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

CHƯƠNG 1 
HỒ QUANG ĐIỆN 
KHÁI NIỆM CHUNG 
 B¶n chÊt cña hå quang ®iÖn lµ hiÖn tîng 
phãng ®iÖn trong chÊt khÝ víi mËt ®é dßng ®iÖn 
rÊt lín ( tíi kho¶ng 102 ®Õn 103 A/mm2) cã nhiÖt 
®é rÊt cao (tíi kho¶ng 5000 ®Õn 60000C ) vµ th-
êng kÌm theo hiÖn tîng ph¸t s¸ng. 
KHÁI NIỆM CHUNG 
 Hå quang ®iÖn cã Ých : Hå quang ®iÖn thùc 
sù cã Ých khi ®îc sö dông trong c¸c lÜnh vùc nh 
hµn ®iÖn, luyÖn thÐp,...nh÷ng lóc nµy hå quang cÇn 
®îc duy tr× ch¸y æn ®Þnh. 
KHÁI NIỆM CHUNG 
 Hå quang ®iÖn cã h¹i : Khi ®ãng c¾t c¸c thiÕt 
bÞ ®iÖn nh cont¾ct¬, cÇu dao, m¸y c¾t,...hå quang sÏ 
xuÊt hiÖn gi÷a c¸c cÆp tiÕp ®iÓm. 
 Hå quang ch¸y nµy l©u sau khi thiÕt bÞ ®iÖn ®· 
®ãng c¾t sÏ lµm h h¹i c¸c tiÕp ®iÓm vµ b¶n th©n 
thiÕt bÞ ®iÖn. 
 Trong trêng hîp nµy ®Ó ®¶m b¶o ®é lµm viÖc 
tin cËy cña thiÕt bÞ ®iÖn yªu cÇu ph¶i tiÕn hµnh dËp 
t¾t hå quang cµng nhanh cµng tèt. 
K A 
 E 
V 
EK 
Vïng K Vïng A Vïng th©n 
UA 
UTh 
UK Eth 
EA 
EK 
Ihqm 
H×nh : §Æc tÝnh hå quang ®iÖn 
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 
 Hå quang ®iÖn ph¸t sinh lµ do m«i trêng 
gi÷a c¸c ®iÖn cùc (hoÆc gi÷a c¸c cÆp tiÕp ®iÓm) bÞ 
ion hãa (xuÊt hiÖn c¸c h¹t dÉn ®iÖn). 
 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 trêng m¹nh,.... 
 Trong thùc tÕ qu¸ tr×nh ph¸t sinh hå quang 
®iÖn cã nh÷ng d¹ng ion hãa sau: 
QUÁ TRÌNH PHÁT SINH HỒ QUANG 
 Trong thùc tÕ qu¸ tr×nh ph¸t sinh hå quang 
®iÖn cã nh÷ng d¹ng ion hãa sau : 
 Qu¸ tr×nh ph¸t x¹ ®iÖn tö nhiÖt ; 
 Qu¸ tr×nh tù ph¸t x¹ ®iÖn tö ; 
 Qu¸ tr×nh ion hãa do va ch¹m; 
 Qu¸ tr×nh ion hãa do nhiÖt . 
SỰ PHÁT XẠ ĐIỆN TỬ NHIỆT 
 §iÖn cùc vµ tiÕp ®iÓm ®îc chÕ t¹o tõ kim lo¹i, 
mµ trong cÊu tróc kim lo¹i lu«n lu«n tån t¹i c¸c ®iÖn 
tö tù do chuyÓn ®éng vÒ mäi híng trong quü ®¹o cña 
cÊu tróc h¹t nh©n nguyªn tö. 
 Khi tiÕp ®iÓm b¾t ®Çu më ra lùc nÐn vµo tiÕp 
®iÓm gi¶m dÇn khiÕn ®iÖn trë tiÕp xóc t¨ng lªn chç 
tiÕp xóc, dßng ®iÖn bÞ th¾t l¹i dÉn ®Õn mËt ®é dßng 
®iÖn t¨ng rÊt lín lµm nãng c¸c ®iÖn cùc (nhÊt lµ ë 
cùc ©m cã nhiÒu electron). 
SỰ PHÁT XẠ ĐIỆN TỬ NHIỆT 
 Khi bÞ ®èt nãng, ®éng n¨ng cña c¸c ®iÖn tö 
t¨ng nhanh ®Õn khi n¨ng lîng nhËn W®n ®îc lín h¬n 
c«ng tho¸t At liªn kÕt h¹t nh©n th× ®iÖn tö sÏ tho¸t ra 
khái bÒ mÆt cùc ©m trë thµnh ®iÖn tù do. Qu¸ 
tr×nh nµy phô thuéc vµo nhiÖt ®é ®iÖn cùc, vËt liÖu 
lµm ®iÖn cùc . 
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 trêng ®ñ lín ®Æt lªn ®iÖn cùc 
(nhÊt lµ vïng cùc ©m cã kho¶ng c¸ch nhá cã thÓ tíi 
hµng triÖu V/cm), víi cêng ®é ®iÖn trêng lín ë cùc 
©m c¸c ®iÖn tö tù do ®îc cung cÊp thªm n¨ng lîng 
sÏ bÞ kÐo bËt ra khái bÒ mÆt catèt ®Ó trë thµnh c¸c 
®iÖn tö tù do. 
 Qu¸ tr×nh nµy phô thuéc vµo cêng ®é ®iÖn tr-
êng E vµ vËt liÖu lµm ®iÖn cùc. 
ION HÓA DO VA CHẠM 
 Sau khi tiÕp ®iÓm më ra, díi t¸c dông cña nhiÖt 
®é cao hoÆc cña ®iÖn trêng lín (mµ th«ng thêng lµ 
c¶ hai) th× c¸c ®iÖn tö tù do sÏ ph¸t sinh chuyÓn 
®éng tõ cùc d¬ng sang cùc ©m. 
 Do ®iÖn trêng rÊt lín nªn c¸c ®iÖn tö chuyÓn 
®éng víi tèc ®é rÊt cao. Trªn ®êng ®i c¸c ®iÖn tö nµy 
va ch¹m víi c¸c nguyªn tö vµ ph©n tö khÝ sÏ lµm bËt 
ra c¸c ®iÖn tö vµ c¸c ion d¬ng. 
ION HÓA DO VA CHẠM 
C¸c phÇn tö mang ®iÖn nµy l¹i tiÕp tôc tham gia 
chuyÓn ®éng vµ va ch¹m ®Ó lµm xuÊt hiÖn c¸c phÇn 
tö mang ®iÖn kh¸c. 
Do vËy mµ sè lîng c¸c phÇn tö mang ®iÖn t¨ng 
lªn kh«ng ngõng, lµm mËt ®é ®iÖn tÝch trong 
kho¶ng kh«ng gian gi÷a c¸c tiÕp ®iÓm rÊt lín. 
Qu¸ tr×nh nµy phô thuéc vµo cêng ®é ®iÖn trêng, 
mËt ®é c¸c phÇn tö trong vïng ®iÖn cùc, lùc liªn kÕt 
ph©n tö, khèi lîng cña ph©n tö ... 
ION HÓA DO NHIỆT 
Do cã c¸c qóa tr×nh ph¸t x¹ ®iÖn tö vµ ion hãa 
do va ch¹m, mét lîng lín n¨ng lîng ®îc gi¶i phãng 
lµm nhiÖt ®é vïng hå quang t¨ng cao vµ thêng kÌm 
theo hiÖn tîng ph¸t s¸ng. 
NhiÖt ®é khÝ cµng t¨ng th× tèc ®é chuyÓn ®éng 
cña c¸c phÇn tö khÝ cµng t¨ng vµ sè lÇn va ch¹m do 
®ã còng cµng t¨ng lªn. 
Do va ch¹m, mét sè ph©n tö khÝ sÏ ph©n li 
thµnh c¸c nguyªn tö. Cßn lîng c¸c ion hãa t¨ng lªn 
do va ch¹m khi nhiÖt ®é t¨ng th× gäi ®ã lµ lîng ion 
hãa do nhiÖt. 
QUÁ TRÌNH DẬP TẮT HỒ QUANG 
 Hå quang ®iÖn sÏ bÞ dËp t¾t khi m«i trêng 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. 
 Ngoµi qu¸ tr×nh ph©n li ®· nãi trªn, song song 
víi qu¸ tr×nh ion hãa cßn cã c¸c qu¸ tr×nh ph¶n ion 
gåm hai hiÖn tîng sau: 
1. HiÖn tîng t¸i hîp 
2. HiÖn tîng khuÕch t¸n 
HIỆN TƯỢNG TÁI HỢP 
Trong qu¸ tr×nh chuyÓn ®éng c¸c h¹t mang ®iÖn 
tr¸i dÊu va ch¹m nhau, t¹o thµnh c¸c h¹t trung hßa. 
 Trong lÝ thuyÕt ®· chøng minh tèc ®é t¸i hîp : 
 TØ lÖ nghÞch víi b×nh ph¬ng ®êng kÝnh 
HQ 
 Hå quang tiÕp xóc víi m«I trêng ®iÖn 
m«i th× hiÖn tîng t¸i hîp sÏ t¨ng lªn. 
 NhiÖt ®é hå quang cµng thÊp tèc ®é t¸i 
hîp cµng t¨ng. 
HIỆN TƯỢNG KHUẾCH TÁN 
HiÖn tîng c¸c h¹t tÝch ®iÖn di chuyÓn tõ vïng 
cã mËt ®é ®iÖn tÝch cao (vïng hå quang) ra vïng 
xung quanh cã mËt ®é ®iÖn tÝch thÊp, lµm gi¶m sè l-
îng ion trong vïng hå qung gäi lµ hiÖn tîng khuÕch 
t¸n. 
C¸c ®iÖn tö vµ ion d¬ng khuÕch t¸n däc theo 
th©n hå quang, ®iÖn tö khuÕch t¸n nhanh h¬n ion d-
¬ng. 
HIỆN TƯỢNG KHUẾCH TÁN 
 Qu¸ tr×nh khuÕch t¸n ®Æc trng b»ng tèc ®é 
khuÕch t¸n. Sù khuÕch t¸n cµng nhanh hå quang 
cµng nhanh bÞ t¾t. §Ó t¨ng qu¸ tr×nh khuÕch t¸n ng-
êi ta thêng t×m c¸ch kÐo dµi ngän löa hå quang. 
HỒ QUANG ĐIỆN 
 MỘT CHIỀU 
HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU 
Víi U0 lµ ®iÖn ¸p 
nguån , m¹ch cã ®iÖn trë 
R, m¹ch cã ®iÖn c¶m 
m¹ch L vµ rhq ®Æc trng 
cho ®iÖn trë hå quang 
víi ®iÖn ¸p hå quang lµ 
uhq trªn c¸c cÆp tiÕp 
®iÓm khi ta ®ãng hoÆc 
ng¾t. 
L 
R 
+ - 
i 
rth 
H×nh : Hå quang ®iÖn m¹ch mét chiÒu 
U0 
HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU 
Theo ®Þnh luËt KiÕchèp II, ta cã ph¬ng tr×nh c©n 
b»ng ®iÖn ¸p trong m¹ch khi më tiÕp ®iÓm vµ hå 
quang b¾t ®Çu ch¸y nh sau : 
Víi UR : lµ ®iÖn ¸p r¬i trªn ®iÖn trë. 
Víi Uhq : lµ ®iÖn ¸p trªn hå quang. 
HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU 
Khi hå quang ch¸y æn ®Þnh th× dßng ®iÖn kh«ng ®æi. 
Do ®ã ph¬ng tr×nh c©n b»ng ¸p sÏ lµ : 
HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU 
I[A] 
U[V] 
U0 
1 
2 3 
UR 
Uhq 
Ldi/dt>0 
Ldi/dt< 0 
Ldi/dt< 0 
B 
A 
IA IB 
ĐIỀU KIỆN DẬP TẮT HỒ QUANG ĐIỆN 
Âãø coï thãø dáûp tàõt âæåüc häö quang âiãûn mäüt 
chiãöu cáön loaûi boí âæåüc âiãøm häö quang chaïy äøn âënh 
(âiãøm B). 
Trãn âàûc tênh ta nháûn tháúy seî khäng coï âiãøm 
chaïy äøn âënh khi âæåìng âàûc tênh 3 (âiãûn aïp trãn häö 
quang) cao hån âæåìng âàûc tênh 2 nhæ hçnh (tæïc laì 
häö quang seî tàõt khi Uhq> U0- UR) 
ĐIỀU KIỆN DẬP TẮT HỒ QUANG ĐIỆN 
Âãø náng cao âæåìng âàûc tênh 3 thæåìng thæûc hiãûn 
hai biãûn phaïp laì tàng âäü daìi häö quang(tàng l) vaì 
giaím nhiãût âäü vuìng häö quang xuäúng, âàûc tênh nhæ 
hçnh. 
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 càõt maûch âiãûn mäüt chiãöu thæåìng xaíy ra quaï âiãûn 
aïp, khi åí maûch coï âiãûn caím låïn nãúu täúc âäü càõt caìng nhanh 
thç quaï âiãûn aïp caìng låïn. 
Nãúu taûi thåìi âiãøm càõt coï I= 0 thç : 
Hay ta coï : 
QÚA ĐIỆN ÁP HQĐ MỘT CHIỀU 
 laì trë säú quaï âiãûn aïp xoay chiãöu. 
Trong maûch mäüt chiãöu laìm viãûc våïi cäng suáút 
låïn laûi coï nhiãöu voìng dáy khi dáûp häö quang âiãûn 
quaï âiãûn aïp seî xaíy ra ráút låïn coï thãø gáy âaïnh thuíng 
caïch âiãûn vaì hæ hoíng thiãút bë. 
Âãø haûn chãú hiãûn tæåüng quaï âiãûn aïp ngæåìi ta 
thæåìng duìng thãm mäüt maûch âiãûn phuû màõc song 
song våïi phuû taíi. Maûch naìy coï thãø laì âiãûn tråí, âiãûn 
tråí vaì tuû näúi tiãúp hoàûc mäüt chènh læu màõc ngæåüc 
QÚA ĐIỆN ÁP HQĐ MỘT CHIỀU 
Zt (R,L) 
R 
Zt (R,L) 
R C 
Zt (R,L) 
D 
HỒ QUANG ĐIỆN 
 XOAY CHIỀU 
KHÁI NIỆM CHUNG 
 ÅÍ häö quang âiãûn xoay chiãöu, doìng âiãûn vaì 
âiãûn aïp nguäön biãún thiãn tuáön hoaìn theo táön säú 
læåïi âiãûn. 
 Vç häö quang laì âiãûn tråí phi tuyãún nãn doìng 
âiãûn vaì âiãûn aïp cuía hoì quang truìng pha nhau. 
 Taûi thåìi âiãøm doìng âiãûn âi qua âiãøm 0, häö 
quang khäng âæåüc cáúp nàng læåüng nãn quaï trçnh 
phaín ion xaíy ra åí vuìng âiãûn cæûc ráút maûnh vaì nãúu 
âiãûn aïp âàût lãn 2 âiãûn cæûc beï hån trë säú âiãûn aïp 
chaïy thç HQ seî tàõt hàón. 
KHÁI NIỆM CHUNG 
 Khi häö quang 
âiãûn xoay chiãöu 
âang chaïy ta âæa 
doìng âiãûn vaì âiãûn 
aïp cuía häö quang 
vaìo dao âäüng kê ta 
seî âæåüc daûng soïng 
cuía doìng âiãûn vaì 
âiãûn aïp häö quang 
nhæ hçnh 
i(t ) 
1 
2 
Uch 
Ut 
U[V] 
t 
KHÁI NIỆM CHUNG 
 Trong 1/4 chu kyì âáöu, âiãûn aïp HQ tàng 
nhanh âãún tri säú Uch (theo âiãûn aïp nguäön). Khi 
HQ chaïy, âiãûn aïp giaím dáön. 
 Doìng âiãûn tàng tæì 0 âãún âiãøm chaïy, doìng 
tàng maûnh vaì khi t = T/4, doìng âiãûn âaût trë säú cæûc 
âaûi vaì âiãûn aïp HQ gáön nhæ khäng âäøi. 
 ÅÍ 1/4 chu kyì tiãúp theo, doìng âiãûn giaím dáön, 
âãún thåìi âiãøm tàõt, âiãûn aïp HQ tàng sau âoï suy 
giaím vãö 0 vaì doìng âiãûn tråí vãö 0. 
KHÁI NIỆM CHUNG 
 Tæì daûng soïng 
thu âæåüc trãn maìn 
hçnh dao âäüng kê 
ta xáy dæûng âæåüc 
âàûc tênh Vän -Am 
pe (V-A) cuía häö 
quang âiãûn xoay 
chiãöu nhæ hçnh 
I 
U 
Uch 
Ut 
KHÁI NIỆM CHUNG 
 Ta nháûn tháúy trong maûch coï phuû taíi âiãûn tråí 
thuáön dãù dáûp häö quang hån trong maûch coï taíi âiãûn 
caím. 
 Båíi åí maûch thuáön tråí khi doìng âiãûn qua trë säú 
khäng (thåìi gian i=0 thæûc tãú keïo daìi khoaíng 0,1) 
thç âiãûn aïp nguäön cuîng bàòng khäng (truìng pha). 
 Coìn åí maûch thuáön caím khi doìng bàòng khäng 
thç âiãûn aïp nguäön âang coï giaï trë cæûc âaûi (âiãûn aïp 
væåüt træåïc doìng âiãûn mäüt goïc 900). 
DẬP TẮT HQĐ XOAY CHIỀU 
 Häö quang âiãûn xoay chiãöu khi doìng âiãûn qua trë 
säú 0 thç khäng âæåüc cung cáúp nàng læåüng. Mäi træåìng 
häö quang máút dáön tênh dáùn âiãûn vaì tråí thaình caïch âiãûn. 
Nãúu âäü caïch âiãûn naìy âuí låïn vaì âiãûn aïp nguäön 
khäng âuí duy trç phoïng âiãûn laûi thç häö quang seî tàõt hàón. 
Âãø âaïnh giaï mæïc âäü caïch âiãûn cuía âiãûn mäi vuìng 
häö quang laì låïn hay beï ngæåìi ta duìng khaïi niãûm âiãûn 
aïp choüc thuíng. Âiãûn aïp choüc thuíng ( Uch.t ) caìng låïn thç 
mæïc âäü caïch âiãûn cuía âiãûn mäi caìng cao. 
DẬP TẮT HQĐ XOAY CHIỀU 
 Quaï trçnh dáûp tàõt häö quang âiãûn xoay chiãöu 
khäng nhæîng tuìy thuäüc vaìo tæång quan giæîa âäü låïn 
cuía âiãûn aïp choüc thuíng våïi âäü låïn cuía âiãûn aïp häö 
quang maì coìn phuû thuäüc tæång quan giæîa täúc âäü 
tàng cuía chuïng. 
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 thåìi gian ngàõn phaíi dáûp tàõt âæåüc häö 
quang, haûn chãú phaûm vi chaïy häö quang laì nhoí nháút. 
 Täúc âäü âoïng måí tiãúp âiãøm phaíi låïn. 
 Nàng læåüng häö quang sinh ra phaíi beï, âiãûn tråí 
häö quang phaíi tàng nhanh. 
 Traïnh hiãûn tæåüng quaï âiãûn aïp khi dáûp häö quang. 
CÁC NGUYÊN TẮC DẬP HQ 
 Keïo daìi ngoün læía häö quang. 
 Duìng nàng læåüng häö quang sinh ra âãø tæû dáûp. 
 Duìng nàng læåüng nguäön ngoaìi âãø dáûp. 
 Chia häö quang thaình nhiãöu pháön ngàõn âãø dáûp. 
 Màõc thãm âiãûn tråí song song âãø dáûp. 
DẬP HQ TRONG THIẾT BỊ HẠ ÁP 
 Keïo daìi häö quang âiãûn bàòng cå khê 
 Duìng cuäün dáy thäøi tæì kãút håüp buäöng dáûp häö 
quang 
 Duìng buäöng dáûp häö quang coï khe håí quanh co 
 Phán chia häö quang ra laìm nhiãöu âoaûn ngàõn 
 Tàng täúc âäü chuyãøn âäüng cuía tiãúp âiãøm âäüng 
 Kãút cáúu tiãúp âiãøm kiãøu bàõc cáöu 
DẬP HQ TRONG THIẾT BỊ HẠ CAO ÁP 
 Dáûp häö quang trong dáöu biãún aïp kãút håüp phán 
chia häö quang 
 Dáûp häö quang bàòng khê neïn 
 Dáûp häö quang bàòng caïch duìng váût liãûu tæû 
sinh khê 
 Dáûp häö quang trong chán khäng 
 Dáûp häö quang trong khê aïp suáút cao