vào thời gian tác động của điện áp Phóng điện điện tử, phóng điện điện cơ Phóng điện thác điện tử/dòng điện tích vBD Phóng điện nhiệt Phóng điện do thoái hóa hóa học, phóng điện cục bộ Vrated 10 ns Log t 30 năm TS. Nguyễn Văn Dũng. 26/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  4. 2. Phóng điện riêng (intrinsic breakdown) a. Phóng điện điện tử  Xảy ra trong chất rắn tinh khiết  Cường độ điện trường tác dụng lớn (5-10 MV/cm) trong thời gian rất ngắn (10-8 s = 10 ns)  Điều kiện: tồn tại số lượng lớn điện tử tự do trong chất rắn  Điện tử tự do nhận năng lượng điện trường để chuyển từ vùng hóa trị sang vùng dẫn  tăng số lượng điện tử ở vùng dẫn  phóng điện TS. Nguyễn Văn Dũng. 26/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  5. b. Phóng điện thác hay dòng điện tích  Xảy ra trong chất rắn tinh khiết  Cường độ điện trường tác dụng lớn (5-10 MV/cm) trong thời gian rất ngắn (10-8 s)  Điều kiện: tồn tại một số điện tử tự do trong chất rắn  Quá trình phóng điện xảy ra tương tự như trong chất khí  Điện tử bắt đầu ở cực âm và chuyển động gia tốc về phía cực dương  va chạm vào phân tử hay nguyên tử tại nút mạng tinh thể  giải phóng thêm điện tử (nếu năng lượng của điện tử ban đầu lớn hơn năng lượng ion hóa của mạng tinh thể)  quá trình tiếp diễn  thác điện tử  phóng điện xảy ra nếu kích thước thác đạt đến giá trị tới hạn TS. Nguyễn Văn Dũng. 26/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  6.  Thực tế, phóng điện là kết quả sau khi hình thành nhiều thác điện tử, các thác này phát triển từng bước xuyên qua chiều dày cách điện (xuất hiện nhiều kênh dẫn điện) Điện trường cao Thủy tinh hữu cơ Các thác điện tử (kênh dẫn điện) TS. Nguyễn Văn Dũng. 26/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  7. 3. Phóng điện điện cơ (electro-mechanical breakdown)  Xảy ra đối với nhóm nhựa nhiệt dẽo…  Khi đặt chất cách điện rắn trong điện trường giữa hai bản cực  phân cực điện môi  xuất hiện điện tích bề mặt  lực hút lẫn nhau giữa các điện tích trái dấu trên hai bề mặt  biến dạng và giảm chiều dày cách điện  tiếp tục tăng cường độ điện trường ngoài  biến dạng không hồi phục  phóng điện E=0 E>0 TS. Nguyễn Văn Dũng. 26/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  8. E=0 E>0  Lực tác động lên bề mặt điện môi 2 1 1 1 V F1  DE   o r E 2   o r 2 2 2 2 d  Lực đàn hồi của vật liệu (định luật Hooke)  do  F2  Y ln  Với: Y-Young’s modulus d  TS. Nguyễn Văn Dũng. 26/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  9.  Tại trạng thái cân bằng F1  F2 1 V2  do    o r 2  Y ln  2 d d  2Y  d o  2 2 V  d ln   o r  d   Vật liệu trở nên không ổn định khi d  0,6 do Điện áp phóng điện 1/ 2  Y  VBD  d     o r   Cường độ điện trường khi phóng điện 1/ 2 VBD  Y  EBD   0,6  do   o r  TS. Nguyễn Văn Dũng. 26/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  10. 3. Phóng điện nhiệt (thermal breakdown)  Tổn thất điện môi trong trường hợp điện áp AC Thể tích khối điện môi PAC   o "E 2V   o ' tan E 2V  Tổn thất điện môi trong trường hợp điện áp DC Thể tích khối PDC  E 2V điện môi  Tổn thất điện môi là nguồn sinh nhiệt (PG) để làm nóng điện môi (PS) và tỏa ra môi trường xung quanh (Pout) TS. Nguyễn Văn Dũng. 26/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  11.  Nếu công suất tiêu tán nhiệt nhỏ hơn tổn hao điện môi  điện môi bị quá nhiệt (Tmax  Tcritical)  độ bền điện giảm  phóng điện E1 > E2 TS. Nguyễn Văn Dũng. 26/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  12.  Xét trường hợp điện môi đặt giữa 2 bản cực Nhiệt do tổn PG Nhiệt đốt nóng hao điện môi PS điện môi Nhiệt tản ra Nhiệt vào Pout Pin To To Tmax - Ở trạng thái cân bằng nhiệt Pin  PG  PS  Pout TS. Nguyễn Văn Dũng. 26/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  13. Pin PS Pout  dT  dT  dT  d  dT   k dA  PG dV  CV dV  k  dA   k dV  dx  dx  dx  dx  dx  d  dT  dT  k   CV  PG  0 (*) dx  dx  dx Với: Tiêu tán ra môi CV: nhiệt dung riêng trường xung Làm nóng điện môi k: hệ số dẫn nhiệt quanh - Ở trạng thái ổn định: dT CV 0 dx d  j  0 dx TS. Nguyễn Văn Dũng. 26/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  14. - Điện áp DC, phương trình (*) có nghiệm như sau: Tmax 2 k U DC 8  dT To  - Điện áp AC, phương trình (*) có nghiệm như sau: Tmax 2 8 k U AC   dT  o To  ' tan   Lưu ý: o Phóng điện do nhiệt xảy ra tại 1 giá trị điện áp xác định Ut (không phải cường độ điện trường) sinh ra Tmax > Tcritical o Ut không phụ thuộc vào chiều dày cách điện nhưng phụ thuộc vào To TS. Nguyễn Văn Dũng. 26/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
  15.  Nếu có một nguyên lý phóng điện khác xảy ra ở cường độ điện trường Ea và phóng điện do nhiệt xảy ra ở điện áp Ut, lúc này chiều dày cách điện lớn hơn giá trị d là không có ý nghĩa. Ut d Ea  Điện áp phóng điện nhiệt của một số vật liệu cách điện Vật liệu DC (MV) AC (MV) Mica 24 10 Sứ 0,4 - 2,8 Thủy tinh 2-5 Giấy tẩm dầu 0,8 - 3,5 PE 3-5 PVC 0,1 – 0,2 TS. Nguyễn Văn Dũng. 26/10/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.