Quá trình tái hợp

4. Kết cấu của luận án

1.2.2.1. Quá trình tái hợp

Khi các ion dương và âm chuyển động va chạm nhau sẽ trao đổi điện tắch cho nhau tạo thành các phân tử trung hoà gọi là quá trình tái hợp. Quá trình này phụ thuộc vào mật độ các phần tử trong vùng hồ quang, nhiệt độ của hồ quang... nếu nhiệt độ hồ quang thấp, tiết diện hồ quang nhỏ thì khả năng tái hợp càng mạnh. Nếu hồ quang tiếp xúc với điện môi, hiện tượng tái hợp càng tăng lên vì khi đó các điện tử bám vào điện môi tạo thành một thế âm, đẩy các điện tử khác ra và hút các ion dương lại để trung hoà. Mặt khác khi

tiếp xúc với điện môi, hồ quang bị mất năng lượng, do đó ion hoá giảm xuống, khử ion tăng lên.

Mức độ tái hợp có thể biểu diễn bằng công thức sau:

2 th dn n dt = σ (1-3) Trong đó: th dn

σ - hệ số tái hợp, phụ thuộc vào đặc tắnh của chất khắ, áp suất, nhiệt độ;

n - số lượng các ion cùng dấu trong vùng thân hồ quang. 1.2.2.2. Quá trình khuếch tán

Khi các ion di chuyển từ vùng có mật độ điện tắch cao (vùng hồ quang) ra vùng xung quanh có mật độ điện tắch thấp hơn - gọi là quá trình khuếch tán. Sự khuếch tán càng nhanh hồ quang càng nhanh tắt. Để tăng quá trình khuếch tán, người ta thường tìm cách kéo dài ngọn lửa hồ quang.

Mức độ khuếch tán được biểu diễn qua công thức sau:

2 kt hq dn 2.D.n dt = r (1-4) Trong đó: kt dn

dt - tốc độ suy giảm các ion do khuếch tán;

n - số lượng các ion cùng dấu trong vùng thân hồ quang; rhq - bán kắnh thân hồ quang, mm;

D - hệ số khuếch tán, mm2/s; D =

3 1δ.υ

Với : δ - chiều dài khoảng chạy tự do ion, mm;

υ- vận tốc chuyển động trung bình của ion, mm/s.

Từ công thức (1-4) ta nhận thấy rằng, mức độ khuếch tán tăng khi bán kắnh r của thân hồ quang giảm, số lượng ion trong vùng hồ quang và tốc độ trung bình của nó tăng. Như vậy, để dập tắt hồ quang khi nó xuất hiện giữa các điện cực thì phải tăng cường quá trình khử ion hoá.

1.3. đẶC đIỂM CỦA HỒ QUANG đIỆN 1.3.1. Sự hình thành hồ quang ựiện 1.3.1. Sự hình thành hồ quang ựiện

Hồ quang điện có thể được tạo thành bởi sự phát sinh tia lửa điện giữa hai điện cực hoặc quá trình tách ra của hai tiếp điểm. Tia lửa điện có thể được coi là khởi đầu của sự phóng điện. Sau đó thiết lập một đường dẫn tia lửa điện giữa các điện cực, dòng điện tiếp tục tăng và điện áp giảm, khi đó tia lửa điện trở thành hồ quang điện. (Hình 1.1). [48]

Hình 1.1- Sự hình thành hồ quang điện a) Sơ đồ mạch điện;

b) Đặc tắnh V-A của quá trình xuất hiện hồ quang điện.

Vùng A: vùng phóng điện tối, trong vùng này điện áp tăng lên rất nhanh còn dòng điện nhỏ, chưa xuất hiện hiệu ứng ánh sáng.

Vùng B: vùng quá độ từ quá trình phóng điện tối đến quá trình phóng điện vầng quang. Điện áp giảm nhanh, dòng điện tăng và bắt đầu xuất hiện hiệu ứng ánh sáng ở cuối quá trình này.

Vùng C: vùng phóng điện vầng quang với đặc trưng là điện áp hầu như không đổi còn dòng điện tăng lên.

Vùng D: vùng phóng điện tia lửa điện. Đặc trưng của vùng này là điện áp tăng đột ngột lên cao, còn dòng điện ắt thay đổi. Hiệu ứng ánh sáng phát triển mạnh ở các bản cực.

Vùng E: vùng quá độ từ phóng điện tia lửa sang phóng điện hồ quang, trong vùng này điện áp giảm nhanh chóng và dòng điện cũng bắt đầu tăng nhanh dần lên.

Vùng F: vùng phóng điện hồ quang, được đặc trưng bởi dòng điện lớn, điện áp thấp, nhiệt độ tăng cao và hiệu ứng phát sáng mãnh liệt.

Khi hồ quang cháy giữa 2 điện cực (hoặc tiếp điểm) được phân thành 3 vùng: vùng anốt, vùng catốt và vùng thân hồ quang.

UAC = UA + UC + Uhq (1-5) Trong đó: UAC - điện áp trên 2 điện cực, V;

UC, UA, Uhq - điện áp trên catốt, anốt và thân hồ quang, V. 1.3.2. đặc ựiểm hồ quang ựiện vùng catốt

Vùng catốt (vùng cực âm) chiếm một khoảng không gian không lớn lắm. Độ dài của nó không quá 10-3mm. Sụt áp catốt được hình thành tại khoảng cách của vùng này (UC khoảng 10 20V). Cường độ điện trường vùng này khá lớn, đến 20.103 V/mm. Trị số này phụ thuộc vào vật liệu làm điện cực và đặc tắnh của chất điện môi.

1.3.3. đặc ựiểm hồ quang ựiện vùng anốt

Vùng anốt (vùng cực dương) có điện áp rơi thấp, khoảng 5 20V và có độ dài khoảng 10-2mm, cường độ điện trường EA thấp hơn nhiều so với EC.

Hình 1.2 - Phân bố điện áp và điện trường trên các vùng của hồ quang điện. Sụt áp ở anốt còn được gọi là điện áp anốt. Điện áp này bé hơn điện áp catốt và phụ thuộc mạnh vào dòng điện. Đối với hồ quang mạnh điện áp anốt nhỏ tới mức có thể bỏ qua. Các yếu tố xảy ra ở vùng này theo nhiều công trình nghiên cứu là ắt ảnh hưởng đến quá trình phát sinh và dập tắt hồ quang nên không được đề cập đến nhiều.

1.3.4. đặc ựiểm vùng thân hồ quang ựiện

Vùng thân hồ quang có cường độ điện trường Ehq gần như không đổi, khoảng 1 20 V/mm, phụ thuộc vào tắnh dẫn nhiệt, tốc độ chuyển động của các phần tử của chất điện môi, vận tốc của hồ quang điện. Điện áp rơi trên thân hồ quang (Uhq) phụ thuộc vào chiều dài hồ quang và được tắnh theo công thức:

Uhq = Ehq . lhq (1-6) Nhiệt độ của vùng thân hồ quang là rất cao từ 5000 180000K.

Khi nhiệt độ lớn, tốc độ của các điện tử và ion tăng cao đến một giá trị nào đó, lúc này chúng va chạm vào các nguyên tử trung hòa sẽ gây nên quá

trình ion hoá mãnh liệt - gọi là quá trình ion hoá nhiệt. Số lượng các điện tắch xuất hiện do kết quả của quá trình ion hoá nhiệt được xác định theo công thức Saha sau: [5], [25] 2 5 2 2 hq 2 f p 3,16.10 .T .exp( eU / k.T) 1 f − ⋅ = − − (1-7)

Trong đó: f - bậc ion hoá, bằng tỉ số của hạt ion hoá chia cho tất cả số nguyên tử trong thể tắch đã cho;

e = 1,601.10-19 - điện tắch của điện tử, Culông; Uhq - điện áp của vùng thân hồ quang, V; k = 1,38065.10-23J/K - hằng số Boltzmann; p - áp suất chất khắ, Pa; T - nhiệt độ, K. Đặt: 2 52 hq A 3 16 10 T exp eU= , . −. . (− / . ) k T Từ (1-7) ta có: 2 2 2 f A 1 A 1 1 f− = p → - +1 f− = p 2 2 2 1 A 1 A p p 1 1 f 1 f p 1 f p A p + = + → = → = − − − + 5 2 2 hq 5 2 2 hq 3 16 10 T exp eU k T p f 1 f (1-8) A p 3 16 10 T exp eU k T p − − − = − → = + − + , . . . ( / . ) , . . . ( / . )

Từ phương trình (1-8) chứng tỏ rằng áp suất chất điện môi càng lớn, mức độ ion hoá càng thấp. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong nhiều thiết bị dập hồ quang, người ta sẽ nâng cao áp suất chất điện môi để góp phần vào

việc dập hồ quang điện. Đồng thời nhiệt độ cũng ảnh hưởng mạnh đến quá trình ion hoá, nhiệt độ tăng thì mức độ ion hoá tăng và ngược lại. Chắnh vì thế

trong các thiết bị dập hồ quang người ta hướng tới việc dẫn nhiệt khỏi hồ quang bằng các cách như: hoặc làm lạnh bằng không khắ chuyển động, hoặc bằng các môi chất, hoặc thoát nhiệt ra thành của buồng dập hồ quang.

Phương trình Saha còn được thể hiện bằng đồ thị trên Hình 1.3 cho khắ oxy và khắ nitơ. Trên hình này cho thấy nhiệt trong quá trình ion hoá có thể dùng để chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái không dẫn.

Hình 1.3- Mức độ ion hoá của oxy và nitơ ở áp suất khắ quyển.

Bởi vì theo độ nghiêng giữa nhiệt độ và mức độ ion hoá trên Hình 1.3 cho thấy nhiệt độ của hồ quang sẽ giảm khi dùng một chất khắ nào đó để làm giảm nhiệt độ thân hồ quang, lúc này hồ quang sẽ từ trạng thái dẫn sang trạng thái không dẫn tức là từ cháy chuyển sang tắt. Hầu hết các loại máy cắt đều hoạt động theo nguyên lý này. Vì quá trình ion hoá xảy ra rất mạnh tạo ra dòng điện hồ quang rất lớn nên có thể xem hồ quang như là một dây dẫn điện. Tắnh dẫn điện của luồng hồ quang là 10 Ờ 100 S/cm, nó tương đương với tắnh dẫn điện của cacbon.

Trong thân hồ quang xảy ra quá trình ion hoá rất mãnh liệt, luôn có sự phát sinh ra các electron và các ion dương. Tuy nhiên, chuyển động của các electron lớn hơn so với các ion dương. Chắnh vì vậy, dòng hồ quang được tạo ra là do dòng của các electron. Ở vùng thân hồ quang xảy ra một hiện tượng gọi là "hiệu ứng hướng tâm".

1.3.5. Hiệu ứng hướng tâm ở thân hồ quang ựiện

Hiệu ứng hướng tâm có thể được diễn tả trên Hình 1.4a, toàn bộ dòng điện trong vùng thân hồ quang có thể được tưởng tượng như là bao gồm một số các sợi dòng điện song song. Mỗi một sợi riêng biệt đều tạo nên lực hút đối với các sợi khác bởi lực điện từ. Kết quả là tổng hợp toàn bộ lực điện từ trên mỗi một sợi sẽ có hướng về tâm của thân hồ quang. [23]

Hình 1.4 - Mặt cắt ngang vùng thân hồ quang.

a) Hiệu ứng hướng tâm; b) Từ trường trong thân hồ quang. Khi đó áp suất ở trung tâm của thân hồ quang có thể được tắnh toán với giả thiết là mật độ dòng điện không thay đổi trong toàn bộ hồ quang như sau:

2

hq hq

i = π.r .j

rhq - bán kắnh thân hồ quang, mm;

j - mật độ dòng điện trong thân hồ quang, A/mm2. Tại bán kắnh r, từ trường có thể được tắnh theo công thức Ampe:

2.π.r.H(r) = π.r2.j 2 j r r H ( ) = . ⇒

Trong đó: H(r) - từ trường tại vị trắ có bán kắnh r, A/mm.

Tại bán kắnh r, ta lấy một vòng có độ dày là dr. Dòng điện chạy trong vòng này tương tác với từ trường sẽ tạo ra một lực mà lực này tại mỗi điểm của vòng có hướng vào trung tâm hồ quang.

Dòng điện Iv trong vòng này sẽ là: Iv = 2.π.r.dr.j Lực điện từ Fv của vòng là:

Fv = ộ0.H(r).Iv = ộ0.π.r2.dr.j2 Trong đó: ộ0 = 4π.10-7 H/m - độ từ thẩm của không khắ Lực điện từ F(r) trên đơn vị chiều dài của vòng:

Fv r 2 F(r ) . .dr. j 0 2 r 2 = = ộ π

Gradien áp suất tương ứng sẽ là:

h q 2 0 d p F ( r ) r . . j d r d r 2 = = ộ

2 R hq 2 2 hq hq 0 0 0 r r p dp . .j .dr .j . 2 4 = ∫ = ộ∫ =ộ (1-9)

Áp suất này sẽ góp phần vào việc kắch thắch dòng hồ quang và hơi kim loại trong các điện cực khi hồ quang đang cháy làm mòn các điện cực.

1.4 ẢNH HƯỞNG CỦA TÍNH CHẤT TẢI đẾN QUÁ TRÌNH DẬP HỒ QUANG đIỆN

1.4.1 Tải thuần trở [49], [51]

Với tải thuần trở, dòng điện hồ quang và điện áp nguồn trùng pha với nhau. Quá trình cháy và tắt của hồ quang được trình bày ở Hình 1.5:

0 ct

u

Hình 1.5-Quá trình dập hồ quang ở tải thuần trở.

Hồ quang phát sinh ở nửa chu kỳ thứ nhất, khi dòng điện hồ quang đi qua 0, giữa hai tiếp điểm có giá trị độ bền điện 0

ct

U và đặc tắnh quá trình phục hồi độ bền điện được biểu diễn bằng đường a - b cắt đường cong phục hồi điện áp U tại K, hồ quang sẽ cháy lập lại. Nếu quá trình khử ion mạnh (đường abỖ) đặc tuyến điện áp chọc thủng nằm cao hơn đặc tuyến phục hồi điện áp, hồ quang sẽ tắt hẳn.

Như vậy, đối với tải trở, dòng điện hồ quang và điện áp lưới trùng pha nên dễ tạo được đặc tuyến phục hồi độ bền điện cao hơn đặc tuyến phục hồi điện áp, do đó hồ quang dễ bị dập tắt hơn.

1.4.2 Tải thuần cảm

Với tải thuần cảm thì quá trình cháy và tắt của hồ quang được trình bày ở Hình 1.6. Ở nửa chu kỳ thứ nhất, khi dòng điện qua 0 thì điện áp nguồn lại có trị số đỉnh, do đó đường đặc tuyến độ bền điện ab cắt đường điện áp phục hồi, nên hồ quang cháy lặp lại ở nửa chu kỳ thứ hai. Đến cuối chu kỳ thứ hai, vì khe hở giữa hai tiếp điểm tăng, quá trình khử ion (như thổi hồ quang, làm lạnh hồ quang) mạnh, vì vậy đặc tuyến phục hồi độ bền điện abỖ không cắt đặc tuyến phục hồi điện áp, nên hồ quang tắt hẳn.

0 ct u 0 ' ct u

Hình 1.6 - Quá trình dập hồ quang ở tải thuần cảm.

Nếu quá trình phục hồi điện áp là quá trình dao động với tần số dao động riêng f0 thì sẽ có quá điện áp cao (đến vài lần trị số biên độ của điện áp nguồn), nên hồ quang dễ phát sinh lập lại và quá điện áp lớn dễ phá hỏng cách điện của thiết bị. Trong trường hợp này người ta phải dùng các biện pháp đặc biệt để giảm quá trình dao động của mạch cắt.

1.4.3 Tải thuần dung

Với tải thuần dung thì quá trình dập hồ quang được trình bày trên Hình 1.7, quá trình này thường xảy ra quá điện áp cao.

Khi hồ quang tắt (dòng điện đi qua trị số 0), trên tụ được nạp với trị số đỉnh của điện áp nguồn E. Sau thời gian nửa chu kỳ, điện áp nguồn đổi dấu nên điện áp phục hồi đặt lên hai tiếp điểm có giá trị bằng 2E.

Nếu tại thời điểm này xảy ra hiện tượng phóng điện thì tụ điện sẽ được nạp thêm với điện áp 2E và điện áp đặt vào tụ điện có trị số 3E. Đến nửa chu kỳ tiếp theo, điện áp phục hồi đặt lên 2 tiếp điểm có trị số 5E... Nếu quá trình có phóng điện lặp lại thì quá điện áp sẽ có trị số khá cao, nó đặc biệt nguy hiểm vì nó có thể làm thủng cách điện của thiết bị. Trong thực tế sau 3 ọ 4 lần phục hồi điện áp thì hồ quang mới được dập tắt.

Hình 1.7 - Quá trình dập hồ quang ở tải thuần dung.

Chắnh vì vậy cần áp dụng các biện pháp khử đánh thủng lặp lại này. Thông thường dùng phương pháp hạ thấp điện áp trên điện dung sau khi dập hồ quang ở điểm 2 do có phóng điện của điện dung này qua điện trở RS (Hình

1.8). Trong trường hợp này ban đầu đoạn đứt B1 và điện trở RS được đưa vào, sau đó dòng điện được ngắt bởi đoạn đứt B2 [1].

Hình 1.8 - Sơ đồ mạch điện dập hồ quang tải thuần dung.

a) Mạch điện khi chưa có biện pháp khử điện áp đánh thủng lặp lại; b) Mạch điện khi mắc thêm Rs để khử điện áp đánh thủng lặp lại.

Qua việc xét đối với ba loại tải nêu trên ta nhận thấy rằng: Với tải trở thì hồ quang dễ dập tắt nhất. Còn với tải cảm hay tải dung thì việc dập tắt hồ quang khó khăn hơn nhiều vì có quá điện áp cao do đó phải mắc thêm điện trở vào mạch cắt để giảm trị số quá điện áp. Tuy nhiên, ngày nay với các máy cắt hiện đại thì không cần phải thêm mạch phụ bởi vì hiệu ứng dập hồ quang của chúng rất tốt.

Kết luận chương 1

1. Trong hồ quang ựiện luôn tồn tại song song hai quá trình ion hoá và khử ion hoá. Nếu quá trình ion hoá lớn hơn quá trình khử ion hoá, hồ quang sẽ phát sinh và phát triển mạnh, dòng ựiện hồ quang sẽ tăng. Nếu quá trình ion hoá bằng quá trình khử ion hoá, dòng ựiện hồ quang không tăng và hồ