BÀI 1: BÀI MỞ ĐẦU

1.1. Khái niệm về khí cụ điện

1.1.1. Khái niệm

Khí cụ điện là những thiết bị điện dùng để đóng cắt, điều khiển, điều chỉnh,  và bảo vệ các lưới điện, máy điện và máy móc sản xuất ngoài ra nó còn được dùng để kiểm tra, điều chỉnh và biến đổi đo lường nhiều quá trình không điện khác.

Khí cụ điện được sử dụng rộng rãi ở các nhà máy phát điện, hệ thống truyền tải điện và các trạm biến áp, trong các xí nghiệp, công nghiệp, nông nghiệp, giao thông  và quốc phòng….

1.1.2. Sự phát nóng khí cụ điện

BẢNG NHIỆT ĐỘ CHO PHÉP CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU:

Tùy theo chế độ làm việc khác nhau, mỗi khí cụ điện sẽ có sự phát nóng khác nhau.

a.             Khái niệm chung

Dòng điện chạy trong vật dẫn làm khí cụ điện nóng lên, nếu nhiệt độ vượt qúa giá trị cho phép khí cụ điện chóng hỏng, vật liệu cách địên chóng già hoá và độ bền cơ khí của kim loại giảm đi nhanh chóng.

Sự phát nóng do tổn hao nhiệt quyết định, đối với khí cụ điện một chiều đó là tổn hao đồng, khí cụ điện xoay chiều là tổn hao đồng và sắt. Ngoài ra còn có tổn hao phụ, nguồn phát nóng chính ở khí cụ điện là dây dẫn có dòng điện chạy qua, lõi thép có từ thông biến thiên theo thời gian.

Do có tổn hao nên nhiệt độ của thiết bị tăng, nhiệt độ này gây cháy, già hóa cách điện, gây biến dạng.

Song song với quá trình phát nóng là quá trình nguội lạnh(tỏa nhiệt), có 3 hình thức tỏa nhiệt: Truyền nhiệt, bức xạ và đối lưu.

b.            Sự phát nóng của vât thể đồng chất ở chế độ làm việc dài hạn.

Hình 1-1:

Chế độ làm việc dài hạn là chế độ khí cụ điện làm việc trong thời gian dài t > t1 (t1 là thời gian phát nóng của khí cụ điện từ nhiệt độ môi trường xung quanh đến nhiệt độ ổn định).

c.              Chế độ làm việc ngắn hạn của vật thể đồng chất

Ở chế độ làm việc ngắn hạn độ chênh lệnh nhiệt của thiết bị điện sau thời gian làm việc chưa đạt trị số ổn định thì thiết bị đã ngừng làm việc, nhiệt độ phát nóng ở chế độ này là nhỏ nhất. Khi ngừng làm việc (I = 0) quá trình nguội lạnh lại bắt đầu.

Hình 1-2

d.            Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại .

Hình 1-3:

1.1.3.Tiếp xúc điện

1.3.1. Khái niệm -phân loại

a. Khái niệm:

Chỗ tiếp giáp giữa hai vật dẫn điện để cho dòng điện chạy từ vật này sang vật khác gọi là tiếp xúc điện.

Bề mặt chỗ tiếp xúc của vật dẫn gọi là bề mặt tiếp xúc điện

b. Phân loại

Tiếp xúc điện được chia ra làm ba loại :

˗                Tiếp xúc cố định: Hai vật tiếp xúc không rời nhau, bằng bu lông, đinh tán

˗                Tiếp xúc đóng mở: Là tiếp xúc mà có thể làm cho dòng điện chạy hoặc ngừng chạy  từ vật này sang vật khác như tiếp điểm của các khí cụ điện.

˗                Tiếp xúc trượt: Là vật dẫn điện này có thể trượt trên bề mặt vật dẫn điện kia (chổi than trượt trên vành góp của máy điện ).

˗                Ba dạng tiếp xúc trên đều có thể tiến hành dưới  ba hình thức:

˗                Tiếp xúc điểm: Là hai vật tiếp xúc nhau chỉ ở một điểm hoặc trên bề mặt diện tích với đường kính rất nhỏ (tiếp xúc hình cầu với nhau, hình cầu và mặt phẳng)

˗                Tiếp xúc đường: Hai vật tiếp xúc nhau theo một đường thẳng hoặc trên bề mặt rất hẹp (như hình trụ với hình trụ).

˗                Tiếp xúc mặt: Là hai vật tiếp xúc nhau trên bề mặt rộng (ví dụ: mặt phẳng -măt phẳng)

c. Yêu cầu.

˗                Thực hiện chỗ tiếp xúc chắc chắn, đảm bảo.

˗                Sức bền cơ khí cao.

˗                Không phát nóng quá trị số cho phép dòng điên định mức.

˗                Ổn định nhiệt và điện động khi có dòng ngắn mạch đi qua.

d.  Điện trở tiếp xúc

.

Với:        K - Hệ số phụ thuộc vào vật liệu và tình trạng bề mặt tiếp xúc

m – Hệ số phụ thuộc số điểm tiếp xúc và kiểu tiếp xúc

                     m = 0,5 tiếp xúc điểm

                     m = 1 tiếp xúc mặt

m= 0,7 tiếp xúc đường

Trị số K của vật liệu làm tiếp điểm:

v   Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc R_TX

˗                Vật liệu làm tiếp điểm

Nếu d_d càng bé thì R_tx càng bé. Vì vậy đứng về mặt yêu cầu cần có R_tx bé nên dùng các vật liệu mềm để làm tiếp điểm.

˗                Lực ép lên tiếp điểm

Từ công thức (1-1) nếu lực ép càng lớn thì R_tx càng nhỏ.

˗                Hình dạng của tiếp điểm.

Hình dạng của tiếp điểm cũng ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc. Có cùng một lực nhưng kiểu tiếp xúc khác nhau thì R_tx cũng khác nhau.

˗                Nhiệt độ của tiếp điểm.

Nhiệt độ của tiếp điểm thay đổi dẫn đến R_tx thay đổi. Theo kết quả thí nghiệm với nhiệt độ nhỏ hơn 200⁰C có thể tính điện trở tiếp xúc theo công thức:

Trong đó:

R_tx(0): Điện trở tiếp xúc tại 0⁰C.

R_tx(q): Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm tại nhiệt độ đang xét

a: Hệ số nhiệt điên trở(1/⁰C)

˗                Tình trạng bề mặt tiếp xúc

Bề mặt tiếp xúc bị bẩn hoặc khi bị oxi hóa có R_tx lớn hơn nhiều so với R_tx của tiếp điểm sạch.

Khi bị oxi hóa càng nhiều thì nhiệt độ phát nóng trên bế mặt tiếp xúc càng cao.

˗                Mật độ dòng điện.

Diện tích tiếp xúc được xác định tùy theo mật độ dòng điện cho phép.

Theo kinh nghiệm với thanh dẫn bằng đồng cho tiếp xúc với nhau khi nguồn có tần số f = 50Hz thì mật độ dòng điện cho phếp là:

 (A/mm²)

Trong đó:

I: Là gía trị hiệu dụng của dòng điện

S = S_bk: Diện tích tiếp xúc biểu kiến.

Biểu thức trên trong khoảng chỉ đúng với dòng điện biến thiên khoảng từ 200A đến 2000A. Nếu ngoài trị số đó thì có thể lấy:

I<200A lấy J_cp=0.31(A/mm²)

I>2000A lấy J_cp=0.12(A/mm²).

1.1.4. Hồ quang và các phương pháp dập tắt hồ quang

a.            Quá trình phát sinh hồ quang.

Là do môi trường giữa các điện cực (hoặc giữa các cặp tiếp điểm) bị ion hoá ion có thể xảy ra bằng các con đường khác nhau dưới tác dụng của ánh sáng, nhiệt độ, điện trường mạnh…

Trong thực tế quá trình phát sinh hồ quang có dạng Ion hoá sau:

˗                Quá trình phát xạ điện tử.

˗                Quá  trình tự phát xạ nhiệt điện tử.

˗                Quá trình ion hoá do va chạm.

˗                Quá trình ion hoá do nhiệt.

b.            Quá trình dập tắt hồ quang.

Hồ quang điện sẽ bị dập tắt khi môi trường giữa các điện cực không còn dẫn điện, hay nói cách khác hồ quang điện sẽ bị dập tắt khi quá trình phản ion hoá xảy ra mạnh hơn quá trình ion hoá.

Quá trình phản ion hoá gồm hai hiện tượng sau:

˗                Hiện tượng tái hợp

˗                Hiện tượng khuếch tán

c.              Các nguyên tắc cơ bản để dập tắt hồ quang.

˗                Kéo dài ngọn lửa hồ quang.

˗                Dùng năng lượng hồ quang sinh ra để tự dập.

˗                Dùng năng lượng nguồn ngoài để dập.

˗                Chia hồ quang thành nhiều phần ngắn.

˗                Mắc thêm điện trở song song để dập.

v   Trong các thiết bị hạ áp thường dùng các biện pháp:

˗                Kéo dài hồ quang bằng cơ khí.

˗                Dùng cuộn dây thổi từ kết hợp vớ buồng dập tắt hồ quang.

˗                Dùng buồng dập tắt hồ quang có khe hở quanh co.

˗                Phân chia hồ quang ra làm nhiều hồ quang ngắn.

˗                Tăng tốc độ chuyển động của tiếp điểm.

˗                Kết cấu tiếp điểm bằng bắc cầu.

v   Các biện pháp và trang bị dập hồ quang ở thiết bị trung và cao áp:

˗         Dập hồ quang trong dầu biến áp kết hợp phân chia hồ quang

˗         Dập hồ quang bằng khí nén

˗         Dập hồ quang bằng vật liệu tự sinh khí

˗         Dập hồ quang trong chân không

˗         Dập hồ quang trong khí áp suất cao.

1.1.5. Lực điện động

a. Định nghĩa

Lực điện động là lực sinh ra khi một vật dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường, lực này có xu hướng làm biến dạng hoặc chuyển dời vật dẫn để từ thông qua mạch vòng vật dẫn có giá trị lớn nhất.

Phương pháp tính lực điện động dựa trên định luật tác dụng tương hỗ giữa dây dẫn mang dòng điện và từ trường.

Phương pháp cân bằng năng lượng

b. Cộng hưởng cơ khí

Khi có dòng điện xoay chiều đi qua thanh dẫn, lực điện động sẽ gây chấn động và có thể phát sinh cộng hưởng cơ khí, nếu tần số của lực điện động bằng tần số riêng của thanh dẫn, cộng hưởng sẽ gây ra phá hỏng khí cụ điện.

Do đó muốn tránh hiện tượng này thì tần số riêngcủa thanh dẫn phải bé hơn tần số tác động của lực điện động thông thường khi thiết kế người ta chỉ cần thay đổi khoảng cách giá đỗ thanh dẫn và chú ý đến sóng hài cơ bản.

c.             Ổn định lực điện động

Ổn định lực điện động của khí cụ điện là khả năng chịu đựng tác động cơ khí do lực điện động khi ngắn mạch nguy hiểm nhất gây ra và phải tính toán trên cơ sở ngắn mạch ba pha đối với dòng điện xoay chiều ba pha.

Nhìn chung để đảm bảo an toàn, khí cụ điện khi lắp đặt phải có điều kiện sau:                              

i_m > i_xk

˗                i_m - Dòng điện cho phép lớn nhất của khí cụ điện

˗                i_xk - Dòng điện xung kích tính toán khi ngắn mạch ba pha nguy hiểm nhất.

˗                Ngoài ra có thể dùng hệ số k_m là bội số dòng điện cho phép lớn nhất để kiểm tra ổn định lực điện động.

I_đm- Dòng điện định mức

1.2. Công dụng và phân loại khí cụ điện

1.2.1. Công dụng của khí cụ điện.

Khí cụ điện được sử dụng rộng rãi ở các nhà máy phát điện, hệ thống truyền tải điện và các trạm biến áp, trong các xí nghiệp, công nghiệp, nông nghiệp, giao thông  và quốc phòng….

1.2.2. Phân loại khí cụ điện.

Khí cụ điện thường được phân loại như sau:

a.             Phân loại theo chức năng

˗                Khí cụ điện dùng để đóng cắt (tự động hoặc bằng tay) lưới điện mạch điện

˗                (D : cầu dao, áptômát, máy ngắt ...)

˗                Khí cụ điện dùng để mở máy, điều khiển (VD: công tắc tơ, khởi động từ, bộ khống chế, biến trở điện trở.)

˗                Khí cụ điện dùng để duy trì ổn định các tham số điện (như ổn áp bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát, dòng điện, tần số, nhiệt độ ...)

˗                Khí cụ điện dùng để bảo vệ lưới điên, máy điện (động cơ, máy phát …như quá tải, ngắn mạch, sụt áp như (rơle, cầu chì, máy ngắt). 

˗                Khí cụ điện làm nhiêm vụ đo lường (VD: máy biến dòng, máy biến áp đo lường).

˗                Khí cụ điện nhằm hạn chế dòng ngắn mạch (như điện trở phụ, cuộn kháng phụ)

b.             phân loại theo nguyên lý làm việc

Khí cụ điện được chia theo các nhóm với nguyên lý: điện từ, từ điện, điện động, cảm ứng, nhiệt, có tiếp điểm và không có tiếp điểm.

Khí cụ điện dùng trong mạch một chiều.

c.              Phân loại theo nguồn điện

˗                Khí cụ điện dùng trong mạch xoay chiều.

˗                Khí cụ điện cao thế: được chế tạo để dùng ở điện áp định mức 1000V trở lên.

˗                Khí cụ điện hạ thế được chế tạo để dùng ở điện áp định mức dưới 1000

d.             Theo điều kiện làm việc

Khí cụ điên làm việc ở trong nhà, ngoài trời, vùng nhiệt đới, vùng nhiều rung động, có loại dùng ở vùng mỏ có khí nổ, ở môi trường ăn mòn hoá học …