CHƯƠNG 5
HỒ QUANG ĐIỆN

Chương 5: HỒ QUANG ĐIỆN
5.1. Khái niệm chung về HQĐ.
5.2. Quá trính phát sinh và dập tắt hồ quang điện.
5.3. Hồ quang điện một chiều.
5.4. Hồ quang điện xoay chiều.
5.5. Các biện pháp và trang bị dập hồ quang.

5.1. KHI NIM CHUNG
B n chất của hồ quang iện l hiện t ợng phóng iện trong ả đ à đ
chất khí với mật ộ dòng iện rất lớn ( tới kho ng 10đ đ ả
2
ến 10đ
3

A/mm
2
) có nhiệt ộ rất cao (tới kho ng 5000 ến 6000đ ả đ
0
C) v th à
ờng kèm theo hiện t ợng phát sáng.
Hồ quang iện có ích :đ
Hồ quang iện thực sự có ích khi ợc sử đ đ
dụng trong c c lĩnh vực nh h n iện, luyện thép, những lúc n y á à đ à
hồ quang cần ợc duy trì ch y ổn ịnh.đ á đ

5.1. KHI NIM CHUNG
Hồ quang điện có hại : Khi đóng cắt các thiết bị điện nh

contắctơ, cầu dao, máy cắt, hồ quang sẽ xuất hiện giữa các cặp
tiếp điểm.
Hồ quang cháy này lâu sau khi thiết bị điện đã đóng cắt sẽ
làm h hại các tiếp điểm và bản thân thiết bị điện.
Trong tr ờng hợp này để đảm bảo độ làm việc tin cậy của
thiết bị điện yêu cầu phải tiến hành dập tắt hồ quang càng nhanh
càng tốt.

5.1. KHÁI NIỆM CHUNG

K
A
E
[V]
E
K

Vïng K Vïng AVïng th©n
U
A
U
Th
U
K
E
th
E
A
E
K

I
hq
[m]
H×nh 5.1: §Æc tÝnh hå quang ®iÖn



5.1. KHÁI NIỆM CHUNG
Muốn tìm hiểu kỹ HQĐ, ta phải khảo sát
nguyên nhân phát sinh và dập tắt hồ quang:
đó là quá trình ion hóa và quá trình phản ion
trong vùng hồ quang.


5.2. QUÁ TRÌNH PHÁT SINH VÀ
DẬP TẮT HỒ QUANG ĐIỆN.

5.2. QU TRèNH PHT SINH H QUANG
Hồ quang iện ph t sinh l do m i tr ờng giữa c c iện cực đ á à ô á đ
(hoặc giữa c c cặp tiếp iểm) á đ bị ion hóa (
xuất hiện c c h t dẫn á ạ
iệnđ
).
Khi cỏc phn t trung hũa trong mụi trng khớ (khụng
dn in) b phõn tớch thnh cỏc in t t do, ion dng, ion
õm thỡ nú s dn in. V quỏ trỡnh ny gi l quỏ trỡnh ion húa.
Ion hóa có thể x y ra b ng c c con ờng kh c nhau duới ả ằ á đ á
t c dụng của nh s ng, nhiệt ộ, iện tr ờng m nh, á á á đ đ ạ

5.2. QUÁ TRÌNH PHÁT SINH HỒ QUANG

Trong thùc tÕ qu tr×nh ph t sinh hå quang iÖn cã nh÷ng ¸ ¸ ®
d ng ion hãa sau : ¹
1) Qu¸ tr×nh ph¸t x¹ nhiÖt ®iÖn tö.
2) Qu¸ tr×nh tù ph¸t x¹ ®iÖn tö.
3) Qu¸ tr×nh ion hãa do va ch¹m.
4) Qu¸ tr×nh ion hãa do nhiÖt.

5.2. QU TRèNH PHT SINH H QUANG
1) S PHT X NHIT IN T
iện cực v tiếp iểm ợc chế t o từ kim lo i, m trong cấu trúc Đ à đ đ ạ ạ à
kim lo i lu n lu n tồn t i c c iện tử tự do chuyển ộng về mọi h ớng ạ ô ô ạ á đ đ
trong quỹ o của cấu trúc h t nh n nguy n tử. đạ ạ â ê
Khi tiếp iểm b t ầu mở ra lực nén v o tiếp iểm gi m đ ắ đ à đ ả
dần khiến iện trở tiếp xúc t ng l n chỗ tiếp xúc, dòng iện bị th t l i đ ă ê đ ắ ạ
dẫn ến mật ộ dòng iện t ng rất lớn l m nóng c c iện cực (nhất đ đ đ ă à á đ
l ở cực m có nhiều electron). à â

5.2. QU TRèNH PHT SINH H QUANG
1) S PHT X NHIT IN T
Khi bị ốt nóng, ộng n ng của c c iện tử t ng nhanh ến đ đ ă á đ ă đ
khi n ng l ợng nhận Wă
nđ
ợc lớn h n c ng tho t Ađ ơ ô á
t
li n kết h t ê ạ
nh n thì iện tử sẽ tho t ra khỏi bề mặt cực m trở th nh iện tự â đ á â à đ
do. Qu trình n y phụ thuộc v o nhiệt ộ iện cực, vật liệu l m á à à đ đ à
iện cực. đ

5.2. QU TRèNH PHT SINH H QUANG

2) S PHT X IN T
Khi tiếp iểm hay iện cực vừa mở ra lúc ầu kho ng c ch đ đ đ ả á
còn rất bé.
Nếu có một iện tr ờng ủ lớn ặt l n iện cực (nhất l vùng cực đ đ đ ê đ à
m có kho ng c ch nhỏ có thể tới h ng triệu V/cm), với c ờng ộ â ả á à đ
iện tr ờng lớn ở cực m c c iện tử tự do ợc cung cấp th m n ng l ợng sẽ đ â á đ đ ê ă
bị kéo bật ra khỏi bề mặt catốt ể trở th nh c c iện tử tự do. đ à á đ
Qu trình n y phụ thuộc v o c ờng ộ iện tr ờng E v vật á à à đ đ à
liệu l m iện cực. à đ

5.2. QU TRèNH PHT SINH H QUANG
3) ION HểA DO VA CHM
Sau khi tiếp iểm mở ra, d ới t c dụng của nhiệt ộ cao hoặc của đ á đ
iện tr ờng lớn (m th ng th ờng l c hai) thì c c iện tử tự do sẽ đ à ô à ả á đ
ph t sinh chuyển ộng từ cực d ng sang cực m. á đ ơ â
Do iện tr ờng rất lớn n n c c iện tử chuyển ộng với tốc ộ rất đ ê á đ đ đ
cao. Tr n ờng i c c iện tử n y va ch m với c c nguy n tử v ê đ đ á đ à ạ á ê à
ph n tử khí sẽ l m bật ra c c iện tử v c c ion d ng. â à á đ à á ơ

5.2. QU TRèNH PHT SINH H QUANG
3) ION HểA DO VA CHM
Các phần tử mang điện này lại tiếp tục tham gia chuyển động
và va chạm để làm xuất hiện các phần tử mang điện khác.
Do vậy mà số l ợng các phần tử mang điện tăng lên không
ngừng, làm mật độ điện tích trong khoảng không gian giữa các
tiếp điểm rất lớn.
Quá trình này phụ thuộc vào c ờng độ điện tr ờng, mật độ các
phần tử trong vùng điện cực, lực liên kết phân tử, khối l ợng của
phân tử


5.2. QU TRèNH PHT SINH H QUANG
4) ION HểA DO NHIT
Do có các qúa trình phát xạ điện tử và ion hóa do va chạm,
một l ợng lớn năng l ợng đ ợc giải phóng làm nhiệt độ vùng hồ
quang tăng cao và th ờng kèm theo hiện t ợng phát sáng.
Nhiệt độ khí càng tăng thì tốc độ chuyển động của các phần
tử khí càng tăng và số lần va chạm do đó cũng càng tăng lên.
Do va chạm, một số phân tử khí sẽ phân li thành các
nguyên tử. Còn l ợng các ion hóa tăng lên do va chạm khi nhiệt
độ tăng thì gọi đó là l ợng ion hóa do nhiệt.

5.2. QUÁ TRÌNH PHÁT SINH HỒ QUANG
4) ION HÓA DO NHIỆT
Hay nói cách khác, khi nhiệt độ chất khí càng cao, chuyển
động nhiệt của nó lớn, dễ va chạm và tách thành các ion, đó
là quá trình ion hóa do nhiệt độ. Quá trình này phụ thuộc vào
nhiệt độ vùng HQ, mật độ các phân tử khí và đặc tính của
chất khí. Với không khí, nếu nhiệt độ thân HQ cỡ 8000 đến
9000ºK thì ion hóa do nhiệt độ đóng vai trò chủ yếu. Vì vậy
quá trình tạo HQĐ được gắn liền với quá trình nhiệt.

5.2. QU TRèNH DP TT H QUANG
Hồ quang điện sẽ bị dập tắt khi môi tr ờng giữa các điện
cực không còn dẫn điện hay nói cách khác hồ quang điện sẽ tắt
khi có quá trình phản ion hóa xảy ra mạnh hơn quá trình ion
hóa. Tc l quỏ trỡnh suy gim s lng ion trong vựng HQ.
Nguyờn nhõn chớnh ca quá trình phản ion l do hai hiện t
ợng sau:
1. Hiện t ợng tái hợp
2. Hiện t ợng khuếch tán


5.2. QU TRèNH DP TT H QUANG
1) HIN TNG TI HP
Trong quá trình chuyển động các hạt mang điện trái dấu va
chạm nhau, tạo thành các hạt trung hòa.
Trong lí thuyết đã chứng minh tốc độ tái hợp :

Tỉ lệ nghịch với bình ph ơng đ ờng kính HQ

Hồ quang tiếp xúc với môi tr ờng điện môi thì hiện t ợng tái
hợp sẽ tăng lên.

Nhiệt độ hồ quang càng thấp tốc độ tái hợp càng tăng.

5.2. QUÁ TRÌNH DẬP TẮT HỒ QUANG
1) HIỆN TƯỢNG TÁI HỢP
- Mức độ tái hợp có thể biểu diễn bằng công thức:
Trong đó: là tốc độ suy giảm các ion do tái hợp.

α : hệ số tái hợp (є vào đặc tính của chất khí, áp suất, nđộ);
n là số lượng các ion cùng dấu trong vùng thân hồ quang (ở
chế độ xác lập )
2
α.n
dt
dn
=
r
r
dt

dn
−+
= nn
(5.1)

5.2. QU TRèNH DP TT H QUANG
2) HIN TNG KHUCH TN
Hiện t ợng các hạt tích điện di chuyển từ vùng có mật độ
điện tích cao (vùng hồ quang) ra vùng xung quanh có mật độ
điện tích thấp, làm giảm số l ợng ion trong vùng hồ quang gọi là
hiện t ợng khuếch tán.
Các điện tử và ion d ơng khuếch tán dọc theo thân hồ quang,
điện tử khuếch tán nhanh hơn ion d ơng.
Quá trình khuếch tán đặc tr ng bằng tốc độ khuếch tán. Sự
khuếch tán càng nhanh hồ quang càng nhanh bị tắt. Để tăng quá
trình khuếch tán ng ời ta th ờng tìm cách kéo dài ngọn lửa hồ
quang.


5.2. QUÁ TRÌNH DẬP TẮT HỒ QUANG
2) HIỆN TƯỢNG KHUẾCH TÁN
- Mức độ khuếch tán được biển diễn qua công thức:
Trong đó: là tốc độ suy giảm các ion do khuếch tán.

D : hệ số tái hợp (є vào khoảng cách tự do λ của ion và vận tốc trung
bình ѵ của chúng.
n là số lượng các ion cùng dấu trong vùng thân hồ quang.
r là bán kính thân hồ quang.
KL: Ta thấy, mức độ Ktán tăng khi bkính r của thân HQ
giảm, số lượng ion trong vùng hồ quang tăng và vận tốc trung

bình của nó tăng.
2
r
2.D.n
dt
dn
=
d
d
dt
dn
(5.2)

5.3. HỒ QUANG ĐIỆN MỘT
CHIỀU