Khớ cụ điện điều khiển và bảo vệ

2.3.1. Cầu chỡ (Fuse)

1. Khỏi niệm và cụng dụng

Cầu chỡ là KCĐ bảo vệ mạch điện, nú tự động cắt mạch điện khi cú sự cố quỏ tải, ngắn mạch. Cầu chỡ cú đặc điểm là đơn giản, kớch thước nhỏ, khả năng cắt lớn và giỏ thành hạ nờn ngày này nú vẫn được sử dụng rỗng rói.

Cỏc phần tử cơ bản của cầu chỡ là dõy chảy dựng để cắt mạch điện cần bảo vệ và thiết bị dập hồ quang sau khi dõy chảy đứt. Yờu cầu đối với cầu chỡ như sau:

-Đặc tớnh ampe-giõy của cầu chỡ cần phải thấp hơn đặc tớnh của thiết bị cần được bảo vệ;

-Khi cú ngắn mạch cầu chỡ phải làm việc cú sự chọn lọc theo trỡnh tự; -Đặc tớnh làm việc của cầu chỡ phải làm việc ổn định;

-Cụng suất của thiết bị bảo vệ càng tăng, cầu chỡ phải cú khả năng cắt càng cao; -Việc thay thế dõy chảy cầu chỡ phải dễ dàng và tốn ớt thời gian.

2. Phõn loại và ký hiệu a. Phõn loại

Dựa vào kết cấu cú thể chia cầu chỡ hạ ỏp thành cỏc loại sau:

+ Loại hở (dõy chảy được bắt vào đầu cực đặt trờn bản cỏch điện bằng đỏ); + Loại vặn (dựng trong cỏc mạch điện mỏy cụng cụ);

+ Loại hộp cũn gọi là cầu chỡ hộp (dựng trong cỏc hệ thống chiếu sỏng); + Loại kớn khụng cú chất nhồi;

+ Loại kớn cú chất nhồi.

b. Ký hiệu:

3. Cấu tạo và nguyờn lý làm việc a. Cấu tạo

Cầu chỡ loại vặn thường cú dạng như hỡnh 2.28

Hỡnh 2.28 Cấu tạo cầu chỡ vặn

Bộ phận chảy Nỳm vặn

Kớnh trong Lừi cầu chỡ

Bộ phận nờm

b. Nguyờn lý làm việc

Khi mạch điện cú hiện tượng ngắn mạch thỡ dũng điện qua dõy chảy cầu chỡ tăng lờn, nhiệt độ phỏt ra trờn dõy chảy rất lớn (đến mức làm núng chảy dõy chỡ) làm dõy chỡ bị núng chảy và bị đứt, cắt điện khụng cấp cho mạch điện, bảo vệ đường dõy khụng bị dũng ngắn mạch chạy qua.

- Đặc tớnh cơ bản của cầu chỡ là sự phụ thuộc của thời gian chảy đứt với dũng điện chạy qua (đặc tớnh ampe-giõy). Để cú tỏc dụng bảo vệ, đường ampe-giõy của cầu chỡ (đường 1, hỡnh 2.29) tại mọi điểm đều phải thấp hơn đường đặc tớnh của đối tượng được bảo vệ (đường 2).Đường đặc tớnh thực tế của cầu chỡ được biểu thị bằng đường cong 3. Trong miền quỏ tải lớn (vựng B), cầu chỡ bảo vệ được đối tượng. Trong miền quỏ tải nhỏ (vựng A), cầu chỡ khụng bảo vệ được đối tượng. Trong thực tế khi quỏ tải khụng lớn (1,52)Iđm, sự phỏt núng của cầu chỡ diễn ra chậm và phần lớn nhiệt lượng đều toả ra mụi trường xung quanh. Do đú cầu chỡ khụng bảo vệ được quỏ tải nhỏ.

Hỡnh 2.29 Đặc tớnh Ampe – giõy của cầu chỡ

Trị số dũng điện mà dõy chảy cầu chỡ bị đứt khi đạt tới nhiệt độ giới hạn, được gọi là dũng điện giới hạn Igh. Để dõy chảy cầu chỡ khụng chảy đứt ở dũng điện làm việc định mức Iđm, cần đảm bảo điều kiện: Igh>Iđm.

Mặt khỏc, để bảo vệ tốt và nhạy, dũng điện giới hạn lại phải khụng lớn hơn dũng điện định mức nhiều. Do đú, thường cho theo kinh nghiệm: Igh/Iđm = 1,6  2 đối với đồng, Igh/Iđm = 1,25  1,45 đối với chỡ; Igh/Iđm = 1,15 đối với hợp kim chỡ thiếc. Dũng điện định mức của cầu chỡ được lực chọn sao cho khi chạy liờn tục qua dõy chảy, chỗ phỏt núng lớn nhất của dõy chảy khụng làm cho kim loại bị ụxy hoỏ quỏ mức và biến đổi đặc tớnh bảo vệ; đồng thời nhiệt phỏt ra ở bộ phận bờn ngoài của cầu chỡ cũng khụng vượt quỏ trị số ổn định.

đều bị phỏt núng tới nhiệt độ cao. Do đú người ta dựng nhiều biện phỏp hạ thấp phỏt núng như giảm thời gian chảy lỏng, hạ thấp nhiệt độ dõy chảy bằng cỏch sử dụng kim loại cú nhiệt độ chảy thấp như chỡ, kẽm, hợp kim chỡ-thiếc v.v... đối với cầu chỡ hạ thế.

Khi cú quỏ tải lớn (dũng điện đi qua dõy chảy lớn gấp 34 lần dũng định mức) thỡ quỏ trỡnh phỏt núng thực tế sẽ đoạn nhiệt, nghĩa là tất cả nhiệt lượng dõy chảy sinh ra sẽ phỏt núng cục bộ cầu chỡ. Kết quả làm cho dõy chảy cầu chỡ phỏt núng lờn đến nhiệt độ chảy, sau đú chuyển từ trạng thỏi rắn sang trạng thỏi lỏng, tức là chảy đứt cầu chỡ. Khi chảy hơi kim loại bị ion hoỏ vỡ nhiệt độ cao của hồ quang. Thể tớch dõy chảy càng lớn số lượng hơi kim loại trong hồ quang càng tăng, càng khú dập tắt hồ quang. Do đú trong cầu chỡ hạ thế, người ta thường giảm thể tớch dõy bằng cỏch chế tạo cỏc dõy chảy cú một số đoạn hẹp. Trong cỏc đoạn hẹp này, mật độ dũng điện và nhiệt độ tăng cao làm dõy chảy núng chảy nhanh và dưới tỏc dụng lực điện động cắt đứt nhanh dõy chảy, tương tự như lực điện động trong cỏc tiếp điểm cú ngắn mạch.

Sự cú mặt cỏc đoạn hẹp trong dõy chảy cũn làm giảm đột ngột thời gian từ lỳc xuất hiện ngắn mạch đến lỳc xuất hiện hồ quang. Phối hợp với cỏc thiết bị dập tắt hồ quang đặc biệt, người ta đó đạt được thời gian dập tắt hồ quang ngắn đến vài phần nghỡn giõy.

4. Cỏch lựa chọn cầu chỡ

a. Trong lưới điện ỏnh sỏng sinh hoạt

Cầu chỡ được chọn theo 2 điều kiện sau: UđmCC  UđmLD

Iđm  Itt

trong đú: + UđmCC : điện ỏp định mức của cầu chỡ.

+ Iđm : dũng định mức của dõy chảy (A), nhà chế tạo cho theo cỏc bảng.

+ Itt: dũng điện tớnh toỏn là dũng lõu dài lớn nhất chạy qua dõy chảy cầu chỡ (A). Với thiết bị một pha (vớ dụ cỏc thiết bị điện gia dụng), dũng tớnh toỏn chớnh là dũng định mức của thiết bị điện:

Itt = Iđmtb =  cos * dm dm U P

Trong đú: + Iđmtb: dũng định mức của thiết bị (A) + Udm: điện ỏp pha định mức bằng 220V + cos: Hệ số cụng suất thiết bị điện

Với đốn sợi đốt, bàn là, bếp điện, bỡnh núng lạnh: cos = 1 Với quạt, đốn tuýp, điều hoà, tủ lạnh, mỏy giặt: cos = 0,8 Khi cầu chỡ bảo vệ lưới ba pha, dũng tớnh toỏn xỏc định như sau:

 cos * * 3 dm dm tt U P I 

Trong đú: + Udm: điện ỏp dõy định mức của lưới điện bằng 380V + Cos: lấy theo thực tế

b. Cầu chỡ bảo vệ một động cơ:

Cầu chỡ bảo vệ một động cơ chọn theo hai điều kiện sau: IdmIttKt*IdmD mm mm dmD dm I K I I   *

Kt: hệ số tải của động cơ, nếu khụng biết lấy Kt = 1, khi đú: IdmIdmD

IdmD: dũng định mức của động cơ xỏc định theo cụng thức:   * cos * * 3 dm dm dmD dmD U P I  Trong đú:

- Uđm= 380V là điện ỏp định mức lưới hạ ỏp của mạng 3 pha 380V

- Cos: hệ số cụng suất định mức của động cơ nhà chế tạo cho thường bằng 0,8 - : hiệu suất của động cơ, nếu khụng biết lấy  = 0,9

- Kmm: hệ số của động cơ nhà chế tạo cho, thường Kmm= (4 7) - : hệ số lấy như sau:

Với động cơ mở mỏy nhẹ hoặc mở mỏy khụng tải (mỏy bơm, mỏy cắt gọt kim loại) lấy  = 2,5

Với động cơ mở mỏy nặng hoặc mở mỏy cú tải (cần cẩu, cần trục, mỏy nõng) lấy  = 1,6.

c. Cầu chỡ bảo vệ 2, 3 động cơ:

Trong thực tế, cụm hai, ba động cơ nhỏ hoặc cụm động cơ lớn cựng một, hai động cơ nhỏ ở gần cú khi được cấp điện chung bằng một cầu chỡ. Trường hợp này cầu chỡ cũng được chọn theo hai điều kiện sau:

  n ti dmtbi dm K I I 1 *     1 1 max n ti* dmtbi mm dm I K I I

Hỡnh 2.30 Hỡnh ảnh cầu chỡ

Thớ dụ

Chọn cầu chỡ để bảo vệ cho động cơ điện khụng đồng bộ ba pha cú thụng số sau: Pđm= 75W, Uđm = 380V, Cosφ=0.85, Kmm=4, Kt = 0,8;  = 0,9.

Bài làm:

- Điều kiện chọn lựa cầu chỡ: Icc Itt ; Icc Imm/; UđmCC Uđmlđ

- Dũng điện định mức động cơ: IđmĐ = 9 , 0 . 85 , 0 . 380 . 73 ,1 75 . cos . 3Uđmđm   P = 14, 9A - Dũng điện tớnh toỏn: Itt = kt . IđmĐ = 0,8.14,9 = 11,9 A - Tớnh: Imm /  = kmm.IđmĐ/α = 4.14,9/1,6 = 37,25A Vậy chọn cầu chỡ cú: Icc  37,25A; UđmCC 380V.

2.3.2. Rơle (Relay) 1. Khỏi niệm chung 1. Khỏi niệm chung

Rơle là một loại khớ cụ điện tự động đúng cắt mạch điện điều khiển, bảo vệ và điều khiển sự làm việc của mạch điện.

Mức độ tự động hoỏ càng cao thỡ yờu cầu về số lượng, chất lượng, chủng loại rơle càng lớn. Với sự tiến bộ của nền khoa học kỹ thuật hiện nay, nhất là của nền cụng nghiệp điện tử và bỏn dẫn, hệ thống rơle khụng tiếp điểm xuất hiện càng nhiều, đó mở ra khả năng thực hiện tự động hoỏ càng thuận lợi do khối lượng hệ thống giảm, chức năng mở rộng, độ tin cậy tăng cao.

a. Cỏc bộ phận của rơle:

Rơle gồm cỏc bộ phận chớnh cú chức năng khỏc nhau:

- Bộ phận thu: tiếp nhận những đại lượng vào và biến đổi thành những đại lượng vật lý cần thiết cho rơle hoạt động.

- Bộ phận trung gian so sỏnh những đại lượng đó được biến đổi với đại lượng mẫu (chuẩn). Theo kết quả so sỏnh nếu đạt được giỏ trị tỏc động thỡ truyền tớn hiệu đến bộ phận chấp hành.

- Bộ phận chấp hành: phỏt tớn hiệu ra cho mạch điều khiển nối sau rơle.

b. Phõn loại:

Cú nhiều cỏch để phõn loại rơle, thụng dụng nhất là phõn loại rơle theo nguyờn lý làm việc, theo đại lượng điện điều khiển rơle, theo dạng dũng điện và theo phạm vi giỏ trị cựng chiều của đại lượng điều khiển rơle:

- Phõn loại theo nguyờn lý làm việc: rơle điện từ, rơle điện động, rơle từ điện, rơle cảm ứng nhiệt, rơle điện tử, rơle bỏn dẫn,....

- Phõn loại theo đại lượng vào: rơle dũng điện, rơle điện ỏp, rơle cụng suất, rơle tổng trở, rơle tần số, rơle gúc pha ....

- Phõn loại theo dạng dũng điện sẽ cú: rơle điện một chiều, rơle điện xoay chiều. - Phõn loại theo giỏ trị và chiều của đại lượng sẽ cú: rơle cực đại, rơle cực tiểu, rơle sai lệch, rơle hướng,...

c. Đặc tớnh cơ bản và tham số của rơle

+ Đặc tớnh rơle: Đường biểu diễn quan hệ giữa đại lượng đầu vào x và đầu ra y của rơle gọi là đặc tớnh “vào – ra” và được coi là đặc tớnh cơ bản của rơle.

Đặc điểm của đặc tớnh:

- Khi x thay đổi từ 0 đến xtđ thỡ y = 0 (với loại cú tiếp điểm); y = ymin (loại khụng cú tiếp điểm).

- Khi x = xtđ thỡ y tăng đột ngột đến ymax. Sau đú x tiếp tục tăng tới xlv thỡ y = ymax đõy là quỏ trỡnh rơle đúng hay đó tỏc động.

- Ngược lại khi x giảm từ xlv đến xnh thỡ y khụng đổi

- Khi x = xnh, y giảm đột ngột từ ymax về 0 (hoặc ymin) và khụng đổi mặc dự x tiếp tục giảm về 0 là quỏ trỡnh rơle nhả.

- Đại lượng đầu vào ứng với lỳc rơle tỏc động gọi là giỏ trị tỏc động xtđ ứng với lỳc rơle nhả gọi là xnh + Hệ số nhả: td nh nh x x

K  cũn được gọi là hệ số trở về, Knh luụn nhỏ hơn 1

- Khi Knh lớn x = xtđ - xnh nhỏ đặc tớnh rơle cú dạng “gầy” thớch hợp cho rơle cú tớnh chọn lọc, sử dụng trong lĩnh vực bảo vệ hệ thống điện.

- Khi Knh nhỏ x = xtđ - xnh lớn đặc tớnh rơle cú dạng “bộo” thớch hợp cho rơle điều khiển và tự động trong truyền động điện và tự động hoỏ.

+ Hệ số dự trữ:

td lv dt x

x

K  với xlv giỏ trị làm việc dài hạn của đại lượng đầu vào. Kdt luụn lớn hơn 1. Khi Kdt lớn rơle làm việc càng đảm bảo tin cậy

+ Hệ số điều khiển:

td dk dk P

P

K  với Pđk cụng suất cực đại trờn tải của mạch làm việc gọi là cụng suất điều khiển; Ptđ là cụng suất đầu vào cần thiết cho rơle tỏc động gọi là cụng suất tỏc động.

Vớ dụ với rơle điện từ Ptđ là cụng suất cần thiết cung cấp cho cuộn dõy để nam chõm điện hỳt.

+ Thời gian tỏc động ttđ: Khoảng thời gian từ thời điểm đặt tớn hiệu vào x đến thời điểm đại lượng đầu ra y đạt giỏ trị cực đại gọi là thời gian tỏc động của rơle. Thời gian tỏc động phụ thuộc kết cấu, thụng số của đại lượng và hệ số dự trữ.

Đối với rơle cú tiếp điểm, thời gian tỏc động gồm t1 là thời gian khởi động (là khoảng thời gian từ thời điểm xuất hiện tớn hiệu vào x đến thời điểm nắp từ bắt đầu chuyển động) và t2 là khoảng thời gian từ khi nắp bắt đầu chuyển động đến khi kết thỳc chuyển động và cú tớn hiệu ở đầu ra y.

ttđ = t1 + t2

+ Thời gian nhả tnh: là khoảng thời gian từ thời điểm ngắt tớn hiệu vào x đến khi đại lượng ra đạt giỏ trị 0 hoặc cực tiểu. Trong rơle cú tiếp điểm tnh = tn + thq (với tn là khoảng thời gian từ thời điểm tớn hiệu vào x đến lỳc tiếp điểm bắt đầu mở và thq là thời gian chỏy của hồ quang, từ khi tiếp điểm bắt đầu mở đến khi hồ quang được dập tắt).

+ Tần số thao tỏc: Số chu kỳ tỏc động và nhả của rơle trong một đơn vị thời gian gọi là tần số thao tỏc f của rơle và được xỏc định:

t t t ttd lv nh ng f   

 1 với tng thời gian nghỉ + Thời gian tỏc động ttđ - Khụng quỏn tớnh cú ttđ < 10-3s

- Bỡnh thường cú ttđ = (5-15). 10-2s - Tỏc động chậm ttđ =0,15 – 1s - Rơle thời gian ttđ >1s

Bảng 2.4 Một vài tham số của rơle

Loại rơle Ptđ (W) Pđk(W) Kđk ttđ.10-3 (s) Rơle điện từ 10-1 ...103 10....104 5...100 1....200 Rơle từ điện 10-9....10-4 0,1....2 104....108 10....500

d. Yờu cầu đối với rơle

- Rơle cũn cú một số yờu cầu riờng về tớnh năng làm việc, phụ thuộc vào mục đớch sử dụng.

Vớ dụ đối với rơle bảo vệ hệ thống điện cần yờu cầu: bảo vệ chọn lọc, tỏc động nhanh, độ nhạy và độ tin cậy cao

+ Bảo vệ chọn lọc là khả năng rơle chỉ cắt đỳng phần lưới điện bị sự cố do rơle đú bảo vệ khụng bị tỏc động vượt cấp hoặc tỏc động sai.

+ Tỏc động nhanh làm giảm rất nhiều hậu qủa xấu do sự cố gõy ra đối với lưới điện đảm bảo lưới điện vận hành an toàn.

+ Độ nhậy của rơle cao thỡ vựng dự phũng chỉ cần để nhỏ. Phải cú độ tin cậy cao để trỏnh làm việc lệch lạc cú thể dẫn đến sự cố trầm trọng ảnh hưởng đến việc truyền tải và cung cấp điện.

- Rơle bảo vệ hệ thống điện thường được đặt trong nhà làm việc trong điều kiện nhẹ khụng va đập, rung động, khụng cú bụi và khớ ăn mũn, gõy rỉ... Hệ thống điện thường ớt sự cố tần suất tỏc động của rơle thấp khụng yờu cầu cú độ chống mũn cao khi làm việc nhiều.

- Cỏc loại rơle dựng trong tự động hoỏ và bảo vệ cỏc quỏ trỡnh truyền động thường đũi hỏi cỏc yờu cầu cao hơn: chịu rung động, va đập, bụi bặm chế độ đúng ngắt nặng nề (1000 - 1200lần/h) nờn yờu cầu chống mũn cao, tuổi thọ lớn thường đạt (1- 10).106 lần đúng ngắt. Để đảm bảo quỏ trỡnh tự động điều khiển được thực hiện tốt yờu cầu về độ tin cậy đối với cỏc loại rơle cựng cần rất cao.

2. Rơle điện từ