Thiết kế máy ngắt chân không

Thiết kế máy ngắt chân không

é ỏn mụn hc: Khớ c in Mục lục Chơng I: Giới thiệu về máy ngắt chân không- lựa chọn phơng án thiết kế Chơng II: Tính toán các khoảng cách cách điện Chơng III: Tính toán mạch vòng dẫn điện Chơng IV: Chọn kết cấu và kiểm nghiệm buồng dập hồ quang Chơng V: Tính lực điện động - Lp TB T , CH 9 1 é ỏn mụn hc: Khớ c in Lời nói đầu Điện năng là nguồn năng lợng quan trọng trong sản xuất và sinh hoạt .Nó có u điểm là dễ sản xuất và truyền tải. Trong quá trình truyền tải phải sử dụng điện áp cao, vì thế vấn đề đóng cắt và bảo vệ mạch điện cao áp nảy sinh ngời ta đã dùng các loại máy ngắt. Máy ngắt sẽ ngắn mạch điện một cách tự động khi hệ thống có sự cố và có thể ngắt mạch điện bằng tay khi cần sửa chữa và nâng cấp hệ thống điện. Với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật, máy ngắt ngày một nhỏ hơn, nhẹ hơn và làm việc tin cậy hơn. Trong đó loại máy ngắt chân không hiện nay đang đợc sử dụng rông rãi vì có nhiều u điễm nổi bạt hơn các loại máy ngắt khác.Do độ bền cách điện của môi trờng chân không rất cao nên các loại máy ngắt chân không có u điểm là kết cấu gọn nhẹ làm việc tin cậy va có độ an toàn cao. Trong quá trình làm đồ án em đợc nhận đề tài: thiết kế máy ngắt chân không loại máy ngắt mà hiện nay đang đợc nghiên cứu,phát triển để đợc đa vào sử dụng rộng rãi hơn ở nớc ta điều này đã giúp em tiếp cận với thực tế hơn . Em xin chân thành cảm ơn thầy Bùi Tín Hữu đã giúp em hoàn thành đồ án này. H N i: ng y 25 tháng 5 năm 2007 Sinh viên: - Lp TB T , CH 9 2 é ỏn mụn hc: Khớ c in Chơng i Giới thiệu về máy ngắt chân không phân tích lựa chọn phơng án thiết kế I). Gới thiệu chung về máy ngắt chân không 1. Khái niện: Máy ngắt chân không là loại máy ngắt hồ quang đợc dập tắt trong môi trờng chân không bằng cách tạo ra quãng đứt trong mạch điện ở độ chân không cao 10 4 - 10 6 mm Hg. ở máy ngắt chân không áp suất trong buồng dập rất thấp dới 10 4 Pa do có mật độ không khí rất thấp: hành trình tự do của phân tử đạt 50m còn hành trình tự do của điện tử đạt tới 300m, cho nên độ bền điện trong chân không khá cao, hồ quang sẽ bị dập tắt và có điều kiện cháy lại sau khi dòng điện qua trị số không. ở áp suất 10 4 Pa, độ bền điện đạt tới 100 kV/ mm. Vì vậy với điện áp trung áp ( đến 35 kV ) độ mở của tiếp điểm của buồng cắt chân không khoảng 6 25 mm. Việc sử dụng chân không làm môi trờng dập hồ quang trong máy ngắt là do chân không có đặc điểm sau : + Độ bền điện cao + Phục hồi nhanh chóng độ bền điện của khoảng trống hồ quang Tính chất này của chân không có đợc là do môi trờng chân không có mật độ phân tử khí rất nhỏ dẫn đến khả năng va đập và ion hoá các phân tử khí khi hồ quang cháy là rất thấp. *) u điểm của máy ngắt chân không . - Kích thớc nhỏ gọn, không gây cháy nổ . - Tuổi thọ cao khi cắt dòng định mức ( đến 10000 lần đóng cắt ). - Vận hành và bảo dỡng đơn giản, gần nh không cần bảo dỡng định kỳ vì loại máy ngắt này đợc sử dụng khá phổ biến ở lới điện áp trung áp và chủ yếu dùng lắp đặt trong nhà. - Dòng điện cắt đến 50kA, thời gian cháy của hồ quang ngắn cỡ 15ms. 2) Nguyên lý dập hồ quang trong môi tr ơng chân không . Đối với máy ngắt thì việc dập tắt hồ quang một cách nhanh chóng khi nó phát sinh là rất quan trong và ảnh hởng đến chất lợng của máy ngắt. Đối với máy ngắt chân không thì hồ quang đợc dập tắt nh sau : Khi hai tiếp điểm tách rời nhau thì từ âm cực các điện tử đợc giải phóng và chuyển động về phía dơng cực. Giữa hai tiếp điểm tồn tại một điện trờng đợc gia tốc độ và đập vào bề mặt dơng cực nó có tốc độ rất lớn phá huỷ dơng cực. - Lp TB T , CH 9 3 é ỏn mụn hc: Khớ c in Từ cực dơng giải phóng ra các ion dong. Các ion này chuyển động về âm cực. Sự chuyển động qua lại của các điện tử và ion là nguyên nhân xuất hiện và duy trì dòng hồ quang. Khi các điện tử và các ion chuuyển động ngợc chiều nhau song song với quá trình ion hoá là quá trình phản ứng ion hoá cũng sảy ra rất mạnh. Tại thời điểm đầu tiên khi dòng hồ quang qua trị số 0 hơi kim loại khuyếch tán trong bình chân không do mật độ các phân tử khí trong bình rất thấp nên ít sảy ra ion hoá, ngăn chặn hồ quan cháy lại lần thứ hai. Đối với máy ngắt chân không sau khoảng 10 5 s dòng điện qua trị số không khi khoảng cách cấch điện còn nhỏ thì độ bền điện đã đợc phục hồi. 3) Một số loại máy ngắt chân không có mặt trên thị tr ơng Việt Nam hiện nay. Mặc dù nớc ta do một số điều kiện cha sản xuất máy ngắt nhng thị trờng Việt Nam vẫn rất đa dạng với sự tham gia của các hãng sản xuất máy ngắt trên thế giới nh : ABB, Siemens, sneichder, các hãng sản xuất của Trung Quốc , Hồng Kông 4) Lựa chọn ph ơng án thiết kế. Các loại máy ngắt nói chung và máy ngắt chân không nói riêng có kết cấu khá đa dạng và phông phú. Mỗi kiểu máy ngắt có thể đợc thực hiện với nhiều phơng án kết cấu khác nhau, mỗi phơng án trính bày dới dạng một sơ đồ biểu hiện các đặc điểm chính của kết cấu đó. Sơ đồ kết cấu của máy ngắt cần thể hiện đợc : + Số lợng khoảng ngắt dòng điện trong mỗi pha, cách bố trí tơng đối của tiếp điểm. + Số lợng, vị trí, cách bố trí tơng đối của thiết bị dập hồ quang. + Kết cấu của mạch vòng dẫn điện và cách bố trí tơng đối của các bộ phận dẫn điện. + Phơng pháp cách điện. + Cách bố trí định hớng các trụ kim loại sứ. + Cấu trúc và cách bố trí của bộ truyền động cơ khí. + Cách bố trí tơng đối của máy ngắt và bộ truyền động. Qua tham khoả các dạng kết cấu máy ngắt khác nhau của một số hãng sản xuất máy ngắt ở cấp điện áp và dòng điện tơng ứng. Em lụa chọn kết cấu của hãng ABB nh sau: Sơ đồ kết cấu máy ngắt chân không 22kV - Lp TB T , CH 9 4 Ðồ án môn học: Khí cụ điện 1. §Çu vµo 2 Buång ng¾t ch©n kh«ng - Lớp TBĐ – ĐT , CH 9 5 é ỏn mụn hc: Khớ c in 3 Sứ bảo vệ cách điện 4 Đầu ra 5 Thanh dẫn 6 lò xo tiếp điểm 7 cổ cách điện 8 trục giữ 9 Bộ phận điều chỉnh khoảng cách giữa các tiếp điểm 10 Cảm biến vị trí bảo vệ cách điện 11 Cuộn đóng 12 Nam châm vĩnh cửu 13 Thanh nam châm chuyển động trong lòng cuộn dây 14 Cuộn ngắt 15 Bộ phận đóng ngắt băng tay Máy ngắt đợc thiết kế có những kết cấu gồm những phần chính sau: 1.Mạch vòng dẫn điện Mạch vòng dẫn điện là bộ phận dẫn điện vào và lấy điện ra của máy ngắt nó gồm có: a) Thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh + Tiết diện hình tròn và chữ nhật + Vật liệu làm bằng đồng b) Đầu nối Yêu cầu của đầu nối là phải tạo ra đợc lực ép cần thiết để điện trở tiếp xúc nhỏ hơn giá trị cho phép. Để tạo ra lục ép cần thiết ta sử dụng các bu lông và ốc viết . c) Tiếp điểm. Đây là bộ phận quan trọng của khí cụ điện nói chung và máy phát nói riêng,với dòng điện định mức 1000A thì nên chọn kết tiếp điểm dạng tiếp xúc mặt hình nón cụt vật liệu làm tiếp điểm là đồng cadini thoả mãn các yêu cầu với dòng điện làm việc lớn ( ví dụ nhiệt độ nóng chảy cao, điện trở suất nhỏ ). 2)Buồng dập hồ quang Khi đóng cắt hồ quang phát sinh nó dợc dập tắt trong môi trơng chân không. Đối với máy ngắt chân không buồng dập hồ quang là bộ phận hết sức quan trọng, đó là một buồng kín có độ chân không cao trong đó có các tiếp điểm tĩnh và tiếp điểm động. 3)Cơ cấu truyền động Sử dụng cơ cấu truyền lực đồng thời kết hợp với việc sử dụng nam châm điện thực hiện thao tác đóng ngắt ( ở đây sử dụng một cuộn dây đóng và một cuộn dây ngắt khi các cuộn dây nam châm điện nam châm diện này đợc cấp điện thì - Lp TB T , CH 9 6 é ỏn mụn hc: Khớ c in nó sẽ sinh ra lực điện từ tác động lên cơ cấu truyền động thực hiện các thao tác đóng ngắt tơng ứng ). 4) Kết cấu bộ phận dẫn điện - Mỗi pha sử dụng một buồng dập hồ quang nên việc tính toán cách điện giữa các pha chỉ cần tính toán ở đầu vào và đầu ra. - Cách điện ở các bộ phận mang điện với đất ta chọn kết cấu sứ trụ ( có thể thay bằng vật liệu dẻo epoxy ) Nguyên lý hoạt động: Máy ngắt đợc thiết kế theo sơ đồ trên có thể làm việc ở hai chế độ tự động và bằng tay. - Chế độ làm việc bằng tay dợc thục hiện bằng thanh truyền lực 15. Khi tác động vào thanh truyền lực 15 thông qua cơ cấu truyền động tác động lực nên cần mang tiếp điểm động thục hiện thao tác đóng ngắt tuỳ theo trạng thái tác động. - Chế độ làm việc tự động đợc thực hiện thông qua nam châm điện, khi có tín hiệu tác động các nam châm này sẽ thực hiện các thao tác đóng ngắt. + Để thực hiện thao tác đóng thì cuộn dây đóng sẽ đợc cấp điện đồng thời cuộn dây ngắt sẽ bi cắt điện. Cuộn đóng đợc cấp điện sẽ tạo ra trong lòng nó một từ trờng. Từ trờng này sẽ tác động lên thanh nam châm vĩnh cửu đặt trong lòng của nó một lực điện từ F dt thông qua bô truyền động tác động lên thanh dẫn động đa tiếp điểm động lại gần tiếp điểm tĩnh và thực hiện thao tác đóng. Tơng tự nh thế khi muốn ngắt mạch thì cấp điện cho cho cuộn ngắt và ngắt điện ở cuộn đóng, cuộn ngắt có điện sẽ sinh ra lực điện từ tác động lên thanh nam châm vĩnh cửu qua bộ truyền động tác động lên thanh dẫn động và đa tiép điểm động ra xa tiếp điểm tĩnh. _ Khi các tiếp điểm ở trạng thái đóng thì lò xo 6 tạo ra lực ép tiếp điểm đồng thời cuộn đồng 11 tác động giữ cho hai tiếp điểm luôn tiếp xũc với nhau một cách chắc chắn. Chú ý; Khi máy ngắt ở trạng thái đóng thì cuộn đóng luôn có điện còn cuộn ngắt không có điện ngợc lại khi máy ngắt ở trang thái ngắt thì cuộn ngắt có điện còn cuộn đóng bị cắt điện. Chơng ii - Lp TB T , CH 9 7 é ỏn mụn hc: Khớ c in tính toán khoảng cách cách điện I) Khái quát chung Cách điện của khí cụ điện có tác dụng cách ly các vật dẫn điện, giữa các pha với nhau và với các bộ phận nối đất. Đối với máy ngắt cần đảm bảo các điều kiện sau: + Giữa các bộ phận mang điện của máy ngắt đối với đất + Giữa các bộ phận mang điện áp khác nhau của một cực khi các tiếp điểm hoàn toần tách rời. + Giữa các phần bên cạnh có các cực có điện áp cao Mức độ cách điện chung cần phải phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật. Mức độ cách điện đợc đảm bảo bằng cách chọn khoảng cách cách điện cần thiết và kích thớc của các bộ phận cách điện ( sứ cách điện, các tấm cách điện, tấm ngăn.) Cách điện gồm hai loại : + Cách điện bọc trực tiếp lấy bộ phận dẫn điện nh sơn cách điện, vải, giấy. + Cách điện có kết cấu riêng ( sứ cách điện). Sứ cách điện gồm nhiều loại với kết cấu và chức năng khác nhau gồm: Sứ trụ, sứ vỏ, sứ kéo, sứ đòn, sứ ống dẫn khí sứ đầu vào Vật liệu cách điện có thể phân loại nh sau: Không khí, dầu, chất rắn, phức hợp và chân không. Độ bền cách điện đợc thể hiện bằng điện áp chọc thủng, điện áp phóng điện trên bề mặt và độ bền xung. Điện áp này gây ra chọc thủng gọi là điện áp choc thủng, còn điên áp gây ra phóng điện trên bề mặt cách điện chất rắn gọi là điện áp phóng điện. Điện áp phóng điện chia ra làm hai loại : Điện áp phóng điện khô và điên áp phóng điện ớt. Nh vậy kết quả tính toán và chọn các khoảng cách cách điện ta có thể xác định đợc kích thớc sơ bộ của máy ngắt cần thiết kế. * Yêu cầu của cách điện: - Hoàn toàn loại trừ khả năng chọc thủng cách điện, phóng điện trên bề mặt và độ bền xung. - Tránh không cho xuất hiện hiện tợng ion hoá cục bộ phóng điện vầng quang trên bề mặt. - Hạn chế tối thiểu khả năng sinh tia lửa điện, không để cấp cách điện gần nơi có hồ quang phát sinh. - Sử dụng tối đa cách điện đúc và cách điện dẻo. - Có thể làm việc trong mọi điều kiện mọi khí hậu. - Lp TB T , CH 9 8 é ỏn mụn hc: Khớ c in II) Tính toán của cách điện. Căn cứ vào yêu cầu của cách điện và kết cấu của máy cắt đã chọn tính toán các khoảng câch cách điện: 1).Khoảng cách cách điện giữa các pha Do chọn kết cấu máy cắt ba pha có ba buồng dập hồ quang riêng rẽ nên ta chỉ cần tính cách điện pha cho các đầu vào của máy ngắt. Sự phóng điện đặc trng nhất giữa pha pha là xảy ra phóng điện thanh thanh không nối đất. - Lp TB T , CH 9 9 é ỏn mụn hc: Khớ c in Điện áp phóng điện tính toán: U pdtt = K dt .U pd Trong đó: U pdtt : Điện áp phóng điện tiêu chuẩn K dt : Hệ số dự trữ do phóng điện trong không khí ta chọn hệ số dự trữ K dt = 1 Điện áp phóng điện tiêu chuẩn ta chọn: U pdtt = 3. U dm = 2.22=66 ( KV ) U pdtt = 1.66= 66 ( KV ) Tra đồ thị hình 1-14KCĐCA suy ra khoảng cách cách điện giữa các pha là: S 1 = 20 ( cm ) 2. Tính toán chiều cao của sứ trụ đỡ ( đây chính là khoảng cách cách điện giữa máy ngắt và đất ): Để cách điện giữa máy và máy ngắt và đất ta dùng sứ trụ. Sứ trụ có tác dụng cố định, đỡ, và cách điện sự phóng điện xảy ra ở đây đặc trng nhất là sự phóng điện theo bề mặt sứ. Ta xác định điện áp phóng điện bề mặt sứ theo công thức: U pdtt = K dt .U pd Ta chọn hệ số dự trữ K dt = 1,5 , và U pd ở đây đợc tính là điện áp pha do sự phóng điện xảy ra ở đây là giữa pha và đất. Điện áp phóng điện tính toán tra trong bảng 1-9 KCĐCA ứng với điện áp pha là: U pha = 22/ 3 = 12,7 ( KV ) Ta đợc U pd = 62,32 ( KV ) Điện áp phóng điện tính toán: U pdtt = 1,5.62,32 =93,5 ( KV ) Từ điện áp phóng điện tính toán ta tra đồ thị điện áp phóng điện khô của sứ cách điện trong không khí ở tần số công nghiệp hình 1- 15 KCĐCA ta suy ra chiều cao của sứ cách điện: S 2 = 31,16 ( cm ) Để đảm bảo ta chọn S 2 = 35( cm ) 3. Xác định chiều cao buồng dập hồ quang: Đây cũng chính là khoảng cách cách điện giữa đầu đa điện áp vào và đầu lấy điện ra của máy ngắt, do đó ở đây có thể xảy ra hiện tợng phóng điện giữa đầu vào và đầu ra của máy ngắt khi máy ngắt ở trạng thái ngắt, và điện áp phóng điện ở đây là điện áp pha, dạng phóng điện xảy ra là phóng điện theo bề mặt sứ. Dạng phóng điện này giống nh ở trên đã tính, ta có khoảng cách cách điện, đồng thời là chiều cao của sứ bao bọc buồng dập hồ quang la: S 2 = 35( cm ) - Lp TB T , CH 9 10 [...]... dập hồ quang trong môi trờng chân không nên các máy ngắt chân không có kích thớc nhỏ gọn hơn so với máy ngắt dầu và máy ngắt không khí Đối với máy ngắt chân không thì việc tạo ra và duy trì môi trờng chân không cho buồng dập hồ quang là rất quan trọng và quyết định đến khả năng làm việc tin cậy của máy ngắt Bởi vì nếu độ chân không trong buồng dập hồ quang không đợc duy trì thì độ bền cách điện giữa khoảng... thiết bị dập hồ quangtrong máy ngắt - Lp TB T , CH 9 23 é ỏn mụn hc: Khớ c in II) Thiết bị dập hồ quang của máy ngắt chân không Thiết bị dập hồ quang là một bộ phận quan trọng của máy ngắt chân không, nó có tác dụng dập tắt hồ quang một cách nhanh chóng để tiếp điểm và các bộ phận khác không bị hồ quang làm nóng chảy dẫn đến hỏng máy cắt Quá trình dập hồ quang của máy ngắt chân không đợc thực hiện trong... của môi trờng chân không đợc sử dụng làm tham số cho trớc để tính toán các khâu khác của máy ngắt liên quan đến các tiếp điểm của thiết bị dập hồ quang (truyền động cơ khí, truyền động bình chứa không khí, van) Nh vậy tính chính xác kích thớc các chi tiết của thiết bị dập hồ quang phải đợc tiến hành trớc khi tính và gia công các khâu khác của máy ngắt Thiết bị dập hồ quang của các máy ngắt hiện đại... Dạng đặc tuyến của quá trình này phụ thuộc vào nguyên tắc tác động của thiết bị và vào các đặc điểm, kết quả từng chi tiết của nó Tính và thiết kế thiết bị dập hồ quang là một trong những nhiệm vụ quan trọng khi thiết kế máy ngắt Trong tính toán cần phải xác định các tham số cảu thiết bị và các đặc tuyến của nó: - - Các tham số của thiết bị dập hồ quang gồm: Số lợng và kích thớc của các đờng rãnh dập... điện ngắt giới hạn lớn nhất và công suất ngắt định mức Tần số của thành phần quá độ điện áp phục hồi và hệ số tăng biên độ Dòng điện phụ tải của hệ thống tiếp điểm thiết bị dập hồ quang khi làm việc dài hạn áp suất không khí (khí) cho trớc trong bình chứa và trong các ống dẫn không khí (nếu thiết kế máy ngắt không khí trụ) Thời gian dập hồ quang và chu trình thao tác quy định Giả định cách bố trí thiết. .. chân không cao trong đó có chứa tiếp điểm tĩnh và tiếp điểm động Chân không có khả năng dập tắt hồ quang do có độ bền cách điện cao khả năng này có đợc là do mật độ các phân tử khí trong môi trờng chân không là rất thấp 10-9mmHg, dẫn đến khả năng ion hoá các phân tử khí khi hồ quang cháy là rất nhỏ Cũng bởi độ bền điện của chân không cao và đặc thù của phơng pháp dập hồ quang trong môi trờng chân không. .. quang qua trị số không hơi kim loại khuyếch tán trong bình chân không do mật độ các phân tử khí trong bình rất thấp nên ít xảy ra ion hoá, ngăn chặn hồ quang cháy lại lần thứ hai Đối với máy ngắt chân không sau khoảng 10-5s dòng điện qua trị số 0 khi khoảng cách cách điện còn nhỏ thì độ bền điện cũng đợc phục hồi III) Thiết kế buồng dập hồ quang - Lp TB T , CH 9 24 é ỏn mụn hc: Khớ c in * )Kết cấu: Buồng... điện áp định mức chi trớc, khi ngắt các dòng điện giới hạn trong một thời gian nhất định dập hồ quang điện nhanh chóng và chắc chắn, không cháy lập lại khi ngắt các dòng điện điện dung của đờng dây không tải và các dòng điện kháng của máy biến áp không tải Làm việc ổn định không thay đổi các đặc tuyến đoạn đầu trong thời gian vận hành quy định và số lần đóng ngắt quy định Kết cấu đơn giản dễ gia công... nhiều, biểu thị của sự phát nóng là năng lợng nhiệt ( Q= I 2 R ) Nhiệm vụ thiết kế tính toán mạch vòng dẫn điện là phải xác định kích thớc của các chi tiết mach vòng dẫn điện Tiết diện và kích thớc của các chi tiết sẽ quyết định cơ cấu của mạch vòng dẫn điện Khi thiết kế tính toán mạch vòng dẫn điện của máy ngắt cần chú ý: Do máy ngắt làm việc với dòng điện và điện áp cao nên các tác tác động nhiệt và... bình thờng của mày ngắt Trong thực tế, ngoài chế độ làm việc bình thờng có nghĩa làm việc với dòng định mức ( Idm ) máy ngắt còn làm việc với dòng ngắn mạch trong thời gian rất ngắn ( 5 10 s ) Mặc dù khi có sự cố bộ truyền động nhanh chóng ngắt mạch trong thời gian rất ngắn nhng với thời gian đó cũng đủ để làm nóng các bộ phận mang điện của máy ngắt Để đảm bảo an toàn cho máy ngắt làm việc thì phải