Luận văn Nghiên cứu các phương pháp hạn chế dòng điện hồ quang trong quá trình đóng cắt các thiết bị đóng cắt

Từ đĩ nhiệm vụ chính của các khí cụ bảo vệ là phải nhanh chĩng dập tắt ngay hồ quang tại nơi xảy ra sự cơ của mạng điện Hồ quang điện cịn xảy ra trong khoảng thời gian các tiếp điểm của

BQ GIAO DUC VA DAO TẠO TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOI

SL ES SY A A he eS SE St me ts wee ee

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP HAN CHE DONG DIEN HO QUANG TRONG QUA TRINH

DONG CAT CUA CAC THIET BI DONG CAT

NGÀNH: KỸ THUẬ

MÃ SỐ:

NGUYEN TH] LAN HUONG

Người hướng dẫn khoa học: TSKH Bùi Tín Hữu

gs

HA NOI 2006

Trong qua trinh tim hiểu nghiên cứu, tôi gặP không

lúc như vậy, tôi luôn nhận được sự động viên, khích lộ của thây giáo TSKH Bùi Tin Hữu Thây đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu, hướng dẫn tận tình trong cách thức và phương pháp nghiên cứu khoa học

cũng như đã hỗ trợ tôi trong việc tìm kiếm tài liệu

Để có những kết quả trong luận văn này, tôi xin được gửi lời cảm ơn sấu sắc đến thấy giáo, TSKH Bùi Tin Hữu, đồng thời cho tôi gửi lời cảm ơn đến các thây cô giáo trong Bộ môn Thiết bị điện - Điện tu, trường ĐHBKHN, các đồng nghiệp ở Trườngg Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, gia

đình và các bạn của tôi những người đã động viên để tôi có được những kết

LOI CAM DOAN

Tôi tên là Nguyễn Thị Lan Hương, học viên lớp cao học khóa 2004 —

2006, chuyên ngành Kỹ Thuật Điện Tôi xin cam đoan bài luận văn “Nghiên cứu các phương pháp hạn chế dòng điện hồ quang trong quá trình đóng cắt

- các thiết bị đóng cắt” là do tôi nghiên cửu, tìm hiểu dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TSKH Bùi Tín Hữu, không phải là sự sao chép của người khác Tôi xin chịu trách nhiệm về lời cam đoan này:

Hà Nội, tháng 11 năm 2006

Tác giả

Nguyễn Thị Lan Hương

Stt Bang Noi dung

Các giá trị điện áp và dòng điện tôi thiêu cân đề

⁄ BEHBG duy trì phóng điện hồ quang

Quan hệ giữa U; và hành trình tự do của điện tử ở : Bang L các chất khí khác nhau *

Quan hệ giữa À của phân tử không khí vả điện tử

3 Bang 1.3 trong không khí với áp lực

Các số liệu dòng điện và điện áp tương ứngvới

6 Bang 4.1 từng chiều dài của hô quang điện một chiều (L=

0,12H)

Các sô liệu dòng điện và điện áp tương ứng với

7 | Bảng42 |HỪng chiều dải của hồ quang điện một chiêu (L =

0,18H)

LOT CAM ON woe eeesessessessessnessessnernesseesneesneenecsseresreseeesnsesneesessnsstsssesenesteesessteseee 2 0900.) 890) 3 DANH MỤC CÁC BẢNG St HH 2121121111211 21c re 4

\/18/908 22 A 5

LỜI NÓI ĐẦU .-ccccccvecrrva 1 Ầ.L)).Ô 8

CHƯƠNG 1: LÝ THUYÉT CHUNG VÉ HỖ QUANG ĐIỆN 10°

1.1.1 Sự hình thành hồ quang điện . - 6 52c tt tre LI

1.1.2 Dac điểm hồ quang vùng catỐt ác Sen re 12

1.1.3 Đặc điểm hỗ quang vùng anỐt - - Sen E1 1x re 13 1.1.4 Đặc điểm vùng thân hồ quang .-.-¿-5- 2c c2scxS E2 E2 ru 14 -1.1.5 Hiệu ứng hướng tâm ở thân hỗ quang: . -c+cccccscsrscec, l6

1.2- QUA TRINH PHÁT SINH VÀ TẮÁT HỖ QUANG s-: 18

1.2.1- Quá trình phát sinh hồ quang -¿-¿- + 2 2 + +s+xtxvxzxerecszxrrve 18 1.2.2- Quá trình tắt h6 quang, v.ccecececcccsecesesesesesescssesssessseseseseseesstsneeeseeees 22

1.3- HỖ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU (2 St SE E£EvEzE£EvErereeerrrd 24

1.3.2- Phương pháp đập hồ quang điện một chiêu 1n Hy rệt 25

1.3.3- Quá điện áp khi cắt mạch điện một chiều -7s 26

1.4- HO QUANG DIEN XOAY CHIÊU - 2 2 2 5222+22E+£+£z£z£scz2 28

1.4.2- Dap hé quang trong mach xoay chiễU + ccs+cccszxzzsecred 29 1.4.3- Dập hồ quang trong mạch xoay chiều ba pha -. - 31

1.5- NANG LUGNG CUA HO QUANG DIEN .eeescccscecccscsesseseeeececseeeeeen 33

1.5.1- Hỗ quang điện một chiỀu ¿2-5222 S2 222E2EEzzvzzrerrced 33

£

LUẬN VĂN TỎÓT NGHIỆP CAO HỌC BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

1N nan 35 1.6.2- Tải thuần cảm -. - " ¬ 35 '1.6.3- Tải thuần dung - - 2£ 2 2 +E+SE£SEEEEEE£EEEE.EEEEeEErErkrkerkrrerred 36 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HẠN CHÉ DÒNG

ĐIỆN HO QUANG -cc222E2ttt.trtrrccee ¬ 39

'2.1.1- Kéo dài hồ quang bằng cơ khí ¬— 39

2.1.3- Thổi hồ quang bằng từ -¿- ¿525225222 St+x+zvzvevrvrrxererrrrsred 41

2.1.4- Dùng buồng dập hồ quang có khe hở hẹp "— 43

2.2- MẮC ĐIỆN TRỞ SHUNT - 2 2525552222 £t2xexerxexererxerrrerrred 43 2.3- SU DUNG AP SUAT KHÍ CAO ĐỀ DẬP TẮT HỖ QUANG 47 2.3.1- Dùng dầu biến áp -+x+-ssxe "¬¬ 47

2.3.2- Trong môi trường tự sinh khÍ -<-++<<<<sssxesreeres 48 2.3.3- Sử dụng không khí nén - - - - <1 1+1 nen re 50

2.3.4- Sử dụng khí SF; để dập tắt hồ quang .- -+-s-s+2 52

2.4- DAP HO QUANG TRONG MOI TRUONG CHAN KHONG 57 2.4.1 Qua trinh cat trong chan KhOng c.cccseeccseeseeeesescseeeseeeeesseseeeeees 57

2.4.2 Uu, nhuoe điểm phương pháp dập hồ quang trong chân không 60

CHƯƠNG 3: KHAO SAT THONG SO CO BẢN CỦA HỖ QUANG ĐIỆN

CHƯƠNG 4: THi NGHIEM KHAO SAT DAC TINH CUA HO QUANG ĐIỆN MỘT CHIEU VA XOAY CHIEU, wvecceccscsssssesssssescsesscsescseeeseseeteseeeeteee 65 4.1- MUC DICH THI NGHIEM ccccccccccecsesesscscscecscscsssesesecseseseseesssseneeees 66

LUAN VAN TOT NGHIEP CAO HOC BO MON THIET BI DIEN - DIEN TU

4.2- DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM + 22t 21212121 1217121111222 ce 66

4.3- XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH VÔN-AMPE„TĨNH CUA HO QUANG

ĐIỆN MỘT CHIỀU G222 eeenrden 66

4.3.1- Cách thức tiễn hành thí nghiệm ¿- ¿52 22c S22 2sxexexsrere 67

5.4- MO PHONG HOAN CHỈNH SỰ CHUYEN DONG CUA HO

QUANG GIU'A CAC THANH DAN SONG SONG, ANH HUONG CUA

VAT LIEU SÁT TỪ LH TH HH nung 84

5.5- KẾT LUẬN . 52222222222222222E2E51512222E1EEE2222272111E 227211 cu 91 KÉT LUẬN ` 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO ¿ 5-5-5552 SE9SEÊSE2EE2EEEEEEEZEEEEEEEerxerxervrrrerred 93

LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP CAO HỌC BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

chỉnh, bảo vệ, chuyển đổi, khống chế và kiểm tra mọi sự hoạt động của hệ

thống lưới điện và các loại máy điện Khí cụ điện được sử dụng rất phố biến,

nĩ cĩ mặt trong hầu hết các lĩnh vực sản xuất của nền kinh tế, từ các nhà máy

điện, trạm biến áp, hệ thống truyền tải điện đến các máy phát và động cơ điện

trong các xí nghiệp cơng nghiệp, nơng nghiệp, già thơng vận tải

Các khí cụ điện tuy cĩ khác nhau về chức năng nhưng đều cĩ yêu cầu

chưng là phải ổn định nhiệt, ổn định điện động khi cĩ dịng ngắn mạch đi qua

Đặc biệt đối với các loại khí cụ đĩng cắt, dịng điện trong quá trình đĩng cắt thường rất lớn so với dịng điện định mức của khí cụ nên phát sinh hồ quang

cĩ ảnh hưởng rất lớn đến cấu tạo và tuổi thọ của khí cụ điện Vì vậy cần phải

nghiên cứu các phương pháp dập tắt hồ quang điện trong quá trình đĩng cắt của các khí cụ đĩng cắt

Khơng những thế trong mạng điện cơng suất lớn, khi bị ngắn mạch

dịng điện chảy trong dây dẫn cĩ trị số rất lớn, gấp vài chục lần dịng điện ở

chế độ định mức cĩ thể dẫn tới sự phát sinh hồ quang Tại vị trí xảy ra sự cé,

dịng điện ngắn mạch sẽ tạo ra hồ quang điện Dịng điện hồ quang lớn cĩ thể

gây nguy hiểm đến các thiết bị xung quanh, trong quá trình ngắn mạch dịng điện sẽ làm ảnh hưởng, đến tồn bộ mạng điện Từ đĩ nhiệm vụ chính của các

khí cụ bảo vệ là phải nhanh chĩng dập tắt ngay hồ quang tại nơi xảy ra sự cơ

của mạng điện

Hồ quang điện cịn xảy ra trong khoảng thời gian các tiếp điểm của một

thiết bị đĩng cắt hoặc máy cắt được mở trong khi ngắt mạch điện hoặc trong ngăn mạch dịng điện lớn

LUẬN VĂN TĨT NGHIỆP CAO HỌC BỘ MƠN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ.

Trong cac khi cy dién nhu cầu chì, cầu đao, máy ngắt hồ quang điện

rất có hại cần phải nhanh chóng được loại trừ Khi khí cụ điện đóng cắt (đặc

biệt là khi cắt), hỗ quang phát sinh giữa các cặp tiếp điểm của khí cụ điện khiến mạch điện ngắt không được dứt khoát Hồ quang cháy lâu sau khi khí

cụ điện đã cắt sẽ làm hư hỏng các tiếp điểm và bản thân khí cụ điện Trong trường hợp này đề đảm bảo độ làm việc tin cậy của khí cụ điện phải tìm ra các biện pháp dập tắt hồ quang cảng nhanh cảng tốt

Với mục đích khảo sát các biện pháp để hạn chế dòng điện hồ quang khi đóng

cắt các khí cụ điện, theo định hướng của thầy giáo hướng dẫn: TS Bùi Tín

Hữu, luận văn này chỉ trình bảy về các vấn đề như: Trình bày tổng quan về hồ quang điện Nêu các phương pháp hạn chế dòng điện hồ quang thông qua các biện pháp dập tắt hồ quang điện Tính toán mô phỏng các thông số hồ quang điện: vận tốc di chuyền của hồ quang (vụa), đường kính ho quang (dig), chiéu

dai hd quang (hq) theo từng giá trị cụ thể của dòng dién h6 quang (ing) duge

xac dinh trong qua trinh dap tắt hồ quang một chiều để nắm rõ hơn về quá

trình dập tắt nó Đồng thời thí nghiệm đo đặc tính V-A tĩnh hỗ quang điện

một chiều, đặc tính V-A của hỗ quang điện xoay chiều để khảo sát ảnh hưởng của tính chất tải đến quá trình dập tắt hồ quang Ngiên cứu su chuyển động của hồ quang điện giữa các rãnh hồ quang có sự ảnh hưởng của vật liệu sắt từ

để tìm hiểu được bản chất của quá trình phát sinh và tắt của hồ.quang điện

Trên cơ sở những kết quả tìm được có thể giúp ta hiểu được các biện

pháp dập tắt hỗ quang và ảnh hưởng của hồ quang đến tuổi thọ của khí cụ đóng cắt

LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP CAO HỌC _ BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ.

CHUONG 1: LY THUYET CHUNG VE HO QUANG DIEN

1.1- KHAI NIEM CHUNG

Khi đóng hoặc cắt mạch điện ở bat ky dòng điện, điện áp nào bao giờ

cũng xuất hiện tia lửa điện, vùng không khí giữa các tiếp điểm bị ion hoá

thành dẫn điện, trong khu vực đó phát sinh ra hồ quang Vậy hồ quang điện là

hiện tượng phóng điện trong chất khí với mật độ dòng điện lớn (10? đến 10”

A/mm?), điện áp rơi trên catét bé (10 đến 20 V), nhiệt độ hồ quang cao (6000

đến 18000” K) và kèm theo hiệu ứng ánh sáng Hồ quang điện là quá trình điện và nhiệt liên quan mật thiết đến nhau Nếu để hồ quang tôn tại lâu giữa

các tiếp điểm thì tiếp điểm và bản thân khí cụ điện sẽ bị hư hỏng

Trong tất cả các loại khí cụ đóng cắt, khi ngắt mạch sẽ phát sinh sự

- Phong điện âm ỉ phát sinh khi dòng điện cắt dưới 0,1 A, điện áp tại các tiếp điểm đạt tới trị số 250 + 300 V (Phóng điện kiểu này hoặc ở các

tiếp điểm của rơ le công suất bé hoặc là giai đoạn quá độ dẫn tới phóng điện dưới dạng hồ quang điện)

- Nếu dòng điện trong mạch và điện áp cao hơn trị số được nêu trong

bang 1 thì hiện tượng phóng điện hd quang có thể duy trì

Bảng 1.1: Các giá trị điện áp và dòng điện tối thiểu cần để duy trì

Xét đặc tính giữa điện áp và dòng điện (đặc tính Vôn — Ampe tĩnh) của

quá trình phóng điện rong chât khí Đặc tính này được chia làm 6 vùng với

Hinh 1.1: Dac tinh V-A cua qua trinh xuất hiện hỗ quang điện

Vùng A: Vùng phóng điện tối, được đặc trưng băng dòng điện bé và

Vùng B: Vùng quá độ từ phóng điện tối đến phóng điện vằng quang,

được dặc trưng bằng sự tăng của dòng điện, sự giảm của điện áp và sự xuất hiện của hiệu ứng ánh sáng

Vùng C: Vùng phóng điện vằng quang bình thường, được đặc trưng bằng điện áp không đổi trong khi dòng điện thay đôi

Vùng D: Vùng phóng điện vằng quang không bình thường được đặc

trưng bằng sự thay đổi của điện áp và dòng điện

Vùng E: Vùng quá độ từ phóng điện vằầng quang lên phóng điện hồ quang, được đặc trưng bằng sự tăng nhanh chóng của dòng điện

LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP CAO HỌC BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

- Vung F: Vung phóng điện hỗ quang, được đặc trưng bằng điện áp thấp,

mật độ dòng điện lớn, nhiệt độ vùng hồ quang cao và hiệu ứng ánh

sáng mạnh

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 coi là bắt đầu của sự phóng điện Lúc này sẽ thiết

lập được một đường dẫn tia lửa điện giữa các điện cực, dòng điện sẽ tiếp tục tăng và điện áp giảm, khi đó tia lửa điện thành hề: quang điện sẽ xuất hiện tại giá trị dòng điện cỡ 0,1 A

Khi hồ quang cháy giữa hai điện cực hoặc tiếp điểm, nó được phân thành 3 vùng: vùng anốt, vùng catốt và vùng thân hồ quang Trên hình 1.2 trình bày sự phân bố điện áp, cường độ điện trường ở các vùng của hồ quang

Trong đó: Uac : Điện áp trên hai điện cực

Ức, ƯA, U„a : Điện áp trên catét, anốt và thân hồ quang

1.1.2 Đặc điểm hồ quang vùng catốt

Vùng catốt (vùng cực âm) có khoảng cách ngắn cỡ 10” mm, Uc cỡ 10 đến 20 V nên cường độ điện trường ở vùng này khá lớn, đến 20.10? V/mm

Trị sô này phụ thuộc vào vật liệu làm điện cực và đặc tính của chất khí

LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP CAO HỌC BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ.

Hinh 1.2: a) Phan bé dién áp và điện trường trên hồ quang điện

b) Đặc tính V-A tĩnh của hồ quang điện một chiều

Trong đó: lc, lA; lụa - Chiều dài vùng catốt, anốt và thân hồ quang (mm)

Ec, Ea, Eng - Dién truong vung catét, anốt và thân hồ quang

(V/mm)

1.1.3 Đặc điểm hồ quang vùng anot

Vùng anốt (vùng cực dương) có điện áp rơi thấp khoảng 5 + 20 V, c«

độ dài khoảng 10? mm, cường độ điện trường Ea thập hơn nhiều so với Ec

LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP CAO HỌC BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ.

Sụt áp ở anốt còn gọi là điện áp anốt Điện áp này bé hơn điện áp catốt và phụ

thuộc 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 ít ảnh hưởng đến quá trình phát sinh hay

dập tắt hồ quang

1.1.4 Đặc điểm vùng thân hỗ quang

Vùng thân hồ quang có cường độ điện trường E¡¿ gần như không đổi,

khoảng 1 + 20 V/mm, phụ thuộc vào tính dẫn nhiệt, tốc độ chuyên động của

các phần tử khí, vận tốc của hồ quang điện Điện áp rơi trên thân hồ quang

Unạ phụ thuộc vào chiều dài hồ quang và được tính theo công thức

Nhiệt độ của vùng thân hồ quang là rất cao từ 6000 + 18000” K

Khi nhiệt độ lớn, tốc độ của các hạt tăng cao đến một giá trị nào đó mà

khi nó va đập vào các nguyên tử trung hoà sẽ dẫn đến ion hoá nó Số lượng

các điện tích xuất hiện do kết quả của ion hoá nhiệt được xác định theo công

thức Saha như sau

f: Bậc ion hoá bằng tỉ số của hạt ion hoá chia cho tất cả sỐ

nguyên tử trong thể tích đã cho

e = 1,6 10”?(As): Điện tích của electron

V;: Điện áp của vùng thân hồ quang (V)

k= 1,38.10: Hằng số Boltzman

P: Áp suất chất khí (Pa) T: Nhiệt độ (K)

Từ phương trình nảy chứng tỏ rằng áp suất khí càng lớn, mức độ ion hoá càng thấp Điều này có ý nghĩa quan trọng trong nhiều thiết bị dập hồ

LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP CAO HỌC BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

15

quang, người ta sẽ nâng cao áp suất khí để góp phần vào việc đập hồ quang

điện Đồng thời nhiệt độ cũng ảnh hưởng mạnh đến việc ion hoá, có thể dẫn

nhiệt ra khỏi hồ quang bằng các cách như làm lạnh không khí chuyển động, bằng các môi chất hay thoát nhiệt ra thành của buồng dập hồ quang

Phương trình Saha được thể hiện bằng đồ thị trên hình 1.3 cho khí oxy

Hình 1.3: Mức độ ion hoá của ôxy và nitơ ở áp suất khí quyền

Trên hình vẽ cho thấy nhiệt độ trong quá trình ion hoá có thể dùng để chuyền từ trạng thái dẫn sang trạng thái không dẫn Bởi vì theo độ nghiêng

giữa nhiệt độ và mức độ ion hoá cho thấy nhiệt độ của hồ quang điện sẽ giảm

khi dùng một chất khí nào đó để làm giảm nhiệt độ thân hồ quang Lúc này hồ quang sẽ chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái không dẫn tức là từ cháy chuyền sang tắt Hầu hết các loại máy cắt đều hoạt động theo nguyên lý này

Mặc dù trong thân hỗ quang xảy ra quá trình ion hoá rất mãnh liệt, có

sự cân bằng giữa các electron và các Ion dương, nhưng sự chuyền động của các electron so với các 1on dương là gan gấp ba lần Chính vì vậy luồng hồ

quang được tạo ra là do các electron Ở vùng thân hồ quang xảy ra một hiện

tượng gọi là “Hiệu ứng hướng tâm ”[9]

LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP CAO HỌC BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

1.1.5 Hiệu ứng hướng tâm ở thần hồ quang:

Hiệu ứng hướng tâm có thể được diễn tả trên hình 1.4.a Toàn bộ dòng

điện trong vùng thân hồ quang có thể được tưởng tượng như là tập hợp 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 hô quang

b) Từ trường trong thân hồ quang

Kết quả của áp suất lớn trong trung tâm của thân hồ quang có thể được

tính toán với giả thiết là mật độ dòng điện không thay đổi trong toàn bộ hồ

quang như sau

17

Trong đó: Hr): Từ trường tại vị trí có bán kính r (A/mm)

Tại bán kính 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 vảo trung tâm hồ quang

Dong dién I, trong vòng này sẽ là:

Lực điện từ Fy của vòng là:

Với tọ = 4 10” H/m : Độ từ thẩm của không khí

Lực điện từ FŒ) tại mỗi điểm thuộc vòng:

Áp suất này sẽ gop phan vao viéc kich thich dong plasma va hoi kim loại trong các điện cực khi hồ quang đang cháy

Ta rút ra các tính chất cơ bản của hồ quang điện như sau:

1 Phóng điện hồ quang chỉ được duy trì khi các dòng điện có trị số lớn Dòng điện tối thiểu của hồ quang đối với các vật liệu khác nhau đã được nêu

trong bảng, đối với kim loại thì thông thường bằng 0,5 A

2 Nhiệt độ tại trung tâm hỗ quang rất lớn có thể đạt tới 6000” +

18000”K

LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP CAO HỌC BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

| 3 Mật độ dòng điện tại vùng catốt rất lớn có thể đạt tới 10” + 10°

A/cm2

4 Sụt áp ở catốt bằng 10 + 20 V và thực tế không phụ thuộc vào dòng

_ điện, nhưng cường độ điện trường tại vùng catốt là rất lớn

1.2- QUA TRINH PHÁT SINH VA TAT HO QUANG

1.2.1- Qua trinh phat sinh hé quang |

Quá trình phát sinh hồ quang là qua trình ion hoá Ở điều kiện bình

thường, môi trường khí gồm các phần tử trung loà nên nó không dẫn điện

Nếu các phần tử trung hoà đó bị phân tích thành các điện tử tự do, các ion âm,

các ion dương thì nó trở thành dẫn điện Quá trình tạo ra các điện tử tự do và các ion trong chất khí được gọi là quá trình ion hoá Quá trình này có thê xảy

ra dưới tác dụng của ánh sáng, nhiệt độ, điện trường, va đập [rong thực tế

có các dạng 1on hoá sau:

a) Quá trình phát xạ điện tử ở bề mặt catốt

Khi điện cực (tiếp điểm) 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 cầu

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 (quá trình phát xạ nguội điện tử) Quá trình này phụ thuộc vào cường độ điện trường E và vật liệu làm điện cực

Trong đó: J„¿ :Mật độ dòng điện do tự phát xạ điện tử

E: Cường độ điện trường ở catốt

b: Thông sỐ phụ thuộc vào vật liệu làm catốt

b) Phát xạ nhiệt điện tử

LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP CAO HỌC BO MON THIET BI DIEN - ĐIỆN TỬ.

19

Khi nhiệt độ của catốt cao, các điện tử tự do trong điện cực có động năng lớn, có thê thoát ra khỏi bề mặt kim loại, tạo nên dòng điện trong chất khí Đó là hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử, Quá trính phát xạ nhiệt điện tử phụ thuộc vào nhiệt độ điện cực, vật liệu làm điện cực và được biểu diễn theo công thức

Trong đó: J+¿: 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 kim loại làm điện cực

Ở các đèn điện tử chân không, sợi đốt làm nhiệm vụ phát xạ nhiệt điện

tử Ở các tiếp điểm của các thiết bị điện đóng cắt, trong quá trình cắt, tiếp điểm động rời khỏi tiếp điểm tĩnh làm điện trở tiếp xúc tăng, tốn hao lớn, nhiệt độ tiếp điểm cao, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phát xạ nhiệt điện

tử

Tại thời điểm hai tiếp điểm mới tách nhau ra, cường độ điện trường

giữa chúng khá lớn thuận lợi cho việc tự phát xạ điện tử Vậy mật độ dòng điện do phát xạ điện tử càng lớn khi nhiệt độ điện cực cao và điện trường đặt lên nó lớn

c) Ion hoa do va cham

Sau khi tiép điểm mở ra, dưới tác dụng của nhiệt độ cao hoặc của điện trường lớn thì các điện tử tự do sẽ phát sinh và chuyển động từ anốt sang catốt Do điện trường có cường độ rất lớn nên các điện tử sẽ chuyên động với

vận tốc cao đủ để bắn phá các phân tử trung hoà, tạo ra các ion âm và dương

mới, đó là quá trình ion hoá do va chạm Quá trình này phụ thuộc vào cường

độ điện trường, mật độ các phần tử trong vùng điện cực, lực liên kết phân tử,

khối lượng của phân tử

Tôc độ cân thiệt của điện tử đề ion hoá tính theo công thức sau:

LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP CAO HỌC BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

va [2.e.U;, = [At - 2.e.C.E — (3)

Trong đó: e- Điện tích của điện tử

m - Khối lượng của điện tử

Uj, = ^À.E - Điện áp ion hoá;

E - Cường độ điện trường

1 =5 - Hành trình tự do của điện tử tỉ lệ nghịch với áp lực của

chất khí; C - Hằng số; p- Áp lực của chất khí -

Ta thấy nếu tăng áp lực chất khí p ở khu vực hồ quang, tốc độ điện tử v

sẽ giảm, sự Ion hoá cũng giảm xuống

Nếu tăng điện áp U; thì sự ion hoá càng tăng, hồ quang càng dễ duy trì

Mỗi chất khí có trị số U; khác nhau Khi áp lực khí là 1 mmHg, nhiét

24

d) Qua trinh ton hoá do nhiệt độ cao:

Khi nhiệt độ chất khí càng cao, chuyển động nhiệt của nó lớn, dễ va

chạm và tách thành các 1on, đó là quá trình lon hoá do nhiệt độ Quá trình này phụ thuộc vào nhiệt độ vùng hồ quang, mật độ các phần tử khí và đặc tính của

chất khí Với không khí, nếu nhiệt độ thân hỗ quang c& 8000 + 9000° K thi

ion hoá do nhiệt độ đóng vai trò chủ yếu Vì vậy quá trình tạo nên hỗ quang

điện được gắn liền với quá trình nhiệt „

Trình độ ion hoá biểu thị bằng x là tỉ số giữa nguyên tử ion hoá và tông

số nguyên tử ở khu vực thân hồ quang

Ta có quan hệ sau:

lo* P = 2S U, +25.lgT ~6,52 (1.14)

1—x°

Trong đó: p- Áp lực không khí ở thân hồ quang

T- Nhiệt độ tuyệt đối của chất khí (°K)

U;- Điện áp ion hoa

Đường cong x = f{T) đối với chất khí (U; = 15V) và đối với kim loại

bốc hơi (U; = 7,5V) được biểu diễn ở hình 1.5

x=f(T) 4 Kim loại bốc hơi Chất khí

Hinh 1.5: Duong cong x = f(T)

LUAN VAN TOT NGHIEP CAO HOC BO MON THIET BI DIEN - DIEN TU

Tóm lại, 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 điện càng lớn thì hồ quang cháy càng mãnh liệt và phát sáng càng mạnh

1.2.2- Quá trình tắt hồ quang

Hồ quang điện sẽ bị tắt khi môi trường giữa các điện cực không còn dẫn điện Khi đó quá trình phản ion hoá xảy ra mạnh hơn quá trình ion hoá

Quá trình phản ion hoá là quá trình suy giảm số lượng ion trong vùng

hồ quang Nguyên nhân chính của quá trình phản ion là tái hợp và khuếch tán

b) Qua trinh khuéch tan

Khuếch tán là hiện tượng di chuyển các ion ở vùng có mật độ cao (vùng hỗ quang) ra vùng xung quanh có mật độ điện tích thấp hơn làm giảm

số lượng ion trong vùng hồ quang gọi là quá trình khuếch tán Sự khuếch tán càng nhanh hồ quang càng nhanh tất, 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:

U/ Vận tốc chuyền động trung bình của ion (mm)

Từ công thức ta thấy mức độ khuếch tán tăng khi bán kính r của thân

hồ quang giảm, số lượng ion trong ving hồ quang và tốc độ trung bình của nó

phat sinh va phat triển mạnh, dòng điện hồ quang sẽ tăng Nếu quá trình ion - hoá bằng quá trình phản ion hoá, dòng điện hỗ quang không tăng và hỗ quang

cháy ổn định Nếu quá trình ion hoá bé hơn quá trình phản ion hoá thì dòng

điện hồ quang sẽ suy giảm và hồ quang sẽ tắt Chính vi thé hd quang dién

được coi là một điện trở phi tuyến có quan hệ khá phức tạp

Trong đó: Ủạ— Điện áp nguồn một chiều (V)

Uạ — Điện áp rơi trên điện trở (V)

U¡a — Điện áp hỗ quang (V)

U, = Lo - Sức điện động tự cảm trên điện cảm (V)

di

Uy =Up + Uz + U pg =ER +L + Ung (1.17)

Khi hồ quang cháy ổn định thì dòng điện không doi, i = I, T0,

t

Đặc tính Vôn-Ampe của mach dién dugc trinh bay 6 hinh 1.6.b

Duong | biéu dién dién ap nguén Us

Đường Ÿ biểu diễn điện áp rơi trên tải R

Đường 3 biểu diễn đặc tính U(1) của hồ quang

Trên hình 1.6, các đường đặc tính 2 và 3 giao nhau ở hai điểm A và B

Tại A và B phương trình trên được thoả mãn Các điểm A và B được gọi là hai điểm cháy của hồ quang Tại hai điểm này trị số dòng điện là không đối

Xét tại điểm B: Khi hồ quang đang cháy, nếu dòng điện giảm (bên trái

B), Lộ >0 sẽ đây dòng tăng đên B Nêu dòng điện tăng (bên phải B),

Le <0 nên sẽ kéo dòng điện hô quang về B Vậy diém B la diém can bang

ôn định của hồ quang điện

Tai diém A: Néu dong dién suy giam thi = <0(bên trái điêm A), dòng điện sẽ tiếp tục suy giảm về 0 và hồ quang tắt Nếu dòng điện tăng thì

đi > CA ~ ek s k ok ^ 2A

Le > 0(bén phai diém A), dong điện sé tiép tuc tang dén diém B Vay diém

A là điểm cân bằng không ổn định của hồ quang

1.3.2- Phương pháp dập hồ quang điện một chiều

Trong các khí cụ điện người ta sử dụng tất cả các biện pháp đề dập hỗ quang điện trong thời gian ngắn nhất Để có thể dập hồ quang điện phải loại

LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP CAO HỌC BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

điểm hồ quang cháy ổn định (điểm B) Trên đường đặc tính ta nhận thấy sẽ

không có điểm cháy ổn định khi đường đặc tính 3 cao hơn đường đặc tính 2

Hồ quang sẽ tắt khi

Điều này thực hiện bằng cách:

- Nâng cao đặc tính Vôn — Ampe (đường đặc tính 3)

- - Tăng điện trở của mạch (tăng độ dốc của đường 2)

1.3.3- Quá điện áp khi cắt mạch điện một chiều

Khi cắt mạch điện một chiều thường xảy EH quá điện áp Tại thời điểm

cat mach, 1 = 0, ta co:

như sử dụng mạch điện phụ mắc song song với phụ tải Mạch phụ này có thể

là điện trở (a), điện trở và tụ mắc nối tiếp (b) hoặc dùng điết mắc ngược (c)

(Hình 1.7)

LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP CAO HỌC BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

Hinh 1.7: Cac bién phap han chế quá điện áp

Hình 1.7.a: Trị số r = (5 + 7)R Tuy nhiên trong quá ii làm việc tổn thất trên điện trở phụ lớn

Hình 1.7.b: Ở chế độ xác lập không có tổn hao trên r Đề tránh cộng hưởng sau khi cắt điện phải thoả mãn điều kiện:

Hinh 1.7.c: Nang luong sé tiéu tan rất nhanh qua điện trở R Cần chú ý dòng xung kích qua van rất lớn, phải chọn kích cỡ van thích hợp

Kết luận:

Để giảm khả năng duy trì cháy liên tục của hỗ quang phải đảm bảo

Lộ ở mọi điểm đều lớn, nhưng mặt she dé giam qua dién áp cần Lộ nhỏ Bởi vậy, trong các thiết bị dập hồ quang của dòng điện một chiều cần phải thoả mãn điều kiện Lộ lớn khi dòng điện lớn và Lộ bé trong vùng bằng 0 của dòng điện

1.4- HO QUANG DIEN XOAY CHIEU

1.4.1- Khai niém

Ở hồ quang điện xoay chiều, dòng điện và điện áp nguồn biến thiên tuần hoàn theo tần số của lưới điện Vì hồ quang là điện trở phi tuyến nên

dòng điện và điện áp của hồ quang trùng pha nhau Trên hình 1.8.a trình bảy

dạng sóng của dòng điện và điện áp hồ quang theo thời gian, còn trên hình

1.8.b trình bày đặc tính Vôn-Ampe của hồ quang điện xoay chiêu

Trong 1/4 chu kỳ đầu, điện áp hồ quang tăng nhanh đến trị số cháy (theo điện áp nguồn) Khi hồ quang cháy, điện áp giảm dần, dòng điện tăng từ

0 đến điểm cháy, dòng tăng mạnh và khi t = 1/4 T, dòng điện đạt trị số cực đại

và điện áp hồ quang gần như không đôi

chiều theo thời gian

b) Đặc tính Vôn-Ampe của hồ quang điện xoay chiều

Trong đó: U/, U,— Điện áp cháy và điện áp tắt vủa hồ quang (V)

t¿ — Thời gian không dòng điện của hồ quang (s)

LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP CAO HỌC BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ.

29

Trong 1/4 chu kỳ sau, dòng điện giảm dân, đến thời điểm tắt, điện áp

hồ quang tăng, sau đó suy giảm về 0 và dòng điện cũng trở về 0 Nếu hồ

quang ồn định thì quá trình này lặp lại ở chu kỳ sau

Tại thời điểm dòng điện đi qua 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 hai điện cực bé hơn trị số điện áp cháy thì hỗ quang sẽ tắt han |

Trong trường hợp khi dòng điện gần trị số 0, nó không còn đi theo quy luật hình sin liên tục nữa, vì lúc này quá trình phản Ion mạnh nên điện trở hồ quang rất lớn, có thể coi dòng điện cưỡng bức bằng 0 Khoảng thời gian này

cỡ micrô giây, phụ thuộc vao đặc tính tải, dòng điện hồ quang gọi là khoảng thời gian không dòng điện của hồ quang (ty)

1.4.2- Dập hồ quang trong mạch xoay chiều

Tại thời điểm dòng điện đi qua 0, hồ quang không được cấp năng lượng

nên quá trình phản ion xay ra ở vùng điện cực rất mạnh, nhiệt độ hồ quang

giảm Nếu điện áp đặt lên hai điện cực bé hơn trị số điện áp cháy thì hồ quang

sẽ tắt hắn Khi dòng điện đi qua điểm 0 ở khu vực hồ quang đồng thời xảy ra hai quá trình: Quá trình phục hồi độ bền điện và quá trình phục hồi điện áp

- Quá trình phục hồi độ bền điện: Được đặc trưng băng quá trình phản, ion manh liệt khi dòng điện đi qua 0 và nó làm khu vực hồ quang mat dan tinh dan dién, tăng tính cách điện Đại lượng đặc trưng cho mức độ cách điện là

điện áp chọc thủng U„ là điện áp bé nhất mà khe hở giữa hai chỗ tiếp xúc có

thể bị chọc thủng Điện áp chọc thủng tăng lên rất nhanh theo thời gian, phụ thuộc vào môi trường cháy của hồ quang và trang bị dập hồ quang (Hình 1.9)

Với ¡= 0, ta có Uạ¿o = 150 + 250 V ở môi trường không khí, hồ quang cháy tự

nhiên |

- Quá trình phục hồi điện áp: Khi hồ quang đang cháy, điện áp giữa hai

chỗ tiếp xúc rất nhỏ, chỉ khoảng 5 + 10% điện áp lưới Khi dòng gần trở về 0,

LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP CAO HỌC BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

điện áp đó đạt đến giá tri U, Tai thoi diém dong hồ quang về 0, điện áp giữa

hai chỗ tiếp xúc sẽ biến thiên đột biến từ giá trị U¿, qua 0 và có xu thế tiến tới

biên độ điện áp lưới trong khoảng thời gian rất ngắn Do có điện dung ký sinh song song với khe hở nên quá trình biến thiên điện áp giữa hai đầu tiếp xúc

dao động quanh điện áp lưới với tần số xác định bởi các thông số lưới Trong

thực tế, điện dung ký sinh rất bé nên tần số dao động riêng rất lớn (Hàng ngàn

Hz) Điện áp biến thiên giữa 2 điện cực đó gọi là điện áp phục hồi Up Quá trình phục hồi điện áp là quá trình thành lập điện áp trên hai điện cực kế từ khi hồ quang tắt cho tới khi điện áp đạt tới trị số điện áp nguồn (Hình 1.9)

Quá trình này diễn ra khá phức tạp và phụ thuộc vào đặc tính của mạch cắt:

Tải trở, tải cảm hay tải dung Điện áp phục hồi có thể đạt tới giá trị cực đại

gap hai lần biên độ điện áp lưới

Trong khoảng thời gian tx, sự biến thiên điện áp phục hồi U„› và điện

áp chọc thủng U„ sẽ quyết định hồ quang bị dập tắt hay cháy lại Nếu Uạ luôn

lớn hơn U„› thì hồ quang bị dập tắt, điện áp khe hở sẽ trở về điện áp lưới điện,

còn dòng trở về 0

Ngược lại khi độ bền điện chưa kịp phục hồi (do các đầu tiếp xúc chưa

kịp mở ra một khoảng cần thiết), giá trị U¿ còn nhỏ hơn Usa thi hồ quang sẽ

cháy lại, giữa hai đầu tiếp xúc lại xuất hiện điện áp hồ quang Uạạ và dòng hỗ

_ quang ing H6 quang chi duoc dap tắt khi dòng đi qua 0 (thông thường hồ quang chảy trong vài ba nửa chu kỳ mới bị dập tắt) Trên hình 1.9 đến nửa

chu kỳ thứ hai thì hồ quang mới bị dập tắt

31

Để cắt mạch ba pha phải gồm hai giai đoạn Khi các bộ tiếp điểm ba

pha mở thì cả ba pha mở thì cả ba pha đều có hồ quang,nhưng pha nao có đòng qua 0 trước tiên thi hồ quang sẽ được dập đầu tiên, tại thời điểm đó ở hai pha còn lại vẫn tôn tại hồ quang Sau đó 1/4 chu kỳ nữa thì hồ quang ở hai pha còn lại mới có thể bị dập tắt Quá trình dập hồ quang ở mạch ba pha được

biểu diễn trên hình 1.10.-

Hinh 1.10: Qua trinh dap tắt hỗ quang trong mach ba pha

Trong đó: uạ, uạ, uc - Điện áp trên ba pha A, B, C

ia: ipi, ic: - Dong điện trên ba pha A, B, C trước khi dập

hồ quang

iad, icạ - Dòng điện trên pha A, C sau khi pha B đã được

dập hồ quang

Khi các đầu tiếp điểm mở ra, cả ba pha đều có hồ quang với các dòng

điện lan, igi, lc¡, còn uạ, up, uc là điện áp của mạch điện ba pha tương ứng

Giả sử pha B được dập hồ quang trước tiên khi dòng của nó qua giá trị 0 Sau khi hồ quang ở pha B bị dập tắt, dòng pha B trở về 0 thì dòng trong pha A va

LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP CAO HỌC BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ.

pha C vẫn còn tôn tại, tức là ngắn mạch ba pha trở thành ngắn mạch hai pha, dòng ngắn mạch mới nảy là la; và ic; trên pha A và pha C

Quá trình chuyển từ dòng lại và ic¡ trước khi hồ quang pha B chưa bị

dập sang dòng Iaa Và Ic› sau khi hồ quang pha B bị dập xảy ra đều đặn, không

có dao động tự do, nhưng giữa chúng có sự thay đổi về biên độ và góc lệch

pha vì mạch điện đã thay đổi

Qua 1⁄4 chu kỳ kể từ khi hồ quang pha B bi dap thi dong trong pha A

va pha C cé gid tri 0 và cơ hội dập hồ quang ở đó xuất hiện Dập hồ quang ở

hai pha A va C dé dang hon đối với pha B vì giá trị hiệu dụng cua iar Va Ic?

nhỏ hơn, đồng thời điện áp phục hồi trên pha A và C cũng nhỏ hơn

Khi xảy ra ngắn mạch hai pha trong mạch ba pha thì quá trình dập hồ quang sẽ giống như giai đoạn hai của quá trình dập hỗ quang ở ba pha nêu trên, tức là hồ quang ở hai pha sẽ được dập đồng thời

1.5- NANG LUONG CUA HO QUANG DIEN

1.5.1- Hồ quang điện một chiều

Phương trình cần bằng điện áp trong mạch cắt có R, L như sau:

Nhân hai vé phuong trinh véi i.dt va tich phân từ 0 đến t với dòng điện

từ ¡ đến 0 (quá trình của hồ quang), ta có:

của hồ quang, điện áp nguồn, điện trở tải và dòng điện hồ quang

‹2 ands LẺ 4

- Năng lượng từ dự trữ trong mạch, có độ lớn băng >

Thông thường thành phần thứ hai lớn hơn rất nhiều so với thành phần

thứ nhất Do vậy ở mạch một chiều khi điện cảm của mạch càng lớn thì năng lượng hồ quang sẽ càng lớn, lúc đó hồ quang sẽ khó dập tắt

1.5.2- Hồ quang điện xoay chiều

Hồ quang điện xoay chiêu dập tắt lúc ¡ = 0, tại đó wt=nz > t=—

D Năng lượng điện từ xem như bằng 0, ta có:

0

Với n là số nửa chu kỳ trong khoảng thời gian cháy của hồ quang Kết quả là ở dòng xoay chiều, năng lượng hồ quang là năng lượng nguồn trừ bớt

đi phần tôn hao tác dụng

Khác với dòng một chiều, toàn bộ năng lượng được đưa trở về nguồn Nếu

dòng điện được ngắt trước lúc đi qua trị số 0 thì một phần của năng lượng từ

sẽ không đưa về nguồn mà cung cấp cho hồ quang Đứng trên quan điểm

năng lượng mà xét thì ngắt mạch điện xoay chiều dễ dàng hơn ngắt mạch dòng một chiêu cùng công suat

LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP CAO HỌC BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

Hình 1.11: Qua trinh 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 U” và đặc tính quá trình phục

hồi độ bền điện được biểu diễn băng đường a — b cat đường cong phục hồi điện áp U tại K, hỗ quang sẽ cháy lập lại Nếu quá trình phản ion mạnh (đường ab’) dac tuyến điện áp chọc thủng nằm cao hơn đặc tuyến phục hồi điện áp, hồ quang sẽ tat han

Như vậy, với tải trở vì 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 tat hon

Hình 1.12: Quá trình dập hồ quang ở tải thuần cảm

Ở nửa chu kỳ thứ nhất, khi dòng điện qua 0°thì điện áp nguồn lại có trị

số đỉnh, đường đặc tuyến độ bền điện ab cắt đường điện áp phục hỗồi 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 phản ion (như thổi hồ quang, làm lạnh hồ quang) mạnh nên đường đặc tính phục hồi độ bền điện a'b' không cắt đường đặc tính phục hồi điện áp, hồ quang tắt hẳn

Nếu quá trình phục hồi điện áp là quá trình dao động với tần số đao động riêng fọ thì sẽ có quá điện áp cao (đến vài lần trị số biên độ của điện áp nguồn) 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

1.6.3- Tai thuan dung

Với tải thuần dung thì quá trình dập hồ quang được trình bày trên hình 1.13 Quá trình này thường xảy ra quá điện áp cao

LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP CAO HỌC BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

Nếu tại thời điểm này xảy ra hiện tượng phóng điện (dòng điện cao tân)

thì tụ điện sẽ được nạp thêm với điện áp 2E và điện áp đặt vào tụ điện có tri

số 3E Đến nửa chu kỳ tiếp theo, điện áp phục hồi đặt lên hai tiếp điểm có trị

LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP CAO HỌC BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ.

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

Chính vì vậy cần áp dụng các biện pháp khử điện áp 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 Trong trường hợp này ban đầu mạch cắt B; và điện trở Rs được đưa vào, sau

đó dòng điện được ngắt bởi mạch ngắt B; (Hình 1.14)

Qua việc xét với ba loại tải trên ta nhận thấy rằng, với tải thuần trở thì

hồ quang dễ dập tắt nhất Còn với tải cảm hay tải dung thì việc dập tắt hỗ

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 vì hiệu ứng dập hồ quang của chúng rất tốt

LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP CAO HỌC BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TU.

39

CHUONG 2:

CAC PHUONG PHAP NGHIEN CUU HAN CHE

_ ĐỒNG ĐIỆN HÒ QUANG

Ta đã biết hồ quang điện phát sinh là do môi trường giữa các điện cực

bị ion hoá Dòng điện hỗ quang lớn có thé gay nguy hiém dén cac thiét bi xung quanh, trong qua trinh ngăn mạch dòng điện sé lam ảnh hưởng đến toàn

bộ mạng điện, đến cấu tạo và tuổi thọ của thiết bị điện Vì vậy cần phải nghiên cứu các phương pháp hạn chế dang điện hỗ quang trong quá trình

đóng cắt của các thiết bị đóng cắt

Đề hạn chế dòng điện hồ quang ta cần hạn chế quá trình ion hoá, tăng cường quá trình phản ion hoá như quá trình tái hợp hoặc khuếch tán ion Dựa vào tính chất của các môi trường dập tắt hỗ quang, ta có các phương pháp hạn chế dòng điện hồ quang như: kéo dài hồ quang, sử dụng áp suất khí cao để tăng quá trình khuếch tán, dùng môi trường chân không để hạn chế quá trình ion hoá, mắc điện trở sun để dập tắt Các phương pháp này có tác dụng

khuếch tán các điện tử, giảm mật độ điện tích trong thân hỗ quang hoặc giảm

cường độ điện trường giữa hai điện cực Về bản chất các phương pháp dập tắt

hồ quang điện đã ứng dụng các phương pháp hạn chế dòng điện hồ quang, trong quá trình đóng cắt Để tìm hiểu từng biện pháp hạn chế dòng điện hồ quang ta xét các phương pháp dập tắt hồ quang sau

2.1- KÉO DÀI HỖ QUANG -

2.1.1- Kéo dài hồ quang bằng cơ khí

Khi hồ quang bị kéo dài, thân hồ quang bị nhỏ và dài ra, diện tích bề

mặt tiếp xúc của hồ quang với môi trường tăng Vì thế hồ quang bị toả nhiệt, quá trình khuếch tán điện tử nhanh, tăng quá trình phản ion Để kéo dài hồ quang băng cơ khí, ta phải tăng khoảng cách giữa hai tiếp điểm Biện pháp

này chỉ áp dụng cho các thiết bị đóng cắt có dòng điện bé và điện áp thấp (đến

250V) như ở trong các rơ le, các thiết bị điều khiển

Với các thiết bị đóng cắt có dòng điện lớn hơn (cỡ vài chục Ampe trở lên), chiều đài tự do của hồ quang khá lớn, ví dụ với U = 250 V, I = 150 A thi

chiều dài hồ quang là 25 em, còn khi U = 1500 V, I = 150 A thi chiều dài tự

do của hồ quang trong không khí đạt tới 200 cm, nên không thể tăng khoảng cách tiếp điểm quá lớn được vì sẽ tăng kích thước thiết bị lên rất nhiều |

Ta có quan hệ giữa chiều dài hồ quang và dỡng điện:

|: chiéu dai hé quang

v: tốc độ tăng của hồ quang

Với các thiết bị đóng, cắt điện áp trên 1000V, có dòng điện bé (đóng cắt dòng không tải của máy biến áp, của đường dây), người ta cũng dùng biện

pháp kéo dài hồ quang bằng cơ khí như ở các dao cách ly cao áp [3]

2.1.2- Phân đoạn hồ quang

Phân đoạn hồ quang tức là chia hồ quang thành nhiều đoạn Ở dòng điện xoay chiều trên mỗi phân đoạn có điện áp chọc thủng, khi dòng điện đi qua 0 thì đạt cỡ 150 - 250V

LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP CAO HỌC BO MON THIET BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ.