Giáo trình Khí cụ điện (Nghề: Vận hành thủy điện) cung cấp cho người học những kiến thức như: Khái niệm về khí cụ điện; Khí cụ điện đóng cắt; Khí cụ điện bảo vệ; Khí cụ điện điều khiển. Mời các bạn cùng tham khảo!
Khái niệm về khí cụ điện
Khái niệm về khí cụ điện
Khí cụ điện là thiết bị điện dùng để đóng cắt, điều khiển và bảo vệ trong các mạch điện, động cơ điện và máy điện…
Khí cụ điện hoạt động trong các mạch dẫn điện và nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền cũng như tổn thất điện năng của chúng Do đó, việc lựa chọn khí cụ điện phù hợp với các thông số kỹ thuật là rất quan trọng để đảm bảo độ bền và an toàn trong mọi chế độ làm việc.
Sự phát nóng của khí cụ điện
Sự phát nóng của khí cụ điện xảy ra khi các bộ phận như mạch vòng dẫn điện, mạch từ, và các chi tiết kim loại cùng cách điện tiêu tốn năng lượng và chuyển hóa thành nhiệt Một phần nhiệt năng này làm tăng nhiệt độ của khí cụ, trong khi phần còn lại được tỏa ra môi trường xung quanh Khi đạt đến trạng thái xác lập nhiệt, nhiệt độ của thiết bị không còn tăng nữa mà ổn định, với tổng năng lượng tổn hao dưới dạng nhiệt cân bằng với nhiệt năng tỏa ra ngoài.
Khi nhiệt độ của khí cụ điện tăng cao, cách điện sẽ bị già hóa và độ bền cơ khí của các chi tiết sẽ giảm Cụ thể, nếu nhiệt độ của vật liệu cách điện tăng thêm 8°C so với mức cho phép trong điều kiện dài hạn, tuổi thọ của cách điện sẽ giảm 50% Đối với vật liệu dẫn điện phổ biến như đồng (Cu), khi nhiệt độ tăng từ 100°C lên 250°C, độ bền cơ khí sẽ giảm tới 40% Sự giảm sút này có thể dẫn đến hư hỏng thiết bị do lực điện động trong các trường hợp ngắn mạch Do đó, độ tin cậy của thiết bị phụ thuộc chặt chẽ vào nhiệt độ phát nóng của chúng.
Trong tính toán phát nóng khí cụ điện thường dùng một số khái niệm như sau :
o : nhiệt độ phát nóng ban đầu, thường lấy bằng nhiệt độ môi trường
Độ chênh nhiệt so với nhiệt độ môi trường được xác định bằng công thức = - o, trong đó ở vùng ôn đới, giá trị là 35°C, còn ở vùng nhiệt đới, giá trị này là 50°C Sự phát nóng của thiết bị điện cũng phụ thuộc vào chế độ làm việc của nó.
ôđ = ôđ - o : độ chênh nhiệt độ ổn định
Trong khí cụ điện có các dạng tổn hao năng lượng chính sau :
- Tổn hao trong các chi tiết dẫn điện,
- Tổn hao trong các chi tiết bằng vật liệu sắt từ
Nhiệt độ cho phép của các bộ phận trong khí cụ điện và vật liệu cách điện cho trong bảng 1.1 và bảng 1.2:
Bảng 1.1 Nhiệt độ cho phép của các vật liệu chế tạo khí cụ điện làm việc dài hạn
Vật liệu làm khí cụ điện Nhiệt độ cho phép (oC)
Vật liệu không bọc cách điện hoặc để xa nhất cách điện 110
Dây nối ở dạng tiếp xúc cố định 75
Vật liệu có tiếp xúc dạng hình ngón 75
Tiếp xúc trượt của Đồng và hợp kim Đồng 110
Vật không dẫn điện và không bọc cách điện 110
Bảng 1.2 Nhiệt độ cho phép của các vật liệu chế tạo khí cụ điện làm việc ngắn hạn
Vật liệu cách điện Cấp cách nhiệt Nhiệt độ cho phép (oC)
Vải sợi, giấy không tẩm cách điện Y 90
Vải sợi, giấy có tẩm cách điện A 105
Mica, sợi thuỷ tinh có tẩm cách điện F 155
Tiếp xúc điện
Tiếp xúc điện là hiện tượng dòng điện truyền từ một vật dẫn sang vật dẫn khác, với bề mặt tiếp xúc giữa hai vật dẫn được gọi là tiếp xúc điện.
* Các yêu cầu cơ bản của tiếp xúc điện:
- Nơi tiếp xúc điện phải chắc chắn, đảm bảo
- Mối nối nơi tiếp xúc phải có độ bền cơ khí cao
- Mối nối không được phát nóng quá gía trị cho phép
- Ổn định nhiệt và ổn định động khi có dòng điện cực đại đi qua
- Chịu được tác đông của môi trường (nhiệt độ, chất hoá học )
* Để đảm bảo các yêu cầu trên, vật liệu dùng làm tiếp điểm có các yêu cầu:
- Điện dẫn và nhiệt dẫn cao
- Độ bền chống rỉ trong không khí và trong các khí khác
- Độ bền chống tạo lớp màng có điện trở suất cao
-Độ cứng nhỏ để giảm lực nén
- Độ cứng cao để giảm hao mòn ở các bộ phận đóng ngắt
- Độ bền chịu hồ quang cao (nhiệt độ nóng chảy)
- Đơn giản khi gia công, giá thành hạ
* Một số vật liều dùng làm tiếp điểm: Đồng, Bạc, Nhôm, Vonfram
1.3.2 Phân loại tiếp xúc điện
Các tiếp điểm được kết nối vững chắc với các thành phần dẫn điện như thanh cái, cáp điện và các điểm nối thiết bị vào mạch Trong quá trình sử dụng, hai tiếp điểm này được gắn chặt với nhau thông qua các bu lông hoặc phương pháp hàn nóng và nguội.
Tiếp xúc trong mạch điện có vai trò quan trọng trong việc đóng ngắt Khi xảy ra hồ quang điện, cần xác định khoảng cách giữa tiếp điểm tĩnh và tiếp điểm động dựa trên dòng điện định mức, điện áp định mức và chế độ làm việc của thiết bị điện.
Là tiếp xúc ở cổ góp và vành trượt, tiếp xúc này cũng dễ sinh ra hồ quang điện
1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc
- Vật liệu làm tiếp điểm: vật liệu mềm tiếp xúc tốt
- Kim loại làm tiếp điểm không bị ôxy hóa
- Lực ép tiếp điểm càng lớn thì sẽ tạo nên nhiều tiếp điểm tiếp xúc
- Nhiệt độ tiếp điểm càng cao thì điện trở tiếp xúc càng lớn
Hồ quang và các phương pháp dập tắt hồ quang điện
Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện với mật độ dòng điện rất lớn (từ 10 4 đến
Tại các cực âm trong hồ quang, dòng điện đạt khoảng 10^8 A/cm^2 và nhiệt độ rất cao, dao động từ 5000°C đến 6000°C Mặc dù điện áp rơi trên cực âm chỉ từ 10 đến 20V, nhưng do vùng cực âm ngắn, cường độ điện trường tại đây rất lớn, từ 10^5 đến 10^6 V/cm Ngược lại, cường độ điện trường trong phần thân hồ quang, chiếm phần lớn chiều dài, lại nhỏ hơn, chỉ từ 10 đến 50 V/cm.
Hồ quang điện rất hữu ích trong các lĩnh vực như hàn điện và luyện thép, nơi cần duy trì ngọn lửa cháy ổn định để đảm bảo hiệu quả công việc.
Hồ quang điện có thể gây hại trong các thiết bị điện như cầu dao, cầu chì và rơle khi thực hiện chuyển mạch Nếu dòng điện ngắt dưới 0,1A và điện áp tại các tiếp điểm từ 250V - 300V, hiện tượng phóng điện âm ỉ sẽ xảy ra Khi dòng điện và điện áp vượt quá các trị số quy định, hồ quang điện sẽ xuất hiện, gây nguy hiểm cho mạch điện.
Bảng 1.3.Vật liệu làm tiếp điểm ,điện áp ,dòng điện giới hạn sinh ra hồ quang
Vật liệu làm tiếp điểm U(V) I(A)
1.4.2 Tính chất cơ bản của phóng điện hồ quang điện
Phóng điện hồ quang chỉ xảy ra khi các dòng điện có trị số lớn
Nhiệt độ trung tâm hồ quang rất lớn, trong các khí cụ điện có thể đạt từ
Mật độ dòng điện tại Catốt lớn từ 104 đến 105A/cm2
Sụt áp ở Catốt chỉ còn từ 10V đến 20V và thực tế lúc này Catôt không phụ thuộc vào dòng điện
1.4.3 Quá trình phát sinh và dập tắt hồ quang điện
1.4.3.1 Quá trình phát sinh hồ quang điện
Khi các khí cụ điện có dòng điện nhỏ và khoảng cách giữa chúng gần nhau, việc đặt điện áp nhất định sẽ tạo ra điện trường mạnh (3.10^7 V/cm) có khả năng làm bật điện tử Hiện tượng này được gọi là phát xạ tự động điện tử hay phát xạ nguội điện tử Số lượng điện tử tăng lên sẽ di chuyển dưới tác động của điện trường, dẫn đến ion hóa không khí và gây ra hiện tượng hồ quang điện.
Khi các khí cụ điện chịu dòng điện lớn, quá trình phát sinh hồ quang trở nên phức tạp hơn Khi mở tiếp điểm, lực ép giữa chúng ban đầu nhỏ, dẫn đến số tiếp điểm tiếp xúc ít, khiến dòng điện đi qua hạn chế Tuy nhiên, mật độ dòng điện có thể tăng đáng kể, đạt đến hàng chục nghìn A/cm².
Tại các tiếp điểm, sự phát nóng có thể đạt đến mức làm kim loại kéo căng và chuyển thành chất lỏng, kết nối hai tiếp điểm Khi nhiệt độ của chất lỏng tăng cao, nó sẽ bốc hơi, tạo ra hồ quang điện giữa hai tiếp điểm Quá trình phát nóng diễn ra nhanh chóng, dẫn đến sự bốc hơi mang tính chất nổ, và khi cầu chất lỏng cắt, sẽ gây ra mài mòn cho các tiếp điểm.
12 điều này rất quan trọng khi ngắt dòng điện quá lớn hay quá trình đóng mở xảy ra thường xuyên
* Quá trình dập tắt hồ quang điện
- Hạ nhiệt độ hồ quang
- Chia hồ quang thành nhiều đoạn nhỏ
- Dùng năng lượng bên ngoài hoặc chính nó để thổi tắt hồ quang
- Mắc điện trở Shunt để tiêu thụ năng lượng hồ quang
* Thiết bị để dập tắt hồ quang
- Hạ nhiệt độ hồ quang bằng cách dùng hơi khí hoặc dầu làm nguội, dùng vách ngăn để hồ quang cọ xát
Kéo dài hồ quang là phương pháp đơn giản nhất để dập tắt hồ quang, thường được sử dụng trong cầu dao và rơ le công suất nhỏ Khi hồ quang được kéo dài, đường kính của nó giảm, dẫn đến tăng điện trở và tạo ra điều kiện phản ion mạnh mẽ, giúp hồ quang dễ dàng tắt hơn.
- Chia hồ quang thành nhiều cột nhỏ và kéo dài hồ quang bằng cách dùng vách ngăn chia thành nhiều phần nhỏ và thổi khí dập tắt
- Dùng năng lượng bên ngoài hoặc chính nó để thổi tắt hồ quang, năng lượng của nó tạo áp suất để thổi tắt hồ quang
- Mắc điện trở Shunt để tiêu thụ năng lượng hồ quang (dùng điện trở mắc song song với hai tiếp điểm sinh hồ quang).
Lực điện động
Lực điện động là lực do điện trường và từ trường tác động Trong các khí cụ điện, lực điện động được sinh ra từ dòng điện lớn và dòng điện ngắn mạch.
Tính ổn định điện động là một tiêu chuẩn quan trọng của khí cụ điện, thể hiện khả năng chịu lực tác động khi có dòng điện ngắn mạch chạy qua.
Trong 1 mạch vòng có sự tác động của lưc điện động làm biến dạng mạch vòng Ở chế độ xác lập Iđm không lớn nên F = k.I 2 bé nên khi ngắn mạch Inm >> Iđm Do đó
F tăng lên làm cho thiết bị nhanh hỏng hơn.
Công dụng và phân loại các khí cụ điện
Công dụng
Khí cụ điện là thiết bị và cơ cấu điện được sử dụng để điều khiển các quá trình sản xuất, biến đổi, truyền tải và phân phối năng lượng điện cùng các dạng năng lượng khác.
Phân loại
* Nhóm khí cụ điện phân phối năng lượng điện áp cao
Dao cách ly, máy ngắt dầu (bao gồm loại nhiều dầu và ít dầu), máy ngắt không khí, máy ngắt tự sản khí, máy ngắt chân không cầu chì, dao ngắn mạch, điện kháng, biến dòng và biến điện áp là những thiết bị quan trọng trong hệ thống điện Chúng đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động của các mạch điện, giúp ngăn ngừa sự cố và bảo vệ thiết bị.
* Nhóm khí cụ điện phân phối năng lượng điện áp thấp
Máy ngắt tự động, máy ngắt bằng tay, các bộ đổi nối (cầu dao, công tắc), cầu chì …
* Nhóm khí cụ điện điều khiển
Công tắc tơ và khởi động từ là những thiết bị quan trọng trong hệ thống điện, cùng với các bộ khống chế và điều khiển, nút ấn, công tắc hành trình Ngoài ra, các bộ điện trở điều chỉnh và mở máy, cũng như các bộ khuếch đại điện tử và khuếch đại từ, đóng vai trò thiết yếu trong việc tự động hóa và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống.
* Nhóm các rơle bảo vệ
Rơle dòng điện, rơle điện áp, rơle công suất, rơle tổng trở, rơle thời gian
* Nhóm khí cụ điện dùng trong sinh hoạt và chiếu sáng
Công tắc, ổ cắm, phích cắm, bàn là, bếp điện…(Vật liệu tiêu thụ điện )
* Phân loại theo công dụng
- Đóng ngắt mạch điện của lưới điện : cầu dao, áptômát, công tắc…
- Mở máy, điều chỉnh tốc độ , điều chỉnh điện áp, dòng điện: công tắc tơ, khởi động từ, bộ khống chế…
- Bảo vệ lưới điện, máy điện: cầu chì , áptômát …
- Duy trì tham số điện ở giá trị không đổi: ổn áp, thiết bị tự động điều chỉnh điện áp, dòng điện, tần số, tốc độ, nhiệt độ…
- Đo lường : Von kế , Oat kế, Ampe kế…
* Phân loại theo điện áp
- Khí cụ điện cao thế: Uđm ≥ 100KV
- Khí cụ điện trung thế : 1000V ≤ Uđm