GIÁO TRÌNH MÔN KHÍ CỤ ĐIỆN

SỰ PHÁT NÓNG 1.2.1.Khái niệm Khi khí cụ điện làm việc lâu dài trong các mạch dẫn điện, nhiệt độ của khí cụđiện tăng lên gây tổn thất điện năng dưới dạng nhiệt năng và đốt nóng các bộ ph

Trường Cao Đẳng - Khoa Điện Điện Tử

LỜI NÓI ĐẦU

Đất nước Việt Nam trong công cuộc công nghiệp hóa - hiện đại hóa, nềnkinh tế đang trên đà phát triển, việc sử dụng các thiết bị điện, khí cụ điện vào trongxây lắp các khu công nghiệp, khu chế xuất - liên doanh, khu nhà cao tầng ngàycàng nhiều Vì vậy việc tìm hiểu đặc tính, kết cấu, tính toán lựa chọn sử dụng rấtcần thiết cho sinh viên - học sinh ngành Điện Ngoài ra cần phải cập nhật thêmnhững công nghệ mới đang không ngừng cải tiến và nâng cao các thiết bị điện, khí

cụ điện được các hãng sản xuất lớn như: Merlin Gerin, Télémécanique, GeneralElectric, Siemens…

Quyển giáo trình này được biên soạn gồm bốn phần:

- Chương 1 : Khái niệm về khí cụ điện.

- Chương 2 : Khí cụ điện đóng cắt.

- Chương 3 : Khí cụ điện bảo vệ.

- Chương 4 :Khí cụ điện điều khiển.

Trong mỗi phần được trình bày cụ thể hình dạng thực tế và ví dụ tính toánchọn lựa cụ thể cho các khí cụ điện nhằm giúp cho sinh viên - học sinh có thể ứngdụng vào thực tế

Trong quá trình biên soạn chắc chắn có sai sót, kính mong được ủng hộ vàgóp ý chân thành từ quý độc giả

TRƯỜNG CAO ĐẲNG

GIÀO TRÌNH Dùng cho các lớp cao đẳng nghề điện

Tài liệu THAM KHẢO Bình Dương năm 2015

Trường Cao Đẳng - Khoa Điện Điện Tử

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN

1.1 KHÁI NIỆM VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN

Khí cụ điện là thiết bị dùng để: đóng cắt, điều khiển, điều chỉnh và bảo vệ hệthống điện Ngoài ra khí cụ điện còn gián tiếp để điều khiển quá trình không điệnkhác

1.2 SỰ PHÁT NÓNG

1.2.1.Khái niệm

Khi khí cụ điện làm việc lâu dài trong các mạch dẫn điện, nhiệt độ của khí cụđiện tăng lên gây tổn thất điện năng dưới dạng nhiệt năng và đốt nóng các bộ phậndẫn điện và cách điện của khí cụ Vì vậy, khí cụ điện làm việc được trong mọi chế

độ khi nhiệt độ của các bộ phận phải không quá những giá trị cho phép làm việc antoàn lâu dài

1.2.2 Tính toán tổn thất điện năng trong khí cụ điện

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

t R i Q

t : thời gian có dòng điện chạy qua

Đối với dây dẫn đồng chất:

s

l

R = ρo(1+α.θñm)

ρo : điện trở suất của vật liệu ở 0PPoPPC

l : chiều dài dây dẫn

α : hệ số nhiệt độ của điện trở

θđm : nhiệt độ cho phép ở chế độ định mức

s : tiết diện có dòng điện chạy qua

Tùy theo khí cụ điện tạo nên từ các vật liệu khác nhau, kích thước khác nhau,hình dạng khác nhau sẽ phát sinh tổn thất khác nhau

1.2.3 Các chế độ phát nóng của khí cụ điện

BẢNG NHIỆT ĐỘ CHO PHÉP CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU:

Vật liệu làm khí cụ điện Nhiệt độ cho phép (PPoPPC)

- Vật liệu không bọc cách điện hoặc để xa chất

Vật liệu cách điện Cấp cách nhiệt Nhiệt độ cho phép(PPoPPC)

- Vải sợi, giấy không tẩm cách điện

- Vải sợi, giấy có tẩm cách điện

- Hợp chất tổng hợp

- Mica, sợi thủy tinh

- Mica, sợi thủy tinh có tẩm cách điện

- Chất tổng hợp Silic

- Sứ cách điện

YAEBFHC

90105120130155180

> 180Tùy theo chế độ làm việc khác nhau, mỗi khí cụ điện sẽ có sự phát nóngkhác nhau

1.2.3.1 Chế độ làm việc lâu dài của khí cụ điện:

Khi khí cụ điện làm việc lâu dài, nhiệt độ trong khí cụ cụ bắt đầu tăng vàđến nhiệt độ ổn định thì không tăng nữa, lúc này sẽ tỏa nhiệt ra môi trường xungquanh

θBB

ổn định BB

θBB

Trường Cao Đẳng - Khoa Điện Điện Tử

1.2.3.2 Chế độ làm việc ngắn hạn của khí cụ điện:

Chế độ làm việc ngắn hạn của khí cụ là chế độ khi đóng điện nhiệt độ của nókhông đạt tới nhiệt độ ổn định, sau khi phát nóng ngắn hạn, khí cụ được ngắt, nhiệt

độ của nó sụt xuống tới mức không so sánh được với môi trường xung quanh

1.2.3.3.Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại của khí cụ điện:

Nhiệt độ của khí cụ điện tăng lên trong khoảng thời gian khí cụ làm việc, nhiệt

độ giảm xuống trong khoảng thời gian khí cụ nghỉ, nhiệt độ giảm chưa đạt đến giátrị ban đầu thì khí cụ điện làm việc lặp lại Sau khoảng thời gian, nhiệt độ tăng lênlớn nhất gần bằng nhiệt độ giảm nhỏ nhất thì khí cụ điện đạt được chế độ dừng

θ BB min BB

t BB làm việc BB t BB

nghỉ BB

+ 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

+ On 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, Von-fram…

1.3.2 Phân loại tiếp xúc điện:

Dựa vào kết cấu tiếp điểm, có các loại tiếp xúc điện sau:

1.3.2.1 Tiếp xúc cố định:

Các tiếp điểm được nối cố định với các chi tiết dẫn dòng điện như là: thanhcái, cáp điện, chỗ nối khí cụ vào mạch Trong quá trình sử dụng, cả hai tiếp điểmđược gắn chặt vào nhau nhờ các bu-lông, hàn nóng hay hàn nguội

1.3.2.2 Tiếp xúc đóng mở :

Là tiếp xúc để đóng ngắt mạch điện Trong trường hợp này phát sinh hồ quangđiện, cần xác định khoảng cách giữa tiếp điểm tĩnh và động dựa vào dòng điệnđịnh mức, điện áp định mức và chế độ làm việc của khí cụ điện

1.3.2.3 Tiếp xúc trượt :

Là tiếp xúc ở cổ góp và vành trượt, tiếp xúc này cũng dễ sinh ra hồ quangđiện

1.3.3 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 không bị ôxy hóa

- Lực ép tiếp điểm càng lớn thì sẽ tạo nên nhiều tiếp điểm tiếp xúc

Trường Cao Đẳng - Khoa Điện Điện Tử

- Nhiệt độ tiếp điểm càng cao thì điện trở tiếp xúc càng lớn

0,90,380,40,90,430,03

1.4.2 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

6000-18000oK

- Mật độ dòng điện tại catốt lớn (104 – 105)A/cm2

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

1.4.3 Quá trình phát sinh và dập tắt hồ quang:

1.4.3.1 Quá trình phát sinh hồ quang điện:

Đối với tiếp điểm có dòng điện bé, ban đầu khoảng cách giữa chúng nhỏ trongkhi điện áp đặt có trị số nhất định, vì vậy trong khoảng không gian này sẽ sinh rađiện trường có cường độ rất lớn (3.107V/cm) có thể làm bật điện tử từ catốt gọi làphát xạ tự động điện tử (gọi là phát xạ nguội điện tử) Số điện tử càng nhiều,chuyển động dưới tác dụng của điện trường làm ion hóa không khí gây hồ quangđiện

Đối với tiếp điểm có dòng điện lớn, quá trình phát sinh hồ quang phức tạphơn Lúc đầu mở tiếp điểm, lực ép giữa chúng có trị sô nhỏ nên số tiếp điểm tiếpxúc để dòng điện đi qua ít Mật độ dòng điện tăng đáng kể đến hàng chục nghìnA/cm2, do đó tại các tiếp điểm sự phát nóng sẽ tăng đến mức làm cho ở nhau, giọtkim loại được kéo căng ra trở thành cầu chất lỏng và nối liền hai tiếp điểm này,nhiệt độ của cầu chất lỏng tiếp tục tăng, lúc đó cầu chất lỏng bốc hơi và trongkhông gian giữa hai tiếp điểm xuất hiện hồ quang điện Vì quá trình phát nóng củacầu thực hiện rất nhanh nên sự bốc hơi mang tính chất nổ Khi cầu chất lỏng cắtkéo theo sự mài mòn tiếp điểm, điều này rất quan trọng khi ngắt dòng điện quá lớnhay quá trình đóng mở xảy ra thường xuyên

1.4.3.2 Quá trình dập tắt hồ quang điện:

Điều kiện dập tắt hồ quang là quá trình ngược lại với quá trình phát sinh hồ

quang

- Hạ nhiệt độ hồ quang

- Kéo dài hồ quang

- Chia hồ quang thành nhiều đoạn nhỏ

- Dùng năng lượng bên ngòai hoặc chính nó để thổi tắt hồ quang

- Mắc điện trở Shunt để tiêu thụ năng lượng hồ quang

Thiết bị để dập tắt hồ quang.

- Hạ nhiệt độ hồ quang bằng cách dùng hơi khí hoặc dầu làm nguội, dùngvách ngăn để hồ quang cọ xát

Trường Cao Đẳng - Khoa Điện Điện Tử

- Chia hồ quang thành nhiều cột nhỏ và kéo dài hồ quang bằng cách dùngvách ngăn chia thành nhiều phần nhỏ và thổi khí dập tắt

- Dùng năng lượng bên ngoài hoặc chính nó để thổi tắt hồ quang, nănglượng của nó tạo áp suất để thổi tắt hồ quang

1.5 LỰC ĐIỆN ĐỘNG TRONG KHÍ CỤ ĐIỆN

Khi lưới điện xảy ra sự cố ngắn mạch, dòng điện sự cố gấp chục lần dòng điệnđịnh mức Dưới tác dụng của từ trường, các dòng điện này gây ra lực điện độnglàm biến dạng dây dẫn và cách điện nâng đỡ chúng

Như vậy khí cụ điện có khả năng chịu lực tác động phát sinh khi có dòng điệnngắn mạch chạy qua là một tiêu chuẩn không thể thiếu của khí cụ điện được gọi làtính ổn định điện động

1.5.1 Phương pháp tính toán lực điện động

Có thể sử dụng một trong hai phương pháp sau để tính lực điện động:

1.5.1.1 Phương pháp dựa trên sự tác dụng giữa dòng điện đặt trong từ trường và cảm ứng từ của từ trường đó.

Gọi :

i là dòng điện chạy qua dây dẫn (A)

l là chiều dài dây dẫn điện

Dl là một nguyên tố của chiều dài dây dẫn điện

B là cảm ứng từ (do dòng điện khác tạo ra)

β

β sin sin

.

0 0

l B i dl B

i dF F

l l

W là năng lượng điện từ

X là đoạn đường dịch chuyển theo hướng tác dụng của lực

F là lực điện động cần tính

2 2 2

2 1

2

1

2

1

i i M i

L i

i i i

L A

2

1

2

1

2

1

2

1.5.2 Tính toán lực điện động giữa các dây dẫn song song

Khi hai dây dẫn đặt song song, lực điện từ sinh ra được tính theo công thức:

dx a x

x a

x

x l i

i a F

l o

1

)1(

4π

µ

Trong đó:

- l1, l2 là chiều dài của hai dây dẫn song song

- i1, i2 là dòng điện qua hai dây dẫn song song

- µo là độ dẫn từ của không khí, µo=4.10-7H/m

- a là khoảng cách giữa hai dây dẫn

- x là đoạn đường dịch chuyển theo hướng tác dụng của lực

Trường Cao Đẳng - Khoa Điện Điện Tử

1.5.2.1 Hai dây dẫn song song có cùng chiều dài

=

l

a l

a a

l i i

2 2

.

4 π µ

Khi khoảng cách giữa dây dẫn bé đáng kể so với chiều dài của chúng:

a

l i i

.

C a

l i i

Trường Cao Đẳng - Khoa Điện Điện Tử

1.5.3 Tính toán lực điện động lên vòng dây, giữa các cuộn dây 1.5.3.1.Tính toán lực trong vòng dây:

R là bán kính của vòng dây dẫn

2r là đường kính của dây dẫn

I là dòng điện chảy trong dây dẫn

2

r

R i

1.5.3.2 Tính toán lực trong vòng dây:

Lực tác động:

2 2

1 2

1

.

.

c h

h R i

trong đó: Im là biên độ của dòng điện, ω là tần số góc.

Nếu các dòng điện trong các dây dẫn có cùng chiều thì các dây dẫn bị hútvào nhau với lực:

t F

F t I

c t I

2

2 cos 1

sin

4π

µ

Fm là trị số lực cực đại

1.5.4.2 Lực điện động trong dòng điện xoay chiều ba pha:

Dòng điện xoay chiều ba pha biến đổi theo quy luật:

π ω

3

4 sin

.

3

2 sin

.

3

2

t I

i

t I

i

m m

Lực tác dụng lên dây dẫn của pha 1:

F1 = F12 + F13

F12 là lực điện động giữa các dây dẫn của pha 1 và 2

F13 là lực điện động giữa các dây dẫn của pha 1 và 3

πωω

πω

ω

πωω

3

4 sin

2

1 3

2 sin

sin

3

4 sin

sin 2

1

3

2 sin

sin

2 1

2 13

2 12

t t

t I

c F

t t

I c F

t t

I c

F

m m m

2

1 sin

3

2 sin

2

1 3

2 sin

sin

Trường Cao Đẳng - Khoa Điện Điện Tử

Thông thường, người ta chọn tần số riêng của các dao động cơ khí lớn hơngấp đôi tần số của lực

1.5.5 Ổn định lực điện động.

Độ bền cơ khí của vật liệu phụ thuộc không chỉ vào độ lớn của lực mà cònphụ thuộc vào chiều, độ dài thời gian tác động và độ dốc tăng lên Khí cụ điện ổnđịnh lực điện động phải thỏa mãn:

- Việc tính toán lực điện động: tính theo dòng điện xung của hiện tượng ngắnmạch

- Việc tính toán độ bền động học khi có hiện tượng công hưởng

1.6 CÔNG DỤNG CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN

Được sử dụng rộng rãi trong gia đình, xí nghiệp, nhà máy điện… Sử dụngtrong các nghành công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, dịch vụ…

Như vậy ở đâu có năng lượng điện là ở đó có khí cụ điện dưới dạng này hoặc dạngkhác

1.7 PHÂN LOẠI KHÍ CỤ ĐIỆN

1.7.1 Phân loại theo công dụng

- Khí cụ điện dùng để đóng cắt lưới điện, mạch điện

VD: CB, công tắc cầu dao, máy cắt

- Khí cụ điện dùng để bảo vệ cho hệ thống điện, mạch điện khỏi sự cố ngắnmạch, quá tải, sụt áp …

VD :CB, rơ le nhiệt, rơ le dòng điện, Rơ le điện áp

- Khí cụ điện dùng để điều khiển khởi động , điều chỉnh tốc động cơ ,điềukhiển điện áp, dòng điện, trì hoãn thời gian

VD: Công tắc tơ, khởi động từ, rơle trung gian, rơ le thời gian, rơ le tốc độ,bộ khống chế, điện trở

- Khí cụ điện dùng trong đo lường như các loại máy biến dòng biến áp đolường

1.7.2 Phân loại theo điện áp và nguồn điện

- Điện áp:

Khí cụ điện dùng trong mạng cao thế U> 1000V

VD: Dao cách ly, máy cắt

Khí cụ điện dùng trong mạng hạ áp U< 1000V

- Theo dòng điện:

Khí cụ điện được thiết kế dùng trong mạng điện một chiều

Khí cụ điện được thiết kế dùng trong mạng xoay chiều

1.7.3 Phân loại theo nguyên lý làm việc

- Khí cụ điện làm việc theo kiểu điện từ

- Khí cụ điện làm việc theo kiểu từ điện

- Khí cụ điện làm việc theo cảm ứng nhiệt độ

- Khí cụ điện làm việc theo nguyên lý áp suất

- Loại có tiếp điểm, loại không có tiếp điểm

Trường Cao Đẳng - Khoa Điện Điện Tử

1.7.4 Phân loại theo điều kiện làm việc và dạng bảo vệ

- Loại chống nổ

- Loại chống rung

- Loại kín, loại hở

- Loại bảo vệ chống khí ăn mòn

1.8 Các yêu cầu cơ bản về khí cụ điện

- Khí cụ điện được chế tạo phải làm việc lâu dài bằng cách sử dụng khí cụ

2.1.1 Khái quát và công dụng:

Cầu dao là một khí cụ điện dùng để đóng cắt mạch điện bằng tay, được sửdụng trong các mạch điện có nguồn dưới 500V,dòng điện định mức có thể lên tớivài KA

Khi thao tác đóng ngắt mạch điện, cần đảm bảo an toàn cho thiết bị dùngđiện Bên cạnh, cần có biện pháp dập tắt hồ quang điện, tốc độ di chuyển lưỡi daocàng nhanh thì hồ quang kéo dài nhanh, thời gian dập tắt hồ quang càng ngắn Vìvậy khi đóng ngắt mạch điện, cầu dao cần phải thực hiện một cách dứt khoát

Thông thường, cầu dao được bố trí đi cùng với cầu chì để bảo vệ ngắn mạchcho mạch điện

Trường Cao Đẳng - Khoa Điện Điện Tử

Phân loại:

Phân loại cầu dao dựa vào các yếu tố sau:

- Theo kết cấu: cầu dao được chia làm loại một cực, hai cực, ba cực hoặcbốn cực

- Cầu dao có tay nắm ở giữa hoặc tay ở bên Ngoài ra còn có cầu dao mộtngả, hai ngả được dùng để đảo nguồn cung cấp cho mạch và đảo chiều quay độngcơ

- Theo điện áp định mức : 250V, 500V

- Theo dòng điện định mức: dòng điện định mức của cầu dao được chotrước bởi nhà sản xuất (thường là các lọai 10A, 15A, 20A, 25A, 30A, 60A, 75A,100A, 150A, 200A, 350A, 600A, 1000A…)

- Theo vật liệu cách điện: có loại đế sứ, đế nhự, đế đá

- Theo điều kiện bảo vệ: lọai có nắp và không có nắp (loại không có nắpđược đặt trong hộp hay tủ điều khiển)

- Theo yêu cầu sử dụng: loại cầu dao có cầu chì bảo vệ ngắn mạch hoặckhông có cầu chì bảo vệ

Ký hiệu cầu dao không có cầu chì bảo vệ:

Ký hiệu cầu dao có cầu chì bảo vệ:

19

2.1.3 Nguyên lý hoạt động:

Khi thao tác trên cầu dao, nhờ vào lưỡi dao và hệ thống kẹp lưỡi, mạch điệnđược đóng ngắt Trong quá trình ngắt mạch, cầu dao thường xảy ra hồ quang điệntại đầu lưỡi dao và điểm tiếp xúc trên hệ thống kẹp lưỡi Người sử dụng cần phảikéo lưỡi dao ra khỏi kẹp nhanh để dập tắt hồ quang

Do tốc độ kéo bằng tay không thể nhanh được nên người ta làm thêm lưỡidao phụ Lúc dẫn điện thì lưỡi dao phụ cùng lưỡi dao chính được kép trong ngàm.Khi ngắt điện, tay kéo lưỡi dao chính ra trước còn lưỡi dao phụ vẫn kẹp trongngàm Lò xo liên kết giữa hai lưỡi dao được kéo căng ra và tới một mức nào đó sẽbật nhanh kéo lưỡi dao phụ ra khỏi ngàm một cách nhanh chóng Do đó, hồ quangđược kéo dài nhanh và hồ quang bị dập tắt trong thời gian ngắn

2.1.4.Tính chọn cầu dao.

Chọn cầu dao theo dòng điện định mức và điện áp định mức:

Gọi Itt là dòng điện tính toán của mạch điện

Unguồn là điện áp nguồn của lưới điện sử dụng

Iđm cầu dao ≥ Itt

Uđm cầu dao ≥ Unguồn

2.1.5 Hư hỏng và nguyên nhân hư hỏng.

Trường Cao Đẳng - Khoa Điện Điện Tử

Hư hỏng thông thường của cầu daolà do:

- Tiếp xúc không tốt giữa lưỡi dao và hàm dao: Lưỡi dao và hàm dao bị oxyhóa dùng giấy nhám đánh sạch lớp oxy hóa

- Lưỡi dao và hàm dao bị biến dạng do sự cố quá tải hay ngắn mạch có thểthay thế từng bộ phận hay mua mới

- Không có điện qua cầu dao có thể tiếp xúc không tốt hay đứt cầu chì, tìmnguyên nhân và sửa chữa

2.2 : CÔNG TẮC VÀ NÚT ĐIỀU KHIỂN.

2.2.1 CÔNG TẮC

2.2.1.1 Khái quát và công dụng:

Công tắc là khí cụ điện dùng để đóng ngắt mạch điện có công suất nhỏ Côngtắc thường có hộp bảo vệ để tránh sự phóng điện khi đóng mơ Điện áp của côngtắc nhỏ hơn hay bằng 500V

Thường dùng để đóng cắt chuyển đổi mạch điện các cuộn dây rơle, công tắc

tơ, trong hệ thốngđiều khiển, hoặc chuyển đổi các mạch trong dụng cụ đo lường, hệthống đo lường

2.2.1.4 Công tắc hành trình

- Là công tắc được đặt trên đường đi của bộ phận máy công tác ở những vị tríthích hợp, công tắc được đóng mở bằng sự tác động cơ học của bộ phận máy diđộng Tiếp điểm của công tắc được đặt trên mạch điều khiển có tiếp điểm thường

hở, thường đóng và tiếp điểm kép

- Về kết cấu có hai lọai : lọai công tắc hành trình kiểu ấn và kiểu quay

- Khi máy di chuyển ấn vào bánh xe của công tắc hành trình → bánh xe quay →đưa tay đòn quay 1 góc 1200 → thông qua thanh truyền 3 con lăn 4 sẽ lăn dọc theomặt ván về phía phải Khi → một vị trí nhất định → cầu bật ra mặt ván do tác dụngcác lò xo, sẽ quay nhanh và nghiêng theo chiều ngược lại → 1 tiếp điểm hở mạch

và 1 tiếp điểm đóng kín

2.2.2 NÚT ĐIỀU KHIỂN

: Các dạng công tắc hành trình

Trường Cao Đẳng - Khoa Điện Điện Tử

2.2.2.1 Khái quát và công dụng

Nút nhấn còng gọi là nút điều khiển là một loại khí cụ điện dùng để đóngngắt từ xa các thiết bị điện từ khác nhau; các dụng cụ báo hiệu và cũng để chuyểnđổi các mạch điện điều khiển, tín hiệu liên động bảo vệ …Ở mạch điện một chiềuđiện áp đến 440V và mạch điện xoay chiều điện áp 500V, tần số 50HZ; 60HZ, nútnhấn thông dụng để khởi động, đảo chiều quay động cơ điện bằng cách đóng vàngắt các cuôn dây của contactor nối cho động cơ

Nút nhấn thường được đặt trên bảng điều khiển, ở tủ điện, trên hộp nút nhấn.Nút nhấn thường được nghiên cứu, chế tạo làm việc trong môi trường không ẩmướt, không có hơi hóa chất và bụi bẩn

Nút nhấn có thể bền tới 1.000.000 lần đóng không tải và 200.000 lần đóngngắt có tải Khi thao tác nhấn nút cần phải dứt khoát để mở hoặc đóng mạch điện

2.2.2.2 Phân loại và cấu tạo

Nút nhấn được phân loại theo các yếu tố sau:

- Phân loại theo chức năng trạng thái hoạt động của nút nhấn, có các loại:+ Nút nhấn đơn:

Mỗi nút nhấn chỉ có một trạng thái (ON hoặc OFF)

Ký hiệu:

+ Nút nhấn kép:

Tiếp điểm thường hở

Tiếp điểm thường đóng

iếp điểm thường hở

liên kếtTiếp điểm thường đóng

Mỗi nút nhấn có hai trạng thái (ON và OFF)

+ Loại bảo vệ chống nước và chống bụi

Nút ấn kiểu bảo vệ chống nước được đặt trong một hộp kín khít để tránhnước lọt vào

Nút ấn kiểu bảo vệ chống bụi nước được đặt trong một vỏ cacbon đút kínkhít để chống âm và bụi lọt vào

+ Loại bảo vệ khỏi nổ

Nút ấn kiểu chống nổ dùng trong các hầm lò, mỏ than hoặc ở nơi có các khí

nổ lẫn trong không khí Cấu tạo của nó đặc biệt kín khít không loạt được tia lửa rangoài và đặc biệt vững chắc để không bị phá vỡ khi nổ

- Theo yêu cầu điều khiển người ta chia nút ấn ra 3 loại: một nút, hai nút, banút

- Theo kết cấu bên trong:

Trường Cao Đẳng - Khoa Điện Điện Tử

2.3 TÍNH CHỌN CÔNG TẮC VÀ NÚT ĐIỀU KHIỂN

Khi sử dụng công tắc, nút điều khiển cần phải chú ý thông số điện áp và dòngđiện chạy công tắc và nút nhán phải phù hợp với thông số kỹ thuật của nhà sảnxuất

2.3.1 Các thông số định mức của công tắc

Uđm: điện áp định mức của công tắc

Iđm: dòng điện định mức của công tắc

Ngoài ra còn có các thông số trong việc thử công tắc như độ bề cơ khí, độcách điện, độ phóng điện…

2.3.2 Các thông số kỹ thuật của nút nhấn:

Uđm: điện áp định mức của nút nhấn

Iđm: dòng điện định mức của nút nhấn

2.4 HƯ HỎNG VÀ SỬA CHỮA CÔNG TẮC VÀ NÚT ĐIỀU KHIỂN

Hư hỏng thông thường là tiếp điểm tiếp xúc không tốt, tiếp điểm bị biến dạng, tiếp điểm bị hàn dính, tiếp điểm bị hỏng

đích đảm bảo an tòan, khiến cho nhân viên sửa chửa thiết bị điện an tâm khi làmviệc.

Dao cách ly không có bộ phận dập tắt hồ quang nên không thể cắt được dòngđiện lớn

2.5.4 Lựa chọn và kiểm tra dao cách ly

Dao cách ly được chọn theo điều kiện định mức, chúng được kiểm tra theođiều kiện ổn định lực điện động và ổn định nhiệt

Trường Cao Đẳng - Khoa Điện Điện Tử

Trong bảng 3.1 tgt là thời gian giả thiết của thành phần chu kỳ, nó chính là thờigian tác động toàn phần của máy cắt để cô lập hoàn toàn sự cố tođ là thời gian ổnđịnh nhiệt, ixk là thành phần xung kích của dòng điện ngắn mạch

Stt Đại lượng lựa chọn và kiểm tra Công thức để chọn và kiểm

Dòng điện ổn định nhiệt trong thời

gian tôđ [A]

UđmDCL ≥UđmL

IđmDCL ≥ ltv max

Imax ≥ ixk

Iođ ≥ I∞

od

gt

t t

Bảng 3.1: Các điều kiện chọn và kiểm tra dao cách ly

2.6: MÁY CẮT ĐIỆN

2.6.1.1 Khái niệm

Máy cắt điện áp cao là thiết bị điện chuyên dùng để đóng ngắt mạch điệnxoay chiều ở tất cả các chế độ vận hành có thể có : đóng ngắt dòng điện định mức,dòng điện ngắn mạch ; dòng điện không tải … Máy cắt là loại thiết bị đóng cắt làmviệc tin cậy song giá thành cao nên máy cắt chỉ được dùng ở những nơi quan trọng

2.6.1.2 Phân lọai máy cắt:

Thông thường máy cắt được phân lọai theo phương pháp dập tắt hồ quang,theo dạng cách điện của phần dẫn điện, theo kết cấu của buồng dập hồ quang

Dựa vào dạng cách điện của các phần dẫn điện, máy cắt được phân thành:

- Máy cắt nhiều dầu : giữa các thành phần dẫn điện được cách điện bằng dầumáy biến áp và hồ quang sinh ra khi cắt máy cắt cũng được dập tắc bằng dầu biếnáp

- Máy cắt ít dầu : giữa các thành phần dẫn điện được cách điện bằng cáchđiện rắn và hồ quang sinh ra khi cắt máy cắt cũng được dập tắt bằng dầu biến áp

- Máy cắt không khí

- Máy ngắt điện từ : Hồ quang được dập trong khe hẹp làm bằng vật liệu rắnchịu được hồ quang, lực điện từ đẩy hồ quang vào khe

- Máy ngắt chân không

2.6.2 Cấu tạo của máy cắt dầu

Trường Cao Đẳng - Khoa Điện Điện Tử

Lõi sứ xuyên chính là thanh tiếp xúc cố định 7, còn đầu tiếp xú di động gắnvới bộ truyền động Máy cắt đóng và cắt nhờ lò xo 5, trục truyền 6

Khi đóng, tác động vào trục truyền 6, kéo đầu tiếp xúc di động lên, lò xo 5 bịnén khi máy cắt ở trạng thái đóng

Quá trình cắt được thực hiện băng tay hoặc tự động Khi chốt được thả lỏng,dưới tác dụng của của lực nén lò xo 5, đầu tiếp xúc di động 8 nhanh chóng được hạxuống.Khi đó hồ quang xuất hiện nhưng bị dập tắt ngay bởi bọt khí và hơi dầu ápsuất cao

2.6.4 Các thông số cơ bản của máy cắt:

- Dòng điện cắt định mức : là dòng điện lớn nhất mà máy cắt có thể cắt mộtcách tin cậy ở điện áp phục hồi giửa hai tiếp điểm của máy cắt bằng điện áp địnhmức của mạch điện

- Công suất cắt định mức của máy cắt ba pha : Sdm = 3.Udm Icdm (VA)Trong đó : Udm là điện áp định mức của hệ thống (V)

Icdm là dòng điện cắt định mức (A)

Khái niện công suất này là tương đối khi dòng điện qua máy cắt Icdm thì điện

áp trên hai đầu của nó trên thực tế bằng điện áp hồ quang và chỉ bằng vài % so vớiđiện áp của mạch điện Sau khi hồ quang bị dập tắt , trên các tiếp điểm của máy cắtbắt đầu phục hồi điện áp nhưng trong thời gian này dòng điện bằng 0

- Thời gian cắt của máy cắt : thời gian này được tính từ thời điểm đưa tínhiệu cắt máy cắt đến thời điểm hồ quang được dập tắt ở tất cả các cực Nó bao gồmthời gian cắt riêng của máy cắt và thời gian cháy hồ quang

- Dòng điện đóng định mức : đây là giá trị xung kích lớn nhất của dòng điệnngắn mạch mà máy cắt có thể đóng một cách thành công mà tiếp điểm của nókhông bị hàn dính và không bị các hư hỏng khác trong trường hợp đóng lặp lại.Dòng điện này được xác định bằng giá trị hiệu dụng của dòng điện xung kích khixảy ra ngắn mạch

- Thời gian đóng máy cắt : là thời gian khi đưa tín hiệu đóng máy cắt cho tớikhi hòan tất động tác đóng máy cắt

2.6.5 Hư hỏng, nguyên nhân hư hỏng và cách khắc phục

Nổ máy cắt -Lượng dầu thấp quá khí bay lên phía

trên do chưa được làm mát đầy đủ

- Lượng dầu cao quá, áp lực trongthùng lớn

Mức dầu hợp lý sao chokhoảng trống phía trênchiếm khoảng 20-30% thểtích thùng dầu

2.7: Áp- Tô –Mát (CB)

2.7.1 KHÁI NIỆM VÀ YÊU CẦU.

CB (CB được viết tắt từ danh từ Circuit Breaker- tiếng Anh), tên khác như :Disjonteur (tiếng Pháp) hay Aptômát (theo Liên Xô) CB là khí cụ điện dùng đóngngắt mạch điện (một pha, ba pha); có công dụng bảo vệ quá tải, ngắn mạch, sụt áp

… mạch điện

Chọn CB phải thỏa ba yêu cầu sau:

+ Chế độ làm việc ở định mức của CB phải là chế độ làm việc dài hạn, nghĩa làtrị số dòng điện định mức chạy qua CB lâu tùy ý Mặt khác, mạch dòng điện của

CB phải chịu được dòng điện lớn (khi có ngắn mạch) lúc các tiếp điểm của nó đãđóng hay đang đóng

+ CB phải ngắt được trị số dòng điện ngắn mạch lớn, có thể vài chục KA Saukhi ngắt dòng điện ngắn mạch, CB đảm bảo vẫn làm việc tốt ở trị số dòng điện địnhmức

+ Để nâng cao tính ổn định nhiệt và điện động của các thiết bị điện, hạn chế sựphá hoại do dòng điện ngắn mạch gây ra, CB phải có thời gian cắt bé Muốn vậythường phải kết hợp lực thao tác cơ học với thiết bị dập hồ quang bên trong CB

2.7.2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG.

hư hại tiếp điểm chính

Hộp dập hồ quang

Trường Cao Đẳng - Khoa Điện Điện Tử

Để CB dập được hồ quang trong tất cả các chế độ làm việc của lưới điện,người ta thường dùng hai kiểu thiết bị dập hồ quang là: kiểu nửa kín và kiểu hở.Kiểu nửa kín được đặt trong vỏ kín của CB và có lỗ thoát khí Kiểu này códòng điện giới hạn cắt không quá 50KA Kiểu hở được dùng khi giới hạn dòng điệncắt lớn hơn 50KA hoặc điện áp lớn 1000V(cao áp)

Trong buồng dập hồ quang thông dụng, người ta dùng những tấm thép xếpthành lưới ngăn, để phân chia hồ quang thành nhiều đọan ngắn thuân lợi cho việcdập tắt hồ quang

Cơ cấu truyền động cắt CB

Truyền động cắt CB thường có hai cách : bằng tay và bằng cơ điện (điện từ,động cơ điện)

Điều khiển bằng tay được thực hiện với các CB có dòng điện định mức không lớnhơn 600A Điều khiển bằng điện từ (nam châm điện) được ứng dụng ở các CB códòng điện lớn hơn (đến 1000A)

Để tăng lực điều khiển bằng tay người ta dùng một tay dài phụ theo nguyên lýđòn bẩy Ngoài ra còn có cách điều khiển bằng động cơ điện hoặc khí nén

Móc bảo vệ

CB tự động cắt nhờ các phần tử bảo vệ – gọi là móc bảo vệ, sẽ tác động khimạch điện có sự cố quá dòng điện (quá tải hay ngắn mạch) và sụt áp

+ Móc bảo vệ quá dòng điện (còn gọi là bảo vệ dòng điện cực đại) để bảo vệ

thiết bị điện không bị quá tải và ngắn mạch, đường thời gian – dòng điện của mócbảo vệ phải nằm dưới đường đặc tính của đối tượng cần bảo vệ Người ta thườngdùng hệ thống điện từ và rơle nhiệt làm móc bảo vệ, đặt bên trong CB

Móc kiểu điện từ có cuộn dây mắc nối tiếp với mạch chính, cuộn dây này

được quấn tiết diện lớn chịu dòng tải và ít vòng Khi dòng điện vượt quá trị số

cho phép thì phần ứng bị hút và móc sẽ dập vào khớp rơi tự do, làm tiếp điểm của

CB mở ra Điều chỉnh vít để thay đổi lực kháng của lò xo, ta có thể điều chỉnh đượctrị số dòng điện tác động Để giữ thời gian trong bảo vệ quá tải kiểu điện từ, người

ta thêm một cơ cấu giữ thời gian (ví dụ bánh xe răng như trong cơ cấu đồng hồ).Móc kiểu rơle nhiệt đơn giản hơn cả, có kết cấu tương tự như rơle nhiệt cóphần tử phát nóng đấu nối tiếp với mạch điện chính, tấm kim loại kép dãn nở làmnhả khớp rơi tự do để mở tiếp điểm của CB khi có quá tải Kiểu này có thiếu sót làquán tính nhiệt lớn nên không ngắt nhanh được dòng điện tăng vọt khi có ngắnmạch, do đó chỉ bảo vệ được dòng điện quá tải

Vì vậy người ta thường sử dụng tổng hợp cả móc kiểu điện từ và móc kiểurơle nhiệt trong một CB Lọai này được dùng ở CB có dòng điện định mức đến600A

+ Móc bảo vệ sụt áp (còn gọi là bảo vệ điện áp thấp) cũng thường dùng kiểu

điện từ Cuộn dây mắc song song với mạch điện chính, cuộn dây này được quấn

nhiều vòng với dây tiết diện nhỏ chịu điện áp nguồn

CB được mở ra, mạch điện bị ngắt

5 4

3 2

1 source

load

Cuộn dây bảo

vệ quá dòng 6

Trường Cao Đẳng - Khoa Điện Điện Tử

Bật CB ở trạng thái ON, với điện áp định mức nam châm điện 11 và phầnứng 10 hút lại với nhau

Khi sụt áp quá mức, nam châm điện 11 sẽ nhả phần ứng 10, lò xo 9 kéo móc

8 bật lên, móc 7 thả tự do, thả lỏng, lò xo 1 được thả lỏng, kết quả các tiếp điểmcủa CB được mở ra, mạch điện bị ngắt

ta hướng dẫn lựa chọn dòng điện định mức của móc bảo vệ bằng 125%, 150% haylớn hơn nửa so với dòng điện tính toán mạch

Nếu một thiết bị điện và tải ổn định thì chọn:

Điện áp sử dụng của CB phải lớn hơn điện áp nguồn

Về nguyên tắc chung các CB được chọn lựa theo các điều kiện sau:

+ Theo điều kiện điện áp định mức:

UđmCB và UđmL là điện áp định mức của CB và lưới điện

+ Theo dòng điện khả năng cắt I cu

Icu ≥ IN

IN là dòng điện ngắn mạch lớn nhất phía sau vị trí đặt CB

Sau đây là một số hình ảnh của CB hãng Merlin Gerin

Trường Cao Đẳng - Khoa Điện Điện Tử

CB 1 CỰC

CB 3 CỰC

CB 2 CỰC

CB 4 CỰC

CÂU HỎI CHƯƠNG 2

1.Cho biết công dụng, cấu tạo,CB

2 Hãy nêu nguyên lý họat động của CB

3 Cách chọn các loại thiết bị khí cụ đóng cắt

4 So sánh công tắc và nút nhấn

5.So sánh máy cắt và dao cách ly

Bài tập 1: chọn CB dùng để đóng cắt cho mạch gồm các thiết bị sau :

- 10 bộ đèn Mổi bộ có công suất sau : 40W; Udm =220V; Cosϕ = 0.8

- 10 quạt Mỗi quạt có công suất 60W; Udm =220V; Cosϕ = 0.9

Bài tập 2: Chọn CB dùng để đóng cắt cho động cơ ba pha co thông số sau:

CHƯƠNG 3 :KHÍ CỤ ĐIỆN BẢO VỆ

Khí cụ điện dùng để bảo vệ cho hệ thống điện, mạch điện khỏi sự cố về dòng điện

và điện áp

Trường Cao Đẳng - Khoa Điện Điện Tử

3.1: NAM CHÂM ĐIỆN

Nam Châm Điện

3.2.1.Tổng quan vể rơle điện từ

Rơle điện từ là loại rơ le đơn giản nhất và dùng rộng rãi nhất Rơle làm việcdựa trên nguyên lý điện từ và về kết cấu, nó tương tự như công tắc tơ nhưng chỉđóng cắt mạch điện điều khiển, không trực tiếp dùng trong mạch động lực

Hình vẽ trình bày nguyên lý, kết cấu một rơle điện từ một chiều kiểu bản lề.Cuộn nam châm điện 1 quấn quanh lõi sắt 2 hai đầu dây cuộn 1 nối ra 2 chấu cắm

8 nắp từ động 3 được lò xo 4 kéo bật lên để tiếp điểm động 5(tiếp điểm chungCOM) tỳ vào tiếp điểm tĩnh 6 thành tiếp điểm thường kín NC, còn tiếp điểm tĩnh 7

bị hở mạch ( tiếp điểm thường hở NO) Khi cuộn điện từ được cấp điện, nó sẽ hútnắp từ động và tiếp điểm NO được nối tiếp với điểm COM, tiếp điểm NC bị ngắtkhỏi điểm CO

Hình vẽ là nguyên lý làm việc của một rơle kiểu điện từ dạng piston với tiếpđiểm động kiểu bắc cầu 2 cuộn hút rơle 1 là xoay chiều

Qua cách làm việc của rơle điện từ, ta thấy cấu tạo của một role có 3 phầnchính: cơ cấu thu, cơ cấu trung gian và cơ cấu chấp hành

Cơ cấu hút là cơ cấu thu vì nó tiếp nhận tín hiệu đầu vào và khi đạt một giá trịxác định nào đó thì rơle tác động

Mạch từ là cơ cấu trung gian vì nó giúp tạo lực hút của cuộn nam châm khicuộn này có điện và so sánh lực đặt trước bởi loxo phản hồi để hút và truyền kếtquả tác động tới cơ quan chấp hành

Hệ thống tiếp điểm là cơ cấu chấp hành

Để thấy rõ quan hệ đầu vào và đầu ra, ta xem xét lại quá trình tác động của rơle.Khi tín hiệu đầu vào x đạt tới một giá trị tác động x = x2 = xtđ thì rơle hút vìlực điện từ thắng lực lò xo và đại lượng đầu ra y tăng đột biến từ y1m lên y2 do tiếpđiểm cơ cấu chấp hành đóng ( hình 3.31) Sau đó, có tăng lượng vào x > x2 thì yvẫn giữ nguyên Khi giảm tín hiệu đầu vào đến x = xtđ thì rơle vẫn hút do lực từ vẫn

Trường Cao Đẳng - Khoa Điện Điện Tử

lớn hơn lực loxo Tới một giá trị x1 = xnh < xtđ thì lực loxo phảm hồi thắng lực hútđiện từ, cuộn hút rơle nhả, mở tiếp điểm cắt mạch Tính hiệu ra giảm từ y2 về y1.Sau đó x tiếp tực giảm x < x1 thì y vẫn giữ giá trị không đổi là y1

Hệ số nhả của rơle là tỉ số :

Đối với rơle cực đại: knh < 1

Đối vời rơle cực tiểu: knh > 1

Rơle làm việc chính xác khi knh →

3.2.2.3.Nguyên lý hoạt động

Mạch từ được cuốn cuộn dây có nhiều đầu dây đi ra.Khi có dòng điệnchạy qua cuộn dây, từ trường sẽ tác dụng một từ lực lên nắp từ động làmbằng lõi thép non hình chữ Z Nếu dòng điện vượt quá giá trị chỉnh định(qua lực lò xo 4) thì từ lực đủ lớn sẽ thắng lực cản của lò xo 4, hút nắp từđộng chữ Z quay và đóng (hoặc mở) hệ tiếp điểm

Trị số của dòng điện tác động của Rơle dòng loại này được chỉnh địnhtheo 2 cách:

- Chuyển đổi 2 cuộn dây điện từ nối tiếp (khi dòng tác động nhỏ) sang songsong (khi dòng tác động lớn gấp đôi) Đây là phương pháp chỉnh tinh

- Chỉnh sức căng của lò xo 4(chỉnh thô)

Cuộn dây rơle dòng nối tiếp mạch cần bảo vệ