CHƯƠNG 5: MÁY NGẮT CAO ÁP

4/13/2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN Bộ môn Thiết bị điện - điện tử THIẾT KẾ KHÍ CỤ ĐIỆN Giảng viên: Đặng Chí Dũng Email: dung.dangchi@hust.edu.vn Điện thoại: 0903178663 PHẦN 1: CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN HẠ ÁP VÀ CAO ÁP CHƯƠNG 5: MÁY NGẮT CAO ÁP 4/13/2015 MỤC ĐÍCH Trình bày khái niệm thông số máy ngắt cao áp Các đặc điểm loại máy ngắt cao áp Các yêu cầu làm việc máy ngắt cao áp I MÁY NGẮT CAO ÁP LÀ GÌ? 4/13/2015 Định nghĩa: Máy ngắt cao áp thiết bị đóng cắt khí, hoạt động hệ thống điện 1000V cho phép vận hành chế độ, đóng cắt không tải, tải định mức, cố ngắn mạch Máy ngắt cao áp tự động cắt mạch xảy cố ngắn mạch Khi đóng: dùng lực từ truyền động (cơ cấu lò xo, cấu điện từ NCĐ, khí nén, thủy lực) Khi ngắt: sử dụng hệ thống lò xo ngắt, khí nén Hiện nay, đa số việc thực điều khiển ngắt thông qua truyền động lò xo Khi ngắt có tải, xuất hồ quang điện, nên máy ngắt phải thiết kế hệ thống dập hồ quang  buồng dập hồ quang 4/13/2015 II CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA MÁY NGẮT CAO ÁP Điện áp định mức Uđm (Un, Ur), kV: giá trị hiệu dụng điện áp dây đặt lên máy ngắt khoảng thời gian dài vô hạn không làm hư hỏng cách điện phóng điện Dòng điện định mức Iđm (In , Ir), A: giá trị hiệu dụng dòng điện qua máy ngắt trạng thái đóng thời gian dài hạn mà không làm mạch vòng dẫn điện hỏng nhiệt Dòng điện ổn định nhiệt Icw (Ik), kA.s: giá trị hiệu dụng dòng điện lớn chạy qua máy ngắt khoảng thời gian cho trước mà không làm mạch vòng dẫn điện bị phá hỏng nhiệt 4/13/2015 Dòng điện ổn định điện động Icu (Ip), kA: giá trị dòng điện lớn qua máy ngắt, mà lực điện động sinh không phá hỏng kết cấu máy ngắt Dòng điện ổn định điện động Icu tính toán theo giá trị tức thời dòng điện xung kích Ixk = 2,55.Inm Dòng điện ngắt định mức Isc (Ics), kA: giá trị dòng điện hiệu dụng lớn mà máy ngắt ngắt được, sau lần ngắt máy ngắt không bị hỏng, làm việc cho lần sau Trên thực tế, người ta chọn máy ngắt có Isc > Inm vị trí lắp đặt máy ngắt Công suất ngắt định mức Scđm (Sc), MVA: công suất lớn mà máy ngắt cắt tương ứng với giá trị điện áp định mức Uđm, sau lần cắt máy ngắt làm việc bình thường S cdm  3.U dm I cs Thời gian cắt tc (ms): khoảng thời gian nhận cố báo đến hồ quang dập tắt hoàn toàn Dựa vào tc ta chia máy ngắt tác động chậm, bình thường nhanh Điện áp phục hồi Uph (TRV) tốc độ tăng điện áp phục hồi (dUph/dt): điện áp tốc độ phục hồi điện áp HQĐ  phụ thuộc vào tính chất tải ảnh hưởng đến khả dập hồ quang 4/13/2015 Theo yêu cầu: thời gian cắt tc (tính theo ms) máy ngắt nhanh tốt, cụ thể: 150 < tc < 250 ms  máy ngắt chậm 80 < tc < 150 ms  máy ngắt bình thường tc ≤ 80 ms  máy ngắt nhanh III CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN MÁY NGẮT CAO ÁP + Độ tin cậy: ngắt, máy ngắt đảm bảo ngắt an toàn + Có khả chịu đựng điện áp đóng cắt độ bền điện động cao + Tác động nhanh: tăng độ bền thiết bị + Có khả thực đóng cắt lặp lại Ví dụ: O-0,3s-CO-15s-CO O-0,3s-CO-180s-CO O-180s-CO-180s-CO + Máy ngắt phải có kích thước nhỏ + Dễ bảo dưỡng, kiểm tra, thay thế, vận hành + Giá thành hạ, an toàn ngắt 4/13/2015 IV CẮT MẠCH TRONG MÁY NGẮT CAO ÁP Khi xảy cố, tín hiệu gửi đến cấu chấp hành, hệ thống truyền động, để thực mở hoàn toàn tiếp điểm Cơ cấu truyền động máy ngắt thường cấu lò xo, kết hợp với nam châm điện thúc chốt để giải phóng lượng tích lũy lò xo ngắt V LỰA CHỌN KIỂU MÁY NGẮT CAO ÁP + So sánh thông số máy ngắt với HTĐ máy ngắt với để chọn máy ngắt phù hợp + Chú ý đến máy ngắt hệ SF6 Vacuum Phạm vi ứng dụng Loại máy ngắt Trung Áp Cao áp Siêu cao áp Dầu Không khí nén X X X X X Điện từ Tự sinh khí Vacuum Khí SF6 X X X X X X 4/13/2015 VI PHÂN LOẠI MÁY NGẮT CAO ÁP  Dựa vào môi trường làm việc: máy ngắt lắp đặt nhà lắp đặt trời  Dựa vào điện áp làm việc: máy ngắt trung áp, cao áp siêu cao áp  Dựa vào kiểu lắp đặt: máy ngắt kiểu rời, máy ngắt kiểu hợp  Theo loại truyền động: máy ngắt truyền động nam châm, lò xo khí, thủy khí  Theo môi trường dập hồ quang: máy ngắt dầu, không khí nén, tự sinh khí, chân không, khí SF6 MÁY NGẮT DẦU - Máy ngắt dầu gồm: máy ngắt nhiều dầu dầu - Máy ngắt nhiều dầu sử dụng dầu MBA làm nhiệm vụ cách điện dập hồ quang - Máy ngắt dầu sử dụng dầu MBA làm nhiệm vụ dập hồ quang, cách điện cách điện rắn (sứ thủy tinh, nhựa epocxy cách điện) 4/13/2015 MÁY NGẮT KHÔNG KHÍ NÉN - Người ta sử dụng không khí khô, nén với áp suất cao (đến 40at) để dập hồ quang thao tác đóng, ngắt máy ngắt  máy ngắt không khí nén - Vật liệu cách điện buồng dập hồ quang làm sứ cách điện Buồng dập HQĐ Máy ngắt không khí nén: Thổi ngang (a), thổi dọc (b, c) thổi hỗn hợp (d, e) 4/13/2015 MÁY NGẮT TỰ SINH KHÍ - Ở máy ngắt tự sinh khí, hồ quang dập tắt nhờ hỗn hợp khí hơi, vật liệu rắn buồng dập hồ quang sinh tác động nhiệt độ cao hồ quang điện - Toàn máy ngắt lắp khung thép, truyền động đóng cắt tay động đặt độc lập bên - Loại máy ngắt tự sinh khí có lực dập hồ quang không lớn  sử dụng kèm cầu chì cao áp: máy ngắt phụ tải (LBS), với điện áp làm việc tới 24kV, dòng điện định mức tới 1000A - Ưu điểm: giá thành thấp, kết cấu đơn giản, không cần DCL lắp kèm - Nhược điểm: tuổi thọ thấp, dễ gây cháy nổ  sử dụng với HTĐ có công suất thấp 10 4/13/2015 MÁY NGẮT ĐIỆN TỪ - Nguyên lý dập hồ quang máy ngắt điện từ sử dụng lực điện động từ trường cuộn thổi từ sinh tác động với dòng điện cắt để thổi hồ quang vào buồng dập khe hẹp vật liệu cách điện có khả tự sinh khí - Ưu điểm: không sử dụng môi chất đặc biệt để dập hồ quang Tuổi thọ tiếp điểm cao - Nhược điểm: kích thước tương đối lớn Chỉ sử dụng lắp đặt nhà với điện áp tới 15kV, dòng điện đến 3000A MÁY NGẮT KHÍ SF6 Máy ngắt trung áp 24kV Máy ngắt cao áp 245kV Máy ngắt siêu cao áp 550kV 11 4/13/2015 ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG  Nhược điểm loại máy ngắt nhiệt độ khí hóa lỏng thấp Ở áp suất 13at, hóa lỏng 00C, áp suất 3,5at hóa lỏng -400C Vì SF6 thường sử dụng áp suất nén không cao để tránh sử dụng thêm thiết bị hâm nóng  Máy ngắt khí SF6 nhanh chóng dập tắt hồ quang có thêm thiết bị phụ thổi hồ quang  sử dụng kết hợp 2phương pháp dập: thổi từ trường tự thổi kiểu piton-xylanh  Với ưu điểm cách điện tốt, kích thước máy nhỏ gọn, dập hồ quang hiệu quả, an toàn tin cậy cao, tuổi thọ lớn, phải bảo dưỡng  máy ngắt khí SF6 chế tạo sử dụng cấp điện áp từ 3kV đến 800kV, dòng điện đến 10000A CÁC THẾ HỆ MÁY NGẮT SF6 - Thế hệ thứ máy ngắt SF6 : chế tạo theo nguyên lý áp suất thấp cao, tương tự máy ngắt không khí nén - Ở trạng thái đóng, áp suất SF6 buồng dập tương đối thấp - Trong trình cắt, khí SF6 bình áp suất cao tự động thổi để nhanh chóng dập tắt hồ quang sau khí lại quay trở bình nén áp suất cao 12 4/13/2015 - Máy ngắt kiểu lần sản xuất năm 1959 hãng Westinghouse (Mỹ) với điện áp làm việc 230kV, dòng cắt 25kA; áp suất khí vận hành 2at, dập hồ quang áp suất khí nén lên 17at - Nhược điểm loại máy ngắt kích thước lớn, cần có thêm thiết bị hâm nóng bình khí SF6 có áp suất cao để tránh hóa lỏng; đồng thời khả rò rỉ khí SF6 bình nén áp suất cao dễ xảy  loại máy ngắt không sản xuất - Thế hệ thứ hai máy ngắt SF6 : đời vào cuối năm 70, làm việc nguyên tắc áp suất nén nên có buồng cắt chứa khí SF6 - Việc dập tắt hồ quang thực hiệu ứng thổi hồ quang buồng cắt kiểu pitton-xylanh - Trong trình cắt, chuyển động piton mà áp suất khí SF6 xylanh tăng lên Khi hành trình chuyển động đủ, áp suất khí lớn đẩy qua miệng thổi, thổi vào vùng hồ quang cháy nhanh chóng dập tắt 13 4/13/2015 Máy ngắt SF6 hệ thứ hai, dập hồ quang kiểu piton-xylanh a) Trạng thái đóng; b) Bắt đầu mở; c) Hồ quang phát sinh dập tắt; d) Mở hoàn toàn - Để có áp lực khí nén tạo lớn, loại máy ngắt yêu cầu kích thước buồng dập lớn, vận tốc chuyển động tiếp điểm động lớn khoảng đến m/s - Nhược điểm loại máy ngắt tiêu tốn lượng cho truyền động piston-xylanh lớn, gây xung lực đóng cắt lớn, ảnh hưởng đến kết cấu máy ngắt - Để khắc phục, người ta sử dụng kết hợp với cuộn thổi từ (tuy nhiên tăng kích thước buồng cắt) 14 4/13/2015 - Thế hệ thứ ba máy ngắt SF6 : đời sau nhằm khắc phục nhược điểm để đạt kích thước buồng cắt nhỏ gọn lượng truyền động bé dùng để thực chuyển động tiếp điểm - So với hệ thứ hai công suất cắt, máy ngắt sử dụng khoảng 20% lượng cho truyền động, nên kích thước giảm nhiều, tăng tuổi thọ cho máy ngắt Máy ngắt SF6 hệ thứ ba, dập hồ quang theo kiểu tự thổi a)Trạng thái đóng; b) Trạng thái mở; c) Cắt dòng nhỏ; d) cắt dòng lớn 15 4/13/2015 - Khi cắt dòng điện lớn, lượng hồ quang lớn đốt nóng khí SF6 buồng nén chính, áp suất khí tăng cao dẫn tới van chiều tự động đóng lại van mở - Khi miệng thổi giải phóng, áp lực khí buồng nén thổi vào thân hồ quang dập tắt - Khi cắt dòng điện nhỏ, lượng hồ quang thấp, áp suất buồng nén bé, van không đủ lực trì đóng nên buồng nén buồng nén phụ thông nhau, van đóng Do đó, việc thổi hồ quang chủ yếu hiệu ứng piston-xylanh tạo nên HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG MÁY NGẮT KHÍ SF6 16 4/13/2015 HÌNH DÁNG BÊN NGOÀI VÀ KẾT CẤU BỘ TRUYỀN ĐỘNG MÁY NGẮT KHÍ SF6 Hình dáng bên máy ngắt trung áp khí SF6 loại 24kV hãng Schneider Kết cấu truyền động khí đóng, cắt máy ngắt 17 4/13/2015 Kết cấu tủ sơ đồ truyền động khí máy ngắt khí SF6 – loại 500kV hãng Siemens 18 4/13/2015 Sơ đồ hệ thống truyền động pha khí nén máy ngắt siêu cao áp 800kV - Hãng ABB Dập hồ quang máy ngắt siêu cao áp 800kV - ABB 19 4/13/2015 MÁY NGẮT CHÂN KHÔNG Hình dáng bên máy ngắt chân không loại 24kV hãng ABB Sơ đồ truyền động điều khiển máy ngắt sử dụng nam châm điện MÁY NGẮT CHÂN KHÔNG EVOLIS – MERLIN GERIN 20 4/13/2015 MÁY NGẮT CHÂN KHÔNG EVOLIS – MERLIN GERIN MÁY NGẮT CHÂN KHÔNG EVOLIS – MERLIN GERIN 21 4/13/2015 BUỒNG DẬP CHÂN KHÔNG TIẾP ĐIỂM Ứng dụng máy cắt chân không • Kỹ thuật cắt cho phép sản xuất thiết bị với độ bền điện lớn chịu đựng TRV đóng cắt cao, dùng phổ biến môi trường trung áp, với khả cắt tới 75kA  bảo vệ nhiệt cho cáp đường dây không, máy biến áp, tụ điện, động cuộn kháng cao áp • Ở cấp hạ áp kỹ thuật tồn vấn đề giá không giới hạn mặt công suất • Nói chung nay, kỹ thuật giới hạn dòng điện định mức từ 200÷2500A khả cắt nhỏ 75kA • Các thiết bị đóng cắt chân không với điện áp tới 72,5kV lớn nghiên cứu để sản suất tương lai 22 4/13/2015 Kết nối Máy ngắt cao áp với Rơle số Ứng dụng kỹ thuật dập chân không - CTT TA 23 4/13/2015 Ứng dụng kỹ thuật dập chân không - CTT TA Ứng dụng kỹ thuật dập chân không - CTT TA 24 4/13/2015 Ứng dụng phổ biến CTT chân không 25