PHẦN ĐIỆN TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN 7

Do nhiệt độ hồ quang rất cao nên làm rỗ, gây cháy bề mặt tiếp xúc, làm hỏng các bề mặt tiếp xúc, làm tăng điện trở tiếp xúc.. Bản chất vật lý của hồ quang điện Phóng điện dưới tác dụng

79

CHƯƠNG 7

HỒ QUANG ĐIỆN

I Định nghĩa và tác hại của hồ quang điện

II Quá trình hình thành hồ quang điện

III Dập hồ quang điện trong mạch điện xoay chiều

IV Một số biện pháp nhân tạo dập hồ quang điện

V Tóm tắt và ôn tập

Hình a : Hình dáng bên ngoài Hình b : Mặt cắt

Hình 7 - 1 : Buồng dập hồ quang trong chân không

1 + 9 : Bộ phận làm kín 2 : Vòng đệm bào vệ 3 : Vòng xếp kim loại 4 + 10 : Nắp bằng kim loại 5 + 7 : Tấm chắn bảo vệ 6 : Cách điện bằng ceramic 8 : Các tiếp điểm

Mục tiêu : Trang bị cho học sinh – sinh viên

a Nguyên nhân và tác hại của hồ quang điện

b Dập hồ quang điện trong mạch điện xoay chiều

c Các biện pháp nhân tạo dập hồ quang điện

I KHÁI NIỆM

I.1 Định nghĩa

Hồ quang điện là sự phóng điện tự duy trì trong không khí với mật độ dòng lớn và nhiệt độ cao

Như vậy dòng hồ quang là dòng điện tử và ion (plasma) có điện trở rất lớn

I.2 Tác hại của hồ quang điện

Dòng hồ quang cũng chính là đòng điện, nên sau khi các tiếp điểm đã rời nhau nhưng dòng điện vẫn tồn tại làm kéo dài thời gian đóng cắt của khí cụ điện Chỉ khi

hồ quang bị dập tắt hẳn, mạch điện mới được cắt hoàn toàn

Do nhiệt độ hồ quang rất cao nên làm rỗ, gây cháy bề mặt tiếp xúc, làm hỏng các

bề mặt tiếp xúc, làm tăng điện trở tiếp xúc

Khi hồ quang xuất hiện, vùng không khí giữa các tiếp điểm trở thành dẫn điện Vùng không khí này có thể lan rộng gây phóng điện giữa các pha hoặc gây ngắn mạch giữa các pha

Khi cắt mạch điện tại những khí cụ điện không có thiết bị dập hồ quang, nếu có dòng điện lớn chạy qua, hồ quang dễ dàng phát sinh và phóng mạnh đến người thao tác gây ra cháy, bỏng, nổ, chết người hoặc những tai nạn khác

II QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỒ QUANG

II.1 Bản chất vật lý của hồ quang điện

Phóng điện dưới tác dụng của điện trường cao: Khi các đầu tiếp xúc khí cụ

điện mở ra, giữa hai đầu khe hở có khoảng cách nhỏ chịu một điện áp lớn và hình thành một điện trường Dưới tác dụng của cường độ điện trường lớn các điện tử tự do

sẽ chạy về dương cực : Hồ quang điện phát sinh

Hình 7 - 2 : Phóng điện dưới tác dụng của điện trường cao

Phát xạ nhiệt điện tử : Khi đầu tiếp xúc bắt đầu mở, lực nén vào hai tiếp xúc giảm

dần, điện trở tiếp xúc tăng Dưới tác dụng nhiệt độ cao các điện tử rời khỏi mạch kim loại chạy về dương cực đó là hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử

Ion hóa do va chạm: Các điện tử phát sinh do hiện tượng nêu trên chuyển động

nhanh sang dương cực dưới tác dụng của từ trường Chúng chuyển động với tốc độ lớn và va chạm vào các phần tử trung hòa làm bật ra các điện tử mới và các ion Các điện tử mới lại làm ion hóa các phần tử trung hóa khác… Số lượng điện tích giữa hai điện cực tăng lên gấp bội Dạng ion hóa đó gọi là ion hóa do va chạm

d

E

U

E = U

d

81

Hiện tượng đầu là nguyên nhân sinh ra hồ quang điện Hai hiện tượng sau tạo điều kiện duy trì hồ quang điện

II.2 Qúa trình khử ion-hóa

Song song với qúa trình ion-hóa trong khe hở, còn có qúa trình khử ion Qúa trình này do các hiện tượng sau đây

Hiện tượng kết hợp: Các ion chuyển động va chạm vào nhau tạo thành các hạt

trung hòa gọi là hiện tượng kết hợp Nhiệt độ hồ quang điện càng thấp, tiết diện hồ quang điện càng nhỏ, khả năng kết hợp càng mạnh Khi tiếp xúc với điện môi, hồ quang điện bị mất thêm nhiệt lượng, thúc đẩy hiện tượng kết hợp làm sự ion-hóa giảm xuống, qúa trình khử ion tăng lên

Hiện tượng khuếch tán: giữa hồ quang điện và môi trường xung quanh có sự

chênh lệch rất lớn về nhiệt độ và mật độ ion, vì vậy các ion không ngừng bị khuyếch tán vào môi trường xung quanh kết hợp với các điện tử tự do tạo thành các hạt trung tính

Hồ quang bị dịch chuyển càng mạnh khả năng khuếch tán càng tăng

Hiện tượng phân ly: dưới tác dụng nhiệt độ cao của hồ quang, các phần tử khí

chuyển động mạnh và hỗn loạn Một số phân tử khí chuyển động va chạm vào nhau sẽ phân ly thành các nguyên tử Các nguyên tử khuếch tán vào môi trường xung quanh, gặp nhiệt độ thấp lại kết hợp thành phân tử Phản ứng phân ly thu nhiệt, làm giảm nhiệt

độ hồ quang, tạo điều kiện cho khử ion

Lợi dụng các hiện tượng nêu trên, người ta sẽ dập tắt hồ quang điện để bảo đảm

an toàn cho người và các trang thiết bị điện

III CẮT MẠCH VÀ DÂP TẮT HỒ QUANG TRONG MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU

Trong quá trình cắt mạch và dập tắt hồ quang trong mạch điện xoay chiều, có những khái niệm về những điện áp

III.1 Điện áp hồ quang U hq

* U hq : Là điện áp giữa hai đầu tiếp xúc khi hồ quang cháy Uhq = Rhq x Ihq Khi hồ quang đang cháy điện áp này rất nhỏ chỉ bằng 5 – 10% điện áp của lưới

III.2 Điện áp phục hồi U ph

* U ph : Là điện áp biến thiên giữa hai đầu tiếp xúc khi dòng hồ quang trong mạch điện xoay chiều trở về gía trị 0 tự nhiên Điện áp phục hồi bao gồm điện áp lưới và điện

áp do điện dung ký sinh sinh ra song song với điện áp lưới Điện áp phục hồi có thể đạt tới giá trị cực đại gấp hai lần điện áp lưới

III.3 Điện áp bền U b (điện áp chọc thủng U ct )

* U ct : Là một đại lượng đặc trưng cho độ bền của điện môi giữa hai đầu điện cực khi dòng hồ quang qua gía trị 0 tự nhiên Đó là mức điện áp bé nhất mà khí ở giữa hai đầu tiếp xúc (khe hở) có thể bị chọc thủng Điện áp chọc thủng tăng lên rất nhanh theo thời gian hay theo khoảng cách giữa hai đầu tiếp xúc

III.4 Cắt mạch và dập hồ quang trong mạch điện xoay chiều

Trong mạch điện xoay chiều, giả sử điện áp nguồn và dòng điện có dạng hình sin với góc lệch khoảng 90o (nghĩa là xét dập hồ quang trong điều kiện nặng nề nhất)

Khi dòng còn nhỏ Uhq tăng dần theo dòng điện, sau đó dù dòng có tăng điện áp Uhq vẫn giảm vì qúa trình ion hóa nhiệt tăng, điện trở của hồ quang giảm rất nhanh Khi dòng qua giá trị cực đại rồi bắt đầu giảm dần thì mức độ ion-hóa cũng giảm, điện trở hồ quang tăng nhanh, dẫn đến điện áp hồ quang tăng

Khoảng cuối nửa chu kỳ, dòng về không cũng đưa điện áp hồ quang về không Nửa chu kỳ tiếp theo của dòng, điện áp của hồ quang được lặp lại như trên nếu hồ quang còn được duy trì Khi dòng qua giá trị 0, trong một khoảng thời gian ngắn, năng lượng cấp cho hồ quang ít, nhiệt độ hồ quang giảm, không còn ion-hoá nhiệt Đây là khoảng thời gian quan trọng để dập hồ quang xoay chiều Tại giá trị 0 của dòng hồ quang đồng thời xảy ra hai qúa trình trong khe hở giữa hai đầu tiếp xúc : phục hồi độ bền điện và phục hồi điện áp Do các đầu tiếp xúc động không đứng nguyên trong khoảng thời gian dòng hồ quang qua gía trị 0 tự nhiên Sự biến thiên của điện áp phục hồi Uph và điện áp chọc thủng Uct sẽ quyết định hồ quang bị dập tắt hay cháy lại

U ph ≥ U ct : H ồ quang cháy lại

U ph < U ct : H ồ quang bị dập tắt

Ulưới

Ilưới

Uhq

Ihq

Uph

Uct

Uct

Uph

t

Cắt mạch

Hình 7 - 3 : Qúa trình cắt mạch và dập hồ quang trong mạch điện xoay chiều

83

Tóm lại, khi cắt mạch xoay chiều, hồ quang có khả năng bị dập tắt tại thời điểm khi dòng qua trị số không

III.5 Qúa trình cắt và dập hồ quang trong mạch ba pha

Cắt mạch ba pha gồm có hai giai đoạn Khi các đầu tiếp xúc của máy cắt mở thì cả

ba pha đều có hồ quang nhưng trước hết hồ quang chỉ bị dập tắt ở pha mà dòng qua không trước tiên, tại thời điểm đó ở hai pha còn lại vẫn còn tồn tại hồ quang Chỉ sau đó

¼ chu kỳ nữa thì hồ quang hai pha còn lại mới có thể bị dập tắt

IV CÁC PHƯƠNG PHÁP DẬP TẮT HỒ QUANG

Để bảo đảm dễ dàng dập tắt hồ quang cần phải dùng các biện pháp nhân tạo để tăng điện áp bền của điện môi tại khe hở giữa hai đầu tiếp xúc trong khoảng thời gian dòng hồ quang qua giá trị 0 Việc thay đổi điện áp phục hồi rất khó thực hiện, vì chúng phụ thuộc vào chính các thông số của lưới điện Các biện pháp nhân tạo để dập tắt hồ quang gồm :

IV.1 Phương pháp kéo dài hồ quang

Càng kéo dài hồ quang thì điện áp để duy trì nó càng phải cao Nếu điện áp nguồn nhỏ hơn điện áp cần để duy trì hồ quang Hồ quang sẽ bị dập tắt

IV.2 Chia hồ quang thành nhiều hồ quang ngắn

Nhờ có các tấm ngăn hồ quang bằng thép mạ đồng, hồ quang bị đẩy vào sâu hơn

và được phân thành nhiều hồ quang nhỏ Hồ quang bị dâp tắt nhanh do điện áp phục hồi trên từng đoạn hồ quang là rất nhỏ so với điện áp chọc thủng

IV.3 Dập tắt hồ quang trong khe nhỏ của buồng dập hồ quang

Cháy trong khe nhỏ hồ quang bị hạ nhiệt độ nhanh hơn và các điện tích của nó nhanh chóng khuếch tán vào môi trường xung quanh, dẫn đến khử ion và dập tắt hồ quang

IV.4 Chuyển động hồ quang trong từ trường

Hồ quang cũng chính là dòng điện Khi đặt hồ quang trong từ trường thì sẽ có lự điện từ tác dụng lên nó Nếu hướng từ trường vuông góc với trục hồ quang thì hồ quang bị chuyển động tịnh tiến và bị đẩy vào khe hở của buồng dập hồ quang, Khi từ trường tròn, hồ quang chuyển động quay, dễ dàng bị kéo dài – làm mát – khử ion và bị dập tắt

IV.5 Dập tắt hồ quang trong dầu

Nếu đầu tiếp xúc của khí cụ điện đặt trong dầu biến áp Khi cắt mạch, hồ quang xuất hiện, dưới tác dụng nhiệt của hồ quang, dầu tạo thành các bọt khí khác, khí hydro, hơi dầu, trong đó khí hydro là chủ yếu (70  80%) với áp suất cao Khí hydro có độ bền điện rất cao, nhất là với áp suất cao làm cho hiện tượng ion-hóa nhiệt kém đi rất nhiều,

do vậy hồ quang dễ bị dập tắt

H.a : Kéo dài hồ quang điện H.b : Chia hồ quang thành nhiều đoạn ngắn

H.c : Dập hồ quang trong khe hở hẹp

Hình 7 - 4 : Một số biện pháp dập hồ quang điện nhân tạo

IV.6 Thổi khí nén

Hồ quang được làm nguội nhanh hơn khi có luồng khí chuyển động thổi vào Thổi dọc hay thổi ngang vào hồ quang đều tạo điều kiện cho các phân tử khí tiếp xúc với hồ quang, dẫn tới khuếch tán và làm nguội hồ quang dễ dàng Tốt nhất là thổi vào hồ quang bằng khí lạnh chứa từ các bình chứa

IV.7 Dùng nhiều chỗ cắt

Cắt mạch với dòng hồ quang càng lớn và điện áp càng cao thì càng khó khăn Vì vậy trong mạch điện cao áp người ta thường dùng nhiều chỗ cắt trong một pha, điện áp

Không

khí nén

Dầu biến áp

Hơi dầu

+ F

Cuộn dây thổi từ

F

Tấm thép

mạ đồng

1

2

 F

2

1

85

càng cao càng nhiều chỗ cắt Để phân bố đều điện áp người ta mắc song song với chỗ cắt các tụ điện C hay điện trở R làm nhiệm vụ phân áp Đối với bộ phân áp bằng điện trở R, hồ quang bị khống chế tốt hơn vì điện trở R làm giảm dòng khi cắt tiếp điểm chính, tạo điều kiện dập hồ quang dễ dàng trong tiếp điểm phụ và làm giảm tốc độ điện

áp phục hồi

H.h : Dùng nhiều chỗ cắt H.g : Thổi khí nén (dọc trục) Hình 7 - 5 : Một số biện pháp dập hồ quang điện nhân tạo

Hình 7 - 6 : Máy cắt không khí dùng nhiều chỗ cắt để dập hồ quang (Trị An)

C

R

IV.8 Dập tắt hồ quang trong chân không

Khí áp suất nhỏ (10 - 6  10 - 8 N/cm2) có độ

bền điện rất cao so với không khí ở áp suất

thường, Khi mở đầu tiếp xúc trong chân không, chỉ

cần nửa chu kỳ đầu tiên dòng qua trị số không là hồ

quang có thể bị dập tắt Nguyên lý này thường áp

dụng trong máy cắt chân không

Hình 7 - 7 : Một số phương án dập hồ quang

trong máy cắt chân không

a Xoáy ngang hồ quang điện trên các rãnh xoắn

b Phân nhỏ và xoáy dọc hồ quang điện

c Khuếch tán hồ quang bằng lực điện động

Hình 7 - 8 : Buồng dập hồ quang

trong chân không

IV.9 Dập tắt hồ quang trong khí áp suất cao

Khí áp suất 200 N/cm2 và cao hơn có độ bền điện cao Vì vậy trong máy cắt không khí dùng không khí có áp suất cao lấy từ các bình nén khí để dập tắt hồ quang Hiệu qủa hơn nữa là dùng các loại khí áp suất cao và có độ bền điện cao hơn không khí như khí ê-lê-ga (SF6) Khí ê-lê-ga có thể dập hồ quang ngay ở áp suất thường Khí SF6 được dùng nhiều trong máy cắt SF6