Hồ quang điện

1. Tổng quan

1.1. Khái niệm

Hồ quang điện là 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. Trên thực tế nó là một dạng plasma tạo ra qua sự trao đổi điện tích liên tục. Nó thường đi kèm theo tỏa sáng và tỏa nhiệt mạnh.

Do đặc điểm phóng điện trên hồ quang cũng phải tuân thủ những nguyên tắc cơ bản của sự phóng điện về điều kiện điện áp và môi trường.

Hình 1. Hồ quang điện sinh ra khi hàn xì và hồ quang điện giữa hai đầu đinh với 3000 Volt.

1.2. Tính chất của hồ quang điện

Hồ quang điện có một số tính chất cơ bản như sau:

Hiện tượng phóng điện hồ quang hầu hết chỉ xảy ra khi dòng điện có trị số lớn.
Trung tâm hồ quang thường có nhiệt độ rất lớn, trong các khí cụ nhiệt độ có thể lên đến 6000 ÷ 80000 K.
Ở Cathode, mật độ dòng điện lớn, vào khoảng 104 ÷ 105 A/cm².
Thực tế, sụt áp ở Cathode không phụ thuộc vào dòng điện, và thường bằng 10 ÷ 20V.

1.3. Điều kiện tạo ra hồ quang điện

Có 2 điều kiện:

Làm cho hai điện cực nóng đỏ lên đến mức có thể phát hiện electron.
Tạo ra một điện trường đủ mạnh ở giữa hai điện cực để ion hoá không khí, tạo ra tia lửa điện, cường độ điện trường.

2. Đặc tính phóng điện trong chất khí

Phóng điện trong chất khí là toàn bộ các hiện tượng dẫn đến sự xuất hiện dòng điện xuyên qua khoảng cách khí dưới tác dụng của điện trường. Quan hệ giữa dòng và áp qua các giai đoạn phát triển phóng điện của một khoảng cách không khí giữa hai điện trường được biểu diễn như hình 2. Sự phóng điện trong không khí gồm các giai đoạn như sau:

Hình 2. Đặc tính phóng điện trong không khí.

Sự dẫn điện trong chất khí là sự phóng điện giữa các điện cực khi điện áp đạt tới một giá trị nhất định. Quan sát sự phóng điện giữa dòng điện phóng và điện áp giữa hai điện cực với một khoảng cách nhất định chúng ta thấy:

Ở đoạn OA: tương ứng với sự phóng điện duy trì do các hạt mang điện gây ra từ sự ion hoá tự nhiên, đoạn này dòng điện tăng tuyến tính với điện áp.
Đoạn AB: có sự phát sinh các ion hoá do sự va đập trong quá trình di chuyển của các ion. Dòng điện hầu như không tăng theo điện áp vì các hạt điện tích sinh ra từ hiện tượng ion hoá tự nhiên đều tái hợp tại điện cực.
Đoạn BC: tương ứng với sự phóng điện chọc thủng trong môi trường khí khi công suất nguồn đủ lớn, dòng điện đạt vài mA. Sự chọc thủng bây giờ là sự phóng điện lạnh.
Đoạn CD: tương ứng với sự tăng nhanh của dòng điện so với điện áp và phát sinh hiện tượng với sự phóng điện là các tia sáng như tia lửa, gọi là tia lửa điện. Tia lửa điện có mật độ dòng nhỏ, điện áp trên hai cực rất cao khoảng vài trăm Volt.
Tại điểm D: sự phóng điện mạnh khoảng 0,1A và điện áp sụt theo dòng điện phóng một cách nhanh chóng. Đó là quá trình hình thành sự phóng điện hồ quang (mật độ dòng điện lớn, điện áp nhỏ khoảng vài chục Votl).
Đoạn DE: tương ứng với hiện tương phóng tia lửa điện nếu công suất nguồn nhỏ và hồ quang chỉ thực sự phát sinh khi công suất nguồn và cường độ điện trường đủ lớn.

3. Quá trình hình thành và đặc điểm của hồ quang điện

3.1. Đối với tiếp điểm có dòng nhỏ

Ban đầu khoảng cách tiếp điểm rất bé, Do đó điện trường đặt lên điện cực rất cao. Nếu đạt E > 3.10⁷ V/m dẫn đến phát xạ electron tự do. Khi mật độ electron phát xạ lớn có thể phát sinh hồ quang từ sự phóng điện.

3.2. Đối với tiếp điểm có dòng lớn

Hình 3. Quá trình ion hoá do hồ quang sinh ra.

Lúc mở tiếp điểm lực ép tiếp điểm giảm. Tiết diện tiếp xúc thực tế nhỏ dần dẫn tới mật độ dòng điện tăng cao khoảng vài trăm A/mm². Sự phát nóng do mật độ cao làm kim loại tại điểm tiếp xúc chảy lỏng thành giọt. Khi các tiếp điểm tiếp tục rời xa nhau giọt chất lỏng bị kéo căng thành các cầu chất lỏng. Nhiệt độ tiếp xúc càng tăng cao dẫn đến chất lỏng kim loại bốc hơi và quá trình phát nóng rất nhanh gây nổ cùng sự ion hóa phát triển nhanh do điện trường lớn dẫn đến hình thành hồ quang. Quá trình này thường kéo theo sự mài mòn tiếp điểm.

3.3. Đặc điểm của hồ quang điện

Hồ quang điện là sự phóng điện mạnh và duy trì trong chất khí nó đạt giá trị dòng điện tương đối lớn và điện áp trên thân hồ quang tương đối nhỏ. Có thể nêu ra một số đặc điểm đặc biệt của hồ quang là:

Giữa hai điện cực hình thành luồng sáng chói loà và có phân biệt rõ ràng.
Nhiệt độ hồ quang rất cao 5.000 ÷ 50.000⁰K.
Mật độ dòng rất lớn từ 10 – 106 A/cm².

4. Hồ quang điện của dòng điện một chiều

4.1. Hồ quang điện một chiều

Với U₀là điện áp nguồn, mạch có điện trở R, mạch có điện cảm mạch L và r_hqđặc trưng cho điện trở hồ quang với điện áp hồ quang là u_hqtrên các cặp tiếp điểm khi ta đóng hoặc ngắt.

Hình 4. Hồ quang điện mạch một chiều.

Hình 5. Đặc tính hồ quang điện một chiều.

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 U_hq> U₀ – U_R).

4.2. Điều kiện dập tắt hồ quang điện

Để nâng cao đường đặc tính 3 thường thực hiện hai biện phâp là tăng độ dài hồ quang (tăng l) vă giảm nhiệt độ vùng hồ quang xuống, đặc tính như hình:

Hình 6. Tăng độ dài hồ quang (tăng l) vă giảm nhiệt độ vùng hồ quang xuống.

5. Hồ quang điện của dòng điện xoay chiều

5.1. Hồ quang điện xoay chiều

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 hồ quang sẽ tắt hẳn.

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.

Hình 7. Dạng sóng của dòng điện và điện áp hồ quang.

Từ dạng sóng thu được trên màn hình dao động kí ta xây dựng được đặc tính Volt – Ampè (V-A) của hồ quang điện xoay chiều.

Hình 8. Đặc tính Volt – Ampè (V-A) của hồ quang điện xoay chiều.

Tồn tại giới hạn điện áp mà ở đó hồ quang bật cháy xác định được gọi là U_ch. Nếu nguồn thấp hơn U_ch thì sự phóng điện hồ quang không thể xảy ra.
Đường đặc tính của hồ quang không tuyến tính, không đồng nhất ở hai chiều tăng giảm. Ở chiều giảm dòng qua hồ quang điện áp tăng trở lại, nhưng giới hạn điện áp giữa hai điện cực khi hồ quang tắt thấp hơn giới hạn cháy gọi là U_t.
Đặc tính hồ quang phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai điện cực, khi khoảng cách tăng đường đặc tính tăng cao tồn tại U_ch và U_t cao hơn.
Đặc tính hồ quang còn phụ thuôc đặc tính môi trường vật lý giữa hai điện cực, khi cường độ khử ion càng mạnh thì đường đặc tính càng nâng cao hơn.

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).

5.2. Dập tắt hồ quang điện 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 (U_ch.t) càng lớn thì mức độ cách điện của điện môi càng cao.

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.

Hình 9. Quá trình dập tắt hồ quang điện xoay chiều.

6. Tác hại của hồ quang điện và cách phòng ngừa

6.1. Tác hại

Hồ quang điện đem lại nhiều lợi ích tuy nhiên nó cũng có một số tác hại nhất định:

– Thứ nhất, ảnh hưởng đến các thiết bị điện:

Hiện tượng phóng hồ quang điện làm các thiết bị điện bị phá huỷ. Nguyên nhân là do sự thay đổi điện áp đột ngột, ngắn mạch hệ thống cục bộ. Cụ thể, các tiếp điểm động lực bị đánh mòn, hỏng hóc dưới nền nhiệt tăng cao.
Phải thay thế các thiết bị đóng cắt hằng năm, có thể với số lượng lớn sẽ gây khó khăn cho doanh nghiệp.

– Thứ hai, ảnh hưởng đến con người:

Phóng điện hồ quang có thể gây cháy nổ, hoả hoạn làm ảnh hưởng đến sức khoẻ và tính mạng con người.
Tia hồ quang có sức mạnh rất lớn. Nếu nhìn trực tiếp vào tia lửa hồ quang có thể làm cho các tế bào niêm mạc mắt bị chết, dẫn tới đau mắt hàn. Nếu không trang bị đồ bảo hộ trong quá trình hàn, có thể làm cho các tế bào bên ngoài da bị chết, làm bong da mặt.

Hình 10. Tác hại của hồ quang điện.

6.2. Cách phòng ngừa

Cải tiến, đưa ra những sản phẩm chất lượng để tuổi thọ thiết bị được nâng cao.
Tích hợp các module cảm biển cảnh báo hoạt động một cách độc lập trong các thiết bị đóng cắt, buồng dập hồ quang hạ thế.
Người lao động cần trang bị cho mình những thiết bị bảo hộ lao động phù hợp và kiến thức về an toàn lao động tốt nhất.

7. Biện pháp và trang bị dập hồ quang trong thiết bị điện

7.1. Các yêu cầu dập hồ quang

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.

7.2. Các nguyên tắc dập hồ quang

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.

7.3. Dập hồ quang trong thiết bị hạ áp

Kéo dài hồ quang điện bằng cơ khí.
Phân chia hồ quang ra làm nhiều đoạn ngắn.
Dùng cuộn dây thổi từ kết hợp buồng dập hồ quang.
Dùng buồng dập hồ quang có khe hở quanh co.
Tăng tốc độ chuyển động của tiếp điểm động.
Kết cấu tiếp điểm kiểu bắc cầu.

7.4. Dập hồ quang trong thiết bị cao áp

Dập hồ quang trong dầu biến áp kết hợp phân chia hồ quang.
Dập hồ quang bằng khí nén.
Dập hồ quang trong chân không.
Dập hồ quang trong khí áp suất cao.

8. Hiện tượng hồ quang điện được ứng dụng trong công nghệ Hàn

Hình 11. Hiện tượng hồ quang điện được ứng dụng trong công nghệ Hàn.

Hàn hồ quang điện là công nghệ hàn phổ biến nhất hiện nay để nối, không tháo rời các chi tiết bằng nguồn nhiệt dùng để hàn, nguồn nhiệt này là hồ quang điện.
Trong công nghệ hàn hồ quang điện, hồ quang tập trung trên một điểm của vật hàn, nhiệt lượng tương đối tập trung, vật hàn dễ dàng nóng chảy tức thì, nhiệt năng này không truyền ra rộng nên sự biến dạng của vật hàn không trầm trọng như hàn khí. Thao tác hàn hồ quang điện tương đối khó khăn, nhưng đối với nơi có điện thì khá thuận tiện và rẻ.
Hàn hồ quang điên hiện đang được phát triển rộng rãi và trong tương lai nó còn được áp dụng rộng rãi hơn phương pháp hàn khí.

CÂU HỎI

Hồ quang điện là gì? Quá trình phát sinh và dập tắt hồ quang điện xảy ra như thế nào? Ảnh hưởng của tính chất tải đến quá trình dập tắt hồ quang điện xoay chiều là gì?
Nêu bản chất và các đặc tính cơ bản của hồ quang điện. Nguyên nhân phát sinh và tắt của hồ quang trong các thiết bị điện.
Trình bày về hồ quang điện một chiều. Điều kiện và biện pháp cải thiện việc dập tắt hồ quang điện một chiều.
Đặc điểm của hồ quang điện xoay chiều và điều kiện dập tắt hồ quang điện xoay chiều. Ảnh hưởng của tính chất tải đến quá trình dập tắt hồ quang điện xoay chiều.
Vì sao dập tắt hồ quang điện xoay chiều lại dễ dàng hơn dập tắt hồ quang điện một chiều? Các trang bị dập tắt hồ quang điện trong khí cụ điện?