11. Rơle kỹ thuật số
3.1. Mỏy cắt điện cao ỏp
3.1.1. Khỏi niệm chung
1. Nhiệm vụ
Mỏy cắt điện cao ỏp (cũn gọi là mỏy cắt cao ỏp) là thiết bị điện dựng để đúng, cắt mạch điện cú điện ỏp từ 1000V trở lờn ở mọi chế độ vận hành: chế độ khụng tải, chế độ tải định mức, chế độ sự cố, trong đú chế độ đúng cắt dũng điện ngắn mạch là chế độ nặng nề nhất.
Cỏc thụng số chớnh của mỏy cắt gồm: điện ỏp định mức, dũng điện định mức, dũng điện ổn định nhiệt ứng với thời gian tương ứng, dũng điện ổn định điện động, dũng điện cắt định mức, cụng suất cắt định mức, thời gian đúng, thời gian cắt.
- Điện ỏp định mức (Uđm) là điện ỏp dõy đặt lờn thiết bị với thời gian làm việc dài hạn mà cỏch điện của mỏy cắt khụng bị hỏng húc, tớnh theo trị hiệu dụng.
- Dũng điện định mức (Iđm) là trị số hiệu dụng của dũng điện chạy qua mỏy cắt trong thời gian làm việc dài hạn mà mỏy cắt khụng bị hỏng húc. Việc tớnh toỏn dũng điện định mức dựa vào bài toỏn cõn bằng nhiệt của mạch vũng dẫn điện ở chế độ xỏc lập nhiệt.
- Dũng điện ổn định nhiệt với thời gian tương ứng là trị số hiệu dụng của dũng điện ngắn mạch, chạy trong thiết bị với thời gian cho trước mà nhiệt độ của mạch vũng dẫn điện khụng vượt quỏ nhiệt độ cho phộp ở chế độ làm việc ngắn hạn. Việc xỏc định dũng điện ổn định nhiệt gắn liền với bài toỏn cõn bằng nhiệt của mạch vũng dẫn điện ở chế độ quỏ độ: I2nm.tnm = const (3.1)
Dũng điện ổn định điện động (cũn gọi là dũng xung kớch) là trị số lớn nhất của dũng điện mà lực điện động do nú sinh ra khụng làm hỏng húc thiết bị điện:
Ixk = 1,8 2Inm (3.2)
trong đú: Ixk là dũng xung kớch; Inm là dũng ngắn mạch.
Nếu mỏy cắt đúng khi lưới bị ngắn mạch thỡ dũng điện đúng chớnh là dũng xung kớch. Dũng điện cắt định mức là dũng điện ngắn mạch mà mỏy cắt cú khả năng cắt được với thời gian cắt đó cho.
- Cụng suất cắt định mức của mỏy cắt ba pha (cũn gọi là dung lượng cắt) được tớnh theo cụng thức:
trong đú: Uđm là điện ỏp định mức của lưới điện; Iđm là dũng điện cắt định mức.
Thời gian đúng là quóng thời gian từ khi cú tớn hiệu “đúng” được đưa vào mỏy cắt đến khi mỏy cắt đúng hoàn toàn. Thời gian này phụ thuộc vào đặc tớnh của cơ cấu truyền động và hành trỡnh của tiếp điểm động.
Thời gian cắt của mỏy cắt là quóng thời gian từ khi cú tớn hiệu cắt đến khi hồ quang bị dập tắt hoàn toàn. Thời gian này phụ thuộc vào đặc tớnh của cơ cấu cắt (thường là lũ xo được tớch năng lượng trong quỏ trỡnh đúng) và thời gian chỏy của hồ quang, được tớnh toỏn cho hồ quang chỏy của dũng cắt định mức.
Cỏc yờu cầu chớnh đối với mỏy cắt là: độ tin cậy cao cho mọi chế độ làm việc, quỏ điện ỏp khi cắt thấp, thời gian đúng và thời gian cắt nhanh, khụng gõy ảnh hưởng tới mụi trường, dễ bảo dưỡng, kiểm tra, thay thế, kớch thước nhỏ, gọn, tuổi thọ cao, cú thể dựng cho chế độ đúng lập lại với chu trỡnh :
Cắt – 180s - Đúng Cắt – 180s - Đúng cắt
180s là thời gian giữa 2 lần thao tỏc, cũn đúng cắt là mỏy cắt đúng dũng điện ngắn mạch, sau đú lại cắt ra.
2. Phõn loại
- Dựa theo mụi trường dập hồ quang, mỏy cắt được chia ra cỏc loại: Mỏy cắt nhiều dầu, mỏy cắt ớt dầu, mỏy cắt khụng khớ, mỏy cắt chõn khụng, mỏy cắt tự sinh khớ, mỏy cắt khớ SF6.
- Theo mụi trường làm việc, mỏy cắt được phõn loại thành loại: mỏy lắp đặt trong nhà và loại lắp đặt ngoài trời.
- Theo kết cấu ta cú mỏy cắt rời và mỏy cắt hợp bộ. Mỏy cắt rời dễ sử dụng đơn lẻ, cũn mỏy cắt hợp bộ thường được ghộp nối với tổ hợp cỏc thiết bị khỏc như dao cỏch ly, cỏc thiết bị điều khiển, đo lường, bảo vệ và cũn gọi là trạm đúng cắt hợp bộ.
3. Cỏc điều kiện lựa chọn khớ cụ điện cao ỏp
Trong điều kiện vận hành cỏc khớ cụ điện, sứ cỏch điện và cỏc bộ phận dẫn điện khỏc cú thể ở một trong ba chế độ cơ bản sau:
Chế độ làm việc lõu dài;
Chế độ quỏ tải (đối với một số thiết bị điện cú thể cho phộp quỏ tải đến 1,3 1,4 so với định mức);
Chế độ ngắn mạch;
Ngoài ra cũn cú thể nằm trong chế độ làm việc khụng đối xứng.
Trong chế độ làm việc lõu dài, cỏc khớ cụ điện, sứ cỏch điện và cỏc bộ phận dẫn điện khỏc sẽ làm việc tin cậy nếu chỳng được chọn theo đỳng điện ỏp và dũng điện
Trong chế độ quỏ tải, dũng điện qua khớ cụ điện và cỏc bộ phận dẫn điện khỏc sẽ lớn hơn so với dũng điện định mức. Sự làm việc tin cậy của cỏc phần tử trờn được đảm bảo bằng cỏch quy định giỏ trị và thời gian điện ỏp hay dũng điện tăng cao khụng vượt quỏ giới hạn cho phộp.
Trong tỡnh trạng ngắn mạch, cỏc KCĐ, sứ cỏch điện và cỏc bộ phận dẫn điện khỏc vẫn đảm bảo sự làm việc tin cậy nếu quỏ trỡnh lựa chọn chỳng cú cỏc thụng số theo đỳng điều kiện ổn định điện động và ổn định nhiệt. Dĩ nhiờn, khi xảy ra ngắn mạch, để hạn chế tỏc hại của nú cần phải nhanh chúng loại bỏ bộ phận hư hỏng ra khỏi mạng điện.
Đối với mỏy cắt điện, mỏy cắt phụ tải và cầu chỡ khi lựa chọn cũn thờm điều kiện khả năng cắt của chỳng.
Ngoài ra cũn phải chỳ ý đến vị trớ đặt thiết bị, nhiệt độ mụi trường xung quanh, mức độ ẩm ướt, mức độ nhiễm bẩn và chiều cao lắp đặt thiết bị so với mặt biển.
Khi thành lập sơ đồ thay thế để tớnh dũng điện ngắn mạch nhằm lực chọn cỏc khớ cụ cụ điện và cỏc bộ phận dẫn điện khỏc, ta cần xỏc định điểm ngắn mạch tớnh toỏn ứng với tỡnh trạng làm việc nguy hiểm nhất (phự hợp với điều kiện làm việc thực tế).
Việc lựa chọn cỏc khớ cụ điện và cỏc bộ phận dẫn điện khỏc phải thoả món yờu cầu hợp lý về kinh tế và kỹ thuật.
a. Chọn theo điều kiện làm việc lõu dài
- Chọn theo điện ỏp định mức: Điện ỏp định mức của khớ cụ điện được ghi trờn nhón hay ghi trong lý lịch mỏy, phự hợp với độ cỏch điện của nú. Ngoài ra khi thiết kế chế tạo cỏc khớ cụ điện đều cú dự trữ độ bền về điện nờn cho phộp chỳng làm việc lõu dài khụng hạn chế với điện ỏp cao hơn định mức 1015% và gọi là điện ỏp làm việc cực đại của khớ cụ điện. Do vậy, khi chọn KCĐ phải thoả món điều kiện điện ỏp sau:
UđmKCĐ + UđmKCĐUđm.mạng+Uđm.mạng (3.4) Ở đõy: UđmKCĐ - điện ỏp định mức của khớ cụ điện
UđmKCĐ - Độ tăng điện ỏp cho phộp của khớ cụ điện.
Uđm.mạng - Điện ỏp định mức của mạng điện nơi thiết bị và khớ cụ điện làm việc. Uđm.mạng - Độ lệch điện ỏp cú thể của mạng, so với điện ỏp định mức trong điều kiện vận hành.
Bảng 3.1 độ lệch điện ỏp cho phộp tương đối so với điện ỏp định mức Cỏp điện lực : 1,1 Uđm
Cỏi chống sột : 1,25 Uđm
Sứ cỏch điện : 1,15 Uđm
Dao cỏch ly : 1,15Uđm
Mỏy cắt điện : 1,15Uđm
Khỏng điện : 1,15Uđm
Mỏy biến dũng điện: 1,1Uđm
Mỏy biến điện ỏp : 1,1Uđm
Cỏc trị số điện ỏp cho phộp núi trờn tương ứng với điều kiện cỏc thiết bị, khớ cụ điện lắp đặt ở độ cao bộ hơn 1000m so với mặt biển. Nếu độ cao lắp đặt cỏc thiết bị và khớ cụ điện lớn hơn 1000m so với mặt biển thỡ điện ỏp cho phộp phải được giảm xuống và khụng được vượt quỏ điện ỏp định mức.
- Chọn theo dũng điện định mức: Dũng điện định mức của khớ cụ điện IđmKCĐ
do nhà mỏy chế tạo cho sẵn và chớnh là dũng điện đi qua khớ cụ điện trong thời gian khụng hạn chế với nhiệt độ mụi trường xung quanh là định mức. Chọn khớ cụ điện theo dũng điện định mức sẽ đảm bảo cho cỏc bộ phận của nú khụng bị đốt núng nguy hiểm trong tỡnh trạng làm việc lõu dài định mức.
Khi chọn thiết bị khớ cụ điện, ta phải đảm bảo cho dũng điện định mức của nú lớn hơn hay bằng dũng điện làm việc cực đại của mạch điện Ilvmax, tức là:
IđmKCĐ Ilvmax (3.5) Dũng điện làm việc cực đại của mạch tớnh như sau:
- Lỳc cắt một trong hai đường dõy làm việc song song, đường dõy cũn lại phải gỏnh toàn bộ phụ tải.
- Đối với mạch mỏy biến ỏp: ta tớnh khi mỏy biến ỏp sử dụng khả năng quỏ tải của nú.
- Đối với đường dõy cỏp khụng cú dự trữ: tớnh khi sử dụng khả năng quỏ tải của nú.
- Đối với thanh gúp nhà mỏy điện, trạm biến ỏp, cỏc thanh dẫn mạch phõn đoạn và cỏc mạch nối khớ cụ điện: tớnh trong điều kiện chế độ vận hành là xấu nhất.
- Đối với mỏy phỏt điện: tớnh bằng 1,05 lần dũng điện định mức của nú, vỡ mỏy phỏt điện chỉ cho phộp quỏ tải về dũng điện đến 5%.
Cỏc khớ cụ điện được chế tạo với nhiệt độ định mức của mụi trường xung quanh là +350C. Nếu nhiệt độ mụi trường xung quanh xq khỏc với nhiệt độ định mức thỡ phải hiệu chỉnh dũng điện cho phộp của khớ cụ điện, cụ thể:
+ Nếu xq >350C thỡ: I'cp=IđmKCĐ 35 - - cp xq cp (3.6) Ở đõy: xq - là nhiệt độ cho phộp nhỏ nhất đối với cỏc phần tử riờng lẻ của khớ cụ điện.
+ Nếu xq < 350C thỡ dũng điện I'cp cú thể tăng lờn 0,005 IđmKCĐ mỗi khi nhiệt độ giảm xuống 10C so với +350C, nhưng tất cả khụng được vượt quỏ 0,20 IđmKCĐ.
b. Cỏc điều kiện kiểm tra khớ cụ điện, sứ cỏch điện và cỏc bộ phận dẫn điện theo dũng điện ngắn mạch.
3 pha. Do vậy ta lấy dũng điện đú để kiểm tra ổn định lực điện động của cỏc thiết bị. Đối với mạng điện cú điện ỏp U 110KV, điểm trung tớnh trực tiếp nối đất, dũng điện ngắn mạch lớn nhất cú thể là dũng điện ngắn mạch một pha hoặc ba pha. Khi kiểm tra cỏc thiết bị của mạng này về phương diện ổn định lực điện động, ta phải chọn dũng ngắn mạch lớn nhất trong số hai dũng ngắn mạch đú:
Điều kiện kiểm tra ổn định động của khớ cụ điện là:
imax ixk (3.7) hay Imax Ixk
Ở đõy : imax, Imax - trị số biờn độ và trị số hiệu dụng của dũng điện cực đại cho phộp, đặc trưng ổn định động cao của khớ cụ điện.
ixk , Ixk - trị số biờn độ và trị số hiệu dụng của dũng điện ngắn mạch xung kớch. Như vậy, khả năng ổn định động (núi một cỏch khỏc, đú là khả năng chống lại tỏc dụng của lực điện động) của khớ cụ điện được đặc trưng bởi dũng điện ổn định động định mức iđm.đ. Dũng điện này chớnh là dũng điện cực đại cú thể chạy qua KCĐ mà lực điện động do nú sinh ra khụng thể phỏ hoại KCĐ được:
Từ điều kiện (3.7) ta được: imax= iđm.đ ixk (3.8)
- Kiểm tra ổn định nhiệt:Dõy dẫn và khớ cụ điện khi cú dũng điện đi qua sẽ bị núng lờn vỡ cú cỏc tổn thất cụng suất. Cỏc tổn thất này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điện ỏp, tần số v.v... nhưng chủ yếu phụ thuộc vào bỡnh phương dũng điện.
Khi nhiệt độ của KCĐ và dõy dẫn cao quỏ sẽ làm cho chỳng bị hư hỏng hay giảm thời gian phục vụ. Do đú cần phải quy định nhiệt độ cho phộp của chỳng khi làm việc bỡnh thường cũng như khi ngắn mạch.
Bảng 3.2 Cỏc điều kiện và chọn và kiểm tra mỏy cắt
TT Đại lượng lựa chọn và kiểm tra Ký hiệu Cụng thức để chọn và kiểm tra
1 Điện ỏp định mức, KV Uđm mcđ Uđm mcđ Uđm mạng
2 Dũng điện định mức, A Iđm mcđ Iđm mcđ Ilv max
3 Dũng điện ổn định lực điện động, KA imax hay iđmđ imax ixk
4 Dũng điện ổn định nhiệt trong thời
gian tụđn, A Iụđn Iụđn I ôđn
gt t
t 5 Cụng suất cắt định mức, MVA Sđm cắt Sđm cắt Sn(tn)