Bài giảng Khí cụ điện - Chương 1: Hồ quang điện

CHƯƠNG 1
HỒ QUANG ĐIỆN
KHÁI NIỆM CHUNG 
Bản chất của hồ quang điện là hiện tượng 
phóng điện trong chất khí với mật độ dòng điện 
rất lớn ( tới khoảng 102 đến 103 A/mm2) có nhiệt 
độ rất cao (tới khoảng 5000 đến 60000C ) và 
thưường kèm theo hiện tượng phát sáng. 
KHÁI NIỆM CHUNG
Hồ quang điện có ích : Hồ quang điện thực 
sự có ích khi được sử dụng trong các lĩnh vực như 
hàn điện, luyện thép,...những lúc này hồ quang 
cần được duy trì cháy ổn định.
KHÁI NIỆM CHUNG
Hồ quang điện có hại : Khi đóng cắt các thiết 
bị điện như 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 hư hại các tiếp điểm và bản thân 
thiết bị điện. 
Trong trường 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.
K A
E 
V
EK
Vùng K Vùng AVùng thân
UA
UTh
UKEth
EA
EK
Ihqm
Hình : Đặc tính hồ quang điện
I 
Uhq
l
50mm
20
0
0 2 4 6 8 10 12 
50
100
150
200
ĐẶC TÍNH HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU 
QUÁ TRÌNH PHÁT SINH HỒ QUANG
Hồ quang điện phát sinh là do môi trường 
giữa các điện cực (hoặc giữa các cặp tiếp điểm) bị
ion hóa (xuất hiện các hạt dẫn điện). 
Ion hóa có thể xảy ra bằng các con đường 
khác nhau duới tác dụng của ánh sáng, nhiệt độ, 
điện trường mạnh,.... 
Trong thực tế quá trình phát sinh hồ quang 
điện có những dạng ion hóa sau: 
QUÁ TRÌNH PHÁT SINH HỒ QUANG
Trong thực tế quá trình phát sinh hồ quang 
điện có những dạng ion hóa sau : 
 Quá trình phát xạ điện tử nhiệt ;
 Quá trình tự phát xạ điện tử ;
 Quá trình ion hóa do va chạm;
 Quá trình ion hóa do nhiệt .
SỰ PHÁT XẠ ĐIỆN TỬ NHIỆT
Điện cực và tiếp điểm được chế tạo từ kim 
loại, mà trong cấu trúc kim loại luôn luôn tồn tại các 
điện tử tự do chuyển động về mọi hưướng trong quỹ 
đạo của cấu trúc hạt nhân nguyên tử. 
Khi tiếp điểm bắt đầu mở ra lực nén vào tiếp 
điểm giảm dần khiến điện trở tiếp xúc tăng lên chỗ
tiếp xúc, dòng điện bị thắt lại dẫn đến mật độ dòng 
điện tăng rất lớn làm nóng các điện cực (nhất là ở
cực âm có nhiều electron). 
SỰ PHÁT XẠ ĐIỆN TỬ NHIỆT
Khi bị đốt nóng, động năng của các điện tử 
tăng nhanh đến khi năng lượng nhận Wđn đưược lớn 
hơn công thoát At liên kết hạt nhân thì điện tử sẽ
thoát ra khỏi bề mặt cực âm trở thành điện tự do. 
Quá trình này phụ thuộc vào nhiệt độ điện cực, 
vật liệu làm điện cực . 
SỰ PHÁT XẠ ĐIỆN TỬ
Khi tiếp điểm hay điện cực vừa mở ra lúc đầu 
khoảng cách còn rất bé. 
Nếu có một điện trường đủ lớn đặt lên điện 
cực (nhất là vùng cực âm có khoảng cách nhỏ có thể
tới hàng triệu V/cm), với cường độ điện trường lớn 
ở cực âm các điện tử tự do được cung cấp thêm 
năng lượng sẽ bị kéo bật ra khỏi bề mặt catốt để trở
thành các điện tử tự do. 
Quá trình này phụ thuộc vào cường độ điện 
trường E và vật liệu làm điện cực. 
ION HÓA DO VA CHẠM
Sau khi tiếp điểm mở ra, dưới tác dụng của 
nhiệt độ cao hoặc của điện trường lớn (mà thông 
thường là cả hai) thì các điện tử tự do sẽ phát sinh 
chuyển động từ cực dưương sang cực âm. 
Do điện trường rất lớn nên các điện tử chuyển 
động với tốc độ rất cao. Trên đường đi các điện tử
này va chạm với các nguyên tử và phân tử khí sẽ
làm bật ra các điện tử và các ion dương. 
ION HÓA DO VA CHẠM
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 lượng 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 cường độ điện 
trường, mật độ các phần tử trong vùng điện cực, lực 
liên kết phân tử, khối lượng của phân tử ... 
ION HÓA DO NHIỆT 
Do có các qúa trình phát xạ điện tử và ion hóa 
do va chạm, một lượng lớn năng lượng được giải 
phóng làm nhiệt độ vùng hồ quang tăng cao và 
thường kèm theo hiện tượng 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 lượng các ion hóa tăng 
lên do va chạm khi nhiệt độ tăng thì gọi đó là 
lượng ion hóa do nhiệt. 
QUÁ TRÌNH DẬP TẮT HỒ QUANG
Hồ quang điện sẽ bị dập tắt khi môi trường 
giữa các điện cực không còn dẫn điện hay nói cách 
khác hồ quang điện sẽ tắt khi có quá trình phản ion 
hóa xảy ra mạnh hơn quá trình ion hóa. 
Ngoài quá trình phân li đã nói trên, song song 
với quá trình ion hóa còn có các quá trình phản ion 
gồm hai hiện tượng sau: 
1. Hiện tượng tái hợp
2. Hiện tượng khuếch tán
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 :
 Tỉ lệ nghịch với bình phương đường kính 
HQ
 Hồ quang tiếp xúc với môI trường điện 
môi thì hiện tượng tái hợp sẽ tăng lên. 
 Nhiệt độ hồ quang càng thấp tốc độ tái 
hợp càng tăng.
HIỆN TƯỢNG KHUẾCH TÁN 
Hiện tượng 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 
lượng ion trong vùng hồ qung gọi là hiện tượng 
khuếch tán. 
Các điện tử và ion dương khuếch tán dọc theo 
thân hồ quang, điện tử khuếch tán nhanh hơn ion 
dương. 
HIỆN TƯỢNG KHUẾCH TÁN
Quá trình khuếch tán đặc trưng bằng tốc độ
khuếch tán. Sự khuếch tán càng nhanh hồ quang 
càng nhanh bị tắt. Để tăng quá trình khuếch tán 
người ta thường tìm cách kéo dài ngọn lửa hồ
quang.
HỒ QUANG ĐIỆN
MỘT CHIỀU 
HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU 
Với U0 là điện áp 
nguồn , mạch có điện 
trở R, mạch có điện cảm 
mạch L và rhq đặc trưng 
cho điện trở hồ quang 
với điện áp hồ quang là
uhq trên các cặp tiếp 
điểm khi ta đóng hoặc 
ngắt. 
L
R
+-
i
rth
Hình : Hồ quang điện mạch một chiều
U0
HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU
Theo định luật Kiếchốp II, ta có phưương trình 
cân bằng điện áp trong mạch khi mở tiếp điểm và
hồ quang bắt đầu cháy như sau :
Với UR : là điện áp rơi trên điện trở.
Với Uhq : là điện áp trên hồ quang.
dt
diLiRR.iU
hq0

dt
diLUUU
hqR0

HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU
Khi hồ quang cháy ổn định thì dòng điện không đổi. 
Do đó phưương trình cân bằng áp sẽ là : 
hqhqR0
r.IR.IUUU 
0
dt
diLconstIi
HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU
I[A]
U[V]
U0
1
23
UR
Uhq
Ldi/dt>0
Ldi/dt< 0
Ldi/dt< 0
B
A
IA IB
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]

3
I [A]
ĐIỀU KIỆN DẬP TẮT HỒ QUANG ĐIỆN
T1
T2<T
1
U [V]
I[A]
U [V]
L1
L2>L1
I[A]
QÚA ĐIỆN ÁP 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 : 
hqudt
diLU 0
U
dt
diLUuhq  0
QÚA ĐIỆN ÁP 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
Zt (R,L)
R
Zt (R,L)
RC
Zt (R,L)
D
HỒ QUANG ĐIỆN
XOAY CHIỀU 
KHÁI 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 hò 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.
KHÁI 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 
i(t )
1
2
Uch
Ut
U[V]
t
KHÁI 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.
KHÁI NIỆM CHUNG
Từ dạng sóng 
thu được trên màn 
hình dao động kí
ta xây dựng được 
đặc tính Vôn -Am 
pe (V-A) của hồ 
quang điện xoay 
chiều như hình 
I
U
Uch
Ut
KHÁI 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
BIỆN PHÁP VÀ TRANG BỊ
DẬP HỒ QUANG TRONG 
THIẾT BỊ ĐIỆN 
CÁC YÊU 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. 
CÁC NGUYÊN 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. 
DẬP HQ TRONG THIẾT BỊ HẠ ÁP
 Kéo dài hồ quang điện bằng cơ khí
 Dùng cuộn dây thổi từ kết hợp buồng dập hồ
quang 
 Dùng buồng dập hồ quang có khe hở quanh co 
 Phân chia hồ quang ra làm nhiều đoạn ngắn 
 Tăng tốc độ chuyển động của tiếp điểm động 
 Kết cấu tiếp điểm kiểu bắc cầu
DẬP HQ TRONG THIẾT BỊ HẠ CAO ÁP
 Dập hồ quang trong dầu biến áp kết hợp phân 
chia hồ quang 
 Dập hồ quang bằng khí nén 
 Dập hồ quang bằng cách dùng vật liệu tự
sinh khí
 Dập hồ quang trong chân không 
 Dập hồ quang trong khí áp suất cao