Khái niệm về khí cụ điện
Khái niệm về khí cụ điện
Khí cụ điện (KCĐ) là thiết bị quan trọng trong hệ thống điện, được sử dụng để thực hiện các chức năng như đóng cắt, điều khiển, kiểm tra và tự động điều khiển Ngoài ra, KCĐ còn có vai trò khống chế các thiết bị điện và không điện, đồng thời bảo vệ hệ thống trong trường hợp xảy ra sự cố.
Khí cụ điện đa dạng về chủng loại, chức năng, nguyên lý hoạt động và kích thước, được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống.
Trong môn học khí cụ điện, chúng ta sẽ khám phá các vấn đề quan trọng như cơ sở lý thuyết, nguyên lý hoạt động, cấu trúc và đặc điểm của các loại khí cụ điện khác nhau.
KCĐ dùng trong ngành điện và trong công nghiệp.
Sự phát nóng của khí cụ điện
1.2.1 Khái niệm chung Ở trạng thái làm việc, trong các bộ phận của thiết bị điện (TBĐ) 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 nhiệt năng của thiết bị điện tử (TBĐ) làm tăng nhiệt độ của nó, trong khi phần còn lại được tỏa ra môi trường xung quanh Khi đạt trạng thái ổn định nhiệt, nhiệt độ của TBĐ không còn tăng lên mà duy trì ở mức ổn định, đồng thời toàn bộ nhiệt năng sẽ được giải phóng ra môi trường xung quanh.
Nếu nhiệt độ của TBĐ 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 0 C so với nhiệt độ cho phép ở chế độ dài hạn thì tuổi thọ của cách điện giảm 50%
Khi nhiệt độ của vật liệu dẫn điện, như đồng (Cu), tăng từ 100°C lên 250°C, độ bền cơ của nó giảm tới 40% Sự giảm sút này có thể dẫn đến việc lực điện động trong trường hợp ngắn mạch gây 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 TBĐ thường dùng một số khái niệm như sau :
0: nhiệt độ phát nóng ban đầu, thường lấy bằng nhiệt độ môi trường
Độ chênh nhiệt so với nhiệt độ môi trường, ký hiệu là , được xác định bởi công thức = - o Ở vùng ôn đới, giá trị cho phép là 35°C, trong khi ở vùng nhiệt đới, giá trị này là 50°C Ngoài ra, sự phát nóng của thiết bị điện còn phụ thuộc vào chế độ làm việc của nó.
ôđ = ôđ - o : độ chênh nhiệt độ ổn định
1.2.2 Các dạng tổn hao năng lượng
- Tổn hao trong các chi tiết dẫn điện
Năng lượng tổn hao trong dây dẫn khi dòng điện i chạy qua trong thời gian t được xác định bởi công thức liên quan đến điện trở R Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào điện trở suất của vật liệu, kích thước của dây dẫn, cũng như tần số dòng điện và vị trí của dây dẫn, có thể là đơn lẻ hoặc gần các dây dẫn khác có dòng điện.
- Tổn hao trong các phần tử sắt từ
Nếu các phần tử sắt từ nằm trong vùng từ trường biến thiên thì trong chúng sẽ có tổn hao do từ trễ và dòng điện xoáy tạo ra
- Tổn hao trong vật liệu cách điện
Dưới tác dụng của điện trường biến thiên, trong vật liệu cách điện sẽ sinh ra tổn hao điện môi
1.2.3 Quá trình phát nóng ở chế độ quá độ a Chế độ làm việc dài hạn
Chế độ làm việc dài hạn của thiết bị điện được định nghĩa là thời gian hoạt động kéo dài tùy ý, nhưng không vượt quá thời gian cần thiết để nhiệt độ của thiết bị đạt đến mức ổn định.
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:
Nhiệt lượng hao tổn này bao gồm hai phần:
+ Tỏa ra môi trường xung quanh :
Ta có phương trình cân bằng nhiệt của quá trình phát nóng:
C : là tỉ nhiệt vật dẫn tỏa nhiệt ( J/g)
: là hệ số tỏa nhiệt (W/cm2)
Giải phương trình vi phân trên với điều kiện tại t = 0 thì độ chênh nhiệt ban đầu là 0, ta được:
= là hằng số thời gian phát nóng : od
độ chênh nhiệt ổn định
Quá trình nguội của thiết bị bắt đầu khi nguồn điện bị cắt, dẫn đến nhiệt độ của thiết bị giảm dần cho đến khi đạt đến nhiệt độ môi trường xung quanh Phương trình cân bằng nhiệt được áp dụng trong trường hợp này là: (1 e T T ) 0 , 632 (1-6).
G.C d + S ..dt = 0 Giải phương trình vi phân ta được biểu thức thể hiện quá trình nguội lạnh:
Trong chế độ làm việc dài hạn, thời gian làm việc đủ lớn để đạt được giá trị bền vững = , trong khi thời gian nghỉ cần đủ dài để = 0 Do hàm (t) có dạng mũ, lý thuyết cho thấy sẽ đạt khi phát nóng và đạt 0 khi nguội trong điều kiện thời gian vô cùng Thực tế, nếu t ≥ 4T, có thể xem xét đây là chế độ làm việc dài hạn, phản ánh sự tăng nhiệt theo thời gian.
0 cũng có thể coi đó là chế độ làm việc dài hạn
Hình 1.1 Phát nóng lặp lại b Chế độ làm việc ngắn hạn:
Chế độ làm việc ngắn hạn của thiết bị điện diễn ra trong khoảng thời gian ngắn, chưa đủ để nhiệt độ đạt giá trị ổn định, sau đó ngừng hoạt động để nhiệt độ hạ xuống mức môi trường Đồ thị quá trình này được thể hiện trong hình 2 Khi thiết bị hoạt động với công suất P = P1 theo chế độ dài hạn, nhiệt chênh đạt giá trị cho phép 1 Sau thời gian làm việc tlv, nhiệt chênh đạt 1 1 , cho thấy thiết bị vẫn còn non tải Để tối ưu hóa khả năng mang tải, công suất có thể được nâng lên P2, đảm bảo sau t = tlv, độ phát nóng đạt yêu cầu.
2 = 1 = Vậy ở chế độ ngắn hạn, thiết bị có thể quá tải, được đặc trưng bằng hệ số quá tải:
Theo công thức : Kp ) exp(
Hệ số quá tải tăng lên khi thời gian làm việc giảm và hằng số thời gian phát nóng tăng Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn thiết bị cho các chế độ làm việc ngắn hạn.
Hình 1.2: Phát nóng ngắn hạn c Chế độ ngắn hạn lặp lại:
Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại của thiết bị điện bao gồm các chu kỳ hoạt động và nghỉ ngơi Trong thời gian làm việc, nhiệt độ của thiết bị chưa đạt tới mức bão hòa, sau đó thiết bị sẽ nghỉ cho đến khi nhiệt độ chưa giảm về mức ban đầu Quá trình này diễn ra theo chu kỳ, giúp duy trì hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị.
Quá trình làm việc và nghỉ ngơi diễn ra theo chu kỳ với thời gian tck = tlv + tng Trong mỗi chu kỳ, thời gian làm việc chưa đủ dài để đạt được độ tăng nhiệt ổn định, trong khi thời gian nghỉ chưa đủ lâu khiến nhiệt độ thiết bị vẫn cao hơn nhiệt độ môi trường.
Hình1.3: Chế độ phát nóng lặp lại
1.2.4 Quá trình phát nóng khi ngắn mạch
Khi xảy ra ngắn mạch, dòng điện trong dây dẫn tăng cao gấp nhiều lần so với mức định mức Mặc dù thời gian ngắn mạch thường ngắn, nhưng nhiệt độ cho phép trong tình trạng này thường cao hơn so với chế độ hạn chế.
Ví dụ với đồng có cách điện cấp A cho phép đến 250 0 C khi ngắn mạch, còn chế độ dài hạn là 105 0 C
Vì thời gian ngắn của mạch TNM bé, quá trình nhiệt có thể được xem là quá trình đoạn nhiệt, tức là toàn bộ nhiệt lượng được thiết bị hấp thụ mà không tỏa ra môi trường xung quanh Do đó, phương trình cân bằng nhiệt có dạng:
Trong đó: R là điện trở của dây dẫn
CT là nhiệt dung riêng của thiết bị
là nhiệt độ của dây dẫ
Tiếp xúc điện
Chỗ tiếp giáp giữa hai vật dẫn điện để cho dòng điện chạy từ vật dẫn này sang vật dẫn kia gọi là tiếp xúc điện
Bề mặt chỗ tiếp giáp của các vật dẫn điện gọi là bề mặt tiếp xúc điện
1.3.2 Phân loại a Dựa vào mối liên kết tiếp xúc, ta chia tiếp xúc điện ra các dạng sau :
+ Tiếp xúc cố định: là loại tiếp xúc không tháo lắp giữa 2 vật dẫn, được liên kết bằng bulông, đinh vít,
Tiếp xúc đóng mở là loại tiếp xúc có khả năng điều khiển dòng điện, cho phép dòng điện chạy hoặc ngừng chảy giữa các vật thể, như các tiếp điểm trong thiết bị đóng cắt.
Tiếp xúc trượt là hiện tượng khi một vật dẫn điện trượt trên bề mặt của một vật dẫn điện khác, chẳng hạn như chổi than trượt trên vành góp của máy điện Dựa vào hình dạng của chỗ tiếp xúc, tiếp xúc điện được phân loại thành nhiều dạng khác nhau.
Tiếp xúc điểm là hiện tượng hai vật chạm nhau tại một điểm duy nhất hoặc trên một bề mặt có diện tích rất nhỏ, như trong trường hợp hai hình cầu tiếp xúc, hình cầu tiếp xúc với mặt phẳng, hoặc hình nón tiếp xúc với mặt phẳng.
Tiếp xúc đường đề cập đến hiện tượng hai vật dẫn tiếp xúc với nhau dọc theo một đường thẳng hoặc trên một bề mặt hẹp, chẳng hạn như khi hình trụ tiếp xúc với mặt phẳng hoặc khi hai hình trụ tiếp xúc với nhau.
+ Tiếp xúc mặt: Là hai vật dẫn điện tiếp xúc với nhau trên bề mặt rộng (ví dụ tiếp xúc mặt phẳng với mặt phẳng, )
Xét khi đặt hai vật dẫn tiếp xúc nhau, ta sẽ có diện tích bề mặt tiếp xúc :
Trên thực tế, diện tích bề mặt tiếp xúc giữa hai vật thường nhỏ hơn nhiều so với diện tích lý thuyết, do giữa hai bề mặt luôn tồn tại độ nhấp nhô Dù được gia công kỹ lưỡng, khi hai vật tiếp xúc, chỉ có một số điểm nhất định trên bề mặt tiếp xúc thực sự tiếp giáp với nhau.
Diện tích tiếp xúc giữa hai vật dẫn phụ thuộc vào lực ép tác động lên tiếp điểm và loại vật liệu của tiếp điểm; khi lực ép tăng lên, diện tích tiếp xúc cũng sẽ gia tăng.
Diện tích tiếp xúc thực ở một điểm(như mặt cầu tiếp xúc với mặt phẳng) xác định bởi: d
Trong đó: F là lực ép vào tiếp điểm [kg]
d là ứng suất chống dập nát của vật liệu làm tiếp điểm [kg/cm2]
Nếu tiếp xúc ở n điểm thì diện tích sẽ lớn lên n lần so với biểu thức (1-9)
Dòng điện di chuyển giữa các vật chỉ qua những điểm tiếp xúc, dẫn đến sự thu hẹp dòng điện tại những vị trí này Kết quả là điện trở tại các điểm tiếp xúc tăng lên Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm kiểu bất kỳ có thể được tính theo công thức: tx m.
K: hệ số phụ thuộc vật liệu và tình trạng bề mặt tiếp điểm (theo bảng tra) m: hệ số phụ thuộc số điểm tiếp xúc và kiểu tiếp xúc với :
Ngoài công thức (1-10) là công thức kinh nghiệm, người ta còn dùng phương pháp giải tích để dẫn giải rút ra công thức tính điện trở tiếp xúc
Trong đó : : điện trở suất của vật dẫn [.cm] n: số điểm tiếp xúc
Các yếu tố ảnh hương tới điện trở tiếp xúc của tiếp điểm:
+ Độ cứng của vật liệu
+ Vật liệu làm tiếp điểm
+ Hình dạng của tiếp điểm
+ Nhiệt độ của tiếp điểm
+ Tình trạng bề mặt tiếp xúc
1.3.4 Vật liệu làm tiếp điểm Để thỏa mãn tốt các điều kiện làm việc khác nhau của tiếp điểm thiết bị điện thì vật liệu làm tiếp điểm phải có được những yêu cầu cơ bản sau:
+ Có độ dẫn điện cao (giảm Rtx và chính điện trở của tiếp điểm).
+ Dẫn nhiệt tốt (giảm phát nóng cục bộ của những điểm tiếp xúc)
+ Không bị oxy hóa (giảm Rtx để tăng độ ổn định của tiếp điểm).
Vật liệu này có độ kết tinh và nóng chảy cao, giúp giảm mài mòn điện và ngăn chặn hiện tượng nóng chảy hàn dính tại các tiếp điểm đồng, đồng thời kéo dài tuổi thọ của các tiếp điểm.
+ Có độ bền cơ cao (giảm độ mài mòn cơ khí giữ nguyên dạng bề mặt tiếp xúc và tăng tuổi thọ của tiếp điểm)
+ Có đủ độ dẻo (để giảm điện trở tiếp xúc)
+ Dễ gia công khi chế tạo và giá thành rẻ
Thực tế ít vật liệu nào đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu trên
Trong thiết kế, việc lựa chọn vật liệu đồng phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể Đồng kỹ thuật điện, được sản xuất từ đồng nguyên chất qua quá trình điện phân, đáp ứng hầu hết các tiêu chí kỹ thuật nhưng dễ bị oxit hóa Ngược lại, đồng cađimi, là hợp kim của đồng kỹ thuật điện pha thêm cađimi, có tính chất cơ học vượt trội, chống mài mòn tốt và khả năng chịu hồ quang cao hơn so với đồng kỹ thuật điện thông thường.
Bạc là một vật liệu lý tưởng cho tiếp điểm nhờ vào độ dẫn điện cao và điện trở tiếp xúc ổn định, tuy nhiên, nhược điểm lớn của nó là khả năng chịu hồ quang kém, dẫn đến việc sử dụng bị hạn chế Trong khi đó, đồng thau, một hợp kim của đồng và kẽm, được ưa chuộng trong việc chế tạo tiếp điểm dập hồ quang.
Các hợp kim đồng như hợp kim đồng với nhôm, mangan, niken và silic thường được sử dụng trong các ứng dụng làm tiếp điểm và lò xo ép, chẳng hạn như tiếp điểm tĩnh trong cầu chì.
Thép có điện trở suất lớn thường bị oxy hóa cao, nhưng nhờ vào chi phí thấp, nó vẫn được sử dụng làm tiếp xúc cố định để dẫn dòng điện lớn Để tăng cường độ bền và khả năng dẫn điện, thép thường được mạ trong các thiết bị.
Nhôm là một vật liệu có độ dẫn điện cao và giá thành rẻ, nhưng dễ bị oxy hóa, dẫn đến tăng điện trở suất Ngoài ra, việc hàn nhôm cũng rất phức tạp và độ bền cơ học của nó không cao.
Vonfram và hợp kim vonfram: có độ mài mòn về điện tốt và chịu được hồ quang tốt nhưng có điện trở tiếp xúc rất lớn
Hợp kim vonfram với vàng sử dụng cho tiếp điểm có dòng nhỏ
Hợp kim molipđen được sử dụng làm tiếp điểm cho các thiết bị điện có tần suất đóng mở cao Trong khi đó, vonfram và hợp kim vonfram được áp dụng để chế tạo tiếp điểm dập hồ quang khi dòng điện lớn.
Hồ quang và các phương pháp dập tắt hồ quang
Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện trong khí, với mật độ dòng điện rất lớn từ 102 đến 103 A/mm2, tạo ra nhiệt độ cao lên tới khoảng 5000 đến 60000C và thường đi kèm với hiện tượng phát sáng.
Hồ quang điện rất quan trọng trong các ngành công nghiệp như hàn điện và luyện thép, nơi cần duy trì sự ổn định của hồ quang để đảm bảo hiệu quả và chất lượng công việc.
Hồ quang điện có hại: Khi đóng cắt các thiết bị điện như contắctơ, cầu dao, máy cắt, hồ quang sẽ xuất hiện giữa các cặp tiếp điểm
Hình 1.5: Đặc tính hồ quang điện
Hồ quang này cháy lâu sau khi thiết bị điện đã đóng cắt sẽ làm hư hại các tiếp điểm và bản thân thiết bị điện
Trong trường hợp này để đảm bảo độ làm việc tin cậy của thiết bị điện yêu cầu phải tiến hành dập tắt hồ quang càng nhanh càng tốt
1.4.2 Quá trình phát sinh hồ quang
Hồ quang điện phát sinh là do môi trường giữa các điện cực (hoặc giữa các cặp tiếp điểm) bị ion hóa (xuất hiện các hạt dẫn điện)
Ion hóa có thể xảy ra bằng các con đường khác nhau duới tác dụng của ánh sáng, nhiệt độ, điện trường mạnh,
Trong thực tế quá trình phát sinh hồ quang điện có những dạng ion hóa sau :
+ Quá trình phát xạ điện tử nhiệt
+ Quá trình tự phát xạ điện tử
+ Quá trình ion hóa do va chạm
+ Quá trình ion hóa do nhiệt
Sau đây ta lần lượt xét các quá trình trên:
Quá trình phát xạ điện tử nhiệt diễn ra khi các điện cực và tiếp điểm, được chế tạo từ kim loại, cho phép các điện tử tự do di chuyển trong cấu trúc hạt nhân nguyên tử Các điện tử này có khả năng chuyển động tự do theo nhiều hướng, tạo ra hiện tượng phát xạ điện tử khi nhiệt độ tăng cao.
Khi tiếp điểm mở ra, lực nén giảm, dẫn đến tăng điện trở tiếp xúc Hiện tượng này làm dòng điện bị thắt lại, gây ra mật độ dòng điện tăng cao, dẫn đến việc làm nóng các điện cực, đặc biệt là ở cực âm nơi có nhiều electron.
Khi nhiệt độ tăng, động năng của các điện tử cũng tăng nhanh chóng Khi năng lượng nhận được Wđn vượt quá công thoát At liên kết hạt nhân, các điện tử sẽ thoát ra khỏi bề mặt cực âm và trở thành điện tự do Quá trình này phụ thuộc vào nhiệt độ của điện cực và loại vật liệu được sử dụng để làm điện cực.
+) Quá trình phát xạ điện tử
Khi tiếp điểm hay điện cực vừa mở ra lúc đầu khoảng cách còn rất bé
Khi một điện trường mạnh, có thể lên tới hàng triệu V/cm, tác động lên điện cực, đặc biệt là ở vùng cực âm với khoảng cách nhỏ, các điện tử tự do sẽ nhận thêm năng lượng và bị kéo ra khỏi bề mặt catốt, trở thành các điện tử tự do.
Quá trình này phụ thuộc vào cường độ điện trường E và vật liệu làm điện cực
+) Quá trình ion hóa do va chạm
Khi tiếp điểm mở ra, dưới tác động của nhiệt độ cao hoặc điện trường lớn, các điện tử tự do sẽ chuyển động từ cực dương sang cực âm.
Do ảnh hưởng của điện trường mạnh, các điện tử di chuyển với tốc độ cao và trong quá trình này, chúng va chạm với nguyên tử và phân tử khí, dẫn đến việc giải phóng các điện tử và ion dương.
Các phần tử mang điện này lại tiếp tục tham gia chuyển động và va chạm để làm xuất hiện các phần tử mang điện khác
Do vậy mà số lượng các phần tử mang điện tăng lên không ngừng, làm mật độ điện tích trong khoảng không gian giữa các tiếp điểm rất lớn
Quá trình này phụ thuộc vào cường độ điện trường, mật độ các phần tử trong vùng điện cực, lực liên kết phân tử, khối lượng của phân tử
+) Quá trình ion hóa do nhiệt
Quá trình phát xạ điện tử và ion hóa do va chạm giải phóng một lượng lớn năng lượng, dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ trong vùng hồ quang, thường kèm theo hiện tượng phát sáng.
Nhiệt độ khí càng tăng thì tốc độ chuyển động của các phần tử khí càng tăng và số lần va chạm do đó cũng càng tăng lên
Khi xảy ra va chạm, một số phân tử khí sẽ phân li thành các nguyên tử Sự gia tăng lượng ion hóa do va chạm khi nhiệt độ tăng được gọi là lượng ion hóa do nhiệt.
1.4.3 Các biện pháp dập tắt hồ quang a Yêu cầu của dập hồ quang
- Trong thời gian ngắn phải dập tắt được hồ quang, hạn chế phạm vi cháy hồ quang là nhỏ nhất
- Tốc độ đóng mở tiếp điểm phải lớn
- Năng lượng hồ quang sinh ra phải bé, điện trở hồ quang phải tăng nhanh
- Tránh hiện tượng quá điện áp khi dập hồ quang b Các nguyên tắc dập hồ quang
- Kéo dài ngọn lửa hồ quang
- Dùng năng lượng nguồn ngoài để dập
- Dùng năng lượng hồ quang sinh ra để tự dập
- Chia hồ quang thành nhiều phần ngắn để dập
- Mắc thêm điện trở song song để dập c Các biện pháp dập hồ quang
- Kéo dài hồ quang điện bằng cơ khí
- Dùng cuộn dây thổi từ kết hợp buồng dập hồ quang
- Dùng buồng dập hồ quang có khe hở quanh co
- Phân chia hồ quang ra làm nhiều đoạn ngắn
- Tăng tốc độ chuyển động của tiếp điểm động
- Kết cấu tiếp điểm kiểu bắc cầu
- Dập hồ quang trong dầu biến áp kết hợp phân chia hồ quang
- Dập hồ quang bằng khí nén
- Dập hồ quang bằng cách dùng vật liệu tự sinh khí
- Dập hồ quang trong chân không
- Dập hồ quang trong khí áp suất cao.
Lực điện động
Khi một vật dẫn được đặt trong từ trường và có dòng điện I chạy qua, nó sẽ chịu tác động của một lực có xu hướng làm biến dạng hoặc di chuyển vật dẫn để tối đa hóa từ thông xuyên qua nó Lực này được gọi là lực điện động (LĐĐ), và chiều của nó được xác định theo quy tắc bàn tay trái Trong điều kiện làm việc bình thường, trị số dòng điện không lớn, do đó LĐĐ sinh ra không đủ mạnh để ảnh hưởng đến độ bền vững của kết cấu thiết bị.
Khi ở chế độ ngắn mạch, dòng điện có thể tăng lên rất cao, thậm chí gấp hàng chục lần dòng định mức (Iđm) Lực điện động đạt giá trị tối đa khi dòng điện tức thời đạt cực đại, hiện tượng này được gọi là dòng điện xung kích.
Với dòng điện xoay chiều, dòng điện xung kích được tính theo công thức như sau : IXK = KXK 2 I nm (1-14)
Hệ số xung kích KXK của dòng điện, thường được lấy là 1.8, phản ánh ảnh hưởng của thành phần không chu kỳ Trong khi đó, Inm là trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch được xác lập.
Để đảm bảo độ bền điện động của thiết bị, chúng ta cần tính toán lực điện động (LĐĐ) tác động lên thiết bị trong trường hợp dòng ngắn mạch xảy ra Độ bền điện động được định nghĩa là khả năng của thiết bị chịu đựng LĐĐ phát sinh từ dòng ngắn mạch.
1.5.2 Các phương pháp tính toán lực điện động
Việc tính toán LĐĐ thường được tiến hành theo 2 phương pháp :
Theo định luật Bio - Xava - Laplace
Theo phương pháp cân bằng năng lượng a) Phương pháp tính toán lực điện động theo định luật Bio - Xava – Laplace
Xét đoạn mạch vòng dl1(m) có dòng điện i1 (A) đi qua trong từ trường với từ cảm B (T) Khi đó, sẽ xuất hiện một lực dF (N) tác động lên dl1, được tính bằng công thức dF = i1B.dl1sinβ.
Trong đó : là góc giữa B và dl1, hướng đi của dl1 theo chiều của dòng điện i1
Lực điện động tác dụng lên đoạn mạch vòng với chiều dài l1 (m) bằng tổng các lực thành phần
Khi mạch vòng hoạt động trong môi trường có độ từ thẩm cố định (μ = const), chẳng hạn như trong chân không hoặc không khí, việc xác định từ cảm B trở nên thuận tiện hơn nhờ vào định luật Bio - Xava - Laplace.
Theo định luật này, cường độ từ trường dH tại điểm M cách dây dẫn dl2 có dòng điện i2 một khoảng r được xác định bằng công thức dH = 2 2 2.
Trong đó là góc giữa vectơ dl2 và bán kính r
Từ cảm ở điểm M sẽ là :
Thay 0 = 4..10-7 (H/m) và tích phân hai vế của ta có :
Thay từ cảm B vào ta có :
= KC : Hệ số kết cấu của mạch vòng
Hướng của lực F được xác định bởi tích vectơ của i và B Trong trường hợp đơn giản, hướng của vectơ từ cảm được xác định theo quy tắc vặn nút chai, trong khi hướng của lực điện động được xác định theo quy tắc bàn tay trái.
Lực điện động có thể được tính toán dễ dàng bằng phương pháp này nếu hệ số kết cấu KC được xác định Ngoài ra, phương pháp tính toán lực điện động cũng có thể áp dụng thông qua cân bằng năng lượng.
Năng lượng điện từ của một hệ mạch vòng gồm 2 dây dẫn có dòng điện đi qua được mô tả bằng phương trình
Trong đó : L1, L2 là điện cảm của 2 mạch vòng (H) i1,i2 là dòng điện trong 2 mạch vòng (A)
M là hỗ cảm của 2 mạch vòng (H)
Trong mạch vòng chỉ có điện cảm L và dòng điện i, lực điện động (LĐĐ) tác dụng lên mạch được tính bằng công thức: LĐĐ = L x di/dt.
Thay Li = = W. vào ta có : iW x x
Trong đó : là từ thông móc vòng, từ thông, w số vòng dây
Với hệ số hỗ cảm M, lực điện động tương tác giữa hai mạch vòng sẽ là : x i M x i
= 1 2 (1-15) c Hướng của lực điện động
Hình 1.7: Hướng của lực điện động
Công dụng và phân loại khí cụ điện
Công dụng của khí cụ điện
- Đóng cắt, điều chỉnh tốc độ chiều quay của các máy phát điện, động cơ điện
- Bảo vệ các động cơ, máy phát điện, lưới điện khi có quá tải, ngắn mạch, sụt áp
- Thu nhận phân tích và khống chế sự hoạt động của các mạch điện như khởi động từ
- Duy trì ổn định các tham số điện
- Hạn chế dòng điện ngắn mạch
Phân loại khí cụ điện
2.1.1.Phân loại theo công dụng: a Nhóm KCĐ khống chế : dùng để đóng cắt, điều chỉnh tốc độ chiều quay của các máy phát điện, động cơ điện (như cầu dao, áp tô mát, công tắc tơ) b Nhóm KCĐ bảo vệ : làm nhiệm vụ bảo vệ các động cơ, máy phát điện, lưới điện khi có quá tải, ngắn mạch, sụt áp, …( như rơle, cầu chì, máy cắt, …) c Nhóm KCĐ tự động 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, d Nhóm KCĐ hạn chế dòng điện ngắn mạch: (như điện trở phụ, cuộn kháng,…) e Nhóm KCĐ làm nhiệm vụ duy trì ổn định các tham số điện: (như ổn áp, bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát …) f.Nhóm KCĐ làm nhiệm vụ đo lường: (như máy biến dòng điện, biến áp đo lường,…)
Nhóm KCĐ dùng trong mạch điện một chiều
Nhóm KCĐ dùng trong mạch điện xoay chiều
Phân loại theo nguyên lý làm việc
Khí cụ điện được chia các nhóm với nguyên lý điện cơ, điện từ, từ điện, điện động, nhiệt, có tiếp xúc và không có tiếp xúc
Phân loại theo điều kiện làm việc
Loại làm việc vùng nhiệt đới khí hậu nómg ẩm, loại làm việc ở vùng ôn đới , có loại chống được khí cháy nổ, loại chịu rung động …
2.2.5 Phân loại theo cấp điện áp :
Khí cụ điện hạ áp có điện áp dưới 3 kV,
Khí cụ điện trung áp có điện áp từ 3 kV đến 36 kV,
Khí cụ điện cao áp có điện áp từ 36 kV đến nhỏ hơn 400 kV,
Khí cụ đIện siêu cao áp có đIện áp từ 400 kV trở lên
Câu 1: Nêu các biện pháp dập hồ quang?
Câu 2: Trình bày quá trình phát sinh hồ quang?
Câu 3: Trình bày các dạng tổn hao?
KHÍ CỤ ĐIỆN ĐÓNG CẮT
Cầu dao
Hình 2.1: Cấu tạo của cầu dao
Cầu dao lưỡi dao và hệ thống lưỡi kẹp được chế tạo từ hợp kim đồng, đảm bảo độ bền và hiệu suất cao Bộ phận nối dây cũng được làm từ hợp kim đồng, góp phần tăng cường tính ổn định và độ tin cậy của sản phẩm.
Khi thao tác với cầu dao, mạch điện được đóng ngắt nhờ vào lưỡi dao và hệ thống kẹp lưỡi Trong quá trình ngắt mạch, hồ quang điện thường xuất hiện tại đầu lưỡi dao và hệ thống kẹp, vì vậy người sử dụng cần nhanh chóng kéo lưỡi dao ra khỏi kẹp để dập tắt hồ quang.
Do tốc độ kéo bằng tay không thể nhanh, người ta đã thiết kế thêm lưỡi dao phụ Khi có điện, cả lưỡi dao phụ và lưỡi dao chính đều được kẹp trong lưỡi kẹp Khi ngắt điện, tay kéo lưỡi dao chính ra trước, và khi kéo căng tới một mức nhất định, lò xo sẽ giúp lưỡi dao phụ bật nhanh ra khỏi lưỡi kẹp, tạo ra hồ quang.
1: Lưỡi dao chính 2: Tiếp xúc tĩnh (ngàm) ( hệ thống kẹp)
Hình 2.2: Cấu tạo cầu dao có lưỡi cắt phụ
Phân loại cầu dao dựa cào các yếu tố sau:
- Theo kết cấu cầu dao được chia thành loại 1 cực, 2 cực, 3 cực hoặc 4 cực
- Cầu dao có tay nắm ở giữa hoặc ở bên Ngoài ra còn có cầu dao 1 ngả hoặc 2 ngả để đảo nguồn cung cấp hoặc đảo chiều quay động cơ
- Theo điện áp định mức: 250V; 500V
- Theo dòng điện định mức: dòng điện định mức của cầu dao được cho trước bởi nhà sản suất ( thường là các loại 10A, 15A, 20A, 25A, 30A, 60A, 75A,
- Theo vật liệu cách điện có loại đế sứ, đế nhựa, đế đá
- Theo điều kiện bảo vệ có loại có lắp có loại không lắp
- Theo yêu cầu bảo vệ có loại có cầu chì bảo vệ ngắn mạch có loại không có cầu chì
Ký hiệu cầu dao không cầu chì bảo vệ:
Hình 2.3:Ký hiệu cầu dao có cầu chì bảo vệ
Chọn cầu dao theo dòng điện định mức và điện áp định mức
Gọi Itt là dòng điện tính toán của mạch điện
Unguồn là điện áp nguồn lưới sử dụng
Cấu tạo cầu dao có lưỡi cắt phụ:
3: Lưỡi dao phụ 4: Lò xo bật nhanh
1.6 Hư hỏng,nguyên nhân hư hỏng và cách khắc phục
Hư hỏng Nguyên nhân Khắc phục
Tiếp xúc không tốt giữa tiếp điểm tĩnh và động
- Ngàm tiếp điểm tĩnh quá rộng
- Lò xo ép tiếp điểm tĩnh yếu
- Các tiếp điểm bẩn, oxi hóa
- Căng lại lò xo hoặc thay mới
- Dùng giẻ tẩm xăng hoặc giấy ráp đánh sạch
Tốc độ của dao phụ chuyển động chậm
- Mạch quá tải hay ngắn mạch
- Giải quyết sự cố thay dây mới
- Thay dây đúng tiêu chuẩn
- Căng lại lò xo hoặc thay mới
- Dùng giẻ tẩm xăng hoặc giấy ráp đánh sạch
- Giải quyết sự cố thay dây mới
- Thay dây đúng tiêu chuẩn.
Các loại công tắc và nút điều khiển
Công tắc là thiết bị điện được sử dụng để đóng và ngắt mạch điện bằng tay, thường có công suất nhỏ và dòng điện định mức dưới 6A Để đảm bảo an toàn, công tắc thường được trang bị hộp bảo vệ, giúp ngăn chặn sự cố điện khi thực hiện thao tác đóng mở Điện áp của công tắc không vượt quá mức quy định.
2.1.2 Cấu tạo và phân loại a) Cấu tạo công tắc: Phần chính là tiếp điểm đóng mở được gắn trên đế nhựa có lò xo để thao tác chính xác b) Phân loại theo công dụng có các loại công tắc sau:
+) Công tắc đóng ngắt trực tiếp
Công tắc chuyển mạch, còn được gọi là công tắc xoay, công tắc đảo hay công tắc vạn năng, là thiết bị dùng để đóng ngắt và chuyển đổi mạch điện Nó thường được sử dụng để thay đổi cấu hình nối sao - tam giác cho động cơ, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Công tắc hành trình và cuối hành trình là thiết bị quan trọng trong máy cắt gọt kim loại, giúp tự động hóa quá trình làm việc của mạch điện.
2.2 Công tắc hộp a a.Hình dạng chung b Mặt cắt đóng( vị trí đóng) c Mặt cắt ( vị trí ngắt) d Kiểu bảo vệ e Kiểu kín
Hình 2.3: Cấu tạo công tắc hộp Phần chính là các tiếp điểm tĩnh 3 gắn trên các vành nhựa bakêlit cách điện
Hai đầu vặn vít được lấy ra khỏi hộp Bốn tiếp điểm động được gắn trên trục và cách điện với trục, nằm trong các mặt phẳng khác nhau tương ứng với hai vành.
Khi trục quay đến vị trí tối ưu, các tiếp điểm động sẽ tiếp xúc với các tiếp điểm tĩnh Sự chuyển động của tiếp điểm động được thực hiện thông qua cơ cấu cơ khí với núm vặn 5.
Lò xo phản kháng được đặt trong vỏ 1 giúp tạo ra sức bật nhanh, từ đó dập tắt hồ quang một cách hiệu quả Hình 2-3 d, e minh họa cấu tạo của công tắc hộp theo kiểu bảo vệ và kiểu kín.
Công tắc hộp ở các quốc gia khác nhau có hình dạng cấu tạo tương tự, nhưng khác biệt ở thiết kế bên ngoài như hình dạng hộp trụ tròn hoặc vuông, chất liệu vỏ hộp bằng nhựa cách điện hoặc sắt, và kiểu điều khiển như núm vặn hay tay gạt.
2.3.1 Gồm các đoạn riêng rẽ cách điện với nhau và lắp trên cùng một trục có tiết diện vuông Các tiếp điểm 1 và 2 sẽ đóng và mở nhờ xoay vành cách điện
3 lồng trên trục 4 khi ta vặn công tắc
2.3.2 Tay gạt công tắc vạn năng có thể có một vị trí chuyển đổi, trong đó các tiếp điểm của các đoạn sẽ đóng hoặc ngắt theo yêu cầu
2.3.3 Công tắc vạn năng được chế tạo theo kiểu tay gạt có các vị trí cố định hoặc có lò xo phản hồi về vị trí ban đầu (vị trí không)
Hình 2.4: Công tắc vạn năng a Hình dạng chung b Mặt cắt ngang
1 Tiếp điểm tĩnh; 2 Tiếp điểm động; 3 Vành cách điện; 4 Trục nhỏ
Hình 2.5:Công tắc hành trình
Hình dạng chung của công tắc cuối hành trình cỡ nhỏ được trình bày trên
Dưới tác động của cữ gạt 1 trên bộ phận cơ khí dịch chuyển, cần bẩy 2 với con lăn của công tắc sẽ bị ấn xuống, dẫn đến việc xoay giá đỡ tiếp điểm 3 Hệ quả là tiếp điểm 4 sẽ được mở, từ đó ngắt mạch điều khiển truyền động điện.
Nó được đặt trong một vỏ nhựa, có một tiếp điểm thường đóng và một tiếp điểm thường mở, trong đó tiếp điểm động là chung
Nút ấn, hay còn gọi là nút điều khiển, là thiết bị điện dùng để điều khiển từ xa các thiết bị điện, dụng cụ báo hiệu và chuyển đổi mạch điện điều khiển, tín hiệu, liên động và bảo vệ Nó hoạt động hiệu quả trong mạch điện một chiều với điện áp lên đến 440V và mạch điện xoay chiều với điện áp tối đa 500V, tần số từ 50 đến 60Hz.
Nút ấn là thiết bị phổ biến dùng để khởi động, dừng và đảo chiều quay của động cơ điện Nó hoạt động bằng cách đóng và ngắt các mạch cuộn dây hút của công tắc và khởi động từ trong mạch động cơ.
Nút ấn thường được đặt trong bảng điều khiển, ở tủ điện, trên hộp nút ấn
Nút ấn thường được nghiên cứu,chế tạo để làm việc trong môi trường không ẩm ướt, không có hơi hoá chất và bụi bẩn
Nút ấn có thể bền tới 1000.000 lần đóng không tải và 200.000 lần đóng ngắt có tải
- Nút ấn thường mở: Khi nút bị ấn thì mạch thông, khi thôi ấn nút, lò xo đẩy nút lên và mạch bị cắt
- Nút ấn thường đóng: Nó chỉ cắt mạch khi nút bị ấn
Hình 2.6 Công tắc thường mở
1 Tiếp điểm động; 2 Tiếp điểm tĩnh; 3 Lò xo; 4 Ký hiệu
Hình 2.7 công tắc thường đóng
1 Tiếp điểm động; 2 Tiếp điểm tĩnh; 3 Lò xo; 4 Ký hiệu
2.6 Thông số kỹ thuật công tắc và nút điều khiển
Các thông số cơ bản của công tắc gồm có:
Dòng điện định mức Điện áp định mức
Ví dụ: Một số kiểu công tắc xoay
Kiểu Dòng điện định mức Điện áp định mức
Các thông số kỹ thuật chính của nút ấn: Điện áp định mức, V
Tần số lưới điện, Hz
Tuổi thọ: tính bằng số lần thao tác
2.7 Sửa chữa công tắc và nút điều khiển
Trong quá trình vận hành các má tiếp xúc lâu ngày bị mài mòm do vận ta phải dùng giấy ráp vệ sinh lại các má tiếp điểm.
Dao cách ly
3.1.1 Dao cách ly một pha
Trên hình 2.9 trình bày hình dáng, kích thước của dao cách ly một pha 380 kV, 1000 A, có dao nối đất, dạng trượt
Loại này ngày càng ít được sử dụng vì có nhiều nhược điểm
Hình 2.9 Dao cách ly một pha
1- Khung thép; 2- Sứ đỡ; 3- Sứ trượt; 4- Tiếp điểm tĩnh; 5- Tiếp điểm động
6- Dây nối vào; 7- Dao nối đất; 8- Bộ truyền động kiểu động cơ điện;
9- Truyền động dao nối đất; 10- Dây kéo sứ trượt
3.1.2 Dao cách ly kiểu quay
Nguyên lý kết cấu và hình dáng của dao cách ly kiểu quay được mô tả qua hình 2.9, trong đó khi trục truyền động 8 quay, hai sứ trụ quay ngược chiều nhau nhờ thanh nối 9 Cụm đầu nối 6 có khả năng quay tự do so với trục của sứ trụ, trong khi vỏ bọc 4 bảo vệ khu vực tiếp xúc khỏi bụi bẩn Với kết cấu đơn giản và chắc chắn, loại dao cách ly này được chế tạo cho điện áp lên tới 750 kV.
Tuy vậy, kiểu dao cách ly quay ngang chiếm diện tích mặt bằng lớn (vì hai lưỡi dao quay ngang)
Hình 2.10: Dao cách ly kiểu quay
3.1.3 Dao cách ly kiểu treo và kiểu khung truyền Để khắc phục nhược điểm của dao cách ly kiểu quay là chiếm nhiều diện tích, ở điện áp siêu cao (cỡ 500 kV trở lên) người ta dùng loại dao cách ly kiểu treo hoặc kiểu khung truyền, có phần động chuyển động thẳng đứng nên diện tích mặt bằng lắp đặt không lớn Trên hình 2.11 và hình 2.12 trình bày hình dáng và nguyên lý cấu tạo của hai dao cách ly này
Hình 2.11 Dao cách ly kiểu treo
500kV, 1600A 1- Sứ treo; 2- Tiếp điểm động;
3- Tai tiếp điểm động; 4- Dây nối mềm; 5- Đầu nối; 6- Tiếp điểm tĩnh; 7-
Hình 2.12 Dao cách ly kiểu khung truyền 750kV, 2000A 1- Sứ đỡ; 2- Tiếp điểm động kiểu khung truyền; 3- Bộ truyền động; 4-
Sứ quay; 5- Cơ cấu quay; 6- Tiếp điểm tĩnh; 7- Tay quay
Dao cách ly là thiết bị điện dùng để ngắt và kết nối mạch điện cao áp khi không có dòng điện hoặc dòng điện nhỏ hơn nhiều lần so với định mức, tạo ra khoảng cách cách điện an toàn và dễ nhìn thấy Thiết bị này có khả năng ngắt dòng điện dung của đường dây hoặc cáp không tải, cũng như dòng điện không tải của máy biến áp Khi ở trạng thái đóng, dao cách ly cần phải chịu được dòng điện định mức trong thời gian dài và dòng sự cố ngắn hạn như dòng ổn định nhiệt và dòng xung kích.
Trong lưới điện, dao cách ly được lắp đặt trước thiết bị bảo vệ như máy cắt và cầu chì Một số dao cách ly còn kèm theo dao nối đất, giúp đảm bảo an toàn bằng cách nối đầu phần mạch cách ly khi dao cách ly mở, nhằm phóng điện áp dư còn tồn tại trong mạch cắt.
Các bộ truyền động của dao cách ly thường được thao tác bằng tay hoặc bằng điện cơ (động cơ điện)
Dao cách ly được chế tạo cho tất cả các cấp điện áp
3.3 Tính chọn dao cách ly
Dao cách ly có nhiệm vụ chính là tạo ra khoảng hở cách điện giữa bộ phận mang dòng điện và bộ phận cách điện, đảm bảo an toàn cho nhân viên sửa chữa thiết bị điện Để tăng cường an toàn, nên lắp đặt thêm dao cách ly tại những nơi cần sửa chữa thường xuyên, bên cạnh các thiết bị đóng cắt.
Dao cách ly không có bộ phận dập tắt hồ quang, vì vậy không thể cắt dòng điện lớn Việc sử dụng dao cách ly để cắt dòng điện lớn có thể gây ra hồ quang, dẫn đến nguy hiểm Do đó, dao cách ly chỉ nên được sử dụng để đóng hoặc cắt khi không có dòng điện.
Dao cách ly được lựa chọn dựa trên các tiêu chí định mức cụ thể Chúng phải được kiểm tra để đảm bảo ổn định về lực điện động cũng như ổn định nhiệt Thông tin chi tiết được trình bày trong bảng dưới đây.
Thứ tự Đại lượng lựa chọn và kiểm tra Ký hiệu Công thức để chọn và kiểm tra
1 Điện áp định mức, [kV] UđmDCL UđmDCL
2 Dòng điện định mức, [A] IđmDCL IđmDCL
3 Dòng điện ổn định lực điện động [kA] imax (hay iôđn) imax ixk
4 Dòng điện ổn định nhiệt trong thời gian tôđn, [A]
3.4 Hư hỏng và nguyên nhân gây hư hỏng và biện pháp sửa chữa
Hư hỏng Nguyên nhân Khắc phục
- Tiếp xúc không tốt giữa tiếp điểm tĩnh và động
- Ngàm tiếp điểm tĩnh quá rộng
- Lò xo ép tiếp điểm tĩnh yếu
- Các tiếp điểm bẩn, oxi hóa
- Căng lại lò xo hoặc thay mới
- Lau bằng giẻ tẩm xăng
- Dây chảy CC bị đứt - Mạch quá tải hay ngắn mạch
- Giải quyết sự cố thay dây mới
- Không đúng tiêu chuẩn - Thay dây đúng tiêu chuẩn
3.5 Sửa chữa giao cách ly
- Tiếp xúc không tốt giữa tiếp điểm tĩnh và động
+ Ngàm tiếp điểm tĩnh quá rộng
+ Lò xo ép tiếp điểm tĩnh yếu
+ Các tiếp điểm bẩn, oxi hóa
- Dây chảy CC bị đứt
+ Mạch quá tải hay ngắn mạch
Máy cắt điện
Nguyên lý cấu tạo của máy cắt dầu bao gồm thùng chứa dầu 1 và thùng chứa dầu biến áp 2, được đổ đầy từ 75 đến 80% thể tích máy Thùng được làm bằng thép và có lớp lót cách điện 9 bên trong để ngăn chặn sự lan truyền của hồ quang ra ngoài Hai sứ xuyên 4 được đặt nghiêng nhằm tăng khoảng cách cách điện trong không khí Đối với điện áp dưới 15KV, sứ xuyên có cấu tạo đơn giản, chỉ bao gồm sứ với điện áp tương ứng.
Sứ xuyên 35KV được trang bị thêm phần đệm cách điện bakêlit, trong khi sứ xuyên cho điện áp 110V sử dụng kiểu điện dung để đảm bảo điện áp phân bố đều Phần tiếp điểm tĩnh của máy cắt được gắn trên lõi của sứ xuyên, và trong một số máy cắt, máy biến dòng điện cũng được lắp đặt dưới nắp của sứ xuyên Tiếp điểm động được kết nối với bộ truyền động thông qua trục truyền và lò xo cắt.
Quá trình đóng được thực hiện như sau:
Mômen quay từ cơ cấu đóng, có thể thực hiện bằng tay, động cơ hoặc nam châm điện, sẽ quay trục truyền động 6 Qua cơ cấu đòn khớp, tiếp điểm động được nâng lên để tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh, đồng thời tích trữ năng lượng cho lò xo cắt 5 Khi có tín hiệu cắt, dù bằng tay hay tự động, chốt giữ lò xo 5 sẽ nhả, giải phóng năng lượng tích trữ và đẩy hệ thống tiếp điểm động xuống dưới, dẫn đến việc hồ quang xuất hiện trong dầu và bị dập tắt.
Buồng dập hồ quang có loại thổi ngang, thổi dọc và thổi hỗn hợp (hình
2.14 a, b, c) Với các máy cắt điện áp thấp (dưới 15KV) và dòng điện không lớn, người ta có thể bố trí cả ba pha trong một thùng Còn với máy cắt cỡ 35KV trở lên, thường một pha trong một thùng, có cơ cấu truyền động chung cho cả ba thùng
Trên hình 2.13 là máy cắt một pha và kích cỡ của máy cắt dầu 110KV, dòng điện định mức 2000A, công suất cắt 8000MVA do Liên Xô (cũ) chế tạo
Buồng dập hồ quang có ba loại chính: thổi ngang, thổi dọc và thổi hỗn hợp, cho phép bố trí cả ba pha trong một thùng Đối với máy cắt có điện áp từ 35kV trở lên, thường chỉ một pha được lắp trong một thùng, với cơ cấu truyền động chung cho cả ba thùng.
Trên hình 2.13 là máy cắt một pha và kích cỡ của máy cắt dầu 110 kV, dòng điện định mức 2000A, công suất cắt 8000 MVA do Liên Xô (cũ) chế tạo
Khi cắt dòng cắt định mức , thời gian chẩy của hồ quang khoảng lớn hơn
0,02 giây Với dòng điện bộ hơn dòng định mức (500 ữ 2000)A tải điện cảm, khú dập hồ quang hơn
Máy cắt dầu có thời gian cắt từ 0,15 đến 0,20 giây, nhưng nhược điểm chính của nó là kích thước và khối lượng lớn Việc bảo trì, sửa chữa máy cắt dầu cũng phức tạp và cần phải làm sạch dầu thường xuyên, đồng thời dễ gây ra cháy nổ Hiện nay, máy cắt dầu loại thùng không còn được sản xuất nữa.
Máy cắt điện áp từ 220kV trở lên thường có vài bình cắt nối tiếp nhau, với ưu điểm là kích thước nhỏ gọn và khối lượng nhẹ Tuy nhiên, nhược điểm của máy cắt này là công suất thấp hơn so với loại nhiều dầu Do lượng dầu ít, máy cắt dễ bị bẩn và chất lượng dầu giảm nhanh, dẫn đến việc cần thay dầu thường xuyên Hơn nữa, máy cắt ít dầu không được trang bị thiết bị hâm nóng, nên không thể lắp đặt ở những khu vực có nhiệt độ thấp.
Ngày nay, số lượng máy cắt ít dầu ít dần, vì nó không cạnh tranh được với những máy cắt tiên tiến khác
Hình 2.15: Máy cắt nhiều dầu
1 - Trục truyền động; 2 – Tiếp điểm động; 3 – Thanh truyền;
4 – Con lăn; 5 - Ống cách điện; 6 - Sứ trên; 7 - Sứ dưới
4.3 Lựa chọn máy cắt điện
Máy cắt điện là thiết bị quan trọng trong mạng điện áp cao, có chức năng đóng, cắt dòng điện phụ tải và ngắt dòng điện ngắn mạch Với tính năng làm việc tin cậy, máy cắt thường được sử dụng ở những vị trí quan trọng, mặc dù giá thành của nó tương đối cao.
Khi chọn máy cắt điện, cần xem xét các yếu tố như điện áp định mức, dòng điện định mức, loại máy cắt, cũng như kiểm tra ổn định điện động, ổn định nhiệt và khả năng cắt trong các tình huống khác nhau.
Các điều kiện chọn và kiểm tra như bảng dưới:
Thứ tự Đại lượng lựa chọn và kiểm tra Ký hiệu Công thức để chọn và kiểm tra
1 Điện áp định mức [kV] UđmMCĐ UđmMCĐ
2 Dòng điện định mức, [A] IđmMCĐ IđmMCĐ
3 Dòng điện ổn định lực điện động
[kA] imax(hay iôđn) imax ixk
4 Dòng điện ổn định nhiệt trong thời gian tôđn , [A]
5 Công suất định mức, [MVA] Sđmcắt Sđmcắt SN(tn)
- Dòng điện ổn định nhiệt của máy cắt Iôđn trong lý lịch máy thường cho ứng với thời gian: 1,5 và 10 giây
Công suất ngắn mạch tại thời điểm cắt SN(tn) được xác định từ lúc bắt đầu ngắn mạch cho đến khi máy cắt mở tiếp xúc và dập tắt hồ quang Thời gian cắt bao gồm tổng thời gian tác động của máy cắt và thời gian tác động của bảo vệ rơle Do đó, thời gian cắt chính có thể được xem là tN.
Dòng điện định mức của máy cắt điện được xác định cho điều kiện nhiệt độ môi trường xung quanh là +35°C Khi nhiệt độ môi trường (θxq) vượt quá 35°C, dòng điện định mức của máy cắt điện cần được điều chỉnh giảm theo công thức quy định.
Khi xq < 35 0 C thì dòng điện cho phép của máy cắt điện được tăng lên
0,005IđmMCĐ ứng với mỗi độ giảm nhiệt của nhiệt độ, nhưng tổng giá trị không được vượt quá 1,2I đmMCĐ
4.4 Nguyên nhân hư hỏng và biện pháp khác phục
Hư hỏng Nguyên nhân Khắc phục
- Tiếp xúc không tốt giữa tiếp điểm tĩnh và động
- Ngàm tiếp điểm tĩnh quá rộng
- Lò xo ép tiếp điểm tĩnh yếu
- Các tiếp điểm bẩn, oxi hóa
- Căng lại lò xo hoặc thay mới
- Lau bằng giẻ tẩm xăng
- Bị dò dầu - Các doong cao su bị mủn - Thay thế doong mới
- Thay dây đúng tiêu chuẩn
4.5 Giới thiệu một số máy cắt
Nguyên lý dập hồ quang trong máy cắt điện từ dựa vào lực điện động giữa từ trường do cuộn thổi từ tạo ra và dòng điện cắt Lực này giúp thổi hồ quang vào buồng dập hồ quang, được thiết kế dạng khe hẹp và sử dụng vật liệu cách điện.
Hình 2.27 Mặt cắt buồng dập hồ quang kiểu khe 1- Đế; 2- Sứ đỡ; 3- Cuộn dây thổi từ; 5- Thanh dẫn động; 6- Cực từ;
7- Tiếp điểm làm việc; 8- Tiếp điểm hồ quang; 9- Sưng hồ quang;
10- Trụ cách điện; 12- Cơ cấu truyền động Ưu điểm chính của máy cắt điện từ là không cần dầu hoặc khí nén để dập hồ quang, tuổi thọ của tiếp điểm cao, cho phép đóng cắt nhiều lần mà không cần thay tiếp điểm
Nhược điểm chính của máy cắt này là kích thước tương đối lớn, chỉ dùng cho lắp đặt trong nhà với điện áp đến 15kV, dòng điện đến 3000A
Hệ thống tiếp điểm và dập hồ quang của máy cắt điện từ 6kV, với dòng điện định mức 1600A, được trình bày trong hình 2.27 Nguyên lý cấu tạo của hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và an toàn cho thiết bị.
400 MVA do Liên Xô (cũ) chế tạo
4.5.2 Máy cắt điện chân không Ở máy cắt chân không, áp suất trong buồng dập rất thấp, dưới 10 -4 Pa (hoặc
Ở áp suất 10^-4 bar, mật độ không khí rất thấp, dẫn đến hành trình tự do của phân tử đạt 50 mét và của điện tử đạt 300 mét, tạo ra độ bền điện cao trong chân không Hồ quang dễ bị dập tắt và khó có thể tái cháy sau khi dòng điện giảm xuống 0 Tại áp suất 10^-4 Pa, độ bền điện có thể đạt tới 100 kV/mm, do đó, với điện áp trung áp lên đến 35 kV, độ mở của tiếp điểm trong buồng cắt chân không dao động từ 6 đến 25 mm.
Aptomat
8 Phần tử bảo vệ ( RI)
Hình 2.28 Cấu tạo của Aptomat a Hệ thống tiếp điểm :
Gồm các tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh
Để giảm tổn hao do tiếp xúc, các tiếp điểm cần được yêu cầu ở trạng thái đóng với điện trở tiếp xúc nhỏ Đồng thời, khi ngắt dòng điện lớn, các tiếp điểm phải đảm bảo đủ độ bền nhiệt và độ bền điện.
Khi động để không bi hư hỏng do dòng điện ngắt gây nên b Hệ thống dập hồ quang:
Hệ thống dập hồ quang có nhiệm vụ nhanh chóng dập tắt hồ quang khi ngắt, không cho nó cháy lặp lại
Buồng dập hồ quang của aptomat thường được thiết kế theo kiểu dàn dập cho aptomat xoay chiều, đồng thời kết hợp với cuộn thổi từ cho aptomat một chiều Cơ cấu truyền động của aptomat đảm bảo chức năng đóng cắt hiệu quả.
Cơ cấu truyền động đóng cắt của aptomat gồm có cơ cấu đóng cắt và khâu truyền động trung gian
Cơ cấu đóng cắt aptomat thường có 2 dạng : bằng tay và bằng cơ điện
Cơ cấu truyền động trung gian phổ biến nhất trong aptomat là cơ cấu tự do trượt khớp d Phần tử bảo vệ
Các phần tử bảo vệ áptômát bao gồm: bảo vệ quá tải, bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ sụt áp, bảo vệ dòng điện dư và bảo vệ tổng hợp thông qua tổ hợp mạch điện tử.
5.2 Nguyên lý hoạt động aptomat
Áptômát được phân loại dựa trên chức năng làm việc, bao gồm các loại như áptômát dòng điện cực đại, áptômát dòng điện cực tiểu, áptômát điện áp thấp và áptômát công suất ngược.
Hình 2.29a: Aptômát dòng cực đại
Áptômát dòng cực đại tự động ngắt mạch khi dòng điện vượt quá trị số Icđ, bảo vệ mạch điện khỏi tình trạng quá tải hoặc ngắn mạch Khi dòng điện I lớn hơn Icđ, lực điện từ của nam châm điện thắng lực cản của lò xo, kéo nắp và làm bật mấu giữa thanh và đòn, khiến lò xo ngắt kéo tiếp điểm động ra khỏi tiếp điểm tĩnh, dẫn đến việc ngắt mạch điện.
Hình 2.29b Aptômát dòng cực tiểu
Hình 2.29b trình bày nguyên lý của áptômát dòng điện cực tiểu, nó tự động ngắt mạch khi dòng điện trong mạch nhỏ hơn dòng điện chỉnh định Icđ Khi
I < Icđ, lực điện từ của nam châm 1 không đủ sức giữ nắp 2 nên lực kéo của lò xo
Áptômát dòng điện cực tiểu được sử dụng để bảo vệ máy phát khỏi việc chuyển sang chế độ động cơ khi nhiều máy phát hoạt động song song Tuy nhiên, do nhiều nhược điểm, loại áptômát này ngày càng ít được sử dụng và đang dần được thay thế bởi áptômát công suất ngược.
Hình 2.29c Aptômát điện áp thấp
Áptômát điện áp thấp hoạt động tự động ngắt mạch khi điện áp giảm xuống dưới mức chỉnh định Ucđ Khi U < Ucđ, lực điện từ của nam châm điện yếu hơn lực của lò xo, dẫn đến việc mấu giữa thanh và đòn bật ra, làm cho tiếp điểm động rời khỏi tiếp điểm tĩnh và ngắt mạch điện Thiết bị này được sử dụng để bảo vệ mạch điện khỏi tình trạng điện áp sụt quá thấp hoặc mất điện áp.
Hình 2.29d Áptômát công suất ngược
Áptômát công suất ngược hoạt động tự động ngắt mạch điện khi hướng truyền công suất thay đổi, tức là khi dòng điện đổi chiều Khi năng lượng truyền theo chiều thuận, từ thông của cuộn dây dòng điện và cuộn dây điện áp của nam châm điện 1 cùng chiều, dẫn đến lực điện từ lớn hơn lực lò xo 3, khiến áptômát đóng lại Khi chiều dòng điện thay đổi, áptômát sẽ tự động ngắt.
Công suất truyền ngược của nam châm điện giảm đi đáng kể do lực điện từ không đủ mạnh để vượt qua sức kéo của lò xo Khi mấu giữa thanh 4 và đòn 5 bật ra, lò xo ngắt 6 sẽ kéo tiếp điểm động rời khỏi tiếp điểm tĩnh, dẫn đến việc mạch điện bị ngắt.
Việc lựa chọn áptômát, chủ yếu dựa vào : Dòng điện tính toán đi trong mạch; Dòng điện quá tải; Tính thao tác có chọn lọc
Khi lựa chọn áptômát, cần xem xét đặc tính làm việc của phụ tải, đảm bảo rằng áptômát không ngắt mạch trong trường hợp quá tải ngắn hạn Điều này thường xảy ra trong các điều kiện làm việc bình thường, như dòng điện khởi động hoặc dòng điện đỉnh trong các phụ tải công nghệ.
Yêu cầu chung là dòng điện định mức của móc bảo vệ áptomatkhông được bé hơn dòng điện tính toán (Itt) của mạch :
Để lựa chọn dòng điện định mức cho móc bảo vệ, cần căn cứ vào đặc tính và điều kiện làm việc cụ thể của phụ tải Thông thường, dòng điện định mức được khuyến nghị là 125%, 150% hoặc có thể lớn hơn so với dòng điện tính toán của mạch.
Sau cùng ta chọn áp tômát theo các số liệu kĩ thuật đã cho của nhà chế tạo
5.4 Nguyên nhân hư hỏng và và cách khắc phục
Tiếp điểm dập hồ quang bị hỏng do thường xuyên chịu dòng lớn nên thay mới vì nó có cấu tạo đơn giản đẽ tháo lắp thay thế
Các chi tiết định hình hỏng thì thay thế chi tiết mới
Cuộn dây bị hỏng có thể cuốn lại hoặc thay mới nhưng phải đảm bảo thông số kỹ thuật như cuộn dây trước
5.5 Một số aptomat thường gặp
- Aptomat chống dòng cực đại
Câu 1:Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của aptomat?
Câu 2:Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cầu dao?
Câu 3:Trình bày cách chọn aptomat? Nêu nguyên nhân hư hỏng và cách khắc phục aptomat?
KHÍ CỤ ĐIỆN BẢO VỆ
Rơle điện từ
Hình 3.3: Cấu tạo của nam châm điện
1 - Cuộn dây; 2 – Lõi thép; 3 – Nắp mạch từ; 4 – Lò xo;
5 – Tiếp điểm động; 6,7 – Tiếp điểm tĩnh; 8 –Đầu tiếp xúc
Khi cuộn dây 1 được cấp điện, từ trường trong mạch từ chính được tạo ra, giúp lực hút điện từ vượt qua lực hút của lò xo, kéo nắp mạch từ 3 về phía lõi Kết quả là tiếp điểm động 5 tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh 6, khiến rơle đóng lại Khi dòng điện qua cuộn dây 1 bị ngắt, lò xo sẽ đưa nắp mạch từ trở về vị trí ban đầu, làm cho tiếp điểm 5 ngắt tiếp xúc với tiếp điểm 7 và rơle mở Hệ thống này có thể hoạt động với cả mạch từ một chiều và xoay chiều thông qua các loại rơle tương ứng.
1.3 Ứng dụng rơle điện từ
Rơle đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và bảo vệ hệ thống điện Rơle điều khiển được sử dụng để đóng cắt các mạch khống chế dựa trên quy trình công nghệ hoặc hoạt động của máy móc Trong khi đó, rơle bảo vệ thường được kết nối với máy biến áp đo lường, hoạt động khi có sự cố hoặc tình trạng không bình thường trong mạch điện.
Rơle nhiệt
Rơle nhiệt là thiết bị điện quan trọng dùng để bảo vệ động cơ và mạch điện khỏi tình trạng quá tải, thường được sử dụng kết hợp với công tắc và khởi động từ Thiết bị này hoạt động hiệu quả ở điện áp xoay chiều lên đến 500V và tần số 50Hz, đồng thời có thể áp dụng cho lưới điện một chiều với điện áp tối đa 440V và dòng điện định mức lên đến 150A Yếu tố tác động chính của rơle nhiệt là nhiệt độ.
1 : Phần tử đốt nóng; 2 : Tiếp điểm thường đóng; 3: Băng kép kim loại; 4: Đòn xoay;
5: Lò xo đòn xoay; 6: Nút ấn phục hồi
2.2 Nguyên lý hoạt động và phân loại
Khi dòng điện qua rơle nhiệt đạt mức định mức, rơle sẽ không hoạt động Tuy nhiên, nếu động cơ quá tải, dòng điện sẽ tăng lên, làm cho tấm kim loại kép nóng lên và cong về phía trái Sau một khoảng thời gian, tùy thuộc vào mức độ quá tải, tấm kim loại kép sẽ đóng hoặc mở tiếp điểm, ngắt điện cho động cơ qua mạch điều khiển, từ đó bảo vệ động cơ an toàn Sau khi động cơ được ngắt, tiếp điểm không tự động trở về trạng thái ban đầu; để khôi phục hoạt động của rơle, cần phải nhấn nút phục hồi.
2.3 Tính chọn rơle nhiệt Đặc tính cơ bản của rơle nhiệt là quan hệ giữa thời gian tác động và dòng điện phụ tải chạy qua hay còn gọi là đường đặc tính thời gian - dòng điện (A-s)
Để đảm bảo tuổi thọ lâu dài cho thiết bị theo yêu cầu kỹ thuật của nhà sản xuất, các đối tượng được bảo vệ cần có đường đặc tính thời gian dòng điện phù hợp.
Lựa chọn rơle nhiệt sao cho có được đường đặc tính ampe – giây của rơle
(đường 2) gần sát đường đặc tính ampe – giây của đối tượng cần bảo vệ (đường
Khi chọn mức bảo vệ cho thiết bị, cần lưu ý rằng việc chọn mức thấp hơn một chút sẽ không tận dụng hết công suất của động cơ điện, trong khi chọn mức quá cao có thể làm giảm tuổi thọ của thiết bị.
Khi lựa chọn rơle nhiệt, cần chọn dòng điện định mức của rơle phù hợp với dòng điện định mức của động cơ điện cần bảo vệ Rơle nên được thiết lập ở giá trị Irđ khoảng (1,2 đến 1,3) lần dòng điện định mức Iđm của động cơ.
Hình 3.5 Đường đặc tính của rơle nhiệt
2.4 Các nguyên nhân gây hư hỏng và cách khác phục
Trong quá trình lắp đặt và vận hành rơle, việc kiểm tra và hiệu chỉnh các trị số chỉnh định là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động tốt Khi rơle gặp hư hỏng, cần thực hiện sửa chữa hoặc thay thế bằng rơle mới Sửa chữa các chi tiết tinh vi như trục và chân kính đòi hỏi sự tỉ mỉ tương tự như khi sửa chữa dụng cụ đo.
Nếu tiếp điểm bị cháy hỏng, cần phải thay thế bằng mới; nếu bị han rỉ, phải làm sạch hoàn toàn Việc sửa chữa hoặc thay thế tiếp điểm cần phải được kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo tình trạng tiếp xúc đạt yêu cầu.
Khi lò xo gặp hư hỏng hoặc biến chất, cần phải thay thế các ốc hãm lò xo bị chờn Lò xo thay thế phải có thông số kỹ thuật và kích thước tương tự như lò xo cũ Đối với việc sửa chữa cuộn dây của rơle, cần đảm bảo các thông số của dây quấn được chính xác Ngoài ra, các đầu mối hàn và ốc vít bắt dây cần được lau chùi sạch sẽ và vặn chặt để đảm bảo độ bền và an toàn.
Hư hỏng Nguyên nhân Khắc phục
- Tiếp xúc không tốt giữa tiếp điểm
- Ngàm tiếp điểm tĩnh quá rộng
- Lò xo ép tiếp điểm tĩnh yếu
- Các tiếp điểm bẩn, oxi hóa
- Căng lại lò xo hoặc thay mới
- Dùng giẻ tẩm xăng hoặc giấy ráp đánh sạch
- Tốc độ của dao phụ chuyển động chậm
- Thanh lưỡng - Mạch quá tải hay ngắn - Giải quyết sự cố thay kim mạch
- Không đúng tiêu chuẩn dây mới
- Thay dây đúng tiêu chuẩn.
Cầu chì
Cầu chì là thiết bị bảo vệ quan trọng cho hệ thống điện, giúp ngăn chặn hư hỏng do dòng điện ngắn mạch Nó được sử dụng để bảo vệ dây dẫn, máy biến áp, động cơ điện, các thiết bị điện, cũng như mạch điều khiển và mạch thắp sáng.
Cầu chì có đặc điểm là đơn giản, kích thước bé, khả năng cắt lớn và giá thành hạ, nên ngày nay vẫn được ứng dụng rộng rãi
Cầu chì bao gồm hai phần tử chính: dây chảy và thiết bị dập tắt hồ quang Dây chảy có nhiệm vụ cắt mạch điện để bảo vệ hệ thống, trong khi thiết bị dập tắt hồ quang được sử dụng để kiểm soát hiện tượng phát sinh khi dây chảy bị đứt Trong các mạch điện hạ thế, việc dập tắt hồ quang đôi khi không cần thiết.
Cầu chì có tính chất và yêu cầu như sau: Đặc tính ampe- giây của cầu chì thì phải thấp hơn đặc tính của đối tượng được bảo vệ
Khi có ngắn mạch, cầu chì cần phải làm việc có lựa chọn theo thứ tự
Cầu chì cần có đặc tính làm việc ổn định
Công suất của thiết bị càng tăng, cầu chì cần phải có khả năng cắt cao hơn
Việc thay thế dây chảy cầu chì bị cháy phải dễ dàng và tốn ít thời gian
3.2 Nguyên lý hoạt động và phân loại
3.2.1 Nguyên lý hoạt động Đặc tính cơ bản của cầu chì là sự phụ thuộc của thời gian chảy đứt với dòng điện chạy qua (đặc tính ampe - giây) Để có tác dụng bảo vệ, đường ampe – giây của cầu chì (đường 1, hình
3.6) Tại mọi điểm phải thấp hơn đường đặc tính của đối tượng được bảo vệ
Đường đặc tính thực tế của cầu chì được minh họa qua đường cong 3 (hình 3.6) Trong vùng quá tải lớn (vùng B), cầu chì đảm bảo bảo vệ đối tượng hiệu quả Trong khi đó, trong vùng quá tải nhỏ, cầu chì vẫn giữ vai trò quan trọng trong việc bảo vệ hệ thống.
A), cầu chì không bảo vệ được đối tượng
Hình 3.6 Đặc tính ampe – giây của cầu chì
Khi quá tải không lớn (1,5 ÷ 2)Iđm, cầu chì sẽ nóng lên chậm và phần lớn nhiệt lượng sẽ tỏa ra môi trường xung quanh Điều này dẫn đến việc cầu chì không thể bảo vệ hiệu quả trước các quá tải nhỏ.
Dòng điện giới hạn Igh là trị số dòng điện mà dây chảy cầu chì bị đứt khi đạt tới nhiệt độ tối đa Để đảm bảo dây chảy cầu chì không bị đứt ở dòng điện định mức Iđm, cần phải thỏa mãn điều kiện Igh lớn hơn Iđm.
Để đảm bảo hiệu suất bảo vệ tốt và nhạy, dòng điện giới hạn không được vượt quá nhiều so với dòng điện định mức Theo kinh nghiệm, tỷ lệ Igh/Iđm cho đồng là từ 1,6 đến 2, cho chì là từ 1,25 đến 1,45, và cho hợp kim chì thiếc là 1,15 Dòng điện định mức của cầu chì cần được lựa chọn sao cho khi hoạt động liên tục, nhiệt độ tại vị trí phát sóng lớn nhất của dây chảy không làm kim loại bị oxy hóa quá mức, đồng thời nhiệt phát ra ở bộ phận bên ngoài cầu chì không vượt quá mức ổn định.
Có hai loại thiết bị điện là loại đặt hở và loại đặt kín (đặt trong hộp) Ngoài ra, còn có thiết bị dập hồ quang, bao gồm cầu chì ống bằng xenlulô, có thể có hoặc không có cát thạch anh.
3.3 Tính chọn cầu chì a - Chọn cầu chì theo điều kiện làm việc dài hạn và điều kiện mở máy
Cầu chì cần được lựa chọn sao cho trong quá trình hoạt động lâu dài, nhiệt độ phát sinh phải thấp hơn giới hạn cho phép Đồng thời, khi khởi động, cầu chì không được phép ngắt mạch điện.
Dòng điện định mức của cầu chì Icc là giá trị dòng điện cực đại mà cầu chì có thể chịu đựng lâu dài mà không bị đứt Đây cũng là mức tối đa cho phép của cầu chì, đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng.
Cầu chì được chọn sao cho Icc của cầu chì thoả mãn hai điều kiện sau:
- Itt là dòng điện tính toán tương ứng với công suất Ptt của thiết bị tiêu thụ điện
- Ikđ là dòng điện lớn nhất của phụ tải động cơ điện:
+ Đối với một động cơ điện:
Kmm là hệ số dòng điện khởi động
Iđm là dòng điện định mức của động cơ điện
+ Đối với nhiều động cơ đặt trên cùng một tuyến, nhưng khởi động riêng
Iđm là tổng dòng điện định mức của tất cả các động cơ
C là bội số dòng điện mở máy của động cơ có dòng điện mở máy lớn nhất
Iđmmax là dòng điện định mức của động cơ có dòng điện mở máy lớn nhất
Chọn C với các giá trị sau:
C = 2,5 đối với những động cơ có thời gian khởi động ngắn (3 10s), khởi động nhẹ nhàng và sau đó một thời gian dài mới khởi động lại
C = 1,6 2,0 đối với những động cơ có thời gian khởi động dài (đến 40s), khởi động khó khăn và sau đó một thời gian lại khởi động lại
Khi cầu chì khởi động nhẹ nhàng, cầu chì có quán tính nhiệt lớn (cầu chì chậm) sẽ đảm bảo dòng điện định mức Icc đúng bằng dòng điện tính toán Việc chọn cầu chì cần dựa trên điều kiện bảo vệ chọn lọc để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Trong hệ thống cung cấp điện từ nguồn đến hộ tiêu thụ, thông thường dùng nhiều cầu chì như hình 3.7
Cầu chì 1 có dòng điện chạy qua và tiết diện dây chảy của cầu chì 2 đặt ở gần hộ tiêu thụ
Khi xảy ra ngắn mạch tại điểm A, chỉ cầu chì 2 bị đứt trong khi các cầu chì khác vẫn hoạt động bình thường Để đảm bảo yêu cầu bảo vệ chọn lọc, thời gian tác động của cầu chì 2 cần phải ngắn hơn thời gian làm nóng của nó.
1 đến nhiệt độ nóng chảy t td 2 t 1
Ngoài ra, khi lựa chọn kim loại làm dây chảy cần chú ý những điều kiện sau:
- Điểm nóng chảy phải thấp
- Khối lượng vật liệu cần thiết phải ít, quán tính nhiệt cũng nhỏ và do đó có nhiều thuận lợi trong dập tắt hồ quang
3.4 Các nguyên nhân gây hư hỏng và cách khắc phục
- Hư hỏng cầu chì thường là do oxi hóa dây chảy do lâu ngày
- Khi có sự cố thì cần kiểm tra lại mạnh điện và sửa chữa cầu chì theo từng loại
Công tác sửa chữa cầu chì bao gồm việc làm sạch và kẹp chặt các đầu tiếp xúc, thay thế dây chảy và vật liệu làm đầy ống nếu cần Khi cầu chì bị hỏng, các bộ phận có thể được thay thế từng phần hoặc thay thế toàn bộ để đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả.
Thiết bị chống dò
Bộ phận chính của mạch chống rò là vòng xuyến mạch từ ferit có độ từ thẩm cao, trên đó được quấn hai cuộn dây cho loại một pha hoặc từ ba đến bốn cuộn dây cho loại ba pha Khi có dòng điện đi qua, từ thông tổng do các dòng điện sinh ra sẽ có trị số bằng 0.
Một cuộn cảm biến với nhiều vòng dây nhỏ sẽ tiếp nhận dòng cảm ứng khi có sự xuất hiện, sau đó cung cấp năng lượng cho cuộn dây rơle con Điều này sẽ tác động mở chốt chặn, giúp bật các tiếp điểm chính và cắt mạch.
4.2 Nguyên lý hoạt động và phân loại
Nguyên lý làm việc của áptômát chống rò loại ba pha 4 dây (4 cực)
Khi không có dòng điện rò, tổng dòng điện ba pha bằng dòng điện chạy trong dây trung tính:
Trong lõi sắt ferit, không có từ thông, dẫn đến việc đầu ra W2 không có tín hiệu Khi dòng điện rò xuất hiện, tổng dòng điện chạy qua BI sẽ được xác định.
Hình 3.8: Nguyên lý làm việc của aptomat
Dòng I 0 sẽ tạo nên trong lõi sắt ferit của BI từ thông và trong cuộn dây
W2 sẽ tạo ra suất điện động E2, và khi E2 đủ mạnh, nó sẽ được khuếch đại và truyền tín hiệu đến cơ cấu điều khiển Cơ cấu này sẽ thực hiện hành động cắt phụ tải ra khỏi lưới điện Ngoài ra, điện trở R và nút ấn thử sẽ tạo dòng điện để kiểm tra chế độ làm việc của thiết bị.
4.3.Giới thiệu một số thiết bị chống dò thường sử dụng
- Rơle bảo vệ điện áp thấp
- Rơle bảo vệ điện áp cao
Câu 1: Trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động thiết bị chống dò?
Câu 2: Trình bày cấu tạo, phân loại và nguyên lý hoạt động của cầu chì?
Câu 3: Trình bày cấu tạo, phân loại và nguyên lý hoạt động của rơle nhiệt?
KHÍ CỤ ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN
Công tắc tơ
Hình 4.2: Cấu tạo của công tắc tơ
Cực đấu dây của các tiếp điểm chính của các công tắc tơ
Các cực đấu dây của các tiếp điểm phụ thường đóng
Các cực đấu dây của các tiếp điểm phụ thường mở
Mạch từ là các lõi thép có hình dạng EI hoặc UI, được cấu thành từ những lá tôn silic có độ dày 0,35mm hoặc 0,5mm, nhằm giảm thiểu tổn hao dòng điện xoáy Mạch từ thường được chia thành hai phần, trong đó một phần được giữ chặt và cố định.
(phần tĩnh), phần còn lại là nắp (phần động) được nối với hệ thống tiếp điểm qua hệ thống tay đòn
Cuộn dây có điện trở thấp hơn nhiều so với điện kháng, và dòng điện trong cuộn dây phụ thuộc vào khe hở không khí giữa nắp và lõi thép cố định Do đó, không được phép cấp điện cho cuộn dây khi nắp đang mở Để đảm bảo hoạt động tin cậy (hút phần ứng), điện áp cung cấp cho cuộn dây cần nằm trong khoảng từ 85 trở lên.
+ Theo khả năng dòng tải:
Tiếp điểm chính: Chỉ có ở Contactor chính, 100% là tiếp điểm thường mở, làm việc ở mạch động lực, vì thế dòng điện đi qua rất lớn (10 ÷ 2250)A
Tiếp điểm phụ: có cả thường đóng và thường mở, dòng điện đi qua các tiếp điểm này nhỏ chỉ từ 1A đến khoảng 10A, làm việc ở mạch điều khiển
+ Theo nhiệm vụ làm việc:
Tiếp điểm thường đóng và tiếp điểm thường mở: (xem phần Rơle)
Hình 4.4: Các bộ phận chính của Contactor
Hình 4.3: mặt cắt dọc của Contactor
Lò xo phản lực Phần nắp di động
Cơ cấu truyền động cần được thiết kế để tối ưu hóa thời gian thao tác đóng ngắt tiếp điểm, gia tăng lực ép tiếp điểm và giảm thiểu tiếng va dập.
Contactor điện từ hoạt động dựa trên nguyên tắc lực điện từ Khi cung cấp điện áp U = (85÷100)% Uđm vào cuộn dây, nó tạo ra từ trường, sinh ra lực từ mạnh hơn lực kéo của lò xo trong hệ thống truyền động Lực này hút lõi sắt động, khép kín mạch từ và làm thay đổi trạng thái của hệ thống tiếp điểm Cụ thể, khi cuộn dây không có điện, tiếp điểm ở trạng thái đóng, nhưng khi có điện, tiếp điểm sẽ mở ra.
Khi cuộn dây chưa có điện, tiếp điểm ở trạng thái mở Tuy nhiên, khi dòng điện được cung cấp cho cuộn dây, tiếp điểm sẽ tự động đóng lại.
Hình 4.5: Quá trình chuyển động hệ thống tiếp điểm của Contactor trước và sau khi có điện
1.5 Tính toán chọn công tắc tơ
Khi lựa chọn Contactor, cần dựa vào dòng điện định mức của tải, tính chất làm việc của phụ tải (gián đoạn hay liên tục) và dãy dòng điện, điện áp định mức của Contactor để đảm bảo sự phù hợp và hiệu quả trong hoạt động.
- Đặc tính kỹ thuật và phạm vi ứng dụng
Contactor là thiết bị điện đa dạng với nhiều loại khác nhau, trong đó contactor điện xoay chiều được sử dụng phổ biến tại tần số công nghiệp 50 Hz Các contactor thường có từ 1 đến 5 tiếp điểm chính, nhưng loại 3 cực là phổ biến nhất trong ứng dụng thực tế.
Dòng điện định mức của các tiếp điểm chính được sử dụng trong chế độ làm việc gián đoạn – liên tục với chu kỳ 8 giờ, với thời gian đóng cắt rất ngắn Cụ thể, thời gian đóng là từ 0,08 đến 0,1 giây, trong khi thời gian nhả dao động từ 0,03 đến 0,04 giây.
Phạm vi ứng dụng của Contactor phụ thuộc vào giá trị dòng điện và cách thức hoạt động trong các tình huống bình thường hoặc khi cắt Sự lựa chọn này còn dựa vào loại hộ tiêu thụ cần kiểm tra, bao gồm động cơ Rôto lồng sóc hoặc rôto dây cuốn.
Những điều kiện thực hiện đóng mở, quá trình khởi động nặng, nhẹ, đảo chiều và hãm vv…
Contactor có ứng dụng rộng rãi trong việc điều khiển dòng điện xoay chiều và một chiều, phù hợp với nhiều loại động cơ từ có hệ số cosφ cao đến thấp, bao gồm cả động cơ rôto lồng sóc và động cơ rôto dây quấn.
1.4 Hư hỏng và các nguyên nhân gây hư hỏng
1.4.1 Hiện tượng hư hỏng tiếp điểm
Khi lựa chọn khí cụ điện, việc chọn không đúng công suất có thể dẫn đến nhiều vấn đề nghiêm trọng Cụ thể, dòng điện định mức, điện áp và tần số thao tác của khí cụ điện cần phải phù hợp với thực tế sử dụng Nếu không, hiệu suất làm việc sẽ bị ảnh hưởng và có thể gây ra sự cố trong hệ thống điện.
* Lực ép trên các tiếp điểm không đủ
* Giá dỡ tiếp điểm không bằng phẳng, cong, vênh (nhất là đối với loại tiếp điểm bắc cầu) hoạc lắp ghép lệch
* Bề mặt tiếp điểm bị ôxy hoá do xâm thực của môi trường làm việc (có hoá chất ẩm ướt vv…)
* Do hậu quả của việc xuất hiện dòng điện ngắn mạch một pha với “đất” hoặc dòng ngắn mạch hai pha ở phía sau contactor, khởi động từ vv…
1.4.2 Hiện tượng hư hỏng cuộn dây (cuộn hút)
* Ngắn mạch cục bộ giữa các cuộn dây do cách điện xấu
Ngắn mạch có thể xảy ra giữa các dây dẫn do chất lượng cách điện kém, hoặc giữa dây dẫn và các vòng dây quấn nếu chúng giao nhau mà không có lớp lót cách điện.
* Điện áp tăng cao quá điện áp định mức của cuộn dây
* Cách điện của cuộn dây bị phá hỏng do va đập cơ khí
Cách điện của cuộn dây có thể bị hư hỏng do nhiều nguyên nhân, bao gồm việc cuộn dây quá nóng, tính toán sai thông số quấn lại, điện áp cuộn dây tăng cao, lõi thép hút không hoàn toàn, hoặc điều chỉnh hành trình lõi thép không chính xác.
* Do nước êmunxi, do muối, dầu, khí hoá chất… của môi trường âm thực làm chọc thủng các điện vòng dây.
Khởi động từ
Trong chế tạo khởi động từ, người ta thường sử dụng kết cấu tiếp điểm bắc cầu với hai chỗ ngắt mạch ở mỗi pha, giúp cho các thiết bị có cỡ nhỏ dưới 25A không cần thiết bị dập hồ quang Cấu trúc của khởi động từ bao gồm các bộ phận như tiếp điểm động kiểu bắc cầu, được trang bị lò xo nén để tăng lực tiếp xúc và đảm bảo tự phục hồi trạng thái ban đầu Giá đỡ tiếp điểm thường được làm bằng đồng thau, trong khi đó, tiếp điểm thường được chế tạo từ bột gốm kim loại.
Nam châm điện chuyển động thường sử dụng mạch từ hình E – I, bao gồm lõi thép tĩnh và lõi thép phần ứng (động) Lò xo khởi động giúp nam châm trở về vị trí ban đầu một cách tự động.
Vòng chập mạch được lắp đặt ở hai đầu của hai mạch rẽ của lõi thép tĩnh, trong khi lõi thép phần ứng của nam châm điện được gắn liền với giá đỡ động cách điện Trên giá đỡ này có các tiếp điểm động và lò xo tiếp điểm Giá đỡ cách điện thường được chế tạo từ bakêlít và chuyển động trong rãnh dẫn hướng trên thân nhựa đúc của khởi động từ.
2.2 Tính chọn khởi động từ Động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc có thể làm việc được liên tục hay không tuỳ thuộc đáng kể vào mức độ tin cậy của khởi động từ Tương tự contactor và cũng như các khí cụ đóng cắt bảo vệ khác trong mạch điện, khởi động từ cũng phải đảm bảo các yêu cầu cơ bản sau: a Tiếp điểm phải có độ bền chiu mòn cao b Khả năng đóng cắt cao c Thao tác đóng cắt dứt khoát d Tiêu thụ điện năng ít e Bảo vệ tin cậy trạng thái quá tải đối với động cơ f Đảm bảo các điều kiện khởi động và hãm của động cơ
2.3 Đặc tính kỹ thuật và ứng dụng a Khởi động từ đơn
Hình 4.8: Mạch khởi động từ đơn b Khởi động từ kép
Hình 4.9: Mạch khởi động từ kép
Rơle trung gian và rơle tốc độ
3.1 Rơle trung gian a Khái niệm chung
Rơle trung gian là thiết bị quan trọng trong các sơ đồ bảo vệ hệ thống điện và điều khiển tự động, nhờ vào số lượng tiếp điểm lớn từ 4 đến 6, bao gồm cả tiếp điểm thường đóng và thường mở Thiết bị này được sử dụng để truyền tín hiệu khi rơle chính không đủ khả năng đóng, ngắt hoặc số lượng tiếp điểm Ngoài ra, rơle trung gian còn giúp chia tín hiệu từ một rơle chính đến nhiều bộ phận khác trong sơ đồ mạch điện điều khiển.
Rơle trung gian thường được sử dụng như một phần tử đầu ra để truyền tín hiệu cho các mạch phía sau, đồng thời có khả năng cách ly điện áp khác nhau giữa phần điều khiển, thường là điện một chiều và điện áp thấp.
9V, 12V, 24V…) với phần chấp hành (thường là điện xoay chiều,điện áp lớn:
- Theo nguồn điện có loại rơle trung gian một chiều và rơle trung gian xoay chiều
- Theo yêu cầu sử dụng: rơle le sử dụng trong lĩnh vực hệ thống điện, rơle sử dụng trong tự động điều khiển
- Theo thời gian tác động: có loại tác động nhanh, loại tác động chậm c Cấu tạo
Hình 4.10: Cấu tạo chung của rơle chung gian
3.2.1 Khái niệm chung Đại lượng đầu vào của rơle này là tốc độ quay của thiết bị làm việc Đại lượng ra là trạng thái đóng, mở của tiếp điểm Khi tốc độ quay vượt trị số đã định, rơle sẽ tác động
Có nhiều loại rơle tốc độ hoạt động dựa trên các nguyên lý khác nhau, bao gồm rơle tốc độ kiểu ly tâm, rơle tốc độ kiểu điện tử và rơle tốc độ kiểu máy phát.
3.2.2 Cấu tạo, nguyên lý làm việc a Rơle tốc độ kiểu ly tâm (cơ khí)
Nguyên lý cấu tạo và làm việc của rơle như ở hình 4.12
Trên trục quay 1, hệ thống ly tâm gồm quả văng 2 và lò xo kéo 3 được cố định Khi trục đứng yên hoặc quay với tốc độ thấp hơn tốc độ tác động, lò xo kéo 3 giữ quả văng 2 tiếp xúc với đĩa cách điện 4, mở hệ thống tiếp điểm 5 và đóng tiếp điểm 6 Khi tốc độ quay đạt mức tác động, lực ly tâm từ quả văng vượt qua lực kéo của lò xo, khiến quả văng không còn tỳ vào đĩa 4 Lò xo nén 7 sau đó đẩy đĩa 4 dịch chuyển dọc theo trục, đóng tiếp điểm 5 và mở tiếp điểm 6 Việc điều chỉnh độ căng của lò xo kéo là cần thiết để đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống.
3 có thể thay đổi được trị số tốc độ tác
Hình 4.12 Rơle tốc độ kiểu ly tâm 1- Trục quay; 2- Quả văng ly tâm;
3- Lò xo kép; 4- Giá tiếp điểm động;
6- Tiếp điểm thường đóng động của rơle
Rơle này được sử dụng chủ yếu để ngắt cuộn mở máy của động cơ không đồng bộ một pha khởi động bằng tụ Tốc độ tác động của rơle thường nằm trong khoảng từ 0,7 đến 0,8 tốc độ định mức của động cơ Rơle tốc độ kiểu cảm ứng (điện) là một ứng dụng quan trọng trong hệ thống này.
Nguyên lý cấu tạo và làm việc của rơle như ở hình 3.39
Rơle gồm ba phần chính: Rôto, stato và hệ thống tiếp điểm
Rôto 1 có dạng một trục quay, trên đó có gắn một nam châm vĩnh cửu 2
Rôto được kết nối với trục quay của thiết bị làm việc, trong khi Stato 3 bao gồm một lồng sóc bằng đồng đặt trên lõi thép dẫn từ 4, tương tự như rôto lồng sóc trong động cơ không đồng bộ Ngoài ra, trên vỏ stato còn có gắn cần tác động 5.
Khi trục thiết bị công tác quay, rôto của rơle cũng quay theo, tạo ra từ trường của nam châm vĩnh cửu cắt ngang thanh dẫn stato, dẫn đến sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng trong lồng sóc Dòng điện cảm ứng này tương tác với từ trường quay giữa stato và rôto, tạo ra mômen lực giúp quay stato của rơle Mômen quay này tỷ lệ thuận với tốc độ rôto, và khi tốc độ này đạt đến mức tác động, mômen quay đủ lớn để dịch chuyển stato, từ đó thực hiện việc đóng, mở các tiếp điểm của rơle.
Hình 4.13 Rơle tốc độ kiểu cảm ứng c Rơle tốc độ kiểu máy phát
Rơle này có cấu tạo tương tự loại trên
Rôto được trang bị một nam châm vĩnh cử, trong khi lõi thép stato có một cuộn dây (có thể là một pha hoặc ba pha) Khi trục máy quay, chuyển động của rôto sẽ tạo ra điện năng.
Rơle quay theo hoạt động nhờ vào từ trường của nam châm vĩnh cửu, tạo ra điện áp cảm ứng trên cuộn dây stato Điện áp này tỉ lệ thuận với tốc độ quay của rơle.
Rơle hoạt động như một máy phát điện đồng bộ với kích từ từ nam châm vĩnh cửu Khi tốc độ quay đạt mức quy định, điện áp trên cuộn dây stato sẽ đủ lớn để kích hoạt rơle điện từ ở đầu ra, dẫn đến việc chuyển đổi trạng thái của hệ thống tiếp điểm từ đóng sang mở Rơle có khả năng làm việc ở tốc độ lên đến 3600 vòng/phút.
Sơ đồ nguyên lý của rơle tốc độ loại này như hình 4.14
4- Bộ xử lý tín hiệu và đầu ra
Hình 4.14: Rơle tốc độ kiểu máy phát
3.3 Các nguyên nhân gây hư hỏng và cách khắc phục
* Ngắn mạch cục bộ giữa các cuộn dây do cách điện xấu
Ngắn mạch có thể xảy ra giữa các dây dẫn do chất lượng cách điện kém, hoặc giữa dây dẫn và các vòng dây quấn khi chúng giao nhau mà không có lớp cách điện bảo vệ.
* Điện áp tăng cao quá điện áp định mức của cuộn dây
* Cách điện của cuộn dây bị phá hỏng do va đập cơ khí
Cách điện của cuộn dây có thể bị phá hủy do nhiều nguyên nhân, bao gồm cuộn dây bị quá nóng, tính toán sai các thông số quấn, điện áp cuộn dây quá cao, lõi thép không hút hoàn toàn, hoặc điều chỉnh không đúng hành trình lõi thép.
* Do nước êmunxi, do muối, dầu, khí hoá chất… của môi trường âm thực làm chọc thủng các điện vòng dây
4.1 Cấu tạo Rơle thời gian kiểu điện từ
Kết cấu rơle thời gian kiểu điện từ như trên hình 4.16
Mạch từ bao gồm lõi sắt, nắp và tấm đệm phi từ tính, thường là các tấm đồng mỏng 0,1mm Lõi sắt được gắn chặt vào bảng điện nhờ đế nhôm, trên đó còn lắp hệ thống tiếp điểm Nam châm điện một chiều có lõi làm bằng thép armkô, với nhánh phải có tiết diện tròn để thuận tiện cho việc chế tạo và lắp ráp cuộn dây Nhánh trái có tiết diện chữ nhật, giúp tăng chiều dài tiếp xúc giữa lõi và nắp từ, từ đó cải thiện độ bền cơ và chống mài mòn của cạnh quay Trên nhánh trái còn lắp một vòng ngắn mạch dạng ống trụ rỗng.
8,tiết diện tốt như đồng hoặc nhôm
Bộ phận duy trì thời gian của rơle hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ, sử dụng dòng điện cảm ứng phát sinh trong ống dẫn điện.
Hình 4.16 Rơle thời gian điện từ 1- Lõi thép mạch từ; 2- Nắp; 3- Đệm phi từ tính; 4- Bảng lắp đặt rơle;
5- Đế nhôm; 6- Hệ thống tiếp điểm; 7- Cuộn dây; 8- ống trụ rỗng; 9- Lò xo nhỏ; 10- Vít điều chỉnh lực lò xo nhả;
11- Lò xo tách nắp; 12- Chốt đẩy nắp;
Rơle thời gian
điện) của mạch RLC: td td U
Trong đó: ttđ - thời gian tác động của rơle;
U0 - điện áp nguồn điều khiển;
Utđ - điện áp lưới đèn khi rơle tác động
Khi trị số của R và C tăng, thời gian chậm của rơle cũng sẽ kéo dài, có thể lên đến vài phút Tuy nhiên, thời gian chậm càng lớn thì độ chính xác của rơle càng giảm Để điều chỉnh thời gian chậm, người dùng có thể thay đổi trị số của điện trở R.
4.4 Hư hỏng nguyên nhân gây hư hỏng
Khi sử dụng rơle có rát nhiều nguyên nhân dẫn tới hư hỏng
+ Cuộn dây bị cháy là do cập sai nguồn do vậy ta phải quấn lại cuộn dây theo thông số cũ
+ Thời gian chỉnh định không chính xác là do mạch R-C do vậy ta phải thay biến trở
+ Tiếp điển trễn không có tác dụng do vậy ta phải thay rơle của tiếp điểm
- Tiếp điểm bị cong vênh: đo liền mạch tiếp xúc
Câu 1: Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động bộ khống chế hình trống?
Câu 2: Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của rơle tốc độ kiểu ly tâm?
Câu 3: Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của contactor?