1/ Hiện tượng hồ quang điện
1.1/ Tiếp xúc điện là gì?
1.1.1/ Khái niệm
Tiếp xúc điện là nơi mà dòng điện đi từ vật dẫn này sang vật dẫn khác. Bề mặt tiếp xúc của hai vật dẫn được gọi là tiếp xúc điện.
Các yêu cầu cơ bản của tiếp xúc điện:
- Nơi tiếp xúc điện phải chắc chắn, đảm bảo
- Mối nơi tiếp xúc phải có độ bền cơ khí cao.
- Mối nối không được phát nóng quá gía trị cho phép.
- Ổn định nhiệt và ổn định động khi có dòng điện cực đại đi qua.
- Chịu được tác đông của môi trường (nhiệt độ, chất hoá học…)
Để đảm bảo các yêu cầu trên, vật liều dùng làm tiếp điểm có các yêu cầu:
- Điện dẫn và nhiệt dẫn cao.
- Độ bền chổng rỉ trong không khí và trong các khí khác.
- Độ bền chống tạo lớp màng có điện trở suất cao.
- Độ cứng bé để giảm lực nén.
- Độ cứng cao để giảm hao mòn ở các bộ phận đóng ngắt.
- Độ bền chịu hồ quang cao (nhiệt độ nóng chảy).
- Đơn giản gia công, giá thành hạ.Một số vật liều dùng làm tiếp điểm: Đồng, Bạc, Nhôm, Vonfram…
1.1.2/ Phân loại tiếp xúc điện
Dựa vào kết cấu tiếp điểm, có các loại tiếp xúc điện sau:
Tiếp xúc cố định: Các tiếp điể được nối cố định với các chi tiết dẫn dòng điện như là: thanh cái, cáp điện, chỗ nối khí cụ vào mạch. Trong quá trình sử dụng, cả hai tiếp điểm được gắn chặt vào nhau nhờ các bu – lông, hàn nóng hay nguội.
Tiếp xúc đóng mở: Là tiếp xúc để đóng ngắt mạch điện. Trong trườnghợp này ơhát sinh hồ quang điện, cần xác định khoảng cách giữa tiếp điểm tĩnh và động dựa vào dòng điện định mức, điện áp định mức và chế độ làm việc của khí cụ điện.
Tiếp xúc trượt: Là tiếp xúc ở cổ góp và vành trượt, tiếp xúc này cũng dễ sinh ra hồ quang điện.
Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc
- Vật liệu làm tiếp điểm (Vật liệu mềm tiếp xúc tốt)
- Kim loại làm tiếp điểm không bị ôxy hóa.
- Lực ép tiếp điểm càng lớn thì sẽ tạo nên nhiều tiếp điểm tiếp xúc.
- Nhiệt độ tiếp điểm càng cao thì điện trở tiếp xúc càng lớn.
- Diện tích tiếp xúc.
- Thông thường dùng hợp kim để làm tiếp điểm.
1.2/ Hồ quang điện là gì?
1.2.1/ Khái niệm
Trong các khí cụ điện dùng để đóng ngắt mạch điện (cầu dao, contactor, rơle…) khi chuyển mạch sẽ phát sinh hiện tượng phóng điện. Nếu dòng điện ngắt dưới 0,1A và điện áp tại các tiếp điểm khoảng 250 – 300V thì các tiếp điểm sẽ phóng điện âm ỉ. Trường hợp dòng điện và điện áp cao hơn trị số trong bảng sau sẽ sinh ra hồ quang điện.
1.2.2/ Tính chất cơ bản của phóng điện hồ quang
- Phóng điện hồ quang chỉ xảy ra khi các dòng điện có trị số lớn.
- Nhiệt độ trung tâm hồ quang rất lớn và trong các khí cụ có thể đến 6000÷80000K.
- Mật độ dòng điện tại Catốt lớn (104 ÷ 105)A/cm2
- Sụt áp ở Catốt bằng 10 ÷ 20V và thực tế không phụ thuộc vào dòng điện.
1.2.3/Quá trình phát sinh và dập hồ quang
Quá trình phát sinh hồ quang điện
Đối với tiếp điểm có dòng điện bé, ban đầu khoảng cách giữa chúng nhỏ tỏng khi điện áp đặt có trị số nhất định, vì vậy trong khoảng không gian này sẽ sinh ra điện trường có cường độ rất lớn (3.107V/cm) có thể làm bật điện tử từ Catôt gọi là phát xạ tự động điện tử (gọi là phát xạ nguội điện tử). Số điện tử càng nhiều, chuyển động dưới tác dụng của điện trường làm ion hoá không khí gây hồ quang
điện.
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 có trị số nhỏ nên số tiếp điểm tiếp xúc để dòng điện di qua ít. Mật độ dòng điện tăng đáng kể đến hàng chục nghìn A/cm2, do đó tại các tiếp điểm sự phát nóng sẽ tăng đến mức làm cho ở nhau, giọt kim loại được kéo căng ra trở thành cầu chất lỏng và nối liền hai tiếp điểm này, nhiệt độ của cầu chất lỏng tiếp tục tăng, lúc đó cầu chất lỏng bôc hới 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 hới mang tính chất nổ. Khi cầu chất lỏng cắt kéo theo sự mài mòn tiếp điểm, điều này rất quan trọng khi ngắt dòng điện quá lớn hay quá trình đóng mở xảy ra thường xuyên.
Quá trình dập tắt hồ quang điện
Điều kiện dập tắt hồ quang là quá trình ngượi lại với quá trình phát sinh hồ quang:
- Hạ nhiệt độ hồ quang.
- Kéo dài hồ quang.
- Chia hồ quang thành nhiều đoạn nhỏ.
- Dùng năng lượng bên ngoài hoặc chính nó để thổi tắt hồ quang.
- Mắc điện trở Shunt để tiêu thụ năng lượng hồ quang
Thiết bị để dập tắt hồ quang. - Hạ nhiệt độ hồ quang bằng cách dùng hơi khí hoặc dầu làm nguội, dùng vách ngăn để hồ quang cọ xát.
- Chia hồ quang thành nhiều cột nhỏ và kéo dài hồ quang bằng cách dùng vách ngăn chia thành nhiều phần nhỏ và thổi khí dập tắt.
- Dùng năng lương bên ngoài hoặc chính nó để thổi tắt hồ quang, năng lượng của nó tạo áp suất để thổi tắt hồ quang.
- Mắc điện trở Shunt để tiêu thụ năng lượng hồ quang (dùng điện trởmắc song song với hai tiếp điểm sinh hồ quang).
2/ Tác hại của hồ quang điện
Phát sinh hồ quang khi đóng cắt có những tác hại chính sau đây:
Kéo dài thời gian đóng cắt: Do có hồ quang, nên ngay khi các đầu tiếp xúc đã rời nhau ra, dòng điện vẫn bắc cầu qua dòng hồ quang để tồn tại, làm thời gian dòng cắt kéo dài. Thời gian này phụ thuộc vào tốc độ dập hồ quang. Chỉ khi hồ quang bị dập tắt hẳn mạch điện mới được cắt hẳn.
Khi đóng mạch, thì ngược lại, lúc hai đầu tiếp xúc với nhau, hồ quang phát sinh làm xuất hiện dòng điện trong mạch. Do đó, thời gian đóng mạch bị kéo dài.
- Làm hỏng mặt tiếp xúc: Hồ quang là dạng phóng điện nhiệt độ cao, nên dễ làm rỗ, làm cháy mặt tiếp xúc. Do đó, sau một số lần đóng cắt, tiếp xúc ở mặt tiếp điểm xấu đi, làm tăng điện trỏ tiếp xúc
- Gây ra ngắn mạnh giữa các pha: Hồ quang tỏa ra từ các pha cạnh nhau sẽ bắc cầu, gây ra phóng điện giữa các pha, tạo ra ngắn mạch giữa các pha. Đây là trường hợp rất nguy hiểm, ta thường gặp khi thao tác sai, chẳng hạn dùng dao cách ly để cắt mạch dòng điện, lúc này hồ quang rất khó dập tắt, hồ quang lan rộng
- Gây hỏa hoạn và tai nạn: Hồ quang mạnh ở môi trường có chất dễ cháy sẽ dễ dàng gây ra hỏa hoạn. Nhiều trường hợp hồ quan phóng cả vào người thao tác, gây ra bỏng nặng, rất nguy hiểm.
Khi hồ quang phóng chập chờn, dễ xảy ra hiện tượng cảm ứng, làm điện áp cục bộ trên các thiết bị tăng cao, dẫn tới quá điện áp.
Chính vì thế, việc dập hồ quang là vấn đề rất lớn đốì với các thiết bị đóng cắt điện áp cao, dòng điện lớn, nhất là khi phải cắt dòng điện ngắn mạch. Người ta đã nghiên cứu ra nhiều kiểu máy cắt khác nhau để thỏa mãn yêu cầu này.
