Nghiên cứu quá trình dập hồ quang trong môi trường chân không của các thiết bị đóng cắt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN VÕ PHƢƠNG NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH DẬP HỒ QUANG TRONG MƠI TRƢỜNG CHÂN KHƠNG CỦA CÁC THIẾT BỊ ĐĨNG CẮT Ngành: Kỹ thuật điện Mã số : 8520201 Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS HUỲNH ĐỨC HOÀN i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn công trình nghiên cứu riêng tơi dƣới hƣớng dẫn thầy PGS.TS Huỳnh Đức Hoàn Các số liệu kết hồn tồn trung thực Trong q trình hồn thành luận văn tơi sử dụng nhiều tài liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ Bình Định, ngày tháng năm 2022 Tác giả luận văn Võ Phƣơng ii LỜI CẢM ƠN Luận văn bƣớc quan trọng khóa học Tôi hạnh phúc thực xong luận văn quan trọng tơi học đƣợc thời gian qua Bên cạnh kiến thức thu đƣợc, học đƣợc phƣơng pháp nghiên cứu cách độc lập Sự thành công không đơn nỗ lực cá nhân, mà cịn có hỗ trợ giúp đỡ giảng viên hƣớng dẫn, gia đình bạn bè Nhân hội này, cho phép đƣợc bày tỏ lời cảm ơn đến họ Trƣớc tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới thầy cô Khoa Kỹ Thuật & Công Nghệ trƣờng Đại Học Quy Nhơn tận tình giảng dạy, truyền đạt cho tơi kiến thức, kinh nghiệm quý báu suốt thời gian qua Đặc biệt xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Huỳnh Đức Hồn, thầy tận tình giúp đỡ, trực tiếp bảo, hƣớng dẫn suốt trình học tập nhƣ thực luận văn Trong thời gian làm việc với thầy, không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà học tập đƣợc tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, điều cần thiết cho tơi q trình học tập công tác sau Với kiến thức thân hạn chế nên nội dung luận văn chắn cịn nhiều thiếu sót, tơi mong nhận đƣợc bảo, góp ý thầy (cô) giáo Khoa Kỹ thuật & Công nghệ, trƣờng Đại học Quy Nhơn để bản luận văn tơi đƣợc hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Ý nghĩa khoa học đề tài 3 Mục đích nghiên cứu đối tƣợng nghiên cứu 3.1 Mục đích nghiên cứu 3.2 Đối tƣợng nghiên cứu 3.3 Phạm vi nghiên cứu 4 Cấu trúc luận văn CHƢƠNG - KHÁI QUÁT CHUNG QUÁ TRÌNH PHÁT SINH HỒ QUANG TRONG CHÂN KHÔNG 1.1 CÁC HIỆN TƢỢNG VẬT LÝ CƠ BẢN TRƢỚC KHI PHÁT SINH HỒ QUANG TRONG MÔI TRƢỜNG CHÂN KHÔNG 1.2 CÁC HIỆN TƢỢNG VẬT LÝ CƠ BẢN TRƢỚC KHI PHÁT SINH HỒ QUANG TRONG MÔI TRƢỜNG CHÂN KHÔNG 1.2.1 Phát xạ trƣờng bề mặt Cathode 1.2.2 Phát xạ nhiệt electron 15 iv 1.2.3 Sự bắn phá tiếp điểm Anode electron 16 1.2.4 Vi hạt (các hạt vi kim loại nhỏ) 19 1.2.5 Vi phóng điện 22 1.3 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỒ QUANG 23 1.3.1 Điều kiện hình thành hồ quang 23 1.3.2 Quá trình ion hóa bề mặt Cathode tạo hồ quang 23 1.4 QUÁ TRÌNH DUY TRÌ HỒ QUANG 25 1.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG 25 CHƢƠNG – DẬP HỒ QUANG XOAY CHIỀU TRONG MÔI TRƢỜNG CHÂN KHÔNG 27 2.1 MƠ HÌNH DẬP HỒ QUANG TRONG BUỒNG CHÂN KHƠNG 27 2.2 Q TRÌNH DẬP HỒ QUANG TRONG BUỒNG CHÂN KHÔNG 28 2.2.1 Trƣớc dịng điện khơng 28 2.2.2 Khi dòng điện xoay chiều không 29 2.2.3 Khi dịng điện xoay chiều qua khơng 30 2.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH DẬP HỒ QUANG 32 2.3.1 Ảnh hƣởng điện áp UTRV tới tốc độ mở tiếp điểm 32 2.3.2 Độ bền điện môi áp suất 33 2.3.3 Độ bền điện môi bề mặt tiếp điểm 34 2.4 MỘT SỐ BIỆN PHÁP NÂNG CAO KHẢ NĂNG DẬP HỒ QUANG 35 2.4.1 Tăng khoảng cách hai tiếp điểm 35 2.4.2 Sử dụng kết hợp tiếp diểm AMF – TMF 37 2.4.3 Nối tầng buồng cắt chân không 39 2.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG 40 v CHƢƠNG – MÔ HÌNH TỐN HỌC CHO MÁY CẮT CHÂN KHƠNG VÀ MƠ PHỎNG TRONG MATLAB SIMULINK 42 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 42 3.2 MƠ HÌNH TỐN HỌC 42 3.3 THIẾT LẬP TÍNH TỐN TRÊN MATLAB SIMULINK 44 3.4 MÔ PHỎNG 47 3.4.1 Điện áp 72 kV 47 3.4.2 Điện áp 110 kV với áp suất cao 49 3.4.3 Điện áp 110 kV với áp suất thấp 50 3.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT UTRV Điện áp độ phục hồi AMF Từ trƣờng dọc trục TMF Từ trƣờng ngang trục RCLA Độ gồ ghề trung bình bề mặt tiếp điểm UB Điện áp phóng điện cục vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Phân loại môi trƣờng chân không đặc điểm Bảng1.2: Giá trị điện trƣờng số kim loại gây phát xạ electron 13 Bảng 1.3: Nhiệt độ phát xạ nhiệt B cho số kim loại theo Dushman 15 Bảng 1.4: Áp suất kim loại (Pa) tiếp xúc gia tăng nhiệt độ 23 Bảng 1.5: Dòng chopping tổ hợp kim loại thƣờng dùng chân khơng 29 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 : Các đỉnh vi gồ ghề bề mặt tiếp điểm Hình 1.2 : Đo độ gồ ghề trung bình sau xử lý bề mặt Hình 1.3 : Điện áp phóng điệm 50% bề mặt tiếp điểm Hình 1.4 : Giá trị tính tốn cho số hình dạng điểm vi gồ ghề Hình 1.5 : Sự phân bố đƣờng sức từ hai tiếp điểm Hình 1.6 : Sự chênh lệch hệ số đƣờng đẳng gần bề mặt tiếp điểm vị trí khác bề mặt tiếp điểm 10 Hình 1.7 : Ảnh hƣởng điện trƣờng tới mức lƣợng thoát electron kim loại 12 Hình 1.8 : Một vi điểm gồ ghề tiếp điểm gây thoát electron 12 Hình 1.9 : Biểu đồ Fowler – Nordheim xác định hệ số β Ae 14 Hình 1.10 : Quá trình bắn phá cực dƣơng electron 16 Hình 1.11 : Tính tốn bán kính phát xạ chùm phát xạ lên Anode 18 Hình 1.12 : Mơ chùm electron 20 kev xâm nhập vào Anode Fe 19 Hình 1.13 : Vi hạt bề mặt tiếp xúc 20 Hình 1.14 : Phân bố vi chất bề mặt tiếp xúc Cu-Cr sau đóng ngắt 100 lần dịng 1000 A 20 Hình 1.15 : Vi hạt gây biến dạng bề mặt tiếp điểm Cathode 22 Hình 1.16 : Vi phóng điện qua khoảng trống chân khơng 22 Hình 1.17 : Q trình kích thích lại tráng thái 24 Hình 1.18 : Ion hóa tạo electron ion dƣơng 24 Hình 2.1 : Mơ hình dập hồ quang buồn chân khơng 27 ix Hình 2.2 : Đồ thị dịng chopping URegion 28 Hình 2.3 : Dịng chopping lớn máy cắt chân khơng 29 Hình 2.4 : Q trình hình thành lớp điện tích ion âm 30 Hình 2.5 : Dịng hồ quang q độ 31 Hình 2.6 : Lệch pha điện áp dịng điện 33 Hình 2.7 : UB tăng dần theo thời gian 34 Hình 2.8 : βm tăng theo số lần đóng cắt tiếp điểm 35 Hình 2.9 : Đồ thị quan hệ điện áp đánh thủng khoảng cách tiếp xúc 36 Hình 2.10 : Mơ hình cấu truyền động nam châm vĩnh cữu tốc độ cao 37 Hình 2.11 : Kết hợp hai từ trƣờng AMF TMF tiếp điểm 38 Hình 2.12 : Phân bố lực cặp tiếp điểm AMF - TMF 38 Hình 2.13 : Điện áp đánh thủng khoảng cách d cho buồng nối tiếp chân khơng 39 Hình 2.14 : Mơ hình hai buồng chân không mắc nối tiếp 145 KV 39 Hình 3.1 : Mơ hình điều khiển DEE 45 Hình 3.2 : Mơ hình khối VCB 45 Hình 3.3 : Mơ hình tính tốn cho VCB 46 Hình 3.4 : Sơ đồ pha mơ mỏng 47 Hình 3.5 : Điện áp UTRV ba pha 48 Hình 3.6 : Dòng điện sau cắt t = 0.2 s, với dịng cắt 11 KA 48 Hình 3.7 : Dịng điện hồ quang độ pha A với đỉnh 0,45 A 49 Hình 3.8 : Mơ U= 110 Kv t = 0,2s 50 Hình 3.9 : Điện áp UTRV ba pha 51 42 CHƢƠNG – MÔ HÌNH TỐN HỌC CHO MÁY CẮT CHÂN KHƠNG VÀ MƠ PHỎNG TRONG MATLAB SIMULINK 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG Mơ hình hồ quang luôn chủ đề nghiên cứu máy cắt, mơ hình hồ quang phân làm nhiều loại: - Mơ hình tốn học: Sự tƣơng tác máy cắt với lƣới điện - Mơ hình vật lý: Thể hành vi vật lý hồ quang nhƣ tính chất plasma, q trình ion hóa, xạ, nhiệt - Mơ hình sơ đồ: Thể kết cấu sản phẩm kết hợp hai mơ hình vật lý tốn học Trong thực tế, mơ hình vật lý áp dụng cho trình sản xuất nghiên cứu hồ quang nhƣng nhiều trƣờng hợp khơng cần thiết phải tìm hiểu chất nhƣ kết nối máy cắt với lƣới Vì mơ hình tốn học thể tƣơng tác máy cắt với lƣới điện 3.2 MƠ HÌNH TỐN HỌC Các mơ hình tốn học máy cắt có hai yêu cầu: - Khi cắt thành công mạch điện xác định đƣợc điện áp phục hồi UTRV dòng điện sau tiến hành cắt - Xác định máy cắt có cắt thành công hay không kết nối với lƣới điều kiện khác Trong hồ quang, lƣợng đầu vào lƣợng đầu chênh lệch tiêu tán buồn dập hồ quang, ta có dịnh luật bảo tồn lƣợng hồ quang điện theo thời gian: 43 (3.1) Trong đó: Q – lƣợng lƣu trữ vùng hồ quang; – lƣợng tiêu tán hồ quang; – điện áp vùng hồ quang; – dòng điện hồ quang; Pin – lƣợng đầu vào; – lƣợng lƣu trữ hồ quang theo thời gian; Vì q trình dẫn dịng điện hồ quang liên quan đến độ dẫn điện nên ta có phƣơng trình độ dẫn dịng điện hồ quang theo lƣợng lƣu trữ hồ quang theo thời gian: (3.2) Trong đó: G – độ dẫn điện hồ quang; Thế phƣơng trình 3.2 vào phƣơng trình 3.1 vi phân ta đƣợc: (3.3) Ta có phƣơng trình 3.3 phƣơng trình độ dẫn điện hồ quang theo độ lƣu trữ lƣợng Ta có hệ số mơ hình tính tốn Mayr [16],[18], vào phƣơng trình 3.3 ta đƣợc phƣơng trình vi phân tốn học máy cắt: 44 (3.4) Trong đó: – số; Từ phƣơng trình 3.4, dựa vào thực nghiệm đƣa phƣơng trình vi phân cho máy cắt chân khơng có thêm điều kiện áp suất [17]: (3.5) Trong đó: p – áp suất; – số dòng điện hồ quang; G = 104; 1,2.10-6 s - hệ số thời gian Mayr; Vậy ta mô phƣơng trình vi phân tốn học 3.5 Mayr điều chỉnh 3.3 THIẾT LẬP TÍNH TỐN TRÊN MATLAB SIMULINK Trong mục này, tác giả sử dụng phần mềm MATLAB SIMULINK để thiết lập mơ hình tính tốn q trình mở tiếp điểm buồng dập dòng điện ba pha xoay chiều Phƣơng trình 3.5 hồ quang Mayr điều chỉnh đƣợc thiết lập khối Simulink DEE (Differential Equation Editor) 45 Hình 3.1 – Mơ hình điều khiển DEE Mơ hình thành lập cho khối VCB nhƣ Hình 3.2 Hình 3.2 - Mơ hình khối VCB 46 Hình 3.3 - Mơ hình tính tốn cho VCB Trong khối chức VCB cần cài đặt điện áp nguồn ba pha đầu vào để thực q trình đóng cắt Hình 3.4 thể sơ đồ pha mơ tồn q trình đóng cắt 47 Hình 3.4 - Sơ đồ pha mơ 3.4 MƠ PHỎNG 3.4.1 Điện áp 72 kV Thời gian mở tiếp điểm: t = 0.2 s, U = 72 kV, áp suất P = 6.105 Pa 3.4.1.1 Điện áp UTRV Từ hình 3.5 ta thấy sau mở tiếp điểm thời gian t = 0,2s tới t = 0,208 s điện áp UTRV xuất hiện, gần 100 kV Khoảng thời gian chênh lệch gọi thời gian độ mở máy cắt, khoảng thời gian máy cắt phải mở hoàn toàn để giảm điện trƣờng điện điện áp UTRV 48 Hình 3.5 – UTRV ba pha 3.4.1.2 Dịng điện hồ quang q độ Hình 3.6 – Dịng điện sau cắt 49 Hình 3.7 – Dòng điện hồ quang độ pha A Trên hình 3.6 cho thấy q trình mở dịng điện 11 kA Ta thấy rằng, sau mở tiếp điểm dòng điện pha A pha C dần tới không Nhƣng dòng điện pha C đạt đỉnh sau mở, điều làm hồ quang cháy hai tiếp điểm thời gian dài gây xói tiếp điểm cao Vậy vị trí mở tiếp điểm vị trí ngẩu nhiên dịng điện ba pha xoay chiều Tại hình 3.7 cho thấy dịng điện q độ hồ quang pha A tồn µs 0,45 A Thời gian phân rã electron ion âm thời gian tồn dòng hồ quang độ 3.4.2 Điện áp 110 kV với áp suất cao Trên hình 3.8, với điện áp U = 110 kV máy cắt hồn tồn khơng thể cắt dịng 16 kA với áp suất P = 6.105 Pa 50 Hình 3.8 – Mơ U= 110 kV 3.4.3 Điện áp 110 kV với áp suất thấp Thời gian mở tiếp điểm: t = 0.2 s, U = 110 kV, áp suất P = 103 Pa 3.4.3.1 Điện áp UTRV Trên hình 3.9 ta thấy giảm áp suất xuống P = 103 Pa hồn tồn cắt điện áp 110 kV với dòng cắt đƣợc 16 kA với điện áp đỉnh UTRV =160 kV 51 Hinh 3.9 – UTRV ba pha 52 3.4.3.2 Dịng điện hồ quang q độ Hình 3.10 – Cắt dòng điện t = 0.2s, với dòng cắt 16 KA Hình 3.11 – Dịng hồ quang q độ pha A 53 Trên hình 3.11 ta thấy mở dịng điện 16 kA điện áp 110 kV dịng điện hồ quang độ tồn 12 µs 2A Vậy mở dòng điện lớn điện áp lớn dịng điện hồ quang tồn lâu lớn Điều cho thấy electron ion âm nhiều thời gian phân rã lâu 3.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG Mơ hình tốn học Mayr điều chỉnh mơ đƣợc dịng điện độ điện áp UTRV máy cắt Khi điều kiện áp suất P = 6.105 Pa, máy cắt hoàn toàn cắt đƣợc cấp 72 kV Nhƣng lên 110 kV hồn tồn cắt khơng đƣợc Sau giảm áp suất xuống P = 103 Pa cắt đƣợc điện áp 110 kV Mơ hình cho thấy trình mở ngẫu nhiên buồng dập dòng điện ba pha xoay chiều 54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Qua trình nghiên cứu, luận văn giải đƣợc vấn đề, nhƣ mục tiêu ban đầu luận văn đề Tác giả xin tóm tắt nội dung luận văn giải đƣợc nhƣ sau: - Luận văn trình bày rõ nguyên nhân gây phát sinh hồ quang chân khơng, điều kiện hình thành hồ quang điều kiện trì hồ quang Cũng nhƣ trình hình thành hồ quang mở tiếp điểm loại hồ quang môi trƣờng chân không - Với hồ quang hình cột áp suất cao hồ quang hình cột khuếch tán không đƣợc chuyển sang hồ quang khuếch tán hoàn toàn áp suất thấp trƣớc dịng điện khơng việc dập tắt hồ quang hồn tồn khơng thể - Đặc điểm chân khơng điều kiện lý tƣởng để dập hồ quang nhƣng có khuyết điểm khơng cho phép dùng phận thứ để tác động xử lý nhiệt hồ quang gây mơi trƣờng chân khơng Vì thế, nhiệt độ khơng thể phân tán sớm nên làm giới hạn điện áp dòng điện cắt Vì số phƣơng pháp khác đƣợc luận văn đề cập hồn tồn áp dụng HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI: Sau trình nghiên cứu nội dung luận văn, đƣợc nghiên cứu tiếp, hƣớng nghiên cứu phát triển hƣớng sau: Nghiên cứu đóng cắt tiếp điểm thiết bị đóng cắt mơi trƣờng dầu mơi trƣờng khơng khí Sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn mơ q trình đóng cắt thiết bị đóng cắt xét đến mơi trƣờng đa vật lý – điện – nhiệt 55 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Văn Chới, Bùi Tín Hữu, Nguyễn Tiến Tơn (2006), Khí cụ điện, Nxb Khoa học Kỹ thuật Đặng Văn Đào, Lê Văn Doanh (2005), Các phương pháp đại nghiên cứu tính tốn thiết kế kỹ thuật điện, Nxb Khoa học Kỹ thuật Tô Đằng, Nguyễn Xuân Phú (2004), Khí cụ điện – Lý thuyết, kết cấu, tính toán, lựa chọn sử dụng, Nxb Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nxb Khoa học Kỹ thuật Huỳnh Đức Hoàn (2008), Nghiên cứu đặc tính hồ quang điện q trình đóng cắt thiết bị điện, Luận án tiến sĩ, Đại học Bách khoa Hà Nội Catalog thiết bị đóng cắt chân khơng Siemens, LG, National, Legrand, Mitsubishi Sato, Shinji, and Kenichi Koyama (2003), "Relationship between electrode surface roughness and impulse breakdown voltage in vacuum gap of Cu and Cu-Cr electrodes", IEEE transactions on dielectrics and electrical insulation 10(4), pp 576-582 Latham, Rod V (1995), High voltage vacuum insulation: Basic concepts and technological practice, Elsevier, 1995 Chapter 4, p 126 Slade, Paul G (2007), The vacuum interrupter: theory, design, and application, CRC press, Cheapter 1, p 40 56 10 Slade, Paul G (2007), The vacuum interrupter: theory, design, and application, CRC press, Chapter 1, p.41 11 Davies, D Kenneth, and Manfred A Biondi (1966), "Vacuum electrical breakdown between plane-parallel copper electrodes", Journal of applied physics 37(8), pp 2969-2977 12 Slade, Paul G (2007),The vacuum interrupter: theory, design, and application, CRC press, Chapter 4, p 279 13 Beilis I I., and M Keidar (2002), "Electron temperature in the expanding Cathode plasma jet in a vacuum arc", Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, 2002 20th International Symposium on IEEE, pp 535-538 14 Slade, Paul G (2007), The vacuum interrupter: theory, design, and application, CRC press, Chapter 2, p 136 15 Smeets, René, et al (2014), Switching in electrical transmission and distribution systems, John Wiley & Sons, Chapter 8, p 229 16 Jia, Shenli, Zongqian Shi, and Lijun Wang (2014), "Vacuum arc under axial magnetic fields: experimental and simulation research", Journal of Physics D: Applied Physics 47(40), 403001, pp 1-24 17 Slade, Paul G (2007), The vacuum interrupter: theory, design, and application, CRC press, Chapter 2, p 142 18 Uimanov, I V., D L Shmelev, and S A Barengolts (2016), "Model of the formation of an elementary crater on the cucr Cathode of a vacuum interrupters", in 27th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vaccum (ISDEIV), IEEE, pp.353-356 19 Henon, A., et al (2002), "3D finite element simulation and synthetic tests of vacuum interrupters with axial magnetic field contacts", 20th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, IEEE, pp 463-466