Hồ Quang Điện

Quá trình phóng điện tự lực xảy ra trong chất khí ở áp suất thường hoặc áp suất thấp giữa hai điện cực có hiệu điện thế không lớn.

Hồ quang điện thực sự có ích khi được sử dụng trong các lĩnh vực như hàn điện, luyện thép,… nhưng đối với các thiết bị điện (cầu chì, cầu dao, máy cắt, trạm biến áp,…) thì nó lại là yếu tố có hại cần phải nhanh chóng loại trừ.

Khi thiết bị điện đóng, cắt (đặc biệt là khi cắt); hồ quang phát sinh giữa các cặp tiếp điểm của thiết bị điện khiến mạch điện không được ngắt dứt khoát. Hồ quang cháy lâu sau khi thiết bị điện đã đóng cắt sẽ làm hư hại các tiếp điểm và bản thân thiết bị điện.

Hiện tượng hồ quang bên trong tủ điện có thể xảy ra do một trong các nguyên nhân dưới đây:

Quá tải

Hiện tượng hồ quang có thể xảy ra trong một tủ điện khi mạch điện của tủ bị quá tải. Chỗ kết nối giữa thiết bị ngắt mạch và dây dẫn bên trong tủ điện sẽ bị quá nhiệt; làm cho lớp vỏ cách nhiệt bị hư hỏng. Nó có thể trở thành mối hại cho đường dây dẫn, các tiếp điểm bị trục trặc; làm cho thiết bị không còn đáng tin cậy và dễ bị hư hỏng.

Bộ phận ngắt mạch bị hư hỏng có thể không thực hiện đúng chức năng của nó khi dòng điện bị quá tải. Thay vì tự động ngắt mạch khi dòng điện bị quá tải, mạch điện bị hư hỏng có thể tiếp tục cho dòng điện chạy qua; dẫn đến hiện tượng quá nhiệt và có thể gây ra hồ quang.

Hiện tượng hồ quang điện bên trong tủ điện

Hiện tượng hồ quang điện bên trong tủ điện

Điều kiện môi trường

Điều kiện môi trường xung quanh tủ điện có thể ảnh hưởng đến sự hình thành và mức độ nghiêm trọng của hồ quang điện. Các vật liệu dễ cháy như xăng dầu, sơn pha loãng nên được đặt cách xa tủ điện.

Sử dụng quá nhiều cầu chì bên trong một tủ điện làm cho quá nhiều điện lượng chảy qua các mạch; làm nhiệt độ của dây dẫn tăng lên cao và hiện tượng hồ quang xảy ra. Một số dấu hiệu của hồ quang như vết cháy hoặc có mùi cháy gần tủ điện.

Khuyết tật của tủ điện

Những sai sót kết nối bên trong tủ điện cũng có thể là nguyên nhân gây ra hồ quang. Chúng sẽ trở thành những mối nguy hiểm tiềm ẩn và là một trong những tác nhân gây ra hồ quang. Các thiết bị và kết nối bên trong tủ điện cần được kiểm tra và thử nghiệm một cách nghiêm ngặt để tránh những thiệt hại có thể xảy ra.

Nguồn: 3ce.vn

Hồ quang điện có ích khi được sử dụng trong các lĩnh vực như hàn, luyện thép,. nhưng đối với các thiết bị điện thì nó lại là yếu tố có hại cần phải loại trừ

Vật liệu làm tiếp điểm
Để thỏa mãn tốt các điều kiện làm việc khác nhau của tiếp điểm thiết bị điện thì vật liệu làm tiếp điểm phải có được những yêu cầu cơ bản sau:
-Có độ dẫn điện cao(giảm Rtx và chính điện trở của tiếp điểm).
-Dẫn nhiệt tốt (giảm phát nóng cục bộ của những điểm tiếp xúc).
-Không bị oxy hóa (giảm Rtx để tăng độ ổn định của tiếp điểm).
-Có độ kết tinh và nóng chảy cao (giảm độ mài mòn về điện và giảm sự nóng chảy hàn dính tiếp điểm đồng thời tăng tuổi thọ tiếp điểm).
-Có độ bền cơ cao (giảm độ mài mòn cơ khí giữ nguyên dạng bề mặt tiếp xúc và tăng tuổi thọ của tiếp điểm).
-Có đủ độ dẻo (để giảm điện trở tiếp xúc).
-Dễ gia công khi chế tạo và giá thành rẻ.
Thực tế ít vật liệu nào đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu trên. Trong thiết kế sử dụng tùy từng điều kiện cụ thể mà trọng nhiều đến yêu cầu này hay yêu cầu khác. Những vật liệu thường dùng gồm:
1. Đồng kĩ thuật điện: đồng nguyên chất thu được bằng điện phân. Nó đáp ứng hầu hết các yêu cầu trên. Nhược điểm chính của đồng kĩ thuật điện là rất dễ bị oxit hóa.
2. Đồng cađimi: đồng kĩ thuật điện pha thêm cađimi có tính chất cơ cao chống mài mòn tốt, khả năng chịu được hồ quang tốt hơn đồng kĩ thuật điện thông thường.

3. Bạc: là vật liệu làm tiếp điểm rất tốt do có độ dẫn điện cao và có điện trở tiếp xúc ổn định. Nhược điểm chủ yếu là chịu hồ quang kém nên sử dụng bị hạn chế.
4. Đồng thau: hợp kim đồng với kẽm được sử dụng làm tiếp điểm dập hồ quang.
5. Các hợp kim đồng khác: hợp kim đồng với nhôm, đồng với mangan, đồng với niken, đồng với silic và các hợp kim đồng khác được sử dụng làm tiếp điểm, đồng thời làm lò xo ép (ví dụ tiếp điểm tĩnh của cầu chì). Những tiếp điểm như vậy khi bị đốt nóng dễ bị mất tính đàn hồi.
6. Thép có điện trở suất lớn: thép thường bị oxy hóa cao nhưng là vật liệu rẻ nên vẫn được sử dụng làm tiếp xúc cố định để dẫn dòng điện lớn, trong các thiết bị thép thường được mạ.
7. Nhôm: có độ dẫn điện cao, rẻ nhưng rất dễ bị oxy hóa làm tăng điện trở suất. Nhược điểm nữa là hàn nhôm rất phức tạp, độ bền cơ lại kém.
8. Vonfram và hợp kim vonfram: có độ mài mòn về điện tốt và chịu được hồ quang tốt nhưng có điện trở tiếp xúc rất lớn. Hợp kim vonfram với vàng sử dụng cho tiếp điểm có dòng nhỏ. Hợp kim với molipđen dùng làm tiếp điểm cho những thiết bị điện thường xuyên đóng mở, khi dòng điện lớn thì vonfram và hợp kim vonfram sử dụng để làm tiếp điểm dập hồ quang.
9. Vàng và platin: không bị oxy hóa do đó có điện trở tiếp xúc nhỏ và ổn định, được sử dụng làm tiếp điểm trong thiết bị điện hạ áp có dòng điện bé và quan trọng. Vàng nguyên chất và platin nguyên chất có độ bền cơ thấp nên thường được sử dụng dạng hợp kim với môlipđen hoặc với iriđi để tăng độ bền cơ.
10. Than và graphit: có điện trở tiếp xúc và điện trở suất lớn nhưng chịu được hồ quang rất tốt.
Thường dùng làm các tiếp điểm mà khi làm việc phải chịu tia lửa điện, đôi khi làm tiếp điểm dập hồ quamg.
1. Hợp kim gốm: hỗn hợp về mặt cơ học của hai vật liệu không nấu chảy mà thu được bằng phương pháp thiêu kết hỗn hợp bột hoặc bằng cách tẩm vật liệu này lên vật liệu kia. Thường vật liệu thứ nhất có tính chất kỹ thuật điện tốt, điện trở suất và điện trở tiếp xúc nhỏ, ít bị oxy hóa.Vật liệu thứ hai có tính chất cơ cao và chịu được hồ quang. Như vậy, chất lượng kim loại gốm là do tính chất của hỗn hợp quyết định. Kim loại gốm sử dụng rộng rãi nhất thường có gốc bạc như : bạc-niken, bạc- oxit cađimi, bạc- vonfram, bạc-môlipđen. Ngoài ra đôi khi người ta sử dụng kim loại gốm có gốc đồng như: đồng -vonfram, đồng – môlipđen, đồng cađimi làm tiếp điểm chính và tiếp điểm dập hồ quang.
Chú ý
+Với tiếp xúc cố định thường dùng vật liệu là đồng, nhôm, thép.
+Với tiếp xúc đóng/mở tùy theo dòng dẫn, nếu :

-Dòng điện bé dùng bạc, đồng, platin, vonfram, đôi khi vàng, môlipđen, niken.
-Dòng vừa đến lớn dùng đồng thau, kim loại hoặc hợp kim ít nóng chảy như vonfram, molipđen,…
-Dòng điện lớn thì thường dùng hợp kim gốm (sản phẩm hai kim loại ở dạng bột ép lại ơ ̉áp lực lớn, nhiệt độ cao. Hợp kim gốm rất cứng chịu được dòng lớn, khuyết điểm là độ dẫn điện kém, nên thường được chế tạo dạng tấm mỏng hàn trên bề mặt tiếp điểm của thiết bị).
Một số kết cấu tiếp điểm
1. Phân ra làm các loại theo cấu tạo
Tiếp xúc cố định có các dạng
-Nối hai thanh tiết diện chữ nhật.
-Nối hai thanh tiết diện tròn (thanh tròn nối với nhau thường trong các thiết bị điện như máy ngắt điện, máy biến dòng,…).
Loại tiếp xúc đóng mở và tiếp xúc trượt phân theo dòng điện
-Dòng bé : I 10 [mA].
-Dòng vừa: I 100 [A].
-Dòng lớn: I > 100 [A].
1. Tiếp điểm rơle
Thường dùng bạc, platin tán hàn gá vào tiếp điểm, kích thước tiếp điểm do dòng điện cho phép quyết định (theo bảng có trong các sổ tay thiết kế).
1. Tiếp điểm thiết bị điện khống chế
Các thiết bị như công tắc tơ, áptômát và thiết bị cao áp thường có dòng điện lớn. Thì những tiếp điểm chính mắc song song với tiếp điểm hồ quang khi tiếp điểm ở vị trí đóng dòng điện sẽ qua tiếp điểm chính (tiếp điểm) làm việc, khi mở hoặc bắt đầu đóng tiếp điểm hồ quang sẽ chịu hồ quang. Do đó bảo vệ được tiếp điểm làm việc.

+Hình ngón: dùng trong công tắc tơ, tiếp điểm động vừa trượt vừa lăn trên tiếp điểm tĩnh do vậy có thể tự làm bóc lớp oxit trên bề mặt tiếp xúc.
+Tiếp điểm bắc cầu: dùng trong rơle và công tắc tơ.
+Tiếp điểm đối diện: dùng ở máy ngắt điện áp cao.
+Tiếp điểm hoa huệ: gồm một cánh hình thang giống cánh hoa huệ hay chữ z, tiếp điểm động là một thanh dẫn tròn.
+Tiếp điểm vuốt má: tiếp điểm động kiểu sống dao có thể trượt giữa hai vuốt tròn (làm tiếp điểm tĩnh) lò xo và dây được nối chặt với vuốt.
+Tiếp điểm chổi: tiếp điểm động hình chổi gồm những lá đồng mỏng 0,1
¸0,2 mm xếp lại trượt lên sống dao tiếp điểm tĩnh. Để tăng lực ép trên tiếp điểm hình chổi thì thường có thêm bản đàn hồi. Loại này khi chổi bị cháy sẽ làm điện trở tăng nhanh do đó ít dùng làm tiếp điểm hồ quang.
c)Tiếp điểm kiểu cắm, d) Tiếp điểm kiểu đối diện, e) Tiếp điểm kiểu lưỡi, h) Tiếp điểm kiểu thủy ngân, g) Tiếp điểm kiểu vuốt má
+Tiếp điểm cắm: thường được dùng ở cầu dao, cầu chì, dao cách li,…áp lực lên tiếp điểm động khoảng P = (0,3
¸ 0.6) kg/cm2.

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. KAUAUThUKE[V]EKEthEAVùng KVùng thân Vùng Alhq[m]I Uhql50mm2000 2 4 6 8 10 12 50100150200 Nhưng trong các thiết bị điện như cầu chì, cầu dao, máy cắt,…hồquang lại có hại cần phải nhanh chóng được loại trừ.

Khi thiết bị điện đóng, cắt (đặc biệt là khi cắt) hồ quang phát sinh giữa các cặp tiếp điểm của thiết bị điện khiến mạch điện không được ngắt dứt khoát. Hồ quang cháy 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

Bản chất của hồ quang điện là hiện tượng phóng điện với mật độ dòng điện rất lớn (tới khoảng 104 đến 105 A/cm2), có nhiệt độ rất cao (tới khoảng 5000 ¸ 60000C) và điện áp rơi trên cực âm bé (chỉ khoảng 10 ¸20V) và thường kèm theo hiện tượng phát sáng. Sự phân bố của điện áp và cường độ điện trường dọc theo chiều dài hồ quang được biểu diễn trên hình 1-1a.

Dọc theo chiều dài hồ quang được chia làm ba vùng là: vùng xung quanh cực âm (cách cực âm khoảng 10-4 đến 10-5cm) vùng này tuy điện áp nhỏ chỉ 8 đến 10V nhưng khoảng cách cũng rất bé nên cường độ điện trường rất lớn cỡ 105 đến 106 V/cm. Còn vùng có chiều dài gần hết hồ quang là vùng thân, vùng này có cường độ điện trường chỉ khoảng  10 đến 50 V/cm.

Vùng còn lại còn được gọi là vùng cực dương có cường độ điện trường lớn hơn vùng thân nhưng các yếu tố xảy ra ở đây theo các lí thuyết hiện đại thì ít ảnh hưởng đến quá trình phát sinh và dập hồ quang nên không được đề cập. Đặc tính u(i) của hồ quang một chiều có thể biểu điễn theo công thức Kapzow có dạng:

hoquang-02

Với: a, b, c, d là các hằng số phụ thuộc vật liệu làm tiếp điểm và các yếu tố bên ngoài (ví dụ tiếp điểm đồng có a= 30; b=17; c=41; d=33). Có n là số mũ, phụ thuộc vào nhiệt độ vật liệu dương cực, theo thực nghiệm thường lấy n = 2,62.T.10-4, trong đó T là nhiệt độ của vật liệu dương cực.
Đặc tính u(i) với l là chiều dài hồ quang có dạng hypécbôn như hình 1-1b.

Quá trình phát sinh
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 dưới 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 xạ điện tư ̉ nhiệt; Quá trình tự phát xạ điện tư.̉
– Quá trình ion hóa do va chạm.
– Quá trình ion hóa do nhiệt .

Sự phát xạ điện tử nhiệt
Điện cực và tiếp điểm chế tạo từ kim loại, mà trong cấu trúc kim loại 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 mật độ dòng tăng rất lớn làm nóng các điện cực (nhất là ở cực âm nhiều e). Bị đốt nóng, động năng của các điện tử tăng nhanh đến khi công nhận được lớn hơn công thoát liên kết hạt nhân thì điện tử sẽ thoát ra khỏi bề mặt cực âm trở thành điện tử tự do. Quá trình này được gọi là phát xạ điện tử nhiệt.

Sự tự phát xạ điện tử
Khi tiếp điểm hay điện cực vừa mở ra lúc đầu khoảng cách còn rất bé dưới tác dụng của điện áp nguồn ngoài thì cường độ điện trường rất lớn, 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 một số điện tử có liên kết yếu với hạt nhân trong cấu trúc sẽ bị kéo bật ra khỏi bề mặt ca tốt trở thành các điện tử tự do, hiện tượng này gọi là tự phát xạ điện tử. Khi có điện tử tự phát xạ và phát xạ điện tử nhiệt năng lượng được giải phóng rất lớn làm nhiệt độ khu vực hồquang tăng cao và phát sáng, đặc biệt khi cắt mạch ở điện áp cao và có dòng tải lớn thì hồ quang cháy và phát sáng rất mãnh liệt.
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 dương 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 bắn phá các nguyên tử và phân tử khí sẽ làm bật ra các điện tử và các ion dương. Các phần tử mang điện này lại tiếp tục tham gia chuyển động và bắn phá tiếp 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, đó là quá trình ion hóa do va chạm.
Ion hóa do nhiệt

Do có các quá 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. Khi tham gia chuyển động cũng có một số phần tử gặp nhau sẽ kết hợp lại phân li thành các nguyên tử. Các nguyên tử khuếch tán vào môi trường xung quanh, gặp nhiệt độ thấp sẽ kết hợp lại thành phân tử, hiện tượng này gọi là hiện tượng phân li (phản ứng phân li thu nhiệt làm giảm nhiệt độ của hồ quang, tạo điều kiện cho khử ion). Còn lượng các ion hóa tăng lên do va chạm khi nhiệt độ tăng thì gọi đó là lượng ion hóa do nhiệt. Nhiệt độ để có hiện tượng ion hóa do nhiệt cao hơn nhiều so với nhiệt độ có hiện tượng phân li. Ví dụ không khí có nhiệt độ phân li khoảng 40000K còn nhiệt độ ion hóa khoảng 80000K.

Tóm lại, hồ quang điện phát sinh là do tác dụng của nhiệt độ cao và cường độ điện trường lớn sinh ra hiện tượng phát xạ điện tử nhiệt và tự phát xạ điện tử và tiếp theo là quá trình ion hóa do va chạm và ion hóa do nhiệt. Khi cường độ điện trường càng tăng (khi tăng điện áp nguồn), nhiệt độ càng cao và mật độ dòng càng lớn thì hồ quang cháy càng mãnh liệt. Quá trình có thoát năng lượng hạt nhân nên thường kèm theo hiện tượng phát sáng chói lòa. Nếu tăng áp lực lên môi trường hồ quang thì sẽ giảm được tốc độ chuyển động của các phần tử và do vậy hiện tượng ion hóa sẽ giảm.

Quá trình hồ quang tắt
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:
Hiện tượng tái hợp
Trong quá trình chuyển động các hạt mang điện là ion dương và điện tử gặp được các hạt tích điện khác dấu là điện tử hoặc ion dương để trở thành các hạt trung hòa (hoặc ít dương hơn). Trong lí thuyết đã chứng minh tốc độ tái hợp tỉ lệ nghịch với bình phương đường kính hồ quang, và nếu cho hồ quang tiếp xúc với điện môi 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 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. 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