Giáo trình Khí cụ điện (Nghề: Điện - Nước - Trung cấp): Phần 1 - Trường Cao đẳng Cơ điện Xây dựng Việt Xô

Chia sẻ: Hayato Gokudera | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:53

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Khí cụ điện (Nghề: Điện - Nước - Trung cấp) được biên soạn dùng cho chương trình dạy nghề Điện - Nước đáp ứng cho hệ đào tạo Trung cấp. Giáo trình kết cấu gồm 13 bài và chia thành 2 phần, phần 1 trình bày những nội dung về: khái quát khí cụ điện; các trạng thái và chế độ làm việc của khí cụ điện; hồ quang điện và cách dập tắt hồ quang điện; tiếp xúc điện; công tắc; cầu dao; nút ấn;... 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 - Nước - Trung cấp): Phần 1 - Trường Cao đẳng Cơ điện Xây dựng Việt Xô

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN XÂY DỰNG VIỆT XÔ KHOA XÂY DỰNG GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: KHÍ CỤ ĐIỆN NGHỀ: Điện - Nước TRÌNH ĐỘ: Trung cấp Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ-... ngày ………tháng.... năm…… ...........……… của ………………………………….. Tam Điệp, năm 2018 1
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại bài giảng 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. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. LỜI GIỚI THIỆU Bài giảng mô đun 18 Khí cụ điện được biên soạn tổng hợp từ nhiều sách và giáo trình của nhiều tác giả nhằm phục vụ cho việc giảng dạy ngành Điện – nước cho sinh viên các ngành kỹ thuật như: Công thôn, Thủy công, cấp thoát nước .v.v... Bài giảng nhằm trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản về khí cụ nghề điện nước Bài được soạn từ nhiều giáo trình nên không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong những ý kiến đóng góp, phê bình của các bạn đồng nghiệp và các bạn sinh viên có tham khảo bài giảng này. Tam Điệp, ngày ….… tháng ……. năm …….. Biên soạn 2
MỤC LỤC Contents LỜI GIỚI THIỆU .................................................................................................. 2 Bài 1: Khái quát về khí cụ điện .......................................................................... 10 1. Khái niệm ...................................................................................................... 10 1.1. Định nghĩa ............................................................................................... 10 2. Phân loại khí cụ điện.................................................................................... 10 2.1. Phân loại theo công dụng ........................................................................ 10 3. Các yêu cầu cơ bản đối với khí cụ điện ...................................................... 12 Bài 2: Các trạng thái và chế độ làm việc của khí cụ điện ................................ 13 1. Các trạng thái làm việc của khí cụ điện ..................................................... 13 1.1. Trạng thái làm việc bình thường (định mức) .......................................... 13 1.2. Trạng thái quá tải .................................................................................... 13 1.3. Quá điện áp (Uvh > Uđm) .......................................................................... 13 1.4. Trạng thái ngắn mạch.............................................................................. 14 2. Các chế độ làm việc của khí cụ điện ........................................................... 14 2.1. Chế độ làm việc dài hạn .......................................................................... 14 2.2. Chế độ làm việc ngắn hạn ....................................................................... 14 2.3. Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại ............................................................ 15 Bài 3: Hồ quang điện và cách dập tắt hồ quang điện ....................................... 16 1. Ảnh hưởng của hồ quang đối với thiết bị dùng điện ................................ 16 1.1.Quá trình phát sinh của hồ quang điện .................................................... 16 1.2.Tác hại của hồ quang điện đối với thiết bị dùng điện .............................. 18 2. Một số phương pháp dập tắt hồ quang điện ............................................. 18 2.1.Kéo dài hồ quang bằng cơ khí ................................................................. 19 2.2.Phân đoạn hồ quang ................................................................................. 20 2.3.Thổi hồ quang bằng khí nén .................................................................... 20 2.4. Thổi hồ quang bằng từ ............................................................................ 20 2.5 Dập hồ quang trong vật liệu tự sinh khí................................................... 20 2.6.Chia nhỏ hồ quang bằng các vách ngăn hẹp quanh co ............................ 20 3
2.7.Dập hồ quang bằng dầu cách điện ........................................................... 20 Bài 4: Tiếp xúc điện ............................................................................................. 21 1. Khái niệm chung về tiếp xúc điện .............................................................. 21 1.1. Ý nghĩa .................................................................................................... 21 1.2. Yêu cầu đối với tiếp xúc điện ................................................................. 21 1.3. Bề mặt tiếp xúc điện ............................................................................... 21 2. Những yếu tố chính ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc .............................. 22 2.1. Vật liệu làm tiếp điểm ............................................................................. 22 2.2. Lực ép lên tiếp điểm F ............................................................................ 22 2.3. Hình dạng tiếp điểm ................................................................................ 23 3. Các nguyên nhân hư hỏng tiếp điểm và cách khắc phục ......................... 23 3.1. Các nguyên nhân gây hư hỏng tiếp điểm ................................................ 23 3.2. Các biện pháp khắc phục ........................................................................ 24 Bài 5: Công tắc ..................................................................................................... 25 1. Khái niệm và công dụng .............................................................................. 25 1.1. Khái niệm ................................................................................................ 25 1.2. Công dụng ............................................................................................... 25 2. Phân loại, cấu tạo và ký hiệu ...................................................................... 25 2.1. Phân loại.................................................................................................. 25 2.2. Cấu tạo .................................................................................................... 26 2.3. Ký hiệu .................................................................................................... 26 3. Thông số kỹ thuật của công tắc .................................................................. 28 4. Tính toán lựa chọn và tháo lắp công tắc .................................................... 33 4.1. Tính chọn công tắc .................................................................................. 33 4.2. Tháo lắp công tắc .................................................................................... 33 Bài 6: Cầu dao ...................................................................................................... 38 1. Khái niệm và công dụng .............................................................................. 38 1.1. Khái niệm ................................................................................................ 38 1.2. Công dụng ............................................................................................... 38 2. Phân loại, cấu tạo và ký hiệu ...................................................................... 38 2.1. Phân loại.................................................................................................. 38 2.2. Cấu tạo .................................................................................................... 39 4
2.3. Ký hiệu .................................................................................................... 41 3. Tính chọn và tháo lắp cầu dao .................................................................... 41 3.1. Tính chọn cầu dao ................................................................................... 41 3.2. Tháo lắp cầu dao ..................................................................................... 42 Bài 7: Nút ấn ......................................................................................................... 47 1. Khái niệm và công dụng .............................................................................. 47 1.1. Khái niệm ................................................................................................ 47 1.2. Công dụng ............................................................................................... 47 2. Phân loại, cấu tạo và ký hiệu ...................................................................... 48 2.1. Phân loại.................................................................................................. 48 2.2. Cấu tạo .................................................................................................... 48 3. Tính chọn và tháo lắp nút ấn ...................................................................... 49 3.1. Tính chọn nút ấn ..................................................................................... 49 3.2. Tháo lắp nút ấn........................................................................................ 50 Bài 8: Cầu chì ....................................................................................................... 54 1. Khái niệm và công dụng .............................................................................. 54 1.1. Khái niệm ................................................................................................ 54 1.2. Công dụng ............................................................................................... 55 2. Phân loại và ký hiệu ..................................................................................... 55 2.1. Phân loại.................................................................................................. 55 2.2. Cấu tạo .................................................................................................... 57 2.3. Nguyên lý hoạt động .............................................................................. 57 3. Thông số kỹ thuật của cầu chì .................................................................... 58 4. Tính toán lựa chọn và lắp đặt cầu chì ........................................................ 60 4.1. Trong lưới điện ánh sáng sinh hoạt......................................................... 61 4.2. Cầu chì bảo vệ một động cơ ................................................................... 61 4.3. Cầu chì bảo vệ 2, 3 động cơ .................................................................... 62 Bài 9: Áp tô mát ................................................................................................... 63 1. Khái quát và công dụng............................................................................... 63 1.1. Khái quát ................................................................................................. 63 1.2. Công dụng ............................................................................................... 63 2. Phân loại, ký hiệu ......................................................................................... 64 5
2.1. Phân loại.................................................................................................. 64 2.2. Ký hiệu .................................................................................................... 64 3. Cấu tạo và nguyên lý làm việc .................................................................... 65 3.1. Cấu tạo .................................................................................................... 65 3.2. Nguyên lý làm việc ................................................................................. 67 4.Một số loại áptômát thường sử dụng .......................................................... 70 4.1. Áptômát vạn năng có các phần tử bảo vệ điện tử, nhiệt ......................... 70 4.2. áptômát định hình ................................................................................... 70 4.3. Áp tô mát bảo vệ dòng cực đại ............................................................... 71 5. Tính toán lựa chọn áp tô mát ...................................................................... 72 6. Lắp đặt và hiệu chỉnh áp tô mát ................................................................. 73 6.1 Hiện tượng, nguyên nhân gây hư hỏng thường gặp đối với áp tômát ..... 73 6.2. Dụng cụ, thiết bị, vật liệu ........................................................................ 73 6.3. Các bước sửa chữa áptômát .................................................................... 73 6.4. Ra quyết định .......................................................................................... 75 Bài 10: Rơ le nhiệt ................................................................................................ 76 1. Khái quát và công dụng............................................................................... 76 1.1. Khái quát ................................................................................................. 76 1.2. Công dụng ............................................................................................... 76 2. Phân loại, ký hiệu ......................................................................................... 77 2.1. Phân loại.................................................................................................. 77 2.2. Ký hiệu .................................................................................................... 77 3. Cấu tạo và nguyên lý làm việc. ................................................................... 77 3.1. Cấu tạo .................................................................................................... 77 3.2. Nguyên lý làm việc ................................................................................. 79 4. Thông số kỹ thuật của rơ le nhiệt ............................................................... 79 5. Tính toán lựa chọn rơ le nhiệt .................................................................... 80 6. Lắp đặt và hiệu chỉnh rơ le nhiệt................................................................ 81 Bài 11: Công tắc tơ ............................................................................................... 84 1. Khái quát và công dụng............................................................................... 84 1. 1. Khái quát ................................................................................................ 84 1.2. Công dụng ............................................................................................... 84 6
2. Phân loại, ký hiệu ......................................................................................... 85 2.1. Phân loại.................................................................................................. 85 2.2. Ký hiệu .................................................................................................... 85 3. Cấu tạo và nguyên lý làm việc .................................................................... 85 3.1. Cấu tạo .................................................................................................... 85 3.2. Nguyên lý làm việc ................................................................................. 87 4. Thông số kỹ thuật của công tắc tơ .............................................................. 88 5. Tính toán lựa chọn và lắp đặt công tắc tơ ................................................. 89 5.1. Tính chọn công tắc tơ.............................................................................. 89 5.2. Lắp đặt công tắc tơ .................................................................................. 89 6. Hư hỏng và các nguyên nhân gây hư hỏng................................................ 90 7. Các bước sửa chữa công tắc tơ ................................................................... 90 Bài 12: Khởi động từ ............................................................................................ 93 1. Khái quát và công dụng............................................................................... 93 1.1. Khái quát ................................................................................................. 93 1.2. Công dụng ............................................................................................... 93 2. Các yêu cầu kỹ thuật chủ yếu ..................................................................... 94 3. Cấu tạo và nguyên lý làm việc .................................................................... 94 3.1. Cấu tạo .................................................................................................... 94 3.2. Nguyên lý làm việc ................................................................................. 94 4. Thông số kỹ thuật của khởi động từ .......................................................... 94 5. Tính toán lựa chọn và lắp đặt khởi động từ .............................................. 95 5.1. Tính chọn khởi động từ........................................................................... 95 5.2. Lắp đặt khởi động từ ............................................................................... 95 Bài 13: Rơ le thời gian ......................................................................................... 98 1. Khái quát và công dụng............................................................................... 98 1.1. Khái quát ................................................................................................. 98 1.2. Công dụng ............................................................................................... 99 2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc rơ le thời gian kiểu điện từ...................... 99 2.1. Cấu tạo .................................................................................................... 99 2.2. Nguyên lý làm việc ............................................................................... 100 3. Phân loại, ký hiệu ....................................................................................... 101 7
3.1. Phân loại................................................................................................ 101 3.2. Ký hiệu .................................................................................................. 102 4. Thông số kỹ thuật của rơ le thời gian ...................................................... 102 5. Tính chọn rơ le thời gian ........................................................................... 102 6. Lắp đặt và điều chỉnh rơ le thời gian ....................................................... 102 6.1. Lắp đặt rơ le thời gian ........................................................................... 102 6.2. Điều chỉnh rơ le thời gian ..................................................................... 103 7. Các bước sửa chữa rơ le thời gian ............................................................ 103 8
CHƯƠNG TRÌNH - BÀI GIẢNG MÔ ĐUN 18 Tên mô đun: KHÍ CỤ ĐIỆN Mã mô đun: MĐ18 Thời gian thực hiện mô đun: 60 giờ; (Lý thuyết: 42 giờ; Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập: 16 giờ; Kiểm tra: 2 giờ) I. Vị trí, tính chất của mô đun: - Vị trí: Mô đun được bố trí sau khi học sinh học xong các môn học chung, các môn học/ mô đun: An toàn lao động; Mạch điện; Vật liệu điện. - Tính chất: Mô đun Khí cụ điện là mô đun cơ sở nghề bổ trợ trong chương trình đào tạo trình độ Trung cấp của nghề Điện-nước. II. Mục tiêu mô đun: - Về kiến thức: + Trình bày được cấu tạo, nguyên lý làm việc và công dụng của các khí cụ điện hạ thế. - Về kỹ năng: + Lựa chọn được các khí cụ điện theo các yêu cầu cụ thể + Lắp đặt và bảo dưỡng được các khí cụ điện đúng quy trình + Sửa chữa được các hư hỏng thường gặp của các khí cụ điện + Thiết lập và sửa chữa được các mạch tự động điều khiển đơn giản dùng trong lĩnh vực điện dân dụng. - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Tuân thủ các nguyên tắc an toàn khi lắp đặt và sửa chữa khí cụ điện + Có tính tỷ mỉ, đảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp. III. Nội dung mô đun: 9
Bài 1: Khái quát về khí cụ điện Thời gian: 2giờ Giới thiệu : Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp điện năng các thiết bị điện dân dụng, điện công nghiệp cũng như các khí cụ điện được sử dụng ngày càng tăng lên không ngừng. Chất lượng của các khí cụ điện cũng không ngừng được cải tiến và nâng cao cùng với sự phát triển của công nghệ mới. Vì vậy đòi hỏi người công nhân làm việc trong các ngành, nghề và đặc biệt trong các nghề điện phải hiểu rõ về các yêu cầu, nắm vững cơ sở lý thuyết khí cụ điện. Làm cơ sở để nắm vững cấu tạo, nguyên lý làm việc và ứng dụng của từng loại khí cụ điện để không ngừng nâng cao hiệu quả kinh tế và tiết kiệm điện năng trong sử dụng. Nội dung môn học này nhằm trang bị cho học viên những kiến thức cơ bản và cần thiết về cơ sở lý thuyết khí cụ điện nhằm ứng dụng có hiệu quả trong ngành nghề của mình. Mục tiêu của bài - Trình bày được cách phân loại và các yêu cầu cơ bản của khí cụ điện. - Nhận biết được các loại khí cụ điện theo công dụng, điện áp, dòng điện và nguyên lý làm việc. - Có tính tỷ mỉ, đảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp. Nội dung chính 1. Khái niệm 1.1. Định nghĩa Khí cụ điện là những thiết bị dùng để đóng, cắt, điều khiển, điều chỉnh và bảo vệ các lưới điện, mạch điện, máy điện và các máy móc sản xuất. Ngoài ra nó còn được dùng để kiểm tra và điều chỉnh các quá trình không điện khác. 1.2. Phạm vi ứng dụng Khí cụ điện được sử dụng rộng rãi ở các nhà máy phát điện, các trạm biến áp, trong các xí nghiệp công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, thủy lợi, giao thông vận tải, quốc phòng... Ở nước ta khí cụ điện hầu hết được nhập từ nhiều nước khác nhau nên quy cách không thống nhất, việc bảo quản và sử dụng có nhiều thiếu sót dẫn đến hư hỏng, gây thiệt hại khá nhiều về kinh tế. Do đó việc nâng cao hiệu quả sử dụng, bảo dưỡng, bảo quản và kỹ thuật sửa chữa khí cụ điện phù hợp điều kiện khí hậu nhiệt đới của nước ta là nhiệm vụ quan trọng, cần thiết hiện nay. 2. Phân loại khí cụ điện 2.1. Phân loại theo công dụng - Khí cụ điện đóng cắt: Cầu dao, công tắc, nút ấn, dao cách ly, máy cắt, áp tô mát. - Khí cụ điện bảo vệ: Rơle, áp tô mát, cầu chì… 10
- Khí cụ điện điều khiển: Công tắc tơ, khởi động từ, rơ le trung gian, rơ le tốc độ, rơ le thời gian, bộ khống chế... - Khí cụ điện đo lường: Máy biến dòng, máy biến áp đo lường. 2.2. Phân loại theo điện áp - Khí cụ điện cao áp được chế tạo dùng để sử dụng điện áp từ 1000V trở lên; - Khí cụ điện hạ áp được chế tạo dùng để sử dụng điện áp < 1000V . 2.3. Phân loại theo dòng điện - Khí cụ điện một chiều: Các khí cụ điện có cuộn hút dùng điện một chiều - Khí cụ điện xoay chiều: Các khí cụ điện có cuộn hút dùng điện xoay chiều. 2.4. Phân loại theo nguyên lý làm việc: - Khí cụ điện kiểu điện từ, cảm ứng, nhiệt, có tiếp điểm, không có tiếp điểm, .... Câu hỏi trắc nghiệm: Đọc kỹ các câu hỏi, chọn ý trả lời đúng nhất và đánh dấu x vào ô thích hợp TT Nội dung câu hỏi a b c d 1.1 Khí cụ điện phân loại theo công dụng gồm có các loại sau: □ □ □ □ a. Khí cụ điện cao áp - hạ áp b. Khí cụ điện dùng trong mạch AC và DC c. KCĐ làm việc theo nguyên lý điện từ, cảm ứng, nhiệt d. Cả a, b và c đều sai. 1.2 Yêu cầu cơ bản đối với KCĐ là: □ □ □ □ a. KCĐ phải đảm bảo sử dụng lâu dài với các thông số kỹ thuật ở định mức. b. Vật liệu cách điện phải tốt, làm việc tốt trong các môi trường, khí hậu. c. KCĐ phải ổn định nhiệt, ổn định điện động, làm việc chính xác, an toàn, gọn nhẹ, rẻ tiền. d. Cả a, b và c đều đúng. 1.3 Khí cụ điện phân loại theo điện áp có các loại: □ □ □ □ a. Khí cụ điện cao áp - Khí cụ điện hạ áp. b. Khí cụ điện dùng trong mạch điên AC và DC. c. Khí cụ điện điện từ, cảm ứng, nhiệt. d. Cả a và b đúng. 1.4 Khí cụ điện phân loại theo công dụng gồm có các loại sau: □ □ □ □ a. Khí cụ điện đóng cắt: b. Khí cụ điện bảo vệ c. Khí cụ điện điều khiển. 11
d. Cả a, b và c đều đúng 1.5 Khí cụ điện phân loại theo nguyên lý làm việc có các loại: □ □ □ □ a. Điện từ, cảm ứng, nhiệt. b. Điện từ, cảm ứng, nhiệt, có tiếp điểm và không có tiếp điểm c. Cả a và b đúng d. Cả a và b sai 3. Các yêu cầu cơ bản đối với khí cụ điện Khí cụ điện phải thỏa mãn các yêu cầu sau: + Khí cụ điện phải đảm bảo sử dụng lâu dài với các thông số kỹ thuật ở định mức. Nói cách khác dòng điện qua vật dẫn không được vượt quá trị số cho phép vì nếu không sẽ làm nóng khí cụ điện và nhanh hỏng. + Khí cụ điện ổn định nhiệt và ổn định điện động. Vật liệu phải chịu nóng tốt và có cường độ cơ khí cao vì khi quá tải hay ngắn mạch, dòng điện lớn có thể làm khí cụ điện hư hỏng hoặc biến dạng. + Vật liệu cách điện phải tốt để khi xẩy ra quá điện áp trong phạm vi cho phép khí cụ điện không bị chọc thủng. + Khí cụ điện phải đảm bảo làm việc được chính xác, an toàn song phải gọn nhẹ, rẻ tiền, dễ gia công, dễ lắp ráp, kiểm tra và sữa chữa. + Ngoài ra khí cụ điện phải làm việc ổn định ở các điều kiện và môi trường yêu cầu. 12
Bài 2: Các trạng thái và chế độ làm việc của khí cụ điện Thời gian: 2giờ Mục tiêu của bài - Giải thích được các trạng thái và chế độ làm việc của khí cụ điện. - Phân biệt được các trạng thái và chế độ làm việc của khí cụ điện. - Tuân thủ các nguyên tắc an toàn khi làm việc. - Tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập. Nội dung chính 1. Các trạng thái làm việc của khí cụ điện 1.1. Trạng thái làm việc bình thường (định mức) Khi thiết bị điện làm việc ở trạng thái bình thường thì các thông số kỹ thuật vận hành như dòng điện, điện áp, công suất... đều đạt giá trị định mức hoặc trong giới hạn cho phép, vì vậy thiết bị điện vận hành được lâu dài, nhiệt độ không vượt quá giới hạn cho phép, cách điện và tuổi thọ của thiết bị điện được đảm bảo. Nếu một trong các thông số kỹ thuật trên vượt quá hoặc giảm quá thấp so với giá trị định mức ghi trên nhãn thiết bị điện thì xem như nó đã chuyển sang trạng thái làm việc không bình thường, có thể dẫn tới làm giảm tuổi thọ hoặc hư hỏng thiết bị điện. 1.2. Trạng thái quá tải Là trạng thái dòng điện chạy qua thiết bị điện lớn hơn giá trị định mức của nó nhưng vẫn nhỏ hơn dòng điện ngắn mạch nhỏ nhất (I đm < Ivh < INmin), làm cho nhiệt độ của thiết bị điện vượt quá trị số cho phép, dẫn tới cách điện của thiết bị điện mau chóng bị già hoá do nhiệt. Nếu thiết bị điện vận hành trong trạng thái quá tải thì tuổi thọ của nó giảm rất nhanh, nguy cơ xảy ra ngắn mạch tăng. 1.3. Quá điện áp (Uvh > Uđm) Là trường hợp điện áp đặt vào thiết bị điện lớn hơn giá trị định mức của nó, bao gồm : - Quá điện áp thiên nhiên (quá điện áp cảm ứng): do sét đánh trực tiếp vào thiết bị điện hoặc do sét đánh gây cảm ứng trên đường dây lan truyền vào thiết bị điện. - Quá điện áp nội bộ (quá điên áp thao tác): do việc đóng, cắt mạng điện sai quy trình, quy phạm, hoặc điều chỉnh sai lệch trị số trong vận hành, hoặc do đứt dây trong mạng điện 3 pha 4 dây, do chạm đất 1 pha trong mạng 3 pha 3 dây hoặc do hồ quang điện chập chờn... Khi bị quá điện áp thì điện trường có thể vượt quá giới hạn điện trường ion hoá (E > Ei) gây ra hiện tượng đánh thủng cách điện, làm hư hỏng thiết bị điện. Trong trường hợp quá điện áp không đủ lớn thường gây ra quá tải. 13
1.4. Trạng thái ngắn mạch. Ngắn mạch (chập mạch) là trạng thái mà tổng trở trong mạch điện bị giảm đột ngột và dòng điện tăng lên rất lớn so với giá trị định mức. Khi có ngắn mạch dòng điện rất lớn, đây là trường hợp sự cố của mạch điện nên cần thiết phải có thiết bị bảo vệ. Các loại ngắn mạch: ngắn mạch 3 pha, ngắn mạch 2 pha, ngắn mạch 1 pha, ngắn mạch 2 pha chạm đất. 2. Các chế độ làm việc của khí cụ điện Mục tiêu: Giải thích được các chế độ làm việc của khí cụ điện 2.1. Chế độ làm việc dài hạn Phát nóng của vật thể đồng chất ở chế độ làm việc dài hạn.  (0 c  od )to đ 0 t1 t  t1 t o0 Hình 2.1. Đường đặc tính phát nóng theo thời gian của khí cụ điện ở chế độ dài hạn. Chế độ làm việc dài hạn là chế độ khí cụ làm việc trong thời gian t > t1, t1 là thời gian phát nóng của khí cụ điện từ nhiệt độ môi trường xung quanh đến nhiệt độ ổn định (hình 2.1) với phụ tải không đổi hoặc thay đổi ít. Khi đó độ chênh lệch nhiệt độ đạt tới trị số nhất định tôđ. Một vật dẫn đồng chất, tiết diện đều đặn có nhiệt độ ban đầu là nhiệt độ môi trường xung quanh. Giả thiết dòng điện có giá trị không đổi bắt đầu qua vật dẫn: Từ lúc này vật dẫn tiêu tốn năng lượng điện để chuyển thành nhiệt năng làm nóng vật dẫn. Lúc đầu, nhiệt năng tỏa ra môi trường xung quanh ít mà chủ yếu tích lũy trong vật dẫn, nhiệt độ vật dẫn bắt đầu tăng dần lên và sau một thời gian đạt tới giá trị ổn định t ôđ và giữ ở giá trị này. Như vậy là nhiệt độ vật dẫn tăng nhanh theo thời gian đến một lúc nào đó chậm dần và đi đến ổn định. 2.2. Chế độ làm việc ngắn hạn Chế độ làm việc ngắn hạn của khí cụ là chế độ khi đóng điện nhiệt độ của nó không đạt tới nhiệt độ ổn định, sau khi phát nóng ngắn hạn, khí cụ được ngắt, nhiệt độ của nó sụt xuống tới mức không so sánh được với môi trường xung quanh (Hình 3.2). 14
Hình 3.2. Đường đặc tính phát nóng theo thời gian của khí cụ điện ở chế độ ngắn hạn. 2.3. Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại là chế độ làm việc mà nhiệt độ của khí cụ điện tăng lên trong khoảng thời gian khí cụ làm việc, nhiệt độ giảm xuống trong khoảng thời gian khí cụ nghỉ, nhiệt độ giảm chưa đạt đến giá trị ban đầu thì khí cụ điện làm việc lặp lại. Sau khoảng thời gian, nhiệt độ tăng lên lớn nhất gần bằng nhiệt độ giảm nhỏ nhất thì khí cụ điện đạt được chế độ dừng, nhiệt độ dao động trong khoảng từ min đến max (Hình 3.3).  ôd max min phát nóng mt tlµm viÖc tnghØ Hình 3.3. Đường đặc tính phát nóng theo thời  của khí cụ điện ở chế độ ngắn hạn lặp lại. gian t(s) 15
Bài 3: Hồ quang điện và cách dập tắt hồ quang điện Thời gian: 4giờ Giới thiệu: Trong khí cụ điện, hồ quang thường xảy ra ở các tiếp điểm khi cắt dòng điện. Hồ quang điện phát sinh sẽ nhanh chóng làm hư hỏng khí cụ điện, vì vậy vấn đề đặt ra phải tìm biện pháp để dập tắt hồ quang điện phát sinh hoặc hạn chế nó. Mục tiêu của bài - Giải thích được sự phát sinh hồ quang và ảnh hưởng của nó tới thiết bị dùng điện. - Trình bày được các phương pháp dập tắt hồ quang ở các khí cụ điện. - Nghiêm túc trong công việc và luôn tuân thủ các quy tắc an toàn. Nội dung chính 1. Ảnh hưởng của hồ quang đối với thiết bị dùng điện 1.1.Quá trình phát sinh của hồ quang điện Trong các khí cụ điện dùng để đóng ngắt mạch điện (cầu dao, Công tắc tơ, rơle…) khi chuyển mạch sẽ phát sinh hiện tượng phóng điện. Trước đó khi các tiếp điểm đóng điện trong mạch có dòng điện, điện áp trên phụ tải là U còn điện áp trên 2 tiếp điểm A, B bằng 0 (Hình 3.1a). Khi cắt điện 2 tiếp điểm A, B rời nhau (Hình 3.1b) lúc này dòng điện giảm nhỏ. Toàn bộ điện áp U đặt lên 2 cực A, B do khoảng cách d giữa 2 tiếp điểm rất nhỏ nên điện trường giữa chúng rất lớn (Vì điện trường U/d). A B B I A a) b) d Hình 3.1: Quá trình hình thành hồ quang điện Do nhiệt độ và điện trường ở các tiếp điểm lớn nên trong khoảng không khí giữa 2 tiếp điểm bị ion hóa rất mạnh nên khối khí trở thành dẫn điện (Gọi là plasma) sẽ xuất hiện phóng điện hồ quang có mật độ dòng điện lớn (10 4 – 105 A /cm2), nhiệt độ rất cao (3000 – 10000)0C. Điện áp càng cao dòng điện càng lớn thì hồ quang càng mãnh liệt. Vậy: Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện trong chất khí, chất lỏng hoặc hơi có mật độ dòng điện rất lớn đạt tới hàng chục ngàn A/Cm2, làm phát sinh nhiệt độ ở vùng thân hồ quang rất cao từ (300010000)0C. 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,.... 16
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 a) 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 Wđn được 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 . b) Quá trình tự 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. c) 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 đ- ường 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 ... d) Quá trình ion hóa do nhiệt Do có các quá trình phát xạ điện tử và ion hóa do va chạm, một lượng lớn năng l- ượng được giải phóng làm nhiệt độ vùng hồ quang tăng cao và thường kèm theo hiện t- ượng 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. 17
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. 1.2.Tác hại của hồ quang điện đối với thiết bị dùng điện Khi đóng cắt các thiết bị điện như công tắc tơ, cầu dao, máy cắt,...hồ quang sẽ xuất hiện giữa các cặp tiếp điểm. Hồ quang cháy kéo dài 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. - Kéo dài thời gian đóng cắt: do có hồ quang nên sau khi các tiếp điểm rời nhau nhưng dòng điện vẫn còn tồn tại. Chỉ khi hồ quang được dập tắt hẳn mạch điện mới được cắt. - Làm hỏng các mặt tiếp xúc: nhiệt độ hồ quang rất cao nên làm cháy, làm rổ bề mặt tiếp xúc, làm tăng điện trở tiếp xúc. - Gây ngắn mạch giữa các pha: do hồ quang xuất hiện nên vùng khí giữa các tiếp điểm trở thành dẫn điện, vùng khí này có thể lan rộng ra làm phóng điện giữa các pha. - Làm quá điện áp nội bộ: Nếu để xảy ra hồ quang điện phóng chập chờn sẽ gây ra hiện tượng quá điện áp nội bộ làm hỏng cách điện của thiết bị điện hoặc cách điện của đường dây tải điện. - Hồ quang có thể gây cháy và gây tai nạn khác. 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. 2. Một số phương pháp dập tắt hồ quang điện Mục tiêu: Trình bày được các phương pháp dập tắt hồ quang ở các khí cụ điện. Tác dụng nhiệt của hồ quang điện làm hư hỏng các đầu tiếp xúc trong khí cụ điện đóng cắt mạch điện. Vì vậy yêu cầu hồ quang cần phải được dập tắt trong khu vực hạn chế với thời gian ngắn nhất. 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 tắt khi có quá trình phản ion hóa xảy ra mạnh hơn quá trình ion hóa. Ngoài quá trình phân li đã nói trên, song song với quá trình ion hóa còn có các quá trình phản ion gồm hai hiện tượng sau: - Hiện tượng tái hợp. Trong quá trình chuyển động các hạt mang điện trái dấu va chạm nhau, tạo thành các hạt trung hòa. Trong lí thuyết đã chứng minh tốc độ tái hợp tỉ lệ nghịch với bình ph- ương đường kính hồ quang. Hồ quang tiếp xúc với môi trường điện môi thì hiện tượng tái hợp sẽ tăng lên. Nhiệt độ hồ quang càng thấp tốc độ tái hợp càng tăng. - Hiện tượng khuếch tán 18
Hiện tượng các hạt tích điện di chuyển từ vùng có mật độ điện tích cao (vùng hồ quang) ra vùng xung quanh có mật độ điện tích thấp, làm giảm số lượng ion trong vùng hồ quang gọi là hiện tượng khuếch tán. Các điện tử và ion dương khuếch tán dọc theo thân hồ quang, điện tử khuếch tán nhanh hơn ion dương. Quá trình khuếch tán đặc trưng bằng tốc độ khuếch tán. Sự khuếch tán càng nhanh hồ quang càng nhanh bị tắt. Để tăng quá trình khuếch tán người ta thường tìm cách kéo dài ngọn lửa hồ quang. Các yêu cầu 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. Dập tắt hồ quang dùng các biện pháp sau: 2.1.Kéo dài hồ quang bằng cơ khí - Phương pháp tăng nhanh khoảng cách: Hồ quang bị kéo dài thì điện áp duy trì cần phải cao. Nếu điện áp giữa 2 đầu tiếp xúc nhỏ hơn điện áp duy trì thì hồ quang sẽ bị dập tắt. Do đó khi thao tác đóng cắt mạch điện, phải thực hiện nhanh và dứt khoát. E = U/d nếu tăng nhanh khoảng cách d thì E giảm nhanh khi E < Ei thì hồ quang bị dập tắt. Tuy nhiên biện pháp này chỉ thường được dùng ở mạng hạ áp có điện áp nhỏ hơn hoặc bằng 220V và dòng điện tới 150 A. - Dùng tiếp điểm kiểu cầu (Hình 3.2). Trường hợp này khi cắt mạch, hồ quang phát sinh sẽ tạo thành 2 dòng hồ quang ngược chiều nhau, đẩy nhau xa ra, do đó hồ quang được kéo dài và dễ bị dập tắt. Như vậy dùng tiếp điểm kiểu bắc cầu vừa chia nhỏ hồ quang vừa kéo dài hồ quang nên dễ dập tắt chúng. Hình 3.2: Tiếp điểm kiểu cầu 19
2.2.Phân đoạn hồ quang Phân chia hồ quang ra làm nhiều đoạn ngắn: Đặt giữa 2 đầu tiếp xúc động và tĩnh một buồng dập hồ quang, trong buồng có tấm kim loại chịu nhiệt đặt song song với nhau tạo thành các vách ngăn (cách tử) chia nhỏ hồ quang. Khi hồ quang xuất hiện, do lực điện động hồ quang bị đẩy vào các vách ngăn, bị chia ra làm nhiều đoạn ngắn, nhanh chóng bị làm nguội và dập tắt (Hình 3.3). Hình 3.3: Các vách ngăn Loại này thường được dùng ở lưới một chiều dưới 220 V và xoay chiều dưới 500 V. 2.3.Thổi hồ quang bằng khí nén Dùng năng lượng khí nén thổi vào thân hồ quang, đẩy hồ quang ra xa vùng tiếp điểm, đẩy vào các vách ngăn của buồng dập hồ quang làm giảm nhanh chóng năng lượng hồ quang. 2.4. Thổi hồ quang bằng từ Người ta dùng từ trường ngoài ở vùng hồ quang. Từ trường này tác dụng với ngọn lửa hồ quang tạo thành lực điện động đẩy hồ quang ra khỏi vùng tiếp điểm, do đó nó còn có tên là “phương pháp từ thổi”. Từ trường vùng hồ quang có thể dùng nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện (cuộn dây từ thổi) mắc nối tiếp hoặc song song với tiếp điểm chính. 2.5 Dập hồ quang trong vật liệu tự sinh khí Thường dùng trong cầu chì trung áp, khi hồ quang xuất hiện sẽ đốt cháy một phần vật liệu sinh khí (như thủy tinh hữu cơ,...) sinh ra hỗn hợp khí làm tăng áp suất vùng hồ quang và dập tắt hồ quang. 2.6.Chia nhỏ hồ quang bằng các vách ngăn hẹp quanh co Buồng dập hồ quang được dùng bằng amiăng có 2 nửa lồi lõm và ghép lại hợp thành những khe hở quanh co. Trong lúc ngắt mạch, dưới tác dụng của lực điện động, hồ quang bị đẩy vào đường khe quanh co của buồng dập hồ quang. Như vậy, hồ quang vừa tiếp giáp sát vào thành buồng dập hồ quang, vừa bị kéo dài trong khe hở quanh co nên dễ bị dập tắt. 2.7.Dập hồ quang bằng dầu cách điện Phương pháp này dùng trong khí cụ có tiếp điểm đóng cắt đặt trong dầu cách điện. Khi hồ quang cháy sẽ làm phân huỷ dầu tạo ra khí hyđrô có cường độ làm lạnh nhanh, tạo ra áp suất lớn (khoảng 4 at) dập tắt hồ quang. 20