Hồ Quang Điện Là Gì? Nguyên Lý, Ứng Dụng & Nguy Hiểm

Hồ quang điện là hiện tượng điện lý quen thuộc trong công nghiệp, nhưng cũng tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây mất an toàn nếu không kiểm soát đúng cách. Vậy hồ quang điện là gì, nguyên lý hình thành ra sao và vì sao nó vừa được ứng dụng rộng rãi, vừa gây nguy hiểm lớn? 

Trong bài viết này, An Toàn Việt sẽ cùng bạn tìm hiểu toàn diện về hồ quang điện trong mạch điện, các nguyên nhân gây ra, tác hại, ứng dụng thực tế và biện pháp phòng chống cần thiết để đảm bảo an toàn lao động.

Hồ quang điện là gì?

Hồ quang điện là một hiện tượng phóng điện tự lực xảy ra trong chất khí ở áp suất thường hoặc áp suất thấp có hiệu điện thế không lớn. Nó được duy trì khi có dòng điện chạy qua tạo ra một kênh plasma dẫn điện giữa hai điện cực.

Hồ quang điện là gì

Về bản chất, hồ quang điện là một dạng plasma, tức là trạng thái vật chất thứ tư, nơi các nguyên tử khí bị ion hóa mạnh mẽ thành các ion dương và electron tự do. 

Khi hồ quang điện xuất hiện, nó thường đi kèm theo ánh sáng mạnh và nhiệt độ rất cao, có thể đạt tới 3500°C, đủ để làm nóng chảy và bay hơi kim loại tại các điện cực. Dòng điện chủ yếu di chuyển từ cathode sang anode thông qua electron và một phần ion âm, đồng thời một lượng nhỏ ion dương di chuyển theo chiều ngược lại.

Các nguyên nhân gây ra hồ quang điện

Hồ quang điện thường phát sinh khi các dây dẫn điện đặt gần nhau, làm ion hóa không khí giữa các khoảng hở, tạo điều kiện cho dòng điện phóng qua. Ngoài nguyên nhân vật lý này, nhiều yếu tố khác cũng làm tăng nguy cơ hình thành hồ quang điện, bao gồm.

Hồ quang điện thường xảy ra do sự phóng điện qua khe hở giữa các vật dẫn điện khi có điện áp đủ lớn

Bất cẩn trong quá trình thi công và vận hành như sử dụng công cụ sai cách hoặc chạm nhầm bề mặt dẫn điện khi kiểm tra thiết bị

Thiếu nhận thức và đào tạo về an toàn điện

Sử dụng thiết bị, vật liệu điện bị hư hỏng như cách điện bị xuống cấp, dây dẫn có khe hở, thiết bị tiếp xúc với nước hoặc chất lỏng dễ gây chập điện

Các điểm nối không chắc chắn và bề mặt điện cực bị oxi hóa

Bảo dưỡng, kiểm tra hệ thống điện không đúng quy trình

Tiếp xúc với thiết bị điện với nước hoặc chất lỏng khác 

Quá áp có thể do điện áp hệ thống tăng cao đột ngột (do sét đánh, thao tác đóng cắt,...) có thể vượt quá khả năng chịu đựng của cách điện và gây phóng điện.

Tác hại của hồ quang điện

Mặc dù hồ quang điện được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, nhưng khi phát sinh ngoài ý muốn, nó tiềm ẩn nhiều rủi ro nghiêm trọng đối với cả người và thiết bị. Các tác hại phổ biến bao gồm.

Tác hại của hồ quang điện có thể dẫn đến cháy nổ các thiết bị, công tắc

Nhiệt độ cực cao của hồ quang (>19000∘C, nóng hơn bề mặt mặt trời) có thể gây bỏng cấp độ 3 ngay lập tức cho da người trong phạm vi gần, thậm chí làm cháy quần áo thông thường.

Ánh sáng cường độ cực mạnh chứa tia UV và IR gây tổn thương nghiêm trọng cho mắt (viêm giác mạc, đục thủy tinh thể). Trong quá trình làm việc hàn, nếu không trang bị bảo hộ có thể bị bỏng da mặt. 

Nhiệt lượng lớn và áp suất sinh ra có thể làm cháy, nổ thiết bị, phá hỏng cầu dao, công tắc, cáp điện và à các bộ phận dẫn điện khác... dẫn đến chi phí sửa chữa lớn và ngừng trệ sản xuất.

Ứng dụng của hồ quang điện

Khi được kiểm soát, năng lượng mạnh mẽ của hồ quang điện lại mang đến nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp và đời sống.

Ứng dụng của hồ quang điện trong nhiều lĩnh vực công nghiệp

Hàn hồ quang là ứng dụng phổ biến nhất. Nhiệt lượng từ hồ quang được dùng để làm nóng chảy kim loại tại mép hàn và que hàn, tạo thành mối liên kết bền vững khi nguội đi.

Lò hồ quang điện được sử dụng trong ngành luyện kim, để nấu chảy thép phế liệu, sản xuất thép hợp kim chất lượng cao và các loại kim loại đặc biệt. Nhiệt độ cực cao của hồ quang giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu suất luyện kim.

Cắt plasma là phương pháp sử dụng luồng khí ion hóa (plasma) được tạo ra và gia tốc bởi hồ quang điện để cắt xuyên qua các vật liệu dẫn điện như thép, nhôm, đồng... được ứng dụng rộng rãi trong cơ khí và chế tạo máy

Được ứng dụng trong việc sản xuất đèn hồ quang, đèn chiếu sáng công suất lớn như đèn đường, đèn sân khấu, nhờ khả năng phát ra ánh sáng mạnh và bền bỉ.

Quá trình phát sinh và dập tắt hồ quang điện

Hồ quang điện hình thành và dập tắt theo những cơ chế vật lý đặc biệt trong môi trường khí. Hiểu rõ quá trình này giúp đảm bảo an toàn và thiết kế hệ thống điện hiệu quả hơn.

Quá trình phát sinh và dập tắt hồ quang điện

Quá trình phát sinh hồ quang điện

Hồ quang điện phát sinh khi có đủ điều kiện ion hóa môi trường khí giữa hai điện cực. Cụ thể:

Với dòng điện nhỏ: Khi hai tiếp điểm gần sát nhau, điện áp đặt vào sẽ tạo ra một điện trường mạnh trong khe hở, khiến các electron từ cực âm (cathode) bật ra – hiện tượng gọi là phát xạ điện nguội. Các electron này tiếp tục chuyển động dưới tác động của điện trường, va chạm và ion hóa phân tử không khí, dẫn đến sự hình thành hồ quang.

Với dòng điện lớn: Khi tiếp điểm mang dòng điện cao được mở ra, lực ép giữa các tiếp điểm giảm, khiến mật độ dòng điện tại các điểm tiếp xúc tăng rất lớn (có thể hàng chục nghìn ampe trên mỗi cm²). Nhiệt độ tại khu vực này tăng nhanh, làm nóng chảy vật liệu điện cực, bốc hơi và tạo thành một kênh dẫn điện plasma (hồ quang điện).

Quá trình dập tắt hồ quang điện

Dập tắt hồ quang điện đòi hỏi các điều kiện ngược lại so với quá trình phát sinh, nhằm cắt đứt dòng điện duy trì trong plasma. Một số phương pháp phổ biến bao gồm:

Hạ nhiệt hồ quang bằng cách dùng khí nén, khí cách điện (như khí SF₆) hoặc vật liệu làm mát để giảm nhiệt độ hồ quang, khiến plasma mất khả năng dẫn điện.

Tăng chiều dài hồ quang bằng cách sử dụng các vách ngăn hoặc buồng thổi khí, khiến hồ quang yếu dần và tắt.

Chia nhỏ hồ quang bằng cách sử dụng các tấm chắn để chia hồ quang thành nhiều đoạn nhỏ, làm tăng điện trở tổng và nhanh chóng dập tắt.

Tiêu thụ năng lượng hồ quang dùng các điện trở mắc song song (Shunt) để hấp thụ năng lượng từ hồ quang, giảm dòng điện và ngắt sự duy trì hồ quang.

Việc kiểm soát tốt quá trình phát sinh và dập tắt hồ quang điện là yếu tố then chốt để thiết kế các thiết bị đóng cắt an toàn và hiệu quả trong hệ thống điện.

Các thiết bị và biện pháp phòng chống hồ quang điện

Để ngăn ngừa sự cố hồ quang điện và đảm bảo an toàn trong vận hành hệ thống điện, cần áp dụng đồng thời các thiết bị bảo vệ và biện pháp kỹ thuật phù hợp. 

Thiết bị bảo hộ an toàn cho người lao động chống hồ quang điện

Thiết bị chống hồ quang điện: Tủ điện được thiết kế đặc biệt để chịu đựng được áp lực và nhiệt độ của hồ quang bên trong, đồng thời hướng luồng năng lượng hồ quang ra xa người vận hành qua các kênh thoát áp được thiết kế sẵn.

Thiết bị bảo vệ quá dòng tác động nhanh: Sử dụng các loại aptomat (MCB, MCCB, ACB), cầu chì giới hạn dòng điện có thời gian tác động cực nhanh để ngắt mạch trước khi năng lượng hồ quang đạt đến mức nguy hiểm.

Hệ thống cảnh báo hồ quang: Sử dụng cảm biến ánh sáng và/hoặc áp suất để phát hiện sự xuất hiện của hồ quang và gửi tín hiệu cắt máy cắt đầu nguồn trong thời gian cực ngắn (mili giây).

Trang bị bảo hộ cá nhân chống hồ quang: Bắt buộc sử dụng khi phải làm việc gần hoặc trên thiết bị đang mang điện có nguy cơ hồ quang. An Toàn Việt cung cấp đa dạng các sản phẩm bảo hộ chống hồ quang điện, bao gồm:​

• Quần áo chống hồ quang điện: Được thiết kế từ chất liệu chuyên dụng, chịu nhiệt và chống cháy, giúp bảo vệ cơ thể khỏi tác động của tia hồ quang.​

• Găng tay cách điện: Đảm bảo an toàn cho đôi tay khi thao tác với thiết bị điện.​

• Mặt nạ hồ quang điện: Bảo vệ mắt và mặt khỏi ánh sáng mạnh, tia lửa điện.​

• Mũ bảo hộ chuyên dụng: Bảo vệ đầu và mặt khỏi nguy cơ cháy nổ do hồ quang điện.​

Để khám phá đầy đủ danh mục sản phẩm và lựa chọn thiết bị phù hợp, bạn có thể truy cập trực tiếp vào danh mục sản phẩm của An Toàn Việt TẠI ĐÂY.

Hồ quang điện vừa là hiện tượng có ích trong công nghiệp, vừa tiềm ẩn nhiều nguy hiểm nếu không được kiểm soát đúng cách. Việc hiểu rõ nguyên lý, nguyên nhân và cách phòng chống hồ quang điện sẽ giúp bảo vệ an toàn cho con người và thiết bị. Đừng quên trang bị đầy đủ thiết bị bảo hộ từ An Toàn Việt để luôn an tâm trong môi trường làm việc điện năng.