Cơ sở lý thuyết của khí cụ điện

PhÇn I c¬ së lý thuyÕt cña khÝ cô ®iÖn ch­¬ng i c¸c kh¸i niÖm c¬ b¶n § 1 1 ®Þnh nghÜa – ph©n lo¹i 1 §Þnh nghÜa KhÝ cô ®iÖn lµ nh÷ng thiÕt bÞ ®iÖn dïng ®Ó khçng chÕ , b¶o vÖ m¹ch ®iÖn , ®iÒu khiÓn vµ k[.]

Phần I : cơ sở lý thuyết của khí cụ điện

chơng i :các khái niệm cơ bản

Đ 1.1 : định nghĩa – phân loại

1 Định nghĩa:

Khí cụ điện là những thiết bị điện dùng để khỗng chế , bảo vệ mạch điện , điều khiển và kiểm tra sự hoạt

động của hệ thống điện, điều chỉnh và kiểm tra sự hoạt

động của các hệ thống không điện khác (t0 , độ ẩm , ánh sáng )

2 Phân loại:

Theo chức năng:

động , đảo chiều động cơ)

điện áp , thay đổi tần số )

thống không điện khác

KCĐ tự động điều khiển từ xa

b Theo tính chất của nguồn điện:

c Theo nguyên lý làm việc :

KCĐ từ điện

số )

d Theo cấp điện áp:

e Theo điều kiện làm việc:

Đ 1.2 : Sự phát nóng của khí cụ điện

* Đặt vấn đề:

1 Độ trênh nhiệt:

tb-t0 mtxq

Khi có dòng điện chạy qua KCĐ sẽ đốt nóng KCĐ , nếu nhiệt độ vợt quá mức cho phép thì sẽ làm già hoá VL cách điện , giảm tuổi thọ

của KCĐ vì vậy việc tìm hiểu nguyên nhân phát nóng , quá trình phát nóng , cũng nh các biện pháp hạn chế sự phát nóng là 1 vấn đề hết sức quan trọng đối với KCĐ

2 Chế độ làm việc dài hạn:

Giả sử có dòng điện I chạy vào KCĐ trong thời gian t nó sẽ gây ra tổn hao công suấtPt dới dạng nhiệt

Trong thời gian dt nhiệt năng do dòng I tạo ra sẽ là: Pt.dt

Nhiệt năng này chia làm 2 phần: + Đốt nóng bản thân KCĐ : G.C.d

3 Phơng trình cân bằng nhiệt:

P t dt = GCd + SKtdt

Điều kiện đầu: t=0 ->  = 0

Giải ra ta đợc:  = ôđ(1-e-t /T) - 0e-t /T

: Độ trênh nhiệt ổn định

Nhận xét:

Đờng cong phát nóng tuân theo quy luật hàm mũ

ôđ  0 ; khi t      ôđ

Trong thực tế : sau tlv = (35)T thì :  =0,98.ôđ

tính trung bình: tlv = 4T thì  =ôđ

* Quá trình nguội lạnh :

khi tlv  4T (  ôđ) ta có chế độ làm việc dài hạn.Sau khoảng thời gian này nế ta ngừng cung cấp điện cho KCĐ thì quá trình nguội lạnh bắt đầu với phơng trình cân bằng nhiệt nh sau:

Giải ra ta đợc :  = ôđe-t /T

2.Chế độ làm việc ngắn hạn :

Định nghĩa : Là chế độ mà khi tlv <4T thì ngừng cung cấp điện cho KCĐ Khi đó độ trênh nhiệt của KCĐ :  = 1< ôđ Với CS của KCĐ là Pđm)

Đ 1.3 : Tiếp xúc và tiếp điểm của khí cụ điện

1 Tiếp xúc và tiếp điểm của khí cụ điện:

a) Định nghĩa

Tiếp xúc điện là phần tiếp xúc giữa 2 vật dẫn để dòng điện có thể chảy từ vật dẫn này sang vật dẫn kia Bề mặt ở chỗ tiếp xúc giữa 2 vật dẫn đợc gọi là bề mặt tiếp xúc

Tiếp xúc điện là 1 phần quan trọng của khí cụ điện vì tại nơi tiếp xúc có thể bị phát nóng mài mòn do va đập , rung động trong quá trình làm việc và đặc biệt là do bị phá huỷ bởi HQ

b) yêu cầu đối với tiếp xúc điện:

+ Đảm bảo làm việc chắc chắn , có độ bền cơ cao

+ Không bị phát nóng quá nhiệt độ cho phép ở dòng định mức + Có khả năng ổn định động và ổn định nhiệt

+ Phải ổn định với các tác động của môi trờng xung quanh , không

bị ỗi hoá ở nhiệt độ cao , đảm bảo điện trở tiếp xúc Rtx = hs

c) Phân loại:

t-ơng đối với nhau đợc và thờng đợc thực hiện bằng pht-ơng pháp hàn ,

đinh tán , bulông

- TX trợt : 2 VD trợt trên nhau (chổi than-vành góp)

d) Bề mặt tiếp xúc:

Khi 2 VD tx với nhau mặc dù bề mặt đã đợc mài nhẵn nhng do đặc

điểm kết cấu của KL trên bề mặt vẫn tồn tại những chỗ lồi lõm nhỏ ,ở

đó có chứa hơi nớc và các chất có hoạt tính hóa học cao ảnh hởng

đến điện trở tiếp xúc gữa 2 VD và nh vậy thực chất tx giữa 2

VD chủ yếu đợc thực hiện thông qua 1 số điểm và diện tích tiếp xúc thực tế Stt << Sbềmặttx

e) Điện trở tiếp xúc:

* Các yếu tố ảnh hởng đến điện trở tiếp xúc:

-Vật liệu làm tiếp xúc : Nếu VL có  nhỏ thì Rtx nhỏ

-Lực nén tiếp xúc F: F lớn thì Rtx nhỏ

-Diện tích bề mặt tiếp xúc:

-Nhiệt độ tại nơi tiếp xúc

-Mật độ dòng điện tại nơi tiếp xúc

-Dạng tiếp điểm và số lợng điểm tiếp xúc

2 Sự phá huỷ tiếp điểm:

Tiếp điểm của khí cụ điện lâu ngày sẽ bị phá huỷ do các nguyên nhân sau:

+ Mài mòn cơ học:Tiếp điểm bị mài mon do rung động,va đập trong quá trình làm việcgây nên

+ Do sự ăn mòn về mặt hoá học: Do trên bề mặt tiếp xúc có những chỗ lồi lõm nhỏ, ở đó có chứa không khí và các chất có hoạt tính hoá

học cao,chúng sẽ phản ứng hoá học tạo thành các lớp màng mỏng ,ròn

và dễ vỡ

+ Do sự mài mòn điện: Chủ yếu là do sự phá huỷ của HQ điện

* Khắc phục:

Dùng VL làm tiếp điểm loại tốt

Dùng kết cấu tiếp điểm hợp lý(tốc độ đóng cắt tiếp điểm lớn,lực ép lớn )

Chọn kết cấu buồng dập HQ hợp lý

*************************

Đ 1.4 :Hồ quang và các phơng pháp dập tắt hồ quang

1 Đại c ơng về hồ quang điện:

a) Hiện tợng:

Khi đóng cắt mạch điện vào dòng điện hay điện áp bất kì thì bao giờ cũng phát sinh tia lửa điện ở chỗ tiếp điểm.Tia lửa điện này ion hoá khối không khí giữa các tiếp điểm và tạo nên HQ điện

* Định nghĩa

HQ điện là hiện tợng phóng điện trong khí hoặc hơi với mật độ dòng điện lớn (104-105A/cm2) và nhiệt độ cao(50000-60000)kémf theo phát quang Vì vậy nếu để HQ cháy lâu trên tiếp điểm thì sẽ làm hỏng tiếp điểm và bản thân khí cụ điện , do đó yêu cầu phải dập tắt HQ càng nhanh càng tốt

b) Bản chất của HQ điện:

HQ điện là 1 quá trình phức tạp bao gồm 2 quá trình trái ngợc nhau nhng diễn ra đồng thời:Quá trình ion hoá và quá trình phản ion hoá + Quá trình ion hoá tạo ra các điện tử tự do nhờ sự va chạm dới tác

động của điện trờng và nhiệt độ,hoặc do thoát khỏi bề mặt Katốt dới tác dụng của điện trờng và nhiệt độ

+ Quá trình phản ion hoá gồm: - Kết hợp các phần tử mang điện trái dấu để tạo thành các nguyên tử trung hoà -Quá trình khuếch tán của các hạt mang điên jtừ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp,từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp

2 Hồ quang điện một chiều:

Có đặc tính V-A: Ih tăng thì Uh cũng tăng

Dập tắt HQ 1 chiều bằng cách: tăng qua trình phản ion hoá Uh

VD:Làm lạnh t0 HQ

-Tăng khoảng cách

Ih

tạo ra lực từ bên ngoài V

đẩy HQ văng ra khỏi

+

3 Hồ quang xoay chiều:

Đặc tính V-A:

Ut: điện áp tắt.tại đó HQ bị dập tắt

Uch:điện áp cháy tại đó xuất hiện HQ

dập tắt HQ xoay chiều bằng cách:

Do đặc điểm HQ xoay chiều là sau ẵ chu kì thì dòng trở về 0 ,tại

đó quá trình phản ion hoá xảy ra mãnh liệt nhất đồng thời quá trình hồi phục điện áp cũng xảy ra.Do đó ta cần lợi dụng thời điểm này đẻ dập tắt HQ vì khi đó là thuận lợi nhất

Tacũng có thể sử dụng các biện pháp khác nh làm lạnh HQ , Sử dụng ngoại lực từ bên ngoài tăng quá trình khuếch tán của HQ, hay sử dụng

áp lực từ bên ngoài để hạn chế quá trình ion hoá để dập tắt HQ

4 Các ph ơng pháp dập tắt hồ quang:

a) Dập tắt Hồ Quang bằng từ trờng:

ở phơng pháp này ngời ta tạo ra 1 từ trờng ở khu vực có HQ.Từ trờng này sẽ tơng tác với dòng HQ tạo ra lực điện từ đẩy HQ văng ra khỏi tiếp điểm do đó HQ bị dập tắt

Từ trờng có thể là từ trờng của nc vĩnh cửu hoặc nc điện

Nếu là từ trờng của nc điện :

+ Cuộn dây đợc mắc nối tiếp với dòng HQ

Kí hiệu:

Từ trờng H do dòng Ihq sinh ra nên nó tỉ lệ với dòng Ihq

của dòng Ihq tức là nó thích ứng với cả dòng xoay chiều

dòng điện nhỏ (do F nhỏ)

+ Cuộn dây nam châm điện đợc mắc // với lới điện

Do F~ (H.Ihq)~Ihq  nó khắc phục đợc nhợc điểm của phơng pháp trên (có hiệu quả dập tắt HQ cả ở vùng có dòng điện nhỏ)

nhợc điểm : chiếu của F  chiều của Ihq  thờng sử dụng cho dòng

1 chiều

b) Dập tắt HQ bằng áp lực cao:

Vì mức độ ion hoá tỉ lệ nghịch với áp suất lên bề rộng HQ nên ngời ta tạo ra 1 áp lực cao để dập tắt HQ

c) Dập tắt HQ bằng luồng khí mạnh:

Ngời ta thổi vảo thân ngọn lửa HQ 1 luồng khí với vận tốc đủ lớn ,

HQ sẽ bị kéo dài , chia cắt và bị thu nhiệt nhờ các vách ngăn của mạng dập HQ có cờng độ làm lạnh cao

Phơng pháp này đợc sử dụng phổ biến trong các máy cắt không khí

d) Dập Hồ quang bằng dầu:

Ngời ta ngâm các tiếp điểm trong dầu biến áp , khi phát sinh HQ giữa các tiếp điểm HQ sẽ phân huỷ dầu thành hỗn hợp khí gồm

70%H2 ; 30% C2H4 và 20% C2H6 ;trong đó H2 là chất khí có cờng độ làm lạnh rất cao Kết quả là HQ bị thu nhiệt và chịu áp lực cao do áp suất d của hỗn hợp khí nên bị dập tắt nhanh chóng

e) Dập tắt HQ bằng môi trờng chân không

Hút hết không khí

f) Dập tắt HQ bằng mạng

Mạng dậpHQ bao gồm nhiều vách ngăn bằng KL hoặc gốm có cờng độ làm lạnh cao , khi HQ cọ sát vào vách ngăn sẽ bị thu nhiệt và do đó bị dập tắt một cách nhanh chóng

g) Dập tắt Hồ quang bằng kết cấu tiếp điểm có nhiều khoảng

hở song song:

Sử dụng phổ biến ở công tắc tơ

HQ xuất hiện ở các khoảng hở song song sẽ tơng tác với nhau tạo ra lực

điện từ F đẩy HQ văng ra khỏi tiếp điểm do đó HQ bị dập tắt

h) Dập tắt HQ bằng cách kéo dài khoảng cách giữa các tiếp

điểm.

********************

Chơng II : mạch từ của khí cụ điện

Đ 2.1 các khái niệm cơ bản

1. Định nghĩa:

Mạch từ là tập hợp tất cả các phần tử kể cả khe hở không khí  trong

đó có từ thông chính – từ thông làm việc – khép mạch qua

2. Phân loại

khí(nc điện)

khí(MBA)

kể tới  rò

+ Theo sự phân bố của từ thông chính: -Mạch từ phân nhánh(MBA)

điện)

(Phân nhánh là mạch từ mà từ thông chính khép mạch theo 2 hay nhiều mạch vòng //)

(Không phân nhánh là mạch từ mà từ thông chính khép mạch theo 1 mạch vòng duy nhất )

********************

Đ 2.2 : các tham số-đại lợng cơ bản

các định luật cơ bản của mạch từ

1 Các tham số và các đại l ợng cơ bản:

Nhận xét :

Giữa mạch điện và mạch từ có sự tơng ứng 1-1 với nhau về các tham

số , đại lợng cơ bản và các định luật:

2 Sụt điện áp U Sụt từ áp U

3 Dòng điện I Dòng từ thông

6 Điện trở suất  Từ trở suất 

2 Các định luật cơ bản của mạch từ

a) Định luật bảo toàn dòng điện :

Sức từ động dọc theo một vòng kín bất kì = dòng điện toàn phần bao bởi vòng kín đó

F = I.W = H: cờng đọ từ trờng

0 = 4..10-7 H/m :độ từ thẩm tuyệt đối của chân không

Mặt khác:  : từ thông ; S : Tiết diện

nên ta có :

Gọi R = l/0 (từ trở của đoạn mạch từ) ta có :