Khái niệm về khí cụ điện
Khái ni ệm về khí cụ điện
Khí cụđiện là thiết bịđiện 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 hiệu suất của chúng Do đó, việc lựa chọn khí cụ điện phải đảm bảo các thông số kỹ thuật phù hợp để hoạt động ổn định trong mọi chế độ, nhằm đảm bảo độ bền và an toàn, điều này là yêu cầu quan trọng.
S ự phát nóng c ủ a khí c ụ đ i ệ n
Khi khí cụ điện hoạt động, các bộ phận như mạch dẫn điện, mạch từ, và các chi tiết kim loại cùng cách điện đều phát sinh tổn hao năng lượng dưới dạng nhiệt năng Một phần nhiệt năng này làm tăng nhiệt độ của khí cụ, trong khi phần còn lại được tỏa ra môi trường Khi đạt đến chế độ xác lập nhiệt, nhiệt độ thiết bị sẽ ổn định và không còn tăng lên, với tổng năng lượng tổn hao ở dạng nhiệt cân bằng với nhiệt năng tỏa ra xung quanh.
Khi nhiệt độ của khí cụ điện tăng cao, cách điện sẽ bị già hóa và độ bền cơ khí của các chi tiết giảm sút Cụ thể, nếu nhiệt độ của vật liệu cách điện tăng thêm 8°C so với mức cho phép trong chế độ dài hạn, tuổi thọ của cách điện sẽ giảm tới 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 có thể giảm đến 40% Sự giảm sút này làm tăng nguy cơ hư hỏng thiết bị trong trường hợp xảy ra ngắn mạch Do đó, độ tin cậy của thiết bị điện 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 vùng ôn đới cho phép = 35°C và vùng nhiệt đới cho phép = 50°C Ngoài ra, sự phát nóng của thiết bị điện còn phụ thuộc vào chế độ làm việc của chúng.
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 cụđiện Nhiệt độ cho phép (oC)
Vật liệu không bọc cách điện hoặc để xa nhất cách điện 110
Dây nối ở dạng tiếp xúc cốđịnh 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 Nhiệtđộ 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
Ti ếp xúc điện
Tiếp xúc điện là hiện tượng dòng điện di chuyển từ vật dẫn này 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 ổnđịnhđộng khi có dòng điện cực đạiđi qua
- Chịu được tác đông của môi trường (nhiệtđộ, chất hoá học )
* Đểđảm 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 tiếpđiểm: Đồng, Bạc, Nhôm, Vonfram
1.3.2 Phân loại tiếp xúc điện
Các tiếp điểm được kết nối cố định với các thành phần dẫn điện như thanh cái, cáp điện và các điểm nối khí cụ trong 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, nguội.
Tiếp xúc điện có vai trò quan trọng trong việc đóng ngắt mạch điện Khi thực hiện thao tác này, hiện tượng hồ quang điện có thể xảy ra, do đó 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 tốảnh 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
H ồ quang và các ph ươ ng pháp d ậ p t ắt h ồ quan g điện
Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện với mật độ dòng điện rất lớn (từ 10 4 đến
Điện trường trong hồ quang có cường độ rất lớn, dao động từ 10^5 đến 10^6 V/cm, mặc dù điện áp rơi trên cực âm chỉ từ 10 đến 20V Nhiệt độ trong hồ quang rất cao, khoảng từ 5000°C đến 6000°C, với vùng cực âm ngắn, dẫn đến cường độ điện trường lớn Trong khi đó, thân hồ quang chiếm phần lớn chiều dài của nó, do đó cường độ điện trường ở đây chỉ từ 10 đến 50 V/cm.
Hồ quang điện đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như hàn điện và luyện thép, nơi cần duy trì sự cháy ổn định để đảm bảo hiệu quả công việc.
Hồ quang điện là hiện tượng có hại xảy ra trong các thiết bị điện như cầu dao, cầu chì và rơle khi thực hiện chuyển mạch, dẫn đến hiện tượng phóng điện.
Khi dòng điện giảm xuống dưới 0,1A và điện áp tại các tiếp điểm nằm trong khoảng 250V - 300V, sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện âm ỉ Nếu dòng điện và điện áp vượt quá các giá trị được liệt kê trong bảng, hiện tượng hồ quang điện sẽ xuất hiện.
Bảng 1.3.Vật liệu làm tiếp điểm ,điện áp ,dòng điện giới hạn sinh ra hồ quang
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
Mậtđộ 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, điện áp nhất định sẽ tạo ra điện trường mạnh (3.10^7 V/cm) trong không gian này, dẫn đến hiện tượng phát xạ tự động điện tử từ catôt, hay còn gọi là phát xạ nguội điện tử Số lượng điện tử tăng lên khi chúng di chuyển dưới tác động của điện trường, gây ion hóa không khí và hình thành 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 các tiếp điểm ban đầu nhỏ, dẫn đến số lượng tiếp điểm tiếp xúc hạn chế cho dòng điện đi qua Mật độ dòng điện có thể tăng lên đáng kể, đạt hàng chục nghìn A/cm².
Tại các tiếp điểm, sự phát nóng gia tăng đến mức khiến kim loại trở thành chất lỏng, nối liền hai tiếp điểm Nhiệt độ của chất lỏng tiếp tục tăng, dẫn đến hiện tượng bốc hơi và hình thành hồ quang điện giữa hai tiếp điểm Quá trình phát nóng diễn ra nhanh chóng, làm cho sự bốc hơi mang tính chất nổ Khi cầu chất lỏng cắt, hiện tượng này kéo theo sự mài mòn tại 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 bịđể 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 áp dụng cho cầu dao và rơ le công suất nhỏ Khi hồ quang bị kéo dài, đường kính của nó giảm và điện trở tăng, 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 suấtđể 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).
L ực điệ n độ ng
Lực điện động là tác động của điện trường và từ trường, được sinh ra trong các khí cụ điện 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 điệnđộng làm biến dạng mạch vòng Ở chế độ xác lập Iđm không lớn nên F = k.I 2 bé nên khi ngắn mạch I nm >> Iđm Do đó
F tăng lên làm cho thiết bị nhanh hỏng hơn.
Công d ụng v à phân lo ại các khí cụ điện
Công d ụng
Khí cụ điện là các thiết bị và cơ cấu điện được sử dụng để điều khiển quy trình sản xuất, biến đổi, truyền tải và phân phối năng lượng điện cùng các dạng năng lượng khác.
Phân lo ại
* Nhóm khí cụđiện phân phối năng lượng điện áp cao
Trong hệ thống điện, các thiết bị như dao cách ly, máy ngắt dầu (bao gồm cả loại nhiều dầu và ít dầu), máy ngắt không khí, máy ngắt tự sản khí, và máy ngắt chân không cầu chì đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ và điều khiển dòng điện Ngoài ra, các thiết bị như dao ngắn mạch, điện kháng, biến dòng và biến điện áp cũng góp phần đảm bảo an toàn và ổn định cho hệ thống điện.
* Nhóm khí cụđiện 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 cụđiện điều khiển
Công tắc tơ, khởi động từ và các thiết bị điều khiển như nút ấn, công tắc hành trình, cùng với các bộ khống chế và điều chỉnh điện trở, đều đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện Ngoài ra, các bộ khuếch đại điện tử và khuếch đại từ cũng góp phần nâng cao hiệu suất hoạt động của máy móc.
* Nhóm các rơle bảo vệ
Rơle dòng điện, rơle điện áp, rơle công suất, rơle tổng trở, rơle thời gian
* Nhóm khí cụđiện 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: Uđ m ≥ 100KV
- Khí cụđiện trung thế : 1000V ≤ Uđm Icb / 1,2, vì biến dòng cho phép quá tải lâu dài 20%
Máy biến điện áp được sử dụng để chuyển đổi điện áp cao thành điện áp thấp, tuân theo các tiêu chuẩn an toàn trong đo lường và điều khiển Điện áp đầu ra thường đạt 100V hoặc 100/3 Để đảm bảo an toàn, một đầu ra của cuộn dây thứ cấp cần được nối đất.
Hình 3.13 Cấu tạo của biến dòng
6.2.2 Máy biến điện áp một pha loại điện áp dây ( Hình a)
6.2.3 Máy biến áp 3 pha loại 5 trụ ( Hình b)
Câu 1 Trình bày khái niệm, cấu tạo, nguyên lý làm việc của và các hư hỏng, nguyên nhân khắc phục của nam châm điện?
Câu 2 Trình bày về khái niệm, cấu tạo, nguyên lý làm việc của rơle điện từ?
Câu 3 Trình bày về khái niệm, cấu tạo, nguyên lý làm việc của rơle nhiệt?
Câu 4 Trình bày về khái niệm, cấu tạo, nguyên lý làm việc của cầu chì ?
Câu 5 Trình bày về khái niệm, cấu tạo, nguyên lý làm việc của áptômát chống dò điện ?
Câu 6 Trình bày về khái niệm, cấu tạo, nguyên lý làm việc của máy biến dòng điện
Bài tập 1: Chọn Rơ le nhiệt dùng để bảo vệ cho động cơ ba pha có thông số sau :
Bài tập 2: Chọn Cầu chì dùng để bảo vệ cho độngcơ một pha có thông số sau : Pđm 450W; Uđm= 220V; cos= 0,86; Kmm= 6
Để chọn cầu chì bảo vệ cho mạch điện gồm 5 quạt có công suất 45W mỗi quạt và 12 bóng đèn có công suất 60W mỗi bóng, ta cần tính tổng công suất tiêu thụ Tổng công suất của 5 quạt là 225W (5 x 45W) và tổng công suất của 12 bóng đèn là 720W (12 x 60W) Do đó, tổng công suất mạch điện là 945W (225W + 720W) Với điện áp định mức 220V và hệ số công suất lần lượt là 0,86 cho quạt và 0,9 cho bóng đèn, ta có thể xác định dòng điện và chọn cầu chì phù hợp để đảm bảo an toàn cho mạch.
Bài tập 4: Thực hành sửa chữa Rơ le điện từ bao gồm hai phần chính Đầu tiên, yêu cầu kỹ thuật sửa chữa Rơ le điện từ cần được xác định rõ ràng để đảm bảo hiệu quả và an toàn trong quá trình sửa chữa Thứ hai, phương pháp thực hành sửa chữa Rơ le điện từ sẽ được áp dụng để thực hiện các bước sửa chữa một cách chính xác và hiệu quả.
- Những sai hỏng thường gặp và cách khắc phục trong quá trình sửa chữa
Bài tập 5: Thực hành sửa chữa máy biến điện áp bao gồm hai phần chính Đầu tiên, yêu cầu kỹ thuật sửa chữa máy biến điện áp cần được xác định rõ ràng để đảm bảo hiệu suất và độ an toàn Thứ hai, phương pháp thực hành sửa chữa máy biến điện áp sẽ được áp dụng, bao gồm các bước cụ thể và kỹ thuật cần thiết để thực hiện quá trình sửa chữa hiệu quả.
- Những sai hỏng thường gặp và cách khắc phục trong quá trình sửa chữa b)
Bài tập 6: Thực hành sửa chữa máy biến dòng điện bao gồm hai phần chính Đầu tiên, yêu cầu kỹ thuật sửa chữa máy biến dòng điện cần được xác định rõ ràng, đảm bảo rằng mọi tiêu chuẩn an toàn và hiệu suất được tuân thủ Thứ hai, phương pháp thực hành sửa chữa máy biến dòng điện cần được áp dụng một cách chính xác, từ việc kiểm tra, tháo lắp cho đến thay thế các linh kiện hư hỏng, nhằm phục hồi hoạt động của thiết bị.
- Những sai hỏng thường gặp và cách khắc phục trong quá trình sửa chữa
Yêu cầu : Tính chọn các khí cụ điện
Thực hiện sửa chữa các khí cụ điện theo các bước sửa chữa khí cụ điện
