CƠ SỞ KHÍ CỤ ĐIỆN - Chương 5: HỒ QUANG ĐIỆN pptx

Trong tr ờng hợp này để đảm bảo độ làm việc tin cậy của thiết bị điện yêu cầu phải tiến hành dập tắt hồ quang càng nhanh càng tốt... QUÁ TRèNH PHÁT SINH HỒ QUANGDo có các qúa trình phát

CHƯƠNG 5

HỒ QUANG ĐIỆN

Chương 5: HỒ QUANG ĐIỆN

5.1 Khái niệm chung về HQĐ.

5.2 Quá trính phát sinh và dập tắt hồ quang điện 5.3 Hồ quang điện một chiều.

5.4 Hồ quang điện xoay chiều.

5.5 Các biện pháp và trang bị dập hồ quang.

5.1 KHÁI NIỆM CHUNG

B n chÊt cña hå quang iÖn l hiÖn t îng phãng iÖn trong ¶ ® µ ®chÊt khÝ víi mËt é dßng iÖn rÊt lín ( tíi kho ng 10® ® ¶ 2 Õn 10® 3

A/mm2) cã nhiÖt é rÊt cao (tíi kho ng 5000 Õn 6000® ¶ ® 0C) v th µêng kÌm theo hiÖn t îng ph¸t s¸ng

Hå quang iÖn cã Ých :® Hå quang iÖn thùc sù cã Ých khi îc sö ® ®dông trong c c lÜnh vùc nh h n iÖn, luyÖn thÐp, nh÷ng lóc n y ¸ µ ® µ

hå quang cÇn îc duy tr× ch y æn Þnh.® ¸ ®

5.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Hồ quang điện có hại : Khi đóng cắt các thiết bị điện nh contắctơ, cầu dao, máy cắt, hồ quang sẽ xuất hiện giữa các cặp tiếp điểm

Hồ quang cháy này lâu sau khi thiết bị điện đã đóng cắt sẽ làm h hại các tiếp điểm và bản thân thiết bị điện

Trong tr ờng hợp này để đảm bảo độ làm việc tin cậy của thiết bị điện yêu cầu phải tiến hành dập tắt hồ quang càng nhanh càng tốt

5.1 KHÁI NIỆM CHUNG

5.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Muốn tìm hiểu kỹ HQĐ, ta phải khảo sát nguyên nhân phát sinh và dập tắt hồ quang:

đó là quá trình ion hóa và quá trình phản ion trong vùng hồ quang.

5.2 QUÁ TRÌNH PHÁT SINH VÀ

5.2 QUÁ TRÌNH PHÁT SINH HỒ QUANG

Hå quang iÖn ph t sinh l do m i tr êng gi÷a c c iÖn cùc ® ¸ µ « ¸ ®(hoÆc gi÷a c c cÆp tiÕp iÓm) ¸ ® bÞ ion hãa (xuÊt hiÖn c c h t dÉn ¸ ¹

iÖn

Khi các phần tử trung hòa trong môi trường khí (không dẫn điện) bị phân tích thành các điện tử tự do, ion dương, ion

âm thì nó sẽ dẫn điện Và quá trình này gọi là quá trình ion hóa

Ion hãa cã thÓ x y ra b ng c c con êng kh c nhau duíi ¶ » ¸ ® ¸

t c dông cña nh s ng, nhiÖt é, iÖn tr êng m nh, ¸ ¸ ¸ ® ® ¹

5.2 QUÁ TRÌNH PHÁT SINH HỒ QUANG

Trong thùc tÕ qu tr×nh ph t sinh hå quang iÖn cã nh÷ng ¸ ¸ ®

d ng ion hãa sau : ¹

1) Qu¸ tr×nh ph¸t x¹ nhiÖt ®iÖn tö

2) Qu¸ tr×nh tù ph¸t x¹ ®iÖn tö

3) Qu¸ tr×nh ion hãa do va ch¹m

4) Qu¸ tr×nh ion hãa do nhiÖt

5.2 QUÁ TRÌNH PHÁT SINH HỒ QUANG

l ë cùc m cã nhiÒu electron) µ ©

5.2 QUÁ TRÌNH PHÁT SINH HỒ QUANG

1) SỰ PHÁT XẠ NHIỆT ĐIỆN TỬ

Khi bÞ èt nãng, éng n ng cña c c iÖn tö t ng nhanh Õn ® ® ¨ ¸ ® ¨ ®khi n ng l îng nhËn W¨ ®n îc lín h n c ng tho t A® ¬ « ¸ t li n kÕt h t ª ¹

nh n th× iÖn tö sÏ tho t ra khái bÒ mÆt cùc m trë th nh iÖn tù © ® ¸ © µ ®

do Qu tr×nh n y phô thuéc v o nhiÖt é iÖn cùc, vËt liÖu l m ¸ µ µ ® ® µiÖn cùc

®

5.2 QUÁ TRÌNH PHÁT SINH HỒ QUANG

2) SỰ PHÁT XẠ ĐIỆN TỬ

Khi tiÕp iÓm hay iÖn cùc võa më ra lóc Çu kho ng c ch ® ® ® ¶ ¸cßn rÊt bÐ

NÕu cã mét iÖn tr êng ñ lín Æt l n iÖn cùc (nhÊt l vïng cùc ® ® ® ª ® µ

m cã kho ng c ch nhá cã thÓ tíi h ng triÖu V/cm), víi c êng é

iÖn tr êng lín ë cùc m c c iÖn tö tù do îc cung cÊp th m n ng l îng sÏ

bÞ kÐo bËt ra khái bÒ mÆt catèt Ó trë th nh c c iÖn tö tù do ® µ ¸ ®

Qu tr×nh n y phô thuéc v o c êng é iÖn tr êng E v vËt ¸ µ µ ® ® µliÖu l m iÖn cùc µ ®

5.2 QUÁ TRÌNH PHÁT SINH HỒ QUANG

Sau khi tiÕp iÓm më ra, d íi t c dông cña nhiÖt é cao hoÆc cña ® ¸ ®iÖn tr êng lín (m th ng th êng l c hai) th× c c iÖn tö tù do sÏ

ph t sinh chuyÓn éng tõ cùc d ng sang cùc m ¸ ® ¬ ©

Do iÖn tr êng rÊt lín n n c c iÖn tö chuyÓn éng víi tèc é rÊt ® ª ¸ ® ® ®cao Tr n êng i c c iÖn tö n y va ch m víi c c nguy n tö v ª ® ® ¸ ® µ ¹ ¸ ª µ

ph n tö khÝ sÏ l m bËt ra c c iÖn tö v c c ion d ng © µ ¸ ® µ ¸ ¬

5.2 QUÁ TRèNH PHÁT SINH HỒ QUANG

Các phần tử mang điện này lại tiếp tục tham gia chuyển động

và va chạm để làm xuất hiện các phần tử mang điện khác

Do vậy mà số l ợng các phần tử mang điện tăng lên không ngừng, làm mật độ điện tích trong khoảng không gian giữa các tiếp điểm rất lớn

Quá trình này phụ thuộc vào c ờng độ điện tr ờng, mật độ các phần tử trong vùng điện cực, lực liên kết phân tử, khối l ợng của phân tử

5.2 QUÁ TRèNH PHÁT SINH HỒ QUANG

Do có các qúa trình phát xạ điện tử và ion hóa do va chạm, một l ợng lớn năng l ợng đ ợc giải phóng làm nhiệt độ vùng hồ quang tăng cao và th ờng kèm theo hiện t ợng phát sáng

Nhiệt độ khí càng tăng thì tốc độ chuyển động của các phần

tử khí càng tăng và số lần va chạm do đó cũng càng tăng lên

Do va chạm, một số phân tử khí sẽ phân li thành các nguyên tử Còn l ợng các ion hóa tăng lên do va chạm khi nhiệt

độ tăng thì gọi đó là l ợng ion hóa do nhiệt

5.2 QUÁ TRÌNH PHÁT SINH HỒ QUANG

Hay nói cách khác, khi nhiệt độ chất khí càng cao, chuyển động nhiệt của nó lớn, dễ va chạm và tách thành các ion, đó

là quá trình ion hóa do nhiệt độ Quá trình này phụ thuộc vào nhiệt độ vùng HQ, mật độ các phân tử khí và đặc tính của chất khí Với không khí, nếu nhiệt độ thân HQ cỡ 8000 đến 9000ºK thì ion hóa do nhiệt độ đóng vai trò chủ yếu Vì vậy quá trình tạo HQĐ được gắn liền với quá trình nhiệt

5.2 QUÁ TRÌNH DẬP TẮT HỒ QUANG

Hå quang ®iÖn sÏ bÞ dËp t¾t khi m«i tr êng gi÷a c¸c ®iÖn cùc kh«ng cßn dÉn ®iÖn hay nãi c¸ch kh¸c hå quang ®iÖn sÏ t¾t khi cã qu¸ tr×nh ph¶n ion hãa x¶y ra m¹nh h¬n qu¸ tr×nh ion hãa Tức là quá trình suy giảm số lượng ion trong vùng HQ

Nguyên nhân chính của qu¸ tr×nh ph¶n ion l do hai hiÖn t àîng sau:

1. HiÖn t îng t¸i hîp

2. HiÖn t îng khuÕch t¸n

5.2 QUÁ TRèNH DẬP TẮT HỒ QUANG

1) HIỆN TƯỢNG TÁI HỢP

Trong quá trình chuyển động các hạt mang điện trái dấu va chạm nhau, tạo thành các hạt trung hòa

Trong lí thuyết đã chứng minh tốc độ tái hợp :

5.2 QUÁ TRÌNH DẬP TẮT HỒ QUANG

1) HIỆN TƯỢNG TÁI HỢP

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

Trong đó: là tốc độ suy giảm các ion do tái hợp

α : hệ số tái hợp (є vào đặc tính của chất khí, áp suất, nđộ);

n là số lượng các ion cùng dấu trong vùng thân hồ quang (ở chế độ xác lập )

2

α.n dt

− + = n n

(5.1)

5.2 QUÁ TRèNH DẬP TẮT HỒ QUANG

2) HIỆN TƯỢNG KHUẾCH TÁN

Hiện t ợng các hạt tích điện di chuyển từ vùng có mật độ

điện tích cao (vùng hồ quang) ra vùng xung quanh có mật độ

điện tích thấp, làm giảm số l ợng ion trong vùng hồ quang gọi là hiện t ợng khuếch tán

Các điện tử và ion d ơng khuếch tán dọc theo thân hồ quang,

điện tử khuếch tán nhanh hơn ion d ơng

Quá trình khuếch tán đặc tr ng bằng tốc độ khuếch tán Sự khuếch tán càng nhanh hồ quang càng nhanh bị tắt Để tăng quá trình khuếch tán ng ời ta th ờng tìm cách kéo dài ngọn lửa hồ quang

5.2 QUÁ TRÌNH DẬP TẮT HỒ QUANG

2) HIỆN TƯỢNG KHUẾCH TÁN

- Mức độ khuếch tán được biển diễn qua công thức:

Trong đó: là tốc độ suy giảm các ion do khuếch tán

D : hệ số tái hợp (є vào khoảng cách tự do λ của ion và vận tốc trung bình ѵ của chúng.

n là số lượng các ion cùng dấu trong vùng thân hồ quang.

dn

=

d d

dt dn

(5.2)

5.3 HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU

HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU

Víi U0 lµ ®iÖn ¸p nguån,

+ -

i

rth

H×nh 5.2: Hå quang ®iÖn m¹ch mét chiÒu

U0

HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU

Theo định luật Kiếchốp II, ta có ph ơng trình cân bằng điện

áp trong mạch khi mở tiếp điểm và hồ quang bắt đầu cháy nh sau :

Với UR : là điện áp rơi trên điện trở

Với Uhq : là điện áp trên hồ quang

dt

di L iR

R i

U0 = + hq +

dt

di L U

U

U0 = R + hq +

(5.3)

(5.4)

HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU

Khi hồ quang cháy ổn định thì dòng điện không đổi

Do đó ph ơng trình cân bằng áp sẽ là :

hq hq

const I

(5.6)

HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU

UR

Uhq

Ldi/dt>0

Ldi/dt< 0 Ldi/dt< 0

B A

ĐIỀU KIỆN DẬP TẮT HỒ QUANG ĐIỆN

Để có thể dập tắt được hồ quang điện một chiều cần loại bỏ được điểm hồ quang cháy ổn định (điểm B)

Trên đặc tính ta nhận thấy sẽ không có điểm cháy ổn định khi đường đặc tính 3 (điện áp trên hồ quang) cao hơn đường đặc tính 2 như hình (tức là hồ quang sẽ tắt khi Uhq> U0- UR)

ĐIỀU KIỆN DẬP TẮT HỒ QUANG ĐIỆN

Để nâng cao đường đặc tính 3 thường thực hiện hai biện pháp là tăng độ dài hồ quang (tăng l) và giảm nhiệt độ vùng hồ quang xuống, đặc tính như hình

U [V]

2

3

ĐIỀU KIỆN DẬP TẮT HỒ QUANG ĐIỆN

QÚA ĐIỆN ÂP HQĐ MỘT CHIỀU

Khi cắt mạch điện một chiều thường xảy ra quá điện áp, khi ở mạch có điện cảm lớn nếu tốc độ cắt càng nhanh thì quá điện áp càng lớn

Nếu tại thời điểm cắt có I= 0 thì :

Hay ta có :

hq

u dt

di L

U dt

di L

U

(5.7)

(5.8)

QÚA ĐIỆN ÂP HQĐ MỘT CHIỀU

là trị số quá điện áp xoay chiều

Trong mạch một chiều làm việc với công suất lớn lại có nhiều vòng dây khi dập hồ quang điện quá điện áp sẽ xảy ra rất lớn có thể gây đánh thủng cách điện và hư hỏng thiết bị

Để hạn chế hiện tượng quá điện áp người ta thường dùng thêm một mạch điện phụ mắc song song với phụ tải Mạch này có thể là điện trở, điện trở và tụ nối tiếp hoặc một chỉnh lưu mắc ngược

U

∆

QÚA ĐIỆN ÁP HQĐ MỘT CHIỀU

Z t (R,L)

R

Z t (R,L)

R C

D

5.4 HỒ QUANG ĐIỆN XOAY

KHÂI NIỆM CHUNG

Ở hồ quang điện xoay chiều, dòng điện và điện áp nguồn biến thiên tuần hoàn theo tần số lưới điện

Vì hồ quang là điện trở phi tuyến nên dòng điện và điện áp của hồ quang trùng pha nhau

Tại thời điểm dòng điện đi qua điểm 0, hồ quang không được cấp năng lượng nên quá trình phản ion xảy ra ở vùng điện cực rất mạnh và nếu điện áp đặt lên 2 điện cực bé hơn trị số điện áp cháy thì HQ sẽ tắt hẳn

KHÂI NIỆM CHUNG

Khi hồ quang

điện xoay chiều đang

cháy ta đưa dòng điện

và điện áp của hồ

quang vào dao động kí

ta sẽ được dạng sóng

của dòng điện và điện

áp hồ quang như hình

Hình 5.4

KHÂI NIỆM CHUNG

Trong 1/4 chu kỳ đầu, điện áp HQ tăng nhanh đến tri số

Uch (theo điện áp nguồn) Khi HQ cháy, điện áp giảm dần

Dòng điện tăng từ 0 đến điểm cháy, dòng tăng mạnh và khi t = T/4, dòng điện đạt trị số cực đại và điện áp HQ gần như không đổi

Ở 1/4 chu kỳ tiếp theo, dòng điện giảm dần, đến thời điểm tắt, điện áp HQ tăng sau đó suy giảm về 0 và dòng điện trở về 0

KHÂI NIỆM CHUNG

Từ dạng sóng thu

được trên màn hình

dao động kí ta xây

dựng được đặc tính

Vôn-Ampe (V-A) của

hồ quang điện xoay

KHÂI NIỆM CHUNG

Ta nhận thấy trong mạch có phụ tải điện trở thuần dễ dập hồ quang hơn trong mạch có tải điện cảm

Bởi ở mạch thuần trở khi dòng điện qua trị số không (thời gian i=0 thực tế kéo dài khoảng 0,1) thì điện áp nguồn cũng bằng không (trùng pha)

Còn ở mạch thuần cảm khi dòng bằng không thì điện áp nguồn đang có giá trị cực đại (điện áp vượt trước dòng điện một góc 900)

DẬP TẮT HQĐ XOAY CHIỀU

Hồ quang điện xoay chiều khi dòng điện qua trị số 0 thì không được cung cấp năng lượng Môi trường hồ quang mất dần tính dẫn điện và trở thành cách điện

Nếu độ cách điện này đủ lớn và điện áp nguồn không đủ duy trì phóng điện lại thì hồ quang sẽ tắt hẳn

Để đánh giá mức độ cách điện của điện môi vùng hồ quang là lớn hay bé người ta dùng khái niệm điện áp chọc thủng Điện áp chọc thủng ( Uch.t ) càng lớn thì mức độ cách điện của điện môi càng cao.

DẬP TẮT HQĐ XOAY CHIỀU

Quá trình dập tắt hồ quang điện xoay chiều không những tùy thuộc vào tương quan giữa độ lớn của điện áp chọc thủng với độ lớn của điện áp hồ quang mà còn phụ thuộc tương quan giữa tốc độ tăng của chúng

I[A]

U[V]

1 2

150 ÷ 250V

Hình 5.6

5.5 BIỆN PHÁP VÀ TRANG BỊ DẬP

HỒ QUANG TRONG THIẾT BỊ ĐIỆN

5.5.1 CÂC YÍU CẦU DẬP HQ

Trong thời gian ngắn phải dập tắt được hồ quang, hạn chế phạm vi cháy hồ quang là nhỏ nhất.

Tốc độ đóng mở tiếp điểm phải lớn.

Năng lượng hồ quang sinh ra phải bé, điện trở hồ quang phải tăng nhanh.

Tránh hiện tượng quá điện áp khi dập hồ quang

5.5.2 CÂC NGUYÍN TẮC DẬP HQ

Kéo dài ngọn lửa hồ quang.

Dùng năng lượng hồ quang sinh ra để tự dập.

Dùng năng lượng nguồn ngoài để dập.

Chia hồ quang thành nhiều phần ngắn để dập.

Mắc thêm điện trở song song để dập

5.5.3 DẬP HQ TRONG THIẾT BỊ HẠ ÂP

1)Kéo dài hồ quang điện bằng cơ khí

2)Dùng cuộn dây thổi từ kết hợp buồng dập hồ quang

3)Dùng buồng dập hồ quang có khe hở quanh co

4)Phân chia hồ quang ra làm nhiều đoạn ngắn

5)Tăng tốc độ chuyển động của tiếp điểm động

5.5.3 DẬP HQ TRONG THIẾT BỊ HẠ ÂP

1) Kéo dài hồ quang điện bằng cơ khí:

Khi hồ quang kĩo dăi lăm cho đường kính hồ quang giảm, tăng bề mặt tiếp xúc của HQ với môi trường, vì vậy HQ

bị tỏa nhiệt vă khuếch tân nhanh, lăm tăng quâ trình phản ion Tuy nhiín biện phâp năy chỉ thường được dùng ở mạng hạ âp có điện âp nhỏ hơn hoặc bằng 220 V vă dòng tới 150 A Đđy lă biện phâp đơn giản thường dùng ở cầu dao công suất nhỏ hoặc ở rơle

từ kéo dài HQ Thông thường biện pháp này kết hợp với trang

bị thêm buồng dập amiăng Lực điện từ của cuộn thổi từ sẽ thổi HQ vào tiếp giáp amiăng làm tăng quá trình phản ion

5.5.3 DẬP HQ TRONG THIẾT BỊ HẠ ÂP

3) Dùng buồng dập hồ quang có khe hở quanh co

Buồng được lăm bằng amiăng có hai nửa lồi lõm vă ghĩp lại hợp thănh những khe hở quanh co (khi đường kính hồ quang lớn hơn bề rộng khe thì gọi lă khe hẹp) Khi cắt tiếp điểm lực điện động sinh ra sẽ đẩy hồ quang văo khe quanh

co sẽ lăm kĩo dăi vă giảm nhiệt độ hồ quang

5.5.3 DẬP HQ TRONG THIẾT BỊ HẠ ÂP

4) Phân chia hồ quang ra làm nhiều đoạn ngắn

Trong buồng dập hồ quang ở phía trín ngta đặt thím nhiều tấm thĩp non Khi hồ quang xuất hiện, do lực điện động hồ quang bị đẩy văo giữa câc tấm thĩp vă bị chia ra lăm nhiều đoạn ngắn Loại năy thường được dùng ở lưới một chiều dưới 220V vă xoay chiều 500V

5.5.3 DẬP HQ TRONG THIẾT BỊ HẠ ÁP

Hình

5.5.3 DẬP HQ TRONG THIẾT BỊ HẠ ÂP

5) Tăng tốc độ chuyển động của

tiếp điểm động

Người ta bố trí câc lâ dao động, có

một lâ chính vă một lâ phụ (thường lă

ở cầu dao) hai lâ năy nối với nhau

bằng một lò xo, lâ dao phụ cắt nhanh

do lò xo đăn hồi (lò xo sẽ lăm tăng

tốc độ cắt dao phụ) khi kĩo dao chính

ra trước 1-Tiếp điểm động (thđn dao) ; 2-Tiếp điểm tĩnh (mâ dao) ; 3-Lưỡi

dao phụ ; 4-Lò xo ; 5-Tay cầm

Hình 5.8

5.5.4 DẬP HQ TRONG THIẾT BỊ HẠ CAO ÂP

1)Dập hồ quang trong dầu biến áp.

2)Dập hồ quang bằng khí nén

3)Dập hồ quang bằng cách dùng vật liệu tự sinh khí

4)Dập hồ quang trong khí SF6

5)Dập hồ quang trong chđn không.

5.5.4 DẬP HQ TRONG THIẾT BỊ HẠ CAO ÂP

1) Dập hồ quang trong dầu biến áp

Ở câc mây cắt trung âp câc tiếp điểm cắt được ngđm trong dầu biến âp Khi cắt mạch, hồ quang xuất hiện, dưới tâc dụng nhiệt của HQ, dầu tạo thănh câc bọt khí khâc, khí hydro, hơi dầu, trong đó khí hydro lă chủ yếu (70-80%) với

âp suất cao Khí hydro có độ bền điện rất cao, nhất lă với

âp suất cao lăm cho hiện tượng ion-hóa nhiệt kĩm đi rất nhiều, do vậy HQ dễ bị dập tắt

5.5.4 DẬP HQ TRONG THIẾT BỊ HẠ CAO ÁP

Máy cắt dầu:

- Dùng cho mạng trung áp hay

cao áp

- Thường do Liên xô chế tạo

- Thời gian cắt: 0,15 – 0,2 giây

- Nhược: kích thước lớn, khối

lượng lớn, bảo dưỡng, sửa chữa

phức tạp và dễ gây ra cháy nổ

Máy cắt dầu loại thùng không

5.5.4 DẬP HQ TRONG THIẾT BỊ HẠ CAO ÂP

2) Dập hồ quang bằng thổi khí nén:

Lă pphâp thổi cưỡng bức Không khí sạch, khô được nĩn với âp suất cao có độ bền điện lớn Khi HQ xuất hiện, người

ta dùng khí nĩn năy thổi văo HQ để dập tắt nó Với âp suất nĩn ở 10-15atm, độ bền điện đạt cỡ 40 KV/mm, với vận tốc thổi cỡ 200m/s nín hiệu ứng dập HQ rất cao

Nhược: cần thiết bị nĩn khí đi kỉm khâ cồng kềnh