CHƯƠNG IV: PHÓNG ĐIỆN
TRONG ĐIỆN TRƯỜNG KHÔNG
ĐỀU TRONG CHẤT KHÍ
1.
2.
3.
4.
5.

Lý thuyết phóng điện dòng điện tử (streamer)
Phóng điện trong điện trường không đều
Phóng điện vầng quang trên dây truyền tải cao áp
Phóng điện trong khe hở không khí
Ảnh hưởng của điều kiện khí quyển

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. Lý thuyết phóng điện dòng điện tử-streamer


Điều kiện áp dụng:
- Áp suất khí quyển hoặc cao hơn

- Pd > 1000 mmHg.cm


Hiện tượng:
- Thời gian phóng điện nhỏ: 10-8s (PĐ Townsend: 10-5s)

- Chỉ cần 01 thác điện tử duy nhất có thể phát triển thành phóng điện

đánh thủng

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.




Raether (1964): đề nghị lý thuyết phóng điện dòng điện tử như sau:
-

Khi số lượng điện tử tại đầu thác chính đạt 5.108  E tăng cao  phát
photon  ion hóa quang  quang điện tử  thác thứ cấp

-

Thác thứ cấp gắn vào thác chính  tạo kênh plasma dẫn điện tốt phát
triển nhanh về phía điện cực đối diện

-

Điều kiện chuyển từ thác sang dòng điện tử

Thác chính

Thác thứ cấp

5.108 e

xc


5,27 10 7  exp(xc )
Er 
(V / cm)
1/ 2
xc / p 

Photon

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.


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.




Phân bố điện trường khi xuất hiện điện tích không gian

Điện trường
của điện
tích không
gian cùng
chiều điện
trường
ngoài

Điện trường tăng
cao

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. Phóng điện trong điện trường không đều
2.1. Mô tả điện trường không đều


Điện trường giữa các phần có chênh lệch điện thế trong các thiết bị điện
thực tế là không đều và có thể đại diện bằng các hệ thống điện cực như:
mũi nhọn-mặt phẳng, cầu-phẳng, thanh-phẳng và trụ đồng trục



Mức độ không đều của điện trường được xác định bằng hệ số  (hệ số
Schwaiger)

Eave U
1

 
Emax d Emax
0  1

- Điện trường gần đều:
0,25    1

- Điện trường rất không
đều:  < 0,01




Điện trường đều và gần đều: sự xuất hiện của hiện tượng ion hóa luôn kết
thúc bằng phóng điện đánh thủng



Điện trường không đều: phóng điện vầng quang (biểu hiện: ánh sáng và
âm thanh) xảy ra trước và có thể không dẫn đến phóng điện đánh thủng

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 trường không đều phân tán mạnh trong các hệ thống điện cực: mũi
nhọn-mũi nhọn, mũi nhọn- bản phẳng, cầu - bản phẳng….
Điện trường
cao

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.


2.2. Điều kiện phóng điện trong điện trường không đều
E

  p. f  
 p



Hệ số ion hóa:




Điện trường thay đổi trong khe hở điện cực hệ số ion hóa  thay đổi



Điều kiện phóng điện Townsend (thác điện tử) được hiệu chỉnh như sau:
Điện trường đều
(thác điện tử)

 exp(d ) 1  1

Điện trường không đều
(dòng điện tử)
d


 exp(   ( x)dx)  1  1
0


d

 exp(   ( x)dx)  1 
0

d

d: là khe hở

điện cực

1



1

   ( x)dx  ln(1  )
0



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.




Trong trường hợp tổng quát, điều kiện xảy ra phóng điện trong điện
trường không đều
xc  d

exp(   ( x)dx)  108
0



xc  d

  ( x)dx  18  20

0



Cường độ điện trường tại đầu thác khi chuyển từ thác điện tử sang dòng
điện tử
xc

Er 

5,27 10 7  xc exp(  dx)

xc / p 

1/ 2

0

(V / cm)

 Phóng điện đánh thủng trong điện trường không đều trong chất khí luôn
bắt đầu bằng hiện tượng phóng điện vầng quang.
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.


2.3. Phóng điện vầng quang
a. Hiện tượng


Là một dạng phóng điện tạo ra từ sự ion hóa chất khí hoặc chất lỏng

xung quanh vật dẫn điện khi điện trường không đều và cường độ điện
trường tại hoặc gần bề mặt vật dẫn vượt quá độ bền điện nhưng không
đủ điều kiện để gây ra phóng điện đánh thủng toàn bộ khe hở điện cực



Đặc tính:

o

Phóng điện tự duy trì trong điện trường không đều

o

Điện áp bắt đầu vầng quang nhỏ hơn điện áp đánh thủng

o

Phát sáng và âm thanh

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.




Cường độ điện trường cần thiết Evq tại bề mặt vật dẫn trong không khí
để tạo ra phóng điện vầng quang AC nhìn thấy được tính từ công thức
Peek




Đối với trường hợp hai dây dẫn song song, công thức Peek được biểu
diễn như sau:

 0,298 
Evq  21,4m1m2 1 
 (kV / cm)
r 

r - đường kính dây dẫn
m1 - hệ số phụ thuộc điều kiện bề mặt dây dẫn
m2 - hệ số phụ thuộc điều kiện khí hậu
 - mật độ tương đối của không khí



Điện áp tạo vầng quang

d
U vq  Evq r ln (kV )
r

d - khoảng cách giữa hai dây

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. Ảnh hưởng của cực tính



Trong điện trường rất không đều, phóng điện vầng quang bắt đầu tại điện
cực có bán kính nhỏ hơn và không bị ảnh hưởng bởi vật liệu làm điện cực



Cực tính của điện cực ảnh hưởng đến quá trình phóng điện, cường độ
điện trường và điện áp phóng điện trong khe khí



Cực tính của điện cực rất quan trọng trong điện trường không đều



Xem xét trường hợp hệ thống điện cực mũi nhọn-bảng được sử dụng để
minh họa sự phóng điện trong điện trường không đều

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.


* Mũi nhọn dương



Sự ion hóa va chạm xảy ra tại
khu vực điện trường cao gần
đầu mũi nhọn




Điện tử bị hút về cực dương, bỏ
lại các ion dương ở phía sau 
điện tích không gian



Các điện tích không gian làm
giảm điện trường tại mũi nhọn
nhưng làm tăng điện trường ở
phía xa mũi nhọn



Vùng có điện trường cao phát
triển về phía khe khí  mở
rộng khu vực ion hóa



Cường độ điện trường tại khu
vực chứa điện tích không gian
có thể đủ lớn để bắt đầu dòng
điện tử  phóng điện đánh
thủng

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.


* Mũi nhọn âm



Các điện tử bị đẩy về vùng có
điện trường thấp và gắn kết với
các phân tử khí  tạo ion âm



Các ion âm có xu hướng kéo các
ion dương ra khỏi cực âm  các
ion dương định vị ở giữa điện tích
âm và cực âm



Tại vùng lân cận mũi nhọn,
cường độ điện trường tăng cao
nhưng vùng ion hóa bị thu hẹp 
chấm dứt quá trình phát triển ion
hóa

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.




Ngay khi quá trình ion hóa chấm dứt, điện trường “quét sạch” các điện
tích ở khu vực lân cận mũi nhọn, và một chu kỳ mới bắt đầu sau thời
gian khử điện tích không gian.




Để loại trừ tác động của các ion, cần một điện áp tác dụng cao hơn 
điện áp đánh thủng âm lớn hơn điện áp đánh thủng dương

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.


c. Điện áp bắt đầu vầng quang


Vầng quang dương: các ion dương làm giảm điện trường gần cực dương
 tăng điện áp bắt đầu vầng quang



Vầng quang âm: các ion dương làm tăng điện trường gần cực dương 
giảm điện áp bắt đầu vầng quang



Do đó, phóng điện vầng quang bắt đầu tại bán kỳ âm của điện áp AC khi
tăng điện áp tác dụng nhưng phóng điện đánh thủng xảy ra ở bán kỳ
dương

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 UBD phụ thuộc vào cực tính của điện cực UBD (+) < UBD (-)


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.


* Các quá trình xảy ra khi tăng điện áp ở cực thanh dương

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.


* Các quá trình xảy ra khi tăng điện áp ở cực thanh âm

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. Phóng điện vầng quang trên dây truyền tải điện cao
áp
a. Hiện tượng


Là một dạng phóng
điện tự duy trì xảy ra
trong điện trường
không đều



Quá trình phóng điện
chỉ diễn ra xung
quanh điện cực có
điện trường cao (E 

30 kV/cm)



Sinh ra âm thanh và
phát sáng



Phụ thuộc vào điện
áp tác dụng, điều kiện
bề mặt điện cực, điều
kiện môi trường và
thời tiết

Corona discharges

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. Tác hại


Tổn hao công suất truyền tải



Nhiễu sóng radio




Ô nhiễm tiếng ồn



Sản sinh ozone (O3)



Thoái hóa cách điện có nguồn gốc từ polymer và cao su

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.


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.


c. Nguyên lý phóng điện vầng quang
Positive



Cường độ điện trường
cao trên bề mặt điện cực
(E  30 kV/cm)



Ion hóa do va chạm sinh
ra thác điện tử đầu tiên




Photon sinh ra tại đầu
thác điện tử đầu tiên 
ion hóa quang  quang
điện tử  thác điện tử
thứ cấp do va chạm



Vùng không khí xung
quanh điện cực bị ion hóa
và trở nên dẫn điện



Do điện trường ở vị trí xa
điện cực nhỏ  không
khí không bị ion hóa 
Không xảy ra phóng điện
đánh thủng

Negative

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.


d. Dòng điện vầng quang



Không có phóng điện vầng quang  dòng điện thuần dung dạng
sin chuẩn giữa hai điện cực (dây dẫn)  không tổn hao



Phóng điện vầng quang  dòng không sin chứa sóng hài bậc cao
 tổn hao công 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.


e. Điện áp xảy ra phóng điện vầng quang
d
r





U
Ex 
d r
x ln
r

x

Điều kiện xảy ra phóng
điện vầng quang


Evq  30 (kV / cm)

Điện trường giữa hai dây dẫn



Nếu d >> r

Ex 

U
d
x ln
r

 Evqrms  30 / 2  21,2 (kV / cm)  Điện trường cực đại
d
U
rms
 U vq  21,2r ln
(kV )
Emax 
r
d

r ln

r


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.