Hồ quang điện là gì? Tác hại, ứng dụng và cách phòng ngừa

Lê Hồng Phong

Hồ quang điện được đặc trưng bởi những tia lửa sáng phát ra từ các thiết bị điện cọ xát với nhau. Hiện tượng này bắt nguồn từ đâu và có gây hại cho các thiết bị điện không? Hãy đọc bài viết dưới đây của KTH ELECTRIC để tìm câu trả lời.

Hiện tượng hồ quang điện là gì?

Hồ quang điện là sự phóng điện tự cấp của chất khí dưới áp suất bình thường hoặc áp suất thấp, nằm giữa hai điện cực có chênh lệch điện áp nhỏ. Về bản chất, hồ quang điện là dạng plasma thứ tư được tạo ra bởi sự trao đổi điện tích liên tục, kèm theo ánh sáng và nhiệt lượng mạnh.

Dòng electron (và một phần là ion âm) là thành phần chính tạo nên dòng điện chạy qua chất khí giữa hai cực, đi từ cực âm đến cực dương. Các electron và ion âm va chạm với cực dương và làm nó nóng lên, đạt nhiệt độ lên tới 3500 độ C. Lúc này, cực dương phát sáng mạnh và tỏa nhiệt khiến hầu hết các vật liệu xung quanh đều tan chảy, thậm chí bốc hơi. Sau đó cực dương bị lõm vào, khiến mạch bị chập. Ngược lại, các ion dương chạm vào cực âm cũng làm cho cực âm nóng đỏ và tỏa nhiệt điện tử. Khi đó, cường độ dòng điện trong mạch sẽ khá lớn, lên tới hàng chục ampe khi điện áp xuống thấp.

Hồ quang điện xuất hiện khi các cầu dao MCB, MCCB, RCBO hay ACB hoạt động. Mỗi thiết bị có một phương pháp dập hồ quang khác nhau như chia vách ngăn hay sử dụng năng lượng bên ngoài.

Điều kiện sản sinh và dập tắt hồ quang điện

Hai điều kiện để tạo ra hồ quang điện:

• Hai điện cực nóng đỏ đến mức phát ra nhiệt điện tử.
• Tạo ra một điện trường đủ mạnh giữa hai điện cực để ion hóa không khí và tạo ra tia lửa điện.

Trong trường hợp tiếp điểm có dòng điện nhỏ và khoảng cách ban đầu giữa các tiếp điểm rất nhỏ. Khi đặt điện áp vào, một điện trường lớn sẽ được tạo ra trong khoảng không gian giữa các điện cực. Khi đó sẽ xảy ra hiện tượng electron thoát ra khỏi cực âm gọi là hiện tượng phát xạ electron tự động hay phát xạ điện lạnh. Khi số lượng electron tăng dần, dưới tác dụng của điện trường, không khí sẽ bị ion hóa, tạo ra hiện tượng hồ quang điện.

Trường hợp tiếp điểm có dòng điện lớn thì việc tạo ra hồ quang điện sẽ phức tạp hơn. Khi mở các tiếp điểm thì số tiếp điểm cho dòng điện đi qua khá ít. Mật độ dòng điện có thể tăng đáng kể lên đến hàng chục nghìn A/cm2 nên tại vị trí tiếp xúc, nhiệt độ của cầu lỏng sẽ tăng rất nhanh. Chất lỏng sau đó bay hơi và xuất hiện hồ quang điện giữa hai điểm tiếp xúc.

Để dập tắt hồ quang điện, cần đảo ngược các điều kiện tạo ra nó:

• Mở rộng vòng cung bằng cách dùng vách ngăn chia thành từng phần nhỏ rồi dập tắt.
• Hạ nhiệt độ hồ quang bằng cách sử dụng khí hoặc dầu để làm mát hồ quang.
• Sử dụng năng lượng từ hồ quang hoặc năng lượng khác để dập tắt.
• Tiêu thụ năng lượng của hồ quang bằng cách kết nối một điện trở cắt song song.

=>>> Nguyên lý hoạt động của máy cắt là dập tắt hồ quang ngay lập tức.

Tác hại do hồ quang điện gây ra

Đã có nhiều vụ tai nạn do hồ quang điện gây ra cho con người. Khi mắt người nhìn vào tia hồ quang, nó có thể giết chết tế bào niêm mạc mắt, gây đau mắt. Hoặc nếu tia hồ quang chiếu vào da có thể giết chết lớp tế bào da bên ngoài, gây bong tróc da.

Sự phóng điện hồ quang cường độ cao có thể gây hao mòn, phá hủy các thiết bị điện và làm ngừng hoạt động sản xuất, sinh hoạt hàng ngày. Có trường hợp tia hồ quang gây cháy nổ, gây thiệt hại về kinh tế và có nguy cơ ảnh hưởng đến con người.

=>> Trong cấu trúc contactor có bộ phận dập hồ quang điện

Ứng dụng thực tế của hồ quang điện

Hồ quang điện có nhiệt độ cao, quá trình sản xuất nhanh nên có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật điện. Một cặp điện cực nhiệt độ cao là lý tưởng cho hàn điện, trong đó một điện cực là que hàn và điện cực của hồ quang là kim loại được hàn. Que hàn nóng chảy do nhiệt độ cao và lấp đầy mối hàn. Ở quy mô lớn hơn, hồ quang là thành phần quan trọng trong luyện thép, hàn điện, luyện phôi, luyện kim loại,…

Cách phòng ngừa hiện tượng hồ quang điện

Áp dụng quy trình sử dụng thiết bị điện an toàn, đúng cách sẽ làm giảm nguy cơ hồ quang điện. Cụ thể một số biện pháp ngăn chặn hiện tượng này là:

• Điều khiển từ xa các thiết bị có thể tạo ra hồ quang điện lớn.
• Ngắt điện các thiết bị điện tiếp xúc với con người.
• Sử dụng các phương pháp để dập tắt hồ quang điện.
• Sử dụng vật liệu chất lượng để tăng tuổi thọ của thiết bị điện.
• Tích hợp module cảm biến cảnh báo trên thiết bị đóng cắt và buồng dập hồ quang điện áp thấp.
• Mang thiết bị bảo hộ khi vận hành hệ thống điện như găng tay, khẩu trang, mũ và quần áo.

Hồ quang điện vừa có hại vừa có nhiều ứng dụng quan trọng trong sản xuất công nghiệp. Sử dụng chùm tia hồ quang đúng cách sẽ giúp tránh được rủi ro và tăng hiệu quả công việc. Tìm hiểu thêm về các hiện tượng điện khác qua các bài viết có trên website Điện BTB.