CHƯƠNG HỒ QUANG ĐIỆN I Định nghĩa tác hại hồ quang điện II Quá trình hình thành hồ quang điện III Dập hồ quang điện mạch điện xoay chiều IV Một số biện pháp nhân tạo dập hồ quang điện V Tóm tắt ơn tập Hình a : Hình dáng bên ngồi Hình b : Mặt cắt Hình - : Buồng dập hồ quang chân không + : Bộ phận làm kín : Vòng đệm bào vệ : Vòng xếp kim loại kim loại + : Tấm chắn bảo vệ : Cách điện ceramic + 10 : Nắp : Các tiếp điểm Mục tiêu : Trang bị cho học sinh – sinh viên a Nguyên nhân tác hại hồ quang điện b Dập hồ quang điện mạch điện xoay chiều c Các biện pháp nhân tạo dập hồ quang điện 79 PHẦN ĐIỆN TRONG TBA HỒ QUANG ĐIỆN I KHÁI NIỆM I.1 Định nghĩa Hồ quang điện phóng điện tự trì khơng khí với mật độ dòng lớn nhiệt độ cao Như dòng hồ quang dòng điện tử ion (plasma) có điện trở lớn I.2 Tác hại hồ quang điện Dòng hồ quang đòng điện, nên sau tiếp điểm rời dòng điện tồn làm kéo dài thời gian đóng cắt khí cụ điện Chỉ hồ quang bị dập tắt hẳn, mạch điện cắt hoàn toàn Do nhiệt độ hồ quang cao nên làm rỗ, gây cháy bề mặt tiếp xúc, làm hỏng bề mặt tiếp xúc, làm tăng điện trở tiếp xúc Khi hồ quang xuất hiện, vùng khơng khí tiếp điểm trở thành dẫn điện Vùng khơng khí lan rộng gây phóng điện pha gây ngắn mạch pha Khi cắt mạch điện khí cụ điện khơng có thiết bị dập hồ quang, có dòng điện lớn chạy qua, hồ quang dễ dàng phát sinh phóng mạnh đến người thao tác gây cháy, bỏng, nổ, chết người tai nạn khác II QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỒ QUANG II.1 Bản chất vật lý hồ quang điện Phóng điện tác dụng điện trường cao: Khi đầu tiếp xúc khí cụ điện mở ra, hai đầu khe hở có khoảng cách nhỏ chịu điện áp lớn hình thành điện trường Dưới tác dụng cường độ điện trường lớn điện tử tự chạy dương cực : Hồ quang điện phát sinh d E = U d E U Hình - : Phóng điện tác dụng điện trường cao Phát xạ nhiệt điện tử : Khi đầu tiếp xúc bắt đầu mở, lực nén vào hai tiếp xúc giảm dần, điện trở tiếp xúc tăng Dưới tác dụng nhiệt độ cao điện tử rời khỏi mạch kim loại chạy dương cực tượng phát xạ nhiệt điện tử Ion hóa va chạm: Các điện tử phát sinh tượng nêu chuyển động nhanh sang dương cực tác dụng từ trường Chúng chuyển động với tốc độ lớn va chạm vào phần tử trung hòa làm bật điện tử ion Các điện tử lại làm ion hóa phần tử trung hóa khác… Số lượng điện tích hai điện cực tăng lên gấp bội Dạng ion hóa gọi ion hóa va chạm 80 PHẦN ĐIỆN TRONG TBA HỒ QUANG ĐIỆN Hiện tượng đầu nguyên nhân sinh hồ quang điện Hai tượng sau tạo điều kiện trì hồ quang điện II.2 Qúa trình khử ion-hóa Song song với qúa trình ion-hóa khe hở, có qúa trình khử ion Qúa trình tượng sau Hiện tượng kết hợp: Các ion chuyển động va chạm vào tạo thành hạt trung hòa gọi tượng kết hợp Nhiệt độ hồ quang điện thấp, tiết diện hồ quang điện nhỏ, khả kết hợp mạnh Khi tiếp xúc với điện môi, hồ quang điện bị thêm nhiệt lượng, thúc đẩy tượng kết hợp làm ion-hóa giảm xuống, qúa trình khử ion tăng lên Hiện tượng khuếch tán: hồ quang điện mơi trường xung quanh có chênh lệch lớn nhiệt độ mật độ ion, ion khơng ngừng bị khuyếch tán vào môi trường xung quanh kết hợp với điện tử tự tạo thành hạt trung tính Hồ quang bị dịch chuyển mạnh khả khuếch tán tăng Hiện tượng phân ly: tác dụng nhiệt độ cao hồ quang, phần tử khí chuyển động mạnh hỗn loạn Một số phân tử khí chuyển động va chạm vào phân ly thành nguyên tử Các nguyên tử khuếch tán vào môi trường xung quanh, gặp nhiệt độ thấp lại kết hợp thành phân tử Phản ứng phân ly thu nhiệt, làm giảm nhiệt độ hồ quang, tạo điều kiện cho khử ion Lợi dụng tượng nêu trên, người ta dập tắt hồ quang điện để bảo đảm an toàn cho người trang thiết bị điện III CẮT MẠCH VÀ DÂP TẮT HỒ QUANG TRONG MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU Trong trình cắt mạch dập tắt hồ quang mạch điện xoay chiều, có khái niệm điện áp III.1 Điện áp hồ quang Uhq * Uhq : Là điện áp hai đầu tiếp xúc hồ quang cháy Uhq = Rhq x Ihq Khi hồ quang cháy điện áp nhỏ – 10% điện áp lưới III.2 Điện áp phục hồi Uph * Uph : Là điện áp biến thiên hai đầu tiếp xúc dòng hồ quang mạch điện xoay chiều trở gía trị tự nhiên Điện áp phục hồi bao gồm điện áp lưới điện áp điện dung ký sinh sinh song song với điện áp lưới Điện áp phục hồi đạt tới giá trị cực đại gấp hai lần điện áp lưới III.3 Điện áp bền Ub (điện áp chọc thủng Uct ) * Uct : Là đại lượng đặc trưng cho độ bền điện môi hai đầu điện cực dòng hồ quang qua gía trị tự nhiên Đó mức điện áp bé mà khí hai đầu tiếp xúc (khe hở) bị chọc thủng Điện áp chọc thủng tăng lên nhanh theo thời gian hay theo khoảng cách hai đầu tiếp xúc 81 PHẦN ĐIỆN TRONG TBA HỒ QUANG ĐIỆN III.4 Cắt mạch dập hồ quang mạch điện xoay chiều Trong mạch điện xoay chiều, giả sử điện áp nguồn dòng điện có dạng hình sin với góc lệch khoảng 90o (nghĩa xét dập hồ quang điều kiện nặng nề nhất) Uct Uph Ulưới Uhq Ihq t Ilưới Uph Cắt mạch Uct Hình - : Qúa trình cắt mạch dập hồ quang mạch điện xoay chiều Khi dòng nhỏ Uhq tăng dần theo dòng điện, sau dù dòng có tăng điện áp Uhq giảm qúa trình ion hóa nhiệt tăng, điện trở hồ quang giảm nhanh Khi dòng qua giá trị cực đại bắt đầu giảm dần mức độ ion-hóa giảm, điện trở hồ quang tăng nhanh, dẫn đến điện áp hồ quang tăng Khoảng cuối nửa chu kỳ, dòng khơng đưa điện áp hồ quang không Nửa chu kỳ dòng, điện áp hồ quang lặp lại hồ quang trì Khi dòng qua giá trị 0, khoảng thời gian ngắn, lượng cấp cho hồ quang ít, nhiệt độ hồ quang giảm, khơng ion-hố nhiệt Đây khoảng thời gian quan trọng để dập hồ quang xoay chiều Tại giá trị dòng hồ quang đồng thời xảy hai qúa trình khe hở hai đầu tiếp xúc : phục hồi độ bền điện phục hồi điện áp Do đầu tiếp xúc động không đứng nguyên khoảng thời gian dòng hồ quang qua gía trị tự nhiên Sự biến thiên điện áp phục hồi Uph điện áp chọc thủng Uct định hồ quang bị dập tắt hay cháy lại Uph ≥ Uct : Hồ quang cháy lại Uph < Uct : Hồ quang bị dập tắt 82 PHẦN ĐIỆN TRONG TBA HỒ QUANG ĐIỆN Tóm lại, cắt mạch xoay chiều, hồ quang có khả bị dập tắt thời điểm dòng qua trị số khơng III.5 Qúa trình cắt dập hồ quang mạch ba pha Cắt mạch ba pha gồm có hai giai đoạn Khi đầu tiếp xúc máy cắt mở ba pha có hồ quang trước hết hồ quang bị dập tắt pha mà dòng qua khơng trước tiên, thời điểm hai pha lại tồn hồ quang Chỉ sau ¼ chu kỳ hồ quang hai pha lại bị dập tắt IV CÁC PHƯƠNG PHÁP DẬP TẮT HỒ QUANG Để bảo đảm dễ dàng dập tắt hồ quang cần phải dùng biện pháp nhân tạo để tăng điện áp bền điện môi khe hở hai đầu tiếp xúc khoảng thời gian dòng hồ quang qua giá trị Việc thay đổi điện áp phục hồi khó thực hiện, chúng phụ thuộc vào thơng số lưới điện Các biện pháp nhân tạo để dập tắt hồ quang gồm : IV.1 Phương pháp kéo dài hồ quang Càng kéo dài hồ quang điện áp để trì phải cao Nếu điện áp nguồn nhỏ điện áp cần để trì hồ quang Hồ quang bị dập tắt IV.2 Chia hồ quang thành nhiều hồ quang ngắn Nhờ có ngăn hồ quang thép mạ đồng, hồ quang bị đẩy vào sâu phân thành nhiều hồ quang nhỏ Hồ quang bị dâp tắt nhanh điện áp phục hồi đoạn hồ quang nhỏ so với điện áp chọc thủng IV.3 Dập tắt hồ quang khe nhỏ buồng dập hồ quang Cháy khe nhỏ hồ quang bị hạ nhiệt độ nhanh điện tích nhanh chóng khuếch tán vào mơi trường xung quanh, dẫn đến khử ion dập tắt hồ quang IV.4 Chuyển động hồ quang từ trường Hồ quang dòng điện Khi đặt hồ quang từ trường có lự điện từ tác dụng lên Nếu hướng từ trường vng góc với trục hồ quang hồ quang bị chuyển động tịnh tiến bị đẩy vào khe hở buồng dập hồ quang, Khi từ trường tròn, hồ quang chuyển động quay, dễ dàng bị kéo dài – làm mát – khử ion bị dập tắt IV.5 Dập tắt hồ quang dầu Nếu đầu tiếp xúc khí cụ điện đặt dầu biến áp Khi cắt mạch, hồ quang xuất hiện, tác dụng nhiệt hồ quang, dầu tạo thành bọt khí khác, khí hydro, dầu, khí hydro chủ yếu (70 80%) với áp suất cao Khí hydro có độ bền điện cao, với áp suất cao làm cho tượng ion-hóa nhiệt nhiều, hồ quang dễ bị dập tắt 83 PHẦN ĐIỆN TRONG TBA HỒ QUANG ĐIỆN Tấm thép mạ đồng 2 F F 1 Cuộn dây thổi từ H.a : Kéo dài hồ quang điện H.b : Chia hồ quang thành nhiều đoạn ngắn Khơng khí nén Hơi dầu Dầu biến áp H.c : Dập hồ quang khe hở hẹp H.e : Dập hồ quang dầu + s F N H.d : Dập hồ quang từ trường Hình - : Một số biện pháp dập hồ quang điện nhân tạo IV.6 Thổi khí nén Hồ quang làm nguội nhanh có luồng khí chuyển động thổi vào Thổi dọc hay thổi ngang vào hồ quang tạo điều kiện cho phân tử khí tiếp xúc với hồ quang, dẫn tới khuếch tán làm nguội hồ quang dễ dàng Tốt thổi vào hồ quang khí lạnh chứa từ bình chứa IV.7 Dùng nhiều chỗ cắt Cắt mạch với dòng hồ quang lớn điện áp cao khó khăn Vì mạch điện cao áp người ta thường dùng nhiều chỗ cắt pha, điện áp 84 PHẦN ĐIỆN TRONG TBA HỒ QUANG ĐIỆN cao nhiều chỗ cắt Để phân bố điện áp người ta mắc song song với chỗ cắt tụ điện C hay điện trở R làm nhiệm vụ phân áp Đối với phân áp điện trở R, hồ quang bị khống chế tốt điện trở R làm giảm dòng cắt tiếp điểm chính, tạo điều kiện dập hồ quang dễ dàng tiếp điểm phụ làm giảm tốc độ điện áp phục hồi C R H.h : Dùng nhiều chỗ cắt H.g : Thổi khí nén (dọc trục) Hình - : Một số biện pháp dập hồ quang điện nhân tạo Hình - : Máy cắt khơng khí dùng nhiều chỗ cắt để dập hồ quang (Trị An) 85 PHẦN ĐIỆN TRONG TBA HỒ QUANG ĐIỆN IV.8 Dập tắt hồ quang chân khơng Khí áp suất nhỏ (10 - 10 - N/cm2) có độ bền điện cao so với khơng khí áp suất thường, Khi mở đầu tiếp xúc chân không, cần nửa chu kỳ dòng qua trị số khơng hồ quang bị dập tắt Nguyên lý thường áp dụng máy cắt chân khơng Hình - : Một số phương án dập hồ quang máy cắt chân khơng a Xốy ngang hồ quang điện rãnh xoắn b Phân nhỏ xoáy dọc hồ quang điện c Khuếch tán hồ quang lực điện động Hình - : Buồng dập hồ quang chân không IV.9 Dập tắt hồ quang khí áp suất cao Khí áp suất 200 N/cm2 cao có độ bền điện cao Vì máy cắt khơng khí dùng khơng khí có áp suất cao lấy từ bình nén khí để dập tắt hồ quang Hiệu qủa dùng loại khí áp suất cao có độ bền điện cao khơng khí khí ê-lê-ga (SF6) Khí ê-lê-ga dập hồ quang áp suất thường Khí SF6 dùng nhiều máy cắt SF6 86 PHẦN ĐIỆN TRONG TBA HỒ QUANG ĐIỆN ... vào phần tử trung hòa làm bật điện tử ion Các điện tử lại làm ion hóa phần tử trung hóa khác… Số lượng điện tích hai điện cực tăng lên gấp bội Dạng ion hóa gọi ion hóa va chạm 80 PHẦN ĐIỆN TRONG. .. mạch điện xoay chiều trở gía trị tự nhiên Điện áp phục hồi bao gồm điện áp lưới điện áp điện dung ký sinh sinh song song với điện áp lưới Điện áp phục hồi đạt tới giá trị cực đại gấp hai lần điện. .. thủng Điện áp chọc thủng tăng lên nhanh theo thời gian hay theo khoảng cách hai đầu tiếp xúc 81 PHẦN ĐIỆN TRONG TBA HỒ QUANG ĐIỆN III.4 Cắt mạch dập hồ quang mạch điện xoay chiều Trong mạch điện