Bài giảng Vật liệu điện - Chương 6: Phóng điện trong chất rắn
Phóng điện riêng (intrinsic breakdown)
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
a. Phóng điện điện tửb. 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
Trang 1
Trang 2
Trang 3
Trang 4
Trang 5
Trang 6
Trang 7
Trang 8
Trang 9
Trang 10
Tải về để xem bản đầy đủ
Tóm tắt nội dung tài liệu: Bài giảng Vật liệu điện - Chương 6: Phóng điện trong chất rắn
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 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 Loại nguyên lý phóng điện xảy ra trong chất rắn phụ thuộc vào thời gian tác động của điện áp Log t v B D Phóng điện thác điện tử/dòng điện tích Phóng điện điện tử, phóng điện điện cơ Phóng điện nhiệt Phóng điện do thoái hóa hóa học, phóng điện cục bộ 30 năm V r at ed 10 ns 2. Phóng điện riêng (intrinsic breakdown) 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 a. Phóng điện điện tử 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 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 Các thác điện tử (kênh dẫn điện) Thủy tinh hữu cơ 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 Lực tác động lên bề mặt điện môi E = 0 E > 0 2 2 2 1 2 1 2 1 2 1 d VEDEF roro Lực đàn hồi của vật liệu (định luật Hooke) d dYF oln2 Với: Y-Young’s modulus Tại trạng thái cân bằng d dYdV d dY d V FF o ro o ro ln2 ln 2 1 22 2 2 21 Vật liệu trở nên không ổn định khi d 0,6 do 2/1 ro BD YdV Cường độ điện trường khi phóng điện 2/1 6,0 roo BD BD Y d VE Điện áp phóng điện 3. Phóng điện nhiệt (thermal breakdown) Tổn thất điện môi trong trường hợp điện áp AC VEVEP ooAC 2'2" tan Tổn thất điện môi trong trường hợp điện áp DC VEPDC 2 Tổn thất điện môi là nguồn sinh nhiệt (PG) để làm nóng điện môi (PS) và tỏa ra môi trường xung quanh (Pout) Thể tích khối điện môi Thể tích khối điện môi 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 Xét trường hợp điện môi đặt giữa 2 bản cực - Ở trạng thái cân bằng nhiệt outSGin PPPP ToTo Tmax Pin Pout PG PS Nhiệt vào Nhiệt đốt nóng điện môi Nhiệt tản ra Nhiệt do tổn hao điện môi (*)0 GV VG P dx dTC dx dTk dx d dV dx dTk dx ddA dx dTkdV dx dTCdVPdA dx dTk Làm nóng điện môi Tiêu tán ra môi trường xung quanh - Ở trạng thái ổn định: 0 0 j dx d dx dTCV Với: CV: nhiệt dung riêng k: hệ số dẫn nhiệt Pin PS Pout - Điện áp DC, phương trình (*) có nghiệm như sau: dTkU T T DC o max 82 - Điện áp AC, phương trình (*) có nghiệm như sau: dTkU T To AC o max tan' 82 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 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. a t E Ud 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
File đính kèm:
- bai_giang_vat_lieu_dien_chuong_6_phong_dien_trong_chat_ran.pdf