F1x = Ftđ + Ftđ1 - Ftđ2
a) Lực nén của lò xo ở chế độ định mức: ở chế độ này lực điện động Fđđ1 và Fđđ2 nhỏ do đó có thể bỏ qua. Nên lực nén cần thiết của lò xo lên tiếp điểm tĩnh chính là lực ép tiếp điểm.
F1x = Ftđ = 1,73 (kg) = 16,97 (N)
b) Khi có dòng điện ngắn mạch đi qua hệ thống tiếp điểm, các bề mặt tiếp xúc bị phát nóng rất cao do đó có thể làm nóng chảy hàn dính các tiếp điểm lại với nhau.
F1x = Ftđnm + Fđđ1nm - Fđđ2nm= 0,68 + 0,637 - 1,095 = 0,68 + 0,637 - 1,095 = 0,222 (N)
Nh vậy ta phải chọn lực lò xo F1x = 1,73 kg để đảm cho tiếp tiếp điểm hoạt động bình thờng ở cả chế độ định mức và ngắn mạch.
Chơng 6: Tính toàn buồng dập hồ quang
Trong máy ngắt cao áp thiết bị dập hồ quang là bộ phận quan trọng nhất, khi ngắt mạch điện ở đó xảy ra các quá trình cơ bản dập hồ quang và tiếp theo đó là phục hồi độ bền điện giữa các khoảng cách tiếp điểm.
Quá trình xảy ra rất phức tạp phụ thuộc vào sự làm việc của kiểu thiết bị dập hồ quang, phụ thuộc khả năng dập hồ quang của thiết bị và phụ thuộc vào đặc tuyết V-A của quá trình đó. Dạng đặc tuyến của quá trình này phụ thuộc vào nguyên tắc tác động của thiết bị và vào các đặc điểm kết quả từng chi tiết của nó.
Tính và thiết kế thiết bị dập hồ quang là một trong các nhiệm vụ quan trọng của thiết kế máy ngắt. Trong tính toán cần phải xác định các tham số của thiết bị và các đặc tuyến của nó:
Các tham số của thiết bị dập hồ quang gồm:
- Số lợng và kích thớc chính của các đờng rãnh dập hồ quang.
- Số lợng, vị trí tơng hỗ và trị số các khoảng cách giữa các tiếp điểm trong lúc dập tắt hồ quang cũng nh kích thớc, hình dáng của tiếp điểm tạo thành các khoảng cách.
Các đặc tuyến của thiết bị dập hồ quang gồm:
- Đặc tuyến tốc độ chuyển động của tiếp điểm dập hồ quang và của van (nếu có).
- Trị số lớn nhất của đặc tuyến thay đổi áp suất của môi trờng tạo thành khí trong vùng dập hồ quang.
- Tốc độ cháy của môi trờng dập hồ quang trong vùng dập hồ quang ở từng giai đoạn dập hồ quang.
- Tốc độ chuyển dịch của thân hồ quang trong từ trờng (nếu áp dụng dập hồ quang bằng điện từ).
- Sự thay đổi điện áp trên hồ quang và năng lợng thải ra trong hồ quang. - Sự thay đổi trạng thái (độ dẫn từ, độ bền điện, nhiệt độ, ) mà gọi là…
thân d ở cuối nửa chu kì của dòng điện và sự phục hồi độ bền điện của khoảng cách giữa các tiếp điểm.
Một số đặc tuyến:
- Tốc độ chuyển động của tiếp điểm.
- áp lực của không khí hay khí tác động vào đầu rìa của tiếp điểm động, đ
… ợc sử dụng làm tham số cho trớc để tính toán các khâu khác của máy ngắt liên quan đến các tiếp điểm của thiết bị dập hồ quang (truyền động cơ khí, truyền động bình chứa không khí, van ). Nh… vậy tính chính xác kích thớc các chi tiết của thiết bị dập hồ quang phải tiến hành trớc khi tính và gia công các khâu của máy ngắt.
Thiết bị dập hồ quang điện máy ngắt phải thỏa mãn yêu cầu:
+ Dập tắt hồ quang điện chắc chắn ở các điện áp định mức cho trớc, khi ngắt các dòng điện giới hạn (có khi đến chục kA) trong thời gian nhất định.
+ Dập hồ quang điện chắc chắn và nhanh, không cháy lặp lại khi ngắt các dòng điện dung của đờng dây không tải và của các dòng điện kháng của máy biến áp không tải.
+ Làm việc ổn định không thay đổi các đặc tuyến đoạn đầu trong thời gian vận hành đã quy định và số lần đóng cắt đã quy định.
+ Kết cấu đơn giản, dễ gia công và thuận tiện trong vận hành.
+ Tiêu hao môi trờng dập hồ quang (chất lỏng, không khí nén hay khí) hoàn thành thao tác quy định cần phải ít nhất.
Trong khi tính toán và thiết kế bị dập hồ quang các tham số cho trớc gồm:
+ Sơ đồ kết cấu của thiết bị.
+ Loại và tính chất của môi trờng dập hồ quang.
+ Điện áp định mức đặt vào tất cả các khoảng cách của máy ngắt đóng liên tiếp giữa các tiếp điểm với nhau và phân bố điện áp giả định (hay đã tính tr- ớc) theo từng khoảng cách riêng.
+ Trị số dòng điện ngắt giới hạn lớn nhất và công suất ngắt định mức. + Tần số của thành phần quá độ điện áp phục hồi và hệ số tăng biên độ. + Dòng điện phụ tải của hệ thống tiếp điểm thiết bị dập hồ quang khi làm việc dài hạn.
+ áp suất khí cho trớc trong bình chứa và trong các ống dẫn khí. + Thời gian dập hồ quang và chu trình thao tác quy định.
+ Giả định các bố trí thiết bị dập hồ quang trong máy ngắt.
Thiết bị dập hồ quang của máy cắt SF6 có tác dụng dập tắt hồ quang một cách nhanh chóng để tiếp điểm và các bộ phận khác không bị hồ quang làm nóng chảy dẫn đến hỏng máy cắt.
+ Thiết bị dập hồ quang của máy ngắt SF6 đợc thực hiện trong dạng buồng kín, đợc đổ đầy khí SF6 và trong đó có chứa tiếp điểm tĩnh và tiếp điểm động.
+ Khí SF6 có khả năng dập hồ quang và có độ bền điện tốt do đó có khả năng chế tạo những buồng dập hồ quang dòng điện lên đến 80KA và điện áp lên đến 800KV.
+ Kích thớc buồng dập hồ quang máy cắt SF6 nhỏ gọn hơn máy cắt dầu, máy cắt không khí.
Nguyên lý dập hồ quang:
+ Phơng pháp thổi từ: dùng cuộn thổi từ thổi hồ quang, phơng pháp này phức tạp cho nên hiện nay ít đợc dùng.
+ Phơng pháp tự thổi: ngời ta tạo ra các kết cấu sao cho khi tiếp điểm chuyển động tự nó sinh ra sự chênh lệch áp suất và khí SF6 đợc thổi vào hồ quang. Phơng pháp này đơn giản nên hiện nay đợc dùng phổ biến. Một trong những cơ cấu đợc dùng rộng rãi là cơ cấu pittông - tiếp điểm. Ta có thể thổi hồ quang dọc trục hoặc ngang trục tiếp điểm:
- Thổi ngang cho hiệu quả cao tuy nhiên kích thớc của buồng dập hồ quang lớn.
- Thổi dọc cách thổi này cho hiệu quả thấp hơn phơng pháp thổi ngang nhng kích thớc buồng dập hồ quang có thể đợc thu nhỏ do đó nó đợc sử dụng rất phổ biến.
Căn cứ vào những phân tích trên ta chọn buồng dập hồ quang thực hiện theo phơng pháp tự thổi, thổi ngang.
* Tính toán và kiểm nghiệm buồng dập hồ quang
- Chọn đờng kính của pittông D = 15cm
- áp suất của khí SF6 trong bình ở trạng thái ổn định (không xảy ra đóng cắt).
- Xét ở trạng thái cắt:
Trong mỗi lần đóng cắt pittông chuyển động một khoảng l = S2 + x
Trong đó:
S2 = 10 cm là độ mở của tiếp điểm x = 3,5 cm là độ lún của tiếp điểm ⇒ l = 10 + 3,5 = 13,5cm
Lu lợng khí chảy qua lỗ thổi trong quá trình đóng cắt:
t V Q=∆
Trong đó:
∆V : là độ thay đổi thể tích khi cắt
t : ta coi xấp xỉ bằng thời gian cắt t = 100 ms Xác định độ thay đổi thể tích: 3 2 2 cm 2384 5 , 13 . 4 15 . h . 4 D . V=π =π = ∆ = 2,38 (lít) ⇒ Lu lợng khí 8 , 23 10 . 100 38 , 2 Q= −3 = (lít/giây) Xác định áp suất khi nén Pnén
- Xét ở trọng thái ngắt ta xác định áp suất của khí SF6 ở nửa bình phía tr- ớc pittông. Pnén = bd 22 21.P V V Với:
Pbd : là áp suất của khí SF6 trong buồng dập hồ quang ở trạng thái không đóng ngắt. Ta chọn Pbd = 3 ata V21 thể tích khí SF6 ở trên pittông V22 thể tích khí SF6 ở dới pittông Tổng thể tích khí SF6 trong bình dập hồ quang z . 4 D V V 2 22 21+ =π
Trong đó z là chiều cao buồng dập hồ quang: z = 40 ⇒ 2 3 22 21 .40 7065cm 4 15 . V V + =π = = 7,065 (lít) (1) V21 - V22 = ∆V = 2,38 (2) Từ (1) (2) suy ra V21 = 7,72 (lít) V22 = 2,345 (lít)
áp suất khí nén ở phía dới pittông khi tiếp điểm động chuyển động hết hành trình: Pnén = .3 6ata 345 , 2 72 , 4 P . V V bd 22 21 = =
Nhận xét: Với áp suất này vận tốc của khí SF6 qua lỗ thổi khí có thể đạt đợc vận tốc tới hạn
Tính toán vận tốc thanh dẫn động:
Từ đồ thị máy ngắt dầu vẽ đờng đặc tính quan hệ giữa vận tốc thanh dẫn động và khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh của máy ngắt SF6 gấp 1,5 lần.
Tra đồ thị ta lấy vận tốc của thanh dẫn động là 4m/s
Từ vận tốc tra đợc ta tính thời gian chuyển động của thanh dẫn động: ) ms ( 33 ) s ( 033 . 0 4 10 . 5 , 13 v h t= = −2 = =
Đồ thị biểu diễn quan hệ v-s
Kiểm nghiệm buồng dập hồ quang
Sau khi hồ quang tắt điện áp giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh
Đồng thời độ bền điện của khí SF6 ở khoảng không giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tỉnh cũng đợc phục hồi.
dt dU dt dUph b < Trong đó: dt dUph : tốc độ phục hồi điện áp dt dUb : tốc độ tăng độ bền cách điện
Giả sử quá trình phục hồi điện áp không giao động
Ta kiểm tra điều kiện phóng điện lập lại ở khoảng thời gian đủ dài sau khi hồ quang tắt:
Xét lại khoảng thời gian đủ dài ta có điện áp phục hồi: Uph = Umax = 2Uđmf ⇒ 24 19,6kV 3 2 Uph = = (I) Tính độ bền điện phục hồi: Uphbđ = Uphs(1 - e−Tt ) Trong đó:
Uphs : độ bền điện phục hồi khoảng không gian trong trạng thái làm lạnh khi áp suất khí và chiều dài khoảng không gian đã cho.
T : hằng số thời gian làm lạnh. Umax
Uhp
Quá trình phục hồi điện áp giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh
Ta xét điều kiện để hồ quang không cháy lập lại tại khoảng thời gian đủ dài tính từ lúc hồ quang tắt
⇒ Uphbđ = Uphs
Từ đồ thị ta có độ bền điện phục hồi khoảng không gian trong trạng thái làm lạnh khi áp suất khí và chiều dài khoảng không gian đã cho
Uphs = 145 kV (II)
Từ (I) và (II) ta thấy độ bền điện phục hồi khoảng không gian giữa tiếp điểm động và tiếp điểm chính lớn hơn rất nhiều so với điện áp phục hồi.