đề cương khí cụ điện

®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi §Ò c¬ng m«n: KhÝ cô ®iÖn Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện - Khí cụ điện đề cập ở đây là loại khí cụ điện làm nhiệm vụ: đóng cắt, điều khiển, điều chỉnh, bảo vệ, chuyển đổi, khống chế và kiểm tra mọi hoạt động của hệ thống lưới điện và máy điện. - Khí cụ điện là một loại thiết bị đang được sử dụng rất phổ biến, nó có mặt trong hầu hết các lĩnh vực sản xuất của nền kinh tế, từ các nhà máy điện, trạm biến áp, các nhà máy nông công nghiệp… - Khí cụ điện ở nước ta hiện nay được nhập ở rất nhiều nước, rất nhiều hãng khác nhau và có đủ mọi thế hệ. Có cả các thiết bị đã được sử dụng 40 đến 50 năm nay, rất lạc hậu và các thiết bị rất hiện đại mới nhập. Chính vì vậy các qui cách không thống nhất, gây khó khăn cho vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa. Do quá nhiều chủng loại khí cụ điện với các tiêu chuẩn khác nhau, nên trong sử dụng hiện nay nhiều khi không sử dụng hết tính năng và công suất của thiết bị hoặc sử dụng không đúng gây hư hỏng thiết bị, làm thiệt hại không nhỏ cho nên kinh tế. Chính vì vậy việc đào tạo nâng cao kiến thức về khí cụ điện, đặc biệt là các thiết bị mới cho các cán bộ kỹ thuật quản lý và vận hành thiết bị là một đòi hỏi rất cấp thiết. Giáo trình này trang bị những lý luận cơ bản, để hiểu nguyên lý làm việc, đặc điểm cấu tạo các loại khí cụ điện thường dùng trong tự động truyền động, trong hệ thống điện và trong lĩnh vực điều khiển máy điện… nhằm giúp sinh viên các ngành điện khi ra trường có thể lựa chọn, vận hành, sửa chữa cải tiến khí cụ điện hoặc một số bộ phận của khí cụ điện. 1.1. PHÂN LOẠI KHÍ CỤ ĐIỆN: 1. Theo công dụng: • Khí cụ điện khống chế: Dùng để đóng cắt, điều chỉnh tốc độ chiều quay của máy phát điện, động cơ điện (như cầu dao, áptômát, công tắc tơ…). • Khí cụ điện bảo vệ: Làm nhiệm vụ bảo vệ các động cơ, máy phát, lưới điện khi có sự cố quá tải, ngắn mạch, sụt áp…(như rơle, cầu chì, máy cắt…). • Khí cụ điện điều khiển từ xa: Làm nhiệm vụ thu nhận phân tích và khống chế sự hoạt động của các mạch điện như khởi động từ… • Khí cụ điện hạn chế dòng ngắn mạch như điện trở phụ, cuộn kháng… • Khí cụ điện duy trì sự ổn định của các tham số điện (như ổn áp, bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát). 2. Theo tính chất dòng điện: • Khí cụ điện dùng trong mạch điện một chiều. • Khí cụ điện dùng trong mạch điện xoay chiều. 3. Theo nguyên lý làm việc: • Khí cụ điện điện từ, điện động, cảm ứng, có tiếp điểm, không có tiếp điểm… 4. Theo điện áp: 1 ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi • Khí cụ điện hạ áp U < 1000V. • Khí cụ điện cao áp U > 1000V. 1.2. CÁC YÊU CẦU ĐỐI VỚI KHÍ CỤ ĐIỆN: • Phải đảm bảo sử dụng được lâu dài, đúng tuổi thọ thiết kế khi làm việc với các thông số kỹ thuật định mức. • Phải đảm bảo ổn định lực điện động và ổn định nhiệt độ khi làm việc bình thường, đặc biệt khi sự cố trong giới hạn cho phép của dòng điện và điện áp. • Vật liệu cách điện chịu được điện áp cho phép. • Làm việc chính xác, an toàn, gọn nhẹ, dễ lắp đặt, dễ kiểm tra, sửa chữa. • Làm việc ổn định ở điều kiện khí hậu môi trường mà khi thiết kế cho phép. 1.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI KHÍ CỤ ĐIỆN: 1.3.1. Sự phát nóng của khí cụ điện: Ở trạng thái làm việc, trong các bộ phận của KCĐ như: mạch vòng dẫn điện, mạch từ, các chi tiết bằng kim loại và cách điện đều có tổn hao năng lượng tác dụng và biến thành nhiệt năng. Một phần của nhiệt năng này làm tăng nhiệt độ của KCĐ, còn 1 phần khác tỏa ra môi trường xung quanh. Ở chế độ xác lập nhiệt, nhiệt độ của thiết bị không tăng lên nữa mà đạt trị số ổn định, còn toàn bộ nhiệt năng tỏa ra môi trường xung quanh. Nếu nhiệt độ của KCĐ tăng cao thì cách điện bị già hóa và độ bền cơ của các chi tiết bị suy giảm. Khi tăng nhiệt độ của vật liệu cách điện lên 8 o C so với nhiệt độ cho phép ở chế độ dài hạn thì tuổi thọ của cách điện giảm 50%. Với vật liệu dẫn điện thông dụng nhất là Cu, nếu tăng nhiệt độ từ 100 o C đến 250 o C thì độ bền cơ giảm 40%, khi độ bền cơ của chúng giảm nên lực điện động trong trường hợp ngắn mạch sẽ làm hư hỏng thiết bị. Do vậy độ tin cậy của thiết bị phụ thuộc vào nhiệt độ phát nóng của chúng. Trong tính toán phát nóng KCĐ thường dùng một số khái niệm như sau : θ o : nhiệt độ phát nóng ban đầu, thường lấy bằng nhiệt độ môi trường. θ : nhiệt độ phát nóng τ = θ - θ o : là độ chênh nhiệt so với nhiệt độ môi trường, ở vùng ôn đới cho phép τ = 35 0 C, vùng nhiệt đới τ = 50 0 C. Sự phát nóng thiết bị điện còn tùy thuộc vào chế độ làm việc. τ ôđ = θ ôđ - θ o : độ chênh nhiệt độ ổn định. * Tuỳ theo chế độ làm việc mà khí cụ điện phát nóng khác nhau: có ba chế độ làm việc: Làm việc dài hạn, làm việc ngắn hạn, làm việc ngắn hạn lặp lại. 2 ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi a. Làm việc dài hạn: là khí cụ điện làm việc với thời gian lâu bao nhiêu cũng được, nhưng nhỏ hơn thời gian cần thiết để phát nóng đến nhiệt độ ổn định. - Quá trình phát nóng: Khi có dòng điện I chạy trong vật dẫn sẽ gây ra tổn hao một công suất P và trong thời gian dt sẽ gây ra một nhiệt lượng: Q = P.dt = RI 2 dt Nhiệt lượng hao tổn này bao gồm hai phần:  Đốt nóng vật dẫn Q 1 = G.C.dτ  Tỏa ra môi trường xung quanh Q 2 = S α.τ.dt. Ta có phương trình cân bằng nhiệt của quá trình phát nóng: P.dt = G.C. dτ + S α.τ.dt. Trong đó: G : là khối lượng vật dẫn (g) C : là tỉ nhiệt vật dẫn tỏa nhiệt ( J/g) τ : là độ chênh nhiệt (0 0 C) α : là hệ số tỏa nhiệt (W/cm 2 ) Ta có phương trình: Giải phương trình vi phân trên với điều kiện tại t = 0 thì độ chênh nhiệt ban đầu là τ 0 , ta được: Đặt là hằng số thời gian phát nóng. độ chênh nhiệt ổn định. Ta có: Khi t = 0 mà τ 0 = 0 thì: 3 τ ατ . . . . CG S dt d CG P += t GC S t GC S ee S P αα τ α τ −− +         −= 0 1 . α . . S CG T = od S P τ α = .         −= − T t od e1. ττ T t T t od ee − − +       −= 0 1 τττ đại học công nghiệp hà nội - Quỏ trỡnh lm ngui: Khi ngt dũng in (I = 0), quỏ trỡnh phỏt núng chm dt v quỏ trỡnh ngui lnh bt u xy ra, ngha l P.dt = 0, ta cú phng trỡnh ngui lnh: I 2 R.dt = 0 V : G.C. d + S + dt = 0 nờn cú: Vi iu kin khi ngt dũng in chờnh lch nhit bng chờnh lch nhit n nh Gii phng trỡnh vi phõn ta c biu thc th hin quỏ trỡnh ngui lnh: b. Lm vic ngn hn: Ch lm vic ngn hn l ch lm vic ca thit b in vi thi gian ngn nhit phỏt núng ca nú cha t ti giỏ tr n nh, sau ú ọ õ 0 0.632 ọõ 3 t[s] 1 2 0 T A B Hỗnh: Phaùt noùng daỡi haỷn 4 0 . . =+ S CG dt d T t od e = . đại học công nghiệp hà nội ngng lm vic trong thi gian ln nhit ca nú h xung ti nhit mụi trng. Gi s lm vic di hn ng cong phỏt núng l ng 1 Ph ti lỳc ny l P f : P f = . S. f Sau thi gian t lv (thi gian lm vic ngn hn) chờnh nhit mi t ti tr 1 < f , nờn thit b in lm vic non ti v cha li dng ht kh nng chu nhit T ú ta thy rng cú th nõng ph ti lờn sau thi gian lm vic ngn hn t lv chờnh nhit va t ti tr s cho phộp f , ph ti lỳc ny l Pn: P n = . S. max ng cong phỏt núng trng hp ny l ng 2. im M trờn ng 2 tha món phng trỡnh chờnh nhit ca quỏ trỡnh phỏt núng. T cỏc biu thc trờn v gi K p = P n /P f l h s quỏ ti cụng sut ta cú : Vỡ cụng sut t l vi bỡnh phng dũng in nờn : K I : h s quỏ ti v dũng in. Hỗnh: Phaùt noùng khi ngừn haỷn max f 1 0 t[s] t lv 1 2 3 M 5 )1( max T t f lv e = T t ff n p lv e P P K === 1 1 max T t p f n I lv e K I I K === 1 1 ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi c. Làm việc ngắn hạn lặp lại: Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại là chế độ làm việc của thiết bị điện trong một thời gian t lv mà nhiệt độ phát nóng chưa đạt tới bão hòa và sau đó nghỉ một thời gian t ng mà nhiệt độ chưa giảm về nhiệt độ ban đầu rồi tiếp tục làm việc và nghỉ xen kẽ. Quá trình làm việc và nghỉ cứ lặp lại tuần hoàn như vậy theo chu kỳ với thời gian t ck = t lv + t ng . Sau thời gian đủ lớn, thiết bị đạt được chế độ tựa xác lập, ở đó trong thời gian làm việc nhiệt độ đạt tới giá trị θ max = const và trong thời gian nghỉ, nhiệt độ hạ xuống giá trị θ min = const. - Quá trình phát nóng: Ta giả thiết tại thời điểm ban đầu độ chênh nhiệt độ của vật dẫn là τ 0 sau thời gian làm việc t lv vật dẫn được đốt nóng đến độ chênh nhiệt là: Sau thời gian nghỉ t ng vật dẫn nguội xuống nhiệt τ max độ: Chu kì tiếp theo vật dẫn lại bị đốt nóng tới chênh nhiệt độ: 6 T t T t od lvlv ee −− +         −== 01 1 τττ T t ng e − = 12 ττ T t T t od lvlv ee −− +         −= 23 1 τττ t ck τ t[s] t lv t ng 3 4 1 2 τ max τ f τ ’ max τ min ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi Sau một số chu kì nhiệt độ chênh lệch nhiệt độ đạt đến độ chênh nhiệt cực đại τ max và độ chênh lệch nhiệt độ cực tiểu τ min không thay đổi, ta gọi là thời kì ổn định. Tương tự như trên, ta viết: Quá trình phát nóng : Quá trình nguội lạnh : Giải hai phương trình này ta được: Hệ số công suất: Hệ số quá tải dòng điện: * Sự phát nóng do tổn hao quyết định. Đối với khí cụ điện là tổn hao đồng, tổn hao sắt từ, tổn hao phụ. * Nhiệt độ cho phép của các bộ phận khí cụ điện làm việc dài hạn, có thể tham khảo trong bảng sau: TT Các bộ phận trong KCĐ Nhiệt độ cho phép 1 Vật dẫn không bọc cách điện hay để xa vật cách điện 110 0 C 2 Dây nối mềm với tiếp điểm. 75 0 C 3 Tiếp điểm đồng và hợp kim đồng 75 0 C 4 Tiếp điểm trượt bằng đồng và hợp kim đồng Tiếp điểm mạ bạc 110 0 C 5 Vật dẫn điện có bọc cách điện 120 0 C 6 Cách điện cấp 0 Cách điện cấp A Cách điện cấp B Cách điện cấp F, H, C 80 0 C 95 0 C 110 0 C 150 0 C Trong tính toán phát nóng khí cụ điện thường dùng khái niệm độ chênh lệch nhiệt. Độ chênh lệch nhiệt τ là hiệu số giữa nhiệt độ phát nóng θ và nhiệt độ môi trường xung quanh θ 0 ở vùng ôn đới lấy bằng 35 0 C còn ở vùng nhiệt đới lấy bằng 50 0 C. 1.3.2. Tiếp xúc điện: 1.3.2.1. Khái quát: Tiếp xúc điện là chỗ gặp nhau của hai hay nhiều vật dẫn để dòng điện đi từ vật dẫn này qua vật dẫn kia. Bề mặt tiếp xúc giữa các vật dẫn gọi là bề mặt tiếp xúc điện. * Tiếp xúc điện được chia làm 3 dạng chính: 7 T t ee lv T t od lv − +         −= − minmax 1 τττ T t e lv − = . maxmin ττ T tt T t od nglv lv e e + − − −         − = 1 1 max τ τ T t T t cf nl p lv cx e e K − − − − == 1 1 τ τ T t T t f nl lv cx e e Kp I I K − − − − === 1 1 1 đại học công nghiệp hà nội - Tip xỳc c nh: l hai vt dn tip xỳc cht cng vi nhau bng bu lụng, inh vớt - Tip xỳc úng m cú th lm cho dũng in chy hoc ngng chy t vt dn ny sang vt dn kia. - Tip xỳc trt: l vt dn ny cú th trt trờn b mt vt dn kia. * Cỏc kiu tip xỳc trờn u tin hnh di cỏc hỡnh thc tip xỳc sau: - Tip xỳc im: l hai vt dn ch tip xỳc vi nhau ch mt im hoc trờn mt b mt vi ng kớnh rt hp. VD tip xỳc hỡnh cu - hỡnh cu, hỡnh cu - mt phng. - Tip xỳc ng: l hai vt dn tip xỳc vi nhau theo mt ng thng hoc trờn mt b mt rt hp. VD tip xỳc hỡnh tr - mt phng. - Tip xỳc mt: l hai vt dn tip xỳc vi nhau theo mt b mt rng. VD tip xỳc mt phng - mt phng. 1.3.2.2. in tr tip xỳc: - in tr tip xỳc ca tip im bt k c tớnh theo kinh nghim sau: )(= m tx F k R (1-1) Trong ú k: h s ph thuc vt liu v tỡnh trng b mt tip im, cho bng sau: Vt liu tip im k.10 -3 (.kg) Tỡnh trng b mt tip im ng - ng 0,08 0,14 Khụng b ụxuýt ng - ng m thic 0,07 0,1 nt ng m thic - ng m thic 0,07 Bụi du ng - ng (tip im kiu kp) 0,38 Khụng b ụxuýt ng - ng (tip im kiu chi) 0,1 nt Nhụm - Nhụm 0,127 nt 2 1 a l Hỗnh : Tióỳp xuùc cuớa hai vỏỷt dỏựn 1 2 8 ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi Nhôm - Đồng thau 1,85 nt Đồng thau - Đồng thau 0,67 nt Đồng thau - Đồng 0,388 nt Sắt - Đồng thau 3,04 nt Sắt - Đồng 3,1 nt Bạc - Bạc 0,06 nt m: hệ số điểm tiếp xúc và kiểu tiếp xúc, lấy theo bảng sau: Hình thức tiếp xúc m Mặt phẳng - mặt phẳng 1 Đỉnh nhọn - mặt phẳng 0,5 Hình cầu - mặt phẳng, hình cầu - hình cầu 0,5 Tiếp xúc đường 0,7 Ngoài công thức kinh nghiệm, ta còn dùng phương pháp giải tích để diễn giải rút ra công thức tính điện trở tiếp xúc của tiếp điểm. Với giả thiết điện trở tiếp xúc như một đĩa tròn mỏng, điện trở tiếp xúc phân bố trong không gian theo êlípxôít và sử dụng lý thuyết tương tự giữa việc xác định điện dung và điện trở, nhiều tác giả đã chứng minh công thức tính điện trở tiếp xúc của tiếp điểm: πσ ρ . . 2 nF R tx = (1-2) Trong đó: ρ - điện trở suất của vật dẫn (Ω.cm) σ - hệ số chống dập nát n - số điểm tiếp xúc Rõ ràng điện trở tiếp xúc của tiếp điểm ảnh hưởng tới chất lượng của khí cụ điện. Nếu điện trở tiếp xúc lớn làm cho tiếp điểm phát nóng, nếu phát nóng quá mức cho phép sẽ làm tiếp điểm bị nóng chảy, thậm chí còn bị làm hàn dính. Như vậy điện trở tiếp xúc có giá trị càng nhỏ càng tốt. 1.3.2.3. Những yếu tố ảnh hưởng tới điện trở tiếp xúc: Điện trở tiếp xúc bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau: a. Vật liệu làm tiếp điểm: Từ công thức (1-2) trên ta thấy rằng hệ số chống dập nát σ của vật liệu làm tiếp điểm càng bé thì điện trở tiếp xúc bé. Vì vậy để điện trở tiếp xúc nhỏ, ta nên chọn vật liệu mềm để làm tiếp điểm, nhưng thực tế cần phải kết hợp các yếu tố khác như: độ bền cơ, khả năng chịu hồ quang vì vậy phải kết hợp một số vật liệu khác để tăng các khả năng trên. VD đồng thau mạ thiếc hoặc mạ bạc b. Lực ép tiếp điểm: Từ công thức (1-1) và (1-2) ta thấy răng lực ép tiếp điểm càng lớn thì điện trở tiếp xúc càng nhỏ. 9 ®¹i häc c«ng nghiÖp hµ néi Đường 1 biểu diễn điện trở tiếp xúc giảm theo chiều lực tăng, nếu giảm lực nén lên tiếp điểm điện trở tiếp xúc thay đổi theo đường 2. Ta có thể giải thích như sau: Khi tăng lực nén lên bề mặt tiếp xúc thì không những bề mặt bị biến dạng đàn hồi mà còn bị phá huỷ cục bộ. Khi ta giảm lực ép thì một số điểm tiếp xúc vẫn còn giữ nguyên như khi lực nén lớn tác động. Tăng lực ép chỉ có tác dụng giảm điện trở tiếp xúc R tx ở giai đoạn đầu điện trở lớn và trung bình. Khi lực ép đủ lớn thì dù có tăng lực ép lên nữa thì điện trở tiếp xúc vẫn không thay đổi. c. Hình dạng tiếp điểm: Cùng một lực ép nhưng kiểu tiếp xúc khác nhau thì R tx khác nhau. Từ công thức trên ta thấy tiếp xúc mặt có R tx nhỏ nhất vì có hệ số m lớn nhất d. Nhiệt độ của tiếp điểm: Nhiệt độ của tiếp điểm thay đổi sẽ làm R tx thay đổi theo kết quả thí nghiệm với nhiệt độ nhỏ hơn 200 0 C có thể tính R tx qua công thức: ). 3 2 1( )0( θα += txtx RR (1-3) Trong đó: R tx(0) - điện trở tiếp xúc ở nhiệt độ 0 0 C. α - hệ số nhiệt điện trở (Ω/ 0 C). θ - nhiệt độ tiếp điểm ( 0 C). e. Tình trạng bề mặt tiếp xúc: Bề mặt tiếp xúc bị bẩn bị oxy hoá có R tx lớn hơn nhiều R tx của tiếp điểm sạch. Khi bị oxy hoá càng nhiều thì nhiệt độ phát nóng trên bề mặt tiếp xúc càng cao. 1.3.2.4. Vật liệu làm tiếp điểm: Để thoả mãn tốt các điều kiện khác nhau của tiếp điểm khí cụ điện thì vật liệu làm tiếp điểm phải thoả mãn các yêu cầu sau: - Có độ dẫn điện cao (giảm R tx ). F[kg] 100 200 300 400 0 5 10 15 20 25 30 R tx [10 6Ω ] 1 2 10