Bài giảng môn học 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 hướng 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 MỘ 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.
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 :
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 :
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
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