Khí cụ điện Chương 1: Lý thuyết chung

điện tử). Số điện tử càng nhiều, chuyển động dưới tác động của điện trường làm ion hoá không khí gây hồ quang. Đối với tiếp điểm có dòng điện lớn, quá trình phát sinh hồ quang phức tạp hơn. Lúc đầu mở tiếp điểm, lực ép giữa chúng bị giảm nên số điểm tiếp xúc để dòng điện đi qua sẽ giảm, mật độ dòng điện tăng rất đáng kể, có khi đến hàng chục nghìn . Do đó, tại các điểm đó, sự phát nóng sẽ tăng đến mức làm cho giữa các vật tiếp xúc xuất hiện giọt kim loại nóng chảy. Tiếp theo, khi các điểm tiếp xúc rời xa nhau, giọt kim loại cũng sẽ được kéo căng ra trở thành một cầu chất lỏng và nối liền hai tiếp điểm này. Nhiệt độ cầu chất lỏng tiếp tục tăng. Lúc đó, cầu chất lỏng bốc hơi và trong không gian giữa hai tiếp điểm xuất hiện hồ quang điện. Vì quá trình phát nóng của cầu thực hiện rất nhanh nên sự bốc hơi mang tính chất nổ. Khi cầu chất lỏng ngắt, kéo theo sự mài mòn tiếp điểm điều này rất quang trọng khi ngắt dòng điện quá lớn hay khi quá trình đóng mở xảy ra thường xuyên. Ở khu vực hồ quang, sự ion hoá có các hình thức sau: Các hạt mang điện bắn phá nhau. Dưới tác dụng của điện trường, các điện tử tự do chuyển động với tốc độ lớn bắn phá các nguyên tử chất khí ở khu vực hồ quang tạo ra điện tử mới. Nếu tăng áp lực chất khí ở khu vực hồ quang thì tốc độ điện tử giảm nên sự ion hoá cũng giảm. Nếu tăng điện áp ion hoá, thì sự ion hoá càng tăng; hồ quang dễ duy trì hơn. Phát xạ nhiệt điện tử ở bề mặt catốt. Sau một khoảng thời gian, các tiếp điểm rời xa nhau, cường độ điện trường giảm đi không đủ làm bật những điện tử từ catốt nữa. Nhưng mặt catốt lúc này đã rất lớn đủ năng lượng để cung cấp cho điện tử thắng KHÍ CỤ ĐIỆN CHƯƠNG 1 – LÝ THUYẾT CHUNG Trang 38 được công thoát của bề mặt kim loại và thoát khỏi bề mặt đó. Đó là phát xạ nhiệt điện tử. Điện tử sẽ chạy hướng anốt. Nhiệt độ càng lớn, điện tử càng nhiều và mật độ dòng điện càng lớn. Ion hoá do nhiệt độ cao ở gần tâm hồ quang. Như đã nêu ở phần trên, nhiệt độ giảm dần từ tâm hồ quang ra xa, nên ở gần tâm hồ quang nhiệt độ càng lớn, ion hoá càng mãnh liệt. 2.2 Quá trình dập tắt hồ quang Đó là quá trình phản ion hoá (khử ion) song song tồn tại với quá trình ion hoá. Phản ion hoá bao gồm: Hiện tượng tái hợp của hạt mang điện âm và dương thành những hạt trung hoà. Ở khu vực hồ quang, điện tử có tốc độ rất lớn so với ion dương nên điện tử không trực tiếp tái hợp với ion dương mà đến gặp các hạt trung hoà rồi sau đó mới tái hợp với ion dương. Tính toán và thực nghiệm cho thấy, tốc độ tái hợp tỷ lệ nghịch với bình phương đường kính hồ quang. Hiện tượng khuếch tán của hạt mang điện từ chỗ mật độ cao đến chỗ mật độ thấp, từ chỗ nóng đến chỗ nguội. Chứng minh bằng thực nghiệm và lý thuyết thấy tốc độ khuếch tán theo mật độ tỷ lệ nghịch với đường kính hồ quang và khi giảm bớt nhiệt độ của hồ quang cũng sẽ tăng cường quá trình phản ion hoá. Do nhiệt độ hồ quang giảm dần từ tâm ra xa nên các hạt mang điện tích sẽ khuếch tán từ tâm hồ quang ra xa. 3 HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU 4. HỒ QUANG ĐIỆN XOAY CHIỀU 5. CÁC BIỆN PHÁP DẬP TẮT Hồ QUANG Để dập hồ quang điện (tức là làm tăng quá trình phản ion), thường dùng các biện pháp sau: + Kéo dài hồ quang. + Phân đoạn hồ quang. + Thổi hồ quang bằng từ. + Thổi hồ quang và làm nguội hồ quang bằng dầu biến áp. + Thổi hồ quang bằng khí nén. + Cho hồ quang cháy trong môi trường đặc biệt. + Nối điện trở sun cho hồ quang. + Cho hồ quang tiếp xúc với bề mặt phản ion, ... 5.1 Kéo dài hồ quang bằng cơ khí Khi hồ quang bị kéo dài, thân hồ quang bị nhỏ lại và dài ra, tăng bề mặt tiếp xúc của hồ quang với môi trường. Vì vậy, hồ quang tỏa nhiệt và khuếch tán nhanh, làm tăng quá trình phản ion. Muốn kéo dài hồ quang, phải tăng khoảng cách giữa phần động và tĩnh của tiếp điểm. Biện pháp này chỉ áp dụng cho các thiết bị đóng cắt điện có dòng bé và điện áp thấp (đến ) như ở các rơle, các thiết bị điều khiển. KHÍ CỤ ĐIỆN CHƯƠNG 1 – LÝ THUYẾT CHUNG Trang 39 Với các thiết bị đóng cắt có dòng điện lớn hơn (cỡ vài chục Ampe trở lên) thì chiều dài tự do của thân hồ quang là khá lớn. Chẳng hạn: Với thiết bị hoạt động ở điện áp , dòng điện thì chiều dài hồ quang là . Và khi thì chiều dài tự do của hồ quang trong không khí đạt tới . Do đó, không thể tăng khoảng các tiếp điểm quá lớn vì sẽ tăng kích thước thiết bị lên rất nhiều. 5.2 Phân đoạn hồ quang Đây là phương pháp chia hồ quang ra nhiều đoạn. 5.3 Thổi hồ quang bằng từ Nguyên lý dập hồ quang này được dùng rộng rãi ở các thiết bị điện đóng cắt hạ áp cho mọi cỡ dòng điện, từ vài chục đến vài ngàn Ampe. 5.4 Dập tắt hồ quang trong dầu biến áp Ở các thiết bị đóng cắt điện áp cao, môi trường cháy của hồ quang là dầu biến áp. Dầu biến áp có độ bền điện cao, dẫn nhiệt tốt. Khi hồ quang cháy trong dầu, nhiệt lượng tỏa ra của hồ quang làm cho dầu ở khu vực hồ quang bị phân tích thành khí hơi có độ bền điện cao. Đây là khu vực khí hơi có áp suất cao, là môi trường thích hợp để thổi hồ quang. Tùy theo hướng thổi hồ quang, ta có thổi dọc và thổi ngang. Khi tiếp điểm động rời khỏi tiếp điểm tĩnh nhưng vẫn chưa mở lỗ thổi của buồng dập hồ quang, dầu bị hồ quang phân tích thành hỗn hợp khí hơi, tạo áp suất cao trong buồng dập. Khi tiếp điểm động chuyển động đến vị trí mở lỗ thổi, áp suất khí hơi trong buồng dập sẽ thổi hồ quang qua lỗ này làm hồ quang nhanh bị dập tắt. Sau đó, dầu biến áp lại tràn vào buồng dập. Nguyên lý này là nguyên lý tự thổi, và còn được áp dụng trong buồng dập hồ quang bằng vật liệu rắn tự sinh khí (thủy tinh hữu cơ, gỗ, phíp, ...) (Xem hình 4.10 trang 132) 5.5 Thổi hồ quang bằng khí nén Đây là phương pháp thổi cưỡng bức. Không khí sạch, khô được nén với áp suất cao có độ bền điện lớn. Khi thiết bị hoạt động đóng cắt phát sinh hồ quang, dùng khí nén này thổi vào hồ quang để dập tắt nó. Có các cách thổi: thổi ngang, thổi dọc và thổi hỗn hợp. (Xem hình 4.11 trang 132) Nhược điểm chính của phương pháp này là có thiết bị khí nén đi kèm nên rất cồng kềnh. 5.6 Dập hồ quang trong môi trường đặc biệt Dập hồ quang trong môi trường khí . là loại khí có độ bền điện cao gấp đến lần không khí ở áp suất bình thường và không độc. Ngoài ra, nó còn có tốc độ phục hồi, độ bền điện rất cao nên hồ quang nhanh chóng bị dập tắt. Với ưu điểm này nên đang dần thay thế các loại máy cắt điện áp cao, công suất lớn kinh điển loại dập hồ quang bằng dầu và khí nén. KHÍ CỤ ĐIỆN CHƯƠNG 1 – LÝ THUYẾT CHUNG Trang 40 Dập hồ quang trong chân không. Ở môi trường chân không, độ bền điện khá cao và khả năng ion hóa gần như không tồn tại; vì vậy, dập hồ quang trong chân không có nhiều ưu việt. Ví dụ, ở áp suất , điện áp đánh thủng là khoảng . Vì vậy, thiết bị có kích thước nhỏ, gọn. Một trong những ưu điểm của loại thiết bị này là không cần quan tâm đến vấn đề bảo dưỡng. Ngày nay, các máy cắt chân không có điện áp đến và dòng điện định mức cỡ hàng ngàn Ampe được sử dụng rộng rãi vì công nghệ tạo ra buồng chân không đã đạt đến mức hoàn hảo. 5.7 Nối điện trở song song với hồ quang Phương pháp này thường được dùng cho máy cắt điện áp cao, cắt một pha ở hai chỗ khác nhau hoặc trong tổ hợp máy cắt - dao cách ly. Rs ZT 1 2 U Hình 1.5. Nối điện trở song song để hạn chế hồ quang Nguyên lý được trình bày như hình 1.5.x. Hai tiếp điểm cắt nối tiếp nhau và nối tiếp với phụ tải , tiếp điểm 1 cắt trước, tiếp điểm 2 cắt sau. Do tiếp điểm 1 nối song song với điện trở sun nên khi 1 đã cắt, dòng điện hồ quang ở tiếp điểm 2 cắt, dòng cắt sẽ giảm đi nhiều (do lúc này dòng bị hạn chế thêm bởi điện trở nên dập hồ quang dễ hơn). Ngoài ra, khi có điện trở , tốc độ phục hồi điện áp trên tiếp điểm giảm và nếu chọn thích hợp thì có thể thay đổi quá trình phục hồi điện áp từ dao động trở thành không dao động, giảm được trị số cực đại của điện áp phục hồi, hạn chế khả năng cháy của lại của hồ quang. Để tăng khả năng dập hồ quang, thường kết hợp nhiều biện pháp dập hồ quang trong buồng dập hồ quang.