HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN : MÁY NGẮT ĐIỆN CAO ÁP part 6

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

Thêm vào BST

Báo xấu

100
lượt xem 20
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hình 4-23. Các sơ đồ kết cấu của bộ phận dập hồ quang với tổ hợp tiếp điểm pít tông đơn giản. a) Một khoảng ngắt dập hồ quang. b) Hai khoảng ngắt dập hồ quang. 1) Bình chứa khí. 2) Thiết bị thải khí thừa. 3) Thân hình trụ. 4) Lò xo tiếp điểm chính. 5) Tiếp điểm pít tông. 6) Tiếp điểm lấy điện. 7) Tiếp điểm tĩnh hình ống. 8) Điện cực thu hồ quang

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN : MÁY NGẮT ĐIỆN CAO ÁP part 6

Hình 4-23. Các sơ đồ kết cấu của bộ phận dập hồ quang với tổ hợp tiếp điểm pít tông đơn giản. a) Một khoảng ngắt dập hồ quang. b) Hai khoảng ngắt dập hồ quang. 1) Bình chứa khí. 2) Thiết bị thải khí thừa. 3) Thân hình trụ. 4) Lò xo tiếp điểm chính. 5) Tiếp điểm pít tông. 6) Tiếp điểm lấy điện. 7) Tiếp điểm tĩnh hình ống. 8) Điện cực thu hồ quang. 3 2 4 5 6 7 1 P b) a) 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. Sơ đồ kết cấu đơn giản nhất (hình 4-23a) có các khâu chính sau vỏ bình chứa 1 trong dạng sứ cách điện làm từ vật liệu đồ gốm có độ bền cao hay từ vật liệu cách điện nào đó, nắp mũ tĩnh 7 ở hộp tiếp điểm pit tông cùng với tiếp điểm động dập hồ quang và các thiết bị thải khí 2, 8. Ở hộp tiếp điểm pit tông trong dạng đơn giản gồm: thân hình trụ 3 với toàn bộ các tiếp điểm trượt lấy điện 6, tiếp điểm kiểu đặc hay kiểu ống nối với pít tông 5, lò xo tiếp điểm chính 4 (điều khiển bằng hơi một phía) và bộ phận giảm cũng có kiểu khác nhau tác dụng giảm lực tổng và ngăn chặn nhả của tiếp điểm ở cuối đường chạy. Trong thiết bị này khi máy ngắt ngắt các tiếp điểm tách rời ở thời điểm áp suất trong bình chứa đạt tới giá trị cho trước. Sau khi dập tắt hồ quang và sau khi hình thành khoảng cách cách điện phụ ở ngoài bình chứa thì ngưng việc chuyển không khí nén vào bình chứa, áp suất tụt xuống và các tiếp điểm dập hồ quang sẽ khép kín dưới tác dụng của lò xo. Như vậy, với kết cấu bộ phận dập hồ quang như thế thì trong máy ngắt cần phải có dao cách li (xem ở trên). 111
Phương án kết cấu (hình Hình 4-24. Sơ đồ kết cấu của bộ phận dập hồ quang có khoảng cách dập hồ quang không đổi cùng với bộ 4-23,b) khác phương án trước ở phận truyền động đặt ở bên trong. chỗ áp dụng hai ổ giao tiếp điểm 1) Ống thổi cách điện. 2) Thân hình chứa bằng pít tông, nhờ đó mà cùng một kim loại. 3) Điện cực thanh. 4) Điện cực hình ống. thời gian hình thành hai khoảng 5) Tiếp điểm động. 6) Pít tông. 7) Lò xo. 8) Tiếp ngắt dập hồ quang, thổi một điểm lấy điện. 9) Cách điện. phía và hình dáng của ống thổi phù hợp với các điện cực thu hồ quang. Sơ đồ kết cấu hình 4-24 56 4 đặc biệt ở chỗ khoảng cách dập 7 3 hồ quang được hình thành một cách tĩnh ở giữa điện cực thành 2 (3) và điện cực hình ống (4). Khi máy ngắt ở vị trí đóng thì 8 mạch điện được tạo thành bởi tiếp điểm tĩnh - điện cực 3 và tiếp điểm nhiều tấm động nối 1 9 liền với pít tông của bộ phận truyền Läúi vaìo khê neïn động điều khiển bằng hơi tác động một phía đặt ở bên trong. Tiếp điểm động nối liền về điện với ống thổi bằng kim loại. Lúc ngắt, sau khi cung cấp không khí nén vào buồng dập hồ quang chế độ thổi cũng được xác lập ngay và đồng thời tiếp điểm động cùng chuyển động. Do luồng không khí nén và do lực điện động làm hồ quang ở khoảng ngắt bị đẩy vào vùng thổi rất mạnh, hồ quang bị kéo dài và sẽ bị dập tắt nhanh chóng. Sau khi ngừng cung cấp không khí nén vào buồng dập thì các tiếp điểm cũng đóng do tác động của lò xo chính. Chu trình điền đầy và thải cũng tương tự như trên. Sơ đồ kết cấu ở hình 4-25 là sơ đồ kết cấu của buồng dập hồ quang tia tự do. Trong thiết bị này khoảng ngắt dập hồ quang được hình thành bởi tiếp điểm động 4 và tiếp điểm tĩnh 7 nằm ở ngoài bình chứa. Ở hộp tiếp điểm pít tông khác với kết cấu trước 112
ở chỗ nó có thể điều khiển bằng hơi hai phía, nhờ đó ở các máy ngắt có thiết bị như thế không cần có dao cách li. Khi đóng, dưới tác động của không khí nén đi theo ống cách điện 10 vào tổ hợp tiếp điểm pít tông, các tiếp điểm dập hồ quang sẽ đóng lại. Ở cuối giai đoạn đóng thiết bị đặc biệt 9 sẽ làm nhiệm vụ cố định tiếp điểm ở vị trí đóng. Hình 4-25. Sơ đồ kết cấu buồng dập hồ quang có bộ phận truyền động bằng hơi tác động hai phía nằm ở bên trong. 1)Sứ cách điện rỗng. 2) Thân bình chứa. 3) Ông tròn. 4) Tiếp điểm pít tông. 5) Tiếp điểm lấy điện. 6) Ông cách điện để thổi. 7) Tiếp điểm tĩnh. 8) Điện dung shun. 9) Thiết bị để cố định tiếp điểm động ở vị trí đóng. 8 9 7 6 10 2 5 4 3 Ngà õt Âoïng 113
Khi mở không khí nén đi qua sứ cách điện rỗng 1 vào bộ phận dập hồ quang của bình chứa và vào tổ hợp tiếp điểm pít tông. Tiếp điểm pít tông 4 chuyển về phía mở, ở vùng miệng ống không khí thổi rất mạnh, do đó hồ quang sẽ bị dập tắt, tiếp điểm đạt tới vị trí ngắt lớn nhất, không khí ngừng thổi vào bình chứa. Sơ đồ kết cấu ở hình 4-26 là một trong các buồng dập hồ quang của nhóm 3-b. Bộ phận cơ chuyển vận ở phía trong của thiết bị dập hồ quang này có kết cấu phức tạp hơn trong quá trình mở cần phải bảo đảm các điều kiện: 1) Tiếp điểm động phải chuyển vận nhanh đến vị trí tối ưu để dập hồ quang. 2) Hình thành khoảng cách cách điện cần thiết giữa các tiếp điểm. 3) Đóng lỗ thải khí thừa của bình chứa. Hình 4-26. Sơ đồ cơ cấu của buồng dập hồ quang chứa đầy không khí cùng với bộ phận chuyển vận bằng hơi ở phía trong. 1)Thân của bộ phận cơ chuyển vận. 2) Tổ hợp của các ống chuyển vận. 3) Lỗ thải khí thừa. 4) Lò xo tiếp điểm chính. 5) Thể tích điều chỉnh. 6) Lò xo vòng hãm. 7) Thể tích chống rung. 8) Vòng pít tông hãm. 9) Chỗ dựa của vòng. 10) Tiếp điểm pít tông. 11) Van tiếp điểm của pít tông. 12) Lỗ để bơm đầy không khí vào thể tích chống rung. 13) Lỗ để chứa đầy khoảng không gian làm việc của ống tiếp điểm. 14) Tiếp điểm lấy điện.15) Tiếp điểm tĩnh. 16) Bình chứa buồng dập hồ quang bằng sứ cách điện. 67 8 9 10 11 12 5 13 14 15 16 4 3 Khi ngắt không khí nén đi vào bình chứa, đổ đầy khoảng khoảng ngắt của tiếp điểm và thể tích chống rung 7 của bộ phận cơ chuyển vận. Trong thể tích điều chỉnh 3 áp suất 2 1 Cáúp khê neïn 114 khi ngàõt Thaíi khê neïn khi måí
vẫn giữ mức bình thường. Được tác động của áp suất không khí đi qua lỗ 13, tiếp điểm pít tông 10 nhanh chóng chuyển về phía mở đến tận mép của vòng hãm 8, trong thời gian dập hồ quang, lực của hiệu áp suất trong thể tích 7 và 5 tại thời điểm ban đầu vòng hãm ở vị trí mép rìa đã qui định. Ở các tiếp điểm hồ quang bị dập tắt do sự làm lạnh bằng không khí nén chảy từ bình chứa qua tiếp điểm rỗng và qua các lỗ thải khí thừa 3 ra ngoài khí quyển. Theo mức độ đẩy không khí qua lỗ 12 vào thể tích 5 từ hai phía của vòng hãm áp suất dần dần trở lại bình thường và tại thời điểm nào đó (khi hồ quang đã tắt) pít tông tiếp điểm có khả năng tiếp tục chuyển động đến đến vị trí xa nhất, tạo thành khoảng cách theo yêu cầu tăng tích cách điện. Đồng thời đĩa van tiếp điểm pít tông 11 đóng lỗ thải khí chứa của bình chứa và không khí từ bình chứa không chảy nữa. Như vậy, sau khi ngắt bình chứa vẫn chứa đầy không khí. Hình 4-27. Sơ đồ kết cấu buồng dập hồ quang với bộ phận cơ khí điều khiển ở phía trong, toàn bộ đặt trong bình chứa bằng kim loại thể tích lớn. 1) Bình chứa bằng thép. 2) Điện trở shun. 3) Điện dung shun. 4) Sứ vào cao áp. 5) Tiếp điểm chính động. 6) Điện cực dập hồ quang tĩnh. 7) Điện cực dập hồ quang hình ống. 8) Pít tông của van điều khiển.9) Van điều khiển. 10) Van xả khí thừa. 11) Pít tông của van xả khí thừa. 12) Pít tông điều khiển. 13) Bộ phận cơ khí truyền động.14) Lò xo để đóng. 1 4 3 2 14 13 12 11 10 9 5 8 6 7 Thaíi khê Khi đóng, không khí trong khoang bình chứa nhanh chóng bị thải sạch và dưới tác động của lò xo 4 và lực áp suất, không khí còn lại trong thể tích 5, các tiếp điểm sẽ tiếp xúc lại. Khi đó rung động của các tiếp điểm được loại trừ. 115
Một số trong các thiết bị ở trên kết cấu về bình chứa thể tích giới hạn không phải bằng chất cách điện mà là bằng kim loại. Trong trường hợp này bình chứa phải có sứ vào cao áp, kích thước khoảng phía trong của bình chứa phải đảm bảo các khoảng cách cách điện cần thiết. Sơ đồ cơ cấu một trong các thiết bị dập hồ quang đặt trong bình chứa thể tích lớn (nhóm 3, c) hình 4-27. Bình chứa bằng thép dày 1 với hai sứ vào cao áp 4, ống trụ xả khí thừa và cửa nắp lắp ráp là bộ phận chính của kết cấu. Ở các đầu cuối phía trong sứ vào đặt các tiếp điểm chính tĩnh. Phía trong bình chứa đặt bộ phận cơ khí điều khiển đóng và ngắt. Trong bình chứa chứa một trữ lượng không khí nén cần thiết ở áp suất 35 at. Không khí nén từ hệ thống vào thùng chứa qua ống cách điện có tiết điện nhỏ. Bộ phận cơ khí điều khiển gồm: phần truyền động bằng hơi của van thổi và của hệ thống tiếp điểm, ống thổi, van thổi chính, van điều kiển, lò xo và hệ thống tiếp điểm động. Bộ phận cơ khí làm việc: khi mở, pit tông 8 của van điều khiển 9 chạy về phải bằng thanh kéo cách điện, bịt lỗ thông với khí quyển và mở lỗ cho không khí nén từ bình. chứa lùa vào pittông 11, nhờ đó pít tông chuyển hệ thống các van của mình lên trên và nén lò xo 14. Khi đó van xả khí thừa 10 mở ra và không khí nén bắt đầu chảy qua ống thổi. Đồng thời các tiếp điểm chính 5 tách rời ra. Nhờ luồng không khí và bằng lực điện động hồ quang thành ở các tiếp điểm được thổi vào điện cực của dập hồ quang 6 và vào ống 7, ở đây hồ quang bị dập tắt do thổi mạnh. Khi máy ngắt ở vị trí đóng trong khoảng giữa pít tông 10 và 12 áp suất khí quyển được bảo toàn. Trong quá trình mở khi pít tông 12 đạt đến vị trí cuối cùng phía trên qua rãnh bên hông không khí nén chảy vào khoảng này. Nhờ áp suất của không khí đó pít tông 11 cùng với van 10 xuống dưới. Khi đó lỗ tháo khí thừa bị đóng lại và ngừng thổi. Như thế quá trình mở chấm dứt. Khi đóng máy ngắt bằng van điều khiển 9, áp suất tác động vào pít tông 12. Nhờ áp suất không khí và lực lò xo tác động 12 chạy về vị trí dưới ban đầu, khi đó các tiếp điểm chính khép kín lại. Trong bình chứa nếu áp suất giảm nhiều, các tiếp điểm không khép lại(vì chỉ có lực lò xo nên không lớn). Trong sơ đồ của hệ thống dẫn điện, thiết bị này ở giữa tiếp điểm chính tĩnh và các điện cực dập hồ quang 6 có mắc điện trở shun lớn tác dụng để loại trừ quá điện áp nội bộ. 116
CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÁC THIẾT BỊ DẬP HỒ QUANG CỦA MÁY NGẮT DẦU 5.1. CÁC VấN Đề CƠ BảN Về TÍNH TOÁN CÁC THIếT Bị DậP Hồ QUANG TRONG MÁY NGắT DầU Dập hồ quang trong máy ngắt dầu được thực hiện bằng cách làm lạnh thân hồ quang trong luồng của môi trường khí (hỗn hợp khí hơi) do sự phân li và bốc hơi của dầu bởi chính năng lượng hồ quang. So sánh với quá trình dập tắt hồ quang trong luồng không khí lạnh, trong trường hợp này các điều kiện trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh có những đặc điểm: - Trong thành phần hỗn hợp khí hơi chứa rất nhiều hydro (đến 90%) có tính dẫn nhiệt cao hơn so với không khí, nhưng độ bền điện kém hơn. - Luồng hỗn hợp khí ở vùng hồ quang cháy có nhiệt độ cao (800 ÷ 25000K). Khi dòng điện hồ quang không lớn (thường tới 100A), điều kiện làm lạnh thân hồ quang khác nhau. Khi dòng điện lớn sự làm lạnh thân hồ quang xảy ra chủ yếu là do đối lưu cưỡng bức trong luồng hỗn hợp khí hơi ở áp suất lớn. Dòng điện tăng, cường độ làm lạnh đối lưu và trị số áp suất ở vùng dập hồ quang cũng tăng. Nhờ đó tạo ra được điều kiện rất tốt để phục hồi độ bền điện của khoảng cách giữa các tiếp điểm khi dòng điện qua trị số không. Khi dòng điện nhỏ sự đối lưu và áp suất của khí ở vùng dập hồ quang sẽ giảm, như vậy điều kiện dập hồ quang xấu làm thời gian hồ quang cháy tăng lên rõ rệt. Sự tăng áp suất trong vùng dập hồ quang do truyền dầu cưỡng bức dưới tác động của nguồn năng lượng cơ khí bên ngoài có thể cải tiến điều kiện dập hồ quang, thời gian hồ quang cháy sẽ giảm khi ngắt dòng điện nhỏ. Trong tính toán gần đúng cho thấy rằng, các điều kiện dập tắt hồ quang kết quả nhất trong các thiết bị dập hồ quang của máy ngắt dầu là: - Sự thổi của hỗn hợp khí hơi ở vùng hồ quang mãnh liệt (đặc biệt ở gần cuối nửa sóng dòng điện). - Áp suất cao của hỗn hợp khí hơi ở vùng hồ quang vào cuối nửa chu kì của dòng điện. - Khoảng cách nhỏ giữa bề mặt thân hồ quang và thành rãnh hình thành hồ quang bằng dầu xung quanh hay giữa bề mặt của chất cách điện cũng được tẩm dầu. Do đó tạo được điều kiện thuận lợi nhất để làm bốc hơi mãnh liệt và hình thành các luồng hơi dầu bão hòa trực tiếp ở gần bề mặt thân hồ quang. 117
1 1 2 1 1 2 2 3 2 3 3 3 a b) c d) ) ) 1 3 3 2 2 3 2 4 4 4 1 1 Hình 5-1. Sơ đồ kết cấu của một số buồng dập hồ quang thổi tự động trong dầu e f g) 1) Tiếp điểm tĩnh. 2) Các chi tiết của buồng dập hồ quang. ) ) 3) Tiếp điểm động. 4) Tiếp điểm trung gian. Các điều kiện kể trên trong các kết cấu thiết bị dập hồ quang của máy ngắt dầu có ảnh hưởng ở mức độ khác nhau tùy thuộc cách chọn nguyên tắc tác động của thiết bị và hình dáng kết cấu kích thước của từng chi tiết. Theo nguyên tắc tác động của thiết bị dập hồ quang của các máy ngắt dầu hiện đại có thể chia ra làm ba nhóm chính: - Thiết bị dập hồ quang loại thổi tự động thì điều kiện để dập tắt hồ quang của thiết bị này là: áp suất cao và tốc độ luồng khí ở vùng dập tắt hồ quang lớn được tạo nên do năng lượng tách ra từ hồ quang. 118
- Thiết bị dập hồ quang thổi dầu cưỡng bức, ở thiết bị này nhờ bộ phận đặc biệt đẩy dầu đến khoảng ngắt. - Thiết bị dập hồ quang có bộ dập hồ quang bằng từ trong dầu. Dưới ảnh hưởng của từ trường ngang thân hồ quang chuyển dịch vào rãnh và khe hộp tạo bởi các thành cách điện chứa đầy dầu, do đó tạo được điều kiện thuận lợi để dập hồ quang. 1 2 6 5 4 3 3 4 1 5 Hình 5-2. Sơ đồ kết cấu của bình chứa đàn hồi có thổi tự động trong dầu. 1) Tiếp điểm tĩnh. 2) Bộ lò xo. 3) Chi tiết làm việc của bộ phận dập hồ quang. 4) Ống đệm. 5) Tiếp điểm động. 6) Vòng đàn hồi. Do hiệu suất cao và kết cấu tương đối đơn giản nên thiết bị dập hồ quang thổi tự động được áp dụng rộng rãi nhất hiện nay. Thiết bị của nhóm thứ hai ít được áp dụng vì khi ngắt dòng điện lớn thì thổi dầu cưỡng bức ít hiệu quả, kết cấu của buồng dập hồ quang và thiết bị bơm dầu rất phức tạp, cồng kềnh. Khi ngắt dòng điện bé, thổi dầu cưỡng bức tác động tốt, trong trường hợp riêng để dập tắt hồ quang chắc chắn hơn, ngăn không cháy lặp lại khi ngắt dòng điện điện dung bé của đường dây. Thổi dầu cưỡng bức được áp dụng trong một số bình chứa thổi tự động như một biện pháp bổ sung. Thiết bị dập hồ quang có bộ phận dập bằng từ trường cũng không được áp dụng rộng rãi vì phương pháp này hiệu quả kém hơn phương pháp thổi tự động trong dầu. Chúng ta sẽ chỉ nghiên cứu các vấn đề tính toán và kết cấu của các thiết bị dập hồ quang có thổi tự động trong dầu. Sơ đồ kết cấu của các thiết bị dập hồ quang hiện đại kiểu này cho ở hình 5-1 và 5-2. Các thiết bị dập hồ quang có thổi tự động thường có dạng bình chứa cứng (hình 5-1) thân của nó được tạo thành bởi chi tiết nối cứng với nhau, hay là bình chứa đàn hồi (hình 5- 2) được tạo thành bởi các chi tiết nối với nhau một cách đàn hồi nhờ các lò xo hay các miếng đệm đàn hồi. 119
Trong quá trình ngắt khi áp suất trong bình chứa tăng các tiết diện của bình chứa đàn hồi có thể bị ngăn cách tạo thành rãnh làm việc bổ sung trong vùng hồ quang cháy, nhờ đó tạo được các điều kiện thuận lợi hơn để dập tắt hồ quang. Tùy thuộc vào số lượng, vị trí tương hỗ của các tiếp điểm có trong bình chứa và vào trình tự lúc ngắt, buồng dập hồ quang có thể có nhiều phương án kết cấu khác nhau. Ví dụ: - Bình chứa có một khoảng ngắt chính của các tiếp điểm. - Bình chứa có nhiều khoảng ngắt, có cùng điều kiện dập tắt hồ quang. - Bình chứa có một khoảng ngắt chính và một Hình 5-3. Thiết bị dập hồ quang thổi tự động và bộ phận cơ khí thổi dầu cưỡng bức bổ sung. khoảng ngắt phụ. - Bình chứa có nhiều khoảng ngắt chính và nhiều khoảng ngắt phụ. Khi trong bình chứa có khoảng ngắt phụ tạo được điều kiện phát sinh hơi ổn định trong vùng xác định của buồng dập hồ quang, một số trường hợp dập tắt hồ quang được đẩy mạnh ở khoảng ngắt chính. 120
γθ Pt, t, V t,P, θ Vo t ho ωM ω2 dMin dk a) b) νk νk V0 Z1 Z0 ω0 ho ωM f Hình 5-4. Sơ đồ các giai đocn chính của chu trình làm việc của thiết bị dập hồ quang thổi tự động trong ạ) dầu. νk = a) Hồ quang cháy trong bong bóng khí hơi khép kín. b) Hỗn hợp khí hơi chảy qua vùng dập hồ 0 quang. c) Để dầu vào bình chứa sau khi dập tắt hồ quang. Nhiều khoảng ngắt được áp dụng trong trường hợp điện áp làm việc rất cao và mục đích hạn chế điện áp sinh ra trong lúc ngắt dòng điện cảm ứng nhỏ, một phần của các khoảng ngắt đó được nối shun bằng điện trở. Với các điều kiện khác như nhau, khả năng dập hồ quang của các thiết bị đang xét ở mức độ cao hơn được xác định bằng các kích thước, hình dạng và bố trí tương hỗ các rãnh làm việc của bình chứa. Hướng của luồng khí dọc trục hay vuông góc với trục thân hồ quang tùy thuộc cách bố trí các rãnh. Trong các bình chứa hướng áp dụng các dạng thổi sau: thổi dọc (hình 5-1, a, c), thổi ngang (hình 5-1, e, b, g), thổi hỗn hợp (hình 5-1, d) và thổi ngang ngược chiều (hình 5-1, đ). Dựa vào điện áp định mức công suất ngắt so sánh kinh tế để chọn kiểu thổi. 121
Một số bình chứa có thổi tự động có bổ sung thổi dầu cưỡng bức phải có thêm một bộ phận cơ khí. Sơ đồ kết cấu của một trong các buồng dập hồ quang như thế ở hình 5-3. Chúng ta sẽ qui định một số qui tắc ban đầu để tính toán các bình chứa có thổi tự động trong dầu. Trong trường hợp chung, chu trình làm việc của bình chứa có thể chia ra làm ba giai đoạn chính. Giai đoạn thứ 1: Sau khi các tiếp điểm tách rời nhau hồ quang cháy trong buồng khí (hình 5-4, a). Trong giai đoạn này nhờ năng lượng tỏa ra từ hồ quang mà trữ lượng hỗn hợp khí hơi nén trong bình chứa tăng đến áp suất có thể dập tắt hồ quang ở các rãnh. Giai đoạn thứ 2: (hình 5-4, b) Kể từ thời điểm hỗn hợp khí hơi bắt đầu chảy từ vùng bong bóng khí hơi qua các rãnh ra khỏi bình chứa. Giai đoạn này biểu hiện sự thay đổi áp suất khí trong bình chứa ở các rãnh và cường độ cháy của hỗn hợp. Giai đoạn này kết thúc bằng sự phục hồi độ bền điện của khoảng cách giữa các tiếp điểm, như vậy giai đoạn thứ hai là giai đoạn chủ yếu. Trong giai đoạn thứ 3: (hình 5-4, c) Từ bình chứa khí nóng và hơi dầu dư được đẩy ra ngoài và dầu sạch được đổ vào bình chứa. Giai đoạn này chuẩn bị bình chứa có lần ngắt tiếp sau. Trong các buồng dập hồ quang có TĐL giai đoạn này rất quan trọng. Hai giai đoạn đầu có đặc điểm tổng hợp rất phức tạp về quá trình thủy động và nhiệt động liên quan lẫn nhau, khả năng dập hồ quang của thiết bị phụ thuộc vào hành trình của hai quá trình đó. Mặt khác, hành trình của quá trình này được xác định bằng công suất tỏa ra trong hồ quang và bằng tốc độ tách rời của các tiếp điểm cũng như bằng hình dạng kết cấu, các tham số hình học của buồng dập hồ quang như: thể tích của ruột bình chứa, mức dầu, các kích thước, hình dáng, số lượng và cách bố trí tương hỗ của các rãnh làm việc,... Như vậy tính thiết bị dập hồ quang thổi trong dầu cần phải giải quyết các vấn đề: 1) Tính công suất và năng lượng hồ quang ở từng thời điểm hồ quang cháy, tính quá trình tạo thành khí. 2) Tính áp suất trong bong bóng hơi khí, hỗn hợp hơi khí chảy từ bong bóng qua các rãnh. 3) Tính áp suất và tốc độ hỗn hợp hơi chảy trong vùng thổi mãnh liệt. 4) Tính độ bền phục hồi điện của khoảng hồ quang (một hay một số) ở giá trị dòng điện lớn, trung bình và bé, tính công suất ngắt của buồng dập hồ quang. 5) Tính thời gian dập tắt hồ quang ở các giá trị dòng điện. 6) Tính lưu lượng dầu trong bình chứa cho một lần ngắt xác định thể tích phía trong cần thiết của bình chứa. 7) Tính quá trình đổ dầu vào bình chứa sau khi dập hồ quang. 8) Tính độ bền về cơ khí của các bộ phận kết cấu bình chứa. Giải quyết các vấn đề này theo trình tự khác nhau phụ thuộc vào các điều kiện cho trước. 5.2. TÍNH CÔNG SUấT VÀ NĂNG LƯợNG CủA Hồ QUANG TRONG QUÁ TRÌNH TạO THÀNH KHÍ KHI DậP TắT Hồ QUANG TRONG DầU 122
Ở một thời điểm t, chiều dài hồ quang lhq, tổn hao công suất trong thân hồ quang tính theo: N hq = U hqi hq = E hqtrl hqi hq (5-1) Trong đó: Uhq : là điện áp trên thân hồ quang. Ehqtr : là građien điện áp trung bình trên thân hồ quang. ihq : là giá trị tức thời của dòng điện hồ quang. Trị số Ehqtr tính gần đúng theo phương trình đặc tuyến V- A tĩnh: ax E hqtr = m (5-2) i hq Trong đó: ax và m là các hệ số biểu thị cường độ làm lạnh và phương pháp làm lạnh thân hồ quang ở điểm x. Nói chung, giá trị hệ số mũ có thể thay đổi trong khoảng: 0 ≤ m ≤ 1. Trong trường hợp thổi dọc mạnh trong dầu khi giá trị dòng điện lớn có thể sơ bộ lấy gần đúng m ≈ 0. Đối với các thiết bị dập hồ quang có thổi tự động thực tế không thể tính chính xác trị số građien ở từng điểm thân hồ quang, vì các điều kiện làm lạnh của mỗi đoạn có thể khác cho nên trong thực tế người ta lấy từ kết quả thí nghiệm (bảng 5-1). Trong khi tính kết cấu buồng dập hồ quang mới, trị số građien trong bình cần được tiến hành có tính đến các điều kiện làm lạnh thân hồ quang với mức độ chính xác có thể ở từng thời điểm hồ quang cháy và tính đến trị số dòng điện. Điều này được xác nhận bằng thí nghiệm, trong đó quan sát sự thay đổi građien với sự thay đổi chiều dài hồ quang và dòng điện khi dập tắt hồ quang trong bình chứa kết cấu phức tạp (hình 5-5). Trong trường hợp chung xác định chiều dài của hồ quang lhq ở từng thời điểm phải được tiến hành trên cơ sở của đường cong cho trước về tốc độ chuyển động tiếp điểm, có tính đến sự thay đổi hình dáng và chiều dài thân hồ quang do tác động của lực điện động và của luồng khí ngang vào nó. Trong trường hợp hồ quang ở giữa các tiếp điểm bị kéo dài vào trong rãnh hẹp dọc trục (hình 5-1, c), chiều dài của hồ quang ở từng thời điểm có thể tính theo: t l hq = ∫ ν tât dt (5-3) 0 ν tđt : là tốc độ chuyển động của tiếp điểm thay đổi theo thời gian. Bảng 5-1: Građien điện áp trên hồ quang được làm lạnh trong dầu Điều kiện làm lạnh thân hồ quang V/cm Tác giả Hồ quang trong bong bóng khí hơi khi giá trị dòng điện lớn 70-100 Kexelringơ Hồ quang trong luồng hỗn hợp khí hơi thổi dọc mạnh 123
Hồ quang trong khí H2 khi dòng điện bé (2A) 200 Hồ quang trong dầu, trong từ trường ngang 400 Kukecốp 4 420. B 9 + 50 1 i 9 Hồ quang trong các rãnh của bình chứa có thổi ngang khi dòng điện Ở đây: lớn ở áp suất p (at)... ⎡ Wb ⎤ B =⎢ 2⎥ Bờriuxơ ⎣m ⎦ 55 p Trong các trường hợp phức tạp hơn sự thay đổi chiều dài hồ quang theo thời gian có thể tính theo các công thức gần đúng trên cơ sở các tham số thí nghiệm. Với trường hợp hồ quang cháy trong bong bóng khí hơi khép kín: mν 1 ν tr m1t l hqt = − 1) ≈ ν tr ( t + 1 tr t 2 ) (5-4) (e m1 2 Ehqtr [V/cm] 400 10000A 5000 A 300 500A 200 100A 100 lhq[m 0 Hình 5-5. Sự phụ thuộc của građien điện áp trung bình trên 1,5 hồ 2uang vào chiều]dài của hồ quang thân q 2,5 0,5 1 và dòng điện khi dập tắt hồ quang trong bình chứa có thổi dọc (hình 5-1,c). Trong đó: ν tr : là tốc độ chuyển động trung bình của tiếp điểm, m/s. m1 : là hệ số tính đến ảnh hưởng của lực điện động, 1/m. Với các bình chứa có thể tích phía trong tương đối lớn thì: m1 ≈ 0,15 ÷ 0,25 [1/m] Với các bình chứa có thể tích giới hạn khi không có luồng khí ngang thì trị số này có thể còn ít hơn. Khi tính chiều dài hồ quang trong bình chứa phức tạp các giai đoạn có thể sử dụng công thức gần đúng đơn giản. l hqt = a + bt (5-5) Với a: là chiều dài hồ quang ở thời điểm ban đầu của giai đoạn đang xét. 124
b: là tốc độ trong bình khi kéo dài hồ quang trong các khoảng của giai đoạn đang xét, xác định nó trên cơ sở các tham số thí nghiệm. Dòng điện ihq trong phương trình (5-1) có thể là dòng điện phụ tải hay là dòng điện ngắn mạch. Trong trường hợp chung công suất hồ quang có thể tính: N( t ) = E hqtrl hqti hq = N 0 f ( t ) 5-6) Trong đó: N 0 = E hqtr I m Năng lượng hồ quang tỏa ra trong thời gian t: t A ( t ) = N 0 ∫ f ( t )dt = N 0 f 1 ( t ) (5-7) 0 Trong trường hợp ngắt dòng điện ngắn mạch phương trình này có dạng phức tạp, giải nó một cách chính xác rất khó khăn. Phương pháp tích phân đồ thị là chính xác hơn cả. Khi đủ các tham số cho trước có thể là: đường cong thí nghiệm hay tính toán của chiều dài hồ quang lhq, đường cong của dòng điện ngắt và đường cong của građien điện áp trung bình và hồ quang theo thời gian. Đường cong phân tích A( t ) = N 0f 1 ( t ) sử dụng trực tiếp cho việc tính áp suất trong bình chứa tiếp sau. Trong nhiều trường hợp gần đúng đường cong này cho công thức gần đúng đơn giản để tính năng lượng hồ quang. Phương pháp phân tích gần đúng giải phương trình (5-7): biến hàm số sin, hàm số mũ trong dấu tích phân thành chuỗi và lấy hàm bậc 1. Nhờ phương pháp như thế Avakian và Xitnhikop đã tính được các công thức gần đúng cho trường hợp ngắt dòng điện trong mạch. Một trong các công thức đó có dạng: αb 3 ⎞ ⎛b A ( t ) = E hqtr I m ⎜ t 2 − t⎟ (5-8) ⎝2 3⎠ Trong đó α : là hệ số tắt dần của dòng điện ngắn mạch. Trong kết quả của công thức này chiều dài hồ quang xác định theo phương trình (5- 5), trong đó lấy a=0. Quá trình tạo thành khí trong bình chứa có thể tính theo cơ sở sơ bộ của sự phụ thuộc N(t) và A(t). Trong lượng hỗn hợp khí hơi tạo thành trong bình chứa trong một đơn vị thời gian đối với áp suất khí quyển bình thường và nhiệt độ môi trường trung bình được tính bằng phương trình: dA( t ) Gt = δ = δNt dt (5-9) δ: là hệ số trọng lượng tạo thành khí [kg/kW.s]. Đối với hỗn hợp khí khi có thể cân bằng: δ ≈ 0,210 −3 [kg/kW.s]. . Nt: là công suất của hồ quang ứng với thời điểm t đang xét, kW. Thể tích của hỗn hợp khí hơi tạo thành trong thời gian dt đối với áp suất 1[at] và nhiệt độ 200C, có thể tính theo phương trình: V0 = B 0 A t (5-10) 125
Với B0 = 60 ÷ 80[cm 3 / kW . s] là hệ số thể tích tạo thành khí được qui đổi về áp suất khí quyển bình thường và nhiệt độ 200C. Hệ số tạo thành khí qui đổi về nhiệt độ trung bình của khí đốt nóng tính theo: B = B0 θ k d (5-11). 293 θ : là nhiệt độ trung bình của hỗn hợp khí hơi, 0K. kd : là hệ số tính tới sự tồn tại hơi khí dầu trong bong bóng ngoài khí. Phụ thuộc vào trị số dòng điện và các điều kiện làm lạnh hồ quang, nhiệt độ trung bình θ có thể thay đổi trong khoảng rất rộng, cho nên cùng các điều kiện khác nhau với kết θ cấu khác nhau thì trị số ti lệ k d khác nhau cho theo (bảng 5-2). 293 Bảng 5-2: Nhiệt độ tương đối của hỗn hợp khí hơi θ Điều kiện dập tắt hồ quang Tác giả kd 293 Hồ quang trong bong bóng khí hơi khép kín, trong máy 5÷6 ngắt có khoảng ngắt đơn giản. AịbTâþep Hồ quang trong bình chứa của máy ngắt ít dầu. 9,5 KecceịbpỉHê Hồ quang trong bình chứa có thổi bổ sung cưỡng bức. 4,0 ACEA Hồ quang trong bình chứa có thổi ngang. 10,0 Âpþc Tùy điều kiện cụ thể và sự trao đổi nhiệt của hồ quang với dầu. Trong trường hợp hồ quang cháy trong bong bóng khí, thể tích của bong bóng khí không bị giới hạn bởi các bức thành nào cả thì nhiệt độ trung bình của hỗn hợp khí hơi có thể có giá trị 800 ÷ 10000K. Trong trường hợp hồ quang cháy trong các rãnh hẹp ở các giá trị dòng điện lớn nhất, nhiệt độ trung bình có thể tới 2000 ÷ 25000K. Ở các giá trị dòng điện bé nhiệt độ giảm xuống rất nhiều. Trọng lượng của dầu bốc hơi trong thời gian dt có thể tính theo phương trình: q dt = δ 1 A t (5-12) Gần đúng sơ bộ có thể lấy: δ1 = δ Tỉ lệ giữa δ và B0 biểu thị bằng phương trình: k d p1 (5-13) δ= B0 293R Trong đó: 126
p1 : là áp suất khí quyển bình thường. R : là hằng số khí. 5.3. TÍNH ÁP SUấT TRONG BÌNH CÓ CHứA KHÍ DạNG BONG BÓNG HƠI KHÉP KÍN Trong trường hợp hồ quang cháy trong bong bóng khí hơi khép kín (hình 5-4a) cách tính áp suất được tiến hành theo phương trình ban đầu: G t dt = d( V t γ t ) (5-14) Trong đó: Gt : là cường độ tạo thành khí ở thời điểm t, kg/s. Vt : là thể tích thay đổi của bong bóng khí hơi, m3. γt: là trọng lượng riêng của hỗn hợp khí hơi ở thời điểm t, kg/m3. Từ phương trình (5-14) cho ta: t ∫ G dt t γt = 0 (5-15) Vt Trên cơ sở phương trình ban đầu đề xuất ta có được các phương pháp tính gần đúng về sự thay đổi áp suất. Nhận sự thay đổi trạng thái hỗn hợp khí hơi ở nhiệt độ không đổi (nén đẳng nhiệt), có thể viết phương trình tính áp suất: t ∫ G dt t p t = γ t Rθ = Rθ (5-16) 0 Vt Trong đó: R : là hằng số khí. Đối với hỗn hợp khí hơi R ≈ 20m/độ, phù hợp với phương trình (5-9). t t ∫ Gt dt = δ ∫ N t dt = δAt (5-17) 0 0 Cuối cùng ta được: δA t p t = Rθ (5-18) Vt Thể tích bong bóng khí hơi Vt trong trường hợp chung có thể tích theo phương trình (áp dụng cho sơ đồ hình 5-4, a). t t p V t = Ftâ ∫ ν tâ dt + δ 1 A t + (Fmin − Ftâ )∫ ν d dt + V0 ( 0 ) (5-19) p1 o 0 Trong đó: Ftđ : là tiết diện của thanh tiếp điểm (ta tìm tiết diện của thanh không đổi dọc theo cả chiều dài). ν tđ : là tốc độ chuyển động của tiếp điểm (hay tốc độ tổng của các tiếp điểm cùng tách rời một lúc). 127
Fmin : là tiết diện nhỏ nhất của miệng bình chứa. V0 : là thể tích ban đầu của không gian giảm rung. δ1At : là trọng lượng bốc hơi của dầu ở bình chứa trong thời gian dt. Thông thường thể tích không gian δ không lớn và giữ vai trò ở lúc đầu của quá trình, cho nên ta công nhận. (5-20) V0 = const Nếu trạng thái dầu chảy là xác lập thì lưu lượng thể tích của dầu trong thời gian dt qua một đơn vị diện tích tiết diện của rãnh có thể tính theo phương trình Becnulli: t t 2g ∫ γd ∫ ν d dt = ϕ (5-21) p t dt 0 0 Trong đó: g = 981 cm/s2. γd : là trọng lượng riêng của dầu, kg/m3. ν d : là tốc độ chảy của dầu, cm/s. ϕ : là hệ số chảy. Khi nén đẳng nhiệt: δ p t p1 = Rθ = constvà γ 1 = = γt γ1 B 2 p1 : là áp suất khí quyển khi bình thường, kg/cm . Từ đây rút ra rằng: Bp1 δ= (5-22) Rθ Như vậy phương trình (5-16) được dẫn về dạng: Bp1 A t pt = (5-23) 2g t t Ftâ ∫ ν tâ dt + δ 1 A t (Fmin − Ftâ )ϕ ∫ p t dt + V0 γd 0 0 Tính áp suất theo phương trình này tiến hành bằng phương pháp số, ví dụ bằng phương pháp phân đoạn, để tính được cần thiết phải cho trước các tham số: A t = f ( t ); ν tâ = f 1 ( t ); B; Ftâ ; Fmin ; δ 1 . Phương trình có thể giải gần đúng, sơ bộ chúng ta có: ν tâ = b = const 2g νd = ϕ p t = const E hqtr = const ; γd Ngoài ra, năng lượng của hồ quang tỏa ra trong n chu kì cháy của nó được tính theo phương trình: π ω b A tn = nEhqtr I m b∫ t sin ωt.dt = E hqtr I m nt1 = N 1 nt 1 (5-24) ω 0 128
b Trong đó: E hqtr I m : là công suất tỏa ra trong hồ quang. ω n : là số nửa chu kì cháy của hồ quang. π t1 = = 0,01s : là thời gian một nửa chu kì. ω Khi đó ở cuối mỗi n nửa chu kì phương trình (5-23) có dạng: Bp1 N 1 nt 1 p tn = (5-25) ⎡ ⎤ 2 2g ⎢ Ftâ b + δ 1 N 1 + 3 ϕ Bp1 N 1 (Fmin − Ftâ ) ⎥ nt 1 + V0 2 γd ⎣ ⎦ Bước hai được tính gần đúng, nếu từ các giá trị áp suất tìm được theo (5-25) xác định lưu lượng dầu ở mẫu số. Ngoài các phương trình đó ra, để tính áp suất pt trong bong bóng khép kín (giai đoạn thứ nhất dập tắt hồ quang) có thể sử dụng công thức nửa thực nghiệm của Abakian: BA t pt = (5-26) 2 ⎡2 ⎤ t 3 ⎢ C BA t ∫ (Fmin − Ftâ ) A t dt + V0 ⎥ ⎣3 ⎦ 0 Trong đó: C= 1500 là hệ số không đổi. Fmin - Ftđ : là tiết diện hình vành khăn của miệng lỗ ra, cm2. At = f(t) : là năng lượng của hồ quang, kW.s. B : là hệ số thể tích tạo khí, cm3/kW.s. V0 : là thể tích ban đầu, cm3. Đơn giản hóa phương trình này có thể dẫn về dạng: 2 ⎡ 2BE hqtr I m ν trb t ⎤ 3 p t = 0,76⎢ (5-27) ⎥ ⎣ πC(Fmin − Ftâ ⎦ Trong đó: ν trb : là tốc độ trung bình chuyển động các tiếp điểm, cm/s. Ehqtr : là građien điện áp trung bình thân hồ quang, V/cm. Im : là biên độ dòng điện., kA. Các ki hiệu còn lại cũng giống như ở phương trình (5-26). Nếu trong giai đoạn thứ nhất lỗ thải khí bị đóng kín một phần bởi tiếp điểm và chứa đầy dầu (ví dụ: hình 5-1, c) thì trong phương trình trên để tính áp suất pt cần phải cho Ftđ=0. Trong trường hợp này thời gian của giai đoạn thứ nhất (hồ quang cháy trong bong bóng khép kín) có thể sơ bộ tính theo phương trình: 0,5L3 Fmin γ d 2 t 01 = 4 (5-28) 0 ωBE hqtr I m ν trb g L0 : là chiều dài qui đổi của rãnh, từ đó dầu chảy ra khỏi ở giai đoạn thứ nhất. 129
Fmin : là tiết diện của lỗ. ν trb : là tốc độ trung bình chuyển động tiếp điểm lúc ban đầu. Giai đoạn thứ hai (hỗn hợp khí hơi chảy từ vùng bong bóng khí hơi ra) bắt đầu làm việc từ khi tiếp điểm ra khỏi miệng ống (trường hợp Ftđ=0). 5.3. TÍNH ÁP SUấT TRONG BÌNH CHứA KHÍ HỗN HợP VÀ KHÍ HƠI CHảY Từ BÌNH RA Sau khi lỗ thải khí mở (xem hình 5-4, b), sự chảy hỗn hợp khí hơi từ bình ra rất phức tạp. Khi ngắt dòng điện lớn trong các rãnh của bình chứa, ở đây hồ quang cháy, xảy ra hiện tượng ngăn cản luồng khí do hiệu ứng nhiệt động. Ở giai đoạn ngăn cản lớn nhất (tại biên độ dòng điện) tạo được các điều kiện thuận lợi để dầu chảy giống như môi trường không nén. Khi đó rãnh khí bị hẹp lại (do bởi một phần rãnh chứa dầu) và trong rãnh tạo thành nút dầu. Khi đó khí hầu như ngừng chảy, trong bình chứa áp suất tăng vọt và tiếp theo nút dầu tạo thành trong rãnh bị tung ra. Chu trình tiếp sau sự chảy lặp lại giống như trước. Khi ngắt dòng điện lớn sự chảy của hỗn hợp khí hơi qua các rãnh hồ quang cháy ở đấy mang tính chất không ổn định, gián đoạn. Trong bình chứa áp suất dao động với tần số khá lớn, điều này được xác định bằng thí nghiệm. Hiện nay trong quá trình xét tổng hợp các hiện tượng một cách định lượng còn gặp rất nhiều khó khăn, thường phải đơn giản hóa: 1) Ở giá trị bất kì của dòng điện từ thời điểm mở lỗ đều xảy ra sự cháy của hỗn hợp khí hơi có tính chất entrôpi dưới chế độ tới hạn. 2) Hiệu ứng nhiệt động hoàn toàn không tính nếu tính toán phần tốc độ chảy tới hạn cho hệ số nhỏ hơn một. 3) Trong quá trình cháy của hỗn hợp khí hơi thể tích trong bình chứa không thay đổi. 4) Chỉ cho hỗn hợp khí hơi chảy qua lỗ, nghĩa là dầu không chảy ra khỏi bình chứa. Từ điều kiện 3, áp suất trong bình (trong bong bóng khí hơi) có thể tính theo phương trình chung: dγ 1 G1 − G 2 = (5-29) dt V bâ G1: là cường độ trọng lượng tạo thành khí thời điểm t1, kg/s. G2 : là độ tiêu hao về trọng lượng của hỗn hợp khí hơi ở thời điểm t2, kg/s. Vbđ : là thể tích ban đầu của bong bóng khí hơi (t2=0). Sự thay đổi trạng thái khí trong bình chứa là đẳng nhiệt, ta có: Rθ dpt = (G1 − G 2 ) (5-30) dt V bâ Phối hợp với phương trình (5-22): 130