Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện tự duy trì qua môi trường khí bị ion hóa. Hiện tượng này tạo ra nhiệt và ánh sáng mạnh. Trong sản xuất, nhiệt lượng của hồ quang được khai thác để hàn kim loại.

Trong hệ thống điện, hồ quang ngoài kiểm soát có thể gây bỏng, cháy và hư hỏng thiết bị. Hiểu cơ chế hình thành giúp nhận diện nguy cơ và lựa chọn biện pháp bảo vệ phù hợp. Bài viết dưới đây phân tích nguyên nhân, ứng dụng và cách hạn chế sự cố hồ quang điện.

Hồ quang điện là gì?

Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện tự duy trì qua môi trường khí bị ion hóa. Tên tiếng Anh của hiện tượng này là electric arc. Dòng điện đi qua kênh khí dẫn điện giữa các điện cực không tiếp xúc trực tiếp. Khả năng duy trì dòng điện qua khe hở là đặc điểm quan trọng của hồ quang.

Những đặc điểm dễ nhận biết của hồ quang là ánh sáng mạnh và nhiệt độ cao. Nhiệt tập trung tại vùng hồ quang có thể làm nóng chảy kim loại. Trong tài liệu kỹ thuật, hồ quang còn được đặc trưng bởi mật độ dòng điện tương đối lớn. Hiện tượng có thể xuất hiện với cả dòng điện một chiều và xoay chiều.

Hồ quang cần được phân biệt với tia lửa điện. Tia lửa thường xuất hiện dưới dạng phóng điện ngắn, gián đoạn. Hồ quang có thể tiếp tục dẫn điện khi nguồn cấp và môi trường đáp ứng điều kiện duy trì. Trong máy cắt điện, hồ quang được dập tắt bằng cơ chế được thiết kế riêng

Hồ quang điện hình thành như thế nào?

Trong điều kiện bình thường, không khí có khả năng cách điện. Khi điện trường đủ mạnh, môi trường khí có thể bị đánh thủng. Quá trình ion hóa tạo ra các hạt mang điện như electron tự do và ion. Môi trường khí trở nên dẫn điện, cho phép dòng điện đi qua khe hở. Khi đủ điều kiện duy trì, kênh phóng điện có thể phát triển thành hồ quang.

Một trường hợp thường gặp là khi các tiếp điểm đang mang dòng điện bắt đầu tách rời. Diện tích tiếp xúc giảm khiến điện trở tiếp xúc tăng, làm vùng tiếp xúc nóng lên. Khí hoặc hơi kim loại giữa các tiếp điểm có thể bị ion hóa và tiếp tục dẫn điện. Nhờ kênh phóng điện này, dòng điện vẫn có thể đi qua khe hở giữa các tiếp điểm.

Hồ quang tiếp tục tồn tại khi nguồn điện cung cấp đủ năng lượng bù lại phần nhiệt bị mất. Làm nguội hoặc kéo dài hồ quang đủ mức có thể giúp dập tắt quá trình phóng điện. Trong mạch xoay chiều, dòng điện đi qua giá trị 0 tạo điều kiện thuận lợi để dập hồ quang. Khả năng cách điện giữa tiếp điểm cần phục hồi đủ nhanh để ngăn hồ quang tái lập.

Nguyên nhân gây sự cố hồ quang trong hệ thống điện

Sự cố hồ quang có thể bắt nguồn từ mối nối lỏng, tiếp xúc kém hoặc cách điện hư hỏng. Mối nối tiếp xúc kém có thể phát nóng, làm suy giảm cách điện tại vị trí đấu nối. Khi cách điện không còn chịu được điện áp tác dụng, phóng điện có thể phát triển thành hồ quang.

Bụi dẫn điện, hơi ẩm và nước ngưng tụ có thể tạo đường dẫn trên bề mặt cách điện. Khoảng cách cách điện không đạt yêu cầu cũng làm tăng nguy cơ phóng điện giữa các pha. Trong bảo trì, dụng cụ hoặc vật dẫn điện rơi vào thiết bị có thể gây nối tắt. Sai sót thao tác trên thiết bị đang mang điện cũng có thể khởi phát hồ quang. Thiếu kiểm tra định kỳ khiến các hư hỏng này có thể kéo dài mà chưa được phát hiện.

Với máy biến áp dầu, độ ẩm và tạp chất có thể làm suy giảm hệ thống cách điện. Ở máy biến áp khô, bụi dẫn điện và nước ngưng tụ có thể gây phóng điện bề mặt. Nguy cơ cần được xem xét tại đầu nối, bề mặt cách điện và khu vực cuộn dây. Nguyên nhân cụ thể cần được xác định qua kiểm tra và dữ liệu vận hành.

Ứng dụng của hồ quang điện trong công nghiệp

Ứng dụng quen thuộc của hồ quang điện là hàn kim loại. Hồ quang giữa điện cực và vật hàn làm nóng chảy kim loại tại vị trí liên kết. Khi nguội, kim loại đông đặc và hình thành mối hàn. Tùy phương pháp, điện cực có thể nóng chảy hoặc không nóng chảy. Các công nghệ phổ biến gồm hàn que, MIG/MAG và TIG. Khí bảo vệ hoặc lớp xỉ giúp hạn chế kim loại nóng chảy tiếp xúc với không khí.

Với cắt plasma, hồ quang làm nóng và ion hóa khí trong đầu cắt. Dòng plasma tập trung làm nóng chảy kim loại tại vùng cắt. Luồng khí tốc độ cao thổi kim loại nóng chảy ra khỏi rãnh cắt. Công nghệ này áp dụng cho vật liệu dẫn điện như thép, thép không gỉ và nhôm.

Trong ngành luyện kim, lò hồ quang điện sử dụng nhiệt hồ quang để nấu chảy nguyên liệu kim loại. Nguyên liệu có thể gồm thép phế liệu và sắt hoàn nguyên trực tiếp. Tùy công nghệ, lò có thể kết hợp nhiệt hồ quang với nhiệt từ việc đốt nhiên liệu. Thành phần nguyên liệu được lựa chọn theo công nghệ lò và yêu cầu luyện thép.

Hồ quang điện nguy hiểm như thế nào?

Hồ quang ngoài kiểm soát có thể gây bỏng nặng và làm quần áo bắt cháy. Sự giải phóng năng lượng nguy hiểm từ hồ quang thường được gọi là arc flash. Người đứng gần có thể bị bỏng dù không chạm trực tiếp vào phần mang điện. Bức xạ tử ngoại và hồng ngoại còn có thể gây tổn thương mắt.

Khi khí nóng và hơi kim loại giãn nở nhanh, chúng có thể tạo sóng áp suất. Hiệu ứng này được gọi là arc blast. Sóng áp suất có thể làm người mất thăng bằng hoặc gây chấn thương. Các giọt kim loại nóng chảy và mảnh thiết bị còn có thể bị bắn ra xung quanh. Tiếng nổ lớn cũng có nguy cơ gây tổn thương thính giác.

Đối với thiết bị, hồ quang có thể làm nóng chảy phần dẫn điện và phá hủy cách điện. Sự cố có thể gây cháy, hư hỏng tủ điện và gián đoạn sản xuất. Mức độ nguy hiểm phụ thuộc dòng điện hồ quang, thời gian tồn tại và cấu hình thiết bị. Khoảng cách đến điểm sự cố cũng ảnh hưởng mức độ tác động lên người. Sự cố hồ quang nguy hiểm cũng có thể xảy ra trong hệ thống điện hạ áp.

Biện pháp hạn chế sự cố hồ quang điện

Phòng ngừa sự cố bắt đầu từ kiểm tra cách điện, mối nối và điều kiện môi trường. Cần xử lý mối nối lỏng, dấu hiệu phát nóng và tình trạng nhiễm bẩn hoặc ẩm. Trước bảo trì, phải cô lập nguồn, khóa và treo thẻ theo quy trình kiểm soát năng lượng. Chỉ nhân sự đủ năng lực mới thực hiện kiểm tra xác nhận không còn điện áp. Phương tiện bảo vệ phải được lựa chọn theo đánh giá rủi ro.

Máy cắt và rơ le cần được lựa chọn, phối hợp và kiểm tra theo thiết kế. Tủ điện có thể bổ sung hệ thống phát hiện hồ quang bằng tín hiệu ánh sáng và dòng điện. Tín hiệu bảo vệ được gửi đến máy cắt nhằm rút ngắn thời gian tồn tại của hồ quang. Giải pháp cụ thể cần được tính toán theo cấu hình và yêu cầu bảo vệ.

Với máy biến áp, cần theo dõi cách điện, nhiệt độ và tình trạng đầu nối. Phân tích khí hòa tan trong dầu (DGA) hỗ trợ chẩn đoán tình trạng máy dùng dầu khoáng. Dữ liệu cần được đánh giá theo loại thiết bị và diễn biến vận hành. Khi trao đổi với MBT, cần làm rõ điều kiện lắp đặt và yêu cầu bảo vệ.