Các hiện tượng vật lý cơ bản trong quá trình hồ quang điện

Một phần của tài liệu Nghiên cứu đặc tính hồ quang điện trong quá trình đóng cắt của các thiết bị điện646 (Trang 31)

4. Kết cấu của luận án

1.2. Các hiện tượng vật lý cơ bản trong quá trình hồ quang điện

HỒ QUANG đIỆN

Hồ quang điện là một hiện tượng xảy ra rất đa dạng và phức tạp trong nhiều lĩnh vực của ngành điện. Hồ quang có thể được xảy ra khi xuất hiện tia lửa điện giữa các điện cực hoặc phát sinh trong quá trình đóng cắt mạch điện. Trong các khắ cụ điện như cầu dao, máy ngắt Ầ hồ quang là rất có hại cần

phải nhanh chóng được loại trừ, tuy nhiên trong một số trường hợp thì hồ quang được sử dụng và được khai thác mặt có lợi của nó (như trong hàn điện, luyện thép...).

1.2.1. Quá trình phát sinh hồ quang ựiện

Ở điều kiện bình thường, các loại điện môi bao gồm các phân tử trung hoà do đó nó không dẫn điện. Khi có điện trường đặt vào điện môi làm cho các phần tử trung hoà bị ion hoá trở thành các điện tử tự do, các ion dương, ion âm lúc đó nó trở thành vật dẫn điện.

Hồ quang điện phát sinh khi môi trường giữa các điện cực (hoặc giữa các cặp tiếp điểm) bị ion hoá. Quá trình ion hoá có thể xảy ra dưới tác dụng của ánh sáng, nhiệt độ, điện trường mạnh .... trong thực tế quá trình phát sinh hồ quang điện bao gồm các dạng ion hoá như sau: [25], [36], [48]

1.2.1.1. Quá trình tự phát xạ ựiện tử ở bề mặt catốt

Khi điện cực (hay tiếp điểm) vừa mở ra, lúc đầu khoảng cách còn rất bé, dưới tác dụng của điện áp nguồn ngoài thì cường độ điện trường rất lớn (nhất là vùng catốt) có thể đạt đến hàng triệu V/cm. Dưới tác động của cường độ điện trường lớn ở vùng catốt một số điện tử có liên kết yếu với hạt nhân trong cấu trúc sẽ bị kéo bật ra khỏi bề mặt catốt trở thành các điện tử tự do.

Quá trình này được gọi là quá trình tự phát xạ điện tử (hay quá trình phát xạ nguội điện tử) tức là nếu có một điện trường đủ mạnh đặt lên điện cực, các điện tử tự do sẽ được cấp thêm năng lượng và có thể bứt ra khỏi điện cực. Quá trình này phụ thuộc vào cường độ điện trường và vật liệu làm điện cực

Jae = 120.E2.e-b/E (1-1)

Trong đó: Jae - mật độ dòng điện do tự phát xạ điện tử sinh ra, A/mm2; E - cường độ điện trường ở catốt, V/mm;

b - hằng số phụ thuộc vào vật liệu làm điện cực, V/mm Bảng 1.1 Trị số b của các loại vật liệu làm điện cực

Vật liệu Vônfram đồng Sắt Bạch kim Graphắt

b 5,25.104 5,10.104 3,70.104 6,17.104 5,04.104

1.2.1.2. Quá trình phát xạ nhiệt ựiện tử ở bề mặt catốt

Tiếp điểm và điện cực được chế tạo từ kim loại, mà trong cấu trúc kim loại luôn tồn tại các điện tử tự do, chúng chuyển động về mọi hướng trong quĩ đạo của cấu trúc hạt nhân nguyên tử. Khi tiếp điểm bắt đầu mở thì điện trở tiếp xúc tăng lên, dòng điện chỗ tiếp xúc bị thắt lại, mật độ dòng điện tại đó tăng lên làm nóng các điện cực. Khi bị đốt nóng, động năng của các điện tử tăng nhanh cho đến khi lớn hơn công thoát liên kết hạt nhân thì điện tử sẽ thoát ra khỏi bề mặt catốt trở thành điện tử tự do. Quá trình này gọi là quá trình phát xạ nhiệt điện tử.

Quá trình phát xạ nhiệt điện tử này phụ thuộc vào nhiệt độ điện cực và vật liệu làm điện cực [1].

JTe= 120.T2.e-b/T (1-2)

Trong đó: JTe Ờ mật độ dòng điện do phát xạ nhiệt điện tử sinh ra, A/mm2; T Ờ nhiệt độ tuyệt đối của catốt, K;

b - hằng số phụ thuộc vào vật liệu làm điện cực, K 1.2.1.3. Quá trình ion hoá do va chạm ở khu vực thân hồ quang

Sau khi tiếp điểm mở ra, dưới tác dụng của nhiệt độ cao và điện trường lớn thì các điện tử tự do sẽ phát sinh và chuyển động từ catốt sang anốt. Do điện trường có cường độ rất lớn nên các điện tử sẽ chuyển động với vận tốc cao. Trên đường đi các điện tử này sẽ va chạm với các phân tử trung hoà làm bật ra các điện tử và ion mới. Các điện tử mới này lại tiếp tục chuyển động và va chạm với các phân tử trung hoà khác... cứ như thế số lượng điện tắch giữa hai điện cực mỗi lúc lại tăng lên gấp bội. Quá trình ion hoá như vậy gọi là quá trình ion hoá do va chạm. Quá trình này phụ thuộc vào cường độ điện trường, mật độ các phân tử trong vùng điện cực, lực liên kết phân tử, khối lượng của phân tử...

1.2.1.4. Quá trình ion hoá do nhiệt ựộ cao ở khu vực thân hồ quang Khi nhiệt độ chất khắ tăng cao thì tốc độ chuyển động của các phân tử khắ càng tăng và do đó số lần va chạm càng tăng lên nên sự tách các ion càng mạnh. Quá trình này được gọi là quá trình ion hoá do nhiệt độ cao, nó phụ thuộc vào nhiệt độ hồ quang, mật độ các phân tử khắ và đặc tắnh của chất khắ. Chẳng hạn, đối với không khắ, nếu nhiệt độ thân hồ quang khoảng 8000 9000K thì ion hoá do nhiệt độ đóng vai trò chủ yếu. Vì vậy quá trình tạo nên hồ quang điện được gắn liền với quá trình nhiệt.

Như vậy, hồ quang điện phát sinh là do tác dụng của cường độ điện trường lớn tạo ra hiện tượng tự phát sinh điện tử và phát xạ nhiệt điện tử tại

bề mặt catốt. Tiếp theo là quá trình ion hoá do va chạm và ion hoá do nhiệt độ cao tại thân hồ quang. Khi cường độ điện trường càng tăng, nhiệt độ càng cao và mật độ dòng càng lớn thì hồ quang cháy càng mãnh liệt và phát sáng chói loà.

1.2.2. Quá trình tắt hồ quang ựiện

Hồ quang điện sẽ bị tắt khi môi trường giữa các điện cực không còn khả năng duy trì sự dẫn điện, hay nói cách khác hồ quang điện sẽ tắt khi quá trình khử ion hoá xảy ra mạnh hơn quá trình ion hoá. Có hai quá trình khử ion hoá đó là: quá trình tái hợp và quá trình khuếch tán. [25], [36], [48]

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

Một phần của tài liệu Nghiên cứu đặc tính hồ quang điện trong quá trình đóng cắt của các thiết bị điện646 (Trang 31)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(171 trang)