Đõy là trường hợp hay gặp ở chỗ tiếp xỳc giữa 2 tiếp điểm. Khi xảy ra ngắn mạch thỡ LĐĐ sẽ đẩy 2 tiếp điểm ra xa nhau gõy nờn cỏc hiện tượng phức tạp. Do đú lực ộp tiếp điểm phải tớnh toỏn lớn hơn LĐĐ.
5. Lực điện động giữa dũng điện và khối sắt từ
+ Khi dõy dẫn mang dũng điện i đặt gần vật liệu sắt từ khoảng a, từ trường xung quanh nú sẽ bị mộo đi, cỏc đường sức từ khộp kớn
qua khối sắt từ và sinh ra cỏc lực kộo dõy dẫn vào vật liệu sắt từ đú để từ thụng múc vũng lớn hơn. Lực điện động được tớnh theo cụng thức (coi Fe>>0):
10 7 2 i2
a l
F (1.38)
+ Khi dõy dẫn cú dũng điện i đặt trong khe hở rộng 0 và chiều dài h của vật liệu sắt từ cú tiết diện khụng đổi hoặc thay đổi. Nếu khụng kể đến bóo hoà, thỡ LĐĐ tại vị trớ x sẽ hỳt dõy dẫn vào khối sắt từ :
2 0 7 ) ( . 10 . 2 i x h h l Fx (N) (1.39)
Như vậy LĐĐ càng lớn khi khe càng hẹp và hồ quang càng tiến gần đến tấm thộp.
1.3. Sự phỏt núng trong khớ cụ điện 1.3.1. Khỏi niệm chung 1.3.1. Khỏi niệm chung
Khi làm việc, trong cỏc bộ phận của thiết bị điện (TBĐ) như: mạch vũng dẫn điện, mạch từ, cỏc chi tiết bằng kim loại và cỏch điện đều cú tổn hao năng lượng tỏc dụng và biến thành nhiệt năng. Một phần của nhiệt năng này làm tăng nhiệt độ của TBĐ, cũn một phần khỏc toả ra mụi trường xung quanh. Ở chế độ xỏc lập nhiệt, nhiệt
2r1 F1 F1 F2 B i 2r2 + a a F + F 0 h x F
độ của thiết bị khụng tăng lờn nữa mà đạt trị số ổn định, cũn toàn bộ nhiệt năng tổn hao cõn bằng với nhiệt năng toả ra mụi trường xung quanh.
Nếu nhiệt độ của TBĐ tăng cao thỡ cỏch điện bị già hoỏ nhanh và độ bền cơ của cỏc chi tiết bị suy giảm. Khi tăng nhiệt độ của vật liệu cỏch điện lờn 80C so với nhiệt độ cho phộp ở chế độ dài hạn thỡ tuổi thọ của cỏch điện giảm đi 50%. Với vật liệu dẫn điện thụng dụng nhất là đồng, nếu tăng nhiệt độ từ 1000C đến 2500C thỡ độ bền cơ khớ giảm đi 40%. Khi bị ngắn mạch nhiệt độ cỏc phần tử dẫn điện cú thể đạt tới 200 đến 3000C, độ bền cơ của chỳng giảm đi nhiều nờn LĐĐ do dũng ngắn mạch sinh ra cú thể làm hỏng húc thiết bị điện. Độ tin cậy của TBĐ phụ thuộc vào nhiệt độ phỏt núng của chỳng, nhất là của cỏc chi tiết được chế tạo bằng vật liệu cỏch điện. Dựa vào mức độ chịu nhiệt của vật liệu cỏch điện, người ta chia chỳng thành cỏc cấp cỏch điện với nhiệt độ cho phộp tương ứng ở chế độ làm việc dài hạn của một số vật liệu như cỏc bảng dưới đõy:
Bảng 1.3 Nhiệt độ cho phộp của một số vật liệu làm tiếp điểm Nhiệt độ cho
phộp (0C) Cỏc vật liệu làm khớ cụ điện 75 Dõy nối tiếp xỳc cố định.
Tiếp xỳc hỡnh ngún của đồng và hợp kim đồng.
110
Tiếp xỳc trượt của đồng và hợp kim đồng.
Vật liệu khụng bọc cỏch điện hay để xa vật cỏch điện. Vật khụng dẫn điện và khụng bọc cỏch điện.
120 Tiếp xỳc mỏ bạc.
Bảng 1.4 Cấp cỏch điện và cỏc vật liệu cỏch điện chủ yếu Cấp cỏch
điện
Nhiệt độ cho
phộp (0C) Cỏc vật liệu cỏch điện chủ yếu
Y 90
Giấy, vải sợi, lụa, phớp, cao su, gỗ và cỏc vật liệu tương tự, khụng tẩm nhựa. Cỏc loại nhựa như: nhựa polietilen, nhựa polistirol, vinyl clorua, anilin...
A 105 Giấy, vải sợi, lụa tẩm dầu, cao su nhõn tạo, nhựa polieste, cỏc loại sơn cỏch điện cú dầu làm khụ.
E 120
Nhựa trỏng polivinylphocman, poliamit, eboxi. Giấy ộp hoặc vải cú tẩm phenolfocmandehit (gọi chung là bakelit giấy). Nhựa melaminfocmandehit cú chất độn xenlulo. Vải cú tẩm poliamit. Nhựa poliamit, nhựa phờnol - phurol cú độn xenlulo.
B 130
Nhựa polieste, amiăng, mica, thủy tinh cú chất độn. Sơn cỏch điện cú dầu làm khụ, dựng ở cỏc bộ phận khụng tiếp xỳc với khụng khớ. Sơn cỏch điện alkit, sơn cỏch điện từ nhựa phenol. Cỏc loại sản phẩm mica (micanit, mica màng mỏng). Nhựa phờnol-phurol cú chất độn khoỏng. Nhựa eboxi, sợi thủy tinh, nhựa melamin focmandehit, amiăng, mica,hoặc thủy tinh cú chất độn.
F 155 Sợi amiăng, sợi thủy tinh khụng cú chất kết dớnh H 180 Xilicon, sợi thủy tinh, mica cú chất kết dớnh
C Trờn 180 Mica khụng cú chất kết dớnh, thủy tinh, sứ. Politetraflotilen, polimonoclortrifloetilen.
Nếu thiết bị điện cú cấp cỏch điện tương ứng, làm việc với nhiệt độ bộ hơn hoặc bằng nhiệt độ cho phộp thỡ tuổi thọ của chỳng theo vật liệu cỏch điện đạt khoảng 10 đến 15 năm.
Ở chế độ làm việc dài hạn, nhiệt độ của TBĐ đạt trị số xỏc lập, dũng điện đi qua TBĐ là dũng điện định mức nờn nhiệt độ phỏt núng của nú khụng vượt quỏ nhiệt độ phỏt núng cho phộp của cấp điện tương ứng.
Ở chế độ sự cố như ngắn mạch, dũng điện rất lớn nhưng thời gian sự cố bộ (do thiết bị bảo vệ tỏc động) nờn nhiệt độ phỏt núng cho phộp ở chế độ này thường cao hơn chế độ dài hạn vớ dụ với đồng nhiệt độ này cho phộp lờn tới 2500C.
Độ tăng nhiệt của thiết bị được tớnh bằng:
= - 0 (1.40) trong đú: : là độ tăng nhiệt (cũn gọi là nhiệt ỏp hay nhiệt chờnh)
: là nhiệt độ của thiết bị điện;
0: là nhiệt độ của mụi trường. Với Việt Nam thỡ 0 = 400C
Nếu thiết bị được đặt ở mụi trường cú nhiệt độ cao thỡ độ tăng nhiệt của nú khụng được lớn. Nếu nhiệt độ của mụi trường thấp thỡ cho phộp độ tăng nhiệt độ cao hơn.
Cần lưu ý rằng nếu thiết bị điện được lắp đặt ở những nơi cú nhiệt độ cao hơn 1000 một so với mực nước biển thỡ phải giảm bớt cụng suất làm việc, vỡ ở độ cao lớn, khả năng toả nhiệt của cỏc thiết bị kộm hơn.
1.3.2. Cỏc dạng tổn hao năng lượng
Trong cỏc TBĐ cú ba dạng tổn hao năng lượng chớnh là: tổn hao trong cỏc chi tiết dẫn điện, tổn hao trong cỏc phần tử sắt từ và tổn hao điện mụi.
1. Tổn hao trong cỏc chi tiết dẫn điện
Năng lượng tổn hao trong dõy dẫn do dũng điện i đi qua trong thời gian t được tớnh theo cụng thức:
W=ti Rdt
0
2. (1.41)
Điện trở dõy dẫn R phụ thuộc vào điện trở suất vật liệu, kớch thước dõy dẫn, ngoài ra cũn phụ thuộc vào tần số của dũng điện, vị trớ của dõy dẫn nằm đơn độc hay gần dõy dẫn khỏc cú dũng điện đi qua.
Nếu dõy dẫn đồng chất cú tiết diện S khụng đổi, chiều dài l, điện trở suất , nằm độc lập và cú dũng điện một chiều đi qua thỡ điện trở của nú được tớnh theo cụng thức:
l
R = ρ s (1.42)
Khi dũng điện xoay chiều đi qua sẽ gõy ra hiệu ứng mặt ngoài làm điện trở dõy dẫn tăng .
R~1 =Km.R_ (1.43)
Trong đú: R_ là điện trở một chiều; R~1 là điện trở xoay chiều khi dõy dẫn nằm đơn độc; Km: là hệ số tớnh đến hiệu ứng mặt ngoài, phụ thuộc vào kớch thước dõy dẫn, điện trở suất của vật liệu và tần số của dũng điện.
Khi hai dõy dẫn đặt gần nhau cú dũng điện đi qua, từ trường của dõy dẫn này tỏc dụng với dũng điện của dõy dẫn kia làm thay đổi sự phõn bố của dũng điện trong dõy dẫn, nờn điện trở của chỳng thay đổi. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng gần và đặc trưng bằng hệ số gần nhau của hai dõy dẫn:
Kg = 1 ~ 2 ~ R R hoặc R~2 =Kg.R~1 (1.44) trong đú: R~2 là điện trở của dõy dẫn khi nú đặt gần dõy dẫn khỏc.
R~1: là điện trở của dõy dẫn khi đặt đơn độc.
Trị số của Kg phụ thuộc vào tần số dũng điện, kớch thước thanh dẫn, khoảng cỏch giữa hai thanh dẫn và điện trở một chiều của nú khi hai dũng điện ngược chiều nhau. Với hai thanh dẫn tiết diện chữ nhật đặt gần nhau, hệ số Kg cú thể bộ hơn 1, tức là làm giảm tổn hao năng lượng.
Từ (1.43) và (1.44) ta nhận thấy rằng, với dũng điện xoay chiều, nếu kể cả hiệu ứng mặt ngoài và hiệu ứng gần thỡ sẽ gõy ra tổn hao phụ được đặc trưng bằng:
Kf = R R~2 = ~2 R R . R R~1 = Kg.Km (1.45)
2. Tổn hao trong cỏc phần tử sắt từ
Nếu cỏc phần tử sắt từ nằm trong vựng từ trường biến thiờn thỡ trong chỳng sẽ cú tổn hao do từ trễ và dũng điện xoỏy tạo ra và được tớnh theo cụng thức:
PFe = (T.Bm1,6+X. f.Bm2).fG (1.46)
trong đú: PFe là tổn hao sắt từ [W]; Bm là trị biờn độ của từ cảm [T];f là tần số của từ trường [Hz]; T, Xhệ số tổn hao do từ trễ và dũng xoỏy, với thộp mỏc 41 43 và tương đương thỡ T = (1,92,6); X = (0,41,2)
Từ (1.46) nhận thấy rằng tổn hao sắt từ phụ thuộc vào từ cảm, tấn số, điện trở xoỏy của vật liệu. Để thuận tiện cho việc tớnh toỏn, người ta xỏc định suất tổn hao sắt từ p0 cho một đơn vị khối lượng vật liệu ở tần số f và từ cảm Bm cho trước. Như vậy tổn hao ở (1.46) sẽ được tớnh toỏn đơn giản hơn:
PFe = p0.G (1.47)
Để giảm tổn hao trong cỏc chi tiết sắt từ dạng khối, người ta thường sử dụng cỏc biện phỏp sau:
+ Tạo khe hở phi từ tớnh theo đường đi của từ thụng để tăng từ trở, giảm từ thụng, tức là giảm Bm.
+ Đặt thờm vũng ngắn mạch để tăng từ khỏng, giảm từ thụng.
+ Với cỏc chi tiết cho thiết bị cú dũng điện lớn hơn 1000A, được chế tạo bằng vật liệu phi từ tớnh như: đuyra, gang khụng dẫn từ…
3. Tổn hao trong vật liệu cỏch điện
Dưới tỏc dụng của điện trường biến thiờn, trong vật liệu cỏch điện sẽ sinh ra tổn hao điện mụi: P = 2.f.U2.tg (1.48)
trong đú: P là cụng suất tổn hao (W); f là tần số điện trường (Hz); U là điện ỏp (V); tg là tang của gúc tổn hao điện mụi, phụ thuộc vào điện ỏp.
Từ (1.48) ta nhận thấy rằng tổn hao trong chất điện mụi tỉ lệ với bỡnh phương điện ỏp. Vỡ vậy tổn hao điện mụi chỉ đỏng kể khi điện ỏp cao, tần số lớn.
1.3.3. Cỏc phương phỏp trao đổi nhiệt
Nhiệt được truyền từ nơi cú nhiệt độ cao hơn đến nơi cú nhiệt độ thấp hơn theo ba cỏch: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ.
1. Dẫn nhiệt
Là quỏ trỡnh truyền nhiệt giữa cỏc phần tử cú tiếp xỳc trực tiếp, do chuyển động nhiệt của cỏc nguyờn tử và phõn tử cấu tạo vật chất tạo nờn. Quỏ trỡnh này được biểu diễn bằng phương trỡnh Fourier:
d2Q = -
x
dS.dt (1.49)
trong đú: d2Q là nhiệt lượng truyền qua bề mặt dS theo hướng x bằng dẫn nhiệt; là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu; là nhiệt độ; dt là thời gian truyền nhiệt.
Thứ nguyờn của cỏc đại lượng trờn như sau: d2Q [W.s=Jun]; [W/m.deg]; dS [m2]; [deg; 0C],dt[s].
Đại lượng
x
là gradient nhiệt độ theo hướng truyền nhiệt x, vuụng gúc với bề mặt truyền nhiệt dS từ (1.49) suy ra :
= d2 . . Q dS dt x (1.50)
Như vậy hệ số dẫn nhiệt là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tớch dS trong thời gian một giõy với gradient nhiệt độ 10C/m. Hệ số này phụ thuộc vào cấu tạo tinh thể của vật liệu, nhiệt độ, độ ẩm…Trong lĩnh vực TBĐ, nhiệt độ thay đổi trong phạm vi khụng lớn lắm (cỡ 1000C ) nờn hệ số này cũng ớt thay đổi.
Dấu “–“ biểu thị nhiệt năng truyền từ nơi cú nhiệt độ cao đến nơi cú nhiệt độ thấp, ngược chiều với gradient nhiệt độ.
2. Đối lưu
Là quỏ trỡnh truyền nhiệt trong chất lỏng, chất khớ, gắn liền với sự chuyển động của cỏc phần tử mang nhiệt từ nơi cú nhiệt độ cao đến nơi cú nhiệt độ thấp hơn. Cú hai dạng đối lưu: đối lưu tự nhiờn và đối lưu cưỡng bức. Ở đối lưu tự nhiờn, chuyển động của cỏc phần tử chất khớ hay chất lỏng do chờnh lệch mật độ cỏc phần tử cú nhiệt độ cao trong mụi trường tạo nờn. Ở đối lưu cưỡng bức, chuyển động này là nhờ cỏc tỏc nhõn như quạt giú, bơm tạo nờn.
Quỏ trỡnh này được biểu diễn bằng phương trỡnh:
c = c(2 - 1)Sc (1.51)
Trong đú: c là nhiệt lượng truyền qua bề mặt đối lưu trong thời gian 1s; c là hệ số toả nhiệt bằng đối lưu (W); 2 là nhiệt độ bề mặt toả nhiệt (0C); 1 là nhiệt độ mụi trường (0C); Sc là diện tớch bề mặt toả nhiệt (m2).
Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu c phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nhiệt độ, mật độ, độ nhớt, vận tốc của mụi trường, hỡnh dạng bề mặt toả nhiệt, vị trớ bề mặt so với hướng chuyển động của cỏc phần tử trong mụi trường.
3. Bức xạ nhiệt
Là quỏ trỡnh toả nhiệt của vật thể núng ra mụi trường xung quanh bằng phỏt xạ súng điện từ.
Quỏ trỡnh này được biểu diễn cụng thức Stefan - Boltzman:
r = c T T ) ]Sr 1000 ( ) 1000 [( . 2 4 1 4 0 (1.52)
trong đú: r (W) là nhiệt lượng truyền qua bề mặt bức xạ trong thời gian 1s qua bề mặt bức xạ Sr (m2); T1, T2 là nhiệt độ của mụi trường và bề mặt bức xạ; c0 = 5,7.104
W/m2.0K4 là hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối; là hệ số đen của bề mặt bức xạ. Thụng thường, cỏc quỏ trỡnh toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ cựng song song tồn tại qua bề mặt vật thể nờn cú thể sử dụng một hệ số toả nhiệt chung cho cả 2 quỏ trỡnh này là KT: KT = T T r c S S . ) ( 1 (1.53)
Trong đú: = c + r là nhiệt lượng truyền bằng đối lưu và bức xạ; ST = Sc = Sr là diện tớch bề mặt toả nhiệt.
1.4. Tiếp xỳc điện
1.4.1 Khỏi niệm chung
Dũng điện đi từ vật dẫn này qua vật dẫn khỏc phải đi qua chỗ tiếp xỳc gọi là bề mặt tiếp xỳc điện. Cỏc vật dẫn cú bề mặt tiếp xỳc gọi là tiếp điểm.
Dựa vào mối liờn kết tiếp xỳc, người ta chia tiếp xỳc điện ra thành 3 dạng: tiếp xỳc cố định, tiếp xỳc trượt và tiếp xỳc đúng cắt.
- Tiếp xỳc cố định là loại tiếp xỳc khụng thỏo lắp giữa hai vật dẫn, được liờn kết bằng ốc vớt, bulụng, đinh tỏn, hàn, ộp, kẹp như giữa thanh cỏi với nhau, thanh cỏi với dõy dẫn, giữa dõy dẫn với đầu cốt, giữa dõy cỏp với dõy cỏp điện… tiếp xỳc cố định khụng những chỉ đảm bảo cho điện trở tiếp xỳc bộ mà cũn phải chịu lực, mụmen khỏ lớn lờn chỗ tiếp xỳc như chỗ nối cỏp-cỏp, thanh cỏi…
- Tiếp xỳc trượt là tiếp xỳc giữa vật dẫn chuyển động và vật dẫn tĩnh. Vật chuyển động dạng quay như ở cổ gúp, vành trượt cỏc mỏy điện, dạng tịnh tiến (lăn) như ở một số mỏy cắt điện cao ỏp, cầu trục, tàu điện… tiếp xỳc trượt thường gắn liền với hiện tượng phúng tia lửa điện.
- Tiếp xỳc đúng cắt là tiếp xỳc giữa tiếp điểm tĩnh với tiếp điểm động của cỏc thiết bị đúng cắt và chuyển mạch điện cơ. Ở chế độ đúng, hai tiếp điểm tiếp xỳc chặt với nhau, ở chế độ cắt chỳng tỏch rời nhau để cắt dũng điện. Những hiện tượng vật lý xảy ra trong quỏ trỡnh đúng-cắt, chuyển mạch ở loại tiếp xỳc này khỏ phức tạp.
Dựa vào hỡnh dạng chỗ tiếp xỳc, người ta chia tiếp xỳc điện thành 3 loại: tiếp xỳc điểm, tiếp xỳc đường, tiếp xỳc mặt (hỡnh 1.10).
Tiếp xỳc điểm là tiếp xỳc giữa mặt cầu với mặt phẳng, cầu-cầu, thường gặp ở cỏc thiết bị đúng cắt cú dũng điện bộ, dưới 10A. Tiếp xỳc đường là tiếp xỳc giữa mặt trụ-phẳng, giữa hai mặt trụ, thường gặp ở cỏc tiếp điểm cú dũng điện trung bỡnh cỡ vài chục đến hàng trăm ampe. Tiếp xỳc mặt là tiếp xỳc giữa hai phần của mặt phẳng, thường gặp ở cỏc dũng điện lớn đến hàng ngàn ampe.
a/ b/ c/
Bề mặt tiếp xúc
Hỡnh 1.10 Cỏc dạng bề mặt tiếp xỳc điện Tiếp xỳc điện phải thỏa món cỏc yờu cầu sau:
- Thực hiện tiếp xỳc chắc chắn, đảm bảo.