Bài giảng Vật liệu điện - Chương VI: Phóng điện trong chất rắn - Nguyễn Văn Dũng

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. 
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. 
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. 
 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
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. 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
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. 
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. 
 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 
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. 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. 
 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
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. 
 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
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. 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
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. 
 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. 
 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
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. 
(*)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
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. 
- 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
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. 
 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