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

CHƯƠNG 1 HỒ QUANG ĐIỆN KHÁI NIỆM CHUNG B¶n chÊt cđa hå quang ®iƯn lµ hiƯn tỵng phãng ®iƯn trong chÊt khÝ víi mËt ®é dßng ®iƯn rÊt lín ( tíi kho¶ng 102 ®Õn 103 A/mm2) cã nhiƯt ®é rÊt cao (tíi kho¶ng 5000 ®Õn 60000C ) vµ th- êng kÌm theo hiƯn tỵng ph¸t s¸ng. KHÁI NIỆM CHUNG Hå quang ®iƯn cã Ých : Hå quang ®iƯn thùc sù cã Ých khi ®ỵc sư dơng trong c¸c lÜnh vùc nh hµn ®iƯn, luyƯn thÐp,...nh÷ng lĩc nµy hå quang cÇn ®ỵc duy tr× ch¸y ỉn ®Þnh. KHÁI NIỆM CHUNG Hå quang ®iƯn cã h¹i : Khi ®ãng c¾t c¸c thiÕt bÞ ®iƯn nh cont¾ct¬, cÇu dao, m¸y c¾t,...hå quang sÏ xuÊt hiƯn gi÷a c¸c cỈp tiÕp ®iĨm. Hå quang ch¸y nµy l©u sau khi thiÕt bÞ ®iƯn ®· ®ãng c¾t sÏ lµm h h¹i c¸c tiÕp ®iĨm vµ b¶n th©n thiÕt bÞ ®iƯn. Trong trêng hỵp nµy ®Ĩ ®¶m b¶o ®é lµm viƯc tin cËy cđa thiÕt bÞ ®iƯn 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 : §Ỉc tÝnh hå quang ®iƯn 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 ®iƯn ph¸t sinh lµ do m«i trêng gi÷a c¸c ®iƯn cùc (hoỈc gi÷a c¸c cỈp tiÕp ®iĨm) bÞ ion hãa (xuÊt hiƯn c¸c h¹t dÉn ®iƯn). Ion hãa cã thĨ x¶y ra b»ng c¸c con ®êng kh¸c nhau duíi t¸c dơng cđa ¸nh s¸ng, nhiƯt ®é, ®iƯn trêng m¹nh,.... Trong thùc tÕ qu¸ tr×nh ph¸t sinh hå quang ®iƯn cã nh÷ng d¹ng ion hãa sau: QUÁ TRÌNH PHÁT SINH HỒ QUANG Trong thùc tÕ qu¸ tr×nh ph¸t sinh hå quang ®iƯn cã nh÷ng d¹ng ion hãa sau :  Qu¸ tr×nh ph¸t x¹ ®iƯn tư nhiƯt ;  Qu¸ tr×nh tù ph¸t x¹ ®iƯn tư ;  Qu¸ tr×nh ion hãa do va ch¹m;  Qu¸ tr×nh ion hãa do nhiƯt . SỰ PHÁT XẠ ĐIỆN TỬ NHIỆT §iƯn cùc vµ tiÕp ®iĨm ®ỵc chÕ t¹o tõ kim lo¹i, mµ trong cÊu trĩc kim lo¹i lu«n lu«n tån t¹i c¸c ®iƯn tư tù do chuyĨn ®éng vỊ mäi híng trong quü ®¹o cđa cÊu trĩc h¹t nh©n nguyªn tư. Khi tiÕp ®iĨm b¾t ®Çu më ra lùc nÐn vµo tiÕp ®iĨm gi¶m dÇn khiÕn ®iƯn trë tiÕp xĩc t¨ng lªn chç tiÕp xĩc, dßng ®iƯn bÞ th¾t l¹i dÉn ®Õn mËt ®é dßng ®iƯn t¨ng rÊt lín lµm nãng c¸c ®iƯn cùc (nhÊt lµ ë cùc ©m cã nhiỊu electron). SỰ PHÁT XẠ ĐIỆN TỬ NHIỆT Khi bÞ ®èt nãng, ®éng n¨ng cđa c¸c ®iƯn tư t¨ng nhanh ®Õn khi n¨ng lỵng nhËn W®n ®ỵc lín h¬n c«ng tho¸t At liªn kÕt h¹t nh©n th× ®iƯn tư sÏ tho¸t ra khái bỊ mỈt cùc ©m trë thµnh ®iƯn tù do. Qu¸ tr×nh nµy phơ thuéc vµo nhiƯt ®é ®iƯn cùc, vËt liƯu lµm ®iƯn cùc . SỰ PHÁT XẠ ĐIỆN TỬ Khi tiÕp ®iĨm hay ®iƯn cùc võa më ra lĩc ®Çu kho¶ng c¸ch cßn rÊt bÐ. NÕu cã mét ®iƯn trêng ®đ lín ®Ỉt lªn ®iƯn cùc (nhÊt lµ vïng cùc ©m cã kho¶ng c¸ch nhá cã thĨ tíi hµng triƯu V/cm), víi cêng ®é ®iƯn trêng lín ë cùc ©m c¸c ®iƯn tư tù do ®ỵc cung cÊp thªm n¨ng lỵng sÏ bÞ kÐo bËt ra khái bỊ mỈt catèt ®Ĩ trë thµnh c¸c ®iƯn tư tù do. Qu¸ tr×nh nµy phơ thuéc vµo cêng ®é ®iƯn tr- êng E vµ vËt liƯu lµm ®iƯn cùc. ION HĨA DO VA CHẠM Sau khi tiÕp ®iĨm më ra, díi t¸c dơng cđa nhiƯt ®é cao hoỈc cđa ®iƯn trêng lín (mµ th«ng thêng lµ c¶ hai) th× c¸c ®iƯn tư tù do sÏ ph¸t sinh chuyĨn ®éng tõ cùc d¬ng sang cùc ©m. Do ®iƯn trêng rÊt lín nªn c¸c ®iƯn tư chuyĨn ®éng víi tèc ®é rÊt cao. Trªn ®êng ®i c¸c ®iƯn tư nµy va ch¹m víi c¸c nguyªn tư vµ ph©n tư khÝ sÏ lµm bËt ra c¸c ®iƯn tư vµ c¸c ion d¬ng. ION HĨA DO VA CHẠM C¸c phÇn tư mang ®iƯn nµy l¹i tiÕp tơc tham gia chuyĨn ®éng vµ va ch¹m ®Ĩ lµm xuÊt hiƯn c¸c phÇn tư mang ®iƯn kh¸c. Do vËy mµ sè lỵng c¸c phÇn tư mang ®iƯn t¨ng lªn kh«ng ngõng, lµm mËt ®é ®iƯn tÝch trong kho¶ng kh«ng gian gi÷a c¸c tiÕp ®iĨm rÊt lín. Qu¸ tr×nh nµy phơ thuéc vµo cêng ®é ®iƯn trêng, mËt ®é c¸c phÇn tư trong vïng ®iƯn cùc, lùc liªn kÕt ph©n tư, khèi lỵng cđa ph©n tư ... ION HĨA DO NHIỆT Do cã c¸c qĩa tr×nh ph¸t x¹ ®iƯn tư vµ ion hãa do va ch¹m, mét lỵng lín n¨ng lỵng ®ỵc gi¶i phãng lµm nhiƯt ®é vïng hå quang t¨ng cao vµ thêng kÌm theo hiƯn tỵng ph¸t s¸ng. NhiƯt ®é khÝ cµng t¨ng th× tèc ®é chuyĨn ®éng cđa c¸c phÇn tư khÝ cµng t¨ng vµ sè lÇn va ch¹m do ®ã cịng cµng t¨ng lªn. Do va ch¹m, mét sè ph©n tư khÝ sÏ ph©n li thµnh c¸c nguyªn tư. Cßn lỵng c¸c ion hãa t¨ng lªn do va ch¹m khi nhiƯt ®é t¨ng th× gäi ®ã lµ lỵng ion hãa do nhiƯt. QUÁ TRÌNH DẬP TẮT HỒ QUANG Hå quang ®iƯn sÏ bÞ dËp t¾t khi m«i trêng gi÷a c¸c ®iƯn cùc kh«ng cßn dÉn ®iƯn hay nãi c¸ch kh¸c hå quang ®iƯn 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 hiƯn tỵng sau: 1. HiƯn tỵng t¸i hỵp 2. HiƯn tỵng khuÕch t¸n HIỆN TƯỢNG TÁI HỢP Trong qu¸ tr×nh chuyĨn ®éng c¸c h¹t mang ®iƯn tr¸i dÊu va ch¹m nhau, t¹o thµnh c¸c h¹t trung hßa. Trong lÝ thuyÕt ®· chøng minh tèc ®é t¸i hỵp :  TØ lƯ nghÞch víi b×nh ph¬ng ®êng kÝnh HQ  Hå quang tiÕp xĩc víi m«I trêng ®iƯn m«i th× hiƯn tỵng t¸i hỵp sÏ t¨ng lªn.  NhiƯt ®é hå quang cµng thÊp tèc ®é t¸i hỵp cµng t¨ng. HIỆN TƯỢNG KHUẾCH TÁN HiƯn tỵng c¸c h¹t tÝch ®iƯn di chuyĨn tõ vïng cã mËt ®é ®iƯn tÝch cao (vïng hå quang) ra vïng xung quanh cã mËt ®é ®iƯn tÝch thÊp, lµm gi¶m sè l- ỵng ion trong vïng hå qung gäi lµ hiƯn tỵng khuÕch t¸n. C¸c ®iƯn tư vµ ion d¬ng khuÕch t¸n däc theo th©n hå quang, ®iƯn tư khuÕch t¸n nhanh h¬n ion d- ¬ng. HIỆN TƯỢNG KHUẾCH TÁN Qu¸ tr×nh khuÕch t¸n ®Ỉc trng b»ng tèc ®é khuÕch t¸n. Sù khuÕch t¸n cµng nhanh hå quang cµng nhanh bÞ t¾t. §Ĩ t¨ng qu¸ tr×nh khuÕch t¸n ng- êi ta thêng t×m c¸ch kÐo dµi ngän lưa hå quang. HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU Víi U0 lµ ®iƯn ¸p nguån , m¹ch cã ®iƯn trë R, m¹ch cã ®iƯn c¶m m¹ch L vµ rhq ®Ỉc trng cho ®iƯn trë hå quang víi ®iƯn ¸p hå quang lµ uhq trªn c¸c cỈp tiÕp ®iĨm khi ta ®ãng hoỈc ng¾t. L R + - i rth H×nh : Hå quang ®iƯn m¹ch mét chiỊu U0 HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU Theo ®Þnh luËt KiÕchèp II, ta cã ph¬ng tr×nh c©n b»ng ®iƯn ¸p trong m¹ch khi më tiÕp ®iĨm vµ hå quang b¾t ®Çu ch¸y nh sau : Víi UR : lµ ®iƯn ¸p r¬i trªn ®iƯn trë. Víi Uhq : lµ ®iƯn ¸p trªn hå quang. HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU Khi hå quang ch¸y ỉn ®Þnh th× dßng ®iƯn kh«ng ®ỉi. 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 cọ thãø dáûp tàõt âỉåüc häư quang âiãûn mäüt chiãưu cáưn loải boí âỉåüc âiãøm häư quang chạy äøn âënh (âiãøm B). Trãn âàûc tênh ta nháûn tháúy seỵ khäng cọ âiãøm chạy äøn âënh khi âỉåìng âàûc tênh 3 (âiãûn ạp trãn häư quang) cao hån âỉåìng âàûc tênh 2 nhỉ hçnh (tỉïc laì häư quang seỵ tàõt khi Uhq> U0- UR) ĐIỀU KIỆN DẬP TẮT HỒ QUANG ĐIỆN Âãø náng cao âỉåìng âàûc tênh 3 thỉåìng thỉûc hiãûn hai biãûn phạp laì tàng âäü daìi häư quang(tàng l) vaì giaím nhiãût âäü vuìng häư quang xuäúng, âàûc tênh nhỉ 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 mảch âiãûn mäüt chiãưu thỉåìng xaíy ra quạ âiãûn ạp, khi åí mảch cọ âiãûn caím låïn nãúu täúc âäü càõt caìng nhanh thç quạ âiãûn ạp caìng låïn. Nãúu tải thåìi âiãøm càõt cọ I= 0 thç : Hay ta cọ : QÚA ĐIỆN ÁP HQĐ MỘT CHIỀU laì trë säú quạ âiãûn ạp xoay chiãưu. Trong mảch mäüt chiãưu laìm viãûc våïi cäng suáút låïn lải cọ nhiãưu voìng dáy khi dáûp häư quang âiãûn quạ âiãûn ạp seỵ xaíy ra ráút låïn cọ thãø gáy âạnh thuíng cạch âiãûn vaì hỉ hoíng thiãút bë. Âãø hản chãú hiãûn tỉåüng quạ âiãûn ạp ngỉåìi ta thỉåìng duìng thãm mäüt mảch âiãûn phủ màõc song song våïi phủ taíi. Mảch naìy cọ thãø laì âiãûn tråí, âiãûn tråí vaì tủ näúi tiãúp hồûc mäüt chènh lỉu màõc ngỉåüc 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 häư quang âiãûn xoay chiãưu, doìng âiãûn vaì âiãûn ạp nguäưn biãún thiãn tuáưn hoaìn theo táưn säú lỉåïi âiãûn. Vç häư quang laì âiãûn tråí phi tuyãún nãn doìng âiãûn vaì âiãûn ạp cuía hoì quang truìng pha nhau. Tải thåìi âiãøm doìng âiãûn âi qua âiãøm 0, häư quang khäng âỉåüc cáúp nàng lỉåüng nãn quạ trçnh phaín ion xaíy ra åí vuìng âiãûn cỉûc ráút mảnh vaì nãúu âiãûn ạp âàût lãn 2 âiãûn cỉûc bẹ hån trë säú âiãûn ạp chạy thç HQ seỵ tàõt hàĩn. KHÁI NIỆM CHUNG Khi häư quang âiãûn xoay chiãưu âang chạy ta âỉa doìng âiãûn vaì âiãûn ạp cuía häư quang vaìo dao âäüng kê ta seỵ âỉåüc dảng sọng cuía doìng âiãûn vaì âiãûn ạp häư quang nhỉ hçnh i(t ) 1 2 Uch Ut U[V] t KHÁI NIỆM CHUNG Trong 1/4 chu kyì âáưu, âiãûn ạp HQ tàng nhanh âãún tri säú Uch (theo âiãûn ạp nguäưn). Khi HQ chạy, âiãûn ạp giaím dáưn. Doìng âiãûn tàng tỉì 0 âãún âiãøm chạy, doìng tàng mảnh vaì khi t = T/4, doìng âiãûn âảt trë säú cỉûc âải vaì âiãûn ạp HQ gáưn nhỉ khäng âäøi. ÅÍ 1/4 chu kyì tiãúp theo, doìng âiãûn giaím dáưn, âãún thåìi âiãøm tàõt, âiãûn ạp HQ tàng sau âọ suy giaím vãư 0 vaì doìng âiãûn tråí vãư 0. KHÁI NIỆM CHUNG Tỉì dảng sọng thu âỉåüc trãn maìn hçnh dao âäüng kê ta xáy dỉûng âỉåüc âàûc tênh Vän -Am pe (V-A) cuía häư quang âiãûn xoay chiãưu nhỉ hçnh I U Uch Ut KHÁI NIỆM CHUNG Ta nháûn tháúy trong mảch cọ phủ taíi âiãûn tråí thuáưn dãù dáûp häư quang hån trong mảch cọ taíi âiãûn caím. Båíi åí mảch thuáưn tråí khi doìng âiãûn qua trë säú khäng (thåìi gian i=0 thỉûc tãú kẹo daìi khoaíng 0,1) thç âiãûn ạp nguäưn cuỵng bàịng khäng (truìng pha). Coìn åí mảch thuáưn caím khi doìng bàịng khäng thç âiãûn ạp nguäưn âang cọ giạ trë cỉûc âải (âiãûn ạp vỉåüt trỉåïc doìng âiãûn mäüt gọc 900). DẬP TẮT HQĐ XOAY CHIỀU Häư quang âiãûn xoay chiãưu khi doìng âiãûn qua trë säú 0 thç khäng âỉåüc cung cáúp nàng lỉåüng. Mäi trỉåìng häư quang máút dáưn tênh dáùn âiãûn vaì tråí thaình cạch âiãûn. Nãúu âäü cạch âiãûn naìy âuí låïn vaì âiãûn ạp nguäưn khäng âuí duy trç phọng âiãûn lải thç häư quang seỵ tàõt hàĩn. Âãø âạnh giạ mỉïc âäü cạch âiãûn cuía âiãûn mäi vuìng häư quang laì låïn hay bẹ ngỉåìi ta duìng khại niãûm âiãûn ạp choüc thuíng. Âiãûn ạp choüc thuíng ( Uch.t ) caìng låïn thç mỉïc âäü cạch âiãûn cuía âiãûn mäi caìng cao. DẬP TẮT HQĐ XOAY CHIỀU Quạ trçnh dáûp tàõt häư quang âiãûn xoay chiãưu khäng nhỉỵng tuìy thuäüc vaìo tỉång quan giỉỵa âäü låïn cuía âiãûn ạp choüc thuíng våïi âäü låïn cuía âiãûn ạp häư quang maì coìn phủ thuäüc tỉång quan giỉỵa täúc âäü tàng cuía chụng. 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 âỉåüc häư quang, hản chãú phảm vi chạy häư quang laì nhoí nháút.  Täúc âäü âọng måí tiãúp âiãøm phaíi låïn.  Nàng lỉåüng häư quang sinh ra phaíi bẹ, âiãûn tråí häư quang phaíi tàng nhanh.  Trạnh hiãûn tỉåüng quạ âiãûn ạp khi dáûp häư quang. CÁC NGUYÊN TẮC DẬP HQ  Kẹo daìi ngoün lỉía häư quang.  Duìng nàng lỉåüng häư quang sinh ra âãø tỉû dáûp.  Duìng nàng lỉåüng nguäưn ngoaìi âãø dáûp.  Chia häư quang thaình nhiãưu pháưn ngàõn âãø dáûp.  Màõc thãm âiãûn tråí song song âãø dáûp. DẬP HQ TRONG THIẾT BỊ HẠ ÁP  Kẹo daìi häư quang âiãûn bàịng cå khê  Duìng cuäün dáy thäøi tỉì kãút håüp buäưng dáûp häư quang  Duìng buäưng dáûp häư quang cọ khe håí quanh co  Phán chia häư quang ra laìm nhiãưu âoản ngàõn  Tàng täúc âäü chuyãøn âäüng cuía tiãúp âiãøm âäüng  Kãút cáúu tiãúp âiãøm kiãøu bàõc cáưu DẬP HQ TRONG THIẾT BỊ HẠ CAO ÁP  Dáûp häư quang trong dáưu biãún ạp kãút håüp phán chia häư quang  Dáûp häư quang bàịng khê nẹn  Dáûp häư quang bàịng cạch duìng váût liãûu tỉû sinh khê  Dáûp häư quang trong chán khäng  Dáûp häư quang trong khê ạp suáút cao