Bài giảng Khí cụ điện: Chương 7 - Khí cụ điện bảo vệ và phân phối

Bài giảng Khí cụ điện: Chương 7 - Khí cụ điện bảo vệ và phân phối được biên soạn với các nội dung chính sau: Chức năng cơ bản của thiết bị đóng cắt; Các thiết bị bảo vệ điện cơ bản; Nguyên tắc tác động của cầu chì; Cấu trúc của một cơ cấu đóng cắt; Lựa chọn thiết bị bảo vệ điện;... Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng!

Khí cụ điện bảo vệ

và phân phối

Chức năng cơ bản của thiết bị đóng cắt

• Ba chức năng chủ yếu của thiết bị đóng cắt hạ thế:

Bảo vệ điện Cách ly điện Điều khiển

- Dòng quá tải

- Cách ly được thể hiện rõ bằng các chỉ thị cơ có độ tin cậy cao - Đóng cắt làm việc

- Dòng ngắn mạch - Khoảng cách hay vật chắn cách điện

giữa các tiếp điểm, có thể nhìn thấy

Bảo vệ điện

• Nhiệm vụ của nó là tránh hoặc hạn chế hậu quả nguy

hiểm hoặc sự phá hủy của dòng ngắn mạch hoặc quá

tải và hư hỏng cách điện, đồng thời cách ly thiết bị hư hỏng khỏi hệ thống

• Bảo vệ mạch

• Bảo vệ người chống sự cố do hư hỏng cách điện

• Bảo vệ động cơ điện

Modified by Hoang Anh 3

Cách ly

• Mục đích là cách ly một mạch điện hoặc một thiết bị ra khỏi hệ thống điện nhằm đảm bảo cho con người tiến hành sửa chữa trên phần cách ly an toàn tuyệt đối

• Thông thường tất cả các lưới hạ thế đều có thể cách ly được Trên thực tế, nhằm đảm bảo tính tối ưu của cung cấp điện liên tục người ta thường đặt thiết bị cách ly ở đầu mỗi mạch

• Các yêu cầu đối với các thiết bị cách ly:

• Phải cắt tất cả các dây pha bao gồm cả dây trung tính (trừ

trường hợp dây trung tính đồng thời là dây tiếp địa

• Phải được trang bị hệ thống khóa ở vị trí “Mở” để tránh việc đóng điện trở lại ngoài dự kiến

Modified by Hoang Anh 4

Điều khiển thiết bị đóng cắt

• Thuật ngữ điều khiển cho tất cả các chức năng cho

phép con người can thiệp có chủ ý một cách an toàn ở các điểm (mức) khác nhau của lưới điện khi đang mang tải

• Điều khiển khi vận hành

• Điều khiển khi sự cố

• Điều khiển khi cắt cho bảo dưỡng

Modified by Hoang Anh 5

Các thiết bị bảo vệ cơ bản

Cầu chì – Dây chảy

• Buồng dập hồ quang bảo vệ

khi dây chảy đứt

Modified by Hoang Anh 7

Có 2 chỉ thị ở trên đầu và

trên thân cầu chì

Có duy nhất 1 chỉ thị ở trên đầu cầu chì.

Chỉ thị tác động cắt cầu chì HA

Kết cấu của một số cầu chì HA

Kết cấu của một số cầu chì HA

7.3.1 Nguyên tắc tác động của cầu chì

• Cầu chì cắt mạch bởi sợi dây chảy khi dòng điện vượt quá giá trị xác định và tương ứng với một khoảng thời gian Mối quan hệ giữa dòng điện và thời gian tác

động phụ thuộc vào chủng loại cầu chì Theo tiêu

chuẩn IEC thì cầu chì được chia làm hai loại

• Cầu chì sử dụng trong dân dụng

• Cầu chì sử dụng trong công nghiệp

• Sự khác nhau cơ bản của hai loại cầu chì này là dòng

điện đinh mức và cấp dòng điện (điều này kéo theo

kích cỡ) và khả năng cắt dòng sự cố

Modified by Hoang Anh 11

7.3.2 Ký hiệu – ưu điểm

• Ký hiệu của cầu chì: aM, gM, gG

• Ký hiệu thứ nhất biểu thị phạm vi tác động

• « g» bảo vệ toàn khoảng

• « a » bảo vệ từng phạm vi riêng lẻ

• Ký hiệu thứ hai biểu thị chủng loại cầu chì

• G: cho các ứng dụng thông thường

• M: cho bảo vệ động cơ

• Cấu tạo đơn giản, kích thước nhỏ, giá thành hạ

• Khả năng cắt lớn

Modified by Hoang Anh 12

7.3.3 Vùng nóng chảy và các dòng quy ước

Modified by Hoang Anh 13

Vùng nóng chảy - Các dòng qui ước

• Các vùng nóng chảy & không

nóng chảy cho cầu chì gG và

gM

• Vùng nóng chảy tiêu chuẩn của cầu chì loại aM (cho mọi giá trị định mức dòng)

1h

Đường thời gian tối thiểu tiền hồ quang

Đường thời gian đứt chì

Đường thời gian

tối thiểu tiền hồ

quang Đường thời gian đứt chì

nhóm

gG gM

dòng định mức* (A)

400 < ln

dòng không nóng chảy qui ước lnf

1.5 ln 1.5 ln 1.25 ln 1.25 ln 1.25 ln 1.25 ln

dòng nóng chảy qui ước lf

(l2) 2.1 ln 1.9 ln 1.6 ln 1.6 ln 1.6 ln 1.6 ln

thời gian qui ước (giờ)

1 1 1 2 3 4

◼ Vùng nóng chảy và không nóng chảy của các cầu chì hạ áp nhóm

gG và gM (IEC 269-1 and 269-2-1)

• Chữ sau = phân loại ứng dụng, xác định đặc tính dòng/thời gian

Chữ đầu: kiểu cầu chì

aM

gG gM

động cơ

◼

◼

◼

Các yêu cầu chung đối với cầu chì

• Đặc tính ampe-giây thấp hơn đặc tính của thiết bị

Phân loại (2)

• Cầu chì cao áp (Qui ước trên 1kV)

• Thường dùng để bảo vệ máy biến áp

• Thường được chèn đầy cát thạch anh nhằm tăng hiệu quả

dập hồ quang (phân nhỏ, giảm nhiệt độ hồ quang)

• Cần chú ý

• Khi hồ quang tắt → điện áp phục hồi lớn → kích thước phải đủ lớn

để đảm bảo cho quá trình dập hồ quang được diễn ra hiệu quả

Modified by Hoang Anh 20

Các phương pháp lựa chọn cầu chì LV

• Theo điều kiện làm việc dài hạn và theo dòng mở

máy

• Ưu tiên đầu tiên khi lựa chọn

• Theo điều kiện bảo vệ chọn lọc

• Khi cần phối hợp bảo vệ

• Cấp trên

• Cấp dưới

Modified by Hoang Anh 21

Chọn cầu chì LV theo dòng (1)

• Điều kiện làm việc dài hạn và theo dòng mở máy

• Làm việc dài hạn → nhiệt độ phát nóng < cho phép

• Khi mở máy → cầu chì không được cắt mạch

• Icc > Itt

• Icc > 1/C* Ikđ

• Itt – dòng điện tính toán tương ứng với công suất Ptt

• Ikđ – dòng điện khởi động lớn nhất của phụ tải

• C – bội số dòng điện mở máy của tải lớn nhất

• C = 2.5 đối với tải nhẹ, khởi động nhanh

• C = 1.6 ÷ 2.0 đối với tải nặng, khởi động lâu

Modified by Hoang Anh 23

Chọn cầu chì LV theo dòng (2)

• Mở một máy Ikđ = Kmm*Iđm

• Kmm – hệ số mở máy của một tải

• Mở máy lần lượt Ikđ = (ΣIđm-Iđmmax)+ Ikđ max

= ΣIđm + (k-1)Iđmmax

• Ikđ max – dòng định mức của tải lớn nhất

Modified by Hoang Anh 24

Chọn cầu chì HV theo dòng

• Mối quan hệ giữa dòng định mức sơ cấp của máy

biến áp Ib, dòng định mức của cầu chì In và dòng ngắn mạch phía sơ cấp Ic của máy biến áp được xác định

theo tiêu chuẩn quốc gia

• Iđm > 1,4 Ib

• Iđm < Ic/6

Modified by Hoang Anh 25

Cầu chì trung thế SIBA

Cầu chì trung thế ETI

Một vài loại cầu chì trung thế sử dụng ở Việt Nam

Cầu chì trung thế của ABB

Một vài loại cầu chì trung thế sử dụng ở Việt Nam

Thông số kỹ thuật của HV Fuse ABB, Thụy điển

1 Điện áp định mức Un(kV)

Đây là thông số thể hiện điện áp mà cầu chì hoạt động chính xác Trên thân cầu chì có thể in 2 mức điện áp (3/7.2kV, 10/17.5kV,

10/24kV) Chữ số phía trước thể hiện cấp điện áp thấp nhất có thể

sử dụng cầu chì, chữ số phía sau thể hiện điện áp làm việc định

mức thiết kế của cầu chì.

5 Breaking capacity I1 (kA)

Khả năng chịu được dòng ngắn mạch của cầu chì, nếu dòng điện ngắn mạch lớn hơn mức này thì cầu chì sẽ nứt hoặc nổ

6 Minimum breaking current I3 (A)

Đây là thông số chỉ có ở cầu chì Back Up, thể hiện dòng điện nhỏ nhất cầu chì sẽ tự động cắt khi xảy ra quá tải.

Thông số kỹ thuật của HV Fuse

• Loại cầu chì Fast acting là cầu chì sẽ đứt khi dòng điện tăng đột biến từ 5-10 lần trong thời gian 0.001 đến 0.01 giây Thời gian cắt sẽ nhanh hơn 5-10 lần so với cầu chì thường

→ mạch điện tử công suất, nơi dùng nhiều thiết bị bán dẫn.

• Cầu chì Time delay là cầu chì được thiết kế để cho phép dòng điện qua cầu chì có giá trị lớn hơn so với dòng điện định mức ghi trên cầu chì trong một thời gian ngắn → động

cơ và đèn huỳnh quang, vì những thiết bị này khi khởi động

sẽ tiêu tốn dòng điện lớn hơn so với dòng điện định mức của thiết bị.

Thông số kỹ thuật phụ thêm của HV Fuse

Máy cắt hạ áp – LV circuit breaker

• Thỏa mãn tất cả các chức năng đóng cắt cơ bản của

một thiết bị phân phối và bảo vệ Nếu kết hợp với các thiết bị phụ trợ sẽ đảm bảo được một phạm vi rất lớn

Thông số cơ bản của Circuit breaker

• Thông số về điện:

• Dòng điện định mức (Rated current In)

• Dòng tác động quá tải của rơle bảo vệ quá tải current-thermal Irth, magnetic Irm) Dòng điện ngưỡng

(Tripping-• Ngưỡng dòng chịu đựng với độ trễ ngắn (Rated short-time withstand Icw)

• Khả năng cắt ngắn mạch (Breaking capacity - ultimate

Icu, cắt ngắn mạch thao tác - service Ics),

• Khả năng tạo dòng (Rated making capacity Icm)

• Điện áp định mức (Rated operational voltage Ue)

Modified by Hoang Anh 33

Thông số cơ bản của Circuit breaker

Máy cắt hạ áp – LV circuit breaker

Cầu đấu trên

Phần tử nhiệt bảo vệ quá tải Tiếp điểm làm việc

Cuộn từ : Cắt ngắn mạch Cầu đấu dưới

Buồng dập hồ quang

Thanh cài Cần gạt :

Chuyển trạng thái

on / off

Cấu trúc của một cơ cấu đóng cắt (1)

Cấu trúc của một cơ cấu đóng cắt (2)

Created by Hoang Anh37

7.4.1.1 Ký hiệu, cấu tạo của CB

Modified by Hoang Anh 39

▪Phần tử nhả bảo vệ (trip unit)

❑ Nhiệt –từ

➢ Một thanh lượng kim chống quá tải

➢ Một cơ cấu cắt điện từ để bảo vệ ngắn mạch

Phân loại

Ba kiểu CB:

• Máy cắt không khí (Air circuit breaker- ACB)

• Moulded case circuit breaker-MCCB

• Miniature circuit breaker-MCB

(40 °C for MG mcb) 1,05 to 1,3

Đường đặc tính thời gian/dòng điện

Lựa chọn thiết bị bảo vệ

• Ngưỡng tác động Im:

• hoặc cố định theo tiêu chuẩn đối với các CB gia dụng (IEC 898)

• hoặc được cho bởi nhà sản xuất đối với các CB công nghiệp theo các tiêu chuẩn liên quan, chẳng hạn IEC 947-2

tripping must not occur

tripping may occur

tripping must occur 1h

Trong trường hợp quá dòng diễn ra quá lâu thì thanh lưỡng kim dủ cong để làm tác động cắt

 I > In

Nguyên lý làm việc của máy cắt bảo vệ bằng phần tử nhiệt

• Đặc tính tác động bởi phần tử nhiệt

Modified by Hoang Anh 47

◼ Thanh lưỡng kim được sử dụng để:

 bảo vệ thiết bị, dây cáp… khỏi sự cố quá tải Hạn

chế ảnh hưởng của quá nhiệt với thiết bị

 Ký hiệu:

bimetal tripping bar

C60

Nguyên lý của bộ tác động điện tử

• Trong một CB điện tử, bộ tác động từ/nhiệt truyền thống được thay thế bởi một bộ điều khiển điện tử.

Bộ tác động

Xử lý tín hiệu từ CT

So sánh tín hiệu từ

CT với các giá trị đặt

MITOP hay FTST (flux transfer shunt trip)

So sánh đường tác động của rơ-le từ-nhiệt và rơ-le điện tử

t (s)

I (A)

Đường tác động của một CB từ-nhiệt

lr: giá trị đặt dòng tác động rơ-le quá tải (rơ-le nhiệt hoặc tác động chậm).

lm: giá trị đặt dòng tác động rơ-le ngắn mạch (rơ-le từ hoặc loại tác động nhanh) Ii: giá trị đặt dòng tác động ngắn mạch tức thời.

Icu: dòng khả năng cắt ngắn mạch

t (s)

I (A) li

Đường tác động của một CB điện tử

Chọn thiết bị đóng cắt: máy cắt

• Bộ tác động từ - nhiệt

Exercices

Cấp chính xác của chỉnh định từ: max +- 20%

1

X 250 A X 250 A

.9 7

.8

.95 88

3

8

6 5

7 4

x In

Im Ir

Io In=100A

Lựa chọn thiết bị bảo vệ

• Các đặc tính của lưới điện mà CB được sử dụng

• Môi trường của sử dụng của thiết bị, nhiệt độ môi

trường xung quanh, lắp trong tủ hay trạm kín, các

điều kiện khí hậu

• Khả năng tạo và cắt dòng ngắn mạch

• Các yêu cầu vận hành: tính chọn lọc, các yêu cầu

về điều khiển từ xa, các công tắc phụ, …

• Các quy tắc lắp đặt, đặc biệt là bảo vệ con người

• Các đặc tính tải như động cơ, đèn chiếu sáng

huỳnh quang, máy biến áp hạ áp

Modified by Hoang Anh 54

Chọn dòng định mức theo nhiệt độ môi trường

• Dòng định mức của một CB được xác đinh theo

nhiệt độ vận hành của môi trường cho trước

• 30 0 C cho dân dụng

• 40 0 C cho công nghiệp

Modified by Hoang Anh 55

✓ Các CB tác động theo nguyên tắc nhiệt không bù khi đặt trong tủ hoặc trong môi trường nhiệt độ cao thì dòng tác động khi quá tải có thể bị giảm xuống Nhà thiết

kế phải cung cấp bảng giảm cấp cho các thiết bị được thiết kế

Chọn dòng định mức theo nhiệt độ môi trường

• Ví dụ: Cần chọn dòng định mức cho một CB:

• Bảo vệ mạch có dòng lớn nhất 34A

• Được đặt cạnh các CB khác trong tủ phân phối kín

• Nhiệt độ môi trường có nhiệt độ 50 0 C

Modified by Hoang Anh 56

Chọn dòng định mức theo nhiệt độ môi trường

• Giải:

• Chọn CB có dòng định mức 40A , dòng làm việc tại 50 0 C là 35,6A Khi xét đến ảnh hưởng của các CB khác trong tủ ta sẽ có dòng làm việc sẽ là: 35,6x0,8=28,5A, CB này không thích hợp cho mạch

• Chọn Cb có dòng định mức là 50A, dòng sử dụng sẽ là: 44x0.8=35,2A

Modified by Hoang Anh 57

Mạng hạ áp - Low voltage network

Sources

Tủ đóng cắt chính

Tủ phân phối trung gian

Tủ phân phối cuối cùng

Level 1a Level 1b

Level 2

Level 3

Loads

or

Tủ máy máy cắt chính - Main LV switchboard

Level 1a: Tầng cung cấp phía trước

◼ Các thiết bị đầu vào - Incoming devices

◼ Hệ thống thanh cái - Bus couplers

◼ Các tủ đầu ra - High rated outgoings

Cấp của các thiết bị đóng cắt công nghiệp

Level 1a

Level 1b or

• Khóa chéo - Interlocking

• Giám sát hệ thống lưới - Network monitoring

Level 1a: Tầng cung cấp phía trước đòi hỏi

7.5.1 Tủ máy máy cắt chính - Main LV switchboard

• ACB (Air Circuit Breaker): ApT vạn năng, 3pha – 3cực,

• Rất nhiều chức năng bảo vệ của ACB được thực hiện

bằng rơle kỹ thuật số: do người vận hành thiết lập.

• Đóng cắt bằng tay thông qua cần truyền động tích năng

bằng lò xo, hoặc đóng cắt từ xa bằng động cơ xoay chiều

• Sử dụng trong mạng điện công nghiệp.

ACB

Tủ đóng cắt chính- Máy cắt không khí

◼ Dòng định mức tới: 6300 A

◼ Tuân thủ theo tiêu chuẩn: IEC 947.2

◼ Ngưỡng dòng cắt : cao (tới150 kA)

◼ Icu / Ics: 100 %

◼ Khả năng chịu lực điện động: cao

◼ Ngưỡng chọn lọc: tối đa

◼ Tiếp điểm chinh và cầu đấu: Thổi khép kín

◼ Cơ cấu dự trữ năng lượng ? có

• MCCB (Molded Case Circuit Breaker): ApT vỏ nhựa đúc,

1pha-2cực, 3pha-3cực, 3pha-4cực, dòng điện làm việc phổ biến đến 1250A, bảo vệ ngắn mạch, quá tải, rò điện,…

• Có thể điều chỉnh được giá trị dòng điện bảo vệ.

• Cho phép điều khiển đóng cắt từ xa (tùy chọn).

• Sử dụng chủ yếu trong mạng điện công nghiệp.

MCCB

Tủ phân phối trung gian - Sub distribution board

Levels 1b and 2: Tầng giữa

• Lộ xuất của tủ máy cắt chính

• Trong các tủ phân phối trung gian

Vẫn sử dụng CB công nghiệp

Level 1b

Level 2

• Dòng làm ciệc trung bình (cỡ vài trăm Ampe, 40°C)

• Khả năng cắt dòng ngắn mạch cao (lên đến 150kA)

• Hạn chế các ảnh hưởng của các

sự cố điện

• Làm việc thường xuyên

• Không cần bảo dưỡng thường xuyên

• Có thêm các chức năng phụ

Các tủ phân phối trung gian - Sub distribution board

Moulded case circuit breaker

◼ Dòng làm việc lên đến: 1600 A

◼ Tuân theo chuẩn: IEC 947.2

◼ Khả năng cắt dòng ngắn mạch cao (lên đến 150kA)

◼ Icu / Ics: 50 %

◼ Khản năng chịu lực điện động: thấp (15 x In)

◼ Ngưỡng chọn lọc: giới hạn

◼ Kiểu tiếp điền/cầu đấu: thổi hở

◼ Cơ cấu tích trữ năng lượng? không

◼ Vỏ cách điện: đúc

• MCB (Miniature Circuit Breaker): ApT nhỏ (tép), 1pha –

1cực, dòng điện đến 125A, bảo vệ ngắn mạch và quá tải.

• Không điều chỉnh được ngưỡng tác động bảo vệ.

• Sử dụng chủ yếu trong mạng điện dân dụng và mạch điện điều khiển công nghiệp.

MCB

Áptômát thường bao gồm các bộ phận chính sau: hệ thống

cấu truyền động đóng cắt; phần tử bảo vệ.

Cấu tạo của áptômát

• Nhiệm vụ là đảm bảo chức năng dẫn dòng và cắt dòng

• Với các áptômát thế hệ mới thì các thanh dẫn còn được

thiết kế chế tạo với hình dáng đặc biệt để tăng khả năng cắt cho áptômát khi cắt dòng ngắn mạch → các áptômát có

khả năng hạn chế dòng cắt (cắt cao - H).

• Đặc biệt một số hãng còn ứng dụng kỹ thuật dập kiểu tự

cắt cho áptômát mà kích thước lắp đặt vẫn không đổi.

• Một vài loại áptômát cho

chế dòng ngắn mạch sự cố và phối hợp bảo vệ theo kiểu

kiểu 1pha 2chỗ ngắt.

• Cơ cấu truyền động tiếp

điểm cắt loại này là kiểu chuyển động quay tròn.

• Thực hiện chức năng đóng,

cắt áptômát bằng tay hoặc tự động.

• Được chế tạo chủ yếu là cơ

cấu cơ khí, lò xo, chốt khớp.

Cơ cấu truyền động đóng cắt

Cơ cấu bảo vệ quá tải, ngắn mạch trong MCB, MCCB

d2 Cơ cấu bảo vệ vạn năng trong ACB

d3 Cơ cấu bảo vệ dòng điện rò – ELR, ZCT

Chạm trực tiếp Chạm gián tiếp

Điện áp chạm Điện áp bước

d3 Cơ cấu bảo vệ dòng điện rò – ELR, ZCT

4 Áptômát – Tính toán chọn lựa

- Nguồn cấp là loại gì?

- Loại ApT tổng hay nhánh?

nhiệt độ môi trường xung quanh?

Đặc tính cắt bảo vệ quá tải

và ngắn mạch của ApT

Khả năng mang tải của ApT phụ thuộc vào vị trí lắp đặt

•Thường thể hiện thông qua đường cong cắt bằng các

chữ cái B, C, D, Z, K và MA.

Đặc tính cắt của áptômát

Theo dòng tác động quá tải Ir và ngắn mạch Im

Modified by Hoang Anh 91