Giáo trình Khí cụ điện - Phần 1, Chương 3: Hồ quang điện

Nội dung text: Giáo trình Khí cụ điện - Phần 1, Chương 3: Hồ quang điện

1. EE3242 KHÍ CỤ ĐIỆN Bài giảng 2016 Ts. Nguyễn Văn Ánh Ts. Nguyễn Bích Liên anh.nguyenvan1@hust.edu.vn lien.nguyenbich@hust.edu.vn
2. PHẦN 1 LÝ THUYẾT CƠ SỞ
3. “Live as if you were to die tomorrow. Learn as if you were to live forever” Mahatma Gandhi CHƯƠNG 3 HỒ QUANG ĐIỆN Khái niệm chung về phóng điện trong chất khí? Nguyên nhân phát sinh và dập tắt hồ quang điện? Đặc điểm hồ quang điện một chiều và xoay chiều? Phương pháp dập hồ quang trong khí cụ điện? 3.1 Khái Niệm Chung Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực xảy ra trong chất khí ở áp suất thường hoặc áp suất thấp khi giữa hai điện cực có một hiệu điện thế nào đó. Trên thực tế nó là một dạng plasma(1) tạo ra qua sự trao đổi điện tích liên tục. Phóng điện là gi? Hiện tượng phóng điện vẫn thường xảy ra xung quanh cuộc sống của chúng ta như được thể hiện ở hình 3.1. Hiện tượng đầu tiên mà có lẽ là ai trong chúng ta cũng biết đó là sét. Các đám mây tích tụ điện tích tạo ra chênh lệch điện thế với mặt đất, khi có điều kiện thích hợp, toàn bộ điện tích này sẽ phóng xuống đất. Đối với tàu điện, hệ thống cung cấp điện sẽ bao gồm các tiếp điểm động, gắn với tàu, trượt trên các tiếp điểm tĩnh (được bố trí song song với đường ray). Khi tiếp xúc giữa các tiếp điểm này không tốt, thì hồ quang điện cũng sinh ra. (1) Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất (các trạng thái khác là rắn, lỏng, khí) trong đó các chất bị ion hóa mạnh. Đại bộ phận phân tử hay nguyên tử chỉ còn lại hạt nhân; các electron chuyển động tương đối tự do giữa các hạt nhân. Plasma không phổ biến trên Trái Đất tuy nhiên trên 99% vật chất thấy được trong vũ trụ tồn tại dưới dạng plasma, vì thế trong bốn trạng thái vật chất, plasma được xem như trạng thái đầu tiên trong vũ trụ. - (Wikipedia)
4. Cuối cùng ở hình 3.1 là hồ quang điện sinh ra giữa các que hàn. Hai que hàn được đặt gần nhau để tạo ra một điện trường mạnh tới mức gây ra phóng điện giữa chúng. Đối với các thiết bị điện đóng cắt, hồ quang điện thường xuyên sinh ra giữa hai tiếp điểm. Như hình 3.2 a), khi tiếp điểm động vừa rời khỏi tiếp điểm tĩnh để cắt dòng điện, do khoảng cách giữa chúng rất nhỏ nên điện trường sẽ rất lớn và gây ra hiện tượng phóng điện giữa hai tiếp điểm này. Ảnh hưởng của phóng điện tới các thiết bị đóng cắt? Hiện tượng hồ quang điện thường kèm theo tỏa nhiệt rất lớn, đây chính là nhân tố chính gây ra hỏng hóc hệ thống tiếp điểm và do đó là thiết bị đó. Hình 3.2 b) thể hiện hai tiếp điểm đang làm việc tốt, nhưng khi có hồ quang điện, chúng đã bị phá hủy hoàn toàn như hình 3.2 c). Nghiên cứu về hồ quang điện, giúp chúng ta hiểu bản chất vậy lý của hiện tượng này, từ đó đưa ra các phương pháp thiết kế nhằm hạn chế tối đa ảnh hưởng của hồ quang điện tới các khí cụ điện và nâng cao tuổi thọ của thiết bị. 3.2 Quá Trình Phóng Điện Trong Chất Khí Bình thường, chất khí hầu như không dẫn điện và là môi trường cách điện tốt. Tuy nhiên, trong những điều kiện nhất định, tính cách điện của chất khí bị phá Phóng điện phụ thuộc vào cái gì? vỡ và nó có khả năng dẫn dòng điện rất lớn. Quá trình phóng điện này phụ thuộc vào tính chất của chất khí, áp suất, nhiệt độ của môi trường, vật liệu làm điện cực và độ lớn của cường độ điện trường. Mạch điện ở hình 3.3 a) được sử dụng để thí nghiệm quá trình phóng điện trong chất khí. Hai điện cực bằng kim loại đặt trong ống kín có chất khí với áp suất
5. thấp được mắc nối tiếp với biến trở R và nối với nguồn điện U. Sau một thời gian đóng điện, người ta thấy rằng đặc tính V - A thay đổi theo thời gian và được biểu diễn như hình 3.3 b). u u I II III IV V VI i 800 A 600 Quá trình phóng 400 điện trong chất khí ra sao? 200 i V 0 -5 -4 -3 -2 -1 2 3 10 10 10 10 10 1 10 10 10 a) b) Dựa vào đặc điểm dòng điện và hiệu ứng ánh sáng, đặc tính V - A được chia làm 6 vùng với những đặc trưng khác nhau như sau: Vùng phóng điện tối (I), được đặc trưng bằng dòng điện bé và chưa có hiệu ứng ánh sáng. Vùng quá độ từ phóng điện tối đến phóng điện vầng quang (II ), đặc trưng bằng sự tăng của dòng điện, sự giảm của điện áp và bắt đầu xuất hiện hiệu ứng ánh sáng. Vùng phóng điện vầng quang bình thường (III ), đặc trưng bởi điện áp không đổi trong khi dòng điện thay đổi. Vùng phóng điện vầng quang không bình thường (IV ), đặc trưng bởi sự thay đổi của cả điện áp và dòng điện. Vùng quá độ từ phóng điện vầng quang đến phóng điện hồ quang (V), đặc trưng bởi sự tăng nhanh chóng của dòng điện.
6. Vùng phóng điện hồ quang (VI ), được đặc trưng bằng điện áp thấp, mật độ dòng điện lớn, nhiệt độ vùng hồ quang cao và hiệu ứng ánh sáng mạnh. Như vậy, hồ quang điện là hiện tượng phóng điện trong chất khí với mật độ Hồ quang điện là gì? dòng điện lớn ( từ 102 đến 10 3 A/mm2), điện áp rơi trên catốt bé (10V đến 20V), nhiệt độ hồ quang cao (6000 đến 180000 K ) và kèm theo hiệu ứng ánh sáng. Hiện tượng này bao gồm hai quá trình điện và nhiệt liên quan mật thiết với nhau, lần đầu được môt tả bởi hai nhà bác học nghiên cứu độc lập nhau là Humphry Davy (năm 1801) và Vasily Vladimirovich Petrov (năm 1802). Trên hình 3.4 trình bày sự phân bố điện áp và cường độ điện trường của hồ quang điên, bao gồm ba vùng: vùng canốt, vùng anốt, và vùng thân hồ quang. C A U UA Ec Uthq E thq EA UC l -3 Vùng canốt: có chiều dài ngắn khoảng 10 mm với điện áp UC cỡ 10V đến 3 20V. Vì vậy, cường độ điện trường EC là khá lớn, vào khoảng 20.10 V/mm. Trị số này phụ thuộc vào vật liệu làm điện cực và đặc tính của chất khí . Vùng Anốt: có điện áp rơi thấp hơn, cỡ 5V đến 20V với chiều dài là 10-2mm Phân bố điện trường vì vậy EEAC thấp hơn nhiều so với . trong vùng thân hồ quang? Vùng thân hồ quang: có cường độ điện trường Ehq hầu như không đổi, cỡ từ 1V/mm đến 20V/mm phụ thuộc vào tính dẫn nhiệt, tốc độ chuyển động của các phân tử khí, vận tốc di chuyển của hồ quang .
7. Một trong những hiệu ứng đặc trưng của hồ quang điện đó là nhiệt sinh ra rất lớn. Lợi dụng hiệu ứng này, trong kỹ thuật người ta sử dụng hồ quang điện như là nhân tố hữu ích, ví dụ trong quá trình hàn điện, hay hồ quang điện giúp nung chảy kim loại Các bạn có thể tham khảo những quá trình này bằng những video dưới đây: Hàn điện: 6c KKHWY Bạn có biết rất nhiều Lò nung: video giúp bạn học trên youtude? Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp khác, hiệu ứng nhiệt của hồ quang điện rất có hại, ví dụ như hồ quang điện sinh ra trong các khí cụ điện đóng cắt trên lưới điện. Do nhiệt sinh ra lớn nên hồ quang điện trong nhiều trường hợp là tác nhân gây ra phá hủy các thiết bị điện. zfNj KM Như vậy, nhiều trường hợp ta cần phải tìm cách duy trì hồ quang điện cháy ổn định, nhưng khi nó là nhân tố không mong muốn, thì ta lại cần phải giảm hồ quang tới mức tối thiểu. Để làm được điều này, ta cần hiểu rõ về nguyên nhân phát sinh và dập tắt hồ quang. 3.2 Quá Trình Phát Sinh Và Dập Tắt Hồ Quang Điện Thực chất hồ quang điện là quá trình phóng các hạt mang điện từ cực này sang cực kia. Nếu như số lượng các hạt mang điện sinh ra càng nhiều thì quá trình phóng càng mạnh, hay nói khác hồ quang điện cháy càng mạnh. Từ đây, ta hiểu Quá trình ion hóa và rằng quá trình phát sinh hồ quang chính là là quá trình sinh ra các hạt mang phản ion hóa là gì? điện hay quá trình ion hoá . Ngược lại, quá trình dập tắt hồ quang chính là quá trình làm mất các hạt mang điện hay là quá trình khử ion hóa (phản ion hóa). 3.2.1 Quá trình ion hóa Ở điều kiện bình thường, môi trường chất khí gồm các phần tử trung hoà nên nó không dẫn điện . Nếu các phần tử trung hoà đó bị phân tích thành các điện tử tự do, các ion dương, và các ion âm thì nó trở nên dẫn điện. Quá trình này có thể xảy ra dưới tác dụng của ánh sáng, nhiệt độ, điện trường, va đập Đơn giản, ta
8. thường gặp các dạng sau: tự phát xạ điện tử , phát xạ nhiệt điện tử, ion hoá do va chạm, ion hoá do nhiệt độ cao. a) Quá trình tự phát xạ điện tử: Còn gọi là phát xạ nguội điện tử. Nếu có một điện trường đủ mạnh đặt lên điện cực, các điện tử tự do được cấp năng lượng và có thể bứt ra khỏi điện cực .Do vậy, quá trình này phụ thuộc vào cường độ điện trường E và vật liệu làm điện cực: = 2 - b/E J AC 120.E .e (3.1) trong đó: JAC- là mật độ dòng điện tự phát xạ điện tử sinh ra. E - là cường độ điện trường ở catốt . b - là thông số phụ thuộc vào vật liệu làm catốt . b) Quá trình phát xạ nhiệt điện tử: Khi nhiệt độ của catốt cao các điện tử tự do trong điện cực có động năng lớn, có thể thoát ra khỏi bề mặt kim loại tạo nên dòng điện trong chất khí đó là hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử. Quá trình phát xạ nhiệt điện tử phụ thuộc vào nhiệt độ điện cực, vật liệu làm điện cực và được biểu diễn theo cộng thức: = 2 - b/T JTe 120.T .e (3.2) trong đó: JTe - là mật độ dòng điện do phát xạ nhiệt điện tử sinh ra . T - là nhiệt độ tuyệt đối của catốt . b - là thông số phụ thuộc vào kim loại làm điện cực . c) Ion hoá do va chạm Dưới tác dụng của điện trường với cường độ cao (cỡ103 V/mm ) các điện tử tự do chuyển động với vận tốc lớn, đủ để bắn phá các phân tử trung hoà, tạo nên các ion âm và ion dương mới, đó là quá trình ion hoá do va chạm . Quá trình này
9. phụ thuộc vào cường độ điện trường, mật độ các phần tử trong vùng điện cực, lực liên kết phân tử, khối lượng phân tử. c) Ion hóa do nhiệt độ cao 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 hoá do nhiệt độ. Quá trình này phụ thuộc vào nhiệt độ vùng hồ quang, mật độ các phần tử khí và đặc tính của chất khí . Việc phát sinh hồ quang điện ở trong các thiết bị đóng cắt thường xảy ra trong quá trình cắt. Vì khi tiếp điểm động rời khỏi tiếp điểm tĩnh, làm điện trở tiếp xúc cao, gây sinh nhiệt lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phát xạ nhiệt điện tử. Hơn nữa, tại thời điểm hai tiếp điểm mới tách nhau, cường độ điện trường giữa chúng khá lớn, thuận lợi cho việc tự phát xạ điện tử. 3.2.2 Quá trình khử ion hóa Quá trình khử ion là quá trình ngược với quá trình ion hoá, kết quả của quá trình này sẽ làm giảm số lượng ion trong vùng hồ quang. Quá trình khử ion được đặc trưng bởi hai hiện tượng – hiện tượng tái hợp và hiện tượng khuyếch tán . Hiện tượng tái hợp: là hiện tượng các hạt mang điện trái dấu kết hợp với nhau thành các hạt trung hoà, quá trình này phụ thuộc vào mật độ các phần tử trong vùng hồ quang, nhiệt độ hồ quang . Hiện tượng khuyếch tán: là hiện tượng di chuyển các ion ở vùng có mật độ cao sang vùng có mật độ thấp . Trong hồ quang điện, luôn luôn tồn tại song song hai quá trình ion hoá và khử ion. Nếu quá trình ion hoá lớn hơn quá trình khử ion thì hồ quang sẽ Hồ quang điện cháy phát triển mạnh dòng điện hồ quang tăng. Nếu quá trình khử ion cân bằng hay tắt phụ thuộc vào với quá trình khử ion thì dòng điện hồ quang không tăng hồ quang cháy ổn gì? định. Nếu quá trình khử ion lớn hơn quá trình ion hoá thì dòng điện hồ quang sẽ suy giảm và sẽ tắt.
10. 3.3 Hồ Quang Điện Một Chiều Đối với dòng điện một chiều không đổi, ta thường coi điện cảm L chỉ là dây dẫn điện. Tuy nhiên, khi dòng điện thay đổi (xảy ra ngay khi trong mạch xảy ra Vì sao mạch điện quá trình đóng cắt nào đó), thì điện cảm L sẽ tham gia và thay đổi quá trình thường được mô tả tương tác điện từ trường trong mạch. Chúng ta sẽ thấy ở phần dưới rằng, điện bởi R và L? U0 U I (1) U0 R A UR L L di (2'') dt (2') B Uhq (2) I (3) Uhq 0 a) b) áp rơi trên điện cảm L sẽ quyết định đặc tính của hồ quang. Trên hình 3.4 a) thể hiện một mạch điện một chiều điển hình khi có hồ quang điện. Nó gồm điện trở R - đặc trưng cho công suất tác dụng, điện cảm L và hai điện cực hồ quang nối tiếp với nguồn một chiều U0 . Phương trình cân bằng điện áp của mạch: = + + = + di + U0 U R U L U hq i.R L U hq (3.3) dt Biểu diễn phương trình (3.3) băng hình như trên hình vẽ 3.4 b). Đường (1) biểu diễn điện áp nguồn, đường (2) là đặc tính tĩnh của hồ quang (đặc tính này chỉ áp dụng đồi với dòng điện hồ quang biên thiên chậm, chiều dài hồ quang và môi trường cháy ít biến động), đường (3) là đặc tính tải (U0 -UR ).
11. 3.3.1 Điều kiện cháy ổn định và dập tắt hồ quang Từ phương trình cân bằng điện áp trình hình vẽ 3.4b), ta có thể đánh giá đặc tính của hồ quang điện là cháy ổn định hay đang tắt dần. Xét trường hợp, đặc tính hồ quang (2) cắt đặc tính tải (1) tại hai điểm A và B. Tại hai điểm này di /dt = 0 (do UL = 0), nghĩa là dòng điện hồ quang không Khi nào hồ quang thay đổi hay nói cách khác hồ quang điện đạt trạng thái cân bằng. điện một chiều cháy ổn định? Giả sử, hồ quang điện cân bằng tại điểm A, vì một lý do nào dó dòng điện suy giảm, vì vậy mà Ldi /dt 0, dẫn đến dòng điện tiếp tục tăng đến điểm B. Vậy điểm A là điểm cân bằng không ổn định của hồ quang. Xét điểm cân bằng tại điểm B, nếu dòng điện suy giảm, Ldi /dt > 0 (bên trái điểm B), dẫn đến dòng điện tăng và đẩy điểm làm việc trở lại điểm B. Ngược lại, nếu dòng điện tăng, Ldi /dt < 0, dẫn đến dòng điện giảm, kéo điểm làm việc trở lại B. Vậy điểm B là điểm cân bằng ổn định của hồ quang . Xét trường hợp đặc tính hồ quang không cắt đặc tính tải như đường (2'’). Khi đó UL = Ldi/dt <0, dòng điện giảm dần - nghĩa là hồ quang điện không cân bằng mà đang tắt dần. Kết luận, muốn có hồ qang điện một chiều cháy ổn định thì đường đặc tính hồ quang phải cắt đường đặc tính tải. Trong trường hợp giữa chúng chỉ có một điểm chung như trường hợp đường (2') ta gọi là trường hợp tới hạn, còn nếu đặc tính hồ quang cao hơn đặc tính tải như đường (2'') thì hồ quang sẽ tắt. 3.3.2 Quá điện áp và năng lượng hồ quang Quan hệ điện áp, dòng điện và chiều dài của hồ quang một một chiều cháy tự do trong không khí được biểu diễn bởi C + Dl U = A + Bl + hq (3.4) hq hq I n
12. Trong đó: A, B, C, D là các hằng số phụ thuộc vào vật liệu điện cực, điều kiện cháy và môi trường cháy của hồ quang; I là dòng điện hồ quang; lhq là chiều dài hồ quang; n là hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ anốt. Vì sao cần tăng điện Từ công thức trên ta thấy rằng, để tăng điện áp hồ quang thì chỉ cần tăng áp của hồ quang? chiều dài hồ quang. Năng lượng hồ quang điện liên quan mật thiết đến quá trình dập tắt hồ quang và tổn hao năng lượng. Lưu ý, hồ quang điện là một điện trở phi tuyến, nên công suất hồ quang được tính bởi. = = 2 Phq Uhq Ihq rhq Ihq (3.5) Tuy nhiên, vì việc xác định điện trở rhq là khá phức tạp vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố nên ta có thể xác định năng lượng hồ quang có thể được tính từ phương trình điện áp như sau di t t t = + + ̃ = ( - ) + U Uhq i R L ̣Uhq i dt ̣U iR i dt ̣Li di dt 0 0 0 t = Đặt ̣ U h q i d t A h q ta có, 0 t t t 2 = ( - ) + = ( - ) + Li Ahq ̣U iR i dt ̣Li di ̣U iR i dt (3.6) 0 0 0 2 Như vậy, năng lượng hồ quang gồm hai thành phần: Năng lượng tổn hao Phân bố năng lượng trên thân hồ quang khi cháy, nó phụ thuộc vào thời gian cháy, điện áp hồ quang điện? nguồn, điện trở tải và dòng điện hồ quang. Thành phần thứ hai là năng lượng hồ quang dự trữ trong mạch có độ lơn Li2 /2. Đối với các thiết bị đóng cắt cho mạch có điện cảm L lớn, thì thành phần năng lượng dự trữ là rất lớn, nên việc dập hồ quang trở lên rất khó khăn. Thông thường, người ta sử dụng một số phương pháp để nhanh chóng tiêu tán năng lượng từ này trong quá trình cắt mạch. Ngoài ra, khi cắt mạch một chiều, ta thường phải quan tâm đến hiện tượng quá điện áp. Từ phương trình (3.3), ta có:
13. di - i.R - L = U - U = D U dt hq 0 (3.7) Khi L lớn, thì độ quá điện áp rất lớn có thể chọc thủng cách điện của thiết bị điện. Như vậy, đối với việc việc cắt mạch điện một chiều có điện kháng L lớn, thì Vì sao cần phải giảm người ta phải sử dụng một số phương pháp để tiêu tán năng lượng dự trữ và năng lượng và điện áp hồ quang? giảm quá điện áp. Các biện pháp đơn giản và thương dùng được nêu ở hình 3.5. Ở trường hợp 3.5 a) điện trở r được mắc song song với tải với trị số r = (5 ÷ 7)R, tuy nhiên phương pháp này thường gây tổn hao lớn trên điện trở phụ r. Trường hợp 3.5 b) người ta mắc song song tải với điện trở r và tụ điện C để tránh tổn hao ở chế độ xác lập. Tuy nhiên, để tránh cộng hưởng điện sau khi cắt mạch điện thì 2 L æ R + r ö < ç ÷ C è 2 ø (3.10) Trường hợp trên hình 3.5 c) điốt D được mắc song song với tải, khi ấy năng lượng dự trữ sẽ được tiêu tán rất nhanh qua điện trở R. Tuy nhiên, phải chọn kích cỡ van thích hợp vì dòng xung kich rất lớn. Quá trính tiêu tán năng lượng trong các U U0 U0 0 mạch điện này? R R C R r r D L L L a) b) c)
14. 3.4 Hồ Quang Điện Xoay Chiều Khi nghiên cứu về hồ quang điện, người ta thấy răng đặc tính của hồ quang giống như là một điện trở phi tuyến có dòng điện và điện áp trùng pha nhau. Trên hình vẽ 3.6 a) mô tả đặc tính Vôn – Ampe của hồ quang điện xoay chiều. Đối với mạch xoay chiều, dòng điện biến thiên hình sin, nên ta cần phải xem xét đặc tính V-I của hồ quang trong mối quan hệ này. Từ đặc tính hình 3.6a) ta thấy rằng, khi dòng điện tăng lên từ không, thì điện áp giữa hai cực hồ quang tăng dần lên tới giá trị Uc , tại đây hồ quang bắt đầu cháy. Khi hồ quang cháy, điện áp giản dần nhưng dòng điện vẫn tăng. Nếu dòng điện giảm, thì điện áp sẽ tăng trở lại tới giá trị Ut , khi ấy hồ quang sẽ tắt, sau đó điện áp cũng giảm dần theo giá trị dòng điện. Quá trình tương tự khi dòng điện biến thiên theo chiều ngược lại. u~ i~ R u, i Cháy i Tắt L uc ut t k ωt Tại sao điện áp giữa u hai cực lại không sin uc như hình vẽ? ut i a) b) Hình 3.6 b) trình bày dạng sóng của dòng điện và điện áp hồ quang. Trong 1/4 chu kỳ đầu, điện áp hồ quang tăng nhanh đến trị số cháy Uc (theo điện áp nguồn) Khi hồ quang cháy, điện áp giảm dần tới một giá trị xác lập. Dòng điện tăng từ không đến điểm cháy và đạt trị số cực đại tại t = T/4. Ở 1/4 chu kỳ sau, dòng điện giảm dần tới một giá trị thì điện áp hồ quang tăng tới Ut thì hồ quang
15. tắt, điện áp và dòng điện giảm dần về không. Nếu hồ quang cháy ổn định thì quá trình lặp lại ở nửa chu kỳ sau. Tại thời điểm dòng điện đi qua không, hồ quang không được cấp năng lượng nên quá trình khử ion xảy ra ở vùng điện cực rất mạnh và nếu điện áp đặt lên hai điện cực bé hơn trị số điện áp cháy thì hồ quang sẽ tắt hẳn . Cần chú ý rằng dòng Vì sao dòng điện điện đi qua giá trị không nó không còn biến thiên theo quy luật hình sin liên tục trong mạch có hồ quang không sin? nữa, vì lúc này quá trình khử ion xảy ra rất mạnh nên điện trở hồ quang lớn có thể coi như dòng điện bằng không . Khoảng thời gian này phụ thuộc vào đặc tính tải, dòng điện hồ quang và gọi là thời gian không dòng điện hồ quang tk như hình vẽ3.6 b). Quá trình phục hồi độ bền điện và phục hồi điện áp Khi cắt mạch điện hai tiếp điểm tách rời nhau và giữa chúng phát sinh hồ quang điện. Khi dòng điện đi qua giá trị không, ở khu vực hồ quang đồng thời xảy ra hai quá trình: quá trình phục hồi độ bền điện và quá trình phục hồi điện áp . Quá trình phục hồi độ bền điện được đặc trưng bởi quá trình khử ion mãnh liệt khi dòng điện đi qua không, và làm khu vực hồ quang mất dần tính dẫn điện. Đại lượng đặc trưng cho độ cách điện giữa hai điện cực là điện áp chọc thủng Uct nghĩa là để hồ quang điện cháy lại thì điện áp giữa hai cực phải lớn hơn điện áp Uct này. Thường khi i = 0, Uct0 có trị số vào khoảng 150V đến 250V ở môi trường không khí và hồ quang cháy tự nhiên. Sau đó Uct tăng tuyến tính theo thời gian và phụ thuộc vào môi trường cháy của hồ quang và trang bị dập hồ u uct quang như hình 3.7 Quá trình phục hồi điện áp là quá trình uph Điều kiện để dập tắt thành lập điện áp trên hai cực kể từ khi hồ hồ quang điện xoay uct0 quang tắt cho tới khi điện áp đạt trị số điện chiều là gì? áp nguồn và thay đổi bằng điện áp này cho tới khi hồ quang cháy lại. Quá trình này t diễn ra phức tạp và phụ thuộc vào đặc tính của mạch điện cắt .
16. Sau thời điểm dòng điện bằng không nếu trị số điện phục hồi thấp hơn trị số điện áp chọc thủng thì hồ quang sẽ tắt hẳn. Vì vậy, điều kiện để dập tắt hồ quang điện xoay chiều là đặc tuyến của quá trình phục hồi độ bền điện phải nằm cao hơn và không cắt đặc tuyến của quá trình phụ hồi điện áp giữa hai tiếp điểm. 3.5 Các Biện Pháp Dập Hồ Quang Điện Hiện tượng hồ quang điện đôi khi mang lại rất nhiều lợi ích như sử dụng để hàn hay nung chảy kim loại, Đối với những trường hợp này, các kỹ sư cần phải nghĩ ra các biện pháp để duy trì hồ quang điện cháy ổn định. Ngược lại, đối với các khí cụ điện, hồ quang điện sinh ra do quá trình đóng cắt dòng điện trong mạch gây ra tác hại rất lớn. Nếu không có biện pháp dập tắt, hồ quang điện sẽ nung chảy, phá hủy hệ thống tiếp điểm và toàn bộ thiết bị. Để dập tắt hồ quang điện, ta phải có các biện pháp để tăng quá trình phản ion. Hơn nữa, để đảm bảo tuổi thọ của các thiết bị đóng cắt thì quá trình dập hồ quang phải đảm bảo yêu cầu: Hạn chế phạm vi và dập tắt được hồ quang với thời gian nhỏ nhất Yêu cầu dập hồ quang đối với các Tốc độ đóng mở tiếp điểm phải lớn khí cụ điện? Năng lượng hồ quang sinh ra phải bé, điện trở hồ quang phải tăng nhanh Tránh hiện tượng quá điện áp khi dập hồ quang Để đảm bảo các yêu cầu trên, tùy thuộc vào cấp điện áp của thiết bị là hạ áp hay cao áp mà các kỹ sư thiết kế các biện pháp phù hợp. Các biện pháp là rất đa dạng trong thực tế, tuy nhiên, có một số nguyên tắc để dập hồ quang như: 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. Những kỹ sư thiết kế thường không sử dụng một phương pháp đơn lẻ, mà kết hợp nhiều phương pháp với nhau để đạt hiệu quả tối đa. Sau đây, ta sẽ xem xét các biện pháp được thiết kế để dập hồ quang trong các thiết bị điện hạ áp và thiết bị cao áp trong thực tế.
17. 3.5.1 Dập hồ quang trong thiết bị điện hạ áp Đối với thiết bị hạ áp, điện áp làm việc nhỏ hơn 1000V, nên việc dập hồ quang thường dễ dàng hơn so với các thiết bị điện cao áp (điện áp lớn hơn 1000V). Trong một thiết bị, người ta thường kết hợp nhiều phương pháp với nhau như hình 3.9 để có thể dập tắt hồ quang nhanh chóng. Các phần tử được dùng để dập hồ quang được đặt cạnh nhau tạo thành buồng dập hồ quang. Buồng dập hồ quang Dàn dập Vì sao nhiều phương pháp được kết hợp để dập hồ quang? Tiếp điểm hồ quang Đường đi hồ quang Tiếp điểm chính
18. Trên hình vẽ 3.9, thể hiện các phương pháp mà các kỹ sư thường sử dụng để dập hồ quang. Bao gồm các phương pháp sau: a) Kéo dài hồ quang bằng cơ khí Kéo dài hồ quang làm cho đường kính hồ quang giảm, điện trở hồ quang sẽ tăng dẫn đến tăng quá trình phản ion để dập hồ quang. Tuy nhiên biện pháp này chỉ thường hiệu quả ở mạng hạ áp có điện áp nhỏ hơn hoặc bằng 220V và dòng điện tới 150 A như là ở rơle, hoặc các thiết bị điều khiển khác. Khi giá trị điện áp và dòng điện lớn hơn, thì cần phải kết hợp với các phương pháp khác. b) Phân chia hồ quang ra làm nhiều đoạn ngắn Trong buồng hồ quang ở phía trên người ta đặt thêm dàn dập hồ quang làm từ nhiều tấm thép non. Khi hồ quang xuất hiện, do lực điện động, hồ quang sẽ bị đẩy vào giữa các tấm thép và bị chia ra làm nhiều đoạn ngắn. Để tăng cường Hồ quang dễ bị dập tính hiệu quả, người ta dùng thêm một cuộn dây mắc nối tiếp với tiếp điểm tắt khi được chia ra chính tạo ra từ trường, từ trường này sẽ sinh ra một lực điện từ kéo dài và đẩy làm nhiều đoạn? hồ quang vào dàn dập hồ quang để tăng quá trình phản ion. Dàn dập hồ quang
19. c) Sử dụng tiếp điểm phụ chịu hồ quang Đối với tiếp điểm, vật liệu cần phải chọn để dẫn điện rất tốt. Tuy nhiên, khi tính dẫn điện tăng lên thì khả năng chịu đựng hồ quang của tiếp điểm đó lại giảm xuống. Trong thiết kế, người ta bố trí hai loại tiếp điểm: tiếp điểm chính dùng Khi nào cần làm để dẫn điện và tiếp điểm phụ dùng để chịu hồ quang hay còn gọi là tiếp điểm hồ thêm tiếp điểm phụ chịu hồ quang? quang. Khi đóng điện, tiếp điểm phụ đóng trước nhưng khi cắt điện thì tiếp điểm phụ nhả ra sau cùng như hình 3.11. Như thế, hồ quang điện chủ yếu sinh ra ở tiếp điểm phụ mà thôi e) Kết cấu tiếp điểm kiểu bắc cầu Phương pháp này đó là phân chia một tiếp điểm ra làm hai tiếp điểm song song nhau như hình 3.9. Khi cắt mạch điện, hồ quang được phân chia làm hai đoạn và đồng thời do kết cấu sẽ sinh ra lực điện động tác động lên ngọn lửa hồ quang, làm cho nó bị kéo dài ra làm tăng hiệu quả dập. Tiếp điểm chịu hồ quang Tiếp điểm Tiếp điểm động tĩnh Tiếp điểm chính
20. 3.5.2 Dập hồ quang trong thiết bị điện trung và cao áp Đối với các thiết bị này, do điện áp lớn, nên việc dập tắt hồ quang khó hơn rất nhiều so với các thiết bị hạ áp. Ngoài việc kết hợp các phương pháp được nói đến ở phần hạ áp, thì với các thiết bị cao áp này các kỹ sư phải sử dụng thêm Dập hồ quang trong nhiều biện pháp tăng cường rất phức tạp để có thể dập tắt hồ quang. Nổi bật thiết bị cao áp và hạ trong số đó chính là thay thế môi trường không khí bằng môi trường dập hồ áp có gì khác? quang tốt hơn như dầu máy biến áp, khí SF 6, hay chân không. a) Dập hồ quang trong dầu biến áp kết hợp phân chia hồ quang Như thể hiện trên hình 3.8 a). Ở các máy cắt trung áp các tiếp điểm cắt được ngâm trong dầu biến áp, khi cắt hồ quang xuất hiện sẽ đốt cháy dầu sinh ra hỗn hợp khí (chủ yếu là hydro) làm tăng áp suất vùng hồ quang, đồng thời giảm nhiệt độ hồ quang. Các máy cắt điện áp cao mỗi pha thường được phân ra làm nhiều chỗ ngắt nhằm tăng tính hiệu quả dập hồ quang. b) Dập hồ quang bằng khí nén Dùng khí nén trong bình có sẵn hoặc hệ thống ống dẫn khí nén để khi hồ quang xuất hiện (tiếp điểm khi mở) sẽ làm mở van của bình khí nén. Khí nén sẽ thổi dọc hoặc ngang thân hồ quang làm giảm nhiệt độ và kéo dài hồ quang vào dàn dập hồ quang như hình 3.8 b) Bình Cách điện Bong bóng khí Tiếp điểm tĩnh Dòng khí nén Hồ quang Dầu Tiếp điểm động Buồng khí
21. c) Dập hồ quang trong chân không Do tiến bộ về công nghệ, phương pháp này đang ngay càng phồ biến đối với các thiết bị trung áp và cao áp. Hệ thống tiếp điểm được đặt trong môi trường áp suất chỉ khoảng 10-6 đến 10 -8 N/ cm 2 như hình 3.9a). Ở môi trường này thì độ bền điện cao hơn rất nhiều độ bền điện của không khí nên hồ quang nhanh chóng bị dập tắt. d) Dập hồ quang trong môi trường SF 6 Trong các máy cắt điện cao áp và siêu cao áp hiện nay, buồng dập hồ quang sử dụng chủ yếu khí SF 6. Khí được nén ở áp suất tới khoảng 200 N/cm2 hoặc cao hơn. Khi hồ quang pháp sinh, khí nén này sẽ được thổi trực tiếp vào thân hồ quang để dập tắt như hình 3.9b). Khí SF 6 là chất khí có tính cách điện gấp nhiều lần so với không khí, do đó hầu hết máy cắt cao áp sử dụng khí này trong những năm gần đây. Khí SF 6 thổi khi dập hồ quang 3.6 Tài liệu tham khảo 1. Phạm Văn Chới, Bùi Tín Hữu, Nguyễn Tiến Tôn, Khí Cụ Điện, In lần thứ 6, 2010, NXBKHKT 2.
22. Cuộc tranh tài giữa máy cắt SF 6 và máy cắt chân không Máy cắt chân không được sử dụng điển hình ở cấp điện áp trung áp từ 1 kV đến hơn 40 kV, đóng cắt dòng điện từ 100 A đến hơn 4000 A, khả năng cắt dòng sự cố từ 6 kA đến 63 kA. Các máy cắt này thích hợp đối với tần số công nghiệp trong dải từ 16,66 Hz đến 400 Hz. Do không ngừng được cải tiến, kích thước của máy cắt chân không điển hình cấp điện áp 15 kV giảm liên tục, đường kính buồng dập hồ quang từ 180 mm năm 1967 giờ đây chỉ còn là 50 mm. Việc sử dụng vật liệu hợp kim Cu-Cr để chế tạo các tiếp điểm từ năm 1980 đã tạo ra một sự tiến bộ vượt bậc về tính năng làm việc so với trước đây khi còn sử dụng vật liệu đồng nguyên chất và các hợp kim khác như là Cu- Bi. Công nghệ chân không là một trong số bốn công nghệ được sử dụng rộng rãi cho cấp điện áp trung áp để cắt mạch điện. Các công nghệ khác là không khí, dầu và khí SF 6. Việc sử dụng máy cắt dầu và máy cắt không khí đã sụt giảm đáng kể trong vòng 30 năm qua (xem hình vẽ), và chỉ còn lại những đối thủ thực sự là máy cắt chân không và máy cắt SF 6. Mặc dầu công nghệ SF 6 chiếm vị thế áp đảo ở cấp điện áp cao, tuy nhiên công nghệ chân không lại được ưa chọn hơn đối với dải điện áp 1 - 40 kV, ở góc độ kỹ thuật cũng như môi trường. Những mặt hạn chế của SF 6 Thậm chí ngay cả khi công nghệ chân không được sử dụng để cắt dòng điện thì vẫn còn nhiều nhà sản xuất sử dụng SF 6 làm môi chất cách điện trong các thiết bị đóng cắt cách điện bằng chất khí (gas insulated switchgear - GIS ), kể cả ở các trạm mạch vòng và trạm biến áp. Nhiều yếu tố về môi trường chống lại việc sử dụng SF 6 để cắt dòng điện và trong trường hợp này, những yếu tố đó lại càng thể hiện rõ hơn bởi vì SF 6 là khí nhà kính nguy hại (một trong sáu loại khí đã được nêu đích danh trong Nghị định thư Kyoto), và SF 6 lại nặng hơn không khí vì thế nếu bị rò rỉ trong một không gian hạn chế sẽ có thể gây ngạt thở. Mặc dầu nồng độ khí SF 6 trong khí quyển thấp hơn nhiều so với các loại khí nhà kính khác như CO 2 và mêtan (Ch4), nhưng tiềm năng gây ấm toàn cầu (global warming potential - GWP ) của SF 6 lại cao gấp 24.000 lần so với CO 2, thời gian tồn tại của nó trong khí quyển ước tính là khoảng 3.200 năm so với 50 - 200 năm đối với CO 2. Các thiết bị đóng cắt cách điện bằng chất khí cần được theo dõi thường xuyên để đảm bảo không có rò rỉ khí và phải có những biện pháp đề phòng đặc biệt khi cho thiết bị thôi làm việc. Trái lại, các hệ thống cắt điện trong chân không, sử dụng cách điện rắn nên an toàn và không cần phải bảo dưỡng. Một nhược điểm nữa của SF 6, đó là việc dập hồ quang hoặc hồ quang bên trong sẽ tạo ra một số sản phẩm phân hủy nguy hiểm và độc hại, nên khi làm việc với các thiết bị chứa khí SF 6 cần có những biện pháp dự phòng đặc biệt. Đương nhiên là sử dụng các thiết bị chứa khí SF 6 ở khu vực đô thị hay thậm chí bên trong các tòa nhà sẽ gặp nhiều rủi ro. Nghiêm trọng hơn nữa là việc phải xử lý những thiết bị đã hết hạn sử dụng, một vấn đề rất phức tạp, có thể so sánh với việc xử lý chất PCB (polychlorinated biphenyl) trong máy biến áp. Cắt điện trong chân không Những lợi ích cơ bản của việc cắt điện trong chân không ở cấp điện áp trung áp là: Tuổi thọ dài, tính năng điện vượt trội, vận hành không cần bảo dưỡng, chấp nhận được về mặt môi trường. Tuổi thọ dài. Cắt dòng điện trong chân không là công nghệ đã được triển khai đầy đủ với độ tin cậy đã được khẳng định. Độ kín chân không được đảm bảo nhờ áp dụng các kỹ thuật hàn hiện đại trong lò chân không, nhờ đó buồng hồ quang giữ được độ chân không trong vòng ít nhất là 20 năm, vượt xa tuổi thọ cơ khí của máy cắt. Kinh nghiệm cho thấy nếu có xảy ra rò rỉ gioăng chèn kín thì chúng thường phát sinh sớm vì vậy những thử nghiệm khắt khe trong quá trình sản xuất sẽ đảm bảo phát hiện ra những sai lỗi như vậy trước khi thiết bị được đưa đến nơi lắp đặt. Các buồng cắt chân không của hãng Eaton cũng thỏa mãn các yêu cầu cao về tuổi thọ thao tác ngắn mạch qui định trong tiêu chuẩn IEC phiên bản mới nhất. Tính năng vượt trội. Buồng cắt chân không cũng thích hợp cho những ứng dụng rất đa dạng ở cấp điện áp trung áp, bao gồm bảo vệ thứ cấp máy biến áp, cắt dòng sự cố ngay đầu đoạn đường dây, đóng cắt tụ điện và đóng cắt động cơ. Điện áp chịu đựng dòng xoay chiều tần số công nghiệp thường gấp từ 2 đến 4 lần giá trị điện áp vận hành bình thường, còn điện áp chịu đựng xung sét gấp 4 - 12 lần điện áp vận hành bình thường. Vận hành không cần phải bảo dưỡng. Không cần phải kiểm tra thường xuyên và cũng không cần đến thiết bị theo dõi tốn kém để kiểm tra xem có bị rò rỉ khí hay không, như đối với thiết bị đóng cắt Sf6. Thân thiện với môi trường. Buồng cắt chân không được chế tạo từ các vật liệu có thể thu hồi và tái chế khi đã hết hạn sử dụng. Không chứa khí nhà kính, ví dụ như SF 6, không chứa đựng rủi ro tiềm tàng đối với sức khỏe con người bởi những sản phẩm phân hủy tạo ra do phóng điện hồ quang. Không cần phải có những biện pháp phòng ngừa đặc biệt để bảo vệ môi trường khi xảy ra rò rỉ hay trong quá trình xử lý thiết bị đã hết hạn sử dụng. Cách điện khí hay cách điện rắn? Buồng cắt chân không có khả năng chịu được những điện áp rất cao, điều đó có nghĩa là có thể thiết kế với kích thước rất nhỏ gọn, ví dụ như với khe hở tiếp điểm là 9 mm có thể chịu được điện áp 24 kV hiệu dụng trong 1 phút, tức là mức cách điện cơ bản (basic insulation level BIL ) là 185 kV. Tuy nhiên, nếu chỉ xét về mặt kích thước thì yếu tố giới hạn chính lại là độ bền cách điện điện môi bên ngoài, ví dụ
23. như một buồng dập hồ quang có chiều dài sứ cách điện là 150 mm sẽ chỉ có mức cách điện cơ bản là 125 kV ở trong không khí. Vì lý do đó, người ta thường bao bọc buồng cắt chân không trong môi chất điện môi - khí SF 6 hoặc dầu - để có thể làm giảm chiều dài buồng cắt và thu hẹp hơn khoảng không gian giữa các cực. Mức cách điện cơ bản của buồng cắt dài 150 mm được tăng lên đến 170 kV. Dầu ngày càng ít được sử dụng do nguy cơ hỏa hoạn, tuy nhiên khí SF 6 vẫn còn được sử dụng phổ biến cho dù gặp phải một số vấn đề về môi trường như đã đề cập ở trên. Hơn nữa, nếu như bị rò rỉ khí thì đặc tính cách điện sẽ bị giảm đi một cách đáng tiếc. Một phương pháp tiếp cận thay thế khác mà Eaton đã sử dụng trong hơn 25 năm qua là bọc buồng cắt chân không trong một hợp chất cách điện như polyurethane và/hoặc epoxy để giảm hơn nữa kích thước. Sử dụng dạng profin tạo nên các xiêm giống như các cách điện đường dây trên không, có thể tăng chiều dài đường rò để sử dụng cho vùng đô thị và vùng công nghiệp, nơi có mức độ ô nhiễm không khí cao hoặc nhiều ngưng tụ. Có khi toàn bộ buồng cắt chân không và thanh cái gắn với nó được đúc trong cách điện rắn, cũng có khi buồng cắt chân không được đặt trong vỏ cách điện rắn, và khoảng không gian giữa buồng cắt và vỏ cách điện được đổ đầy một loại vật liệu, ví dụ như polyurethane. Khả năng chịu đựng điện áp cao Thông thường, buồng cắt chân không phải chịu điện áp xoay chiều danh định tần số điện công nghiệp (quá điện áp xuất hiện khi thao tác đóng cắt trong hệ thống điện) bằng 2 - 4 lần điện áp danh định của hệ thống và điện áp xung sét danh định bằng từ 4 - 12 lần điện áp danh định của hệ thống. Trong vận hành, máy cắt thường ở vị trí đóng vì thế mà các quá điện áp, ví như do sét, hầu như chỉ ảnh hưởng đến các cách điện giữa dây và đất hoặc giữa các dây với nhau. Khi có xung sét xuất hiện trên các tiếp điểm mở của buồng cắt chân không, điều này hiếm xảy ra, nó sẽ đánh thủng khe hở giữa các tiếp điểm đó, thì dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp chỉ chạy qua trong một nửa chu kỳ để rồi khi chạy qua giá trị 0, dòng điện sẽ bị cắt bởi các tiếp điểm đã mở. Đặc điểm này lại không có được ở các máy cắt kiểu thổi khí SF 6, không khí hay máy cắt ít dầu vì rất có thể chúng đã bị nổ. Đặc tính vốn có nữa của máy cắt chân không là các tiếp điểm được sửa một cách tự động. Các chỗ sần sùi có thể phát sinh trên các bề mặt tiếp xúc do các tiếp điểm va chạm nhau sẽ được mài nhẵn đi do hiện tượng phóng điện xảy ra khi mở các tiếp điểm khi máy cắt đang mang tải. Eaton đã lợi dụng đặc điểm này trong quá trình chế tạo máy cắt: sửa các tiếp điểm bằng cách đặt điện áp cao lấy từ nguồn có tổng trở lớn lên các tiếp điểm đang mở. Buồng cắt chân không có tính năng rất cao khi vận hành đóng cắt dòng tải, vượt xa tuổi thọ cơ khí của tất cả các loại máy cắt và máy cắt đóng lặp lại (recloser) có lắp buồng cắt chân không. Do vậy, chúng được sử dụng để đóng cắt dòng điện trong ngành đường sắt, với yêu cầu về tuổi thọ điện và cơ khí là trên 250.000 lần thao tác, đóng cắt động cơ với trên 1 triệu lần thao tác, đóng cắt lò hồ quang và đóng cắt tụ điện. Buồng cắt chân không luôn cắt được dòng điện hồ quang khi dòng điện đi qua giá trị 0 đầu tiên, một khi khe hở tiếp điểm đủ lớn để chịu được điện áp phục hồi. Hiện tượng mòn tiếp điểm chỉ xảy ra ở cực âm, thế nhưng do có rất nhiều vết chuyển động ngẫu nhiên quanh cực âm, kết quả là ăn mòn đồng đều. Vật liệu bị ăn mòn sẽ đọng đồng đều trên bề mặt cực dương. Tuy nhiên, cực tính của các tiếp điểm lại thay đổi một cách ngẫu nhiên, lúc thì là cực âm, lúc lại là cực dương. Vì thế mà hiệu ứng ăn mòn triệt tiêu nhau do vật liệu di chuyển qua lại giữa hai cực. Sự ăn mòn chậm và đồng đều này cùng với việc ngắt hồ quang được thực hiện trong môi trường chân không do vậy điện trở tiếp xúc (Rc) luôn giữ ở mức thấp trong suốt thời gian tuổi thọ của buồng cắt chân không. Trái lại, điện trở tiếp xúc của máy cắt SF 6 tăng lên trong trong thời gian tuổi thọ của máy do ảnh hưởng của các phản ứng hóa học xảy ra trên bề mặt tiếp điểm trong khi và sau khi phát sinh hồ quang. Hơn nữa, bột florua kim loại do hồ quang tạo ra có thể tác động xấu tới sự hoạt động của máy cắt bởi đó là loại vật liệu cách điện. Cắt ngắn mạch Buồng cắt chân không cũng có tính năng vượt trội về cắt dòng ngắn mạch trong dải 2 - 63 kA hiệu dụng. Các buồng cắt chân không của hãng Eaton được thiết kế để cắt được dòng ngắn mạch toàn phần ít nhất là 100 lần. Trong thực tế, dòng sự cố bằng 80% dòng điện ngắn mạch danh định đã là chuyện hãn hữu còn hầu hết các sự cố đều có dòng thấp hơn nhiều. Đối với dòng điện sự cố trên 5 kA thì nhất thiết phải khống chế hồ quang bởi vì nó có xu hướng co chặt lại ở dạng cột. Hai kỹ thuật được sử dụng, đó là từ trường ngang trục (transverse magnetic field - TMF ) khiến cho hồ quang phải quay xung quanh các bề mặt tiếp điểm và từ trường dọc trục (axial magnetic field - AMF ) làm khuyếch tán hồ quang. Hãng Eaton thiên về kỹ thuật AMF bởi vì có thể định dạng từ trường này sao cho đạt được tính năng cao áp tốt nhất có thể và duy trì được dạng này sau khi cắt ngắn mạch. Điện áp phục hồi quá độ Buồng cắt chân không với các tiếp điểm được chế tạo từ hợp kim Cu-Cr có khả năng chịu đựng tuyệt vời các điện áp phục hồi quá độ tăng nhanh, xuất hiện khi có sự cố thứ cấp ở máy biến áp, máy phát và các sự cố đầu đường dây trên không. Sự cố thứ cấp ở máy biến áp. Khi buồng cắt chân không được đặt gần một máy biến áp công suất lớn thì tần số riêng rất cao của máy biến áp
24. biến áp kết hợp với điện dung thấp tại các liên kết có thể gây ra một điện áp phục hồi quá độ rất nhanh, dưới 10 ms đối với sự cố thứ cấp, trong khi đó hằng số thời gian danh định (T3) đối với máy cắt trong nhà là 60 ms. Người ta đã chứng minh được rằng các buồng cắt chân không, tiếp điểm được làm bằng Cu-Cr sẽ cắt tin cậy được trên 99,9% số các sự cố thứ cấp ở máy biến áp. Sự cố đầu đường dây trên không. Các đường dây trên không tạo ra điện áp phục hồi quá độ dạng răng cưa có sườn trước rất dốc khi có sự cố xảy ra ngay gần máy cắt. Đối với các buồng cắt SF 6, tốc độ suy giảm nhiệt độ khí là cùng bậc với tốc độ gia tăng của điện áp phục hồi (rate of rise of recovery voltage - RRRV ) khiến cho buồng cắt khó có thể chịu được RRRV này. Tuy nhiên đối với buồng cắt chân không, tốc độ suy giảm nhiệt độ plasma và nhiệt độ tức thời của cực âm lại cao hơn nên buồng cắt chân không sẽ chịu đựng dễ dàng điện áp phục hồi quá độ xuất hiện ở đầu đường dây trên không. Cần tính đến sự tương tác giữa buồng cắt chân không và các thành phần điện cảm trong mạch điện phân phối (động cơ, máy biến áp và kháng bù ngang) khi xuất hiện các xung điện áp tại các đầu nối. Các xung này có thể là do sét gây ra hoặc do đóng hoặc cắt mạch điện. Áp dụng trên lưới điện phân phối các kỹ thuật triệt xung thông thường cũng có thể giải quyết được xung sét, vì thế cái mà ta cần quan tâm xem xét là vấn đề xung đóng cắt. Nói chung, tất cả các công nghệ, dù là chân không, SF 6, dầu hay không khí, cũng đều vấp phải những khó khăn rắc rối như nhau phát sinh khi đóng và mở mạch điện. Khi một thiết bị đóng cắt đóng mạch, có thể sẽ xảy ra phóng điện trước giữa các tiếp điểm đang khép vào, kết quả là có thể xuất hiện một sóng chạy tại thành phần cảm ứng và tại đó nó sẽ được phản xạ trở lại buồng cắt. Các sóng đó có thể chạy qua chạy lại nhiều lần và có thể gây phóng điện trở lại trong buồng cắt. Hiện nay đã có nhiều kỹ thuật triệt xung để bảo vệ động cơ, máy biến áp và cuộn kháng bù ngang khỏi ảnh hưởng của các xung này. Đóng cắt tụ điện. Buồng cắt chân không loại tiếp điểm bằng hợp kim Cu-Cr tỏ ra rất hiệu quả trong việc đóng cắt các dàn tụ điện cho dù phải đóng cắt thường xuyên theo yêu cầu của hệ thống hiệu chỉnh hệ số công suất. Máy cắt chân không và máy cắt đóng lặp lại (recloser) cùng loại có độ tin cậy cao đã được kiểm chứng, tính năng vượt trội đối với các ứng dụng ở các cấp điện áp trung áp khác nhau, đến 40 kV. Hơn nữa, cách điện rắn lại tương thích về kỹ thuật nhưng tốt hơn về mặt môi trường so với cách điện bằng khí Sf6. Nguồn: =34&News ID =93&tab=
25. Câu hỏi tự kiểm tra kiến thức Câu 1: Dòng điện hồ quang suy giảm nghĩa là a) quá trình ion hóa đã kết thúc b) quá trình phản ion hóa đã kết thúc c) quá trình ion hóa mạnh hơn quá trình phản ion hóa d) quá trình ion hóa yếu hơn quá trình phản ion hóa Câu 2: Điều kiện để dập tắt hồ quang điện xoay chiều là a) điện áp chọc thủng lớn hơn điện áp hồ quang tại thời điểm dòng điện bằng không b) đặc tuyến phục hồi độ bền điện thấp hơn đặc tuyến phục hồi điện áp c) đặc tuyến phục hồi độ bền điện cao hơn và không cắt đặc tuyến phục hồi điện áp d) chỉ cần dòng điện hồ quang bằng không là hồ quang sẽ tắt Câu 3: Quá trình ion hóa trong hồ quang điện a) có thể bao gồm cả quá trình tái hợp điện tử b) chỉ bao gồm tự phát xạ điện tử c) là quá trình tạo ra các điện tử tự do và các ion trong chất khí d) là quá trình tạo ra các điện tử tự do và các ion trong kim loại Câu 4: Dập hồ quang 1 chiều, mắc điện trở hoặc điôt ngược song song với tải để a) giải phóng năng lượng từ trường của tải b) giảm độ quá điện áp cho tải c) cả hai ý trên d) giảm dòng điện khi làm việc của tải
26. Câu 5: Quá trình phản ion hóa trong hồ quang điện a) có thể bao gồm cả quá trình tạo ra các điện tử tự do b) chỉ bao gồm quá trình tái hợp điện tử c) là quá trình làm suy giảm số lượng điện tử tự do và các ion trong chất khí d) là quá trình làm suy giảm số lượng điện tử tự do và các ion trong kim loại Câu 6: Trong hồ quang điện bao gồm a) chỉ có quá trình ion hóa b) chỉ có quá trình phản ion hóa c) cả hai quá trình trên d) cả hai quá trình nhưng ion hóa phải luôn lớn hơn phản ion hóa Câu 7 : Hồ quang điện phát sinh khi tiếp điểm làm việc ở chế độ quá độ đóng do a) tự phát xạ điện tử đầu tiên b) phát xạ nhiệt điện tử đầu tiên c) ion hóa do nhiệt độ cao đầu tiên d) không ý nào ở trên đúng Câu 8 : Hồ quang điện phát sinh khi tiếp điểm làm việc ở chế độ quá độ cắt do a) tự phát xạ điện tử và ion hóa do va chạm đầu tiên b) phát xạ nhiệt điện tử và tự phát xạ điện tử đầu tiên c) ion hóa do nhiệt độ cao và ion hóa do va chạm đầu tiên d) không ý nào ở trên đúng Câu 9 : Quá trình khuếch tán trong hồ quang điện là a) quá trình các hạt mang điện trái dấu va chạm tạo thành phần tử trung hòa b) quá trình các hạt mang điện chuyển động vào vùng hồ quang c) quá trình các hạt mang điện chuyển động ra khỏi vùng hồ quang d) quá trình các phần tử va chạm và tách thành các ion mang điện
27. Câu 10 : Hồ quang điện thường phát sinh khi tiếp điểm làm việc ở a) giai đoạn đầu của quá độ cắt b) giai đoạn đầu của quá độ đóng c) chế độ cắt d) chế độ đóng Câu 11 : Quá trình tái hợp trong hồ quang điện là a) quá trình các hạt mang điện trái dấu va chạm tạo thành phần tử trung hòa b) quá trình các hạt mang điện chuyển động vào vùng hồ quang c) quá trình các hạt mang điện chuyển động ra khỏi vùng hồ quang d) quá trình các phần tử va chạm và tách thành các ion mang điện Câu 12 : Quá trình ion hóa trong hồ quang điện, câu sai a) là quá trình sinh ra các hạt mang điện trong vùng hồ quang b) thường xảy ra dưới tác động của nhiệt, điện trường, và va chạm c) khi hồ quang tắt dần, nghĩa là quá trình ion hóa đã kết thúc d) khi hồ quang cháy càng mạnh, thì quá trình ion hóa cũng càng mạnh Câu 13 : Khi tăng chiều dài thân hồ quang sẽ làm cho, chọn câu sai a) điện áp hồ quang giảm b) dòng điện hồ quang giảm c) hồ quang cháy giảm dần d) quá trình phản ion hóa mạnh lên Câu 14 : Năng lượng hồ quang điện một chiều là a) năng lượng tiêu tán ở thân hồ quang điện b) năng lượng tích trữ trong cuộn cảm của mạch điện c) cả hai năng lượng trên d) không ý nào ở trên đúng
28. Câu 15 : Phương pháp dập hồ quang nào dưới đây không kéo dài thân hồ quang a) tách các tiếp điểm bằng cơ khí b) sử dụng dàn dập hồ quang c) sử dụng tiếp điểm phụ d) sử dụng tiếp điểm kiểu bắc cầu Câu 16 : Nguyên nhân sinh ra hồ quang điện trong các máy cắt chân không a) do ion hóa do va chạm b) do ion hóa do nhiệt nhiệt độ cao c) do tự phát xạ điện tử và nhiệt điện tử d) bao gồm cả ba loại trên Câu 17 : Phát biểu về kỹ thuật dập hồ quang nào bị sai? a) dàn dập hồ quang có tác dụng phân chia, kéo dài hồ quang b) tiếp điểm chính dẫn dòng lớn, và không chịu được hồ quang c) tiếp điểm phụ dùng để dẫn dòng điện nhỏ, và không chịu được hồ quang d) tiếp điểm kiểu bắc cầu có thể chia hồ quang làm hai đoạn Câu 18 : Tiếp điểm chính và tiếp điểm phụ trong kỹ thuật dập hồ quang, chọn câu sai a) tiếp điểm chính dẫn điện rất tốt nhưng chịu hồ quang rất kém b) tiếp điểm phụ dẫn điện kém hơn nhưng chịu hồ quang rất tốt c) khi đóng, tiếp điểm phụ đóng trước, sau đó tiếp điểm chính đóng vào sau d) khi cắt, cả hai tiếp điểm chính và phụ phải đồng thời cắt
29. Ngô Bảo Châu Sinh 28 tháng 6, 1972 Hà Nội, Việt Nam Bạn có biết? Ngô Bảo Châu sinh ngày 28 tháng 6 năm 1972 tại Hà Nội. Thời niên thiếu, ông là học sinh Trường Thực nghiệm Giảng Võ, Trường THCS Trưng Vương, và sau đó học tại khối chuyên toán Trường Trung học Phổ thông chuyên Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Tổng hợp Hà Nội cũ, nay là Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Ông đã hai lần đoạt huy chương vàng Olympic Toán học Quốc tế tại Australia năm 1988 và Cộng hòa Liên bang Đức năm 1989, và cũng là người Việt Nam đầu tiên giành 2 huy chương vàng Olympic Toán học Quốc tế. Là sinh viên Trường Đại học Paris VI (Université Pierre et Marie Curie) và Trường Sư phạm Paris (École normale supérieure Paris, ENS Paris; một số ít người Việt Nam từng học tại trường này bao gồm Hoàng Xuân Hãn, Lê Văn Thiêm, Trần Đức Thảo) từ năm 1992 đến năm 1994, rồi sau đó là sinh viên cao học và nghiên cứu sinh của Trường Đại học Paris XI (Université Paris-Sud 11) dưới sự hướng dẫn của Giáo sư Gérard Laumon, Ngô Bảo Châu bảo vệ Luận án tiến sĩ năm 1997, trở thành nghiên cứu viên của Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp (CNRS ) từ năm 1998, lấy bằng Habilitation à Diriger les Recherches (HDR ) năm 2003 và sau đó được bổ nhiệm làm giáo sư toán học tại Trường Đại học Paris XI năm 2004. Cũng trong năm này, ông được trao tặng giải Nghiên cứu Clay của Viện Toán học Clay cùng với Giáo sư Gérard Laumon vì đã chứng minh được Bổ đề cơ bản cho các nhóm Unita. Năm 2005, khi được 33 tuổi, Ngô Bảo Châu được nhà nước Việt Nam phong đặc cách hàm giáo sư. Năm 2007, ông đồng thời làm việc tại Trường Đại học Paris XI , Orsay, Pháp và Viện Nghiên cứu Cao cấp Princeton, New Jersey, Hoa Kỳ. Trong năm 2008, ông công bố chứng minh Bổ đề cơ bản cho các đại số Lie hay còn gọi là Bổ đề cơ bản Langlands. Cuối năm 2009, công trình này đã được tạp chí Time bình chọn là 1 trong 10 phát minh khoa học tiêu biểu của năm 2009.
30. Với các công trình khoa học của mình, Giáo sư Ngô Bảo Châu được mời đọc báo cáo trong phiên họp toàn thể của Hội nghị toán học thế giới 2010 tổ chức ở Ấn Độ vào ngày 19 tháng 8 năm 2010.Tại lễ khai mạc, giáo sư đã được tặng thưởng Huy chương Fields.Trước đó, khi biết tin sắp nhận giải Fields, ông đã tranh thủ nhập quốc tịch thứ hai với hy vọng giải thưởng cũng sẽ đem lại vinh dự cho các nhà toán học Pháp. Kể từ ngày 1 tháng 9 năm 2010, ông là giáo sư tại Khoa Toán, Viện Đại học Chicago. Ông đã phát biểu khi nhận giải rằng "Đến một lúc nào đó, bạn làm toán vì bạn thích chứ không phải để chứng tỏ một cái gì nữa" hay vì đam mê giàu có hoặc sự nổi tiếng. Nhằm khuyến khích nền khoa học nước nhà, Chính phủ Việt Nam đã trao tặng Ngô Bảo Châu một căn hộ công vụ trị giá 12 tỷ VNĐ ở tòa nhà Vincom, Hà Nội.Mặc dù có nhiều ý kiến khác nhau xoay quanh việc nhận căn hộ nhưng ông khẳng định giải thưởng này là xứng đáng, và đã nhận căn nhà 160 m² này đầu tháng 11 năm 2010.Trước đó, ngày 4/9/2010, Hội đồng Thi đua khen thưởng thành phố Hà Nội (trong chương trình Đại hội Thi đua yêu nước giai đoạn 2010 - 2015 của thành phố) đã lựa chọn thêm Ngô Bảo Châu vào danh sách Công dân Thủ đô ưu tú lần thứ nhất, năm 2010. Ngày 9/3/2011, phó thủ tướng chính phủ và bộ Giáo dục đã công bố Quyết định thành lập Viện Nghiên cứu Cao cấp về Toán (Vietnam Institute for Advanced Study in Mathematics) và quyết định bổ nhiệm ông Ngô Bảo Châu làm giám đốc khoa học của Viện. Tháng 4 năm 2011, Tổng thống Pháp Nicolas Sarkozy quyết định trao tặng ông Huân chương Bắc đẩu Bội tinh của nhà nước Pháp và ông đã chính thức sang Pháp nhận giải này vào ngày 27 tháng 1 năm 2012 tại điện Élysée.Một tháng sau, Ngô Bảo Châu cùng với năm người khác đã được Viện Đại học Chicago trao tặng danh hiệu giáo sư đã có những thành tựu xuất sắc (distinguished service professorships).Năm 2012 ông là hội viên danh dự (fellow) của Hội Toán học Hoa Kỳ. Nguồn: Wikipedia ô_Bảo_Châu