CHƯƠNG 3 KHÍ CỤ ĐIỆN CAO ÁP
3.1. Máy cắt điện cao áp
3.1.1. Khái niệm chung 1) Nhiệm vụ
Máy cắt điện cao áp (còn gọi là máy cắt cao áp) là thiết bị điện dùng để đóng, cắt mạch điện có điện áp từ 1000V trở lên ở mọi chế độ vận hành: chế độ không tải, chế độ tải định mức, chế độ sự cố, trong đó chế độ đóng cắt dòng điện ngắn mạch là chế độ nặng nề nhất.
Các thông số chính của máy cắt gồm: điện áp định mức, dòng điện định mức, dòng điện ổn định nhiệt ứng với thời gian tương ứng, dòng điện ổn định điện động, dòng điện cắt định mức, công suất cắt định mức, thời gian đóng, thời gian cắt.
- Điện áp định mức (Uđm) là điện áp dây đặt lên thiết bị với thời gian làm việc dài hạn mà cách điện của máy cắt không bị hỏng hóc, tính theo trị hiệu dụng.
- Dòng điện định mức (Iđm) là trị số hiệu dụng của dòng điện chạy qua máy cắt trong thời gian làm việc dài hạn mà máy cắt không bị hỏng hóc. Việc tính toán dòng điện định mức dựa vào bài toán cân bằng nhiệt của mạch vòng dẫn điện ở chế độ xác lập nhiệt.
- Dòng điện ổn định nhiệt với thời gian tương ứng là trị số hiệu dụng của dòng điện ngắn mạch, chạy trong thiết bị với thời gian cho trước mà nhiệt độ của mạch vòng dẫn điện không vượt quá nhiệt độ cho phép ở chế độ làm việc ngắn hạn. Việc xác định dòng điện ổn định nhiệt gắn liền với bài toán cân bằng nhiệt của mạch vòng dẫn điện ở chế độ quá độ:
I2nm.tnm = const (3.1)
Dòng điện ổn định điện động (còn gọi là dòng xung kích) là trị số lớn nhất của dòng điện mà lực điện động do nó sinh ra không làm hỏng hóc thiết bị điện:
Ixk = 1,8 Inm (3.2)
trong đó: Ixk là dòng xung kích; Inm là dòng ngắn mạch.
Nếu máy cắt đóng khi lưới bị ngắn mạch thì dòng điện đóng chính là dòng xung kích. Dòng điện cắt định mức là dòng điện ngắn mạch mà máy cắt có khả năng cắt được với thời gian cắt đã cho.
- Công suất cắt định mức của máy cắt ba pha (còn gọi là dung lượng cắt) được tính theo công thức:
Scđm = UđmIđm (3.3)
2
3
78 Trong đó: Uđm là điện áp định mức của lưới điện; Iđm là dòng điện cắt định mức.
Thời gian đóng là quãng thời gian từ khi có tín hiệu “đóng” được đưa vào máy cắt đến khi máy cắt đóng hoàn toàn. Thời gian này phụ thuộc vào đặc tính của cơ cấu truyền động và hành trình của tiếp điểm động.
Thời gian cắt của máy cắt là quãng thời gian từ khi có tín hiệu cắt đến khi hồ quang bị dập tắt hoàn toàn. Thời gian này phụ thuộc vào đặc tính của cơ cấu cắt (thường là lò xo được tích năng lượng trong quá trình đóng) và thời gian cháy của hồ quang, được tính toán cho hồ quang cháy của dòng cắt định mức.
Các yêu cầu chính đối với máy cắt là: độ tin cậy cao cho mọi chế độ làm việc, quá điện áp khi cắt thấp, thời gian đóng và thời gian cắt nhanh, không gây ảnh hưởng tới môi trường, dễ bảo dưỡng, kiểm tra, thay thế, kích thước nhỏ, gọn, tuổi thọ cao, có thể dùng cho chế độ đóng lập lại với chu trình :
Cắt – 180s - Đóng Cắt – 180s - Đóng cắt
180s là thời gian giữa 2 lần thao tác, còn đóng cắt là máy cắt đóng dòng điện ngắn mạch, sau đó lại cắt ra.
2) Phân loại
- Dựa theo môi trường dập hồ quang, máy cắt được chia ra các loại: Máy cắt nhiều dầu, máy cắt ít dầu, máy cắt không khí, máy cắt chân không, máy cắt tự sinh khí, máy cắt khí SF6.
- Theo môi trường làm việc, máy cắt được phân loại thành loại: máy lắp đặt trong nhà và loại lắp đặt ngoài trời.
- Theo kết cấu ta có máy cắt rời và máy cắt hợp bộ. Máy cắt rời dễ sử dụng đơn lẻ, còn máy cắt hợp bộ thường được ghép nối với tổ hợp các thiết bị khác như dao cách ly, các thiết bị điều khiển, đo lường, bảo vệ và còn gọi là trạm đóng cắt hợp bộ.
3.1.2. Máy cắt nhiều dầu
Nguyên tắc hoạt động của máy cắt điện nhiều dầu là dập tắt hồ quang trong môi trường chất lỏng. Dầu thường dùng là dầu biến áp. Khi hồ quang sinh ra, do nhiệt độ cao nên dầu ở đó bị bốc hơi và sôi nên mạnh, tạo ra áp suất lớn, áp lực khí dầu lớn, làm cho dầu bị xáo trộn mạnh do đó hồ quang bị làm nguội và dập tắt.
- Dầu máy biến áp được chứa trong thùng (3) làm nhiệm vụ cách điện giữa các bộ phận dẫn điện và dập hồ quang.
- Ống thoát khí (4) mục đích giúp thoát khí nếu có hiện tượng dầu sôi.
- Ống (7) báo mức dầu trong thùng, nếu thấp hơn mức cho phép thì phải cấp thêm dầu mới được phép cho máy cắt làm việc.
79 1) Cấu tạo
1 2
3 4
5 9
7 9
8 6
Hình 3.1 Máy cắt nhiều dầu
1. Tiếp điểm động 2. Tiếp điểm tĩnh 3. Thùng dầu 4. Ống thoát khí 5. Cơ cấu truyền động
6. Lò xo truyền động 7. Ống chỉ mức dầu 8. Van tháo dầu ra 9. Sứ cao áp 2) Nguyên lý hoạt động
Giả sử muốn đóng điện cho phụ tải, điều khiển để tiếp điểm động (1) tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh (2), khi đó phụ tải được cấp điện và dòng điện đi từ cột sứ này sang cột sứ kia. Muốn cắt điện ra khỏi hệ thống, ta điều khiển bộ truyền động tự động qua thanh truyền 5, 6 điều khiển tiếp điểm động (1) rời khỏi tiếp điểm tĩnh (2), cắt lưới điện khỏi tải. Khi đó sinh ra hồ quang rất lớn giữa hai tiếp điểm (tới hàng ngàn ampe) làm cho nhiệt độ tăng và dầu sôi làm sáo trộn dầu trong thùng. Do vậy tia hồ quang bị đảo lộn và bị kéo dài ra và dễ đứt, làm cho hồ quang nhanh chóng bị dập tắt.
3) Ưu nhược điểm và ứng dụng
Máy cắt nhiều dầu dùng để đóng cắt ở dạng điện áp cao, có Ul 35kV. Dùng trong các trạm biến áp trung gian và các trạm biến áp khu vực. Nhược điểm của máy cắt nhiều dầu là kích thước, trọng lượng lớn, cần phải làm sạch dầu, bảo dưỡng, sửa chữa phức tạp và dễ gây ra cháy nổ. Hình 3.2 thể hiện cấu tạo máy cắt nhiều dầu 110kV, dòng điện định mức 2000A, công suất cắt 8000MVA do Liên Xô (cũ) chế tạo.
1 : Vỏ thùng 2 : Cơ cấu hầm dầu 3 : Cách điện vỏ thùng 4 : Tiếp điểm động 5 : Thanh truyền động 6 : Buồng dập hồ quang 7 : Ống dẫn hướng 8 : Sứ xuyên
9 : Máy biến dòng điện
Hình 3.2 Máy cắt nhiều dầu Liên Xô chế tạo
80 3.1.3. Máy cắt khí SF6
Để tăng hiệu ứng dập hồ quang trong môi trường không khí và giảm kích thước cách điện, người ta sử dụng khí SF6. Loại khí này có những đặc điểm sau:
- Ở áp suất bình thường, độ bền điện của SF6 gấp 2,5 lần so với không khí, còn khi áp suất 2at độ bền điện của khí này tương đương dầu biến áp.
- Hệ số dẫn nhiệt của SF6 cao, gấp 4 lần không khí, vì vậy có thể tăng mật độ dòng điện trong mạch vòng dẫn điện, giảm khối lượng đồng.
- Khả năng dập hồ quang của buồng dập kiểu thổi dọc khí SF6 lớn gấp 5 lần so với không khí, vì vậy giảm được thời gian cháy của hồ quang, tăng khả năng cắt, tăng tuổi thọ tiếp điểm.
- SF6 là loại khí trơ, không phản ứng với ôxy, hydrô, ít bị phân tích thành các khí thành phần.
Trong máy cắt SF6, hồ quang sẽ nhanh chóng bị dập tắt nếu có thổi hồ quang.
Trên cơ sở đó, hai biện pháp được áp dụng là: thổi từ và tự thổi kiểu khí nén (dùng xilanh hoặc pittông), trong đó nguyên lý tự thổi dùng pittông-xilanh được sử dụng rộng rãi hơn và hiệu quả hơn.
1) Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Trạng thái đóng; Dòng điện đi từ tiếp điểm tĩnh 1, 4 sang tiếp điểm động 5, 6 đến đầu nối 10 (Hình 3.3).
Hình 3.3 Dòng điện chạy qua máy cắt khí SF6
1. Tiếp điểm tĩnh; 2. Vỏ; 3. Giá đỡ tiếp điểm; 4. Tiếp điểm tĩnh chịu hồ quang; 5. Tiếp điểm động; 6. Tiếp điểm động chịu hồ quang; 7.Van xả;
8. Buồng chứa khí nén SF6; 9. Van hút; 10. Đầu nối
Trạng thái quá độ cắt: khi tiếp điểm động 5 rời tiếp điểm tĩnh 1 dòng điện chuyển qua tiếp điểm chịu hồ quang 4, 6 (hình 3.4).
Hình 3.4 Trạng thái quá độ cắt của máy cắt khí SF6
81 Trạng thái cắt sinh hồ quang: khi tiếp điểm chịu hồ quang 6 rời tiếp điểm 4 hồ quang 11 sinh ra với năng lượng lớn phân tích khí SF6, van 7 và 9 đóng (hình 3.5)
Hình 3.5 Trạng thái cắt sinh hồ quang của máy cắt khí SF6
Dập hồ quang: khi giá đỡ 3 rời khỏi tiếp điểm 4, luồng hơi áp suất cao phun ra và dập tắt hồ quang (hình 3.6).
Hình 3.6 Dập tắt hồ quang của máy cắt khí SF6
Trạng thái cắt hoàn toàn. (hình 3.7), van 7, 9 mở để khí SF6 tràn vào buồng 8
Hình 3.7 Trạng thái cắt hoàn toàn của máy cắt khí SF6 2) Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng
Nhược điểm chính của loại khí này là nhiệt độ hoá lỏng thấp. Vì vậy loại này chỉ dùng ở áp suất không cao để tránh phải dùng thiết bị hâm nóng. Mặt khác khí này chỉ có chất lượng tốt khi không có tạp chất.
Máy cắt SF6 được thiết kế, chế tạo cho mọi cấp điện áp cao từ 3KV đến 800KV bởi tính năng ưu việt của nó: Khả năng cắt lớn, kích thước nhỏ gọn, độ an toàn và tin cậy cao, tuổi thọ cao, chi phí bảo dưỡng thấp.
82 3.1.4. Máy cắt chân không
Ở máy cắt chân không, áp suất trong buồng dập rất thấp, dưới 10-4 Pa (hoặc 10-9 bar), do đó mật độ không khí rất thấp: hành trình tự do của điện tử đạt 50 mét, còn hành trình tự do của điện tử đạt tới 300 mét, cho nên độ bền điện trong chân không khá cao, hồ quang dễ bị dập tắt và khó có điện kiện cháy lặp lại sau khi dòng điện đi qua trị số 0. Ở áp suất 10-4 Pa, độ bền điện đạt tới 100kV/mm. Vì vậy với điện áp cấp trung áp (đến 35kV), độ mở của tiếp điểm của buồng cắt chân không khoảng 6 đến 25 mm.
1) Cấu tạo và nguyên lý làm việc của buồng cắt chân không.
Bên trong buồng cách điện bằng vật liệu cách điện dạng composit được đặt hệ thống tiếp điểm 3 dạng tiếp xúc mặt, với thanh dẫn tĩnh 4 và thanh dẫn động 5, chuyển động tịnh tiến, theo cơ cấu dẫn hướng 8, lắp chặt với đáy dưới 2. Ống xếp kim loại 6 có đầu trên hàn với thanh dẫn động, đầu dưới hàn với tấm đáy 2, mục đích đảm bảo chân không cho bình cắt dù cho tiếp điểm động chuyển động nhiều lần. Với công nghệ hiện đại, buồng chân không có tuổi thọ đến 30.000 lần thao tác. Ống kim loại 7 đóng vai trò màn chắn, ngăn không cho hơi kim loại bám vào bề mặt bên trong của ống cách điện, làm suy giảm cách điện.
Hình 3.8 Mặt cắt của buồng đóng cắt chân không 12kV, 25kA
Khi cắt, tiếp điểm động tách khỏi tiếp điểm tĩnh, hồ quang xuất hiện trên bề mặt tiếp xúc 3 là kim loại bị nóng chảy và bay hơi. Hồ quang sẽ bị dập tắt khi dòng điện đi qua trị số không. Để tăng khả năng cắt và giảm hao mòn tiếp điểm do hồ quang sinh ra, người ta sử dụng cấu tạo đặc biệt của tiếp điểm để tạo ra lực điện động của dòng điện, thổi hồ quang ra phía ngoài mặt tiếp xúc.
1. Vỏ thùng 2. Tấm đáy 3. Tiếp điểm 4. Thanh dẫn tĩnh 5. Thanh dẫn động 6. Ống xếp kim loai 7. Ống kim loại 8. Cơ cấu dẫn hướng
83 Hình 3.9 Mặt cắt của máy cắt chân không VBL, VD4
1. Đầu trên; 2. Buồng đóng cắt chân không; 3. Đầu dưới; 4. Lò xo tiếp điểm; 5. Thanh cách điện; 6. Lò xo nhảy; 7. Cơ cấu thao tác lò xo xoắn 2) Ưu nhược điểm và phạm vi điều chỉnh
Ưu điểm chính của máy cắt chân không là kích thước nhỏ, gọn, không gây ra cháy, nổ, tuổi thọ cao khi cắt dòng định mức (đến 10.000 lần đóng cắt), gần như không cần bảo dưỡng định kỳ, vì vậy loại máy cắt này được dùng khá rộng rãi ở lưới điện trung áp, với dòng điện định mức đến 3000A, chủ yếu dùng lắp đặt trong nhà. Dòng điện cắt đến 50kA, thời gian cháy của hồ quang cỡ 15 ms.