Lý thuyết về khí cụ điện, hồ quang điện

Lý thuyết về khí cụ điện, tìm hiểu về các nguyên nhân ảnh hưởng đến khả năng làm việc và tuổi thọ của các loại khí cụ. Hồ quang điện, phát nóng trong khí cụ, tiếp xúc điện, lực điện động là gì. Các yêu cầu trong chế tạo và lựa chọn khí cụ.

1. Lý thuyết về khí cụ điện

1.1 Khái niệm

Khí cụ điện là những thiết bị điện dùng để đóng, cắt, điều khiển, điều chỉnh và bảo vệ mạch điện, lưới điện. Khí cụ điện được sử dụng rộng rãi ở các nhà máy phát điện, trạm biến áp, công nghiệp, dân dụng, …

Khí cụ điện

1.2 Phân loại khí cụ điện

– Theo công dụng:

+ Khí cụ dùng để đóng cắt lưới điện, mạch điện; ví dụ như cầu dao, aptomat.

+ Khí cụ dùng để bảo vệ lưới điện, máy điện như rơ le, aptomat, cầu chì.

+ Khí cụ dùng để mở máy, điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh điện áp và dòng điện. Ví dụ như contactor, biến trở, điện trở, bộ khống chế.

+ Khí cụ điện dùng để duy trì tham số điện ở giá trị không đổi. Ví dụ như thiết bị tự động điều chỉnh áp, dòng điện, tần số, tốc độ, nhiệt độ.

+ Khí cụ dùng để đo lường như máy biến dòng, máy biến áp đo lường.

– Theo điện áp

+ Khí cụ cao thế: được chế tạo để dùng ở điện áp định mức từ 1000V trở lên.

+ Khí cụ trung thế: dùng ở mức điện áp 600V < U_đm < 1000V

+ Khí cụ hạ thế:  dùng mức điện áp dưới 660V

– Theo loại dòng điện: một chiều và xoay chiều

– Theo nguyên lý làm việc: Nguyên lý điện từ, cảm ứng, điện động, điện nhiệt, có tiếp điểm và không có tiếp điểm,…

1.3 Các yêu cầu cơ bản đối với khí cụ điện

+ Đảm bảo làm việc lâu dài khi hoạt động với các thông số kỹ thuật ở định mức. Nếu dòng điện lớn hơn định mức sẽ làm nóng và nhanh chóng hỏng khí cụ.

+ Đảm bảo ổn định nhiệt và ổn định lực điện động. Vật liệu phải chịu nóng tốt và có cường độ cơ khí cao để tránh hư hỏng hay biến dạng.

+ Vật liệu cách điện phải tốt, tránh cho khí cụ không bị chọc thủng khi xảy ra quá điện áp.

+ Khí cụ đảm bảo làm việc chính xác, an toàn, song phải gọn nhẹ, dễ lắp ráp, kiểm tra và sửa chữa.

+ Ngoài ra khí cụ điện phải làm việc ổn định ở các điều kiện khí hậu và môi trường yêu cầu.

2. Hồ quang điện

2.1 Hiện tượng hồ quang điện

– Khái niệm

Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện trong khí hay hơi. Khi đóng và cắt mạch điện, hồ quang phát sinh trên tiếp điểm làm cho thiết bị đóng cắt không dứt khoát. Nếu hồ quang cháy lâu, khí cụ và hệ thống sẽ hư hỏng cần phải nhanh chống dập tắt hồ quang điện.

Hiện tượng hồ quang điện

– Tính chất cơ bản:

+ Hồ quang có mật độ dòng điện lớn đến 10⁴ – 10⁵ A/cm².

+ Nhiệt độ cao khoảng 5000 – 6000 độ C.

+ Điện áp rơi trên cực âm bé chỉ từ 10V – 20V và thường kèm theo hiện tượng phát sáng.

Nhiệt độ và mật độ dòng điện phân bố không đồng đều theo tiết diện ngang cột hồ quang. Đạt cực đại ở tâm hồ quang và giảm dần khi đi xa tâm.

2.2 Quá trình phát sinh và dập tắt hồ quang

– Quá trình phát sinh hồ quang

Hồ quang điện phát sinh là do tác dụng của nhiệt độ cao và cường độ điện trường lớn sinh ra hiện tượng phát xạ điện tử. Tiếp theo là quá trình ion hóa do va chạm và ion hóa do nhiệt.

Khi mở tiếp điểm, lực ép giữa chúng bị giảm nên số điểm tiếp xúc để dòng điện đi qua giảm. Mật độ dòng điện tăng rất đáng kể có khi đến và chục nghìn A/cm². Tại các tiếp điểm đó sự phát nóng sẽ tăng đến mức làm cho giữa các vật tiếp xúc xuất hiện giọt kim loại nóng chảy.

Khi các tiếp điểm rời xa nhau, giọt kim loại cũng được kéo căng ra trở thành cầu chất lỏng và nối liền hai tiếp điểm này.  Nhiệt độ cầu chất lỏng tiếp tục tăng đến khi bốc hơi và trong không gian giữa tiếp điểm xuất hiện hồ quang điện.

Do quá trình phát nóng của cầu thực hiện rất nhanh nên sự bốc hơi mang tính chất nổ. Cầu chất lỏng ngắt kéo theo sự mài mòn tiếp điểm. Điều này rất quang trọng khi quá trình ngắt thường xuyên với dòng điện lớn.

– Quá trình dập tắt hồ quang

Là quá trình phản ion hóa (khử ion) song song tồn tại với quá trình ion hóa. Quá trình phản ion hóa bao gồm:

+ Hiện tượng tái hợp của hạt mang điện âm và dương thành những hạt trung hòa.

+ Hiện tượng khuếch tán của hạt mang điện từ nơi mật độ cao đế mật độ thấp, từ nơi nóng đến nguội. Do các nhiệt độ hồ quang giảm dần từ tâm ra xa nên hạt mang điện cũng khuếch tán từ tâm hồ quang ra xa.

Video phóng điện cao áp khi đóng mở dao cách ly

2.3 Biện pháp và trang bị dập hồ quang

+ Phải được dập tắt trong thời gian ngắn, hạn chế phạm vi cháy hồ quang là nhỏ nhất.

+ Tốc độ đóng mở tiếp điểm lớn mà không làm hỏng các bộ phận khí cụ.

+ Năng lượng hồ quang phải đạt đến giá trị bé nhất, điện trở hồ quang phải tăng nhanh.

+ Việc dập tắt không kéo theo việc quá điện áp nguy hiểm

+ Tiếng kêu phải nhỏ và ánh sáng hồ quang không quá mạnh.

– Dập hồ quang là biện pháp tăng cường quá trình phản ion hóa

+ Kéo dài ngọn lửa hồ quang.

+ Dùng năng lượng hồ quang sinh ra để tự dập.

+ Dùng năng lượng nguồn ngoài để dập.

+ Chia hồ quang thành nhiều phần ngắn để dập.

+ Mắc thêm điện trở song song để dập.

– Trang bị điện dùng cho khí cụ điện hạ áp

+ Kéo dài hồ quang bằng cơ khí

+ Dùng cuộn dây thổi từ kết hợp buồng dập hồ quang

+ Dùng buồng dập hồ quang có khe hở xung quanh

+ Phân chia hồ quang ra nhiều đoạn ngắn

+ Tăng tốc độ chuyển động của tiếp điểm

+ Cấu tạo tiếp điểm kiểu bắc cầu

2.4 Ứng dụng của hồ quang điện

Khi hồ quang điện xuất hiện tạo ra nhiệt độ rất cao và phát ra lượng ánh sáng rất lớn. Đây là những đặc điểm để thấy ứng dụng của hồ quang điện.

+ Dùng trong hàn kim loại: Một cực của hồ quang là tấm kim loại cần hàn, còn cực kia là que hàn. Do nhiệt độ cao giữa hai cực, que hàn nóng chảy và lấp chỗ cần hàn lên tấm kim loại.

Ứng dụng của hồ quang điện

+ Dùng trong lò luyện thép, luyện kim loại: là loại lò dùng năng lượng của hồ quang điện làm nóng và đun chảy loại vật liệu chất vào lò.

+ Ứng dụng hồ quang điện làm đèn phát sáng: đèn tạo ra ánh sáng bằng hồ quang điện. Ánh sáng hồ quang carbon, bao gồm một vòng cung giữa các điện cực carbon trong không khí.

3. Lực điện động

Lực điện động là lực sinh ra khi có một vật dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường. Lực đó tác dụng lên vật dẫn và có xu hướng làm thay đổi hình dáng vật dẫn để từ thông xuyên qua mạch vòng vật dẫn có giá trị cực đại. Chiều của lực điện động được xác định bằng quy tắc “bàn tay trái”.

Lực điện động

Ở trạng thái làm việc bình thường, thiết bị điện được chế tạo để lực điện động không làm ảnh hưởng gì đến độ bền vững kết cấu.

Khi ngắn mạch dòng tăng lên rất lớn, do đó lực điện động sẽ rất lớn gây nên biến dạng hay phá hỏng chi tiết khí cụ. Vì vậy cần thiết phải tính toán, lựa chọn khí cụ đảm bảo về mặt sức bền chịu lực điện động.

Để tính toán lực điện động, có thể dùng hai phương pháp:

+ Dựa trên định luật tương hỗ củ dây dẫn mang dòng điện và từ trường (định luật Biôsavalaplax)

+ Phương pháp cân bằng năng lượng

4. Sự phát nóng của khí cụ điện

Nhiệt lượng sinh ra do dòng điện chạy qua trong cuộn dây hay vật dẫn điện khi thiết bị điện làm việc sẽ gây phát nóng. Ngoài ra trong thiết bị điện xoay chiều còn do tổn hao dòng xoáy và từ trễ trong lõi sắt từ sinh ra nhiệt. Cầu chì, chống sét và một số khí cụ khác có thể phát nóng do hồ quang.

Nếu nhiệt độ phát nóng của thiết bị điện vượt quá trị số cho phép thì thiết bị điện sẽ nhanh bị hư hỏng. Do vật liệu cách điện nhanh bị già hóa, độ bền cơ khí của kim loại bị giảm sút.

Sự phát nóng do tổn hao nhiệt quyết định:

+ Ở khí cụ điện một chiều sự phát nóng là do tổn hao đồng.

+ Đối với khí cụ điện xoay chiều là tổn hao đồng trong dây quấn và tổn hao sắt từ trong lõi thép. Ngoài ra còn tổn hao do hiệu ứng bề mặt.

Bên cạnh quá trình phát nóng có quá trình tỏa nhiệt theo ba hình thức: truyền nhiệt, bức xạ và đối lưu.

Tùy theo chế độ làm việc mà khí cụ điện phát nóng khác nhau. Có ba chế độ làm việc:

+ Chế độ làm việc dài hạn

+ Chế độ làm việc ngắn hạn

+ Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại.

5. Tiếp xúc điện

Theo cách hiểu thông thường, chỗ tiếp xúc điện là nơi gặp gỡ chung của hai hay nhiều vật dẫn để dòng điện đi từ vật dẫn này sang vật dẫn khác. Bề mặt tiếp xúc giữa các vật gọi là bề mặt tiếp xúc điện.

Tiếp xúc điện là một phần rất quan trọng cúa khí cụ điện. Trong thời gian hoạt động đóng mở, chỗ tiếp xúc sẽ phát nóng cao, mài mòn lớn. Do sự va đập và ma sát, đặc biệt sự hoạt động có tính chất hủy hoại của hồ quang.

Có ba loại tiếp xúc điện

+ Tiếp xúc cố định: hai vật dẫn không rời nhau, bằng bu lông, đinh tán.

+ Tiếp xúc đóng mở: tiếp điểm của các khí cụ điện đóng mở mạch điện.

+ Tiếp xúc trượt: chổi than trượt trên cổ góp, vành trượt của máy điện.

– Bề mặt tiếp xúc

Theo bề mặt tiếp xúc có ba dạng:

+ Tiếp xúc điểm (giữa hai mặt cầu, mặt cầu – mặt phẳng, hình nón – mặt phẳng)

+ Tiếp xúc đường (hình trụ – mặt phẳng)

+ Tiếp xúc mặt (mặt phẳng – mặt phẳng)

Bề mặt tiếp xúc với dạng lòi lõm rất nhỏ mà mắt thường không thể thấy được. Tiếp xúc giữa hai vật dẫn không thực hiện được trên toàn bộ bề mặt mà chỉ với một vài điểm tiếp xúc. Đó chính là các đỉnh có bề mặt cực bé để dẫn dòng điện đi qua.

Tiếp xúc điện

Muốn tiếp xúc tốt phải làm sạch mối tiếp xúc. Sau một thời gian nhất định, bất kỳ một bề mặt nào đã được làm sạch trong không khí cũng đều bị phũ một lớp oxit. Ở những mối tiếp xúc bằng vàng hay bạc, lớp này tạo thành chậm.

– Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm

Có hai vật dẫn tiếp xúc với nhau, diện tích tiếp xúc S, điện trở suất ρ, chiều dài L. Lúc đó điện trở hai vật dẫn tính bằng công thức

Một số yếu tố chính ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc:

+ Vật liệu làm tiếp điểm

Nếu vật liệu mềm thì dù áp suất có bé điện trở tiếp xúc cũng sẽ bé. Do đó thường dùng vật liệu mềm để làm tiếp điểm. Hoặc dùng kim loại cứng mạ ngoài bằng kim loại mềm như đồng thau mạ thiếc, thép mạ thiết hay mạ cadmi.

+ Lực ép F lên tiếp điểm

Lực ép càng lớn thì điện trở tiếp xúc tiếp điểm càng bé. Lực éo lên bề mặt tiếp xúc có thể là bu lông hay lò xo.

+ Hình dạng tiếp điểm có ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc

+ Nhiệt độ tiếp điểm: Ở nhiệt độ không quá cao (thường 200 độ C), khi nhiệt độ tiếp điểm tăng thì điện trở tiếp xúc cũng tăng.

+ Điện trở tiếp xúc

+ Mật độ dòng điện

Đối với mật độ dòng điện đã cho trước, muốn giảm phát nóng tiếp điểm thì vật liệu phải có điện trở suất nhỏ, đồng thời phải có khả năng tỏa nhiệt cao qua mặt ngoài. Do đó những vật có bề mặt xù xì (vật đúc) hay những vật dẫn được quét sơn sẽ tỏa ra hiệu quả hơn. Có thể kiểm tra nhiệt độ tiếp xúc bằng sự biến màu sơn.

>>> Xem thêm:

Khởi động từ là gì – CHI TIẾT NHẤT
Rơ le nhiệt là gì – CHI TIẾT NHẤT

Tài liệu tham khảo

Giáo trình khí cụ điện kết cấu sử dụng và sửa chửa – Nguyễn Xuân Phú – Tô Bằng

[button color=”orange” size=”medium” link=”http://bblink.com/GGlr8N” icon=”” target=”false”]Tải giáo trình Khí Cụ Điện[/button]