Giáo trình Khí cụ điện (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng nghề Hà Nam (2021)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:62

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Khí cụ điện (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng) cung cấp cho người đọc những kiến thức như: Khái niệm về khí cụ điện; Khí cụ điện đóng cắt; Khí cụ bảo vệ; Khí cụ điện điều khiển. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Khí cụ điện (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng nghề Hà Nam (2021)

SỞ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TỈNH HÀ NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: Khí cụ điện NGÀNH/NGHỀ: Điện công nghiệp TRÌNH ĐỘ: Cao đẳng Ban hành kèm theo Quyết định số 835/QĐ- CĐN ngày 31 tháng 12 năm 2021 của Trường Cao Đẳng Nghề Hà Nam Hà Nam, năm 2021
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo nhằm phục vụ cho giáo viên và sinh viên của Trường Cao Đẳng Nghề Hà Nam Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. Dựa theo giáo trình này, có thể giảng dạy cho các trình độ hoặc ngành/nghề khác của nhà trường.
LỜI GIỚI THIỆU Khoa điện Trường Cao đẳng nghề Hà Nam đã tham gia biên soạn giáo trình đào tạo phục vụ cho giảng viên, giáo viên giảng dạy và học tập, thực tập của học sinh, sinh viên nghề Điện công nghiệp. Trong đó tài liệu mô đun Chuyên đề khí cụ điện đóng vai trò quan trọng trong việc đào tạo và hình thành các kỹ năng cơ bản cho các học viên, sinh viên theo học Điện công nghiệp. Khi biên soạn, tôi đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan đến nội dung chương trình đào tạo và phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết và thực hành được biên soạn gắn với nhu cầu thực tế trong sản xuất đồng thời có tính thực tiễn cao. Nội dung giáo trình được biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 30 giờ gồm có: Chương 1: Khái niệm về khí cụ điện. Chương 2: Khí cụ điện đóng cắt. Chương 3: Khí cụ bảo vệ. Chương 4: Khí cụ điện điều khiển. Trong quá trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu cũng như khoa học và công nghệ phát triển có thể điều chỉnh thời gian và bổ sung những kiên thức mới cho phù hợp. Trong giáo trình, chúng tôi có đề ra nội dung thực tập của từng bài để người học cũng cố và áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ năng. Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo nhưng không tránh được những khiếm khuyết. Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện hơn. Hà Nam, ngày tháng năm 2021 Tham gia biên soạn Chủ biên: Nguyễn Đức Thuận 1
MỤC LỤC CHƯƠNG MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM VÀ CÔNG DỤNG CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN .. 5 1. Khái niệm về khí cụ điện. ................................................................................ 5 1.1. Khái niệm về khí cụ điện. .......................................................................... 5 1.2. Sự phát nóng của khí cụ điện. ................................................................... 5 1.3. Tiếp xúc điện. ........................................................................................... 10 1.4. Hồ quang và các phương pháp dập tắt hồ quang. .................................... 13 1.5 Lực điện động............................................................................................ 15 2. Công dụng và phân loại khí cụ điện. ............................................................... 18 2.1. Công dụng của khí cụ điện. ...................................................................... 18 2.2. Phân loại khí cụ điện. ............................................................................... 18 CHƯƠNG 1: KHÍ CỤ ĐIỆN ĐÓNG CẮT ........................................................ 20 1. Cầu dao. ........................................................................................................... 20 1.1. Cấu tạo...................................................................................................... 20 1.2. Nguyên lý hoạt động. ............................................................................... 20 1.4. Phân loại. .................................................................................................. 21 1.5. Tính chọn cầu dao. ................................................................................... 21 1.6. Hư hỏng,nguyên nhân hư hỏng và cách khắc phục. ................................ 22 1.7 Sửa chữa cầu dao....................................................................................... 22 2. Các loại công tắc và nút điều khiển. ............................................................... 22 2.1 Công tắc..................................................................................................... 22 2.2. Công tắc hộp............................................................................................. 23 2.3. Công tắc vạn năng. ................................................................................... 24 2.4. Công tắc hành trình. ................................................................................. 24 2.5. Nút điều khiển. ......................................................................................... 25 2.6. Thông số kỹ thuật công tắc và nút điều khiển. ........................................ 26 3. Dao cách ly ...................................................................................................... 26 3.1. Cấu tạo...................................................................................................... 26 3.2 Nguyên lý hoạt động ................................................................................. 28 3.3. Tính chọn dao cách ly. ............................................................................. 29 3.4. Hư hỏng và nguyên nhân gây hư hỏng và biện pháp sửa chữa. .............. 29 3.5 Sửa chữa giao cách ly................................................................................ 30 4. Máy cắt điện .................................................................................................... 30 4.1. Cấu tạo dầu ............................................................................................... 30 4.2. Nguyên lý hoạt động ................................................................................ 30 4.3. Lựa chọn máy cắt điện. ............................................................................ 32 4.4. Nguyên nhân hư hỏng và biện pháp khác phục ....................................... 33 4.5. Giới thiệu một số máy cắt. ....................................................................... 34 5. Aptomat. .......................................................................................................... 38 5.1. Cấu tạo aptomat........................................................................................ 38 5.2. Nguyên lý hoạt động aptomat. ................................................................. 39 5.3. Tính chọn aptomat.................................................................................... 41 5.4. Nguyên nhân hư hỏng và và cách khắc phục ........................................... 41 5.5. Một số aptomat thường gặp. .................................................................... 41 2
CHƯƠNG II : KHÍ CỤ ĐIỆN BẢO VỆ............................................................. 42 1. Rơle điện từ. .................................................................................................... 42 1.1. Cấu tạo...................................................................................................... 42 1.2. Nguyên lý hoạt động ................................................................................ 42 1.3. Ứng dụng rơle điện từ. ............................................................................. 43 2. Rơle nhiệt ........................................................................................................ 43 2.1. Cấu tạo...................................................................................................... 43 2.2 Nguyên lý hoạt động và phân loại ............................................................ 43 2.3. Tính chọn rơle nhiệt. ................................................................................ 43 2.4. Các nguyên nhân gây hư hỏng và cách khác phục .................................. 44 2.5. Sửa chữa rơle nhiệt................................................................................... 44 3. Cầu chì............................................................................................................. 45 3.1. Cấu tạo...................................................................................................... 45 3.3. Tính chọn cầu chì. .................................................................................... 46 3.4. Các nguyên nhân gây hư hỏng và cách khắc phục. ................................ 47 4. Thiết bị chống dò............................................................................................. 48 4.1. Cấu tạo...................................................................................................... 48 4.2. Nguyên lý hoạt động và phân loại ........................................................... 48 4.3.Giới thiệu một số thiết bị chống dò thường sử dụng ................................ 48 CHƯƠNG III : KHÍ CỤ ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ................................................... 49 1. Công tắc tơ. ..................................................................................................... 49 1.1. Cấu tạo...................................................................................................... 49 1.2. Nguyên lý làm việc. ................................................................................ 51 1.5. Tính toán chọn công tắc tơ .................................................................... 51 1.4. Hư hỏng và các nguyên nhân gây hư hỏng. ............................................. 52 2. Khởi động từ.................................................................................................... 52 2.1. Cấu tạo .................................................................................................... 52 2.2. Tính chọn khởi động từ. ........................................................................ 53 2.3. Đặc tính kỹ thuật và ứng dụng. ................................................................ 53 3. Rơle trung gian và rơle tốc độ. ........................................................................ 54 3.1. Rơle trung gian. ........................................................................................ 54 3.2. Rơle tốc độ ............................................................................................... 55 3.3. Các nguyên nhân gây hư hỏng và cách khắc phục .................................. 57 4. Rơle thời gian. ................................................................................................. 57 4.1. Cấu tạo Rơle thời gian kiểu điện từ. ........................................................ 57 4.2. Nguyên lý hoạt động ................................................................................ 58 4.3. Giới thiệu một số rơle thời gian kiểu điện tử. .......................................... 59 4.4. Hư hỏng nguyên nhân gây hư hỏng. ........................................................ 60 Tài liệu tham khảo ............................................................................................... 60 3
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: Khí cụ điện Mã môn học: MH11 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò môn học: - Vị trí: Môn học này học sau các môn học: An toàn lao động, Mạch điện, có thể học song song với môn Vật liệu điện... - Tính chất: Là môn học kỹ thuật cơ sở, thuộc các môn học đào tạo nghề bắt buộc. - Ý nghĩa và vai trò: Giữ vai trò quan trọng trong chương trình điện công nghiệp. Mục tiêu của môn học: - Về kiến thức: + Nhận dạng và phân loại được các loại khí cụ điện. + Mô tả được cấu tạo và trình bày nguyên lý hoạt động của các loại khí cụ điện đóng cắt, bảo vệ và điều khiển thông dụng. - Về kỹ năng: + Chọn và sử dụng được các loại khí cụ điện theo yêu cầu của phụ tải. + Sửa chữa được một số hư hỏng thông thường của khí cụ điện thông dụng. - Năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Có khả năng nhận dạng và phân loại các loại khí cụ điện được đào tạo, có sáng kiến trong quá trình thực hiện chọn lựa khí cụ điện được giao, có khả năng đưa ra được kết luận về các vấn đề hư hỏng của các khí cụ điện. + Làm việc độc lập hoặc làm việc theo nhóm, lựa chọn các khí cụ điện trong điều kiện làm việc thay đổi. + Hướng những người khác thực hiện được việc lựa chọn và phân loại các khí cụ điện theo yêu cầu cho trước, chịu trách nhiệm cá nhân và trách nhiệm đối với nhóm. + Đánh giá chất lượng các khí cụ điện đã lựa chọn và kết quả thực hiện của các thành viên trong nhóm. Nội dung của mô học: 4
CHƯƠNG MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM VÀ CÔNG DỤNG CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN Mã chương: MH 011-00 Giới thiệu: Khí cụ điện là những thiết bị được sử dụng phổ biến trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày Mục tiêu - Nêu được khái niệm, công dụng của các loại khí cụ điện - Hiểu được cách tiếp xúc điện, cách tạo hồ quang điện và dập tắt hồ quang điện. - Rèn luyện tính nghiêm túc trong học tập và thực hiện công việc Nội dung chính: 1. Khái niệm về khí cụ điện. 1.1. Khái niệm về khí cụ điện. Khí cụ điện (KCĐ) là thiết bị điện dùng để: đóng cắt, điều khiển, kiểm tra, tự động điều khiển, khống chế các đối tượng điện cũng như không điện và bảo vệ chung trong trường hợp sự cố. Khí cụ điện có rất nhiều chủng loại với chức năng, nguyên lý làm việc và kích cỡ khác nhau, được dùng rộng rải trong mọi lĩnh vực của cuộc sống. Trong phạm vi của môn học khí cụ điện này, chúng ta đề cập đến các vấn đề như sau: cơ sở lý thuyết, nguyên lý làm việc, kết cấu và đặc điểm của các loại KCĐ dùng trong ngành điện và trong công nghiệp. 1.2. Sự phát nóng của khí cụ điện. 1.2.1. Khái niệm chung. Ở trạng thái làm việc, trong các bộ phận của thiết bị điện (TBĐ) như: mạch vòng dẫn điện, mạch từ, các chi tiết bằng kim loại và cách điện đều có tổn hao năng lượng tác dụng và biến thành nhiệt năng. Một phần của nhiệt năng này làm tăng nhiệt độ của TBĐ, còn 1 phần khác tỏa ra môi trường xung quanh. Ở chế độ xác lập nhiệt, nhiệt độ của thiết bị không tăng lên nữa mà đạt trị số ổn định, còn toàn bộ nhiệt năng tỏa ra môi trường xung quanh. Nếu nhiệt độ của TBĐ tăng cao thì cách điện bị già hóa và độ bền cơ của các chi tiết bị suy giảm. Khi tăng nhiệt độ của vật liệu cách điện lên 80C so với nhiệt độ cho phép ở chế độ dài hạn thì tuổi thọ của cách điện giảm 50%. Với vật liệu dẫn điện thông dụng nhất là Cu, nếu tăng nhiệt độ từ 100oC đến 2500C thì độ bền cơ giảm 40%, khi độ bền cơ của chúng giảm nên lực điện động trong trường hợp ngắn mạch sẽ làm hư hỏng thiết bị. 5
Do vậy độ tin cậy của thiết bị phụ thuộc vào nhiệt độ phát nóng của chúng. Trong tính toán phát nóng TBĐ thường dùng một số khái niệm như sau : 0: nhiệt độ phát nóng ban đầu, thường lấy bằng nhiệt độ môi trường.  : nhiệt độ phát nóng  =  - o : là độ chênh nhiệt so với nhiệt độ môi trường, ở vùng ôn đới cho phép  = 350C, vùng nhiệt đới  = 500C. Sự phát nóng thiết bị điện còn tùy thuộc vào chế độ làm việc. ôđ = ôđ - o : độ chênh nhiệt độ ổn định. 1.2.2. Các dạng tổn hao năng lượng. - Tổn hao trong các chi tiết dẫn điện. Năng lượng tổn hao trong dây dẫn do dòng điện i đi qua trong thời gian t được tính theo công thức sau : Điện trở dây dẫn R phụ thuộc vào điện trở suất vật liệu, kích thước dây dẫn, ngoài ra còn phụ thuộc vào tần số dòng điện, vị trí của dây dẫn : nằm đơn độc hay gần dây dẫn khác có dòng điện đi qua. - Tổn hao trong các phần tử sắt từ. Nếu các phần tử sắt từ nằm trong vùng từ trường biến thiên thì trong chúng sẽ có tổn hao do từ trễ và dòng điện xoáy tạo ra. - Tổn hao trong vật liệu cách điện. Dưới tác dụng của điện trường biến thiên, trong vật liệu cách điện sẽ sinh ra tổn hao điện môi. 1.2.3. Quá trình phát nóng ở chế độ quá độ. a. Chế độ làm việc dài hạn. Chế độ làm việc dài hạn là chế độ làm việc của thiết bị điện với thời gian dài tùy ý nhưng ngắn hơn thời gian để nhiệt độ phát nóng đạt tới giá trị ổn định. Khi có dòng điện I chạy trong vật dẫn sẽ gây ra tổn hao một công suất P và trong thời gian dt sẽ gây ra một nhiệt lượng: Q = P.dt = RI2dt (1.1) Nhiệt lượng hao tổn này bao gồm hai phần: + Đốt nóng vật dẫn: Q1= G.C.d (1.2) + Tỏa ra môi trường xung quanh : Q2= S ..dt. (1.3) Ta có phương trình cân bằng nhiệt của quá trình phát nóng: P.dt = G.C. d + S ..dt (1.4) Trong đó: G : là khối lượng vật dẫn (g) 6
C : là tỉ nhiệt vật dẫn tỏa nhiệt ( J/g)  : là độ chênh nhiệt (00C)  : là hệ số tỏa nhiệt (W/cm2) P d S . Ta có phương trình: =  +  G.C d t G.C Giải phương trình vi phân trên với điều kiện tại t = 0 thì độ chênh nhiệt ban  .S  .S P − t − t đầu là 0, ta được:  = (1 − e G .C ) +  0 e G .C S .a G.C Đặt T= là hằng số thời gian phát nóng : S P =  od độ chênh nhiệt ổn định. S . t t − − Ta có:  =  od (1 − e T ) +  oe T (1-5) t − Khi t = 0 mà 0 = 0 thì:  =  od (1 − e T ) −T Thay t = T vào (2) ta được  =   (1 − e ) = 0,632  T (1-6) Quá trình nguội của thiết bị xảy ra khi ta cắt điện của nó, nhiệt độ của nó giảm dần đến nhiệt độ môi trường. Ta có phương trình cân bằng nhiệt sẽ là: G.C. d + S ..dt = 0 Giải phương trình vi phân ta được biểu thức thể hiện quá trình nguội lạnh: t −  =  od e T ( đường 3 hình 1) (1-7) Ở chế độ làm việc dài hạn, thời gian làm việc đủ lớn để  =   và thời gian nghỉ đủ dài để  = 0 . Vì  (t ) là hàm mũ, nên về lý thuyết  đạt   (khi phát nóng) và  đạt 0 (khi nguội) với thời gian vô cùng. Trong thực tế, nếu t  4T thì có thể coi là chế độ làm việc dài hạn, hoặc độ tăng nhiệt theo thời gian d 0 2 C cũng có thể coi đó là chế độ làm việc dài hạn. dt h 7
Hình 1.1. Phát nóng lặp lại b. Chế độ làm việc ngắn hạn: Chế độ làm việc ngắn hạn là chế độ làm việc của thiết bị điện với thời gian đủ ngắn để nhiệt độ phát nóng của nó chưa đạt tới giá trị ổn định, sau đó ngưng làm việc trong thời gian đủ lớn để nhiệt độ của nó hạ xuống tới nhiệt độ môi trường. Đồ thị làm việc của quá trình này được mô tả ở hình 2. Nếu thiết bị làm việc với công suất P = P1 ứng với chế độ dài hạn, nghĩa là  1 bằng nhiệt chênh cho phép của thiết bị thì sau thời gian làm việc t lv, nhiệt chênh đạt  1   1 , nghĩa là thiết bị làm việc còn non tải. Để tận dụng khả năng mang tải của thiết bị, ta có thể nâng công suất làm việc tới P2, sao cho sau t = tlv, độ phát nóng đạt  2 =  1 =  cph . Vậy ở chế độ ngắn hạn, thiết bị có thể quá tải, được đặc trưng bằng hệ số quá tải: P2  2 1 Theo công thức : Kp = P =  = t (1-8) 1 1 1 − exp( − lv ) T 1 Theo dòng điện: K1= K P = t (1-9) 1 − exp( − lv ) T Từ biểu thức (1-5) và (1-8) ta nhận thấy rằng, hệ số quá tải càng lớn khi thời gian làm việc càng bé và hằng số thời gian phát nóng càng lớn. Điều này liên quan đến việc chọn thiết bị khi làm việc ở chế độ ngắn hạn. 8
  200 P= P2  100 =  2 P = P1 1 t tlv Hình 2: Phát nóng ng?n h?n Hình 1.2: Phát nóng ngắn hạn c. Chế độ ngắn hạn lặp lại: Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại là chế độ làm việc của thiết bị điện trong một thời gian tlv mà nhiệt độ phát nóng chưa đạt tới bão hòa và sau đó nghỉ một thời gian tng mà nhiệt độ chưa giảm về nhiệt độ ban đầu rồi tiếp tục làm việc và nghỉ xen kẽ. Quá trình làm việc và nghỉ cứ lặp lại tuần hoàn như vậy theo chu kỳ với thời gian tck = tlv + tng. Thời gian làm việc trong mỗi chu kỳ chưa đủ lớn nên độ tăng nhiệt chưa đạt đến giá trị xác lập, thời gian nghỉ chưa đủ dài nên nhiệt độ của thiết bị vẫn cao hơn nhiệt độ môi trường.   2  1  2' 1' tlv tng t tck Hình1.3: Chế độ phát nóng lặp lại. 1.2.4. Quá trình phát nóng khi ngắn mạch. Khi bị ngắn mạch, dòng điện chảy trong dây dẫn có trị số rất lớn, gấp vài chục lần dòng điện ở chế độ định mức, nhưng vì thời gian ngắn mạch không dài nên nhiệt độ phát nóng cho phép ở chế độ này thường lớn hơn chế độ hài hạn. 9
Ví dụ với đồng có cách điện cấp A cho phép đến 2500C khi ngắn mạch, còn chế độ dài hạn là 1050C Vì thời gian ngắn mạch tnm bé nên có thể coi quá trình nhiệt này là quá trình đoạn nhiệt, nghĩa là toàn bộ nhiệt lượng do thiết bị hấp thụ chứ không tỏa ra môi trường xung quanh. Do đó phương trinh cân bằng nhiệt có dạng: I2.R.dt = CT.d  (1-10) Trong đó: R là điện trở của dây dẫn. CT là nhiệt dung riêng của thiết bị  là nhiệt độ của dây dẫ 1.3. Tiếp xúc điện. 1.3.1. Khái niệm. Chỗ tiếp giáp giữa hai vật dẫn điện để cho dòng điện chạy từ vật dẫn này sang vật dẫn kia gọi là tiếp xúc điện. Bề mặt chỗ tiếp giáp của các vật dẫn điện gọi là bề mặt tiếp xúc điện. 1.3.2. Phân loại. a. Dựa vào mối liên kết tiếp xúc, ta chia tiếp xúc điện ra các dạng sau : + Tiếp xúc cố định: là loại tiếp xúc không tháo lắp giữa 2 vật dẫn, được liên kết bằng bulông, đinh vít,... + 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 các tiếp điểm trong thiết bị đóng cắt). + Tiếp xúc trượt: là vật dẫn điện này có thể trượt trên bề mặt của vật dẫn điện kia (ví dụ như chổi than trượt trên vành góp máy điện). b. Dựa vào hình dạng chỗ tiếp xúc, ta chia tiếp xúc điện ra các dạng sau : + Tiếp xúc điểm: là hai vật tiếp xúc với nhau chỉ ở một điểm hoặc trên bề mặt diện tích với đường kính rất nhỏ (như tiếp xúc hai hình cầu với nhau, hình cầu với mặt phẳng, hình nón với mặt phẳng,...) + Tiếp xúc đường: là hai vật dẫn tiếp xúc với nhau theo một đường thẳng hoặc trên bề mặt rất hẹp (như tiếp xúc hình trụ với mặt phẳng, hình trụ với trụ,...) + Tiếp xúc mặt: Là hai vật dẫn điện tiếp xúc với nhau trên bề mặt rộng (ví dụ tiếp xúc mặt phẳng với mặt phẳng,...). 1.3.3. Điện trở tiếp xúc. Xét khi đặt hai vật dẫn tiếp xúc nhau, ta sẽ có diện tích bề mặt tiếp xúc : Sbk= a . l. Nhưng trên thực tế diện tích bề mặt tiếp xúc thực nhỏ hơn nhiều a.l vì giữa hai bề mặt tiếp xúc dù gia công thế nào thì vẫn có độ nhấp nhô, khi cho tiếp xúc hai vật với nhau thì chỉ có một số điểm trên tiếp giáp tiếp xúc. Do đó diện tích tiếp xúc thực nhỏ hơn nhiều diện tích tiếp xúc biểu kiến 10
Sbk= a.l. Hình1.4: Tiếp xúc của 2 vật dẫn Diện tích tiếp xúc còn phụ thuộc vào lực ép lên trên tiếp điểm và vật liệu làm tiếp điểm, lực ép càng lớn thì diện tích tiếp xúc càng lớn. Diện tích tiếp xúc thực ở một điểm(như mặt cầu tiếp xúc với mặt phẳng) F xác định bởi: S = (1-11) d Trong đó: F là lực ép vào tiếp điểm [kg]. d là ứng suất chống dập nát của vật liệu làm tiếp điểm [kg/cm2]. Nếu tiếp xúc ở n điểm thì diện tích sẽ lớn lên n lần so với biểu thức (1-9). Dòng điện chạy từ vật này sang vật khác chỉ qua những điểm tiếp xúc, như vậy dòng điện ở các chỗ tiếp xúc đó sẽ bị thắt hẹp lại, dẫn tới điện trở ở những chỗ này tăng lên Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm kiểu bất kì tính theo công thức: K Rtx = (1-12) Fm K: hệ số phụ thuộc vật liệu và tình trạng bề mặt tiếp điểm (theo bảng tra). m: hệ số phụ thuộc số điểm tiếp xúc và kiểu tiếp xúc với : +Tiếp xúc mặt m = 1 + Tiếp xúc đường m = 0,7 + Tiếp xúc điểm m = 0,5 Ngoài công thức (1-10) là công thức kinh nghiệm, người ta còn dùng phương pháp giải tích để dẫn giải rút ra công thức tính điện trở tiếp xúc p Rtx = (1-13) F .n  d . Trong đó :  : điện trở suất của vật dẫn [.cm]. n: số điểm tiếp xúc. F: lực nén [kg]. Các yếu tố ảnh hương tới điện trở tiếp xúc của tiếp điểm: + Độ cứng của vật liệu. + Vật liệu làm tiếp điểm. + Lực ép tiếp điểm. + Hình dạng của tiếp điểm. + Nhiệt độ của tiếp điểm. + Tình trạng bề mặt tiếp xúc. 11
+ Mật độ dòng điện. 1.3.4. Vật liệu làm tiếp điểm. Để thỏa mãn tốt các điều kiện làm việc khác nhau của tiếp điểm thiết bị điện thì vật liệu làm tiếp điểm phải có được những yêu cầu cơ bản sau: + Có độ dẫn điện cao (giảm Rtx và chính điện trở của tiếp điểm). + Dẫn nhiệt tốt (giảm phát nóng cục bộ của những điểm tiếp xúc). + Không bị oxy hóa (giảm Rtx để tăng độ ổn định của tiếp điểm). + Có độ kết tinh và nóng chảy cao (giảm độ mài mòn về điện và giảm sự nóng chảy hàn dính tiếp điểm đồng thời tăng tuổi thọ tiếp điểm). + Có độ bền cơ cao (giảm độ mài mòn cơ khí giữ nguyên dạng bề mặt tiếp xúc và tăng tuổi thọ của tiếp điểm). + Có đủ độ dẻo (để giảm điện trở tiếp xúc). + Dễ gia công khi chế tạo và giá thành rẻ. Thực tế ít vật liệu nào đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu trên. Trong thiết kế sử dụng tùy từng điều kiện cụ thể mà trọng nhiều đến yêu cầu này hay yêu cầu khác. Đồng kỹ thuật điện: đồng nguyên chất thu được bằng điện phân. Nó đáp ứng hầu hết các yêu cầu trên. Nhược điểm chính của đồng kỹ thuật điện là rất dễ bị oxit hóa. Đồng cađimi: đồng kỹ thuật điện pha thêm cađimi có tính chất cơ cao chống mài mòn tốt, khả năng chịu được hồ quang tốt hơn đồng kỹ thuật điện thông thường. Bạc: là vật liệu làm tiếp điểm rất tốt do có độ dẫn điện cao và có điện trở tiếp xúc ổn định. Nhược điểm chủ yếu là chịu hồ quang kém nên sử dụng bị hạn chế. Đồng thau: hợp kim đồng với kẽm được sử dụng làm tiếp điểm dập hồ quang Các hợp kim đồng khác: hợp kim đồng với nhôm, đồng với mangan, đồng với niken, đồng với silic và các hợp kim đồng khác được sử dụng làm tiếp điểm, đồng thời làm lò xo ép (ví dụ tiếp điểm tĩnh của cầu chì). Thép có điện trở suất lớn: thép thường bị oxy hóa cao nhưng là vật liệu rẻ nên vẫn được sử dụng làm tiếp xúc cố định để dẫn dòng điện lớn, trong các thiết bị thép thường được mạ. Nhôm: có độ dẫn điện cao, rẻ nhưng rất dễ bị oxy hóa làm tăng điện trở suất. Nhược điểm nữa là hàn nhôm rất phức tạp, độ bền cơ lại kém. Vonfram và hợp kim vonfram: có độ mài mòn về điện tốt và chịu được hồ quang tốt nhưng có điện trở tiếp xúc rất lớn. Hợp kim vonfram với vàng sử dụng cho tiếp điểm có dòng nhỏ. Hợp kim với molipđen dùng làm tiếp điểm cho những thiết bị điện thường xuyên đóng mở, khi dòng điện lớn thì vonfram và hợp kim vonfram sử dụng để làm tiếp điểm dập hồ quang. Vàng và platin: không bị oxy hóa do đó có điện trở tiếp xúc nhỏ và ổn định, được sử dụng làm tiếp điểm trong thiết bị điện hạ áp có dòng điện bé và quan trọng. Vàng nguyên chất và platin nguyên chất có độ bền cơ thấp nên thường được sử dụng dạng hợp kim với môlipđen hoặc với iriđi để tăng độ bền cơ. 12
Than và graphit: có điện trở tiếp xúc và điện trở suất lớn nhưng chịu được hồ quang rất tốt. Thường dùng làm các tiếp điểm mà khi làm việc phải chịu tia lửa điện, đôi khi làm tiếp điểm dập hồ quang. Hợp kim gốm: hỗn hợp về mặt cơ học của hai vật liệu không nấu chảy mà thu được bằng phương pháp thiêu kết hỗn hợp bột hoặc bằng cách tẩm vật liệu này lên vật liệu kia. Thường vật liệu thứ nhất có tính chất kỹ thuật điện tốt, điện trở suất và điện trở tiếp xúc nhỏ, ít bị oxy hóa.Vật liệu thứ hai có tính chất cơ cao và chịu được hồ quang. Như vậy, chất lượng kim loại gốm là do tính chất của hỗn hợp quyết định. 1.4. Hồ quang và các phương pháp dập tắt hồ quang. 1.4.1. Khái niệm chung. Bản chất của hồ quang điện là hiện tượng phóng điện trong chất khí với mật độ dòng điện rất lớn (khoảng 102 đến 103 A/mm2) có nhiệt độ rất cao (tới khoảng 5000 đến 60000C ) và thưường kèm theo hiện tượng phát sáng. Hồ quang điện có ích: Hồ quang điện thực sự có ích khi được sử dụng trong các lĩnh vực như hàn điện, luyện thép,...những lúc này hồ quang cần được duy trì cháy ổn định. Hồ quang điện có hại: Khi đóng cắt các thiết bị điện như contắctơ, cầu dao, máy cắt,...hồ quang sẽ xuất hiện giữa các cặp tiếp điểm. Hình 1.5: Đặc tính hồ quang điện. Hồ quang này cháy lâu sau khi thiết bị điện đã đóng cắt sẽ làm hư hại các tiếp điểm và bản thân thiết bị điện. Trong trường hợp này để đảm bảo độ làm việc tin cậy của thiết bị điện yêu cầu phải tiến hành dập tắt hồ quang càng nhanh càng tốt. 1.4.2. Quá trình phát sinh hồ quang. Hồ quang điện phát sinh là do môi trường giữa các điện cực (hoặc giữa các cặp tiếp điểm) bị ion hóa (xuất hiện các hạt dẫn điện). Ion hóa có thể xảy ra bằng các con đường khác nhau duới tác dụng của ánh sáng, nhiệt độ, điện trường mạnh,.... 13
Trong thực tế quá trình phát sinh hồ quang điện có những dạng ion hóa sau : + Quá trình phát xạ điện tử nhiệt. + Quá trình tự phát xạ điện tử. + Quá trình ion hóa do va chạm. + Quá trình ion hóa do nhiệt. Sau đây ta lần lượt xét các quá trình trên: +) Quá trình phát xạ điện tử nhiệt. Điện cực và tiếp điểm được chế tạo từ kim loại, mà trong cấu trúc kim loại luôn luôn tồn tại các điện tử tự do chuyển động về mọi hướng trong quỹ đạo của cấu trúc hạt nhân nguyên tử. Khi tiếp điểm bắt đầu mở ra lực nén vào tiếp điểm giảm dần khiến điện trở tiếp xúc tăng lên chỗ tiếp xúc, dòng điện bị thắt lại dẫn đến mật độ dòng điện tăng rất lớn làm nóng các điện cực (nhất là ở cực âm có nhiều electron). Khi bị đốt nóng, động năng của các điện tử tăng nhanh đến khi năng lượng nhận được Wđn lớn hơn công thoát At liên kết hạt nhân thì điện tử sẽ thoát ra khỏi bề mặt cực âm trở thành điện tự do. Quá trình này phụ thuộc vào nhiệt độ điện cực, vật liệu làm điện cực . +) Quá trình phát xạ điện tử. Khi tiếp điểm hay điện cực vừa mở ra lúc đầu khoảng cách còn rất bé. Nếu có một điện trường đủ lớn đặt lên điện cực (nhất là vùng cực âm có khoảng cách nhỏ có thể tới hàng triệu V/cm), với cường độ điện trường lớn ở cực âm các điện tử tự do được cung cấp thêm năng lượng sẽ bị kéo bật ra khỏi bề mặt catốt để trở thành các điện tử tự do. Quá trình này phụ thuộc vào cường độ điện trường E và vật liệu làm điện cực. +) Quá trình ion hóa do va chạm. Sau khi tiếp điểm mở ra, dưới tác dụng của nhiệt độ cao hoặc của điện trường lớn (mà thông thường là cả hai) thì các điện tử tự do sẽ phát sinh chuyển động từ cực dương sang cực âm. Do điện trường rất lớn nên các điện tử chuyển động với tốc độ rất cao. Trên đường đi các điện tử này va chạm với các nguyên tử và phân tử khí sẽ làm bật ra các điện tử và các ion dương. Các phần tử mang điện này lại tiếp tục tham gia chuyển động và va chạm để làm xuất hiện các phần tử mang điện khác. Do vậy mà số lượng các phần tử mang điện tăng lên không ngừng, làm mật độ điện tích trong khoảng không gian giữa các tiếp điểm rất lớn. Quá trình này phụ thuộc vào cường độ điện trường, mật độ các phần tử trong vùng điện cực, lực liên kết phân tử, khối lượng của phân tử ... +) Quá trình ion hóa do nhiệt. Do có các qúa trình phát xạ điện tử và ion hóa do va chạm, một lượng lớn năng lượng được giải phóng làm nhiệt độ vùng hồ quang tăng cao và thường kèm theo hiện tượng phát sáng. Nhiệt độ khí càng tăng thì tốc độ chuyển động của các phần tử khí càng tăng và số lần va chạm do đó cũng càng tăng lên. 14
Do va chạm, một số phân tử khí sẽ phân li thành các nguyên tử. Còn lượng các ion hóa tăng lên do va chạm khi nhiệt độ tăng thì gọi đó là lượng ion hóa do nhiệt. 1.4.3. Các biện pháp dập tắt hồ quang a. Yêu cầu của dập hồ quang. - Trong thời gian ngắn phải dập tắt được hồ quang, hạn chế phạm vi cháy hồ quang là nhỏ nhất. - Tốc độ đóng mở tiếp điểm phải lớn. - Năng lượng hồ quang sinh ra phải bé, điện trở hồ quang phải tăng nhanh. - Tránh hiện tượng quá điện áp khi dập hồ quang. b. Các nguyên tắc dập hồ quang. - Kéo dài ngọn lửa hồ quang. - Dùng năng lượng nguồn ngoài để dập. - Dùng năng lượng hồ quang sinh ra để tự dập. - Chia hồ quang thành nhiều phần ngắn để dập. - Mắc thêm điện trở song song để dập. c. Các biện pháp dập hồ quang. - Kéo dài hồ quang điện bằng cơ khí. - Dùng cuộn dây thổi từ kết hợp buồng dập hồ quang. - Dùng buồng dập hồ quang có khe hở quanh co. - Phân chia hồ quang ra làm nhiều đoạn ngắn. - Tăng tốc độ chuyển động của tiếp điểm động. - Kết cấu tiếp điểm kiểu bắc cầu. - Dập hồ quang trong dầu biến áp kết hợp phân chia hồ quang. - Dập hồ quang bằng khí nén. - Dập hồ quang bằng cách dùng vật liệu tự sinh khí. - Dập hồ quang trong chân không. - Dập hồ quang trong khí áp suất cao. 1.5 Lực điện động. 1.5.1 Khái niệm chung. Một vật dẫn đặt trong từ trường, khi có dòng điện I chạy qua sẽ chịu tác động của một lực. Lực này có xu hướng làm biến dạng hoặc chuyển dời vật dẫn để từ thông xuyên qua nó là lớn nhất. Lực đó gọi là lực điện động (LĐĐ), chiều của lực điện động được xác định theo quy tắc bàn tay trái Ở trạng thái làm việc bình thường, trị số của dòng điện không lớn nên LĐĐ sinh ra không đủ lớn để có thể làm ảnh hưởng đến độ bền vững kết cấu của thiết bị. Nhưng khi ở chế độ ngắn mạch, dòng tăng lên rất lớn (có lúc tới hàng chục lần Iđm), lực điện động đạt trị số lớn nhất khi trị số tức thời của dòng điện đạt lớn nhất, và được gọi là dòng điện xung kích. Với dòng điện xoay chiều, dòng điện xung kích được tính theo công thức như sau : IXK = KXK. 2 I nm (1-14) Trong đó: KXK là hệ số xung kích của dòng điện, tính đến ảnh hưởng của thành phần không chu kỳ và thường lấy KXK = 1.8; Inm là trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch xác lập. 15
Do vậy chúng ta phải tính toán LĐĐ tác động lên thiết bị trong trường hợp này để khi tính chọn thiết bị phải đảm bảo độ bền điện động. Độ bền điện động của thiết bị là khả năng chịu được LĐĐ do dòng ngắn mạch sinh ra. 1.5.2. Các phương pháp tính toán lực điện động. Việc tính toán LĐĐ thường được tiến hành theo 2 phương pháp : Theo định luật Bio - Xava - Laplace Theo phương pháp cân bằng năng lượng. a) Phương pháp tính toán lực điện động theo định luật Bio - Xava – Laplace. Xét một đoạn mạch vòng dl1(m) có dòng điện i1 (A) đi qua, được đặt trong từ trường với từ cảm B (T) như hình , thì sẽ có một lực dF (N) tác động lên dl1: dF = i1B.dl1sin  Trong đó :  là góc giữa B và dl1, hướng đi của dl1 theo chiều của dòng điện i1. Lực điện động tác dụng lên đoạn mạch vòng với chiều dài l 1 (m) bằng tổng các lực thành phần. l1 l1 F =  dF =  i1 B sin  .dla 0 0 Nếu mạch vòng nằm trong môi trường có độ từ thẩm cố định  = const, như trong chân không hoặc không khí, việc xác định từ cảm B tương đối thuận tiện khi sử dụng định luật Bio - Xava - Laplace. Hình 1.6: Theo định luật này cường độ từ trường dH tại điểm M bất kỳ cách dây dẫn dl2 có dòng điện i2 chạy qua một khoảng r, được xác định theo công thức : i 2 .dl2 sin  dH = 4.r 2 Trong đó  là góc giữa vectơ dl2 và bán kính r. Từ cảm ở điểm M sẽ là :  0 i2 sin  .dl2 dB =  0 dH = 4.r 2 Thay 0 = 4..10-7 (H/m) và tích phân hai vế của ta có : 16
i2 sin  l2 B =  10 −7. dl2 0 r2 Thay từ cảm B vào ta có : l1 l 2 sin  . sin  .dl1 dl2 F = 10 .i1i2   −7 0 0 r2 sin  . sin  .dl1dl2 l1 l 2 Đặt  0 0 r2 = KC : Hệ số kết cấu của mạch vòng Vậy : F = 10-7.i1i2.KC (1-14) Hướng của lực F được xác định theo tích vectơ của i và B. Trong trường hợp đơn giản, hướng của vectơ từ cảm xác định theo quy tắc vặn nút chai, còn hướng lực điện động theo quy tắc bàn tay trái. Lực điện động sẽ được tính bằng phương pháp này nếu dễ dàng tính được hệ số kết cấu KC. b. Phương pháp tính toán lực điện động theo phương pháp cân bằng năng lượng. Năng lượng điện từ của một hệ mạch vòng gồm 2 dây dẫn có dòng điện đi qua được mô tả bằng phương trình 1 2 1 W= L1i1 + L2 i22 + M .i1i2 (1-15) 2 2 Trong đó : L1, L2 là điện cảm của 2 mạch vòng (H) i1,i2 là dòng điện trong 2 mạch vòng (A) M là hỗ cảm của 2 mạch vòng (H). Nếu chỉ có mạch vòng với điện cảm L và dòng điện i thì LĐĐ tác dụng lên mạch vòng (do dòng điện chạy trong nó sinh ra) được tính theo công thức : W 1 2 L F= = i x 2 x Thay Li =  = W. vào ta có : W 1  F= = iW x 2 x Trong đó :  là từ thông móc vòng,  từ thông, w số vòng dây. Với hệ số hỗ cảm M, lực điện động tương tác giữa hai mạch vòng sẽ là :  M F= = i1i2 (1-15) x x c. Hướng của lực điện động. 17
Hình 1.7: Hướng của lực điện động 2. Công dụng và phân loại khí cụ điện. 2.1. Công dụng của khí cụ điện. - Đóng cắt, điều chỉnh tốc độ chiều quay của các máy phát điện, động cơ điện. - Bảo vệ các động cơ, máy phát điện, lưới điện khi có quá tải, ngắn mạch, sụt áp. - Thu nhận phân tích và khống chế sự hoạt động của các mạch điện như khởi động từ. - Duy trì ổn định các tham số điện. - Hạn chế dòng điện ngắn mạch. - Đo lường 2.2. Phân loại khí cụ điện. 2.1.1.Phân loại theo công dụng: a. Nhóm KCĐ khống chế : dùng để đóng cắt, điều chỉnh tốc độ chiều quay của các máy phát điện, động cơ điện (như cầu dao, áp tô mát, công tắc tơ) b. Nhóm KCĐ bảo vệ : làm nhiệm vụ bảo vệ các động cơ, máy phát điện, lưới điện khi có quá tải, ngắn mạch, sụt áp, …( như rơle, cầu chì, máy cắt, …) c. Nhóm KCĐ tự động điều khiển từ xa : làm nhiệm vụ thu nhận phân tích và khống chế sự hoạt động của các mạch điện như khởi động từ, d. Nhóm KCĐ hạn chế dòng điện ngắn mạch: (như điện trở phụ, cuộn kháng,…) e. Nhóm KCĐ làm nhiệm vụ duy trì ổn định các tham số điện: (như ổn áp, bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát …) f.Nhóm KCĐ làm nhiệm vụ đo lường: (như máy biến dòng điện, biến áp đo lường,…). 2.2.2.Phân loại theo tính chất dòng điện. 18