Bài giảng kỹ thuật điện - Chương 3 ppt

Page 1
1
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
2
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Những kiến thức cơ bản và các đặc tính
Trong vùng không gian giữa hai điện cực xảy ra 2 quá trình:
Hồquangđiệnlàtrườnghợpđặcbiệtcủaphóngđiệntrongchấtkhí
Catod (-)
Anod (+)
e
-
+
-
Quá trình ion Quá trình khử ion hóa
e
-
+
-
e
-
+
-
Page 2
3
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Sự ion hóa và khử ion hóa trong chất khí
Quá trình ion hóa chất khí
Ion hóa tự do
Sự phát xạ quang
Sự tự phát xạ electron

Sự phát xạ electron nhiệt
Ion hóa do va đập
Ion hóa do nhiệt độ
Quá trình khử ion trong chất khí
Sự kết hợp
Sự trung hòa
Sự khuyếch tán các phần tử mang điện
Ở một thời điểm bất kỳ, luôn tồn tại sự cân bằng động giữa hai quá trình trên
Ỉ nhờ đó đối với một chất khí cho trước ở điều kiện xác đònh, mật độ các
phần tử mang điện là không đổi, ứng với một giá trò dòng điện xác lập trong
chế độ ổn đònh
4
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Sự ion hóa
Ion hóa tự do
Trong không gian luôn có các phần tử mang điện, sinh ra do tác động của
các tia vũ trụ, của sự phóng xạ tự nhiên và của tia mặt trời Trong điều
kiện bình thường, mật độ của các phần tử này rất nhỏ, không đáng kể.
Sự phát xạ quang
Các tia ánh sáng chiếu lên một vài loại vật liệu làm tách các electron tự
do ra không gian xung quanh
Sự tự phát xạ electron do điện trường
Khi điện trường bên ngoài đặt lên các điện cực, các electron tự do trong các
điện cực nhận được động năng, khi động năng đủ lớn, một vài electron tự do
có thể vượt qua giới hạn màn chắn điện thế của vật liệu và bay ra không
gian xung quanh Ỉ sự tự phát xạ electron điện cực, chỉ xảy ra khi điện
trường bên ngoài đủ mạnh (> 3.10
7
V/m).
Page 3

5
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Sự ion hóa
Sự phát xạ electron nhiệt
Khikimloại(chấtrắn) bòđốtnóngtớinhiệtđộca sự tách các
electron có động năng đủ lớn (để vượt qua màn chắn điện thế của kim
loại) ra khỏi chúng.
Khi nhiệt độ tăng, cường độ phát xạ loại này cũng tăng lên.
Ion hóa do nhiệt độ
Chuyển động nhiệt hỗn loạn của các phần tử trong chất khí phụ
thuộc vào nhiệt độ, khi chúng va chạm với nhau Ỉ sự trao đổi năng
lượng Ỉ sự ion hóa: quá trình ion hóa nhiệt
Cường độ ion hóa nhiệt tăng lên khi nhiệt độ tăng và ngược lại.
6
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Sự ion hóa
V: độ bền điện của không khí
d: khoảng cách giữa 2 điện cực
p: áp suất
Ion hóa do va đập
Dưới tác động của điện trường, các điện tử tự do trong chất khí sẽ chuyển
động gia tốc ngược chiều điện trường Ỉ động năng tăng Ỉ khi va đập vào
các phần tử trung hò các hạt mang điện.
Cường độ ion hóa do va đập phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố:
- Độ lớn của điện trường
- Áp suất chất khí
Ỉ đường cong Paschen
- Nhiệt độ chất khí
Page 4
7

BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Sự khử ion hóa
Sự kết hợp
Các phần tử trái dấu hút nhau khi chúng va chạm nhau, điện tích của chúng bò
trung hò làm giảm số lượng các phần tử mang điện trong chất khí
Sự trung hòa
Khi các điện cực mang điện thế, các phần tử mang điện trong chất khí
không ngừng bò hút vào điện cực để sinh ra dòng điện chạy trong chất
khí. Ở điện cực, các phần tử mang điện trao (các electron, các ion âm) và
nhận (các ion dương) điện tích của mình và trở thành các phần tử trung
hòa.
Sự khuyếch tán các phần tử mang điện
Các phần tử của chất khí lan truyền từ nơi có mật độ cao sang nơi có mật độ
thấp Ỉ hiện tượng khuếch tán các hạt mang điện
8
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Đặc tính của sự phóng điện trong chất khí
i
U
Tùy thuộc vào giá trò của điện áp đặt trên điện cực (U) và dòng phóng điện
trong chất khí ta có:
- sự phóng điện duy trì (OB)
- phóng điện chọc thủng (BC)
- phóng điện lạnh (CD)
- phóng điện hồ quang (DE)
Page 5
9
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Đặc tính của sự phóng điện hồ quang
Phóng điện hồ quang xảy ra khi U>Uo, I>Io

Uo, Io phụ thuộc vào vật liệu điện cực
0,0318-22Than
0,4312,3Đồng
0,917Volfram
0,412Bạc
0,3815Vàng
0,917Platine
Io, AUo, VVật liệu
10
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Đặc tính của sự phóng điện hồ quang
Các tính chất cơ bản của phóng điện hồ quang:
1- Giữa hai điện cực hình thành luồng sáng chói lòa và bền vững, có thể
phân biệt các ranh giới rõ ràng.
Xuất hiện vệt sáng ở catod và anod
2- Mật độ dòng điện hồ quang rất lớn từ 100 đến 1000 A/mm
2
.
3- Nhiệt độ hồ quang rất cao, từ 5000 đến 10.000
0
K
Nguồn sản sinh ra các phần tử mang điện trong chất khí chủ yếu là do
Page 6
11
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Đặc tính của sự phóng điện hồ quang
Vệt cathode và anode
-Δl
c
, Δl

a
rất nhỏ khoảng 1 μm
-ΔU
C
, ΔU
A
=10 đến 20 V không phụ thuộc vào chiều dài hồ quang
- Nhiệt độ rất cao, nhất là ở cathode, có thể làm cho kim loại bò nóng chảy,
chủ yếu là do sự va đập giữa cathode và khối ion dương di chuyển về điện
cực này.
12
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Đặc tính của sự phóng điện hồ quang
Thân hồ quang
Δl
hq
≈l
hq
ΔU
hq
≈l
hq
.E
hq
điện trường
E
hq
không phụ thuộc vào chiều dài mà chỉ phụ thuộc vào quá trình
ion hóa và khử ion hóa trong chất khí, ví dụ:
- sự phóng điện hồ quang tự do trong không khí: E

hq
=2000-3000V/m
- sự phóng điện hồ quang trong buồng dập hồ quang: E
hq
=20000-30000V/m
↓quá trình ion hóa
Ỉ
E
hq
Page 7
13
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
=Δ +Δ +
hachqhq
UUUEl
i
U
h
l
hq
Δ≈Δ≈−
ac
U U 10 20 V
Các đặc tính của hồ quang điện
dc ac
UU
Δ
=Δ ≈
=Δ +
hachqhq

UUEl
=Δ +
hdchqhq
UUEl
E
E
hq
E
C
E
A
E
hq
l
hq
l
hq
14
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Các đặc tính của hồ quang điện
Đặc tính volt - ampere của hồ quang U
h
= f(I
h
)
Các đặc điểm:
- Tồn tại giới hạn để hồ quang bật cháy: U
c
U
c

=20-50V
U
h
I
h
U
t
U
c
- Đường đặc tính không đồng nhất ở chiều tăng
và giảm dòng điện I
h
do quán tính nhiệt trong
quá trình cháy hồ quang
U
t
<U
c
Page 8
15
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Các đặc tính của hồ quang điện
U
h
I
h
khi khoảng cách các điện cực càng lớn thì
đặc tính volt - ampere càng nằm cao hơn.
l
2

>l
1
i
l
Đặc tính volt - ampere sẽ nằm cao hơn khi:
- giảm cường độ ion hóa
- tăng cường độ khử ion hóa
bằng cách:
-
-
-
-
U
h
I
h
không khí
SF6
16
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Các đặc tính của hồ quang điện
Tăng số điện cực n
?
h
U =
U
h
I
h
n

Page 9
17
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Các đặc tính của hồ quang điện
Đặc tính volt - ampere động của hồ
quang điện xoay chiều
18
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Hồ quang điện một chiều
=+ +
h
di
UiRL u
dt
Phương trình cân bằng điện áp
Khi hồ quang cháy ổn đònh, dòng điện i không thay đổi
()−= =
hh
UiRui ir
=
→=
di
0iI
dt
I được xác đònh từ phương trình:
đườngđặctínhtải
đường đặc tính hồ quang
h
u
h

Page 10
19
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Hồ quang điện một chiều
()−= =
hh
UiRui ir
U
h
I
h
U
u
h
(i)
U-Ri
I
nm
I
B
A
đường đặc tính tải (
U – iR)
và
đường đặc tính hồ quang
u
h
cắt
nhau tại 2 điểm A và B
Điểm A là

Điểm B là
20
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
∀
<
i
di
L0
dt
Hồ quang bò dập tắt khi:
Hồ quang điện một chiều
Nghóa là đường đặc tính hồ quang u
h
nằm trên và không cắt đường đặc
tính tải (U – iR)
Khi đường đặc tính hồ quang u
h
tiếp xúc
với đường đặc tính tải (U – iR): chế độ
U
h
I
h
U
U-Ri
u
h
(i)
U
h

I
h
U
U-R
th
i
u
h
(i)
I
th
Page 11
21
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Hồ quang điện một chiều
Dập tắt hồ quang điện bằng cách:
R: R=R
th
= tgα
th
U
h
I
h
U
u
h
(i)
U-Ri
U-R

th
i
I
th
α
th
22
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Hồ quang điện một chiều
Dập tắt hồ quang điện bằng cách:
U: U=U
th
U
h
I
h
U
u
h
(i)
U-Ri
U
th
-Ri
U
th
Page 12
23
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Hồ quang điện một chiều

Dập tắt hồ quang điện bằng cách:
________ đường đặc tính hồ quang
u
h
(i)
U
h
I
h
U
U-Ri
u
h
(i)
l
hq
=l
th
E
hq
:làm mát hồ quang
U
ac
24
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Hồ quang điện một chiều
Quá điện áp khi dập tắt hồ quang điện DC
Δ= −=− >
o
di

UU U L 0
dt
Khi hồ quang tắt, dòng điện trong mạch điện giảm xuống giá trò zéro, khi đó
điện áp giữa 2 điện cực có xu hướng tăng lên đến giá trò của điện áp nguồn:
quá trình phục hồi điện áp
Tại thời điểm khi iỈ 0
=+ +
h
di
UiRL u
dt
h
U
o
ΔU: quá điện áp
h
u
h
Page 13
25
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Δ= −=− >
o
di
UU U L 0
dt
Hồ quang điện một chiều
Quá điện áp sinh ra do năng lượng điện từ dự trữ trong mạch điện.
Giá trò của quá điện áp được xác đònh bởi thành phần tự cảm
L

trong mạch điện
và tốc độ suy giảm của dòng điện.
Quá điện áp có thể đạt giá trò rất lớn và có thể chọc thủng cách điện của các
thiết bò trong mạch điện
26
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Hồ quang điện một chiều
Các biện pháp hạn chế quá điện áp:
Page 14
27
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Hồ quang điện một chiều
Năng lượng của hồ quang DC khi ngắt mạch
()=⋅⋅= +− ⋅
∫∫
hq hq
tt
2
hq h h hq hq
00
1
WuidtLI URiidt
2
=++
h
hh
di
UiRu L
dt
⋅= ⋅+ ⋅⋅+ ⋅

∫∫∫∫
hq hq hq
ttt
0
2
hhhhhh
000 I
U i dt R i dt u i dt L i di
t
hq
: thời gian hồ quang cháy
I: dòng điện trong mạch trước khi ngắt
h
u
h
28
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Hồ quang điện một chiều
()=⋅⋅= +− ⋅
∫∫
hq hq
tt
2
hq h h hq hq
00
1
WuidtLI URiidt
2
⋅
Năng lượng của hồ quang khi ngắt mạch bao gồm hai thành

phần:
- Thành phần thứ nhất: 1/2L I
2
- Thành phần thứ hai là năng lượng nhận được từ nguồn.
Ở các điều kiện khác không thay đổi, thành phần này càng
lớn khi t
hq
càng lớn
Độ lớn của năng lượng của hồ quang khi ngắt mạch: 1, 10, 100 kJ
Page 15
29
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Hồ quang điện xoay chiều
Các đặc tính
Dòng điện và điện áp hồ quang
trong mỗi chu kỳ: dòng điện hồ quang trong mạch không
ngừng thay đổi về độ lớn và chiều
Ỉ sử dụng đặc tính động để phân tích hồ quang điện AC
30
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Hồ quang điện xoay chiều
Các đặc tính
Dòng điện và điện áp hồ quang
Page 16
31
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Hồ quang điện xoay chiều
Quá trình phục hồi độ bền điện trong không gian
giữa các điện cực
Trong khoảng thời gian cháy hồ quang, quá trình ion hóa rất mạnh, mật độ

các hạt mang điện cao
Ở cuối nửa chu kỳ, dòng điện hồ quang giảm, mật độ các hạt mang điện
giảm
Anod (+)
Catod (-)
e
-
+
+
e
-
e
-
e
-
+
+
32
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Hồ quang điện xoay chiều
Quá trình phục hồi độ bền điện trong không gian
giữa các điện cực
Ở nửa chu kỳ tiếp theo, khi dòng điện đổi chiều, cực tính trên điện cực thay
đổi
Anod (+)
Catod (-)
e
-
+
+

Catod (-)
Anod (+)
e
-
+
e
-
+
+
e
-
e
-
Page 17
33
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Hồ quang điện xoay chiều
Quá trình phục hồi độ bền điện trong không gian
giữa các điện cực
Catod (-)
Anod (+)
e
-
+
e
-
+
+
e
-

Ngay tại thời điểm dòng điện đổi chiều:
- các electron nhẹ chạy nhanh về anode mới
- các ion dương nặng chuyển động chậm về cathode mới
Ỉ xung quanh cathode mới được bao bọc một khối điện tích hầu như chỉ
là các ion dương
Ỉ vùng không gian gần cathode hầu như trở thành cách điện
Ỉ xuất hiện một điện áp bền điện ban đầu U
b0
trong vùng không gian
giữa hai điện cực ngay lúc dòng điện đảo chiều và giá trò này sẽ tăng
theo thời gian:
U
b
= U
bo
+ k
b
t
U
b
t
U
b0
34
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Hồ quang điện xoay chiều
Quá trình phục hồi điện áp giữa các điện cực
Ngay tại thời điểm dòng điện đổi chiều:
song song với quá trình phục hồi độ bền điện trong vùng không gian
giữa hai điện cực, xảy ra quá trình phục hồi điện áp giữa hai điện cực

do sự cưởng bức của điện áp nguồn, gọi là điện áp phục hồi
i
hq
Page 18
35
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Hồ quang điện xoay chiều
Điều kiện cháy hồ quang AC
Hồ quang điện
AC
cháy ổn đònh nếu ở mỗi nửa chu kỳ kế tiếp dòng điện
hồ quang có điều kiện phát sinh trở lại, nghóa là phụ thuộc vào hai quá
trình sau đây khi dòng điện đi qua trò số zero:
- quá trình phục hồi độ bền điện trong vùng không gian giữa
hai điện cực:U
bđ
- quá trình phục hồi điện áp giữa hai điện cực: U
fh
36
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Hồ quang điện xoay chiều
Điều kiện cháy hồ quang AC
Hồ quang điện
AC
cháy ổn đònh khi:
t
fh bd
UU
∀
Nghóa là điện áp phục hồi U

fh
đủ lớn để chọc thủng độ bền điện trong
vùng không gian giữa hai điện cực:U
bđ
Page 19
37
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Hồ quang điện xoay chiều
Điều kiện cháy hồ quang AC mạch thuần trở
Hồ quang điện
AC
bắt đầu cháy trở lại ở nửa chu kỳ tiếp theo khi:
điện áp phục hồi đủ lớn để chọc thủng độ bền điện trong vùng không
gian giữa hai điện cực tại thời điểm t=
U
bđ0
U
fh
=U~
U
fh
=U
~
khi 0<t<t
1
U
b
= U
bo
+ k

b
t
38
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Hồ quang điện xoay chiều
Điều kiện cháy hồ quang AC mạch trở - kháng
U
fh
U
bđ
φ
Page 20
39
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Hồ quang điện xoay chiều
Tính điện áp phục hồi
Tính điện áp phục hồi sau khi dòng điện đi qua trò số 0
R
L
r
hq
i
hq
U
~
C
tđ
C
tđ
: điện dung tương đương giữa 2 đầu cực ngắt

R, L: điện trở và điện cảm mạch điện
Sơ đồ mạch điện tương đương:
40
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Tại thời điểm t=0, i
hq
qua trò số 0: hồ quang bò dập tắt,
do đó r
hq
Ỉ ∞
R
L
t=0
C
tđ
E
E?
E
=
φ: góc lệch pha giữa U~ và I
U: giá trò hiệu dụng của U~
Hồ quang điện xoay chiều
Tính điện áp phục hồi
U
fh
U
bđ
φ
Page 21
41

BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
(cos)
−
=−
pt
fh o
UE1e wt
Giải bài toán quá độ:
=
R
p
2L
: hệ số suy giảm
=
o
td
1
w
LC
: tần số góc dao động riêng
Π
=
o
o
2
T
w
: chu kỳ dao động riêng
o
T

2
sin
ϕ
2U
U
fh
w
o
t
2
max
2
2sin(1 ) 22
o
o
T
p
fh fh T
t
UU U e U
−
=
==
ϕ
+≤ ≤
Giá trò tối đa của điện áp phục hồi không lớn hơn hai lần biên độ điện áp nguồn
Hồ quang điện xoay chiều
Tính điện áp phục hồi
42
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05

(cos)
−
=−
pt
fh o
UE1e wt
o
T
2
sin
ϕ
2U
U
fh
w
o
t
Hồ quang điện xoay chiều
Điều kiện cháy hồ quang AC mạch trở - kháng
U
b
= U
bo
+ k
b
t
U
bo
U
b

Hồ quang điện AC cháy ổn đònh khi U
b
(t) cắt U
fh
(t)
U
ob
, k
b
phụ thuộc:
- vật liệu tiếp điểm (điện cực)
- dòng điện ngắt
- phương pháp dập hồ quang
U
fh
phụ thuộc:
- thông số của mạch ngắt: L, R, C
tđ
- góc lệch pha dòng, áp
Page 22
43
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Hồ quang điện xoay chiều
Điều kiện dập tắt hồ quang điện AC
Hồ quang điện AC có thể dập tắt theo hai nguyên lý:
1. Lợi dụng hiện tượng dòng điện hồ quang xoay chiều qua trò số 0 hai lần
trong một chu kỳ:
Khi dòng điện đi qua trò số 0, ta tăng cường quá trình phục hồi độ bền điện
sao cho nó không bò chọc thủng bởi điện áp phục hồi giữa hai đầu điện cực
Ỉ dòng điện hồ quang không thể phát sinh trở lại trong bán kỳ kế tiếp

Ỉ hồ quang bò dập tắt
44
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Hồ quang điện xoay chiều
Điều kiện dập tắt hồ quang điện AC
Tăng cường quá trình phục hồi độ bền điện bằng cách:
-
-
U
b0
k
b
U
b
= U
bo
+ k
b
t
-
-
-
-
Page 23
45
BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Hồ quang điện xoay chiều
Điều kiện dập tắt hồ quang điện AC
2.
46

BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-05
Dập tắt hồ quang điện bằng buồng dập với các tấm
ngăn bằng kim loại
upper connection
arc chute
ablative part
moving contact
enclosure
bar
magnetic circuit
connection trip unit
Page 24
47
BMTBD-LT KCẹ-nxcuong-V2-05
Ho quang ủieọn
lửùa choùn CB cho maùch ủieọn DC
1.4220 (4P)40 (3P)30 (2P)20 (1P)10 - 100NC100H
1.3850 (4P)40 (3P)25 (2P)20 (1P)6 - 63C60H
1.3840 (4P)30 (3P)20 (2P)15 (1P)6 - 63C60N
special DC10 (2P)20 (2P)10 (1P)10 - 40C32H-DC
up-rating coef.250V125V125V<60Vbreaker
Magnetic DC Breaking capacity (kA) - L/R<0.015srating (A) CB type
DC Breaking capacity
48
BMTBD-LT KCẹ-nxcuong-V2-05
Ho quang ủieọn
lửùa choùn CB cho maùch ủieọn DC