Thiết kế máy ngắt SF6

Thiết kế máy ngắt SF6

Đồ án môn khí cụ điện cao áp Đờng Xuân Hùng - CH9 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 ngắt mạch điện một cách tự động khi hệ thống có sự cố và ngắt mạch điện khi muốn nâng cấp và sửa chữa hệ thống điện. Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, máy ngắt ngày một nhỏ hơn, nhẹ hơn và làm việc tin cậy hơn. Trong đó loại máy ngắt SF 6 hiện nay đang đợc sử dụng rộng rãi vì có nhiều u điểm nổi bật hơn các loại máy ngắt khác. Từ năm 1969 trở lại đây ngời ta tìm ra những u điểm nổi bật của khí SF 6 , máy ngắt này đã đợc chế tạo đến cấp điện áp 800 KV và dòng điện lên tới 80 KA. Trong quá trình học tập em nhận đợc đồ án môn học: Thiết kế máy ngắt SF 6 . Em xin chân thành cảm ơn thầy Bùi Tín Hữu đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình hoàn thành đồ án môn học. Sinh viên thực hiện Đờng Xuân Hùng Trang 1 Đồ án môn khí cụ điện cao áp Đờng Xuân Hùng - CH9 mục lục Trang Chơng 1: Giới thiệu chung về máy ngắt SF 6 Chơng 2: Tính chọn kết cấu Chơng 3: Tính toán cách điện Chơng 4: Tính toán mạch vòng dẫn điện Chơng 5: Tính toán lực điện động Chơng 6: Tính toán buồng dập hồ quang Trang 2 Đồ án môn khí cụ điện cao áp Đờng Xuân Hùng - CH9 Chơng 1: Giới thiệu chung về máy ngắt SF 6 1.1. Định nghĩa: Máy cắt là khí cụ điện dùng để đóng cắt mạch điện có điện ở trạng thái bình thờng và tự động đóng cắt mạch điện khi có sự cố. Mắt cắt thực hiện đóng cắt bằng bộ truyền động: bằng tay hoặc tự động. 1.2. Yêu cầu của máy ngắt: - Cắt tự động và đủ nhanh đây là hai yêu cầu quan trọng của máy ngắt. - Làm việc tin cậy. - Có khả năng thực hiên đóng lập lại. - Kích thớc nhỏ, dễ kiểm tra và thay thế. - An toàn khi cắt (không gây cháy nổ, không gây quá điện áp khi cắt). 1.3. Phân loại máy ngắt: Dựa vào môi trờng dập hồ quang * Máy ngắt dầu: Gồm hai loại Máy cắt nhiều dầu. Máy cắt ít dầu. * Máy ngắt khí nén: Dùng không khí nén ở áp suất 16 28 ata để cách điện và dập hồ quang. Máy cắt khí nén chia ra làm ba loại Không có dao cách ly. Có dao cách ly. Máy cắt không khí chèn. * Máy ngắt khí SF 6 : Từ năm 1969 nghiên cứu và sản xuất máy ngắt SF 6 với điện áp cao và siêu cao áp với điện áp định mức nằm trong khoảng 3 800 KV, dòng điện ngắt lên đến 80 KA áp suất khí SF 6 trong buồng dập hồ quang 7 8(ata) vỏ bằng kim loại hoặc bằng sứ cách điện. Để tăng hiệu ứng dập hồ quang trong môi trờng khí và giảm kích thớc cách điện ngời ta sử dụng khí SF 6. Loại khí này có những đặc điểm sau: Trang 3 Đồ án môn khí cụ điện cao áp Đờng Xuân Hùng - CH9 - ở áp suất bình thờng độ bền của khí SF 6 gấp 2,5 lần so với không khí, còn ở áp suất 2 at(0,2 Mpa) độ bền điện áp của khí này tơng đơng với dầu máy biến áp. - Khả năng dập hồ quang của buồng hồ quang dập kiểu thổi dọc khí SF 6 lớn gấp 5 lần so với không khí, vì vậy giảm đợc thời gian cháy của hồ quang, tăng khả năng cắt, tăng tuổi thọ tiếp điểm. - SF 6 là loại khí trơ, không phản ứng với oxy, hiđrô, ít bị phân tích thành các khí thành phần. Một năm giảm 1% khí SF 6 nên lâu phải thay thế. Nhợc điểm chính của loại khí này là nhiệt độ hoá lỏng thấp. ở áp suất 13,1 at(1,31 Mpa) nhiệt độ hoá lỏng của nó là 0 0 C, còn ở áp suất thấp 3,5 at (0,35 Mpa) là -40 0 C. Vì vậy loại SF 6 chỉ dùng ở áp suất không cao để tránh phải dùng thiết bị hâm nóng. Mặt khác khí này chỉ có chất lợng tốt khi không có tạp chất. Máy ngắt SF 6 đợc thiết kế, chế tạo cho mọi cấp cách điện áp cao áp từ 3KV đến 800KV bởi tính năng u việt của nó: khả năng cắt lớn, khích thớc nhỏ gọn, độ an toàn tin cậy cao, tuổi thọ cao, chi phí bảo dỡng thấp. Nhìn qua qua độ bền điện của SF 6 so với các loại khác ta thấy đợc u điểm của loại máy này. U pd (KV) 1 2 p(ata) Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa điện áp phóng điện chọc thủng và áp suất Trang 4 Khí quyển Không khí Dầu biến áp SF 6 Đồ án môn khí cụ điện cao áp Đờng Xuân Hùng - CH9 Chơng 2: tính chọn kết cấu của máy ngắt SF 6 Từ những u điểm của khí SF 6 đã nêu trên nên máy ngắt SF 6 nhỏ gọn hơn máy ngắt dầu, buồng dập hồ quang của máy ngắt SF 6 có áp suất nhỏ hơn máy ngắt không khí nén. Qua quá trình tìm hiểu tài liệu và quan sát thực tế máy ngắt SF 6 em chọn kết cấu máy ngắt SF 6 do hãng Schneider chế tạo. 2.1. Mạch vòng dẫn điện: Mạch vòng dẫn điện là bộ phận dẫn điện vào và lấy điện ra của máy ngắt, hệ thống mạch vòng dẫn điện gồm có: a) Thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh: - Có tiết diện tròn, là trụ rỗng. - Vật liệu làm thanh dẫn là đồng. b) Đầu nối: Đây là một phần tử rất quan trọng, độ bền của nó phụ thuộc rất nhiều vào điện áp đặt lên máy ngắt, nó có chức năng nối các bộ phận của hệ thống mạch vòng dẫn điện với nhau và là nơi đa điện vào và lấy điện ra của máy ngắt. c) Tiếp điểm: Đây là bộ phân quan trọng của khí cụ điện nói chung và máy ngắt nói riêng. Tiếp điểm có chức năng đóng ngắt trong máy ngắt, do đó khi làm việc tiếp điểm phải chịu một dòng điện lớn và phải chịu nhiệt độ rất cao (nhất là khi ngắt mạch). Do vậy, với dòng điện định mức 1000A ta chọn kết cấu tiếp điểm dạng hoa huệ, vật liệu làm tiếp điểm làm bằng đồng là thích hợp nhất. 2.2. Buồng dập hồ quang: Khi đóng cắt giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh có hồ quang phát sinh, hồ quang đực dập tắt trong môi trờng khí SF 6 . Có hai phơng pháp thổi hồ quang: - Thổi từ: Dùng từ trờng để kéo dài hồ quang. Phơng pháp này hiện nay ít dùng. Trang 5 Đồ án môn khí cụ điện cao áp Đờng Xuân Hùng - CH9 - Theo nguyên tắc tự thổi: Dùng cơ cấu pittong tiếp điểm. Qua phân tích ta chọn kết cấu buồng dập hồ quang theo nguyên tắc tự thổi. 2.3. Cơ cấu truyền động: Sử dụng động cơ điện nạp năng lợng vào lo xo ngăt. 2.4. Kết cấu các 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 voà và đầu ra trên một pha còn các pha khác tơng tự nh thế. - Cách điện giữa các bộ phận mang điện với đất ta chọn kết cấu sứ trụ. Trang 6 Đồ án môn khí cụ điện cao áp Đờng Xuân Hùng - CH9 Chơng 3: tính toán cách điện Mục đích của tính toán cách điện là xác định các khoảng cách cách điện cần thiết giữa các phần tử dẫn điện với nhau và với đất, làm sao giữa chúng không xảy ra hiện tợng phóng điện và chọc thủng cách điện. Khi máy làm việc ở chế độ và điều kiện môi trờng nhất định. 3.1. Lập sơ đồ kết cấu và xác định các hình thức phóng điện dễ xảy ra nhất: a) Cách điện của khí cụ điện có tác dụng cách ly các vật dẫn điện với nhau, giữa các pha với nhau và các bộ phận mang điện với đất. Cách điện gồm hai loại: - Cách điện bọc trực tiếp lấy thanh dẫn điện nh sơn cách điện, vải, giấy, nhựa bakêlit - 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 đòn, sứ ống dânc khí đầu vào b) Yêu cầu của cách điện: - Hoàn toàn loại trừ khả năng chọc thủng cách điện, điện áp phóng điện trên độ bền mặt và độ bền xung. - Tránh không để ion hoá cục bộ. - Hạn chế khả năng sinh ra tia lửa điện, do vậy không đợc để chất 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 điểu kiện khí hậu. c) Tính toán các khoảng cách cách điên: Để đảm bảo an toàn về điện giữa các chi tiết trong máy ngắt và giữa máy ngắt với đất thì cần phải có những khoảng cách thích hợp giữa các bộ phận của máy ngắt với nhau và giữa mắy ngắt với đất để sao cho vừa đủ để an toàn mà không làm cho kích thớc máy ngắt quá lớn. Do đó ta phải tính toán cho thích Trang 7 Đồ án môn khí cụ điện cao áp Đờng Xuân Hùng - CH9 hợp các khoảng cách cách điện giữa các chi tiết của máy ngắt và khoảng cách cách điện giữa máy ngắt và đất. Từ kết cấu sơ bộ máy ngắt ta xác định các khoảng cách cách điện nh sau: Máy ngắt SF 6 có vỏ làm bằng sứ cách điện tiêu chuẩn có thể chịu đợc điện áp phóng điện cao và đợc gắn cố định. Dựa vào sơ đồ vẽ một pha của máy ngắt ta có: - S 1 là khoảng cách cách điện giữa điểm lấy điện vào và lấy điện ra qua máy ngắt. Môi trờng cách điện là không khí. Dạng phóng điện là phóng điện theo bề mặt của sứ cách. - S 2 là khoảng cách cách điện giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh khi máy ở trang thái ngắt hoàn toàn. Môi trờng cách điện là khí SF 6 . Dạng phóng điện có thể xảy ra là dạng phóng điện giữa mũi và mũi nhọn. - S 3 là khoảng cách cách điện giẵ điểm lấy điện ra và đất. Dang phóng điện là phóng điện theo bề mặt của sứ cách điện. - S 4 là khoảng cách cách điện giữa pha với pha. Môi trờng cách điện là không khí. Dạng phóng điện là thanh và mặt phẳng. 3.2.Xác định điện áp phóng điện tính toán cho các khoảng cách cách điện: Máy ngắt này đợc lắp đặt ngoài trời với điện áp lới là U đm = 24KV. Tra bảng trong sách thiết kế máy ngắt cho ta U pđ = 100KV. Giá trị điện áp phóng điện tính toán trong trờng hợp riêng đơch xác định bằng cách nhân trị số điện áp phóng điện (U pđ ) với hệ số dự trữ (k dt ). Hệ số dự trữ tuỳ thuộc vào điều kiện làm việc và môi trờng cách điện: - Hệ số dự trữ cho khoảng cách trong không khí thì k dt1 = 1. - Hệ số dự trữ cho điện áp phóng điện trên bề mặt sứ trụ đỡ k dt2 = 1,3. - Các khoảng cách cách điện trong buồng dập hồ quang của máy ngắt SF 6 k dt3 = * Đối với khoảng cách S 1 , S 3 xảy ra phóng điện theo bề sứ trụ đỡ ta có điện áp phóng điện tính toán: U pđtt1 = U pđtt3 = 3 pd U K dt2 = 75 (KV) = 3 100 . 1,3 Trang 8 Đồ án môn khí cụ điện cao áp Đờng Xuân Hùng - CH9 * Đối với khoảng cách S 2 xảy ra phóng điện trong môi trờng SF 6 ta có điện áp phóng điện tính toán: U pđtt2 = 3 pd U K dt3 = 86,6 (KV) = 3 100 . 1,5 * Đối với khoảng cách S 4 xảy ra phóng điện trong không khí ta có điện áp phóng điện tính toán: U pđtt4 = U pđ . K dt3 = 100 (KV) = 100 . 1 3.3.Tính các kích thớc cho phép nhỏ nhất của các khoảng cách cách điện: Theo công thức thực nghiệm ta có: * Phóng điện theo bề mặt sứ cách điện: U pđtt = 10,4 . S 0,7 U pđtt1 = U pđtt3 = 10,4 . S 1min 0,7 S 1min = S 3min = 7,0 1 1 4,10 pdtt U = 4286,1 4,10 75 = 16,8 (cm) * Phóng điện trong khí SF 6 mũi nhọn mũi nhọn: U pđtt = 14 + 3,36 . 3S U pđtt2 = 14 + 3,36 . 3S 2min S 2min = 36,3.3 14 2 pdtt U = 7,2 (cm) * Phóng điện trong không khí của thanh mặt phẳng: U pđtt = 4,6S 0,88 U pđtt4 = 4,6 S 4min 0,88 S 4min = 88,0 1 4 6,4 pdtt U = 136,1 6,4 100 = 33 (cm) Trang 9 Đồ án môn khí cụ điện cao áp Đờng Xuân Hùng - CH9 Chơng 4: Tính toán mạch vòng dẫn điện 4.1. Khái niệm: Mạch vòng dẫn điện là mộy bộ phận quan trọng, nó có chức năng dẫn dòng chuyển đổi và đóng cắt mạch điện. Mạch vòng dẫn điện do các bộ phận khác nhau về hình dáng kết cấu hợp thành gồm: thanh dẫn, đầu nối và tiếp điểm. 4.2. Yêu cầu của mạch vòng dẫn điện: - Với dòng điện định mức chảy trong mạch vòng dẫn điện thì nhiệt độ phát nóng cuả các chi tiết mạch vòng không đợc vợt quá nhiệt độ cho phép. - Chịu đợc dòng điện ngắn mạch trong những khoảng thời gian nhất định. - Lực điện động sinh ra khi có dòng ngắn mạch chạy qua không phá hỏng kết cấu của mạch vòng dẫn điện. 4.3. Tính toán nhiệt độ thanh dẫn và đờng kính thanh dẫn điện: Mạch điện dẫn điện của máy ngắt SF 6 tà tổng hợp các phần dẫn điện nh thanh dẫn, xà ngang, dây nối mềm, tiếp điểm động. Trong quá trình làm việc các phần tử này sẽ bị phát nóng. Nguyên nhân là do: Khi dòng điện chạy qua các phần tử đó đều có điện trở tiếp xúc. Nếu điện trở tiếp xúc lớn mà dòng điện lớn thì sẽ dẫn đến sự phát nhiệt càng lớn trên thanh dẫn có thể gây h hỏng. Ngoài chế độ làm việc bình thờng có nghĩa là làm việc với dòng điện định mức, máy ngắt còn làm việc với dòng ngắt mạch trong thời gian rất ngắn khoảng 5 ữ 10 giây. Nhng với thời gian đó cũng đủ làm nóng các bộ phận mang điện của máy ngắt. Cho nên tính toán ổn định nhiệt phải tính cho cả hai trạng thái làm việc: - Sự phát nóng ở chế độ làm việc bình thờng do dòng điện định mức gây ra trong chế độ dài hạn. Đặc điểm của sự phát nóng này là sau khoảng thời gian dài làm việc nhiệt độ của phần dẫn điện sẽ đạt giá trị ổn định. Nhiệt lợng do dòng điện gây ra chỉ bằng nhiệt lợng toả ra môi trờng xung quanh. Trang 10 [...]... đó 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 các nhiệm vụ quan trọng của thiết kế máy ngắt Trong tính toán cần phải xác định các tham số của thiết bị và các đặc tuyến của nó: Các tham số của thiết bị dập hồ quang gồm: - Số lợng và kích thớc chính của các đờng rãnh... dẫn đến hỏng máy cắt + Thiết bị dập hồ quang của máy ngắt SF6 đợc thực hiện trong dạng buồng kín, đợc đổ đầy khí SF6 và trong đó có chứa tiếp điểm tĩnh và tiếp điểm động + Khí SF6 có khả năng dập hồ quang và có độ bền điện tốt do đó có khả năng chế tạo những buồng dập hồ quang dòng điện lên đến 80KA và điện áp lên đến 800KV + Kích thớc buồng dập hồ quang máy cắt SF6 nhỏ gọn hơn máy cắt dầu, máy cắt không... 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 tiến hành trớc khi tính và gia công các khâu của máy ngắt Thiết bị dập hồ quang điện máy ngắt phải thỏa mãn yêu cầu: + Dập tắt hồ quang điện chắc chắn ở các điện áp định mức cho trớc, khi ngắt các... Trong khi tính toán và thiết kế bị dập hồ quang các tham số cho trớc gồm: + Sơ đồ kết cấu của thiết bị + Loại và tính chất của môi trờng dập hồ quang + Điện áp định mức đặt vào tất cả các khoảng cách của máy ngắt đóng liên tiếp giữa các tiếp điểm với nhau và phân bố điện áp giả định (hay đã tính trớc) theo từng khoảng cách riêng + Trị số dòng điện ngắt giới hạn lớn nhất và công suất ngắt định mức + Tần... + Dòng điện phụ tải của hệ thống tiếp điểm thiết bị dập hồ quang khi làm việc dài hạn + áp suất khí cho trớc trong bình chứa và trong các ống dẫn khí + Thời gian dập hồ quang và chu trình thao tác quy định Trang 27 Đồ án môn khí cụ điện cao áp Đờng Xuân Hùng - CH9 + Giả định các bố trí thiết bị dập hồ quang trong máy ngắt Thiết bị dập hồ quang của máy cắt SF6 có tác dụng dập tắt hồ quang một cách nhanh... (lít/giây) Xác định áp suất khi nén Pnén - Xét ở trọng thái ngắt ta xác định áp suất của khí SF6 ở nửa bình phía trớc pittông V21 Pnén = V Pbd 22 Với: Pbd : là áp suất của khí SF6 trong buồng dập hồ quang ở trạng thái không đóng ngắt Ta chọn Pbd = 3 ata V21 thể tích khí SF6 ở trên pittông V22 thể tích khí SF6 ở dới pittông Tổng thể tích khí SF6 trong bình dập hồ quang V21 + V22 = D 2 z 4 Trang 29 Đồ... điện xuyên qua giới hạn của máy ngắt + Các tiêu chuẩn nhiệt độ phát nóng cho phép của tiếp điểm Dựa vào trị số dòng điện định mức và các điều kiện làm việc (tách rời có dòng điện hay không có dòng điện) để chọn kiểu và kết cấu tiếp điểm Khi tính toán thiết kế cần xác định + Số lợng các bộ phận điện của hệ thống tiếp điểm và các kích thớc chúng (thanh, tâm, khối) + Lực nén cần thiết cho từng tiếp điểm... thọ điện của máy cắt: Nc = 1000 Nd = 100 Khi máy ngắt ở chế độ đóng hoàn toàn khe hở giữa các phiến bằng 2 mm Đờng kính trong bằng đờng kính thanh dẫn Chọn bề dày a sao cho đảo bảo dòng điện đi qua trong chế độ làm việc dài hạn cũng nh ngắn mạch phải đợc đảm bảo Ta chọn diện tích mặt cắt ngang S mc của tiếp điểm tơng đơng diện tích mặt cắt ngang của thanh dẫn động Khi máy ngắt ở chế độ ngắt các phiến... 6: Tính toàn buồng dập hồ quang Trong máy ngắt cao áp thiết bị dập hồ quang là bộ phận quan trọng nhất, khi ngắt mạch điện ở đó xảy ra các quá trình cơ bản dập hồ quang và tiếp theo đó là phục hồi độ bền điện giữa các khoảng cách tiếp điểm Quá trình xảy ra rất phức tạp phụ thuộc vào sự làm việc của kiểu thiết bị dập hồ quang, phụ thuộc khả năng dập hồ quang của thiết bị và phụ thuộc vào đặc tuyết V-A... trình: V 4,72 21 Pnén = V Pbd = 2,345 3 = 6 ata 22 Nhận xét: Với áp suất này vận tốc của khí SF6 qua lỗ thổi khí có thể đạt đợc vận tốc tới hạn Tính toán vận tốc thanh dẫn động: Từ đồ thị máy ngắt dầu vẽ đờng đặc tính quan hệ giữa vận tốc thanh dẫn động và khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh của máy ngắt SF6 gấp 1,5 lần Tra đồ thị ta lấy vận tốc của thanh dẫn động là 4m/s Từ vận tốc tra đợc