Hàm Logic Trong Thiết Bị Đi part part 13 pot

Tính toán độ bền điện phục hồi của khoảng trống hồ quang khi dòng điện qua trị số không Bản chất của quá trình phục hồi độ bền điện của khoảng trống hồ quang buồng dập hồ quang tự sinh

4) Tính th•i gian d•p h• quang • các giá tr• dòng •i•n

ng•t khác nhau

1 Tính áp su•t khi h• quang cháy trong bình ch•a •óng kín

Chúng ta s• xét ph••ng án k•t c•u hình 6-1 S• •• tính

toán c•a giai •o•n th• nh•t và th• hai d•p h• quang • hình

6-3a,b

Trong tr••ng h•p thay ••i áp su•t trong giai •o•n th•

nh•t bi•u th• b•ng ph••ng trình: (5-18)

t

t

A R

p = θδ Trong •ó: pt : áp su•t trong bình ch•a • th•i •i•m t, at

R : h•ng s• khí, m/••

θ : là nhi•t •• kh•i khí, 0

K

δ : h• s• tr•ng l••ng hình thành khí, kg/kW.s

At : n•ng l••ng t•a ra trong h• quang su•t th•i

gian t

• •ây s• khác nhau so v•i bình ch•a d•u th•i t• ••ng là

th• tích b•t rung không thay ••i theo th•i gian, ngh•a là:

Vt =V0 =const N•u nh•n t•c •• chuy•n ••ng ti•p •i•m là không ••i và

b•ng t•c •• trung bình

const

tr = =

2 01

ν ν

Trong •ó ν01 : t•c •• ti•p •i•m t•i th•i •i•m m• l• th•i

khí, n•ng l••ng t•a ra trong h• quang sau m•t s• n•a chu kì

d•p t•t h• quang •••c tính theo ph••ng trình •ã nêu • ch••ng

5

∫

π ω ν

0

tdt sin t I nE

At hqtr m tr tr EhqtrImnt1

ω

ν

(6-1) Trong •ó:

Ehqtr : gra•ien •i•n áp trung bình trên h• quang, kV/m

Im : biên •• c•a dòng •i•n ng•t, A

s ,

t1 = =0 01

ω

π

: th•i gian m•t n•a chu kì, [s]

Trong tr••ng h•p n•u ta cho tr••c s• h1 t••ng •ng v•i

giai •o•n th• nh•t c•a d•p h• quang (kho•ng cách t• m•t c•t

phía trên c•a •ng sinh khí ••n mép l• bên s••n, hình 6-3a),

n•ng l••ng t•a ra trong giai •o•n th• nh•t tính theo ph••ng

trình:

m hqtrI E

h A

ω

1

0 01

V

l I E

R

m hqtr

δ ω

θ

Tính áp su•t m•t cách chính xác theo công th•c này g•p nhi•u khó kh•n vì trong •ó giá tr• θ và Ehqtr thay ••i ph• thu•c vào kích th••c c•a rãnh bu•ng d•p h• quang Ngoài ra, trong các thi•t b• này h• s• sinh khí ph• thu•c nhi•u vào kích th••c và hình dáng ti•t di•n c•a rãnh th•i khí, mà • ••y h• quang cháy Giá tr• •••c xác ••nh c• th• b•ng các tham s• thí nghi•m

Ví dụ, đối với trường hợp hồ quang cháy ở trong ống dẹp l, đường kính bên trong d:

( ) ( 3)2

1 2 10

3 6 10

1 2

d ,

n I l ,

Trong đó:

m : trọng lượng tổn hao, kg

l : chiều dài ống, cm

I : giá trị thực của dòng điện, A

nt : số nửa chu kì của sự dập hồ quang

d : đường kính bên trong ống, cm

Nếu các điều kiện khác giống nhau, giải liên hợp (6-2) và (6-4) thì công thức để tính trị số cho các rãnh, tiết diện tròn là:

hqtr m

i

i

E d

I h , A

m

3 1 10

0

10 64

=

=

Hình 6-3 Sơ đồ tính áp suất trong thiết bị dập hồ quang tự sinh khí

c

b )

P t 2

a

d

d 1

d 2

V 0

P t 1

h 1

Ví dụ:

Im =1000A; h1=10cm; d=0,8cm và Ehqtr =0,15kW/cm, δ=0,05.10-4kg/kW.s

Trong trường hợp này cường độ tương đối tạo thành khí rất thấp, ít hơn trong dầu khoảng 6 lần (xem chương 5)

Như vậy, để tính chính xác phải dựa các tham số thí nghiệm về dạng tương tự như phương trình (6-4)

Để tính gần đúng giá trị nhiệt độ và građien điện áp ở phương trình (6-3) có thể lấy một cách sơ bộ bằng:

θ ≈1000÷1500 0K

Ehqtr ≈ 150 /V cm

Để tính áp suất ở giai đoạn thứ nhất, ngoài những phương trình nêu trên, còn sử dụng các công thức kinh nghiệm

Một trong các công thức thực nghiệm (cho trường hợp dập tắt hồ quang trong rãnh nhựa phooc-mal-đê-hyđuyarê, tiết diện hình xuyến d1=2,54cm; d=1,27cm):

0

2 042 0

V

In ,

t

ν

νtr : tốc độ chuyển của động tiếp điểm trong bình, m/s

I : giá trị hiệu dụng của dòng điện, A

V0 : thể tích của bình chứa, cm3

nt : số nửa chu kì dập tắt hồ quang

2 Tính áp suất khí trong bình chứa ở giai đoạn thứ hai dập tắt hồ quang

Quá trình thay đổi áp suất trong bình chứa sau khi mở lỗ thải khí được biểu thị bằng

phương trình (5-35) Đối với trường hợp ta đang xét (Vt=V0=const) phương trình này có

dạng:

0 0

1 0

=

−

V

Bp p V

F dt

Như trường hợp trước građien điện áp trên hồ quang có biên độ dòng điện ngắt được xem là không đổi Như vậy:

t sin I h E t sin I U N

m hqtr m

hq

Khi đó: Uhq =const I; m =const

Trong trường hợp này dựa trên cơ sở của (6-7) và tương tự như (5-40) phương trình

để tính áp suất trong bình chứa cuối nửa chu kì n của giai đoạn dập tắt hồ quang:

n

Trong đó: a=

+

εω

β2 ω2

ε δ= RθE I h

V

hqtr m 1

0 , (kg/cm2.s)

θ gR k

k k

,

1

2 1

2 5

1

+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ +

Nếu lấy một cách sơ bộ : k=1,3 thì: ap ≈ Rθ Trong trường hợp hồ quang cháy ổn định khi mở lỗ áp suất ở cuối nửa chu kì tính theo công thức (5-41):

2

2 ω β

ω ε +

=

=

∞

a

Trong nhiều trường hợp phải dùng phương trình (6-9) để tính Khi dòng điện bé, dập tắt hồ quang đạt được bằng cách kéo hồ quang dài thêm ở phần dưới của ống (thấp hơn

lỗ thải khí), nhờ vậy mức độ sinh ra khí được đảm bảo

Như đã nói ở trên áp dụng ống lót sinh ra khí cũng là một phương pháp để dập tắt

hồ quang khi dòng điện bé

3 Tính toán độ bền điện phục hồi của khoảng trống hồ quang khi dòng điện qua trị số

không

Bản chất của quá trình phục hồi độ bền điện của khoảng trống hồ quang buồng dập

hồ quang tự sinh khí cũng giống như trong các thiết bị dập hồ quang có tự động thổi trong dầu (xem chương 5) Cho nên các phương trình (5-50), (5-52), (5-55), (5-57), đều đúng đối với thiết bị dập hồ quang tự sinh khí

Song, cũng cần phải nhắc đến một số điểm đặc biệt của buồng dập hồ quang tự sinh khí trong khi áp dụng các công thức nói trên:

+ Trong thành phần của khí, như bảng 6-1 đã nêu, chứa một phần khí CO Do đó độ bền điện của hỗn hợp khí giảm nhiều

Do không đủ các tham số thực nghiệm ổn định về trị số độ bền điện của môi trường

đó, nên chỉ đánh giá một cách định lượng:

âbk

âl , U

U ≈0 5

Trong đó có Uđbk là độ bền điện của không khí nén xác định theo các tham số ở chương 4

+ Kinh nghiệm cho thấy rằng, thân dư của hồ quang trong buồng dập hồ quang tự sinh khí và các điều kiện khác có độ dẫn dư cao hơn khi dập hồ quang trong buồng dập hồ quang tự động thổi trong dầu Cho nên trường hợp ngắt dòng điện lớn phương trình (5-55)

có thể lấy giới hạn tần số của tác động riêng f0 thấp hơn

Đánh giá khả năng ngắt và tính thời gian dập tắt hồ quang trên cơ sở của các phương pháp đã nêu ở chương 5

CHƯƠNG 7

TÍNH KẾT CẤU THIẾT BỊ DẬP HỒ QUANG BẰNG TỪ TRONG

KHÔNG KHÍ

7.1 ĐặC TÍNH CHUNG CủA QUÂ TRÌNH DậP Hồ QUANG ĐƯợC LĂM LạNH

TRONG BUồNG DậP Hồ QUANG KIểU RÊNH

Câc thiết bị dập hồ quang bằng từ dùng phương phâp dập hồ quang nhờ ảnh hưởng của từ trường ngang lăm hồ quang chuyển dịch vă được lăm lạnh theo nhiều kiểu khâc nhau hay tăng quâ trình phản ion hóa

Trong câc thiết bị có câc kiểu dập hồ quang sau:

1) Phđn chia hồ quang ra thănh nhiều hồ quang ngắn, sau đó dập tắt ở câc điện cực lạnh

2) Do kết quả của sự kĩo dăi vă chuyển dịch với tốc độ lớn trong không khí, thđn hồ quang được lăm lạnh kiểu đối lưu ngang

3) Lăm lạnh thđn hồ quang trong rênh phẳng hẹp do câc thănh của bình chứa tạo nín, hồ quang bị đẩy qua đó bằng từ trường ngang

Như vậy, trong câc thiết bị năy từ trường ngang thường được tạo bằng dòng điện hồ quang lă phương tiện nđng cao hiệu quả của phương phâp lăm lạnh kiểu khâc nhau trong không khí ở âp suất bình thường

Ngăy nay thường sử dụng câc buồng dập hồ quang kiểu rênh lă kinh tế vă hiệu quả hơn cả, cho nín sau năy ta sẽ chỉ nghiín cứu câch tính vă kết cấu câc thiết bị như thế

Sơ đồ của buồng dập hồ quang kiểu rênh ở hình 7-1

Sau khi câc tiếp điểm tâch rời dưới ảnh hưởng của từ trường ngang (thường được tạo bằng dòng điện hồ quang) thđn hồ quang nhanh chóng bị kĩo dăi vă sau đó chuyển dịch

Hình 7-1 Sơ đồ dập tắt hồ quang trong bình kiểu rênh

ν

δ

B

Vùng dập hồ quang

Vùng kéo dài sơ hồ

quang

vào vùng dập tắt, ở đấy các thành cách điện chịu nhiệt của bình chứa tạo thành rãnh hẹp Khi đó, nếu chiều rộng của rãnh nhỏ hơn đường kính của thân hồ quang (d>δ) thì thân hồ quang bị biến dạng, tiết diện của nó thành hình chữ nhật bị kéo dài và diện tích tiếp xúc với

bề mặt của các thành được tăng lên Nhờ đó, giữa hồ quang và bề mặt của các thành tạo ra được sự tiếp xúc về nhiệt đảm bảo tản nhiệt tốt Trong trường hợp này sự đối lưu và làm lạnh thân hồ quang bằng luồng không khí ngược chiều đóng vai trò không đáng kể

Trong trường hợp đang xét, các tiết diện trong vùng thân hồ quang giảm là do sự tái hợp một cách mạnh mẽ trên bề mặt các thành lạnh

Các công trình nghiên cứu đã chỉ ra, đối với phương pháp làm lạnh như vậy ti lệ giữa dòng điện hồ quang Ihq, građien điện áp trên thân hồ quang Ehq và đạo hàm của chúng theo thời gian có thể đặt trong dạng đặc tuyến V-A động

2

I

dI

dE dt

E k hq

hq

hq

⎡

⎣

⎢

⎢

⎤

⎦

⎥

⎥= − (7-1)

Tri số τ gọi là hằng số thời gian nhiệt của thân hồ quang và xác định theo phương trình: τ= C δ

k

p

2

Trong đó :Cp là nhiệt dung riêng của khối đẳng li hồ quang ở áp suất không đổi, [W.s/cm3.độ]

δ : chiều rộng rãnh của bình chứa, cm

k : hệ số tản nhiệt chung trên bề mặt các thành rãnh, W/cm2.độ

Trị số β xác định theo phương trình:

β= tgα

Trong đó:

α : góc nghiêng của đặc tuyến độ dẫn xuất ở khu đẳng li của hồ quang Η =f(θ) Phương trình (7-1) cho phép xác định mức độ và đặc điểm ảnh hưởng của môi trường chung quanh đến hồ quang điện giống như đến một thành phần của mạch điện

Thay vào (7-1) với các điều kiện ( =0 =0

dt

dE

; dt

dIhq hq

) :

E

hq = 2 1 =

β δ δ (7-2)

Khi tiến hành giải Ehq được tính:

δ

19

= hq

E , [V/cm] (7-3)

Từ (7-1) thấy rằng khi hằng số thời gian rất bé ((τ → 0 )đặc tính động được xem như tĩnh, mặc dù: ( ≠0 ≠0

dt

dE

; dt

dIhq hq

)

Từ các phương trình (7-1), (7-2) và (7-3) tiến hành tính các quá trình đóng ngắt trong mạch điện với dòng điện ngắt bằng buồng dập hồ quang kiểu rãnh Cũng xác định các

kích thước của buồng dập hồ quang khi cho trước các tham số của mạch, điện áp của nguồn

và thời gian dập tắt hồ quang

7.2 NGắT MạCH ĐIệN CảM BằNG BUồNG DậP Hồ QUANG KIểU RÃNH

Quá trình dập tắt hồ quang trong buồng dập hồ quang kiểu rãnh có những đặc điểm sau:

1) Khi thân hồ quang tương đối dài, điều kiện tốt nhất là dập hồ quang bắt đầu ở cuối nửa chu kì dòng điện Như vậy trong quá trình dập hồ quang thì điện áp trên thân hồ quang tương đối lớn và điều đó ảnh hưởng đến sự thay đổi dòng điện trong mạch ngắt

2) Sau khi dòng điện hồ quang đi qua trị số không, độ dẫn dư của vùng dập hồ quang tương đối lớn, như vậy quá trình phục hồi điện áp có các đặc điểm là không có chu

kì

Chúng ta xét quá trình dập tắt hồ quang trong buồng dập hồ quang kiểu rãnh khi ngắt mạch điện cảm ở mạch điện xoay chiều (hình 7-2)

Phương trình cân bằng áp:

) t sin(

U U dt

di

L + hq = m ω +ϕ (7-4) Trong đó theo (7-2) thì:

hq

hq A l

U

δ

= :là điện áp trên hồ quang

lhq: chiều dài hồ quang

ϕ: góc pha đầu của điện áp

Hình 7-2: Tính dòng điện hồ quang trong buồng dập hồ quang kiểu rãnh

L

u=U m sinωt

u hq = const

Như vậy khi có chiều rộng rãnh δ và chiều dài hồ quang lhq xác định thì điện áp trên hồ quang không đổi: Uhq= Uhq0=const

Như đã biết, với các điều kiện này nghiệm của (7-4) có dạng:

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

− +

+

−

U

U ) t cos(

I i

m

hq m

(7-5)

Từ phương trình này thấy rằng, khi giá trị của tỷ số Uhq0/Um lớn thì dạng đường cong của dòng điện có thể rất khác hình sin còn góc lệch pha ϕ giảm xuống Như vậy điều kiện dập tắt hồ quang bắt đầu ở thời điểm t = 0(dòng điện qua trị số 0) điện áp trên hồ quang bằng điện áp lưới điện, góc lệch pha ϕ đạt tới giá trị tới hạn nhỏ nhất ϕ=ϕ0

0

0 U sinϕ

Uhq = m (7-6)

Góc lệch pha giới hạn ϕ0được xác định theo phương trình (7-5) khi cho trước các điều kiện là t = 0, ihq= 0 và ϕ=ϕ0

ϕ0= arctg2

π=32

0

Như vậy, phương trình biểu thị điều kiện dập tắt hồ quang khi cho trước điện áp của mạng lưới có dạng:

m a m m

hq

hq A l U sin( , ) , U k U

Với ka là hệ số biên độ

Trong tính toán các thiết bị dập hồ quang cần phải lấy trị số tối thiểu cho phép của biên độ điện áp ngược làm điện áp Um, đối với mỗi một cực của máy ngắt ba cực được xác định theo phương trình:

Um = 0 866 2, Ud Với Ud là giá trị điện áp dây định mức trong mạch ngắt ba pha

Mức độ giảm biên độ dòng điện hồ quang trong trường hợp giới hạn (ϕ=ϕ0) cũng tìm được theo phương trình (7-5)

ωt = +π ϕ0

Khi đó biên độ tính toán của dòng điện hồ quang (với đường cong biến dạng)

m m

2 537 0

⎥⎦

⎤

⎢⎣

= π π ϕ (7-8)

Từ các phương trình (7-7), (7-8) thấy rằng, điều kiện để dập tắt hồ quang trong buồng dập hồ quang kiểu rãnh rất dễ ràng do trị số của hệ số biên độ điện áp ngược giảm xuống rất nhiều và biên độ dòng điện ngắt cũng giảm xuống

7.3 TÍNH TốC Độ CHUYểN ĐộNG CủA Hồ QUANG DƯớI ảNH HƯởNG CủA Từ

TRƯờNG NGANG TRONG BUồNG DậP Hồ QUANG KIểU RÃNH

Trong các bình chứa kiểu rãnh dập tắt hồ quang bằng từ dưới ảnh hưởng của từ trường ngang được tạo thành bằng điện từ riêng (hệ thống thổi từ) thân hồ quang chuyển dịch và bị kéo dài ra trong quá trình dập tắt

Quá trình dập tắt hồ quang trong các thiết bị chia ra làm hai giai đoạn Giai đoạn thứ nhất, sự hình thành hồ quang trên các tiếp điểm dập hồ quang nhanh chóng bị kéo dài

và chuyển dịch đến vùng dập tắt (vùng của bình chứa có khoảng cách giữa các bề mặt làm lạnh bé) Giai đoạn thứ hai thân hồ quang chuyển động ở rãnh khe hẹp, nhờ tiếp xúc của hồ quang với các bề mặt làm lạnh về nhiệt tốt nên tạo được các điều kiện thuận lợi dập tắt hồ quang Trong bình chứa kết cấu hợp li khi thời gian của giai đoạn thứ nhất cần phải giảm

Hình 7-3 Sự thay đổi của dòng điện hồ quang trong mạch ngắt dòng xoay chiều trong buồng dập

hồ quang kiểu rãnh

ωt

U m sinωt

I m

cos(ωt+ϕ)

0

U hq π/2U m

-U hq π/2U m

(π/2-ωt)

tối thiểu đến mức có thể Cho nên trong vùng kéo dài tốc độ chuyển động hồ quang phải lớn nhất

Sự chuyển động hồ quang phải xảy ra ở rãnh khe hẹp (vùng dập tắt) Xuất phát từ nhiệt độ đốt nóng bề mặt của thành bình chứa để chọn tốc độ chuyển dịch thân hồ quang bé nhất khi cho trước giá trị dòng điện hồ quang Tốc độ chuyển dịch hồ quang tăng vượt quá mức cần thiết thì không tạo được điều kiện tốt để làm lạnh thân hồ quang, nhưng trong thời gian này đòi hỏi tăng kích thước của vùng dập tắt h1, nghĩa là tăng kích thước của bình chứa

Trong vùng kéo dài, khoảng cách giữa các thành lớn, tốc độ chuyển động của hồ quang trong từ trường ngang có thể tính trên cơ sở các công trình nghiên cứu theo:

3 2 0

3 2 3

1 2 10 85 1

γ

ν

C

B i

Trong đó:

ihq : dòng điện hồ quang, A

B : mật độ từ thông của từ trường ngang, Wb/m2

γ : khối lượng riêng của khí, kg/cm3

C0 : hệ số điện trở xác định theo đường cong hình 7-4

Đối với tính gần đúng mật độ từ thông trong khoảng 0 < B< 0,1Wb/m2 lấy C0 ≈2,4 Khi đó đối với sự chuyển động của hồ quang trong không khí ở áp suất khí quyển bình thường (γ=1,1kg/m3) có dạng:

hq

≈ 73

1 3

2

Hình 7-4 Tốc độ chuyển động hồ quang trong từ trường ngang

B[Wb/m 2

]

C 0

1,0 2,0 3,0 4,0

0 0,04 0,08 0,12 0,16 0,2

Trong các thiết bị này từ trường ngang được tạo thành hệ thống thổi từ (hình 7-5),

hệ thống này thường gồm vật dẫn từ khép kín bằng sắt cùng với các cực và cuộn dây Cực của vật dẫn từ bao bọc một phần hay hoàn toàn vùng hồ quang cháy Cuộn dây (một hay một số) thổi từ thường mắc vào mạch chính của máy ngắt và được kích từ bằng dòng điện

hồ quang

Cách tính mật độ từ thông ở trong khe hở giữa các cực (3) khi cho biết dòng điện và các tham số của hệ thống thổi từ tiến hành bằng các phương pháp thường áp dụng trong tính toán mạch từ

Trong trường hợp nếu các đầu cực hoàn toàn bao bọc vùng hồ quang cháy, ví dụ: vùng kéo dài ban đầu, cường độ từ trường trong vùng này (hình 7-5) tính theo:

n

iW k H

δ δ

δ = , [A/m]

Trong đó:

i : dòng điện trong cuộn dây (dòng điện hồ quang), A

W : số vòng dây

δn : trị số khoảng cách của khe hở làm việc, m

kδ<1 : hệ số tính đến sức từ động tổn hao trong lõi sắt của vật dẫn từ

Mật độ từ thông khe hở:

n

iW k

H B

δ μ

δ = 0 = 0 , Wb/m2

μ0 =4 10π − 7, H/m

Thay thế giá trị nhận được của mật độ từ thông vào phương trình (7-9) hay (7-10) ta

có phương trình để tính tốc độ chuyển động hồ quang trong vùng kéo dài:

Hình 7-5 Sơ đồ buồng dập hồ quang kiều rãnh cùng với hệ thống thổi từ

1) Thành cách điện chịu nhiệt của bình chứa 2) Cách điện 3) Cực thổi từ 4) lõi 5) Cuộn dây thổi từ

h 1

h 2 h n

A

B

3

δ

AB

δ n

2 1

3

4

5