Tìm hiểu về cấu hình các loại tủ điện đóng cắt, điều khiển và bảo vệ, sử dụng cho hệ thống cung cấp điện nói chung và hệ thống nhiệt lạnh nói riêng

Dao cách ly dùng để cắt mạch khi không có dòng điện và đóng cắt dòng điện không tải của máy biến áp và đường dây.. Cấu tạo của Cầu chì Cầu chì bao gồm các thành phần sau:  Phần tử ngắt

Bài tập lớn Môn học: Khí cụ điện

Họ và tên: Lê Quang Minh

MSSV: 20183376

Lớp: 119411

Đề bài: Tìm hiểu về cấu hình các loại tủ điện đóng cắt, điều khiển và bảo vệ, sử

dụng cho hệ thống cung cấp điện nói chung và hệ thống nhiệt lạnh nói riêng

I Những khái niệm chung về khí cụ điện.

Khí cụ điện (KCĐ) là thiết bị điện dùng để điều khiển, kiểm tra, tự động điều chỉnh, khống chế các đối tượng điện và đối tượng không điện và bảo

vệ chúng 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 rãi trong mọi lĩnh vực của cuộc sống

Khí cụ điện được phân loại theo chức năng, theo nguyên lý và môi

trường làm việc, cũng như theo điện áp

 Theo chức năng, KCĐ được phân thành các nhóm sau:

1 Nhóm KCĐ đóng cắt: chức năng chính là đóng cắt tự động hoặc bằng tay mạch điện ở các chế độ khác nhau Các KCĐ đóng cắt gồm cầu dao, dao cách ly, dao phụ tải, máy cắt tự động (ap to mat), máy cắt mạch, cầu chì, các bộ chuyển đổi nguồn Dao cách ly dùng để cắt mạch khi không có dòng điện

và đóng cắt dòng điện không tải của máy biến áp và đường dây Dao phụ tải dùng để đóng cắt mạch điện khi bị ngắn mạch

Đặc điểm: nhóm KCĐ này có tần số thao tác thấp do đó tuổi thọ thấp (vài chục ngàn lần đóng cắt)

a.Dao phụ tải

d Aptomat e Cầu giao điện

2 Nhóm KCĐ hạn chế dòng điện, điện áp: chức năng là hạn chế dòng điện, điện áp không tăng quá cao khi bị sự cố Trong đó có: Kháng điện dùng để hạn chế dòng ngắn mạch, van chống sét dùng để hạn chế điện áp

3 Nhóm KCĐ mở máy, điều khiển: Nhóm này gồm các loại KCĐ như các bộ mở máy, khống chế, điện trở mở máy, công tắc tơ, khởi động từ… Đặc điểm: tần số thao tác cao, lên tới 1500 lần/giờ, vì vậy tuổi thọ của chúng có thể lên tới hàng triệu lần đóng cắt

4 Nhóm KCĐ kiểm tra, theo dõi: nhóm này có chức năng kiểm tra, theo dõi quá trình làm việc của các đối tượng, biến đổi các tín hiệu không điện thành tín hiệu điện Các KCĐ gồm các loại role, các bộ cảm biến… Đặc điểm là công suất thấp, thường được nối mạch ở thứ cấp để biến đổi, truyền tín hiệu

a.rơ le

Công tắc tơ

b cảm biến hồng ngoại

5 Nhóm KCĐ tự động điều chỉnh, khống chế, duy trì chế độ làm việc và các tham số của đối tượng như các bộ ổn định điện áp,

ổn định tốc độ, nhiệt độ…

6 Nhóm KCĐ biến đổi dòng điện, điện áp gồm máy biến dòng điện, máy biến áp Chúng có chức năng biến đổi dòng điện, điện áp cao thanh dòng điện, điện áp có trị số thích hợp, an toàn cho việc đo lường, điều khiển, bảo vệ

a.Máy biến dòng điện

b.Máy biến áp

 Theo nguyên lý làm việc, KCĐ được chia thành các nhóm theo nguyên lý điện cơ, điện từ, từ điện, điện động, nhiệt, có tiếp xúc và không tiếp xúc

 Theo nguồn điện, có KCĐ một chiều và KCĐ xoay chiều Theo độ lớn điện áp làm việc gồm KCĐ hạ áp (U<1000V), KCĐ trung áp (1kV<U<36kV), KCĐ cao áp (36kV<U<400kV), KCĐ siêu cao áp (U>400kV)

 Theo điều kiện môi trường, có các loại KCĐ lắp đặt trong nhà, KCĐ lắp đặt ngoài trời, KCĐ làm việc trong môi trường dễ cháy nổ…

Tùy theo chức năng mà các KCĐ có các yêu cầu cụ thể, riêng biệt, những yếu tố cơ bản nhất là yêu cầu kỹ thuật và yêu cầu kinh tế Người kỹ sư cần xem xét kỹ những yêu cầu này để chọn lựa KCĐ phù hợp

II Tìm hiểu một số KCĐ đóng cắt, điều khiển và bảo vệ, sử dụng cho hệ

thống cung cấp điện.

1 Cầu chì

1.1 Cấu tạo của Cầu chì

Cầu chì bao gồm các thành phần sau:

 Phần tử ngắt mạch: Đây chính là thành phần chính của cầu chì, phần tử này phải có khả năng cảm nhận được giá trị hiệu dụng

củ dòng điện qua nó Phần tử này có giá trị điện trở suất bé (thường bằng bạc, đồng hay các vật liệu dẫn có giá trị điện trở suất nhỏ lân cận với các giá trị nêu trên ) Hình dạng của phần

tử có thể ở dạng là một dây (tiết diện tròn), dạng băng mỏng

 Thân của cầu chì: Thường bằng thuỷ tính, ceramic (sứ gốm) hay các vật liệu khác tương đương Vật liệu tạo thành thân của cầu chì phải đảm bảo được hai tính chất:

✔️Có độ bền cơ khí

✔️Có độ bền về điệu kiện dẫn nhiệt và chịu đựng được các sự thay đôi nhiệt độ đột ngột mà không hư hỏng

 Vật liệu lấp đầy (bao bọc quanh phần tử ngắt mạch trong thân cầu chì):

Thường bằng vật liệu Silicat ở dạng hạt, nó phải có khả ngăng hấp thụ được năng lượng sinh ra do hồ quang và phải đảm bảo tính cách điện khi xảy ra hiện tượng ngắt mạch

 Các đấu nối: Các thành phần này dùng định vị cố định cầu chì trên các thiết bị đóng ngắt mạch; đồng thởi phải đảm boả tính tiếp xúc điện tốt

1.2 Nguyên lý hoạt động của Cầu chì

Đặc tính cơ bản của cầu chì là sự phụ thuộc của thời gian chảy đứt với dòng điẹn chạy qua (đặc tính Ampe - giây) Để có tác dụng bảo vệ, đường Ampe - giây của cầu chì tại mọi điểm phải thấp hơn đặc tính của đối tượng cần bảo vệ

 Đối với dòng điện định mức của cầu chì: Năng lượng sinh ra do hiệu ứng Joule khi có dòng điện định mức chạy qua sẽ toả ra môi trường và không gây nên sự nóng chảy, sự cân bằng nhiệt

sẽ được thiết lập ở một giá trị mà không gây sự già hoá hay phá hỏng bất cứ phần tử nào của cầu chì

 Đối với dòng điện ngắn mạch của cầu chì: Sự cân bằng trên cầu chì bị phá huỷ, nhiệt năng trên cầu chì tăng cao và dẫn đến sự phá huỷ cầu chì

1.3 Phân loại, ký hiệu, công dụng của Cầu chì

Cầu chì dùng trong lưới điện hạ thế có nhiều hình dạng khác nhau, trong sơ đồ nguyên lý ta thường ký hiệu cho cầu chì theo một trong các dạng sau:

Ký hiệu của cầu chì

Cầu chì có thể chia thành hai dạng cơ bản, tùy thuộc vào nhiệm vụ:

 Cầu chì loại g: Cầu chì dạng này chỉ có khả năng ngắt mạch, khi có sự cố hay quá tải hay ngắn mạch xảy ra trên phụ tải

 Cầu chì loại a: Cầu chì dạng này chỉ có khả năng bảo vệ duy nhất trạng thái ngắn mạch trên tải

2 Cầu aptomat chống giật 3 pha (CB chống giật 3 pha)

2.1 CB chống giật 3 pha là gì?

CB chống giật 3 pha hay aptomat 3 pha hay còn được biết đến với cái tên viết tắt là MCCB là một trong những loại aptomat được sử dụng để bảo vệ an toàn cho tải và mạch điện khỏi các sự cố như chập cháy, ngắn mạch, quá tải hoặc dòng dò Loại aptomat này được sử trong dòng điện 3 pha nhằm đóng ngắt dòng điện cường độ cao (Bởi dòng điện 3 pha chính là dòng điện có ba dây nóng lệch pha với nhau 120 độ, nên thường có cường độ dòng điện lớn.)

Dòng điện 3 pha thường được sử dụng trong hệ thống điện của nhà xưởng, nhà máy, khu công nghiệp, điện kinh doanh, những công trình cần sử dụng dòng điện lớn và liên tục trong hoạt động snar

xuất, kinh doanh Do đó aptomat 3 pha là sự lựa chọn hàng đầu, nhờ thiết kế phù hợp cho mạch điện công suất lớn, cắt được dòng điện 3 pha khi có sự cố Khác với những chiếc CB chống giật 1 pha hoạt động dựa trên sự so sánh về dòng điện chạy qua 2 dây mát và dây lửa, CB chống giật 3 pha so sánh dòng điện chạy qua 3 dây pha, nếu dòng điện này khác nhau quá 15mA và 30mA thì aptomat sẽ bị ngắt tải và không còn hoạt động được nữa

2.2 Phân loại:

Aptomat 3 pha 3 cực: Được thiết kế dạng khối có 3 cực để đấu 3 dây pha của lưới điện vào và có 3 cực ra để đấu vào tải, loại này dòng điện định mức và dòng cắt lớn Loại aptomat này thường được sử dụng trong công nghiệp là chủ yếu vì tải có công suất tướng đối lớn Dãy điện áp nằm trong khoảng 380 – 415VAC

Aptomat 3 pha 4 cực: Được thiết kế dạng khối có 4 cực để đấu 3 dây pha và 1 dây trung tính của lưới điện vào

aptomat, thường được dùng trong công nghiệp Ưu điểm của mạng sơ đồ điện này có thể tạo ra điện áp khác nhau thuận tiện cho sử dụng

2.3 Nguyên lý hoạt động của CB chống giật 3 pha:

Cầu dao 3 pha hoạt động dựa trên nguyên lý: Cho 3 dây pha đi qua tâm biến dòng có lõi sắt hình xuyến, đây là 1 cái biến thế lõi xuyến thông thường với cuộn sơ cấp 1 vòng dây (chính là 2 dây mát và 1

dây lửa đi qua tâm biến thế) và cuộn thứ cấp vài chục vòng dâyi Như chúng ta biết: dòng điện đi ra ở dây nóng về ở dây mát (và ngược lại: ra dây mát về dây nóng) là ngược chiều nhau, có nghĩa là

từ trường biến thiên chúng sinh ra trong lõi sắt của biến dòng là ngược chiều nhau Nếu 2 dòng điện này bằng nhau, 2 từ trường biến thiên sẽ triệt tiêu nhau làm điện áp ra của cuộn thứ cấp biến dòng =

0 Nếu điện áp qua 2 dây bị rò, dòng điện trên 2 dây khác nhau, hai

từ trường biến thiên sinh ra trong lõi sắt khác nhau làm xuất hiện dòng điện cảm ứng trên cuộn thứ cấp của biến dòng, dòng điện này được đưa vào IC để kiểm tra xem có lớn hơn dòng rò an toàn

không? Nếu lớn hơn ví dụ là 15mA thì IC sẽ cấp điện cho Triac cấp điện cho cuộn hút của Aptomat Để phát hiện dòng rò lớn vài trăm

mA thì không cần dùng đến IC (vì mạch điện IC phức tạp và chi phí cao) mà dùng ngay lực điện từ tạo ra khi có dòng điện chạy trong cuộn dây để đóng ngắt aptomat

Cầu dao chống giật 3 pha MCCB là thiết bị cầu dao điện được chế tạo nhằm mang lại sự kiểm soát dòng điện một cách an toàn, toàn diện, giúp đóng ngắt dòng điện hợp lý khi có sự cố điện xảy ra - chống giật - quá tải, ngắn mạch hay bị sụt áp mạch điện Cấu dao MCCB hay CB chống giật 3 pha được cấu tạo có hai cấp tiếp điểm hoặc 3 tiếp điểm (chính, phụ, hồ quang) Khi đóng mạch điện, tiếp

điểm hồ quang đóng trước, tiếp theo là tiếp điểm phụ, cuối cùng là tiếp điểm chính

3 Máy biến áp

3.1 Định nghĩa

Máy biến áp hay máy biến thế là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc dựa trên

nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi hệ thống điện áp, với tần số không đổi

Ở máy biến áp, việc biến đổi điện áp chỉ thực hiện được khi dòng điện là

xoay chiều hoặc dòng điện biến đổi xung Máy biến áp được dùng trong hệ

thống truyền tải và phân phối điện năng, ngoài ra máy biến áp cũng được dùng cho một số yêu cầu khác như nối mạch chỉnh lưu, làm nguồn cấp điện

cho lò điện, máy hàn, máy thử nghiệm… Máy biến áp có hai hay nhiều dây

quấn đặt chung trên một mạch từ, các dây quấn có thể nối điện hoặc không nối điện với nhau, khi chúng nối điện với nhau ta gọi là máy biến áp tự ngẫu

3.2 Cấu tạo chung của máy biến áp

Cấu tạo chung của mọi máy biến áp gồm 3 thành phần chính: Lõi thép, dây quấn và vỏ máy

a Lõi thép (Mạch từ)

Lõi thép dùng để dẫn từ thông, được chế tạo từ các vật liệu dẫn từ tốt Được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện thành mạch vòng khép kín, các lá thép mỏng mặt ngoài có sơn cách điện với bề dày từ 0,3 - 0,5mm

Lõi thép gồm 2 phần gồm Trụ và Gông Trụ là phần để đặt dây quấn còn Gông là phần nối liền giữa các trụ để tạo thành mạch từ kín

Hình 2 Lõi thép của máy biến áp

b Dây quấn

Nhiệm vụ của dây quấn là nhận năng lượng vào và truyền năng lượng ra.Dây quấn thường làm bằng dây đồng hoặc nhôm, tiết diện tròn hay chữ nhật, bên ngoài có bọc cách điện Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ thép, giữa các vòng dây, giữa các dây quấn và giữa dây quấn với lõi ép đều có cách điện Máy biến áp thường có hai hoặc nhiều dây quấn và số vòng dây của các cuộn là khác nhau, tùy thuộc vào nhiệm vụ của máy biến áp

Có 2 loại dây quấn: dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp

 Dây quấn nhận năng lượng từ lưới gọi là dây quấn sơ cấp

 Dây quấn cung cấp năng lượng cho phụ tải gọi là dây quấn thứ cấp

Số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp là khác nhau Số vòng dây cuộn sơ cấp lớn hơn số vòng dây cuộn thứ cấp thì là máy biến áp hạ áp (máy biến áp

hạ thế), ngược lại số vòng dây cuộn sơ cấp nhỏ hơn số vòng dây cuộn thứ cấp thì là máy biến áp tăng áp (máy biến áp tăng thế)

Hình 3 Dây quấn của máy biến áp

Ngoài ra người ta cũng có thể phân biệt dây quấn máy biến áp thành dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp.

 Dây quấn có điện áp cao gọi là dây quấn cao áp

 Dây quấn có điện áp thấp hơn gọi là dây quấn hạ áp

Xét về cấu tạo, dây quấn được chia thành 2 loại: dây quấn đồng tâm và dây quấn xen kẽ.

 Dây quấn đồng tâm: có tiết diện ngang là những vòng tròn đồng tâm Những kiểu dây quấn đồng tâm chính gồm:

 Dây quấn hình trụ, dùng cho cả dây quấn hạ áp và cao áp (hình 4a)

 Dây quấn hình xoắn, dùng cho dây quấn hạ áp có nhiều sợi chập (hình 4b)

 Dây quấn hình xoắn ốc liên tục, dùng cho dây quấn cao áp, tiết diện dây dẫn chữ nhật (hình 4c)

 Dây quấn xen kẽ: Các bánh dây cao áp và hạ áp lần lượt xen kẽ nhau dọc theo trụ thép (hình 4d)

Hình 4 Các kiểu quấn dây máy biến áp

c Vỏ máy

Tùy theo từng loại máy biến áp mà vỏ máy biến áp được làm bằng các chất liệu khác nhau Chúng thường được làm từ nhựa, gỗ, thép, gang hoặc tôn mỏng, có công dụng để bảo vệ các phần tử của máy biến áp ở bên trong nó, bao gồm: nắp thùng và thùng

Nắp thùng dùng để đậy trên thùng và trên đó có các bộ phận quan trọng như:

 Sứ ra (cách điện) của dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp

 Bình dãn dầu (bình dầu phụ) có ống thủy tinh để xem mức dầu

 Ống bảo hiểm: làm bằng thép, hình trụ nghiêng, một đầu nối với thùng, một đầu bịt bằng một đĩa thuỷ tinh Nếu áp suất trong thùng tăng lên đột ngột, đĩa thuỷ tinh sẽ vỡ, dầu theo đó thoát ra ngoài để máy biến áp không bị hỏng

 Lỗ nhỏ đặt nhiệt kế

 Rơle hơi dùng để bảo vệ máy biến áp

 Bộ truyền động cầu dao đổi nối các đầu điều chỉnh điện áp của dây quấn cao áp

3.3 Nguyên lý làm việc của máy biến áp.

Máy biến áp hoạt động tuân theo 2 hiện tượng vật lý:

- Dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường

- Sự biến thiên từ thông trong cuộn dây tạo ra 1 hiệu điện thế cảm ứng (hiện tượng cảm ứng điện từ)

Hình 6 Nguyên lý làm hoạt động của máy biến áp

Cuộn dây N1 và cuộn dây N2 được quấn trên lõi thép khép kín Đặt một điện áp xoay chiều U1 vào cuộn dây N1, trên cuộn dây này sẽ xuất hiện dòng điện I1 chạy trong dây dẫn, đồng thời trong dây dẫn sẽ xuất hiện từ thông móc vòng cho cả hai cuộn N1 và N2 Cuộn dây N2 được nối với tải thì trên cuộn N2 sẽ xuất hiện dòng điện I2 với điện áp U2 Như vậy, năng lượng của dòng điện xoay chiều đã được truyền từ dây quấn 1 sang dây quấn 2

3.4 Phân loại máy biến áp.

 Phân loại theo cấu tạo: máy biến áp 1 pha và máy biến áp 3 pha

 Phân loại theo chức năng: máy biến áp tăng áp và máy biến áp giảm

áp

 Phân loại theo công dụng: máy biến áp thí nghiệm, máy biến áp đo

lường, máy biến áp tự ngẫu,

 Phân loại theo thông số kỹ thuật

 Phân loại theo cách thức cách điện: máy biến áp khô và máy biến áp

dầu

III Một số loại khí cụ điện dùng cho hệ thống nhiệt lạnh

1 Rơ le bảo vệ áp suất

Để bảo vệ máy nén khi áp suất dầu và áp suất hút thấp, áp suất đầu đẩy quá cao người ta sử dụng các rơ le áp suất dầu (OP), rơ le áp suất thấp (LP) và rơ le áp suất cao (HP) Khi có một trong các sự cố nêu trên, các

rơ le áp suất sẽ ngắt mạch điện cuộn dây của công tắc tơ máy máy nén để dừng máy

Dưới đây chúng là cấu tạo và nguyên lý làm việc của các rơ le áp suất

Rơ le áp suất dầu

1.Ph

ần tử cảm biến áp suất dầu; 2 Phần tử cảm biến áp suất hút; 3 Cơ cấu

điều chỉnh; 4 Cần điều chỉnh;

5-Áp sấu dầu của máy nén phải được duy trì ở một giá trị cao hơn áp suất hút của máy nén một khoảng nhất định nào đó, tuỳ thuộc vào từng máy nén cụ thể nhằm đảm bảo quá trình lưu chuyển trong hệ thống rãnh cấp dầu bôi trơn và tác động cơ cấu giảm tải của máy nén Khi làm việc rơ le

áp suất dầu sẽ so sánh hiệu áp suất dầu và áp suất trong cacte máy nén

nên còn gọi là rơ le hiệu áp suất Vì vậy khi hiệu áp suất quá thấp, chế độ bôi trơn không đảm bảo, không điều khiển được cơ cấu giảm tải

Áp suất dầu xuống thấp có thể do các nguyên nhân sau:

- Bơm dầu bị hỏng

- Thiếu dầu bôi trơn

- Phin lọc dầu bị bẫn, tắc ống dẫn dầu;

- Lẫn môi chất vào dầu quá nhiều

Trên hình 10-5 giới thiệu cấu tạo bên ngoài và bên trong rơ le áp suất dầu

Rơ le bảo vệ áp suất dầu lấy tín hiệu của áp suất dầu và áp suất cacte máy nén Phần tử cảm biến áp suất dầu “OIL” (1) ở phía dưới của rơ le được nối đầu đẩy bơm dầu và phần tử cảm biến áp suất thấp “LP” (2) được nối với cacte máy nén

Nếu chênh lệch áp suất dầu so với áp suất trong cacte deltap = pd - po nhỏ hơn giá trị đặt trước được duy trì trong một khoảng thời gian nhất định thì mạch điều khiển tác động dừng máy nén Khi deltap nhỏ thì dòng điện

sẽ đi qua rơ le thời gian (hoặc mạch sấy cơ cấu lưỡng kim) Sau một khoảng thời gian trễ nhất định, thì rơ le thời gian (hoặc cơ cấu lưỡng kim ngắt mạch điện) ngắt dòng điều khiển khởi đến khởi động từ máy nén

Độ chênh lệch áp suất cực tiểu cho phép có thể điều chỉnh nhờ cơ cấu 3 Khi quay theo chiều kim đồng hồ sẽ tăng độ chênh lệch áp suất cho phép, nghĩa làm tăng áp suất dầu cực tiểu ở đó máy nén có thể làm việc

Độ chênh áp suất được cố định ở 0,2 bar

10.1.2.2 Rơ le áp suất cao HP và rơ le áp suất thấp LP

Rơ le áp suất cao và rơ le áp suất thấp có hai kiểu khác nhau :

* Dạng tổ hợp gồm 02 rơ le

* Dạng các rơ le rời nhau

Trên hình 10-6 là cặp rơ le tổ hợp của HP và LP, chúng hoạt động hoàn toàn độc lập với nhau, mỗi rơ le có ống nối lấy tín hiệu riêng

Cụm LP thường bố trí nằm phía trái, còn Hp bố trí nằm phía phải Có thể phân biệt LP và HP theo giá trị nhiệt độ đặt trên các thang kẻ, tránh nhầm lẫn

Trên hình 10-7 là các rơ le áp suất cao và thấp dạng rời