4. Kết cấu của luận án
4.2. Ảnh hưởng lực điện động trong mạch vòng dẫn điện đến quá trình dập
DẪN đIỆN đẾN QUÁ TRÌNH DẬP HỒ QUANG CỦA CÁC LOẠI APTOMAT
4.2.1. Mạch vòng dẫn ựiện thông thường :
Đối với một số loại aptomat trên thị trường hiện nay như LG, National, Legrand, VinakipẦ đều có cơ cấu mạch vòng dẫn điện tương đối như nhau (Hình 4.9); Nên có thể gọi là cơ cấu mạch vòng dẫn điện thông thường. Ta sẽ phân tắch ảnh hưởng của lực điện động trong cơ cấu này đến quá trình cắt mạch điện.
Khi ngắt mạch trên thanh dẫn tiếp điểm động sẽ tồn tại các lực điện động Fđẩy(B+HQ) và Fhút(A+D) ngược chiều nhau, nhưng do khoảng cách dòng điện trên các thanh dẫn gây nên lực điện động Fđẩy(B+HQ) nhỏ hơn khoảng cách dòng điện trên các thanh dẫn gây nên lực điện động Fhút(A+D) với thanh dẫn tiếp điểm động, nên Fđẩy(B+HQ) > F hút(A+D). Như vậy, lực điện động trong trường hợp này đóng góp không nhiều vào quá trình tác động nhanh của tiếp điểm động.
Hình 4.10- Sơ đồ lực điện động ở mạch vòng dẫn điện thông thường Hồ quang phát sinh giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh ta có thể coi nó như là một "thanh dẫn mềm", nó cũng chịu tác động của các lực điện động Fđẩy(B+C) và Fhút(A+D) ngược chiều nhau. Cũng tương tự ta thấy rằng
Fđẩy(B+C)> Fhút(A+D). Chắnh do tồn tại Fhút(A+D) nên tác dụng của lực điện động để đẩy nhanh hồ quang đi vào dàn dập vẫn chưa đạt hiệu quả cao.
Như vậy, đối với cơ cấu mạch vòng dẫn điện này thì lực điện động tác động lên thanh dẫn tiếp điểm động và Ộthanh dẫn mềmỢ hồ quang bao gồm cả lực hút và lực đẩy ngược chiều nhau. Chắnh điều này sẽ làm giảm khả năng tác động nhanh của tiếp điểm động, cũng như giảm quá trình đẩy nhanh hồ quang về phắa dàn dập.
4.2.2. Mạch vòng dẫn ựiện Ộtăng tốcỢ
Mạch vòng dẫn điện dạng này (Hình 4.11) được hãng Mitsubishi đưa ra vào đầu năm 2008. Với kết cấu dạng ỘcuộnỢ, lực điện động tác động lên thanh dẫn tiếp điểm động và hồ quang sẽ khác so với loại thông thường trên. Ta sẽ phân tắch ảnh hưởng của lực điện động trong cơ cấu này đến quá trình cắt mạch điện.
Hình 4.11- Aptomat sêri WS Mitsubishi có mạch vòng dẫn điện Ộtăng tốcỢ.
Thanh dẫn tiếp điểm động Thanh dẫn tiếp điểm tĩnh i A C B E Fđẩy(C+E+HQ) Fhút(A) Fđẩy(A+B+C+E)
Đối với thanh dẫn tiếp điểm động sẽ chịu tác động của 2 lực điện động Fđẩy(C+E+HQ) và Fhút(A), nhưng chúng cùng chiều với nhau nên khi ngắt mạch các lực này sẽ đồng thời tác động lên thanh dẫn tiếp điểm động góp phần tăng cường quá trình tách nhanh khỏi tiếp điểm tĩnh.
Đối với hồ quang trong trường hợp này, lực điện động do các thanh dẫn mạch vòng dẫn điện gây nên trên nó đều là lực đẩy Fđẩy(A+B+C+E); do đó sẽ tăng cường việc đẩy hồ quang nhanh chóng đi về phắa dàn dập, làm cho tăng cao hiệu quả dập hồ quang.
Với cách bố trắ như vậy, khi cắt mạch hồ quang phát sinh giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh. Lực điện động tác dụng lên thanh dẫn tiếp điểm động cũng bao gồm cả lực đẩy và lực hút. Nhưng chiều của hai lực này cùng chiều nhau nên sẽ tăng khả năng tác động nhanh của tiếp điểm động. Còn hồ quang phát sinh ở cơ cấu này chỉ chịu lực tác dụng là lực đẩy, do đó sẽ tăng nhanh việc đẩy hồ quang đi về phắa dàn dập.
4.2.3. Mô phỏng sự phân bố lực ựiện ựộng trong các cơ cấu mạch vòng dẫn ựiện
Dựa vào các tắnh toán ở trên, sử dụng phần mềm Matlab ta lập trình tạo ra một giao diện tắnh toán để mô phỏng sự phân bố lực điện động trên thanh dẫn tiếp điểm động và trên Ộthanh dẫn mềmỢ hồ quang điện trong quá trình cắt mạch ở cả mạch điện một chiều và xoay chiều của các cơ cấu mạch vòng dẫn điện.
Hình 4.14- Sự phân bố lực điện động trên thanh dẫn tiếp điểm động Dựa vào các thông số của mạch vòng dẫn điện [10], với kết quả mô phỏng sự phân bố lực điện động trên thanh dẫn tiếp điểm động ta có một số nhận xét:
- Lực điện động do thanh dẫn E gây nên trên thanh dẫn tiếp điểm động B là không đáng kể. Đối với thanh dẫn A và C thì khi khoảng cách giữa các thanh dẫn càng gần thì lực điện động do chúng sinh ra càng lớn.
- Khi hồ quang phát sinh, lực điện động do chắnh "thanh dẫn mềm" này sẽ gây nên một lực điện động rất lớn tác động đến thanh dẫn tiếp điểm động.
- Trị số lực điện động khi cắt mạch xoay chiều đạt trị số lớn nhất khi góc lệch pha là 900 bằng trị số của lực điện động một chiều. Do đó, khi cắt mạch một chiều thanh dẫn tiếp điểm động chịu lực tác dụng lên nó lớn nên số lần tác động sẽ ắt hơn so với số lần cắt mạch xoay chiều.
Hình 4.15- Sự phân bố lực điện động trên Ộthanh dẫnỢ hồ quang
Dựa vào các thông số của mạch vòng dẫn điện [2], [10], với kết quả mô phỏng sự phân bố lực điện động trên Ộthanh dẫnỢ hồ quang điện ta có một số nhận xét:
- Ảnh hưởng của thanh dẫn A đến hồ quang không nhiều vì hai thanh dẫn này vuông góc lệch nhau nên lực điện động do thanh dẫn A gây nên trên thanh dẫn hồ quang không lớn lắm.
- Hai thanh dẫn B và C do vuông góc trực tiếp với thanh dẫn hồ quang nên sẽ gây nên lực điện động tác động rất lớn đến hồ quang. Lực điện động do hai thanh dẫn này là yếu tố quyết định việc đẩy hồ quang đi nhanh vào dàn dập.
- Thanh dẫn E song song với "thanh dẫn mềm" hồ quang cũng gây ra
lực điện động rất lớn đến hồ quang, khi khoảng cách giữa thanh dẫn E và thanh dẫn hồ quang càng nhỏ thì lực điện động càng tăng.
Với các loại thiết bị đóng cắt cùng thông số kỹ thuật của các hãng, ta dựa vào lập trình trên tắnh được các trị số cực đại của lực điện động tác động lên thanh dẫn tiếp điểm động và Ộthanh dẫn mềmỢ hồ quang:
Bảng 4.1: Lực điện động trên thanh dẫn tiếp điểm động của một số loại aptomat
Hãng sản xuất Ký hiệu Thông số I n/Icu FđđMax [N] Tỷ lệ %
Legrand C25 6048-20 16A/6kA 365,91 89,8
Mitsubishi BH-D6 16A/6kA 360,34 88,4
LG ABS 32b 15A/7,5kA 352,32 86.4
National BBD2162D 16A/6kA 367,40 90,1
Mitsubishi NF32-SW 16A/7,5kA 407,67 100
Bảng 4.2: Lực điện động trên Ộthanh dẫn mềmỢ hồ quang của một số loại aptomat
Hãng sản xuất Ký hiệu Thông số I n/Icu FđđMax [N] Tỷ lệ %
Legrand C25 6048-20 16A/6kA 313,58 96,4
Mitsubishi BH-D6 16A/6kA 312.45 96,1
LG ABS 32b 15A/7,5kA 307,56 94,6
National BBD2162D 16A/6kA 316,59 97,4
Mitsubishi NF32-SW 16A/7,5kA 325,16 100
Với kết quả tắnh được ở trên ta nhận thấy rằng, với cơ cấu mạch vòng vuông góc cuộn sẽ tăng khả năng tác động của tiếp điểm động lên hơn 10%, còn lực đẩy hồ quang về phắa dàn dập tăng khoảng 5% so với cơ cấu thông thường.
Kết luận chương 4
1. Kết quả tắnh toán mô phỏng sự phân bố lực ựiện ựộng hoàn toàn phù hợp với kết quả ựã ựưa ra của hãng Mitsubishi về khả năng cắt nhanh nhờ mạch vòng Ộtăng tốcỢ trong các aptomat sêri WS.
2. Khi thiết kế mạch vòng dẫn ựiện cho các thiết bị ựóng cắt hạ áp, các thanh dẫn nên cấu tạo theo dạng các thanh vuông góc cuộn lại, nó sẽ tạo nên ựược mạch vòng Ộtăng tốcỢ; Khả năng cắt tăng lên hơn 10%, lực ựẩy hồ quang cũng sẽ tăng khoảng 5% so với các loại mạch vòng hiện nay.
3. Với phần lập trình kiểm tra tắnh toán mô phỏng, ta có thể kiểm tra
ựược sự phân bố lực ựiện ựộng trên thanh dẫn tiếp ựiểm ựộng và trên hồ quang của các loại thiết bị ựóng cắt. Mặt khác, khi thiết kế chế tạo ta có thể sử dụng như là một phương tiện kiểm tra lại.
KẾT LUẬN CHUNG
Nghiên cứu, khảo sát tắnh toán ựặc tắnh tĩnh, ựặc tắnh ựộng và tắnh phi tuyến của hồ quang ựiện trong quá trình ựóng cắt là rất cần thiết trong việc thiết kế, chế tạo các loại khắ cụ ựiện.
Những ựóng góp của luận án:
1. Tổng hợp có hệ thống các lý thuyết cơ bản về hiện tượng hồ quang ựiện phát sinh trong các thiết bị ựóng cắt.
2. Thắ nghiệm khảo sát ựặc tắnh tĩnh một chiều và xoay chiều ựể phân tắch bản chất vật lý và ảnh hưởng của tắnh chất tải ựến quá trình dập tắt hồ quang ựiện.
3. Thiết lập mô hình ỘkênhỢcủa hồ quang ựiện, xác lập mô hình toán học cho ựặc tắnh ựộng của hồ quang ựiện tại thời ựiểm cắt mạch; Từ ựó xác ựịnh dạng các quan hệ của cường ựộ ựiện trường, dòng ựiện hồ quang với thời gian phát sinh hồ quang và các yếu tố ảnh hưởng ựến quá trình dập tắt hồ quang ựiện. 2 0 ( / ) 1 1 − ⋅ hq− ⋅ = hq p di dE E P i dt E dt c ρ ; 2 1 4 0,75 2 2 2 1 5 2 1 2. . .( ) . 4,74.10 .exp( ). . .ln 10 .− − − = ⋅ ⋅ − i T T E eU r T r T r p π λ η δ π
4. Xây dựng giao diện mô phỏng ựể xác ựịnh phân bố lực ựiện ựộng trên thanh dẫn tiếp ựiểm ựộng, Ộthanh dẫn mềmỢ hồ quang trong cơ cấu mạch vòng dẫn ựiện thông thường và mạch vòng dẫn ựiện Ộtăng tốcỢ ựã cho thấy: mạch vòng có các thanh dẫn cấu tạo theo dạng các thanh vuông góc
cuộn lại, nó sẽ tạo nên khả năng Ộtăng tốcỢ; Khả năng cắt tăng lên hơn 10%, lực ựẩy hồ quang cũng sẽ tăng khoảng 5% so với các loại mạch vòng thông thường hiện nay. Mô phỏng này có tắnh tổng quát có thể áp dụng ựể nghiên cứu sự phân bố lực ựiện ựộng trên tiếp ựiểm ựộng và hồ quang cho một số loại khắ cụ ựiện khác nhau.
Kiến nghị và hướng nghiên cứu mở rộng:
- Cần tắnh toán mô hình ựặc tắnh ựộng của hồ quang ựiện có xét tới các ựiều kiện như mật ựộ phân tử, áp suấtẦ trong các môi trường dầu, khắ SF6 và chân không sẽ hoàn thiện toàn bộ tắnh chất về hồ quang ựiện.
- Tắnh toán, mô phỏng sự phân bố lực ựiện ựộng cho các loại khắ cụ ựiện trung, cao áp sẽ là cơ sở nhằm tăng khả năng cắt của các loại khắ cụ ựiện loại này.
- Tắnh toán sự phân bố từ trường, ảnh hưởng của môi chất, ảnh hưởng của vật liệu làm tiếp ựiểm ựến quá trình dập tắt hồ quangẦ, sẽ giúp cho việc thiết kế, kiểm tra và chế tạo tối ưu các loại khắ cụ ựiện.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN đẾN LUẬN ÁN
1. Huỳnh Đức Hoàn, ỘDập hồ quang trong môi trường khắ SF6Ợ, Thông báo khoa học trường ựại học Quy Nhơn, số 28/2005, tr 117-122.
2. Huỳnh Đức Hoàn, ỘKhảo sát đặc tắnh và sự thay đổi các thông số của hồ quang điện trong quá trình đóng cắtỢ, Luận văn Cao học, Đại học bách khoa Hà Nội, 2005.
3. Huỳnh Đức Hoàn, Bùi Tắn Hữu, ỘKhảo sát đặc tắnh của hồ quang điện trong các thiết bị đóng cắt hạ ápỢ, Tạp chắ khoa học và công nghệ các trường ựại học kỹ thuật, số 53/2005, tr 45-49.
4. Huỳnh Đức Hoàn, Lê Văn Doanh, ỘQuá trình phát sinh và đặc điểm của hồ quang điệnỢ, Tạp chắ điện và đời sống, số 73/2005, tr 8-9.
5. Huỳnh Đức Hoàn, Đoàn Khánh, ỘQuá trình dập hồ quang trong chân khôngỢ, Thông báo khoa học trường ựại học Quy Nhơn, số 33/2006, tr 48-53.
6. Huỳnh Đức Hoàn, ỘTắnh toán sự phân bố lực điện động của mạch vòng dẫn điện trong các thiết bị đóng cắtỢ, Tạp chắ khoa học trường đại học Quy Nhơn, Tập 2, số 3/2008, tr 51-59.
7. Huỳnh Đức Hoàn, Bùi Tắn Hữu, Phạm Văn Chới, ỘẢnh hưởng của lực điện động trong cơ cấu mạch vòng đến quá trình dập tắt hồ quang điện trong các thiết bị đóng cắtỢ, Tạp chắ khoa học và công nghệ các trường ựại học kỹ thuật, số 65/2008, tr 22-25.
8. Huỳnh Đức Hoàn, Lê Văn Doanh, Phạm Văn Chới, Đặng Chắ Dũng ỘMô hình toán cho hồ quang điện trong không gian hạn chếỢ, Tạp chắ khoa học và công nghệ các trường ựại học kỹ thuật, số 69/2009, tr 16- 19.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng Việt
1. Phạm Văn Chới, Bùi Tắn Hữu, Nguyễn Tiến Tôn (2002), Khắ cụ ựiện, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
2. Phạm Văn Chới, Phạm Tố Nguyên, Lưu Mỹ Thuận, Bùi Tắn Hữu, Thiết kế khắ cụ ựiện hạ áp, Trường ĐHBK Hà Nội Ờ 1987. 3. Lê Văn Doanh (1998), Cẩm nang thiết bị ựóng cắt ABB, Nxb Khoa
học và Kỹ thuật, Hà Nội.
4. Đặng Văn Đào, Lê Văn Doanh (2001), Các phương pháp hiện ựại trong nghiên cứu tắnh toán thiết kế kỹ thuật ựiện, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
5. Tô Đằng, Nguyễn Xuân Phú (2001), Khắ cụ ựiện Ờ Lý thuyết, kết cấu, tắnh toán, lựa chọn và sử dụng, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
6. Huỳnh Bá Minh (2002), Thiết bị ựóng cắt trung áp Siemens, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
7. Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư ựiều khiển tự ựộng, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
8. Tổng công ty điện lực Việt Nam (2007), Quy hoạch phát triển ựiện lực quốc gia giai ựoạn 2006 - 2015 có xét ựến năm 2025. Hà Nội. 9. Viện năng lượng (2002), Tổng sơ ựồ phát triển ựiện lực Việt Nam giai
ựoạn 2001-2010 có xét triển vọng ựến năm 2020. Hà Nội. 10. Catalog thiết bị đóng cắt hạ áp Siemens, LG, National, Legrand,
Tài liệu tiếng Anh
11. F. Baudoin, J.J. Gonzalez, P. Checchin (2005), ỘStudy of the
curvature of the electrical arc in low voltage breaking devices
influence of the external magnetic fieldỢ, Journal Physics, Vol 38, pp 3778-3791.
12. F. Karetta, M. Lindmayer (1998), ỘSimulation of the gas dynamic
and electromagnetic processes in low voltage switching arcsỢ, IEEE Trans CPMT-21, Part A, pp 96-103.
13. G. G. Duningand, M. Lindmayerand (2001), ỘEnergy and density of ions in Vacuum arcs between axial and radial magnetic field contactsỢ, IEEE Transactions on plasma science, Vol 29, pp 726- 733.
14. G. J. Cliteur, Y. Hayashi, E. Haginomori, K. Suzuki (1998), ỘCalculation of the uniform breakdown field strength of SF6 gasỢ, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol 5(6), pp 843-849.
15. G. Meunier, J.C. Sabonnadiere, J.L. Coulomb, E. Belbel (1983), ỘMagnetic field computation for electric arc modellingỢ, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. Mag-19(6), pp. 2593-2595. 16. G. Meunier, Assadollah Abri (1984), ỘA model for the current
interruption of an electric arcỢ, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. Mag-20(5), pp. 1956-1958.
17. H. A. Darwish, M. A. Izzularab, N. I. Elkalashy (2001), ỘImple- mentation of Circuit Breaker Arc Model Using Electromagnetic Transient ProgramỢ, Middle-East Power Systems Conference, pp. 809-814.
18. H. J. Schoetzau, H. P. Meili, E. Fischer, Ch. Strurzenegger, H. P.
Graf (1985), ỘDielectric phase in an SF6 breakerỢ IEEE Transactions Power Apparatus and System , Vol 104 (7), pp. 1897-1902.
19. J. P. Chabrerie, J. Devautor (1990), ỘContribution to the study of interaction between an atmospheric pressure arc root and Cu, Ag electrodesỢ, 36th IEEE Holm conference on electrical contact phenomena, pp 25-32.
20. J. V. R. Heberleinand, D. R. Porto(1983), ỘThe interaction of vacuum arc ion currents with axial magnetic fieldsỢ, IEEE Transactions on plasma science, Vol PS-11, pp 152-159.
21. J.W. McBride, P.A. Jeffery, P.M. Weaver (1998), ỘElectrode processes and arc form in miniature circuit breakersỢ, IEEE 1998, pp. 93-99.
22. Kathrin Steinke and Manfred Lindmayer (2003), ỘCurrent zero behavior of vacuum interrupters with bipolarand and quadrupolar AMF ContactsỢ, IEEE Transactions on plasma science, Vol 31(5), pp 25-32.
23. Keith Malmedal (2002), Electric arcs and arc interruption , Chalmers University of Technology.
24. Kunio Nakanishi (1991), Switching Phenomena in High Voltage