Hạn chế dòng điện ngắn mạch và nâng cao khả năng cắt của các thiết bị đóng cắt trong hệ thống phân phối và truyền tải điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------ TRẦN VĂN DƯƠNG HẠN CHẾ DÒNG ĐIỆN NGẮN MẠCH VÀ NÂNG CAO KHẢ NĂNG CẮT CỦA CÁC THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT TRONG HỆ THỐNG PHÂN PH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- -

TRẦN VĂN DƯƠNG

HẠN CHẾ DÒNG ĐIỆN NGẮN MẠCH VÀ NÂNG CAO KHẢ NĂNG CẮT CỦA CÁC THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT TRONG HỆ

THỐNG PHÂN PHỐI VÀ TRUYỀN TẢI ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2007

Mục lục

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG I: LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT

1.1 Lịch sử phát triển của các thiết bị đóng cắt 5

1.2 Phân tích các tác hại của dòng điện ngắn mạch 13

1.2.1 Quá trình phát nóng khi ngắn mạch 13

1.2.2 Quá trình ăn mòn tiếp điểm khi ngắn mạch14 1.2.3 Lực điện động khi ngắn mạch 16

Kết luận 17

CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VẤN ĐỀ 2.1 Đặt vấn đề 19

2.2 Lý luận chung về các hiện tượng & quan hệ điện từ trong mạch 19

2.3 Các điều kiện cần biết để giải bài toán điện từ 21

2.4 Các mô hình điện từ thực tế 23

2.5 Các phương pháp nghiên cứu quá trình điện từ trong mạch 24

2.5.1 Phương pháp giải tích 24

2.5.2 Phương pháp mạch từ không gian thay thế 27

2.5.3 Phương pháp phần tử hữu hạn 30

2.6.4 Sử dụng các phần mềm mô phỏng 31

Kết luận 32

CHƯƠNG III: CƠ SỞ & CÁC PHƯƠNG PHÁP TĂNG KHẢ NĂNG CẮT CỦA THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT 3.1 Đ ại cương 33

3.1.1 Giảm thời gian cháy của hồ quang 34

3.1.2 Giảm thời gian tác động của cơ cấu 48

3.1.3 Thực hiện việc đóng cắt đồng bộ 49

3.2 Phân tích các thiết bị hạn chế dòng điện thực tế 52

3.2.1 Cầu chì hạn chế dòng điện 53

3.2.2 áp tô mát có khả năng cắt cao 65

3.2.3 Máy cắt SF6 85

3.2.4 Máy cắt chân không 97

Kết luận 106

CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY & TẮT CỦA HỒ QUANG TRONG KHÔNG KHÍ 4.1 Một số lưu ý khi tính toán hồ quang 107

4.2 Các công thức sử dụng khi tính toán hồ quang 108

4.3 Chương trình mô phỏng hồ quang điện 110

Kết luận 113

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay đất nước ta đang bước vào thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa với sự phát triển mạnh mẽ của nhiều ngành kinh tế Song song với sự phát triển của các ngành công ghiệp, việc cung cấp, truyền tải điện một cánh an toàn, hiệu quả là một yêu cầu vô cùng cấp thiết Trong đó một yêu cầu vô cùng quan trọng được đặt ra là nâng cao khả năng đóng cắt của các thiết bị điện trong hệ thống phân phối và truyền tải điện năng Chính vì thế khi lựa chọn đề tài làm tốt nghiệp sau gần hai năm học của chương trình đào tạo thạc sỹ ngành Thiết bị Điện Điện

tử của Trường đại học Bách khoa Hà Nội, em đã chọn đề tài: “Hạn chế dòng điện

ngắn mạch và nâng cao khả năng cắt của các thiết bị đóng cắt trong hệ thống phân phối và truyền tải Điện Bố cục đồ án tốt nghiệp được chia làm 3 chương

với nội dung như sau

 Chương I: Lịch sử phát triển của các thiết bị đóng cắt

 Chương II: Các phương pháp được sử dụng nghiên cứu vấn đề

 Chương III: Cơ sở và các phương pháp nâng cao khả năng cắt của thiết

bị đóng cắt

 Chương IV: Mô phỏng quá trình cháy và tắt của hồ quang tong không

khí

Trong quá trình thực hiện đồ án, mặc dù đã cố gắng hết sức mình, tuy nhiên

do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên có một điều chắc chắn rằng đồ án của

em còn rất nhiều điểm thiếu sót Em rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp, chỉ bảo của các thầy cô cũng như các bạn đồng khóa để đồ án được hoàn thiện hơn nữa

Cuối cùng em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Phạm Văn Chới

đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn em hoàn thành đồ án này theo đúng như tiến độ của chương trình đào tạo Em cũng xin được cám ơn các thầy, cô trong bộ môn đã hết lòng giúp đỡ, tạo điều kiện cho em thực hiện tốt đồ án này

Sẽ trở thành một cán bộ kỹ thuật, em luôn tự nhủ phải không ngừng học tập, trau dồi kiến thức và kỹ năng để xứng đáng là một học viên đã từng được đào tạo dưới mái trường Đ ại Học Bách Khoa thân yêu

Hà Nội, tháng 09 năm 2007

Học viên

Trần Văn Dương

CHƯƠNG I LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC THIẾT BỊ

ĐÓNG CẮT 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC THIẾT BỊ ĐÓNG

CẮT

Từ khi con người phát minh ra điện năng và sử dụng nó trong công nghiệp

cũng như trong dân dụng thì cùng với sự tăng lên không ngừng về sản lượng điện

cũng như những ứng dụng rộng rãi của nó là sự phát triển qua nhiều thế hệ của

các thiết bị đóng cắt khác nhau nhằm bảo vệ mạng lưới truyền tải và phân phối

điện năng

Về lịch sử phát triển của các thiết bị đóng cắt thì khí cụ điện đơn giản nhất

có lẽ là cầu chì Cầu chì đơn giản nhất có cấu tạo bao gồm một dây chảy mảnh

(làm bằng chì, bạc hay đồng) đựng trong một chiếc vỏ bảo vệ và được gắn vào hai

cực tiếp xúc của một mạch điện Nguyên lý của nó là dựa vào hiện tượng dây

chảy bị nóng chảy và đứt ra khi dòng điện tăng do quá tải hoặc ngắn mạch và ngắt

mạch nhanh chóng khi xảy ra sự cố trên đường dây Độ tin cậy của cầu chì phụ

thuộc chủ yếu vào dây chảy Nói chung độ tin cậy của cầu chì khá tốt nên hiện

nay cầu chì vẫn được sử dụng rộng rãi [2] Nhược điểm của cầu chì là khi dây đứt

phải mất thời gian để thay Vì vậy có một loại cầu chì thứ hai để khắc phục nhược

điểm này, đó là loại cầu chì gồm nhiều dây chảy mắc trên một trục tròn [7] Cấu

tạo của cầu chì loại này như sau:

1: Dây chảy 2: Cơ cấu quay 3: Dây dẫn

Hình 1-1: Cấu tạo của cầu chì 9 dây chảy

Khi cầu chì thứ nhất bị đứt thì hộp cầu chì sẽ quay một bước và sang cầu chì thứ hai Và khi tất cả các dây chì đã đứt thì sẽ phải thay cầu chì mới

Thiết bị đóng cắt phổ biến thứ hai là áp tô mát áp tô mát là thiết bị đóng

cắt và bảo vệ quá tải, ngắn mạch cho mạng hạ áp áp tô mát sử dụng nguyên lý điện từ để ngắt mạch khi có sự cố nhờ lực điện từ lớn của dòng ngắn mạch và việc ngắt mạch diễn ra nhanh chóng Các áp tô mát đã trải qua nhiều thế hệ khác nhau Đầu tiên các áp tô mát chỉ có dòng cắt rất nhỏ khoảng 1200 A rồi đến 1500A Đầu những năm 1960 các thế hệ áp tô mát công suất cắt lớn đầu tiên đã ra đời, dòng cắt của chúng vào khoảng 3kA Hiện nay các áp tô được chế tạo theo fame theo tiêu chuẩn cho các dải dòng khác nhau Chúng hoạt động theo nguyên lý:

- Dập hồ quang tại điểm với giới hạn dòng điện không cao trong nửa chu kỳ ngắn mạch của hình sin Chúng có cuộn hút solenoid mà dòng điện tải sẽ chạy qua, cuộn dây có một lõi sắt cố định và một lõi chuyển động áp tô mát loại này thao tác với điện áp hồ quang thấp hơn nhiều so với điện áp nguồn cho phép dòng ngắn mạch chạy qua mà thực tế không bị ảnh hưởng hay cản trở trong nửa đầu chu kỳ hình sin [4]

- Hạn chế dòng với khả năng ngăn chặn dòng ngắn mạch cao và hệ thống dập hồ quang cưỡng bức ngay từ nửa đầu của chu kỳ hình sin nhờ sử dụng lực điện từ lớn từ dòng ngắn mạch tác động ngắt tiếp điểm nhờ cơ cấu lẫy cò

Hình 1-2: Nguyên lý cấu tạo và đặc tính làm việc của áp tô mát

I: Vùng bảo vệ quá tải II: Vùng bảo vệ ngắn mạch

1 Đầu nối

2 Giàn dập hồ quang

3 Tiếp điểm

4 Cơ cấu đóng ngắt

5 Bảo vệ quá tải

6 Bảo vệ quá tải

Thường tiếp điểm làm áp tô mát bằng hợp kim bạc với tỷ lệ bạc nguyên chất cao Từ cấu tạo của áp tô mát ta thấy rằng đặc tính ngắt của nó sẽ bao gồm hai đoạn là tác động có thời gian với trường hợp quá tải (độ lớn của dòng ngắt tỷ

lệ nghịch với thời gian cắt) và tác động tức thời với trường hợp ngắn mạch Việc dập tắt hồ quang trong áp tô mát được thực hiện trong môi trường không khí kết hợp với giàn dập nhằm chia nhỏ hồ quang ra thành các phần nhỏ [2]

Đối với điện áp trung thế và cao thế người sử dụng máy cắt để thực hiện việc đóng ngắt mạch điện Căn cứ vào môi trường dập hồ quang trong máy cắt mà

ta có thể chia các máy cắt ra thành nhiều loại khác nhau

Máy ngắt dầu: trong quá trình ngắt thì hồ quang phát sinh ở giữa các điểm

tiếp xúc trực tiếp với dầu, do hồ quang có nhiệt độ rất cao (5000-6000 0C ) nên dầu bị sôi và bốc hơi tạo thành một bọc khí, hơi bao quanh hồ quang, làm lạnh nhanh và dập tắt hồ quang điện Bọc khí hơi này chủ yếu là khoảng 60% khí (70-80% hyđro, 15-20%axetilen, 5-10% metan và etilen), 40% hơi dầu [1] Từ đó ta thấy dầu càng chuyển động nhanh và tiếp xúc với hồ quang càng gần thì quá trình dập tắt hồ quang càng nhanh Buồng dập hồ quang trong máy cắt dầu có thể là loại một chỗ ngắt, hai chỗ ngắt hoặc nhiều chỗ ngắt

Thế hệ máy cắt dầu đầu tiên là máy cắt nhiều dầu Trong máy cắt nhiều

dầu người ta sử dụng dầu để dập tắt hồ quang đồng thời làm môi trường cách điện các phần tử dẫn điện trong nội bộ máy cắt với nhau và với vỏ Khi cắt dòng định mức thời gian cháy của hổ quang cỡ 0.02s Thời gian cắt của máy cắt nhiều dầu khá lớn so với các máy cắt hiện đại Một đặc tính tiêu biểu của máy cắt nhiều dầu

là có hai đầu cực dòng điện hoặc các tiếp điểm cách ly trên mỗi cực, được đưa ra ngoài trên đỉnh vỏ chứa các sứ xuyên Hồ quang được chia làm hai phần Ba pha đặt chung trong một thùng hoặc riêng rẽ [6]

Nhược điểm của máy cắt nhiều dầu là kích thước và trọng lượng của máy cắt lớn dẫn, xác xuất gây cháy và nổ cao khi không cắt hồ quang thành công dẫn đến tăng kích thước của trạm phân phối điện, khi sử dụng cần phải làm sạch dầu, sửa chữa, bảo dưỡng phức tạp Vì vậy ngày nay các máy cắt ít dầu không còn

a b

được sử dụng nữa

Hình 1-3: Hồ quang ở máy cắt nhiều dầu

Sau thế hệ máy cắt nhiều dầu, người ta đã cải tiến và thế hệ máy cắt dầu

tiếp đó là máy cắt ít dầu Cách điện dầu được thay bằng cách điện rắn, còn dầu

chỉ làm nhiệm vụ dập hồ quang Dòng chảy của dầu được tạo ra là do chính hồ quang, hoặc dầu bị cưỡng bức bởi cơ cấu vận hành của máy cắt, gồm có dòng chảy nằm ngang và dòng chảy thẳng đứng Với các cấp điện áp cao thì mỗi pha của máy cắt gồm nhiều bình dầu nối tiếp nhau [1]

Hình 1-4: Dòng chảy trong máy cắt ít dầu a) Thổi dọc b)Thổi ngang

Ưu điểm chính của máy cắt ít dầu là kích thước nhỏ gọn, khối lượng dầu không đáng kể Nhược điểm của loại máy cắt này là công suất cắt nhỏ Hơn nữa

do khối lượng dầu nhỏ nên dầu mau bẩn, chất lượng giảm nhanh nên nhanh phải thay dầu Và máy cắt ít dầu không có thiết bị hâm nóng dầu nên không thể lắp đặt

ở nơi có nhiệt độ thấp

Máy cắt tự sinh khí: ở loại máy cắt này hồ quang được dập tắt bằng hỗn

hợp khí do vật liệu rắn của buồng dập hồ quang sinh ra dưới tác động của nhiệt độ cao Khí này sẽ thổi vào hồ quang với tốc độ lớn, bao quanh hồ quang để dập tắt

hồ quang Như vậy buồng dập hồ quang được làm bằng những vật liệu tự sinh khí

1: Tiếp điểm động 2: Hồ quang 3: Tiếp điểm tĩnh

tạo ra rãnh dập hồ quang [3] Khí thổi phụ thuộc vào kết cấu của của buồng Các vật liệu tự sinh khí là phip đỏ, thủy tinh hữu cơ, nhựa

Máy cắt tự sinh khí có năng lực dập hồ quang không lớn, máy cắt tự sinh khí thường được sử dụng kèm theo cầu chì để làm máy cắt phụ tải với điện áp định mức lên đến 24kV và dòng điện đến vài trăm ampe Ưu điểm của máy cắt loại này là giá rẻ, kết cấu đơn giản Tuy nhiên tuổi thọ của máy thấp (đến 100 lần cắt tải định mức), dễ gây ra cháy nổ [6]

Máy cắt không khí nén: là loại máy cắt mà hồ quang được dập tắt bằng

không khí nén Không khí khô, sạch được nén với áp suất cao vào khoảng 40atm, dòng không khí nén này chuyển động với tốc độ cao thổi dọc hoặc ngang than hồ quang sẽ làm lạnh hồ quang nhanh và tăng khả năng phản iôn hóa khí xung quanh thân hồ quang, đến khoảng 20000C thì sẽ không xảy ra sự iôn hóa không khí và làm cho hồ quang được dập tắt một cách nhanh chóng Loại thổi ngang có tác dụng dập hồ quang tốt hơn tuy nhiên kích thước lớn hơn ứng với mỗi áp suất khí thổi sẽ có một khoảng cách tối ưu giữa hai đầu tiếp điểm khi ngắt Tăng hay giảm khoảng cách này đều có ảnh hưởng xấu đến quá trình dập hồ quang Cách điện và buồng dập hồ quang ở đây là cách điện rắn hoặc sứ Thời gian dập hồ quang ở máy cắt không khí vào khoảng 0.01s [1] Để tránh quá áp đóng cắt cần phải nối song song các điện trở lớn với các khoảng cắt Ưu điểm của máy cắt không khí là khả năng cắt tương đối lớn, dòng cắt của nó có thể đạt đến 100kA, tuổi thọ của tiếp điểm cao, không có nguy cơ cháy, nổ Nhược điểm là do kèm thiết bị khí nén nên kết cấu máy cồng kềnh, nếu mất nguồn khí nén thì không thao tác được, phải có khoảng cách an toàn do các chất khí sinh ra khi đóng cắt, đóng cắt gây tiếng ồn lớn

20-Máy cắt chân không: là loại máy cắt mà việc dập tắt hồ quang được thực

hiện trong buồng dập chân không Buồng này gồm có buồng hồ quang, đặt giữa hai sứ cách điện Các chốt đầu cực nối các tiếp điểm với các đầu cực bên ngoài Một tiếp điểm được gắn vào vỏ, tiếp điểm kia di động được Các màng xếp kim loại giúp cho tiếp điểm di động được và đấu nối kín khí với vỏ buồng cắt Khoảng

di chuyển của tiếp điểm chỉ vài mm áp suất trong buồng dập rất thấp khoảng dưới

10-7bar, do đó mật độ khí trong buồng dập rất thấp vì vậy độ bền điện trong chân không khá cao, có thể đạt đến 100kV/mm, độ bền điện áp được phục hồi nhanh chóng giữa khoảng trống hồ quang [3]

1: Vỏ 2: Đ áy dưới 3: Hệ thống tiếp điểm 4: Thanh dẫn tĩnh 5: Thanh dẫn động 6: ống xếp kim loại 7: ống kim loại 8: Cơ cấu dẫn hướng Hình 1-5: Cấu tạo của buồng dập chân không

Vì vậy hồ quang dễ bị dập tắt và khó có điều kiện cháy trở lại sau khi dòng điện qua vị trí không Các đặc tính của vật liệu làm tiếp điểm và hình dạng tiếp điểm quyết định đặc điểm đóng cắt và công suất đóng cắt

Để tăng khả năng cắt và giảm hao mòn tiếp điểm, tạo lực điện động nhằm thổi hồ quang ra phía ngoài mặt tiếp xúc người ta chế tạo các loại tiếp điểm từ trường hướng trục và hướng kính [3]

Hìn 1-6: Tiếp điểm trong máy cắt chân không

Độ bền điện trong chân không là khá cao Hình vẽ dưới so sánh độ bền điện môi của tiếp điểm phẳng trong các môi trường dập hồ quang khác nhau [6]

a Tiếp điểm từ trường hướng kính

b Giá đỡ tiếp điểm

c Tiếp điểm từ trường hướng trục

1: Cách điện không khí 2: Cách điện SF 6 1bar 3: Cách điện dầu 4: Cách điện chân không 5: Cách điện SF 6 5bar

Hình 1-7: Quan hệ giữa điện áp phóng điện và khoảng cách

Đặc tính của môi trường chân không có phần trước dốc nhất: với khe hở tiếp xúc chỉ vài mm đã đạt được độ bền xung cao áp rất lớn Sau đó đường cong phẳng ra chứng tỏ rằng từ một giá trị xác định nào đó trở đi, khoảng chạy tiếp điểm dài hơn không làm tăng độ bền điện môi

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, chu kỳ bảo dưỡng dài, chi phí bảo dưỡng thấp

tính cách điện rất tốt Buồng dập hồ quang của máy cắt SF6 có áp suất khoảng 4atm Khí SF6 là chất khí không màu, không mùi, không độc, không cháy ở áp suất khí quyển, SF6 có khả năng cách điện cao gấp 3 lần không khí, chúng cũng không có tính ăn mòn, là khí trơ Còn khi ở áp suất 2atm độ bền điện của khí này tương đương dầu MBA Hệ số dẫn nhiệt của khí SF6 cao gấp 5 lần so với không khí vì thế có thể tăng dòng điện trong mạch vòng dẫn điện, giảm khối lượng của đồng ở nhiệt độ lớn hơn 5000C chúng tái hợp lại và sinh ra F2 Trong nhiệt độ bình thường SF6 có thể nén tới 20 atm mà vẫn không bị hóa lỏng Chúng cũng không bị phân hủy khi đốt nóng tới 8000 C [19]

Tỷ trọng tương đối với không khí 5.1

áp suất hơi (ở 200 C) 10.62bar

Trong máy cắt sử dụng khí SF6 thì 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 diểm

Nhược điểm chính của loại khí này là nhiệt độ hóa lỏng thấp ở áp suất 13.1atm nhiệt độ hóa lỏng của nó là 00C còn ở áp suất 3.5atm nhiệt độ hoá lỏng của nó là -400C Vì vậy SF6 chỉ dung ở áp suất không cao để tránh phải dùng thiết

bị hâm nóng Hơn nữa khí này chỉ có tác dụng tốt khi nó không bị lẫn tạp chất Trong máy cắt SF6 hai biện pháp thổi được áp dụng là thổi từ và tự thổi kiểu khí nén [14] Nhược điểm của loại máy cắt này là yêu cầu buồng dập hồ quang phải thật kín và áp suất khí phải được giám sát chặt chẽ khi hoạt động

Trong những năm 70 của thế kỷ 20 còn có sự xuất hiện của máy cắt không tiếp điểm tức là sử dụng các van bán dẫn công suất để thực hiện việc đóng cắt Sự phát triển này xuất hiện ở cả Mỹ và Liên Xô Các máy cắt sẽ được điều khiển đóng cắt nhờ vào việc điều khiển các van bán dẫn Máy cắt loại này có thể có điện

áp lên đến 10kV Ưu điểm của nó là không phát sinh hồ quang Tuy nhiên máy

cắt loại không tiếp điểm này có các nhược điểm là tổn hao trên van bán dẫn lớn và quan trọng hơn là làm việc không ổn định trong các quá trình quá độ của mạch điện Vì thế nó cũng không được phát triển hơn nữa

1.2 CáC TáC HạI CHíNH CủA DòNG ĐIệN

NGắN MạCH

Dòng điện sự số trong mạch điện mà cụ thể là dòng điện ngắn mạch có những tác hại to lớn đến các quá trình nhiệt, điện, cơ trong mạch điện Ta sẽ xem xét các ảnh hưởng cụ thể này để nhận thấy việc giảm dòng ngắn mạch khi xảy ra

sự cố trong mạch điện có ý nghĩa cấp bách ra sao

1.2.1 QUá TRìNH PHáT NóNG KHI NGắN MạCH

Khi bị ngắn mạch dòng điện trong dây dẫn có trị số rất lớn, gấp vài chục lần dòng điện ở chế độ định mức Thời gian xảy ra ngắn mạch là bé nên ta có thể coi quá trình này là đoạn nhiệt, nghĩa là toàn bộ nhiệt trong quá trình này sẽ được hấp thụ bởi thiết bị chứ không tỏa ra môi trường xung quanh [2]

Phương trình nhiệt có thể được viết như sau:

i2Rdt = CTd (1.1) Trong đó R là điện trở dây dẫn được tính theo công thức

R = Kph0 (l/q) (1 + αT)

- Kph: hệ số tổn hao phụ tính đến hiệu ứng mặt ngoài và hiệu ứng gần

- 0: điện trở suất của vật liệu ở 00C

- αT: hệ số nhiệt điện trở của vật liệu dây dẫn

- l, q: chiều dài và tiết diện dây dẫn

- CT: nhiệt dung của thiết bị

CT = co(1 + )G

- C0: nhiệt dung riêng của vật liệu ở 00C

- : hệ số nhiệt dung riêng của vật

- G: khối lượng của vật dẫn

G = lq = V Thay các đại lượng trên vào ta có

(I2/q2)dt = C0(1 + ) d (1.2)

Kph0(1 + αT) Tích phân hai vế của biểu thức trên với cận vế trái từ 0 đến tnm và vế phải từ

0 đến nm và coi trị hiệu dụng của dòng điện trong suốt thời gian ngắn mạch là không đổi ta có

(I2nm/q2)tnm = j2nmtnm = Anm - A (1.3) Trong đó jnm là mật độ dòng điện ngắn mạch

Anm - A0: trị số vế phải của tích phân

Thường quan hệ giữa  = f( A) được cho trên đồ thị

Nếu biết nhiệt độ ngắn mạch cho phép và nhiệt độ ban đầu của thiết bị, và

từ đó ta có thể tính được dòng điện ngắn mạch cho phép ứng với thời gian ngắn mạch tnm Thông thường thời gian ngắn mạch tiêu chuẩn là 1, 3, 5, 10s Nếu biết

Inml và tnml ta có thể tìm được Inm2 với thời gian tnm2theo quan hệ

Inml2 tnml = Inm22 tnm2 (1.4)

Ví dụ đối với một thanh dẫn bằng đồng, đường kính 35mm, cấp cách điện

A tương ứng với nhiệt độ cho phép là 1050C khi xảy ra ngắn mạch với tnm = 5s thì dòng điện khi làm việc ở chế độ dài hạn là 1690A tuy nhiên khi xảy ra ngắn mạch thì dòng có thể lên đến 51500A rất lớn Từ đó lượng nhiệt tỏa ra sẽ là I2t rất lớn Nếu giảm được tnm thì sẽ tăng được dòng ngắn mạch dẫn đến tăng khả năng cắt của thiết bị

- Tổn hao điện năng khi ngắn mạch: Tổn hao điện năng khi ngắn mạch là

năng lượng tiêu hao trên thiết bị khi xảy ra ngắn mạch Tuy thời gian ngắn mạch thường nhỏ, tuy nhiên vì dòng ngắn mạch lớn nên tổn hao này là đáng kể Ta có:

Wnm = I2

nmRtnm

Từ công thức trên ta thấy tổn hao điện năng ngắn mạch phụ thuộc vào thời

gian ngắn mạch và bình phương của dòng điện ngắn mạch

1.2.2 QUá TRìNH HAO MòN TIếP ĐIểM KHI NGắN MạCH

Khi xảy ra ngắn mạch, thiết bị đóng cắt sẽ tác động để ngắt mach Bắt đầu qua trình ngắt mạch, tiếp điểm động sẽ chuyển động để tách ra khỏi tiếp điểm

tĩnh, do đó điện trở tiếp xúc sẽ tăng dần lên vì lực ép tiếp điểm giảm Khi giữa hai tiếp điểm có khe hở thì sẽ phát sinh hồ quang và sau một thời gian hồ quang sẽ bị dập tắt Do tác động của hồ quang mà kim loại tiếp điểm sẽ bị nóng chay, bay hơi nên tiếp điểm sẽ mòn nhiều chỗ và bề mặt tiếp điểm bị rỗ

Độ mòn của tiếp điểm phụ thuộc vào nhiều vào trị số dòng điện cắt, thời gian cháy của hồ quang

Đối với dòng cắt lớn hơn 5A thường gặp trong các khí cụ đóng cắt thì khối lượng kim loại của tiếp điểm bị hao mòn có thể tính theo công thức sau [3]:

Q = 10-9KcNI2 (1.5)Trong đó

- Q: khối lượng vật liệu tiếp điểm bị hao mòn (g)

- N: số lần cắt

- Kc: hệ số kinh nghiệm về mòn theo cắt (g/A2)

- I: dòng điện cắt của tiếp điểm (A)

Như vậy ta thấy rằng khối lượng tiếp điểm bị hao mòn tỷ lệ với I2, do đó nếu ta hạn chế được dòng cắt ngắn mạch thì sẽ làm giảm rất nhiều khối lượng của vật liệu tiếp điểm bị hao mòn Quan hệ của số lần cắt và giá trị của dòng điện được thể hiện theo đồ thị sau: N= f(Inm)

Ta nhận thấy khi cắt dòng điện ngắn mạch thì số lần cắt của máy cắt giảm rất nhanh

1.2.3 QUAN Hệ GIữA DòNG NGắN MạCH Và

LựC ĐIệN ĐộNG

Như ta biết, mạch vòng dẫn điện của các thiết bị điện được liên kết bởi các chi tiết dẫn điện có kích thước, hình dáng khác nhau với các vị trí tương hỗ khác nhau Do đó khi có dòng điện chạy qua sẽ phát sinh ra lực cơ khí giữa các chi tiết của mạch vòng và giữa các mạch vòng gần nhau gọi là lực điện động ở chế độ làm việc xác lập, vì dòng điện định mức có trị số không lớn nên lực điện động được sinh ra không đáng kể Nhưng ở chế độ ngắn mạch, dòng điện đạt trị số rất lớn, có thể làm hòng thiết bị điện Lực điện động đạt giá trị lớn nhất khi trị số tức thời của dòng điện đạt lớn nhất gọi là dòng xung kích [3]

Dòng xung kích được tính theo công thức sau:

Ixk = 2 KxkInm (1.6) Trong đó

- Kxk: hệ số xung kích của dòng điện, thường lấy bằng 1.8

- Inm: trị hiệu dụng của dòng điện ngắn mạch xác lập

Ta có thể tính được lực điện động đối với một số trường hợp phổ biến của các thanh dẫn điện như sau

- Các thanh dẫn song song

- a: chiều dài thanh dẫn ngang

- l: chiều dài thanh dẫn đứng

- Lực điện động giữa hai vòng dây với bán kính R và khoảng cách h

Fh = 0i1i2(R/h) (1.9)

- i1, i2: dòng điện trong hai vòng dây

- R: bán kính trung bình của vòng dây

- h: chiều cao bối dây

- Lực điện động ở chỗ tiết diện thay đổi

Fh = 10-7i2ln(q1/q2) (1.10)

- q1, q2: tiết diện của hai phần thanh dẫn

Ta nhận thấy lực điện động do dòng ngắn mạch sinh ra rất lớn, có thể gây hỏng hóc các thiết bị điện Khả năng chịu lực điện động lớn nhất của thiết bị chính là độ bên điện động của thiết bị điện

Ftbđ >= Flực điện động max

- Ftbđ: khả năng chịu lực của thiết bị điện

sinh ra khi đi qua thiết bị điện

Như vậy độ bền điện động của thiết bị điện được cho dưới dạng dòng ngắn mạch xung kích

Nhận xét: Sau khi xem xét, nghiên cứu các tác hại của dòng điện ngắn

mạch, ta có thể rút ra một sốnhận xét sau đây:

- Khi giảm được dòng điện ngắn mạch sẽ làm giảm tổn hao năng lượng

- Đồng thời độ bền, tuổi thọ của tiếp điểm của máy cắt cũng tăng lên

- Giảm dòng điện ngắn mạch sẽ làm giảm xung lực cơ khí do lực điện động gây r, tăng khả năng cắt của các thiết bị đóng cắt

KếT LUậN: Sau khi khảo sát nguyên lý làm việc của các thiết bị đóng cắt

thông dụng, ta có thể rút ra những nhận xét sau:

1 Tổn hao điện năng khi ngắn mạch phụ thuộc vào dòng điện ngắn mạch

và thòi gian ngắn mạch

2 Tuổi thọ của thiết bị đóng cắt phụ thuộc vào dòng cắt và thời gian cắt, nó

tỷ lệ với bình phương của dòng điện cắt

3 Lực điện động do dòng ngắn mạch gây lên sẽ giảm nhiều khi giảm dòng ngắn mạch Lực này giảm sẽ làm tăng độ bền cơ và dẫn đến tăng tuổi thọ của thiết bị

4 Việc hạn chế Inm và tnm có một ý nghĩa sống còn đối với các thiết bị điện, làm tăng khả năng cắt của các thiết bị điện

CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Việc nghiên cứu, giải quyết vấn đề tăng khả năng cắt của các thiết bị đóng cắt có ý nghĩa cả về lý thuyết và thực tiễn to lớn Với hai hướng nghiên cứu của vấn đề là giảm thời gian hồ quang điện và giảm thời gian tác động của máy cắt, ta đều có những khó khăn nhất định

Vấn đề hồ quang điện là một vấn đề khá phức tạp vì nó lien quan đến một bài toán quá độ tổng hợp về điện, nhiệt, động học Hơn thế nữa thời gioan quá độ của quá trình lại tương đối ngắn

Vấn đề giảm thời gian tác động của máy cắt lại liên quan đến một bài toán quá độ về điện của các cảm biến tín hiệu dòng, bài toán động học của cơ của các

cơ cấu truyền động của máy cắt Vì vậy trong khuôn khổ của luận án này, tác giả muốn đề cập đến nội dung của các phương pháp này một cách khái quát nhất

Khi nghiên cứu ta giả thiết rằng với tần số công nghiệp f = 50Hz, bước sóng điện từ = 6000km và môi trường xung quanh thiết bị điện có điện dẫn nhỏ hơn rất nhiều so với điện dẫn của vật dẫn, vì thế ta có thể coi quá trình điện từ chỉ diễn biến theo thời gian mà không phụ thuộc vào không gian

2.2 CÁC LÝ LUẬN CHUNG VỀ CÁC HIỆN TƯỢNG VÀ QUAN HỆ ĐIỆN TỪ

2.1.1 LÝ LUẬN CHUNG

Như ta đã biết, tất cả các hiện tượng điện từ xảy ra trong các thiết bị điện đều được nghiên cứu và giải thích nhờ vào hệ phương trình Maxwell Hệ phương trình gồm các phương trình miêu tả mối quan hệ của các thông số đặc trưng về điện và từ

Thông thường người ta thể hiện hệ phương trình Maxwell dưới dạng vi phân, tích phân và số phức

Để thuận tiện trong nghiên cứu, ta ký hiệu chung như sau

- ε: hằng số điện môi của môi trường (F/m)

- à: hằng số từ thẩm của môi trường (H/m)

2.2.2 QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG MẠCH

div B div J j

t D rot H J

t divD

Để giải được bài toán phương trình Maxwell, ta phải dựa vào các điều kiện biên giới và điều kiện bờ để đưa ra lời giải duy nhất

2.3 CÁC ĐIỀU KIỆN CẦN BIẾT ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN ĐIỆN TỪ

2.3.1 ĐIỀU KIỆN BIÊN

Là quan hệ giữa các thành phần tiếp tyến và pháp tuyến của trường trong hai miền tại biên giới

Với hai miền tiếp giáp nhau có các thong số: à1, γ1, ε1 và 2, γ2, ε2 với mật độ điện tích và mật độ dòng j tại biên giới [8]

(H H )

n: véc tơ pháp tuyến tại biên giới

Các điều kiện biên cần phải thỏa mãn:

Hai môi trường bất kỳ

a) Điều kiện bờ Dirichlet: biết giá trị hàm, A, B, E tại biên giới ở xa vô

cực các đại lượng này bằng không

φ = 0, A = 0, B = 0, E = 0

Hình 2-1: Điều kiện Đirichlê

b) Điều kiện bờ Neuman: biết giá trị đạo hàm của các đại lượng trên biên





2.3.3 ĐIỀU KIỆN CHƯA XÁC ĐỊNH

Ta biết các giá trị hằng số trên biên song lại chưa biết giá trị

A(s) = hằng số

Để giải phương trình Maxwell ta phải chọn và xây dựng mô hình phù hợp với hiện tượng điện từ và công cụ giải Thiết lập mô hình ta phải dựa vào các thông tin:

- Đặc tính không gian và thời gian của nguồn: Nguồn là tập trung hay phân

bố có quy luật trong không gian Nguồn không đổi hay biến thiên theo thời gian theo quy luật

- Đặc tính vật lý và hình học của miền con và toàn miền nghiên cứu Các thông số của môi trường là tuyến tính hay phi tuyến Môi trường là cách điện, dẫn điện, sắt từ hay không khí?

- Các đại lượng vật lý cần chọn ở trong mô hình là gì

- Trong thiết bị tồn tại những trường gì, quy luật phân bố không gian và thời gian của trường

2.4 CÁC MÔ HÌNH ĐIỆN TỪ THỰC TẾ

Trong thực tế thường có các loại mô hình tổng quát sau:

- Mô hình viết cho B hoặc H

- Mô hình viết cho E hoặc J

- Mô hình viết cho A, φ

Khi có xem xét đến sựu biến thiên của từ trường người ta lại phân ra làm

mô hình tĩnh và mô hình động

2.4.1) MÔ HìNH TĩNH

Đ ược sử dụng để nghiên cứu hiện tượng điện từ trong các thiết bị điện khi

mà trường và nguồn không biến thiên theo thời gian

- Mô hình điện trường tĩnh

- Mô hình trường dòng điện không đổi

- Mô hình từ tĩnh

2.4.2) MÔ HìNH ĐộNG

được sử dụng để nghiên cứu các thiết bị có kích từ biến thiên, kích từ không đổi và chuyển động, kích từ biến đổi và chuyển động khi mà trường và nguồn biến thiên theo thời gian):

Các phương trình cho các trường hợp riêng

- Mô hình điện từ tổng quát viết cho H [8]

2 2

2

1

ng J

Phương pháp giải tích được sử dụng ở đây là phương pháp phân ly biến số, tức là nghiệm của phương trình sẽ là tích cảu các hàm mà trong đó mỗi hàm chỉ phụ thuộc vào một biến số [8]

Các hệ tọa độ thường sử dụng trong giải tích toán là:

- Hệ tọa độ XYZ : ( , , )x y z  X Y Z( ) ( )x y ( )z

- Hệ tọa độ trụ:  ( , , )rz R( )r ( ) Z( )z

- Hệ tọa độ cầu:  ( , , )r  R( )r  ( ) ( )

Ta sẽ thay thế các nghiệm này vào các phương trình ứng với từng mô hình

ở trên Các mô hình ở trên gồm có các dạng:

a) Đối với hệ tọa độ XYZ

Ta giải phương trình đối với ẩn là điện thế  Các ẩn khác hoàn toàn có thể thực hiện tương tự

Phương trình Laplace áp dụng cho hệ tọa độ vuông góc áp dụng đối với ẩn

số và tổng của các bình phương hằng số này phải bằng 0

- n: số nguyên

- Jn(kr): hằng số Bessel loại 1 bậc n, đối số kr

- Nn(kr): hằng số Bessel loại 2 bậc n, đối số kr

2.5.2 PHƯƠNG PHáP MạCH Từ KHÔNG GIAN THAY THế

Đối với trường hợp phức tạp, mô hình Maxwell dưới dạng tích phân cho phép ta chia cắt cấu hình phức tạp của toàn miền thành những miền con một cách hợp lý, tạo thành một lưới các phần tử trong không gian được gọi là mạch từ không gian thay thế [8] Thật ra đây là sự chuyển từ mô hình Maxwell sang mô

J Et

Mô hình mạch Kieckhop được đặc trưng bằng những đại lượng mạch gồm

có các phần tử cơ bản sau: điện trở R, điện cảm L, điện dung C, từ trở RM, điện áp

U, dòng điện I, từ thông, sức điện động E, sức từ động F,

Sự quy đổi của các đại lượng như sau:

dS dl dl dl

H : Cường độ từ trường S: tiết diện của điện trở L: chiều dài điện trở D: Khoảng cách hai bản tụ S: Diện tích bản tụ

Q: điện tích Hình 2-2: Quá trình điện từ trong mạch RLC có nguồn xoay chiều

Ta có:

(2.21) Thay thế vào phương trình trên ta sẽ có:

- Idt: điện tích trên bản cực tụ điện

Sự chuyển từ mô hình Maxwell sang mô hình mạch từ; phương pháp mạch

từ không gian thay thế

Nội dung chủ đạo của phương pháp là dựa vào sự phân bố của đường sức của trường và hệ số từ thẩm của các miền, ta chia không gian cấu trúc của thiết bị điện thành các không gian con có cùng hệ số từ thẩm và chứa các đoạn ống đường sức đã chọn Mỗi không gian con là một phần tử trong đó có cùng một từ thông chạy qua và được mô hình bằng một từ trở RM Nguồn của trường được mô hình bằng sức từ động F [8]

Để minh họa ta xét trường hợp một cuộn dây quấn quanh lõi thép có N vòng với dòng điện I chạy qua như hình vẽ dưới Mô hình Maxwell đối với không gian trong lõi thép là:

L

H dlNI

L: đường khép kín móc với N vòng dây

Chia không gian lõi thép thành n ống đường sức Giả sử một ống bất kỳ có tiết diện Si, chiều dài li, từ thông chạy trong ống là i

Do coi tiết diện ống đường sức nhỏ nên từ cảm B trong mỗi ống đường sức đều và bằng nhau

Bi = i /∆Si (2.26) Cường độ từ trường trong ống đường sức là:

i

S NI l

Các PTHH có thể là đoạn thẳng, tam giác, tứ giác thẳng và cong Ta xét ví

dụ đối với phần tử hữu hạn là tam giác Đa thức gần đúng của miền tam giác được

xác định bằng các hằng số a0, a1, a2 Các hệ số này được xác định bằng cực trị của các hàm tại các điểm đặc biệt gọi là nút của phần tử ở đây chính là ba đỉnh của tam giác

Hàm gần đúng A(x, y) là đa thức bậc nhất: A(x,y) = a0 + a1x + a2y

Giá trị của các hàm tại các nút là:

Quá trình này dẫn đến hệ thống NN phương trình đại số NN ẩn là các giá trị của hàm ẩn A1, A2, ANN tại các nút Giải hệ thống phương trình này bằng các phương pháp đại số sẽ cho ta các giá trị của A

2.5.4 PHƯƠNG PHáP DùNG CÔNG Cụ MÔ PHỏNG

Một trong những công cụ mô phỏng quen thuộc được sử dụng để mô tả các hiện tượng điện từ là sử dụng chương trình Matlab Chương trình cho phép khảo sát các hệ thống hay quá trình kỹ thuật và vật lý Điểm mạnh chính của Matlab là: [9]

- Chúng có một thư viện các hàm toán học, các hàm đồ họa, các câu lệnh đa dạng và phong phú Khả năng tận dụng các GUI giao diện cho người sử dụng

- Các công cụ khảo sát, thiết kế với mục đích mô tả các hệ thống tuyến tính, phân tích đặc tính hệ thống, đánh giá độ tin cậy của các phép toán số được sử dụng khi khảo sát hệ thống

- Các thư viện đa dạng vói số lượng lớn các khối chức năng cho các hệ tuyến tính, phi tyến của Simulink với mục đích mô hình hóa, mô phỏng và khảo sát các hệ thống động học Các lệnh của Matlab rất hiệu quả Nó có thể giải các loại bài toán khác nhau và đặc biệt hữu dụng cho các hệ phương trình tuyến tính, các bài toán ma trận

Khi giải quyết một vấn đề bằng Matlab, ta thực hiện theo trình tự [10]:

- Phân tích sơ qua bài toán

- Mô tả các dữ liệu đầu vào, ra

- Đ ưa vào các hàm lệnh để tính toán các giá trị mong muốn

- Thực hiện việc kiểm tra, so sánh

Chính vì những ưu điểm kể trên nên trong chương IV của đồ án này, ta sẽ

sử dụng Matlab để mô phỏng quá trình cháy và tắt của hồ quang của thiết bị đóng cắt với môi trường dập hồ quang là trong không khí Ta có thể sử dụng thư viện các hàm toán học có sẵn của Matlab để tính toán các thông số cơ bản của hồ quang, sau đó ta có thể sử dụng thư viện các hàm đồ họa của Matlab để thể hiện các giá trị đã tính toán được và sự thay đổi của các giá trị này theo thời gian trên hình vẽ

Kết luận

- Trong chương hai này ta đã tìm hiểu về trường điện từ và các lý thuyết toán để giải các bài toán kỹ thuật điện

- Tìm hiểu về phương pháp phần tử hữu hạn, là phương pháp thường được

sử dụng dể giải quyết các bài toán tối ưu

- Khảo sát các đặc điểm, quy trình khi giải quyết bài toán mô phỏng

- Ta có thể vận dụng các lý thuyết và các phương pháp này để giải quyết các bài toán điện từ trong các trường hợp khác nhau như tĩnh, động, bài toán tối

ưu

CHƯƠNG III

CƠ SỞ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP HẠN CHẾ DÒNG NGẮN MẠCH TRONG KHÍ CỤ ĐÓNG CẮT

3.1 ĐẠI CƯƠNG

Như ta đã biết khi có một sự cố ngắn mạch xảy ra, các thiết bị đóng cắt sẽ tác động Nhằm bảo vệ một cách tốt nhất cho các thiết bị điện phía sau nó thì các thiết bị đóng cắt này phải đảm bảo việc cắt một cách nhanh chóng, chính xác nhằm hạn chế dòng điện ngắn mạch chạy trong thiết bị điện nhằm tránh những hư hỏng có thể xảy ra đối với thiết bị

Thời gian tổng đối với một tác động của khí cụ đóng cắt kể từ khi xảy ra sự

cố ngắn mạch đến khi sự cố được loại bỏ hoàn toàn có thể được chia ra làm các giai đoạn thời gian nhỏ hơn như sau

dòng điện tăng lên cao cho đến khi có lệnh ngắt tức là cơ cấu cơ khí bắt đầu tác động

cho đến khi các tiếp điểm của thiết bị đóng cắt được ngắt ra khỏi nhau hoặc dây chảy của cầu chì bị đứt đối với việc bảo vệ bằng cầu chì

điểm của thiết bị đóng cắt tách nhau hoàn toàn và sự cố được loại trừ hoàn toàn bởi lẽ sau khi tiếp điểm tách khỏi nhau thì vẫn tiếp tục có hồ quang cháy ở khoảng giữa hai tiếp điểm nên ta phải dập tắt hoàn toàn hồ quang

Vậy để nâng cao khả năng cắt của thiết bị đóng cắt ta phải có những biện pháp nhằm giảm các khoảng thời gian này lại

Như ta đã phân tích từ chương 1, ta thấy rằng các phương pháp để hạn chế dòng điện ngắn mạch trong khí cụ điện được tập trung nghiên cứu theo các hướng chủ yếu sau;

- Về hồ quang điện: Cải tiến phương pháp dập hồ quang

- Giảm thời gian khởi động

- Về phần động lực: giảm thời gian tác động của cơ cấu cơ khí trong thiết bị đóng cắt

3.1.1 GIảM THờI GIAN CHáY CủA Hồ QUANG

Để xem xét, nghiên cứu về hồ quang ta có thể dựa trên mô hình mô tả như trên hình sau:

Sơ đồ gồm có

- Hai điện cực kim loại trong ống kín

-Biến trở R -Nguồn áp U

-A đo dòng -V đo điện áp giữa hai cực

Hình 3-1: Mạch tạo hồ quang xoay chiều

Hồ quang điện xoay chiều có thể được mô tả theo hình vẽ sau [25]:

Hình 3-2: Quá trình phát sinh và tắt của hồ quang điện xoay chiều

giai đoạn chuyển đổi trạng thái

Tại thời điểm cắt MPK, bắt đầu xuất hiện một điện áp hồ quang Uhq Tương ứng với nó có một điện áp thể hiện độ bền điện Ubđ Điện áp hồ quang lệch pha so với điện áp lưới một góc là t1, t2, hay t3 tùy thuộc vào từng thời điểm Dòng điện

hồ quang tương ứng là Ioct Ta nhận thấy điều kiện khi hồ quang được dập tắt trên hình vẽ là điện áp phục hồi độ bền điện Ubđ lớn hơn điện áp hồ quang Khi hồ quang được dập tắt thì điện áp hồ quang sẽ trở về giá trị điện áp lưới, dòng điện

hồ quang sẽ bằng không

Bên cạnh đó ta cũng có thể thấy được quá trình diễn ra trong hồ quang điện một chiều như hình vẽ sau [25] Ta nhận thấy thời gian cắt càng nhanh thì quá điện áp khi cắt càng lớn

I 0 : dòng tải quá điện áp khi cắt

U 1 , U 2 : quá điện áp khi cắt

I 1 , I 2 : dòng cắt ứng với các khoảng thời gian cắt khác nhau của hồ quang

U c : điện áp lưới

Hình 3-3: Quá trình phát sinh và tắt của hồ quang điện m ột chiều

b) Tính chất của hồ quang điện

Ta nhận thấy quá trình phóng điện có thể chia ra làm sáu giai đoạn [3]

- Giai đoạn 1: phóng điện tối, nó có đặc điểm là dòng điện nhỏ và không có sự phát sáng trong quá trình phóng điện

Hình 3-4: Các giai đoạn khác nhau trong quá trình cháy của hồ quang điện

- Giai đoạn 2: đây là giai đoạn quá độ từ phóng điện tối cho đến phóng điện vầng quang Trong giai đoạn này ta có thể nhận thấy dòng điện tăng, điện áp giảm và phát sinh ánh sáng trong quá trình phóng điện

- Giai đoạn 3: phóng điện vầng quang bình thường Dòng điện vẫn tiếp tục tăng lên tuy nhiên điện áp không đổi giữa hai cực

- Giai đoạn 4: phóng điện vầng quang không bình thường Đặc điểm của giai đoạn này là dòng điện tiếp tục tăng còn điện áp thì tăng lên rất nhanh

- Giai đoạn 5: đây cùng là một giai đoạn chuyển tiếp từ phòng điện vầng quang sang phóng điện hồ quang Trong giai đoạn này dòng điện tăng mạnh

- Giai đoạn 6: vùng phóng điện hồ quang, đặc trung của hồ quang là điện áp giảm mạnh và dòng điện tăng lên cao Nhiệt độ của hồ quang rất lớn và hiệu ứng ánh sáng mạnh

Mật độ dòng điện hồ quang rất lớn vào khoảng 102 đến 103 A/mm2 Nhiệt

độ hồ quang cũng rất lớn từ 6000 180000K kèm theo hiệu ứng ánh sáng Như vậy

ta có thể nhận thấy trong quá trình hồ quang thì quá trình điện và nhiệt liên quan chặt chẽ lẫn nhau Trong quá trình phát sinh hồ quang, điện áp trên thân hồ quang được phân làm 3 vùng khác nhau [3]

- Vùng catốt với khoảng cách ngắn (khoảng 10-3mm) với Uc= 10-20V Cường

độ điện trường vùng này khá lớn, cỡ 20.103 V/mm Trị số này phụ thuộc vào vật liệu làm điện cực và đặc tính của chất khí

- Vùng anốt: điện áp khoảng 5 đến 20 V và chiều dài cỡ 10-2mm Do vậy cường độ điện trường thấp hơn so với vùng catốt

- Vùng thân hồ quang: cường độ điện trường Ehq gần như không đổi, cỡ 1 đén

20 V/mm

Uhq=Ehq.lhq (3.1)

c) Quá trình phát sinh và dập tắt hồ quang điện

Quá trình phát sinh hồ quang: khi bình thường thì môi trường khí bao gồm các phần tử trung hòa về điện Các phần tử này khi bị phân tích thành các ion dương và âm, nó sẽ trở nên dẫn điện Có các dạng ion hóa như sau [3]:

- Tự phát xạ điện tử

- Phát xạ nhiệt điện tử

- Ion hóa do va chạm

- Ion hóa do nhiệt độ cao

c1) Tự phát xạ điện tử: khi có một điện trường đủ mạnh đặt lên điện cực thì

các điện tử tự do sẽ được cấp năng lượng và bứt ra khỏi điện cực Số lượng các hạt bứt ra khỏi điện cực phụ thuộc vào cường độ điện trường theo công thức sau:

J = 120 E2e-b/E (3.2) Trong đó

- J: mật độ dòng điện tự do phát xạ điện tử sinh ra

- E: cường độ điện trường ở catốt

- b: thông số phụ thuộc vào vật liệu làm catốt

C2) Phát xạ nhiệt điện tử: là hiện tượng mà khi catốt có nhiệt độ cao thì các

điện tử tự do nằm sâu trong điện cực sẽ có động năng lớn, có thể thoát ra khỏi bề mặt kim loại, tạo nên dòng điện trong chất khí Mật độ dòng quan hệ với nhiệt độ

và vật liệu làm điện cực như sau:

J = 120 T2e-b/T (3.3)

- J: mật độ dòng điện tự do phát xạ nhiệt điện tử sinh ra

- T: nhiệt độ ở catốt

- b: thông số phụ thuộc vào vật liệu làm catốt

C3) Ion hóa do va chạm: dưới tác dụng của điện trường có cường độ cao

(khoảng 103V/mm) thì các điện tử tự do sẽ chuyển động với vận tốc lớn, bắn phá

các phân tử trung hòa tạo ra ion dương và âm mới Quá trình này phụ thuộc vào cường độ điện trường, mật độ phân tử, lực liên kết, khối lượng phân tử

C4) Ion hóa do nhiệt độ cao: khi nhiệt độ chất khí cao, chuyển động nhiệt

của nó lớn, chúng dễ dàng va chạm và tách thành các ion Quá trình này phụ

thuộc vào nhiệt độ vùng hồ quang, mật độ các phần tử khí và đặc tính của chất khí

d)Quá trình phản ion

Quá trình phản ion ngược với quá trình ion, tức là quá trình suy giảm số lượng ion trong vùng hồ quang Nguyên nhân của quá trình này là tái hợp và khuếch tán [3]

D1) Quá trình tái hợp: đây là quá trình mà các hạt mang điện trái dấu sẽ va

chạm với nhau để tạo thành các phân tử trung hòa về điện Quá trình này phụ thuộc vào mật độ các phân tử trong vùng hồ quang, nhiệt độ của hồ quang Mức

độ tái hợp tỷ lệ với số hạt như sau:

dn/dtr = n2 (3.4) Trong đó

- dn/dtr: tốc độ suy giảm các hạt ion do tái hợp

- : hệ số tái hợp

- n: số lượng các ion cùng dấu trong vùng thân hồ quang

D2) Quá trình khuếch tán: là hiện tượng di chuyển các ion ở vùng có mật

độ cao tới vùng có mật độ thấp hơn, nên số lượng ion trong vùng hồ quang giảm

đi Mức độ tái hợp tỷ lệ với số hạt như sau:

dn/dtd = 2Dn/r2 (3.5) D=(1/3).v

- n: số lượng các ion cùng dấu trong vùng thân hồ quang

Ta thấy rằng mức độ khuếch tán của hồ quang tăng khi bán kính r của thân

hồ quang giảm

Qua phân tích các quá trình trên ta thấy rằng trong hồ quang điện tồn tại song song hai quá trình ion hóa và phản ion hóa Nếu quá trình ion hóa lớn hơn quá trình phản ion hóa thì hồ quang sẽ phát sinh và phát triển mạnh, dòng điện hồ quang tăng Nếu hai quá trình trên ngang nhau, hồ quang sẽ cháy ổn định Nếu quá trình phản ion hóa lớn hơn quá trình ion hóa thì hồ quang sẽ bị dòng điện hồ quang sẽ suy giảm và hồ quang sẽ bị tắt

Hồ quang điện xoay chiều: ở hồ quang điện xoay chiều dòng điện và điện

áp nguồn biến thiên tuần hoàn theo tần số của lưới điện Dòng điện và điện áp hồ quang trùng pha nhau do hồ quang có thể xem như một điện trở phi tuyến ở chu

kỳ dầu điện áp hồ quang tăng nhanh đến trị số cháy Khi hồ quang cháy, điện áp

hồ quang giảm dần Dòng điện tăng từ 0 đến điểm cháy, và đạt cực đại khi t /4, điện áp hồ quang gần như không đổi ở chu kỳ sau, dòng giảm dần, đến thời điểm tắt, điện áp hồ quang tăng, sau đó suy giảm về 0 và dòng điện cũng trở về 0 [2] Nếu hồ quang ổn định thì quá trình này sẽ được lặp lại ở chu kỳ sau

Tại thời điểm dòng điện đi qua 0, hồ quang không được cấp năng lượng nên quá trình phản ion xảy ra ở vùng điện cực rất mạnh và nếu điện áp đặt lên hai điện cực nhỏ hơn điện áp cháy thì hồ quang sẽ tắt hẳn Khi dòng điện gần giá trị 0 nó không còn tuân theo quy luật hình sin liên tục nữa vì lúc này quá trình phản ion mạnh nên điện trở hồ quang rất lớn, có thể coi dòng điện bằng 0 Khoảng thời

gian này cỡ às phụ thuộc vào tải, dòng điện hồ quang và gọi là thời gian không

dòng điện của hồ quang

e) Quá trình phục hồi độ bền điện và phục hồi điện áp

Khi ngắt mạch thì hai tiếp điểm bắt đầu tách ra và xuất hiện hồ quang Khi dòng điện đi qua 0, ở khu vực hồ quang xảy ra hai quá trình: phục hồi độ bền điện

và phục hồi điện áp