Tài liệu Lý thuyết khí cụ điện phần 1 trình bày các nội dung chính sau: Khái niệm chung về khí cụ điện; Cơ sở lý thuyết khí cụ điện; Nam châm điện; Sự phát nóng của khí cụ điện; Lực điện động trong khí cụ điện; Hồ quang điện; Tiếp xúc điện; Cách điện trong khí cụ điện;... Mời các bạn cùng tham khảo.
PHẠM VĂN CHỚI BÙIITÍN HỮU NGUYỄN TIẾN TỊN PHẠM VĂN CHỚI, BÙI TÍN HỮU, NGUYEN TIÊN TƠN KHÍ CỤ ĐIỆN (In lần thứ 4, có sửa chữa bổ sung) THƯ yÌẺN NHÀ XUẤT BÀN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI LỜI NĨI ĐẦU "Khí cụ điện'1 giáo trĩnh dùng cho sinh viển ngành hệ thấng điện, tự động hóa, thiết bị điện - điện tử thuộc khoa Điện trường Đại học Bách khoa Hà Nội Nó làm tài liệu tham thảo cho sinh viên trường kỹ thuật, kỹ sư, kỹ thuật viên công tác lĩnh vực liên quan đến nghiên cứu, thiết kế, chề'tạo, vận hậnh, bảo dưỡng, sửa chữa loại khí cụ điện Nội dùng chia sách bao gồm 18 chương, chia làm ba phần chính: Phần 1: Cơ sà ỉỷ thuyết khí cụ điện; Phần H: Khí cụ điện hạ áp; Phần ỉỉỉ: Khí cụ điện cao áp Giáo trình dược phân cơng biên soạn sau: T.s Phạm vần Chới chủ biến biên soạn chương 1,2,3,4,5,6,11, 12,13,14,15,16,17,18 TS Bùi Tín Hữu biên soạn chương 7, 9,10 KS Nguyễn Tiến biên soạn chương Các tác giả chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp quan tâm, động viên việc biên soạn sách mong nhận nhiều nhận xét, góp ý bạn đọc Địa liên hệ: Bộ môn Thiết bị điện - Điện tử, trường Đại học Bách khoa Hà Nôi Các tác giả MỤC LỤC Lời nói đầu KHÁI NIỆM CHƯNG VỀ KHÍ cụ ĐIỆN (KCĐ) PHẦN I: Cơ SỞ LÝ THUYẾT KCĐ CHƯƠNG 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 Đại cương NCĐ Từ dãn khe hở khơng khí Mạch từ chiều Mạch từ xoay chiều Cuộn dây NCĐ Lực hút điện từ NCĐ chiều Lực hút điện từ NCĐ xoay chiều Đặc tính động NCĐ Phương pháp tính tốn NCĐ Ví dụ tính tốn NCĐ Mạch từ có nam châm vinh cửu Cơ cấu điên từ phân cực CHƯƠNG 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 12 15 23 34 37 44 49 52 61 62 66 69 SựPHÁT NĨNG CỦA KHÍ cụ ĐIỆN Khái niệm chung Các dạng tổn hao lượng Các phương pháp trao dổi nhiệt Tính tốn nhiệt chế độ xác lập Sự phát nóng KCĐ chế q độ Q trình phát nóng ngắn mạch Các phương pháp xác định nhiệt độ băng thực nghiệm Ví dụ tính tốn nhiệt CHƯƠNG 3.1 3.2 3.3 3.4 NAM CHÂM ĐIỆN (NCĐ) 73 74 78 83 88 92 94 96 LỤC ĐIỆN ĐỘNG (LĐĐ) TRONG KHÍ CỤ ĐIỆN Các phương pháp tính LĐĐ Tính toán LĐĐ trường hợp thường gặp Lực điện động dịng điện xoay chiều Ví dụ tính tốn LĐĐ 100 104 111 116 CHƯƠNG HỒ QUANG ĐIỆN (HQĐ) 4.1 4.2 4.3 4.4 Khái niêm chung vb HQĐ Hổ quang điện chiều Hổ quang điện xoay chiều Các biện pháp dập hồ quang 117 121 125 129 CHƯƠNG TIẾP XỨC ĐIỆN 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 Khái niêm chung tiếp xúc điên Điện trở tiếp xúc Các chế độ lằm việc tiếp điểm Vật liệu tiếp điểm Kết cấu tiếp điểm 135 136 140 144 146 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 CHƯƠNG CÁCH ĐIỆN TRONG KHÍ cự ĐIỆN Khái niêm chung Các yếu tố ảnh hưởng tới cách điện Điện áp thử nghiêm KCĐ Khoảng cách cách điên Kiểm ưa cách điện KCĐ cao áp 151 152 154 156 158 PHẦN 11 KHÍ CỤ ĐIỆN HẠ ÁP CHƯƠNG KHÍ CỤ ĐIỆN BẢO VỆ VÀ PHÂN PHỐI 7.1 Câu chì 7.2 Máy Cắt hạ áp 161 172 CHƯƠNG RƠLE 8.1 Khái niệm chung 8.2 Những đặc tính tham só rơle 8.3 Rơle điện từ 8.4 Rơle ưung gian 8.5 Rơle điều khiển 8.6 Rơle tín hiệu 8.7 Rơle dòng điên 8.8 Rơle điên áp 8.9 Rơle cảm ứng 8.10 Rơle công suất 8.11 Rơle công suất cảm ứng điện động 198 201 205 207 217 221 223 233 238 245 247 8.12 8.18 8.14 8.15 8.16 8.17 8.18 8.19 8.20 8.21 Rơle tần số Rơle tổng trở Rơle từ điện Rơle điện động Rơle phân cực Rơle nhiệt Rơle thời gian Rơle tốc độ Rơle mức chất lỏng Rơle kỹ thuật số 250 251 251 255 259 264 279 300 302 305 CHƯƠNG CÁC KHÍ cự ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN tay 9.1 9.2 9.3 9.4 Ciu dao Công tắc Các khống chế điều khiển Điện trở biến trở 328 331 336 342 CHƯƠNG 10 CÔNG TẮC Tơ VÀ KHỞI ĐỘNG TỪ 10.1 Công tắc tơ 10 Khởi động, từ 10.3 Các số liệu công tác tơ khởi động từ 349 361 367 CHƯƠNG 11 KHUỂCH ĐẠI TỪ(KĐT) 11.1 Khái niệm chung KĐT 11.2 Khuếch đại từ đơn 11 Khuếch đại từ kép 371 373 375 CHƯƠNG 12 THIẾT BỊ ỔN ÁP ĐIỆN XOAY CHIỀU 12.1 Khái niệm chung 12 Ổn áp sắt từ 12.3 ổn áp kiểu biến áp tự ngẫu 12.4 ổn áp kiểu bù 377 378 379 383 CHƯƠNG 13 Cơ CẤU ĐIỆN TỪ CHẤP HÀNH 13.1 Khái niêm chung 13.2 Khớp ly hợp điện từ 13.3 Cần cẩu điện từ 386 386 391 13.4 18.5 18.6 13.7 Bàn gá từ Phân ly điện từ Van điên từ Phanh điện từ 392 392 392 393 CHƯƠNG 14 THIẾT BỊ CẤP NGUồN DựPHÒNG 14.1 Thiết bị cấp nguồn liên tục UPS 14.2 Thiết bị tự động đổi nguồn ATS 395 396 PHẦN III KHÍ CỤ ĐIỆN CAO ÁP CHƯƠNG 15 MẤY CẮT ĐIỆN CAO ÁP 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 15.8 15.9 Khái niêm chung Máy cắt dầu Máy cắt dầu Máy cắt không khí nén Máy cắt khí SF6 Máy cắt chân khơng Máy cắt tự sinh khí Máy cắt điên từ Nguyên lý thao tác máy cắt 405 407 409 411 416 420 426 427 428 CHƯƠNG 16 DAO CÁCH LY, DAO NGẮN MẠCH, 16.1 16.2 16.3 16.4 THIẾT BỊ CHỐNG SÉT, KHÁNG ĐIỆN Dao cách ly Dao ngắn mạch Thiết bị chống sét Kháng điện 431 435 437 441 CHƯƠNG 17 MÁY BIẾN DÒNG ĐIỆN VÀ MÁY BIÊN ĐIỆN ÁP 17.1 Máy biến dòng điên (BI) 17.2 Máy biến điện áp (BU) 17.3 Các số liêu số loại khí cụ điện cao áp 445 454 463 CHƯƠNG 18 THIẾT BỊ HỢP BỘ VÀ CẤP BẢO VỆ IP 18.1 Thiết bị hợp 18.2 Cấp bảo vệ IP 476 481 Tài liệu tham khảo 483 KHÁI NIỆM CHUNG VẾ KHÍ CỤ ĐIỆN Khí cụ điện (KCĐ) thiết bị điện dùng để điều khiển, kiểm tra, tự động điều chỉnh, khống chế đối tượng điện không điện bảo vệ chung trường hợp cố Khí cụ điện có nhiều chủng loại với chức năng, nguyên lý làm việc kích cỡ khác nhau, dùng rộng rãi lĩnh vực sống Trong phạm vi giáo trình này, vấn đề đề cập đến sở lý thuyết, nguyên lý làm việc, kết cấu đặc điểm loại KCĐ dùng ngành điện cơng nghiệp Khí cụ điện thường phân loại theo chức năng, theo nguyên ,lý môi trường làih việc, theo điện áp - Theo chức năng, KCĐ phân thành nho'm sau: ĩ- Nhóm KCĐ đóng cắt: Chức nhóm đóng cắt tự động tay mạch điện chế độ làm việc khác Các KCĐ do'ng cắt gồm cầu dao, dao cách ly, dao phụ tải, máy cắt tự động (áp tô mát), máy cắt mạch, cầu chì, chuyển đổi nguồn Dao cách ly dùng để cắt mạch dịng điên đóng cắt dịng điện khơng tải máy biến áp đường dây Dao phụ tải dùng để đo'ng cắt mạch điện có tải Cịn càu chỉ, máy cắt dùng để tự động cắt mạch điện bị ngắn mạch Đặc điểm nhóm KCĐ đo'ng cất tần số thao tác thấp (thỉnh thoảng phải thao tác), tuổi thọ cùa chúng thường khơng cao (đến hàng chục ngàn lần đóng cắt) 2- Nho'm KCĐ hạn chế dịng điện, điện áp: Nhóm có chức hạn chế dịng đĩện, điện áp mạch không táng cao bị cố Kháng điện dùng để hạn chế dòng ngắn mạch, van chống sét dùng để hạn chế điện áp 3- Nhóm KCĐ mở máy, điều khiển: Nhóm gồm loại KCĐ mở máy, khống chế, điện trở mở máy, cơng tắc tơ, khởi động tìí V.V Đặc điểm nhóm tàn sơ' thao tác cao, tới 1500 lần/giờ, tuổi thọ co' thể tới hàng triệu lần đo'ng cắt 4- Nho'm KCĐ kiểm tra, theo dõi: Nho'm có chức kiểm tra, theo dõi làm việc đối tượng biến đổỉ tín hiệu khơng điện thành tín hiệu điện Các KCĐ thuộc nhóm gồm loại rơle, cảm biến Đậc điểm nho'm KCĐ công suất thấp, thường nối mạch thứ cấp để biến đổi, truyền tín hiệu 5- Nho'm KCĐ tự động điều chỉnh, khống chế, trì chế độ làm việc tham sổ đối tượng ổn định điện áp, ổn định tốc độ, ổn định nhiệt độ 6- Nhóm KCĐ biến đổi dịng điện, điện áp gồm máy biến dòng điện máy biến điện áp Chúng có chức biến đổi dịng điện lớn, điện áp cao thành dịng điện điện áp có trị số thích hợp, an tồn cho việc đo lường, điều khiển, bảo vệ - Theo nguyên lý làm việc, KCĐ chia theo nhóm với nguyên lý điện cơ, điện ừừ, từ điện, điện động, nhiệt, có 'tiếp xúc khơng tiếp xúc - Theo nguồn diện, ta có KCĐ chiều KCĐ xoay chiều Theo độ lớn đỉện áp làm việc, KCĐ điện chia thành KCĐ hạ áp (có điện áp đến 1000 V) KCĐ cao áp (điện áp tĩx 1000 V trở lên) Trong nhóm KCĐ cao áp, người ta lại chia thành ba nhóm: KCĐ trung áp co' điện áp đến 36 kV, KCĐ cao áp co' điện áp từ 36 đến 400 kV KCĐ siêu cao áp co' điện áp từ 400 kV trở lên - Theo diều kiện môi trường, co' loại KCĐ láp đặt nhà, KCĐ lắp đặt ngồi trời, KCĐ làm việc mơi trường dễ cháy nổ Việc phân loại KCĐ tương đổi, khơng co' ranh giới rõ ràng Ví dụ máy biến áp điện lực máy biến điện áp co' nguyên lý làm việc hoàn toàn nhau, song máy biến áp điện lực lại máy điện, máy biến điện áp lại KCĐ Vói máy biến áp điện lực, tiêu lượng, hiệu suất, tổn hao quan tâm đặc biệt; máy biến điện áp, độ xác đại lượng càn quan tâm thiết kế tính tốn thơng số tìí cảm, mật độ dòng điện máy biến điện áp thường lấy thấp nhiều so với máy biến áp điện lực Sự phân biệt máy điện K.CĐ chưa rõ ràng, ví dụ máy điện có vài KCĐ, ngược lại KCĐ cung có vài loại máy điện, máy biến áp điện lực có KCĐ điều chỉnh đỉện áp, rơle nhiệt độ, rơle , máy cát điện co' máy điện động điện làm nhiệm vụ tích lũy cho thao tác, máy biến áp công suất nhỏ cấp nguồn nuôi cho mạch điêu khiển Tùy theo chức nâng, KCĐ có yêu cầu cụ thể, riêng bièt, yêu cắu yêu càu kỹ thuật yõu cầu kinh tế kim loại gốm bảo toàn Tuỳ theo yêu cầu tiếp điểm, thành phần vật liệu pha trộn theo tỷ lệ thích hợp Trong bảng 5- cho số kim loại gốm Liên Xồ (cũ) chế tạo, dùng công nghệ tiếp điểm Bảng 5-2 Vật liệu tỉếp điềm bung kỉm loạỉ gốm Ký hiệu vệt ll *u Cỉc thành phần co bin KMK - A10 Bạc, ôxýt cadimi KMK - A20 KMK - A31 KMK- A60 KMK - A61 KMK - B20 Bạc, ôxýt đồng Bạc, niken Bạc, niken, vonfram Bạc, vonfram, niken Đồng, vonfram, niken KMK - B21 Đồng, vonfram, niken Khối lượng riêng, kg/m® Điện trà suất, 10‘aQm Độ cứng Bíinel kG/mma 9.700 9.500 9.500 13.500 15.000 0,030 0,025 0,032 0,041 45 -ỉ- 75 45 -ỉ- 60 60 -í- 80 12.100 0,045 0,060 120 - 160 170 - 210 170 + 150 13.800 0,070 170 + 200 Ỏ khí cụ điện hạ áp, người ta thường dùng tiếp điểm từ vật liệu KMK - A10, A20 A31 Đặc trưng KMK - A10 phân huỷ CdO (ôxyt cadimf) thành Cd 0, đẩy hồ quang chuyển động bề mặt tiếp điểm làm giảm nhiệt độ tiếp đỉểm, tăng khả nãng phản ion, dễ dập tắt hồ quang Các tiếp điểm từ KMK - A20 chịu ăn mòn tốt loại KMK - A10 Kim loại gốm KMK - A31 có đặc điểm dễ gia cơng, chịu ốn mịn tốt, có điện trở tiếp xúc bé ổn định khả chịu hàn dính loại KMK - A10, A20 Vói khí cụ điện đóng cắt cao áp, tiếp điểm chúng thường chế tạo từ vật liệu mã hiệu KM-A60, A61; B-20 vả B-21 Trong vật liệu co' von fram nên độ cứng lớn, chịu mài mịn chịu hồ quang, bị hàn dính Ngồi ra, tiếp điểm kim loại gốm gốc bạc - graphít đồng - graphít chịu mái mịn, bị hàn dính chịu hồ quang nên sử dụng tiếp điểm hồ quang 5.5 KẾT CẤU TIẾP ĐIỄM Tùy theo chức thiết bị đóng cát cồng suất (dịng điện, đỉện áp) mà tiếp điểm phải chịu, người ta sử dụng kết cấu thích hợp tiếp điểm Chúng ta xét số kết cấu tiếp điểm thơng dụng 146 (hỉnh 5- 7a) thường dùng cho dịng điện bé (đến A), tải nhẹ: Dạng tiếp xúc điểm khơng có lị xo tiếp điểm riêng mà lợi dụng tính đàn hồỉ dẫn động để tạo lực ép tiếp điểm, rơle trung gian, độ mở tiếp điểm cỡ đến mm cho điện áp 250 V xoay chiều, không co' buồng dập hồ quang 1- Tiếp điểm kiểu cồngson Hình 5-B 1- Thanh dẫn tĩnh; 2- Tiếp điểm; 3- Thanh dẫn dộng; 4- Lị xo tiếp điểm 2- Tiếp điểm kiểu cầu (hình 5-8) với đặc điểm pha có hai chỗ cắt nên hồ quang bị phân đoạn Tiếp điểm động chuyển động thẳng, lị xo ép tiếp điểm dạng xốn, hình trụ, làm việc chế độ nén Loại dây dẫn mềm, kết cấu đơn giản Kết cấu thường dùng công tắc tơ, khởi động tù điều khiển động điện, có dịng điện định mức từ hàng chục ampe đến vài trâm ampe (đến 800 A) 5- Tiẽp điểm kiểu ngón (hình 5-9) Với tiếp điểm kiểu này, pha có chỗ cắt nên phần động chuyển động quay, dùng dây dẫn mềm để nối với tiếp điểm động Tìí hình 5- ta nhận thấy rằng, độ đóng phần mỏ hai tiếp điểm (điểm 1-1) tiếp xúc trước, sau phần dưối (điểiiì 2-2) tiếp xúc sau Quá trình cắt diễn ngược lại: điểm 2-2 tách rai trước, điểm 1-1 tách sau Với kết cấu này, phần hồ quang phát sinh (điểm 1-1) khác phần tiếp xúc làm việc (điểm 2-2) Bằng kết cấu này, vùng tiếp xúc làm việc không bị hồ quang Loại kết cấu thường sử dụng máy cắt hạ áp (aptô.mát) thiết bị đóng cắt có chế độ làm việc nặng nề Trên hình 5-10 mồ tả kết cấu cỉia dạng tiếp điểm kiểu ngón 147 Htnh 5-9 a- Trạng thái mờ; b- Quá độ dóng; c- Đóng ổn đjnh; Nguyên lý kết cấu tiếp điểm loại trình bày hình 5-11 Kết cấu hình 5- lla thường dùng cho cầu dao vớì dịng điện thấp (đến vài chự(f ampe) Lực ép tiếp điểm nhờ tính đàn hồi đồng tiếp điểm tĩnh Với dòng điện lớn, ngưỡi ta dùng thép lò xo dạng phảng (hình 5-llb, c) dề tạo lực ép tốt Vái kết cấu này, bị ngán mạch, lực điện động chiều với lực ép tiếp điểm, bảo đảm tiếp xúc tốt Loại tiếp điểm Hlnh 5-10 1Dây dẫn mềm; Tiếp điểm tỉnh; 3- Tiếp kiểu dao dùng đóng cắt khơng điểm động; 4- Lị xo2- tiếp diểm; 5- Gíá dđ; 6điện dịngj điện thấp (dịng Trụ truyền dộng không tải), thường gặp cầu dao, dao cách ly 5- Tiểp điểm kiều nêm mồ tà hình 5-12 Với kết cău cho phép dịng điên định mức lớn qua, dập hồ quang khơng lợi, dễ làm hỏng bề mặt tiếp xúc diện Loại thường dùng tác dao cách ly điện áp cao 4- Tiếp điểm kiều dao 148 6- Tiếp đỉề m trình bày hình 5-13 Tiếp điểm động có dạng trụ rồng, tiện cho việc thổi hồ quang Tiếp điểm tĩnh có dày dẫn mềm lị xo hỗn xung Loại tiếp điểm thường dũng máy cắt cao áp khí nén, dầu 7- Tiếp điểm kiểu hoa huệ cho hình 5-14 Tiếp điểm động dạng hình trụ đặc, phần đầu hìqh cầu, kim loại chịu hồ quang Các cánh tiếp điểm tĩnh có lị xo tiếp điểm tạo mối liên kết giá đỡ tiếp điểm để đưa dịng điện qua tiếp điểm tỉnh Vì cánh tiếp điểm tĩnh song song với đôỉ nên cổ dòng điện ngắn mạch, lực điện động tăng lực ép tiếp điểm, tạo điện trở tiếp xúc bé Với kết cấu này, vùng hồ quang cháy vùng tiếp xúc làm việc khác nên đảm bảo bề mặt tiếp xúc làm việc không bị hồ quang phá hỏng Kết cấu thường sử dụng máy cắt dịng kiều đối Hình 5-11 1- Tiếp điểm tĩnh; 2- Tiếp điểm dộng 3' Lò xo ép tiếp điểm Hlnh 5-12 149 điện cỡ hàng ngàn ampe Kết cấu thường sử dụng trạm đóng cắt trọn bộ, láp ráp kiểu mơđun Ngày với phát triển công nghệ, thiết bị đóng cắt dịng điện lớn, người ta thường dùng kết cấu tiếp điểm đo' tiếp điểm làm việc tiếp điểm hồ quang riêng biệt, tiếp điểm hồ quang đóng trước, cát sau, cịn tiếp điểm làm việc thỉ đóng sau, cắt trước Hình 5-14 150 CHƯƠNG CÁCH ĐIỆN TRONG KHÍ cụ ĐIỆN 6.1 KHÁI NIỆM CHUNG Cách điện đống vai trò quan trọng khí cụ điện Độ tin cậy, kích thưốc, khối lượng giá thành khí cụ điện phụ thuộc vào cách điện, với thiết bị điện cố điện áp từ 1000 V trở lên Trong thiết bị điện có loại cách điện sau: cách điện pha, cách điện pha với đất (là phần vỏ kim loại không dẫn điện nối đất), cách điện tiếp điểm động tiếp điểm tình pha Vật liệu cách diện thường dùng có ba loại: cách điện rắn, cách điện lỏng (như dầu biến áp), cách điện khí (khơng khí, khí SF() hay chân không) tổ hợp loại Cách điện thiết bị điện phụ thuộc vào điên áp định mức chúng Uđm điện áp dây hệ thống điện ba pha, tính theo trị hiệu dụng mà thiết bị điện có cấp điện áp tương ứng phải làm việc lâu dài hệ thống điện dó Với thiết bị điện chiều, điện áp định mức hiểu điện áp nguồn cấp cho thiết bị Với điện áp đến 1000 V, ta thường gặp trị sô' điện áp định mức sau: 6; 12; 24; 36; 48; 60; 110; 220; 380; 440; 660 V Với điện áp trẽn 1000 V, cấp điện áp định mức thường gập là: 3; 6; 10; 15; 20; 24; 35; 36; 75; 110; 150; 220; 330; 500; 750 kV Trong lưới điện vôi điện áp 36 kV gọi lưới trung áp, 36 kV đến 330 kV lưới cao áp, điện áp cao gọi siêu cao áp Tuỳ theo đường dòng điện qua cách điện, khoảng cách cách điện chia làm hai loại: khoảng cách phóng điện khoảng cách theo dịng 151 điện bề mặt (hình 6-1), Khoảng cách phóng điện khoảng cách gần hai chi tiết kim loại có điện áp khác (ip, cịn khoảng cách theo bề mặt đường ngắn theo bề mặt (12) tù chi tiết đến chi tiết Cách điện theo lt gọi cách điện bên cách điện, cịn cách điện theo 12 Hình 8-1 cịn gọi cách điện cùa cách điện Cách điện phụ thuộc vào bề dày đặc tính vật liệu cách điện, cịn cách điện ngồi phụ thuộc vào chiều dài l2 môi trường làm việc cách điện như: bụi, bẩn, độ ẩm, hoá chất xâm thực Đặc trưng cho cách điện có điện áp đủ lớn đặt lên nố với thời gian xác định, có phóng điện hai điện cực làm cách điện bị hỏng tạo cầu dẫn điện chúng Q trình phóng điện đánh thủng chất điện mơi phổng bề mặt cách điện, phụ thuộc vào nhỉều yếu tố như: đặc tính, kích cỡ chất điện môi, trạng tháỉ bề mặt cách 4iệư, độ lớn điện áp, dạng sóng nó, thời gian trì điện áp 6.2 CẤC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CẤCH ĐIỆN Khi làm việc, cách điện bị tác động sau: - Tác động cùa điện trường điện áp gây nên, điện áp định mức lướỉ điện, điện áp thao tác q điện áp có nguồn gốc khí - Tác động nhiệt thay đổi nhiệt độ môi trường nhiệt độ tổn hao công suất thiết bị điện gây nên - Tác động học lên cách điện phương pháp cố định cách điện, mối liên kết học cách điện với phàn tử khác, lực điện động ngắn mạch tác động lên cách điện - Tác động môi trường độ ẩm, bụi, bẩn, tác nhân hoá học, áp suất khí Sau xét tác động ' ỉ- Quá điện áp - Quá điện áp hai nguyên nhân: điện áp khí 152 điện áp thao tác gây nên Quá điện áp khí thường sét đánh trực tiếp vào đường dây tải điện hoậc điện áp càm ứng sét đánh gần đường dây Quá điện áp tác động lên cách điện đường dây cách điện thiết bị điện nối vối đường dây Trị số điện áp khí lớn, co' thể đến hảng ngàn kiỉơvơn Q diện áp khí sóng dạng xung truyền đường dây nên bị suy giảm tương đối nhanh theo chiều dài đường dây, dộng điện rò thiết bị bảo vệ điện áp thiết bị chống sét đặt trước trạm biến áp Quá điện áp thao tác gây trình đóng cắt lưới điện Dạng điện áp xuất chế độ ngán mạch, mà cịn xuất chế độ bình thường với thời gian cỡ nửa chu kỳ tần số công nghiệp Quá điện áp thao tác thường xảy khi: - Một pha chạm đất, với trị số điện áp đạt tới 3,5 lần điện áp pha cùa lưới điện - Cắt tải điện áp lớn cắt biến áp công suất lớn không tải Ỏ lưới điện từ kV đến kV, điện áp trường hợp đạt tới lần, với cấp điên áp từ 10 đến 35 kV, trị số tới lần điện áp pha lưới, Khi cắt dòng điện chiều thiết bị chỉnh lưu công suất lớn Khi cát tải điện dung đường dây dàỉ không tải Trong lưới điện, trị số điện áp phụ thuộc vào chế độ làm việc cùa đỉểm trung tính lưới (trung tính máy phát máy biến áp): trung tính cách ly, trung tính nối đất trực tiếp, nối đất qua điện trồ hay nối đất qua cuộn dập hồ quang Với lưới điện có trung tính cách ly, cho phép làm việc kể pha chạm đất, xong điện dung pha đất lớn, trị số diện áp cao, gây nguy hiểm cho cách điện, vậy, hệ thống điện có trung tính cách ly sử dụng cho cấp điện áp đến 35 kV có độ dự trữ cábh điện lớn điện dung 80 vớỉ đất bé Với lưới điện đến 35 kV có điện dung so với đất lớn (như cáp ngầm), trung tính thường nối đất qua cuộn kháng dập hồ quang để bù với dịng điện dung pha đất, tăng q trình dập hồ quang vá giảm thời gian tác động điện áp Với lưới điện-có trung tmh nối đất (4 dây, ba dây pha dây trung tính), bị ngán mạch pha, dòng ngắn mạch lớn, thiết bị bảo vệ 153 tác động, loại trừ cố nên cách điện không bị điện áp cung cấp điện bị gián đoạn 2- Tác động nhiệt íên cách điện Khi nhỉệt độ tăng, độ bền điện cách điện giảm, go'c tổn hao điện môi tâng, làm giảm tuổi thọ cách điện Mật khác nhiệt độ thay đổi, nhiều vật liệu cách điện rắn xuất ứng suất học, gây rạn nứt, hỏng hớc cục lớp cách điện ỏ cách điện lỏng khí, việc thay đổi nhiệt độ, nhiệt độ tăng phạm vi đo', nước bị bốc hơi, làm tăng độ bền điện Tóm lại tác động nhiệt lên cách điện co' thể thay đổi đặc tính cách điện theo chiêu giảm, theo chiều tàng độ bền điện X Tác động học lên cách điện nguyên nhân lực kết cấu, cố định cách điện lực điện động \ Dưới tác dụng lực học, gây ứng suất học cấu trúc vật liệu cách điện, làm thay đổi số điện môi độ dẫn điện chất điện môi Sự tihay đổi phụ thuộc vào dạng ứng suất độ lón ứng xuất ứng suất nén, ứng suất kéo ứng suất xoắn Nếu dạng độ lớn ứng suất thích hợp, cố thể làm tàng độ bền điện Nếu trị số dạng ứng suất khơng thích hợp (q lớn) gây thương tích cho cách điện, làm tăng trỉnh ion hoá chỗ hư hại này, kể điện áp định mức, làm hỏng cách điện 4- Tác động càa mơi trường: Đó nhiệt độ mơi trường, áp suất khí quyển, độ ẩm khơng khí, nắng, gió, mưa Các nhân tố tác động chủ yếu lên bề mặt cách điện gây ứng suất khí cấu trúc vật liệu cách điện Tác động môi trường như: độ ắm, mưa, gió làm giảm độ bền điên bề mặt, có lúc lại làm tăng độ bền điện vỉ tẩy rửa bụi, bẩn, muối khống bám bề mặt cách điện, vĩ tác động môỉ trườngỉdên cách điện co' ảnh hưởng phức tạp Khi nắm vững nhân tố tác động đến cách điện, ta thiết kế, lựa chọn cách điện thích hợp, tăng độ tỉn cậy tuổi thọ cho thiết bị điện 6.3 ĐIỆN ÁP THỬ NGHIỆM CỦA KHÍ cụ ĐIỆN Mỗi thiết bị điện chế tạo để làm việc giá trị điện áp định mức 154 điện áp điều kiện định Điện áp lởn đặt vào thiết bị điện mà không gây hư hại cho cách điện cùa gọi điện áp thử nghiệm Điện áp thử nghiêm thường có dạng sau: điện áp với tần số cơng nghiệp, với sdng chuẩn với sóng cắt Dạng điện áp thử nghiệm xác định đặc tính phân bố cùa điện trường Với điện áp xoay chiều, phân bố điện trường phụ thuộc vào số điện mơi vật liệu cách điện; cịn với điện áp’ chỉều xác lập, phân bố điện trường phụ thuộc vào độ dẫn điện vật liệu cách điện Với điện áp thử nghiêm tần số cơng nghiệp, cần ý thời gian trì điện áp thử nghiệm thiết bị tốc độ tăng điện áp theo thời gian Đặc tính điện áp thử nghiệm theo thời gian gọi đặc tính vôn - giây cách điện - điện áp mà cách điện chịu đựng phụ thuộc vào thời gian thử nghiệm, vl q trình phóng điện cần phải có thời gian định Nếu thời gian thừ nghiệm ngắn cách điện chịu điện áp thử nghiệm cao Thông thường với điện áp tần số công nghiệp, thời gian thử nghiệm phút Với khí cụ điện có điện áp định mức đến 500 V, điện áp thử nghiệm tàn số công nghiệp với thời gian phút 2000 V Hình dáng sóng điện áp thử nghiệm dạng xung cho hình 6-2: dạng sóng tồn phần (hình 6-2a) với độ dài sườn trước Tf = 1,5 ± 0,2 /fs độ dài xung ĩx = 40 ± fis; dạng sóng cất (hình 6-2b) có độ dài T = //s Hình 8-2 Thơng thường trị số điện áp thử nghiệm dạng xung thường lớn vài lần so với trị số điện áp thử nghiệm dạng tần số công nghiệp với thời gian 155 thử nghiệm phút Ỏ bảng 6-1 cho trị số đỉện áp thử nghiệm với vị trí cách điện khác đao cách ly, làm việc điêu kiện khí bình thường Điện áp thừ nghiệm phút, tần số Diện áp định mức công nghiệp Điận áp thủ nghiệm xung vói sóng ± 14/40 ẠS Giữa hai tiếp Pha - pha Giữa hai tiếp điểm pha - pha điểm pha khỉ mổ, kV pha - đất, KV pha mô pha - đất, kV 10 20 25 35 45 75 21 27 35 55 52 70 85 145 45 60 75 125 35 100 60 190 310 620 75 140 230 195 375 170 325 630 1210 550 1050 kV 110 220 460 6.4 KHOẢNQ CÁCH CÁCH ĐIỆN Việc xác định khoảng cách cách điện tối ưu cđ ảnh hưởng khổng nhỏ đến kích cỡ giá thành thiết bị điện Khoảng cách cách điện tối thiểu khoảng cách đảm bảo an tồn cho thiết bị điện q trình làm việc, khơng xảy tượng pho'ng điện Vói cách điện khơng khí, độ bền điện loại điện mơi phụ thuộc vào dạng điện cực (hình 6-'3) Nếu điện trường hai điện cực đều, độ bền điện khơng khí điều kiện chuẩn đạt cỡ 3000 v/mm Vì với khí cụ điện có điện áp định mức đến 1000 V, khe hở khơng khí cho cách điện cần cỡ đến mm đủ Cần lưu ý trình làm việc, bụi bẩn, Hỉnh 8-3 156 nước xuất khe hở này, tuỳ theo cấp bảo vệ (độ kin) thiết bi (IP), phải tàng khe hở tối thiểu để đảm bảo an toàn cho cách điện Bề mặt cách điện thường bị bụi, bẩn, ẩm làm tảng nhanh dịng điện rị, dẫn đến khả phóng điện bề mặt khống cách cách điện theo dịng điện rị thường phải lấy lớn khoảng cách phóng điện Người ta thường tăng khoảng cách cách điện theo dòng điện rò cách làm vách ngăn, gờ, "mái hiên" chi tiết cách điện nhựa, sứ Một vấn đề cần lưu ý chọn khoảng cách cách điện nối tiếp gỉữa vật liệu cách điện co hệ số điện môỉ khác Giả sử có n lớp cách điện nối tiếp nhau, đặt điện trường có điện áp u, ta co' biểu thức: u = EịA| + E2A2 + + E„An (6-1) đó: Aj bề dày lớp cách điện thứ i; Ej cường độ điện trường lớp cách điện ỉ Với điện trường đều, điện cảm D lớp cách điện giống nhau: D1 = D2 = - Dn (6-2) = £2^2 “ ■" = €n^n (6-3) Từ (6-3) tã có quan hệ: Vậy tỉ số cường độ điện trường hai lớp cách điện tỷ lệ nghịch với tỷ số số điện môi chúng Nếu vật liệu cách điện có hàng số điện mơi bé cường độ điện trường lớn, dễ dẫn đến phá hỏng lớp cách điện Sau xét ví dụ minh hoạ Nếu ta có khoảng cách cách điện khơng khí với Aa = 10 mm, cường độ điện trường phcíng ựiện lớp cách điện khơng khí đo' Ea = 3,5 kV/mm, điện áp cách điện là: ua = EaAa = 3,5 10 = 35 kV Ta đặt bakêlít với Ah = mm, £b = 5, fa = 1, theo (6-4), ta được: 157 Vì cường độ điện trường khơng khí lớn gấp lần cường độ điện trường bakêlít, nên điện áp mà cách điện hỗn hợp (khơng khí, bakêlit) chịu đựng là: u = AaEa + AbEb = A(Ea + 0,2Ea) = 5(3,5 +0,7) = 21 kV Nếu có riêng bakêlít điện áp chọc thủng lớp cách điện ỉà: ub = Eb.Ab = 15 = 75 kV Ta nhận thấy ràng, với 10 mm không khí, điện áp chịu đựng 35 kV, cịn có cách điện hỗn hợp mm khơng khí mm bakêlit, điện áp 21 kV, Tất nhiên sau lớp khơng khí bị đánh thủng, lớp bakêỉỉt làm việc càn lưu ý ràng, lớp khơng khí bị đánh thủng, q trình ion hố tăng nhanh, phá hỏng dần lớp bakêlít Vì với cách điện hỗn hợp, phải ý cường độ điện trường lớp cách điện khác nhau, 6.5 KIÊM TRA CÁCH ĐIỆN Ở CÁC THIỄT BỊ ĐIỆN CAO ÁP Trong thiết bị điện cao áp, cách điện thông số quan trọng thường xuyên phải kiểm tra, đánh giá định kỳ chất lượng cách điện Phương pháp để kiểm tra cách điện đo điện trở cách điện góc tổn hao điện mơi Ngồi ra, dùng điện áp thử nghiệm đặt lên cách điện Chất lượng cách điện kiểm tra sơ bàng cách đo điện trở cách điện bàng mêgaôm mét (loại điện áp 2500 V, cách điện cao áp) cầu chỉnh lưu điện áp cao Khỉ ta đặt điện áp lên cách điện, dòng điên chạy trồng cách Hình 6-4 158 điện phân tích thành bạ thành phần: dịng nạp tụ điện khơng gỉan, dịng hấp thụ hỏng hóc cách điện sinh dòng điện rò Sơ đồ điện thay cách điện có hỏng hóc cục trình bày hình 6-4 Trong diện dung C2 điện dung phần cách điện tốt điện dung, điện dung phần cách điện có hỏng hóc, gp điện dẫn phần cách điện có điện dung cr Khi đặt điện áp chiều u lên cách điện, dịng điện nạp tụ khơng gian clc2 ■■ p p tương đối lớn, sau đố giảm dần tụ nạp đầy Song song với q trình nạp tụ, mạch ngồi có dịng điện hấp thụ, xác định theo cổng thức; ‘ht = U-81 (C * "T )2 + c2 đó: T — — —C| £1 Điện dẫn gỊ thường điện dẫn độ ẩm tạo nên Nếu độ ẩm lớn, dòng điện WSp thụ lớn số thời gian T lại giâm Trên hlnh 6-5 cho quan hệ giữã dòng điện hấp thụ thời gian đường cong 1, điện dẫn gj bé đĩện dẩn đường cong tới lần Ngồi‘dịng điện hấp thụ (chỉ tồn thời gian độ) tồn dịng điện rị sau 'khí kết Hình 6-7 159 thúc q trình q độ Dịng điện rị điện dẫn cách điện tạo nên Quan hệ dòng điện qua cách điện điện trở cách điện theo thời gian cho hình 6-6 Trên hình 6-6, đường đường đặc tính cách diện chất lượng tốt, đường - chất lượng xấu Người ta dùng hệ số hấp thụ để đánh giá mức độ ẩm ưốt cách đĩện: đó: Rt2 điện trở cách điện thời điểm t = 60 s; Rtl điện trở cách điện thời điểm t = 15 s Hệ số hấp thụ Kht phụ thuộc vào nhiệt độ, thường đo điện trở khoảng 20 đến 40°C Nếu cách điện có chất lượng cao, điện trở phụ thuộc vào điện áp, cịn cách điện chất lượng thấp có điện trở phụ thuộc vào điện áp Quan hệ điện trở dòng điện với diện áp cho hĩnh 6-7 Khi điện áp thấp, bé hon trị số tới hạn Ukpí chưa xuất hỏng hóc cách điện nên điện trở cách điện R tăng, dịng điện tăng không đáng kể Khi điện áp lớn trị số tới hạn, điện trở cách điện giảm, dòng điện rò tăng dẫn tới trường hợp đánh thủng cách điện Một biện pháp hiệu để kiểm tra chất lượng cách điện đo góc tổn' hao điện mơi tgó, Quan hệ tgỏ (U) cho phép xác định giới hạn bền nhiệt cách điện Khi nhiệt độ cách đỉện cao, điện trở giảm nên dòng điện rò táng, dẫn đến tãng tổn hao, tăng nhiệt độ cách điện Q trình tăng làm cách điện bị chọc thủng nhiệt Ỏ điện áp định mức, trình nhiệt cân nên nhiệt độ cách điện không vượt trị số tói hạn Đo tgơ xác định trị tới hạn điện áp, từ đánh giá chất lượng cách điện 160 ... nói đầu KHÁI NIỆM CHƯNG VỀ KHÍ cụ ĐIỆN (KCĐ) PHẦN I: Cơ SỞ LÝ THUYẾT KCĐ CHƯƠNG 1. 1 1. 2 1. 3 1. 4 1. 5 1. 6 1. 7 1. 8 1. 9 1. 10 1. 11 1 .12 Đại cương NCĐ Từ dãn khe hở khơng khí Mạch từ chiều Mạch từ xoay... áp 8.9 Rơle cảm ứng 8 .10 Rơle công suất 8 .11 Rơle công suất cảm ứng điện động 19 8 2 01 205 207 217 2 21 223 233 238 245 247 8 .12 8 .18 8 .14 8 .15 8 .16 8 .17 8 .18 8 .19 8.20 8. 21 Rơle tần số Rơle tổng... dưỡng, sửa chữa loại khí cụ điện Nội dùng chia sách bao gồm 18 chương, chia làm ba phần chính: Phần 1: Cơ sà ỉỷ thuyết khí cụ điện; Phần H: Khí cụ điện hạ áp; Phần ỉỉỉ: Khí cụ điện cao áp Giáo