GIÁO TRÌNH KHÍ CỤ ĐIỆN VÀ DÂY DẪN

- Tiếp xúc cố định: Có các mặt tiếp xúc gắn chặt và không rời nhau trong quá trình làm việc.- Tiếp xúc đóng mở: Đó là tiếp xúc của các khí cụ đóng cắt mạch điện như aptômát, rơle, máy cắ

Khí cụ điện là các trang bị điện được dùng

trong các nhà máy điện, trạm biến áp, hộ tiêu thụ Khí cụ điện bao gồm:

+ Khí cụ đóng cắt hay chuyển mạch: Máy cắt, dao cách ly

+ Khí cụ bảo vệ: cầu chì, rơle

+ Khí cụ hạn chế dòng điện: Điện trở, điện kháng

Khí cụ điện thường làm việc ở 2 chế độ cơ

bản là:

- Chế độ làm việc ngắn hạn: Ở chế độ này nhiệt độ phát nóng của khí cụ chưa đạt nhiệt độ ổn định

- Chế độ làm việc dài hạn: Ở chế độ này

nhiệt độ của khí cụ đã đạt nhiệt độ ổn định.Ngoài 2 chế độ cơ bản này, khí cụ còn có thể làm việc theo chế độ ngắn hạn hay ngắn hạn lặp lại

Tiếp xúc điện là chỗ tiếp xúc giữa hai hay nhiều vật dẫn điện và có khả năng truyền dẫn dòng điện từ vật này sang vật dẫn khác Tiếp xúc điện thông qua mặt dẫn tiếp xúc gọi là mặt tiếp xúc điện.

- Tiếp xúc cố định: Có các mặt tiếp xúc gắn chặt và không rời nhau trong quá trình làm việc.

- Tiếp xúc đóng mở: Đó là tiếp xúc của các khí cụ đóng cắt mạch điện như aptômát, rơle, máy cắt

- Tiếp xúc trượt: Các bề mặt tiếp xúc điện của 2 vật dẫn trượt lên nhau trong quá trình làm việc

Mỗi loại tiếp xúc điện phân thành 3 hình thức tiếp xúc:

+ Tiếp xúc mặt: Mặt tiếp xúc là mặt phẳng+ Tiếp xúc điểm: Mặt tiếp xúc là những điểm+ Tiếp xúc đường: Mặt tiếp xúc là những đường

- Tiếp xúc điện phải chắc chắn

- Đảm bảo độ bền cơ học

- Đảm bảo độ ổn định nhiệt, ổn định động khi có dòng ngắn mạch đi qua

- Điện tử tiếp xúc phải bé, nhiệt độ chỗ tiếp xúc thấp

- Chịu được tác dụng của môi trường xung

quanh

- Điện trở tiếp xúc là điện trở tồn tại giữa 2 đầu tiếp xúc khi có dòng điện chạy qua:

Ở đây:  - Điện trở suất của vật liệu

F - Lực ép lên tiếp điểm

n - Số điểm tiếp xúc

d-Ứng suất chống dập của vật liệu làm đầu tiếp xúc







2

d

n F tx

- Các yếu tố ảnh hưởng đến Rtx là:

+ Vật liệu làm đầu tiếp xúc

+ Lực ép lên đầu tiếp xúc

+ Diện tích bề mặt tiếp xúc

+ Nhiệt độ bề mặt tiếp xúc

- Do hiện tượng ăn mòn kim loại và đặc biệt là ăn mòn do điện thế hóa học của các đầu

tiếp xúc khác nhau

- Ôxi hóa do nhiệt các đầu tiếp xúc

- Lực cơ học tác dụng lên các đầu tiếp xúc

- Hồ quang có nhiệt lượng lớn gây đốt cháy

các đầu tiếp xúc

Khi mở đầu tiếp xúc của khí cụ điện khe hở chịu một điện áp lớn và hình thành một điện trường Khoảng cách khe hở giữa hai đầu tiếp xúc càng nhỏ cường độ điện trường càng lớn, nhất là khi đầu tiếp xúc mới bắt đầu mở, nó đạt tới hàng ngàn kV/cm Dưới tác dụng của cường độ điện trường, các điện tử tự

do sẽ chạy về dương cực hồ quang điện phát sinh Dòng điện tử này sẽ được duy trì do các nguyên nhân sau đây:

- Phát xạ nhiệt điện tử: Khi đầu tiếp xúc bắt đầu mở, lực nén vào 2 tiếp xúc giảm dần, điện trở tiếp xúc tăng Dưới tác dụng của nhiệt độ cao các điện tử sẽ rời khỏi mặt kim loại chạy về dương cực Đó là hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử.

- Ion hóa do va chạm: Các điện tử chuyển động với tốc độ lớn va chạm vào các phần tử trung hòa làm bật ra những điện tử mới và các ion Các điện tử chuyển động về dương cực làm ion hóa các phần tử trung hòa khác Số lượng điện tích giữa hai tiếp xúc (điện cực) tăng lên rất nhanh Dạng ion hóa như vậy gọi là ion hóa va chạm

Như vậy giữa các đầu tiếp xúc tạo dòng điện tử và iôn gọi là Plasma có điện dẫn rất lớn

Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện tự duy trì trong chất khí với một mật độ dòng rất lớn (hàng nghìn A/cm2 và cao hơn), nhiệt độ rất cao tới 10.000oC ở gần trung tâm và 3000-4000oC ở bề mặt hồ quang

Song song với quá trình ion hóa trong khe hở, còn có quá trình khử ion Quá trình này do các hiện tượng sau đây:

- Hiện tượng kết hợp: Các hạt ion dương và âm chuyển động va chạm và kết hợp thành các hạt trung hòa Khi hồ quang tiếp xúc với điện môi thì hiện tượng kết hợp tăng lên và hồ quang bị mất năng lượng làm quá trình ion hóa giảm, khử ion tăng lên

- Hiện tượng khuếch tán: giữa hồ quang và môi trường có sự chênh lệch về nhiệt độ và mật độ ion, vì vậy các ion không ngừng bị khuếch tán ra ngoài Hồ quang bị dịch chuyển càng mạnh, khả ngăng khuếch tán càng tăng

- Hiện tượng phân ly: Dưới tác dụng của nhiệt độ cao của hồ quang, các phần tử khí chuyển động mạnh và hỗn loạn Một số phần tử khí chuyển động va chạm vào nhau sẽ phân ly thành các nguyên tử Các nguyên tử khuếch tán vào môi trường xung quanh, gặp nhiệt độ thấp lại kết hợp thành phân tử Phản ứng phân ly thu nhiệt làm giảm nhiệt độ của hồ quang, tạo điều kiện khử ion.

- Hồ quang cháy luôn luôn tồn tại hai quá trình là quá trình ion hóa làm tăng khả năng dẫn dòng và quá trình khử ion làm giảm khả năng dẫn dòng Nếu quá trình khử ion xảy ra mãnh liệt hơn thì hồ quang sẽ bị dập tắt và ngược lại nếu quá trình ion hóa mãnh liệt hơn thì hồ quang sẽ tiếp tục cháy.

- Khi cắt mạch điện xoay chiều, dòng điện hồ quang biến thiên đến trị số 0, điện môi giữa hai đầu tiếp xúc có hiện tượng phục hồi độ bền điện (quá trình khử mãnh liệt hơn) Lúc này điện áp chọc thủng của cách điện tăng lên rất nhanh Đồng thời với quá trình này, khi dòng hồ quang triệt tiêu thì điện áp giữa hai đầu tiếp xúc có thể tăng đột biến do tính cảm của mạch điện với trị số khoảng hai lần biên độ điện áp lưới

- Nếu điện áp phục hồi giữa 2 đầu tiếp xúc lớn hơn điện áp chọc thủng cách điện thì hồ quang sẽ cháy lại và ngược lại nếu điện áp phục hồi nhỏ hơn điện áp chọc thủng của cách điện thì hồ quang sẽ tắt.

Điều kiện phát sinh: Uph ≥ Uct

và điều kiện dập tắt: Uph < Uct

- Quá trình dập tắt hồ quang giữa hai đầu tiếp xúc khi cắt mạch với dòng ngắn mạch thường diễn ra trong vài nửa chu kỳ đầu sau khi cắt Biểu diễn trên hình 5-1

Cắt

mạch

Hình 5-1

- Phá hủy các đầu tiếp xúc điện trong những lần catứ

- Gây ngắn mạch giữa các pha, giữa pha với

đất

- Đốt cháy cách điện lưới do hồ quang chập chờn gây quá điện áp

Việc dập tắt hồ quang giữa hai đầu tiếp xúc trong khí cụ điện đóng cắt thường sử dụng các phương pháp sau đây:

a Tăng nhanh khoảng cách và kéo dài hồ quang: Khi tăng nhanh khoảng cách giữa hai đầu

tiếp xúc, điện trường trong khe hẹp sẽ giảm nhanh chóng làm hồ quang bị kéo dài và khuếch tán trong không khí

b Chia nhỏ hồ quang: Người ta dùng các tấm

kim loại (cách tử) chia nhỏ hồ quang thành nhiều đoạn và tiến hành dập tắt trong các khe hẹp giữa các cách tử (h5-2a)

+ b,

d,

c Dập hồ quang trong khe hở của buông dập hồ quang: Cháy trong khe hở, hồ quang bị

hạ nhiệt rất nhanh và các phần tích điện của nó khuếch tán vào môi trường xung quang dẫn đến khử ion và hồ quang bị dập tắt nhanh chóng (h5-2b)

d Chuyển động hồ quang trong từ trường

(h5-2c): Hồ quang được coi như một dây dẫn

có dòng chạy qua Khi hồ quang đặt trong từ trường H thì sẽ có một lực F tác dụng lên nó Nếu hướng từ trường vuông góc với trục hồ quang thì hồ quang bị chuyển động tịnh tiến và bị đẩy vào khe hở của buồng dập tắt hồ quang Khi từ trường tròn, hồ quang chuyển đổng quay, dễ dàng được làm mát và khử ion

e Dập tắt hồ quang trong dầu: Nếu đầu

tiếp xúc của khí cụ đặt trong dầu biến áp, khi cắt mạch hồ quang xuất hiện, dưới tác dụng của hồ quang dầu tạo thành các bọt khí hiđrô, bọt khí khác và hơi dầu, trong đó hiđrô là chủ yếu (70-80%) với áp suất cao Các khí trên bao bọc hồ quang cùng đầu tiếp xúc và hồ quang dễ dàng dập tắt

f Thổi không khí: Hồ quang điện làm nguội

nhanh hơn khi luồng không khí chuyển động có hướng thổi vào Thổi dọc hay thổi ngang vào hồ quang đều tạo điều kiện tiếp xúc các phần tử khí với hồ quang, dẫn tới khuếch tán và làm nguội hồ quang dễ dàng Tốt nhất là thổi hồ quang bằng khí lạnh từ các bình khí nén

a, b,

A A

C C

a,

A A

B

R R

b,

g Dùng nhiều chỗ cắt: Cắt mạch điện với

dòng càng lớn và điện áp càng cao càng khó khăn vì rằng khi năng lượng lớn, điện áp phục hồi cao, khử ion trong khe hở khó khăn hơn Vì vậy trong các máy cắt điện áp cao dùng nhiều chỗ cắt trong một pha, điện áp càng cao càng nhiều chỗ cắt

h Dập tắt hồ quang trong chân không: Chân

không có độ bền điện áp gấp hàng chục lần

so với không khí ở áp suất thường Khi mở đầu tiếp xúc trong chân không, chỉ cần nửa chu kỳ đầu tiên dòng qua trị số 0 là hồ quang có thể

bị dập tắt Ngyên lý này dùng trong máy cắt chân không

i Dập hồ quang trong khí áp suất cao: Khí

áp suất 200N/cm2 và cao hơn có độ bền điện cao và đặc biệt là các khí trơ có áp suất cao như khí SF6 (khí êlêga) Khí êlêga có độ bền điện cao nên nó dùng để dập tắt hồ quang ngay cả ở áp suất thường Nó được dùng trong các máy cắt khí SF6

a Định nghĩa: Máy cắt điện là một loại khí

cụ điện đóng cắt điện cao dùng để dóng cắt mạch điện khi có dòng phụ tải hay cả dòng ngắn mạch

b Công dụng

- Dùng để đóng cắt mạch điện áp cao ở chế độ làm việc bình thường hay cắt dòng ngắn mạch khi có sự cố

- Thời gian cắt ngắn mạch rất nhanh nên có thể bảo vệ được các thiết bị điện khi có sự cố

Để đảm bảo công dụng của máy cắt thì nó phải đảm bảo các yêu cầu cơ bản như: Phải cắt nhanh, khi đóng cắt không gây nổ hoặc cháy, kích thước gọn nhẹ, giá thành hạ

c Phân loại máy cắt: Dựa vào phương pháp

dập tắt hồ quang, máy cắt có thể phân thành:

Máy cắt nhiều dầuMáy cắt ít dầu

Máy cắt không khíMáy cắt tự sinh khíMáy cắt điện từ

Máy cắt chân khôngMáy cắt khí

c Phân loại máy cắt: Dựa vào chức năng,

máy cắt phân thành:

- Máy cắt phụ tải: Dùng để cắt dòng phụ tải, không cắt được dòng ngắn mạch Hồ quang được dập tắt bằng vật liệu rắn tự sinh khí dưới tác dụng của nhiệt độ cao hay dập tắt bằng khí SF6

- Máy cắt đóúng lặp lại: Có khả năng đóng lặp lại một số lần nhờ thiết bị điều chỉnh được lập trình trước Loại này dập hồ quang có thể bằng khí SF6 hay môi trường chân không

-Điện áp định mức Uđm

-Dòng điện định mức Iđm

-Dòng điện ổn định động định mức Iôđđm

-Dòng điện ổn định nhiệt tương ứng với thời gian ổn định định mức Iôđnhđm, tnh

- Dòng cắt định mức (Icđm) hay công suất cắt định mức (Scđm):

đm

.Iđm

.U

3cđm

a Cấu tạo: Máy cắt điện nhiều dầu có hai

loại là loại không có buông dập và loại có buồng dập hồ quang

b Nguyên lý:

Truyền động đóng: Quay tay biên theo chiều kim đồng hồ từ 70-85o, lò xo bị nén lại, thanh truyền chuyển động lên đóng máy cắt Khi cắt bằng tay thì chỉ cần giải phóng chết hãm thanh truyền động, lò xo đẩy tiếp xúc động đi xuống, hồ quang xuất hiện trong môi trường dầu và sẽ bị dập tắt nhanh chóng

Khi có sự cố trên lưới điện thì bảo vệ rơle sẽ tác động đến bộ truyền động của máy cắt, bộ truyền động này giải phóng chết hãm và máy cắt sẽ được cắt nhanh chóng

- Thời gian cắt khá lớn từ 0,15 - 0,2 giây.

- Máy cắt làm việc dễ bị nổ do đó mức dầu trong thùng phải đảm bảo 70-80% thể tích của thùng

- Máy cắt nhiều dầu có buồng dập hồ quang được chế tạo với nhiều cấp điện áp khác nhau từ 35 - 220kV

a Cấu tạo: sơ đồ cấu tạo biểu diễn trên

5 10

8.Cơ cấu truyền động

9 Tục truyền động

10 Van bi một chiều

b Nguyên lý truyền động:

Khi quay trục truyền động 9, nhờ cơ cấu truyền dộng mà thanh tiếp xúc chuyển động lên xuống Khi quay theo chiều kim đồng hồ (theo tay quay) khoảng 54o thì máy cắt sẽ đóng hoàn toàn và ngược lại sẽ mở hoàn toàn Lúc này lò xo và thanh dẫn mềm (dẹt) bị nén lại

Khi cắt mạch điện, thanh tiếp xúc tách khỏi đầu tiếp xúc tĩnh, hồ quang xuất hiện làm dầu hóa hơi và khí H2 trong buồng dập hồ quang, khí và hơi dầu sẽ thổi ngang làm hồ quang tắt nhanh chóng Dầu sau khi dập hồ quang sẽ qua buồng phân ly để lọc dầu và cuối cùng trở về thùng dầu qua van 1 chiều

c Đặc điểm:

- Do dầu chỉ dùng để dập hồ quang nên máy cắt ít dầu có cấu tạo gọn nhẹ, chắc chắn và làm việc an toàn

- Máy cắt ít dầu nhất thiết phải có buồng dập hồ quang và thường ở dạng thổi ngang

- Với cấp điện áp từ 35kv trở lên nó thường được cấu tạo với nhiều chỗ cắt và mỗi chỗ đều có buồng dập hồ quang riêng

- Thời gian dập tắt hồ quang của máy cắt ít dầu nhỏ hơn nhiều so với máy cắt nhiều dầu, khoảng 0,015-0,025 giây với dòng định mức đến 3200A và dòng cắt đến 31,2kA

- Máy cắt ít dầu được chế tạo được chế tạo nhiều loại với nhiều cấp điện áp khác nhau và tới 220kV

a Cấu tạo: Máy cắt không khí có nhiều loại,

sau đây ta khảo sát loại có 2 chỗ cắt với điện áp ≥110kv

b Nguyên lý:

Khi cắt không khí nén đi vào buồng dập hồ quang với áp suất từ 8-20atm hay khoảng 200N/cm2 đẩy đầu tiếp xúc di động tách ra, hồ quang xuất hiện, nhưng lại được dập tắt bằng chính khí nén Thời gian dập tắt hồ quang không quá 0,02 giây Sau khi hồ quang bị dập tắt, khí nén tràn vào buồng của bộ cách

ly, đầu tiếp xúc di động dịch chuyển, hồ quang xuất hiện và bị dập tắt bằng khí nén

Vì bộ cách ly cắt dòng không lớn đã được hạn chế qua điện trở sun, nên không cần luồng không khí thổi mạnh

b Nguyên lý:

Ở vị trí cắt của máy cắt, trong buồng bộ cách ly chứa đầy khí nén để giữ cho đầu tiếp xúc của nó mở với khoảng chừng 60-80mm Khi bộ cách ly đã mở, ngừng cấp khí nén vào buồng dập hồ quang, dưới tác dụng của lực lò xo, các đầu tiếp xúc ở đó trở về vị trí đóng

Việc đóng máy cắt mạch được tiến hành bằng cách mở van thoát khí nén ra khỏi bộ cách ly Aïp suất trong buồng cách ly giảm xuống, khí còn khoảng 100N/cm2, lực lò xo đủ để đẩy đầu tiếp xúc di động của bộ cách ly về vị trí đóng

c Đặc điểm chính:

- Truyền động và dập tắt hồ quang bằng khí nén có áp suất cao nên luôn phải sử dụng hệ thống khí nén cồng kềnh và phức tạp

- Máy cắt làm việc an toàn, không cháy nổ nhưng ồn khi cắt (do khí thoát có áp suất cao), độ mòn tiếp xúc ít

- Thời gian dập tắt hồ quang rất bé (0,01 giây) và thời gian cắt ngắn mạch là 0,17 sec

- Được chế tạo ở nhiều cấp điện áp khác nhau và tới 750kV, thời gian cắt có thể đạt 0,02

- 0,025 giây

- Làm việc chắc chắn, tin cậy và rẻ tiền

a Cấu tạo: Hình dạng của máy cắt chân

không gần giống các máy cắt khác do vậy trong nội dung phần này ta chủ yếu xem xét cấu trúc của buồng dập tắt hồ quang của máy cắt chân không

b Nguyên lý dập hồ quang:

Khi mở đầu tiếp xúc, diện tích tiếp xúc giảm rất nhanh nên tại đó nhiệt độ tăng rất nhanh, kim loại bị nóng chảy thành cầu nối Sau khoảng thời gian rất ngắn cầu nối đó hóa hơi, phần giữa là hồ quang Do trong chân không, nên các phần tử tích điện khuếch tán vào khoảng không rất nhanh và hồ quang dễ dàng bị dập tắt Hơi kim loại kết trên các tấm chắn kim loại 5,8 Bình thủy tinh 11 bảo vệ cho buông dập hồ quang không bị bẩn Để giảm mức độ hóa hơi, các tiếp xúc phải làm bằng kim loại khó nóng chảy

c Đặc điểm:

- Độ bền điện của môi trường chân không ở áp suất từ 10-5-10-6 mmHg cao hơn nhiều so với không khí áp suất thường do đó kích thước buồng dập hồ quang gọn nhẹ và thời gian dập tắt hồ quang ngắn

- Số lần đóng cắt của máy cắt rất lớn 500 lần khi điện áp 10kV, dòng 600A và 30.000 lần khi dòng 200A

- Dòng điện cắt của máy cắt không lớn nên thường dùng ở cấp điện áp trung thế (3 - 35)kV