hướng dẫn tính toán thiết kế thiết bị điện

Tính toán các tiếp điểm Chương 4 TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ VÀ ĐẶC TUYẾN CƠ BẢN CỦA CÁC THIẾT BỊ DẬP HỒ QUANG TRONG MÁY NGẮT KHÔNG KHÍ 4.1.. Kết cấu các thiết bị dập hồ quang có thổi khô

PHẦN I: MÁY NGẮT ĐIỆN CAO ÁP

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

HÀ NỘI-2003

HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN

PHẦN I: MÁY NGẮT ĐIỆN CAO ÁP

Tác giả: Lê Thành Bắc (chủ biên)

Võ Như Tiến, Lê Văn Quyện, Dương Ngọc Thọ

Chịu trách nhiệm xuất bản: PGS.TS Tô Đăng Hải Biên tập: Nguyễn Thị Ngọc Bích Chế bản: Nguyễn Trung Tiến, Văn Công Lê Trình bày: Cao Ngọc Châu, Tôn Thất Hoà Bình

Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật

70 Trần Hưng Đạo - Hà Nội

In 600 cuốn khổ 19 x 27cm tại Nhà in Đại học Quốc gia

Giấy phép xuất bản số 978-56-20/7/2002

In xong và nộp lưu chiểu tháng 9 năm 2002

Lời nói đầu

Giáo trình "HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN"

được chia làm hai phần:

- Phần 1: Máy ngắt điện cao áp

- Phần 2: Thiết bị điện hạ áp

Phần "MÁY NGẮT ĐIỆN CAO ÁP“ được biên soạn trên cơ sở đề cương

nói chung và ngành Thiết bị điện nói riêng Chúng tôi biên soạn cuốn sách này nhằm phục vụ làm tài liệu giảng dạy, tài liệu tham khảo trong thiết kế môn học cũng như thiết kế tốt nghiệp cho sinh viên ngành kỹ thuật điện Cuốn sách này biên soạn chủ yếu dựa trên cuốn "ΠPOEKTỉPOBAHỉE BKΛþ÷ATEΛEĨ ΠEPEMEHHOΓO TOKA BCOKOΓO HAΠPÿưEHỉÿ" của tác giả ê.A.KYKEKOB và cuốn " High Voltage Circuit Breakers Design and Applications" của tác giả Ruben D Gazon Trong quá trình biên soạn, các tác giả còn tham khảo các giáo trình "THIẾT KẾ MÁY NGẮT CAO ÁP", "THIẾT KẾ MÁY NGẮT DẦU", là những tài liệu đã được trường Đại học Bách khoa Hà Nội xuất bản Sách này không chỉ dùng làm tài liệu giảng dạy và học tập cho sinh viên ngành Điện mà còn có thể làm tài liệu dùng cho nghiên cứu cũng như tham khảo cho ki sư và cán bộ ki thuật ngành điện cũng như các chuyên ngành liên quan

Nội dung của tài liệu này đề cập đến các vấn đề lí thuyết cơ bản trong tính toán thiết kế máy ngắt điện cao áp, các vấn đề được trình bày trong 9 chương Đồng chí Võ Như Tiến biên soạn các chương 1, 2, 3, 7 Đồng chí Lê Văn Quyện biên soạn chương 6 Đồng chí Dương Ngọc Thọ biên soạn chương 8 Đồng chí Lê Thành Bắc biên soạn các chương 4, 5, 9 và các phần còn lại

Trong quá trình biên soạn, các tác giả đã nhận được sự giúp đỡ và cung cấp tài liệu của các Thầy, Cô giáo trong bộ môn Thiết bị điện -điện tử, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt là PGS Lê Văn Doanh và GVC Lưu Mỹ Thuận Chúng tôi cũng đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của TS.Trần Văn Chính và các đồng nghiệp khoa điện trường Đại học Kỹ thuật Đà Nẵng trong việc hiệu đính và đóng góp thêm nhiều ý kiến cho nội dung tài liệu

Mặc dù, chúng tôi đã cố gắng trong việc cập nhập các thiết bị hiện đại nhưng

do tài liệu về vấn đề này rất hạn chế nên có thể còn những vấn đề chưa được đề cập thỏa đáng Chúng tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến bổ xung của các bạn đọc để sách được hoàn thiện hơn nữa trong các lần tái bản sau

Mọi thư từ góp ý xin gửi về bộ môn Thiết bị Điện - trường Đại học Kỹ thuật Đà Nẵng Chúng tôi xin chân thành cảm ơn

1.3 Các tham số chính cho trước khi tính toán

1.4 Một số kinh nghiệm khi chọn kiểu máy ngắt

1.5 Sơ đồ kết cấu máy ngắt

TÍNH TOÁN CÁCH ĐIỆN CHUNG CỦA MÁY NGẮT

2.1 Các tham số cho trước khi tính toán cách điện chung

2.2 Phương pháp tính gần đúng cách điện chung

2.3 Phương pháp tính gần đúng sự phân bố điện áp cho từng khoảng ngắt trên một

cực

2.4 Ví dụ về cách tính cách điện chung

Chương 3

TÍNH TOÁN MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN CỦA MÁY NGẮT

3.1 Khái niệm chung

3.2 Tính điện động mạch vòng dẫn điện

3.3 Tính toán nhiệt của mạch vòng dẫn điện

3.4 Tính toán gần đúng sự phát nóng thanh dẫn điện sứ vào

3.5 Tính toán gần đúng hệ thống dẫn điện bình chứa của máy ngắt không khí

3.6 Tính toán các tiếp điểm

Chương 4

TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ VÀ ĐẶC TUYẾN CƠ BẢN CỦA CÁC THIẾT

BỊ DẬP HỒ QUANG TRONG MÁY NGẮT KHÔNG KHÍ

4.1 Khái niệm chung về tính toán các thiết bị dập hồ quang

4.2 Đặc tuyến chung của quá trình dập hồ quang khi thổi dọc

4.3 Tính toán lượng không khí (khí) chảy qua miệng ống có hồ quang điện

4.4 Tính toán gần đúng công suất ngắt và sự phục hồi độ bền điện ở khoảng giữa hai

tiếp điểm

4.5 Các nguyên lý cơ bản về cách tính kết cấu các buồng dập hồ quang có thổi

không khí dọc dùng shun điện trở

4.6 Kết cấu các thiết bị dập hồ quang có thổi không khí dọc

Chương 5

TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÁC THIẾT BỊ DẬP HỒ QUANG CỦA MÁY

NGẮT DẦU

5.1 Các vấn đề cơ bản về tính toán các thiết bị dập hồ quang trong máy ngắt dầu

5.2 Tính công suất và năng lượng của hồ quang trong quá trình tạo thành khí khi dập

tắt hồ quang trong dầu

5.3 Tính áp suất trong bình có chứa khi dạng bong bóng hơi khép kín

5.4 Tính áp suất trong bình chứa khi hỗn hợp và khí hơi chảy từ bình ra

5.5 Tính độ bền điện phục hồi của khoảng hồ quang

5.6 Phương pháp gần đúng tính quá trình dâng dầu trong bình chứa sau khi đã dập

6.1 Đặc tính chung của quá trình dập hồ quang của máy ngắt tự sinh khí

6.2 Tính gần đúng các đặc tính cơ bản của thiết bị dập hồ quang tự sinh khí

87

103

110

117

NGẮT KHÔNG KHÍ

7.1 Đặc tính chung của quá trình dập hồ quang được làm lạnh trong buồng dập hồ

quang kiểu rãnh

7.2 Ngắt mạch điện cảm bằng buồng dập hồ quang kiểu rãnh

7.3 Tính tốc độ chuyển động của hồ quang dưới ảnh hưởng của từ trường ngang

trong buồng dập hồ quang kiểu rãnh

7.4 Tính sự phát nóng các bức thành của rãnh bình chứa và tính dòng điện ngắt

7.5 Chọn và tính các kích thước chính và đặc tuyến cơ bản của bình chứa có buồng

8.2 Tính sự bơm đầy không khí nén vào buồng dập hồ quang

8.3 Tính không khí chảy từ bình chứa ra khí quyển

8.4 Tính không khí chảy từ thể tích giới hạn ra ngoài trong lúc áp suất giảm

8.5 Sự bơm đầy không gian làm việc hình trụ của bộ phận cơ khí chảy bằng hơi

8.6 Ví dụ tính sự bơm đầy buồng dập hồ quang của máy ngắt không khí điện áp

110kV

Chương 9

KẾT CẤU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ CỦA

MÁY NGẮT ĐIỆN CAO ÁP

9.1 Các sơ đồ động học của truyền động cơ khí

9.2 Các tham số cho trước để tính truyền động cơ khi mở bằng lò xo

9.3 Tính toán động lực học của truyền động cơ khí mở bằng lò xo

9.4 Tính toán động lực học của bộ phận cơ khí chạy bằng hơi của buồng dập hồ

quang máy ngắt không khí

Phụ lục1: Một số loại máy ngắt dầu đang sử dụng ở Việt Nam

Phụ lục2: Một số loại máy ngắt SF6 đang sử dụng ở Việt Nam

Tài liệu tham khảo

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 ΠPOEKT ỉ POBAH ỉ E BKΛ þ ÷ ATEΛEĨ Π EPEMEHHOΓO TOKA BCOKOΓO HA Π P ÿư EH ỉÿ -

4 High Voltage Circuit Breakers Design and Applications- Ruben D Gazon- New York 1996

5 Cẩm nang thiết bị đóng cắt - Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật -Hà Nội - 1998

6 HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ MÁY NGẮT DẦU - Lưu Mỹ Thuận- Bộ môn Máy điện - Khí cụ

điện - Đại học Bách khoa Hà Nội - 1976

7 Giáo trình Khí cụ điện, dùng cho ngành Điện khí hóa- Đại học Bách khoa Hà Nội - 1979

8 Giáo trình THIẾT BỊ ĐIỆN- Lê Thành Bắc- Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật- Hà Nội- 2001

9 Low Oil Content Circuit - Breakers for Outdoor Stations 10 72.5 kV E.I.B

10 SF6 Circuit - Breakers with Spring Operating Mechanism 72.5 170 kV AEG

11 Gas - Insulated Switchgear 72.5 525 kV AEG

12 Metal - Enclosed, SF6 - Gas Insulated High Voltage Switchgear (V.I.S.) series B3 up to 420kV AEG

13 Quy trình vận hành và bảo dưỡng các loại máy ngắt dầu- Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật-Hà

Nội -1996

14 Quy trình vận hành và bảo dưỡng máy ngắt SF6 -Tổng công ty Điện lực Việt Nam- Hà Nội -1998

CHƯƠNG 1

CÁC VẤN ĐỀ CHUNG KHI TÍNH TOÁN MÁY NGẮT CAO ÁP ĐIỆN

XOAY CHIỀU 1.1 CÁC YÊU CầU CƠ BảN ĐốI VớI MÁY NGắT

Trong các hệ thống điện cao áp, máy ngắt là thiết bị đóng mở cơ khí có khả năng đóng, dẫn liên tục và cắt dòng điện trong điều kiện bình thường và bất thường của mạch điện, ví dụ như ngắn mạch

Ngắt dòng điện ngắn mạch là chế độ làm việc nặng nề nhất và cơ bản của máy ngắt Song qúa điện áp sinh ra khi ngắt dòng điện bé của máy biến áp không tải, ngắt dòng điện dung của đường dây dài và nhiều trường hợp khác cũng là điều kiện làm việc nặng nề cho máy

Theo nguyên tắc, hệ thống dẫn điện của máy ngắt nối tiếp với mạch điện của các thiết bị điện cao áp Khi đó các bộ phận kết cấu cơ bản của máy ngắt cần phải chịu được sự tác động nhiệt, điện từ trong khi làm việc bình thường cũng như khi ngắn mạch, phải chịu được trường tĩnh điện tác động vào cách điện lúc điện áp định mức và cả trong lúc quá điện

áp Trong quá trình làm việc của máy ngắt còn có những hiện tượng sinh ra phụ tải nhiệt,

cơ và điện tác động vào từng bộ phận riêng của kết cấu máy ngắt (sự cháy của hồ quang điện khi ngắt, sự tăng áp suất của chất khí và chất lỏng trong không gian công tác, các bộ phận cơ chuyển động với gia tốc lớn gây va đập và nhiều những tượng khác)

mỗi yếu tố đã kể trên có thể là nguyên nhân sinh hư hỏng từng bộ phận hay toàn bộ máy ngắt

Máy ngắt phải đảm bảo hoạt động an toàn, tin cậy trong chế độ bình thường cũng như bất thường, nên các bộ phận kết cấu của nó phải tuyệt đối ổn định đối với tác động nhiệt và lực điện động, cũng như đối với tác động của điện áp đã được tính toán

Yêu cầu chung đối với máy ngắt điện cao áp là

Các yêu cầu chung đối với máy ngắt cao áp được nêu trong các tiêu chuẩn như ΓOCT 687-41 hay các tiêu chuẩn khác

Ngoài những yêu cầu chung, trong các trường hợp riêng cũng có những yêu cầu đặc biệt đối với máy ngắt, phụ thuộc vào điều kiện riêng mà máy ngắt làm việc Ví dụ:

4) Thích hợp với điều kiện làm việc ở nhiệt độ rất thấp

Do ngành hệ thống điện ngày càng phát triển, máy ngắt là một trong những bộ phận quan trọng nhất của hệ thống, các chỉ tiêu kĩ thuật vận hành yêu cầu ngày một cao hơn như:

nhiều lần của TĐL (đóng lặp lại tự động), tăng độ chống ăn mòn của các bộ phận cơ và của cách điện, vận chuyển, lắp ráp, vận hành thuận tiện, an toàn về nổ và hỏa hoạn

Trong khi tính toán máy ngắt hiện đại cần đặc biệt lưu ý đến vấn đề nâng cao các chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật, trọng lượng ít nhất trên một đơn vị công suất ngắt Kết cấu của máy ngắt cần phải đơn giản, vững chắc, các chi tiết và các khâu kết cấu trong tất cả các loại máy ngắt phải thống nhất và cần phải áp dụng các phương pháp gia công tiên tiến Trong chế tạo sử dụng các nguyên liệu có tính cơ, tính điện, tính nhiệt cao và kinh tế nhất (chịu plasma, nguyên liệu tiếp điểm đặc biệt, đồ gốm có độ bền cao, )

Tất cả các yêu cầu kể trên cần được chú ý đến trong lúc tính toán

Những điểm đặc biệt chú ý trong khi nghiên cứu máy ngắt:

toán

2) Trong nhiều trường hợp một mối kết cấu hay chi tiết có thể có một vài nhiệm vụ

Ví dụ: bộ phận dẫn điện bị nung nóng bằng dòng điện có thể thường xuyên chịu phụ tải cơ rất lớn và chịu lực kéo,

3) Trong tính toán các khâu cơ bản và các đặc tính liên quan nhau khá phức tạp, như lực biến đổi của lò xo trong quá trình chuyển động của bộ phận cơ khí, áp suất biến đổi của khí trong buồng dập hồ quang và lực điện động tác động vào các phần dẫn điện của nó Phương pháp để tính chính xác rất phức tạp, cho nên trong tính toán phải đơn giản hóa bằng các phương pháp gần đúng

Trong ngành chế tạo thiết bị điện hiện nay các phương pháp tính chính xác thiết bị dập hồ quang chưa có, cho nên trong tính toán người ta sử dụng các tham số thực nghiệm

và thử khả năng ngắt của máy ngắt

Mặc dù phương pháp tính gần đúng đôi khi chỉ cho định hướng, nhưng cũng cần được hoàn chỉnh và áp dụng rộng rãi trong thiết kế máy ngắt cao áp, cho phép rút ngắn thời gian cần thiết để hoàn thành kết cấu máy ngắt trong các phòng thí nghiệm và trên các mô hình Trong ngành chế tạo máy ngắt có nhiều biện pháp dập hồ quang, không những kết cấu của thiết bị dập hồ quang có nhiều kiểu mà còn có nhiều kiểu máy ngắt Biện pháp dập

hồ quang khác nhau theo kiểu máy ngắt được xác định bằng các tham số cho trước và các kiểu điều khiển vận hành ( điện áp định mức, dòng điện định mức, công suất ngắt, tần số, )

Giải quyết sơ bộ ba vấn đề cơ bản sau có một ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong lúc tính toán gồm:

1) Chính xác hóa các tham số cho trước

chọn kiểu và sơ đồ kết cấu đóng vai trò quyết định

Theo kinh nghiệm khi tính toán, sản xuất, lắp ráp và vận hành máy ngắt cao áp đã hình thành một số hình dáng kết cấu của các chi tiết riêng, từng bộ phận và toàn bộ thiết bị cũng như công nghệ điển hình sản xuất máy ngắt Trong lúc tính toán các kiểu máy ngắt

mới các biện pháp kĩ thuật đã có đều cần được chú ý, phải nâng cao yêu cầu và áp dụng những thành tựu mới nhất của khoa học công nghệ vào sản xuất Nhiệm vụ của nhà chế tạo

là phải tìm ra những giải pháp tính toán, kết cấu mới hợp lí hơn trên cơ sở nghiên cứu các hiện tượng vật lí, sử dụng các tham số thí nghiệm, áp dụng các cách tính và các thành tựu trong lĩnh vực công nghệ chế tạo

Cần phải chú ý đến các xu hướng hiện đại trong lĩnh vực tính toán trạm phân phối các thiết bị cao áp, sơ đồ của trạm có ảnh hưởng đến hình dáng kết cấu, kích thước, các chỉ tiêu và các đặc tính khác của máy ngắt

chính xác hóa kết cấu và vẽ các bản vẽ thi công để sản xuất mẫu Chuẩn bị tài liệu công nghệ cần thiết để sản xuất hàng loạt

Thường người ta tiến hành những thí nghiệm nghiên cứu và thử các hình mẫu, các chi tiết các khâu và máy ngắt mẫu cho cả ba giai đoạn

Sau đây giới thiệu thứ tự giải quyết các vấn đề đó khi không có những tham số định hướng về kết cấu và kích thước của thiết bị dập hồ quang:

1) Chính xác hóa các tham số cho trước đối với máy ngắt được tính toán

3) Tính toán thiết bị dập hồ quang, định hướng hình dáng kết cấu và xác định kích thước sơ bộ của nó

5) Tính toán cách điện của máy ngắt và xác định kích thước mạch vòng dẫn điện, khoảng cách cách điện và kích thước của các bộ phận cách điện trụ

6) Tính toán các khâu cơ bản gồm:

máy ngắt được tính toán trong điều kiện vận hành

bền vững của các bộ phận mạch vòng dẫn điện khi tác động của dòng điện ngắn mạch và tính toán các bộ phận đó

thống tiếp điểm máy ngắt khi ngắn mạch

đ) Tính đặc tính khí động học của máy ngắt (trong trường hợp tính toán máy ngắt không khí)

e) Tính và xác định các bộ phận truyền động cơ khí

g) Tính và xác định các kết cấu trụ đỡ, thùng chứa, vỏ, ống dẫn, các bộ phận điều khiển bằng thủy lực hay bằng hơi

máy ngắt không có truyền động hơi bên trong)

i) Vẽ phác thảo về kết cấu máy ngắt

sơ bộ thiết bị dập hồ quang không cần thiết

toán các bộ phận riêng được tiến hành song song, ví dụ:

- Tính toán nhiệt các tiếp điểm dập hồ quang tiến hành song song với tính các thiết

bị dập hồ quang

- Khi tính toán cách điện của máy ngắt phải xác định luôn kiểu cách điện

- Khi tính thanh dẫn điện của sứ cần thiết phải có các tham số về các kích thước và kết cấu cách điện của sứ xuyên

1.3 CÁC THAM Số CHÍNH CHO TRƯớC KHI TÍNH TOÁN

- Công suất ngắt định mức : 15, 20, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 300, 500, 750, 1000,

2000, 2500, MVA

+ Với máy ngắt tác động nhanh thì không quá 0,08 s

+ Với máy ngắt tác động tăng cường thì không quá 0,15s

+ Với máy ngắt tác động không nhanh thì lớn hơn 0,15s

Để nâng cao các yêu cầu đối với máy ngắt cao áp điện xoay chiều hiện nay đang có nhiều tiêu chuẩn khác có thang của điện áp định mức, dòng điện và công suất ngắt được mở rộng đến 800 kV, 12000 A và 25000 MVA Trong tiêu chuẩn này đặc biệt chú ý đến sự chính xác hóa các yêu cầu đối với thời gian ngắt hoàn toàn và sự tiêu chuẩn hóa công suất ngắt có tính tới sự không đối xứng của dòng điện ngắn mạch và tần số dao động của điện

áp phục hồi

Theo tiêu chuẩn thời gian ngắt hoàn toàn của máy ngắt được chia ra ba loại: không quá 0,06 s, không quá 0,1s và hơn 0,1s

Các tiêu chuẩn của tần số điện áp phục hồi (chế độ qúa độ) trong bảng 1-1

Độ bền nhiệt biểu hiện bằng dòng điện ngắn mạch lớn nhất đi qua các bộ phận dẫn điện trong khoảng thời gian cho trước có phát nóng không vượt mức cho phép Độ bền nhiệt không phải là đặc tính cho trước mà được xác định khi kiểm tra độ phát nóng bằng dòng điện định mức làm việc dài hạn sau khi tính các bộ phận dẫn điện

Bảng 1-1: Các tiêu chuẩn của tần số điện áp phục hồi

Điện áp định mức, kV

6 10 15 20 35 110 150 220 Trong giới hạn từ 100 đến

ngắt hư hỏng gọi là dòng điện giới hạn của máy ngắt

Trị số dòng điện ngắn mạch giới hạn được đánh giá bằng trị số biên độ và giá trị hiệu dụng của dòng điện ở chu kì thứ nhất, khi đó tỉ số biên độ và giá trị hiệu dụng được xác định theo công thức:

2 c

2 a

c a

P

II

I2IK

+

+

=

Ia : giá trị hiệu dụng của thành phần chu kì

Ic : giá trị trung bình của thành phần không chu kì

Ti lệ giữa trị số của dòng điện giới hạn (In) và dòng điện ngắt giới hạn (I0) có thể tìm theo đường cong giảm dần của dòng điện ngắn mạch khi biết trước giá trị của thời gian ngắt hoàn toàn Đánh giá gần đúng ti lệ này xác định theo công thức:

0 n

trị số dòng điện đóng phụ thuộc vào các đặc tính truyền động của mạch ngắt

Trong khi tính toán từng khâu cần phải có thêm hàng loạt các thông số phụ cho trước Ví dụ: áp suất làm việc trong các bình chứa của máy ngắt hay của truyền động (trong trường hợp truyền động bằng khí), điện áp làm việc ở các đầu của cuộn dây truyền động, mức độ gió (để xác định phụ tải gió) ở vùng đặt thiết bị, mức giảm nhiệt độ lớn nhất của chuyển động có hệ thống tiếp xúc,

Ảnh hưởng của tất cả các nhân tố đó đến kết cấu và đặc tính máy ngắt sẽ được nghiên cứu ở các chương sau Các tham số cho trước đối với máy ngắt sản xuất hàng loạt được xác định trong kết quả nghiên cứu, các yêu cầu của ngành sử dụng và khai thác có tính đến sự phát triển sau này

1.4 MộT Số KINH NGHIệM KHI CHọN KIểU MÁY NGắT

Tính chọn kiểu máy ngắt theo các tham số cho trước là một nhiệm vụ phức tạp và quan trọng, nhiệm vụ đó yêu cầu giải quyết kịp thời với những đặc tính đặc biệt và các chỉ tiêu kĩ thuật vận hành, kinh tế kĩ thuật của các kết cấu hiện có

Trước hết cần phải tính đến các điều kiện làm việc của máy ngắt, các xu hướng hiện đại trong khi tính toán máy ngắt sản xuất hàng loạt Vấn đề này cũng không kém phần quan trọng trong khi xác định các kết cấu mới của máy ngắt có tham số thật cao (điện áp 330kV

và cao hơn, dòng điện định mức trên 13000A)

1) So sánh các chỉ tiêu của các kiểu máy ngắt hiện có với những tham số cho trước

tính yêu cầu cho trước

Dưới đây giới thiệu sự phân loại và một vài kinh nghiệm có tính chất định hướng theo sự đánh giá so sánh các kiểu máy ngắt cao áp điện xoay chiều

Về phương diện chọn kiểu người ta phân loại máy ngắt:

1) Theo loại môi trường dập hồ quang

2) Theo cách dập hồ quang

3) Theo phương pháp cách điện ở chỗ cao áp của các phần dẫn điện

5) Theo dòng điện định mức

6) Theo công suất ngắt định mức

7) Theo quan hệ về kết cấu của bộ phận truyền động cơ khí của máy ngắt

8) Theo thang tác động nhanh

9) Theo sự tiện lợi cho TĐL tức thời

Ở bảng 1 - 2 giới thiệu sự phân loại máy ngắt theo loại môi trường dập hồ quang và theo cách dập hồ quang Bảng 1 - 3 giới thiệu các đặc điểm, ưu và khuyết điểm của các kiểu máy ngắt cơ bản ở các thang điện áp khác nhau

- Máy ngắt điện áp 35kV và cao hơn (máy ngắt trạm biến áp)

- Máy ngắt điện áp 20kV và thấp hơn ( máy ngắt máy phát)

Với loại này yêu cầu khả năng ngắt rất cao (bé hơn 20.000 MVA) tác động nhanh, tiện lợi đối với TĐL tức thời và nhiều đặc tính khác

Máy ngắt trạm biến áp thường sử dụng các loại máy ngắt sau:

1) Máy ngắt không khí (máy ngắt không khí trụ)

2) Máy ngắt ít dầu

3) Máy ngắt nhiều dầu

được sử dụng làm môi trường dập hồ quang Kiểu máy ngắt này có những đặc tính kĩ thuật

có thể kết luận máy ngắt không khí ưu việt hơn các loại máy ngắt khác, đặc biệt đối với máy ngắt có điện áp định mức 110kV và cao hơn Ở các trạm biến áp việc tạo khí nén cho máy ngắt không khí làm việc không khó khăn, vì trong các trạm phân phối điện cao áp, hệ thống các máy ngắt, các cầu dao điều khiển bằng hơi là hợp li nhất, hoàn chỉnh và thuận tiện nhất cho việc tự động hóa Tuy thế do đòi hỏi gia công chính xác, nên giá thành máy ngắt không khí cao hơn máy ngắt ít dầu cùng một chỉ tiêu trọng lượng

cao trong hệ thống điện Ở đây các yêu cầu về trị số công suất ngắt, những đặc tính vận hành khác (tác động rất nhanh, TĐL tức thời, nhiều lần, ngắt một cách tin cậy dòng điện điện dung nhỏ, cho phép thường xuyên kiểm tra và thay đổi hệ thống tiếp xúc, ) có thể ít hơn

Bảng 1-2: Phân loại máy ngắt theo môi trường dập hồ quang và cách dập hồ quang

Các tham số định hướng Loại môi

Công suất ngắt định mức , MVA

Nhiều dầu cả buồng dập

hồ quang

35

110 330

buồng có bộ phận thổi dọc hay ngang

110 330

khí

35

110 400

Tự động điều khiển bằng hơi

có điện trở shun

Không khí điện từ với buồng có khe

Không khí điện từ với những tấm lưới dập hồ quang

hơn

600 250

Theo các tham số cơ bản ( điện áp định mức, dòng điện, công suất ngắt) máy ngắt kiểu nhiều dầu tương đương với máy ngắt không khí, đặc biệt là sau khi kết cấu máy ngắt kiểu nhiều dầu đã có nhiều cải tiến

Bảng 1-3: So sánh về chất lượng các kiểu máy ngắt

1 Cơ cấu tương đối đơn giản

2 Có khả năng đặt máy biến dòng

1 Không an toàn về hỏa hoạn và phát nổ

2 Cần phải kiểm tra thường xuyên trạng thái dầu

hơn 4 Thích hợp với các trạm ngoài

4 Trong trạm biến áp cần thiết phải dự trữ dầu nhiều và các trang bị lọc dầu rất qui mô

5 Thực tế không thích hợp với các trạm trong nhà máy

6 Ít thích hợp cho TĐL tức thời nhiều lần trong chu trình

1 Khối lượng dầu không lớn

2 Trọng lượng tương đối nhẹ

3 Cơ cấu rất đơn giản so với máy ngắt không khí

4 Giá thành tương đối thấp

5 Thích hợp cho các trạm trong nhà và ngoài trời

6 Nhẹ hơn máy ngắt kiểu nhiều dầu ở điện áp 35 kV và cao hơn

7 Có khả năng tạo thành một thể thống nhất

1 Không an toàn về hỏa hoạn và phát nổ, nhưng ít hơn ở các máy ngắt trên

2 Thực hiện TĐL tức thời nhiều lần phức tạp

3 Thực hiện nấu lại dầu khó khăn

4 Cần kiểm tra và thay đổi thường xuyên dầu trong bình dập hồ quang

5 Các tiếp xúc dập hồ quang tương đối lớn

6 Không thích hợp với trường hợp ngắt thường xuyên

7 Đặt máy biến dòng bên trong khó khăn

1 Ở trạm biến áp cần thiết phải có các thiết bị nén

và lọc không khí

2 Cơ cấu chi tiết và các khâu tương đối phức tạp, mức độ chính xác gia công cao

3 Giá thành tương đối cao

4 Đặt máy biến dòng bên trong khó

Máy ngắt kiểu

tự sinh khí 1 Hoàn toàn an toàn về hỏa hoạn và phát nổ

2 Không cần dầu do đó việc vận hành đơn giản

1 Giới hạn phía trên của điện áp định mức bị hạn chế (bé hơn 15kV)

2 Mòn các bộ phận sinh khí, nên thay đổi đặc tính của thiết bị dập hồ quang, do đó phải kiểm tra trạng

thái thiết bị dập hồ quang

3 Các tiếp xúc dập hồ quang mòn tương đối lớn

4 Không phù hợp với trạm ngoài trời

Máy ngắt kiểu

điện từ 1 An toàn về hỏa hoạn và phát nổ 2 Mòn các tiếp xúc dập hồ quang

và các bộ phận công tác của thiết

bị dập hồ quang

3 Phù hợp với trạm ngắt thường xuyên

4 Năng lực ngắt tương đối cao

1 Cơ cấu thiết bị dập hồ quang với hệ thống từ thổi tương đối phức tạp

2 Giới hạn phía trên của điện áp định mức bị hạn chế (không quá 20-35 kV)

3 Ít phù hợp đối với trạm ngoài trời

ngắt không khí, ví dụ như là không an toàn về hỏa hoạn và phát nổ Cho nên máy ngắt kiểu này ít được sử dụng trong sản xuất và trong vận hành, đặc biệt cho điện áp 110 kV và cao hơn

Nhóm máy ngắt cho máy phát có đặc điểm là dòng điện định mức (bé hơn 12000A), công suất ngắt định mức rất lớn (bé hơn 4000 MVA) cũng như dòng điện ngắt giới hạn (bé hơn 150 kA)

Máy ngắt cho máy phát sử dụng máy ngắt ít dầu kiểu chậu, máy ngắt không khí (không khí trụ) là ưu việt hơn cả Về nguyên tắc mà nói cũng có thể có khả năng chế tạo máy ngắt máy phát cho tham số trung bình, trên cơ sở của nguyên tắc dập hồ quang bằng điện từ (cùng với buồng có khe hay cùng với tấm lưới)

Hiện nay máy ngắt kiểu nhiều dầu không áp dụng làm máy ngắt máy phát

mức và công suất định mức rất lớn, có thể đạt tới giá trị lớn (đến 2500 MVA) Song đặc tính vận hành của máy ngắt kiểu này kém máy ngắt không khí

Nhiệm vụ sản xuất máy ngắt máy phát với tham số thật cao (dòng điện 12.000A, công suất ngắt 4000 MVA) đặc biệt khó khăn Trong trường hợp này máy ngắt không khí

có điện trở shun dập hồ quang bên trong là phù hợp hơn cả

Chúng ta sẽ rõ ở câc

chương sau, nhờ âp dụng điện trở

shun dập hồ quang trong quâ trình

ngắt, mây ngắt có thể dễ dăng dập

tắt hồ quang lớn, mặc dù tần số của

điện âp phục hồi rất lớn đối với câc

mây phât của hệ thống điện

chọn Trong thiết kế cần phải chú ý đến câc vấn đề sau Trước hết cần phải biết mây ngắt

có thể có tâc dụng cho thiết bị không chỉ ở nhă mây điện mă cả ở câc trạm biến âp của hệ thống lớn, nhưng chủ yếu lă ở câc trạm cung cấp năng lượng của nhă mây xí nghiệp khai thâc hầm mỏ, nơi khai thâc than bùn, công nghiệp khai thâc dầu, cũng như trong mạng lưới nông nghiệp Cho nín kết cấu mây ngắt năy cần phải hết sức đơn giản, vững chắc trong vận hănh, thuận tiện trong lắp râp Mây ngắt phải sản xuất hăng loạt để giảm giâ thănh

Trước hết, mây ngắt cung cấp có thể đặt ở trạm phđn phối ngoăi trời của nhă mây điện vă trạm biến âp, ở trạm phđn phối có tủ, ở mạch mở động cơ, ở câc trạm biến âp của mạng lưới công suất nhỏ, ở câc trạm biến âp nông nghiệp kiểu ngoăi trời vă câc trạm biến âp ngầm của hầm mỏ,

Hình 1-3 Mặt cắt một pha máy ngắt SF6 cấp 110kV

1 Thanh dẫn vào; 2 Tiếp điểm làm việc; 3 Xy lanh; 4 Tiếp điểm làm việc; 5 Thanh dẫn ra; 6 Tiếp điểm hồ quang động; 7 Ống cách điện chịu nhiệt; 8 Lò xo mở; 9 Sứ cách điện

Trong nhiều trường hợp máy ngắt cần phải đảm bảo đóng ngắt nhiều lần trong thời gian một ngày đêm (ví dụ cho máy ngắt thiết bị lò điện)

Điều kiện làm việc khác nhau dẫn đến sự cần thiết phải sử dụng tất cả các kiểu máy ngắt đã kể Kinh nghiệm cho thấy rằng, hiện nay máy ngắt ít dầu và máy ngắt hồ quang dập bằng điện từ là vạn năng và hoàn chỉnh Cải tiến kết cấu và vật liệu cách điện mới vững bền hơn làm cho máy ngắt điện từ được ứng dụng rộng rãi

Cần phải đưa máy ngắt phụ tải vào nhóm đặc biệt Chúng khác với máy ngắt cao áp bình thường là ở công suất ngắt nhỏ, nhờ đó kết cấu đơn giản hơn, trọng lượng và giá thành thấp hơn Máy ngắt phụ tải cùng với cầu chì bằng giá máy ngắt cung cấp Do có lợi về kinh tế nên máy ngắt phụ tải được sử dụng rộng rãi

Các kiểu máy ngắt phụ tải thường dùng:

điểm khi ứng dụng công nghệ màng nhún cho buồng chân không)

1.5 SƠ Đồ KếT CấU MÁY NGắT

Mỗi kiểu máy ngắt có thể được thực hiện với nhiều phương án kết cấu khác nhau, nhưng mỗi phương án trình bày dưới dạng một sơ đồ biểu hiện các đặc điểm chính của kết cấu đó

Sơ đồ kết cấu cần phải thể hiện:

1) Số lượng khoảng ngắt dòng điện trong mỗi pha, cách bố trí tương đối của tiếp điểm

2) Số lượng, vị trí và cách bố trí tương đối của thiết bị dập hồ quang

3) Kết cấu của mạch dẫn điện và cách bố trí tương đối của các bộ phận dẫn điện

nối đất

các thiết bị thải khí,

7) Cách bố trí tương đối của máy ngắt và truyền động

Trong khi lập sơ đồ kết cấu, tuy lă sơ bộ nhưng cũng nín xâc định trước tương quan kích thước giữa câc bộ phận

Số lượng khoảng ngắt dòng điện trong mỗi pha vă số lượng thiết bị dập hồ quang thường được xâc định trín cơ sở đânh giâ sơ bộ khả năng dập hồ quang của mỗi khoảng ngắt dòng điện, trong thiết bị của phương ân được chọn có tính đến sự phđn điện âp theo từng quêng trong thời gian dập hồ quang Câc vấn đề tính toân khả năng, dập hồ quang của thiết bị dập hồ quang vă sự phđn bố điện âp theo câc khoảng ngắt sẽ nghiín cứu ở câc chương sau

Lập sơ đồ kết cấu lă giai đoạn mở đầu cho sự tính toân vă chế tạo mây ngắt, cần phải được tiến hănh theo trình tự đê chỉ dẫn ở trín

Hình 1-4 Sơ đồ kết cấu của câc mây ngắt nhiều dầu

b) Mây ngắt kiểu ba bình (một cực) bình tròn với mỗi cực có hai buồng dập hồ quang

c) Mây ngắt kiểu ba bình (một cực) với mỗi cực có hai buồng dập hồ quang

Hình 1-5 Sơ đồ kết cấu của một số loại máy ngắt ít dầu

a) Mỗi cực có một khoảng ngắt trong bình kim loại, dùng cho thiết bị treo tường

b) Một cực có một khoảng ngắt trong bình sứ với máy biến dòng trong sứ xuyên, dùng cho thiết bị treo trên tường

c) Mỗi cực có hai khoảng ngắt dập hồ quang trong các bình kim loại, có hệ thống tiếp điểm chính và dập hồ quang với bộ truyền động cơ khí đặt trong khung đỡ

d) Mỗi cực có một khoảng ngắt trong bình sứ, với máy biến dòng trong sứ xuyên và truyền động cơ khí đặt trong khung treo

e) Mỗi cực có một khoảng ngắt trong bình cách li có dao cách li ngoài, truyền động cơ khí đặt trong khung

đỡ

f) Hai buồng dập hồ quang đặt nghiêng, trên một sứ đỡ

g) Mỗi cực có một khoảng ngắt trong bình sứ với sứ đỡ đổ đầy dầu

h) Mỗi cực có một khoảng ngắt trong bình sứ thiết bị dập hồ quang và truyền động cơ khí cùng đặt chúng trong sứ đỡ

Một số sơ đồ kết cấu máy ngắt giới thiệu ở hình 1-4, 1-5, 1-6, 1-7 và 1-8

Các đặc tính đặc biệt của một số kết cấu máy ngắt:

1) Trong kết cấu máy ngắt ít dầu với bình cách li, khi ở vị trí ngắt các tiếp điểm dập

hồ quang còn lại trong dầu nối tiếp với khoảng ngắt dập hồ quang (nghĩa là khoảng ngắt được hình thành ở trong dầu) do tách dao cách li phụ đặc biệt, tạo thành khoảng trống trong không khí

Nhờ vậy cách điện của thiết bị dập hồ quang được bỏ đi Ở trong những máy ngắt này chỉ cho phép không dùng dao cách li trong trường hợp khi đủ lượng dầu tuyệt đối trong bình dập hồ quang và dầu không mất tính cách điện

Hình 1-6 Sơ đồ của cơ cấu các máy ngắt không khí trạm trong nhà điện áp 6-20kV

a) Một khoảng ngắt dập hồ quang trong buồng thổi dọc, truyền động gắn liền tác động hai phía, dùng cho thiết bị treo trên tường

b) Hai khoảng ngắt song song dập hồ quang cho mỗi cực, một trong hai khoảng ngắt đó được san bằng điện trở dập hồ quang với buồng thổi dọc, truyền động đặt bên trong, có dao cách li lắp kèm

c) Một khoảng ngắt cho mỗi cực trong buồng thổi không khí ngang, với truyền động gắn liền tác động hai phía

2) Hình dạng và cách bố trí các bộ phận cách điện nằm trong dầu sao cho không có

sự liên tục ngang của các bề mặt để các phần tử than nhỏ hình thành trong dầu có thể lắng xuống bề mặt đó, tạo thành con đường phóng điện theo bề mặt Loại phóng điện như vậy thường dẫn đến sự cố nặng

3) Trong các máy ngắt không khí (áp lực không khí có tác dụng đối với TĐL tức thời sử dụng truyền động khi đặt trực tiếp ở bên trong thiết bị dập hồ quang Như thế trong

a

)

nhiều trường hợp cần thiết có dao cách li phải gắn liền, nhờ nó sau khi dập tắt hồ quang tạo thành khoảng ngắt phụ, ngoài hay trong không khí nén, xem chương 4)

Hình 1-7 Sơ đồ kết cấu các máy ngắt không khí trạm ngoài trời điện áp 110kV

a) Hai khoảng ngắt đặt đứng cho mỗi cực, với sự chuyển động không khí một cách trình tự vào các buồng và dao cách li ở bên ngoài

b) Hai khoảng ngắt cho mỗi cực, với cách đặt đứng các buồng dập hồ quang và dao cách li chìm trong không khí nén

c) Hai quãng đứt cho mỗi cực, với cách đặt đứng các buồng dập hồ quang nằm ngang, sự dịch chuyển không khí song song vào các buồng, không có dao cách li

d) Hai khoảng ngắt dập hồ quang đặt trong buồng có thể tích lớn chứa đầy không khí nén cho mỗi cực, không

có dao phân li

Trong máy ngắt không khí có các bộ phận trung gian, quan hệ động giữa tiếp điểm dập hồ quang và bộ phận làm việc của truyền động làm máy ngắt loại này mất tính chất tác động nhanh

Hình 1-8 Sơ đồ kết cấu máy ngắt trạm ngoài trời điện áp 380 đến 400kV

4) Sơ đồ kết cấu máy ngắt đặt trong trạm phân phối điện có tủ (KPY) cần phải đảm bảo quan hệ giữa kết cấu máy ngắt với các bộ phận còn lại của mạch cho có lợi nhất, thường máy ngắt như thế có truyền động gắn liền trực tiếp, đảm bảo kiểm tra và sửa chữa thuận tiện trong quá trình vận hành và thay đổi máy ngắt

a

CHƯƠNG 2

TÍNH TOÁN CÁCH ĐIỆN CHUNG CỦA MÁY NGẮT

2.1 CÁC THAM Số ĐỂ TÍNH TOÁN CÁCH ĐIệN CHUNG

Trong kết cấu máy ngắt cần phải đảm bảo các cách điện:

rời

Mức độ cách điện chung cần phải phù hợp với các tiêu chuẩn kĩ thuật Mức độ này được bảo đảm bằng cách chọn khoảng cách cách điện cần thiết và các kích thước chính của các bộ phận cách điện (sứ cách điện, các tấm cách điện, các tấm ngăn, )

trước, ở sơ đồ kết cấu máy ngắt được chọn, có thể phán đoán không chỉ về kích thước khoảng cách cách điện chính và các bộ phận cách điện của kết cấu ( sứ xuyên, sứ trụ, sứ kéo, kích thước khoảng cách giữa các tiếp điểm, ) mà còn về kích thước các bộ phận riêng của mạch vòng dẫn điện và thậm chí về các kích thước chung của toàn bộ thiết bị nói riêng cho điện áp 35kV và cao hơn

Tính toán cách điện máy ngắt xuất phát từ các giá trị điện áp phóng điện của các khoảng cách đối với thang điện áp cho trước

định bằng các tiêu chuẩn đối với thang cách điện cho trước (là điện áp định mức) và một số

Các tiêu chuẩn về thử điện áp xung được áp dụng ở các nhà máy sản xuất "thiết bị điện", như nêu trong bảng 2-2 Trong trường hợp này điện áp phóng điện khô cũng giống như thế, hệ số bền vững K=1,1

Bảng 2-1: Điện áp thử tần số công nghiệp (theo ΓOCT - 42)

và máy biến dòng

Máy biến áp

máy biến

áp đo lường

Sào cách điện Trạm trong nhà

Trạm ngoài trời

Cầu dao

và cầu chì

Trạm trong nhà

Trạm ngoài trời

Điện áp phóng điện ướt của thiết

và của sứ cách điện trạm ngoài trời, kV

400kV

Bảng 2-2: Điện áp thử xung

Điện áp định mức, kV Dạng điện áp thử

3 6 10 15 20 35 110 150 220 Điện áp thử xung các sứ cách điện và

các thiết bị (kV) bằng sóng đầy

Cũng như thế bằng sóng cắt 2μs

Cũng như thế, giữa các tiếp điểm tách

rời của cầu dao và của cầu chì (sóng

Trong khi chọn điện áp thử đối với cách điện thiết bị ở điện áp định mức cao hơn 400kV thì bội số quá điện áp đóng mở ít hơn (thay 2,5 vào chỗ 3 trong bảng) cho nên các đặc tuyến cách điện của các thang điện áp này có thể tính bằng cách giảm đặc tuyến ở 400

kV xuống theo hệ số:

3

2,5400

U

1 =

Uđm : là điện áp định mức của máy ngắt được thiết kế

Cần phải nghiên cứu phương pháp chọn trị số điện áp phóng điện tính toán cho các khoảng ngắt giữa các tiếp điểm của thiết bị dập hồ quang máy ngắt, sau khi dập tắt hồ quang trong một thời gian ngắn cách điện của thiết bị dập hồ quang không mang điện Trong trường hợp mỗi cực máy ngắt có một khoảng ngắt, dập hồ quang thì điện áp phóng điện tính toán có thể tìm trị số biên độ điện áp phục hồi theo công thức sau:

m a

phâ K K , U

Trong đó K0 = 1,5 : là hệ số dự trữ

Ka = 1,6: là hệ số vượt quá biên độ lớn nhất

Uđm : là điện áp định mức của máy ngắt

Bảng 2-3: Điện áp thử đối với thiết bị điện xoay chiều điện áp 400 kV

Cũng như thế bằng sóng cắt 2μs

Điện áp thử các sứ cách điện khi tầ số 50Hz

Cũng như thế đối với máy biến dòng và máy ngắt

không đều trên các khoảng ngắt trong lúc nối đất một cực ra của máy ngắt (ví dụ sau khi ngắt một pha chạm đất) Trong trường hợp này trị số biến đổi điện áp phóng điện lớn nhất của một trong các khoảng ngắt có thể tính theo phương trình:

p âm a

n

U,

KK

Trong đó:

n : là số lượng khoảng ngắt ở mỗi cực

Kp : là hệ số kể đến sự phân bố điện áp phục hồi không đều

Các phương pháp tính điện áp phân bố theo từng khoảng ngắt của một cực sẽ được nghiên cứu sau Trong các máy ngắt cao áp cũng như trong các thiết bị cao áp, khi làm mất tính chất cách điện của từng bộ phận kết cấu mang đặc tính khác nhau sinh ra hư hỏng Sự

hư hỏng này xác định khả năng làm việc sau này của thiết bị

Thực tế sự phóng điện ở các khoảng ngắt phối hợp và khoảng ngắt khác trong không khí là không nguy hiểm Nhưng sự phóng điện theo bề mặt các sứ cách điện ở ngoài trời là nguy hiểm ( trừ trường hợp hồ quang qua lỗ chảy kéo dài) vì sự phóng điện hầu như không để lại dấu vết gì trên bề mặt sứ

Những trường hợp phóng điện ở phía trong các hốc khép kín chứa đầy không khí của sứ cách điện (đặc biệt ở máy ngắt không khí) có thể cho là tương đối nguy hiểm

điện khác của sứ vào và của sứ trụ, các miếng đệm cách điện rắn, Do bị đánh thủng thì các bộ phận cách điện thường không dùng được nữa và gây nên sự cố

Rất nguy hiểm trong các trường hợp làm mất tính chất cách điện bên trong (bên trong bình) do đánh thủng các khoảng ngắt cách điện trong dầu hay trong không khí ở các hốc bên trong của máy ngắt ít dầu Các trường hợp như thế có thể gây nên những hậu quả nặng, hư hỏng không chỉ bản thân máy ngắt mà cả kết cấu trạm phân phối (đặc biệt trạm trong nhà)

Trong khi tính cách điện chung cho máy ngắt cần phải tính trước sự phối hợp cách điện giữa các bộ phận kết cấu của máy ngắt Bản chất của sự phối hợp này là: đối với bộ phận cách điện quan trọng phải có một dự trữ kết cấu theo bản vẽ điện được tính bằng hệ số

p K U

U .ât =Trong đó:

Kp : là hệ số dự trữ (độ bền) xem bảng 2-4

Upđ : là trị số tiêu chuẩn của điện áp phóng điện (ở tần số công nghiệp hay ở chế độ xung)

hành tính chính xác cách điện của từng bộ phận của máy ngắt như: sứ vào, màng tĩnh điện, cách điện của buồng dập hồ quang, sứ kéo, điện trở shun,

2.2 PHƯƠNG PHÁP TÍNH GầN ĐÚNG CÁCH ĐIệN CHUNG

Tính cách điện chung bao gồm giải quyết những nhiệm vụ sau:

thước các điện cực tạo thành các khoảng ngắt đã chọn

3) Tính kích thước nhỏ nhất cho

phép của các khoảng ngắt cách điện đã

tính Căn cứ vào các đường đặc tính

hồ quang điện có thể hay xảy ra nhất,

tiến hành chọn các khoảng ngắt phải

tính trong sơ đồ kết cấu máy ngắt Như

vậy cần chú ý đến các tính chất đặc biệt

của kết cấu máy ngắt thiết kế, trong

trường hợp riêng: khả năng có thể xảy

ra hồ quang ở ngoài giới hạn buồng, xác

suất tạo thành bọt khí hơi trong dầu,

trong vùng khoảng ngắt, khả năng đốt

nóng quá mức của khí hay của không

khí ở chỗ dự đoán phóng điện,

cấu máy ngắt kiểu nhiều dầu với các

đường phóng điện có thể xảy ra nhất, từ

các đường đo xác định chỗ đặt các

khoảng ngắt cách điện phải tính Chiều

dài của chúng ký hiệu bằng chữ S

tính toán ban đầu ở tần số công nghiệp hay chế độ xung cần phải căn cứ đòi hỏi về độ bền vững của từng khoảng ngắt (có các tấm ngăn, các màng tĩnh điện, ) tiến hành tính các kích thước nhỏ nhất của những khoảng ngắt Ngoài ra, cần phải chú ý đến một số yếu tố có ảnh hưởng đến sự thay đổi hình dạng điện trường và làm xấu trạng thái cách điện (ví dụ: điện cực phát tia sáng, sự tạo thành muội than trên các bề mặt cách điện, )

Hình 2-1 Các khoảng ngắt phóng điện chính trong máy

Bảng 2-4: Các giá trị (định hướng) của hệ số dự trữ k p

Khoảng ngắt lỗ và bề mặt ngoài của sứ cách điện trong không khí

Đồ gốm làm việc bị điện đánh thủng ở tần số công nghiệp

Đồ gốm làm việc bị điện đánh thủng ở chế độ xung

Giấy dầu và rãnh dầu cách điện cũng như các bộ phận cách điện khác làm việc bị đánh

thủng ở tần số công nghiệp

Cũng như thế ở chế độ xung

Các khoảng ngắt cách điện trong không khí hay trong dầu nằm ở trong bình của máy

ngắt nhiều dầu

Các khoảng ngắt cách điện trong không khí hay trong dầu nằm ở trong buồng dập hồ

quang của máy ngắt ít dầu không có dao cách li

Cũng như thế cho máy ngắt có dao cách li

Khoảng ngắt cách điện trong dầu ở trong sứ trụ (trường hợp dầu hỏng do bị hồ quang

sự phụ thuộc của điện áp phóng điện ở các môi trường cách điện khác nhau vào các khoảng cách nhỏ nhất giữa các điện cực có hình dáng và kích thước khác nhau Các tham số thí nghiệm ở dạng các đường cong hay các công thức tính toán chung giới thiệu trong các giáo

Một vài đường cong điện áp

phóng điện tương ứng trong các hình

2-2, 2-3, 2-4, 2-5 và 2-6 và các công

thức tính toán thường áp dụng nhất

trong bảng 2-5

Tất cả các tham số đều đúng với

các điều kiện khí quyển bình thường áp

suất p=760 mmHg, nhiệt độ không khí

t0=20oc

Các điện cực

Thanh - thanh nối đất

quyển tiêu chuẩn

có thể chính xác hóa và thay đổi các

kích thước tính toán của một số khoảng

sự phối hợp của cách điện từng bộ phận

được chọn với kết cấu cụ thể

2.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH GầN ĐÚNG SỰ PHÂN BỐ ĐIỆN ÁP CHO TỪNG

KHOẢNG NGẮT TRÊN MỘT CỰC

loạt khoảng ngắt (sự phân bố điều hòa điện áp phục hồi hay điện áp sử dụng, dài hạn theo từng khoảng ngắt có ý nghĩa quan trọng)

Hình 2-3 Điện áp phóng điện khô của sứ cách điện

Nếu trong kết cấu máy ngắt không có các thiết bị đặc biệt để làm điều hòa điện áp, thì sự phân bố điện áp không điều hòa theo các khoảng ngắt có thể rất lớn

Bảng 2-5: Các công thức về quan hệ giữa điện áp phóng điện ở tần số công nghiệp và

khoảng cách giữa các điện cực

Loại môi trường, hình dáng các điện cực và kích thước giới

Phóng điện khi trong không khí điện cực kim-kim không

nối đất, S>8 cm

Phóng điện khô trong không khí, kim-kim nối đất, S>8 cm

Phóng điện khô trong không khí, thanh -thanh nối đất,

S>10 cm

Phóng điện khô trong không khí, sứ trụ kiểu khác nhau

Phóng điện khô trong không khí theo bề mặt của sứ trụ mặt

phẳng l<15cm

Đánh thủng trong dầu, kim - mặt phẳng S≥10 cm

Đánh thủng trong dầu, kim -kim, S>1 cm

Phóng điện khô trong không khí nén giữa các hình xuyến

ống đồng trục d=3,2 cm với các đầu mút tròn, ở áp suất p

[at]

]kV[S,

uK =14+3 36

]kV[S,

uK =14+3 16

]kV[S,

uK =4 75

]kV[J,

K

93 0

95 3

=

]kV[l,

uK =10 4 ,7

]kV[S

uâth =30 ,7

]kV[S

uâth =39 ,7

45 0

Maĩ H ep "

Âepô và Âỉịị

Hình 2-4 Điện áp phóng điện khô của các kết cấu cách điện trụ có vòng điều hòa điện áp

Ví dụ, trong máy ngắt kiểu nhiều dầu có hai khoảng ngắt cho mỗi cực, khi nối đất một phía của một cực, điện áp của một trong các khoảng ngắt có thể đạt tới 85% điện áp sử dụng

Trong máy ngắt không khí và máy ngắt ít dầu có nhiều khoảng ngắt, sự phân bố điện áp cũng không điều hòa, từ hình 2-7 ta thấy rõ điều này

Trong các máy ngắt việc dập tắt hồ quang sẽ bị hạn chế khi không có các điện trở shun đặc biệt

Sự phân bố điện áp theo các khoảng ngắt có thể tính bằng cách phân bố điện áp tĩnh trên tất cả các khoảng ngắt, khoảng ngắt được tạo ra giữa các phần dẫn điện kể cả tương đối với nhau và với đất

Trong trường hợp này phải xem kết cấu máy ngắt giống như hệ thống điện cực ( tất

cả các phần kim loại của máy ngắt có điện cực, hệ thống điện cực) cách li với đất

Ảnh hưởng của đất có thể thay thế bằng sự có mặt của một hệ thống khác dạng soi gương

Sự tính toán dẫn đến xác

định hiệu điện thế giữa các điện

cực dựa trên cơ sở của phương

thuận tiện hơn để tính toán là

dạng elípxoít quay cho phương

trình bề mặt đã biết

là: các tham số hình học của hệ

thống (kích thước và hình dáng

của điện cực, cách bố trí tương

hỗ của chúng với nhau và đối

với đất, hệ số điện môi của môi

trường và trị số tương đối của

điện áp đối với các điện cực

riêng biệt) Phân tích chính xác

bài toán cụ thể trong dạng chung thường gặp phải khó khăn là do không đưa ra dạng giải tích được Cho nên trong thực tế chúng ta có thể sử dụng các phương pháp tính đơn giản, gần đúng, sẽ được đề cập dưới đây

hơn) được biểu hiện bằng các thông số đặc trưng, là kích thước hình học của các phần dẫn điện và các loại sứ cách điện tạo thành các khoảng ngắt, khoảng cách đối với đất tương đối

bé hơn

Trong các trường hợp này sự phân bố điện áp rất đơn giản, các điều kiện khi tính gần đúng sơ bộ gồm:

hưởng ít đến điện dung của thanh cái trong các điện cực đối với đất

2) Khi các điện cực nằm theo chiều thẳng đứng (cái nọ trên cái kia) thay đổi vị trí của một điện cực không ảnh hưởng đến điện dung của điện cực khác đối với đất

Sự đơn giản hóa như thế cho phép coi rằng, điện dung tương hỗ của từng điện cực đối với đất là độc lập và khi tính sự ảnh hưởng lực điện động của các điện cực khác nằm trong từ trường, ngoài các điện cực đang xét

Hình 2-6 Điện áp đánh thủng giữa các tham số trong dầu

10 20 30 40

50 S[ cm]

U âth [ kV]

}1/50μ

s }1/10μ

s

Khi đó cách tính sự

phân bố điện áp tiến hành theo

thứ tự như sau:

từng khoảng ngắt giữa các tiếp

điểm và tính điện dung đối với

đất

điện dung tương đương

phương pháp tính toán chung

cho các mạch điện áp xoay chiều, có thể tìm được điện áp phân bố theo các điện dung của từng khoảng ngắt Tính toán thường được tiến hành cho trường hợp đặc trưng và bất lợi nhất: khi một trong các đầu ngoài cùng của cực máy ngắt nối đất, còn điện áp toàn phần đặt vào đầu khác Để đơn giản và thuận tiện trong tính toán các điện dung nên biến đổi tương

đương hình dáng các điện cực phức tạp Ví dụ: hình trụ tương đối không cao có thể thay thế

bằng hình cầu tương đương có bán kính:

1 2

=

b

Rb

RR

barsh

b

của chúng có thể tìm theo phương trình:

mn

mnrnr

1 12

Điện dung tương hỗ giữa hai quả cầu bán kính với mặt phẳng nối đất có thể tính một cách gần đúng theo công thức:

Hình 2-7 Phân bố điện áp theo các khoảng ngắt của máy ngắt

không khí khi không có thiết bị điều hành

C 8h

tính điện dung của từng khoảng ngắt cũng còn gặp nhiều khó khăn Ví dụ: khi khoảng ngắt được tạo bởi các hình xuyến của ống đồng trục (của các tiếp điểm nằm ở phía trong sứ cách điện chứa dầu hay chứa không khí, hoặc khi sứ cách điện có kích thước tương đối lớn nằm trong khoảng ngắt giữa các điện cực)

Điện dung của các hệ thống như thế được xác định trên cơ sở của những số liệu thí nghiệm bằng mô hình hay tính gần đúng

Thực nghiệm cho thấy rằng, điện dung giữa các thiết bị ngoài cùng của trụ sứ dập

hồ quang máy ngắt ít dầu điện áp 110kV với một khoảng ngắt có thể sơ bộ lấy bằng hai lần trị số điện dung tương hỗ tính cho hệ thống điện cực này, không tính đến sứ cách điện và dầu

Trong các kết cấu máy ngắt cao áp hiện đại có nhiều khoảng ngắt trong mỗi cực, điều hòa sự phân bố điện áp cơ bản được thực hiện bằng hai biện pháp:

1) Shun tất cả các khoảng ngắt bằng điện trở thuần trị số lớn giống nhau (thường bằng điện trở trị số 0,5 - 1MΩ đối với máy ngắt điện áp 400kV)

2) Shun các khoảng ngắt ngoài rìa của cực bằng các điện dung

Trong khi sử dụng biện pháp thứ hai không cần phải ngắt dòng điện còn lại đi qua điện trở shun sau khi dập tắt hồ quang như cần thiết phải làm trong biện pháp thứ nhất

Hình 2-8 Để tính điện áp phân bố theo các khoảng ngắt của máy ngắt

Trong một số trường hợp cần thiết shun các khoảng ngắt dập hồ quang bằng điện

quá điện áp nội bộ xuất hiện trong quá trình ngắt

bằng điện dung là không thích hợp

2.4 VÍ Dụ Về TÍNH CÁCH ĐIệN CHUNG

Chúng ta sẽ tiến hành tính cách điện chung của máy ngắt dầu điện áp 110kV Dạng chung và sơ đồ kết cấu một cực của máy ngắt như thế ở hình 2-9a,b Đối với kết cấu này các khoảng ngắt cách điện tính toán gồm có:

S1 : là khoảng ngắt không khí giữa để nối đất giữa I và vỏ kim loại của bộ phận dập

hồ quang II

Trong khi không có các điện cực qui chiếu phu, khoảng ngắt này sẽ tương ứng với chiều cao sứ trụ

S2 : là chiều cao sứ cách điện của buồng dập hồ quang

S3: là khoảng ngắt giữa các tiếp điểm dập hồ quang mở rời hoàn toàn trong dầu

S4 : là khoảng ngắt giữa đế tiếp điểm cố định IV của dao cách li và rìa ngoài phía trên màn che nắp trung gian của trụ xoay V

Chiều cao sứ cách điện của máy biến dòng được sử dụng sứ trụ của dao phân li, và chiều cao sứ cách điện phía đi của trụ xoay lấy bằng trị số khoảng ngắt chính S1 Chiều sứ cách điện phía trên của trụ xoay nhận bằng trị số S2

Theo các yêu cầu của tiêu chuẩn ΓOCT 1516 -42 để chọn điện áp phóng điện

Chúng ta tìm giá trị điện áp phóng điện cho dao cách li hợp với bảng 2-1, đối với thang cách điện 110kV:

thì điện áp phóng điện khô của khoảng ngắt

kV

quang (khoảng ngắt S2), do đó có dao cách li, tìm theo phương trình (2-2)

âm a

p k k , U

Nhận xét : Với máy ngắt không có dao cách li, điện áp: phóng điện tính toán của S2

cũng lấy bằng điện áp phóng điện khô:

kV

2 =

của máy ngắt (khoảng ngắt S3 trong dầu) từ phương trình (2-3) và bảng 2-4:

kV

,U.k

2

Theo các giá trị điện áp phóng điện, tìm trị số nhỏ nhất của các khoảng ngắt S1 và

S2, S3 và S4 tương ứng với các đường cong ở hình 3 (đường cong 2), hình 6 và hình

2-2

S1 =98cm S; 2 =70cm S; 3 =16cm S; 4 =100cm Phương pháp tính độ bền vững của cách điện đối với điện áp xung tương tự như trên Trong trường hợp này phải qui định các tiêu chuẩn điện áp phóng điện xung đối với từng thang cách điện cụ thể và các đường cong thí nghiệm tương ứng hay những công thức tính các trị số các khoảng ngắt phóng điện Nguyên tắc phối hợp cách điện từng bộ phận riêng biệt của kết cấu cũng tính ở tần số công nghiệp

Hình 2-9 Cách điện chung của máy ngắt ít dầu

II I

I I