Bài giảng Khí cụ điện - Chương 1: Hồ Quang Điện

đặc tính hồ quang
uh cắt nhau tại 2 điểm A và B
Điểm A là điểm cháy ổn định không 
bền vững của hồ quang điện DC.
Điểm B là điểm cháy ổn định bền 
vững của hồ quang điện DC.
Điểm cháy ổn định bền vững 
của hồ quang điện DC?
Hồ quang điện một chiều
20BMTBD-LT KCD-nxcuong
∀< idiL 0dt
Hồ quang bị dập tắt khi:
Nghĩa là đường đặc tính hồ
quang uh nằm trên và không cắt 
đường đặc tính tải (U – iR)
Khi đường đặc tính hồ quang uh tiếp 
xúc với đường đặc tính tải (U – iR): 
chế độ tới hạn.
u
i
U
U-Ri uh(i)
Hồ quang điện một chiều
Page 11
21BMTBD-LT KCD-nxcuong
Dập tắt hồ quang điện bằng cách:
↑R: R=Rth = tgαth u
i
U
uh(i)
U-Ri
U-Rthi
Ith
αth
Dập tắt hồ quang điện một chiều
h uh
22BMTBD-LT KCD-nxcuong
Dập tắt hồ quang điện bằng cách:
↓U: U=Uth u
i
U
uh(i)
U-Ri
Uth-Ri
Uth
Dập tắt hồ quang điện một chiều
h uh
Page 12
23BMTBD-LT KCD-nxcuong
Dập tắt hồ quang điện bằng cách:
uh(i)
u
i
U
U-Ri
uh(i)
↑lhq=lth
↑Ehq: làm mát hồ quang
↑nΔUac
Dập tắt hồ quang điện một chiều
h uh
24BMTBD-LT KCD-nxcuong
Năng lượng của hồ quang DC khi ngắt mạch 
( )= ⋅ ⋅ = + − ⋅∫ ∫
hq hqt t
2
h h hq hq
0
hq
0
I1u i dt L U R i i dt
2
W
= + + hh h diU i R u L dt
⋅ ⋅⋅ = ⋅ + + ⋅∫ ∫ ∫∫
hq hq hqt t 0
2
h h h h
0
t
h h
0 I0
U i dt R i dt Li diu i dt
thq: thời gian hồ quang cháy 
I: dòng điện trong mạch trước khi ngắt
h uh
Năng lượng của hồ quang DC khi ngắt mạch
Page 13
25BMTBD-LT KCD-nxcuong
( )= ⋅ ⋅ = + − ⋅∫ ∫
hq hqt t
hq h h hq hq
2
0 0
1 L IW u i dt U R i i dt
2
Năng lượng của hồ quang khi ngắt mạch bao gồm hai thành 
phần:
- Thành phần thứ nhất, ½(L I2), năng lượng điện từ dự trữ
trong mạch điện,
- Thành phần thứ hai là năng lượng nhận được từ nguồn.
Ở các điều kiện khác không thay đổi, thành phần này càng lớn 
khi thq càng lớn. 
Độ lớn của năng lượng của hồ quang khi ngắt mạch: 1, 10, 100 kJ. 
Năng lượng của hồ quang DC khi ngắt mạch
Ví dụ: nếu uhq = 500 V, ihq = 10 000 A, thq=2 ms tính Whq
Phq = 5 MW và Whq = 10 kJ
26BMTBD-LT KCD-nxcuong
Một phần dòng hồ quang đi qua nhánh shunt hoặc năng lượng từ 
trường được tiêu tán bớt qua điện trở R hoặc phóng điện.
Một số biện pháp bảo vệ tiếp điểm trong các 
rơ le công suất nhỏ
Page 14
27BMTBD-LT KCD-nxcuong
Hãy xác định chiều dài tới hạn của hồ quang điện sao cho nó bị dập tắt 
khi ngắt một mạch điện có điện trở R và điện áp nguồn là UDC= 300 V. 
Biểu thức volt-ampère của hồ quang:
=h
h
1000u l
i [u]=V, [i]=A, [l]=cm
Giải cho:
R=2Ω
R=0,2Ω
R=0,02Ω
R=0,002Ω
Ví dụ 1
28BMTBD-LT KCD-nxcuong
Ví dụ 1
Page 15
29BMTBD-LT KCD-nxcuong
Hồ quang điện xoay chiều
Dòng điện và điện áp hồ quang
Trong mỗi chu kỳ: dòng điện hồ quang trong mạch không 
ngừng thay đổi về độ lớn và chiều 
Æ sử dụng đặc tính động để phân tích hồ quang điện AC
30BMTBD-LT KCD-nxcuong
uh, ihq không sin
ih qua trị số không 2 lần trong một chu kỳ
Dòng điện và điện áp hồ quang
Đặc tính volt - ampere động
Page 16
31BMTBD-LT KCD-nxcuong
Quá trình phục hồi độ bền điện trong không 
gian giữa các điện cực khi ih qua 0
Trong khoảng thời gian cháy hồ quang khi u∼ tăng, quá trình ion hóa rất 
mạnh, mật độ các hạt mang điện cao.
Ở cuối nửa chu kỳ, dòng điện hồ quang giảm, mật độ các hạt mang 
điện giảm.
Anod (+) Catod (-)e- +
+e-
e-
e-
+
+
Anod (+) Catod (-)e- +
+e
-
+
e-
32BMTBD-LT KCD-nxcuong
Quá trình phục hồi độ bền điện trong không 
gian giữa các điện cực khi ih qua 0
Ở nửa chu kỳ tiếp theo, khi dòng điện đổi chiều, cực tính trên điện cực 
thay đổi.
Anod (+) Catod (-)e- +
+
Catod (-) Anod (+)
e-
+ e-
+
+
e-
e-
+
e-
Page 17
33BMTBD-LT KCD-nxcuong
Quá trình phục hồi độ bền điện trong không 
gian giữa các điện cực khi ih qua 0
Catod (-) Anod (+)
e-
+ e-
+
+
e-
Ngay tại thời điểm dòng điện đổi chiều:
- các electron nhẹ chạy nhanh về anode mới,
- các ion dương nặng chuyển động chậm về cathode mới, 
Æ xung quanh cathode mới được bao bọc một khối điện tích hầu 
như chỉ là các ion dương, 
Æ vùng không gian cận cathode hầu như trở thành cách điện,
Æ xuất hiện một điện áp bền điện ban đầu Ub0 trong vùng không 
gian giữa hai điện cực ngay lúc dòng điện đảo chiều và giá trị này 
sẽ tăng theo thời gian: 
Ub = Ubo + kbt
Ub
t
Ub0
Độ dốc kb phụ thuộc vào cường độ quá trình ion hóa/khử ion hóa.
kb
34BMTBD-LT KCD-nxcuong
Quá trình phục hồi điện áp giữa các điện cực 
Đồng thời với quá trình phục hồi độ bền 
điện trong vùng không gian giữa hai điện 
cực, xảy ra quá trình phục hồi điện áp
giữa hai điện cực do sự cưỡng bức của 
điện áp nguồn, gọi là điện áp phục hồi Ufh.
ih=0
Ufh
Ubđ
φ
Ngay tại thời điểm dòng điện đổi chiều:
Page 18
35BMTBD-LT KCD-nxcuong
2 quá trình xảy ra trong vùng không gian giữa 
các điện cực khi ih qua 0
Nghĩa là tại thời điểm dòng điện đổi chiều, xảy ra đồng 
thời 2 quá trình trong vùng không gian giữa hai điện cực:
• quá trình phục hồi độ bền điện, Ubđ.
• quá trình phục hồi điện áp do sự cưỡng bức của 
điện áp nguồn, gọi là điện áp phục hồi, Ufh.
ih=0
Ufh
Ubđ
Ub
t
Ub0
Ufh
36BMTBD-LT KCD-nxcuong
Điều kiện cháy hồ quang AC
∀> tfh bdU U
Hồ quang điện AC cháy ổn định điện áp phục hồi Ufh đủ
lớn để chọc thủng độ bền điện trong vùng không gian giữa 
hai điện cực Ubđ.
ih=0
Ufh
Ubđ
Page 19
37BMTBD-LT KCD-nxcuong
Điều kiện cháy hồ quang AC mạch thuần trở
==fh bd t t1U U
• Hồ quang điện AC bắt đầu cháy trở lại ở nửa chu kỳ tiếp theo khi:
Ie điện áp phục hồi đủ lớn để chọc thủng độ bền điện trong vùng 
không gian giữa hai điện cực tại thời điểm t=t1
Ubñ0
Ufh=U~
Ufh=U~ khi 0<t<t1
Ub = Ubo + kbt
Ubñ
• Điện áp phục hồi
• Độ bền điện phục hồi
38BMTBD-LT KCD-nxcuong
Điều kiện cháy hồ quang AC mạch trở - kháng
Ufh
Ubđ
φ
Điện áp phục hồi sau khi dòng điện đi qua trị số 0 (Ufh)
Page 20
39BMTBD-LT KCD-nxcuong
Tính điện áp phục hồi 
R L
rhq
ihq
U~ Ctñ
Ctđ: điện dung tương đương giữa 2 đầu cực ngắt
R, L: điện trở và điện cảm mạch điện
Sơ đồ mạch điện tương đương:
40BMTBD-LT KCD-nxcuong
Tại thời điểm t=0, ihq qua trị số 0: hồ quang bị dập tắt, 
do đó rhqÆ ∞
R L
t=0CtđE
E?
Vì quá trình quá độ phục hồi điện áp giữa hai đầu điện cực xảy ra 
trong một khoảng thời gian rất ngắn (tính bằng μs) so với một nửa chu 
kỳ của điện áp nguồn (T/2=10ms) nên để giải bài toán quá độ ta xem 
điện áp nguồn khi đó có giá trị không đổi:
sin= ϕE 2U φ: góc lệch pha giữa U~ và IU: giá trị hiệu dụng của U~
Tính điện áp phục hồi
Ufh Ubđ
φ
Page 21
41BMTBD-LT KCD-nxcuong
( cos )−= − ptfh oU E 1 e w t
Giải mạch quá độ:
= Rp
2L
: hệ số suy giảm
=o
td
1w
LC
: tần số góc dao động riêng
Π=o
o
2T
w
: chu kỳ dao động riêng oT2
sinϕ2U
Ufh
wot
max sin ( ) sin
−
=
= = ϕ + ≤ ϕ ≤
o
o
Tp
2
fh fh Tt
2
U U 2U 1 e 2 2U 2 2U
Giá trị tối đa của điện áp phục hồi không lớn hơn hai lần biên độ điện áp nguồn.
Tính điện áp phục hồi
42BMTBD-LT KCD-nxcuong
( cos )−= − ptfh oU E 1 e w t
oT
2
sinϕ2U
u
ωot
Điều kiện cháy hồ quang AC mạch trở - kháng
Ub = Ubo + kbt Ubo
Ub
Hồ quang điện AC cháy ổn định khi Ub(t) cắt Ufh(t)
Uob, kb phụ thuộc:
- vật liệu tiếp điểm (điện cực)
- dòng điện ngắt
- phương pháp dập hồ quang
Ufh phụ thuộc:
- thông số của mạch ngắt: L, R, Ctđ
- góc lệch pha dòng, áp
Ufh
Page 22
43BMTBD-LT KCD-nxcuong
Điều kiện dập tắt hồ quang điện AC
Hồ quang điện AC có thể dập tắt theo hai nguyên lý:
1. Lợi dụng hiện tượng dòng điện hồ quang xoay chiều qua trị số 0 hai lần
trong một chu kỳ:
Khi dòng điện đi qua trị số 0, ta tăng cường quá trình phục hồi độ bền điện
sao cho nó không bị chọc thủng bởi điện áp phục hồi giữa hai đầu điện cực
dòng điện hồ quang không thể phát sinh trở lại trong bán kỳ kế tiếp
Æ hồ quang bị dập tắt
44BMTBD-LT KCD-nxcuong
Điều kiện dập tắt hồ quang điện AC
Tăng cường quá trình phục hồi độ bền điện bằng cách:
- Dùng nhiều chỗ ngắt
- Dùng buồng dập hồ quang có nhiều tấm 
ngăn bằng kim loại
↑Ub0
↑kb
Ub = Ubo + kbt
- Giảm nhiệt độ hồ quang
- Tăng áp suất khí
- Dùng môi trường chân không
- Dùng môi trường khí SF6
Page 23
45BMTBD-LT KCD-nxcuong
Điều kiện dập tắt hồ quang điện AC
2. Phương pháp? 
46BMTBD-LT KCD-nxcuong
Ví dụ 2: dập tắt hồ quang điện bằng buồng 
dập với các tấm ngăn bằng kim loại
„ Tính số tấm ngăn n để dập tắt hồ 
quang điện xoay chiều bằng 
phương pháp cưỡng bức, biết điện 
áp nguồn điện lớn nhất là 240V, 
f=50Hz. Cho L = 3 cm, e = 1mm, 
ΔUAC = 22 V, Ehq =75V/cm (ứng với 
dòng điện ngắt 10kA, vật liệu tiếp 
điểm gốm bạc và kết cấu buồng dập 
cho trước).
n
Page 24
47BMTBD-LT KCD-nxcuong
Ví dụ 2: dập tắt hồ quang điện bằng buồng 
dập với các tấm ngăn bằng kim loại
n
48BMTBD-LT KCD-nxcuong
Dập tắt hồ quang điện bằng buồng dập với 
các tấm ngăn bằng kim loại - ACB
arcing
horn
temporary
contacts
Ag based
main
contacts
upper
terminal
lower
terminal
current transformer 
connected to electronic 
trip unit
arc chute
pole shaft 
activated
by the O-CO 
mechanism
insulating
pole cage
„ Blow closed technology
rotating axis
Page 25
49BMTBD-LT KCD-nxcuong
Dập tắt hồ quang điện bằng buồng dập với 
các tấm ngăn bằng kim loại - MCCB
upper connection
arc chute
ablative part
moving contact
enclosure
bar
magnetic circuit
connection trip unit
50BMTBD-LT KCD-nxcuong
Ví dụ 3: lựa chọn CB cho mạch điện DC
Các cực ngắt bảo vệ được đấu nối 
tiếp với điện cực dương
Vị trí lắp thiết bị ngắt 
bảo vệ
Sự cố A Trường hợp xấu nhất 
không ảnh hưởngsự cố C
max. Isc - cả hai cực bị ảnh hưởngsự cố B
max. Isc - chỉ có cực dương bị ảnh 
hưởngsự cố A 
Page 26
51BMTBD-LT KCD-nxcuong
Ví dụ 3: lựa chọn CB cho mạch điện DC
1.4220 (4P)40 (3P)30 (2P)20 (1P)10 - 100NC100H
1.3850 (4P)40 (3P)25 (2P)20 (1P)6 - 63C60H
1.3840 (4P)30 (3P)20 (2P)15 (1P)6 - 63C60N
special DC10 (2P)20 (2P)10 (1P)10 - 40C32H-DC
up-rating 
coef.250V125V125V<60Vbreaker
Magnetic DC Breaking capacity (kA) - L/R<0.015srating (A) CB type
DC Breaking capacity
52BMTBD-LT KCD-nxcuong
Ví dụ 3: lựa chọn CB cho mạch điện DC