Hồ quang điện
Cấu trúc chương trình phần I
• KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN • NAM CHÂM ĐIỆN • SỰ PHÁT NÓNG TRONG KHÍ CỤ ĐIỆN • HỒ QUANG ĐIỆN • LỰC ĐIỆN ĐỘNG TRONG KHÍ CỤ ĐIỆN • TIẾP XÚC ĐIỆN
Created by Hoang Anh 2
Khái niệm
• Hồ quang điện: là hiện tượng xảy ra khi khả năng
cách điện của các chất khí và tạo ra các dòng plasma, dẫn đến việc có một dòng diện chạy qua các chất bình thường không dẫn điện như không khí
• Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện trong chất
khí: • Mật độ dòng điện lớn (102 đến 103 A/mm2) • Điện áp rơi trên catốt bé (10 đến 20V) • Nhiệt độ hồ quang cao (6000 đến 180000K) • Kèm theo hiệu ứng ánh sáng
Created by Hoang Anh 3
Created by Hoang Anh 4
Đặc tính Vôn-Ampe tĩnh của quá trình phóng điện
• Vùng I: Vùng phóng điện tối • Vùng II:Vùng phóng điện quá độ
phóng điện vầng quang
• Vùng III: Vùng phóng điện vầng
quang
• Vùng IV: Vùng phóng điện vầng
quang không bình thường • Vùng V: Vùng quá độ vầng
quang sang phóng điện hồ quang
• Vùng VI: Vùng phóng điện hồ
quang
Created by Hoang Anh 5
Phân bố điện áp, cường độ điện trường h
UAC = UA + UC + Uthq • Vùng catốt có chiều dài ngắn (10-3mm) với UC = 8÷20V. Cường độ điện trường khá lớn 20.103 V/mm
• Vùng anốt với điện áp rơi thấp UA = 1÷12 V và chiều dài dài hơn (10-2mm) nên cường độ điện trường cũng nhỏ hơn nhiều
• Vùng thân hồ quang có cường độ điện trường không đổi cỡ 1÷20 V/mm
Created by Hoang Anh 6
Ứng dụng
• Hàn cắt kim loại • Hàn hồ quang • Cắt kim loại bằng plasma
Created by Hoang Anh 7
Ứng dụng
• Chiếu sáng
• Đèn hồ quang áp suất thấp • Đèn flash máy ảnh
• Nấu chảy, nhiệt luyện
• Lò hồ quang
Created by Hoang Anh 8
Tác hại của hồ quang điện
• Đối với các khí cụ điện, xét đến hồ quang điện chỉ là
xét đến các ảnh hưởng không mong muốn và cần phải giảm hồ quang đến mức tối thiểu • Phá hủy tiếp xúc điện của các mối nối thanh dẫn
• Tiếp điểm công tắc, rơle, máy cắt -->hàn dính, làm nóng chảy và
phá hỏng tiếp điểm • Nóng chảy các thanh dẫn • Phá hủy cách điện • Gây hỏa hoạn cũng như các tổn hại cho người và thiết bị
điện
Created by Hoang Anh 9
Quá trình ion hóa & phản ion hóa
• Quá trình ion hóa
• Quá trình tạo ra các điện tử tự do và các ion trong chất khí được gọi là quá trình ion hóa. Quá trình này có thể xảy ra dưới tác dụng của ánh sáng, nhiệt độ, điện trường v.v…
• Tự phát xạ điện tử • Phát xạ nhiệt điện tử • Ion hóa do va chạm • Ion hóa do nhiệt độ cao
Created by Hoang Anh 10
Quá trình ion hóa (1)
• Tự phát xạ điện tử (phát xạ nguội): Dưới điện trường đủ mạnh, điện tử tự do được cấp thêm năng lượng để tách khỏi điện cực, tạo thành các dòng điện trong chất khí
• Phụ thuộc điện trường • Phụ thuộc vật liệu
Jae = 120.E².e(-b/E)
Jae - mật độ dòng điện tự phát xạ điện tử sinh ra B - Thông số phụ thuộc vào vật liệu catốt E - Cường độ điện trường ở catốt
Created by Hoang Anh 11
Quá trình ion hóa (2)
• Phát xạ nhiệt điện tử: Khi điện cực catốt bị nung
nóng, điện tử tự do có động năng lớn -->tách khỏi điện cực tạo ra dòng điện trong chất khí • Phụ thuộc nhiệt độ • Phụ thuộc vật liệu
• Đèn sợi đốt chân không : sợi đốt đóng vai trò phát xạ nhiệt • Ở các thiết bị đóng cắt : tại tiếp điểm khi tách nhau ra -->mật độ
dòng điện tăng làm phát nóng quá mức cục bộ.
JTe = 120.T².e(-b/T)
JTe - Mật độ dòng điện do phát xạ nhiệt điện tử sinh ra T - Nhiệt độ tuyệt đối của catốt b - Thông số phụ thuộc vào vật liệu làm tiếp điểm
Created by Hoang Anh 12
Quá trình ion hóa (3)
•
Ion hóa do va chạm: là quá trình các điện tử tự do chuyển động với vận tốc lớn, đủ để bắn phá các phân tử trung hòa, tạo ra các ion dương và ion âm mới (thường dưới tác dụng của điện trường mạnh cỡ 103V/mm) • Cường độ điện trường • Mật độ các phân tử trong vùng điện cực • Lực liên kết phân tử, khối lượng của phân tử
Created by Hoang Anh 13
Quá trình ion hóa (4)
•
Ion hóa do nhiệt độ cao: • Nhiệt độ vùng hồ quang • Mật độ và đặc tính của các chất khí
Created by Hoang Anh 14
Quá trình phản ion hóa
• Là quá trình ngược với sự ion hóa -->làm suy giảm số
lượng ion trong môi trường hồ quang. • Quá trình tái hợp • Quá trình khuếch tán
Created by Hoang Anh 15
Quá trình tái hợp
• Là hiện tượng các hạt mang điện trái dấu va chạm với
nhau để tạo thành các phần tử trung hòa về điện. • Phụ thuộc mật độ hạt • Phụ thuộc xác suất va chạm • Phụ thuộc nhiệt độ →Là quá trình không kiểm soát được
Created by Hoang Anh 16
Quá trình khuếch tán
• Là hiện tượng di chuyển các ion từ vùng mật độ cao tới
vùng có mật độ thấp • Phụ thuộc mật độ hạt, vận tốc trung bình các hạt • Tỷ lệ nghịch với bán kính thân hồ quang →Là quá trình có thể kiểm soát được
Nếu :
+ Quá trình ion hóa > Phản hồ quang thì hồ quang tăng + Quá trình ion hóa < Phản hồ quang thì hồ quang giảm ->
hồ quang sẽ tắt -> ứng dụng dập tắt hồ quang
Created by Hoang Anh 17
Hồ quang điện một chiều (0)
• Đặc tính tĩnh hồ quang điện
• Hình dáng và bản chất các điện cực • Môi trường và áp suất môi trường hồ quang • Điều kiện làm việc (xoáy, thổi, trường điện từ …) • Chiều dài thân hồ quang (càng dài, càng cao)
Created by Hoang Anh 18
Hồ quang điện một chiều (1)
• Phương trình mạch
• E = Ri + Ldi/dt + Uhq • Đặc tính tải E – Ri • Ldi/dt = (E – Ri) - Uhq = Δu • A - Điểm làm việc không ổn
định
• B - Điểm làm việc ổn định • Nếu đặc tính tĩnh hồ quang cao hơn đặc tính tải -->hồ quang sẽ tắt
Created by Hoang Anh 19
Hồ quang điện một chiều (2)
• Quan hệ giữa điện áp, dòng điện và chiều dài thân hồ quang một chiều trong không khí theo công thức kinh nghiệm
Uhq = A + B.lhq + (C + D.lhq)/ In A, B, C, D - Các hằng số phụ thuộc vào vật liệu làm điện cực,
điều kiện và môi trường cháy của hồ quang
I - Dòng điện hồ quang lhp - Chiều dài của hồ quang n - Hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ của anốt
Created by Hoang Anh 20
Hồ quang điện một chiều (3)
• Năng lượng hồ quang Σri²dt phải tiêu tán càng nhỏ
khi dt càng nhỏ dt ~ 0
• Năng lượng trên cuộn cảm =1/2LI² cũng phải tiêu tán
mà không gây hỏng hóc cho thiết bị cắt
• Σri²dt mâu thuẫn với Ldi/dt
Created by Hoang Anh 21
Hồ quang điện một chiều (4)
• Các biện pháp hạn chế hồ quang • Giảm trị số I = Tăng tổng trở mạch • Nối song song với mạch hồ quang
• Tiêu tán nhanh năng lượng
dự trữ trong mạch
• Mắc song song trở với trở tải • Mắc song song (tụ +điện trở) với hồ quang • Mắc diode ngược
• Chú ý dòng xung • Chú ý chiều điốt
Created by Hoang Anh 22
Hồ quang điện xoay chiều – Đặc điểm
• Điện áp và dòng điện biến thiên tuần hoàn • Coi hồ quang như một điện trở phi tuyến -->dòng và
áp trùng pha nhau.
• Khi dòng đặt giá trị cực đại, điện áp thân hồ quang
gần như không đổi.
• Khi gần đến điểm zero, điện áp tăng nhẹ và giảm theo
về zero
Created by Hoang Anh 24
Quá trình phục hồi điện áp và độ bền điện
• Quá trình phục hồi độ bền điện:
là đại lượng đặc trưng cho mức cách điện giữa hai điện
• Khi dòng điện qua giá trị zero, không còn môi trường thuận lợi cho sự duy trì hồ quang -->thể hiện bằng sự phản ion hóa mãnh liệt -->tăng tính cách điện. Điện áp chọc thủng Uct cực
• Quá trình phục hồi điện áp Uph:
• Từ khi hồ quang tắt đến khi điện áp trên hai điện cực đạt trị
số nguồn -->quá trình phụ thuộc tính chất tải • Nếu Uph < Uct : hồ quang tắt hẳn và ngược lại
Created by Hoang Anh 25
Ảnh hưởng của tính chất tải (R, L, C) (1)
• Ảnh hưởng của dòng điện tải
• Tải thuần trở
• Dòng – áp trùng pha -->dễ tạo, dựng đặc tuyến
• Tải cảm
• Dòng chậm pha so với áp -->khi dòng gần về 0, áp vẫn có giá trị
tương đối lớn -->hồ quang cháy lại ở nửa chu kỳ sau
• Hết chu kỳ -->khoảng cách lớn hơn -->Uct lớn hơn -->hồ quang tắt
hẳn
• Nếu phục hồi điện áp là quá trình dao động -->cần những biện pháp
đặc biệt để dập hồ quang
Created by Hoang Anh 26
Ảnh hưởng của tính chất tải (R, L, C) (2)
• Ảnh hưởng của dòng điện tải
• Tải dung
• Áp chậm pha so với dòng -->khi dòng về zero thì áp lại đạt đỉnh • Sau nửa chu kỳ, điện áp phục hồi đổi dấu -->hai điện cực được nạp
với hiệu điện thế E+2E
• Quá trình này kéo dài khoảng 3 đến 4 lần nửa chu kỳ -->gây quá
điện áp phục hồi khá lớn.
Created by Hoang Anh 27
Kỹ thuật đóng cắt hạn chế hồ quang điện
Created by Hoang Anh 28
Các biện pháp dập tắt hồ quang
• Kéo dài hồ quang • Kéo dài cơ khí • Phân đoạn hồ quang
• Làm nguội
• Thổi bằng khí nén • Thổi từ
• Trong môi trường không thuận lợi cho sự cháy
• Dầu • Khí SF6
Created by Hoang Anh 29
Dập hồ quang – Kéo dài cơ học
• Kéo dài cơ khí
• Thân hồ quang nhỏ -->chịu tác động của lực điện động • Tăng bề mặt trao đổi nhiệt -->nguội và khuếch tán mạnh --
>tăng quá trình phản ion hóa
• Giới hạn về kích thước kéo dài -->chỉ dùng cho hạ áp hoặc
dòng nhỏ • Phân đoạn
• Giảm điện áp trên từng phân đoạn -->dễ phục hồi độ bền
điện -->dễ dập tắt hồ quang
• Sử dụng rộng rãi ở các thiết bị hạ áp và cao áp
Created by Hoang Anh 30
Dập hồ quang – Thổi bằng từ & khí nén
• Sử dụng lực điện động tác động lên thân hồ quang ~
bình phương giá trị dòng • Lợi dụng lực này để kéo dài hoặc phân đoạn
• Thổi cưỡng bức bằng khí nén áp suất cao (đến 80
atm) • Khí khô dưới áp suất lớn có độ bền điện cao được thổi vào
với vận tốc lớn -->dập hồ quang tốt
• Thổi dọc • Thổi ngang • Khá cồng kềnh do cần phải có thiết bị đi kèm
Created by Hoang Anh 31
Dập hồ quang trong các môi trường
• Dầu
• Dầu có độ bền nhiệt cao, dẫn nhiệt tốt • Khi cháy sinh ra khí có độ bền điện cao -->hồ quang bị dập
dễ hơn
• Khi cháy tạo áp suất cao -->lợi dụng để thổi hồ quang
• Khí SF6
• Độ bền điện cao hơn không khí • Tốc độ phục hồi bền điện rất nhanh
• Chân không
• Không tồn tại ion -->hạn chế quá trình ion hóa • Độ bền điện rất cao (100kV/mm)
Created by Hoang Anh 32
Quá trình đóng cắt của tiếp điểm cơ khí
Created by Hoang Anh 33
Công nghệ buồng cắt chân không
Created by Hoang Anh 34
Công nghệ buồng cắt chân không
Created by Hoang Anh 35
Công nghệ buồng cắt chân không
Created by Hoang Anh 36
KẾT LUẬN
• Bản chất của hồ quang điện
• Quá trình phóng điện trong chất khí • Hồ quang môt chiều • Hồ quang xoay chiều
• Các biện pháp dập hồ quang
• Kéo dài thân hồ quang • Phân đoạn • Thổi bằng khí nén và thổi bằng từ • Đưa hồ quang vào cháy trong các môi trường không thuận
lợi cho sự tồn tại của hồ quang
37
