SF6 làm tắt hồ quang như thế nào?

Cách SF6 (Sulfur Hexafluoride) Ngắt Cung Điện

1. Tính Chất Vật Lý và Hóa Học của SF6

• Độ Cách Điện Cao: Các phân tử SF6 có điện âm mạnh, cho phép chúng nhanh chóng bắt giữ các electron tự do, tạo thành ion âm. Những ion âm này di chuyển chậm hơn và ít khả năng gây ion hóa, dẫn đến độ cách điện cao của khí SF6. Điều này làm cho SF6 vượt trội so với không khí hoặc chân không về mặt cách điện.

• Nhiệt Lượng Cao: SF6 có khối lượng phân tử lớn (khoảng 146) và có nhiệt lượng và dẫn nhiệt cao. Khi cung điện được tạo ra, khí SF6 có thể hấp thụ một lượng nhiệt đáng kể, làm mát nhanh cung điện và giảm nhiệt độ của nó.

• Độ Bền Hóa Học: SF6 rất ổn định ở nhiệt độ phòng nhưng phân hủy thành các hợp chất flor thấp hơn (như SF4, S2F10, v.v.) ở nhiệt độ cao (ví dụ: trong quá trình tạo cung điện). Các sản phẩm phân hủy này tái hợp trở lại thành SF6 khi cung điện tắt, khôi phục tính cách điện của khí.

2. Nguyên Tắc Cơ Bản của SF6 Ngắt Cung Điện

Tạo và Ngắt Cung Điện: Khi cầu chì mở, các tiếp điểm tách ra, và dòng điện chảy qua khe nhỏ giữa các tiếp điểm, tạo thành cung điện. Sự hiện diện của cung điện tạo ra nhiệt độ cục bộ cao, khiến vật liệu tiếp điểm bay hơi và tạo ra một số lượng lớn electron tự do, duy trì cung điện.

Vai trò của Khí SF6:

• Làm Mát Nhanh Cung Điện: Khí SF6 có nhiệt lượng cao và có thể nhanh chóng hấp thụ nhiệt sinh ra bởi cung điện, làm giảm nhanh nhiệt độ của cung điện. Khi nhiệt độ giảm, năng lượng động của các hạt mang điện (electron và ion) trong cung điện giảm đi, làm suy yếu năng lượng của cung điện.

• Kìm Chế Ion Hóa: Các phân tử SF6 có thể nhanh chóng bắt giữ các electron tự do từ cung điện, tạo thành ion âm. Những ion âm này di chuyển chậm hơn và ít khả năng duy trì quá trình ion hóa, do đó ngăn chặn sự phát triển tiếp tục của cung điện.

• Khôi Phục Độ Cách Điện: Sau khi cung điện tắt, khí SF6 nhanh chóng khôi phục tính cách điện của nó. Do độ cách điện cao hơn so với không khí, độ cách điện giữa các tiếp điểm được khôi phục nhanh chóng, ngăn ngừa cung điện tái phát.

3. Quá Trình Chi Tiết của SF6 Ngắt Cung Điện

• Giai Đoạn Đầu Tiên của Cung Điện: Khi các tiếp điểm cầu chì bắt đầu tách ra, dòng điện chảy qua khe nhỏ giữa chúng, tạo thành cung điện. Nhiệt độ cung điện tăng nhanh lên vài nghìn độ Celsius, khiến vật liệu tiếp điểm bay hơi và tạo ra một số lượng lớn electron tự do.

• Hiệu Ứng Làm Mát của Khí SF6: Khi cung điện hình thành, khí SF6 nhanh chóng hấp thụ nhiệt sinh ra bởi cung điện, làm giảm nhiệt độ của cung điện. Đồng thời, các phân tử SF6 bắt giữ các electron tự do từ cung điện, tạo thành ion âm, kìm chế quá trình ion hóa.

• Ngắt Cung Điện: Khi nhiệt độ cung điện giảm, năng lượng của các hạt mang điện trong cung điện dần dần suy yếu, dẫn đến việc ngắt hoàn toàn cung điện. Tại thời điểm này, khí SF6 nhanh chóng khôi phục tính cách điện, tăng cường độ cách điện giữa các tiếp điểm và ngăn ngừa cung điện tái phát.

• Phục Hồi Sau Cung Điện: Sau khi cung điện tắt, các sản phẩm phân hủy của SF6 (như SF4, S2F10, v.v.) nhanh chóng tái hợp để tạo thành SF6, khôi phục cấu trúc hóa học ban đầu và tính cách điện của khí. Quá trình này diễn ra rất nhanh, thường chỉ trong vài mili giây.

4. Ưu Điểm của SF6 Ngắt Cung Điện

• Ngắt Cung Điện Nhanh: Khí SF6 có thể ngắt cung điện gần như tức thì, thường gần điểm giao nhau của dòng điện. Điều này giảm thời gian tồn tại của cung điện, giảm thiểu thiệt hại cho các tiếp điểm.

• Khôi Phục Nhanh Độ Cách Điện: Sau khi cung điện tắt, khí SF6 nhanh chóng khôi phục độ cách điện, ngăn ngừa cung điện tái phát và đảm bảo ngắt dòng điện tin cậy.

• Phù Hợp cho Áp Suất và Dòng Điện Cao: Độ cách điện cao và hiệu suất ngắt cung điện xuất sắc của SF6 làm cho nó đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng áp suất và dòng điện cao, như trong hệ thống truyền tải điện siêu cao áp (UHV).

• Không Có Nguy Cơ Cháy: Khí SF6 không cháy, loại bỏ nguy cơ cháy mà có thể xảy ra với các cầu chì chứa dầu, làm cho nó an toàn hơn để sử dụng trong các hệ thống điện.

5. Ứng Dụng của SF6 Ngắt Cung Điện

• Cầu Chì Áp Suất Cao: Khí SF6 được sử dụng rộng rãi trong các cầu chì áp suất cao, đặc biệt là trong các hệ thống hoạt động ở 110kV và cao hơn, bao gồm cả hệ thống truyền tải điện siêu cao áp (UHV) và cực cao áp (EHV). Cầu chì SF6 cung cấp hiệu suất ngắt tốt, thiết kế nhỏ gọn và tuổi thọ dài, làm cho chúng lý tưởng cho các hoạt động thường xuyên và ngắt dòng điện cao.

• Công Tắc Tải và Công Tắc Cách Ly: Ngoài các cầu chì, khí SF6 cũng được sử dụng trong các công tắc tải và công tắc cách ly, cung cấp cách điện tin cậy và khả năng ngắt cung điện.

• GIS (Gas-Insulated Switchgear): Trong các hệ thống GIS, khí SF6 đóng vai trò là môi trường cách điện trong các thiết bị chuyển mạch kín, cung cấp kết nối điện mật độ cao và cách điện tin cậy.

Tóm Tắt

Khí SF6 hiệu quả trong việc ngắt cung điện bằng cách tận dụng các tính chất cách điện vượt trội, nhiệt lượng cao và khôi phục nhanh độ cách điện. Cơ chế ngắt cung điện hiệu quả này làm cho các cầu chì SF6 trở thành thành phần quan trọng trong các hệ thống điện áp cao, đảm bảo hoạt động an toàn và tin cậy. SF6 được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền tải và phân phối điện, nơi khả năng ngắt cung điện nhanh và ngăn ngừa tái phát là quan trọng để duy trì sự ổn định và an toàn của hệ thống.