ĐỒ ÁN_THIẾT KẾ MÁY NGẮT CHÂN KHÔNG.doc

ĐỒ ÁN_THIẾT KẾ MÁY NGẮT CHÂN KHÔNG

Mục lục

Chơng I: Giới thiệu về máy ngắt chân không- lựa chọn phơng án thiết kế

Chơng II: Tính toán các khoảng cách cách điện

Chơng III: Tính toán mạch vòng dẫn điện

Chơng IV: Chọn kết cấu và kiểm nghiệm buồng dập hồ quang

Chơng V: Tính lực điện động

Lời nói đầu

Điện năng là nguồn năng lợng quan trọng trong sản xuất và sinh hoạt Nó có u

điểm là dễ sản xuất và truyền tải Trong quá trình truyền tải phải sử dụng điện

áp cao, vì thế vấn đề đóng cắt và bảo vệ mạch điện cao áp nảy sinh ngời ta đã dùng các loại máy ngắt Máy ngắt sẽ ngắn mạch điện một cách tự động khi hệ thống có sự cố và có thể ngắt mạch điện bằng tay khi cần sửa chữa và nâng cấp hệ thống điện

Với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật, máy ngắt ngày một nhỏ hơn, nhẹ hơn và làm việc tin cậy hơn Trong đó loại máy ngắt chân không hiện nay

đang đợc sử dụng rông rãi vì có nhiều u điễm nổi bạt hơn các loại máy ngắt khác.Do độ bền cách điện của môi trờng chân không rất cao nên các loại máy ngắt chân không có u điểm là kết cấu gọn nhẹ làm việc tin cậy va có độ an toàn cao

Trong quá trình làm đồ án em đợc nhận đề tài: thiết kế máy ngắt chân không – loại máy ngắt mà hiện nay đang đợc nghiên cứu,phát triển để đợc đa vào sử dụng rộng rãi hơn ở nớc ta điều này đã giúp em tiếp cận với thực tế hơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy Bùi Tín Hữu đã giúp em hoàn thành đồ án này

H Nà ội: ng y 25 tháng 5 năm 2007à

Sinh viên:

ở máy ngắt chân không áp suất trong buồng dập rất thấp dới 10− 4 Pa do

có mật độ không khí rất thấp: hành trình tự do của phân tử đạt 50m còn hành trình tự do của điện tử đạt tới 300m, cho nên độ bền điện trong chân không khá cao, hồ quang sẽ bị dập tắt và có điều kiện cháy lại sau khi dòng điện qua trị số không ở áp suất 10− 4Pa, độ bền điện đạt tới 100 kV/ mm Vì vậy với

điện áp trung áp ( đến 35 kV ) độ mở của tiếp điểm của buồng cắt chân không khoảng 6 – 25 mm

Việc sử dụng chân không làm môi trờng dập hồ quang trong máy ngắt là

do chân không có đặc điểm sau :

+ Độ bền điện cao

+ Phục hồi nhanh chóng độ bền điện của khoảng trống hồ quang

Tính chất này của chân không có đợc là do môi trờng chân không có mật

độ phân tử khí rất nhỏ dẫn đến khả năng va đập và ion hoá các phân tử khí khi

hồ quang cháy là rất thấp

*) u điểm của máy ngắt chân không

- Kích thớc nhỏ gọn, không gây cháy nổ

- Tuổi thọ cao khi cắt dòng định mức ( đến 10000 lần đóng cắt )

- Vận hành và bảo dỡng đơn giản, gần nh không cần bảo dỡng định kỳ vì loại máy ngắt này đợc sử dụng khá phổ biến ở lới điện áp trung áp và chủ yếu dùng lắp đặt trong nhà

- Dòng điện cắt đến 50kA, thời gian cháy của hồ quang ngắn cỡ 15ms

2)

Nguyên lý dập hồ quang trong môi tr ơng chân không

Đối với máy ngắt thì việc dập tắt hồ quang một cách nhanh chóng khi nó phát sinh là rất quan trong và ảnh hởng đến chất lợng của máy ngắt

Đối với máy ngắt chân không thì hồ quang đợc dập tắt nh sau :

Khi hai tiếp điểm tách rời nhau thì từ âm cực các điện tử đợc giải phóng và chuyển động về phía dơng cực Giữa hai tiếp điểm tồn tại một điện trờng đợc gia tốc độ và đập vào bề mặt dơng cực nó có tốc độ rất lớn phá huỷ dơng cực

Từ cực dơng giải phóng ra các ion dong Các ion này chuyển động về âm cực

Sự chuyển động qua lại của các điện tử và ion là nguyên nhân xuất hiện và duy trì dòng hồ quang Khi các điện tử và các ion chuuyển động ngợc chiều nhau song song với quá trình ion hoá là quá trình phản ứng ion hoá cũng sảy ra rất mạnh Tại thời điểm đầu tiên khi dòng hồ quang qua trị số 0 hơi kim loại khuyếch tán trong bình chân không do mật độ các phân tử khí trong bình rất thấp nên ít sảy ra ion hoá, ngăn chặn hồ quan cháy lại lần thứ hai

Đối với máy ngắt chân không sau khoảng 10− 5s dòng điện qua trị số không khi khoảng cách cấch điện còn nhỏ thì độ bền điện đã đợc phục hồi

3) Một số loại máy ngắt chân không có mặt trên thị tr ơng Việt Nam hiện nay.

Mặc dù nớc ta do một số điều kiện cha sản xuất máy ngắt nhng thị trờng

Việt Nam vẫn rất đa dạng với sự tham gia của các hãng sản xuất máy ngắt trên thế giới nh : ABB, Siemens, sneichder, các hãng sản xuất của Trung Quốc , Hồng Kông…

Sơ đồ kết cấu của máy ngắt cần thể hiện đợc :

+ Số lợng khoảng ngắt dòng điện trong mỗi pha, cách bố trí tơng đối của tiếp điểm

+ Số lợng, vị trí, cách bố trí tơng đối của thiết bị dập hồ quang

+ Kết cấu của mạch vòng dẫn điện và cách bố trí tơng đối của các bộ phận dẫn điện

+ Phơng pháp cách điện

+ Cách bố trí định hớng các trụ kim loại sứ

+ Cấu trúc và cách bố trí của bộ truyền động cơ khí

+ Cách bố trí tơng đối của máy ngắt và bộ truyền động

Qua tham khoả các dạng kết cấu máy ngắt khác nhau của một số hãng sản xuất máy ngắt ở cấp điện áp và dòng điện tơng ứng Em lụa chọn kết cấu của hãng ABB nh sau:

Sơ đồ kết cấu máy ngắt chân không 22kV

1 §Çu vµo

2 Buång ng¾t ch©n kh«ng

9 Bộ phận điều chỉnh khoảng cách giữa các tiếp điểm

10 Cảm biến vị trí bảo vệ cách điện

2)Buồng dập hồ quang

Khi đóng cắt hồ quang phát sinh nó dợc dập tắt trong môi trơng chân không

Đối với máy ngắt chân không buồng dập hồ quang là bộ phận hết sức quan trọng, đó là một buồng kín có độ chân không cao trong đó có các tiếp điểm tĩnh và tiếp điểm động

3)Cơ cấu truyền động

Sử dụng cơ cấu truyền lực đồng thời kết hợp với việc sử dụng nam châm điện thực hiện thao tác đóng ngắt ( ở đây sử dụng một cuộn dây đóng và một cuộn dây ngắt khi các cuộn dây nam châm điện nam châm diện này đợc cấp điện thì

nó sẽ sinh ra lực điện từ tác động lên cơ cấu truyền động thực hiện các thao tác

- Chế độ làm việc tự động đợc thực hiện thông qua nam châm điện, khi có tín hiệu tác động các nam châm này sẽ thực hiện các thao tác đóng ngắt

+ Để thực hiện thao tác đóng thì cuộn dây đóng sẽ đợc cấp điện đồng thời cuộn dây ngắt sẽ bi cắt điện Cuộn đóng đợc cấp điện sẽ tạo ra trong lòng nó một từ trờng Từ trờng này sẽ tác động lên thanh nam châm vĩnh cửu đặt trong lòng của nó một lực điện từ Fdt thông qua bô truyền động tác động lên thanh dẫn động đa tiếp điểm động lại gần tiếp điểm tĩnh và thực hiện thao tác đóng Tơng tự nh thế khi muốn ngắt mạch thì cấp điện cho cho cuộn ngắt và ngắt

điện ở cuộn đóng, cuộn ngắt có điện sẽ sinh ra lực điện từ tác động lên thanh nam châm vĩnh cửu qua bộ truyền động tác động lên thanh dẫn động và đa tiép

điểm động ra xa tiếp điểm tĩnh

_ Khi các tiếp điểm ở trạng thái đóng thì lò xo 6 tạo ra lực ép tiếp điểm

đồng thời cuộn đồng 11 tác động giữ cho hai tiếp điểm luôn tiếp xũc với nhau một cách chắc chắn

Chú ý; Khi máy ngắt ở trạng thái đóng thì cuộn đóng luôn có điện còn cuộn

ngắt không có điện ngợc lại khi máy ngắt ở trang thái ngắt thì cuộn ngắt có

điện còn cuộn đóng bị cắt điện

Chơng ii

tính toán khoảng cách cách điện

I) Khái quát chung

Cách điện của khí cụ điện có tác dụng cách ly các vật dẫn điện, giữa các pha với nhau và với các bộ phận nối đất Đối với máy ngắt cần đảm bảo các

điều kiện sau:

+ Giữa các bộ phận mang điện của máy ngắt đối với đất

+ Giữa các bộ phận mang điện áp khác nhau của một cực khi các tiếp

điểm hoàn toần tách rời

+ Giữa các phần bên cạnh có các cực có điện áp cao

Mức độ cách điện chung cần phải phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật Mức độ cách điện đợc đảm bảo bằng cách chọn khoảng cách cách điện cần thiết và kích thớc của các bộ phận cách điện ( sứ cách điện, các tấm cách điện, tấm ngăn )…

Cách điện gồm hai loại :

+ Cách điện bọc trực tiếp lấy bộ phận dẫn điện nh sơn cách điện, vải, giấy + Cách điện có kết cấu riêng ( sứ cách điện) Sứ cách điện gồm nhiều loại với kết cấu và chức năng khác nhau gồm: Sứ trụ, sứ vỏ, sứ kéo, sứ đòn, sứ ống dẫn khí sứ đầu vào…

Vật liệu cách điện có thể phân loại nh sau: Không khí, dầu, chất rắn, phức hợp và chân không

Độ bền cách điện đợc thể hiện bằng điện áp chọc thủng, điện áp phóng

điện trên bề mặt và độ bền xung Điện áp này gây ra chọc thủng gọi là điện áp choc thủng, còn điên áp gây ra phóng điện trên bề mặt cách điện chất rắn gọi

là điện áp phóng điện Điện áp phóng điện chia ra làm hai loại : Điện áp phóng điện khô và điên áp phóng điện ớt

Nh vậy kết quả tính toán và chọn các khoảng cách cách điện ta có thể xác định đợc kích thớc sơ bộ của máy ngắt cần thiết kế

* Yêu cầu của cách điện:

- Hoàn toàn loại trừ khả năng chọc thủng cách điện, phóng điện trên bề mặt

- Sử dụng tối đa cách điện đúc và cách điện dẻo

- Có thể làm việc trong mọi điều kiện mọi khí hậu

II) Tính toán của cách điện.

Căn cứ vào yêu cầu của cách điện và kết cấu của máy cắt đã chọn tính toán các khoảng câch cách điện:

1).Khoảng cách cách điện giữa các pha

Do chọn kết cấu máy cắt ba pha có ba buồng dập hồ quang riêng rẽ nên ta chỉ cần tính cách điện pha cho các đầu vào của máy ngắt Sự phóng điện đặc trng nhất giữa pha – pha là xảy ra phóng điện thanh – thanh không nối đất

Điện áp phóng điện tính toán:

Từ điện áp phóng điện tính toán ta tra đồ thị điện áp phóng điện khô của

sứ cách điện trong không khí ở tần số công nghiệp hình 1- 15 KCĐCA ta suy

ra chiều cao của sứ cách điện: S2= 31,16 ( cm )

Để đảm bảo ta chọn S2= 35( cm )

3 Xác định chiều cao buồng dập hồ quang:

Đây cũng chính là khoảng cách cách điện giữa đầu đa điện áp vào và đầu lấy điện ra của máy ngắt, do đó ở đây có thể xảy ra hiện tợng phóng điện giữa

đầu vào và đầu ra của máy ngắt khi máy ngắt ở trạng thái ngắt, và điện áp phóng điện ở đây là điện áp pha, dạng phóng điện xảy ra là phóng điện theo bề

mặt sứ Dạng phóng điện này giống nh ở trên đã tính, ta có khoảng cách cách

điện, đồng thời là chiều cao của sứ bao bọc buồng dập hồ quang la:

S2= 35( cm )

4 Xác định độ mở của tiếp điểm S4 ( cm ):

Độ mở của tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm tĩnh và tiếp điểm động

ở tranh thái ngắt của máy ngắt

Độ mở cần phải đủ lớn để dập tắt hồ quang một cách nhanh chóng, nếu độ

mở lớn thì việc dập tắt hồ quang sẽ dễ dàng tuy nhiên nhng nó lại ảnh hởng

đến thời gian ngắt và kích thớc của máy ngắt

Độ mở của tiếp điểm dợc chọn sao cho khi ở trạng thái ngắt hồ quang không phát sinh đồng thời độ mở phải đợc tính toán sao cho tại đó việc dập tắt

hồ quang là nhanh nhất Sự phóng điện đặc trng sảy ra giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh ở trạng thái ngắt là phóng điện giữa kim- kim nối đất, và điện áp phóng điện ở đây là điện áp pha Trong một số trờng hợp thì điện áp tiếp điểm

động và tiếp điểm tĩnh có thể là điện áp dây Để an toàn trong quá trình vận hành ta chọn điện áp phóng điện ở đây là điện áp dây

Với máy ngắt chân không là: 10− 9mmHg thì độ bền cách điện là khoảng 5mm ứng với 100KV

Nh vậy với điện áp phóng điện là : U pd= 3 Udm= 3.22=66 ( KV ) để

đảm bảo an toàn trong trờng hợp sảy ra quá điên áp ta chọn độ mở các tiếp

điểm là: 1,5 cm

Chọn S4 = 1,5 cm

5 Khoảng cách từ tiếp điểm tới thành bình của buồng dập hồ quang là S5

S5 đợc chọn sao cho việc phóng điện qua thành bình buồng dập hồ quang là kho khăn hơn so với việc phóng điện trực tiếp qua hai tiếp điểm Do đó ta có :

S5 > S4/2

Chộn S5 = 3 cm

Chơng iii tính toán mạch vòng dẫn điện

I) Khái quát chung:

Mạch vòng dẫn điện của máy ngắt là tổng hợp của các phần tử dẫn điện

nh thanh dẫn, xà ngang, dây nối mền, tiếp điểm động, tiếp điểm tĩnh Trong quá trình làm việc các phần tử này sẽ bị phát nóng, nguyên nhân là do: Khi có dòng điện chạy qua các phần tử đều có điện trở và chỗ tiếp xúc còn có điện trở tiếp xúc Nếu điện trở càng lớn, dòng điện càng lớn thì sự phát nóng càng nhiều, biểu thị của sự phát nóng là năng lợng nhiệt ( Q= I2.R )

Nhiệm vụ thiết kế tính toán mạch vòng dẫn điện là phải xác định kích

th-ớc của các chi tiết mach vòng dẫn điện Tiết diện và kích thth-ớc của các chi tiết

sẽ quyết định cơ cấu của mạch vòng dẫn điện

Khi thiết kế tính toán mạch vòng dẫn điện của máy ngắt cần chú ý: Do máy ngắt làm việc với dòng điện và điện áp cao nên các tác tác động nhiệt và các tác động điện động là rất lớn sẽ gây ra phát nóng từng bộ phận và gây ra phụ tải điên động lớn quá khả năng cho phép Tác động nhiệt và các tác động nhiệt quá lớn là nguyên nhân phá sự làm việc bình thờng của mày ngắt

Trong thực tế, ngoài chế độ làm việc bình thờng có nghĩa làm việc với dòng định mức ( Idm ) máy ngắt còn làm việc với dòng ngắn mạch trong thời gian rất ngắn ( 5 – 10 s ) Mặc dù khi có sự cố bộ truyền động nhanh chóng ngắt mạch trong thời gian rất ngắn nhng với thời gian đó cũng đủ để làm nóng các bộ phận mang điện của máy ngắt Để đảm bảo an toàn cho máy ngắt làm việc thì phải chọn hình dáng, kích thớc kết cấu của bộ phận dẫn điện sao cho phù hợp để sự phát nóng của chúng không vợt quá nhiệt độ cho phép Nừu nhiệt độ phát nóng của chúng lớn hơn nhiệt độ cho phép thì chúng sẽ h hỏng, cách điện chóng già cỗi và dẫn đến tuổi thọ máy giảm Đối với tiếp điểm thì

sẽ bị hàn dính, chảy mòn tiếp điểm

Yêu cầu của mạch vòng dẫn điện:

+ Với dòng điên định mức chảy trong mạch vòng dẫn điện thì nhiệt độ phát nóng của chi tiết mạch vòng không đợc vợt quá nhiệt độ cho phép

+ Chịu đợc dòng điện ngắn mạch trong những thời gian nhất định

+ Lựa điện động sinh ra khi có dòng ngắn mạch chạy qua không phá hỏng kết cấu của mạch vòng dẫn điện

II) Đầu nối.

Đầu nối tiếp xúc là phần tử quan trọng của khí cụ điện nói chung và máy ngắt nói riêng, nó có tác dụng nối các bộ phận dẫn điện để đa điện vào Do vậy khi thiết kế cần chú ý đầu nối cho phù hợp đặc biệt là trong cao áp

Có thể chia đầu nối làm hai loại

+ Các cực để nối với dây dẫn bên ngoài

+ Mối nối các bộ phận bên trong mạch vòng dẫn điện

Các yêu cầu đói với mối nối:

+ Đầu nối phải đảm bảo đủ độ bền nhiệt và độ bền điện động

+ Năng lợng tổn hao nhỏ

+ Đảm bảo Rtx< [ Rtx ] - điện trở tiếp xúc cho phép

+ ở chế độ làm việc dài hạn nhiệt độ làm việc không vợt quá nhiệt độ cho phép

* Tính toán lựa chọn mối nối

Từ sơ đồ máy ngắt đã chọn ta có kết cấu của các mối nối nh sau

Việc lựa chộn kích thớc mối nối phụ thuộc vào dòng làm việc định mức của khí cụ điện:

Với dòng định mức Idm = 1000A tra bảng 2-19TKKCĐHA chọn mối nối dạng bu lông bằng thép không dẫn điện có đờng kính hệ ren là 4x16mm

III) Tính toán thanh dẫn

Với kết cấu chọn nh trên, than dẫn trong máy ngắt đợc làm bằng đồng kéo nguội

Các thông số của đồng kéo nguội:

Thanh dẫn tĩnh gắn với tiếp điểm tĩnh có kết cấu dạng thanh tròn

* Tính toán thanh dẫn ở chế độ dài hạn.

Chế độ làm viẹc dài hạn có dòng điện định mức chảy qua thanh dẫn, để máy ngắt làm việc bình thờng thì nhiệt độ thanh dẫn không vợt quá nhiệt độ cho phép:

θcp = 75οC

Chế độ làm việc dài hạn khi có dòng điện định mức đi qua, do thanh dẫn có

điện trở nên bị phát nóng, ta coi nhiệt lợng sin ra bị toả hoàn toàn ra môi trờng xung quanh

KT : là hệ số toả nhiệt của thanh dẫn, thanh dẫn đồng làm việc thẳng

đứmg thì KT = 6 – 9 [ W/ mm2 οC ]

Chọn KT = 8 10− 6 [ W/ mm2 οC ]

S : là chu vi toả nhiệt của thanh dẫn [mm]

F: là tiết diện thanh dẫn [mm2]

θ là nhiệt độ của thanh dẫn ở chế độ làm việc dài [οC ]

Trong chân không ta chọn nhiệt độ làm của thanh dẫn là: θ = 70οC

.

4

0 2

2

θ θ

ρ

−

dm K I

10 8

10 27675 , 2 1000

3

6 2

5 2

- Thanh dẫn động gắn với tiếp điểm động, kết cấu của thanh dẫn động

có hình trụ giống nh thanh dẫn tĩnh

- Chọn vật liệu làm thanh dẫn động là đồng kéo nguội nh đối với thanh dẫn tĩnh

- Theo kết cấu của máy ngắt đã chọn thì thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh có tiết diện nh nhau

Nh vậy thanh dẫn động có đờng kính d = 40mm

3) Phần thanh dẫn đ a điện ra từ thanh dẫn động (có thể thay thế bằng dây dẫn mềm).

Thanh dẫn đa điện vào có tiết diện hình chữ nhật

Mặt cắt ngang của thanh dẫn có dạng

ơng với tiết diện của thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh

Nếu sử dụng dây dẫn mềm thì tổng diện tích của dây dẫn phải có giá trị tơng

đơng diện tích của thanh dẫn tĩnh hoặc động

4) Kiểm nghiệm thanh dẫn.

a Chế độ làm việc dài hạn.

*) Đối với các thanh dẫn tĩnh và thanh dẫn động trong chế độ làm việc dài hạn máy ngắt làm việc với dòng định mức Khi đó mật độ dòng điện trong thanh dẫn là:

J = Idm/S

Idm là dòng điện định mức = 1000A