Đồ án Tìm hiểu các khí cụ điện hạ áp và trung áp

Khí cụ điện là thiết bị dùng để đóng cắt, bảo vệ, điều khiển, điều chỉnh các lưới điện, mạch điện, các loại máy điện và các máy trong quá trình sản xuất. Khí cụ điện làm việc lâu dài trong các mạch dẫn điện , nhiệt độ của khí cụ điện tăng lên gây tổn thất điện năng dưới dạng nhiệt năng và đốt nóng các bộ phận dẫn điện và cách điện của khí cụ. Vì vậy khí cụ làm việc được trong mọi chế độ khi nhiệt độ của các bộ phận phải không quá giá trị cho phép làm việc an toàn lâu dài.

Lời nói đầu

Đất nước đang ngày càng phát triển, quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đangdiễn ra mạnh mẽ Để thực hiện được thì phải có nguồn năng lượng, mà điện năng chiếm một vai trò rất quan trọng Điện năng cung cấp cho mọi ngành, mọi lĩnh vực, mọi đối tượng Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng điện thì không tránh khỏi những sự

cố, rủi ro xảy ra như hiện tượng quá điện áp, quá dòng điện, hiện tượng ngắn mạch…

Để đảm bảo vấn đề an toàn tính mạng cho con người, bảo vệ các thiết bị điện và tránh những tổn thất kinh tế có thể xảy ra thì khí cụ điện ngày càng được đòi hỏi nhiều hơn, chất lượng tốt hơn và luôn đổi mới công nghệ Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật thì các loại khí cụ điện hiện đại được sản xuất ra luôn đảm bảo khả năng tự động hóa cao

Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy BÙI ANH TUẤN trong thời gian làm đồ án môn học nhóm chúng em đã hoàn thành được đồ án môn học với đề tài

“TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI KHÍ CỤ ĐIỆN HẠ ÁP VÀ TRUNG ÁP”

Mặc dù đã có nhiều cố gắng song do hiểu biết kiến thức còn nhiều hạn chế, thời gian có hạn và kinh nghiệm thục tế còn ít, nên trong quá trình thiết kế đồ án chúng em còn mặc những sai sót nhất định Vì vậy, chúng em rất mong có sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn sinh viên

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Mục lục

LỜI NÓI ĐẦU……….3

KHÁI QUÁT VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN………5

PHẦN 1: CẦU CHÌ 1 Khái niệm và yêu cầu……….5

2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động……….6

PHẦN 2: RƠ LE 1 Khái niệm chung về rơ le……… 9

2 Rơ le nhiệt……… 9

3 Rơle thời gian……… 11

4 Rơle điện từ……… 12

5 Rơle dòng điện……….13

6 Rơle điện áp……….13

7 Rơle vận tốc……….13

PHẦN 3: MÁY CẮT CHÓNG DÒNG ĐIỆN RÒ 1 Chức năng……….14

2 Đặc điểm cấu tạo của RCCB……….14

3 Nguyên lý hoạt động ………15

4 Sự tác động của thiết bị chống dòng điện rò……….17

PHẦN 4: ÁP TÔ MÁT 1 Công dụng……….18

2 Phân loại, ký hiệu……… 19

3 Cấu tạo và nguyên lí làm việc……… 19

PHẦN 5: CONTACTOR 1 Khái niệm……… 22

2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động………22

3 Các thông số cơ bản của contactor………24

PHẦN 6: KHỞI ĐỘNG TỪ 1 Khái quát và công dụng……….25

2 Các yêu cầu kỹ thuật……….26

3 Kết cấu và nguyên lý làm việc……… 26

4.Lựa chọn và lắp đặt khởi động từ……… 27

PHẦN 7: CÔNG TẮC 1 Khái quát và công dụng……….28

2 Phân loại và cấu tạo……….……….… 29

3 Các thông số định mức của công tắc……… …….… 29

4 Các yêu cầu thử của công tắc………29

KHÁI QUÁT VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN

Khí cụ điện là thiết bị dùng để đóng cắt, bảo vệ, điều khiển, điều

chỉnh các lưới điện, mạch điện, các loại máy điện và các máy trong quá trình sản xuất

Khí cụ điện làm việc lâu dài trong các mạch dẫn điện , nhiệt độ của khí cụ điện tăng lên gây tổn thất điện năng dưới dạng nhiệt năng và đốt nóng các

bộ phận dẫn điện và cách điện của khí cụ Vì vậy khí cụ làm việc được trong mọi chế độ khi nhiệt độ của các bộ phận phải không quá giá trị cho phép làm việc an toàn lâu dài

 Phân loại, các yêu cầu cơ bản của khí cụ điện

a) Phân loại

Khí cụ điện được phân ra các loại sau:

- Khí cụ điện dùng để đóng cắt các mạch điện: Cầu dao, máy cắt, aptomat,……

- Khí cụ điện dùng để mở máy: Công tắc tơ, khởi động từ, bộ khốngchế chỉ huy……

- Dùng để bảo vệ ngắn mạch của lưới điện: Cầu chì, áptômat, các loại máy cắt, Rơle nhiệt…

b) Các yêu cầu cơ bản của khí cụ điện

Khí cụ điện phải đảm bảo một số yêu cầu:

- Khí cụ điện đảm bảo làm việc lâu dài với các thông số kĩ thuật ở trạng thái làm việc định mức: Uđm, Iđm

- Ổn định nhiệt, điện động có cường độ cơ khí cao khi quá tải, khi ngắn mạch, vật liệu cách điện tốt, không bị chọc thủng khi quá dòng

- Khí cụ điện làm việc chắc chắn, an toàn khi làm việc

PHẦN 1: CẦU CHÌ

1.KHÁI NIỆM VÀ YÊU CẦU

Cầu chì là một loại khí cụ điện dùng để bảo vệ thiết bị và lưới điện tránh sự cố ngắn mạch, thường dùng để bảo vệ cho đường dây dẫn, máy biến áp,động cơ điện, thiết bị điện, mạch điện điều khiển, mạch điện thắp sáng

Một số hình ảnh của cầu chì dùng cho hạ áp và trung áp

Cầu chì có đặc điểm là đơn giản, kích thước bé, có khả năng cắt lớn và giá thành hạ nên được ứng dụng rộng rãi

Các tính chất và yêu cầu của cầu chì:

- Cầu chì có đặc tính làm việc ổn định, không tác động khi có dòng điện mở máy và dòng điện định mức lâu dài đi qua

- Đặc tính ampe-giây (A-s) của cầu chì phải thấp hơn đặc tính của đối tượng bảo vệ

- Khi có sự cố ngắn mạch cầu chì tắc động phải có tính chọn lọc việc thay thế cầu chì bị cháy phải dễ dàng và tốn ít thời gian

2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

2.1 Cấu tạo

Cầu chì bao gồm các thành phần sau:

+ Phần tử ngắt mạch: Đây chính là thành phần chính của cầu chì, phần tử nàyphải có khả năng căm nhận được giá trị hiệu dụng của dòng điện qua nó Phần

tử này có giá trị điện trở suất bé (thường bằng bạc, đồng, hay các vật liệu dẫn cógiá trị điện trở suất nhỏ lân cận với các giá trị trên…) Hình dạng của phần tử cóthể ở dạng là một dây (tiết diện tròn), dạng băng mỏng

+ Thân cầu chì: Thường bằng thủy tinh, gốm sứ hay các vật liệu khác tương đương Vật liệu tạo thành thân của cầu chì phải đảm bảo 2 tính chất:

+ Các đấu nối: Các thành phần này dùng định vị cầu chì trên các thiết bị đóng ngắt mạch, đồng thời phải đảm bảo tính tiếp xúc điện tốt

2.2 Nguyên lý hoạt động

Đặc tính cơ bản của cầu chì là sự phụ thuộc của thời gian chảy đứt với dòng điện chạy qua (đặc tính ampe – giây) Để có tác dụng bảo vệ, đường ampe – giây của cầu chì tại mọi điểm phải thấp hơn đặc tính của đối tượng cần bảo vệ + Đối với dòng điện định mức của cầu chì: Năng lượng sinh ra do hiệu ứng Joule khi có dòng điện định mức chạy qua sẽ tỏa ra môi trường và không gây nên sự nóng chảy, sự cân bằng nhiệt sẽ được thiết lập ở mọi giá trị mà không gây ra sự già hóa hay phá hỏng bất cứ phần tử nào của cầu chì

+ Đối với dòng điện ngắn mạch của cầu chì: Sự cân bằng trên cầu chì bị phá hủy, nhiệt năng trên cầu chì tăng cao và dẫn đến sự phá hủy cầu chì

Người ta phân thành hai giai đoạn khi xảy ra sự phá hủy cầu chì:

- Quá trình tiền hồ quang (tp)

- Quá trình sinh ra hồ quang (ta)

Giản đồ thời gian của quá trình phát sinh hồ quang

Trong đó:

t0: thời điểm bắt đầu sự cố

tp: thời điểm chấm dứt giai đoạn tiền hồ quang

tt : thời điểm chấm dứt quá trình phát sinh hồ quang

 Quá trình tiền hồ quang: giả sử tại thời điểm t0 phát sinh sự quádòng, trong thời gian tp làm nóng chảy cầu chì và phát sinh hồ quang điện.khoảng thời gian này phụ thuộc vào giá trị dòng điện tạo nên do sự cố và sự cảmbiến của cầu chì

 Quá trình phát sinh hồ quang: tại thời điểm tp hồ quang sinh ra chođến thời điểm t0 mới dập tắt toàn bộ hồ quang Trong suốt quá trình này, nănglượng sinh ra do hồ quang làm nóng chảy các chất làm đầy tại môi trường hồquang sinh ra; điện áp ở hai đầu cầu chì hồi phục lại, mạch điện được ngắt ra

2.3 Phân loại,ký hiệu, công dụng

Cầu chì dùng trong lưới điện hạ thế có nhiều hình dạng khác nhau,trong

sơ đồ nguyên lý thường ký hiệu cho cầu chì theo một trong các dạng sau :

FUSE

Cầu chì có thể chia thành hai dạng cơ bản, tùy thuộc vào nhiệm vụ:

+ Cầu chì loại g: cầu chì dạng này chỉ có khả năng ngắt mạch, khi có sự

cố hay quá tải hay ngắn mạch xảy ra trên phụ tải

+ Cầu chì loại a: cầu chì dạng này chỉ có khả năng bảo vệ duy nhất trạngthái ngắt mạch trên tải

Muốn phân biết nhiêm vụ làm việc của cầu chì, ta cần căn cứ vào đặc tuyến Ampe-giây ( là đường biểu diễn mô tả mối quan hệ giữa dòng điện qua cầu chì và thời gian ngắt mạch của cầu chì)

Gọi Icc: giá trị dòng điện ngắn mạch

Is : giá trị dòng điện quá tải

Với cầu chì loại g: Khi có dòng Icc qua mạch nó phải ngắt mạch tức thì, và khi

có dòng Is qua mạch cầu chì không ngắt mạch tức thì mà duy trì ở một khoảng thời gian mới ngắt mạch (thời gian ngắt mạch và giá trị dòng Is tỉ lệ nghịch với nhau)

Do đó nếu quan sát 2 đặc tính Ampe-giây của hai loại cầu chì a và g, ta thấy đặc tính Ampe-giây của cầu chì a nằm xa trục thời gian (trục tung) và cao hơn đặc tính Ampe-giây của cầu chì loại g

Đặc tính Ampe-giây của các loại cầu chì

2.4 Các đặc tính điện áp của cầu chì

- Điện áp định mức là giá trị điện áp hiệu dụng xoanh chiều xuất hiện ở hai đầu cầu chì (khi cầu chì ngắt mạch), tần số của nguồn điện trong phạm vi 48Hz đến 62Hz

- Dòng điện định mức là giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều mà cầu chì có thể tải liên tục thường xuyên mà không làm thay đổi đặc tính của nó

- Dòng điện cắt cực tiểu là giá trị nhỏ nhất của dòng điện sự cố mà dây chì

có khả năng ngắt mạch Khả năng cắt định mức là giá trị cực đại của dòng điện

ngắn mạch mà cầu chì có thể cắt.

Sau đây là các vị trí của các biểu đồ của các dòng điện khác nhau:

PHẦN 2: RƠ LE

1 Khái niệm chung về rơle:

Rơle là loại khí cụ điện tự động mà đặc tính vào ra có tính chất tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp (đột ngột) khi tín hiệu đầu vào đạt 1 giá trị xác định nào đó

2 Rơle nhiệt.

2.1 Khái niệm

+ Rơ le nhiệt được sử dụng để bảo vệ quá dòng hoặc quá nhiệt Khi dòng điện quá lớn hoặc vì một lý do gì đó nhiệt độ cuộn dây mô tơ quá cao Rơ le nhiệt ngắt mạch điện để bảo vệ mô tơ máy nén

+ Rơ le nhiệt có thể đặt bên trong hoặc bên ngoài máy nén Trường hợp đặt bên ngoài rơ le nhằm bảo vệ quá dòng thường được lắp đi kèm công tắc tơ Một

số máy lạnh nhỏ có bố trí Rơ le nhiệt bên trong ở ngay đầu máy nén

+ Rơ le nhiệt là loại rơle có đại lượng tác động đầu vào là nhiệt độ, đại lượng

đầu ra là sự thay đổi các thông số điện hay trạng thái đóng mở tiếp điểm của rơle

Thường dùng để bảo vệ quá nhiệt cho động cơ, khống chế nhiệt độ cho các thiết bị trong gia đình như lò sấy, bình đun nước nóng, bàn là, và các thiết bịcông nghiệp khác

(Rơle nhiệt HiTH) (LRDO3) Một số hình ảnh về rơle nhiệt.

2.2 Cấu tạo rơle nhiệt

Rơle nhiệt gồm có các bộ phận chính: Bộ phận nhạy cảm với nhiệt độ đầu vào (cảm biến), bộ phận so sánh, hệ thống tiếp điểm ở đầu ra, và bộ phận điều chỉnh các thông số làm việc của rơle

Rơle nhiệt lắp trong máy nén.

1- Dây nối, 2- Chụp nối; 3- Chốt tiếp điểm; 4- Đầu cực 5- Tiếp điểm; 6- Cơ cấu lưỡng kim; 7- Điện trở; 8- Thân; 9- Vít

2.3 Rơ le nhiệt và mạch điện

Phần tử cơ bản của rơ le nhiệt là một cơ cấu lưỡng kim gồm có 2 kim loại khác nhau về bản chất, có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau và hàn với nhau Bản lưỡng kim được đốt nóng bằng điện trở có dòng điện của mạch cần bảo vệ chạy qua Khi làm việc bình thường sự phát nóng ở điện trở này không đủ để cơ cấu lưỡng kim biến dạng Khi dòng điện vượt quá định mức bản lưỡng kim bị đốt nóng và bị uốn cong, kết quả mạch điện của thiết bị bảo vệ hở

Hình ảnh rơle nhiệt và mạch điện.

3 Rơle thời gian

Dùng để duy trì thời gian đóng chậm hoặc mở chậm của hệ thống tiếp điểm

so với thời điểm đưa tín hiệu tác động vào rơle.Thời gian chậm này có thể vài phần giây cho đến hàng giờ

Hoạt động trên nguyên tắc tác động lực điện tử tạo nên nam châm điện để hút phần động ( phần nắp) khép kín mạch từ ( tất nhiên là phần động mang theo tiếp điểm động để đóng mở với tiếp điểm tĩnh)

Rơ le thời gian là loại có tiếp điểm đóng, mở chậm ( delay) để tạo nên khả năng điều khiển theo ý con người để thực hiện một mục đích, chương trình điều khiển nào đó Hiện nay rơ le thời gian có nhiều loại khác loại điện từ trên kia như: role thoài gian bán dẫn, điện tử, khối time trong PLC hoặc lập trìnhdelay bằng các vi điều khiển AVR, PSOC

Cấu tạo

4 Rơle điện từ

Dạng phổ biến nhất của rơle cơ điện gồm một cuộn dây điện được cuốn trên một lõi sắt từ Bộ phận này có cả một phần tĩnh được gọi là Ách từ (Yoke)và một phần động được gọi là Phần ứng (Armature).Phần ứng được liên kết cơ học với một tiếp điểm động.

Khi cuộn dây được cấp điện, từ trường được tạo ra xung quanh cuộn và được lõi tập trung lại Nam châm điện này hút phần ứng động để mở hoặc đóng trực tiếp các tiếp điểm điện

Khi rơle bị ngắt điện (TẮT) từ trường biến mất và phần ứng, được lò xo phản hồi hỗ trợ, đưa tiếp điểm trở lại vị trí “bình thường” của nó

Tiếp điểm là một bộ phận quan trọng của thiết kế rơle Tiếp điểm rơle chuyển mạch dòng điện và điện áp cho các loại thiết bị điện hoặc “tải” khác nhau Thiết kế tiếp điểm và vật liệu làm tiếp điểm là hai vấn đề trọng yếu đối với hiệu suất của rơle

Tiếp điểm rơle là những mảnh kim loại dẫn điện tiếp xúc với nhau để tạo ra một mạch giống như công tắc

Rơle điện từ có các đặc điểm:

- Công suất điều khiển Pđk từ vài W đến hàng nghìn W

- Công suất tác động Ptđ từ vài phần W đến hàng trăm W

5 Rơle dòng điện:

- Dùng để bảo vệ quá tải và ngắn mạch

- Cuộn dây hút có ít vòng và cuốn bằng dây to mắc nôid tiếp với mạch điện cần bảo vệ,thiết bị thường đóng nắt trên mạch điều khiển

- Khi dòng điện của động cơ tăng lớn đến trị số tác động của rơle,lực hút nam chân thắng lực cản của lò xo làm mở tiếp điểm của nó, ngắt mạch điện điều khiển qua contactor,mở các tiếp điểm của nó tách động cơ ra khỏi lưới

6 Rơle điện áp:

- Dùng để bảo vệ sụt áp mạch điện

- Cuộn dây hút cuốn bằng dây nhỏ nhiều vòng mắc song song với mạch điện cần bảo vệ.Khi điện áp bình thường ,rơle tác động sẽ làm nóng tiếp điểm của nó Khi điện áp sụt thấp dưới mức qui định, lực lò xo thắng lực hút của nam châm và mở tiếp điểm

PHẦN 3: MÁY CẮT CHÓNG DÒNG ĐIỆN RÒ

1 Chức năng

Máy cắt chóng dòng điện rò(RCCB) được dùng để chóng dòng điện rò cho các loại

hệ thống điện của hộ sử dụng điện(HTD- SDĐ) từ đơn giản đến phức tạp, và bảo vệ chống dòng điện rò các loại phụ tải điện khác nhau Tuy nhiên, các loại R đều có 2 chức năng:

- Chức năng thứ nhất: bảo vệ chống quá tải, chống ngắn mạch của phụ tải điện và HTĐ –SDĐ Đối với chức năng này, nguyên tắc hoạt động giống như nguyên tắc hoạt động của CB

- Chức năng thứ 2: Bảo vệ chống dòng điện rò cho các phụ tải điện và HTĐ – SDĐ Như vậy RCCB cũng là loại thiết bị bảo vệ, nhưng có tác dụng bảo vệ toàn diện hơn sovới CB

Hình 1.1 Máy cắt chóng dòng rò RCCB

2 Đặc điểm cấu tạo của RCCB

Thông thường các loại RCCB có các bộ phận chính như sau:

- Bộ phận đóng – cắt mạch: có chức năng bảo vệ chống quá tải và chống ngắn mạch Chúng có cấu tạo nguyên lý hoạt động giống như CB

- Bộ chức năng chống dòng điện rò: bộ phận này có 2 cơ cấu chủ yếu là

cơ cấu phát hiện dòng điện rò và cơ cấu so sánh và khuếch đại dòng điện rò

Đối với RCCB có bộ phận chức năng chống dòng điện rò đơn giản: Trường hợp này, bộ phận chức năng chống dò điện rò có kết cấu rất gọn và được lắp đặt trong CB Đối với RCCB có dòng điện làm việc định mức dưới 1000A và bộ chức năng chống dòng điện rò đơn giản, có hình dáng và kích cở giống hình dáng và kích cở của CB với dòng điện làm việc định mức tương đương Loại này được gọi là RCCB tích hợp

Đối với RCCB có bộ phận chức năng chống dòng điện rò phức tạp Thông thường, các RCCB có dòng điện làm việc định mức vài trăm ampe trở lên và bộ phận chức năng chống dòng điện rò phức tạp điều chỉnh được giá trị đặt trước dòng tác động rò và điều chỉnh được thời gian trễ khi RCCB tác động thì bộ phận chức năng chống dòng điện rò được tạo thành hai khối riêng biệt: máy biến dòng rò (ZCT), và rơle dòng rò(ELR); và được lắp đặt ngoài CB Loại RCCB này được gọi là RCCB kết hợp

3 Nguyên lý hoạt động

Thiết bị chống dòng điện rò hoạt động trên nguyên lý bảo vệ so lệch, được thực hiện trên cơ sở cân bằng giữa tổng dòng điện vào và tổng dòng điện đi ra thiết bị tiêu thụ điện

Khi thiết bị tiêu thụ điện bị rò điện, một phần của dòng điện được rẽ nhánh xuống đất, đó là dòng điện rò Khi có dòng điện về theo đường dây trung tính rấtnhỏ và rơle so lệch sẽ dò tìm sự mất cân bằng này và điều khiển cắt mạch điện nhờ thiết bị bảo vệ so lệch

Thiết bị bảo vệ so lệch gồm hai phần tử chính:

-    Mạch điện từ ở dạng hình xuyến mà trên đó được quấn các cuộn dây của phần công suất (dây có tiết diện lớn), chịu dòng cung cấp cho thiết bị tiêu

thụ điện

-    Rơle mở mạch cung cấp được điều khiển bởi cuộn dây đo lường (dây

có tiết diện bé) cũng được đặt trên hình xuyến này, nó tác động ngắt các cực

a) Đối với hệ thống điện một pha:

Trong đó:

- I1: Dòng điện đi vào thiết bị tiêu thụ điện

- I2: Dòng điện đi từ thiết bị tiêu thụ điện ra

- Isc: Dòng điện sự cố

- In: Dòng điện đi qua cơ thể người

1 :  thiết bị đo lường sự cân bằng

2 : cơ cấu nhả

3 : lỗi từ hình vành xuyến

Trường hợp thiết bị điện không có sự cố : I1  =  I2

Trường hợp thiết bị điện không có sự cố : I1  -  I2=ISC

I1  -  I2 : Do xuất hiện mất sự cân bằng trong hình xuyến từ dẫn đến cảm ứng một dòng điện trong cuộn dây dò tìm,  đưa  đến tác động rơle và kết quả làm mở mạch điện