Giáo trình "HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN"

Chia sẻ: 124357689 124357689 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:216

Thêm vào BST

Báo xấu

438
lượt xem 206
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong các hệ thống điện cao áp, máy ngắt là thiết bị đóng mở cơ khí có khả năng đóng, dẫn liên tục và cắt dòng điện trong điều kiện bình thường và bất thường của mạch điện, ví dụ như ngắn mạch. Ngắt dòng điện ngắn mạch là chế độ làm việc nặng nề nhất và cơ bản của máy ngắt. Song qúa điện áp sinh ra khi ngắt dòng điện bé của máy biến áp không tải, ngắt dòng điện dung của đường dây dài và nhiều trường hợp khác cũng là điều kiện làm việc nặng nề cho máy....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình "HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN"

LÊ THÀNH BẮC (Chủ biên) VÕ NHƯ TIẾN LÊ VĂN QUYỆN DƯƠNG NGỌC THỌ HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN PHẦN I: MÁY NGẮT ĐIỆN CAO ÁP NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI-2003
HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN PHẦN I: MÁY NGẮT ĐIỆN CAO ÁP Tác giả: Lê Thành Bắc (chủ biên) Võ Như Tiến, Lê Văn Quyện, Dương Ngọc Thọ Chịu trách nhiệm xuất bản: PGS.TS Tô Đăng Hải Biên tập: Nguyễn Thị Ngọc Bích Chế bản: Nguyễn Trung Tiến, Văn Công Lê Trình bày: Cao Ngọc Châu, Tôn Thất Hoà Bình Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật 70 Trần Hưng Đạo - Hà Nội In 600 cuốn khổ 19 x 27cm tại Nhà in Đại học Quốc gia Giấy phép xuất bản số 978-56-20/7/2002 In xong và nộp lưu chiểu tháng 9 năm 2002. Lời nói đầu Giáo trình "HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN" được chia làm hai phần: - Phần 1: Máy ngắt điện cao áp. - Phần 2: Thiết bị điện hạ áp. Phần "MÁY NGẮT ĐIỆN CAO ÁP“ được biên soạn trên cơ sở đề cương chuyên đề và đề cương môn học "Thiết kế thiết bị điện" cho các ngành Kỹ thuật điện
nói chung và ngành Thiết bị điện nói riêng. Chúng tôi biên soạn cuốn sách này nhằm phục vụ làm tài liệu giảng dạy, tài liệu tham khảo trong thiết kế môn học cũng như thiết kế tốt nghiệp cho sinh viên ngành kỹ thuật điện. Cuốn sách này biên soạn chủ yếu dựa trên cuốn "ΠPOEKTỉPOBAHỉE BKΛþ÷ATEΛEĨ ΠEPEMEHHOΓO TOKA BCOKOΓO HAΠPÿưEHỉÿ" của tác giả ê.A.KYKEKOB và cuốn " High Voltage Circuit Breakers Design and Applications" của tác giả Ruben D. Gazon. Trong quá trình biên soạn, các tác giả còn tham khảo các giáo trình "THIẾT KẾ MÁY NGẮT CAO ÁP", "THIẾT KẾ MÁY NGẮT DẦU",...là những tài liệu đã được trường Đại học Bách khoa Hà Nội xuất bản. Sách này không chỉ dùng làm tài liệu giảng dạy và học tập cho sinh viên ngành Điện mà còn có thể làm tài liệu dùng cho nghiên cứu cũng như tham khảo cho ki sư và cán bộ ki thuật ngành điện cũng như các chuyên ngành liên quan. Nội dung của tài liệu này đề cập đến các vấn đề lí thuyết cơ bản trong tính toán thiết kế máy ngắt điện cao áp, các vấn đề được trình bày trong 9 chương. Đồng chí Võ Như Tiến biên soạn các chương 1, 2, 3, 7. Đồng chí Lê Văn Quyện biên soạn chương 6. Đồng chí Dương Ngọc Thọ biên soạn chương 8. Đồng chí Lê Thành Bắc biên soạn các chương 4, 5, 9 và các phần còn lại. Trong quá trình biên soạn, các tác giả đã nhận được sự giúp đỡ và cung cấp tài liệu của các Thầy, Cô giáo trong bộ môn Thiết bị điện -điện tử, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt là PGS. Lê Văn Doanh và GVC. Lưu Mỹ Thuận. Chúng tôi cũng đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của TS.Trần Văn Chính và các đồng nghiệp khoa điện trường Đại học Kỹ thuật Đà Nẵng trong việc hiệu đính và đóng góp thêm nhiều ý kiến cho nội dung tài liệu. Mặc dù, chúng tôi đã cố gắng trong việc cập nhập các thiết bị hiện đại nhưng do tài liệu về vấn đề này rất hạn chế nên có thể còn những vấn đề chưa được đề cập thỏa đáng. Chúng tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến bổ xung của các bạn đọc để sách được hoàn thiện hơn nữa trong các lần tái bản sau. Mọi thư từ góp ý xin gửi về bộ môn Thiết bị Điện - trường Đại học Kỹ thuật Đà Nẵng. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn. Các tác giả MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU Chương 1 CÁC VẤN ĐỀ CHUNG KHI TÍNH TOÁN MÁY NGẮT CAO ÁP ĐIỆN XOAY CHIỀU 1.1. Các yêu cầu cơ bản đối với máy ngắt 1.2. Trình tự tính toán 5 1.3. Các tham số chính cho trước khi tính toán 7 1.4. Một số kinh nghiệm khi chọn kiểu máy ngắt 9 1.5. Sơ đồ kết cấu máy ngắt 11 20 Chương 2
TÍNH TOÁN CÁCH ĐIỆN CHUNG CỦA MÁY NGẮT 2.1. Các tham số cho trước khi tính toán cách điện chung 2.2. Phương pháp tính gần đúng cách điện chung 25 2.3. Phương pháp tính gần đúng sự phân bố điện áp cho từng khoảng ngắt trên một 29 cực 2.4. Ví dụ về cách tính cách điện chung 31 37 Chương 3 TÍNH TOÁN MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN CỦA MÁY NGẮT 3.1. Khái niệm chung 3.2. Tính điện động mạch vòng dẫn điện 40 3.3. Tính toán nhiệt của mạch vòng dẫn điện 40 3.4. Tính toán gần đúng sự phát nóng thanh dẫn điện sứ vào 50 3.5. Tính toán gần đúng hệ thống dẫn điện bình chứa của máy ngắt không khí 55 3.6. Tính toán các tiếp điểm 61 66 Chương 4 TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ VÀ ĐẶC TUYẾN CƠ BẢN CỦA CÁC THIẾT BỊ DẬP HỒ QUANG TRONG MÁY NGẮT KHÔNG KHÍ 4.1. Khái niệm chung về tính toán các thiết bị dập hồ quang 4.2. Đặc tuyến chung của quá trình dập hồ quang khi thổi dọc 76 4.3. Tính toán lượng không khí (khí) chảy qua miệng ống có hồ quang điện 77 4.4. Tính toán gần đúng công suất ngắt và sự phục hồi độ bền điện ở khoảng giữa hai 79 tiếp điểm 87 4.5. Các nguyên lý cơ bản về cách tính kết cấu các buồng dập hồ quang có thổi không khí dọc dùng shun điện trở 4.6. Kết cấu các thiết bị dập hồ quang có thổi không khí dọc 103 110 Chương 5 TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÁC THIẾT BỊ DẬP HỒ QUANG CỦA MÁY NGẮT DẦU 5.1. Các vấn đề cơ bản về tính toán các thiết bị dập hồ quang trong máy ngắt dầu 5.2. Tính công suất và năng lượng của hồ quang trong quá trình tạo thành khí khi dập 117 tắt hồ quang trong dầu 5.3. Tính áp suất trong bình có chứa khi dạng bong bóng hơi khép kín 123 5.4. Tính áp suất trong bình chứa khi hỗn hợp và khí hơi chảy từ bình ra 128 5.5. Tính độ bền điện phục hồi của khoảng hồ quang 131 5.6. Phương pháp gần đúng tính quá trình dâng dầu trong bình chứa sau khi đã dập 136 tắt hồ quang 5.7. Trình tự tính toán các bình chứa thổi dầu tự động 140 141 Chương 6 TÍNH TOÁN KẾT CẤU THIẾT BỊ DẬP HỒ QUANG CỦA MÁY NGẮT TỰ SINH KHÍ 6.1. Đặc tính chung của quá trình dập hồ quang của máy ngắt tự sinh khí 6.2. Tính gần đúng các đặc tính cơ bản của thiết bị dập hồ quang tự sinh khí 143 145 Chương 7 TÍNH KẾT CẤU THIẾT BỊ DẬP HỒ QUANG BẰNG TỪ TRONG MÁY
NGẮT KHÔNG KHÍ 7.1. Đặc tính chung của quá trình dập hồ quang được làm lạnh trong buồng dập hồ quang kiểu rãnh 7.2. Ngắt mạch điện cảm bằng buồng dập hồ quang kiểu rãnh 151 7.3. Tính tốc độ chuyển động của hồ quang dưới ảnh hưởng của từ trường ngang 153 trong buồng dập hồ quang kiểu rãnh 7.4. Tính sự phát nóng các bức thành của rãnh bình chứa và tính dòng điện ngắt 156 7.5. Chọn và tính các kích thước chính và đặc tuyến cơ bản của bình chứa có buồng 161 dập hồ quang kiểu rãnh dập bằng từ 7.6. Kết cấu các thiết bị dập hồ quang bằng từ trong rãnh hẹp 164 166 Chương 8 PHƯƠNG PHÁP TÍNH CÁC ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC CƠ BẢN CỦA MÁY NGẮT KHÔNG KHÍ 8.1. Đại cương 8.2. Tính sự bơm đầy không khí nén vào buồng dập hồ quang 169 8.3. Tính không khí chảy từ bình chứa ra khí quyển 169 8.4. Tính không khí chảy từ thể tích giới hạn ra ngoài trong lúc áp suất giảm 178 8.5. Sự bơm đầy không gian làm việc hình trụ của bộ phận cơ khí chảy bằng hơi 180 8.6. Ví dụ tính sự bơm đầy buồng dập hồ quang của máy ngắt không khí điện áp 182 110kV 187 Chương 9 KẾT CẤU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ CỦA MÁY NGẮT ĐIỆN CAO ÁP 9.1. Các sơ đồ động học của truyền động cơ khí 191 9.2. Các tham số cho trước để tính truyền động cơ khi mở bằng lò xo 9.3. Tính toán động lực học của truyền động cơ khí mở bằng lò xo 195 9.4. Tính toán động lực học của bộ phận cơ khí chạy bằng hơi của buồng dập hồ 202 quang máy ngắt không khí 218 Phụ lục1: Một số loại máy ngắt dầu đang sử dụng ở Việt Nam Phụ lục2: Một số loại máy ngắt SF6 đang sử dụng ở Việt Nam 222 228 Tài liệu tham khảo 234
TÀI LIỆU THAM KHẢO ΠPOEKTỉPOBAHỉE BKΛþ÷ATEΛEĨ ΠEPEMEHHOΓO TOKA BCOKOΓO HAΠPÿưEHỉÿ - 1. ê.A.KYKEKOB-MOCKBA 1961 TEOPỉÿ ÝΛECTPỉ÷EKỉx AΠΠAPATOB -Γ. H. AỊEKCAHÔPOB-MOCKBA Bcaÿ KOỊA- 2. 1985. 3. THIẾT KẾ MÁY NGẮT CAO ÁP - Bộ môn Máy điện- Khí cụ điện - Đại học Bách khoa Hà Nội - 1978. 4. High Voltage Circuit Breakers Design and Applications- Ruben D. Gazon- New York 1996. 5. Cẩm nang thiết bị đóng cắt - Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật -Hà Nội - 1998. 6. HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ MÁY NGẮT DẦU - Lưu Mỹ Thuận- Bộ môn Máy điện - Khí cụ điện - Đại học Bách khoa Hà Nội - 1976. 7. Giáo trình Khí cụ điện, dùng cho ngành Điện khí hóa- Đại học Bách khoa Hà Nội - 1979. 8. Giáo trình THIẾT BỊ ĐIỆN- Lê Thành Bắc- Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật- Hà Nội- 2001. 9. Low Oil Content Circuit - Breakers for Outdoor Stations 10...72.5 kV. E.I.B. 10. SF6 Circuit - Breakers with Spring Operating Mechanism 72.5... 170 kV. AEG. 11. Gas - Insulated Switchgear 72.5... 525 kV. AEG. 12. Metal - Enclosed, SF6 - Gas Insulated High Voltage Switchgear (V.I.S.). series B3 up to 420kV. AEG. 13. Quy trình vận hành và bảo dưỡng các loại máy ngắt dầu- Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật-Hà Nội -1996. 14. Quy trình vận hành và bảo dưỡng máy ngắt SF6-Tổng công ty Điện lực Việt Nam- Hà Nội -1998.
CHƯƠNG 1 CÁC VẤN ĐỀ CHUNG KHI TÍNH TOÁN MÁY NGẮT CAO ÁP ĐIỆN XOAY CHIỀU 1.1. CÁC YÊU CầU CƠ BảN ĐốI VớI MÁY NGắT Trong các hệ thống điện cao áp, máy ngắt là thiết bị đóng mở cơ khí có khả năng đóng, dẫn liên tục và cắt dòng điện trong điều kiện bình thường và bất thường của mạch điện, ví dụ như ngắn mạch. Ngắt dòng điện ngắn mạch là chế độ làm việc nặng nề nhất và cơ bản của máy ngắt. Song qúa điện áp sinh ra khi ngắt dòng điện bé của máy biến áp không tải, ngắt dòng điện dung của đường dây dài và nhiều trường hợp khác cũng là điều kiện làm việc nặng nề cho máy. Theo nguyên tắc, hệ thống dẫn điện của máy ngắt nối tiếp với mạch điện của các thiết bị điện cao áp. Khi đó các bộ phận kết cấu cơ bản của máy ngắt cần phải chịu được sự tác động nhiệt, điện từ trong khi làm việc bình thường cũng như khi ngắn mạch, phải chịu được trường tĩnh điện tác động vào cách điện lúc điện áp định mức và cả trong lúc quá điện áp. Trong quá trình làm việc của máy ngắt còn có những hiện tượng sinh ra phụ tải nhiệt, cơ và điện tác động vào từng bộ phận riêng của kết cấu máy ngắt (sự cháy của hồ quang điện khi ngắt, sự tăng áp suất của chất khí và chất lỏng trong không gian công tác, các bộ phận cơ chuyển động với gia tốc lớn gây va đập và nhiều những tượng khác). Trong trường hợp các kết cấu của máy ngắt không tính đến điều kiện bất thường thì mỗi yếu tố đã kể trên có thể là nguyên nhân sinh hư hỏng từng bộ phận hay toàn bộ máy ngắt. Máy ngắt phải đảm bảo hoạt động an toàn, tin cậy trong chế độ bình thường cũng như bất thường, nên các bộ phận kết cấu của nó phải tuyệt đối ổn định đối với tác động nhiệt và lực điện động, cũng như đối với tác động của điện áp đã được tính toán. Yêu cầu chung đối với máy ngắt điện cao áp là 1) Các đặc tính máy ngắt phải tương ứng với những yêu cầu cho trước của nó. 2) Tất cả các bộ phận kết cấu của máy ngắt trong thời gian vận hành phải làm việc. Các yêu cầu chung đối với máy ngắt cao áp được nêu trong các tiêu chuẩn như ΓOCT 687-41 hay các tiêu chuẩn khác. Ngoài những yêu cầu chung, trong các trường hợp riêng cũng có những yêu cầu đặc biệt đối với máy ngắt, phụ thuộc vào điều kiện riêng mà máy ngắt làm việc. Ví dụ: 1) Khả năng làm việc ở vùng ẩm ướt, nhiều bụi bặm và có chất nổ. 2) Khả năng làm việc ở vùng rất cao hơn mặt biển. 3) Khả năng làm việc ở các thiết bị di động (đầu máy xe lửa điện, tàu thủy, ...). 4) Thích hợp với điều kiện làm việc ở nhiệt độ rất thấp. Do ngành hệ thống điện ngày càng phát triển, máy ngắt là một trong những bộ phận quan trọng nhất của hệ thống, các chỉ tiêu kĩ thuật vận hành yêu cầu ngày một cao hơn như: tăng dòng điện định mức, tăng công suất ngắt, nâng cao tác động nhanh, tác động nhanh 5
nhiều lần của TĐL (đóng lặp lại tự động), tăng độ chống ăn mòn của các bộ phận cơ và của cách điện, vận chuyển, lắp ráp, vận hành thuận tiện, an toàn về nổ và hỏa hoạn ... Trong khi tính toán máy ngắt hiện đại cần đặc biệt lưu ý đến vấn đề nâng cao các chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật, trọng lượng ít nhất trên một đơn vị công suất ngắt. Kết cấu của máy ngắt cần phải đơn giản, vững chắc, các chi tiết và các khâu kết cấu trong tất cả các loại máy ngắt phải thống nhất và cần phải áp dụng các phương pháp gia công tiên tiến. Trong chế tạo sử dụng các nguyên liệu có tính cơ, tính điện, tính nhiệt cao và kinh tế nhất (chịu plasma, nguyên liệu tiếp điểm đặc biệt, đồ gốm có độ bền cao, ...). Tất cả các yêu cầu kể trên cần được chú ý đến trong lúc tính toán. Những điểm đặc biệt chú ý trong khi nghiên cứu máy ngắt: 1) Ngắt dòng điện ngắn mạch giới hạn là chế độ làm việc của máy ngắt trong tính toán. 2) Trong nhiều trường hợp một mối kết cấu hay chi tiết có thể có một vài nhiệm vụ. Ví dụ: bộ phận dẫn điện bị nung nóng bằng dòng điện có thể thường xuyên chịu phụ tải cơ rất lớn và chịu lực kéo,... 3) Trong tính toán các khâu cơ bản và các đặc tính liên quan nhau khá phức tạp, như lực biến đổi của lò xo trong quá trình chuyển động của bộ phận cơ khí, áp suất biến đổi của khí trong buồng dập hồ quang và lực điện động tác động vào các phần dẫn điện của nó. Phương pháp để tính chính xác rất phức tạp, cho nên trong tính toán phải đơn giản hóa bằng các phương pháp gần đúng. 4) Cần đặc biệt chú ý trong khi tính toán các thiết bị dập hồ quang. Trong ngành chế tạo thiết bị điện hiện nay các phương pháp tính chính xác thiết bị dập hồ quang chưa có, cho nên trong tính toán người ta sử dụng các tham số thực nghiệm và thử khả năng ngắt của máy ngắt. Mặc dù phương pháp tính gần đúng đôi khi chỉ cho định hướng, nhưng cũng cần được hoàn chỉnh và áp dụng rộng rãi trong thiết kế máy ngắt cao áp, cho phép rút ngắn thời gian cần thiết để hoàn thành kết cấu máy ngắt trong các phòng thí nghiệm và trên các mô hình. Trong ngành chế tạo máy ngắt có nhiều biện pháp dập hồ quang, không những kết cấu của thiết bị dập hồ quang có nhiều kiểu mà còn có nhiều kiểu máy ngắt. Biện pháp dập hồ quang khác nhau theo kiểu máy ngắt được xác định bằng các tham số cho trước và các kiểu điều khiển vận hành ( điện áp định mức, dòng điện định mức, công suất ngắt, tần số,...). Giải quyết sơ bộ ba vấn đề cơ bản sau có một ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong lúc tính toán gồm: 1) Chính xác hóa các tham số cho trước. 2) Chọn kiểu máy ngắt. 3) Chọn và chính xác hóa sơ đồ kết cấu. Trong sản xuất máy ngắt cao áp công suất ngắt lớn hay loại máy ngắt mới thì cách chọn kiểu và sơ đồ kết cấu đóng vai trò quyết định. Theo kinh nghiệm khi tính toán, sản xuất, lắp ráp và vận hành máy ngắt cao áp đã hình thành một số hình dáng kết cấu của các chi tiết riêng, từng bộ phận và toàn bộ thiết bị cũng như công nghệ điển hình sản xuất máy ngắt. Trong lúc tính toán các kiểu máy ngắt 6
mới các biện pháp kĩ thuật đã có đều cần được chú ý, phải nâng cao yêu cầu và áp dụng những thành tựu mới nhất của khoa học công nghệ vào sản xuất. Nhiệm vụ của nhà chế tạo là phải tìm ra những giải pháp tính toán, kết cấu mới hợp lí hơn trên cơ sở nghiên cứu các hiện tượng vật lí, sử dụng các tham số thí nghiệm, áp dụng các cách tính và các thành tựu trong lĩnh vực công nghệ chế tạo. Cần phải chú ý đến các xu hướng hiện đại trong lĩnh vực tính toán trạm phân phối các thiết bị cao áp, sơ đồ của trạm có ảnh hưởng đến hình dáng kết cấu, kích thước, các chỉ tiêu và các đặc tính khác của máy ngắt. 1.2. TRÌNH Tự TÍNH TOÁN Quá trình thiết kế máy ngắt cao áp gồm ba giai đoạn cơ bản. 1. Tính toán phác thảo Các yêu cầu kĩ thuật đối với máy ngắt phải tính toán cần được xác định rõ, tìm ra các giải pháp lợi nhất và dự định những kiểu có thể áp dụng, các phương án kết cấu. 2. Tính toán kĩ thuật Quyết định kiểu áp dụng và phương án kết cấu, tiến hành các tính toán cần thiết và tính toán các khâu, các chi tiết của máy ngắt. Chuẩn bị tài liệu kĩ thuật để sản xuất thử. 3. Tính toán chế tạo Trong giai đoạn này trên cơ sở kinh nghiệm sản xuất và các tham số mẫu tiến hành chính xác hóa kết cấu và vẽ các bản vẽ thi công để sản xuất mẫu. Chuẩn bị tài liệu công nghệ cần thiết để sản xuất hàng loạt. Thường người ta tiến hành những thí nghiệm nghiên cứu và thử các hình mẫu, các chi tiết các khâu và máy ngắt mẫu cho cả ba giai đoạn. Sau đây giới thiệu thứ tự giải quyết các vấn đề đó khi không có những tham số định hướng về kết cấu và kích thước của thiết bị dập hồ quang: 1) Chính xác hóa các tham số cho trước đối với máy ngắt được tính toán. 2) Chọn kiểu máy ngắt. 3) Tính toán thiết bị dập hồ quang, định hướng hình dáng kết cấu và xác định kích thước sơ bộ của nó. 4) Lập sơ đồ kết cấu của máy ngắt. 5) Tính toán cách điện của máy ngắt và xác định kích thước mạch vòng dẫn điện, khoảng cách cách điện và kích thước của các bộ phận cách điện trụ. 6) Tính toán các khâu cơ bản gồm: a) Tính lực điện động tác động vào từng bộ phận mạch vòng dẫn điện của máy ngắt được tính toán trong điều kiện vận hành. b) Tính sự phát nóng khi làm việc dài hạn do dòng điện định mức, tính độ bền vững của các bộ phận mạch vòng dẫn điện khi tác động của dòng điện ngắn mạch và tính toán các bộ phận đó. c) Tính sự phát nóng do dòng điện định mức và tính độ bền vững của hệ thống tiếp điểm máy ngắt khi ngắn mạch. d) Tính và xác định kết cấu sứ cách điện của máy ngắt. 7
đ) Tính đặc tính khí động học của máy ngắt (trong trường hợp tính toán máy ngắt không khí). e) Tính và xác định các bộ phận truyền động cơ khí. g) Tính và xác định các kết cấu trụ đỡ, thùng chứa, vỏ, ống dẫn, các bộ phận điều khiển bằng thủy lực hay bằng hơi. h) Xác định các đặc tính cơ khí cho trước để chọn cách truyền động (nếu máy ngắt không có truyền động hơi bên trong). i) Vẽ phác thảo về kết cấu máy ngắt. Trong trường hợp đã biết tham số định hướng về thiết bị dập hồ quang thì việc tính sơ bộ thiết bị dập hồ quang không cần thiết. Trong nhiều trường hợp khi tính toán những khâu, chi tiết phức tạp thì việc tính toán các bộ phận riêng được tiến hành song song, ví dụ: - Tính toán nhiệt các tiếp điểm dập hồ quang tiến hành song song với tính các thiết bị dập hồ quang. - Khi tính toán cách điện của máy ngắt phải xác định luôn kiểu cách điện. - Khi tính thanh dẫn điện của sứ cần thiết phải có các tham số về các kích thước và kết cấu cách điện của sứ xuyên. 1.3. CÁC THAM Số CHÍNH CHO TRƯớC KHI TÍNH TOÁN Các tham số chính cho trước của máy ngắt tính toán được xác định bằng những điều kiện vận hành sau: 1) Điện áp định mức. 2) Dòng điện định mức. 3) Các dòng điện ngắt. 4) Công suất ngắt trong điều kiện cho trước (trong chu trình thao tác có tính chất tiêu chuẩn, tần số của điện áp phục hồi, ...). 5) Hằng số thời gian của máy ngắt. 6) Thời gian ngắt máy ngắt. 7) Độ bền vững nhiệt của máy ngắt. 8) Dòng điện qua giới hạn khi ngắt ngắn mạch và độ bền vững của máy ngắt lúc ngắt mạch. 9) Dòng điện đóng giới hạn. 10) Thời gian đóng. 11) Chu trình thao tác. 12) Loại bệ đặt và chỗ đặt trong hệ thống. Những yêu cầu của máy ngắt được tính toán rút ra từ các điều kiện công tác đặc biệt, các yêu cầu đó cần được chú ý trong khi tính toán. Các giá trị của điện áp định mức, dòng điện định mức và công suất ngắt định mức, thời gian ngắt hoàn toàn, được qui định trong các tiêu chuẩn (như ΓOCT 687-41): - Điện áp định mức: 3, 6, 10, 15, 20, 35, 110, 150, 220,... kV. - Dòng điện định mức :200, 400, 600, 1000, 1500, 2000, 3000, 4000,... A. 8
- Công suất ngắt định mức : 15, 20, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 300, 500, 750, 1000, 2000, 2500,... MVA. - Thời gian ngắt hoàn toàn: + Với máy ngắt tác động nhanh thì không quá 0,08 s. + Với máy ngắt tác động tăng cường thì không quá 0,15s. + Với máy ngắt tác động không nhanh thì lớn hơn 0,15s. Để nâng cao các yêu cầu đối với máy ngắt cao áp điện xoay chiều hiện nay đang có nhiều tiêu chuẩn khác có thang của điện áp định mức, dòng điện và công suất ngắt được mở rộng đến 800 kV, 12000 A và 25000 MVA. Trong tiêu chuẩn này đặc biệt chú ý đến sự chính xác hóa các yêu cầu đối với thời gian ngắt hoàn toàn và sự tiêu chuẩn hóa công suất ngắt có tính tới sự không đối xứng của dòng điện ngắn mạch và tần số dao động của điện áp phục hồi. Theo tiêu chuẩn thời gian ngắt hoàn toàn của máy ngắt được chia ra ba loại: không quá 0,06 s, không quá 0,1s và hơn 0,1s. Các tiêu chuẩn của tần số điện áp phục hồi (chế độ qúa độ) trong bảng 1-1. Độ bền nhiệt biểu hiện bằng dòng điện ngắn mạch lớn nhất đi qua các bộ phận dẫn điện trong khoảng thời gian cho trước có phát nóng không vượt mức cho phép. Độ bền nhiệt không phải là đặc tính cho trước mà được xác định khi kiểm tra độ phát nóng bằng dòng điện định mức làm việc dài hạn sau khi tính các bộ phận dẫn điện. Bảng 1-1: Các tiêu chuẩn của tần số điện áp phục hồi Điện áp định mức, kV 6 10 15 20 35 110 150 220 Tần số giao động Trong giới hạn từ 100 đến riêng (lớn hơn) 50% công suất ngắt 8 6 4,5 3 2 1 0,8 0,6 kHz Kém hơn 50% công suất ngắt 20 15 12 9 7 3 2,5 2 Dòng điện ngắn mạch chạy qua lớn nhất trong thời gian rất ngắn không làm máy ngắt hư hỏng gọi là dòng điện giới hạn của máy ngắt. Trị số dòng điện ngắn mạch giới hạn được đánh giá bằng trị số biên độ và giá trị hiệu dụng của dòng điện ở chu kì thứ nhất, khi đó tỉ số biên độ và giá trị hiệu dụng được xác định theo công thức: I 2 + Ic KP = a Ia + Ic 2 2 Ia : giá trị hiệu dụng của thành phần chu kì. Ic : giá trị trung bình của thành phần không chu kì. Ti lệ giữa trị số của dòng điện giới hạn (In) và dòng điện ngắt giới hạn (I0) có thể tìm theo đường cong giảm dần của dòng điện ngắn mạch khi biết trước giá trị của thời gian ngắt hoàn toàn. Đánh giá gần đúng ti lệ này xác định theo công thức: 9
I n = K nI 0 Kn : hệ số tính toán, trị số của nó phụ thuộc vào thông số lưới điện và tác động ngắt nhanh, có thể lấy một cách gần đúng bằng 1,3 ÷ 1,6. Trị số biên độ của dòng điện ngắt giới hạn được tính toán khi thiết kế, với dòng điện này khi ở điện áp định mức máy ngắt làm việc ổn định, trị số này cũng được xem là trị số hiệu dụng của dòng điện đóng cho phép. Biên độ dòng điện đóng xác định một cách định hướng bằng cách nhân trị số dòng điện ngắt giới hạn với 1,8 2 . Trong nhiều trường hợp trị số dòng điện đóng phụ thuộc vào các đặc tính truyền động của mạch ngắt. Trong khi tính toán từng khâu cần phải có thêm hàng loạt các thông số phụ cho trước. Ví dụ: áp suất làm việc trong các bình chứa của máy ngắt hay của truyền động (trong trường hợp truyền động bằng khí), điện áp làm việc ở các đầu của cuộn dây truyền động, mức độ gió (để xác định phụ tải gió) ở vùng đặt thiết bị, mức giảm nhiệt độ lớn nhất của chuyển động có hệ thống tiếp xúc, ... Ảnh hưởng của tất cả các nhân tố đó đến kết cấu và đặc tính máy ngắt sẽ được nghiên cứu ở các chương sau. Các tham số cho trước đối với máy ngắt sản xuất hàng loạt được xác định trong kết quả nghiên cứu, các yêu cầu của ngành sử dụng và khai thác có tính đến sự phát triển sau này. 1.4. MộT Số KINH NGHIệM KHI CHọN KIểU MÁY NGắT Tính chọn kiểu máy ngắt theo các tham số cho trước là một nhiệm vụ phức tạp và quan trọng, nhiệm vụ đó yêu cầu giải quyết kịp thời với những đặc tính đặc biệt và các chỉ tiêu kĩ thuật vận hành, kinh tế kĩ thuật của các kết cấu hiện có. Trước hết cần phải tính đến các điều kiện làm việc của máy ngắt, các xu hướng hiện đại trong khi tính toán máy ngắt sản xuất hàng loạt. Vấn đề này cũng không kém phần quan trọng trong khi xác định các kết cấu mới của máy ngắt có tham số thật cao (điện áp 330kV và cao hơn, dòng điện định mức trên 13000A). Khi chọn cần phải tiến hành: 1) So sánh các chỉ tiêu của các kiểu máy ngắt hiện có với những tham số cho trước. 2) Đánh giá khả năng thực tế và lí thuyết ở kết cấu của kiểu được chọn với các đặc tính yêu cầu cho trước. Dưới đây giới thiệu sự phân loại và một vài kinh nghiệm có tính chất định hướng theo sự đánh giá so sánh các kiểu máy ngắt cao áp điện xoay chiều. Về phương diện chọn kiểu người ta phân loại máy ngắt: 1) Theo loại môi trường dập hồ quang. 2) Theo cách dập hồ quang. 3) Theo phương pháp cách điện ở chỗ cao áp của các phần dẫn điện. 4) Theo điện áp định mức. 5) Theo dòng điện định mức. 6) Theo công suất ngắt định mức. 7) Theo quan hệ về kết cấu của bộ phận truyền động cơ khí của máy ngắt. 10
8) Theo thang tác động nhanh. 9) Theo sự tiện lợi cho TĐL tức thời. Ở bảng 1 - 2 giới thiệu sự phân loại máy ngắt theo loại môi trường dập hồ quang và theo cách dập hồ quang. Bảng 1 - 3 giới thiệu các đặc điểm, ưu và khuyết điểm của các kiểu máy ngắt cơ bản ở các thang điện áp khác nhau. Theo điện áp định mức ngắt có thể chia ra làm hai nhóm chính: - Máy ngắt điện áp 35kV và cao hơn (máy ngắt trạm biến áp). - Máy ngắt điện áp 20kV và thấp hơn ( máy ngắt máy phát). 4 5 3 2 1 Hçnh 1-1. Maïy ngàõt khäng khê. 1. Bçnh khê neïn; 2. Buäöng dáûp häö quang; 3. Âiãûn tråí sun; 4. Tiãúp âiãøm chênh; 5. Bäü pháûn caïch ly. Máy ngắt trạm biến áp là nhóm lớn, thường dòng điện định mức nhỏ hơn 2000A. Với loại này yêu cầu khả năng ngắt rất cao (bé hơn 20.000 MVA) tác động nhanh, tiện lợi đối với TĐL tức thời và nhiều đặc tính khác. Máy ngắt trạm biến áp thường sử dụng các loại máy ngắt sau: 1) Máy ngắt không khí (máy ngắt không khí trụ). 2) Máy ngắt ít dầu. 3) Máy ngắt nhiều dầu. Hiện nay có máy ngắt kiểu elegas (SF6) có khả năng dập hồ quang rất cao, khí SF6 được sử dụng làm môi trường dập hồ quang. Kiểu máy ngắt này có những đặc tính kĩ thuật vận hành và kinh tế kĩ thuật rất cao. So sánh các tham số ở bảng 1, 2, 3 và theo tài liệu hiện 11
có thể kết luận máy ngắt không khí ưu việt hơn các loại máy ngắt khác, đặc biệt đối với máy ngắt có điện áp định mức 110kV và cao hơn. Ở các trạm biến áp việc tạo khí nén cho máy ngắt không khí làm việc không khó khăn, vì trong các trạm phân phối điện cao áp, hệ thống các máy ngắt, các cầu dao điều khiển bằng hơi là hợp li nhất, hoàn chỉnh và thuận tiện nhất cho việc tự động hóa. Tuy thế do đòi hỏi gia công chính xác, nên giá thành máy ngắt không khí cao hơn máy ngắt ít dầu cùng một chỉ tiêu trọng lượng. Máy ngắt ít dầu về mặt kĩ thuật và kinh tế dùng cho những nơi không có yêu cầu cao trong hệ thống điện. Ở đây các yêu cầu về trị số công suất ngắt, những đặc tính vận hành khác (tác động rất nhanh, TĐL tức thời, nhiều lần, ngắt một cách tin cậy dòng điện điện dung nhỏ, cho phép thường xuyên kiểm tra và thay đổi hệ thống tiếp xúc, ...) có thể ít hơn. Bảng 1-2: Phân loại máy ngắt theo môi trường dập hồ quang và cách dập hồ quang Cách dập hồ Kiểu thiết bị Kiểu máy Các tham số định hướng Loại môi quang dập hồ quang ngắt Điện áp Dòng điện Công suất trường dập định mức định mức A ngắt định hồ quang. kV mức , MVA 1 2 3 4 5 6 7 D ập h ồ Tiếp xúc đứt Nhiều dầu 10 1500 50 quang trong quãng đơn d ầu giản trong dầu D ầu Làm lạnh Nhiều dầu cả 35 2000 1000 hồ quang buồng có bộ buồng dập 110 2000 5200 trong buồng phận thổi dọc hồ quang 330 2000 25000 của sản hay ngang Ít dầu 10 1500 300 phẩm tạo trong dầu 35 1500 1000 thành khí 110 2000 2500 tách rời từ 330 2000 10000 dầu (hỗn bức phên dập ít dầu kiểu 15 6000 2500 hợp khí hơi) hồ quang chậu (20) Làm lạnh buồng có bộ ít nước 15 600 300 Chất lỏng thân hồ phận thổi không cháy quang trong nước (nước) trong luồng bức phên dập nước kiểu 15 2000 1500 hơi nước hồ quang chậu 1 2 3 4 5 6 7 Chất rắn Làm lạnh Buồng có bộ Tự động khí 10 600 300 sinh ra khí thân hồ phận thổi dọc quang trong hay ngang luồng của sản phẩm tạo thành khi tách ra từ chất rắn sinh 12
khí Không khí Làm lạnh Không khí 10 2000 3000 nén thân hồ 35 2000 1500 quang trong Buồng thổi 110 2000 5000 luồng không khí dọc 400 2000 25000 không khí hay ngang Tự động 10 400 2550 nén Buồng thổi điều khiển dọc có điện bằng hơi trở shun. Không khí 15 12000 4000 có điện trở shun Không khí Chuyển dịch Buồng kiểu Không khí 15 4000 7500 và mặt bằng từ khe với hệ điện từ với phẳng làm trường thống từ buồng có lạnh của các ngang và trường thổi. khe. thành buồng làm lạnh thêm hồ quang trong khe buồng. Không khí Chia thân hồ Buồng với sự Không khí 15 2000 1000 và mặt quang ra làm lạnh bằng điện từ với phẳng làm nhiều phần lưới với hệ những tấm lạnh các liên tiếp bởi thống từ lưới dập hồ điện cực. chuyển dịch trường thổi. quang. bằng từ trường. SF6 Làm lạnh Buồng thổi ele gas 380kV và 2000 40000 hồ quang elegas dọc hay cao hơn trong elegas ngang Chân không Phân tích Chân không Chân không 110 và cao 600 250 thêm hồ dập hồ quang hơn quang trong chân không Theo các tham số cơ bản ( điện áp định mức, dòng điện, công suất ngắt) máy ngắt kiểu nhiều dầu tương đương với máy ngắt không khí, đặc biệt là sau khi kết cấu máy ngắt kiểu nhiều dầu đã có nhiều cải tiến. Bảng 1-3: So sánh về chất lượng các kiểu máy ngắt Kiểu máy Các ưu việt cơ bản Các nhược điểm cơ bản ngắt và điện áp định mức 1 2 3 Nhiều dầu có 1. Cơ cấu tương đối đơn giản. 1. Không an toàn về hỏa hoạn và phát nổ buồng dập hồ 2. Có khả năng đặt máy biến dòng 2. Cần phải kiểm tra thường xuyên trạng thái dầu quang điện áp ở bên trong. trong bình và trong các sứ vào cao áp. 110kV và cao 3. Năng lực ngắt cao. 3. Khối lượng dầu lớn yêu cầu thời gian khá dài để 13
hơn 4. Thích hợp với các trạm ngoài kiểm tra buồng dập hồ quang và hệ thống tiếp xúc. trời. Thời gian thay dầu lớn. 4. Trong trạm biến áp cần thiết phải dự trữ dầu nhiều và các trang bị lọc dầu rất qui mô. 5. Thực tế không thích hợp với các trạm trong nhà máy. 6. Ít thích hợp cho TĐL tức thời nhiều lần trong chu trình. 7. Các tiếp xúc dập hồ quang lớn. 8. Chi phí nhiều. 9. Trọng lượng lớn không thuận tiện cho chuyên chở lắp ráp. 10. Không có khả năng tạo thành thể thống nhất với sự áp dụng những mối lớn. Máy ngắt dầu 1. Khối lượng dầu không lớn. 1. Không an toàn về hỏa hoạn và phát nổ, nhưng ít 35 kV và cao 2. Trọng lượng tương đối nhẹ. hơn ở các máy ngắt trên. hơn. 3. Cơ cấu rất đơn giản so với máy 2. Thực hiện TĐL tức thời nhiều lần phức tạp. ngắt không khí 3. Thực hiện nấu lại dầu khó khăn. 4. Giá thành tương đối thấp. 4. Cần kiểm tra và thay đổi thường xuyên dầu trong 5. Thích hợp cho các trạm trong bình dập hồ quang. nhà và ngoài trời. 5. Các tiếp xúc dập hồ quang tương đối lớn. 6. Nhẹ hơn máy ngắt kiểu nhiều 6. Không thích hợp với trường hợp ngắt thường dầu ở điện áp 35 kV và cao hơn. xuyên. 7. Có khả năng tạo thành một thể 7. Đặt máy biến dòng bên trong khó khăn. thống nhất. 8. Năng lực ngắt giới hạn. 1 2 3 Máy ngắt 1. An toàn về hỏa hoạn và phát nổ. 1. Ở trạm biến áp cần thiết phải có các thiết bị nén không khí 2. Tác động nhanh và thích hợp và lọc không khí. 35 kV và cao cho TĐL trong bất kì chu trình 2. Cơ cấu chi tiết và các khâu tương đối phức tạp, hơn. nào. mức độ chính xác gia công cao. 3. Năng lực ngắt cao. 3. Giá thành tương đối cao. 4. Ngắt dòng điện điện dung của 4. Đặt máy biến dòng bên trong khó. đường dây không tải vững chắc. 5. Các tiếp xúc dập hồ quang mòn ít. 6. Thiết bị dập hồ quang dễ tiếp xúc và kiểm tra chúng đơn giản. 7. Trong vận hành không phải tiêu tốn dầu cho máy ngắt. 8. Trọng lượng tương đối nhẹ (so sánh với máy ngắt kiểu nhiều dầu). 9. Có khả năng tạo thành một loạt với những khâu lớn thống nhất. 10. Thích hợp cho cả trạm ngoài trời và trong nhà. Máy ngắt kiểu 1. Hoàn toàn an toàn về hỏa hoạn 1. Giới hạn phía trên của điện áp định mức bị hạn tự sinh khí. và phát nổ. chế (bé hơn 15kV). 2. Không cần dầu do đó việc vận 2. Mòn các bộ phận sinh khí, nên thay đổi đặc tính hành đơn giản. của thiết bị dập hồ quang, do đó phải kiểm tra trạng 14
thái thiết bị dập hồ quang. 3. Các tiếp xúc dập hồ quang mòn tương đối lớn. 4. Không phù hợp với trạm ngoài trời. Máy ngắt kiểu 1. An toàn về hỏa hoạn và phát nổ. 1. Cơ cấu thiết bị dập hồ quang với hệ thống từ thổi điện từ. 2. Mòn các tiếp xúc dập hồ quang tương đối phức tạp. và các bộ phận công tác của thiết 2. Giới hạn phía trên của điện áp định mức bị hạn bị dập hồ quang. chế (không quá 20-35 kV). 3. Phù hợp với trạm ngắt thường 3. Ít phù hợp đối với trạm ngoài trời. xuyên. 4. Năng lực ngắt tương đối cao. Tuy vậy, đặc tính vận hành của máy ngắt dầu trong nhiều trường hợp kém hơn máy ngắt không khí, ví dụ như là không an toàn về hỏa hoạn và phát nổ. Cho nên máy ngắt kiểu này ít được sử dụng trong sản xuất và trong vận hành, đặc biệt cho điện áp 110 kV và cao hơn. Nhóm máy ngắt cho máy phát có đặc điểm là dòng điện định mức (bé hơn 12000A), công suất ngắt định mức rất lớn (bé hơn 4000 MVA) cũng như dòng điện ngắt giới hạn (bé hơn 150 kA). 15
A-A 125 140 120 A A Hçnh 1-2. Maïy ngàõt SF6 kiãøu S1-123F1. Máy ngắt cho máy phát sử dụng máy ngắt ít dầu kiểu chậu, máy ngắt không khí (không khí trụ) là ưu việt hơn cả. Về nguyên tắc mà nói cũng có thể có khả năng chế tạo máy ngắt máy phát cho tham số trung bình, trên cơ sở của nguyên tắc dập hồ quang bằng điện từ (cùng với buồng có khe hay cùng với tấm lưới). Hiện nay máy ngắt kiểu nhiều dầu không áp dụng làm máy ngắt máy phát. Máy ngắt ít dầu kiểu chậu về nguyên tắc cũng có thể chế tạo với dòng điện định mức và công suất định mức rất lớn, có thể đạt tới giá trị lớn (đến 2500 MVA). Song đặc tính vận hành của máy ngắt kiểu này kém máy ngắt không khí. Nhiệm vụ sản xuất máy ngắt máy phát với tham số thật cao (dòng điện 12.000A, công suất ngắt 4000 MVA) đặc biệt khó khăn. Trong trường hợp này máy ngắt không khí có điện trở shun dập hồ quang bên trong là phù hợp hơn cả. 16
Chúng ta sẽ rõ ở các 1 chương sau, nhờ áp dụng điện trở shun dập hồ quang trong quá trình ngắt, máy ngắt có thể dễ dàng dập 2 tắt hồ quang lớn, mặc dù tần số của 6 điện áp phục hồi rất lớn đối với các 7 máy phát của hệ thống điện. Máy ngắt với điện áp định 3 mức đến 15 kV, dòng điện định 4 mức đến 1500 A, với công suất ngắt định mức đến 400 - 500 MVA 5 được xem là máy ngắt cung cấp. Tất cả các kiểu máy ngắt kể sau đều nằm trong nhóm máy ngắt cung cấp: 9 1) Nhiều dầu có khoảng ngắt đơn giản. 2) Nhiều dầu có buồng dập hồ quang. 3) Ít dầu ( trong đó có kiểu 8 chậu). 4) Ít chất lỏng không cháy. 5) Tự sinh khí. 6) Không khí. Hçnh 1-3. Màût càõt mäüt pha maïy ngàõt SF6 cáúp 110kV. 7) Tự động điều chỉnh bằng 1. Thanh dáùn vaìo; 2. Tiãúp âiãøm laìm viãûc; 3. Xy lanh; 4. hơi. Tiãúp âiãøm laìm viãûc; 5. Thanh dáùn ra; 6. Tiãúp âiãøm 8) Không khí dập hồ quang häö quang âäüng; 7. ÄÚng caïch âiãûn chëu nhiãût; 8. Loì xo måí; 9. Sæï caïch âiãûn. bằng điện từ. Máy ngắt cung cấp có rất nhiều kiểu khác nhau cho nên rất khó đánh giá và lựa chọn. Trong thiết kế cần phải chú ý đến các vấn đề sau. Trước hết cần phải biết máy ngắt có thể có tác dụng cho thiết bị không chỉ ở nhà máy điện mà cả ở các trạm biến áp của hệ thống lớn, nhưng chủ yếu là ở các trạm cung cấp năng lượng của nhà máy xí nghiệp khai thác hầm mỏ, nơi khai thác than bùn, công nghiệp khai thác dầu,... cũng như trong mạng lưới nông nghiệp. Cho nên kết cấu máy ngắt này cần phải hết sức đơn giản, vững chắc trong vận hành, thuận tiện trong lắp ráp. Máy ngắt phải sản xuất hàng loạt để giảm giá thành. Trong khi chọn phương án cần phải tính đến chỗ định đặt máy ngắt đang tính toán. Trước hết, máy ngắt cung cấp có thể đặt ở trạm phân phối ngoài trời của nhà máy điện và trạm biến áp, ở trạm phân phối có tủ, ở mạch mở động cơ, ở các trạm biến áp của mạng lưới công suất nhỏ, ở các trạm biến áp nông nghiệp kiểu ngoài trời và các trạm biến áp ngầm của hầm mỏ, ... 17