tên của đề tài: khí cụ điện

Vì vậy, khí cụ điện đòi hỏi người làm việc trong các ngành, nghề và đặc biệt trong nghề điện phải hiểu rõ về cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tính kỹ thuật và ứng dụng của từng loại khí

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

hoàn thành Để nghiên cứu thành công đề tài này, tôi xin chân

thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của:

- Khoa Sư Phạm, Bộ môn Vật Lý đã tạo điều kiện cho tôi nghiên cứu khoa học

- Thầy Lê Văn Nhạn đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp

- Các thầy cô và các anh chị làm việc trong Trung Tâm Học Liệu trường Đại học Cần Thơ đã tạo điều kiện thuận lợi cho

tôi trong quá trình nghiên cứu đề tài này

- Cám ơn cha me tôi đã ủng hộ về vật chất lẫn tinh thần cho tôi

- Chị lớp Sư Phạm Vật lý – công nghệ K33 đã giúp đỡ tôi trong quá trình tìm kiếm tài liệu

Cuối cùng tôi xin gửi lời tri ân chân thành nhất đến quý thầy cô Bộ môn Sư phạm Vật Lý, Khoa Sư phạm, trường Đại

học Cần Thơ Kính chúc quý thầy cô luôn dồi dào sức khỏe và

hạnh phúc!

Cần Thơ, ngày tháng năm 2014

Sinh viên thực hiện (Ký và ghi rõ họ tên)



Cần Thơ, ngày tháng năm 2014

Giáo viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)



………

Cần Thơ, ngày tháng năm 2014

Giáo viên phản biện (Ký và ghi rõ họ tên)



………

………

Cần Thơ, ngày tháng năm 2014

Giáo viên phản biện (Ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2 CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 2

3 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 3

3.1 Phương pháp thực hiện đề tài 3

3.2 Phương tiện thực hiện đề tài 3

4 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 3

5 CÁC THUẬT NGỮ QUAN TRỌNG TRONG ĐỀ TÀI 4

PHẦN NỘI DUNG 5

PHẦN 1: LÝ THUYẾT CƠ BẢN CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN 5

CHƯƠNG 1: PHÁT NÓNG KHÍ CỤ ĐIỆN 5

1 KHÁI NIỆM VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN 5

2 PHẠM VI ỨNG DỤNG 5

3 PHÂN LOẠI KHÍ CỤ ĐIỆN VÀ CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN 5 3.1 Phân loại khí cụ điện 5

3.1.1.Phân loại theo công dụng 5

3.1.2 Phân loại theo tính chất dòng điện 6

3.1.3 Phân loại theo nguyên lý làm việc 6

3.1.4 Phân loại theo điều kiện làm việc 6

3.1.5 Phân loại theo cấp điện áp 6

3.2 Các yêu cầu cơ bản của khí cụ điện 6

4 PHÁT NÓNG TRONG KHÍ CỤ ĐIỆN 7

4.1 Khái niệm chung 7

4.2 Các dạng tổn hao 8

4.2.1 Tổn hao trong các chi tiết dây dẫn 8

4.2.2 Tổn hao trong các phần tử sắt và điện môi 8

4.3 Tính toán tổn thất điện năng trong khí cụ điện 8

4.4 Các chế độ phát nóng của khí cụ điện 9

4.4.1 Khái niệm 9

4.4.2 Các chế độ làm việc của khí cụ điện 10

4.4.2.1 Chế độ làm việc lâu dài 10

4.4.2.2 Chế độ làm việc ngắn hạn 11

4.4.2.3 Chế độ ngắn hạn lặp lại 11

4.5 Các trạng thái làm việc của khí cụ điện 12

4.5.1 Trạng thái làm việc bình thường 12

4.5.2 Trạng thái làm việc không bình thường 12

CHƯƠNG 2: TIẾP XÚC ĐIỆN – HỒ QUANG ĐIỆN -NAM CHÂM ĐIỆN – LỰC ĐIỆN ĐỘNG 14

1 TIẾP XÚC ĐIỆN 14

1.5 Các trạng thái làm việc của tiếp điểm 17

1.6 MỘT SỐ KẾT CẤU TIẾP ĐIỂM THƯỜNG DÙNG 18

1.6.1 Tiếp điểm kiểu cầu 18

1.6.2 Tiếp điểm kiểu ngón 18

1.6.3 Tiếp điểm kiểu dao 19

1.6.4 Tiếp điểm kiểu nêm 19

1.6.5 Tiếp điểm kiểu đối 20

1.7 NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG VÀ CÁCH KHẮC PHỤC 20

1.7.1 Nguyên nhân 20

1.7.1.1 Ăn mòn kim loại 20

1.7.1.2 Oxy hóa 20

1.7.1.3 Điện thế hóa kim loại 21

1.7.1.4 Hư hỏng do điện 21

1.8 CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 21

2 HỒ QUANG ĐIỆN 22

2.1 Khái niệm và tính chất của phóng điện hồ quang 22

2.1.2 Tính chất cơ bản của phóng điện hồ quang 23

2.1.3 Quá trình phát sinh và dập hồ quang điện 24

2.1.3.1 Quá trình phát sinh hồ quang 24

3 LỰC ĐIỆN ĐỘNG 25

3.1 Khái niệm 25

3.2 Phương pháp tính lực điện động 26

4 NAM CHÂM ĐIỆN 35

4.1 Khái quát và công dụng 35

4.2 Phân loại và cấu tạo 35

4.2.1 Phân loại 35

4.2.2 Cấu tạo 35

4.2.2.1 Nam châm điện xoay chiều 35

4.2.2.2 Nam châm điện một chiều 36

4.3 Một số ứng dụng của nam châm điện 36

4.3.1 Khớp ly hợp điện từ 36

4.3.2 Bàn nam châm điện 36

4.3.3.1.Van điện từ 37

4.3.3.2 Phanh hãm điện từ 37

4.3.4.Nam châm điện phân ly 37

PHẦN II: CÁC LOẠI KHÍ CỤ ĐIỆN 39

CHƯƠNG 3: CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN PHÂN PHỐI ĐIỆN NĂNG 39

1 CẦU DAO 39

1.1 Khái quát và công dụng 39

1.2 Kí hiệu, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phân loại 40

1.2.1 Kí hiệu 40

1.2.2 Cấu tạo 40

1.2.3 Nguyên lý hoạt động 41

1.2.4 Phân loại và lựa chọn cầu dao 41

1.2.4.1 Phân loại 41

2.1.1 Khái niệm 42

2.1.2 Yêu cầu 42

2.2 Kí hiệu, cấu tạo và nguyên lý hoạt động 43

2.2.1 Kí hiệu 43

2.2.2 Cấu tạo 43

2.2.1.1 Tiếp điểm 43

2.2.1.2 Bộ dập hồ quang 44

2.2.1.3 Cơ cấu truyền động cắt 44

2.2.1.4 Móc bảo vệ 44

2.2.2 Nguyên lý hoạt động 44

2.3 Phân loại, các thông số định mức và cách lựa chọn CB 45

2.3.1 Phân loại 45

2.3.2 Các thông số định mức 45

2.3.3 Cách lựa chọn 46

3 CẦU CHÌ 47

3.1 Khái niệm và công dụng 47

3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 47

3.2.1 Cấu tạo 47

3.2.2 Nguyên lý hoạt động 48

3.3 Kí hiệu và phân loại 49

3.3.1 Kí hiệu 49

3.3.2 Phân loại 49

4 THIẾT BỊ CHỐNG DÒNG ĐIỆN RÒ 49

4.1 Khái niệm 49

4.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động: 49

4.2.1 Áptômat so lệch: loại DDR (Disjoncteur courant Differentiel Residuel) 50

4.2.2 Cầu dao so lệch 50

4.2.3 Thiết bị chống dòng điện rò RCCB: (Residual Current Circuit Breaker) 51 4.2.4 Công tắc bảo vệ FI 52

Chương 4: KHÍ CỤ ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY 54

1 CÔNG TẮC 54

1.1 Khái niệm và công dụng 54

1.2 Phân loại và cấu tạo 54

1.2.1 Cấu tạo 54

1.2.2 Phân loại 54

1.3 Các yêu cầu thử của công tắc 54

2 NÚT NHẤN 55

2.1 Khái quát, công dụng, kí hiệu 55

2.2 Phân loại và cấu tạo 55

2.2.1 Cấu tạo 55

2.2.2 Phân loại 56

3 BỘ KHỐNG CHẾ 56

3.1 Khái quát và công dụng 56

3.2.2.2 Bộ khống chế hình cam 58

4 ĐIỆN TRỞ VÀ BIẾN TRỞ 58

4.1 Khái quát và công dụng 58

4.1.1 Điện trở. 58

4.1.1.1.Phân loại theo chức năng 59

4.1.1.2.Phân loại theo nguyên liệu làm biến trở 60

4.1.1.3 Kí hiệu điện trở 60

4.1.2.Biến trở 60

4.1.2.1 Phân loại theo cách gọi 60

4.1.2.2.Phân loại theo cách làm nguội 60

4.1.2.3.Ký hiệu biến trở 60

Chương V: KHÍ CỤ ĐIỀU KHIỂN MẠCH ĐIỆN 62

1 CONTACTOR 62

1.1 Khái niệm 62

1.2 Kí hiệu, cấu tạo và nguyên lý hoạt động 63

1.2.1 Kí hiệu 63

1.2.2.1 Nam châm điện 64

1.2.2.2 Hệ thống dập hồ quang điện 65

1.2.2.3 Hệ thống tiếp điểm của contactor 65

1.2.3 Nguyên lý hoạt động của Contactor 65

1.3 Các thông số cơ bản của contactor 66

1.3.2 Điện áp định mức của cuộn dây 67

1.3.3 Dòng điện định mức 67

1.3.4 Khả năng cắt và khả năng đóng 67

1.3.5 Tuổi thọ của contactor 67

1.3.6 Tần số thao tác 67

1.3.7 Tính ổn định lực điện động 67

1.3.8 Tính ổn định nhiệt 67

1.4 Cách lựa chọn 67

2 RƠLE ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ 68

2.1 Khái quát và phân loại 68

2.2 Đặc tính và tham số Rơle 69

2.2.1 Đặc tính 69

2.2.2 Tham số của Rơle 70

2.3 Một số loại rơle thông dụng 71

2.3.1 Rơle điện từ. 71

2.3.1.1 Cấu tạo của rơle điện từ 71

2.3.2 Rơle trung gian 72

2.3.2.1 Cấu tạo của rơle trung gian 72

2.3.2.2 Nguyên lý hoạt động của rơle trung gian 72

2.3.3 Rơle tín hiệu 73

2.3.3.1 Cấu tạo rơle tín hiệu 73

2.3.3.2 Nguyên lý làm việc 73

2.3.4 Rơle dòng điện cực đại 73

2.3.4.1 Khái niệm chung về rơle dòng điện cực đại 73

2.3.5.3 Nguyên lý làm việc 75

2.3.6 Rơle thời gian 76

2.3.6.1 Khái niệm chung và phân loại rơle thời gian 76

2.3.6.2 Rơle thời gian ON DELAY 76

2.3.6.3 Rơle thời gian OFF DELAY 77

3 KHỞI ĐỘNG TỪ 79

3.1 Khái quát và công dụng 79

3.2 Các yêu cầu kỹ thuật 79

3.3 Kết cấu và nguyên lý làm việc 80

3.3.1 Kết cấu 80

3.3.2 Nguyên lý làm việc của khởi động từ 80

3.3.2.1 Khởi động từ và hai nút nhấn 80

3.3.2.2 Khởi động từ đảo chiều và ba nút nhấn 81

3.3.3 Lựa chọn và lắp ráp khởi động từ 82

4 KHUẾCH ĐẠI TỪ 83

4.1 Khái quát và công dụng 83

4.2.Nguyên lý làm việc của KĐT đơn giản 83

4.2.1 Cấu tạo 83

4.2.2 Nguyên lý làm việc 84

4.3.Khuếch đại từ dùng trong máy công cụ 84

5.THIẾT BỊ CẤP NGUỒN DỰ PHÒNG 85

5.1 Khái niệm 85

5.2 Thiết bị cấp nguồn liên tục UPS ( bộ lưu điện) 85

PHẦN III : GIỚI THIỆU ĐẶC TÍNH, KẾT CẤU 88

KHÍ CỤ ĐIỆN CAO ÁP 88

Chương 6 :KHÍ CỤ ĐIỆN CAO ÁP 88

1 MÁY CẮT ĐIỆN CAO ÁP 88

1.1 Khái niệm chung 88

1.2 Phân loại máy cắt 88

1.2.1 Máy cắt nhiều dầu 88

1.2.2 Máy cắt ít dầu 90

1.2.3 MÁY CẮT KHÔNG KHÍ NÉN 91

1.2.3.1 Khái niệm chung 91

1.2.4 MÁY CẮT TỰ SINH KHÍ 92

1.2.4.1.Khái niệm chung 92

1.2.4.2.Cấu tạo 92

1.3 Các thông số của máy cắt 92

1.4 Các yêu cầu của máy cắt 93

2 DAO CÁCH LY (DS: Disconnecting Switch) 93

2.1 Khái niệm chung 93

2.2 Cấu tạo 94

2.3 Phân loại dao cách ly 94

2.4 Chọn dao cách ly 94

4.1 Khái niệm 96

4.2 Nguyên lý hoạt động 97

4.3 Các yêu cầu chính đối với thiết bị chống sét: 97

4.4 Các loại chống sét: 97

4.4.1 Chống sét ống 97

4.4.2 Chống sét van có khe hở phóng điện 98

4.4.3 Chống sét van không khe hở 99

PHẦN IV: ỨNG DỤNG KHÍ CỤ ĐIỆN DÙNG TRONG 101

DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP 101

CHƯƠNG 7: MỘT SỐ SƠ ĐỒ CĂN BẢN VỀ NGUYÊN LÝ 101

1 MẠCH ĐIỆN KHỞI ĐỘNG - DỪNG MỘT ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA 101

1.1 Nguyên lý 101

1.2 Sơ đồ mạch 101

1.3 Trang bị điện của mạch 101

1.4 Thứ tự thực hiện 102

1.5 Ưu – Nhược điểm của mạch trên so với đóng cắt động cơ 3 pha bằng cầu dao hoặc áptomát 102

2 MẠCH ĐIỆN KHỞI ĐỘNG THỨ TỰ HAI ĐỘNG CƠ 3 PHA 102

2.1 Nguyên lý hoạt động 102

2.2 Sơ đồ mạch 102

2.3 Trang bị điện của mạch 102

2.4 Thứ tự thực hiện 103

3 MẠCH ĐIỆN ĐẢO CHIỀU ĐỘNG CƠ KĐB BA PHA 104

3.1 Nguyên lý 104

3.2 Sơ đồ mạch 104

3.3 Trang bị điện của mạch 104

3.4 Thứ tự thực hiện 105

4 MẠCH ĐIỆN KHỞI ĐỘNG MỘT CƠ BA PHA-TỰ ĐỘNG DỪNG 105

4.1 Nguyên lý 105

4.2 Sơ đồ mạch 106

4.3 Trang bị điện của mạch 106

4.4 Thứ tự thực hiện 106

5 MẠCH ĐIỆN TỰ ĐỘNG KHỞI ĐỘNG THEO THỨ TỰ CỦA HAI ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA 106

5.1 Nguyên lý 106

5.2 Sơ đồ mạch 106

5.3 Trang bị điện của mạch 106

5.4 Thứ tự thực hiện 107

PHẦN KẾT LUẬN 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 109

 Phần nội dung: Được chia làm 4 phần lớn:

 Phần 1: Trình bày những cơ sở lý thuyết của các khí cụ điện Đây là phần quan trọng nhất Toàn bộ các lý thuyết này là cơ sở để xây dựng, tính toán thiết kế và tìm hiểu đặc tính kết cấu một số khí cụ điện điện sẽ được đề cập ở phần sau

 Phần 2: Trình bày nguyên lý, cấu tạo, hoạt động của các loại khí cụ điện hạ áp thường sử dụng trong các nhà máy phát điện, các trạm biến áp, trong các xí nghiệp công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, thủy lợi, giao thông vận tải, quốc phòng  Phần 3: Trình bày sơ lược kết cấu và nguyên lý hoạt động của một số khí cụ điện cao áp Đây là các khí cụ được sử dụng phổ biến trong các hệ thống điện năng như: nhà máy phát điện, các trạm biến áp…vì vậy những lý thuyết về khí cụ này là rất cần thiết

 Phần 4: Trình bày một số mạch điện ứng dụng khí cụ điện thường gặp để vận hành động cơ

 Phần kết luận: Tóm lược những kết quả đạt được khi thực hiện đề tài và những khó khăn trong quá trình thực hiện

PHẦN MỞ ĐẦU



1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:

Vật lý là ngành khoa học tự nhiên nghiên cứu về quy luật vận động của giới tự

nhiên Những thành tựu vật lý được ứng dụng rộng rãi trong đời sống kỹ thuật và

sản xuất Nhất là trong thời đại ngày nay, thời đại của nền khoa học tiên tiến hiện

đại và đang trên đà phát triển thì những thành tựu của vật lý học càng khẳng định

vai trò của mình hơn tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu tìm ra những tri

thức vật lý mới Việc nghiên cứu khoa học nói chung ngành vật lý nói riêng luôn

được thực hiện cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm Lý thuyết không những tiên đoán

được các hiện tượng khoa học mà còn cơ sở giải thích các kết quả thực nghiệm rút

ra được các thông số khoa học kĩ thuật Chính vì vậy, việc nghiên cứu vật lý lí

thuyết luôn giữ vai trò quan trọng Trong đó, môn kĩ thuật điện 2 vật lý là một trong

những môn học làm nhiệm vụ chìa khóa mở cửa gắn vật lý vào trong thực tiễn, đặc

biệt trong khí cụ điện

Hiện nay, ở nước ta hầu hết các hoạt động của xã hội đều gắn với việc sử

dụng điện năng Điện năng không những được sử dụng ở thành phố mà còn được

đưa về nông thôn, miền núi nhờ các trạm phát điện địa phương Cùng với sự phát

triển của điện năng, các khí cụ điện được sử dụng ngày càng tăng lên không ngừng

Chất lượng của các khí cụ điện cũng không ngừng được cải tiến và nâng cao cùng

với sự phát triển của công nghệ mới Vì vậy, khí cụ điện đòi hỏi người làm việc

trong các ngành, nghề và đặc biệt trong nghề điện phải hiểu rõ về cấu tạo, nguyên lý

làm việc, đặc tính kỹ thuật và ứng dụng của từng loại khí cụ điện nắm được các

hiện tượng, nguyên nhân hư hỏng và cách sửa chữa các khí cụ điện, để không

ngừng nâng cao hiệu quả kinh tế, tiết kiệm điện năng trong sử dụng và an toàn cho

người sử dụng

Trong quá trình sử dụng điện thì không tránh khỏi những sự cố, rủi ro xảy ra

như hiện tượng quá điện áp, quá dòng điện, hiện tượng ngắn mạch,… Để bảo đảm

vấn đề an toàn tính mạng cho con người, bảo vệ các thiết bị điện, tránh tổn thất kinh

tế, tránh sự cố đáng tiếc có thể xảy ra khi sử dụng và vận hành các thiết bị điện là

nhiệm vụ hàng đầu Việc ứng dụng khí cụ điện ngày càng được đòi hỏi nhiều hơn,

chất lượng tốt hơn và luôn đổi mới trong công nghệ Chính vì vậy, tôi đã quyết định

chọn đề tài: ”Khí cụ điện” để có cơ hội tìm hiểu kĩ hơn những đặc điểm, tính chất

vật lý ứng dụng trong khí cụ điện, ở đây tôi chỉ nghiên cứu khí cụ điện dưới góc độ

vật lý và những ứng dụng khí cụ điện trong cuộc sống hằng ngày, cũng như việc

phục vụ việc dạy học sau này

1.1 Mục đích nghiên cứu của đề tài:

- Tìm hiểu những đặc điểm cấu trúc, nguyên tắc hoạt động, tính chất của khí cụ

điện

- Tìm hiểu về đặc tính vật lý và những ứng dụng của khí cụ điện thông qua đó

khảo sát tìm hiểu một số sơ đồ mạch điện đặc biệt để ứng dụng trong khí cụ điện

1.2 Giới hạn của đề tài:

- Chỉ tìm hiểu kĩ những tính chất đặc điểm nguyên tắc hoạt động của khí cụ điện

dưới góc độ vật lý

- Do không có điều kiện tiếp xúc trực tiếp các loại khí cụ điện nên tôi chỉ tìm hiểu

các loại khí cụ điện và ứng dụng thường gặp trong cuộc sống thông qua các tài liệu

tham khảo và trên Internet

2 CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI:

Ngày nay với sự phát triển như vũ bão của khoa học và kỹ thuật, con người đã

làm được rất nhiều điều mà trước đây không thực hiện được, chỉ nằm trong trí

tưởng tượng như máy bay, tên lửa, điện thoại di động, năng lượng hạt nhân, thủy

điện….những loại máy móc thiết bị ngày càng phổ biến gắn liền với cuộc sống Đặc

biệt, khí cụ điện được xem là dũng sĩ bảo vệ các thiết bị điện Các loại khí cụ điện

hiện đại được sản xuất ra luôn đảm bảo khả năng tự động hóa cao Để giải quyết

vấn đề về mâu thuẩn giữa nhu cầu sử dụng và an toàn khi sử dụng của các dụng cụ

điện tránh khỏi những sự cố, rủi ro xảy ra như hiện tượng quá điện áp, quá dòng

điện, hiện tượng ngắn mạch,… Để bảo đảm vấn đề an toàn tính mạng cho con

người, bảo vệ các thiết bị điện và tránh tổn thất kinh tế có thể xảy ra thì việc ứng

dụng khí cụ điện ngày càng được đòi hỏi nhiều hơn, chất lượng tốt hơn và luôn đổi

mới trong công nghệ Chúng có cấu tạo như thế nào và hoạt động theo nguyên tắc

nào? Còn nhiều điều liên quan chúng mà tại sao chúng có thể bảo vệ được các thiết

bị điện của chúng ta? Chúng hoạt động theo nguyên tắc vật lý nào? Tôi nghiên cứu

về khí cụ điện các nước tiên tiến trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng

Thông qua đó, tôi tìm hiểu về tình hình phát triển điện và các thiết bị bảo vệ điện về

những thuận lợi và thử thách đặt ra phải bảo vệ điện đối với các nước trên thế giới

kể cả Việt Nam

3 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI:

3.1 Phương pháp thực hiện đề tài:

- Để thực hiện đề tài này, tôi đã hoàn thành phần nghiên cứu của mình với phương

pháp sau: Nghiên cứu lý thuyết, phân tích và tổng hợp các tài liệu, các phương pháp

thử nghiệm

- Áp dụng kiến thức vật lý trong việc khảo sát cấu tạo, tính năng kỹ thuật của khí

cụ điện

3.2 Phương tiện thực hiện đề tài:

- Xây dựng cơ sở lý thuyết

- Sử dụng kiến thức vật lý

- Tài liệu tham khảo: Sách, báo, bài giảng, khai thác thông tin trên Internet

- Ý kiến nhận được từ: Giáo viên hướng dẫn, các thầy cô và các bạn

4 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI:

- Nhận đề tài, xác định nhiệm vụ cần đạt được của đề tài

- Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đề tài, tham khảo ý kiến của thầy cô, bạn

bè

- Tổng hợp tài liệu, tiến hành viết đề tài và trao đổi với giáo viên hướng dẫn

- Nộp đề tài cho giáo viên hướng dẫn, giáo viên phản biện, tham khảo ý kiến và

chỉnh sửa

- Viết luận văn hoàn chỉnh

- Báo cáo luận văn

5 CÁC THUẬT NGỮ QUAN TRỌNG TRONG ĐỀ TÀI:

AB Air Breaker( áptômat, cũng gọi là ngắt điện tự động)

CB Circuit Breaker ( áptômat, cũng gọi là ngắt điện tự động)

DDR Áptômat so lệch ( Disjoncteur courant Differentiel Residuel)

ID Cầu dao bảo vệ so lệch ( Interrupteur Differentiel)

RCCB Thiết bị chống dòng điện rò ( Residual Current Circuit

PHẦN NỘI DUNG



PHẦN 1: LÝ THUYẾT CƠ BẢN CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN

CHƯƠNG 1: PHÁT NÓNG KHÍ CỤ ĐIỆN

1 KHÁI NIỆM VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN:

Khí cụ điện (KCĐ) là thiết bị điện dùng để : đóng cắt, điều khiển, kiểm tra, tự

động điều khiển, khống chế các đối tượng điện cũng như không điện và bảo vệ

chúng trong trường hợp có sự cố

Khí cụ điện có rất nhiều chủng loại với chức năng, nguyên lý làm việc và kích

cỡ khác nhau, được dùng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của cuộc sống

2 PHẠM VI ỨNG DỤNG:

Khí cụ điện được sử dụng rộng rãi ở các nhà máy phát điện, các trạm biến áp,

trong các xí nghiệp công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, thủy lợi, giao thông vận

tải, quốc phòng

Ở nước ta khí cụ điện hầu hết được nhập từ nhiều nước khác nhau nên quy cách

không thống nhất, việc bảo quản và sử dụng có nhiều thiếu sót dẫn đến hư hỏng,

gây thiệt hại khá nhiều về kinh tế Do đó, việc nâng cao hiệu quả sử dụng, bổ túc

kiến thức bảo dưỡng, bảo quản và kỹ thuật sửa chữa khí cụ điện phù hợp điều kiện

khí hậu nhiệt đới của ta là nhiệm vụ quan trọng cần thiết đối với thợ điện, học sinh -

sinh viên chuyên ngành điện hiện nay

3 PHÂN LOẠI KHÍ CỤ ĐIỆN VÀ CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN CỦA KHÍ

CỤ ĐIỆN:

3.1 Phân loại khí cụ điện:

3.1.1.Phân loại theo công dụng:

- 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, áptômat, công tắc tơ)

- 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,…)

- 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

- Nhóm KCĐ hạn chế dòng điện ngắn mạch (như điện trở phụ, cuộn kháng,…)

- 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…)

- Nhóm KCĐ làm nhiệm vụ đo lường (như máy biến dòng điện, biến áp đo

lường,…)

3.1.2 Phân loại theo tính chất dòng điện:

- Nhóm KCĐ dùng trong mạch điện một chiều

- Nhóm KCĐ dùng trong mạch điện xoay chiều

3.1.3 Phân loại theo nguyên lý làm việc:

Khí cụ điện được chia các nhóm với nguyên lý điện cơ, điện từ, điện động,

nhiệt, có tiếp xúc và không có tiếp xúc

3.1.4 Phân loại theo điều kiện làm việc:

Loại làm việc vùng nhiệt đới khí hậu nóng ẩm, loại làm việc ở vùng ôn đới, có

loại chống được khí cháy nổ, loại chịu rung động…

3.1.5 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

3.2 Các yêu cầu cơ bản của khí cụ điện:

Để đảm bảo an toàn cho các thiết bị và đảm bảo độ tin cậy của khí cụ điện thì

khí cụ điện phải đảm bảo một số yêu cầu sau:

- Thiết bị điện phải đảm bảo ổn định nhiệt, điện động và ổn định động khi làm việc

bình thường, đặc biệt khi có sự cố trong giới hạn cho phép của dòng điện và điện

áp

- Phải đảm bảo sử dụng được lâu dài đúng tuổi thọ thiết kế khi làm việc với các

thông số kỹ thuật ở định mức

- Vật liệu cách điện phải tốt để khi xảy ra quá áp trong phạm vi cho phép cách

điện không bị chọc thủng

- Thiết bị điện phải đảm bảo làm việc tin cậy, chính xác an toàn, gọn nhẹ, dễ lắp

ráp, dễ kiểm tra sửa chữa

Ngoài ra còn yêu cầu phải làm việc ổn định ở điều kiện khí hậu môi trường mà

khi thiết kế cho phép

4 PHÁT NÓNG TRONG KHÍ CỤ ĐIỆN:

4.1 Khái niệm chung

Ở trạng thái làm việc, trong các bộ phận của 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 của nhiệt năng này làm tăng nhiệt độ của TBĐ, còn một phần khác

tỏa ra môi trường xung quanh

Ở chế độ xác lập nhiệt, nhiệt độ của thiết bị không tăng lên nữa mà đạt trị số ổn

định, còn toàn bộ nhiệt năng tỏa 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 8oC so với nhiệt độ cho phép ở chế

độ dài hạn thì tuổi thọ của cách điện giảm 50%

Với vật liệu dẫn điện thông dụng nhất là Cu, nếu tăng nhiệt độ từ 100oC đến

250oC thì độ bền cơ giảm 40%, khi độ bền cơ của chúng giảm nên lực điện động

trong trường hợp ngắn mạch sẽ làm 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

: nhiệt độ phát nóng

 =  - 0: là độ chênh nhiệt so với nhiệt độ môi trường, ở vùng ôn đới cho phép

 = 350C, vùng nhiệt đới  = 500C Sự phát nóng thiết bị điện còn tùy thuộc vào

chế độ làm việc

ôđ = ôđ - 0 : độ chênh nhiệt độ ổn định

4.2 Các dạng tổn hao

Trong TBĐ có các dạng tổn hao năng lượng chính sau :

 Tổn hao trong các chi tiết dẫn điện

 Tổn hao trong các chi tiết bằng vật liệu sắt từ

 Tổn hao điện môi.

4.2.1 Tổn hao trong các chi tiết dây dẫn

Năng lượng tổn hao trong dây dẫn do dòng điện i đi qua trong thời gian t

được tính theo công thức sau :



t

Rdt i W

0 2

Điện trở dây dẫn R phụ thuộc vào điện trở suất vật liệu, kích thước dây dẫn,

ngoài ra còn phụ thuộc vào tần số dòng điện, vị trí của dây dẫn nằm đơn độc hay

gần dây dẫn khác có dòng điện đi qua

4.2.2 Tổn hao trong các phần tử sắt và điện môi

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

Dưới tác dụng của điện trường biến thiên, trong vật liệu cách điện sẽ sinh ra

tổn hao điện môi

4.3 Tính toán tổn thất điện năng trong khí cụ điện:

- Tổn thất điện năng trong khí cụ điện được tính:

(1.1)

Trong đó: Q: Điện năng tổn thất (J)

i: Dòng điện trong mạch (A)

R: Điện trở của khí cụ ()

t: Thời gian có dòng điện chạy qua (s)

- Đối với dây dẫn đồng chất

Trong đó: 0: Điện trở suất của vật liệu ở 0oC

l: Chiều dài dây dẫn

s

l ).

1 (

R  o    dm



t R i Q t 0

2





 đm: Nhiệt độ cho phép ở chế độ định mức

S: Tiết diện có dòng điện chạy qua

4.4 Các chế độ phát nóng của khí cụ điện:

4.4.1 Khái niệm:

Dòng điện chạy trong vật dẫn làm khí cụ điện nóng lên (theo 1.1) Nếu

nhiệt độ vượt quá giá trị cho phép, khí cụ điện sẽ mau hỏng, vật liệu cách điện sẽ

chóng lão hóa và độ bền cơ khí sẽ giảm đi nhanh chóng

Bảng 1.1: Nhiệt độ cho phép của các bộ phận trong khí cụ điện

Các vật liệu làm khí cụ điện chủ yếu

110 Vật liệu không bọc cách điện hay để xa vật cách

điện

75 Dây nối tiếp xúc cố định

75 Tiếp xúc dạng hình ngón của đồng và hợp kim

đồng

110 Tiếp xúc trượt của đồng và hợp kim đồng

120 Tiếp xúc má bạc

110 Vật không dẫn điện và không bọc cách điện

Y 90 Giấy, vải sợi, lụa, phíp, cao su, gỗ và các vật liệu

tương tự các loại nhựa như: nhựa polietilen, nhựa polistirol, vinyl clorua, anilin

A 105 Giấy, vải sợi, lụa tẩm dầu, cao su nhân tạo, nhựa

polieste, các loại sơn cách điện có dầu làm khô

E 120 Nhựa tráng polivinylphocman, poliamit, eboxi

giấy ép hoặc vải có tẩm nhựa phenolfocmandehit (gọi chung là bakelit giấy) Nhựa

melaminfocmandehit có chất độn xenlulo Vải có tẩm poliamit nhựa poliamit, nhựa phênol - phurol

có độn xenlulo

B 130 Nhựa polieste, amiăng, mica, thủy tinh có chất

độn Sơn cách điện có dầu làm khô, dùng ở các bộ phận không tiếp xúc với không khí Sơn cách điện alkit, sơn cách điện từ nhựa phenol Các loại sản phẩm mica (micanit, mica màng mỏng) nhựa phênol-phurol có chất độn khoáng Nhựa eboxi, sợi thủy tinh, nhựa melamin focmandehit

F 155 Sợi amiăng, sợi thủy tinh không có chất kết dính

H 180 Xilicon, sợi thủy tinh, mica có chất kết dính

Tuỳ theo chế độ làm việc mà khí cụ điện phát nóng khác nhau Có ba chế

độ làm việc: làm việc dài hạn, làm việc ngắn hạn và làm việc ngắn hạn lặp lại

4.4.2 Các chế độ làm việc của khí cụ điện:

4.4.2.1 Chế độ làm việc lâu dài:

Khí cụ điện làm việc lâu dài, nhiệt độ trong khí cụ điện bắt đầu tăng và đến

nhiệt độ ổn định thì không tăng nữa, lúc này sẽ tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh

bằng nhiệt khí cụ điện nhận trong quá trình làm việc

4.4.2.2 Chế độ làm việc ngắn hạn:

Là chế độ khi đóng điện nhiệt độ của nó không đạt đến nhiệt độ ổn định, sau

khi phát nóng ngắn hạn, khí cụ điện được ngắt nhiệt độ của nó sụt xuống tới mức

không so sánh được với môi trường xung quanh

4.4.2.3 Chế độ ngắn hạn lặp lại:

Nhiệt độ KCĐ tăng lên trong khoảng thời gian KCĐ làm việc, nhiệt độ KCĐ

giảm xuống trong khoảng thời gian KCĐ nghỉ, nhiệt độ giảm chưa đạt đến giá trị

ban đầu thì khí cụ điện làm việc lặp lại Sau một khoảng thời gian, nhiệt độ tăng lên

lớn nhất gần bằng nhiệt độ giảm nhỏ nhất thì KCĐ đạt được chế độ dừng

Hình 1.1: Đồ thị thể hiện chế độ làm việc lâu dài của khí cụ điện

Hình 1.2: Đồ thị thể hiện chế độ làm việc ngắn hạn của khí cụ điện

4.5 Các trạng thái làm việc của khí cụ điện:

4.5.1 Trạng thái làm việc bình thường:

Các KCĐ cũng như các thiết bị điện làm việc với các đại lượng thông số

không vượt quá trị số định mức như các đại lượng về dòng điện, điện áp, công

suất đại lượng định mức là những trị số của các thông số mà thiết bị điện được sử

dụng hết khả năng của chúng, đồng thời đảm bảo làm việc lâu dài

4.5.2 Trạng thái làm việc không bình thường:

Khi một trong các đại lượng vượt quá trị số cho phép gọi là làm việc trong

trạng thái không bình thường

Ví dụ:

- Quá dòng điện (dòng điện vượt quá trị số định mức) như: quá tải, ngắn mạch,

khi đó các tổn hao trong dây quấn và lõi thép vượt quá mức bình thường làm nhiệt

độ tăng cao gây hư hỏng KCĐ

- Quá điện áp (điện áp vượt quá trị số định mức) như trong trường hợp quá điện

áp do sét đánh Khi đó, điện trường trong vật liệu cách điện tăng cao có thể xảy ra

phóng điện, gây hư hỏng cách điện

- Các loại ngắn mạch: ngắn mạch 3 pha, ngắn mạch 2 pha, ngắn mạch 1 pha,

ngắn mạch do chạm đất Khi ngắn mạch dòng điện rất lớn, đây là trường hợp sự cố

của mạch điện nên cần thiết phải có thiết bị bảo vệ

Hình 1.3: Đồ thị thể hiện chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại của khí cụ điện

TÓM LẠI:

Khí cụ điện bảo vệ các thiết bị điện cũng như không điện trong trường hợp có

các sự cố Khí cụ điện phải đảm bảo được các yêu cầu cơ bản khi sử dụng Do đó,

khí cụ điện được phân loại theo yêu cầu sử dụng

Với sự phát triển của ngành công nghiệp điện năng các thiết bị điện dân dụng,

điện công nghiệp cũng như các khí cụ điện được sử dụng ngày càng tăng lên không

ngừng Chất lượng của các khí cụ điện cũng không ngừng được cải tiến và nâng cao

cùng với sự phát triển của công nghệ mới Vì vậy đòi hỏi người làm việc trong các

ngành, nghề và đặc biệt trong các nhà lý thuyết nghiên cứu về điện phải hiểu rõ về

các yêu cầu, nắm vững cơ sở lý thuyết khí cụ điện để nắm vững cấu tạo, nguyên lý

làm việc và ứng dụng của từng loại khí cụ điện để không ngừng nâng cao hiệu quả

kinh tế và tiết kiệm điện năng trong sử dụng

Nội dung chương này nhằm trang bị những kiến thức cơ bản và cần thiết về cơ

sở lý thuyết vật lý để nghiên cứu nhiệt phát ra làm nóng khí cụ điện các điện trở,

chất liệu làm dây dẫn, hiệu điện thế sử dụng và tiết diện dây dẫn Trong khí cụ điện

nhằm ứng dụng có hiệu quả trong ngành điện và thực tiễn



CHƯƠNG 2: TIẾP XÚC ĐIỆN – HỒ QUANG ĐIỆN

NAM CHÂM ĐIỆN – LỰC ĐIỆN ĐỘNG

1 TIẾP XÚC ĐIỆN:

1.1 Khái niệm:

Dòng điện đi từ vật dẫn này qua vật dẫn khác phải đi qua chỗ tiếp xúc Bề mặt

tiếp xúc cho dòng điện đi qua là bề mặt tiếp xúc điện, còn các vật dẫn có bề mặt tiếp

xúc gọi là tiếp điểm

1.2 Các yêu cầu về tiếp xúc điện:

Các yêu cầu cơ bản của tiếp xúc điện:

 Nơi tiếp xúc điện phải chắc chắn, đảm bảo

 Mối nối tiếp xúc phải có độ bền cơ khí cao

 Mối nối không được phát nóng quá giá trị cho phép

 Ổn định nhiệt và ổn định động khi có dòng điện cực đại đi qua

 Chịu được tác động của mội trường (nhiệt độ, chất hóa học…)

Để đảm bảo các yêu cầu trên, vật liệu dùng làm tiếp điểm có các yêu cầu:

 Điện dẫn và nhiệt dẫn cao

 Độ bền chống rỉ trong không khí và trong các khí khác

 Độ bền chống tạo lớp màng có điện trở suất cao

 Độ cứng bé để giảm lực nén

 Độ cứng cao để giảm hao mòn ở các bộ phận đóng ngắt

 Độ bền chịu hồ quang cao (nhiệt độ nóng chảy)

 Đơn giản gia công, giá thành hạ

Một số vật liệu dùng làm tiếp điểm: đồng, bạc, nhôm, vôn-fram…

Một yếu tố chủ yếu ảnh hưởng tới độ tin cậy làm việc và nhiệt độ phát nóng

của tiếp xúc điện là điện trở tiếp xúc Rtx

1.3 Phân loại tiếp xúc điện:

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 tiếp xúc mà có thể làm cho dòng điện chạy hoặc

ngừng chạy từ vật dẫn này sang vật dẫn khác (như các tiếp điểm trong thiết bị đóng

cắt)

 Tiếp xúc trượt: Là vật dẫn điện này có thể trượt trên bề mặt của vật dẫn điện

kia (ví dụ như chổi than trượt trên cổ góp, vành trượt)

Hình 2.1: Tiếp xúc cố định bằng bulông

Hình 2.3: Tiếp xúc trượt của chổi than trên cổ góp máy điện Hình 2.2: Tiếp xúc mở bằng tiếp điểm

Diện tích tiếp xúc còn phụ thuộc vào lực ép lên trên tiếp điểm và vật liệu làm

tiếp điểm, lực ép càng lớn thì diện tích tiếp xúc càng lớn

Diện tích tiếp xúc thực ở một điểm (như mặt cầu tiếp xúc với mặt phẳng) xác

định bởi:

d

F S



Trong đó: F là lực ép vào tiếp điểm [kgf]

d là ứng suất chống dập nát của vật liệu làm tiếp điểm [kg/cm2]

Rõ ràng điện trở tiếp xúc của tiếp điểm ảnh hưởng đến chất lượng của thiết bị

điện, điện trở tiếp xúc lớn làm cho tiếp điểm phát nóng Nếu phát nóng quá mức

cho phép thì tiếp điểm sẽ bị nóng chảy, thậm chí bị hàn dính, hoặc tăng nhanh quá

trình oxít hóa

Trong các tiếp điểm thiết bị điện mong muốn điện trở tiếp xúc có giá trị càng

nhỏ càng tốt, nhưng do thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến Rtx nên không thể

giảm Rtx cực nhỏ được như mong muốn

Nếu tiếp xúc ở n điểm thì diện tích sẽ lớn lên n lần so với biểu thức (2.2)

Dòng điện chạy từ vật này sang vật khác chỉ qua những điểm tiếp xúc, như vậy

dòng điện ở các chỗ tiếp xúc đó sẽ bị thắt hẹp lại, dẫn tới điện trở ở những chỗ này

 Ngoài công thức (2.3) 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 điểm

1.5 Các trạng thái làm việc của tiếp điểm

Độ mở: khoảng cách giữa hai tiếp điểm ở trạng thái cắt ổn định Độ mở liên

quan đến điện áp phóng điện và quá trình dập hồ quang khi cắt Độ mở lớn thì

an toàn nhưng tăng kích thước thiết bị

Độ lún: khoảng cách mà tiếp điểm động có thể di chuyển nếu không bị tiếp

điểm tĩnh cản trở Độ lún bảo đảm tiếp xúc tốt và đảm bảo khi bị ăn mòn, tiếp

điểm vẫn làm việc được

Các kích thước tiếp điểm: phụ thuộc vào dòng điện đi qua tiếp điểm và tuổi

thọ (số lần đóng cắt) của tiếp điểm

Lực ép tiếp điểm: đảm bảo điện trở tiếp xúc tốt Nếu lực bé, điện trở tiếp xúc

lớn, còn lực lớn, điện trở tiếp xúc bé Tùy chủng loại thiết bị, lực ép tiếp điểm

có trị số thích hợp

1.6 MỘT SỐ KẾT CẤU TIẾP ĐIỂM THƯỜNG DÙNG

1.6.1 Tiếp điểm kiểu cầu

Có đặc điểm mỗi pha có hai chổ cắt nên hồ quang bị phân đoạn Tiếp điểm

chuyển động thẳng, lò xo tiếp điểm dạng xoắn, hình trụ làm việc ở chế độ nén Loại

này không có dây dẫn mềm kết cấu đơn giản chắn chắn, thường dùng trong công tắc

tơ, khởi động từ để đóng cắt tải từ xa và khởi động động cơ điện, có dòng điện định

mức từ hàng chục đến 800A

1.6.2 Tiếp điểm kiểu ngón

Có đặc điểm một pha có một chổ cắt và kết cấu điểm động có hình dạng như

ngón tay Vì tiếp điểm động chuyển động quay và một pha chỉ có một chổ cắt nên

có dây dẫn mềm

Hình 2.5: Tiếp điểm kiểu cầu

Hình 2.6: Tiếp điểm kiểu ngón

1.6.3 Tiếp điểm kiểu dao

Dùng cho cầu dao có dòng điện bé, lực ép tiếp điểm của dây nhờ đặc tính đàn

hồi của đồng làm tiếp điểm của dòng điện lớn, cần lực ép lớn hơn có thêm lò xo

dạng lá thép đàn hồi Vì hai má tiếp điểm tĩnh song song với nhau, nên khi ngắn

mạch lực điện động sẽ cùng chiều với lực ép tiếp điểm, đảm bảo điện trở tiếp xúc

bé Dùng cho các loại cầu dao, dao cách ly, thiết bị đóng cắt dòng điện bé ( không

tải) so với dòng điện định mức

1.6.4 Tiếp điểm kiểu nêm

Cho phép dòng điện định mức lớn đi qua và khi có dòng điện ngắn mạch lực

điện động cùng chiều với lực ép tiếp điểm nên đảm bảo tiếp xúc tốt Tuy vậy loại

kết cấu này khó bảo vệ bề mặt khỏi hồ quang, do đó loại này chỉ dùng cho tiếp điểm

cầu dao cách ly cao áp

Hình 2.7: Tiếp điểm kiểu dao

Hình 2.8: Tiếp điểm kiểu nêm

1.6.5 Tiếp điểm kiểu đối

Tiếp điểm động 1 có hình trụ rỗng, thuận tiện cho việc thổi dọc hồ quang Tiếp

điểm tĩnh 2 kiểu trụ, có dây mềm 4 và lò xo hãm xung 3 Loại kết cấu này thường

dùng trong máy cắt cao áp kiểu không khí nén, máy cắt dầu…

1.7 NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG VÀ CÁCH KHẮC PHỤC

1.7.1 Nguyên nhân

1.7.1.1 Ăn mòn kim loại

Trong thực tế chế tạo dù gia công thế nào thì bề mặt tiếp xúc tiếp điểm vẫn còn

những lỗ nhỏ li ti

Trong vận hành hơi nước và các chất có hoạt tính hóa học cao thấm vào và

đọng lại trong những lỗ nhỏ đó sẽ gây ra các phản ứng hóa học tạo ra một lớp màng

mỏng rất giòn

Khi va chạm trong quá trình đóng lớp màng này dễ bị bong ra Do đó bề mặt

tiếp xúc sẽ bị mòn dần, hiện tượng này gọi là hiện tượng ăn mòn kim loại

1.7.1.2 Oxy hóa

Môi trường xung quanh làm bề mặt tiếp xúc bị oxy hóa tạo thành lớp oxit

mỏng trên bề mặt tiếp xúc, điện trở suất của lớp oxit rất lớn nên làm tăng Rtx dẫn

đến phát nóng tiếp điểm

Hình 2.9: Tiếp điểm kiểu đối

Mức độ gia tăng Rtx do bề mặt tiếp xúc bị oxy hóa còn tùy nhiệt độ Ở 20-300 C

có lớp oxít dày khoảng 25.10-6mm

1.7.1.3 Điện thế hóa kim loại

Hai kim loại có điện thế hóa học khác nhau khi tiếp xúc sẽ tạo nên một cặp

hiệu điện thế hóa học, giữa chúng có một hiệu điện thế

Nếu bề mặt tiếp xúc có nước xâm nhập sẽ có dòng điện chạy qua, và kim loại

có điện thế học âm hơn sẽ bị ăn mòn trước làm nhanh hỏng tiếp điểm

1.7.1.4 Hư hỏng do điện

Thiết bị điện vận hành lâu ngày hoặc không được bảo quản tốt lò xo tiếp điểm

bị hoen rỉ yếu đi sẽ không đủ lực ép vào tiếp điểm

Khi có dòng điện chạy qua, tiếp điểm dễ bị phát nóng gây nóng chảy, thậm chí

hàn dính vào nhau Nếu lực ép tiếp điểm quá yếu có thể phát sinh tia lửa làm cháy

tiếp điểm

Ngoài ra, tiếp điểm bị bẩn, rỉ sẽ tăng điện trở tiếp xúc, gây phát nóng dẫn đến

hao mòn nhanh tiếp điểm

Nên sử dụng các vật liệu không bị oxy hóa làm tiếp điểm

Mạ điện các tiếp điểm: với tiếp điểm đồng, đồng thau thường được mạ thiếc,

mạ bạc, mạ kẽm còn tiếp điểm thép thường được mạ cađini, kẽm,

Thay lò xo tiếp điểm: những lò xo đã rỉ, đã yếu làm giảm lực ép sẽ làm tăng

điện trở tiếp xúc, cần lau sạch tiếp điểm bằng vải mềm và thay thế lò xo nén khi lực

nén còn quá yếu

Kiểm tra sửa chữa cải tiến: cải tiến thiết bị dập hồ quang để rút ngắn thời gian

dập hồ quang nếu điều kiện cho phép

Trong các loại khí cụ điện dùng để đóng ngắt mạch điện (cầu dao,

contactor, rơle…) hồ quang thường xảy ra ở các tiếp điểm khi cắt dòng điện Trước

đó khi cách tiếp điểm đóng điện trong mạch có dòng điện, điện áp trên phụ tải là u

còn điện áp trên 2 tiếp điểm a, b bằng 0 Khi cắt điện 2 tiếp điểm a, b rời nhau (h2)

lúc này dòng điện giảm nhỏ Toàn bộ điện áp u đặt lên 2 cực a, b do khoảng cách d

giữa 2 tiếp điểm rất nhỏ nên điện trường giữa chúng rất lớn (vì E U

d

 )

Do nhiệt độ và điện trường ở các tiếp điểm lớn nên trong khoảng không khí

giữa 2 tiếp điểm bị ion hóa rất mạnh nên khối khí trở thành dẫn điện (gọi là plasma)

sẽ xuất hiện phóng điện hồ quang có mật độ dòng điện lớn (104 – 105 A/cm2), nhiệt

độ rất cao (4000 - 50000C) và thường kèm theo hiện tượng phát sáng Điện áp càng

cao dòng điện càng lớn thì hồ quang càng mãnh liệt (Hình 2.6)

Dọc theo chiều dài hồ quang được chia làm 3 vùng: Vùng xung quanh cực âm

(Vùng K) cách cực âm khoảng 10-4 đến 10-5cm, vùng này tuy điện áp nhỏ (8 đến

10V) nhưng khoảng cách rất bé nên cường độ điện trường rất lớn (105 đến

106V/cm) Còn vùng có chiều dài gần hết hồ quang là vùng thân, vùng này có

cường độ điện trường chỉ khoảng 10 đến 50V/cm Vùng còn lại là vùng cực dương

(vùng A) có cường độ điện trường lớn hơn vùng thân nhưng các yếu tố xảy ra ở đây

theo lý thuyết hiện đại thì ít ảnh hưởng đến quá trình phát sinh và dập hồ quang nên

Hồ quang điện được chia làm 2 loại:

 Hồ quang điện có ích: Khi được sử dụng trong các lĩnh vực hàn điện, đun

chảy vật liệu kim loại, luyện thép, làm đèn chiếu sáng,… những lúc này hồ quang

cần được duy trì ổn định

 Hồ quang điện có hại: Khi đóng cắt các thiết bị điện như: contactor, cầu

dao, máy cắt,… hồ quang sẽ xuất hiện giữa các cặp tiếp điểm Hồ quang kéo dài sau

khi các thiết bị điện đã đóng cắt sẽ làm 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 đập tắt hồ quang càng nhanh càng tốt

2.1.2 Tính chất cơ bản của phóng điện hồ quang:

- Phóng điện hồ quang chỉ xảy ra khi các dòng điện có trị số lớn

- Nhiệt độ trung tâm hồ quang rất lớn và trong các khí cụ có thể đến

6000- 8000o K

- Mật độ dòng điện tại Catốt lớn (104105) A/cm2

- Sụt áp ở catốt bằng 10-20V và thực tế không phụ thuộc vào dòng điện

2.1.3 Quá trình phát sinh và dập hồ quang điện:

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) do tác động của nhiệt

2.1.3.1 Quá trình phát sinh hồ quang:

 Đối với tiếp điểm có dòng điện bé: Ban đầu khoảng cách giữa chúng nhỏ trong

khi điện áp đặt có trị số nhất định Vì vậy, trong khoảng không gian này sẽ sinh ra

điện trường có cường độ rất lớn (3.107 V/cm) có thể làm bật điện tử từ catốt gọi là

phát xạ catốt lạnh Số điện tử càng nhiều, chuyển động dưới tác dụng của điện

trường làm ion hóa không khí gây hồ quang

 Đối với tiếp điểm có dòng điện lớn: Lúc đầu mở tiếp điểm, lực ép giữa chúng có

trị số nhỏ nên số tiếp điểm tiếp xúc để dòng điện đi qua ít Mật độ dòng điện tăng

đáng kể đến hàng chục nghìn A/cm2, do đó tại các tiếp điểm sự phát nóng sẽ tăng

đến mức làm chảy kim loại, giọt kim loại đươc kéo căng ra trở thành cầu chất lỏng

và nối liền 2 tiếp điểm này, nhiệt độ của cầu chất lỏng tiếp tục tăng, lúc đó cầu chất

lỏng bốc hơi và trong không gian giữa 2 tiếp điểm xuất hiện hồ quang

 Vì quá trình phát nóng của cầu thực hiện rất nhanh nên sự bốc hơi mang tính

chất nổ dẫn đến sự mài mòn tiếp điểm

2.1.3.2 Quá trình dập tắt hồ quang:

Điều kiện để dập tắt hồ quang là:

 Hạ nhiệt độ hồ quang: Bằng cách dùng hơi khí hoặc dầu làm nguội, dùng

vách ngăn để hồ quang cọ xát

 Chia hồ quang thành nhiều cột nhỏ và kéo dài hồ quang: Dùng vách ngăn

chia thành nhiều phần nhỏ và thổi khí dập tắt

 Dùng năng lượng bên ngoài hoặc chính nó để thổi tắt hồ quang: Năng

lượng của nó tạo áp suất để thổi tắt hồ quang

 Mắc điện trở Shunt để tiêu thụ năng lượng hồ quang (dùng điện trở mắc

song song với hai tiếp điểm sinh hồ quang)

3 LỰC ĐIỆN ĐỘNG:

3.1 Khái niệm:

Lực cơ khí xuất hiện giữa các chi tiết của một mạch vòng dẫn điện và giữa các

mạch vòng gần nhau khi có dòng điện chạy qua được gọi là lực điện động

Ở chế độ làm việc dài hạn, lực điện động sinh ra không lớn vì dòng điện định

mức có trị số bé, do đó LĐĐ trong trường hợp này không ảnh hưởng đến thiết bị

3.2 Phương pháp tính lực điện động:

Để tính toán lực điện động ta có thể dùng 2 phương pháp:

3.2.1 Phương pháp 1: Dựa trên định luật tác dụng tương hổ của dây

dẫn mang dòng điện và từ trường (định luật Biosava Laplax)

Dây dẫn thẳng dài l mang dòng điện I đặt trong từ trường có cảm ứng từ B chịu

tác dụng lực điện từ có giá trị bằng công thức:

F  IBl sin  (2.5)

Trong đó: F:Là lực điện từ (N)

B: Là cảm ứng từ (T)

l: Chiều dài dây dẫn (m)

: là góc lệch giữa chiều của véc tơ cảm ứng từ và chiều của dòng

điện chạy trong dây dẫn

B+

Hình 2.10: Lực điện động trong hai dây dẫn bất kỳ

Hình 2.14: Lực điện động trong dây dẫn thẳng

I

F

l

F

Một hệ gồm hai dây dẫn 1 và 2 đặt tuỳ ý có các dòng điện i1 và i2 chạy qua

Trường hợp này dây dẫn 1 mang dòng điện i1 được coi là đặt trong từ trường

tạo bởi dòng điện i2 chạy trong dây dẫn 2 (ngược lại i2 được coi là đặt trong từ

trường do dòng điện i1 chạy trong dây dẫn 1) Khi đó lực điện động tác dụng giữa 2

2 1

td i i C

F  (N) (2.6)

Trong đó : 0: Hằng số từ 0 = 4.10-7 (H /m)

td: Dây dẫn đặt trong không khí thì độ từ thẩm tương đối (td=1)

C: Hằng số phụ thuộc kích thước hình học của 2 dây dẫn, còn gọi là hệ

số mạch vòng

Nếu thay: 0 vào (2.6) ta có: F = 10 –7 i1 i2 C (N) (2.7)

Trong đó: Dòng điện i1 và i2 tính bằng A (Ampe)

3.2.2 Phương pháp 2: Phương pháp cân bằng năng lượng

Một dây dẫn hay một mạch vòng mang dòng điện i có năng lượng từ tính

theo công thức:

2

2

i L

W  (2.8)

Trong đó: L là hệ số điện cảm của mạch (H)

Hai mạch vòng mang các dòng điện i1 và i2 có năng lượng từ tính theo công thức :

22

2 2 2

2 1

1i L i M i L

W    (2.9) Trong đó: L1, L2: Là hệ số tự cảm của các mạch vòng (H)

M: Là hệ số hỗ cảm của 2 mạch vòng

3.2.3 Hướng của lực điện động

LĐĐ có xu hướng thay đổi vị trí tương hổ của hệ mạch vòng dẫn điện sao cho

năng lượng điện từ của hệ tăng

 Trường hợp dây dẫn song song có dòng điện cùng

chiều, LĐĐ làm 2 dây dẫn hút nhau

i2F

F

 Trường hợp dây dẫn song song có dòng điện ngược

chiều, LĐĐ làm 2 dây dẫn đẩy nhau

 Trường hợp một dây dẫn vuông góc, LĐĐ có xu

hướng duỗi thẳng dây dẫn

 Trường hợp dây dẫn chéo nhau, dưới có một góc vuông, LĐĐ có xu hướng

khép kính góc vuông lại sao cho chiều của hai dòng điện trùng nhau

F

F i1

i2F

F F

i1

i2

F F

i1

i2

3.2.4 Lực điện động của một số dạng dây dẫn:

Tính lực điện động tác dụng lên dây dẫn thẳng mang dòng điện I:

Bài toán: Một dây dẫn mang dòng điện I = 10A, dài 1m, đặt trong từ trường có

cảm ứng từ B = 1T Hướng của từ trường lệch so với hướng của dây dẫn một góc

450:

Giải:

Từ công thức: F = IBl sin(N) = 10*1*1sin 450 = 7,07 N

Tính lực điện động giữa 2 dây dẫn song song có tiết diện tròn mang các dòng điện

i1 và i2 Trong hệ thống gồm 2 dây dẫn song song có tiết diện tròn cách nhau một

khoảng a mang các dòng điện i1 và i2 khi đó (sin = 1)

F

F

i1

i2