Giáo trình khí cụ điện

Sách chuyên ngành cho các bạn đây

LỜI NÓI ĐẦU

Đất nước Việt Nam trong công cuộc công nghiệp hóa-hiện đại hóa, nền kinh

tế đang trên đà phát triển, việc sử dụng các thiết bị điện, khí cụ điện vào trong xâylắp các khu công nghiệp, khu chế xuất-liên doanh, khu nhà cao tầng ngày càngnhiều Vì vậy việc tìm hiểu đặc tính, kết cấu tính toán lựa chọn sử dụng rất cầnthiết cho sinh viên-học sinh ngành điện Ngoài ra cần phải cập nhật thêm nhữngcông nghệ mới đang không ngừng cải tiến và nâng cao các thiết bị điện, khí cụđiện được các hãng sản xuất lớn như: Merlin Gerin, General Electric, Siemens Nhằm đáp ứng yêu cầu giảng dạy, học tập của giáo viên và học sinh Trườngtrung cấp nghề số 13 – Bộ Quốc phòng và các trường dạy nghề trong tình hìnhmới Chúng tôi biên soạn cuốn giáo trình Khí cụ điện với khối lượng 3 đơn vị họctrình (45 tiết)

Giáo trình được biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, đề cập những nội dung cơ bảntrọng tâm của môn học đồng thơì bổ sung những kiến thức mới, có gợi ý thamkhảo để phát triển tư duy của người học

Trong quá trình biên soạn giáo trình, mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưngkhông tránh khỏi những hạn chế nhất định Chúng tôi rất mong nhận được ý kiếnđóng góp xây dựng của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp và độc giả đểviệc biên soạn giáo trình được hoàn thiện hơn trong lần tái bản sau

Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn sự đóng góp ý kiến của Hội đồng thẩmđịnh giáo trình các môn học/mô đun đào tạo nghề trong Trường trung cấp nghề số

13 – Bộ Quốc phòng đã giúp đỡ chúng tôi hoàn thành cuốn giáo trình này

NHÓM BIÊN SOẠN

Chương1: LÝ THUYẾT CƠ SỞ KHÍ CỤ ĐIỆN

Mục tiêu:

- Phân loại được các loại khí cụ điện

- Hiểu được cách tiếp xúc điện, cách tạo hồ quang điện và dập tắt hồ quang điện

- Rèn luyện tính nghiêm túc trong học tập và trong thực hiện công việc

1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN

1.1 Khái niệm

Khí cụ điện là các thiết bị điện dùng để đóng - ngắt, điều khiển, kiểm tra, tựđộng điều chỉnh, khống chế các đối tượng điện cũng như không điện và bảo vệ

chúng trong các trường hợp sự cố, ổn định các mạch điện (đo lường) điện áp, côngsuất (theo chức năng).

Khí cụ điện có nhiều chủng loại với chức năng, nguyên lý làm việc và kíchthước khác nhau, được dùng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của cuộc sống

Phạm vi ứng dụng: Khí cụ điện được sử dụng ở các nhà máy phát điện, các

trạm biến áp, trong các xí nghiệp công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, thủy lợi,giao thông vận tải, quốc phòng

Ở nước ta khí cụ điện hầu hết được nhập từ nhiều nước khác nhau nên quycách không thống nhất, việc bảo quản và sử dụng có nhiều thiếu sót dẫn đến hưhỏng, gây thiệt hại khá nhiều về kinh tế Do đó việc nâng cao hiệu quả sử dụng,kiến thức bảo dưỡng, bảo quản và sửa chữa khí cụ điện phù hợp với điều kiện khíhậu là nhiệm vụ quan trọng cần thiết

- Các máy điện gồm: máy phát điện, động cơ điện

- Các thiết bị truyền tải điện như: đường dây, cáp, thanh góp, sứ cách điện,máy biến áp, kháng điện

- Dụng cụ đo lường

- Các thiết bị còn lại bao gồm thiết bị đóng cắt, chuyển đổi, khống chế, điềukhiển, bảo vệ kiểm tra gọi chung là khí cụ điện

1.2 Phân loại khí cụ điện

Khí cụ điện thường được phân loại theo chức năng, theo nguyên lý và môitrường làm việc, theo điện áp

1.2.1 Theo chức năng khí cụ điện được chia thành những nhóm chính như sau:

- Nhóm khí cụ đóng-cắt: Chức năng chính của nhóm khí cụ này là đóng, cắt

bằng tay hoặc tự động các mạch điện Thuộc về nhóm này có: Cầu dao, dao cách

ly, các bộ chuyển đổi nguồn

- Nhóm khí cụ hạn chế dòng điện, điện áp: Chức năng của nhóm này là hạn

chế dòng điện, điện áp trong mạch không quá cao Thuộc về nhóm này gồm:Kháng điện, van chống sét

- Nhóm khí cụ điều khiển, khởi động: Nhóm này gồm các bộ khởi động,

khống chế, contactor, khởi động từ

- Nhóm khí cụ kiểm tra theo dõi: Nhóm này có chức năng kiểm tra, theo

dõi sự làm việc của các đối tượng và biến đổi các tín hiệu không điện thành tínhiệu điện thuộc nhóm này có: các rơle, các bộ cảm biến

- Nhóm khí cụ tự động đóng - ngắt, khống chế duy trì chế độ làm việc, các

tham số của các đối tượng như: Các bộ ổn định điện áp, ổn định tốc độ, ổn địnhnhiệt độ

- Nhóm khí cụ biến đổi dòng điện, điện áp cho các dụng cụ đo: Các máy

biến áp đo lường, biến dòng đo lường

1.2.2 Theo nguyên lý làm việc khí cụ điện được chia thành:

- Khí cụ điện làm việc theo nguyên lý điện từ

- Khí cụ điện làm việc theo nguyên lý cảm ứng nhiệt

- Khí cụ điện có tiếp điểm

- Khí cụ điện không có tiếp điểm

1.2.3 Theo nguồn điện khí cụ điện được chia thành:

- Khí cụ điện một chiều

- Khí cụ điện xoay chiều

- Khí cụ điện hạ áp (có điện áp <1000V)

- Khí cụ điện cao áp (có điện áp >1000V).

1.2.3 Theo điều kiện môi trường, điều kiện bảo vệ khí cụ điện được chia thành:

- Khí cụ điện làm việc trong nhà, khí cụ điện làm việc ngoài trời

- Khí cụ điện làm việc trong môi trường dễ cháy, dễ nổ

- Khí cụ điện có vỏ kín, vỏ hở, vỏ bảo vệ

1.3 Yêu cầu cơ bản đối với khí cụ điện

Các khí cụ điện cần thoả mãn các yêu cầu sau:

- Phải đảm bảo làm việc lâu dài với các thông số kỹ thuật định mức Nói mộtcách khác nếy dòng điện qua các phần dẫn điện không vượt quá giá trị cho phép thìthời gian lâu bao nhiêu cũng được mà không gây hư hỏng cho khí cụ điện

- Khí cụ điện phải có khả năng ổn định nhiệt và ổn định điện động Vật liệuphải có khả năng chịu nóng tốt và cường độ cơ khí cao vì khi xảy ra ngắn mạchhoặc quá tải dòng điện lớn có thể gây ra hư hỏng cho khí cụ

- Vật liệu cách điện phải tốt để khi xảy ra quá áp trong phạm vi cho phép cáchđiện không bị chọc thủng

- khí cụ điện phải đảm bảo làm việc chính xác, an toàn, xong phải gọn nhẹ, rẻtiền, dễ gia công lắp đặt, kiểm tra sửa chữa

- Ngoài ra khí cụ điện phải làm việc ổn định ở các điều kiện khí hậu, môitrường khác

1.4 Khái quát về các sự cố trong mạch điện

1.4.1 Quá tải

Quá tải là trạng thái dòng điện chạy qua thiết bị điện Ilv, lớn hơn giá trị địnhmức của nó Iđm Nhưng vẫn nhỏ hơn dòng điện ngắn mạch nhỏ nhất INmin

Iđm < Ilv < INmin

Nếu không, nhiệt độ của thiết bị điện vượt quá chỉ số cho phép, dẫn tới cáchđiện của thiết bị điện mau chóng bị già hoá do nhiệt, nếu thiết bị điện vận hànhtrong trạng thái quá tải thì tuổi thọ của nó giảm rất nhanh, nguy cơ xảy ra ngắnmạch tăng.

do hồ quang điện chập chờn … Khi bị quá điện áp thì điện trường có thể vượt quágiới hạn điện trường ion hoá E > Ei gây ra hiện tượng đánh thủng cách điện, làm

hư hỏng thiết bị điện Trong trường hợp quá điện áp không đủ lớn thường gây raquá tải

1.4.3 Thấp áp

Trường hợp điện áp đặt vào thiết bị điện giảm quá thấp so với điện áp địnhmức của nó Uvh<Uđm thì sẽ gây ra quá tải

1.4.4 Sự cố do ngắn mạch

Ngắn mạch là vật dẫn có điện thế khác nhau tiếp xúc trực tiếp với nhau hoặc

bị nối tắt qua một vật dẫn khác có điện trở kháng rất nhỏ so với tổng trở toànmạch Ngắn mạch được chia ra:

bị nối tắt: Nếu xét ở cùng một điểm xảy ra ngắn mạch, thì thường dạng ngắn mạch

này có dòng điện lớn nhất.

- Ngắn mạch hai pha ký hiệu N2 là trường hợp 2 pha A và B hoặc B và C hoặc

A và C bị nối tắt

với đất, trong mạng điện có trung tính trực tiếp nối đất

1.4.5 Sự cố cơ học trong hệ thống điện

Do các nguyên nhân khách quan hoặc chủ quan gây ra bao gồm:

- Hư hỏng phần cơ máy phát điện: bó biên, lột biên, vượt tốc

- Hư hỏng đường dây: vỡ sứ, đứt dây, đổ cột, gãy xà

- Hư hỏng bộ truyền động thiết bị đóng cắt điện, máy biến áp bị chảy dầu Tất cả các loại sự cố xảy ra trong hệ thống điện đều phải tạm ngừng cungcấp điện để sữa chữa

2 SỰ PHÁT NÓNG CỦA CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN

2.1 Khái niệm

Ở trạng thái làm việc, trong các bộ phận của thiết bị điện nói chung và của khí

cụ điện nói riêng đều có tổn hao năng lượng và biến thành nhiệt năng Một phầnnhiệt năng này làm tăng nhiệt độ của khí cụ và một phần toả ra môi trường xungquanh

Ở trạng thái xác lập nhiệt, nhiệt độ của khí cụ điện không tăng nữa mà ổnđịnh ở một giá trị nào đó, toàn bộ tổn hao cân bằng với nhiệt năng toả ra môitrường xung quanh Nếu không có sự cân bằng này nhiệt độ của khí cụ điện sẽ tăngcao làm cho cách điện bị già hoá và độ bền cơ khí của các chi tiết bị suy giảm vàtuổi thọ của khí cụ giảm đi nhanh chóng

Độ tăng nhiệt độ của khí cụ đựơc tính bằng:      0

Với  là độ tăng nhiệt độ,  là nhiệt độ của khí cụ,  0 là nhiệt độ của môitrường

2.2 Các nguồn nhiệt và các phương pháp trao đổi nhiệt

2.2.1 Các nguồn nhiệt

Nhiệt năng do các tổn hao trong khí cụ điện tạo nên, có ba dạng tổn hao: Tổn hao trong các chi tiết dẫn điện, tổn hao trong vật liệu sắt từ và tổn hao trong vật liệu cách điện

- Tổn hao trong các chi tiết dẫn điện: Năng lượng tổn hao trong các dây dẫn

do dòng điện i đi qua trong khoảng thời gian t được tính bằng công thức:

W= i2.R.dt

Điện trở R của dẫy dẫn phụ thuộc vào điện trở suất của vật liệu, kích thướcdây dẫn và tần số dòng điện, vị trí của dây dẫn trong hệ thống

- Tổn hao trong các phần tử sắt từ: Nếu các phần tử sắt từ nằm trong vùng

từ trường biến thiên thì trong chúng sẽ có tổn hao do từ trễ và dòng điện xoáy tạo

ra và được tính theo công thức:

G f f

P Fe (xT.B1m.6xx .Bm2) Trong đó: Pfe tổn hao sắt từ, Bm là trị số biên độ của từ cảm, f là tần sốlưới điện, xx, xT là hệ số tổn hao do từ trễ và dòng điện xoáy, G là khối lượngcủa mạch từ

Để giảm tổn hao trong các chi tiết dạng khối, người ta thường sử dụng cácbiện pháp sau:

- Tạo khe hở phi từ tính theo đường đi của từ thông để tăng từ trở, giảm từthông tức là giảm Bm.

- Đặt thêm vòng ngắn mạch để tăng từ kháng, giảm từ thông

- Với các chi tiết cho thiết bị có dòng điện lớn hơn 1000A, được chế tạo bằngvật liệu phi từ tính như đuyara, gang không dẫn từ

- Tổn hao trong vật liệu cách điện:

Dưới tác dụng của điện trường biến thiên, trong vật liệu cách điện sẽ sinh ratổn hao điện môi:

2.2.2 Các phương pháp trao đổi nhiệt

Nhiệt được truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp theo bacách: Dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ; Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt giữa các phần

tử có tiếp xúc trực tiếp Đối lưu là quá trình truyền nhiệt trong chất lỏng hoặc chấtkhí, gắn liền với sự chuyển động của các phần tử mang nhiệt Có hai dạng đối lưu:đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức; Bức xạ nhiệt là quá trình toả nhiệt của vậtthể nóng ra môi trường xung quanh bằng phát xạ sóng điện từ

2.3 Các chế độ làm việc của thiết bị điện

2.3.1 Chế độ xác lập nhiệt

Khi làm việc phương trình cân bằng nhiệt có dạng:

Q=Q 1 +Q 2 +Q 3

Trong đó: Q1=P.dt là năng lượng tổn hao công suất P

Q2=KT.ST. dt là năng lượng toả ra môi trường xung quanh

lượng và c là nhiệt dung riêng

Thay vào phương trình trên ta có:

2.3.2 Chế độ quá độ

Khi bắt đầu làm việc, nhiệt độ của khí cụ tăng dẫn, sau một thời gian quá độ

nó không tăng nữa và đạt giá trị xác lập

Quá trình nguội lạnh của khí cụ xảy ra khi ta cắt điện cho nó, nhiệt độ của khí

cụ giảm dần đến nhiệt độ môi trường

Người ta phân biệt ba chế độ làm việc của thiết bị điện: Chế độ làm việc dàihạn, chế độ làm việc ngắn hạn và chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại

2.3.3 Chế độ ngắn mạch

Khi bị ngắn mạch, dòng điện chạy trong dây dẫn có trị số rất lớn so với dòngđịnh mức, nhưng vì thời gian ngắn mạch không dài nên nhiệt độ phát nóng chophép ở chế độ này thường lớn hơn chế độ dài hạn

Thời gian ngắn mạch bé nên có thể coi quá trình này là quá trình đoạn nhiệt,nghĩa là toàn bộ nhiệt lượng sinh ra dùng để đốt nóng khí cụ chứ không toả ra môitrường xung quanh Do đó phương trình cân bằng nhiệt:

i2.R.dt=CT.dTrong đó: R là điện trở dây dẫn

 là nhiệt độ của dây dẫn

CT là nhiệt dung riêng của khí cụ

CT=c0(1+  ).GTrong đó: c0 là nhiệt dung riêng ở 00C

 là hệ số nhiệt dung riêng

G là khối lượng của vật dẫn

2.4 Bảng nhiệt độ cho phép của một số vật liệu

Dựa vào khả năng chịu nhiệt của vật liệu cách điện, người ta chia chúng thànhcác cấp cách điện với nhiệt độ cho phép ở chế độ làm việc dài hạn như sau:

Cách điện cấp Y: giấy, băng vải không tẩm cách điện

Cách điện cấp A: giấy, băng vải có tẩm cách điện, cao su, nhựa PVC

Cách điện cấp E: dây điện từ bọc men

Cách điện cấp B: dây điện từ bọc men kép

Cách điện cấp F: lụa, thuỷ tinh, phíp.

Cách điện cấp H: sứ

Cách điện cấp C: Micanit

3 TIẾP XÚC ĐIỆN

3.1 Khái niệm

Tiếp xúc điện là nơi gặp gỡ chung của hai hay nhiều vật dẫn để cho dòng điện

đi qua từ vật dẫn này sang vật dẫn khác Bề mặt tiếp xúc cho dòng điện đi qua gọi

là bề mặt tiếp xúc

* Dựa vào mối liên kết tiếp xúc người ta chia tiếp xúc điện ra làm ba dạng:

Tiếp xúc cố định, tiếp xúc đóng mở và tiếp xúc trượt

Tiếp xúc cố định: Khi hai vật dẫn tiếp xúc không rời nhau bằng bu lông hoặc

đinh tán Ví dụ như: Tiếp xúc của kẹp nối dây, tiếp xúc giữa dây dẫn và cốt bắt dây

ở sứ xuyên…

Tiếp xúc đóng mở: Đó là tiếp xúc giữa tiếp điểm động và tĩnh của các loại

khí cụ điện đóng cắt mạch điện Ví dụ như: Tiếp xúc của tiếp điểm cầu dao, côngtắc, aptomat, máy cắt

Tiếp xúc trượt: Đó là dạng tiếp xúc vật dẫn này truợt trên vật dẫn kia Ví dụ:

Chổi than trợt trên cổ góp của máy phát điện hoặc động cơ

Hình 1.2: Tiếp xúc cố định

Hình 1.3: Tiếp xúc đóng mở

*Dựa vào hình dạng chỗ tiếp xúc người ta chia tiếp xúc thành ba loại: Tiếp

xúc điểm, tiếp xúc đường và tiếp xúc mặt

Tiếp xúc điểm: Là hình thức các vật dẫn tiếp xúc nhau ở diện tích rất nhỏ

được xem là một điểm Ví dụ: Tiếp xúc giữa mặt cầu với mặt cầu, tiếp xúc giữamặt cầu với mặt phẳng trong một số loại Rơle điện từ

Tiếp xúc đường: Là hình thức các vật dẫn tiếp xúc nhau trên đường thẳng

hoặc đường cong

Tiếp xúc mặt: là hình thức các vật dẫn tiếp xúc nhau trên nhiều điểm của mặt

phẳng hoặc mặt cong Ví dụ: Tiếp xúc giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh củamáy cắt, cầu dao, áptomát

3.2 Điện trở tiếp xúc

Khi hai vật dẫn tiếp xúc với nhau, thực tế chỉ có một số điểm tiếp xúc Tạinhững điểm tiếp xúc này mật độ dòng điện tăng cao tổn hao năng lượng lớn nênsụt áp và nhiệt độ tại điểm tiếp xúc cao Nếu có lực ép lên tiếp điểm lớn, các điểmtiếp xúc này sẽ biến dạng dẻo và tạo ra các điểm tiếp xúc mới Vì diện tích tiếp xúcthực tế bị thu nhỏ lại nên đường đi của dòng điện bị cong và dài ra do vậy làm chođiệ n trở tăng lên

Vậy điện trở tiếp xúc là điện trở do hiện tượng đường đi của dòng điện bị kéodài tại chỗ tiếp xúc tạo nên Điện trở tiếp xúc được xác định bằng biểu thức kinhnghiệm: Rtx=

K

Trong đó: K là hệ số phụ thuộc vào vật liệu làm tiếp điểm và trạng thái bề mặtcủa nó

m là hệ số phụ thuộc vào kiểu tiếp xúc

F là lực ép lên tiếp điểm

Rtx là điện trở tiếp xúc

Hình 1.4: Tiếp xúc trượt

Các yếu tố ảnh hưởng tới điện trở tiếp xúc gồm: độ cứng của vật liệu, điện trởsuất của vật liệu, tình trạng bề mặt tiếp xúc dạng bề mặt, lực ép lên tiếp điểm và nhiệt độ của tiếp điểm

Nếu vật liệu làm tiếp điểm mềm thì dù lực ép lên tiếp điểm nhỏ điện trởtiếp xúc cũng nhỏ.Vì vậy ở các tiếp xúc cố định có dòng điện lớn người tathường phủ lên bề mặt tiếp xúc một lớp vật liệu mềm trước khi cố định chúngbằng bulông, xà ép

Điện trở tiếp xúc giảm nếu lực ép lên tiếp điểm tăng vì diện tích tiếp xúc tăng.Điện trở tiếp xúc phụ thuộc vào dạng tiếp xúc; khi lực ép lên tiếp điểm nhỏtiếp xúc điểm có điện trở tiếp xúc bé hơn, còn khi lực ép lớn thì ngược lại, tiếp xúcmặt có điện trở tiếp xúc nhỏ nhất rồi đến tiếp xúc đường và cuối cùng mới đến tiếpxúc điểm Vì vậy tiếp xúc điểm chỉ dùng cho những tiếp điểm có dòng điện bé.Nhiệt độ tiếp điểm cũng có ảnh hưởng tới điện trở tiếp xúc Khi nhiệt độ tiếpđiểm tăng điện trở tiếp xúc cũng tăng Lớp ôxýt cũng có ảnh hưởng tới điện trởtiếp xúc, lớp ôxýt làm điện trở tăng cao Khi nhiệt độ tăng tiếp điểm càng dễ bị ôxyhóa nên càng làm tăng điện trở tiếp xúc

Độ bẩn, độ ẩm của môi trường xung quanh cũng làm điện trở tiếp xúctăng Để tránh hiện tượng trên người ta thường sử dụng các biện pháp như:Phủ các lớp đặc biệt để chống tác động của môi trường, nâng cấp bảo vệ củacác thiết bị đóng cắt

3.3.Tiếp điểm khí cụ điện

3.3.1.Vật liệu làm tiếp điểm

Các yêu cầu chính đối với vật liệu làm tiếp điểm là: Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, ít

bị tác động của môi trường như ôxy hoá, ăn mòn điện hoá, điện trở tiếp xúc bé, ít

bị mòn về cơ và điện, chịu được nhiệt độ cao, trị số dòng điện, điện áp tạo hồ

Hình 1.5: Minh họa tiếp xúc của 2 vật dẫn

quang lớn, dễ gia công, giá thành hạ.

- Đồng là kim loại màu được dùng nhiều nhất trong các thiết bị điện ưu

điểm chính của đồng là dẫn điện tốt, dẫn nhiệt tốt, tương đối cứng, có trị sốdòng điện, điện áp tạo hồ quang trung bình, dễ gia công, giá thành hạ Nhượcđiểm của đồng là nhiệt độ nóng chảy thấp, dẽ bị tác động của môi trường, nên

bề mặt có một lớp ôxýt đồng có điện trở suất cao Để giảm điện trở tiếp xúc,trong trường hợp tiếp điểm bằng đồng cần lực ép lên tiếp điểm lớn Vì đồng ít

có khả năng chịu hồ quang nên không dùng để chế tạo các loại tiếp điểmthường xuyên đóng cắt với dòng điện lớn

- Bạc có các ưu điểm chính là dẫn điện, dẫn nhiệt rất tốt, khó bị tác động của

môi trường Lớp ôxýt bạc mỏng, dễ bị phá vỡ vì có độ bền cơ khí kém Điện trởtiếp xúc của bạc bé, ổn định nên không cần lực ép lên tiếp điểm lớn Nhược điểmcủa bạc là chịu hồ quang, va đập kém do vậy nó không dùng để làm tiếp điểmthường xuyên đóng cắt với dòng điện lớn Các tiếp điểm hồ quang bé và các tiếpđiểm không chịu hồ quang ở các thiết bị dóng cắt có dòng điện lớn thường đượcchế tạo bằng bạc

- Vonfram là kim loại có nhiệt độ nóng chảy khá cao nên chịu được hồ

quang Kim loại này khó hàn, ít bị ôxy hoá, có độ cứng cao, ít mòn nhưng điện trởsuất cao Vì vậy thường dùng làm tiếp điểm hồ quang ở các thiết bị đóng cắt cócông suất lớn

- Kim loại gốm: các kim loại nguyên chất không đáp ứng được đầy đủ các

yêu cầu của tiếp điểm Người ta chế tạo các kim loại gốm từ các bột kim loại thànhphần, gia công theo phương pháp đặc biệt Tuỳ thuộc vào yêu cầu của tiếp điểm

mà thành phần vật liệu được pha trộn theo tỷ lệ thích hợp

34.3.2 Kết cấu của tiếp điểm

Tùy theo chức năng, yêu cầu của thiết bị đóng cắt và công suất (dòngđiện, điện áp) mà tiếp điểm phải chịu, người ta sử dụng những kết cấu thíchhợp của tiếp điểm

a.Tiếp điểm kiểu côngson:

Thường dùng cho dòng điện bé (đến 5A) tải nhẹ dạng tiếp xúc điểmkhông có lò xo tiếp điểm mà lợi dụng tính đàn hồi của thanh dẫn động để tạolực ép lên tiếp điểm

b.Tiếp điểm kiểu bắc cầu

Hình 1.6: Tiếp xúc kiểu côngson

Với đặc điểm một pha có hai chỗ ngắt nên hồ quang bị phân đoạn, tiếp điểm chuyển động thẳng, lò xo ép tiếp điểm dạng xoắn, hình trụ làm việc ở chế độ nén Kết cấu này thường dùng trong các công tắc tơ, khởi động từ có dòng điện định mức từ vài chục đến vài trăm ampe.

c Tiếp điểm hình ngón

Với tiếp điểm kiểu này một pha có một chỗ ngắt nên phần động chuyển động quay, sử dụng dây dẫn mềm để nối với tiếp điểm động Loại kết cấu này thường sửdụng trong các máy cắt hạ áp, thiết bị đóng cắt có chế độ làm việc nặng nề

d Tiếp điểm kiểu dao

Kết cấu này thường dùng cho cầu dao với dòng điện thấp (Vài chục ampe).Lực ép lên tiếp điểm nhờ lực đàn hồi của đồng lá tiếp điểm tĩnh Với tiếp điểm códòng điện lớn người ta dùng tấm thép lo xo dạng phẳng để tạo lực ép tốt hơn

Hình 1.7: Tiếp xúc kiểu bắc cầu

Hình 1.8: Tiếp xúc kiểu hình ngón

e Tiếp điểm kiểu nêm

Với kết cấu kiểu này cho phép dòng định mức lớn đi qua, nhưng dập hồquang không có lợi, vì dễ làm hỏng bề mặt tiếp xúc Loại này thường dùng ở daocách ly điện áp cao

g Tiếp điểm kiểu đối

Tiếp điểm động có dạng hình trụ đặc phần đầu có dạng hình cầu bằng kim loại chịu hồ quang

Hình 1.9: Tiếp xúc kiểu dao

Hình 1.10: Tiếp xúc kiểu nêm

Hình 1.11: Tiếp xúc kiểu đối

3.3.3 Nguyên nhân hư hỏng tiếp điểm và biện pháp khắc phục

Xung quanh điểm tiếp xúc có nhiều hốc nhỏ ly ty, hơi nước đọng lại các chất

có hoạt tính hóa học lớn thấm vào gây nên các phản ứng hóa học tạo nên lớp màngmỏng giòn dễ vỡ khi va đập, do vậy bề mặt tiếp xúc bị mòn dần đó là hiện tượng

ăn mòn kim loại Điện trở suất của lớp màng mỏng rất lớn so với điện trở suất củakim loại làm vật dẫn, do đó điện trở tiếp xúc tăng khi hình thành màng mỏng

Sự ôxy hóa làm điện trở tiếp xúc tăng lên, đặc biệt ở nhiệt độ > 700C, khi đốtnóng và làm nguội liện tục làm tăng tốc độ ôxy hóa

Ngoài ra với mỗi kim loại có một điện thế hóa học nhất định, khi hai kim loạitiếp xúc với nhau sẽ có hiệu điện thế giữa chúng và tọa điều kiện thuận lợi cho sựôxy hóa Hơn nữa nếu hơi nước đọng trên bề mặt có chất điện phân thì do có hiệuđiện thế nên sẽ có dòng điện chạy qua giữa chúng, kim loại có độ hòa tan lớn sẽ bị

ăn mòn trước

Để giảm bớt điện trở tiếp xúc thường tiến hành mạ điện Lớp kim loại bao phủ

có tác dụng bảo vệ kim loại chính.Đồng thời để bảo vệ tốt bề mặt kim loại, kimloại mạ cần có điện thế hóa học càng gần với kim làm tiếp điểm càng tốt, tăng lực

ép lên tiếp điểm và giảm bớt khe hở không khí sẽ làm giảm bớt độ ăn mòn

3.3.4.Sự làm việc của kim loại khi ngắn mạch

Khi quá tải, đặc biệt là khi ngắn mạch nhiệt độ chỗ tiếp xúc của tiếp điểm lênrất cao làm giảm tính đàn hồi và cường độ cơ khí của tiếp điểm Nhiệt độ cho phépkhi ngắn mạch đối với đồng thau là 200oC đến 300oC còn của nhôm là 150oC đến

200oC

Ta phân biệt ba trường hợp sau:

- Tiếp điểm đang ở trạng thái đóng thì xảy ra ngắn mạch: Tiếp điểm sẽ bị

nóng chảy và bị hàn dính Kinh nghiệm cho thấy nếu lực ép lên tiếp điểm càng lớnthì trị số dòng điện để làm cho tiếp điểm nóng chảy và bị hàn dính càng lớn Do đótiếp điểm cần có lực ép lớn

- Tiếp điểm đang trong quá trình đóng thì xảy ra ngắn mạch: Lúc đó sẽ phát

sinh lực điện động làm tách rời tiếp điểm ra xa nhưng do chấn động cũng dễ sinhhiện tượng bị hàn dính

- Tiếp điểm đang trong quá trình mở thì bị ngắn mạch: Trường hợp này sẽ

phát sinh hồ quang làm nóng chảy và mài mòn tiếp điểm

4 HỒ QUANG ĐIỆN

4.1 Khái niệm chung

Hồ quang điện là sự phóng điện trong chất khí với mật độ dòng điện lớn (102đến 103A/mm2), điện áp rơi trên catốt bé (10V đến 12V), nhiệt độ hồ quang cao(6000 đến 180000K) và kèm theo ánh sáng

Trên hình trình bày sự phân bố điện áp, cường độ điện trường của hồ quang

U AK =U A +U K +U th

này phụ thuộc vào vật liệu làm điện cực và đặc tính của chất khí

với EK

phụ thuộc vào chiều dài hồ quang và được tính theo công thức: Uth=Ehq.Ihq

Trong công nghệ, hồ quang được sử dụng như nhân tố hữa ích ở các lò hồquang v.v, vì vậy ở đây cần hồ quang cháy ổn định Trong các thiết bị đóng, cắt, hồquang phát sinh trong quá trình chuyển mạch điện, và là nhân tố không mongmuốn, vì vậy cần phải giảm hồ quang tới mức tối thiểu

4.2 Quá trình phát sinh và dập tắt hồ quang

Quá trình phát sinh và dập tắt hồ quang là quá trình ion hoá và quá trình khử

4.2.1.Qúa trình ion hóa

Hình 1.12: Sự phân bố điện áp, cường độ điện trường của hồ quang

Ở điều kiện bình thường, môi trường chất khí gồm các phần tử trung hòanên nó không dẫn điện Nếu các phần tử trung hòa đó bị phân tích thành cácđiện tử tự đo, các ion dương và các ion âm thì nó trở nên dẫn điện Quá trìnhtạo ra các điện tử tự do, các ion trong chất khí gọi là quá trình ion hóa Quátrình này có thể xảy ra dưới tác dụng của ánh sáng, nhiệt độ, điện trường, vađập và có các dạng ion hóa sau.

J ae =120.E 2 e

E

b



Trong đó: J ae là mật độ dòng điện tự phát xạ điện tử sinh ra.

E là cường độ điện trường ở ca tốt

B là thông số phụ thuộc vào vật liệu làm ca tốt

* Quá trình phát xạ nhiệt điện tử

Khi nhiệt độ của ca tốt cao các điện tử tự do trong điện cực có động năng lớn,

có thể thoát ra khỏi bề mặt kim loại tạo nên dòng điện trong chất khí đó là hiệntượng phát xạ nhiệt điện tử Quá trình phát xạ nhiệt điện tử phụ thuộc vào nhiệt độđiện cực, vật liệu làm điện cực và được biểu diễn theo công thức:

J Te =120T 2 e

T b

Trong đó: J Te là mật độ dòng điện do phát xạ nhiệt điện tử sinh ra.

T là nhiệt độ tuyệt đối của ca tốt

B là thông số phụ thuộc vào kim loại làm điện cực

* Ion hóa do va chạm

Dưới tác dụng của điện trường với cường độ cao (cỡ 103V/mm) các điện tử tự

do chuyển động với vận tốc lớn, đủ để bắn phá các phân tử trung hòa, tạo nên cácion âm và ion dương mới, đó là quá trình ion hóa do va chạm Quá trình này phụthuộc vào cường độ điện trường, mật độ các phần tử trong vùng điện cực, lực liênkết phân tử, khối lượng phân tử

* Ion hóa do nhiệt độ cao

Khi nhiệt độ chất khí càng cao, chuyển động nhiệt của nó lớn, dễ va chạm vàtách thành các ion, đó là quá trình ion hóa do nhiệt độ Quá trình này phụ thuộcvào nhiệt độ vùng hồ quang, mật độ các phần tử khí và đặc tính của chất khí

4.2.2.Quá trình khử ion

Quá trình khử ion là quá trình ngược với quá trình ion hóa, kết quả của quátrình này sẽ làm giảm số lượng ion trong vùng hồ quang Quá trình khử ion đượcđặc trưng bởi hai hiện tượng: hiện tượng tái hợp và hiện tượng khuyêch tán

Hiện tượng tái hợp là hiện tượng các hạt mang điện trái dấu két hợp với nhauthành các hạt trung hòa, quá trình này phụ thuộc vào mật độ các phần tử trongvùng hồ quang, nhiệt độ hồ quang

Hiện tượng khuyêch tán là hiện tượng di chuyển các ion ở vùng có mật độ caosang vùng có mật độ thấp

Trong hồ quang điện, tồn tại song song hai quá trình ion hóa và khử ion Nếuquá trình ion hóa lớn hơn quá trình khử ion thì hồ quang sẽ phát triển mạnh, dòngđiện hồ quang tăng Nếu quá trình khử ion cân bằng với quá trinh ion hóa thì dòngđiện hồ quang không tăng, hồ quang cháy ổn định Nếu quá trình khử ion lớn hơnquá trình ion hóa thì hồ quang sẽ tắt

4.3 Các biện pháp và trang bị dập hồ quang

Để tăng quá trình khử ion người ta thường dùng các biện pháp dập hồ quangnhư: Kéo dài hồ quang, phân đoạn hồ quang, thổi hồ quang bằng từ, cho hồ quangtiếp xúc với bề mặt khử ion, thổi hồ quang và làm nguội hồ quang bằng dầu biến

áp, thổi hồ quang bằng khí nén, cho hồ quang cháy trong môi trường đặc biệt, nốiđiện trở sun cho hồ quang

4.3.1 Kéo dài hồ quang bằng cơ khí

Khi hồ quang bị kéo dài, thân hồ quang bị nhỏ lại và dài ra, tăng bề mặt tiếpxúc với môi trường, vì vậy hồ quang bị tỏa nhiệt và khuyêch tán nhanh, làm tăngquá trình khử ion Muốn kéo dài hồ quang bằng cơ khí phải tăng khoảng cách giữacác tiếp điểm Biện pháp này chỉ áp dụng cho các thiết bị điện đóng cắt có dòngđiện bé và điện áp thấp Với các thiết bị đóng cắt có dòng điện lớn hơn chiều dài tự

do của hồ quang khá lớn nên không thể tăng khoảng cách vì sẽ làm tăng kích thướccủa thiết bị Với các thiết bị đóng cắt cao áp, dòng điện nhỏ có thể sử dụng phươngpháp này

4.3.2 Phân đoạn hồ quang

Phân đoạn hồ quang tức là chia hồ quang thành từng đoạn nhỏ Dòng điệnxoay chiều trên mỗi phân đoạn có điện áp chọc thủng cỡ 150V đến 250V, do vậy ởcác công tắc tơ có điện áp đến 500V có thể phân làm 2 đoạn ở một pha với các tiếp

điểm dạng cầu Đối với dòng điện một chiều thì chiều dài tổng khi phân đoạn sẽlớn hơn nhiều so với khi không phân đoạn do tác dụng của lực điện động, cho nên

hồ quang dễ bị dập tắt hơn Dập hồ quang bằng phương pháp phân đoạn được sửdụng rộng rãi ở các thiết bị hạ áp

43.3.3 Thổi hồ quang bằng từ

Nguyên lý này được sử dụng rộng rãi cho các thiết bị đóng cắt hạ áp với mọi

cỡ dòng điện Với dòng điện một chiều hồ quang khó bị dập tắt hơn nên người tacòn dùng cuộn thổi từ nối nối tiếp với dòng điện hồ quang Khi dòng điện cắt cànglớn lực thổi hồ quang càng mạnh Người ta còn có thể kéo dài hồ quang bằng cáchthổi hồ quang qua các buồng dập hồ quang có dạng quanh co díc dắc

4.3.4 Dập tắt hồ quang điện trong dầu biến áp

Ở các thiết bị đóng cắt điện áp cao và dòng điện lớn, môi trường cháy của hồquang là dầu biến áp Dầu biến áp có độ bền điện cao, độ dẫn nhiệt tốt Khi hồquang cháy trong dầu dưới tác dụng của nhiệt lượng hồ quang dầu ở khu vực cháy

bị phân tích thành các chất khí, hơi có độ bền điện khá cao nên hồ quang dễ bị dậptắt hơn

Người ta còn lợi dụng áp suất cao của hỗn hợp khí hơi để thổi bay hồ quang.Tuỳ thuộc vào hướng thổi, cách thổi ta có thổi dọc hay ngang, tự thổi hoặc tự sinhkhí

4.3.5 Thổi hồ quang bằng khí nén

Đây là phương pháp thổi cưỡng bức, không khí sạch và khô được nén với áp suất cao có độ bền điện lớn Khi hồ quang xuất hiện người ta dùng khí này để dập tắt nó Có thể thổi theo nguyên lý thổi dọc, thổi ngang hoặc thổi hỗn hợp

4.3.6 Dập hồ quang trong môi trường đặc biệt

Hồ quang có thể được dập tắt trong các chất khí đặc biệt hoặc trong chân không Phương pháp này thường sử dụng với các thiết bị đóng cắt có điện áp cao

4.3.7 Nối điện trở song song với hồ quang

Đây là biện pháp được sử dụng nhiều với các thiết bị đóng cắt cao áp, có chỗ cắt trong một pha từ hai chỗ trở lên

5 LỰC ĐIỆN ĐỘNG TRONG CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN

5.1.Khái niệm

Lực điện động là lực sinh ra khi một vật dẫn mang dòng điện đặt trong từtrường Lực đó tác dụng lên vật dẫn và có xu hướng làm thay đổi hình dáng của vậtdẫn để từ thông xuyên qua mạch vòng vật dẫn đạt giá trị cực đại

Trong một hệ thống gồm vài vật dẫn mang dòng điện, bất kỳ một vật dẫn nàotrong chúng cũng có thể được coi là đặt trong từ trường tạo bởi các dòng điện chạy

qua các vật dẫn khác Do vậy giữa các vật dẫn mang dòng điện luôn có từ thôngtổng tương hỗ móc vòng, kết quả luôn có các lực cơ học (được gọi là lực điệnđộng) Tương tự như vậy cũng có các lực điện động sinh ra giữa vật dẫn mangdòng điện và khối sắt từ.

Chiều của lực điện động được xác định bằng quy tắc bàn tay trái, hoặc theonguyên tắc chung như sau: “Lực tác dụng lên vật dẫn mang dòng điện có xu hướnglàm biến đổi hình dáng mạch vòng dòng điện sao cho từ thông móc vòng qua nótăng lên ”

5.2.Lực điện động trong các khí cụ điện

Các khí cụ điện bao gồm nhiều mạch vòng dãn điện có hình dáng, kích thướckhác nhau, với các vị trí tương hỗ khác nhau Trong điều kiện làm việc bìnhthường các lực điện động đều nhỏ và không gây nên biến dạng các chi tiết mangdòng điện của các khí cụ điện Tuy nhiên khi có ngắn mạch, các lực này trở lên rấtlớn có thể gây nên biến dạng hay phá hỏng chi tiết và thậm chí cả khí cụ điện.Tính ổn định điện động của khí cụ là khả năng chịu lực tác động phát sinh khi

có dòng ngắn mạch đi qua Tính ổn định điện động này được biểu thị bằng biên độdòng điện động học iđh , ở đó cường độ cơ khí trong các chi tiết của khí cụ khôngvượt quá giới hạn cho phép, hoặc cho bằng bội số của dòng điện này với biên độcủa dòng định mức:

K dh =

m d

dh

I

i

2Đôi khi tính ổn định điện động hay tính bền động học được đánh giá bằng giátrị hiệu dụng của dòng diện xung, qua một chu kỳ sau khi bắt đầu xảy ra ngắnmạch

5.3.Các phương pháp tính lực điện động

5.3.1.Phương pháp tính lực điện động dựa trên định luật về lực tác dụng tương hỗ giữa dây dẫn mang dòng điện và từ trường (Định luật Biô - Xava – Laplace)

F= 

t t

dl B

i dF

0

1 0

sin

chân không hoặc không khí, việc xác định từ cảm B tương đối thuận tiện khi sửdụng định luật Biô-Xava–Laplace

5.3.2 Phương pháp cân bằng năng lượng

Phương pháp dựa trên cơ sở sử dụng cân bằng năng lượng của hệ thống dâydẫn có dòng điện chạy qua Nếu bỏ qua năng lượng tĩnh của hệ thống thì lực có thể

được tìm được theo phương trình: F=

2 2 2

2 1

2

1 2

1

i i M L

L i  i Trong phương trình trên, hai thành phần đầu xác định năng lượng của cácmạch vòng độc lập, thành phần thứ ba cho ta năng lượng quy ước bằng quan hệđiện từ giữa chúng Phương trình trên cũng cho phép xác định lực tác dụng lên

Hình1.13: Lực điện động của một đoạn dây dẫn điện

mạch vòng độc lập cũng như lực tác dụng tương hỗ của mạch vòng lên tất cả cácmạch vòng còn lại Để xác định lực tác dụng lên mạch vòng độc lập ta sử dụngphương trình:





2

2 1

Khi tính toán lực tác dụng tương hỗ của các mạch vòng, người ta coi rằngnăng lượng chỉ biến thiên do kết quả biến đổi khoảng cách tương hỗ của các mạchvòng

Khi đó năng lượng qui ước bằng tự cảm coi như không đổi Như vậy lực tácdụng giữa các mạch vòng bằng:

i i

2

1 2

1 2

1 2

CÂU HỎI CHƯƠNG 1

Câu 1: Nêu khái niệm, phân loại và các yêu cầu của khí cụ điện?

Câu 2: Trình bày các chế độ phát nóng của khí cụ điện?

Câu 3: Nêu khái niệm, phân loại tiếp xúc điện?

Câu 4: Nêu khái niệm, tính chất cơ bản của phóng điện hồ quang?

1.1 Khái quát và công dụng

Cầu dao là một loại khí cụ đóng cắt bằng tay đơn giản nhất, dùng để đóng cắtmạch điện có công suất nhỏ ở trạng thái không tải, được sử dụng trong mạch điện

có điện áp 220V đối với điện một chiều và 380V đối với điện xoay chiều

Cầu dao thường dùng để đóng cắt mạch điện công suất nhỏ và khi làm việckhông phải đóng cắt nhiều lần Nếu điện áp mạch điện cao hơn hoặc mạch điện cócông suất trung bình và lớn thì cầu dao làm nhiệm vụ cách ly hoặc chỉ đóng cắt khikhông tải Sở dĩ như vậy vì khi cắt mạch, hồ quang sinh ta sẽ rất lớn, tiếp xúc sẽ bịphá hủy trong một thời gian ngắn dẫn đến phát sinh hồ quang giữa các pha, gâynguy hiểm cho người thao tác và hỏng thiết bị

Để đảm bảo cắt điện tin cậy các thiết bị dùng điện ra khỏi nguồn điện, chiềudài lưỡi dao phải đủ lớn (lớn hơn 50cm) và để an toàn lúc đóng cắt, cần có biệnpháp dập tắt hồ quang, tốc độ di chuyển của lưỡi dao tiếp xúc càng nhanh, thờigian dập tắt hồ quang càng ngắn Vì thế người ta thường làm thêm lưỡi dao phụ có

lò xo bật nhanh ở các cầu dao có dòng điện một chiều lớn hơn 30A

Đối với cầu dao xoay chiều có dòng điện lớn hơn 75A, hồ quang được kéo dài

do tác dụng của lựcđiện động và tắt hết khi dòng I=0 Do đó không cần kết cấu cólưỡi dao phụ

Khi tao tác đóng ngắt mạch điện, cần đảm bảo an toàn cho thiết bị dùng điện.Bên cạnh cần có biện pháp dập tắt hồ quang điện, tốc độ di chuyển lưỡi dao càng

nhanh thì hồ quang kéo dài nhanh, thời gian dập tắt hồ quang càng ngắn Vì vậykhi đóng cắt mạch điện, cầu dao cần phải được thực hiện một cách dứt khoát.

Để tăng khả năng ngắt của cầu dao, ở một vài loại người ta có lắp thêm daophụ và buồng dập hồ quang Khi đóng dao phụ tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh trước,khi ngắt dao phụ ngắt sau Bằng cách này hồ quang không xuất hiện trên lưỡi daochính, bảo vệ được lưỡi dao chính

Thông thường, cầu dao được bố trí cùng với cầu chì để bảo vệ ngắn mạch chomạch điện

1.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phân loại

1.2.1 Cấu tạo

Phần chính của cầu dao là lưỡi dao và hệ thống kẹp lưỡi, được làm bằng hợpkim của đồng, ngoài ra bộ phận nối dây cũng làm bằng hợp kim đồng

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của cầu dao cắt nhanh

Khi thao tác trên cầu dao, nhờ vào lưỡi dao và hệ thống kẹp lưỡi, mạch điệnđược đóng ngắt Trong quá trình ngắt mạch, cầu dao thường xảy ra hồ quang điệntại cầu lưỡi dao và điểm tiếp xúc trên hệ thống kẹp lưỡi Người sử dụng cần phảikéo lưỡi dao ra khỏi kẹp nhanh để dập tắt hồ quang

Do tốc độ kéo bằng tay không thể nhanh được nên người ta làm thêm lưỡi daophụ Lúc dẫn điện thì lưỡi dao phụ cùng lưỡi dao chính được kẹp trong ngàm Khingắt điện, tay kéo lưỡi dao chính ra trước còn lưỡi dao phụ vẫn kẹp trong ngàm Lò

xo liên kết giữa hai lưỡi dao được kéo căng ra và tới một mức nào đó sẽ bật nhanhkéo lưỡi dao phụ ra khỏi ngàm một cách nhanh chóng Do đó, hồ quang được kéodài nhanh và hồ quang bị dập tắt trong thời gian ngắn

1 Lưỡi dao chính

2 Tiếp xúc tĩnh (ngàm) (hệ thống kẹp)

Hình 2.1: Cấu tạo cầu dao

1.2.3 Phân loại

Phân loại cầu dao dựa vào các yếu tố sau:

- Theo kết cấu: cầu dao được chia làm loại một cực, hai cực, ba cực, bốn cực

- Cầu dao có tay nắm ở giữa hoặc tay nắm ở bên Ngoài ra, còn có cầu daomột ngả, hai ngả được dùng để đảo nguồn cung cấp cho mạch và đảo chiều quayđộng cơ

- Theo điện áp định mức: loại có Udm=250V, Udm=500V

- Theo dòng điện định mức: dòng điện định mức của cầu dao đượccho bởi nhà sản xuất (thường có các loại 10A, 15A, 20A, 25A, 30A,60A, 75A, 100A,150A, 200A, 350A, 600A, 1000A )

- Theo vật liệu cách điện: cầu dao (đế sứ, đế nhựa, đế đá, đế bakelit)

- Theo điều kiện bảo vệ có: cầu dao có nắp và không có nắp ( loại không cónắp được đặt trong hộp hay tủ điều khiển)

- Theo yêu cầu sử dụng: loại cầu dao có cầu chì bảo vệ ngắn mạchhoặc loại không có cầu chì bảo vệ

Ở nước ta thường sản xuất cầu dao đá loại 2 cực, 3 cực không có nắp chechắn, có dòng điện định mức tới 600A, và có lưỡi dao phụ Một số nhà máy sảnxuất cầu dao nắp nhựa, đế sứ hay đế nhựa, có dòng điện định mức tới 60A Cáccầu dao đều có chỗ bắt dây chảy để bảo vệ ngắn mạch

Ngoài ra chúng ta cũng thường sử dụng một số cầu dao hộp gang hay hộp sắtcủa Trung Quốc có tay nắm thao tác ở một bên, bên trong

1.2.4 Ký hiệu

Ký hiệu cầu dao không có cầu chì bảo vệ:

Cầu dao có lưỡi dao phụ:

Lưỡi dao chính Tiếp xúc tĩnh (ngàm) Lưỡi dao phụ

Lò xo bật nhanh

Ký hiệu cầu dao có cầu chì bảo vệ:

1.2.5 Các thông số định mức của cầu dao

Khi chọn cầu dao cần quan tâm đến 2 thông số chính là I đm và U đm của cầu dao

Nếu gọi Itt là dòng tính toán của mạch điện

U nguồn là điện áp nguồn của lưới điện sử dụng

Thì ta cần chọn cầu dao theo công thức sau:

Iđm cầu dao Itt

Uđm cầu dao U nguồn

2 CÔNG TẮC

2.1 Khái quát và công dụng

Công tắc là một loại khí cụ đóng cắt bằng tay kiểu hộp, dùng để đóng cắtmạch điện có công suất nhỏ và có dòng điện định mức nhỏ hơn 6A, có điện áp mộtchiều đến 440V và điện áp xoay chiều đến 500V Công tắc thường có hộp bảo vệ

để tránh sự phóng điện khi đóng mở

Công tắc hộp thường được dùng làm cầu dao tổng cho các máy công cụ, dùngđóng mở trực tiếp cho các động cơ công suất bé, hoặc dùng để thay đổi chiều quayđộng cơ điện hoặc đổi cách đấu cuộn dây stato động cơ sao sang tam giác

Công tắc hộp làm việc chắc chắn hơn cầu dao, dập tắt hồ quang nhanh hơn vìthao tác ngắt nhanh và dứt khoát hơn cầu dao

Một số công tắc thường gặp

2.2 Phân loại

- Theo hình dạng bên ngoài người ta chia ra: Loại hở, loại bảo vệ, loại kín

- Theo công dụng người ta chia ra: Công tắc đóng ngắt trực tiếp, công tắcchuyển mạch (công tắc vạn năng), công tắc hành trình

2.3 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động

2.3.1 Công tắc đổi nối kiểu hộp

Phần chính là tiếp điểm tĩnh gắn trên các vành nhựa bakêlít cách điện có haiđầu vặn vít thò ra khỏi hộp Các tiếp điểm động gắn trên cùng trục và cách điện vớitrục, nằm ở các mặt phẳng khác nhau tương ứng với vành Ngoài ra còn có lò xophản kháng đặt trong vỏ để tạo nên sức bật nhanh làm cho hồ quang được dập tắtnhanh chóng

2.3.2 Công tắc vạn năng

Công tắc vạn năng dùng để đóng, ngắt,

chuyển đổi mạch điện các cuộn dây hút của công

tắc tơ, khởi động từ… chuyển đổi mạch điện ở

các dụng cụ đo lường

Gồm các đoạn riêng rẽ cách điện với nhau và

lắp trên cùng một trục có tiết diện vuông Các tiếp

điểm 1 và 2 sẽ đóng và mở nhờ xoay vành cách điện

lồng trên trục khi ta vặn công tắc Tay gạt công tắc

có một số vị trí chuyển đổi trong đó các tiếp điểm sẽ đóng hoặc ngắt theo yêu cầu

Công tắc ba pha Công tắc ba pha hai ngảCông tắc hành trình

Hình 2.2: Công tắc 2 chấu và 3 chấu

2.3.3 Công tắc hành trình

Công tắc hành trình và công tắc điểm cuối dùng để đóng cắt chuyển đổi mạchđiện điều khiển trong truyền động điện tự động theo tín hiệu hành trình ở các cơcấu chuyển động cơ khí nhằm tự động điều khiển hành trình làm việc hay tự độngngắt điện ở cuối hành trình để đảm bảo an toàn Tùy theo cấu tạo công tắc hànhtrình và công tắc điểm cuối có thể chia thành: Kiểu ấn, kiểu đòn, kiểu trụ và kiểuquay

2.4 Một số yêu cầu thử của công tắc

Bên cạnh các yêu cầu cơ khí, va đập, dao động, vv….Trong việc kiểm tra chấtlượng công tắc, người ta phải thử

- Thử xuyên thủng: đặt điện áp xoay chiều 1500V trong thời gian 1 phút ở cácđiểm cần cách điện giữa chúng

- Thử cách điện: đo điện trở cách điện, điện trở này không được bé hơn 2

không được phép có một điên áp với 50 mV ứng với mỗi vị trí đóng của công tắc

và không phát nóng

Đối với công tắc  10 A, 90 lần ngắt trong thời gian 3 phút

Đối với công tắc 25A, 60 lần ngắt trong thời gian 3 phút

- Thử sức bền cơ khí:Tiến hành 10.000 lần thay đổi vị trí với tần số thaotác 25 lần/phút không có điện áp và dòng điện Sau đó công tắc phải ở trạngthái làm việc tốt và có thể chịu được tiêu chuẩn xuyên thủng trên

- Thử nhiệt độ với các chi tiết cách điện: Các chi tiết cách điện phải chịu đượcnhiệt độ 1000 C trong thời gian hai giờ mà không bị biến dạng hoặc sủi nhám.

2.5 Một số thông số kỹ thuật của công tắc

- Kiểu công tắc

- Dòng điện định mức của công tắc Iđm thường nhỏ hơn 6A

- Điện áp định mức của công tắc Uđm thường nhỏ hơn 500V

- Khả năng đóng cắt, tần số đóng căt, độ cách điện

Dưới đây là một số thông số kỹ thuật của một số loại công tắc của các nước

1- Công tắc xoay Việt Nam

HZ1 25 / 16 25A

15A

250V500V

TH

HZ1 100 / 3 100A

60A

250V500V

3- Công tắc xoay chiều hở của Liên Xô

Bảng 2.3

Kích thước(mm)

Tên gọi Kiểu

Dòng điện

ở điện

áp 220v một chiều vàxoay chiều

Định mức ở địên áp380v xoay chiều

TrọngLượng

5171

65100

5990

0,1400,470

100 3

60 3

25 3

6154060150

5781120134

65100142142

5990130130

0,1550,5201,3201,500

112 / 25 2

112 / 10 2

6154060

5171104118

65100142142

5990130130

0,1500,5001,2801,660Công tắc ba

pha cực hai

chiều có

112 / 60 3

112 / 25 3

112 / 10 3

6154060

5781120134

65100142142

5990130130

0,1700,5501,5002,000Công tắc

2 / 10

5781

65100

100 2

60 2







B B B





100250

4060150

104118

142142

130130

1,2001,210

3 NÚT ẤN

3.1 Khái quát và công dụng

Nút ấn còn gọi là nút điều khiển là một loại khí cụ điện dùng để đóng ngắt từ

xa các thiết bị điện từ khác nhau; các dụng cụ báo hiệu và cũng để chuyển đổi cácmạch điện điều khiển, tín hiệu liên động, bảo vệ v v …Ở mạch địên một chiều điện

áp đến 440 V và mạch điện xoay chiều điện áp đến 500V, tần số 50-60 Hz

Nút ấn thông dụng để khởi động, dừng và đảo chiều quay động cơ điện bằngcách đóng và ngắt mạch cuộn dây của contactor nối cho động cơ, khởi động từ mắc

ở mạch động lực của động cơ

Nút ấn thường được đặt trên bảng điều khiển, ở tủ điện, trên hộp nút ấn Nút

ấn được nghiên cứu chế tạo làm việc trong môi trường không ẩm ướt, không cóhơi hoá chất và bụi bẩn

Nút ấn có độ bền lên tới 1.000.000 lần đóng ngắtt không tải và 200.000 lầnđóng ngắt có tải Khi thao tác nhấn nút ấn cần phải dứt khoát để đóng hoặc mởmạch điện

3.2.Phân loại và cấu tạo

3.2.1 Cấu tạo

Nút ấn gồm hệ thống lò xo, hệ thống các tiếp điểm thường hở - thường đóng

và vỏ bảo vệ Khi tắc động vào nút ấn, các tiếp điểm chuyển trạng thái; khi khôngcòn tác động, các tiếp điểm trở về trạng thái ban đầu

3.2.2 Phân loại

Nút ấn được phân loại theo các yếu tố sau:

* Phân loại theo chức năng trạng thái hoạt động của nút ấn, có các loại:

- Nút ấn đơn: Mỗi nút ấn chỉ có một trạng thái (ON hoặc OFF)

Trong thực tế, để dễ dàng sử dụng vào tháo ráp lắp lẫn trong quá trình sửachữa, thường người ta dùng nút ấn kép, ta có thể dùng nó như là dạng nút ấn ONhay OFF.

* Phân loại theo hình dạng bên ngoài, người ta chia nút ấn ra thành 4 loại:

- Loại hở: thường đặt trên bảng nút ấn, hộp hay trên mặt tủ điện

- Loại bảo vệ: đặt trong vỏ nhựa hoặc vỏ sắt hình hộp chủ yếu chống va đập

- Loại bảo vệ chống nước và chống bụi: Nút ấn kiểu bảo vệ chống nước đượcđặt trong một hộp kín khít để tránh nước lọt vào Nút ấn kiểu bảo vệ chống bụiđược đặt trong một vỏ cacbon đúc kín khít để chống ẩm và bụi lọt vào

- Loại bảo vệ chống nổ: Nút ấn kiểu chống nổ dùng trong các hầm lò, mỏthan hoặc ở nơi có các khí nổ lẫn trong không khí Cấu tạo của nó đặc biệt kín khítkhông lọt được tia lửa (hồ quang phát sinh) ra ngoài và đặc biệt vững chắc đểkhông bị phá vỡ khi nổ

* Phân loại theo yêu cầu điều khiển người ta chia nút ấn thành 3 loại: 1

Đối với nút nhấn thường đóng: khi có lực tác động vào nút nhấn, tiếp điểmđộng sẽ thay đổi trạng thái từ đóng sang mở (rời khỏi tiếp điểm tĩnh) tạo thành

mạch hở để ngắt tín hiệu điều khiển một thiết bị điện Khi không còn lực tác độngthì nó trở lại trạng thái ban đầu.

Đối với nút nhấn liên động: Khi có lực tác động vào nút nhấn, tiếp điểmthường đóng thay đổi trạng thái từ đóng sang mở, sau đó tiếp điểm thường mở thayđổi từ trạng thái từ mở sang đóng (tiếp điểm thường đóng mở trước, sau đó tiếpđiểm thường mở đóng lại) Khi không còn lực tác động thì nó sẽ trở lại trạng tháiban đầu

Udm: Điện áp định mức của nút ấn

Idm: Dòng điện định mức của nút ấn

Trị số điện áp định mức của nút ấn thường có giá trị <500V

Trị số dòng điện định mức của nút ấn thường có giá trị <5A

3.5 Một số loại nút ấn

3.5 1 Nút ấn của Việt Nam

Nước ta sản xuất hai loại nút ẩn kiểu hở, kiểu bảo vệ, gồm loại 1 nút, loại 2nút, 3 nút (để chạy hai chiều ): ký hiệu NB-1, NB-2, NB-3, có dòng điện qua tiếpđiểm tới 5A

3.5 2 Nút ấn của các nước khác

Nút ấn được kiến với với một hay nhiều nhóm tiếp điểm thường đóng vàthường mở Màu của nút ấn có thể là mầu đỏ, màu xanh, màu đen hay không trongsuốt Các nút ấn được dùng để dừng thường có nút màu đỏ Bảng 2.4 a và thông sốliệu kĩ thuật của nút ấn tự giữ Dùng để điều khiển các khí cụ điện sử dụng dòngđiện xoay chiều có điện áp đến 380V-2A với dòng điện xoay chiều và 220V–0,25A đối với dòng điện một chiều

Dòngđiện một chiều

Tần số lưới điện Tiếp điểm

4.1.Khái niệm và công dụng

Dao cách ly là một loại khí cụ điện cao áp, được dùng để đóng cắt mạch điệncao áp khi không có điện, tạo ra khoảng hở cách điện an toàn trông thấy được giữa

bộ phận đang mang dòng điện và bộ phận đã cắt điện, khi cần kiểm tra sửa chữa,bảo dưỡng bộ phận không mang điện Trong điều kiện nhất định có thể dùng daocách ly đóng cắt đường dây hoặc máy biến áp không mang tải công suất nhỏ, hoặcđóng cắt mạch điện đẳng thế để đổi nối phương thức kết dây của sơ đồ

Dao cách ly không có bộ phận dập tắt hồ quang cho nên nghiêm cấm dùngdao cách ly đóng cắt mạch điện mang tải

4.2 Yêu cầu kỹ thuật đối với dao cách ly

- Dao cách ly phải làm việc tin cậy, tiếp xúc phải đảm bảo chắc chắn

- Đảm bảo ổn định động và ổn định nhiệt khi có dòng điện ngắn mạch cực đạichạy qua

- Kết cấu dao cách ly phải gọn nhẹ, đơn giản, dễ lắp đặt, dễ thao tác, phải liênđộng với máy cắt để dao cách ly đã cắt điện và chỉ đóng được dao cách ly trướckhi đóng điện cho máy cắt

- Khoảng cách giữa các lưỡi dao sau khi cắt hết hành trình phải đủ lớn để đảmbảo không bị phóng điện khi có xung điện áp.

4.3.Phân loại

Theo yêu cầu sử dụng, dao cách ly có hai loại

- Dao cách ly một pha

- Dao cách ly ba pha

Theo cấu tạo có:

- Dao cách ly có lưỡi dao tiếp đất và dao cách ly không có lưỡi dao tiếp đất

- Dao cách ly có lưỡi dao động quay trên mặt phẳng ngang và loại dao cách ly

có lưỡi dao động quay trên mặt phẳng thẳng đứng

- Dao cách ly có bộ liên động lắp kèm với máy cắt và dao cách ly không có bộliên động (cách ly phân đoạn)

Theo vị trí sử dụng, dao cách ly có hai loai:

- Dao cách ly đặt trong nhà

- Dao cách ly đặt ngoài trời

4.4 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động

* Nguyên tắc thao tác vận hành

Nếu dao cách ly ở vị trí đóng thì tiếp xúc động 1 sẽ đóng chặt vào tiếp xúctĩnh 4 Sau khi đóng máy cắt nối tiếp dao cách ly, thì dòng điện tải từ nguồn quacực bắt dây 5 qua tiếp xúc tĩnh 4 qua tiếp xúc động 1 qua cực bắt dây 10 về tải.Muốn cắt dao cách ly, trứơc hết phải cắt điện máy cắt nối tiếp với dao cách ly,sau đó sử dụng động cơ hoặc tay, tác động vào cần thao tác 8, kéo xuống là cách

ly, đẩy lên là đóng cách ly

* Nguyên tắc thao tác

Muốn cắt cách ly phải cắt điện ở máy cắt nối tiếp với dao cách ly trước, sau

đó mới đựơc cắt đến cách ly Khi đóng thì đóng dao cách ly trước, sau đó mớiđóng điện máy cắt nối tiếp với dao cách ly để dao cách ly mang tải

* Ưu-nhược điểm

Loại dao cách ly này có cấu tạo đơn giản, gọn, dễ lắp đặt và thao tác Phạm vi

sử dụng lắp đặt trong nhà, chủ yếu lắp đặt cho lưới điện trung áp

4.4.2 Dao cách ly lắp đặt ngoài trời

1: Lưỡi dao tiếp xúc tĩnh

2: Lưỡi dao tiếp xúc tĩnh động

3: Dây dẫn mềm

4: Cực bắt dây nối tải

5: Sứ đỡ lưỡi dao

6: Thanh truyền động 7: Giá đỡ

8: Cực bắt dây nối đất an toàn9: Trục quay

10: Cực bắt dây nối nguồn

* Nguyên tắc thao tác vận hành

Hình 2.5: Dao cách ly lắp đặt ngoài trời

Khi dao cách ly ở vị trí đóng lưỡi dao 1 và 2 đóng chặt vào nhau, dòng điện từ

từ nguồn qua cực bắt dây 10 qua dây dẫn mềm 3 qua lưỡi dao 1 và 2 qua cực bắtdây 4 ra tải

Khi cắt cách ly sử dụng động cơ hoặc quay tay, tác động vào bộ truyền độnglàm trục quay 9 và Sứ đỡ 5 quay, kéo lưỡi dao 1 và 2 tách rời nhau quay ngượcchiều cùng một phía, trên cùng một mặt phẳng ngang đến khi chúng song song vớinhau mới cắt hết hành trình

* Nguyên tắc thao tác

Muốn cắt cách ly phải cắt điện ở máy cắt nối tiếp với dao cách ly trước, sau

đó mới đựơc cắt đến cách ly Khi đóng thì đóng dao cách ly trước, sau đó mớiđóng điện máy cắt nối tiếp với dao cách ly để dao cách ly mang tải (đóng và cắtcách ly đều không có dòng điện tải)

* Ưu-nhược điểm

Loại dao cách ly này thường được thiết kế lưỡi dao động quay theo mặt phẳngngang hoặc mặt phẳng thẳng đứng, để đảm bảo an toàn và ở nhưng dao cách lycông suất lớn, người ta thường sử dụng động cơ để truyền động đóng cắt từ xa và

tự động Phạm vi sử dụng dao cách ly ở mọi cấp điện áp từ 3kV trở lên

4.5 Lựa chọn và kiểm tra dao cách ly

Dao cách ly được chọn theo điều kiện định mức, chúng được kiểm tra theođiều kiện ổn định lực điện động và ổn định nhiệt:

Điện áp định mức (kV): UdmDCL Udm mang

Dòng điện định mức (A): IdmDCL Ilvmax

Dòng điện ổn định lực điện động: imax Ixk

Dòng điện ổn định nhiệt trong thời gian: todn I

odn

gh t t

5 MÁY CẮT ĐIỆN

5.1 Khái niệm chung

Máy cắt điện áp cao là thiết bị điện chuyên dùng để đóng ngắt mạch điệnxoay chiều ở tất cả các chế độ vận hành có thể có: đóng ngắt dòng điện định mức,dòng điện ngắn mạch; dòng điện không tải Máy cắt là loại thiết bị đóng cắt làmviệc tin cậy song giá thành cao nên máy cắt chỉ được dùng ở những nơi quan trọng

5.2 Phân loại máy cắt

Thông thường máy cắt được phân loại theo phương pháp dập tắt hồ quang,theo dạng cách điện của phần dẫn điện, theo kết cấu của buồng dập hồ quang

Dựa vào dạng cách điện của phần dẫn điện, máy cắt được chia thành:

- Máy cắt nhiều dầu: giữa các thành phần dẫn điện được cách điện bằngdầu máy biến áp và hồ quang sinh ra khi cắt máy cắt cũng được dập tắt bằngdầu biến áp

- Máy cắt ít dầu: giữa các thành phần dẫn điện được cách điện bằng cách điệnrắn và hồ quang sinh ra khi cắt máy cắt cũng được dập tắt bằng dầu biến áp

- Máy cắt không khí

- Máy cắt điện tử

- Máy ngắt chân không

5.3 Giới thiệu một số máy cắt điện

5.3.1 Máy cắt điện nhiều dầu không có buồng dập hồ quang

a Đặc điểm cấu tạo

1: Cực bắt dây nguồn tới máy cắt

Ở loại máy cắt này, dầu chứa một lượng đủ lớn vừa để cách điện, vừa để dập

hồ quang (hàng trăm lít)

b Nguyên lý làm việc

Hình 2.6: Máy cắt điện nhiều dầu không

có buồng dập hồ quang