(Chương 1) khí cụ điện

Trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ sở, cơ bản về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một số loại khí cụ điện thông dụng: Cầu dao, cầu chì, aptômát, các loại rơle, máy cắt…trong hệ thống điện. + Cấu tạo, nguyên lý làm việc của các loại khí cụ điện + Phạm vi sử dụng của từng loại trong khí cụ điện

Trang 1

MÔN HỌC

GV: Phạm Văn Minh

Khoa: Điện

KHÍ CỤ ĐIỆN

Trang 2

I MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU MÔN HỌC

 Mục đích

Trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ sở, cơ bản về cấu tạo

và nguyên lý hoạt động của một số loại khí cụ điện thông dụng: Cầu dao, cầu chì, aptômát, các loại rơle, máy cắt…trong hệ thống điện

 Yêu cầu

Sau khi học xong môn học khí cụ điện sinh viên phải nắm được:+ Cấu tạo, nguyên lý làm việc của các loại khí cụ điện

+ Phạm vi sử dụng của từng loại trong khí cụ điện

+ Một số bài tập tính chọn dòng, áp…của từng loại khí cụ điện

Trang 3

II NỘI DUNG MÔN HỌC GỒM: 7 CHƯƠNG

Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện

Chương 2: Mạch từ và nam châm điện

Chương 3: Các khí cụ điện điều khiển – đóng cắt và bảo vệ

Trang 4

III TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bài giảng “Khí cụ điện” Trường Đại học kinh tế kỹ thuật công

nghiệp

[2] Giáo trình “Khí cụ điện” Tác giả Phạm Văn Chới, Bùi Tiến Hữu,

Nguyễn Tiến Tôn Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật - 2004.

[3] Giáo trình “Khí cụ điện” Tác giả Nguyễn Xuân Phú Tô Đằng,

Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật - 1998

[4] Giáo trình “Thiết bị điện” Tác giả Lê Thành Bắc, Nhà xuất bản

Khoa Học Kỹ Thuật - 2001

Trang 5

Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện

1.5 Lực điện động trong khí cụ điện

1.1 Khái niệm, nhiệm vụ, phân loại, các yêu cầu cơ bản

1.2 Sự phát nóng của khí cụ điện

1.3 Tiếp xúc điện và tiếp điểm của thiết bị điện

1.4 Hồ quang điện và phương pháp dập tắt hồ quang điện

Trong chương 1 chúng ta đi nghiên cứu 5 nội dung chính như sau:

Trang 6

1.1 Khái niệm, nhiệm vụ, phân loại, các yêu cầu cơ bản

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 chung trong trường hợp 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

1.1.1 Khái niệm

Trang 7

Trong phạm vi của môn học khí cụ điện này, chúng ta đề cập đến các vấn đề như sau: cơ sở lý thuyết, nguyên lý làm việc, kết cấu và đặc điểm của các loại KCĐ dùng trong ngành điện và trong công nghiệp

Trang 8

Chương 1: Khỏi niệm chung về khớ cụ điện

1.1.2 Nhiệm vụ của khớ cụ điện

+ Khi thiết kế hoặc khi vận hành một hệ thống điện bất kỳ cần phải xét đến khả năng phát sinh đến các h hỏng và tình trạng làm việc không bình th ờng của hệ thống (HT)

+ Các loại h hỏng th ờng xảy ra và nguy hiểm nhất là ngắn mạch, hậu quả của nó là: Gây sự sụt áp trong 1 phần của hệ thống, phá huỷ tình trạng làm việc bình th ờng cuả các hộ tiêu thụ điện Phá huỷ các phần tử

bị h hỏng bằng tia lửa điện Phá hỏng tính ổn định của hệ thống

Trang 9

1.1.3 Phân loại khí cụ điện

1.1.3.1 Phân loại theo công dụng

a, 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, dao cách ly, dao phụ tải, áptômát,…)

b, 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 tự động, …)

Trang 10

c, 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…

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

e, 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 điện…)

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

đo lường,…)

Trang 11

1.1.3.2 Phân loại theo tính chất dòng điện

 Nhóm KCĐ dùng trong mạch điện một chiều

 Nhóm KCĐ dùng trong mạch điện xoay chiều

1.1.3.3 Phân loại theo nguyên lý làm việc

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

từ điện, điện động, nhiệt, có tiếp xúc và không có tiếp xúc

1.1.3.4 Phân loại theo điều kiện môi trường

Có các loại khí cụ điện lắp đặt trong nhà, KCĐ lắp đặt ngoài trời, KCĐ làm việc trong môi trường dễ cháy nổ…

Trang 12

1.1.3.5 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 dưới 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

1.1.4 Các yêu cầu cơ bản về khí cụ điện

a, 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

Trang 13

b, Thiết bị điện phải đảm bảo ổn định lực điện động và ổn định động khi làm việc bình thường, đặc biệt khi sự cố trong giới hạn cho phép của dòng điện và điện áp

c, Vật liệu cách điện chịu được quá áp cho phép

d, Thiết bị điện phải đảm bảo làm việc tin cậy, chính xác an toàn, gọn nhẹ, dễ lắp ráp, dễ kiểm tra sửa chữa

e, Ngoài ra còn yêu cầu phải làm việc ổn định ở điều kiện khí hậu môi trường mà khi thiết kế cho phép

Trang 14

1.2 Sự phát nóng của khí cụ điện

1.2.1 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 1 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 tổn hao cân bằng với nhiệt năng tỏa ra môi trường xung quanh

Trang 15

- 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

Trang 16

Độ tăng nhiệt của thiết bị được tính bằng: τ = θ – θ0

Trong đó: τ là độ tăng nhiệt (còn gọi là nhiệt áp, nhiệt chênh)

θ là nhiệt độ của thiết bị điện, θ0 là nhiệt độ môi trường

1.2.2 Các dạng tổn hao năng lượng

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

Trang 17

1.2.2.1 Tổn hao trong các chi tiết dẫn điện

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

Trang 18

Nếu dây dẫn đồng chất, tiết diện S không đổi, chiều dài l và điện trở suất ρ, nằm độc lập và có dòng điện một chiều đi qua thì điện trở của nó được tính theo công thức:

Trang 19

1.2.2.2 Tổn hao trong phần tử sắt từ 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

Trang 20

Khi bị ngắn mạch, dòng điện chảy trong dây dẫn có trị số rất lớn, gấp vài chục lần dòng điện ở chế độ định mức, nhưng vì thời gian ngắn mạch không dài nên nhiệt độ phát nóng cho phép ở chế độ này thường lớn hơn ở chế độ dài hạn Ví dụ với đồng có cách điện cấp A cho phép đến 2500C khi ngắn mạch, còn ở chế độ dài hạn là 1050C

Vì thời gian ngắn mạch tnm bé nên có thể coi quá trình nhiệt này là quá trình đoạn nhiệt, nghĩa là toàn bộ nhiệt lượng do thiết bị hấp thụ chứ không tỏa ra môi trường xung quanh

1.2.3 Quá trình phát nóng khi ngắn mạch

Trang 21

May 8, 2016 Trang 21

Do đó phương trình cân bằng nhiệt có dạng: (1)

Trong đó R là điện trở của dây dẫn được tính theo công thức:

Kph là hệ số tổn hao phụ tính đến hiệu ứng mặt ngoài và hiệu ứng gần

ρ0 là điện trở suất của vật liệu ở 00C

αT là hệ số nhiệt điện trở của vật liệu dây dẫn

θ là nhiệt độ của dây dẫn

l, q là chiều dài và tiết diện dây dẫn

i R dt C d= θ

Trang 22

0 (1 )

T

C = c + β θ G

CT là nhiệt dung của thiết bị:

C0 là nhiệt dung riêng của vật liệu ở 00C

β là hệ số nhiệt của nhiệt dung riêng

G là khối lượng của vật dẫn

Trang 23

Thay các đại lượng trên vào (1) ta được:

2

0 2

0

(1 ) (1 )

c i

0 0

θ θ

Trang 24

Nếu trị hiệu dụng của dòng điện trong suốt thời gian ngắn mạch là không đổi thì phương trình (3) có thể viết dưới dạng:

Trong đó: là mật độ dòng điện khi ngắn mạch

A θnm, A θ0 là trị số của tích phân vế phải của (3)

nm nm

I j

q

=

Trang 25

1.3 Tiếp xúc điện và tiếp điểm của thiết bị điện

1.3.1 Khái niệm chung về tiếp xúc điện

Tiếp xúc điện là chỗ tiếp giáp giữa hai vật dẫn điện để cho dòng điện chạy từ vật dẫn này sang vật dẫn kia

Bề mặt chỗ tiếp giáp của các vật dẫn điện gọi là bề mặt tiếp xúc điện

1.3.2 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 vit,

Trang 26

 Tiếp xúc đóng mở: là tiếp xúc mà có thể làm cho dòng điện chạy hoặc ngừng chạy từ vật này sang vật 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 vành góp máy điện)

Dựa vào hình dạng chỗ tiếp xúc, ta chia tiếp xúc điện ra các dạng sau:

 Tiếp xúc điểm: là hai vật tiếp xúc với nhau chỉ ở một điểm hoặc trên

bề mặt diện tích với đường kính rất nhỏ (như tiếp xúc hai hình cầu với nhau, hình cầu với mặt phẳng, hình nón với mặt phẳng, )

Trang 27

 Tiếp xúc đường: là hai vật dẫn tiếp xúc với nhau theo một đường thẳng hoặc trên bề mặt rất hẹp (như tiếp xúc hình trụ với mặt phẳng, hình trụ với trụ, )

 Tiếp xúc mặt: là hai vật dẫn điện tiếp xúc với nhau trên bề mặt rộng(ví

dụ tiếp xúc mặt phẳng với mặt phẳng, )

1.3.3 Yêu cầu về tiếp xúc điện

+ Yêu cầu đối với tiếp xúc điện tùy thuộc ở công dụng, điều kiện làm việc, tuổi thọ yêu cầu của thiết bị và các yếu tố khác

+ 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 R

Trang 28

1.3.4 Điện trở tiếp xúc

1.3.4.1 Đại cương về tiếp xúc điện

Xét khi đặt hai vật dẫn tiếp xúc nhau, ta sẽ có diện tích bề mặt tiếp xúc : Sbk= a l

Trang 29

Nhưng trên thực tế diện tích bề mặt tiếp xúc thực nhỏ hơn nhiều a.l

vì giữa hai bề mặt tiếp xúc dù gia công thế nào thì vẫn có độ nhấp nhô, khi cho tiếp xúc hai vật với nhau thì chỉ có một số điểm trên tiếp giáp tiếp xúc

Do đó diện tích tiếp xúc thực nhỏ hơn nhiều diện tích tiếp xúc biểu kiến Sbk= a.l

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

Trang 30

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

d

F S

δ

=

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

δd là ứng suất chống dập nát của vật liệu làm tiếp điểm [kg/cm2] Nếu tiếp xúc ở n điểm thì diện tích sẽ lớn lên n lần so với biểu thức (4)

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 tăng lên

Trang 31

Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm kiểu bất kì tính theo công thức:

( )5

tx m

K R

Trang 32

Ngoài công thức (5) 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:

( )6

Trang 33

+ Do vậy 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

+ 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

Trang 34

1.3.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng của điện trở tiếp xúc

 Vật liệu làm tiếp điểm

 Lực ép tiếp điểm

 Hình dạng của tiếp điểm

 Nhiệt độ của tiếp điểm

 Tình trạng bề mặt tiếp xúc

 Mật độ dòng điện

Trang 35

1.3.5 Tiếp điểm thiết bị điện

1.3.5.1 Vật liệu làm tiếp điểm

Để thỏa mãn tốt các điều kiện làm việc khác nhau của tiếp điểm thiết bị điện thì vật liệu làm tiếp điểm phải có được những yêu cầu cơ bản sau:

 Có độ dẫn điện cao (giảm Rtx và chính điện trở của tiếp điểm)

 Dẫn nhiệt tốt (giảm phát nóng cục bộ của những điểm tiếp xúc)

 Không bị oxy hóa (giảm Rtx để tăng độ ổn định của tiếp điểm)

 Có độ kết tinh và nóng chảy cao (giảm độ mài mòn về điện và giảm sự nóng chảy hàn dính tiếp điểm đồng thời tăng tuổi thọ tiếp điểm)

Trang 36

 Có độ bền cơ cao (giảm độ mài mòn cơ khí giữ nguyên dạng bề mặt tiếp xúc và tăng tuổi thọ của tiếp điểm)

 Có đủ độ dẻo (để giảm điện trở tiếp xúc)

 Dễ gia công khi chế tạo và giá thành rẻ

 Vật liệu là tiếp điểm như: Đồng kỹ thuật, Đồng Cađimi, Bạc, Đồng thau, Các hợp kim đồng khác, Thép có điện trở suất lớn, Nhôm, Vonfram

và hợp kim Vonfram, Vàng và Platin, Than và Graphit, Hợp kim gốm

Trang 37

1.3.6 Nguyên nhân hư hỏng

 Ăn mòn kim loại

Trang 38

+ 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,

+ 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

Trang 39

Chương 1: Khỏi niệm chung về khớ cụ điện

1.4 Hồ quang điện và phương phỏp dập tắt hồ quang điện

1.4.1 Khỏi niệm chung về hồ quang điện

Bản chất của hồ quang điện là hiện t ợng phóng điện trong chất khí với mật độ dòng điện rất lớn (tới khoảng 102 đến 103 A/mm2) có nhiệt

độ rất cao (tới khoảng 5000 đến 60000C) và th ờng kèm theo hiện t ợng phát sáng

+ Hồ quang điện có ích: Hồ quang điện thực sự có ích khi đ ợc sử dụng trong các lĩnh vực nh hàn điện, luyện thép, những lúc này hồ quang cần đ ợc duy trì cháy ổn định

Định dạng
Số trang	61
Dung lượng	2,56 MB