Đặc biệt trong trường hợp đóng cắt khi mạng điện bị ngắn mạch, dòng hồ quang sẽ rất lớn.. Trong đa số các trường hợp, hồ quang là có hại vì gây ra hư hỏng thiết bị trong quá trình đóng c
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC CÁC BIỆN PHÁP TĂNG KHẢ NĂNG ĐĨNG CẮT CỦA CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ: 60.52.50.02 DUƠNG BÌNH MINH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM VĂN CHỚI HÀ NỘI 2009 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17051113890641000000 LỜI MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết đề tài Khí cụ điện thiết bị điện làm nhiệm vụ: đóng cắt, điều khiển, điều chỉnh, bảo vệ, chuyển đổi, khống chế kiểm tra hoạt động hệ thống lưới điện loại máy điện Khí cụ điện sử dụng phổ biến, có mặt hầu hết lĩnh vực sản xuất kinh tế, từ nhà máy điện, trạm biến áp, hệ thống truyền tải điện, đến máy phát động điện xí nghiệp cơng nghiệp, nơng nghiệp, giao thơng vận tải… lĩnh vực quốc phòng Các thiết bị điện khác chức có yêu cầu chung chúng phải ổn định nhiệt, ổn định động có dịng ngắn mạch chạy qua Đối với thiết bị đóng cắt, đóng cắt ln phát sinh hồ quang Đặc biệt trường hợp đóng cắt mạng điện bị ngắn mạch, dòng hồ quang lớn Trong đa số trường hợp, hồ quang có hại gây hư hỏng thiết bị q trình đóng cắt, để đảm bảo độ làm việc tin cậy thiết bị điện yêu cầu phải tiến hành dập tắt hồ quang nhanh tốt Hiện Việt Nam với phát triển mạnh mẽ công suất mạng điện, dòng điện ngắn mạch ngày lớn, đặt yêu cầu cấp thiết phải nâng cao khả cắt thiết bị đóng cắt Để tìm kiếm giải pháp kỹ thuật phù hợp với tình hình nước đóng góp cho việc chế tạo thiết bị đóng cắt Vì theo định hướng thầy giáo hướng dẫn khoa học: TS Phạm Văn Chới, em chọn đề tài: “Các biện pháp nâng cao khả đóng cắt khí cụ điện” Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu, phân tích biện pháp hạn chế dịng ngắn mạch nâng cao khả đóng cắt thiết bị đóng cắt hạ áp cao áp thực tế Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành Kỹ thuật điện Đối tượng nghiên cứu Nội dung luận văn biện pháp nâng cao khả đóng cắt khí cụ điện, phạm vi nghiên cứu luận văn bao gồm toàn thiết bị đóng cắt hạ áp cao áp Nhưng luận văn giới hạn xem xét thiết bị thực tế sử dụng phổ biến cầu chì, aptomat máy cắt khí SF6 máy cắt chân không Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tác hại dòng điện ngắn mạch tượng hồ quang điện thiết bị đóng cắt cao, hạ áp - Xây dựng phương pháp nghiên cứu giải toán nâng cao khả cắt thiết bị đóng cắt - Nghiên cứu phân tích biện pháp nâng cao khả cắt thiết bị đóng cắt sử dụng phổ biến thực tế - Mô hồ quang điện phần mềm Matlab - Kết luận Kết cấu luận văn Luận văn gồm chương, 59 hình vẽ, bảng Các chương luận văn với nội dung sau: Chương 1: Tổng quan khí cụ điện đóng cắt Chương 2: Các phương pháp nghiên cứu đề tài Chương 3: Cơ sở biện pháp tăng khả đóng cắt khí cụ điện Chương 4: Mô hồ quang điện Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành Kỹ thuật điện CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN ĐĨNG CẮT 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN ĐÓNG CẮT Từ người phát minh điện sử dụng cơng nghiệp dân dụng với tăng lên không ngừng sản lượng điện ứng dụng rộng rãi phát triển qua nhiều hệ thiết bị đóng cắt khác nhằm bảo vệ mạng lưới truyền tải phân phối điện Về lịch sử phát triển thiết bị đóng cắt khí cụ điện đơn giản có lẽ cầu chì, Thomas Edison (1847 – 1931) phát minh vào năm 1879 Cầu chì tự động cắt mạch điện có cố tải, ngắn mạch Cầu chì có đặc điểm đơn giản, kích thước nhỏ, khả cắt lớn giá thành hạ nên ngày sử dụng rộng rãi Loại cầu chì bao gồm dây bạc mỏng đựng vỏ bảo vệ gắn vào hai cực tiếp xúc mạch điện Nguyên lý dựa vào tượng dây bạc có tính chảy nhanh dây điện bình thường nên ngắt mạch nhanh chóng xảy cố đường dây Nhược điểm loại cầu chì dây đứt phải thời gian để thay Do thường sử dụng lưới điện có cơng suất bé lưới hạ áp, lưới trung áp 1.1.1.Các khí cụ điện đóng cắt hạ áp Các khí cụ điện đóng cắt phân loại theo đặc điểm chúng cấp điện áp, kiểu cấu trúc, kiểu cắt, đặc điểm cấu tạo Aptomat khí cụ điện phổ biến có khả tự động cắt mạch điện có cố: tải, ngắn mạch, điện áp thấp, công suất ngược…Trong mạch Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành Kỹ thuật điện điện hạ áp có điện áp định mức đến 660V xoay chiều 330V chiều, có dịng điện định mức tới 6300A Những máy cắt đại cắt dịng điện tới 300kA Các kiểu máy cắt hạ áp thường gặp phân loại theo ứng dụng dân dụng, thương mại cơng nghiệp bao gồm: - MCB (Aptomat loại nhỏ): Dịng điện định mức khơng lớn 100A Đặc tính cắt loại thường điều chỉnh Cơ cấu cắt loại theo nguyên lý nhiệt từ nhiệt [25] - MCCB (Aptomat vỏ đúc): Dòng điện định mức tới 1600A Đặc tính cắt loại điều chỉnh khoảng rộng Cơ cấu cắt theo nguyên lý từ- nhiệt nguyên lý nhiệt [2] Nguyên lý điện từ: Sử dụng cuộn dây nam châm điện mà lực tạo phụ thuộc vào độ lớn dịng điện Thơng thường nguyên lý điện từ sử dụng để cắt dòng ngắn mạch yêu cầu cắt nhanh Tiếp điểm máy cắt hạ áp giữ vị trí đóng nhờ chốt Khi dòng điện cuộn dây nam châm điện tăng lên vượt dòng điên định mức máy cắt, nam châm điện tạo lực điện từ hút chốt mở cho phép tiếp điểm mở nhờ tác động lò xo nhả Một vài kiểu máy cắt cịn kết hợp với tính trễ thủy lực sử dụng dung dịch nhớt Nguyên lý nhiệt: Sử dụng kim loại lưỡng kim, có độ dãn nở dài theo nhiệt độ khác Khi xảy tải lâu dài, dãn nở dài khác nhau, kim loại bị cong tác động vào cấu truyền động, mở máy cắt Các máy cắt hạ áp thường sử dụng kết hợp hai nguyên lý Các yêu cầu tiêu thiết bị đóng cắt hạ áp mà aptomat: - Chế độ làm việc định mức máy cắt hạ áp phải chế độ làm việc dài hạn, nghĩa trị số dòng điện định mức chảy qua máy cắt lâu Mặt khác mạch vịng dẫn điện phải chịu dịng điện ngắn mạch lớn có ngắn mạch lúc tiếp điểm đóng hay đóng Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành Kỹ thuật điện - Máy cắt hạ áp phải cắt trị số dịng điện ngắn mạch lớn đến vài chục kiloampe Sau cắt dòng điện ngắn mạch, máy cắt hạ áp phải đảm bảo làm việc tốt trị số dòng điện định mức - Để nâng cao tính ổn định nhiệt ổn định điện động thiết bị điện, hạn chế phá hoại dòng điện ngắn mạch gây ra, máy cắt hạ áp phải có thời gian cắt bé 1.1.2.Các khí cụ điện đóng cắt cao áp [1], [4] Các khí cụ điện đóng cắt cao áp gồm có: dao cách ly, máy cắt, dao phụ tải, dao nối đất, cầu chì Máy cắt thiết bị đóng cắt khí có khả dẫn, ngắt dịng điện mạch điều kiện bình thường, dẫn thời gian quy định ngắt dòng điện tăng lên mạch điện điều kiện khơng bình thường xác định (ngắn mạch) Máy cắt làm việc chế độ: chế độ không tải, chế độ tải định mức, chế độ cố, chế độ đóng cắt dịng ngắn mạch chế độ nặng nề Vì trình nghiên cứu thiết bị đóng cắt ta xem xét loại thiết bị cụ thể máy cắt Đối với thiết bị đóng cắt trung áp cao áp cần có nhiều yêu cầu khắt khe độ tin cậy làm việc an toàn người Về lịch sử phát triển máy cắt cao áp, môi trường dập hồ quang sử dụng mơi trường khơng khí Những 40 năm sau bắt đầu xuất máy cắt sử dụng mơi trường dầu cách điện Một mơ hình ứng dụng máy nén khí để thổi hồ quang xây dựng vào năm 1920 Vào thập niên 40, khảo sát sử dụng khí nén SF6 làm môi trường cách điện thu kết thành công Các nghiên cứu ban đầu môi trường dập hồ quang khí SF6 bắt đầu vào năm 1950, vào năm 1959 máy cắt SF6 có khả ứng dụng thực tế giới Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành Kỹ thuật điện thiệu Westinghouse Mỹ Hiện máy cắt khí SF6 có vai trị quan trọng kiểu máy cắt Các thơng số máy cắt gồm: điện áp định mức, dòng điện định mức, dòng điện ổn định nhiệt ứng với thời gian tương ứng, dòng điện ổn định điện động, dòng điện cắt định mức, cơng suất cắt định mức, thời gian đóng, thời gian cắt Điện áp định mức điện áp dây đặt lên thiết bị điện với thời gian làm việc dài hạn mà cách điện máy cắt mà khơng bị hỏng hóc, tính theo trị số hiệu dụng Dòng điện định mức trị số hiệu dụng dòng điện chạy qua máy cắt thời gian làm việc dài hạn mà máy cắt khơng bị hỏng hóc Việc tính tốn dịng điện định mức dựa vào tốn cân nhiệt mạch vịng dẫn điện chế độ xác lập nhiệt Dòng điện ổn định nhiệt với thời gian tương ứng trị số hiệu dụng dòng điện ngắn mạch, chạy thiết bị với thời gian cho trước mà nhiệt độ mạch vòng dẫn điện không vượt nhiệt độ cho phép chế độ làm việc ngắn hạn Việc xác định dòng điện ổn định nhiệt gắn liền với toán cân nhiệt mạch vòng dẫn điện chế độ độ I nm t nm = const Thời gian đóng qng thời gian từ có tín hiệu đóng đưa vào máy cắt đến máy cắt đóng hồn tồn Thời gian phụ thuộc vào đặc tính cấu truyền động hành trình tiếp điểm động Thời gian cắt máy cắt qng thời gian từ có tín hiệu cắt đến hồ quang bị dập tắt hoàn toàn Thời gian phụ thuộc vào đặc tính cấu cắt (thường lị xo tích lượng q trình đóng) thời gian cháy hồ quang, tính tốn cho hồ quang dịng cắt định mức Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành Kỹ thuật điện Trong năm 70 kỷ 20 cịn có xuất máy cắt khơng tiếp điểm tức sử dụng van bán dẫn công suất để thực việc đóng cắt Sự phát triển xuất Mỹ Liên Xô Các máy cắt điều khiển đóng cắt nhờ vào việc điều khiển van bán dẫn Máy cắt loại có điện áp lên đến 10kV Ưu điểm khơng phát sinh hồ quang Tuy nhiên máy cắt loại khơng tiếp điểm có nhược điểm tổn hao van bán dẫn lớn quan trọng làm việc không ổn định trình độ mạch điện Vì khơng phát triển 1.1.3 Xu hướng phát triển khí cụ điện đóng cắt [2], [12], [13] Các máy cắt đại sử dụng rộng rãi chiếm ưu máy cắt khí SF6 máy cắt chân khơng Trong máy cắt khí SF6 trải qua ba hệ ứng dụng cấp điện áp máy cắt chân khơng ứng dụng cho cấp điện áp 24 kV, dòng điện định mức từ 800 A đến 3150 A, dòng cắt đến 40 kA Nguyên nhân, buồng cắt chân không, kim loại tiếp điểm đóng cắt hay bị bay lắng đọng, bám vào thành buồng cắt làm giảm độ bền cách điện buồng cắt Thứ hai công nghệ vật liệu chế tạo buồng chân không phức tạp Thứ ba quan điểm phóng điện, máy cắt chân khơng có khoảng cách cách điện tối ưu với cấp điện áp đến 36 kV Với phát triển nhanh chóng cơng nghệ, từ năm 70 kỷ XX, máy cắt chân không chế tạo với số lượng tăng dần thị phần loại máy cắt ngày chiếm tỷ trọng lớn thị trường máy cắt điện cao áp Hiện máy cắt SF6 hệ thứ ba Nguyên lý thổi hồ quang buồng cắt kiểu hệ ba buồng cắt hệ hai thực nhờ hiệu ứng thổi hồ quang buồng cắt kiểu pittong Theo nguyên lý này, lượng cấp cho truyền động máy cắt khí SF6 hệ thứ ba Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành Kỹ thuật điện giảm nhiều, khoảng 20% hệ thứ hai với công suất cắt, giảm kích thước máy cắt, giảm động đóng cắt tăng tuổi thọ máy cắt Với buồng cắt có cơng suất cắt lớn, áp suất khí SF6 thường có trị số cao, khả rị rỉ khí xảy Vì buồng cắt có cấu thị áp suất khí có cấu nạp khí bổ sung Ưu điểm vượt trội máy cắt khí SF6 khả cắt lớn, thời gian cắt bé, kích thước nhỏ gọn, bảo trì đơn giản, chi phí vận hành thấp Hình 1.1: Buồng cắt SF6 hệ thứ ba a.Vị trí đóng; b.Cắt dịng lớn;c.Cắt dịng bé;d.Vị trí cắt 1-Tiếp điểm hồ quang tĩnh;2-Miệng thổi;3-Tiếp điểm tĩnh chính;4-Tiếp điểm động hồ quang;5-Tiếp điểm động;6-Buồng nén chính;7-Tiếp điểm trượt;8-Van trên;9-Buồng nén phụ;10-Xilanh;11-Van 1.2 CÁC TÁC HẠI CỦA DỊNG ĐIỆN NGẮN MẠCH Dịng điện cố mạch điện mà cụ thể dòng điện ngắn mạch có tác hại to lớn đến q trình nhiệt, điện, mạch điện Ta xem xét ảnh hưởng cụ thể để nhận thấy việc giảm dòng ngắn mạch Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành Kỹ thuật điện xảy cố mạch điện có ý nghĩa cấp bách Việc nâng cao khả đóng cắt thiết bị đóng cắt thực chất việc hạn chế dòng điện ngắn mạch cách hiệu 1.2.1 Q trình phát nóng [1], [7] Khi bị ngắn mạch, dịng điện dây dẫn có trị số lớn, gấp vài chục lần dòng điện chế độ định mức Thời gian xảy ngắn mạch bé nên ta coi q trình đoạn nhiệt, nghĩa tồn nhiệt q trình hấp thụ thiết bị không tỏa mơi trường xung quanh Phương trình nhiệt viết sau: i Rt = CT dθ Trong đó: R điện trở dây dẫn tính theo cơng thức: R = Kph ρ (1 / q)(1 + α Tθ ) K ph hệ số tổn hao phụ tính đến hiệu ứng mặt ngồi hiệu ứng gần ρ điện trở suất vật liệu 0C α T hệ số nhiệt điện trở vật liệu dây dẫn l , q chiều dài tiết diện dây dẫn CT nhiệt dung thiết bị CT = C0 (1 + βθ )G C0 nhiệt dung riêng vật liệu 00C β hệ số nhiệt dung riêng vật khối lượng vật dẫn G = γ lq = γ V Thay đại lượng vào ta có: I2 q C0γ (1 + βθ ) dθ dt = Kph ρ0 (1 + αTθ ) Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành Kỹ thuật điện