Bài giảng Khí cụ điện: Chương 3 - TS. Nguyễn Văn Ánh

KHÍ CỤ ĐIỆN
TS.NGUYỄN VĂN ÁNH
BỘ MƠN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ, VIỆN ĐIỆN
C3 - 106, TEL. 3869 2511
EMAIL:


PHẦN I
LÝ THUYẾT CƠ SỞ


CHƯƠNG 3: HỒ QUANG ĐIỆN
1 – Khái Niệm Chung
2 – Phóng Điện Trong Chất Khí
3 - Phát Sinh Và Dập Tắt HQĐ
4 - Hồ Quang Điện Một Chiều
5 - Hồ Quang Điện Xoay Chiều
6 - Dập hồ quang trong KCĐ


1. Khái Niệm Chung


Hồ quang điện là q 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.




Hồ quang điện trong các khí cụ điện đóng cắt

2. Phóng Điện Trong Chất Khí
u

u
I

II

III

IV V

VI

i
800
A
600
400
200
i
V

0

•

Vùng I: Vùng phóng điện tối

•

Vùng III: Phóng điện vầng
quang bình thường

-5

-4

-3

-2

-1

2

3

10 10 10 10 10 1 10 10 10

•

Vùng II: Quá độ từ phóng điện
tối đến phóng điện vầng quang

•

Vùng IV: Phóng điện vầng

quang khơng bình thường


u

u
I

II

III

IV V

VI

i
800
A
600
400
200
i
V

0

-5

-4

-3

-2

-1

2

3

10 10 10 10 10 1 10 10 10

•

Vùng V: Quá độ từ phóng điện vầng quang đến phóng điện hồ
quang

•

Vùng VI: Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện trong chất khí với
mật độ dịng điện lớn, nhiệt độ hồ quang cao (6000K đến 180000K )
và kèm theo hiệu ứng ánh sáng


• Đặc tính hồ quang điện
C

Vùng catốt: chiều dài
ngắn khoảng 10-3mm

với điện áp UC cỡ
10V đến 20V.







A

U
UA

Ec

Uthq

Ethq

EA

UC
l

Vùng Anốt: có điện áp rơi thấp hơn, cỡ 5V đến 20V
với chiều dài là 10-2mm
Vùng thân hồ quang: có cường độ điện trường Ehq
hầu như không đổi, cỡ từ 1V/mm đến 20V/mm

3. Phát Sinh Và Dập Tắt HQĐ


Trong hồ quang điện, ln ln tồn tại song song
hai q trình ion hố và khử ion



Q trình ion hóa
Phát xạ nhiệt điện tử
Tự phát xạ điện tử
Do va chạm
Do nhiệt



Quá trình khử ion
Tái hợp
Khuếch tán


• Q trình ion hóa - Phát xạ điện tử
Nếu có một điện trường đủ mạnh đặt lên điện
cực, các điện tử tự do được cấp năng lượng và có
thể bứt ra khỏi điện cực
J AC  120. E 2 . e b/ E

JAC : mật độ dòng điện tự phát xạ điện tử sinh ra
E : là cường độ điện trường ở catốt .

b : là thông số phụ thuộc vào vật liệu làm catốt .


Q trình ion hóa - Phát xạ nhiệt điện tử
 Khi

nhiệt độ của catốt cao các điện tử tự do trong
điện cực có động năng lớn, có thể thốt ra khỏi bề
mặt kim loại tạo nên dòng điện trong chất khí đó
là hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử
JTe  120.T 2 . e b/T

JTe : mật độ dòng điện
T : là nhiệt độ tuyệt đối của catốt .
b : thông số phụ thuộc vào kim loại làm điện cực


Q trình ion hóa - Phát xạ do va chạm
 Dưới

tác dụng của điện trường với cường độ cao
(cỡ103V/mm ) các điện tử tự do chuyển động
với vận tốc lớn, đủ để bắn phá các phân tử trung
hoà, tạo nên các ion âm và ion dương mới, đó là
q trình ion hoá do va chạm


Q trình ion hóa - Phát xạ do nhiệt
 Khi nhiệt độ chất khí càng cao, chuyển động
nhiệt của nó lớn, dễ va chạm và tách thành các

ion, đó là q trình ion hố do nhiệt độ.


HQĐ phát sinh trong các KCĐ đóng cắt thế
nào?


Q trình phản ion hóa - tái hợp
 là hiện tượng các hạt mang điện trái dấu kết hợp
với nhau thành các hạt trung hồ, q trình này
phụ thuộc vào:
 Tỷ lệ nghịch với bình phương đường kính
HQĐ
 Bản chất môi trường xung quanh hồ quang
 Nhiệt độ hồ quang


Q trình phản ion hóa - khuếch tán
 là hiện tượng di chuyển các ion ở vùng có mật
độ cao sang vùng có mật độ thấp, thường để
tăng tốc độ khuếch tán người ta thường kéo dài
chiều dài thân hồ quang


4. Hồ Quang Điện Một Chiều
U 0  U R  U L  U hq  i.R  L

U0
I
R

di
 U hq
dt

U
(1)

U0
A

UR
L

L

(2'')

di
dt
B

Uhq

(3)

0

Uhq
a)

b)

(2')
(2)

I


U
(1)

U0
A

UR
(2'')

L di
dt
B
Uhq

(3)

(2')
(2)

I

0
b)

• Để dập tắt HQĐ 1 chiều: Phải nâng đặc tính (2)
như đường (2’’) để nó khơng cắt đặc tính tải.
Điều này có thể thực hiện bằng cách tăng chiều
dài HQĐ hay giảm nhiệt độ vùng hồ quang


U
(1)

U0
A

UR
(2'')

L di
dt
B
Uhq

(3)

(2')
(2)

I

0
b)

• Để dập tắt HQĐ 1 chiều: Phải nâng đặc tính (2)
như đường (2’’) để nó khơng cắt đặc tính tải.
Điều này có thể thực hiện bằng cách tăng chiều
dài HQĐ hay giảm nhiệt độ vùng hồ quang


5. Hồ Quang Điện Xoay Chiều
u

u, i

Cháy
Tắt

Uc
Ut

Uc
Ut
i

tk

ωt


 Quá trình phục hồi độ bền điện là quá trình khử

ion mãnh liệt khi dịng điện đi qua 0, và làm
khu vực hồ quang mất tính dẫn điện.


Đại lượng đặc trưng cho độ cách điện giữa hai
điện cực là điện áp chọc thủng Uct. Với i = 0 ta
có Uct0,vào khoảng 150V đến 250V ở mơi
trường khơng khí và hồ quang cháy tự nhiên.
Với thời gian tăng, Uct tăng tuyến tính.


 Để dập tắt HQĐ xoay chiều thì quá trình phục hồi
độ bền điện phải nằm cao hơn và không cắt đặc
tuyến của quá trình phụ hồi điện áp giữa hai tiếp
điểm.

U[V]
1
2
150250V

I[A]


6. Dập hồ quang trong KCĐ
• DẬP HQ TRONG THIẾT BỊ HẠ ÁP
 Kéo dài hồ quang
bằng cơ khí
 Phân chia hồ
quang ra làm nhiều

đoạn ngắn
 Sử dụng tiếp
điểm phụ
 Kết cấu tiếp điểm
kiểu bắc cầu

Buồng dập hồ quang

Tiếp điểm
hồ quang

Tiếp điểm chính

Dàn dập

Đường đi
hồ quang


•

THIẾT BỊ TRUNG CAO ÁP
Bình

Cách điện
Bong bóng khí

Tiếp điểm tĩnh
Dịng khí nén

Hồ quang
Dầu

Tiếp điểm động

Buồng khí


•

THIẾT BỊ TRUNG CAO ÁP

Khí SF6 thổi khi
dập hồ quang

Máy ở vị trí cắt