bài giảng khí cụ điện

1.2.1 Khái niện  Một vật dẫn đặt trong từ trường, khi có dòng điện I chạy qua sẽ chịu tác động của một lực, có xu hướng làm biến dạng hoặc chuyển dời vật dẫn để từ thông xuyên qua nó là

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN

KHÍ CỤ ĐIỆN

1.1.1 Tổng quan về khí cụ điện

 Khí cụ điện (KCĐ) là thiết bị điện dùng để: đóng cắt,

điều khiển, kiểm tra, tự động điều khiển, khống chế các đối tượng điện cũng như không điện và bảo vệ trong trường hợp

có sự cố

 Khí cụ điện có rất nhiều chủng loại với chức năng, nguyên

lý làm việc và kích cỡ khác nhau, được dùng rộng rải trong mọi lĩnh vực liên quan về điện

Trên cơ sở lý thuyết cơ bản, yêu cầu chính: ta tìm hiểu về nguyên lý làm việc, đặc tính kỹ thuật, phương pháp vận hành và phạm vi ứng dụng của chúng

1.1.2 Phân loại

a Nhóm KCĐ khống chế: dùng để đóng cắt thiết bị tiêu thụ

điện, máy phát điện, động cơ điện… (cầu dao, contactor…);

b Nhóm KCĐ bảo vệ: làm nhiệm vụ bảo vệ các thiết bị tiêu

thụ điện, lưới điện khi xảy ra các sự cố như quá tải, ngắn mạch, sụt áp, …(relay bảo vệ, relay nhiệt, cầu chì, Circuit Breaker (CB)…);

c Nhóm KCĐ làm nhiệm vụ đo lường: (máy biến dòng

điện, máy biến điện áp…);

1.1.2 Phân loại

d Nhóm KCĐ tự động điều khiển: làm nhiệm vụ thu thập,

phân tích và khống chế hoạt động của thiết bị điện (Relay trung gian, relay thời gian, khởi động từ);

e Nhóm KCĐ hạn chế: dòng điện ngắn mạch (như điện trở,

cuộn kháng,…);

f Nhóm KCĐ làm nhiệm vụ duy trì ổn định: các tham số

điện (ổn áp tự động, bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát

…)

1.1.2 Phân loại

a Nhóm KCĐ dùng điện một chiều

b Nhóm KCĐ dùng điện xoay chiều

1.1.2 Phân loại

Khí cụ điện được chia các nhóm với nguyên lý điện cơ, điện

từ, từ điện, nhiệt, có tiếp xúc và không có tiếp xúc

Loại làm việc vùng nhiệt đới khí hậu nómg ẩm, loại làm việc ở vùng ôn đới, có loại chống được khí cháy nổ, loại chịu rung động, làm việc trong nhà hay ngoài trời…

1.1.3 Yêu cầu làm việc

 Đảm bảo độ tin cậy, chính xác, an toàn, gọn nhẹ, dễ lắp ráp,

dễ kiểm tra sửa chữa

 Đảm bảo độ ổn định lực điện động và ổn định động ở chế độ

làm việc bình thường

 Vật liệu cách điện chịu được mức quá áp cho phép

 Đảm bảo tuổi thọ của KCĐ khi các thông số kỹ thuật làm

việc ở giá trị định mức

 Ngoài ra KCĐ còn yêu cầu phải làm việc ổn định ở điều

kiện khí hậu môi trường theo thiết kế cho phép

1.2.1 Khái niện

 Một vật dẫn đặt trong từ trường, khi có dòng điện I chạy qua

sẽ chịu tác động của một lực, có xu hướng làm biến dạng hoặc chuyển dời vật dẫn để từ thông xuyên qua nó là lớn

nhất Lực đó gọi là lực điện động (LĐĐ)

 Ở chế độ làm việc dài hạn, trị số của dòng điện không lớn

nên lực điện động sinh ra không đủ lớn để có thể làm ảnh hưởng đến độ bền vững kết cấu của thiết bị

 Ở chế độ ngắn mạch, dòng điện tăng lên rất lớn (>10.Iđm),

có thể phá hỏng thiết bị điện

Bài giảng: Khí cụ điện Tài liệu: Lưu hành nội bộ 12

 Hai vật dẫn đặt song song, có

dòng điện ngược chiều

 Hai vật dẫn đặt vuông góc với

nhau

Khi ngắn mạch, lực điện động do dòng ngắn mạch sinh ra khá lớn, có thể gây ra hỏng hóc các thiết bị điện Khả năng

chịu lực điện động lớn nhất của thiết bị điện chính là độ bền

điện động của thiết bị điện

Ftbđ ≥ Flđđmax

Ftbđ: khả năng chịu lực (độ bền) của thiết bị điện

Flđđmax: trị số lớn nhất của LĐĐ do dòng điện ngắn mạch sinh ra

Vậy độ bền điện động của thiết bị điện được cho dưới dạng dòng ngắn mạch xung kích

1.2.3 Độ bền điện động của khí cụ điện

1.1 Tổng quan về khí cụ điện 1.2 Lực điện động trong khí cụ điện

1.3.1 Khái niện

 Ở trạng thái làm việc, trong các bộ phận của thiết bị điện

như: mạch vòng dẫn điện, mạch từ, các chi tiết bằng kim loại và cách điện đều có tổn hao năng lượng tác dụng và biến thành nhiệt năng

 Ở chế độ xác lập nhiệt, nhiệt độ của thiết bị không tăng lên

nữa mà đạt trị số ổn định, còn toàn bộ nhiệt năng tỏa ra môi trường xung quanh

 Nếu nhiệt độ của thiết bị điện tăng cao thì cách điện bị già

hóa và độ bền cơ của các chi tiết bị suy giảm

Do vậy độ tin cậy của thiết bị phụ thuộc vào nhiệt độ phát

1.3.2 Các dạng tổn hao năng lƣợng

1 Tổn hao trong các chi tiết dẫn điện

Năng lượng tổn hao trong dây dẫn do dòng điện i đi qua

trong thời gian t được tính theo công thức sau:

Điện trở dây dẫn (R) phụ thuộc vào:

• Điện trở suất vật liệu;

• Kích thước dây dẫn;

• Ngoài ra còn phụ thuộc vào vị trí lắp đặt của dây dẫn

(nằm đơn lẽ hay gần dây dẫn khác)

W

1.3.2 Các dạng tổn hao năng lƣợng

2 Tổn hao trong phần tử sắt từ và điện môi

 Nếu các phần tử sắt từ nằm trong vùng từ trường biến

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

ra

 Dưới tác dụng của điện trường biến thiên, trong vật liệu

cách điện sẽ sinh ra tổn hao điện môi

Khi khí cụ điện làm việc lâu dài, nhiệt độ trong khí cụ bắt

đầu tăng và đến nhiệt độ ổn định thì không tăng nữa, lúc này sẽ tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh

1.3.3 Các chế độ làm việc

2 Chế độ làm việc ngắn hạn

Chế độ làm việc ngắn hạn của khí cụ là chế độ khi đóng điện nhiệt độ của nó không đạt tới nhiệt độ ổn định, sau khi phát nóng ngắn hạn, khí cụ được ngắt, nhiệt độ của nó sụt xuống tới mức không so sánh được với môi trường xung quanh

1.3.3 Các chế độ làm việc

3 Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại

Nhiệt độ của khí cụ điện tăng lên trong khoảng thời gian khí

cụ làm việc, nhiệt độ giảm xuống trong khoảng thời gian khí cụ nghỉ, nhiệt độ giảm chưa đạt đến giá trị ban đầu thì khí cụ điện làm việc lặp lại

1.3.4 Các phương pháp trao đổi nhiệt

1.1 Tổng quan về khí cụ điện 1.2 Lực điện động trong khí cụ điện 1.3 Sự phát nóng của khí cụ điện

1.4.1 Khái niện

Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện trong chất khí với mật độ dòng điện lớn, nhiệt độ cao và thường kèm theo hiện tượng phát sáng

 Hồ quang điện có ích Hồ quang điện thực sự có ích khi

được sử dụng trong các lĩnh vực như hàn điện, luyện thép,

 Hồ quang điện vô ích Khi đóng cắt các thiết bị điện đang

tải dòng điện lớn thì hồ quang điện sẽ xuất hiện tại điểm tiếp xúc của tiếp điểm

Nếu dòng hồ quang tồn tại kéo dài sẽ hỏng thiết bị điện

Vậy để đảm bảo độ làm việc tin cậy của thiết bị điện yêu cầu

1.4.2 Quá trình phát sinh hồ quang

bị ion hóa (xuất hiện các hạt dẫn điện)

Ion hóa có thể xảy ra bằng các con đường khác nhau dưới tác dụng của ánh sáng, nhiệt độ, điện trường mạnh

Các quá trình phát sinh hồ quang điện:

• Quá trình phát xạ điện tử nhiệt;

• Quá trình tự phát xạ điện tử;

• Quá trình ion hóa do va chạm;

• Quá trình ion hóa do nhiệt

1.4.3 Các biện pháp dập hồ quang

1 Các yêu cầu dập hồ quang

 Trong thời gian ngắn phải dập tắt được hồ quang, hạn

chế phạm vi cháy hồ quang là nhỏ nhất

 Tốc độ đóng cắt tiếp điểm phải lớn

 Năng lượng hồ quang sinh ra phải bé, điện trở hồ quang

phải tăng nhanh

 Tránh hiện tượng quá điện áp khi dập hồ quang

1.4.3 Các biện pháp dập hồ quang

2 Các nguyên tắc dập hồ quang

 Kéo dài ngọn lửa hồ quang

 Dùng năng lượng hồ quang sinh ra để tự dập

 Dùng năng lượng nguồn ngoài để dập

 Chia hồ quang thành nhiều phần ngắn để dập

 Mắc thêm điện trở song song để dập

1.4.3 Các biện pháp dập hồ quang

3 Dập hồ quang trong thiết bị hạ áp

 Dùng cuộn dây thổi từ kết hợp buồng dập hồ quang

 Dùng buồng dập hồ quang có khe hở

 Phân chia hồ quang ra làm nhiều đoạn ngắn

 Tăng tốc độ chuyển động của tiếp điểm động

 Kết cấu tiếp điểm kiểu bắt cầu

1.4.3 Các biệ pháp dập hồ quang

4 Dập hồ quang trong thiết bị cao áp

 Dập hồ quang trong dầu biến áp kết hợp phân chia hồ

quang

 Dập hồ quang bằng khí nén

 Dập hồ quang bằng cách dùng vật liệu tự sinh khí

 Dập hồ quang trong chân không

 Dập hồ quang trong khí áp suất cao

1.1 Tổng quan về khí cụ điện 1.2 Lực điện động trong khí cụ điện 1.3 Sự phát nóng của khí cụ điện

1.4 Hồ quang điện

1.5 Nam châm điện

1.6 Tiếp xúc điện

CHƯƠNG 1

1.5.1 Khái niện

Các thiết bị như relay, contactor, CB đều có bộ phận làm nhiệm vụ biến đổi từ điện năng thành cơ năng Bộ phận này gồm có: cuộn dây và mạch từ gọi chung là cơ cấu điện từ

Mạch từ chia làm các phần chính sau đây:

1.5.2 Phân loại mạch từ

a Phân theo tính chất của nguồn điện

• Cơ cấu điện từ một chiều

• Cơ cấu điện từ xoay chiều

b Theo hình dạng mạch từ

• Mạch từ hút chập (thẳng)

• Mạch từ hút xoay (quanh một trục hay một cạnh)

• Mạch từ hút kiểu pit-tông

1.5.3 Các định luật cơ bản của mạch từ

 Định luật Ohm từ : Trong một phân đoạn của mạch từ, từ

áp rơi trên nó bằng tích giữa từ thông và từ trở hoặc thương giữa từ thông và từ dẫn

 Định luật Kirchhoff’s I: Trên mọi điểm của mạch từ, tổng từ

thông vào bằng tổng từ thông ra

 Định luật Kirchhoff’s II: Trong một mạch từ khép kín, tổng

1.5.4 Nguyên lý làm việc

 Dòng điện chạy trong cuộn dây sẽ sinh ra từ trường Vật liệu

sắt từ đặt trong từ trường này sẽ bị từ hóa và có cực tính ngược lại với cực tính của cuộn dây và sẽ bị hút về phía cuộn dây

 Nếu đổi chiều dòng điện trong cuộn dây thì từ trường trong

cuộn dây cũng đổi chiều và vật liệu sắt từ bị từ hóa có cực tính ngược với cực tính cuộn dây, vì vậy chiều lực hút không đổi

 Trong quá trình làm việc nắp mạch từ chuyển động, khe hở

không khí giữa nắp và lõi thay đổi nên lực hút điện từ cũng thay đổi

1.1 Tổng quan về khí cụ điện 1.2 Lực điện động trong khí cụ điện 1.3 Sự phát nóng của khí cụ điện

1.4 Hồ quang điện 1.5 Nam châm điện

1.6 Tiếp xúc điện

CHƯƠNG 1

1.6.1 Khái niện

Nơi tiếp giáp giữa hai hay nhiều vật dẫn điện để cho dòng điện chạy gọi là tiếp xúc điện

Bề mặt chỗ tiếp giáp giữa hai hay nhiều vật dẫn điện gọi là

bề mặt tiếp xúc điện

1.6.2 Phân loại

Dựa vào mối liên kết tiếp xúc, tiếp xúc điện có các dạng

sau:

 Tiếp xúc cố định : là tiếp xúc mà liên kết giữa hai vật dẫn

điện bằng bulông, vít, đinh rivê

 Tiếp xúc đóng mở : là tiếp xúc có thể cho dòng điện chạy

hoặc ngừng từ vật dẫn điện này sang vật dẫn điện kia (như các tiếp điểm trong thiết bị đóng cắt)

 Tiếp xúc trượt : là tiếp xúc mà vật dẫn điện này trượt trên

bề mặt của vật dẫn điện kia (cổ góp động cơ DC, máy phát điện, thiết bị điện cầm tay…)

1.6.2 Phân loại

Dựa vào hình dạng nơi tiếp xúc, tiếp xúc điện ra các dạng

sau:

 Tiếp xúc điểm : là hai vật tiếp xúc với nhau chỉ ở một

điểm (tiếp xúc hai hình cầu với nhau, hình cầu với mặt phẳng, hình nón với mặt phẳng, )

 Tiếp xúc đường : là hai vật dẫn tiếp xúc với nhau theo

một đường thẳng (tiếp xúc hình trụ với mặt phẳng, hình trụ với trụ, )

 Tiếp xúc mặt : là hai vật dẫn điện tiếp xúc với nhau trên

một diện tích rộng (tiếp xúc mặt phẳng với mặt phẳng, )

1.6.3 Các yêu cầu tiếp xúc

• Yêu cầu đối với tiếp xúc điện tùy thuộc ở công dụng, điều

kiện làm việc, tuổi thọ yêu cầu của thiết bị và các yếu tố khác

• Diện tích tiếp xúc còn phụ thuộc vào lực ép lên trên tiếp

điểm và vật liệu làm tiếp điểm

• Dòng điện chạy từ vật này sang vật khác chỉ qua điểm tiếp

xúc, dòng điện qua tiếp xúc đó sẽ bị thắt hẹp lại, dẫn tới điện trở tăng lên

• Vậy điện trở tiếp xúc của tiếp điểm ảnh hưởng đến chất

lượng của thiết bị điện, điện trở tiếp xúc lớn làm cho tiếp điểm phát nóng

Bài giảng: Khí cụ điện Tài liệu: Lưu hành nội bộ 40

• Vật liệu làm tiếp điểm

• Lực ép tiếp điểm

• Hình dạng của tiếp điểm

• Nhiệt độ của tiếp điểm

• Tình trạng bề mặt tiếp xúc

• Mật độ dòng điện

1.6.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc

 Yêu cầu của vật liệu làm tiếp điểm:

• Có độ dẫn điện cao (giảm Rtx và chính điện trở của tiếp

• Có độ bền cơ cao (giảm độ mài mòn cơ khí giữ nguyên

dạng bề mặt tiếp xúc và tăng tuổi thọ của tiếp điểm)

1.6.5 Tiếp điểm thiết bị điện

Bài giảng: Khí cụ điện Tài liệu: Lưu hành nội bộ 42

• Có độ kết tinh và nóng chảy cao (giảm độ mài mòn về

điện và giảm sự nóng chảy hàn dính tiếp điểm đồng thời tăng tuổi thọ tiếp điểm)

• Có đủ độ dẻo (để giảm điện trở tiếp xúc)

• Dễ gia công khi chế tạo và giá thành rẻ

1.6.5 Tiếp điểm thiết bị điện

 Các loại vật liệu làm tiếp điểm:

• Đồng kỹ thuật điện: đồng nguyên chất, đáp ứng được

yêu cầu về vật liệu Nhược điểm là rất dễ bị oxit hóa

• Đồng cađimi: đồng kỹ thuật điện pha thêm cađimi có

tính chất cơ cao chống mài mòn tốt, khả năng chịu được

hồ quang tốt hơn đồng kỹ thuật điện

• Bạc : là vật liệu làm tiếp điểm rất tốt do có độ dẫn điện

cao và có điện trở tiếp xúc ổn định Nhược điểm chủ yếu

là chịu hồ quang kém

• Đồng thau : hợp kim đồng với kẽm được sử dụng làm

tiếp điểm dập hồ quang

1.6.5 Tiếp điểm thiết bị điện

Bài giảng: Khí cụ điện Tài liệu: Lưu hành nội bộ 44

• Các hợp kim đồng khác: hợp kim đồng với nhôm, đồng

với mangan, đồng với niken, đồng với silic và các hợp kim đồng khác được sử dụng làm tiếp điểm, đồng thời làm lò xo ép (ví dụ tiếp điểm tĩnh của cầu chì

• Thép có điện trở suất lớn : thép thường bị oxy hóa nhưng

là vật liệu rẻ nên vẫn được sử dụng làm tiếp xúc cố định

để dẫn dòng điện lớn, trong các thiết bị thép thường được

mạ crom

• Than và graphit: có điện trở tiếp xúc và điện trở suất lớn

nhưng chịu được hồ quang rất tốt Thường dùng làm các tiếp điểm mà khi làm việc phải chịu tia lửa điện

1.6.5 Tiếp điểm thiết bị điện

1 Tiếp điểm dòng đi thẳng

6 - Đầu nối dây ra

1.6.6 Một số kết cấu tiếp điểm thường dùng

Độ mở

1 2

4 3

5 6

Bài giảng: Khí cụ điện Tài liệu: Lưu hành nội bộ 46

2 Tiếp điểm kiểu cầu 1.6.6 Một số kết cấu tiếp điểm thường dùng

Cấu tạo relay điện từ

kiểu piston

Cấu tạo relay điện từ

kiểu bản lề

3 Tiếp điểm kiểu dao

1- Tiếp điểm tĩnh; 2- Tiếp điểm động; 3- Lò xo tiếp điểm

1.6.6 Một số kết cấu tiếp điểm thường dùng

Bài giảng: Khí cụ điện Tài liệu: Lưu hành nội bộ 48

4 Tiếp điểm kiểu nem

1 Ăn mòn kim loại

Trong thực tế chế tạo dù gia công thế nào thì bề mặt tiếp xúc tiếp điểm vẫn còn những lỗ nhỏ li ti

Trong vận hành hơi nước và các chất có hoạt tính hóa học cao thấm vào và đọng lại trong những lỗ nhỏ đó sẽ gây ra các phản ứng hóa học tạo ra một lớp màng mỏng rất giòn

Khi va chạm trong quá trình đóng lớp màng này dễ bị bong

ra Do đó bề mặt tiếp xúc sẽ bị mòn dần, hiện tượng này gọi là hiện tượng ăn mòn kim loại

1.6.7 Một số nguyên nhân hƣ hỏng tiếp điểm

Bài giảng: Khí cụ điện Tài liệu: Lưu hành nội bộ 50

2 Oxy hóa

Môi trường xung quanh làm bề mặt tiếp xúc bị oxy hóa tạo thành lớp oxit mỏng trên bề mặt tiếp xúc, điện trở suất của lớp oxit rất lớn nên làm tăng Rtx dẫn đến gây phát nóng tiếp điểm

Mức độ gia tăng Rtx do bề mặt tiếp xúc bị oxy hóa còn tùy nhiệt độ Ở 20 ÷ 300C có lớp oxit dày khoảng 25.10-6 mm

1.6.7 Một số nguyên nhân hư hỏng tiếp điểm

3 Hƣ hỏng do điện

Thiết bị điện vận hành lâu ngày hoặc không được bảo quản tốt lò xo tiếp điểm bị hoen rỉ yếu đi sẽ không đủ lực ép vào tiếp điểm

Khi có dòng điện chạy qua, tiếp điểm dễ bị phát nóng gây nóng chảy, thậm chí hàn dính vào nhau Nếu lực ép tiếp điểm quá yếu có thể phát sinh tia lửa làm cháy tiếp điểm

Ngoài ra, tiếp điểm bị bẩn, rỉ sẽ tăng điện trở tiếp xúc, gây phát nóng cục bộ dẫn đến tiếp điểm dẫn dòng điện kém

1.6.7 Một số nguyên nhân hƣ hỏng tiếp điểm