Thiết bị đóng cắt và bảo vệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÀI TẬP LỚN (LẦN 1)

1 Nguyên lí hoạt động của bóng đèn huỳnh quang? Sơ đồ sử dụng

2 Nếu trường hợp một đầu bóng đèn bị cháy thì có cách nào để đèn sáng trở lại không?

3 Nguyên nhân khiến bóng đèn bị đen đầu? Cách khắc phục

4 Chấn lưu điện từ với chấn lưu điện tử khác nhau như thế nào?

5 Kỹ thuật đóng cắt tiếp điểm ( Quenching technique )

6 Tìm hiểu công nghệ về máy cắt chân không và buồng dập hồ quang của máy cắt chân không ( Vaccuum Interrupter )

1 Nguyên lý hoạt động của bóng đèn huỳnh quang? Sơ đồ sử dụng?

Bóng đèn huỳnh quang là một ống thủy hai đầu có 2 sợi tóc bóng đèn (sợi vonfram) Người ta rút chân không làm cho trong bóng chỉ còn một lượng khí nhỏ, pha thêm vào đó một ít khí hiếm (khí trơ – ví dụ Agon).

Sơ đồ mạch điện của đèn huỳnh quang

Nguyên lý hoạt động:

 Ban đầu cần một điện áp cao để tạo chênh áp lớn giữa 2 đầu cực để sinh ra một điện trường trong ống hút đám mây điện tử tạo ra dòng điện Ban đầu dòng điện tích âm còn tương đối nhỏ, sau đó tang dần và tang vọt lên đến khi điện dẫn giữa 2 cực đèn ống đạt cực đai.Lúc này không cần duy trì

điện áp cao giữa 2 cực đèn ống nữa mà dòng điện được duy trì.

 Để tạo được các quá trình điều khiển trên người ta dùng cuộn dây điện kháng L gọi là tang pô mắc nối tiếp với tắc-te Khi đóng điện qua mạch nối tiếp trên, tiếp điểm nhiệt của tắc te nóng len và dãn nở làm lá tiếp điểm tách ra ngắt mạch điện.

 Do dòng qua cuộn L đột ngột bị cắt, nên trong cuộn L sinh ra một sức điện động tự cảm Tiếp sau đó khi tắc te ngắt ra, lá tiếp điểm nguội đi và lại đóng lại, lúc này mạch nối tiếp lại được nối thông trở lại, dòng điện qua tắc te làm nó nóng lên tiếp tục bị ngắt ra, SĐĐTC lại được sinh ra giữa 2 đầu cực bóng neon Sau một vài lần phóng điện hiện tượng ION hóa khí kém trong ống neon đủ tạo ra dòng điện thác làm điện trở giữa 2 đầu ống neon giảm xuống bằng 0 ôm, làm ngắn mạch 2 đầu tắc te.

 Kết quả dòng điện qua tắc te = 0, tắc te không bị đốt nóng nữa do đó không còn đóng cắt (mà ở trạng thái nguội, tiếp điểm tắc te đóng liên tục) Do trạng thái đóng

ngắt mất đi, dẫn tới SĐĐTC trên cuộn L không tạo ra nữa Lúc này cuộn L chỉ còn là một điện kháng thuần bình thường nối tiếp trong mạch điện.

Tóm gọn: Khi đóng điện, có dòng chạy qua mạch nối tiếp trên (vì starter là một bóng

neon cho phép dòng điện chạy qua khi điện áp>160V) làm nóng starter Lưỡng kim trong starter nóng lên làm hở mạch điện, điện áp trên 2 đầu đèn sẽ tăng đột ngột lên >400V(vì tăng phô là cuộn cảm sẽ tạo áp cao khi ngắt nguồn đột ngột)

Điện áp cao trên 2 đầu đèn làm phóng điện qua đèn Dòng điện qua đèn tạo thành ion tác động lên bột huỳnh quang làm đèn phát sáng Sau khi đèn sáng, điện áp trên 2 đầu đèn giảm còn khoảng 40 V, starter không hoạt động nữa Dòng điện qua đèn bị hạn chế bởi điện cảm của tăng phô.

Vai trò của từng bộ phận trong nguyên lý hoạt động:

 Cầu chì (Fuse): Là thiết bị đảm bảo hiện tượng không bị đoản mạch

 Công tắc: Là thiết bị dùng để tắt hay mở nguồn điện trong mạch điện của bóng đèn

 Tăng phô ( Chấn lưu ): Là thiết bị giúp ổn định nguồn điện hoạt động bên trong bóng đèn Giúp làm tăng tuổi thọ khi sử dụng bóng đèn Đồng thời giúp cho bóng đèn không bị nhấp nháy khi sử dụng

 Tắc te (Starter): Tự động ngắt mạch khi điện áp giảm và nối mạch khi điện áp

Nếu bóng đèn huỳnh quang bị hỏng do dây tóc, đèn có thể cháy vì 1 đầu cực của đèn còn khả năng phóng điện, phát xạ điện từ và trong bóng còn các tạp chất và khí trơ có thể hình thành quá trình phóng điện tạo nhiệt và phát sáng.

>> Đèn huỳnh quang vẫn có thể sáng khi 1 đầu cực bị cháy

Để đèn sáng trở lại bình thường, cách khả thi nhất ta có thể làm là thay hoàn toàn bóng

3 Nguyên nhân khiến bóng đèn bị đen đầu? Cách khắc phục

Nguyên nhân:

 Đối với đèn cũ, sau một thời gian sử dụng, tim đèn bị đốt nóng nên bốc hơi, bám vào thành ống thủy tinh tạo nên vệt đen Thêm vào đó, ở khu vực gần tim đèn, nhiệt độ cao hơn nên lớp bột phát quang dễ bị lão hóa và bong tróc, tạo nên vệt đen rất rõ Vệt đen này vẫn còn khi tắt đèn

 Với đèn huỳnh quang mới, để khắc phục hiện tượng đen đầu do tim đèn bốc hơn và bột phát quang lão hóa, nhà sản xuất lắp thêm vòng chắn tim đèn Chính vòng chắn tim đèn gâ a hiện tượng này Khi bóng đèn sáng, bóng mờ của vòng chắn tạo ra vệt sẫm trên đầu bóng đèn, tương tự như hiện tượng xảy ra với bóng đèn cũ Khi tắt đèn, vệt sẫm sẽ mất.

Cách khắc phục:

 Một số loại bóng đèn điện sau thời gian sử dụng sẽ bị đen hai đầu và làm cho độ sáng bị mờ đi, dấu hiệu này cho thấy tuổi thọ của bóng đèn sắp hết Lúc này có thể quay ngược trục dây điện nối giữa 2 đầu bóng đèn, đảo ngược cực tiếp xúc của bóng đèn sẽ làm tăng tuổi thọ của đèn Hoặc cách hiệu quả nhất là thay mới tuýp đèn.

4 Chấn lưu điện từ với chấn lưu điện tử khác nhau như thế nào?

Chấn lưu hay còn gọi là tăng phô, một trong những ứng dụng phổ biến nhất của chấn lưu là trong đèn huỳnh quang.

Chấn lưu cung cấp lượng điện áp chính xác để đèn khởi động và điều chỉnh lượng dòng điện chảy vào chúng một khi chúng đã bật và giới hạn dòng điện không quá cao đến mức có thể làm hỏng bóng đèn.

Phân biệt chấn lưu điện từ và chấn lưu điện tử:

Chấn lưu điện từ Chấn lưu điện tử

Cấu tạo Bao gồm nhiều lá sắt được Bao gồm các linh kiện điện tử, bên trong

quấn quanh bởi dây đồng hoặc dây nhôm có tẩm lớp cách điện

vẫn có cuộn dây nhưng nhỏ hơn rất nhiều so với chấn lưu điện từ

Ưu điểm  Có tuổi thọ dài như bóng đèn nhằm giúp khởi động và duy trì hoạt động chiếu sáng của đèn.

 Giá thành rẻ.

 Khởi động đèn nhanh hơn.

 Không gây ra tiếng ồn.

 Tiêu thụ điện ít và bảo vệ môi trường hơn chấn lưu điện từ.

 Chịu nhiệt tốt hơn trong quá trình làm việc từ đó hạn chế tỏa nhiệt ra môi trường.

 Trọng lượng và kích cỡ gọn nhẹ.

 Có hệ số công suất cao hơn.

 Làm tăng tuổi thọ của đèn

 Chấn lưu chuyên dụng có khả năng điều chỉnh độ sáng tối của đèn.

 Giải quyết được vấn đề nhấp nháy

Vì thời gian khởi động đèn sử dụng chấn lưu điện tử nhanh nên thường xuyên tắt bật đèn trong một thời gian dài có thể gây giảm tuổi thọ của đèn.

5 Kỹ thuật đóng cắt tiếp điểm và kỹ thuật hạn chế hồ quang điện

I.Các chế độ đóng và cắt tiếp điểm

a.Chế độ đóng

 Ở chế độ ổn định , điện trở tiếp xúc tương đối nhỏ.

 Dòng định mức, nhiệt độ tiếp điểm bé, vượt quá thanh dẫn khoảng 5-10֯ và đây là chế độ hoạt động dài hạn của tiếp điểm.

 Khi mạch bị ngắn mạch có thể gây ra các hiện tượng sau: Điện áp rơi trên tiếp điểm lớn, nhiệt độ tiếp điểm tăng cao Lực điện động do dòng ngắn mạch gây ra ngược chiều với lực ép tiếp điểm dẫn đến điện trở tiếp xúc tăng, nhiệt độ tỏa ra tiếp điểm lớn làm cho tiếp điểm nóng chảy và dính.

 Cần phải để điện trở tiếp xúc bé ( biện pháp và phương pháp)

b.Chế độ cắt

 Trạng thái ổn định, dòng không qau tiếp điểm

 Đảm bảo khoảng cách giữa 2 tiếp điểm của chế độ cắt ( độ mở) để tránh phóng điện và hồ quang

 Cần tính toán tối ưu độ mở thết bị và phụ thuộc vào khoảng cách điện và điều kiện hồ quang để tạo ra thiết bị có tính thẩm mỹ và hiệu quả cao.

c.Quá độ đóng

 Là quá trình tiếp điểm động tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh Trong quá trình này khoảng cách giữa 2 tiếp điểm bé dần => hiện tượng phóng điện=> dẫn đến tiếp điểm bị ăn mòn => nên để quá trình xảy ra nhanh.

 Phản lực từ điểm tĩnh đến điểm động => rung tiếp điểm điểm động=> phát sinh hồ quang, nhiệt độ tiếp điểm tăng cao.

 Điện trở tiếp xúc trong thời gian bị rung động lớn, nếu dòng điện lớn=> quá trình quá độ kéo dài =>tiếp điểm bị hàn dính.

 Các điểm đang tiếp xúc tách nhau => tạo hồ quang => tự dập tắt

 Quá trình cắt nên diễn ra trong thời gian hợp lý.

II.Kỹ thuật đóng cắt hạn chế hồ quang điện

a.Các phương pháp dập hồ quang điện

 Phương pháp làm lạnh hồ quang: Phương pháp này làm hạ thấp nhiệt độ hồ quang khiến cho tốc độ vận chuyển của các ion chậm dần như vậy có thể làm cho tác dụng của ion hóa nhiệt giảm đi, lại có thể khiến cho tác dụng ghép đôi các ion âm dương lại với nhau được tăng cường có lợi cho quá trình dập tắt hồ quang Đối với điện xoay chiều, chúng ta biết có quá trình dòng điện giảm xuống không, nên lúc mà dòng điện giảm xuống không là lúc quá trình ghép đôi các ion lại được mạnh lên Tốc độ ghép đôi càng mạnh khi nhiệt độ càng thấp, do đó hồ quang càng dễ dập tắt Mặt khác điều này cũng nói lên nhờ có quá trình dòng điện qua không nên điện xoay chiều dễ dập tắt.

 Phương pháp kéo dài hồ quang: Hồ quang muốn cháy được thì phải có điện áp trên hồ quang để duy trì Nếu như khi hai tiếp điểm rời nhau, lập tức có cách gì đó gia tốc kéo dài hồ quang ra thì có thể hạ thấp cường độ điện trường giữa hai tiếp điểm có nghĩa là nhờ đó mà hạ thấp điện áp hồ quang làm cho nó không đủ duy trì hồ quang tiếp tục cháy khiến cho hồ quang bị dập tắt.

 Phương pháp thổi khí để dập hồ quang: Lợi dụng một dòng khí bằng môi chất tương đối lạnh hơn để thổi hồ quang theo hướng song song với dòng hồ hoặc là thổi ngang dòng hồ quang, tức là thổi thằng góc với dòng hồ quang để làm cho

hồ quang nhanh chóng bị khuếch tán, tăng cường làm lạnh để đạt đến mục đích dập hồ quang.

 Phương pháp dập hồ quang trong một kênh hẹp của chất rắn: Buộc hồ quang phải tồn tại trong một kênh rất hẹp và được làm lạnh do tiếp xúc với môi chất rắn, nhờ vậy tăng cường khử bỏ quá trình ion hóa Mặt khác do hồ quang phải cháy trong một kênh hẹp, áp lực tăng rất lớn lại sinh ra khí nên có tác dụng càng mạnh để khử quá trình ion hóa, có lợi cho quá trình dập hồ quang.

 Phương pháp cắt hồ quang thành nhiều đoạn nhỏ

 Phương pháp dập hồ quang bằng chân không

b.Kỹ thuật đóng cắt hạn chế hồ quang điện của VD4/R (ABB):

 Hình dạng xoắn ốc của các tiếp điểm của bộ ngắt chân không ABB Hình dạng xoắn ốc đặc biệt của các tiếp điểm tạo ra từ trường hướng tâm trong tất cả các phần của cột hồ quang, tập trung xung quanh chu vi của các tiếp điểm Lực điện từ tự sinh ra, tác dụng theo phương tiếp tuyến và làm cho hồ quang quay nhanh dần đều quanh trục của các tiếp điểm Điều này buộc hồ quang quay và ảnh hưởng đến một khu vực lớn hơn so với một cung tròn cố định Bên cạnh việc hạn chế ứng suất nhiệt mà các tiếp điểm phải chịu, tất cả điều này đảm bảo rằng các tiếp điểm này chỉ bị xói mòn ở mức độ không đáng kể và trên hết, cho phép kiểm soát quá trình gián đoạn ngay cả với các giá trị dòng ngắn mạch rất cao.

 Bộ ngắt chân không ABB ngắt khi dòng điện tự nhiên đi qua 0, từ đó ngăn hồ quang khởi động lại sau khi điều này xảy ra Mật độ dòng điện giảm nhanh và hơi kim loại ngưng tụ nhanh chóng cùng lúc với thời điểm dòng điện bằng 0 cho phép thiết lập lại độ bền điện môi tối đa giữa các tiếp điểm của bộ ngắt sóng trong vòng vài phần nghìn giây Ngoài ra, công nghệ từ trường xuyên tâm cho phép dòng điện chạy thẳng từ các tiếp điểm của bộ ngắt mạch qua thân kết nối, do đó giảm tổn thất điện năng khi đóng ngắt mạch.

6 Tìm hiểu công nghệ về máy cắt chân không và buồng dập hồ quang của máy cắt chân không ( Vaccuum Interrupter )

I.Máy cắt chân không

a.Khái niệm

Máy cắt chân không VCB là khí cụ điện Nó được sử dụng để cắt mạch điện Trong cuộc sống hiện đại ngày nay, thiết bị này được dùng ở điện áp trung áp từ 1kV đến trên 40kV hoặc các dòng điện lớn từ 100A đến trên 4000A Ngoài ra, khí cụ này còn được sử dụng để đóng cắt dòng sự cố từ 6kA đến 63kA Với chức năng đó, hiện máy được sử dụng phổ biến trong công nghiệp.

b.Nguyên lý làm việc

 Thực tế, các máy cắt chân không VCB vẫn áp dụng kiểu cắt điện truyền thống Tuy nhiên, sự khác biệt ở chỗ là thay vì sử dụng lò xo cũ thì máy được tác động bằng nam châm Bên cạnh đó, hoạt động của khí cụ này được thiết kế với đặc điểm “không cần bảo trì” vì thế khả năng hoạt động của nó luôn đạt đến độ chính xác cao và rất ít khi xảy ra các sự cố sai tiêu chuẩn kỹ thuật.

 Theo đó, nguyên lý của máy được tiến hành khi có sự tiếp xúc kim loại Tức là một hồ quang quẻ cất khá kim khí sẽ được tạo ra khi hai tiếp điểm bị tách Bên cạnh đó, một loại điện sỡ hữu thể tạo ra một khoảng trường thổi hồ quang bắc qua tiếp điểm khi nó được ngắt mạch ngoài mặt đặc thù Để tránh tình trạng nhiệt độ tăng quá cao và tình trạng gây rộp ở bề mặt tiếp điểm thì điện sở hữu sẽ phủ khắp bề mặt tiếp điểm.

c.Cấu tạo

Các sản phẩm máy cắt chân không VCB trên thị trường đều được cấu tạo với 4 bộ phận chính sau:

 Các sản phẩm máy cắt chân không VCB trên thị trường đều được cấu tạo với 4 bộ phận chính sau:Mạch vòng dẫn điện dùng để lấy điện vào và ra Nó gồm 3 bộ phận là thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh; đầu nối; tiếp điểm.

 Buồng dập hồ quang giúp đóng ngắt hồ quang phát sinh.

 Cơ cấu truyền động là bộ phận được kết hợp với nam châm để ngắt dòng điện

 Kết cấu bộ phận dẫn điện

d.Ưu điểm

 Thiết bị được sản xuất theo công nghệ tiên tiến nên nó có thể sử dụng rộng rãi trong cấp điện trung áp

 Với độ bền cao nên máy cắt chân không VCB không cần bảo hành hay bảo dưỡng trong quá trình sử dụng.

 Buồng cắt chân không của máy có thể sử dụng tái chế khi hết hạn sử dụng nên nó rất thân thiện với môi trường sống

 Thiết bị này có thể sử dụng lên đến 20 năm Từ đó giúp người dùng tiết kiệm chi phí thay mới một cách hiệu quả

 Thiết kế nhỏ gọn, tiện lợi khi sử dụng.

e.Nhược điểm

 Các loại máy cắt chân không thường không có thiết bị để sửa chữa Vì thế, khi hết hạn sử dụng sẽ phải thay mới

 Dòng máy này chỉ thích hợp sử dụng cho cấp điện áp từ 35kV trở xuống

 Thiết bị yêu cầu công nghệ sản xuất rất cao.

Máy cắt chân không VD4/R (ABB):

Máy cắt chân không trung thế dòng VD4 / R với cơ chế vận hành bên có kỹ thuật xây dựng cực riêng biệt:

 Mỗi trụ có một bộ ngắt chân không được bọc trong nhựa khi trụ được đúc nhờ một quy trình sản xuất đặc biệt

 Phương pháp xây dựng này bảo vệ ngắt chân không khỏi bị sốc, ô nhiễm và ngưng tụ.

 Cơ chế hoạt động là loại năng lượng dự trữ không có chuyến đi EL với khả năng đóng mở độc lập bất kể thao tác của người vận hành Cơ chế hoạt động EL được sử dụng rộng rãi trong tất cả các bộ ngắt mạch dòng VD4 / R với điều khiển trực diện

 Bộ ngắt mạch có thể được điều khiển từ xa khi được lắp với các phụ kiện điện chuyên dụng (bộ chuyển động bánh răng, bộ phận đóng mở)

 Cơ chế hoạt động, ba cực và cảm biến dòng điện (nếu được lắp đặt) được lắp ráp trên khung kim loại không có bánh xe Việc xây dựng cực kỳ nhỏ gọn, được xây dựng mạnh mẽ và trọng lượng thấp

 Máy cắt dòng VD4 / R với cơ chế hoạt động bên là thiết bị áp suất kín có tuổi thọ cao (Tiêu chuẩn IEC 62271-100 và CEI EN 62271-100)

 Ngoài ra, bộ ngắt mạch dòng VD4 / R đã được thử nghiệm loại cho các ứng dụng hàng hải và nhiệt độ thấp (Germanischer Lloyd)

II.Buồng dập hồ quang của máy cắt chân khôngCấu tạo

Nguyên lý làm việc

Ngắt hồ quang trong máy cắt chân không khác với các loại máy cắt khác Việc tách các tiếp điểm gây ra sự giải phóng hơi chứa đầy trong không gian tiếp xúc Nó bao gồm các ion dương được giải phóng khỏi vật liệu tiếp xúc Mật độ hơi phụ thuộc vào dòng điện trong hồ quang

Khi dòng điện giảm, tốc độ thoát hơi giảm và sau khi dòng điện bằng không, môi trường lấy lại độ bền điện môi của nó nếu mật độ hơi giảm Khi dòng điện bị ngắt rất nhỏ trong chân không, hồ quang có một số đường dẫn song song Tổng dòng điện được chia thành nhiều vòng cung song song đẩy nhau và lan truyền trên bề mặt tiếp xúc Đây được gọi là hồ quang khuếch tán có thể bị gián đoạn dễ dàng

Ở các giá trị cao của dòng điện, hồ quang tập trung trong một vùng nhỏ Nó làm cho bề mặt tiếp xúc bị bốc hơi nhanh chóng Sự gián đoạn của hồ quang có thể xảy ra nếu hồ quang vẫn ở trạng thái khuếch tán Nếu nó nhanh chóng bị loại bỏ khỏi bề mặt tiếp xúc, hồ quang sẽ được đánh lại