intTypePromotion=3

HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN : MÁY NGẮT ĐIỆN CAO ÁP part 4

Chia sẻ: Ouiour Isihf | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:22

0
110
lượt xem
35
download

HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN : MÁY NGẮT ĐIỆN CAO ÁP part 4

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

. 2 3 4 5 6 7 1 a) P b) Đường đi của tiếp điểm dài, thiết bị dập hồ quang kiểu này thường áp dụng trong máy ngắt điện áp 6 ÷ 10 kV. Hiện nay thiết bị dập hồ quang có bộ phận truyền động ở bên trong là chủ yếu, phần lớn các máy ngắt hiện đại điện áp 35kV và cao hơn đều có thiết bị dập hồ quang kiểu đó. Kết cấu của nó có nhiều loại. Hình 4-23 là sơ đồ kết cấu có tính chất điển hình ...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN : MÁY NGẮT ĐIỆN CAO ÁP part 4

  1. J2 .ρ 2 k 2S2 k 2S2 b1 = ; b2 = + θ0 2 λF2 λ λF2 Nghiệm tổng quát của các phương trình này là: θ 1 = A 1ea1x + A 2 e− a1x + θ 1y (3-35) θ 2 = B1eb1x + B 2 e− b1x + θ 2y (3-36) a2 b2 θ 1y = ; θ 2y = 2 2 2 2 a1 b1 Các hệ số được xác định theo điều kiện sau: dθ x = 0; θ = θ m ; 1 = 0 (3-37) dx ⎛ dθ ⎞ ⎛ dθ ⎞ x = x 1 ; θ1 = θ 2 ; ⎜ 1 ⎟ =⎜ 2⎟ (3-38) ⎝ dx ⎠ x = x 1 ⎝ dx ⎠ x = x1 ⎛ dθ ⎞ x = x 2 ; θ 2 = θ H ; k 2 θ H = − λ⎜ ⎟ (3-39) ⎝ dx ⎠ x = x 2 Các điều kiện giới hạn cho ta: θ1 = 2A 0 cha1 x + θ1y (3-40) θ 1y − θ m A0 = − 2 Từ (3-34) và (3-39) ta có: λ ⎛ dθ 2 ⎞ ( ) (θ 2 )x = x = −α b1 B1eb1x 2 − b1 B 2 e− b1x 2 = θH = − ⎜ ⎟ k 2 ⎝ dx ⎠ x = x 2 2 = B1eb1x 2 + B 2 e− b1x 2 + θ 2y (3-41) λ Với: α = ; từ đây có: k2 −b x ⎛ ab1 − 1 ⎞ θ 2y e 1 2 ⎜ ⎜ ab + 1 ⎟ − ab + 1 − 2 b1x 2 B1 = B 2 e (3-42) ⎟ ⎝1 ⎠ 1 Thực tế tính toán chỉ ra rằng: θ e− b1x 2 ⎛ ab − 1 ⎞ B 2 e− 2b1x 2 ⎜ 1 ⎟ >> 2y ⎜ ab + 1 ⎟ ab1 + 1 ⎝1 ⎠ ⎛ ab − 1 ⎞ B1 = B 2 e− 2b1x 2 ⎜ 1 ⎜ ab + 1 ⎟ Ta có: (3-43) ⎟ ⎝1 ⎠ Theo (3-38) có thể viết: 64
  2. 2a1 A 0sha1 x 1 = b1 B1eb1x1 − b1 B 2 e− b1x1 (3-44) Thay giá trị B1 từ (3-43) vào (3-44) và giải phương trình này đối với B2, ta có: a 2A 0 1 eb1x1 sha1 x 1 b1 B2 = (3-45) ⎛ αb1 − 1 ⎞ − 2b1 (x 2 − x 1 ) ⎜ ⎜ αb + 1 ⎟ e −1 ⎟ ⎝1 ⎠ Từ (3-43) tìm lại: a 2A 0 1 e− b1x 1 sha1 x 1 b1 B1 = (3-46) ⎛ αb1 + 1 ⎞ − 2b1 (x 2 − x1 ) 1− ⎜⎜ αb − 1 ⎟ e ⎟ ⎝1 ⎠ Từ điều kiện x = x 1 , θ 1 = θ 2 tìm nhiệt độ ở chỗ phát nóng θ m, nghĩa là: θ 1y − (θ 1y − θ m )cha1 x 1 = B1eb1x 1 + B 2 e− b1x 1 + θ 2y (3-47) Giải phương trình này đối với θ m và thay các trị số B1, B2 tìm được ở trên: a θ 1y (cha1 x 1 − 1 sha1 x 1 − 1) + θ 2y b1 θm = (3-48) a1 cha1 x 1 − b1sha1 x 1 chỉ kể đến ảnh hưởng nhiệt của tiếp điểm đối với phần dây dẫn nằm trong sứ cách điện. Ta công nhận phần này như thanh dẫn có tiếp xúc ở điểm x=x0. Độ tăng nhiệt trên thanh dẫn do sự tồn tại của tiếp điểm tính theo phương trình: a) Đối với xx0 I 2 R tâ e− a1 (x − x 0 ) Δθ tâx = (3-50) 2 k ∋1SλF 65
  3. θ[ C] o Trong các phương trình này: I = j1F1 : là dòng điện 80 θ1tâ Δθ tâ thiết kế trong thanh dẫn. 60 Rtđ : là điện trở trong chế độ quá độ của tiếp điểm. 40 Nhiệt độ tổng ở điểm x θ1 bất kì xác định từ phương trình 20 : θ 1tđ = θ 1 +Δ θ tdx 100 200 Trên cơ sở phương 300 400 x[mm] trình xây dựng đường cong: θ1tâ = f (x ) như hình 5-14. Hình 3-14. Để tính sự phát nóng hệ thống dẫn điện buồng dập hồ quang của máy ngắt. 3.6. TÍNH TOÁN CÁC TIếP ĐIểM 1. Khái niệm chung Tiếp điểm (hệ thống tiếp xúc) của máy ngắt là chỗ tiếp xúc điện giữa các bộ phận dẫn điện chuyển động và cố định nhờ lực ép của hệ thống lò xo (một hay vài ba lò xo). Yêu cầu chính của các tiếp điểm: 1) Nhiệt độ phát nóng cho phép của các phần dẫn điện chỗ tiếp xúc phải ổn định khi trong chế độ phát nóng dài hạn dòng điện định mức gây ra. 2) Tác động nhiệt và điện động của dòng điện ngắt máy phải bền chắc: Không có hiện tượng nóng chảy các phần của tiếp điểm hay dập nát khi dòng điện ngắn mạch chạy qua. 3) Độ mài mòn về điện các bề mặt làm việc của tiếp điểm hồ quang điện sinh ra khi mở phải là ít nhất. Tính toán các tiếp điểm cần phải tiến hành trên cơ sở tính sự phát nóng, tính độ bền chắc nhiệt và điện động do dòng điện định mức ở chế độ làm việc dài hạn gây ra. Các điều kiện cho trước gồm: 1) Kiểu và kết cấu hệ thống tiếp điểm, của các chi tiết khác của mạch dẫn điện. 2) Trị số dòng điện định mức. 3) Trị số dòng điện xuyên qua giới hạn của máy ngắt. 4) Các tiêu chuẩn nhiệt độ phát nóng cho phép của tiếp điểm (bảng 3-9). Bảng 3-9: Các tiêu chuẩn nhiệt độ phát nóng cho phép của tiếp điểm khi làm việc dài hạn Nhiệt độ phát nóng cho phép lớn Độ tăng nhiệt khi nhiệt độ không khí xung quanh 350C Tên gọi các chi nhất Trong không khí Trong dầu Trong không khí Trong dầu tiết của thiết bị 66
  4. Cách nối tiếp điểm: 1) Đồng và hợp kim của nó không mạ bạc: nén bằng bu lông, đinh vít, đinh tán và các cách nối cứng khác 80 80 45 45 2) Nén bằng lò xo 75 75 40 40 3) Đồng hay hợp kim đồng có mạ bạc 85 85 50 50 4) Bạc hay lót bằng miếng đệm b ạc 100 100 65 65 Dựa vào trị số dòng điện định mức và các điều kiện làm việc (tách rời có dòng điện hay không có dòng điện) để chọn kiểu và kết cấu tiếp điểm. Trong nhiều trường hợp kết cấu của mỗi tiếp điểm được xác định trong bản vẽ sơ bộ chung của buồng dập hồ quang. Khi tính toán và thiết kế cần xác định: 1) Số lượng các bộ phận dẫn điện của hệ thống tiếp điểm và các kích thước của chúng (thanh, tấm, khối,...). 2) Lực nén cần thiết cho từng đôi tiếp điểm và các đặc tuyến tương ứng của lò xo tiếp điểm. 3) Hình dáng các chi tiết, các vật liệu của tiếp điểm chịu được sự phát nóng do hồ quang điện và có độ chống mòn của bề mặt tiếp điểm cao. Dựa theo tiêu chuẩn ΓOCT 8024-56 bảng 3-9 làm cơ sở tính sự phát nóng do dòng điện định mức. 2. Tính toán độ phát nóng do dòng điện định mức của tiếp điểm khi làm việc dài hạn Giới hạn nhiệt độ phát nóng được tính là nhiệt độ chỗ nóng nhất của tiếp điểm, tính nhiệt độ đó bằng các phương pháp thực tế thường dùng (dùng nhiệt kế, cảm biến nhiệt, ...). Điện trở quá độ của tiếp điểm thường tập trung ở vùng bề mặt tiếp xúc, cho nên nhiệt năng tỏa ra ở đây nhiều. Do đó nhiệt độ được đo ở chỗ nào đó trên bề mặt bộ phận dẫn điện của tiếp điểm có thể thấp hơn nhiệt độ trực tiếp ở gần chỗ tiếp xúc. Tính điện trở quá độ của tiếp điểm theo phương trình: ρ πσ R tâ = 2P Trong đó: ρ : là điện trở suất của vật liệu tiếp điểm, Ω .cm σ : là ứng suất chống nát, kg/cm2. P : là lực nén vào tiếp điểm, kg. Phương trình trên chỉ là tính gần đúng, vì điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ. Chúng ta sẽ xét quá trình phát nóng xác lập tiếp xúc đơn giản nhất là có bề mặt tiếp xúc là tròn đường kính 2r0 , nhỏ hơn nhiều so với đường kính thanh dẫn điện (hình 3-15). Điện trường của dòng điện đi qua và trường của nhiệt thông xuyên qua từ bề mặt tiếp xúc đến vùng một nửa vô cực của mỗi thanh dẫn đều có hình dáng như nhau và tương tự như 67
  5. các mặt phẳng đẳng thế (cũng giống như đẳng nhiệt) của trường, như thế là các hình e líp khối cùng tiêu điểm và quay với khoảng cách giữa hai tiêu điểm bằng r0. Trường thanh dẫn khối hình bầu dục đầy tích điện biểu diễn bằng phương trình: x2 y2 z2 +2 +2 =1 (3-53) a2 + υ b + υ c + υ Trong đó: c > b > a υ thay đổi trong khoảng -a2 < υ < ∞. Khi υ = ∞ khối bầu dục là hình cầu có bán kính vô cực, khi υ = - a2 khối bầu dục là hình đĩa bầu dục trên mặt phẳng yz. Điện dung của đĩa đang xét đối với một vài mặt phẳng đẳng thế, với υ = x ( khi có b = c = r0; c = 0) có để tính theo phương trình: 4πε C0 = υ (3-54) dυ ∫ (x ) +υ υ 2 0 0 ε : là hệ số điện môi. Độ dẫn điện của vùng này xác định tương tự theo phương trình: q= const j = const j 1;qm 2r 0 Hình 3-15. Để tính sự phát nóng tiếp điểm. γ G υ = Cυ (3-55) τ Trong đó G υ : là độ dẫn điện của vùng được xét. γ : là điện dẫn xuất của môi trường. Thay Cθ (3-54) vào (3-55), ta được: 4πγ Gυ = υ (3-56) dυ ∫ (r ) +υ υ 2 0 0 68
  6. điện trở của vùng được xét là: υ υ υ ρ2 υ ρ υ ρ ρ dυ ∫ (r 2 + υ) υ = 4π r0 arctg r0 = 2πr0 arctg r0 Rυ = = (3-57) G υ 4π 0 0 0 0 Điện thế trên mặt phẳng υ bằng: υ Iρ υ ϕ υ = IR υ = (3-58) arctg 2πr0 r0 0 Tương tự như trên xác định thế hiệu giữa hai mặt đẳng thế tương ứng với υ = υ1 và υ = υ2 : υ2 υ Iρ υ Iρ 2 dυ ∫ r 2 + υ υ = 2πr0 arctg r0 ϕ1 − ϕ 2 = (3-59) ( ) 4π υ1 0 υ1 Quan hệ giữa điện thế ở điểm bất kì và nhiệt độ θ tại đó biểu thị bằng phương trình: − 2∫ λρdθ = ϕ 2 + C1ϕ + C2 (3-60) λ và ρ : là nhiệt dẫn xuất và điện trở xuất của vật liệu thanh dẫn. Theo định luật Videman - Feranser. ρλ = A θ (3-61) ⎡⎛ V ⎞ ⎤ 2 A = 2,42.10− 8 ⎢⎜ ⎟ ⎥ : là hằng số vạn năng. ⎢⎝ âäü ⎥ ⎠⎦ ⎣ Tìm quan hệ giữa ϕ và θ bằng cách giải liên hợp (3-60) và (3-61), lấy tích phân trong khoảng θ ÷ θ 0 ta được: ϕ 2 + C1ϕ + C2 = − A (θ 0 − θ 2 ) (3-62) 2 nhiệt độ θ 0 tương ứng với điểm vô cực ( υ = ∞). Từ các điều kiện giới hạn tìm được các hệ số không và C2: υ = ∞; θ = θ 0 ; ϕ = 0 (3-63) ∂θ υ = 0; θ = θ m ; ϕ = ϕ 0 ; =0 (3-64) ∂ϕ C1 = −2ϕ 0 ; C2 = 0 (3-65) Thay vào (3-62): ϕ 2 − 2ϕ 0 ϕ + A (θ 0 − θ 2 ) = 0 (3-66) 2 1 ϕ0 = A 2 θ0 − θ 2 (3-67) 2 m Giải liên hợp (3-60) và (3-67), ta được quan hệ giữa ϕ và θ trong dạng rõ ràng: 69
  7. 1 ϕ − ϕ0 = ± A θ2 − θ2 (3-68) 2 m Lấy vi phân (3-68): θdθ 1 d(ϕ − ϕ 0 ) = ± A 2 (3-69) θm − θ2 2 Mặt khác, từ phương trình (3-69) và các điều kiện giới hạn cho ta: Iρ dυ d(ϕ 0 − ϕ) = (3-70) ( ) 4π r02 + υ υ Theo (3-61) Aθ ρ= λ AI θ dυ d(ϕ 0 − ϕ) = (3-71) 4πλ (r02 + υ) υ Cân bằng các vế bên phải của phương trình (3-69) và (3-71), lấy tích phân trong khoảng θ 1 ÷ θ 2 ta được: 1 υ2 θ2 dθ υ 2 AI ∫ ± = arctg 2πλr0 θm − θ r0 2 2 θ1 υ1 1 υ2 θ2 θ υ 2 AI Để có : ± arcsin = (3-72) arctg θm 2πλ.r0 r0 θ1 υ1 Thay các điều kiện ban đầu: υ1 = ∞ ; θ 1 = θ 0 υ2 = 0 ; θ 2 = θ m Biểu thức để tính nhiệt độ phát nóng điểm tiếp xúc: 1 ⎛θ ⎞ IA 2 ⎜ ⎟= (3-73) arccos 0 ⎜θ ⎟ 4λr ⎝m ⎠ 0 P r0 = (3-74) πσ Trong đó P : là lực nén vào điểm tiếp xúc, kg. σ: là ứng suất chống dập nát, kg/cm2. Phương trình (3-73) có dạng: 1 ⎛ θ ⎞ IA 2 πσ arccos 0 ⎟ = ⎜ (3-75) ⎜θ ⎟ 4λ P ⎝ m⎠ Lực nén vào điểm tiếp xúc: 70
  8. I 2 A πσ 1 P= ,kg (3-76) 16λ ⎡ 2 2 ⎛ θ 0 ⎞⎤ ⎜ ⎜ θ ⎟⎥ ⎢arccos ⎟ ⎝ m ⎠⎦ ⎣ θ 0 : là nhiệt độ điểm vô cực, thực tế là nhiệt độ phát nóng đoạn thanh dẫn điện. Như vậy, để tính θ 0 có thể sử dụng các phương trình cân bằng nhiệt lưu nêu trên (bảng 3-7) đối với chế độ phát nóng xác lập. Trong trường hợp riêng, nếu tiếp điểm được tạo thành do các đầu mút của hai thanh dẫn cùng tiết diện, thì tính θ 0 tiến hành theo phương trình: I 2ρ [0K] θ0 = + θ 0bâ + 273 kSF Theo thực nghiệm độ tăng nhiệt của điểm tiếp xúc θ m so với nhiệt độ ở điểm vô cực θ 0 bằng: θ m − θ 0 = 5 ÷ 10 [0C] Ví dụ: 1) Tìm lực nén cần thiết của tiếp điểm đồng tại một điểm nơi các tham số cho trước như sau: I = 800A ; θ 0 = 70 + 273 = 3430K. θ m = 75 + 273 =3480K; σ =5200 kg/cm2. Theo phương trình (3-76) tìm được: − I 2 A πσ 64.104.2,42.108.3,14.5,2. 3 10 P= = = 41kg 16.(3,6) .(0,17) 2 2 2 ⎡ ⎛ θ 0 ⎞⎤ ⎜ ⎜ θ ⎟⎥ 16λ2 ⎢arccos ⎟ ⎝ m ⎠⎦ ⎣ 2) Xác định nhiệt độ phát nóng xác lập θ m của bề mặt trong tiếp xúc một điểm, nếu lực nén vào tiếp xúc bằng 30kg, nhiệt độ của điểm vô cực θ 0=3480K, dòng điện phụ tải I = 800A. a) Đối với đồng σ = 5200 kg/cm2, từ phương trình (3-75) tìm được: 1 ⎛ θ ⎞ IA 2 πσ 8001,5610 −4 3,14.5200 .. arccos 0 ⎟ = ⎜ =β = = 0,204 rad ⎜θ ⎟ 4λ P 4.3,6 30 ⎝ m⎠ cos β = 0,979 b) Nhiệt độ trên bề mặt tiếp xúc: θ 348 θm = 0 = = 3570 K = 840 C cosβ 0,979 c) Độ tăng nhiệt độ của tiếp điểm so với điểm vô cực: θ m − θ 0 = 357− 348 = 90 C 71
  9. Như đã nói ở trên trong bước tính nhiệt độ cho trước θ 0 bằng cách chọn các kích thước tiết diện F và chu vi S của các phần dẫn điện tạo thành tiếp điểm, có tính đến các điều kiện làm lạnh. Trong trường hợp, nếu hệ thống tiếp điểm không phải một điểm tiếp xúc, mà là một số điểm, thì xác định nhiệt độ θ m ở một trong các điểm đó. Khi này giả thiết sự phân bố dòng điện và lực nén như nhau tại mọi điểm. Phương trình (3-75) và (3-76) chỉ đúng với các tiếp điểm chưa bị ôxy hóa, khi bị ôxy hóa lực nén phải tăng lên 10 ÷ 25%. Chúng ta sẽ nghiên cứu phương pháp tinh sự phân bố nhiệt độ dọc theo hệ thống dẫn điện có tiếp điểm. Xét trường hợp đơn giản nhất, khi tiếp điểm là các đầu mút của hai thanh dẫn có tiết diện giống nhau. Trị số nhiệt thông xuyên ra từng tiếp điểm vào mỗi thanh dẫn có thể tính trên cơ sở của phương trình: Φ x 1 = IU tâ1 (3-77) I : là dòng điện đi qua tiếp điểm. Utđ1 : là điện áp rơi trên mỗi nửa của tiếp điểm. Điện áp rơi tính theo phương trình (3-68) 1 U tâ1 = ϕ 0 = A 2 θ 0 − θ 2 (3-78) 2 m Như vậy: 1 Φ x 1 = IA θ m − θ 0 (3-79) 2 2 2 Một cách gần đúng coi năng lượng nhiệt tỏa ra trong vùng gần đầu mút chỉ do tiếp điểm, nhiệt thông phát triển đến tuyến tính dọc trục phần dẫn điện của tiếp điểm, nhiệt độ dọc mỗi phần tính theo phương trình: Φ x1 kS I 2ρ z θz = + + θ0 λF (3-80) e kSλF kSF Độ tăng nhiệt lớn nhất do có tiếp điểm (khi x=0) xác định theo: Φ x1 Δθ tâm = (3-81) kSλF nhiệt độ phát nóng lớn nhất các chi tiết xúc ở gần tiếp điểm tính theo phương trình: Φ x1 I 2ρ θ tâm = + + θ0 (3-82) kSλF kSF Nhiệt độ nhận được từ (3-82) không được quá trị số cho phép (bảng 3-9). Ngoài cách đã xét, còn có phương pháp tính gần đúng sự phát nóng hệ thống tiếp điểm theo trị số nhiệt thông Φx1 được xác định từ: 1 Φ x 1 = I 2 R tâ 2 Trong đó: Rtđ : là điện trở quá độ của tiếp điểm. 72
  10. Trị số điện trở này tính theo công thức thực nghiệm: R tâ = Ctâ ρH 0,5 P− k (3-83) B -6 ρ : là điện trở suất, Ωcm10 . HB : là độ rắn theo Brinhenlơ, kg/mm2. P : là áp suất tiếp xúc, kg. Hệ số ctđ phụ thuộc vào độ gia công bề mặt tiếp điểm. Khi tiếp điểm của máy ngắt đánh bóng rất thô thì ctđ = 2 ÷ 3. Số mũ k phụ thuộc vào áp suất tiếp xúc và trạng thái của bề mặt. Khi phụ tải lớn hơn giới hạn cháy k=0,5. 3. Tính độ bền vững của tiếp điểm khi dòng điện ngắn mạch tác động Khi dòng điện ngắn mạch đi qua hệ thống tiếp điểm, các bề mặt tiếp xúc bị phát nóng rất mạnh. Khi đó, nếu áp lực không đủ mà dòng điện lớn, thì sự phát nóng làm cho vật liệu tiếp điểm có thể bị nóng chảy, kết quả dính chặt các bộ phận tiếp điểm với nhau. Cùng với tác động nhiệt khi dòng điện ngắn mạch, trong các bộ phận tiếp điểm có thể sinh ra lực điện động lớn, hướng cùng chiều hay ngược chiều lực tác động của lò xo tiếp điểm. Trong trường hợp ngược chiều nếu lực của lò xo không đủ lớn mà dòng điện ngắn mạch lớn có thể xảy ra nóng chảy hay dính chặt các tiếp điểm. Như vậy, vì tiếp điểm bị nẩy lên áp lực vào tiếp điểm là: Potâ = Ptâ ± Pâo (3-84) Trong đó Ptđ : là lực đặt của lò xo tiếp điểm. Pđo : là tổng lực điện động tương ứng với biên độ nửa chu kì đầu của dòng điện ngắn mạch. Khi tính độ bền vững giả thiết rằng, nhiệt độ của các bề mặt θ m có thể đạt tới giá trị khá cao, nhưng không vượt quá nhiệt độ nóng chảy của vật liệu tiếp điểm. Ví dụ với tiếp điểm bằng đồng, nhiệt độ không được quá θ m = 800 + 273 = 10830K. Để tính độ bền vững (khi dòng điện xuyên qua giới hạn) của tiếp điểm một điểm, đưa phương trình (3-75) về dạng: θ 4λ I bv = [ arccos( 0 )] P ,A (3-85) θm aπσ Trong phương trình này, tương ứng với θ m = 10830K, có σ = 250 ÷ 300 kg/cm2. Giá trị Ibv khi dòng điện xoay chiều có biên độ nửa chu kì đầu lớn được lấy bằng dòng điện ngắn mạch. Từ phương trình (3-84) và (3-85) tính giá trị lực đặt cần thiết lên lò xo tiếp điểm Ptđ, nếu cho trước trị số dòng điện bền vững Ibv. 73
  11. A πσI 2 Ptâ = ± Pâo (3-86) bv 2 ⎡ ⎛ θ 0 ⎞⎤ ⎜ ⎜ θ ⎟⎥ 16λ2 ⎢arccos ⎟ ⎝ m ⎠⎦ ⎣ Lực điện động đặt Pđo trong trường hợp chung là tổng lực: Pâo = Pâ1 ± Pâ2 (3-87) Pđ1 :là lực kéo của dòng điện chỗ tiếp xúc hướng ngược chiều tác động của lực lò xo tiếp điểm. Trị số lớn nhất của nó tìm được trên cơ sở của phương trình chung: F Pâ1 = 1,02.10−8 I m ln ,kg. 2 S0 Trong đó Im : là biên độ dòng điện. F : là tiết diện phẳng của bộ phận tiếp điểm. P S0 = πr02 = : là diện tích tiếp xúc. σ Nói chung khi ngắn mạch trong quá trình làm việc qua tiếp điểm tri số f0 cũng thay đối cùng với sự thay đổi trị số tức thời của dòng điện itđ, P và σ cũng thay đổi (giảm khi tăng nhiệt độ của diện tích tiếp xúc), để đơn giản xem như S0 = const trong quá trình làm việc của tiếp điểm và luôn luôn là: P S0 = σ Trong tính toán sơ bộ trị số lực tổng P cho trước và khi tính toán chính xác sẽ nghiệm lại, ứng suất chống dập nát σ có tính đến khả năng phát nóng diện tích tiếp xúc ở nhiệt độ cao (thí dụ đối với đồng θ m = 10830K). Trong phương trình (3-87) lực điện động đặt Pâ2 là lực hỗ cảm của bộ phận dẫn điện, các tiếp điểm khác nhau cần các phần dẫn điện. Hướng của lực đặt này phụ thuộc vào hình dạng, vị trí tương hỗ của bộ phận dẫn điện của tiếp điểm này với hệ thống dẫn điện của tiếp điểm khác và toàn bộ thiết bị. Tính trị số lực điện kháng Pâ2 được tiến hành trên cơ sở các phương pháp chung đã xét ở mục 3.2. Trong kết cấu của máy ngắt, hình dạng mạch dẫn điện, vị trí tương hỗ các bộ phận dẫn điện của tiếp điểm cần phải chọn sao cho để lực điện động hướng ngược chiều Pâ1 , nghĩa là cùng chiều với lực lò xo tiếp điểm Ptđ. Do đó, lực nén vào tiếp điểm tăng dần đến cho phép tăng dòng điện bền vững Ibv. 74
  12. CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ VÀ ĐẶC TUYẾN CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ DẬP HỒ QUANG TRONG MÁY NGẮT KHÔNG KHÍ 4.1. KHÁI NIệM CHUNG Về TÍNH TOÁN CÁC THIếT Bị DậP Hồ QUANG Trong máy ngắt cao áp thiết bị dập hồ quang là bộ phận quan trọng nhất, khi ngắt mạch điện ở đó xảy ra các quá trình cơ bản dập hồ quang và tiếp theo đó là phục hồi độ bền về điện giữa các khoảng cách tiếp điểm. Quá trình xảy ra rất phức tạp phụ thuộc vào sự làm việc của kiểu thiết bị dập hồ quang, phụ thuộc khả năng dập hồ quang của thiết bị và phụ thuộc vào đặc tuyến V-A của quá trình đó. Dạng đặc tuyến của quá trình này phụ thuộc vào nguyên tắc tác động của thiết bị và vào các đặc điểm kết quả từng chi tiết của nó. Tính và thiết kế thiết bị dập hồ quang là một trong các nhiệm vụ quan trọng khi thiết kế máy ngắt. Trong tính toán cần phải xác định các tham số của thiết bị và các đặc tuyến của nó: Các tham số của thiết bị dập hồ quang gồm: - Số lượng và kích thước chính của các đường rãnh dập hồ quang. - Số lượng, vị trí tương hỗ và trị số các khoảng cách giữa các tiếp điểm trong lúc dập tắt hồ quang cũng như kích thước, hình dáng của tiếp điểm tạo thành các khoảng cách. Các đặc tuyến của thiết bị dập hồ quang gồm: - Đặc tuyến tốc độ chuyển động của các tiếp điểm dập hồ quang và của van (nếu có). - Trị số lớn nhất và đặc tuyến thay đổi áp suất của môi trường tạo thành khí trong vùng dập hồ quang (trong các đường rãnh làm việc, trong không gian và trong các thiết kế để thải khí, ...). - Tốc độ cháy của môi trường dập hồ quang trong vùng dập hồ quang ở từng giai đoạn dập hồ quang. - Tốc độ chuyển dịch của thân hồ quang trong từ trường (nếu áp dụng dập hồ quang bằng điện từ). - Sự thay đổi điện áp trên hồ quang và năng lượng thải ra trong hồ quang. - Sự thay đổi trạng thái (độ dẫn từ, độ bền điện, nhiệt độ,...) mà gọi là thân dư ở cuối nửa chu kì của dòng điện và sự phục hồi độ bền về điện của khoảng cách giữa các tiếp điểm. Một số đặc tuyến: - Tốc độ chuyển động của các tiếp điểm. - Áp lực của không khí hay khí tác động vào đầu rìa của tiếp điểm di động,... được sử dụng làm tham số cho trước để tính toán các khâu khác của máy ngắt liên quan đến các tiếp điểm của thiết bị dập hồ quang (truyền động cơ khí, truyền động bình chứa không khí, 76
  13. van, ...). Như vậy tính chính xác kích thước các chi tiết của thiết bị dập hồ quang phải tiến hành trước khi tính và gia công các khâu khác của máy ngắt. Thiết bị dập hồ quang của các máy ngắt hiện đại phải thỏa mãn các yêu cầu chung: 1) Dập tắt hồ quang điện chắc chắn ở điện áp định mức cho trước, khi ngắt các dòng điện giới hạn (có khi đến hàng chục kA) trong một thời gian nhất định. 2) Dập hồ quang điện chắc chắn và nhanh, không cháy lặp lại khi ngắt các dòng điện điện dung của đường dây không tải và các dòng điện kháng của máy biến áp không tải. 3) Làm việc ổn định không thay đổi các đặc tuyến đoạn đầu trong thời gian vận hành đã qui định và số lần đóng ngắt quy định. 4) Kết cấu đơn giản, dễ gia công và thuận tiện trong vận hành. 5) Tiêu hao môi trường dập hồ quang (chất lỏng, không khí nén hay khí) hoàn thành thao tác qui định cần phải ít nhất. Trong khi tính và thiết kế thiết bị dập hồ quang các tham số cho trước gồm: 1) Sơ đồ kết cấu của thiết bị. 2) Loại và tính chất của môi trường dập hồ quang. 3) Điện áp định mức đặt vào tất cả khoảng cách của máy ngắt đóng liên tiếp giữa các tiếp điểm với nhau và phân bố điện áp giả định (hay đã tính trước) theo từng khoảng cách riêng. 4) Trị số dòng điện ngắt giới hạn lớn nhất và công suất ngắt định mức. 5) Tần số của thành phần qúa độ điện áp phục hồi và hệ số tăng biên độ. 6) Dòng điện phụ tải của hệ thống tiếp điểm thiết bị dập hồ quang khi làm việc dài hạn. 7) Áp suất không khí (khí) cho trước trong bình chứa và trong các ống dẫn không khí (nếu thiết kế máy ngắt không khí trụ). 8) Thời gian dập hồ quang và chu trình thao tác qui định. 9) Giả định cách bố trí thiết bị dập hồ quang trong máy ngắt. 4.2. ĐặC TUYếN CHUNG CủA QUÁ TRÌNH DậP Hồ QUANG KHI THổI DọC Làm lạnh thân hồ quang trong buồng không khí nén có cường độ cao là một trong những phương tiện dập hồ quang hiệu quả ở các máy ngắt cao áp điện xoay chiều. Quá trình dập hồ quang phụ thuộc vào hình dáng và vị trí tương hỗ của các tiếp điểm và của miệng ống. 77
  14. Hình 4-1. Các cách thổi dọc trong bình của máy ngắt không khí. a) Thổi một phía qua miệng ống kim loại. b) Thổi một phía qua miệng ống cách điện. c) Thổi hai phía đối xứng qua tiếp điểm kiểu miệng ống. d) Thổi hai phía không đối xứng qua tiếp điểm kiểu miệng ống. i P PK K P b) K a) P K c) d) P K Các công trình nghiên cứu về lí thuyết và về thực nghiệm chỉ ra rằng, ở các thiết bị như thế có thể dập tắt hồ quang một cách kết quả nhất với các điều kiện chủ yếu sau: 1) Tốc độ của luồng không khí nén tại biên độ dòng điện khi trong miệng ống có hồ quang tắt không được nhỏ hơn giới hạn cho phép. 2) Ở ngay cuối nửa chu kì của dòng điện hồ quang, trong khoảng thời gian tương đối ngắn tốc độ của luồng khí nén miệng ống phải đạt tới giá trị tới hạn, còn trị số áp suất trong vùng thân dư phải lớn nhất. Với các điều kiện trên, quá trình nứt vỡ thân dư do ion đã xảy ra mãnh liệt và sự phục hồi độ bền về điện của khoảng cách giữa các tiếp điểm có quan hệ với quá trình đó. Từ điều kiện này phương pháp tính các thiết bị dập hồ quang sau đó dẫn đến giải quyết các nhiệm vụ: 1) Tính mức chảy của không khí (khí) qua miệng từ khi có hồ quang điện. 2) Tính trị số và đặc điểm thay đổi tốc độ chảy của không khí trong vùng hồ quang ở ngay cuối nửa chu kì dòng điện hồ quang và trong khoảng thời gian ngắn tiếp sau. 3) Tính sự phục hồi độ bền về điện của khoảng cách hồ quang khi ngắt dòng điện giới hạn và các dòng điện khác, xác định công suất ngắt. 4) Với các điều kiện cho trước tính các tham số hình học của thiết bị dập hồ quang. 78
  15. 4.3. TÍNH TOÁN LƯợNG KHÔNG KHÍ (KHÍ) CHảY QUA MIệNG ốNG CÓ Hồ QUANG ĐIệN Trong mục này ta nghiên cứu quá trình chảy của không khí (khí) từ bình chứa của thiết bị dập hồ quang, khi thân hồ quang nằm dọc trục miệng ống hình trụ (hình 4-2a). Sự tồn tại hồ quang điện trong luồng khí có quan hệ với hiệu ứng nhiệt vào miệng ống có thể rất nhỏ. Trường hợp giới hạn: nếu áp suất trong bình thấp, tiết diện ống nhỏ, công suất hồ quang lại rất lớn, thì tốc độ chảy vào có thể bằng không. Sự giảm tốc độ dẫn đến giảm cường độ làm lạnh thân hồ quang, ảnh hưởng xấu đến quá trình phục hồi độ bền điện của khoảng cách giữa các tiếp điểm ở cuối nửa chu kì của dòng điện hồ quang. Như vậy, hiệu ứng nhiệt động trong quá trình dập hồ quang ở máy ngắt đóng vai trò chủ yếu. Sau đây đưa ra các phương trình cơ bản để tính tốc độ không khí chảy qua miệng ống của buồng dập hồ quang và nghiên cứu phương pháp gần đúng xác định tiết diện cần thiết của miệng ống khi cho trước các giá trị dòng điện ngắt và áp suất không khí trong bình chứa. Để tính toán đơn giản hơn ta giả thiết như sau: 1) Quá trình chuyển động của khí và các tham số của không khí lạnh không thay đổi, nghĩa là có: (P0 , γ 0 , θ 0 , i 0 ) = const. 2) Năng lượng nhiệt tỏa ra do đoạn thân hồ quang đang xét liên tiếp nhập vào luồng khí và phân bố đều theo tất cả luồng. 3) Sự chảy của khí được xem như không có ma sát (entrôpi không đổi). Cần xác định sự phụ thuộc của tốc độ luồng khí ở cửa miệng ống W1 (tiết diện 1) trong kết quả tính toán vào các kích thước của miệng ống, vào tham số của khí lạnh cố định gồm (P0 , γ 0 , θ 0 , i 0 ) và công suất hồ quang. Với luồng khí của hệ thống đang xét (hình 4-2b) các phương trình cho trước gồm: 1) Phương trình xung: νdν − νdp = (4-1) g 2) Phương trình năng lượng: νdν dQ = Cp dθ + A (4-2) g 3) Phương trình trạng thái: 79
  16. pV = Zθ (4-3) 4) Phương trình lưu lượng không đổi: G ν1 ν 2 = = = const (4-4) F V1 V2 Các ký hiệu: 1 V = : là thể tích riêng khí, a) γ m3/kg. p : là áp suất tuyệt đối, kg/m2. U ν : là tốc độ của luồng khí, 2 a0 m/s. 0 F P 2 g = 9,81 m/s : là gia tốc rơi tự 0 w1 w2 θ0 do. Z = 29,27 [m/độ] : là hệ số L g không đổi của khí. 0 P P 1 1 2 b) A= : là [ kcal/ kg.m] θ1 θ2 427 g g 1 2 đương lượng nhiệt. Hnh 4-2. Sơ đồ tính không khí chảy qua miệng ống khi Cp : là nhiệt dung khí khi áp có hồ quang điện. suất không đổi. Q Q = 0 : là lượng nhiệt trên G một đơn vị trọng lượng khí, kcal/kg. Trong trường hợp đang xét: Q0 = 2,4.10−4 U hqi hq [kcal/s]. Uhq : là điện áp trên phần đang xét của thân hồ quang, V. Ihq : là dòng điện hồ quang, A. Như vậy, đối với hệ thống đang xét có bốn phương trình và tám ẩn số là: (ν 1 , p1 , θ1 , V1 , ν 2 , p2 , θ 2 , V2 ) . Các phương trình (4-1) và (4-2) được áp dụng cho luồng khí của các tiết diện giữa 0-1 và giữa 1-2. Phương trình (4-3) được áp dụng cho trạng thái của khí ở đầu vào cuối miệng ống, nghĩa là cho các tiết diện 1-2. Phương trình (4-8) dựa trên cơ sở ở mặt cắt ngoài của miệng ống tốc độ chảy sẽ bằng tốc độ tiếng động tương ứng cho các tham số của khí: p2, V2 và θ 2 nghĩa là: ν 2 = kg.p 2 V2 = kg.Z.θ 2 (4-5) Trong đó Z = 1,4 : là chỉ số aziabat. (Cách giải này sẽ xét sau). 80
  17. Ở đoạn 0-1, không có nguồn năng lượng nhiệt, phương trình đúng đối với tốc độ ở cửa miệng ống. ⎡ ⎤ k −1 ⎛ p1 ⎞ k ⎥ ⎢1 − ⎜ ⎟ k = bϕ 1 (β 1 ) ν 1 = 2g (4-6) p 0 V0 ⎢ ⎜ p0 ⎟ ⎥ k −1 ⎝⎠⎥ ⎢ ⎣ ⎦ Có: b = p0 V0 ,[m1/2]. ⎡1⎤ k −1 k ϕ1 (β 1 ) = 2g − (1 − β 1 ) , ⎢ m 2 / s⎥ k k −1 ⎣ ⎦ p β1 = 1 . p0 Phương trình đối với tốc độ khí ở một số tiết diện miếng ống n, nằm cách cửa một khoảng l. k ⎡ Qn Z ⎤ ν n = 2g + p0 V0 − p n V n ⎥ ⎢ k − 1 ⎢ Cp ⎥ ⎣ ⎦ Q0 n Q Qn = ; Q0 n = 0 l G L Trong đó: -L : là chiều dài của miệng ống, m. -l : là chiều dài của đoạn xét, m. Như vậy tốc độ ở mặt cắt ngoài của miệng ống có thể xác định bằng phương trình: k ⎡ QZ ⎤ ν 2 = 2g + p0 V0 − p 2 V 2 ⎥ (4-7) ⎢ k − 1 ⎢ Cp ⎥ ⎣ ⎦ Mặt khác, ở dưới và trên chế độ tới hạn của quá trình chảy trong ống kính hình trụ (điều đó ta sẽ xét tốc độ ν 2 bằng tốc độ tiếng động và xét theo phương trình 4-3). Giải liên hợp phương trình (4-5) và (4-7) đối với p2V2 ta được: 2 ⎛ QZ ⎞ ⎜ + p0 V0 ⎟ p2 V2 = (4-8) k + 1 ⎜ Cp ⎟ ⎝ ⎠ Phương trình lưu lượng đối với đoạn 0-1 là: G ν1 = a.Ψ (β 1 ) = (4-9) F V1 ⎡ ⎤ kg p0 ,⎢ 5 ⎥ a= Có: ⎢ 2⎥ V0 ⎣m ⎦ 81
  18. k ⎡ k 1⎛ ⎞⎤ k +1 2 1 Ψ (β1 ) = 2g ⎜ β1 k ⎟ ⎥ ,[ m 2 / s]. ⎢β1 ⎜ ⎟ k 1⎢ ⎠⎥ ⎝ ⎣ ⎦ Khi đó năng lượng dẫn từ hồ quang vào tính theo: Q QV Q0 Q= 0 = 0 1 = (4-10) F.a.ψ (β 1 ) Fν 1 G Giải liên hợp (4-7), (4-8) và (4-10) xác định được hàm số ν 1 = f (β 1 ) : k⎡ ⎤ Q0 Z ν 2 = 2g + p0 V0 ⎥ (4-11) ⎢ k + 1 ⎢ Cp F.a.Ψ (β 1 ) ⎥ ⎣ ⎦ Trong phương trình này có ν 2 và β1 là ẩn số. Sử dụng phương trình xung (4-1) ta tìm được một trong các ẩn số này, với đoạn 1-2 có dạng: 1 ν1 (ν 2 − ν 1 ) = 1 a.Ψ (β 1 )(ν 2 − ν 1 ) p1 − p 2 = (4-12) g V1 g Trên cơ sở (4-5) và (4-9) tìm được: ν p 2 = 2 a.Ψ (β 1 ) kg Thay giá trị p2 vào phương trình (4-12), có: k ⎡ gp1 ⎤ + bϕ1 (β 1 )⎥ ν2 = (4-13) ⎢ k + 1 ⎣ a.Ψ (β 1 ) ⎦ Cân bằng các vế của hai phương trình (4-11) và (4-13), chia cả hai vế cho p0 V0 , sau khi biến đổi cuối cùng ta được: k⎡ ⎤ k ⎡ gp1 ⎤ Q0 Z + ϕ1 (β 1 )⎥ = 2g + 1⎥ ⎢ (4-14) ⎢ k + 1 ⎣ Ψ (β 1 ) k + 1 ⎢ Fp0 Cp θ .Ψ (β 1 ) ⎥ ⎦ ⎣ ⎦ Phương trình (4-14) xác định quan hệ của tỉ số: Q0 = f (β 1 ) Fp 0 N Trong đó : Q 0 = 0 ,[kcal/s]. 4,18 N 0 = U hq i hq : là công suất hồ quang, kW. Uhq : là điện áp trên thân hồ quang, kV. ihq : là dòng điện hồ quang, A. Phương trình (4-14) dẫn về dạng: 82
  19. ⎧ m ⎡ gβ ⎫ 2 ⎤ ⎪ ⎪ N 0 4,18 + ϕ1 (β 1 )⎥ − 1⎬ = f 1 (β 1 ) = Ψ (β 1 )⎨ ⎢ (4-15) 1 ⎪ 2g ⎣ Ψ (β 1 ) ⎪ ⎦ FP n ⎩ ⎭ 0 Trong đó: 1 k Z [m 2 . kg/kcal]. m= n= , , k +1 Cp θ 0 Theo phương trình (4-15) và (4-16) tìm được: ν 1 = Zθ 0 ϕ1 (β 1 ) = f 2 (β 1 ) ⎛N ⎞ Có thể lấy: ν 1 = f 3 ⎜ 0 ⎟ ⎜ FP ⎟ ⎝ 0⎠ Từ các phương trình trên , ở hình 4-3 xây dựng đường cong xác định tốc độ luồng khí ở lối vào miệng ống vào như hàm số công suất hồ quang, tiết diện ống và áp suất trong bình chứa. P N Trị số β 1 = 1 thay đổi từ 0,528 ÷ 1 tương ứng trị số 0 thay đổi từ 0 ÷ ∞. P0 FP0 N Trong giới hạn, khi 0 → ∞ , nghĩa là công suất hồ quang rất lớn (hay tích FP0 rất FP0 bé), tốc độ không khí vào ống có thể giảm tới không, sự chảy không khí từ bình chứa vào ống chấm dứt, coi như nút kín ống. Khi tính công suất hồ quang (N0) phải tìm diện tích trên thân hồ quang: [kV]. U hq = L hq E hq.tb Trong đó: Lhq : là chiều dài của đoạn thân hồ quang nằm giữa tiếp điểm (khi thổi một phía) và mặt cắt ngoài của ống, cm. Ehqtb : là građien trung bình điện áp ở thân hồ quang. Trong tính toán sơ bộ gần đúng có thể lấy: E hqtb = 0,15[kV/cm ] 83
  20. Công suất hồ quang khi ν 1[m/ dòng điện hồ quang thay đổi s] theo hình sin tính theo: 35 350 N0 = U hq I m sin ωt . N0 Như vậy, với điện xoay 30 300 P0 chiều tốc luồng khí ν 1 sẽ thay đổi theo trị số của tần số điện F 25 250 xoay chiều. Từ các phương trình 20 200 trên, các đường cong có thể xác 15 150 định các công thức gần đúng để tính tốc độ (khi θ 0 = 3000K). Tốc độ ν 1 thay đổi trong 10 100 giới hạn: 50 5 0 < ν 1 ≤ 70[ m / s]. N0 [ kV / kg] Công thức có dạng: P0 F 0 0 Hình 4-3.I) c độ0luồng không khí ở lối vào0ống hình tr15 hi có I) I Tố 5 1 ụk 20 ) ồ quang. 25 30 Ih 0 50 100 150 200 250 300 FP ν 1 = 860 [m/s]. (4-16) 0 N0 Đối với tốc độ có giá trị lớn: 70 < ν 1 ≤ 333 [m/s] N0 ν 1 = 333− 110.3 [m/s]. (4-17) FP0 Trong đó: F = [ cm2 ] , P0 = [ at] , N 0 = [kW] Trong trường hợp điện xoay chiều hình sin các công thức có dạng tương ứng: FP ν 1 = 860 (4-18) 0 U hq I m sin ωt U hq I m sin ωt ν 1 = 330 − 110.3 (4-19) FP0 Nhận thấy rằng, khi ngắt các dòng điện lớn đặc tuyến thay đổi tốc độ được xác định bằng phương trình (4-16). Ví dụ, khi P0 = 12 at, F = 3,46 cm2, Im = 8200 A và Uhq = 700 V khoảng thời gian ở cuối nửa chu kì tất cả chỉ có 2,5.10-4 s, ν 1 > 70 m/s. Từ các công thức trên và đường cong hình 4-3 có xác định kích thước tiết diện ống khi cho trước tốc độ luồng khí nhỏ nhất ở lối vào và cho trước biên độ dòng điện ngắt. 84

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản