THIẾT BỊ ĐIỆN TRUNG - CAO ÁP
Chương 11. MÁY NGẮT ĐIỆN CAO ÁP
5. Sơ đồ kết cấu của máy ngắt
11.2. NGUYÊN LÍ CẮT VÀ CÁC ĐIỀU KIỆN ĐÓNG CẮT KHẮC NGHIỆT
1. Dập hồ quang
a) Us
LS L Is
- +
U R
136
U Us
Is
Quá trình dập tắt hồ quang có thể theo hai dạng cơ baín sau:
Hình 11-5: Dập hồ quang điện một chiều a) Mảch tỉồng õỉồng õồn giaớn,
b) Đường cong dòng điện Is và điện áp hồ quang Us ; t1.thời điểm bắt đầu ngắn mạch; t2.thời điểm tách rời
a) Dập tắt hồ quang một chiều (hình 11-5)
Hồ quang một chiều chỉ có thể dập tắt được bằng cách cưỡng bức dòng điện qua không. Điều đó có nghĩa là điện áp hồ quang Us phải cao hơn điện áp hiện diện ở máy ngắt (hình 11-5a). Có thể tạo nên điện áp hồ quang đủ lớn bằng cỏc phương tiện hợp liù, chỉ cú trong các mạch một chiều hạ áp và trung áp (máy ngắt thổi từ). Để dập tắt hồ quang một chiều trong mạch cao áp một chiều, điện áp phải được hạ thấp một cách tương ứng hoặc phải tạo nên dòng điện về "không"
nhân tạo bằng cách thêm mạch cộng hưởng vào.
b) Dập tắt hồ quang xoay chiều (hình 11-6)
Hồ quang xoay chiều có thể dập tắt mỗi khi dòng điện qua không. Ở mạch cao áp nếu không có các biện pháp bổ xung, hồ quang cháy lại sau khi dòng điện qua không.
Ở các máy ngắt cao áp, plasma của hồ quang được làm mát tăng cường trong buồng dập hồ quang và do đó làm giảm điện dẫn của chúng ở dòng điện không, nhờ vậy điện áp phục hồi không đủ để cháy lại. Hình 11-7 minh họa các điện áp trên máy ngắt.
Khi ngắt tải điện cảm (hình 11-7a), điện áp máy ngắt dao động đến giá trị đỉnh của điện áp phục hồi. Máy ngắt phải có khả năng chịu đựng tốc độ tăng của điện áp phục hồi và giá trị đỉnh của nó. Một khi hồ quang bị dập tắt, cường độ điện môi giữa các tiếp điểm phải lớn hơn độ tăng điện áp phục hồi để đề phòng hồ quang cháy lại. Khi ngắt tải thuần trở (hình 11-7b) thì dòng điện bằng không và điện áp bằng không trở về đồng thời. Điện áp phục hồi ở máy
ngắt tăng theo hình sin với tần số làm việc. Khe hở giữa các tiếp điểm có đủ thời gian để phục hồi cách điện. Khi đóng cắt tải điện dung (hình 11-7c), sau khi ngắt dòng điện thì điện áp nguồn (đầu cuối máy ngắt) dao động theo tần số hệ thống giữa ± Um, trong khi ở đầu máy ngắt phía tụ điện vẫn được nạp ở +Um.
Hình 11-6: Dập hồ quang điện xoay chiều a) Mạch tương đương đơn giản hóa, b) Các đường cong dòng ngắn mạch Is và điện áp Us:t1.thời điểm tiếp xúc dời, t2.thời điểm dập tắt hồ quang, S- Tốc độ tăng điện áp phục hồi
LS Us
a)
Is
c u
L
b) t1
t2
is
s t
us
137
Hình 11-7: Điện áp phục hội Us khi ngắt mạch điện a)Tải điện cảm, b)Tải điện trở, c)Tải điện dung u
LS Us
L
a)
Is
u
LS Us
R
b)
Is
LS Us
c
c)
Is
t1
is u
t1 us
t1
is
u us
t t t u
is
us
u
2. Các điều kiện đóng cắt khắc nghiệt
Hình 11-9: Ngắn mạch gần a)Mảch tỉồng õỉồng õồn giaớn họa b)Điện áp phục hồi Us qua máy ngắt 1.Đường dây, 2. Hình răng cưa của Us
Hình 11-8: Ngắn mạch đầu cực a) Mảch tỉồng õỉồng õồn giaớn họa. b) Cạc đường cong điện áp phục hồi Us và dòng điện Is; 1. Thành phần một chiều tắt dần
a)
us is t
t2 t1
b)
LS Us
Is c
u L
i
t
LS Us
Is c
u L
a)
b)
us
t
Tùy theo vị trí đặt, máy ngắt phải chịu đựng hàng loạt các điều kiện khác nhau, do vậy cần đặt ra những yêu cầu khác nhau đối với máy ngắt.
a) Ngắn mạch đầu cực (dòng ngắn mạch đối xứng) hình 11-8.
Ngắn mạch đầu cực là ngắn mạch ở phía tải ngay sát đầu cực máy ngắt. Dòng ngắn mạch là đối xứng nếu sự cố xảy ra ở thời điểm điện áp cực đại.
Điện áp phục hồi trở lại giá trị điện áp điều khiển. Độ tăng và biên độ điện áp quá độ được xác định bằng các thông số lưới. Các trị số sử dụng để thử nghiệm được cho trong IEC 56/VDE 0670.
b) Ngắn mạch đầu cực (dòng ngắn mạch không đối xứng)
Cộng thêm vào dòng ngắn mạch đối xứng có thành phần một chiều cũng bị ngắt. Độ lớn của nó phụ thuộc vào thời gian mở cơ cấu của máy ngắt. Thành phần một chiều của dòng ngắn mạch phụ thuộc vào thời điểm bắt đầu ngắn mạch (cực đại ở điện áp không) và hằng số thời gian của các thành phần phía nguồn cung cấp như máy phát, máy biến áp, cáp và đường dây cao áp (IEC và DIN VDE qui định hằng số thời gian là 45ms. Điều đó có nghĩa là thành phần một chiều bằng khoảng chừng 40% 50% đối với thời gian mở thông thường của máy ngắt ngoài trời loại hiện đại SF
÷
6).
c) Ngắn mạch gần (hình 11-9)
Là ngắn mạch trên đường dây trên không không xa máy ngắt (khoảng vài kilômét). Nó gây ra ứng suất đặc biệt nghiêm trọng cho máy ngắt bởi vì hai điện áp quá độ xếp chồng lên nhau (điện áp quá độ của lưới đường dây cung cấp và điện áp quá độ của phía đường dây). Ảnh hưởng tích lũy là bước tăng điện áp chỉ làm giảm dòng ngắn mạch một ít. Khoảng cách tới hạn của ngắn mạch phụ thuộc vào dòng điện, điện áp và môi trường dập hồ quang.
d) Đóng mở không trùng pha (hình 11-10)
Ứng suất điện áp (tần số nguồn) rất lớn nếu góc pha của các hệ thống ở phía máy ngắt khác nhau (các thành phần hệ thống tách rời hoặc các máy ngắt của máy phát điện hòa đồng bộ không chính xác).
Hình 11-10:Đóng mở không trùng pha a) Mảch tỉồng õỉồng õồn giaớn họa
c) Ứng suất điện áp trên máy ngắt Hình 11-11: Ngắt dòng điện điện cảm nhỏ a) Mảch tỉồng õỉồng õồn giaớn họa
b) Các đường cong dòng điện và điện áp với dòng điện bị băm không cháy lại
c) Đường cong điện áp ứng với cháy lại e) Ngắt dòng điện điện cảm nhỏ (hình 11-11)
Tùy theo cấu hình lưới, việc ngắt mạch dòng điện cảm nhỏ như các cuộn kháng điện hoặc dòng từ hóa máy biến áp có thể làm điện áp phục hồi tăng nhanh và gây quá điện áp do kết quả của dòng điện băm (dập tắt cưỡng bức) trước khi chuyển mạch qua điểm không tự nhiên (các mạch thử nghiệm vẫn còn đang được thảo luận trong IEC và DIN VDE bởi vì quá điện áp phụ thuộc rất nhiều vào các tính chất riêng của tải điện cảm).
f) Đóng cắt dòng điện dung (hình 11-12)
Tình huống này tuy không tạo nên ứng suất nghiêm trọng nhưng nói chung máy ngắt cho phép trỏnh bị hồ quang chỏy lại. Tuy nhiờn về liù thuyết sự chỏy lặp lại cú thể làm tăng ứng suất tạo nờn nhiều giá trị đỉnh của điện áp.
h) Đóng cắt đường dây không tải và cáp
139
Điện dung trên một đơn vị chiều dài đường dây hoặc cáp tạo nên các điều kiện tương tự như đóng cắt tụ điện.
Hình 11-12: Đóng cắt dòng điện điện dung Hình 11-13: Ứng suất tiếp điểm khi nối a)Mạch tương đương đơn giản hóa. mạch điện cảm.
b)Các đường cong dòng điện và điện áp a) Có hồ quang trước c)Các đường cong dòng điện và điện áp khi b)Không có hồ quang trước xảy ra cháy lại hồ quang
Các ứng suất trên tiếp điểm khi nối mạch điện cảm (hình 11-13).
Việc đóng mạch điện cảm và điện dung có thể tạo nên quá điện áp đến 100%. Do vậy, máy ngắt với điện áp cao và đường dây dài (khoảng trên 300 km) thường mắc thêm vào các điện trở khi đóng.