Giáo trình khí cụ điện

Giáo trình khí cụ điện

LỜI NĨI ĐẦU Đất nước Việt Nam cơng cơng nghiệp hố - đại hố, kinh tế đà phát triển, việc sử dụng thiết bị điện, khí cụ điện vào xây lắp khu công nghiệp, khu chế xuất – liên doanh, khu nhà cao tầng ngày nhiều Vì việc tìm hiểu đặc tính, kết cấu, tính tốn lựa chọn sử dụng cần thiết cho sinh viên học ngành Điện Ngồi cần phải cập nhật thêm cơng nghệ không ngừng cải tiến nâng cao thiết bị điện Với vai trò quan trọng xuất phát từ yêu cầu, kế hoạch đào tạo, chương trình mơn học Trường Cao Đẳng Ngoại ngữ - Công nghệ Việt Nhật Chúng biên soạn giáo trình Khí cụ điện gồm phần với nội dung sau: - Phần 1: Lý thuyết khí cụ điện - Phần 2: Tìm hiểu đặc tính, kết cấu, lựa chọn sử dụng khí cụ điện hạ áp - Phần 3: Giới thiệu đặc tính, kết cấu khí cụ điện cao áp - Phần 4: Một số sơ đồ ngun lý điều khiển, vận hành Giáo trình Khí cụ điện biến soạn phục vụ cho công tác giảng dạy giáo viên tài liệu học tập học sinh Do chun mơn thời gian có hạn nên khơng tránh khỏi thiết sót, mong nhận ý kiến đóng góp đồng nghiệp bạn đọc để sách đạt chất lượng cao TÁC GIẢ http://www.ebook.edu.vn PHẦN I: LÝ THUYẾT CƠ BẢN CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN Chương I: PHÁT NĨNG KHÍ CỤ ĐIỆN I KHÁI NIỆM VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN Khái niệm Khí cụ điện thiết bị dùng để đóng cắt, bảo vệ, điều khiển, điều chỉnh lưới điện, mạch điện, loại máy điện máy q trình sản xuất Khí cụ điện làm việc lâu dài mạch dẫn điện, nhiệt độ khí cụ điện tăng lên gây tổn thất điện dạng nhiệt đốt nóng phận dẫn điện cách điện khí cụ Vì khí cụ điện làm việc chế độ nhiệt độ phận phải không giá trị cho phép làm việc an toàn lâu dài Phân loại, yêu cầu khí cụ điện a) Phân loại Khí cụ điện phân loại sau: - Khí cụ điện dùng để đóng cắt mạch điện: Cầu dao, Máy cắt, Aptơmat… - Khí cụ điện dùng mở máy: Cơng tắc tơ, Khởi động từ, Bộ khống chế huy… - Dùng để bảo vệ ngắn mạch lưới điện: Cầu chì, Aptơmat, Các loại máy cắt, Rơle nhiệt… b) Các yêu cầu khí cụ điện Để đảm bảo an toàn cho thiết bị điện đảm bảo độ tin cậy Khí cụ điện Khí cụ điện đảm bảo số yêu cầu: - Khí cụ điện đảm vảo làm việc lâu dài với thông số kỹ thuật trạng thái làm việc định mức: Uđm, Iđm - Ổn định nhiệt, điện động, có cường độ khí cao tải, ngắn mạch, Vật liệu cách điện tốt, không bị chọc thủng q dịng - Khí cụ điện làm việc chắn, an tồn làm việc II TÍNH TỐN TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG KHÍ CỤ ĐIỆN Tổn thất điện khí cụ điện tính theo: http://www.ebook.edu.vn t Q = ∫ I R.t Trong đó: Q: Điện tổn thất i: dòng điện mạch R: Điện trở khí cụ t: Thời gian có dịng điện chạy qua Tuỳ theo khí cụ điện tạo nên từ vật liệu khách quan, kích thước khác nhau, hình dạng khác phát sinh tổn thất khác III CÁC CHẾ ĐỘ PHÁT NĨNG CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN Sau bảng nhiệt độ cho phép số vật liệu: Nhiệt độ cho phép (0C) Vật liệu làm khí cụ điện Vật liệu khơng bọc cách điện để xa cách điện 110 Dây nối dạng tiếp xúc cố định 75 Vật liệu có tiếp xúc dạng hình ngón 75 Tiếp xúc trượt Đồng vầ hợp kim Đồng 110 Tiếp xúc má bạc 120 Vật không dẫn điện không bọc cách điện 110 Vật liệu cách điện Cấp cách nhiệt Nhiệt độ cho phép (0C) Vải sợi, giấy không tẩm cách điện Y 90 Vải sợi, giấy có tẩm cách điện A 105 Hợp chất tổng hợp E 120 Mica, sợi thuỷ tinh B 130 Mica, sợi thuỷ tinh có tẩm cách điện F 155 Chất tổng hợp Silic H 180 Sứ cách điện C >180 http://www.ebook.edu.vn Tuỳ theo chế độ làm việc khác nhau, khí cụ điện có phát nóng khác nhau: Chế độ làm việc lâu dài khí cụ điện Khí cụ điện làm việc lâu dài, nhiệt độ khí cụ điện bắt đầu tăng đến nhiệt độ ổn định không tăng nũa, lúc toả nhiệt môi trường xung quanh Ổn định Bắt đầu t(s) Chế độ làm việc ngắn hạn khí cụ điện Chế độ làm việc ngắn hạn khí cụ điện chế độ đóng điện nhiệt độ khơng đạt tới nhiệt độ ổn định, sau phát nóng ngắn hạn, khí cụ ngắt nhiệt độ sụt xuống tới mức không so sánh với môi trường xung quanh Ổn định Phát nóng Bắt đầu t(s) Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại khí cụ điện Nhiệt độ khí cụ điện tăng lên khoảng thời gian khí cụ làm việc, nhiệt độ giảm xuống khoảng thời gian khí cụ nghỉ, nhiệt độ giảm chưa đạt đến giá trị ban đầu khí cụ điện làm việc lặp lại Sau khoảng thời gian, nhiệt độ tăng lên lớn gần nhiệt độ giảm nhỏ khí cụ điện đạt chế độ dừng http://www.ebook.edu.vn CÂU HỎI CHƯƠNG 1 Nêu khái niệm, phân loại yêu cầu khí cụ điện Trình bày chế độ phát nóng khí cụ điện Chương 2: TIẾP XÚC ĐIỆN - HỒ QUANG I TIẾP XÚC ĐIỆN Khái niệm Tiếp xúc điện nơi mà dòng điện từ vật dẫn sang vật dẫn khác Bề mặt tiếp xúc hai vật dẫn gọi tiếp xúc điện Các yêu cầu tiếp xúc điện: - Nơi tiếp xúc điện phải chắn, đảm bảo - Mối nơi tiếp xúc phải có độ bền khí cao - Mối nối khơng phát nóng gía trị cho phép - Ổn định nhiệt ổn định động có dịng điện cực đại qua - Chịu tác đông môi trường (nhiệt độ, chất hoá học ) Để đảm bảo yêu cầu trên, vật liều dùng làm tiếp điểm có yêu cầu: - Điện dẫn nhiệt dẫn cao - Độ bền chổng rỉ khơng khí 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 phận đóng ngắt - Độ bền chịu hồ quang cao (nhiệt độ nóng chảy) - Đơn giản gia công, giá thành hạ http://www.ebook.edu.vn Một số vật liều dùng làm tiếp điểm: Đồng, Bạc, Nhôm, Vonfram Phân loại tiếp xúc điện Dựa vào kết cấu tiếp điểm, có loại tiếp xúc điện sau: a) Tiếp xúc cố định Các tiếp điể nối cố định với chi tiết dẫn dòng điện là: cái, cáp điện, chỗ nối khí cụ vào mạch Trong trình sử dụng, hai tiếp điểm gắn chặt vào nhờ bu – lông, hàn nóng hay nguội b) Tiếp xúc đóng mở Là tiếp xúc để đóng ngắt mạch điện Trong trườnghợp ơhát sinh hồ quang điện, cần xác định khoảng cách tiếp điểm tĩnh động dựa vào dòng điện định mức, điện áp định mức chế độ làm việc khí cụ điện c) Tiếp xúc trượt Là tiếp xúc cổ góp vành trượt, tiếp xúc dễ sinh hồ quang điện Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc - Vật liệu làm tiếp điểm: vật liệu mềm tiếp xúc tốt - Kim loại làm tiếp điểm khơng bị ơxy hóa - Lực ép tiếp điểm lớn tạo nên nhiều tiếp điểm tiếp xúc - Nhiệt độ tiếp điểm cao điện trở tiếp xúc lớn - Diện tích tiếp xúc Thơng thường dùng hợp kim để làm tiếp điểm II HỒ QUANG ĐIỆN Khái niệm Trong khí cụ điện dùng để đóng ngắt mạch điện (cầu dao, contactor, rơle ) chuyển mạch phát sinh tượng phóng điện Nếu dịng điện ngắt 0,1A điện áp tiếp điểm khoảng 250 – 300V tiếp điểm phóng điện âm ỉ Trường hợp dòng điện điện áp cao trị số bảng sau sinh hồ quang điện Vật liệu làm tiếp điểm U(V) I(A) Platin 17 0,9 http://www.ebook.edu.vn 10 Vàng 15 0,38 Bạc 12 0,4 Vonfram 17 0,9 Đồng 12,3 0,43 Than 18 – 22 0,03 Tính chất phóng điện hồ quang - Phóng điện hồ quang xảy dịng điện có trị số lớn Nhiệt độ trung tâm hồ quang lớn khí cụ đến 6000÷80000K - Mật độ dịng điện Catốt lớn (104 ÷ 105)A/cm2 - Sụt áp Catốt 10 ÷ 20V thực tế khơng phụ thuộc vào dịng điện Q trình phát sinh dập hồ quang a) Quá trình phát sinh hồ quang điện: Đối với tiếp điểm có dịng điện bé, ban đầu khoảng cách chúng nhỏ tỏng điện áp đặt có trị số định, khoảng khơng gian sinh điện trường có cường độ lớn (3.107V/cm) làm bật điện tử từ Catôt gọi phát xạ tự động điện tử (gọi phát xạ nguội điện tử) Số điện tử nhiều, chuyển động tác dụng điện trường làm ion hố khơng khí gây hồ quang điện Đối với tiếp điểm có dịng điện lớn, q trình phát sinh hồ quang phức tạp Lúc đầu mở tiếp điểm, lực ép chúng có trị số nhỏ nên số tiếp điểm tiếp xúc để dòng điện di qua Mật độ dòng điện tăng đáng kể đến hàng chục nghìn A/cm2, tiếp điểm phát nóng tăng đến mức làm cho nhau, giọt kim loại kéo căng trở thành cầu chất lỏng nối liền hai tiếp điểm này, nhiệt độ cầu chất lỏng tiếp tục tăng, lúc cầu chất lỏng bôc hới không gian hai tiếp điểm xuất hồ quang điện Vì trình phát nóng cầu thực nhanh nên bốc hới mang tính chất nổ Khi cầu chất lỏng cắt kéo theo mài mòn tiếp điểm, điều quan trọng ngắt dòng điện lớn hay q trình đóng mở xảy thường xun b) Quá trình dập tắt hồ quang điện http://www.ebook.edu.vn 11 Điều kiện dập tắt hồ quang trình ngượi lại với trình phát sinh hồ quang: - Hạ nhiệt độ hồ quang - Kéo dài hồ quang - Chia hồ quang thành nhiều đoạn nhỏ - Dùng lượng bên ngồi để thổi tắt hồ quang - Mắc điện trở Shunt để tiêu thụ lượng hồ quang Thiết bị để dập tắt hồ quang - Hạ nhiệt độ hồ quang cách dùng khí dầu làm nguội, dùng vách ngăn để hồ quang cọ xát - Chia hồ quang thành nhiều cột nhỏ kéo dài hồ quang cách dùng vách ngăn chia thành nhiều phần nhỏ thổi khí dập tắt - Dùng lương bên ngồi để thổi tắt hồ quang, lượng tạo áp suất để thổi tắt hồ quang - Mắc điện trở Shunt để tiêu thụ lượng hồ quang (dùng điện trở mắc song song với hai tiếp điểm sinh hồ quang) CÂU HỎI CHƯƠNG Nêu khái niệm, phân loại tiếp xúc điện Nêu khái niệm, tính chất phóng điện hồ quang PHẦN II: TÌM HIỂU ĐẶC TÍNH, KẾT CẤU, TÍNH TỐN LỰA CHỌN SỬ DỤNG KHÍ CỤ ĐIỆN HẠ ÁP Chương 3: KHÍ CỤ ĐIỆN ĐÓNG NGẮT - BẢO VỆ MẠCH ĐIỆN A – CB (CIRCUIT BREAKER) I KHÁI NIỆM VÀ YÊU CẦU CB (CB viết tắt từ danh từ Circuit Breaker), CB khí cụ điện dùng đóng ngắt mạch điện (một pha, ba pha); có cơng dụng bảo vệ q tải, ngắn mạch, sụt áp mạch điện Chọn CB phải thoả mãn ba yêu cầu sau: http://www.ebook.edu.vn 12 - Chế độ làm việc định mức CB thải chế độ làm việc dài hạn, nghĩa trị số dòng điện định mức chạy qua CB lâu tuỳ ý Mặt khác, mạch dòng điện CB phải chịu dịng điện lớn (khi có ngắn mạch) lúc tiếp điểm đóng hay đóng - CB phải ngắt trị số dòng điện ngắn mạch lớn, vài chục KA Sau ngắt dịng điện ngắn mạch, CB đảm bảo làm việc tốt trị số dòng điện định mức - Để nâng cao tính ổn định nhiệt điện động thiết bị điện, hạn chế phá hoại dòng điện ngắn mạch gây ra, CB phải có thời gian cắt bé Muốn thường phải kết hợp lực thao tác học với thiết bị dập hồ quang bên CB II CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Cấu tạo a) Tiếp điểm CB thường chế tạo có hai cấp tiếp điểm (tiếp điểm hồ quang), ba cấp tiếp điểm (chính, phụ, hồ quang) Khi đóng mạch, tiếp điểm hồ quang đóng trước, tiếp điểm phụ, sau tiếp điểm Khi cắt mạch ngược lại, tiếp điểm mở trước, sau đến tiếp điểm phụ, cuối tiếp điểm hồ quang Như hồ quang cháy tiếp điểm điểm hồ quang, đo bảo vệ tiếp điểm để dẫn điện Dùng thêm tiếp điểm phụ để tránh hồ quang cháy lan vào làm hư hại tiếp điểm b) Hộp dập hồ quang Để CB dập hồ quang tất chế độ làm việc lưới điện, người ta thường dùng hai kiểu thiết bị dập hồ quang là: Kiểu nửa kín kiểu hở Kiểu nửa kín dặt vỏ kín CB có lỗ khí Kiểu có dịng điện giới hạn cắt khơng q 50KA Kiểu hở dùng giới hạn dòng điện cắt lớn 50KA điện áp lớn 1000V (cao áp) Trong buồng dập hồ quang thông dụng, người ta dùng thép xếo thành lưới ngăn, để phân chia hồ quang thành nhiều đoạn ngắn thuận lợi cho việc dập tắt hồ quang c) Cơ cấu truyền động cắt CB Truyền động cắt thường có hai cách: Bằng tay điện (điện từ, động điện) http://www.ebook.edu.vn 13 Điều kiển tay thực với CB có dịng điện định mức khơng lớn 600A Điều khiển điện từ (nam châm điện) ứng dụng CB có dịng điện lớn (đến 1000A) Để tăng lực điều khiển tay người ta dùng tay dài phụ theo nguyên lý đòn bẩy Ngồi cịn có cách điều khiển động điện khí nén d) Móc bảo vệ CB tự động cắt nhờ phần tử bảo vệ - gọi móc bảo vệ, tác động mạch điện có cố q dịng điện (q tải hay ngắn mạch) sụt áp Móc bảo vệ dòng điện (còn gọi bảo vệ dòng điện cực đại) để bảo vệ thiết bị điện khong bị tải ngắn mạch, đường thời gian – dòng điện móc bảo vệ phải nằm đường đặc tính đối tượng cần bảo vệ Người ta thường dùng hệ thống điện tử rơle nhiệt làm móc bảo vệ, đặt bên CB Móc kiểu điện từ có cuộn dây mắc nối tiếp với mạch chính, cuộn dây quấn tiết diện lớn chịu dòng tải vòng Khi dòng điện vượt trị số cho phứp phần ứng bị hút dập vào khớp rơi tự do, làm tiếp điểm CB mở Điều chỉnh vít để thay đơi lực kháng lị xo, ta điều chỉnh trị số dòng điện tức động Để giữ thời gian boả vệ tỉ kiểu điện từ, người ta thêm cấu giữ thời gian Móc kiểu rơle nhiệt đơn giản cả, có kết cấu tương tự rơle nhiẹt có phần tử phát nóng đấu nối tiếp với mạch điện chính, kim loại kép dãn nở làm nhả khớp rơi tự để mở tiếp điểm CB có tải Kiểu có nhược điểm qn tính nhiệt lớn nên khơng ngắt nhanh dịng điện tăng vọt có ngắn mạch, bảo vệ dịng điện q tải Vì người ta thường sử dụng tổng hợp móc kiểu điện từ móc kiểu rơle nhiệt CB Loại dung CB có dịng điện đính mức đến 600A Móc bảo vệ sụt áp (cịn gọi bảo vệ điện áp thấp) thường dung kiểu điện từ Cuộn dây mắc song song với mnạch điện chính, cuộn dây quấn vịng với dây tiết diện nhỏ chịu điện áp nguồn Nguyên lý hoạt động a) Sơ đồ nguyên lý CB dòng điện cực đại (hình vẽ 1.1) http://www.ebook.edu.vn 14 ... máy điện máy trình sản xuất Khí cụ điện làm việc lâu dài mạch dẫn điện, nhiệt độ khí cụ điện tăng lên gây tổn thất điện dạng nhiệt đốt nóng phận dẫn điện cách điện khí cụ Vì khí cụ điện làm việc... CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN Chương I: PHÁT NĨNG KHÍ CỤ ĐIỆN I KHÁI NIỆM VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN Khái niệm Khí cụ điện thiết bị dùng để đóng cắt, bảo vệ, điều khiển, điều chỉnh lưới điện, mạch điện, loại máy điện. .. lưới điện: Cầu chì, Aptơmat, Các loại máy cắt, Rơle nhiệt… b) Các yêu cầu khí cụ điện Để đảm bảo an tồn cho thiết bị điện đảm bảo độ tin cậy Khí cụ điện Khí cụ điện đảm bảo số yêu cầu: - Khí cụ điện