Tìm hiểu aptomat, khởi động từ, kháng điện, tụ điện cao thế.

Kiểu này có nhược điểm là quán tính nhiệt lớn nên không ngắt nhanh được dòng điện tăng vọt khi có ngắn mạch, do đó chỉ bảo vệ được dòng điện quá tải.. Khi mạch điện quá tải hay ngắn mạch

CÔNG TY THỦY ĐIỆN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM HUỘI QUẢNG – BẢN CHÁT

PXSC ĐIỆN – TỰ ĐỘNG

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Sơn La, ngày 19 tháng 12 năm 2016

BÁO CÁO TÌM HIỂU

(N/d: Tìm hiểu aptomat, khởi động từ, tụ điện cao thế, kháng điện)

Kính gửi : Lãnh đạo PXSC Điện – Tự Động Công ty Thủy điện Huội Quảng – Bản Chát

Học viên : Vũ Xuân Luyên

Người hướng dẫn : Đàm Thuận Lịch

Nội dung tìm hiểu:

- Tìm hiểu lý thuyết chung về Aptomat, khởi động từ, tụ điện cao thế, kháng

điện

1 Aptomat

1.1 Khái quát

Aptomat (hay còn gọi là Circuit Breaker – CB) là khí cụ điện dùng để đóng ngắt mạch điện (1 pha, 3 pha), có khả năng bảo vệ quá tải, ngắn mạch, sụt áp…

1.2 Thông số kỹ thuật

- Dòng điện định mức (Iđm): là trị số dòng điện lớn nhất chạy qua aptomat trong chế độ làm việc lâu dài mà nhiệt độ aptomat không tăng quá mức cho phép

- Dòng ngắn mạch lớn nhất (In): Là dòng điện ngắn mạch tức thời lớn nhất mà aptomat cắt được và không bị hư hỏng

- Thời gian cắt (tc): là thời gian tính từ lúc có tác động cắt đến khi các tiếp điểm tách ra hoàn toàn và dập tắt hết hồ quang điện

- Điện áp định mức (Uđm): giá trị hiệu dụng điện áp lớn nhất aptomat làm việc trong chết độ làm việc lâu dài mà aptomat không bị hư hỏng

1.3 Cấu tạo

Hình 1: Cấu tạo của Aptomat

1 Vỏ; 2 Tiếp điểm; 3 Buồng dập hồ quang; 4 Cơ cấu truyền động; 5 Móc bảo vệ

a Vỏ:

Là một kết cấu cách điện để lắp các bộ phận khác của một aptomat Vật liệu thường được sử dụng là nhựa chịu nhiệt như thủy tinh, polime Cấu trúc của các vật liệu phụ thuộc vào các thông số định mức của aptomat như điện áp định mức, dòng điện định mức, khả năng cắt và kích cỡ vật lý của aptomat

b Tiếp điểm:

Aptomat thường được chế tạo có hai cấp tiếp điểm (tiếp điểm chính và hồ quang), hoặc ba cấp tiếp điểm (chính, phụ, hồ quang)

Khi đóng mạch, tiếp điểm hồ quang đóng trước, tiếp theo là tiếp điểm phụ, sau cùng là tiếp điểm chính Khi cắt mạch thì ngược lại, tiếp điểm chính mở trước, sau đến tiếp điểm phụ, cuối cùng là tiếp điểm hồ quang Như vậy hồ quang chỉ

cháy trên tiếp điểm hồ quang, do đó bảo vệ được tiếp điểm chính để dẫn điện Dùng thêm tiếp điểm phụ để tránh hồ quang cháy lan vào làm hư hại tiếp điểm chính

c Hộp dập hồ quang:

Trong buồng dập hồ quang thông dụng, người ta dùng những tấm thép x ế p xéo thành lưới ngăn, để phân chia hồ quang thành nhiều đoạn ngắn thuận lợi cho việc dập tắt hồ quang Để aptomat 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 có dòng điện giới hạn cắt không quá 50KA

+ Kiểu hở được dùng khi giới hạn dòng điện cắt lớn hơn 50KA hoặc điện áp lớn 1000V (cao áp)

d Cơ cấu truyền động cắt:

Truyền động cắt 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 lớn hơn 600A

+ Điều khiển bằng điện từ (nam châm điện) được ứng dụng ở các CB có dòng điện lớn hơn (đến 1000A)

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

e Móc bảo vệ:

CB tự động cắt nhờ các phần tử bảo vệ - gọi là móc bảo vệ, sẽ tác động khi mạch 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 móc bảo vệ phải nằm dưới đường đặc tính của đối tượng cần bảo vệ Người ta thường dùng hệ thống điện tử 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

có tiết diện lớn để chịu được dòng tải lớn và được quấn ít vòng Khi dòng điện vượt quá trị số cho phép thì phần ứng bị hút và móc sẽ dập vào khớp rồi rơi tự do, làm tiếp điểm của CB mở ra Điều chỉnh vít để thay đổi lực kháng lò xo, ta có thể điều chỉnh được trị số dòng điện tức động Để giữ thời gian trong bảo vệ quá tải kiểu điện từ, người ta thêm một cơ cấu giữ thời gian

Móc kiểu rơle nhiệt đơn giản hơn cả, có kết cấu tương tự như rơle nhiệt có phần tử phát nóng đấu nối tiếp với mạch điện chính, tấm kim loại kép giãn nở làm nhả khớp r ồ i rơi tự do để mở tiếp điểm của CB khi có quá tải Kiểu này có nhược điểm là quán tính nhiệt lớn nên không ngắt nhanh được dòng điện tăng vọt khi có ngắn mạch, 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 kiểu rơle nhiệt trong một CB Loại này được dùng ở CB có dòng điện định mức đến 600A

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 ít vòng với dây tiết diện nhỏ để chịu điện áp nguồn

1.4 Nguyên lý hoạt động

a Aptomat bảo vệ dòng điện cực đại

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý aptomat bảo vệ dòng điện cực đại

Ở trạng thái bình thường sau khi đóng điện, aptomat được giữ ở trạng thái đóng tiếp điểm nhờ móc 2 khớp với móc 3 cùng một cụm với tiếp điểm động

Bật Aptomat ở trạng thái ON, với dòng điện định mức nam châm điện 5 và phần ứng 4 không hút

Khi mạch điện quá tải hay ngắn mạch, lực hút điện từ ở nam châm điện 5 lớn hơn lực lò xo 6 làm cho nam châm điện 5 sẽ hút phần ứng 4 xuống làm bật nhả móc 3, móc 2 được thả tự do, lò xo 1 kéo các tiếp điểm động của aptomat tách khỏi tiếp điểm tĩnh, mạch điện bị ngắt

b Aptomat bảo vệ điện áp thấp

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý aptomat bảo vệ điện áp thấp

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, lò xo 1 kéo tiếp điểm động ra khỏi tiếp điểm tĩnh, mạch điện bị ngắt

2 Khởi động từ

2.1 Khái quát

Khởi động từ là một loại khí cụ điện dùng để điều khiển từ xa việc đóng - ngắt, đảo chiều và bảo vệ quá tải (nếu có lắp thểm rơle nhiệt) các động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

Khởi động từ có một Contactor gọi là khởi động từ đơn thường để đóng - ngắt động cơ điện Khởi động từ có hai Contactor là khởi động từ kép dùng để thay đổi chiều quay của động cơ gọi là khởi động từ đảo chiều Muốn bảo vệ ngắn mạch phải lắp thêm cầu chì

2.2 Yêu cầu kỹ thuật

Động cơ điện không đồng bộ ba pha có thể làm việc liên tục được hay không tuỳ thuộc vào mức độ tin cậy của khởi động từ Do đó khởỉ động từ cần phải thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật sau:

- Tiếp điểm có độ bền chịu mài mòn cao

- Khả năng đóng - cắt cao

- Thao tác đóng - cắt dứt khoát

- Tiêu thụ công suất ít nhât

- Bảo vệ động cơ không bị quá tải lâu dài (có Rơle nhiệt)

- Thoả mãn điều khởi động (dòng điện khởi động từ 5 đến 7 lần dòng điện định mức)

2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

2.3.1 Cấu tạo

- Khởi động từ đơn gồm 1 contactor và 1 bộ role nhiệt (có từ 2 – 3 role nhiệt), thường được sử dụng để đóng cắt và bảo vệ quá tải cho động cơ không đồng bộ 3 pha

- Khởi động từ kép gồm 2 contactor và 1 bộ role nhiệt (có từ 2 – 3 role nhiệt), thường được sử dụng để đóng cắt, bảo vệ quá tải và đảo chiều quay của động cơ không đồng bộ 3 pha

2.3.2 Nguyên lý hoạt động

a Khởi động từ đơn

Mạch khởi động động cơ sử dụng khởi động từ đơn gồm 1 cầu dao CD đóng cắt nguồn cho cả mạch lực và mạch điều khiển, cầu chì CC bảo vệ ngắn mạch cho mạch điều khiển, 1 nút bấm thường đóng làm nút Stop, 1 nút bấm thường hở làm nút Start và

1 bộ khởi động từ đơn

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 4: Sơ đồ nguyên lý khởi động từ đơn

Nguyên lý hoạt động:

- Đóng cầu dao CD cấp nguồn cho mạch lực và mạch điều khiển Khi bấm nút Start cấp nguồn cho cuộn dây của contactor K làm tiếp điểm chính K đóng lại cấp nguồn cho động cơ, đồng thời đóng tiếp điểm phụ thường hở K duy trì điện cho mạch điều khiển khi nhả nút Start ra

- Muốn dừng động cơ, ấn nút Stop ngắt nguồn cấp cho cuộn dây của contactor K làm tiếp điểm chính K mở ra, ngắt nguồn động cơ

- Khi động cơ bị quá tải làm tiếp điểm thường đóng của role nhiệt RN mở ra, ngắt nguồn cấp cho cuộn dây contactor K làm tiếp điểm chính K mở ra ngắt nguồn cấp cho động cơ

b Khởi động từ kép

Mạch khởi động động cơ sử dụng khởi động từ kép có sơ đồ nguyên lý như sau:

Hình 5: Sơ đồ nguyên lý khởi động từ kép

Nguyên lý hoạt động:

- Muốn mở máy động cơ theo chiều thuận nhấn nút KT, cấp nguồn cho cuộn dây của contactor T Cuộn dây contactor T có điện làm đóng tiếp điểm chính T cấp điện cho động cơ DC quay theo chiều thuận, đồng thời làm đóng tiếp điểm phụ thường hở của contactor T duy trì nguồn cho cuộn dây contactor T, đồng thời làm mở tiếp điểm phụ thường đóng của contactor T làm hở mạch cấp điện cho cuộn dây contactor N nhằm đề phòng cấp điện cho cả 2 contactor đồng thời gây ngắn mạch mạch lực Muốn dừng động cơ ấn nút dừng D cắt nguồn điều khiển cấp cho cuộn dây contactor T, mở tiếp điểm chính của contactor T, cắt nguồn cho động cơ DC

- Muốn mở máy động cơ theo chiều nghịch nhấn nút KN, cấp nguồn cho cuộn dây của contactor N Cuộn dây contactor N có điện làm đóng tiếp điểm chính N cấp điện cho động cơ DC quay theo chiều nghịch, đồng thời làm đóng tiếp điểm phụ thường hở của contactor N duy trì nguồn cho cuộn dây contactor N, đồng thời làm mở tiếp điểm phụ thường đóng của contactor N làm hở mạch cấp điện cho cuộn dây contactor T nhằm đề phòng cấp điện cho cả 2 contactor đồng thời gây ngắn mạch mạch lực Muốn dừng động cơ ấn nút dừng D cắt nguồn điều khiển cấp cho cuộn dây contactor N, mở tiếp điểm chính của contactor N, cắt nguồn cho động cơ DC

- Muốn mở máy động cơ theo chiều ngược phải ấn nút dừng D, sau đó mới mở máy theo chiều ngược và ngược lại

- Khi động cơ bị quá tải làm tiếp điểm thường đóng của role nhiệt RN mở ra, ngắt nguồn cấp cho mạch điều khiển dẫn đến ngắt mạch lực, dừng động cơ

3 Kháng điện

3.1 Khái quát

Kháng điện là cuộn dây điện cảm không có lõi thép và có điện kháng lớn hơn rất nhiều so với điện trở, dùng để hạn chế dòng ngắn mạch hoặc hạn chế dòng khởi động của các động cơ trong các mạch công suất lớn Ngoài ra, kháng điện còn dùng để nâng cao điện áp dư trên thanh góp khi có ngắn mạch trên đường dây

Dựa vào vị trí lắp đặt, chia làm 2 loại điện kháng: điện kháng trong nhà và điện kháng ngoài trời

Dựa vào cấu tạo, chia làm 2 loại điện kháng: Điện kháng đơn và điện kháng kép

Dựa vào cách điện chia làm 2 loại kháng điện: Kháng điện khô và kháng điện dầu

3.2 Một số loại kháng điện

3.2.1 Kháng điện khô

Hình 6: Hình ảnh kháng điện bê tông ngoài thực tế

Kháng điện khô gồm các cuộn dây đặt hở trong không khí hoặc quấn trên trụ làm bằng vật liệu cách điện (bê tông, gỗ, phíp) mà không có lõi thép Cuộn dây làm bằng dây dẫn nhiều sợi bằng đồng hoặc bằng nhôm, cách điện bằng giấy cách điện, tiết diện dây thường từ 70 – 185 mm2 có khi đạt đến 240 mm2 Để cách điện giữa các pha với nhau hoặc giữa các pha với đất người ta dùng sứ đỡ

Trị số điện kháng Xk% = (3 – 12)% , mỗi cuộn dây của kháng điện đều được đánh dấu sẵn thứ tự các pha và các kiểu lắp đặt

Kháng điện khô có ưu điểm cấu tạo đơn giản, độ bền cơ và điện cao nhưng nhược điểm là ở điện áp càng cao càng cồng kềnh và trọng lượng lớn dẫn đến hiệu quả

kinh tế không cao Thường được sử dụng lưới điện tới 35 kV, đặt trong phòng thoáng, thông gió tốt, ở nhiệt độ dưới 350C

3.2.2 Kháng điện dầu

Hình 7: Hình ảnh thực tế kháng điện ngâm dầu

Hình 8: Cấu tạo kháng điện dầu

1 Cuộn dây kháng điện; 2 Màn chắn từ; 3.Vỏ thùng dầu; 4 Sứ xuyên; 5 Lõi cách

điện

Kháng điện dầu thường được sử dụng cho cấp điện áp trên 35 kV Có ưu điểm

là kích thước nhỏ gọn hơn so với kháng điện khô cùng cấp điện áp, có thể lắp đặt ở mọi nơi, chống ẩm tốt Tuy nhiên có cấu tạo phức tạp hơn kháng điện khô nên giá thành cao hơn

Có cấu tạo gồm các cuộn dây quấn trên lõi cách điện đặt trong thùng dầu kín đựng đầy dầu cách điện Các đầu dây vào và ra được lấy thông qua sứ xuyên

Ngoài ra, khi cuộn kháng đặt trong thùng dầu bằng thép sinh ra dòng điện xoáy làm nóng vỏ thùng và gây tổn hao lớn nên cần có phương pháp chắn từ sau:

- Dùng màn chắn từ: Đặt giữa vỏ thùng và cuộn dây tấm kim loại và vòng dây kín mạch làm bằng đồng hoặc nhôm Khi cuộn dây có từ thông biến thiên qua, trong tấm kim loại sinh ra mội sức điện động cảm ứng Do tấm kim loại và vòng dây kín mạch nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện chạy trên đó Theo định luật Lenxo, dòng điện này sinh ra từ thông phụ chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra

nó Kết quả là từ thông tản ra vỏ thùng giảm đi rất nhiều

- Dùng mạch từ phụ: Lót trong vỏ thùng một lớp thép kỹ thuật điện tạo ra mạch

từ phụ cho từ thông móc vòng qua Vì lớp thép kỹ thuật dẫn từ tốt hơn rất nhiều vỏ thùng nên hạn chế được rất nhiều từ thông móc vòng qua vỏ máy

3.3 Nguyên lý hoạt động

Xét sơ đồ nguyên lý hoạt động của kháng điện đơn 1 pha:

Hình 9: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kháng điện đơn 1 pha

Khi có dòng điện biến thiên tăng chạy qua cuộn dây của kháng điện sẽ xuất hiện sức điện động tự cảm eL có chiều như hình vẽ: eL = L

Ta có phương trình cân bằng điện áp: U1 = U2 + eL = U2 + L

Vậy khi có ngắn mạch xảy ra sau kháng điện thì dòng điện ngắn mạch chạy qua kháng điện biến thiên tăng, do đo mặc dù u2 giảm nhưng (diN/dt) tăng nên điện áp u1

tren thanh góp giảm không đáng kể Mặt khác trong thời gian quá độ, khi dòng ngắn mạch biến thiên tăng thì eL sinh ra iL chống lại sự biến thiên tăng của dòng điện ngắn mạch Vì vậy dòng điện thực tế qua điểm ngắn mạch nhỏ hơn dòng điện ngắn mạch khi không có kháng điện

4 Tụ điện cao thế

4.1 Khái quát

Tụ điện cao áp là thiết bị điện có khả năng tích và phóng điện trong mạch điện cao áp Muốn tích điện cho tụ bù người ta nối hai bản cực củ tụ bù vào nguồn điện, bản tụ nối với cực dương sẽ tích điện dương, bản cực nối với cực âm sẽ tích điện âm Khi tụ điện tích điện thì điện trường trong tụ bù sẽ tích một năng lượng, đó là năng lượng điện trường

Đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ được gọi là điện dung của tụ điện Ký hiệu là C và được xác định như sau:

C = Q/U với Q là điện tích của tụ và U là hiệu điện thế giữa 2 bản cực

Tụ điện cao thế được sử dụng chủ yếu đề bù công suất phản kháng trong lưới điện

Tụ điện được chia thành nhiều loại: tụ điện khô, tụ điện dầu

4.2 Cấu tạo

Hình 10: Hình ảnh tự điện cao thế

Gồm 2 bản cực được làm bằng kim loại (thường là nhôm) đặt song song với nhau Ở giữa đặt chất cách điện gọi là điện môi (thường là giấy cách điện tẩm dầu hoặc ngâm trong dầu) Tất cả được cố định trong thùng kín Hai cầu cực được lấy ra ngoài bằng sứ xuyên

4.3 Nguyên lý hoạt động

Quá trình phóng nạp của tụ điện: Khi nạp hiệu điện thế giữa hai bản tụ thay đổi theo thời gian được xác định bằng công thức: