Quá trình hình thành hồ quang điện và cách dập tắt hồ quang điện

Khi mở mạch điện, phóng điện xảy ra dưới dạng hồ quang điện. Đối với sự xuất hiện của hồ quang điện, chỉ cần điện áp của các tiếp điểm trên 10 V ở dòng điện trong mạch từ 0,1 A trở lên là đủ. Với điện áp và dòng điện đáng kể, nhiệt độ bên trong hồ quang có thể đạt tới 3-15 nghìn ° C, do đó các tiếp điểm và bộ phận mang điện bị nóng chảy.

Ở điện áp từ 110 kV trở lên, chiều dài của hồ quang có thể đạt tới vài mét. Do đó, hồ quang điện, đặc biệt là trong các mạch công suất cao, đối với điện áp trên 1 kV là một mối nguy hiểm lớn, mặc dù hậu quả nghiêm trọng cũng có thể xảy ra khi lắp đặt đối với điện áp dưới 1 kV. Do đó, hồ quang điện phải được chứa càng nhiều càng tốt và nhanh chóng dập tắt trong các mạch có điện áp trên và dưới 1 kV.

Nguyên nhân gây ra hồ quang điện

Quá trình hình thành hồ quang điện có thể được đơn giản hóa như sau.Khi các tiếp điểm phân kỳ, áp suất tiếp xúc đầu tiên giảm và bề mặt tiếp xúc tăng tương ứng, điện trở chuyển tiếp (mật độ dòng điện và nhiệt độ - cục bộ (ở một số khu vực nhất định của vùng tiếp xúc) bắt đầu quá nóng, điều này càng góp phần tạo ra bức xạ nhiệt, khi dưới tác động của nhiệt độ cao, tốc độ của các electron tăng lên và chúng bùng nổ khỏi bề mặt của điện cực.

Tại thời điểm tách tiếp điểm, tức là mạch bị đứt, điện áp nhanh chóng được phục hồi ở khe tiếp xúc. Vì trong trường hợp này, khoảng cách giữa các tiếp điểm là nhỏ, nên có điện trường điện áp cao dưới ảnh hưởng của các electron bị rút khỏi bề mặt của điện cực. Chúng tăng tốc trong một điện trường và khi va chạm với một nguyên tử trung hòa, chúng sẽ truyền động năng cho nó. Nếu năng lượng này đủ để tách ít nhất một electron ra khỏi vỏ của một nguyên tử trung tính, thì quá trình ion hóa sẽ diễn ra.

Các electron và ion tự do được hình thành tạo nên plasma của thân hồ quang, nghĩa là kênh bị ion hóa trong đó hồ quang cháy và chuyển động liên tục của các hạt được đảm bảo. Trong trường hợp này, các hạt tích điện âm, chủ yếu là các electron, chuyển động theo một hướng (về phía cực dương) và các nguyên tử và phân tử khí bị tước đi một hoặc nhiều electron - các hạt tích điện dương - theo hướng ngược lại (về phía cực âm).

Độ dẫn plasma gần bằng kim loại.

Một dòng điện lớn chạy trong trục hồ quang và nhiệt độ cao được tạo ra.Nhiệt độ này của trụ hồ quang dẫn đến quá trình ion hóa nhiệt - quá trình hình thành ion do sự va chạm của các phân tử và nguyên tử có động năng cao ở tốc độ chuyển động cao của chúng (các phân tử và nguyên tử của môi trường nơi hồ quang cháy phân hủy thành các electron và tích cực ion tích điện). Ion hóa nhiệt mạnh duy trì độ dẫn plasma cao. Do đó, điện áp rơi dọc theo hồ quang là nhỏ.

Trong một hồ quang điện, hai quá trình liên tục diễn ra: ngoài quá trình ion hóa, còn có quá trình khử ion của các nguyên tử và phân tử. Loại thứ hai xảy ra chủ yếu thông qua sự khuếch tán, nghĩa là chuyển các hạt tích điện vào môi trường và sự tái hợp của các electron và ion tích điện dương, chúng tập hợp lại thành các hạt trung tính với sự trở lại của năng lượng đã tiêu tốn cho sự phân rã của chúng. Trong trường hợp này, nhiệt được loại bỏ ra môi trường.

Do đó, có thể phân biệt ba giai đoạn của quá trình được xem xét: đánh lửa hồ quang, khi do sốc ion hóa và phát xạ điện tử từ cực âm, phóng điện hồ quang bắt đầu và cường độ ion hóa cao hơn khử ion, quá trình đốt cháy hồ quang ổn định được hỗ trợ bởi ion hóa nhiệt trong xi lanh hồ quang khi cường độ ion hóa và khử ion là như nhau, sự biến mất của hồ quang khi cường độ khử ion cao hơn cường độ ion hóa.

Các phương pháp dập hồ quang trong thiết bị đóng cắt điện

Để ngắt kết nối các phần tử của mạch điện và loại trừ hư hỏng thiết bị chuyển mạch, không chỉ cần mở các tiếp điểm của nó mà còn phải dập tắt hồ quang xuất hiện giữa chúng. Quá trình dập tắt hồ quang, cũng như đốt cháy, với dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều là khác nhau.Điều này được xác định bởi thực tế là trong trường hợp đầu tiên, dòng điện trong vòng cung đi qua 0 sau mỗi nửa chu kỳ. Tại những thời điểm này, quá trình giải phóng năng lượng trong hồ quang dừng lại và hồ quang tự động tắt và sau đó lại bùng cháy trở lại mỗi lần.

Trong thực tế, dòng điện trong hồ quang trở nên gần bằng 0 sớm hơn một chút so với điểm giao nhau bằng 0, bởi vì khi dòng điện giảm, năng lượng cung cấp cho hồ quang giảm và nhiệt độ của hồ quang cũng giảm theo và quá trình ion hóa nhiệt chấm dứt. Trong trường hợp này, quá trình khử ion tiếp tục mạnh mẽ trong khoảng cách hồ quang. Nếu bạn mở và mở nhanh các tiếp điểm vào thời điểm này, thì sự gián đoạn điện tiếp theo có thể không xảy ra và mạch sẽ bị ngắt mà không có hồ quang. Tuy nhiên, trong thực tế, điều này cực kỳ khó thực hiện và do đó, các biện pháp đặc biệt được thực hiện để đẩy nhanh quá trình dập tắt hồ quang, để đảm bảo làm mát không gian hồ quang và giảm số lượng hạt tích điện.

Do quá trình khử ion, cường độ điện môi của khe hở tăng dần và đồng thời điện áp phục hồi trong nó tăng lên. Tỷ lệ của các giá trị này phụ thuộc vào việc cầu vồng có sáng lên trong nửa thời gian tiếp theo hay không. Nếu cường độ điện môi của khe hở tăng nhanh hơn và lớn hơn điện áp phục hồi, hồ quang sẽ không bắt lửa nữa, nếu không sẽ cung cấp hồ quang ổn định. Điều kiện đầu tiên xác định vấn đề dập tắt hồ quang.

Các phương pháp dập tắt hồ quang khác nhau được sử dụng trong thiết bị đóng cắt.

Mở rộng vòng cung

Nếu các tiếp điểm phân kỳ trong quá trình ngắt kết nối mạch điện, thì hồ quang thu được sẽ bị kéo dài.Đồng thời, các điều kiện làm mát của hồ quang được cải thiện do diện tích bề mặt của nó tăng lên và cần nhiều điện áp hơn để đốt cháy.

Tách một cung dài thành một loạt các cung ngắn

Nếu hồ quang hình thành khi các tiếp điểm mở được chia thành K vòng cung ngắn, chẳng hạn bằng cách kéo vào lưới kim loại, thì hồ quang sẽ bị dập tắt. Thông thường, hồ quang được đưa vào lưới kim loại dưới tác động của trường điện từ do dòng điện xoáy gây ra trong các tấm lưới. Phương pháp dập tắt hồ quang này được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị đóng cắt có điện áp dưới 1 kV, đặc biệt là trong các thiết bị đóng cắt không khí tự động.

Làm mát hồ quang trong khe hẹp

Dập tắt vòng cung nhỏ được tạo điều kiện. Vì vậy, trong thiết bị chuyển mạch máng hồ quang có rãnh dọc được sử dụng rộng rãi (trục của rãnh như vậy trùng với hướng của trục hình trụ hồ quang). Khoảng cách như vậy thường được hình thành trong các buồng làm bằng vật liệu chống hồ quang cách điện. Do sự tiếp xúc của hồ quang với các bề mặt lạnh, quá trình làm mát mạnh mẽ của nó xảy ra, sự khuếch tán của các hạt tích điện trong môi trường và theo đó là quá trình khử ion nhanh chóng.

Ngoài các khe có tường phẳng song song, các khe có gân, phần nhô ra, phần mở rộng (túi) cũng được sử dụng. Tất cả điều này dẫn đến biến dạng của hình trụ hồ quang và tăng diện tích tiếp xúc của nó với các bức tường lạnh của buồng.

Hồ quang được kéo vào các khe hẹp thường là do từ trường tương tác với hồ quang, có thể được coi là một dây dẫn mang dòng điện.

Bên ngoài từ trường để di chuyển hồ quang thường được cung cấp bởi một cuộn dây được mắc nối tiếp với các tiếp điểm mà hồ quang xảy ra.Dập tắt hồ quang khe hẹp được sử dụng trong các thiết bị cho tất cả các điện áp.

Dập tắt hồ quang cao áp

Ở nhiệt độ không đổi, mức độ ion hóa khí giảm khi tăng áp suất, trong khi độ dẫn nhiệt của khí tăng. Tất cả những thứ khác đều như nhau, điều này dẫn đến việc làm mát hồ quang được cải thiện. Dập tắt hồ quang bằng áp suất cao, do chính hồ quang tạo ra trong các buồng kín kín, được sử dụng rộng rãi trong cầu chì và một số thiết bị khác.

Dập tắt hồ quang trong dầu

Nếu như chuyển danh bạ được đặt trong dầu, hồ quang xảy ra khi chúng được mở dẫn đến sự bốc hơi dữ dội của dầu. Kết quả là, một bong bóng khí (đường bao) được hình thành xung quanh hồ quang, bao gồm chủ yếu là hydro (70 ... 80%), cũng như hơi dầu. Các khí phát ra xâm nhập trực tiếp vào khu vực của xi lanh hồ quang ở tốc độ cao, gây ra sự trộn lẫn khí lạnh và nóng trong bong bóng, giúp làm mát chuyên sâu và theo đó, khử ion hóa khe hở hồ quang. Ngoài ra, khả năng khử ion của các loại khí làm tăng áp suất bên trong bong bóng được tạo ra trong quá trình phân hủy dầu nhanh chóng.

Cường độ của quá trình dập tắt hồ quang trong dầu càng cao thì hồ quang tiếp xúc với dầu càng gần và dầu chuyển động so với hồ quang càng nhanh. Vì điều này, khe hở hồ quang được giới hạn bởi một thiết bị cách điện kín - máng hồ quang... Trong các buồng này, dầu tiếp xúc gần hơn với hồ quang được tạo ra và với sự trợ giúp của các tấm cách điện và lỗ phóng điện, các kênh làm việc được hình thành qua đó có sự chuyển động của dầu và khí, tạo ra sự phun mạnh (thổi) của hồ quang.

Máng hồ quang theo nguyên tắc hoạt động, chúng được chia thành ba nhóm chính: tự thổi, khi áp suất cao và tốc độ chuyển động của khí được tạo ra trong khu vực của hồ quang do năng lượng được giải phóng trong hồ quang, với cưỡng bức thổi dầu với sự trợ giúp của các cơ cấu thủy lực bơm đặc biệt, có dập tắt từ tính trong dầu, khi hồ quang dưới tác dụng của từ trường sẽ di chuyển vào các khe hẹp.

Máng hồ quang tự thổi đơn giản và hiệu quả nhất... Tùy thuộc vào vị trí của các kênh và lỗ thoát khí, các buồng được phân biệt trong đó thổi mạnh hỗn hợp khí-hơi và dầu dọc theo dòng hồ quang (thổi dọc) hoặc thông qua hồ quang (thổi ngang) được cung cấp). Các phương pháp dập tắt hồ quang được xem xét được sử dụng rộng rãi trong các bộ ngắt mạch cho điện áp trên 1 kV.

Các phương pháp khác để dập tắt hồ quang trong các thiết bị có điện áp trên 1 kV

Ngoài các phương pháp dập tắt hồ quang trên, họ còn sử dụng: khí nén, dòng khí thổi hồ quang dọc hoặc ngang, đảm bảo làm mát mạnh (thay vì không khí, các loại khí khác được sử dụng, thường thu được từ quá trình tạo khí rắn vật liệu - sợi, nhựa vinyl, v.v. - do sự phân hủy của chúng do chính hồ quang cháy), SF6 (lưu huỳnh hexaflorua), có độ bền điện cao hơn không khí và hydro, do đó hồ quang cháy trong khí này, ngay cả ở áp suất khí quyển, nhanh chóng bị dập tắt, khí rất hiếm (chân không) khi mở các tiếp điểm, trong đó hồ quang không không bắt lửa (dập tắt) sau lần đầu tiên dòng điện đi qua số không.