nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý điều khiển, vận hành, thí nghiệm máy cắt sf6

Bởi điện năng có ưu thế là: dễ chuyển đổi thành những dạng năng lượng khác, không gây ô nhiễm môi trường, dễ truyền tải và phân phối… Trong quá trình sử dụng điện năng luôn cần thực hiệ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Nguyễn Duy Hưng

NGHIÊN CỨU CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN,

-

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu của cá

nhân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Đình Thắng

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai

công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Học viên

Nguyễn Duy Hưng

-

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

CHƯƠNG 1 Hình 1.1: Cấu tạo của bộ truyền động máy cắt SIEMENS

Hình 1.2: Quá trình dập hồ quang của máy cắt SIEMENS

Hình 1.3: Quá trình dập hồ quang của máy cắt Crompton Greaves

Hình 1.4: Cấu tạo bộ truyền động của máy cắt Crompton Greaves

Hình 1.5: Cấu tạo bộ truyền động của máy cắt ABB

Hình 1.6: Quá trình dập hồ quang của máy cắt ABB

Hình 1.7: Kết cấu máy cắt

CHƯƠNG 2 Hình 2.1: Kết cấu bên ngoài của máy cắt 110 kV SIEMENS (3AP1FG)

CHƯƠNG 3 Hình 3.1 : Đường đặctính vận tốc v = f(s)

Hình 3.2 : Đường đặc tính vận tốc v = f(t)

Hình 3.3 : Cấu tạo cơ khí bộ truyền động của máy cắt SIEMENS (3AP1FG)

Hình 3.4 : Máy cắt ở vị trí cắt, lò xo đóng và lò xo cắt không tích năng

Hình 3.13 : Lẫy cắt đã được giải phóng

Hình 3.14 : Sơ đồ mạch điều khiển mạch đóng, cắt

Hình 3.15 : Sơ đồ mạch bộ sấy và động cơ tích năng

Hình 3.16: Sơ đồ mạch điều khiển máy cắt SIEMENS 3AP1FG

CHƯƠNG 4 Hình 4.1 : Cấu tạo mạch vòng dẫn điện

Hình 4.2 : Tiếp điểm dập hồ quang

-

Hình 4.3 : Khoảng cách giữa các tiếp điểm

Hình 4.4 : Chiều dài thanh dẫn mang tiếp điểm

CHƯƠNG 5 Hình 5.1 : Buồng dập hồ quang tương ứng với các trạng thái của máy cắt

-

MỤC LỤC Trang TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 2

CHƯƠNG MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN CÁCH ĐIỆN

12 I PHÂN TÍCH CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 12 1 Khái niệm chung về máy cắt 12 2 Giới thiệu máy cắt một số hãng 14 2.1 Máy cắt hãng Siemens 14 2.2 Máy cắt hãng Crompton Greaves Ltd 16 2.3 Máy cắt hãng ABB 18 3 Chọn phương án thiết kế 20 II TÍNH TOÁN CÁCH ĐIỆN CỦA MÁY CẮT 110 kV

SIEMENS (3AP1FG) 20 1 Khoảng cách giữa các pha (S1) 21 2 Khoảng cách giữa các tiếp điểm dập hồ quang khi mở hoàn toàn (S2) 21 3 Chiều cao sứ cách điện của buồng dập hồ quang (S3) 22

4 Chiều cao sứ đỡ trụ (S4) 22 III KẾT LUẬN CHƯƠNG I 22 CHƯƠNG 2 : CẤU TẠO CHUNG CỦA MÁY CẮT 110 kV

SIEMENS (3AP1FG)

23

-

2.Tay đòn 24 3.Thanh kéo 24

4.Tủ bộ truyền động 24 III MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN 24 1.Tiếp điểm tĩnh hồ quang 24 2.Tiếp điểm động hồ quang 24 3.Tiếp điểm động làm việc 25 4.Tiếp điểm tĩnh làm việc 25 5 Lò xo tiếp điểm 25 IV BUỒNG DẬP HỒ QUANG 26 1.Tiếp điểm hồ quang 26 2 Ống thổi hồ quang 26 3 Xy lanh nhiệt 26 4 Pittong 26 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 26 CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN ĐỘNG 27 I KHÁI NIỆM CHUNG 27

II CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN ĐỘNG 27 III KÍCH THƯỚC CỦA MỘT SỐ THIẾT BỊ CHÍNH

TRONG BỘ TRUYỀN ĐỘNG 27 1 Thanh kéo cách điện 27 2 Tay đòn 27 3 Thanh nối 27 IV ĐẶC TUYẾN VẬN TỐC 27

V CẤU TẠO BỘ TRUYỀN ĐỘNG LÒ XO 30

VI NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 32

1 Tích năng lò xo 32

2 Quá trình đóng 35

3 Quá trình cắt 38 VII MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN 38

-

1 Tổng quan về mạch điều khiển điện trong máy cắt SF6

2 Các mạch điều khiển chính trong sơ đồ điều khiển 46

2.1 Phần mạch điện điều khiển máy cắt '' Tại chỗ '' (Local) 46

2.2 Phần mạch điện điều khiển máy cắt '' từ xa'' (Remote) 47

2.3 Mạch điện động cơ nạp lò xo (Spring - charging motor) 48

3 Mạch diện điều khiển máy cắt SF6, nhà chế tạo: SIEMENS, kiểu 49

3AP1FG dùng bộ truyền động lò xo

3.1 Mạch điện đóng tại chỗ máy cắt bằng nút ấn S9 50

VIII KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 54

I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN 55

1 Khái niệm chung 55

1.1 Xác định kích thước thanh dẫn tĩnh 57

1.3 Kiểm nghiệm thanh dẫn ở chế độ ngắn mạch 59

2 Tính toán xy lanh nhiệt 61

-

3.1 Xác định kích thước tiếp điểm tĩnh hồ quang 62 3.2 Xác định kích thước tiếp điểm động hồ quang 63 3.3 Xác định kích thước tiếp điểm động làm việc 63 3.4 Xác định kích thước tiếp điểm tĩnh làm việc 63

3.5 Xác định lực ép tiếp điểm 65

3.6 Tính ổn định nhiệt của tiếp điểm khi bị dòng ngắn mạch tác động 66 3.7 Tính toán lò xo tiếp điểm 70

3.8 Xác định độ mòn của tiếp điểm sau N lần đóng cắt cho

Tiếp điểm dập hồ quang

72 4 Tính toán đầu nối 73 4.1 Mối nối từ lưới điện vào máy cắt , từ máy cắt ra tải 73

4.2 Mối nối từ tiếp điểm ngón đến thanh dẫn tĩnh 74 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 75

CHƯƠNG 5 : LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN BUỒNG DẬP HỒ QUANG, QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM MÁY CẮT SF6 SAU LẮP ĐẶT

76 I.GIỚI THIỆU VỀ BUỒNG DẬP HỒ QUANG 76

1 Khái niệm chung 76

2 Nguyên lý tác động 77

3 Chọn buồng dập hồ quang 78

II TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN BUỒNG DẬP HỒ QUANG 79

1 Tính toán buồng dập hồ quang 79

2 Kiểm tra buồng dập hồ quang 81

III QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM SAU LẮP ĐẶT MÁY CẮT SF6 83 1 An toàn 83 2 Kiểm tra tổng thể bên ngoài 84 3 Thao tác đóng cắt bằng tay, kiểm tra chống giã giò 84 4 Thao tác 5 lần đóng cắt bằng điện 85

5 Đo điện trở cách điện 85

6 Thử nghiệm điện áp tăng cao tần số công nghiệp 50 Hz 86

7 Đo điện trở một chiều và cách điện các cuộn đóng, cắt 86

-

8 Kiểm tra động cơ tích năng 86 9 Kiểm tra áp lực khí 86

10 Kiểm tra rơ le khí (trong quá trình nạp khí) 86

11 Kiểm tra rò khí 87

12 Đo thời gian 87

13 Đo điện trở tiếp xúc và các tiếp điểm chính bằng đo điện trở 1 chiều 89

14 Các thí nghiệm khác tùy theo từng loại máy cắt và yêu cầu của nhà chế tạo 90 15 Kết quả thí nghiệm máy cắt Siemens 3APGF1 90 KẾT LUẬN CHUNG 92

-

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Điện năng là một nguồn năng lượng thiết yếu trong cuộc sống, nó tham gia vào

mọi lĩnh vực từ công nghiệp đến sinh hoạt Bởi điện năng có ưu thế là: dễ chuyển

đổi thành những dạng năng lượng khác, không gây ô nhiễm môi trường, dễ truyền

tải và phân phối…

Trong quá trình sử dụng điện năng luôn cần thực hiện các hoạt động: nâng cấp,

sửa chữa, bảo dưỡng, xử lý sự cố… Để thực hiện các hoạt động này, trước tiên cần

phải ngắt mạch điện, vì thế máy cắt là một thiết bị quan trọng không thể thiếu trong

hệ thống điện

Theo môi trường dập hồ quang, máy cắt được chia ra các loại: máy cắt dầu,

máy cắt khí nén, máy cắt chân không, máy cắt tự sinh khí, máy cắt khí SF6 Trong

đó máy cắt SF6 được thiết kế chế tạo cho mọi cấp điện áp, từ 3kV đến 800kV bởi

tính năng ưu việt của nó: khả năng cắt lớn, kích thước nhỏ gọn, độ an toàn và tin

cậy cao, tuổi thọ cao, chi phí bảo dưỡng thấp Vì vậy thiết kế máy cắt cao áp SF6 là

cần thiết

Sau đây tác giả xin trình bày nội dung của luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu cấu

tạo, và nguyên lý vận hành, thí nghiệm máy cắt cao áp SF6”

2 Mục đích, ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu cấu tạo, sơ đồ điều khiển, quy trình thí nghiệm từ đó đưa ra công

nghệ chế tạo máy cắt Xây dựng thành tài liệu hoàn chỉnh, hỗ trợ các nhà sản xuất

trong nước tham khảo để có thể chế tạo máy cắt SF6 tại Việt Nam trong tương lai

gần

3 Nội dung chính của đề tài cần giải quyết

Nghiên cứu, tính toán các thông số, lựa chọn vật liệu để thiết kế máy cắt SF6,

thí nghiệm trước vận hành của máy cắt (các kết quả thí nghiệm từ đó kết luận máy

cắt có đủ điều kiện đưa vào vận hành hay không) Liên hệ các kết quả nghiên cứu

được với điều kiện sản xuất trong nước

Từ đó đưa ra các phương án thiết kế

Nội dung của luận văn được bố trí như sau:

-

Chương mở đầu

Chương 1: Phân tích chọn phương án thiết kế, tính toán cách điện

Chương 2: Cấu tạo chung của máy cắt SF6 (Siemens 3AGP1FG)

Chương 3: Thiết kế bộ truyền động, điều khiển của máy cắt SF6

Chương 4: Tính toán mạch vòng dẫn điện

Chương 5: Lựa chọn và tính toán buồng dập hồ quang, quy trình và các

bước thí nghiệm máy cắt SF6

Kết luận chung

-

CHƯƠNG 1:

PHÂN TÍCH CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

VÀ TÍNH CÁCH ĐIỆN

I PHÂN TÍCH CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

1 Khái niệm chung về máy cắt

Máy cắt điện cao áp (còn gọi là máy cắt cao áp) là thiết bị điện dùng để đóng

cắt mạch điện có điện áp từ 1000V trở lên ở mọi chế độ vận hành: chế độ không tải,

chế độ định mức, chế độ sự cố, trong đó chế độ đóng cắt dòng điện ngắn mạch là

chế độ nặng nề nhất

Các thông số chính của máy cắt gồm: điện áp định mức (còn gọi là danh định),

dòng điện định mức, dòng điện ổn định nhiệt ứng với thời gian tương ứng, dòng

điện ổn định điện động, dòng điện cắt định mức, công suất cắt định mức, thời gian

đóng, thời gian cắt

Điện áp định mức là điện áp dây đặt lên thiết bị điện với thời gian làm việc dài

hạn mà cách điện của máy cắt không hỏng hóc, tính theo trị số hiệu dụng

Dòng điện định mức là trị số hiệu dụng của dòng điện chạy qua máy cắt trong

thời gian làm việc dài hạn mà máy cắt không hỏng hóc Việc tính toán dòng điện

định mức dựa vào bài toán cân bằng nhiệt của mạch vòng dẫn điện ở chế độ xác lập

nhiệt

Dòng ổn định nhiệt với thời gian tương ứng là trị số hiệu dụng của dòng điện

ngắn mạch, chạy trong thiết bị với thời gian cho trước mà nhiệt độ của mạch vòng

dẫn điện không vượt quá nhiệt độ cho phép ở chế độ làm việc ngắn hạn

Dòng điện ổn định điện động (còn gọi là dòng xung kích) là trị số lớn nhất của

dòng điện mà lực điện động do nó sinh ra không làm hỏng hóc thiết bị điện

Ixk = 1,8 2.I nm

Nếu máy cắt đóng khi lưới bị ngắt mạch thì dòng điện đóng chính là dòng

xung kích Dòng điện cắt định mức là dòng điện ngắn mạch mà máy cắt có khả

năng cắt được với thời gian cắt đã cho

Công suất cắt định mức của máy cắt ba pha (còn gọi là dung lượng cắt) được

tính theo công thức: Scdm = 3.U dm I cdm

-

Trong đó:

Udm - Điện áp định mức của lưới điện

Icdm – Dòng cắt định mức

Thời gian đóng là quãng thời gian từ khi có tín hiệu “đóng” được đưa vào máy

cắt đến khi máy cắt đóng hoàn toàn Thời gian này phụ thuộc vào đặc tính cơ cấu

truyền động và hành trình của tiếp điểm động

Thời gian cắt của máy cắt là quãng thời gian từ khi có tín hiệu cắt đến khi hồ

quang bị dập tắt hoàn toàn Thời gian này phụ thuộc vào đặc tính của cơ cấu cắt

(thường là lò xo cắt được tích năng lượng trong quá trình đóng) và thời gian cháy

của hồ quang, được tính toán cho hồ quang của dòng cắt định mức

Các yêu cầu chính đối với máy cắt là: độ tin cậy cao cho mọi chế độ làm việc,

quá điện áp khi cắt thấp, thời gian đóng và thời gian cắt nhanh, không gây ảnh

hưởng tới môi trường, dễ bảo quản, kiểm tra, thay thế, kích thước nhỏ gọn, tuổi thọ

cao

Dựa theo môi trường dập hồ quang, máy cắt được chia ra các loại: máy cắt dầu,

máy cắt khí nén, máy cắt chân không, máy cắt tự sinh khí, máy cắt khí SF6

Nhược điểm chính của máy cắt dầu là kích thước, khối lượng lớn, cần phải làm

sạch dầu, bảo dưỡng, sửa chữa phức tạp và dễ gây ra cháy nổ Ngày nay máy cắt

dầu loại thùng không còn chế tạo nữa

Ưu điểm chính của máy cắt không khí nén là khả năng cắt lớn, có thể đạt đến

dòng cắt 100kA, thời gian cắt bé nên tiếp điểm có tuổi thọ cao Mặt khác loại máy

cắt này không sợ cháy nổ như ở máy cắt dầu Nhược điểm của loại máy cắt này là

có thiết bị khí nén đi kèm Vì vậy chỉ nên dùng cho những trạm có số lượng máy

cắt lớn Cho đến những năm 90 của thế kỷ 20, máy cắt không khí nén hầu như

không còn được chế tạo nữa bởi nó không cạnh tranh được với loại chân không và

khí SF6

Ưu điểm chính của máy cắt chân không là kích thước nhỏ gọn, không gây ra

cháy nổ, tuổi thọ cao khi cắt dòng định mức (đến 10000 lần đóng cắt), gần như

không cần bảo dưỡng định kỳ, vì vậy loại máy cắt này được dùng khá rộng rãi ở

-

lưới điện trung áp, với dòng điện định mức đến 3000A, chủ yếu dùng lắp đặt trong

nhà Dòng điện cắt cỡ 50kA, thời gian cháy của hồ quang cỡ 15ms

Máy cắt SF6 được thiết kế, chế tạo cho mọi cấp điện áp cao áp, từ 3kV đến

800kV bởi tính năng ưu việt của nó có: khả năng cắt lớn, kích thước nhỏ gọn, độ an

toàn và tin cậy cao, tuổi thọ cao, chi phí bảo dưỡng thấp

2 Giới thiệu máy cắt SF 6 của một số hãng

2.1 Máy cắt của hãng Siemens

Máy cắt có ba trụ cực ứng với 3 pha, khi lắp 3 trụ cực nằm trên 1 giá đỡ chung,

bộ truyền động của máy cắt nằm ở pha B Giữa các pha B-A, B-C và giữa pha B với

bộ truyền động có các thanh truyền để truyền chuyển động từ bộ truyền động đến

các trụ cực máy cắt

Lò xo đóng và lò xo cắt nằm trong bộ truyền động, để đóng được máy cắt cần

tích năng lượng cho lò xo đóng bằng tay hoặc bằng động cơ nằm trong bộ truyền

động, lò xo cắt được tích năng lượng trong quá trình đóng

Cơ cấu tích năng cho lò xo: động cơ tích năng, khi cần có thể dùng bằng tay

quay, qua bộ giảm tốc bánh răng, trục chính, thanh nối tới lò xo đóng

Cơ cấu đóng: nam châm điện đóng, qua cam, lực từ lò xo đóng truyền tới tay

đòn, trục quay, các thanh kéo đi đóng tiếp điểm

Cơ cấu cắt: nam châm điện cắt, lẫy cắt, giải phóng tay đòn, lò xo đi cắt tiếp

điểm

Hình 1.1: Cấu tạo của bộ truyền động máy cắt Siemens

-

Nguyên lý dập hồ quang:

Hình 1.2: Quá trình dập hồ quang của máy cắt SIEMENS Trong đó: 1.2.1: Tiếp điểm tĩnh 1.2.5: Xy lanh nhiệt

1.2.2: Ống thổi dập hồ quang 1.2.6: Van

1.2.3: Tiếp điểm động 1.2.7: Pittong

1.2.4: Tiếp điểm ngón 1.2.8: Van

Máy cắt dập hồ quang theo nguyên lý tự động điều chỉnh áp lực thổi, buồng dập

hồ quang có hai ngăn: ngăn trên pittong (1.2.7) và ngăn dưới pittong (1.2.7)

Năng lượng hồ quang tạo áp lực thổi cho ngăn trên pittong (1.2.7), chuyển động

tương đối của pittong (1.2.7) tạo áp lực cho ngăn dưới pittong (1.2.7)

Khi cắt dòng điện lớn, năng lượng hồ quang lớn tạo áp lực trong ngăn trên

pittong (1.2.7) đủ lớn để dập tắt hồ quang (nguyên lý tự thổi)

Khi dòng điện nhỏ, năng lượng hồ quang nhỏ áp lực hồ quang trong khoang

trên pittong (1.2.7) không đủ lớn để dập tắt hồ quang, chuyển động tương đối của

pittong (1.2.7) tạo áp lực trong ngăn dưới pittong (1.2.7), mở van (1.2.6) tạo ra

luồng khí dập tắt hồ quang (nguyên lý pittong)

2.2 Máy cắt hãng Crompton Greaves Ltd

Cấu tạo và hoạt động:

1.2.1

1.2.2

1.2.4 1.2.3

1.2.5

1.2.6

1.2.7

1.2.8

-

Thiết bị ngắt được bơm đầy khí SF6 đến đỉnh cực và tiếp điểm tĩnh làm việc,

ống thổi dập hồ quang, tiếp điểm động, xy lanh phụt khí, và pittong nén Trong quá

trình mở, tiếp điểm động cùng với xy lanh phụt khí bị đẩy xuống Xy lanh phụt khí

chuyển động cùng với tiếp điểm động, nén khí SF6 chống lại pittong nén, bởi thế tạo

luồng khí SF6 thổi mạnh qua ống thổi dập hồ quang và dập hồ quang Sau khi

chuyển động được một khoảng, độ bền cách điện của khoảng mở đủ để đảm bảo

chống lại điện áp và bởi vậy dập tắt hồ quang Sự đảm bảo của hệ thống được gia

tăng bởi hai ngăn áp suất riêng biệt khí SF6 nhờ đó làm giảm số lượng bộ phận

chuyển động và hệ thống phụ của máy cắt

Hoạt động cơ khí của lò xo – khí nén:

Hình 1.3: Quá trình dập hồ quang của máy cắt Crompton Greaves

Hoạt động cơ khí là một dạng của lò xo – khí nén tức là hoạt động nhả được

thực hiện bởi năng lượng của khí nén và hoạt động đóng được thực hiện bởi năng

lượng lò xo mà không cần đến một lò xo được tích năng bằng động cơ Đây là sự

khác biệt lớn với động cơ chạy bằng khí nén thông thường mà sử dụng năng lượng

khí nén cho cả hai quá trình nhả và đóng Trong suốt quá trình nhả năng lượng khí

nén được cung cấp bởi nguồn khí mà được nạp trong khoang cơ khí Một khoang

tiếp điểm tĩnh hồ quang ống thổi hồ quang

tiếp điểm động

Pittong

g tiếp điểm động hồ quang

xy lanh phụt khí

-

nén khí trong khoang cơ khí bảo vệ áp suất khí trong nguồn khí hoạt động ở áp suất

15kg/cm2 Ở cuối quá trình nhả lò xo đóng tích năng một cách tự động Mỗi một

máy cắt được lắp máy nén khí độc lập của riêng nó, bởi thế tránh được hệ thống ống

dẫn phức tạp và hệ thống máy nén khí cần cho máy nén trung tâm Thêm một điểm

thuận lợi về mặt cơ khí của loại máy này là năng lượng khí chỉ đòi hỏi trong quá

trình nhả, toàn bộ hệ thống khí nén làm việc với một áp suất khí đơn và một nguồn

,bởi thế gia tăng sự chắc chắn và sự tin cậy của máy cắt

Hình 1.4: Cấu tạo bộ truyền động của máy cắt Crompton Greaves

2.3 Máy cắt của hãng ABB

Mỗi cực đơn làm việc của máy cắt được trang bị với một động cơ điều khiển

Cả máy ngắt có thể làm việc với chỉ một động cơ điều khiển

Lò xo đóng trong bộ cơ khí phát sinh lực hoạt động cần thiết đóng máy cắt và

tích năng lượng cho lò xo mở

Lò xo mở là một phần của hệ thống kết nối của máy cắt Khi máy cắt ở vị trí

đóng, lò xo mở luôn được tích năng lượng cho hoạt động mở Nói cách khác, khi

máy cắt ở trạng thái đóng luôn chuẩn bị sẵn sàng cho hoạt động mở

-

Bộ truyền động bánh răng tích năng cho lò xo được hoạt động bởi một động cơ,

tích năng lượng một cách tự động cho lò xo đóng ngay khi hoạt động đóng xảy ra

Lò xo được giữ ở trạng thái tích năng bởi một chốt Chốt nhả khi máy cắt đang

đóng

Nguyên lý hoạt động được miêu tả cụ thể như sau: một đĩa cam và lò xo được

kết nối bởi dây xích Dây xích gồm hai vòng và chạy trên bánh răng của động cơ,

năng lượng được truyền đi khi lò xo đang được tích năng và dây xích chạy quanh

đĩa cam khi máy cắt được đóng Trong khi nó quay, đĩa cam khởi động đường

truyền, mà chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động thẳng

Hình 1.5: Cấu tạo bộ truyền động của máy cắt ABB

Nguyên lý dập hồ quang:

Dựa trên nguyên lý thổi tự động Khi cắt dòng điện nhỏ, dòng điện dung, dòng

điện tải, luồng khí từ xy lanh phụt hơi nhiệt thổi trực tiếp vào hồ quang Khi cắt

dòng điện ngắn mạch, năng lượng hồ quang làm áp suất khí tăng cao đến mức cần

thiết để dập tắt hồ quang Những yêu cầu về cơ khí bởi thế được giảm đi

-

Hình 1.6: Quá trình dập hồ quang của máy cắt ABB

3 Chọn phương án thiết kế

Từ các kết cấu trên, xét thấy kết cấu máy cắt của hãng Siemens có nhiều ưu

điểm nổi trội kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, phù hợp với điều kiện nước ta Vì vậy trong

nội dung này tác giả sẽ chọn phương án thiết kế máy cắt SF6 theo kết cấu của hãng

Siemens với cấp điện áp 110kV

Nguyên lý dập hồ quang: kiểu tự động điều chỉnh áp lực thổi, buồng dập hồ

quang có hai ngăn, ngăn trên pittong và ngăn dưới pittong

Máy cắt sử dụng một bộ truyền động chung cho cả ba pha, bộ truyền động loại

lò xo Để đóng máy cắt cần tích năng lượng cho lò xo đóng bằng tay hoặc bằng

động cơ, qua bộ giảm tốc bánh răng, trục chính, thanh nối tới lò xo đóng Lò xo cắt

được tích năng lượng trong quá trình đóng

II TÍNH TOÁN CÁCH ĐIỆN

Tính toán cách điện bao gồm giải quyết các vấn đề:

- Chọn các bộ phận có khoảng cách cách địên và chọn sơ bộ hình dáng kích

thước các điện cực tạo thành các khoảng cách đã chọn

- Xác định các giá trị điện áp phóng điện tính toán cho từng khoảng cách đã

chọn

-

- Tính kích thước nhỏ nhất cho phép của các khoảng cách cách địên

Sơ đồ kết cấu máy ngắt:

S1 - Khoảng cách giữa các pha

S2 - Khoảng cách giữa các tiếp điểm dập hồ quang mở hoàn toàn

S3 - Chiều cao sứ cách điện của buồng dập hồ quang

S4 - Chiều cao sứ trụ

1 Khoảng cách giữa các pha (S 1 )

Tra điện áp phóng điện khô theo bảng 1-9 [3] đối với thang cách điện 110 kV,

được: Upđ = 315 (kV)

Từ giá trị điện áp phóng điện trên tra trên đồ thị hình 1-14 [3] suy ra khoảng

cách nhỏ nhất giữa các pha là: S1 = 79 (cm)

Chọn trị số khoảng cách giữa các pha là: 150 (cm)

2 Khoảng cách giữa các tiếp điểm dập hồ quang mở hoàn toàn (S 2 )

Điện áp phóng điện tính toán đối với khoảng cách giữa các tiếp điểm dập hồ

quang Theo phương quang theo phương trình 1-17 [3]: Upđt = Kdt.Upđ

Trong đó: Kdt - hệ số dự trữ Kdt = 1,2

Upđ - trị số tiêu chuẩn của điện áp phóng Tra theo bảng 1-9 [3] đối với thang

cách điện 110 kV, được: Upđ = 260 (kV)

-

Updt = 1,2.260 = 312 (kV)

Chọn áp suất khí SF6 trong buồng dập hồ quang ở trạng thái ổn định khi đóng

hoặc mở hoàn toàn là 3at (Theo IEC60694)

Ở áp suất bình thường, độ bền điện của SF6 gấp 3 lần so với không khí Vì vậy

tính toán khoảng cách giữa các tiếp điểm dập hồ quang trong máy ngắt SF6 với áp

suất khí quyển gần đúng lấy bằng khoảng cách cách điện trong không khí ở điện áp

phóng điện Upđt = 312 kV là 79 cm chia cho 3

S’2 = 79/3 = 26,3 (cm)

Ở áp suất 2at, độ bền điện của khí SF6 tương đương với dầu biến áp Vì vậy

khoảng cách giữa các tiếp điểm dập hồ quang trong máy cắt SF6 ở áp suất 2at được

tính toán bằng với khoảng cách cách điện trong môi trường dầu

Suy ra: Upd = 312 kV được: S”2 = 19,5 (cm)

Từ các kết quả trên ngoại suy gần đúng lấy khoảng cách giữa các tiếp điểm dập

hồ quang trong máy ngắt SF6 ở áp suất 3at là: S2 = 14 (cm)

3 Chiều cao sứ cách điện của buồng dập hồ quang (S 3 )

Giá trị điện áp phóng điện tính toán xác định theo công thức 1-17 [3]:

Upđt = Kdt.Upđ Trong đó:

Kdt - hệ số dự trữ lấy theo 1-11[3] Kdt = 1

Upđ - trị số tiêu chuẩn của điện áp phóng Điện áp phóng điện khô đối với sứ trụ

theo bảng 1-9[3] thang cách điện 110kV, được: Upđ = 315 (kV)

 Upđt = 1.315 = 315 (kV) Tra đồ thị 1-15[2] suy ra chiều cao nhỏ nhất cho phép của sứ cách điện của

-

Máy cắt là thiết bị đặc trưng và quan trọng bậc nhất trong hệ thống điện Việc

liệt kê, tính toán sau đó đưa ra lựa chọn phù hợp dựa trên các tiêu chuẩn kĩ thuật và

yêu cầu thực tế là điều kiện tiên quyết trong việc vận hành lưới điện cao thế an toàn,

hiệu quả, tin cậy Với kinh nghiệm nhiều năm làm việc trong lĩnh vực thí nghiệm và

hiệu chỉnh thiết bị cao thế trước khi đưa vào vận hành chúng tôi thấy rằng máy cắt

SIEMENS có nhiều ưu điểm so với máy cắt của hãng khác Thông qua việc nghiên

cứu cấu tạo và nguyên lý vận hành của máy cắt SIEMENS, chúng ta sẽ tham khảo,

và đưa ra những phương án thiết kế hợp lý Chúng ta sẽ đi vào nghiên cứu từng

phần cụ thể Đầu tiên là cấu tạo bên ngoài tổng thể của máy cắt

-

CHƯƠNG 2:

CẤU TẠO CHUNG CỦA MÁY CẮT 110 kV SIEMENS 3AP1FG

Máy cắt gồm 3 trụ cực ứng với 3 pha, khi lắp 3 trụ cực nằm trên 1 giá đỡ

chung, bộ truyền động của máy cắt nằm ở pha B

Hình 2.1: Cấu tạo tổng thể bên ngoài của máy cắt 2.1.1 Giá đỡ máy cắt

2.1.2 Đồng hồ hiển thị trạng thái đóng, ngắt của máy ngắt

-

4 Giá đỡ máy cắt

Chiều dài giá đỡ máy cắt: D = 3480 (mm)

Chiều rộng của giá đỡ máy cắt: R= 420 (mm)

Chiều cao của giá đỡ máy cắt: H = 270 (mm)

Khoảng cách từ giá đỡ máy cắt tới đất là: L = 1890 (mm)

II BỘ TRUYỀN ĐỘNG

Máy cắt sử dụng 1 bộ truyền động chung cho cả 3 pha, bộ truyền loại lò xo,

nằm ở pha B Giữa các pha B - A, B - C và giữa pha B với bộ truyền động có các

thanh truyền để truyền chuyển động từ bộ truyền động đến các cực máy cắt

1 Thanh kéo cách điện

Chiều dài thanh kéo cách điện là: L = 1050 (mm)

2 Tay đòn

Chọn chiều dài tay đòn là: L = 220 (mm)

Góc quay của tay đòn là:  = 600

3 Thanh kéo

Chiều dài thanh kéo là: L = 3400 (mm)

4 Tủ bộ truyền động

Chiều cao tủ bộ truyền động: H = 925 (mm)

Chiều dài tủ bộ truyền động: D = 1080 (mm)

Chiều rộng tủ bộ truyền động: R = 420 (mm)

III MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN

1 Tiếp điểm tĩnh hồ quang

Vật liệu làm tiếp điểm tĩnh hồ quang là đồng, kim loại gốm

Tiếp điểm tĩnh hồ quang gắn với thanh dẫn tĩnh có dạng trụ đặc, phần đầu hình

cầu

Đường kính tiếp điểm tĩnh hồ quang: D = 24 (mm)

2 Tiếp điểm động hồ quang

Vật liệu làm tiếp điểm là đồng, kim loại gốm

Đường kính ngoài của tiếp điểm động hồ quang: D = 35 (mm)

Đường kính trong của tiếp điểm khi đóng vào tiếp điểm động hồ quang:

-

d = 24 (mm)

Chiều dài tiếp điểm động hồ quang (phần tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh hồ quang

theo hướng dọc trục) là: H = 10 (mm)

3 Tiếp điểm động làm việc

Tiếp điểm động làm việc gắn liền với xy lanh nhiệt, vì vậy có dạng trụ rỗng và

kích thước bằng kích thước xy lanh

Chọn vật liệu làm tiếp điểm là bạc, niken, than chì

Đường kính ngoài tiếp điểm: D = 156 (mm)

Đường kính trong tiếp điểm: d = 150 (mm)

4 Tiếp điểm tĩnh làm việc

Tiếp điểm tĩnh làm việc dạng ngón, và số tiếp điểm ngón là 10 Các tiếp điểm

ngón được sắp xếp thành một vòng tròn trên giá đỡ tiếp điểm

Khoảng cách giữa các tiếp điểm tĩnh khi đóng xuống tiếp điểm động làm việc

là 19 (mm)

Chiều rộng mỗi tiếp điểm ngón là: c = 40 (mm)

Chiều dài khoảng tiếp xúc của tiếp điểm ngón với tiếp điểm động theo hướng

trục khi đóng hoàn toàn là: b = 3 (mm)

Độ lún l của tiếp điểm là: l = 4 (mm)

Chiều dài tiếp điểm ngón là: h = 70 (mm)

Chiều dày tiếp điểm ngón: d = 6 (mm)

5 Lò xo tiếp điểm

Kiểu lò xo xoắn hình trụ, làm việc chịu nén, được quấn bằng dây tròn

Vật liệu làm lò xo tiếp điểm: dây lò xo thép các bon OCT9389-60

Đường kính d của dây quấn lò xo: d = 3 (mm)

Đường kính trung bình của lò xo: D = 18 (mm)

Số vòng lò xo: W = 3

Bước lò xo chịu nén: tn = 4,33 (mm)

Chiều dài tự do của lò xo chịu nén: ln = 17,5 (mm)

IV BUỒNG DẬP HỒ QUANG

Buồng dập hồ quang 2 ngăn, nguyên lý dập hồ quang kiểu tự thổi

-

1 Tiếp điểm hồ quang

Khoảng cách giữa các tiếp điểm hồ quang khi mở hoàn toàn: S = 140 (mm)

Quãng đường chuyển động của tiếp điểm động hồ quang trong hành trình đóng,

ngắt: H = 220 (mm)

2 Ống thổi dập hồ quang

Đường kính miệng ống thổi là: D = 26 (mm)

Chiều cao miệng ống thổi chính (theo hướng chuyển động của tiếp điểm) là:

(cm)

Đường kính trong ống thổi dập hồ quang chính là: D = 65 (mm)

Đường kính ngoài ống thổi dập hồ quang phụ là: D = 45 (mm)

3 Xy lanh nhiệt

Chiều cao xy lanh nhiệt: H = 124,4 (mm)

Đường kính trong xy lanh nhiệt: d = 150 (mm)

Đường kính ngoài xy lanh nhiệt: D = 156 (mm)

4 Pittong

Đường kính pittong: D = 156 (mm)

V Kết luận chương 2

Nhận thấy máy cắt SIEMENS có nguyên lý vận hành đơn giản Tuy nhiên

trong thực tế vận hành, nó có độ chính xác, an toàn, tin cậy vượt trội so với máy cắt

của khác Để có cái nhìn chính xác hơn, chúng ta sẽ nghiên cứu sâu hơn về cấu tạo

và nguyên lý hoạt động của bộ truyền động của máy cắt SIEMENS

-

CHƯƠNG 3:

THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN ĐỘNG

I Khái niệm chung

Cơ cấu truyền động là một bộ phận quan trọng của máy cắt, thực hiện chuyển

vị các tiếp điểm động trong quá trình đóng và cắt theo hành trình và tốc độ cho

trước Cơ cấu truyền động tác động nhờ bộ truyền động Kết cấu cơ cấu truyền động

tuỳ thuộc kiểu máy cắt Mỗi kết cấu truyền động có thể biểu diễn bằng sơ đồ động

tương ứng

II Chọn phương án thiết kế bộ truyền động

Trong phạm vi đồ án này tác giả lựa chọn phương án nhập bộ truyền động của

máy cắt loại 3AP1FG do hãng Siemens chế tạo Để phù hợp với cấu tạo của mạch

vòng dẫn điện và buồng dập hồ quang sẽ được thiết kế ở các chương sau, bộ truyền

động được nhập phải thoả mãn các yêu cầu về đặc tính vận tốc, một số kích thước

dưới đây

III Kích thước một số thiết bị chính trong bộ truyền động

1 Thanh kéo cách điện

Vì chiều cao sứ trụ (S4 = 120cm), lấy chiều dài thanh kéo cách điện lấy là:

L = 120 (cm) = 1200 (mm)

2 Tay đòn

Vì mỗi lần đóng cắt tiếp điểm chuyển động một khoảng là (H=220 mm) nên

chiều dài từ trục quay đến đầu nối của các cánh tay đòn, đảm bảo sao cho mỗi lần

quay hết góc quay đầu nối của tay đòn cách nhau một khoảng 220 (mm) Chọn

chiều dài tay đòn là: L = 220(mm) Vậy góc quay của tay đòn là:

Đặc tuyến vận tốc cắt của máy cắt phải đảm bảo: tiếp điểm động hồ quang

được gia tốc trong suốt quãng đường tiếp điểm động hồ quang chưa tách ra khỏi

-

tiếp điểm tĩnh hồ quang Sau khi chuyển động được hết quãng đường mà tiếp điểm

động còn tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh (L = 80mm) thì hai tiếp điểm hồ quang bắt đầu

tách nhau, vận tốc của tiếp điểm động phải đạt đến cực đại để khoảng cách giữa các

tiếp điểm hồ quang tăng nhanh nhất, do đó làm tăng độ bền điện phục hồi khí SF6,

tăng khả năng dập hồ quang Đồng thời vận tốc tiếp điểm trong đoạn hành trình khi

hai tiếp điểm hồ quang đã tách khỏi nhau giảm dần, gần đến cuối đoạn hành trình

cắt tốc độ tiếp điểm giảm nhanh về không Tổng thời gian chuyển động hết hành

trình mở của tiếp điểm động hồ quang là 110 (ms)

Chọn quan hệ giữa tốc độ của tiếp điểm động và quãng đường tiếp điểm động

di chuyển v = f(s) theo đường đặc tuyến vận tốc ngắt như sau:

v = f(t)

Khi đó suất phát từ:     

s

ds v t ds v

dt dt

ds v

0

1

1

v(m/s)

s(mm)

1

Thời gian chuyển động: ti = ti-1 + ∆ti

Dựa vào đặc tuyến v = f(s) ta tính được:

02 , 0 85 , 0

1

02 , 0

0 1

1

0

s dt

ds v t

tương tự như trên ta được bảng sau:

Cơ cấu tích năng cho lò xo đóng gồm: động cơ tích năng (3.3.6), khi cần có thể

dùng bằng tay quay (3.3.7), bộ giảm tốc bánh răng (3.3.8), trục chính (3.3.17), thanh

nối tới lò xo đóng (3.3.10)

Cơ cấu đóng gồm: nam châm đóng (3.3.19), lẫy đóng (3.3.20), qua cam

(3.3.11) lực từ lò xo đóng truyền tới tay đòn (3.3.12), trục quay N (3.3.23), thanh

kéo (3.3.26), thanh kéo (3.3.3), thanh cách điện (3.3.5) đi đóng tiếp điểm máy cắt

Cơ cấu cắt gồm: nam châm điện cắt (3.3.13), lẫy cắt (3.3.14) giải phóng tay

đòn, lò xo đi cắt tiếp điểm

Giảm chấn cắt (3.3.18), giảm chấn đóng (3.3.27) để giảm rung động cuối quá

trình cắt và đóng

v (m/s)

t(s)

3.3.25 Thanh nối Hình 3.3 : Cấu tạo bộ truyền động

3.3.26 Thanh kéo bộ truyền động cơ khí

3.3.27 Giảm chấn đóng

3.3.28 Buồng cắt

3.3.3

3.3.1 3.3.2

3.3.26 3.3.9 3.3.8

3.3.19

3.3.20

3.3.11

3.3.17 3.3.4

3.3.5

-

Hình 3.4: Máy cắt ở vị trí cắt, lò xo đóng và lò xo cắt không tích năng

1 Tích năng cho lò xo

Trong quá trình vận chuyển và lắp đặt máy cắt ở trạng thái cắt, lò xo đóng, lò

xo cắt ở trạng thái tự do, máy cắt không thể thao tác được, vị trí các chi tiết bộ

truyền động như (Hình 3.4)

Cam (3.4.3) và tay đòn (3.4.10) ở vị trí điểm chết dưới, tay đòn (3.4.4) và

(3.4.18) ở vị trí cắt (Hình 3.4)

Để tích năng cho lò xo đóng động cơ tích năng (3.5.1) chạy, giảm tốc qua các

bánh răng (3.5.2) quay trục chính (3.5.4) Lẫy tự do (3.5.3) trên bánh răng cuối cùng

3.4.18 Tay đòn 3.4.23 Con lăn

3.4.19 Thanh nối 3.4.24 Buồng cắt

3.4.20 Thanh kéo bộ truyền động 3.4.25 Cam

3.4.21 Liên động cơ khí 3.4.26 Con lăn

3.4.18

3.4.4

3.4.5 3.4.19

3.4.14

3.4.11

-

của bộ giảm tốc bánh răng 3.5.2 móc vào cam của trục chính 3.5.4 và quay nó qua

điểm chết trên kéo thanh 3.4.10 và tích năng cho lò xo đóng

Sau đó trục chính (3.5.4) quay nhanh hơn đến vị trí của lẫy đóng (3.6.4), một

phần là do tác động của lò xo đóng dãn ra hơn là tác động của lẫy tự do

Tại cuối quá trình tích năng trước khi cam (3.6.2) dừng lại ở vị trí 100 quá về

phía bên kia của điểm chết trên do tác động của con lăn (3.6.5) và chốt đóng (3.6.4)

(Hình 3.6) Cam (3.4.25) cố định trên hộp chứa bộ truyền động giải phóng lẫy tự do

(3.7.2) khỏi trục chính (3.7.3) ( Hình 3.7), trục chính và bánh răng (3.7.1) được tách

ra, động cơ cắt ra tại điểm quá điểm chết trên 100

Lò xo đóng được tích năng và bộ truyền động sẵn sàng cho quá trình đóng

3.6.2 3.6.3

3.6.1

3.6.2 3.6.3

3.7.4 3.7.2 3.7.3

3.7.1

Dưới tác động của lực lò xo đóng làm trục (3.9.7) quay ( Hình 3.9) Con lăn

(3.9.3) của tay đòn (3.9.2) chuyển động trên bề mặt cam (3.9.1) và truyền lực qua

tay đòn (3.9.2) tới trục quay (3.9.8), tay đòn (3.9.8), tay đòn này được gắn cố định

vào trục quay (3.9.8) thông qua thanh kéo bộ truyền động (3.9.11), thanh kéo

(3.3.3), thanh cách điện (3.3.5) đi đóng tiếp điểm của máy cắt

Tại cùng thời điểm này lò xo cắt được tích năng nhờ tay đòn (3.9.9), thanh nối

(3.9.10) Lẫy cắt (3.9.4) chuyển động dọc theo con lăn của lẫy (3.9.5) (Hình 3.9) và

đến cuối hành trình của tay đòn (3.9.2) lẫy cắt (3.9.4) rơi vào đằng sau con lăn của

lẫy (3.10.5) ( Hình 3.10)

Khi tay đòn (3.11.2) rời cam (3.11.6) nó lùi lại một ít theo hướng cắt cho đến

khi lẫy cắt (3.11.3) nằm ở vị trí trên con lăn của lẫy (3.11.4) như (Hình 3.11), bây

giờ máy cắt bị khoá lại ở trạng thái đóng

Tại cuối quá trình đóng, động cơ tích năng được đóng Hành trình tích năng cho

lò xo đóng được lặp lại tương tự như phân tích năng cho lò xo đóng

Sau đó trục chính cùng với lò xo đóng bị hãm ở điểm chết trên 100 (Hình 3.12)

3.8.1

3.10.5

3.10.7

3.10.2

3.10.4

-

3.Quá trình cắt

Cuộn cắt (3.13.2) tác động giải phóng lẫy cắt (3.13.5)-(3.13.4)-(3.13.3) dưới tác

dụng của lò xo cắt (3.13.6) kéo tay đòn (3.13.8) và tay đòn (3.13.1) chuyển động

đẩy thanh nối (3.13.10) và (3.13.5) mở tiếp điểm của máy cắt (Hình 3.13) Vì lò xo

đóng đã tích năng nên máy cắt sẵn sàng cho việc đóng lại ngay

Hình 3.13: Lẫy cắt đã được giải phóng

VII Mạch điện điều khiển

1 Tổng quan chung về mạch điều khiển điện trong máy cắt Siemens

3APGF1

Nguyên lý làm việc của mạch điện điều khiển bộ truyền động được chỉ ra trong

sơ đồ dưới đây:

Hình 3.14: Sơ đồ mạch điều khiển đóng, cắt

3.13.10

+ +

Đ BW BĐ S4 S1

S'1 S1

S4 BĐ BW

BW BĐ

S'1

_ +

E2 E1

Hình 3.15: Sơ đồ mạch sấy và động cơ tích năng

Mạch đóng Mạch cắt 1 Mạch cắt 2

Bộ sấy Động cơ

Đ Công tắc tín hiệu máy ngắt đóng hoàn toàn

ĐC Động cơ tích năng cho lò xo đóng

E1, E2 Bộ sấy

F2 Máy ngắt nhỏ cho bộ sấy

M Công tắc tín hiệu máy ngắt mở hoàn toàn

N Công tắc tín hiệu lò xo tích đủ năng lượng

Q1 Công tắc tơ

S1 Khóa liên động lựa chọn đóng, mở tại chỗ

S’1 Khoá liên động lựa chọn đóng, mở từ xa

S3 Công tắc đóng khi ngắn mạch

S4 Công tắc lựa chọn điều khiển tại chỗ hoặc từ xa

Y1, Y2 Cuộn điều khiển chốt nhả

Y3 Cuộn điều khiển chốt đóng

Máy cắt có 1 mạch đóng, 1 cuộn đóng, 2 mạch cắt, 2 cuộn cắt làm việc song

song

Mạch cắt 1 có cuộn cắt 1 dùng để cắt khi vận hành, và khi có sự cố

Mạch cắt 2 có cuộn cắt 2 dùng để cắt dùng để cắt nhanh khi có ngắn mạch

Công tắc mật độ BD khoá thao tác khi mật độ khí xuống quá thấp

Tiếp điểm Đ thường kín luôn đóng khi máy cắt mở hoàn toàn và mở khi máy

cắt đóng hoàn toàn Tiếp điểm Đ thường mở luôn mở khi máy ngắt mở hoàn toàn và

đóng khi máy cắt đóng hoàn toàn

Tiếp điểm Đ thường kín ngăn việc giữ xung lực đóng sau khi máy cắt đóng

hoàn toàn

Tiếp điểm M thường kín luôn đóng khi máy ngắt đóng hoàn toàn và mở khi

máy cắt mở hoàn toàn