Hiện tượng hồ quang điện là gì? 

Hiện tượng hồ quang điện là hiện tượng phóng điện liên tục trong môi trường khí ở áp suất thường hoặc thấp, xảy ra khi lớp khí giữa hai điện cực bị ion hóa và mất khả năng cách điện. Khi đó, chất khí chuyển sang trạng thái dẫn điện mạnh, cho phép dòng điện duy trì dù hai tiếp điểm không còn chạm trực tiếp.

Có thể hiểu đơn giản, khi hai bộ phận mang điện tách ra hoặc đặt rất gần nhau trong điều kiện điện áp đủ lớn, không khí bị phá vỡ cấu trúc cách điện và xuất hiện một dải sáng nối liền giữa hai điểm. Dải sáng này chính là hồ quang điện, kèm theo nhiệt lượng lớn và ánh sáng cường độ cao.

Trong suốt quá trình hình thành, các electron và ion âm chuyển động từ catot về anot, còn ion dương di chuyển theo chiều ngược lại. Sự va đập liên tục của các hạt mang điện làm bề mặt anot tăng nhiệt nhanh, có thể đạt khoảng 3.500°C, gây nóng chảy và bay hơi vật liệu. Do đó, hồ quang điện là hiện tượng mang tính plasma, đồng thời đóng vai trò quan trọng trong cả lĩnh vực vật lý điện và ứng dụng kỹ thuật như hàn điện.

Nguyên nhân gây ra hồ quang điện

Nguyên nhân gây ra hồ quang điện rất đa dạng và thường liên quan đến cả yếu tố kỹ thuật lẫn môi trường vận hành. Một trong những nguyên nhân phổ biến nhất là sự cố tại các tiếp điểm điện. Khi dây dẫn, cầu dao hoặc aptomat bị mòn, lỏng, ăn mòn hoặc hư hỏng lớp cách điện, không khí xung quanh dễ bị ion hóa và hình thành hồ quang.

Bên cạnh đó, điều kiện môi trường cũng góp phần làm tăng nguy cơ xuất hiện hiện tượng hồ quang điện. Bụi bẩn, hơi ẩm, mảnh vụn kim loại hoặc nước xâm nhập vào tủ điện có thể tạo ra các đường dẫn điện ngoài ý muốn. Ngoài ra, lỗi thao tác của con người như làm rơi dụng cụ kim loại, bảo trì sai quy trình hoặc làm việc khi thiết bị chưa được ngắt điện hoàn toàn cũng là nguyên nhân thường gặp.

Hồ quang điện còn dễ phát sinh trong quá trình đóng cắt mạch, đặc biệt với động cơ công suất lớn hoặc khi đóng lại cầu dao sau sự cố ngắn mạch mà chưa xác định rõ nguyên nhân.

Tác hại của hiệu ứng hồ quang điện

Tác hại của hồ quang điện ảnh hưởng nghiêm trọng đến cả thiết bị và con người. Đối với hệ thống điện, nhiệt độ cực cao của hồ quang có thể làm cháy nổ thiết bị, phá hủy tiếp điểm, làm hỏng bộ điều khiển và gây gián đoạn sản xuất. Thiệt hại này không chỉ làm tăng chi phí sửa chữa mà còn giảm tuổi thọ của toàn bộ hệ thống.

Đối với con người, hiệu ứng hồ quang điện đặc biệt nguy hiểm. Hồ quang điện phát ra tia gì? Ngoài ánh sáng mạnh và tia hồng ngoại, nó còn phát ra tia tử ngoại có năng lượng cao. Do đó, hồ quang điện có phát ra tia tử ngoại không? Câu trả lời là có, và tia này có thể gây viêm giác mạc, bỏng mắt (đau mắt hàn) và tổn thương da nghiêm trọng. Trong trường hợp nặng, hồ quang còn gây cháy nổ, bỏng sâu hoặc đe dọa tính mạng.

Các biện pháp dập tắt hồ quang điện

Các biện pháp dập tắt hồ quang điện tập trung vào việc phá vỡ điều kiện duy trì plasma. Một số giải pháp kỹ thuật thường được áp dụng gồm:

• Hạ thấp nhiệt độ hồ quang: sử dụng dầu, khí cách điện hoặc buồng dập để làm nguội nhanh.

• Kéo dài và chia nhỏ hồ quang: dùng vách ngăn kim loại chia hồ quang thành nhiều đoạn ngắn, khiến nó nhanh chóng tắt.

• Tiêu thụ năng lượng hồ quang: mắc thêm điện trở shunt hoặc thiết bị hấp thụ năng lượng để làm suy yếu hồ quang.

• Sử dụng môi trường cách điện đặc biệt: như chân không, khí SF₆ trong các thiết bị đóng cắt cao cấp.

Biện pháp phòng chống hồ quang điện an toàn và hiệu quả

Để phòng chống hồ quang điện hiệu quả, cần kết hợp đồng bộ nhiều giải pháp. Trước hết, phải tuân thủ quy trình làm việc an toàn, luôn ngắt và cô lập nguồn điện trước khi bảo trì. Trong thiết kế hệ thống, nên sử dụng thiết bị giới hạn dòng, bảo vệ chọn lọc và rút ngắn thời gian cắt sự cố.

Trang bị bảo hộ cá nhân (PPE) là yếu tố bắt buộc, bao gồm quần áo chống hồ quang, găng tay, mũ trùm và kính bảo vệ đạt định mức phù hợp. Ngoài ra, đào tạo định kỳ về an toàn điện và nhận diện nguy cơ hồ quang giúp giảm thiểu rủi ro do lỗi con người.

Ứng dụng của hồ quang điện trong đời sống và sản xuất

Mặc dù nguy hiểm trong hệ thống điện, hồ quang điện dùng để làm gì trong thực tế? Khi được kiểm soát, nó mang lại nhiều ứng dụng quan trọng. Phổ biến nhất là hàn hồ quang điện – phương pháp sử dụng nhiệt từ hồ quang để làm nóng chảy kim loại, tạo mối nối bền chắc trong cơ khí và xây dựng.

Ngoài ra, hồ quang điện còn được ứng dụng trong luyện kim, lò nấu thép và gia công plasma nhờ nhiệt độ cực cao. Trong chiếu sáng và một số thiết bị công nghiệp đặc thù, hồ quang được duy trì ổn định để tạo nguồn năng lượng và ánh sáng phục vụ sản xuất.