Nguyên lý và phương pháp dập hồ quang trong các thiết bị điện tử như cầu chì

Hồ quang điện là gì?

Khi cầu chì trong mạch bị đứt, khi điện áp và dòng điện đạt đến một giá trị nhất định thì dây cầu chì vừa nóng chảy và đứt ra, giữa các dây cầu chì vừa tách ra sẽ xuất hiện hồ quang, gọi là hồ quang. Đó là do điện trường mạnh làm ion hóa chất khí và làm cho dòng điện đi qua môi trường cách điện thông thường. Việc sử dụng hồ quang điện có thể có nhiều ứng dụng như hàn, lò hồ quang điện trong nhà máy thép,… Nhưng nếu hồ quang được tạo ra ở trạng thái không được kiểm soát sẽ gây hư hỏng hệ thống truyền tải, phân phối điện và các thiết bị điện tử. Vì vậy chúng ta phải hiểu và kiểm soát được vòng cung.

Thành phần của hồ quang điện

1. Vùng cột vòng cung

Vùng cột hồ quang trung hòa về điện và bao gồm các phân tử, nguyên tử, nguyên tử bị kích thích, ion dương, ion âm và electron. Trong số đó, các ion tích điện dương gần như bằng các ion tích điện âm nên còn được gọi là plasma. Các hạt tích điện di chuyển có hướng trong plasma mà không tiêu tốn nhiều năng lượng, đó là lý do tại sao chúng có thể truyền dòng điện cao trong điều kiện điện áp thấp. Các hạt tích điện chính truyền dòng điện là các electron, chiếm khoảng 99,9% tổng số hạt tích điện, còn lại là các ion dương. Do chiều dài cực ngắn của vùng cực âm và cực dương nên độ dài của vùng cột hồ quang có thể được coi là chiều dài hồ quang. Cường độ điện trường ở vùng cột hồ quang tương đối thấp, thường chỉ 5-10V/cm.

2. Vùng cực âm

Cực âm được coi là nguồn phát ra các electron. Nó cung cấp 99,9% hạt tích điện (electron) cho cột hồ quang. Khả năng phát ra electron của cực âm có tác động đáng kể đến độ ổn định của hồ quang. Chiều dài vùng catốt là 10-5-10-6cm. Nếu điện áp rơi ở catốt là 10V thì cường độ điện trường của vùng catốt là 106-107V/cm.

3. Vùng cực dương

Vùng cực dương chịu trách nhiệm chính trong việc nhận electron, nhưng nó cũng phải cung cấp 0,1% hạt tích điện (ion dương) cho cột hồ quang. Chiều dài vùng anode thường là 10-2-10-3cm nên cường độ điện trường vùng anode là 103-104V/cm. Do tác động đáng kể của vật liệu làm cực dương và dòng điện hàn đến độ sụt áp ở vùng cực dương nên điện áp có thể dao động trong khoảng từ 0 đến 10V. Ví dụ, khi mật độ dòng điện cao và nhiệt độ cực dương cao khiến vật liệu làm cực dương bay hơi, độ sụt điện áp ở cực dương sẽ giảm, thậm chí xuống 0V.

Đặc điểm của hồ quang điện

1. Điện áp hồ quang cần thiết để duy trì quá trình đốt cháy hồ quang ổn định là rất thấp và điện áp của cột hồ quang DC 1cm trong khí quyển chỉ là 10-50V.

2. Một dòng điện lớn có thể chạy qua hồ quang, dao động từ vài ampe đến vài nghìn ampe.

3. Hồ quang có nhiệt độ cao và nhiệt độ của cột hồ quang không đồng đều. Nhiệt độ trung tâm cao nhất, đạt 6000-10000 độ, nhiệt độ giảm dần khi ra xa trung tâm.

4. Hồ quang điện có thể phát ra ánh sáng mạnh. Bước sóng của bức xạ ánh sáng từ hồ quang là (1,7-50) × 10-7m. Nó bao gồm ba phần: tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy và tia cực tím

Phân loại hồ quang điện

1. Theo loại dòng điện, nó có thể được chia thành hồ quang AC, hồ quang DC và hồ quang xung.

2. Theo trạng thái của hồ quang, nó có thể được chia thành hồ quang tự do và hồ quang nén (chẳng hạn như hồ quang plasma).

3. Theo vật liệu điện cực, nó có thể được chia thành: hồ quang điện cực nóng chảy và hồ quang điện cực không nóng chảy.

Sự nguy hiểm của hồ quang điện

1. Sự xuất hiện của hồ quang kéo dài thời gian để thiết bị đóng cắt ngắt mạch sự cố và làm tăng khả năng xảy ra đoản mạch trong hệ thống điện.

2. Nhiệt độ cao do hồ quang tạo ra làm tan chảy và làm bay hơi bề mặt tiếp xúc, đốt cháy vật liệu cách nhiệt. Thiết bị điện chứa đầy dầu cũng có thể gây ra rủi ro như cháy nổ.

3. Do hồ quang điện có thể chuyển động dưới tác dụng của lực điện và nhiệt. Rất dễ gây ra hiện tượng đoản mạch và thương tích, dẫn đến tai nạn leo thang.

Nguyên lý sáu vòng cung dập tắt

1. Nhiệt độ hồ quang

Hồ quang được duy trì bằng cách ion hóa nhiệt và việc giảm nhiệt độ của hồ quang có thể làm suy yếu quá trình ion hóa nhiệt và giảm việc tạo ra các ion tích điện mới. Đồng thời, nó còn làm giảm vận tốc của các hạt tích điện và tăng cường hiệu ứng tổng hợp. Bằng cách kéo dài hồ quang một cách nhanh chóng, thổi hồ quang bằng khí hoặc dầu hoặc đưa hồ quang tiếp xúc với bề mặt của môi trường rắn, nhiệt độ hồ quang có thể giảm xuống.

2. Đặc điểm của phương tiện

Các đặc tính của môi trường trong đó hồ quang cháy quyết định phần lớn cường độ phân ly trong hồ quang. Bao gồm độ dẫn nhiệt, công suất nhiệt, nhiệt độ không nhiệt, độ bền điện môi, v.v.

3. Áp suất của môi trường khí

Áp suất của môi trường khí có tác động đáng kể đến sự phân ly của hồ quang. Bởi vì áp suất của khí càng cao, nồng độ các hạt trong hồ quang càng cao, khoảng cách giữa các hạt càng nhỏ thì hiệu ứng tổng hợp càng mạnh và hồ quang càng dễ dập tắt. Trong môi trường chân không cao, xác suất va chạm giảm, giúp ngăn chặn sự phân ly va chạm, đồng thời hiệu ứng khuếch tán mạnh.

4. Tài liệu liên hệ

Vật liệu tiếp xúc cũng ảnh hưởng đến quá trình tách rời. Khi sử dụng kim loại chịu nhiệt độ cao, có điểm nóng chảy cao, độ dẫn nhiệt tốt và khả năng sinh nhiệt lớn làm tiếp điểm, nó làm giảm sự phát xạ của các electron nóng và hơi kim loại trong hồ quang, có lợi cho việc dập tắt hồ quang.

Phương pháp dập tắt hồ quang

1. Dùng phương tiện để dập tắt hồ quang

Sự tách rời của khe hở hồ quang phần lớn phụ thuộc vào đặc tính của môi trường chữa cháy xung quanh hồ quang. Khí lưu huỳnh hexafluoride là môi trường dập tắt hồ quang tuyệt vời với độ âm điện mạnh. Nó có thể nhanh chóng hấp thụ các điện tử và tạo thành các ion âm ổn định, có lợi cho sự tái hợp và ion hóa. Khả năng dập tắt hồ quang của nó mạnh hơn không khí khoảng 100 lần; Chân không (áp suất dưới 0,013Pa) cũng là môi trường tốt để dập tắt hồ quang. Do số lượng hạt trung tính trong chân không ít nên không dễ va chạm và phân ly, chân không thuận lợi cho sự khuếch tán và phân ly. Khả năng dập tắt hồ quang của nó mạnh hơn không khí khoảng 15 lần.

2. Dùng gas hoặc dầu để thổi hồ quang

Thổi một hồ quang gây ra sự tái hợp khuếch tán và làm mát của các hạt tích điện trong khe hồ quang. Trong máy cắt điện áp cao, nhiều dạng cấu trúc buồng dập hồ quang khác nhau được sử dụng để tạo ra áp suất cực lớn từ khí hoặc dầu và thổi mạnh vào khe hở hồ quang. Có hai cách chính để thổi vòng cung: thổi dọc và thổi ngang. Thổi theo chiều dọc là hướng thổi song song với hồ quang làm cho hồ quang trở nên mỏng hơn; Thổi ngang là hướng thổi vuông góc với cung, làm kéo dài và cắt đứt cung.

3. Sử dụng vật liệu kim loại đặc biệt làm tiếp điểm dập hồ quang

Sử dụng kim loại chịu nhiệt độ cao, có điểm nóng chảy cao, độ dẫn nhiệt và nhiệt dung lớn làm vật liệu tiếp xúc có thể làm giảm sự phát xạ của các electron nóng và hơi kim loại trong hồ quang điện, do đó đạt được hiệu quả ức chế ion hóa; Vật liệu tiếp xúc được sử dụng đồng thời cũng đòi hỏi khả năng chống hồ quang và hàn cao. Các vật liệu tiếp xúc phổ biến bao gồm hợp kim vonfram đồng, hợp kim vonfram bạc, v.v.

4. Thổi hồ quang điện từ

Hiện tượng hồ quang điện chuyển động dưới tác dụng của lực điện từ gọi là hồ quang thổi điện từ. Do sự chuyển động của hồ quang trong môi trường xung quanh nên nó có tác dụng tương tự như việc thổi không khí, nhờ đó đạt được mục đích dập tắt hồ quang. Phương pháp dập tắt hồ quang này được sử dụng rộng rãi hơn trong các thiết bị đóng cắt điện áp thấp.

5. Làm cho hồ quang chuyển động trong khe hẹp của môi trường rắn

Loại phương pháp dập hồ quang này còn được gọi là phương pháp dập hồ quang dạng khe. Do sự chuyển động của hồ quang trong khe hẹp của môi trường, một mặt nó được làm mát, giúp tăng cường hiệu ứng ion hóa; Mặt khác, hồ quang bị kéo dài, đường kính hồ quang giảm, điện trở hồ quang tăng và hồ quang bị dập tắt.

6. Tách vòng cung dài thành vòng cung ngắn

Khi cung đi qua một hàng lưới kim loại vuông góc với nó thì cung dài được chia thành nhiều cung ngắn; Sự sụt giảm điện áp của hồ quang ngắn chủ yếu rơi vào vùng cực dương và cực âm. Nếu số lượng lưới điện đủ để đảm bảo rằng tổng điện áp rơi tối thiểu cần thiết để duy trì quá trình cháy hồ quang ở mỗi phân đoạn lớn hơn điện áp đặt vào thì hồ quang sẽ tự tắt. Ngoài ra, sau khi dòng điện xoay chiều vượt qua 0, do hiệu ứng gần cực âm, cường độ điện môi của mỗi khe hồ quang tăng đột ngột lên 150-250V. Bằng cách sử dụng nhiều khe hở hồ quang nối tiếp, có thể đạt được cường độ điện môi cao hơn, do đó hồ quang sẽ không bắt lửa trở lại sau khi bị dập tắt ở điểm giao nhau bằng 0.

7. Áp dụng phương pháp dập tắt hồ quang đa vết nứt

Mỗi pha của máy cắt điện áp cao được nối nối tiếp với hai hoặc nhiều lần ngắt, giúp giảm điện áp do mỗi lần ngắt và tăng gấp đôi tốc độ cắt tiếp điểm, khiến hồ quang kéo dài nhanh chóng và mang lại lợi ích cho việc dập tắt hồ quang.

8. Cải thiện tốc độ tách các tiếp điểm của bộ ngắt mạch

Cải thiện tốc độ kéo dài hồ quang, có lợi cho việc làm mát hồ quang, tái hợp và khuếch tán.