Bài giảng Kỹ thuật cao áp - Chương 5: Phóng điện trong chân không

 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
. 
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
. 
Máy cắt chân không chiếm ưu thế ở cấp trung thế
. 
Kết cấu của máy cắt chân không (7,2-36 kV)-Siemens
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
2. Phân loại chân không
Cách điện chân không có áp suất 10-3-10-6 Torr
1 torr = 1 mmHg 
= 1mbar
. 
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
. 
a. Sự phát xạ điện tử từ cực âm – Schottky 
effect
 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
Điện trường 
cao
. 
 Giản đồ năng lượng của mặt tiếp xúc kim loại -chân không
Ec
EF
f
Kim loại
Chân 
không
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
. 
 Thế năng của điện tử tại vị trí cách bề mặt kim loại đoạn x
x
q
ExPE
o
F
 
f
16
)(
2
 Thế năng của điện tử do tác
động của điện trường
qExxPEa )(
 Tổng thế năng của điện tử
EF
 qEx
x
q
ExPE
o
Ft 
 
f
16
)(
2
Dưới tác động của
điện trường thế năng
giảm một lượng f
= (f - feff)
. 
 Mật độ dòng điện do hiệu ứng Schottky
kT
E
TBJ se
2/1
2 exp
f
s: hệ số Schottky
Be: hằng số phát xạ
. 
 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 10
4 Am-2K-2 (điện cực Tungsten phủ Thorium)
T = 300 K
Bài giải
Điện trường tại cực âm
mVE /10.4
10
10.4 6
3
3
. 
234
23
619519
24
2/1
2
/1012,1
3001038,1
10410.6,11079,310.6,16,2
exp300103
exp
mA
kT
E
TBJ se
f
AJAI 28424 10.3,210.5,210.12,1 
. 
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
qh
m
E
E
E
qnvJ
effe
c
c
x
ff
2/1
22
exp
n: mật độ điện tử
vx: vận tốc điện tử
. 
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
. 
* Nguyên lý trao đổi hạt
 Bề mặt điện cực nhẵn, trơn
 Điện trường rất cao (>107-
108 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
 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
Điều kiện xảy ra phóng điện
 1 CDAB
. 
* 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
. 
- 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
. 
* 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
. 
CdV 
 Điện áp phóng điện:
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)
. 
5. Điện áp phóng điện phụ thuộc vào áp suất
. 
 Chân không có độ bền điện lớn hơn các chất cách điện khác