Giáo trình khí cụ điện

Hiện nay ở nước ta hầu hết các hoạt động của xã hội đều gắn với việc sử dụng điện năng. Điện năng không những được sử dụng ở thành phố mà còn được đưa về nông thôn, miền núi hoặc nhờ các trạm phát điện địa phương. Cùng với sự phát triển của điện năng, các khí cụ điện được sử dụng ngày càng tăng lên không ngừng. Chất lượng của các khí cụ điện cũng không ngừng được cải tiến và nâng cao cùng với sự phát triển của công nghệ mới. Vì vậy đòi hỏi người công nhân làm việc trong các ngành, nghề và đặc biệt trong nghề điện phải hiểu rõ về cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tính kỹ thuật và ứng dụng của từng loại khí cụ điện nắm được các hiện tượng, nguyên nhân hư hỏng và cách sửa chữa các khí cụ điện, để không ngừng nâng cao hiệu quả kinh tế và tiết kiệm điện năng trong sử dụng. Nhận biết được tầm quan trọng của khí cụ điện trong thi công nghành điện, xuất phát từ yêu cầu thực tế, chương trình đào tạo của bộ giáo dục, tổng cục dạy nghề. Chúng tôi đã biên soạn cuốn giáo trình Khí cụ điện phục vụ cho việc học tập của các học sinh, sinh viên các trường Đại học, Cao đẳng nghề trong cả nước, cho các kỹ thuật viên, công nhân viên đang làm trong các nhà máy xí nghiệp có liên quan đến ngành điện Nội dung giáo trình gồm: Chương 1: Lý thuyết về khí cụ điện hạ thế Chương 2: Khí cụ đóng cắt bằng tay Chương 3: Khí cụ bảo vệ mạch điện Chương 4: Khí cụ điều khiển Giáo trình này nhằm trang bị cho học viên những kiến thức cơ bản và những kỹ năng cần thiết về cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tính kỹ thuật và ứng dụng, nắm được các hiện tượng, nguyên nhân hư hỏng và cách sửa chữamột số khí cụ điện cơ bản nhằm ứng dụng có hiệu quả trong ngành nghề của mình. Mặc dù đã cố gắng trong quá trình biên soạn, nhưng chắc chắn tài liệu không tránh khỏi những khiếm khuyết. Tác giả rất mong nhận được góp ý trân thành của bạn đọc để tài liệu được hoàn thiện hơn.

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG CAO ĐẲNG GIAO THÔNG VẬN TẢI ***** - BÀI GIẢNG KHÍ CỤ ĐIỆN NGHỀ: ĐIỆN TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG, TRUNG CẤP HỒ CHÍ MINH NĂM 2023 LỜI GIỚI THIỆU Hiện nước ta hầu hết hoạt động xã hội gắn với việc sử dụng điện Điện sử dụng thành phố mà cịn đưa nơng thơn, miền núi nhờ trạm phát điện địa phương Cùng với phát triển điện năng, khí cụ điện sử dụng ngày tăng lên không ngừng Chất lượng khí cụ điện khơng ngừng cải tiến nâng cao với phát triển cơng nghệ Vì địi hỏi người cơng nhân làm việc ngành, nghề đặc biệt nghề điện phải hiểu rõ cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tính kỹ thuật ứng dụng loại khí cụ điện nắm tượng, nguyên nhân hư hỏng cách sửa chữa khí cụ điện, để không ngừng nâng cao hiệu kinh tế tiết kiệm điện sử dụng Nhận biết tầm quan trọng khí cụ điện thi công nghành điện, xuất phát từ yêu cầu thực tế, chương trình đào tạo giáo dục, tổng cục dạy nghề Chúng biên soạn giáo trình Khí cụ điện phục vụ cho việc học tập học sinh, sinh viên trường Đại học, Cao đẳng nghề nước, cho kỹ thuật viên, công nhân viên làm nhà máy xí nghiệp có liên quan đến ngành điện Nội dung giáo trình gồm: Chương 1: Lý thuyết khí cụ điện hạ Chương 2: Khí cụ đóng cắt tay Chương 3: Khí cụ bảo vệ mạch điện Chương 4: Khí cụ điều khiển Giáo trình nhằm trang bị cho học viên kiến thức kỹ cần thiết cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tính kỹ thuật ứng dụng, nắm tượng, nguyên nhân hư hỏng cách sửa chữamột số khí cụ điện nhằm ứng dụng có hiệu ngành nghề Mặc dù cố gắng trình biên soạn, chắn tài liệu không tránh khỏi khiếm khuyết Tác giả mong nhận góp ý trân thành bạn đọc để tài liệu hoàn thiện Hà Nội, ngày 28 tháng 10 năm 2023 Tham gia biên soạn Chủ biên soạn: ThS Trần Xuân Hiệu MỤC LỤC CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN HẠ THẾ Khái niệm Phân loại khí cụ điện Các yêu cầu khí cụ điện Sự phát nóng khí cụ điện Các trạng thái làm việc khí cụ điện Hồ quang điện Tiếp xúc điện 11 CHƯƠNG 2: KHÍ CỤ ĐĨNG CẮT ĐIỆN BẰNG TAY 14 Công tắc 14 Cầu dao 18 Nút nhấn 22 Ap tô mat 25 Máy biến áp đo lường 31 Máy biến dòng 31 CHƯƠNG : KHÍ CỤ BẢO VỆ MẠCH ĐIỆN 33 Khái quát 33 Phân loại 33 Nam châm điện 34 Rơ le điện từ 37 Rơ le dòng điện rơ le điện áp 41 Rơ le nhiệt 43 Rơ le xung 47 Cầu chì 49 Thiết bị chống dòng điện rò 55 10 Công tắc bảo vệ FI 59 CHƯƠNG 4: KHÍ CỤ ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN 60 Công tăc tơ 60 Khởi động từ 69 Rơ le trung gian 71 Rơ le thơi gian 73 Rơ le tốc độ 76 Bộ khống chế 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN HẠ THẾ Cùng với phát triển ngành công nghiệp điện thiết bị điện dân dụng, điện cơng nghiệp khí cụ điện sử dụng ngày tăng lên không ngừng Chất lượng khí cụ điện khơng ngừng cải tiến nâng cao với phát triển cơng nghệ Vì địi hỏi người công nhân làm việc ngành, nghề đặc biệt nghề điện phải hiểu rõ yêu cầu, nắm vững sở lý thuyết khí cụ điện Làm sở để nắm vững cấu tạo, nguyên lý làm việc ứng dụng loại khí cụ điện để không ngừng nâng cao hiệu kinh tế tiết kiệm điện sử dụng Nội dung giáo trìnhnày nhằm trang bị cho học viên kiến thức cần thiết sở lý thuyết khí cụ điện nhằm ứng dụng có hiệu ngành nghề Khái niệm 1.1 Khái niệm Khí cụ điện thiết bị dùng để đóng, cắt, điều khiển, điều chỉnh bảo vệ lưới điện, mạch điện, máy điện máy móc sản xuất Ngồi cịn dùng để kiểm tra điều chỉnh q trình khơng điện khác 1.2 Phạm vi ứng dụng Khí cụ điện sử dụng rộng rãi nhà máy phát điện, trạm biến áp, xí nghiệp cơng nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, thủy lợi, giao thông vận tải, quốc phịng nước ta khí cụ điện hầu hết nhập từ nhiều nước khác nên quy cách không thống nhất, việc bảo quản sử dụng có nhiều thiếu sót dẫn đến hư hỏng, gây thiệt hại nhiều kinh tế Do việc nâng cao hiệu sử dụng, bổ túc kiến thức bảo dưỡng, bảo quản kỹ thuật sửa chữa khí cụ điện phù hợp điều kiện khí hậu nhiệt đới ta nhiệm vụ quan trọng cần thiết học sinh - sinh viên chuyên ngành điện - Các máy điện gồm máy phát điện, động điện - Các thiết bị truyền tải điện đường dây, cáp, góp, sứ cách điện, máy biến áp, kháng điện xem thiết bị điện nhóm - Dụng cụ đo lường - Các thiết bị điện cịn lại bao gồm thiết bị đóng cắt, chuyển đổi, khống chế, điều khiển, bảo vệ kiểm tra v.v… gọi chung khí cụ điện Phân loại khí cụ điện 2.1 Phân loại theo cơng dụng - Khí cụ điện dùng để đóng cắt lưới điện, mạch điện (ví dụ: cầu dao, CB, máy ngắt ) - Khí cụ điện dùng để mở máy, điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh điện áp dịng điện (ví dụ: Công tăc tơ, khởi động từ, khống chế, biến trở, điện trở ) - Khí cụ điện dùng để trì tham số điện giá trị khơng đổi (ví dụ: thiết bị tự động điều chỉnh điện áp, dòng điện, tần số, tốc độ, nhiệt độ, ) - Khí cụ điện dùng để bảo vệ lưới điện, máy điện (ví dụ: rơ le, CB, cầu chì, ) - Khí cụ điện đo lường (ví dụ: máy biến dòng, máy biến áp đo lường) 2.2 Theo điện áp - Khí cụ điện cao thế: chế tạo để sử dụng điện áp định mức lớn 1000V - Khí cụ điện hạ thế: chế tạo để sử dụng điện áp định mức nhỏ 1000V 2.3 Theo loại dịng điện - Khí cụ điện chiều - Khí cụ điện xoay chiều 2.4 Theo nguyên lý làm việc - Điện từ, cảm ứng, nhiệt, có tiếp điểm, khơng có tiếp điểm 2.5 Theo điều kiện làm việc dạng bảo vệ - Khí cụ điện làm việc vùng nhiệt đới, vùng có nhiều rung động, vùng mỏ có khí nổ, mơi trường có chất ăn mịn hóa học, loại để hở, loại bọc kín Các yêu cầu khí cụ điện Khí cụ điện phải thỏa mãn yêu cầu sau: + Khí cụ điện phải đảm bảo sử dụng lâu dài với thông số kỹ thuật định mức Nói cách khác dịng điện qua vật dẫn không vượt trị số cho phép khơng làm nóng khí cụ điện chóng hỏng + Khí cụ điện ổn định nhiệt ổn định điện động Vật liệu phải chịu nóng tốt có cường độ khí cao q tải hay ngắn mạch, dịng điện lớn làm khí cụ điện hư hỏng biến dạng + Vật liệu cách điện phải tốt để xẩy điện áp phạm vi cho phép khí cụ điện khơng bị chọc thủng + Khí cụ điện phải đảm bảo làm việc xác, an tồn, song phải gọn nhẹ, rẻ tiền, dễ gia công, dễ lắp ráp, kiểm tra sửa chữa + Ngồi khí cụ điện phải làm việc ổn định điều kiện mơi trường u cầu Sự phát nóng khí cụ điện 4.1 Khái niệm Dịng điện chạy vật dẫn làm khí cụ điện nóng lên (theo định luật JunLenxơ) Nếu nhiệt độ vượt giá trị cho phép, khí cụ điện chóng hỏng, vật liệu cách điện chóng hố già độ bền khí giảm nhanh chóng Nhiệt độ cho phép phận khí cụ điện cho bảng sau:(Bảng 1.1) Bảng 1-1: Cấp cách Nhiệt độ cho điện phép (0C) Các vật liệu cách điện chủ yếu 110 Vật liệu không bọc cách điện hay để xa vật cách điện 75 Dây nối tiếp xúc cố định 75 Tiếp xúc hình ngón đồng hợp kim đồng 110 Tiếp xúc trượt đồng hợp kim đồng 120 Tiếp xúc má bạc 110 Vật không dẫn điện không bọc cách điện Y 90 Giấy, vải sợi, lụa, phíp, cao su, gỗ vật liệu tương tự, không tẩm nhựa Các loại nhựa như: nhựa polietilen, nhựa polistirol, vinyl clorua, anilin A 105 Giấy, vải sợi, lụa tẩm dầu, cao su nhân tạo, nhựa polieste, loại sơn cách điện có dầu làm khơ E 120 Nhựa tráng polivinylphocman, poliamit, eboxi Giấy ép vải có tẩm nhựa phenolfocmandehit (gọi chung bakelit giấy) Nhựa melaminfocmandehit có chất độn xenlulo Vải có tẩm poliamit Nhựa poliamit, nhựa phênol - phurol có độn xenlulo B 130 Nhựa polieste, amiăng, mica, thủy tinh có chất độn Sơn cách điện có dầu làm khơ, dùng phận khơng tiếp xúc với khơng khí Sơn cách điện alkit, sơn cách điện từ nhựa phenol Các loại sản phẩm mica (micanit, mica màng mỏng) Nhựa phênol-phurol có chất độn khoáng Nhựa eboxi, sợi thủy tinh, nhựa melamin focmandehit, amiăng, mica thủy tinh có chất độn F 155 Sợi amiăng, sợi thủy tinh khơng có chất kết dính H 180 Xilicon, sợi thủy tinh, mica có chất kết dính C Trên 180 Mica khơng có chất kết dính, thủy Politetraflotilen, polimonoclortrifloetilen tinh, sứ Tuỳ theo chế độ làm việc mà khí cụ điện phát nóng khác Có ba chế độ làm việc: làm việc dài hạn, làm việc ngắn hạn làm việc ngắn hạn lặp lại 4.2 Chế độ ngắn hạn lặp lại Ở chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại thường dùng hệ số thơng dịng điện ĐL% Theo Khái niệm: Đ L%  t lv t 100  lv 100 t lv  t ng T Trong đó: - tlv: thời gian làm việc - tng: thời gian nghỉ - T chu kỳ làm việc Độ chênh nhiệt  (còn gọi độ tăng nhiệt) hiệu nhiệt độ khí cụ điện mơi trường xung quanh:     0 Trong đó: -  : nhiệt độ khí cụ điện -  o: nhiệt độ mơi trường xung quanh Các nước miền ôn đới quy định 350C Việt Nam quy định 400C Sự phát nóng tổn hao nhiệt định Đối với KCĐ chiều tổn hao đồng, KCĐ xoay chiều tổn hao đồng sắt Ngồi cịn có tổn hao phụ Nguồn phát nóng KCĐ là: dây dẫn có dịng điện chạy qua, lõi thép có từ thơng biến thiên theo thời gian Cầu chì, chống sét số KCĐ khác phát nóng hồ quang Ngồi cịn phát nóng tổn thất dịng điện xốy Bên cạnh q trình phát nóng có q trình toả nhiệt theo ba hình thức: truyền nhiệt, xạ đối lưu 4.3 Phát nóng vật thể đồng chất chế độ làm việc dài hạn  t  od tođ t1 t  t 0 o Hình 1-1: Đường đặc tính phát nóng theo thời gian khí cụ điện chế độ dài hạn Chế độ làm việc dài hạn chế độ khí cụ làm việc thời gian t > t 1, t1 thời gian phát nóng khí cụ điện từ nhiệt độ mơi trường xung quanh đến nhiệt độ ổn định (hình 1-1) với phụ tải khơng đổi hay thay đổi Khi đó, độ chênh lệch nhiệt độ đạt tới trị số định ôđ Một vật dẫn đồng chất, tiết diện đặn có nhiệt độ ban đầu nhiệt độ mơi trường xung quanh Giả thiết dịng điện có giá trị khơng đổi bắt đầu qua vật dẫn: Từ lúc vật dẫn tiêu tốn lượng điện để chuyển thành nhiệt làm nóng vật dẫn Lúc đầu, nhiệt tỏa mơi trường xung quanh mà chủ yếu tích lũy vật dẫn, nhiệt độ vật dẫn bắt đầu tăng dần lên sau thời gian đạt tới giá trị ổn định ôđ giữ giá trị Như nhiệt độ vật dẫn tăng nhanh theo thời gian đến lúc chậm dần đến ổn định Nhiệt lượng tiêu tốn khoảng thời gian dt theo định luật Jun-Lenxơ: Pdt  I Rdt , Ws Với: P - công suất tác dụng, W I - giá trị dòng điện hiệu dụng, A R - điện trở vật dẫn, * Phương trình cân nhiệt là: Pdt  CMd  S dt Trong đó: CMd  : phần tích lũy đốt nóng vật dẫn aS  dt: phần toả mơi trường xung quanh C: tỉ nhiệt vật dẫn M: khối lượng vật dẫn, kg  : độ chênh nhiệt độ (0C) so với môI trường xung quanh  : hệ số toả nhiệt W/m2, oC S: diện tích toả nhiệt vật dẫn, m2 Các trạng thái làm việc khí cụ điện 5.1 Trạng thái làm việc bình thường Các khí cụ điện thiết bị điện làm việc với đại lượng thông số không vượt trị số định mức đại lượng dịng điện, điện áp, cơng suất vv Đại lượng định mức trị số thông số mà thiết bị điện sử dụng hết khả chúng, đồng thời đảm bảo làm việc lâu dài 5.2 Trạng thái làm việc điện áp Khi đại lượng vượt trị số cho phép gọi làm việc trạng thái không bình thường Ví dụ: Q dịng điện: dịng điện vượt trị số định mức như: tải, ngắn mạch, tổn hao dây quấn lõi thép vượt mức bình thường làm nhiệt độ tăng cao gây hư hỏng KCĐ Quá điện áp: điện áp vượt trị số định mức trường hợp điện áp sét Khi đó, điện trường vật liệu cách điện tăng cao xẩy phóng điện, gây hư hỏng cách điện Các loại ngắn mạch: ngắn mạch pha, ngắn mạch pha, ngắn mạch pha, ngắn mạch pha chạm đất Khi có ngắn mạch dịng điện lớn, trường hợp cố mạch điện nên cần thiết phải có thiết bị bảo vệ Hồ quang điện 6.1 Nguyên nhân phát sinh hồ quang khí cụ điện A B A B I H1 H2 d Hình 1.5: Q trình hình thành hồ quang Trong khí cụ điện, hồ quang thường xẩy tiếp điểm cắt dịng điện Trước tiếp điểm đóng điện mạch có dịng điện, điện áp phụ tải U điện áp tiếp điểm A, B Khi cắt điện tiếp điểm A, B rời (H2) lúc dòng điện giảm nhỏ Toàn điện áp U đặt lên cực A, B khoảng cách d tiếp điểm nhỏ nên điện trường chúng lớn (Vì điện trường U/d) Do nhiệt độ điện trường tiếp điểm lớn nên khoảng khơng khí tiếp điểm bị ion hóa mạnh nên khối khí trở thành dẫn điện (Gọi plasma) xuất phóng điện hồ quang có mật độ dịng điện lớn (104 - 105 A /cm2), nhiệt độ cao (4000 - 50000C) Điện áp cao dòng điện lớn hồ quang mãnh liệt 6.2 Tác hại hồ quang - Kéo dài thời gian đóng cắt: có hồ quang nên sau tiếp điểm rời dòng điện tồn Chỉ hồ quang dập tắt hẳn mạch điện cắt - Làm hỏng mặt tiếp xúc: nhiệt độ hồ quang cao nên làm cháy, làm rỗ bề mặt tiếp xúc Làm tăng điện trở tiếp xúc - Gây ngắn mạch pha: hồ quang xuất nên vùng khí tiếp điểm trở thành dẫn điện, vùng khí lan rộng làm phóng điện pha - Hồ quang gây cháy gây tai nạn khác 6.3 Các phương pháp dập hồ quang điển hình Yêu cầu hồ quang cần phảI dập tắt khu vực hạn chế với thời gian ngắn nhất, tốc độ mở tiếp điểm phảI lớn mà không làm hư hỏng phận khí cụ Đồng thời lượng hồ quang phảI đạt đến giá trị bé nhất, điện trở hồ quang phải tăng nhanh việc dập tắt hồ quang không kéo theo điện áp nguy hiểm, tiếng kêu phảI nhỏ ánh sáng không mạnh Để dập tắt hồ quang ta dùng biện pháp sau: - Kéo dài hồ quang - Dùng từ trường để tạo lực thổi hồ quang chuyển động nhanh - Dùng dòng hay dầu để thổi dập tắt hồ quang - Dùng khe hở hẹp để hồ quang cọ sát vào vách hẹp - Dùng phương pháp thổi cách sinh khí - Phân chia hồ quang nhiều đoạn ngắn nhờ vách ngăn - Dập hồ quang dầu mỏ 10