HỆ THỐNG điện , lê THANH TÙNG, KHOA điện ĐHBKĐN

Các loại thiết bị đóng cắt + Máy cắt: Trước khi vào tìm hiểu các đặc tính của các máy cắt chúng ta hãy tìm hiểu phương pháp dập hồ quang.Hồ quang điện xoay chiều được dập tắt bằng cách

Hệ thống điện

Lời nói đầu

Các kiến thức cơ bản của ngành hệ thống điện đã được mình tổng kết thành một brochure( từ trang web vnelectricinfo.net )để các bạn có thể tham khảo thêm trong quá trình học các môn liên quan như Khí

Cụ Điện , Kỹ Thuật Rơ le , Nhà Máy Điện v.v

Mình hy vọng rằng , đây sẽ là một tài liệu hữu dụng cho các bạn trong quá trình học tập Chúc các bạn học tốt

Chắc chắn rằng sẽ không tránh khỏi những thiếu sót nên nếu có góp ý ,các bạn hãy send mail cho mình qua đường chim bay nhé: ttungl@yahoo.com

ROBOCON 2004 - HANOI

Điều mà tôi sợ nhất không phải là thất bại mà chính là không dám làm gì cả!

PHẦN 1

Các thuật ngữ và khái niệm

Ký hiệu của các chức năng bảo vệ:

Trong các bảo vệ dùng rơ le kiểu cũ, mỗi rơ le thường có chức năng riêng đặc biệt Ở Việt Nam cho đến nay chúng ta có các ký hiệu khac nhau Ví dụ rơ le quá dòng thường được ký hiệu là RI, rơ le định hướng công suất - RW, rơ le thời gian - RT, rơ le điện áp - RU, rơ le tổng trở - RZ, rơ le trung gian - RG Cách ký hiệu như vậy có ưu điểm là dễ hiểu và dễ nhớ, song chỉ có thể áp dụng cho những rơ le đơn chức năng, khi

số lượng các chức năng bảo vệ ngày càng phong phú thì phương cách này đã trở nên bất cập Đặc biệt là trong các rơ le số, mỗi rơ le thường tích hợp rất nhiều chức năng bảo vệ khác nhau thì cách ký hiệu đó lại càng tỏ ra không thích hợp Để phù hợp với thông lệ Quốc tế, hiện nay người ta ký hiệu các chức năng bảo

vệ dưới dạng số sau đây (tham khảo ký hiệu chuẩn của Viện tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ ANSI):

Danh mục chức năng:

2 : Phần tử thời gian

3 : Chức năng kiểm tra hoặc khoá liên động

14 : Chức năng đo tốc độ

19 : Chức năng quá dòng do khởi động ở điện áp thấp

21 : Bảo vệ khoảng cách

24 : Chức năng quá kích từ

25 : Chức năng kiểm tra đồng bộ

27 : Chức năng bảo vệ thấp áp

30 : Rơ le tín hiệu

32 : Chức năng định hướng công suất

32Q : Chức năng định hướng công suất thứ tự nghịch

37 : Chức năng bảo vệ thiểu dòng hay thiểu công suất

38 : Chức năng đo nhiệt độ vòng bi hay các bộ phận khác

39 : Chức năng đo động rung

40 : Chức năng "mất từ trường" (Thiểu dòng cảm kháng)

46 : Rơ le dòng cân bằng pha hay đảo pha (dòng thứ tự nghịch)

46I : Rơ le quá dòng thứ tự nghịch tác động tức thời (cắt nhanh)

46T : Rơ le quá dòng thứ tự nghịch tác động có thời gian

47 : Chức năng thiểu áp thứ tự thuận

48 : Chức năng "khởi động lâu / ghìm rôto"

49 : Chức năng bảo vệ quá tải

49W : Bảo vệ quá nhiệt cho cuộn dây

50 : Bảo vệ quá dòng cắt nhanh

50/87 : Bảo vệ so lệch cắt nhanh

50BF : Bảo vệ dự phòng khi máy cắt hỏng

50G : Bảo vệ quá dòng chạm đất tức thời

50F : Chức năng đóng mạch vào điểm có sự cố

51 : Bảo vệ quá dòng (xoay chiều) có thời gian

51G : Bảo vệ quá dòng chạm đất có thời gian

51N : Bảo vệ quá dòng tổng 3 pha (3Io) có thời gian

51P : Bảo vệ quá dòng pha có thời gian

51V : Bảo vệ quá dòng có thời gian có hãm theo áp

52 : Máy cắt (MC) dòng xoay chiều

52a : Tiếp điểm phụ thường hở của máy cắt

52b : Tiếp điểm phụ thường đóng của máy cắt

55 : Rơ le hệ số công suất

59 : Bảo vệ quá áp

60 : Rơ le cân bằng áp hoặc dòng

63 : Bảo vệ cắt nhanh chống hồ quang hay bảo vệ Buchholz cho máy biến áp

64 : Bảo vệ chống chạm đất (quá áp thứ tự không độ nhạy cao)

64R : Bảo vệ chống chạm đất cho Rô to

64G : Bảo vệ chống chạm đất cho Stato

66 : Chức năng đếm số lần khởi động trong một giờ

67 : Bảo vệ quá dòng có hướng

67N : Bảo vệ quá dòng tổng ba pha có hướng

67Q : Bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch có hướng

74 : Rơ le báo động (tín hiệu)

76: Bảo vệ quá dòng một chiều

78: Chức năng chống dao động điện

79: Chức năng tự động đóng lặp lại

81: Rơ le tần số

81O: Rơ le quá tần

81U: Rơ le thấp tần

84: Bộ điều áp cho máy biến áp

85: Giao diện thông tin

86: Rơ le khoá

87: Bảo vệ so lệch

87B: Bảo vệ so lệch thanh cái

87G: Bảo vệ so lệch máy phát

87L: Bảo vệ so lệch đường dây

87M: Bảo vệ so lệch động cơ

87T: Bảo vệ so lệch máy biến áp

87TG: Bảo vệ so lệch hạn chế máy biến áp chống chạm đất (chỉ giới hạn cho các cuộn đấu sao có nối đất) 90: Chức năng tự động điều chỉnh điện áp

94: Rơ le cắt

95: Chức năng đồng bộ cho động cơ đồng bộ có tải bé và quán tính nhỏ bằng hiệu ứng mô men từ trở 96: Chức năng tự động đổi tải cơ học

PHẦN 2

Thiết bị đóng cắt - Giới thiệu chung

Trong thế giới ngày nay năng lương điện là một nhân tố không thể thiếu được trong cuộc sống, đất nước càng phát triển thì nhu cầu sử dụng điện năng trong các lĩnh vực sinh hoạt, công nghiệp ngày càng tăng Vì vậy để lựa chọn thiết bị đóng cắt điện là rất quan trọng của các kỹ sư trong quá trình quy hoạch, thiết kế Lựa chọn thiết bị điện không đúng sẽ gây ra hậu quả nghiêm trọng dẫn đến cháy nổ hư hỏng công trình, làm tan rã hệ thống Với trang web nhỏ bé này chúng tôi mong rằng sẽ đem đến cho các bạn một cách lựa chọn hữu ích nhất, chúng tôi xin giới thiệu đến các bạn một số thiết bị đóng cắt của các hãng nổi tiếng trên thế giới như: Siemens, ABB, Schneider, Alstom, Misubishi Tuy nhiên do một số hãng lớn đã bán một phần nào đó trong dãy sản phẩm của mình cho các hãng khác nên các bạn cũng đừng ngạc nhiên khi click chuột vào website của Alstom nhưng đường dẫn lại trỏ đến AREVA Để tìm hiểu sâu hơn về thiết bị đóng cắt, trước hết chúng ta hãy làm quen với những khái niệm cơ bản

A-Thiết bị đóng cắt là gì?

Thiết bị đóng cắt là thiết bị dùng để nối (đóng) các phụ tải vào hay ngắt (cắt) các phụ tải ra khỏi hệ thống điện Trong quá trình đóng cắt, ta phân biệt ba chức năng hay trạng thái cơ bản sau:

* Đóng cắt không tải (khi có dòng điện hay điện áp rất nhỏ)

* Đóng cắt các dòng vận hành liên tục bình thường

* Đóng cắt các dòng sự cố (là tình trạng không bình thường hay tình trạng sự cố)

Chức năng của các loại thiết bị đóng

* Máy cắt là thiết bị có thể đóng hay cắt mọi giá trị của dòng điện trong phạm vi dung lượng định mức, bắt đầu từ dòng điện dung và cảm ứng nhỏ cho đến dòng ngắn mạch đâỳ đủ

* Cầu dao phụ tải có thể đóng và cắt các dòng điện vận hành từ dung lượng định mức trở xuống Chúng cũng có thể ngắt dòng ngắn mạch duy trì (dòng ngắn mạch nhất định) nếu được thiết kế với chức năng đó

* Dao cách ly được sử dụng để đóng cắt dòng điện không đáng kể Nhiệm vụ của dao cách ly là cách ly thiết bị, nhằm đảm bảo cho thiết bị này làm việc an toàn

* Công tắc tơ là thiết bị đóng cắt phụ tải với công suất có hạn Nó được thiết kế dùng cho tần số đóng cắt cao

* Dao tiếp đất Dùng trong các mạch tiếp đất hoặc dùng cho các bộ phận của mạch điện đã được ngắt điện

* Cầu chì Gồm một đế cầu chì và một dây chảy Khi lấy dây chảy ra thì đế cầu chì tạo ra khoảng cách ly (có chức năng như một dao cách ly) Một dây chảy chỉ có thể cắt dòng ngắn mạch được duy nhất một lần mà thôi

Các loại thiết bị đóng cắt

+ Máy cắt:

Trước khi vào tìm hiểu các đặc tính của các máy cắt chúng ta hãy tìm hiểu phương pháp dập hồ quang.Hồ quang điện xoay chiều được dập tắt bằng cách lợi dụng các giá trị không của dòng điện hình sin (dập hồ quang tại giá trị không của dòng điện), ngược lại với dập hồ quang điện một chiều Chức năng chính của hệ thống dập hồ quang là khử iôn ở khe hở giữa các tiếp điểm của dòng bằng không (zero) nhằm phục hồi độ bền điện môi của khe hở càng nhanh càng tốt

Một mục đích khác của mọi nguyên tắc dập hồ quang là giữ cho năng lượng hồ quang luôn thấp để cho các ngăn hồ quang càng ít chịu ảnh hưởng bởi nhiệt và áp suất càng tốt

Trước khi mô tả chi tiết nguyên tắc dập hồ quang, chúng ta hãy tóm tắt quá trình này ở các máy cắt "truyền thống" trừ máy cắt chân không Để dập hồ quang, tất cả máy cắt này đều dựa trên một chuyển động tương đối giữa hồ quang và môi trường dập hồ quang

Ở hầu hết các máy cắt này, môi trường dập hồ quang chuyển động được và chảy vào hồ quang để khử Iôn ở khe hở tiếp điểm càng nhanh càng tốt vào thời điểm đầu tiên dòng điện qua không sau khi tiếp điểm rời nhau Nhưng cũng có các máy cắt trong đó người ta cho hồ quang đi vào môi chất dập hồ quang Đó là máy cắt hồ quang xoay, máy cắt khí SF6 thường vận hành theo nguyên lý này

Tuy nhiên, làm mát hồ quang đồng nhất trong toàn bộ quá trình dòng điện chạy qua, tức là cả trong lúc cực đại, làm tăng một cách tự động cường độ hồ quang và năng lượng hồ quang vì thế sẽ tạo áp lực đối với buồng dập hồ quang Lý do là vì:

- Tuỳ theo cường độ dòng điện và môi chất hồ quang cháy, mỗi hồ quang đều có nhiệt độ riêng, do đó cũng

có riêng độ bền hồ quang bên trong Làm mát sâu thì làm giảm nhiệt độ hồ quang nhưng lại làm tăng độ bền hồ quang Để cố gắng duy trì dòng điện chạy qua, điện áp hồ quang tăng lên, điều này làm tăng cường

độ hồ quang

- Các nguyên lý dập hồ quang khác sử dụng chính năng lượng hồ quang để hỗ trợ cho dòng chuyển động của môi chất dập hồ quang Điều này được gọi là tác động dập hồ quang phụ thuộc vào dòng điện Tuy nhiên vấn đề của các nguyên lý dập hồ quang này là đạt đến sự cân bằng giữa sự chuyển động của môi chất dập hồ quang và cường độ hồ quang nhằm không tăng nhiệt lượng một cách vô ích Song trong thực

tế không có mối quan hệ về thời gian giữa lúc tiếp điểm rời nhau với với một giá trị không coả dòng điện trùng khớp với lúc tiếp điểm rời nhau khá xa (cắt mạch không đồng bộ với nửa sóng của dòng điện) Do đó, trong hầu hết các thao tác cắt, dòng chảy của môi chất dập hồ quang thường lớn hơn mức cần thiết Như

đã nói ở trên điều này dẫn đến năng lượng hồ quang lớn một cách không cần thiết

- Sức mạnh dòng chảy của môi chất dập hồ quang là đặc biệt tới hạn khi đóng cắt các dòng dung và cảm ứng nhỏ

a) Dập hồ quang phụ thuộc vào dòng điện

Đối với việc đóng cắt các dòng cảm ứng nhỏ (đóng cắt mềm) thì dòng chảy của môi chất dập hồ quang phụ thuộc vào dòng điện là đặc biệt thích hợp Tuy nhiên khi đóng cắt các dòng dung thì có nguy cơ xảy ra hiện tượng đánh lửa lại vì độ bền điện môi của khe hở không phục hồi được nhanh làm phát sinh hiện tượng đánh lửa lại Hơn nữa có thể xảy ra phóng hồ quang quá lâu không cần thiết khi đóng cắt các dòng điện nhỏ vì dòng chảy của môi chất dập hồ quang không đáng kể, thậm chí là không có

b) Dập hồ quang không phụ thuộc vào dòng điện

Dòng chảy của môi chất dập hồ quang không phụ thuộc vào dòng điện phải rất mạnh nếu muốn cắt dòng ngắn mạch, vì thế trong hầu hết các trường hợp cách này cũng cắt các dòng dung, nhưng không có sự đánh lửa trở lại (đóng cắt cứng) Mà mặt khác lại tạo hoàn cảnh thuận lợi cho các dòng cảm ứng nhỏ lại bị cắt rời quá khắc nghiệt là xuất hiện các quá áp đóng cắt lớn

c) Dập hồ quang kết hợp

Vì các lý do trên, kinh nghiệm cho thấy một dòng chảy kết hợp là giải pháp thích hợp nhất cho tất cả các

chức năng đóng cắt Dòng dập không phụ thuộc dòng điện được duy trì ở mức tương đối thấp, do đó giảmđược nguy cơ xuất hiện quá áp đóng cắt cao khi đóng cắt các dòng cảm ứng nhỏ, nhưng mặt khác có thể thiết kế sao cho dòng dập chỉ vừa đủ để cắt các dòng dung mà không có sự đánh lửa trở lại và giữ cho thời gian phóng hồ quang ngắn, ngay cả khi đóng cắt các dòng điện nhỏ Dòng chảy của môi chất dập hồ quang mạnh để cắt các dòng ngắn mạch là do chính dòng điện sinh ra và được xếp chồng dòng điện cưỡng bức có giá trị không đổi

Máy cắt nhiều dầu

Một đặc tính tiêu biểu của máy cắt nhiều dầu là có hai đầu cực dòng điện hoặc các tiếp điểm cách ly trên mỗi cực được đưa ra ngoài trên đỉnh vỏ chứa thông qua các quả sứ xuyên chúng đòi hỏi tủ phải có cấu tạo đặc biệt, ở thiết kế đơn giản nhất là không có buồng dập hồ quang Hồ quang được chia làm hai phần và được nối bởi một xà đóng cắt Ba pha được đặt chung trong một thùng, mặt lợi chung của máy cắt nhiều dầu là đặc tính cách điện tốt của dầu

Mặt bất lợi là thể tích dầu lớn, năng lượng hồ quang lớn (hồ quang lớn, thời gian phóng hồ quang dài), lượng khí phát sinh lớn cần cho thoát ra khỏi máy cắt thường mang theo cả dầu Một điểm bất lợi khác nữa

là thùng có thể bị nổ vì do bề mặt của thùng phải chịu áp lực rất lớn nếu cắt hồ quang không thành công Khi đưa buồng hồ quang xuống dưới dầu thì có thể khắc phục một số bất lợi nêu trên Đặc tính đóng cắt của kiểu thiết kế này tương ứng với đặc tính ít dầu, hiệu quả dập hồ quang phụ thuộc vào dòng điện Tuy nhiên, hiện nay máy cắt nhiều dầu không được dùng rộng rãi nữa Ngay cả ở các nước chịu ảnh hưởng của nước Anh, nơi loại máy cắt này trước đây chiếm ưu thế nay cũng hạn chế sản xuất

Máy cắt ít dầu

Máy cắt ít dầu có các ưu điểm của máy cắt nhiều dầu, nhưng loại bỏ được các nhược điểm của máy cắt

nhiều dầu Ở máy cắt ít dầu, hồ quang được dập bằng dòng chảy của dầu Dòng chảy của dầu được tạo ra

là do chính hồ quang hoặc dầu bị cưỡng bức bởi cơ cấu vận hành của máy cắt có sự hỗ trợ của thiết bị phụ thích hợp

Dòng chảy của dầu không phụ thuộc dòng điện sinh ra từ thiết bị bơm hay từ việc sử dụng sự bù đắp vào thể tích của tiếp điểm di động (buồng hồ quang cứng), nhưng điều này chỉ có thể làm được khi tiếp điểm đi xuống Dòng chảy dầu được gây nên bởi chuyển động đặc biệt của bọt khí hay sự chuyển động của pitông Kết quả tốt nhất đạt được là khi kết hợp hai loại hệ thống dòng chảy dầu phụ thuộc và không phụ thuộc vào dòng điện (như máy cắt thế hệ T của Siemens)

Áp suất hướng tâm (dòng chảy nằm ngang) nói chung có hiệu quả hơn so với áp suất hướng trục (dòng chảy thẳng đứng) Tuy nhiên, dòng chảy hướng tâm thì có nguy cơ làm hồ quang bị kéo dài giả tạo và hồ quang còn có thể bị nguội quá trước khi đến được khoảng dập tối thiểu Hai yếu tố này dẫn đến cường độ

hồ quang tăng cao

Máy cắt sinh khí (Expansion Circuit Breaker)

Ở máy cắt sinh khí (Expansion circuit breaker), hồ quang làm phân giải Hydro từ nước Vì thế hồ quang cháy trong môi chất dập hồ quang giống như trong may cắt dầu

Hầu hết các máy cắt sinh khí vận hành theo nguyên lý này, nghĩa là hồ quang sinh ra khí, khí này bao quanh hồ quang ở áp suất cao Do tác động này buồng hồ quang nâng lên từ mặt tiếp xúc, áp suất được bù qua một khe hở vòng tròn sinh ra Vì khí mới được phát sinh liên tục nên áp suất cao được duy trì Nhưng khi dòng điện tiến đến giá trị không thì lượng khí sinh ra bị giảm xuống, áp suất giảm đột ngột, nước xung quanh hồ quang bốc hơi nhanh và khử Iôn ở khe hở

Do độ dẫn dư và độ dẫn liên tục nhất định của nước, các tần số quá độ cao được giám sát an toàn Các dòng cảm ứng nhở không bị cắt rời đột ngột, nhưng dễ xuất hiện sự đánh lửa lại khi đóng cắt các dòng dung

Vì nước có dộ dẫn dư nên các dao cách ly bằng không khí được lắp nối tiếp với khe hở

Độ dẫn cũng là một điểm bất lợi khi đóng ngắn mạch, vì thời gian phóng hồ quang sớm kéo dài nên thời gian tạo thành khí cũng rất dài dẫn đến cháy tiếp điểm di động Cách làm dịu bớt được thực hiện nhờ tốc dộ đóng cắt cao và đóng trong không khí bằng dao cắt không khí Tuy nhiên mặt bất tiện chính của máy cắt sinh khí là kết cấu đắt tiền nên ngày nay người ta không còn sản xuất loại máy cắt này nữa

Máy cắt không khí nén

Máy cắt không khí nén luôn luôn có dòng chảy môi chất dập hồ quang không phụ thuộc vào dòng điện, vì thế máy cắt này

đặc biệt thích hợp để cắt các dòng dung, nhưng nếu không có thiết bị phụ thì máy cắt này làm phát sinh các quá áp đóng cắt lớn khi đóng cắt dòng cảm ứng Để tránh quá áp đóng cắt lớn phải đấu nối các điện trở lớn song song với khoảng cắt Lý do chính làm cho máy cắt không khí nén không điều khiển được các tần số quá cao là do không có hiệu ứng của Hydro Hiệu ứng Hydro là hiệu ứng phát sinh từ đặc điểm dập hồ quang và tính chất cách điện tốt của Hydro Hydro có độ dẫn nhiệt gấp 17 lần và có độ sụt áp hồ quang gấp 13,5 lần so với không khí Để điều chỉnh điện áp phục hồi tốt hơn thông thường người ta đấu nối các điện trở nhỏ song song với khoảng cắt để các điện trở này làm giảm biên độ điện áp

Ở máy cắt không khí nén, chỉ có một giá trị để tiếp điểm rời nhau, ở đó hồ quang đã bị dập tắt vì áp suất có thể giảm xuống đến mức độ chênh lệch giữa áp suất này với áp suất ngược không đủ để dập tắt hồ quang

Hơ nữa, sụ dịch chuyển của tiếp điểm không đủ để tạo một khoảng cách an toàn và do đó có thể cần thêm một tiếp điểm cách ly hay một khoảng trống cách ly

Loại máy cắt này tương đối đắt tiền vì phải trữ một thể tích lớn không khí dẫn ngay đến khoảng cắt qua một

hệ thống van phức tạp, kèm theo các lý do nêu trên (điện trở mắc song song, tiếp xúc hai bước, dao cắt bằng không khí) nên máy cắt này chỉ kinh tế đối với dung lượng đóng cắt cao, dòng điện định mức lớn và thường đặt trong lưới trung áp

Các nhược điểm của máy cắt không khí nén là:

- Máy cắt không vận hành được nếu mất nguồn không khí nén

- Phải có thêm khoảng cách an toàn, do các chất khi xả ra khi đóng cắt

- Máy cắt chỉ được sản xuất với cơ cấu vận hành khí động học

- Do lượng lớn không khí cần có trong thời gian cực ngắn nên cần áp suất vận hành cao, tiết diện ống dẫn lớn, ngoài ra cần phải có thiết kế an toàn bên ngoài cho nguồn khí nén, dẫn đến hệ thống khí nén đắt tiền

- Do hệ thống tiếp điểm hở nên nếu không khí có độ ẩm cao thì sẽ có vấn đề về cách điện hoặc ăn mòn

- Đóng cắt gây tiếng ồn lớn

Do chi phí lớn và vì trên thị trường ngày nay có các máy cắt chân không, máy cắt dầu đủ khả năng kiểm soát tốt hơn các chức năng đóng cắt nên máy cắt không khí nén không còn quan trọng lắm nữa Máy cắt này vẫn còn sử dụng trong các trường hợp đặc biệt, như làm máy cắt cho máy phát, nơi yêu cầu dòng ngắn mạch lớn và dòng vận hành lớn

Máy cắt từ - Không khí (Air Circuit Breaker)

Máy cắt từ - không khí vận hành nhờ hiệu ứng dập hồ quang của dòng một chiều, tức là điện áp hồ quang tăng lên cho đến khi cao hơn điện áp nguồn Các phương pháp dập hồ quang sau đây được sử dụng:

- Hồ quang được thổi tắt giữa các tấm cách điện bởi các lực từ, tăng cường dập hồ quang bằng cách làm nguội vách buồng

- Hồ quang được chia là nhiều hồ quang bộ phận nhỏ do các tấm thép dẫn điện, tận dụng hiệu ứng sụt thế catốt Sự sụt thế catốt là một quá trình xảy ra ngay sau khi dập tắt hồ quang, lúc này có một khoảng trống được tạo ra trước catốt và không có phần tử mang điện tích, khoảng trống này lập tức có dộ bền điện môi khoảng 250V Hiện tượng này xảy ra do các Electron chuyển động nhanh về phía Anot, trái ngược với các Ion chuyển động chậm hơn về phía Catôt

Sau khi cắt dòng điện, vì độ bền điên môi của khoảng cắt phục hồi tương đối chậm nên máy cắt từ - không khí không có sự đánh lửa trở lại khi cắt các dòng dung

Vì máy cắt này cũng khá đắt tiền, chi phí chế tạo bảo dưỡng cao nên hiện any trong lưới trung thế người ta không còn dùng loại máy cắt này nữa, mà nó đang bị máy cắt chân không và máy cắt SF6 thay thế Hiện tại máy cắt từ - không khí chỉ còn sử dụng trong lưới hạ thế

Máy cắt khí SF6 (SF6 Gas Circuit Breaker)

Khí SF6 có tính cách điện và khả năng dập hồ quang rất tốt So với nitơ thì độ dẫn nhiệt của nitơ ở nhiệt độ khá cao (3000-10000 độ K) nhưng nhiệt độ gia tăng trong hồ quang thì thấp hơn nhiều Vì thế độ giảm nhiệt hướng tâm nhanh hơn, bán kính hồ quang nhỏ hơn như vậy hằng số thời gian phóng hồ quang gần dòng điện 0 (không) nhỏ hơn nhiều Đối với khí SF6 hằng số này chỉ bằng khoảng 1/100 so với nitơ vì thế độ bền điện môi phục hồi nhanh hơn sau khi dòng điện bị cắt hẳn Mặt khác dưới 3000 độ K độ dẫn nhiệt của SF6 vượt xa của nitơ nên dễ dàng hơn trong việc phát tán nhiệt Khí SF6 là loại khí đắt tiền nên chỉ được dùng cho máy cắt có hệ thống khí khép kín Loại máy cắt khí SF6 về cơ bản có 3 loại: - Loại máy cắt áp suất kép

- Loại máy cắt khí nén - Loại máy cắt dập hồ quang tự phát Máy cắt có áp suất kép ngày nay không còn được sản xuất nữa (máy cắt này được Siemens sản xuất từ năm 1963-1970) Sau đó là loại máy cắt khí nén Ở máy cắt này, dòng chảy môi chất dập hồ quang được sinh ra bởi cơ cấu vận hành Vì dòng này được thiết kế để có độ bền đủ cắt được dòng ngắn mạch đầy đủ, Máy cắt SF6 loại khí nén thuộc loại máy cắt cứng Điều đó có nghĩa là khi đóng cắt các dòng cảm ứng nhỏ chúng sinh ra các quá áp đóng cắt lớn do

sự cắt rời dòng điện hoặc do phát cháy lại nhiều lần Trái lại máy cắt này rất thích hợp cho đóng cắt các dòng dung Ngày này máy cắt loại pitong được phát triển và kế tục bởi máy cắt SF6 dập hồ quang tự phát

Ở máy cắt này hiệu ứng dập hồ quang phụ thuộc vào dòng sơ cấp Có 2 phương pháp chính: - Một dòng khí phát sinh từ hồ quang, tuỳ theo biên độ dòng điện - Hồ quang bị cưỡng bức bởi tác động từ tính của dòng điện, nó di chuyển vào khoảng chứa SF6 (máy cắt hồ quang xoay) Các máy cắt này được gọi là máy cắt mềm do việc dập hồ quang phụ thuộc vào dòng điện, tức là máy cắt chỉ sinh ra các quá áp đóng cắt nhỏ khi đóng các dòng cảm ứng nhỏ Tuy nhiên, vì loại máy cắt này có thể gặp sự cố khi đóng cắt các dòng dung (thời gian phóng hồ quang rất dài, có nguy cơ không đóng cắt được do dòng khí không có hoặc quá ít)

vì thế nên có thể trang bị thêm pitông phụ cho máy cắt nhằm đảm bảo để đóng cắt dòng dung tốt Mặt khác việc này dẫn đến các quá áp lớn khi đóng cắt các dòng cảm ứng rất nhỏ như đóng máy biến áp không tải

Máy cắt chân không (Vacuum Circuit Breaker)

Trong chân không, hồ quang bị dập tắt theo cách hoàn toàn khác hẳn so với trong chất khí Vì thế ở đây sẽ miêu tả chi tiết hơn về nguyên lý dập hồ quang

Bộ phận đóng cắt của máy cắt chân không là buồng cắt chân không (Hình bên) Trong này gồm có buồng

hồ quang đặt giữa 2 sứ cách điện Các chốt đầu cực nối các tiếp điểm với các đầu cực bên ngoài, một tiếp điểm được gắn vào vỏ, tiếp điểm kia di động được Các màng xếp kim loại giúp cho tiếp điểm di động được đấu nối kín với vỏ buồng cắt Khoảng di chuyển của tiếp điểm chỉ vài cm

Điện áp phóng điện là một hàm số của khoảng di chuyển tiếp điểm trong môi chất dập hồ quang khác nhau

Áp suất trong buồng cắt chân không khoảng dưới 10 bar Máy cắt chân không không có môi chất dập hồ quang, các đặc tính của vật liệu và hình dạng tiếp điểm sẽ quyết định đặc điểm đóng cắt và công suất đóng cắt Sau khi tiếp điểm rời nhau, hồ quang sinh ra làm cho vật liệu làm tiếp điểm bốc hơi lên từ bề mặt tiếp điểm Do đó dòng điện hồ quang chạy qua một plasma hơi kim loại cho đến điểm không của dòng điên tiếp theo Khi gần điểm không của dòng điện thì hồ quang bị dập tắt, hơi kim loại mất tính dẫn điện trong vài micro giây do sự kết hợp lại của các Ion mang điện tích Bằng cách này, khe hở tiếp điểm bị khử Ion và độ bền điện môi phục hồi rất nhanh Hơi kim loại ngưng tụ lại trên bề mặt tiếp điểm, chỉ có một phần rất nhỏ ngưng tụ trên thành buồng dập hồ quang Thành buồng hồ quang có chức năng chặn hơi để ngăn ngừa sự ngưng tụ của hơi kim loại trên cách điện Độ bền điện môi trong chân không rất cao (hình B1) cho thấy sự

so sánh trong phòng thí nghiệm về độ bền điện môi của tiếp điểm phẳng (môi trường hơi kém đồng nhất) trong các môi chất dập hồ quang khác nhau Đường đặc tính của chân không có phần trước dốc nhất, với khe hở chỉ vài milimet đã đạt được độ bền xung cao áp rất lớn Sau đó đường cong phẳng ra, chứng tỏ rằng từ một giá trị xác định nào đó trở đi, khoảng chạy của tiếp điểm dài hơn hiếm khi làm tăng độ bền điện môi máy cắt chân không có điện áp định mức từ 7,2kV đến 36kV thường có khe hở tiếp xúc khoảng từ 5-25mm

Khi cắt các dòng làm việc và dòng ngắn mạch thoáng qua dưới 10kA, dòng điện chạy qua một hồ quang khuếch tán Khi cắt dòng điện trên 10kA hồ quang bắt đầu co lại vì bị nén bởi chính từ trường của

nó Nếu không ngăn ngừa, việc này sẽ làm tiếp điểm nóng quá mức ở chân hồ quang Để ngăn ngừa sự quá nhiệt cục bộ ở bề mặt tiếp điểm, người ta buộc hồ quang phải xoay hoặc duy trì ở dưới dạng hồ quang khuếch tán ngay cả khi dòng điện trên 10kA Điều này có thể làm được nhờ hình dạng tiếp điểm Để tạo từ trường hướng tâm người ta xẻ rãnh trên thành tiếp điểm ngược nhau (hình tiếp điểm ở trang 10), còn để tạo từ trường hướng trục thì trên thành tiếp điểm người ta xẻ rãnh cùng chiều với nhau

Tiếp điểm từ trường hướng tâm ngăn ngừa được sự quá nhiệt cục bộ của nó bằng cách bắt buọc hồ quang phải xoay

Hai giá đỡ tiếp điểm được xẻ rãnh ngược chiều nhau tạo thành một mạch vòng nhờ đó sẽ phát sinh thêm từ trường hướng tâm Cùng với dòng điện chạy trong hồ quang, một lực được phát sinh làm cho hồ quang quay trên vành hồ quang của tiếp điểm Như vậy sự ăn mòn tại chân hồ quang được phân phối trên toàn bộ

bề mặt vành tiếp điểm

Nếu giá trị tức thời trong quá trình một nửa sóng mà dòng điện giảm xuống dưới 10kA, hồ quang lại trở thành khuếch tán, tức là lại toả thành nhiều tia hồ quang đơn lẻ song song Khi dòng điện giảm trong một nửa sóng thì ngày càng nhiều hồ quang bộ phận bị dập tắt cho đến khi chỉ còn một hồ quang

Để xử lý các dòng ngắn mạch lớn nhất thường gặp trong thực tế, người ta sử dụng một phương pháp khác Hai giá đỡ tiếp điểm được xẻ rãnh cùng chiều nhau tạo thành một mạch hình cuộn dây làm phát sinh thêm một từ trường hướng trục, từ trường này giữ cho hồ quang khuếch tán ngay cả khi có dòng điện rất lớn Hồ quang được phân phối đều khắp bề mặt tiếp điểm để không có ứng suất cục bộ bất hợp lý

Trong quá trình dập hồ quang, năng lượng sinh ra ít Lý do là vì thời gian phóng hồ quang ngắn, khe hở tiếp xúc nhỏ, hồ quang chưa nguội Điều này làm cho tiếp điểm có tuổi thọ vận hành dài vượt xa so với các nguyên lý dập hồ quang khác Đây là lý do chính làm cho máy cắt chân không ngày nay trở thành loại máy cắt có nhu cầu bảo dưỡng ít nhất, chu kỳ bảo dưỡng dài và chi phí bảo dưỡng thấp nhất

Vì độ bền điện môi của khe hở tiếp xúc được phục hồi rất nhanh nên máy cắt chân không cắt được các dòng dung mà không xảy ra sự đánh lửa trở lại, độ bền điện môi của khe hở tiếp xúc phục hồi nhanh không phải nhờ dòng môi chất dập hồ quang mạnh, mà nhờ bản chất của tiếp điểm Như vậy trái với máy cắt thông thường, quá áp lớn hơn không còn là hậu quả không tránh khỏi khi đóng cắt các dòng cảm ứng

Ở máy cắt chân không, biên độ của dòng điện cắt nhỏ phụ thuộc vào chất liệu làm tiếp điểm Ngày nay, máy cắt chân không hiện đại có các dòng cắt nhỏ rất bé nên không có quá áp lớn phát sinh, ngay cả khi đóng cắt máy biến áp không tải

Tuy nhiên trong vài chức năng đóng cắt đặc biệt, do khả năng dập hồ quang tốt, máy cắt chân không có khuynh hướng làm phát sinh quá áp do hậu quả của nhiều lần phát cháy lại, nhưng có thể kiểm soát các quá áp này bằng các bộ phận bảo vệ (Ví dụ bộ hạn chế xung)

Vì máy cắt chân không hiện đại có khả năng dập hồ quang cân bằng nhất đối với tất cả các chức năng đóng cắt nên máy cắt này đã trở thành loại máy cắt được lắp đặt rộng rãi nhất hiện nay

Cầu dao phụ tải và dao cách ly

Cầu dao được dùng để đóng mở các mạch điện mang dòng điện bất kỳ cho đến dòng làm việc định mức

Do khi đóng cắt một mạch điện, không thể loại trừ việc đóng cắt mạch điện đang có ngắn mạch Nói chung cầu dao và dao cách ly thường có khả năng đóng cắt sự cố

Khi được kết hợp với cầu chì, kết hợp này có thể được sử dụng để cắt các dòng ngắn mạch Ngắn mạch được cắt bởi cầu chì, sau đó kim hoả ở các cầu chì sẽ cắt các cầu dao ở cả 3 cực, do đó nó tách mạch bị

sự cố ra khỏi hệ thống

Nếu cầu dao có đủ độ cách điện an toàn ở khoảng cách cách ly và đến đất thì nó trở thành dao cách ly Theo các tiêu chuẩn, cầu dao và dao cách ly được chia làm hai loại: Loại thông dụng và loại đặc dụng Loại cầu dao đặc dụng được ứng dụng đặc biệt, ví dụ làm dao cắt cho tụ điện Đối với thiết bị đóng cắt có cấu tạo thông dụng, trong thực tế chỉ dùng 2 nguyên lý dập hồ quang là khí cứng và không khí Cầu dao SF6 và chân không được sử dụng chủ yếu ở thiết bị đóng cắt được thiết kế đặc biệt

Cầu dao khí cứng

Ở cầu dao khí cứng hồ quang tạo ra khí từ một chất cách điện bao quanh tiếp điểm hồ quang Hiệu quả dập hồ quang gần như tương ứng với máy cắt nhiều dầu, trong đó khí Hydro được hình thành từ đầu

Vì chất liệu tạo khí không tự phục hồi được như dầu (bằng cách tuần hoàn và thay đổi) nên tuổi thọ vận hành không cao, vì thế các dao cắt hay dao cách ly này chỉ dùng cho các tốc độ đóng cắt thấp, chẳng hạn như trong các trạm phân phối

Tuy vậy, dao cắt hay dao cách ly khí cũng rất phổ biến vì chúng có tỷ số chi phí vận hành/giá mua nhỏ Cầu dao cắt bằng không khí

Ở cầu dao cắt bằng không khí, hồ quang bị dập bởi dòng không khí phát sinh từ cơ cấu vận hành của cầu dao trong quá trình cắt mạch Dòng không khí được dẫn hướng đặc biệt để nhanh chóng khử Ion ở khe hở