Ch-ơng 4: Tính toán mạch vòng dẫn điện 4.1. Khái niệm: Mạch vòng dẫn điện là mộy bộ phận quan trọng, nó có chức năng dẫn dòng chuyển đổi và đóng cắt mạch điện. Mạch vòng dẫn điện do các bộ phận khác nhau về hình dáng kết cấu hợp thành gồm: thanh dẫn, đầu nối và tiếp điểm. 4.2. Yêu cầu của mạch vòng dẫn điện: - Với dòng điện định mức chảy trong mạch vòng dẫn điện thì nhiệt độ phát nóng cuả các chi tiết mạch vòng không đ-ợc v-ợt quá nhiệt độ cho phép. - Chịu đ-ợc dòng điện ngắn mạch trong những khoảng thời gian nhất định. - Lực điện động sinh ra khi có dòng ngắn mạch chạy qua không phá hỏng kết cấu của mạch vòng dẫn điện. 4.3. Tính toán nhiệt độ thanh dẫn và đ-ờng kính thanh dẫn điện: Mạch điện dẫn điện của máy ngắt SF 6 tà tổng hợp các phần dẫn điện nh- thanh dẫn, xà ngang, dây nối mềm, tiếp điểm động. Trong quá trình làm việc các phần tử này sẽ bị phát nóng. Nguyên nhân là do: Khi dòng điện chạy qua các phần tử đó đều có điện trở tiếp xúc. Nếu điện trở tiếp xúc lớn mà dòng điện lớn thì sẽ dẫn đến sự phát nhiệt càng lớn trên thanh dẫn có thể gây h- hỏng. Ngoài chế độ làm việc bình th-ờng có nghĩa là làm việc với dòng điện định mức, máy ngắt còn làm việc với dòng ngắt mạch trong thời gian rất ngắn khoảng 5 10 giây. Nh-ng với thời gian đó cũng đủ làm nóng các bộ phận mang điện của máy ngắt. Cho nên tính toán ổn định nhiệt phải tính cho cả hai trạng thái làm việc: - Sự phát nóng ở chế độ làm việc bình th-ờng do dòng điện định mức gây ra trong chế độ dài hạn. Đặc điểm của sự phát nóng này là sau khoảng thời gian dài làm việc nhiệt độ của phần dẫn điện sẽ đạt giá trị ổn định. Nhiệt l-ợng do dòng điện gây ra chỉ bằng nhiệt l-ợng toả ra môi tr-ờng xung quanh. - Phát nóng ngắn hạn do dòng điện ngắn mạch gây ra khi có sự cố. Thời gian tồn tại sự cố rất ngắn do đó toần bộ nhiệt l-ợng do I nm gây ra chỉ để đốt nóng vật dẫn điện chứ không kịp toả ra môi tr-ờng xung quanh. Để đảm bảo an toàn cho máy ngắt, ta phải chọn hình dáng kết cấu vật liệu của các bộ phận dẫn điện sao cho hợp lý để sự phát nóng của chúng không v-ợt quá nhiệt độ phát nóng cho phép. a) Tính toán sự phát nóng của phần dẫn điện ở chế độ dài hạn: Mạch vòng dẫn điện trong máy chủ yếu là thanh dẫn hình trụ tròn. Dựa vào giá trị I nm trong bảng tra ra giá trị đ-ờng kính thanh dẫn điện: d(mm) 10 14 16 20 22 30 33 38 42 42 53 I nm (A) 100 200 200 400 500 1000 1500 2000 Ph-ơng trình đặc tr-ng cho quá trình phát nóng của thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn là: I 2 = 0 . F SK Hay 0 2 . . . F S K I Trong đó : I: Dòng điện định mức (I đm = 1000A) : Điện trở suất của vật liệu tại : 1 0 0 : Điện trở suất của đồng ở 0 0 C ( 6 0 10.58,1 cm ) T : Hệ số nhiệt điện trở của đồng T = 4,25 . 10 -3 (1/ 0 C ) : Nhiệt độ thanh dẫn ( 0 C ) K: Hệ số toả nhiệt đối với đồng k = 10 -3 ( W/ 0 C.cm 2 ) S: chu vi thanh dẫn S = . D (cm) d: Đ-ờng kính thanh dẫn ( cm 2 ) F: Tiết diện ngang thanh dẫn F = 4 . 2 d ( cm 2 ) 0 : Nhiệt độ môi tr-ờng xung quanh thanh dẫn, ta chọn 0 =40 0 C Ta phải đục lỗ cho thanh dẫn động để có luồng khí SF 6 đi qua lỗ đó thổi vào hồ quang phát sinh trong quá trình đóng cắt để nhanh chóng dập tắt hồ quang. Đây là kiểu tự thổi khí nén dùng xi lanh pittông. Chọn đ-ờng kính trong của thanh dẫn động d = 0,5 d vì vậy so với bảng giá trị trên ta tạm chọn d = 34 mm Từ ph-ơng trình trên ta có: 0 = 4 . 2 2 d dK I = 32 2 . 3 .116 d K I T . 32 2 3 16 1 dK I T = 32 2 . . 3 .16 d K I + . 32 23.2 3 16.3 dK IdK = 32 322 . . 3 3.16 d K dKI = 16 3 3.16 232 322 IdK dKI Thay số: = 362323 32362 10.25,4.10.58,1.1000.1634.14,3.10.3 34.14,3.10.40.310.58,1.1000.16 = 65,28 0 C Nhiệt độ cho phép của thanh dẫn trong máy cắt SF 6 tra bảng ta có = 75 0 C ( ở chế độ dài hạn) Vậy = 65,28 0 C < thoả mãn điều kiện dẫn điện. Tóm lại, đ-ờng kính thanh dẫn d = 3,4 cm thì điều kiện phát nóng ở chế độ làm việc bình th-ờng đ-ợc thoả mãn. b) Tính toán sự phát nóng của các phần tử dẫn điện ở chế độ ngắn hạn: Khi bị ngắn mạch dòng điện trong thanh dẫn có trị số rất lớn, gấp vài chục lần dòng ở chế độ định mức, nh-ng vì thời gian ngắn mạch không dài nên nhiệt độ phát nóng cho phép ở chế độ này lớn hơn ở chế độ dài hạn. Trong tr-ờng hợp này ta cho nhiệt độ ngắn mạch cho phép là 250 0 C Do đó ph-ơng trình cân bằng nhiệt có dạng: i 2 R.dt = C T d (*) Trong đó: R là điện trở dây dânc tính theo công thức: R = K ph . . F 1 ( 1 + . ) K ph là hệ số tổn hao có tính đến hiệu ứng mặt ngoài và hiệu ứng gần; (chọn K ph = 1) 0 : Điện trở suất của đồng ở 0 0 C ( 6 0 10.58,1 cm ) T : Hệ số nhiệt điện trở của đồng T = 4,25 . 10 -3 (1/ 0 C ) : Nhiệt độ thanh dẫn ( 0 C ) C T là nhiệt dung riêng của thiết bị : C T = C 0 (1 + . ) . G C 0 là nhiệt dung riêng của vật liệu ở 0 0 C là hệ số nhiệt của nhiệt dung riêng G là khối l-ợng của vật dẫn. Khối l-ợng của vật dẫn có thể tính theo thể tích và khối l-ợng riêng: G = . l. F = . V Trong đó là khối l-ợng riêng của thanh dẫn V = F.l là thể tích vật dẫn Thay các đại l-ợng trên vào (*) ta có 2 2 F i dt = .1 .1. C d Tích phân hai vế với: - Vế trái có cận từ 0 đến t nm . - Vế phải có cận từ đến nm ( là nhiệt độ thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn) dt F i nm t 0 2 2 = nm d C T 0 0 0 1 1 Coi trị hiệu dụng của dòng điện trong suốt quá trình ngắn mạch là không đổi: AAtJt F I nmnmnmnm nm 2 2 2 nm nm nm t AA J J nm : là mật độ dòng ngắn mạch : , AA nm là trị số của tích phân vế phải Dùng biện pháp tra đồ thị ta tính đ-ợc: 40 10.65,3)250( CA nm (A 2 .s/mm 4 ) 40 10.65,3)28,65( CA (A 2 .s/mm 4 ) Ta kiểm tra J nm ở chế độ tnm bằng 1s, 3s, 5s, 10s. Thay số vào ph-ơng trình (**) ta có: J nm (1s) = 1 10.25,110.65,3 44 = 1 24000 = 155 (A/mm 2 ) < [j nmcp (1s)] = 163 J nm (3s) = 3 24000 = 89,4 (A/mm 2 ) < [j nmcp (3s)] = 94,1 J nm (5s) = 5 24000 = 69,3 (A/mm 2 ) < [j nmcp (5s)] = J nm (10s) = 10 24000 = 49 (A/mm 2 ) < [j nmcp (10s)] = 51,5 Ta có bảng tính toán sau: t nm (s) J nm (A/mm 2 ) [J] (A/mm 2 ) 1 155 163 3 89,4 94,1 5 69,3 10 49 51,5 Nh- vậy ở t nm = 1s, 3s, 5s, 10s đều thoả mãn => ta chọn d = 3,4 cm là hợp lý. Tóm lại: - Đ-ờng kính thanh dẫn d = 3,4 cm - Nhiệt độ ở chế độ I đm : = 65,28 o C 4.4.Tính toán tiếp điểm: Tiếp điểm (hệ thống tiếp xúc) của máy ngắt là chồ tiếp điện giữa các bộ phận dẫn điện chuyển động và cố định nhờ lực ép cảu hệ thống lò xo ( một hay vài ba lò xo). Tiếp điểm của máy ngắt là việc trong những điều kiện hết sức phức taph, vì trong quá trình đóng cắt giữa các tiếp điểm phát sinh hồ quang có thể làm chảy và cháy tiếp điểm. Ngoài ra quá trình là việc bình th-ờng của tiếp điểm do điện trở tiếp xúc tăng tiếp điểm bị phát nóng do đó th-ờng xuyên xảy ra hao mòn. Yêu cầu chính xác của các tiếp điểm: - Nhiệt độ phát nóng cho phép của các phần dẫn điện chỗ tiếp xúc phải ổn định khi trong chế độ phát nóng dài hạn dòng điện định mức gây ra. - Tác động nhiệt và điện động của dòng điện ngắt máy phải bền chắc: Khi không có hiện t-ợng nóng chảy các phàn của tiếp điểm hay dập nát khi dòng điện ngắn mạch chạy qua. - Đỗ dài mòn về điện các bề mặt làm việc của tiếp điểm hồ quang điện sinh ra khi mở phải là ít nhất. Các điều kiện cho tr-ớc gồm: + Kiểu và kết cấu hệ thống tiếp điểm, của các chi tiết khác của mạch dẫn điện. + Trị số dòng điện định mức. + Trị số dòng điện xuyên qua giới hạn của máy ngắt. + Các tiêu chuẩn nhiệt độ phát nóng cho phép của tiếp điểm. Dựa vào trị số dòng điện định mức và các điều kiện làm việc (tách rời có dòng điện hay không có dòng điện) để chọn kiểu và kết cấu tiếp điểm. Khi tính toán thiết kế cần xác định + Số l-ợng các bộ phận điện của hệ thống tiếp điểm và các kích th-ớc chúng (thanh, tâm, khối) + Lực nén cần thiết cho từng tiếp điểm và các đặc tuyến t-ơng ứng của lò xo tiếp điểm. + Hình dáng của các chi tiết, các vật liệu của tiếp điểm chịu đ-ợc sự phát nóng của hồ quang điện và có độ chống mòn bề mặt cao. Ta chọn và tính toán cho tiếp điểm kiểu hoa huệ: Mô tả: Tiếp điểm hoa huệ có dạng nh- hình vẽ: các phiến của tiếp điểm song song với nhau từng đôi một nên khi có dòng điện ngắn mạch lực điện động tăng lực ép tiếp điểm tạo điện trở tiếp xúc bé. Với kết cấu này vùng hồ quang cháy và vùng tiếp xúc làm việc khác nhau nên đảm bảo bề mặt tiếp xúc làm việc không bị hồ quang phá hỏng. Hình vẽ cấu tạo tiếp điểm a) Tính toán độ dày b của tiếp điểm: Xác định bề dày của mỗi phiến: độ dày của mỗi phiến tiếp điểm đ-ợc tính toán sao cho tiếp điểm cơ độ bền cơ và độ bền điện theo yêu cầu thiết kế. Ta có tuổi thọ cơ và tuổi thọ điện của máy cắt: N c = 1000 N d = 100 Khi máy ngắt ở chế độ đóng hoàn toàn khe hở giữa các phiến bằng 2 mm. Đ-ờng kính trong bằng đ-ờng kính thanh dẫn. Chọn bề dày a sao cho đảo bảo dòng điện đi qua trong chế độ làm việc dài hạn cũng nh- ngắn mạch phải đ-ợc đảm bảo. Ta chọn diện tích mặt cắt ngang S mc của tiếp điểm t-ơng đ-ơng diện tích mặt cắt ngang của thanh dẫn động. Khi máy ngắt ở chế độ ngắt các phiến nằm ôm sát nhau: )mm(30 14,3 1234.14,36.2d. k 16 d.3 4 dd. 4 k. 2 3 a.a 2 1 .6S 22'22 mc 4 k. 16 d.3 33 2 a 22 2 Thay số vào ta có: 4 30.14,3 16 34.14,3.3 33 2 a 22 2 a > 23,2 Chọn a = 24 mm Từ đó ta có thể tính đ-ợc chiều dày b: )mm(6 2 303.24 2 k 2 3 .a.2 b (Chiều dày này đảm bảo cho 100 lần đóng cắt điện 1000 lần đóng cắt cơ tiếp điểm vẫn làm việc bình th-ờng). b) Tính toán độ cao h của mỗi phiến tiếp điểm hoa huệ: Tr-ớc hết ta phải tính toán độ ngập x của thanh dẫn vào tiếp điểm hoa huệ: Khi máy ngắt ở chế độ đóng độ ngập của tiếp điểm phải đảm bảo sao cho diện tích tiếp xúc giữa thanh dẫn động và các phiến hoa huệ có mật độ dòng điện có trị số cho phép (nhỏ hơn 1A/mm 2 ). Ta chọn mật độ dòng đi qua phần diện tích này là 0,3A/mm 2 . Diện tích tiếp xúc S tx đ-ợc tính nh- sau: S tx = k x Trong đó: k : là đ-ờng kính trong khi các phiến tiếp điểm ở chế độ đ-ợc tính ở phần trên) x : là độ ngập của thanh dẫn động vào tiếp điểm hoa huệ. Mật độ dòng điện đi S tx bằng: )mm/A(3,0 )x.14,3.30( 1000 S I J 2 tx x >= 35 mm Chọn x = 35 mm Để bắt vít các phiến tiếp điểm vào dây dẫn mềm để dẫn điện ra ngoài. Tra bảng trong sách khí cụ điện hạ áp ta dùng 1 vít M8. Nh- vậy chọn chiều cao h của mỗi phiến tiếp điểm là 6 cách mạng. c) Tính độ mòn của tiếp điểm: Khi đóng cắt hồ quang phát sinh do nhiệt độ của hồ quang lớn vật liệu làm tiếp điểm bị hao mòn. Theo yêu cầu bài toán MN có độ bền cơ N cơ = 1000 lần đóng cắt, độ bền điện là N đ = 100 lần đóng cắt. Do độ mòn khi đóng cắt về cơ khí rất nhỏ so với độ mòn về điện và số lần đóng cắt về điện nhỏ bằng 1/10 số lần đóng cắt về cơ nên ta có thể bỏ qua tính toán độ mòn cơ khí mà chỉ quan tâm đến độ mòn về điện. Khi đóng cắt về điện tiếp điểm bị mòn một l-ợng vật liệu đ-ợc tính theo công thức: G mtb = 10 -9 (K 1 . 2 ng2 2 d I.KI ) (g) Với: G mtb là khối l-ợng mòn trung bình của tiếp điểm sau một lần đóng cắt [g]. K 1 , K 2 là hệ số mòn khi đóng. Giá trị của K 1 , K 2 phụ thuộc vào vật liệu và dòng điện đóng cắt, đ-ợc tra từ hình trang 29 TKKCĐHA: K 1 = K đ = K 400 = 0,5 g/A 2 K 2 = K ng = K 400 = 0,3 g/A 2 Khối l-ợng mòn trung bình sau một lần đóng cắt: G mtb = 10 -9 (0,5 . 1000 2 + 0,3 . 5000 2 ) = 8.10 -3 (g) Độ mòn của tiếp điểm hoa huệ sau một lần đóng cắt G m = 2,5.G mtb = 2,5 . 8 . 10 -3 = 0,02 (g/lần đóng cắt) Sau một trăm lần đóng cắt có điện độ mòn của tiếp điểm hoa huệ: G = 100.G m = 100 . 0,02 = 2 (g) [...]...Thể tích vật liệu bị mòn: V G 2 0,224(mm3 ) 8,9 Giả sử sau mỗi lần đóng cắt tiếp điểm bị mòn đều Sau 100 lần đóng cắt tiếp điểm tĩnh bị mòn đi và có đ-ờng kính trong là d100 Thể tích tiếp điểm tĩnh bị mòn sau 100 . Ch-ơng 4: Tính toán mạch vòng dẫn điện 4.1. Khái niệm: Mạch vòng dẫn điện là mộy bộ phận quan trọng, nó có chức năng dẫn dòng chuyển đổi và đóng cắt mạch điện. . dẫn điện. 4.3. Tính toán nhiệt độ thanh dẫn và đ-ờng kính thanh dẫn điện: Mạch điện dẫn điện của máy ngắt SF 6 tà tổng hợp các phần dẫn điện nh- thanh dẫn,