ĐỒ ÁN_THIẾT KẾ MÁY NGẮT SF6
Trang 1Lời nói đầu
Điện năng là nguồn năng lợng quan trọng trong sản xuất và sinh hoạt Nó có u điểm là dễ sản xuất và truyền tải Trong quá trình truyền tải phải sử dụng điện áp cao, vì thế vấn đề đóng cắt và bảo vệ mạch điện cao áp nảy sinh, ngời ta đã dùng các loại máy ngắt Máy ngắt ngắt mạch điện một cách tự động khi hệ thống có sự cố và ngắt mạch điện khi muốn nâng cấp và sửa chữa hệ thống điện.
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, máy ngắt ngày một nhỏ hơn, nhẹ hơn và làm việc tin cậy hơn Trong đó loại máy ngắt SF6 hiện nay đang đợc sử dụng rộng rãi vì có nhiều u điểm nổi bật hơn các loại máy ngắt khác Từ năm 1969 trở lại đây ngời ta tìm ra những u điểm nổi bật của khí SF6 , máy ngắt này đã đợc chế tạo đến cấp điện áp 800 KV và dòng điện lên tới 80 KA.
Trong quá trình học tập em nhận đợc đồ án môn học: “Thiết kế máy ngắtSF6” Em xin chân thành cảm ơn thầy Bùi Tín Hữu đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình hoàn thành đồ án môn học.
Sinh viên thực hiện
Đờng Xuân Hùng
Trang 3Chơng 1: Giới thiệu chung về máy ngắt SF6
1.1 Định nghĩa:
Máy cắt là khí cụ điện dùng để đóng cắt mạch điện có điện ở trạng thái bình thờng và tự động đóng cắt mạch điện khi có sự cố.
Mắt cắt thực hiện đóng cắt bằng bộ truyền động: bằng tay hoặc tự động.
1.2 Yêu cầu của máy ngắt:
- Cắt tự động và đủ nhanh đây là hai yêu cầu quan trọng của máy ngắt - Làm việc tin cậy.
- Có khả năng thực hiên đóng lập lại - Kích thớc nhỏ, dễ kiểm tra và thay thế.
- An toàn khi cắt (không gây cháy nổ, không gây quá điện áp khi cắt).
1.3 Phân loại máy ngắt:
Dựa vào môi trờng dập hồ quang * Máy ngắt dầu: Gồm hai loại
− Máy cắt nhiều dầu − Máy cắt ít dầu.
* Máy ngắt khí nén: Dùng không khí nén ở áp suất 16 – 28 ata để
cách điện và dập hồ quang Máy cắt khí nén chia ra làm ba loại − Không có dao cách ly.
− Có dao cách ly.
− Máy cắt không khí chèn.
* Máy ngắt khí SF6: Từ năm 1969 nghiên cứu và sản xuất máy ngắt SF6 với điện áp cao và siêu cao áp với điện áp định mức nằm trong khoảng 3 – 800 KV, dòng điện ngắt lên đến 80 KA áp suất khí SF6 trong buồng dập hồ quang 7 – 8(ata) vỏ bằng kim loại hoặc bằng sứ cách điện.
Để tăng hiệu ứng dập hồ quang trong môi trờng khí và giảm kích thớc cách điện ngời ta sử dụng khí SF6 Loại khí này có những đặc điểm sau:
Trang 4- ở áp suất bình thờng độ bền của khí SF6 gấp 2,5 lần so với không khí, còn ở áp suất 2 at(0,2 Mpa) độ bền điện áp của khí này tơng đơng với dầu máy biến áp.
- Khả năng dập hồ quang của buồng hồ quang dập kiểu thổi dọc khí SF6 lớn gấp 5 lần so với không khí, vì vậy giảm đợc thời gian cháy của hồ quang, tăng khả năng cắt, tăng tuổi thọ tiếp điểm.
- SF6 là loại khí trơ, không phản ứng với oxy, hiđrô, ít bị phân tích thành các khí thành phần Một năm giảm 1% khí SF6 nên lâu phải thay thế.
Nhợc điểm chính của loại khí này là nhiệt độ hoá lỏng thấp ở áp suất 13,1 at(1,31 Mpa) nhiệt độ hoá lỏng của nó là 00C, còn ở áp suất thấp 3,5 at (0,35 Mpa) là -400C Vì vậy loại SF6 chỉ dùng ở áp suất không cao để tránh phải dùng thiết bị hâm nóng Mặt khác khí này chỉ có chất lợng tốt khi không có tạp chất.
Máy ngắt SF6 đợc thiết kế, chế tạo cho mọi cấp cách điện áp cao áp từ 3KV đến 800KV bởi tính năng u việt của nó: khả năng cắt lớn, khích thớc nhỏ gọn, độ an toàn tin cậy cao, tuổi thọ cao, chi phí bảo dỡng thấp.
Nhìn qua qua độ bền điện của SF6 so với các loại khác ta thấy đợc u điểm của loại máy này
Trang 5Chơng 2: tính chọn kết cấu của máy ngắt SF6
Từ những u điểm của khí SF6 đã nêu trên nên máy ngắt SF6 nhỏ gọn hơn máy ngắt dầu, buồng dập hồ quang của máy ngắt SF6 có áp suất nhỏ hơn máy ngắt không khí nén.
Qua quá trình tìm hiểu tài liệu và quan sát thực tế máy ngắt SF6 em chọn kết cấu máy ngắt SF6 do hãng Schneider chế tạo.
Đây là một phần tử rất quan trọng, độ bền của nó phụ thuộc rất nhiều vào điện áp đặt lên máy ngắt, nó có chức năng nối các bộ phận của hệ thống mạch vòng dẫn điện với nhau và là nơi đa điện vào và lấy điện ra của máy ngắt.
c) Tiếp điểm:
Đây là bộ phân quan trọng của khí cụ điện nói chung và máy ngắt nói riêng Tiếp điểm có chức năng đóng ngắt trong máy ngắt, do đó khi làm việc tiếp điểm phải chịu một dòng điện lớn và phải chịu nhiệt độ rất cao (nhất là khi ngắt mạch) Do vậy, với dòng điện định mức 1000A ta chọn kết cấu tiếp điểm dạng hoa huệ, vật liệu làm tiếp điểm làm bằng đồng là thích hợp nhất.
2.2 Buồng dập hồ quang:
Khi đóng cắt giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh có hồ quang phát sinh, hồ quang đực dập tắt trong môi trờng khí SF6 Có hai phơng pháp thổi hồ quang:
- Thổi từ: Dùng từ trờng để kéo dài hồ quang Phơng pháp này hiện nay ít dùng.
Trang 6- Theo nguyên tắc tự thổi: Dùng cơ cấu pittong – tiếp điểm Qua phân tích ta chọn kết cấu buồng dập hồ quang theo nguyên tắc tự thổi.
2.3 Cơ cấu truyền động:
Sử dụng động cơ điện nạp năng lợng vào lo xo ngăt.
2.4 Kết cấu các bộ phận dẫn điện:
- Mỗi pha sử dụng một buồng dập hồ quang nên việc tính toán cách điện giữa các pha chỉ cần tính toán ở đầu voà và đầu ra trên một pha còn các pha khác tơng tự nh thế.
- Cách điện giữa các bộ phận mang điện với đất ta chọn kết cấu sứ trụ.
Trang 7Chơng 3: tính toán cách điện
Mục đích của tính toán cách điện là xác định các khoảng cách cách điện cần thiết giữa các phần tử dẫn điện với nhau và với đất, làm sao giữa chúng không xảy ra hiện tợng phóng điện và chọc thủng cách điện Khi máy làm việc ở chế độ và điều kiện môi trờng nhất định.
3.1 Lập sơ đồ kết cấu và xác định các hình thức phóng điện dễ xảy ra nhất:
a) Cách điện của khí cụ điện có tác dụng cách ly các vật dẫn điện với nhau, giữa các pha với nhau và các bộ phận mang điện với đất.
Cách điện gồm hai loại:
- Cách điện bọc trực tiếp lấy thanh dẫn điện nh sơn cách điện, vải, giấy, nhựa bakêlit…
- Cách điện có kết cấu riêng (sứ cách điện).
Sứ cách điện gồm nhiều loại với kết cấu và chức năng khác nhau gồm: sứ trụ, sứ vỏ, sứ đòn, sứ ống dânc khí đầu vào…
b) Yêu cầu của cách điện:
- Hoàn toàn loại trừ khả năng chọc thủng cách điện, điện áp phóng điện trên độ bền mặt và độ bền xung.
- Tránh không để ion hoá cục bộ.
- Hạn chế khả năng sinh ra tia lửa điện, do vậy không đợc để chất cách điện gần nơi có hồ quang phát sinh.
- Sử dụng tối đa cách điện đúc và cách điện dẻo - Có thể làm việc trong mọi điểu kiện khí hậu c) Tính toán các khoảng cách cách điên:
Để đảm bảo an toàn về điện giữa các chi tiết trong máy ngắt và giữa máy ngắt với đất thì cần phải có những khoảng cách thích hợp giữa các bộ phận của máy ngắt với nhau và giữa mắy ngắt với đất để sao cho vừa đủ để an toàn mà
Trang 8không làm cho kích thớc máy ngắt quá lớn Do đó ta phải tính toán cho thích hợp các khoảng cách cách điện giữa các chi tiết của máy ngắt và khoảng cách cách điện giữa máy ngắt và đất.
Từ kết cấu sơ bộ máy ngắt ta xác định các khoảng cách cách điện nh sau: Máy ngắt SF6 có vỏ làm bằng sứ cách điện tiêu chuẩn có thể chịu đợc điện áp phóng điện cao và đợc gắn cố định.
Dựa vào sơ đồ vẽ một pha của máy ngắt ta có:
- S1 là khoảng cách cách điện giữa điểm lấy điện vào và lấy điện ra qua máy ngắt Môi trờng cách điện là không khí Dạng phóng điện là phóng điện theo bề mặt của sứ cách.
- S2 là khoảng cách cách điện giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh khi máy ở trang thái ngắt hoàn toàn Môi trờng cách điện là khí SF6 Dạng phóng điện có thể xảy ra là dạng phóng điện giữa mũi và mũi nhọn.
- S3 là khoảng cách cách điện giẵ điểm lấy điện ra và đất Dang phóng điện là phóng điện theo bề mặt của sứ cách điện.
- S4 là khoảng cách cách điện giữa pha với pha Môi trờng cách điện là không khí Dạng phóng điện là thanh và mặt phẳng.
3.2.Xác định điện áp phóng điện tính toán cho các khoảng cách cách điện:
Máy ngắt này đợc lắp đặt ngoài trời với điện áp lới là Uđm= 24KV Tra bảng trong sách thiết kế máy ngắt cho ta Upđ = 100KV.
Giá trị điện áp phóng điện tính toán trong trờng hợp riêng đơch xác định bằng cách nhân trị số điện áp phóng điện (Upđ) với hệ số dự trữ (kdt) Hệ số dự trữ tuỳ thuộc vào điều kiện làm việc và môi trờng cách điện:
- Hệ số dự trữ cho khoảng cách trong không khí thì kdt1= 1.
- Hệ số dự trữ cho điện áp phóng điện trên bề mặt sứ trụ đỡ kdt2= 1,3.
- Các khoảng cách cách điện trong buồng dập hồ quang của máy ngắt SF6
Trang 10Chơng 4: Tính toán mạch vòng dẫn điện4.1 Khái niệm:
Mạch vòng dẫn điện là mộy bộ phận quan trọng, nó có chức năng dẫn dòng chuyển đổi và đóng cắt mạch điện Mạch vòng dẫn điện do các bộ phận khác nhau về hình dáng kết cấu hợp thành gồm: thanh dẫn, đầu nối và tiếp điểm.
4.2 Yêu cầu của mạch vòng dẫn điện:
- Với dòng điện định mức chảy trong mạch vòng dẫn điện thì nhiệt độ phát nóng cuả các chi tiết mạch vòng không đợc vợt quá nhiệt độ cho phép.
- Chịu đợc dòng điện ngắn mạch trong những khoảng thời gian nhất định - Lực điện động sinh ra khi có dòng ngắn mạch chạy qua không phá hỏng kết cấu của mạch vòng dẫn điện.
4.3 Tính toán nhiệt độ thanh dẫn và đờng kính thanh dẫn điện:
Mạch điện dẫn điện của máy ngắt SF6 tà tổng hợp các phần dẫn điện nh thanh dẫn, xà ngang, dây nối mềm, tiếp điểm động Trong quá trình làm việc các phần tử này sẽ bị phát nóng Nguyên nhân là do: Khi dòng điện chạy qua các phần tử đó đều có điện trở tiếp xúc Nếu điện trở tiếp xúc lớn mà dòng điện lớn thì sẽ dẫn đến sự phát nhiệt càng lớn trên thanh dẫn có thể gây h hỏng.
Ngoài chế độ làm việc bình thờng có nghĩa là làm việc với dòng điện định mức, máy ngắt còn làm việc với dòng ngắt mạch trong thời gian rất ngắn khoảng 5 ữ10 giây Nhng với thời gian đó cũng đủ làm nóng các bộ phận mang
điện của máy ngắt Cho nên tính toán ổn định nhiệt phải tính cho cả hai trạng thái làm việc:
- Sự phát nóng ở chế độ làm việc bình thờng do dòng điện định mức gây
ra trong chế độ dài hạn Đặc điểm của sự phát nóng này là sau khoảng thời gian dài làm việc nhiệt độ của phần dẫn điện sẽ đạt giá trị ổn định Nhiệt lợng do dòng điện gây ra chỉ bằng nhiệt lợng toả ra môi trờng xung quanh.
Trang 11- Phát nóng ngắn hạn do dòng điện ngắn mạch gây ra khi có sự cố Thời
gian tồn tại sự cố rất ngắn do đó toần bộ nhiệt lợng do Inm gây ra chỉ để đốt nóng vật dẫn điện chứ không kịp toả ra môi trờng xung quanh.
Để đảm bảo an toàn cho máy ngắt, ta phải chọn hình dáng kết cấu vật liệu của các bộ phận dẫn điện sao cho hợp lý để sự phát nóng của chúng không vợt quá nhiệt độ phát nóng cho phép.
a) Tính toán sự phát nóng của phần dẫn điện ở chế độ dài hạn:
Mạch vòng dẫn điện trong máy chủ yếu là thanh dẫn hình trụ tròn Dựa vào giá trị Inm trong bảng tra ra giá trị đờng kính thanh dẫn điện:
Trong đó : I: Dòng điện định mức (Iđm = 1000A)
ρ: Điện trở suất của vật liệu tại θ : ρ=ρ0(1+αθ)
ρ0: Điện trở suất của đồng ở 00C ( 6
θ0: Nhiệt độ môi trờng xung quanh thanh dẫn, ta chọn θ0=400C Ta phải đục lỗ cho thanh dẫn động để có luồng khí SF6 đi qua lỗ đó thổi vào hồ quang phát sinh trong quá trình đóng cắt để nhanh chóng dập tắt hồ quang Đây là kiểu tự thổi khí nén dùng xi lanh – pittông.
Trang 12Chọn đờng kính trong của thanh dẫn động d’ = 0,5 d vì vậy so với bảng giá
Vậy θ = 65,28 0C < [ ]θ thoả mãn điều kiện dẫn điện.
Tóm lại, đờng kính thanh dẫn d = 3,4 cm thì điều kiện phát nóng ở chế độ làm việc bình thờng đợc thoả mãn.
b) Tính toán sự phát nóng của các phần tử dẫn điện ở chế độ ngắn hạn:
Khi bị ngắn mạch dòng điện trong thanh dẫn có trị số rất lớn, gấp vài chục lần dòng ở chế độ định mức, nhng vì thời gian ngắn mạch không dài nên nhiệt độ phát nóng cho phép ở chế độ này lớn hơn ở chế độ dài hạn Trong trờng hợp này ta cho nhiệt độ ngắn mạch cho phép là 2500C
Trang 13Kph là hệ số tổn hao có tính đến hiệu ứng mặt ngoài và hiệu
CT là nhiệt dung riêng của thiết bị : CT = C0 (1 + β.θ ) G C0 là nhiệt dung riêng của vật liệu ở 00C
β là hệ số nhiệt của nhiệt dung riêng
G là khối lợng của vật dẫn Khối lợng của vật dẫn có thể tính theo thể tích và khối lợng riêng: G = γ l F = γ V
Trong đó γ là khối lợng riêng của thanh dẫn
Trang 144.4.Tính toán tiếp điểm:
Tiếp điểm (hệ thống tiếp xúc) của máy ngắt là chồ tiếp điện giữa các bộ phận dẫn điện chuyển động và cố định nhờ lực ép cảu hệ thống lò xo ( một hay vài ba lò xo).
Tiếp điểm của máy ngắt là việc trong những điều kiện hết sức phức taph, vì trong quá trình đóng cắt giữa các tiếp điểm phát sinh hồ quang có thể làm chảy và cháy tiếp điểm Ngoài ra quá trình là việc bình thờng của tiếp điểm do điện trở tiếp xúc tăng tiếp điểm bị phát nóng do đó thờng xuyên xảy ra hao mòn.
Yêu cầu chính xác của các tiếp điểm:
Trang 15- Nhiệt độ phát nóng cho phép của các phần dẫn điện chỗ tiếp xúc phải ổn định khi trong chế độ phát nóng dài hạn dòng điện định mức gây ra.
- Tác động nhiệt và điện động của dòng điện ngắt máy phải bền chắc: Khi không có hiện tợng nóng chảy các phàn của tiếp điểm hay dập nát khi dòng điện ngắn mạch chạy qua
- Đỗ dài mòn về điện các bề mặt làm việc của tiếp điểm hồ quang điện sinh ra khi mở phải là ít nhất.
Các điều kiện cho trớc gồm:
+ Kiểu và kết cấu hệ thống tiếp điểm, của các chi tiết khác của mạch dẫn điện.
+ Trị số dòng điện định mức.
+ Trị số dòng điện xuyên qua giới hạn của máy ngắt.
+ Các tiêu chuẩn nhiệt độ phát nóng cho phép của tiếp điểm.
Dựa vào trị số dòng điện định mức và các điều kiện làm việc (tách rời có dòng điện hay không có dòng điện) để chọn kiểu và kết cấu tiếp điểm
Khi tính toán thiết kế cần xác định
+ Số lợng các bộ phận điện của hệ thống tiếp điểm và các kích thớc chúng (thanh, tâm, khối)
+ Lực nén cần thiết cho từng tiếp điểm và các đặc tuyến tơng ứng của lò xo tiếp điểm.
+ Hình dáng của các chi tiết, các vật liệu của tiếp điểm chịu đợc sự phát nóng của hồ quang điện và có độ chống mòn bề mặt cao.
Ta chọn và tính toán cho tiếp điểm kiểu hoa huệ:
Mô tả: Tiếp điểm hoa huệ có dạng nh hình vẽ: các phiến của tiếp điểm song song với nhau từng đôi một nên khi có dòng điện ngắn mạch lực điện động tăng lực ép tiếp điểm tạo điện trở tiếp xúc bé Với kết cấu này vùng hồ quang cháy và vùng tiếp xúc làm việc khác nhau nên đảm bảo bề mặt tiếp xúc làm việc không bị hồ quang phá hỏng.
Trang 16Hình vẽ cấu tạo tiếp điểm
a) Tính toán độ dày b của tiếp điểm:
Xác định bề dày của mỗi phiến: độ dày của mỗi phiến tiếp điểm đợc tính toán sao cho tiếp điểm cơ độ bền cơ và độ bền điện theo yêu cầu thiết kế.
Ta có tuổi thọ cơ và tuổi thọ điện của máy cắt: Nc = 1000 Nd = 100
Khi máy ngắt ở chế độ đóng hoàn toàn khe hở giữa các phiến bằng 2 mm Đờng kính trong bằng đờng kính thanh dẫn Chọn bề dày a sao cho đảo bảo dòng điện đi qua trong chế độ làm việc dài hạn cũng nh ngắn mạch phải đ-ợc đảm bảo Ta chọn diện tích mặt cắt ngang Smc của tiếp điểm tơng đơng diện tích mặt cắt ngang của thanh dẫn động.
Khi máy ngắt ở chế độ ngắt các phiến nằm ôm sát nhau:
Trang 17(Chiều dày này đảm bảo cho 100 lần đóng cắt điện 1000 lần đóng cắt cơ tiếp điểm vẫn làm việc bình thờng).
b) Tính toán độ cao h của mỗi phiến tiếp điểm hoa huệ:
Trớc hết ta phải tính toán độ ngập x của thanh dẫn vào tiếp điểm hoa huệ: Khi máy ngắt ở chế độ đóng độ ngập của tiếp điểm phải đảm bảo sao cho diện tích tiếp xúc giữa thanh dẫn động và các phiến hoa huệ có mật độ dòng điện có trị số cho phép (nhỏ hơn 1A/mm2) Ta chọn mật độ dòng đi qua phần diện tích này là 0,3A/mm2.
Diện tích tiếp xúc Stx đợc tính nh sau:
Để bắt vít các phiến tiếp điểm vào dây dẫn mềm để dẫn điện ra ngoài Tra bảng trong sách khí cụ điện hạ áp ta dùng 1 vít M8 Nh vậy chọn chiều cao h của mỗi phiến tiếp điểm là 6 cách mạng.
c) Tính độ mòn của tiếp điểm:
Khi đóng cắt hồ quang phát sinh do nhiệt độ của hồ quang lớn vật liệu làm tiếp điểm bị hao mòn.
Theo yêu cầu bài toán MN có độ bền cơ Ncơ = 1000 lần đóng cắt, độ bền điện là Nđ = 100 lần đóng cắt Do độ mòn khi đóng cắt về cơ khí rất nhỏ so với độ mòn về điện và số lần đóng cắt về điện nhỏ bằng 1/10 số lần đóng cắt về cơ