1

KHÍ CỤ ĐIỆN CAO ÁP Hình 1-1. sơ đồ nguyên lý của trạm phân phối cao áp MF – máy phát điện. MBA- máy biến áp điện lực MN- máy ngắt, DL- dao cách ly, BI- máy biến dòng, BU – máy biến áp đo lường, KĐ- kháng điện, CC - cầu chì, ĐD - đường dây tải điện, TVL – thu lôi van, TLÔ – thu lôi ống. Máy ngắt: dùng để đóng ngắt mạch điện cao áp có điện ở trạng thái làm việc bình thường, cũng như nhanh chóng tự động ngắt mạch điện khi ngắn mạch và quá tải. Dao cách ly: là khí cụ điện để để đóng mở không có điện hay dòng điện rất nhỏ, để tạo thành các khoảng trống cách điện rõ ràng. Máy biến dòng và máy biến điện áp đo lường: dùng để cung cấp điện cho thiết bị đo lường và rơle bảo vệ, cách ly mạch đo lường và rơle điện áp thấp khỏi điện áp cao của lưới. Cầu chì: để bảo vệ mạch điện khi ngắn mạch và quá tải. Thu lôi: dùng dể bảo vệ các thiết bị của hệ thống điện cao áp khi quá điện áp. Kháng điện: để hạn chế dòng điện ngắn mạch ở các mạch điện cao áp công suất lớn và để duy trì điện áp nhất định khi ngắn mạch. Tụ điện cao áp: có rất nhiều tác dụng, để tăng hệ số công suát ở các trạm điện, để bù dọc chỗ các đường dây tải điện dài, làm nguồn thử điện áp cao,… Bộ phận điện áp: thường dùng trong phòng thí nghiệm cao áp để đo điện áp rất cao. Tất cả các KCĐCA kể trên là những KCĐ không thể thiếu trên hệ thống năng lượng điện hiện đại. § 1.2: Điều kiện làm việc và các yêu cầu chủ yếu đối với KVĐCA Trong khi thiét kế KCĐCA cần phải tính đến các ảnh hưởng của hàng loạt yếu tố: điện, cơ, nhiệt, khí quyển và thời gian. Yếu tố điện: a) Ảnh hưởng của điện áp định mức, trong quá trình vận hành KCĐ thường xuyên chịu tác dụng của điện áp định mức. b) Tác dụng của quá điện áp ( khí quyển hay nội bộ) , của vầng quang sáng, của phóng điện… Tác dụng cơ: a) Sinh ra trong quá trình đóng ngắt KCĐ ( máy ngắt, dao cách ly) b) Tác dụng của áp suất nội bộ sinh ra trong KCĐ ( máy ngătý, cầu chì, thu lôi sóng ) c) Tác dụng của lực điện động khi ngắn mạch. Yếu tố nhiệt a) Trong quá trình làm việc bình thường do dòng điện định mức chảy qua với thời gian dài làm nóng các phần dẫn điện của khí cụ b) Các phần dẫn điện bị phát nóng ngắn hạn do dòng điện ngaqứn mạch tác dụng c) Máy gnắt khi ngắt, hồ quang làm nóng và nóng chảy tiếp điểm Tác dụng của khí quyển: trogn quá trình vận hành KCĐ bị tác dụng của nhiệt độ, áp suất, độ ảm khôgn khí, của mưa gió, sương mù… Yếu tố thời gian: ảnh hưởng đến KCĐ như các chi tiết bị mòn dần, cách điện già hoá.

2

Tất cả các yếu tố kể trên tác dụng vào KCĐ với mức độ khác nhau và không cùng một lúc. Khi ngắn mạch và quá điện áp KCĐ làm việc nặng nề nhất. Do nhiều yếu tố tác dụng, nên đối với KCĐCA phải thoả mãn nhưng yêu cầu sau: 1. Làm việc ổn định và tuổi thọ cao 2. Ổn định nhiệt và điện động khi bị tác động của dòng điện ngắn mạch lớn nhất. 3. Có khả năng chịu được quá điện áp không vượt điện áp thử 4. Làm việc ổn định chắc chắn đối với khí hậu cho trước 5. Kích thước nhỏ, kết cấu đơn giản có khả năng sử dụng các chi tiết tiêu chuẩn. 6. An toàn và thuận tiện trong vận hành, lắp ráp, thay thế, kiểm tra. 7. Có tính kinh tế cao § 1-3. Sự phát nóng khí cụ điện 1.3.1. Nhiệt độ phát nóng cho phép trong KCĐ

Dòng điện định mức khi làm việc bình thường hay dòng điện ngắn mạch khi sự cố chảy trong vật dẫn của KCĐ khong những làm nóng vật dẫn mà cả các vật không dẫn điện và cách điện tiếp giáp với vật dẫn.

Khi làm việc KCĐ không được phát nóng vượt quá nhiệt độ cho phép. Nếu vượt quá nhiệt độ đo thì sẽ dẫn đến hư hỏng các chi tiết, già hoá, cách điện khí cụ điện làm việc không ổn định và cuối cùng có thể xảy ra sự cố.

Các tiêu chuẩn nhiệt độ phát nóng cho phép của các bộ phận trong KCĐ khi làm việc dài hạn được quy định trong ROCT 8024 – 56 ( bảng 1-1) ( hiện nay nhiệt độ phát nóng cho phép tiêu chuẩn Việt Nam chưa quy định mà vẫn lấy theo tiêu chuẩn của Liên- Xô). Các tiêu chuẩn quy định mày phù hợp với điều kiện làm việc ở nhiệt độ của moi trường xung quanh từ - 400C đến + 350C.

Bảng 1-1

Các tiêu chuẩn nhiệt độ phát nóng cho phép của các bộ phận trong khí cụ điện khi làm việc dài hạn.

Các bộ phận trong khí cụ điện

Nhiệt độ phát nóng cho phép

Trong không

khí

Trong dầu

Các phần tử không bọc cách điện dẫn điện và không dẫn điện. Các phần tử bọc cách điện dẫn điện và không cách điện: - Cách điện cấp O - Cách điện cấp A - Cách điện cấp B và C Dầu biến áp ở lớp trên: - Sử dụng làm môi trường dập hồ quang - Sử dụng làm môi trường cách điện

110

80 95 110

- -

90

- 90 90

75

90

3

Bằng phương pháp thực nghiệm người ta đã xác lập được các nhiệt độ cho phép phát nóng ngắn hạn do dòng điện ngắn mạch tác động ( bảng 1-2 ). Các nhiệt độ này so với nhiệt độ cho phép phát nóng dài hạn thì lớn hơn nhiều. Nguyên nhân là vì quá trình ngắn mạch xảy ra rất ngắn ( từ vài phần giây đến một vài giây), với thời gian đó vật dẫn, cách điện của KCĐ vẫn duy trì được độ bền điện bền cơ, không có gì thay đổi đặc biêth. Tính toán nhiệt dẫn đến xác định các kích thước và hình dáng kết cấu của các bộ phận dẫn điện và tiếp điểm cho phù hợp để nhiệt độ phát nóng không vượt quá nhiệt độ phát nóng cho phép. Trong tính toán nhiệt thường thường nhiệt độ phát nóng là đại lượng cho trước, còn dòng điện ( mật độ dòng điện ) hay tiết diện thanh dẫn đại lượng phải tìm.

Các bộ phận của khí cụ điện

Nhiệt độ -cho phép 0C

Đồng Nhôm Thép Các phần tử dẫn điện và không dẫn điện bọc cách điện hay tiếp giáp vơí cách điện - Cách điện cấp A - Cách điện cấp B - Cách điện cấp C Các phần tử dẫn điện trần ngân tổng hợp Cũng như thế, trong dầu biến áp Cũng như thế trong không khí

250 300 300 200

250 300

200 200 200 200

200 200

250 300 400 200

250

-

Bảng 1-2 Nhiệt độ cho phép phát nóng ngắn hạn các bộ phận trong KCĐ khi ngắn hạn Với dòng điện lớn các bộ phận không dẫn điện làm từ vật liệu từ tính có thể bị phát nógn dữ dội bởi dòng điện xoáy và dòng điện từ trễ. Xác định nhiệt độ phát này thường bằng phương pháp thực nghiệm. 1.3.2. Tính nhiệt các phần tử dẫn điện Khi dòng điện chảy trong thanh dẫn điện sẽ làm cho nó nóng lên. Quá trình nhiệt gồm có các hiện tượng: a) Nguồn sinh ra nhiệt ( Qng ) b) Nhiệt lượng để đốt nóng vật dẫn ( Qđn ) c) Nhiệt lượng toả ra môi trường xung quanh (Qt ) d) Nhiệt lượng lưu lại trong vi phân thể tích thanh dẫn (Qd ) để thực hiện quá trình dẫn nhiệt ( xem hình 1-2 )

4

Qt

QdQdn

Qng

x

hình 1-2 : sơ đồ quá trính nhiệt của thanh dẫn Các phương pháp tính sự phát nóng các phần tử dẫn điện đều dựa trên cơ sở giả phương trình cân bằng nhiệt có tính đến các điều kiện giới hạn và ban đầu. Ở các phần tử dẫn điện tương đối dài hạn nhiệt độ giảm theo hướng kính thường rất ít nên có thể bỏ qua và có thể xem nhiệt độ ở tất cả các điểm trên tiết diện nhất định như nhau. Khi đó phương trình cân bằng nhiệt ở tiết diện x bất kì có dạng Qng = Qđn + Qt + Qd (1-1)

Hay 2

20 2

.. . . ( )x

x x

x

k SJ c

t F x

(1-1a)

Trong đó: c - tỷ nhiệt của vật dẫn (W.s/g0C ) - trọng lượng riêng của vật dẫn( g/ cm3 )

- hệ số dẫn nhiệt của vật dẫn( W/ cm.0C) Jx - mật độ dòng điện ở tiết diện x (A/ cm2 )

x - điện trở suất ở tiết diện x và nhiệt độ (cm)

k- hệ số toả nhiệt ( W/cm2.0C ) Sx – chu vi tiết diện x (cm) Fx - diện tích tiết diện x ( cm2 )

0 - nhiệt độ môi trường xung quanh ( 0C )

Ở vế phải của phương trình (1-1a) thành phần thứ nhất biểu hiện quá trình quá độ, còn thành phần thứ ba thể hiện vật dẫn không đồng nhất dẫn đến dòng nhiệt thay đổi theo hướng trục x. Từ phương trình trên ta sẽ rút ra kết luận cho một trường hợp đặc trưng nhất. (1) Phát nóng các phần tử dẫn điện đống nhất trong quá trình xác lập:

20. ( )

kSJ

F

Hay 2

0

.I

kSF

(1-2)

- độ chênh nhiệt, 0C (2) Phát nóng các phầntử dẫn điện không đồng nhất trong quá trình xác lập:

2

202

. ( ) 0d kS

Jdx F

Hay 2

2 21 22

. 0d

a adx

(1-3)

Trong đó:

5

1

kSa

F ;

2

2 0

kS Ja

F

(3) Phát nóng các phần tử dẫn điện đồng nhất trong quá trình không xác lập:

2

0

d( ) 0

dt

kS kS J F

c F c F kS

(1-4)

(4) Phát nóng các phần tử dẫn điện đồng nhất khi ngắn mạch. Khi đó, thời gian xảy ra ngắn mạch rất ngắn, nên nhiệt lượng cung cấp cho vật dẫn hầu hết dùng để đốt nóng, không có nhiệt lượng toả từ bề mặt vật dẫn ra môi trường xung quanh, như thế ta có

thể cho 0( ) 0kS

F

2 dJ c

dt

Hay 2

0

0

(1 ).

(1 )

d J

dt c

(1-5 )

Trong đó: 0 - điện trở suất khi 0

C0 - tỷ nhiệt của vật dẫn khi 0 - hệ số nhiệt điện trở suất (1/ 0C ) - hệ số nhiệt tỷ nhiệt (1/ 0C)

(5) Phát nóng ngắn hạn các vật dẫn khi có nguồn nhiệt bên ngoài ( hồ quang điện ) ở hai đầu mút vật dẫn đó. Trường hợp này nhiệt lượng của hồ quang rất lớn so với nhiệt

lượng dòng điện cung cấp, nên ta có thể cho 2 0J :

2

2.

.t c x

(1-6)

Tính sự phát nóng các phần tử dẫn điện là giải các phương trình đặc trưng trên với các điều kiện bờ cho từng trườgn hợp cụ thể. Ẩn số có thể là dòng điện cho phép hay tiết diện thanh dẫn. Đôi khi ẩn số có thể là nhiệt độ phát nóng. Ở đây chúng ta sẽ không nghiên cứu tỉ mỉ cchs giải các phương trình này. Trong tính toán có thể tham khảo các công thức ở bảng 1-3. § 1-4. Tính lực điện động của mạch dẫn điện Khi ngắn mạch dòng điện chạy trong các vật dẫn của KCĐCA tăng lên cao, sinh ra lực cớ lớn tác dụng tương hỗ giữa các chi tiết với nhau. Nếu độ bền cơ của các chi tiết này không đảm bảo, có thể bị biến dạng hay hư hỏng. Cho nên khi thiết kế KCĐCA nhất thiết phải tính lực điện động và kiểm nghiệm độ bền cơ của kết cấu. Các tham số cho trước để tính lực điện động là: a) Các kích thước và cách bố trí tương hỗ của các phần tử dẫn điện trong một pha và các pha với nhau. b) Trị số lớn nhất của dòng điện ngắn mạch.

Ở các KCĐ điện áp bằng và cao hơn 110 KV khoảng cách giữa các pha tương đối lớn, nên ảnh hưởng điện động tương hỗ giữa các pha không lớn và có thẻ bỏ qua. Cho nên chỉ cần tính lực điện động tương hỗ giữa các phần tử trong nội bộ một pha.

Đối với KCĐ điện áp bằng và thấp hơn 35 KV thì phải chú ý đến cả lực điện động tương hỗ giẵ các pha khi ngắn mạch hai pha.

6

Các dạng vật dẫn

Các công thức tính toán Ký hiệu Nhận xét

1 2 3 4

0

hI

kSF

1 1

1

1

2 21

2

22

2 0

2 2 2

21

1 0

1 1 1

y

y

k Sa

F

k Sb

F

I

k S F

I

k S F

Fi - diện tích tiết diện ngang ở đoạn I, cm2 Si – chu vi tiết diện đoạn i

i - Điện trở suất

vật dẫn ở đoạn i, cm

ki - hệ số toả nhiệ từ bề mặt ở đoạn i, W/cm 2 độ. I- dòng điện , A Ji- mật độ dòng điện A/ cm2.

0 - nhiệt độ môi

trường xung quanh, 0C

Đối với mỗi đoạn i nhận : Fi , Si, ki, i

là hằng số

0 onstc

1

1

1 1 1

2 2 2

1 1 1 2

1 1

a xt y y

b xt y y

y yt

e

e

a b

a b

1 0

1 min 1 1 2

12 2 min 1

1

1 0

2 1

min 11

1 0 1 0

1

.

y y

y y

b x x

y y

y

cha x

a

b

e sha x

acha x sha x

b

1 0

1 m 1 1 2

12 2 1

1

1 0

2 1

m 11

1 0 1 0

1

.

y y

y y m

b x x

y y

y

cha x

a

b

e sha x

acha x sha x

b

Cách tính lực điện động đã giới thiệu tỉ mỉ trong giáo trình ‘ Cơ sở lý thuyết khí cụ điện’ và các giáo trình khác. Ở đây chúng ta chỉ nghiên cứu tính lực điện động bằng

7

phương pháp đồ thị dựa trên cơ sở các phương trình Biô- Lapơlaxơ và biến đổi sao cho thuận tiện trong tính toán KCĐCA.

Từ giáo trình ‘ Cơ sở lý thuyết khí cụ điện’ ta biết lực điện động tác dụng lên đơn vị dài thanh 2 ở vị trí x do I1 gây ra của hệ thống thanh dẫn như hình 1-3

0 1 2 1 2

2

. . os os.

4x

x

dF I I c cf

dI x

(1-7)

Khi các dòng điện băng nhau về trị số I1= I2 = I và thay giá trị 70 4 .10 (H/m)

Ta có : 2 7 1 2os os.10 . ( )x

c c Nf I

x cm

Hay

8 2 1 2

8 2

os os1,02.10 . .

1,02.10 . . ( )

x

x m

c cf I

x

kGf I k

cm

(1-8)

Xác định lực điện động chủ yếu tính hệ số mạch km , hệ số này chỉ phụ thuộc vào thông số hình học. Công thức (1-8) không thuận tiện để tính km, vì đo các đại lượng góc ( 1 2, ) bao giò cùng khó khăn và độ chính xác kém.

Ta áp dụng các biến đổi lượng giác:

1

1

osb

cx

12 2

2

os os( - )l b

c cr

Thay vào công thức trên ta được:

2

8 2 8 1

1 2

1,02.10 . . 1,02.10 . ( )x m

I b l bf I k

x r r

(1-9)

Trong (1-9) các thông số hình học đều là các đại lượng dài, nên đo dễ dạng và chính xác hơn, thuận tiện cho tính lực điện động bằng phương pháp đồ thị. Khi các thanh dẫn ở các vị trí khác có thể tham khảo các công thức trong bảng 1-4. Lực điện động tổng xác định theo : F = m.n.S Trong đó : S - diện tích biểu đồ lực điện động đơn vị m- tỉ lệ xích lực điện động đơn vị n- tỷ lệ xích độ dài Đối với những trường hợp không yêu cầu vẽ biểu đồ phân bố lực điện động, mà chỉ cần xác định giá trị lực tương tác giữa các thanh dẫn thì sử dụng phương thức G.B. Kholiápki để tính. Bản chất cuủaphương pháp này bao gồm các phương trình để tính hệ số mạch km của các trường hợp vật dẫn ở các vị trí phức tạp bằng cách đưa về dạng hệ thức đơn giản. Trường hợp hai đoạn thẳng song song ( hình 1-4 ) hệ số mạch tính theo phương trình:

/ /

1 2 1 2( ) ( )I II II Im m

D D S Sk k

a

(1-10)

8

II

D1

D2

i1

i2

S2

S1

l2

a

I

l1

HÌNH 1-4

Trường hợp hai đoạn thẳng cùng nằm trên một mặt phẳng và vuông góc với nhau ( hình 1-5)

i1

D1

S2

D2D

1

i2

D12

=S

22

D2

2=S

12

D11=S11

D21=S21

HÌNH 1-5

BẢNG 1-4

bảng 1-4. Công thức tính lực điện động đơn vị a)

28 1

1

2 1

1,02.10 . ( )h

I l h hf

S r r

b)

28 1

1

1

1,02.10 . . [KG/cm]x

I lf

x r

c)

28 1

1

1 2

1,02.10 . ( )[KG/cm]x

I l b bf

x r r

d) Khi

1 2

28 1

1

2 1

1 2

28 1

1

2 1

1. , :2 2

1,02.10 . ( )[Kg/cm]

2- Khi , :2 2

1,02.10 . ( )[Kg/cm]

x

x

Khi

I l b bf

x r r

I l b bf

x r r

9

Khi xác định lực điện động tác dụng vào thanh II

/

1 11 2 21

1 11 2 21

( ).( )ln

( ).( )I IIm

D D D Dk

S S S S

(1-11)

Khi xác định lực điện động tác dụng vào thanh I:

/

1 12 2 22

1 12 2 22

( ).( )ln

( ).( )I IIm

D D D Dk

S S S S

(1-12)

Trường hợp hai đoạn thẳng I và II hợp thành góc ( hình 1-6 ) và xác định lực

điện động tác dụng vào thanh I.

/

1 11 2 21 1 12 2 22

1 11 2 21 1 12 2 22

1 ( ).( ) 1 ( ).( )ln ln

( ).( ) sin ( ).( )I IIm

D D D D D D D Dk

tg S S S S S S S S

(1-13)

Trong công thức (1-13) lấy dấu + khi đường chéo ( hay cạnh bên ) và hình chiếu của nó trên thanh dẫn tạo thành góc hướng về điểm O, lấy dấu (- ) cùng chiều với góc .

Trường hợp cụ thể ở hình 1-6 và xác dịnh lực điện động tác dụng vào thanh I:

/

1 11 2 21 1 12 2 22

1 11 2 21 1 12 2 22

1 ( ).( ) 1 ( ).( )ln ln

( ).( ) sin ( ).( )I IIm

D D D D D D D Dk

tg S S S S S S S S

(1-13a)

S1

I

II

S11

D11S21

D12

S12 D22

S22D12

1

D

i2

HÌNH 1-6 , 1-7 Lực điện động ở chỗ tiết diện ngang của thanh dẫn thay đổi nhiều (hình 1-7) tính theo công thức:

3 2. 1,02.10 . .lnt h

DF i

d (kG) (1-14)

Có thể viết công thức (1-15) dưới dạng công thức tổng quát để tính lực điện động cho thanh dẫn có tiết diện ngang bấtkì:

3 2. 1,02.10 . .lnt h

QF i

d (1-14a)

Trong đó Q và q - tiết diện ngang của thanh dẫn Ví dụ:

10

Tính lực điện động tương tác giữa các thanh dẫn điện của sứ đầu vào và xà mang tiếp điểm trong máy gnắt nhiều đầu điện áp 11kV ( hình 1-8). Tính toán với giá trị biên độ dòng điện Im = 49000A. Hình 1-9 giới thiệu cách xây dựng biểu đồ phân bố lực điện động đơn vị và vectơ lực điện động tổng. Trình tự và kết quả tính toán nên ở bảng 1-5, 1-6, 1-7.

1040

1530

2

31

400

f 1(3 1)

f 1

f 1(2 1)

97531

8642

l2

Kg

f 2

2

1 3

12

3

4

5

6

7

8

10

9

HÌNH 1-8, 1-9 § 1-5. Cách điện của khí cụ điện Cách điện của KCĐ có tác dụng cách ly các vật dẫn điện giữa các pha với nhau và với các bộ phận nối với đất. Cách điện có loại bọc trực tiếp với các thanh dẫn điện ( sơn cách điện, giấy, vải cách điện), có loại có kết cấu riêng (sứ cách điện). Vật liệu cách điện có thể phân loại như sau: không khí, dầu, chất rắn và phức hợp. Độ bền cách điện thể hiện bằng điện áp chọc thủng, điện áp phóng điện trên bề mặt và độ bền xung. Điện áp phóng điện trên bề mặt và độ bền xung. Điện áp mà xẩy ra chọc thủng cách điện gọi là điện áp chọc thủng, còn điện áp mà xẩy ra phóng điện trên bề mặt cách điện chất rắn gọi là điện áp phóng điện. Điện áp phóng điện chia ra điện áp phóng điện khô và phóng điện ướt. A- Vật liệu và môi trường cách điện Trong KCĐCA thường sử dụng vật liệu và môi trường cách điện giới thiệu ở bảng 1-8. Vật liệu và môi trường cách điện sử dụng trong KCĐCA Môi trường cách điện vật liệu cách điện chất khí chân không chất lỏng chất rắn 1. Không khí: a) ở áp suất khí quyển b) ở áp suất cao 2. Elegat ( SF6 )

1. Độ chân không cao ( 10- 4 – 10-6 )

1. Dầu biến áp 1. Sứ 2. Giấy, bakelit 3.Ghi chinat 4. Fíp 5. Cacton prespan 6. Cát thạch anh 7. Gỗ

11

8. Chất dẻo 9. Thuỷ tinh hữu cơ 10. Ebooxit, vv…

Các đặc tính vật lý của vật liệu và môi trường cách điện giáo trình ‘ vật liệu điện’ và các giáo trình khác đã đề cập khá tỉ mỉ. Ở đây sẽ không xét vấn đề này. B. Kết cấu của các linh kiện cách điện Theo tác dụng các linh kiện cách điện có thể phân loại như sau: sứ trụ, sứ xuyên, sứ kéo, sứ đòn, sứ ống dẫn, không khí, sứ đầu não… Sứ trụ ( hình 1-10 a,b ) và sứ xuyên ( hình 1-10c ) có tác dụng cách điện và cố định các phần tử dẫn điện trong KCĐCA. Sứ vỏ ( hình 1-10 d, g ) là những linh kiện cách điện rỗng để lồng các thanh dẫn điện hay chứa các vật cách điện khác và chất lỏng cách điện. Sứ kéo ( hình 1-10 e) có tác dụng cách điện và truyền chuyển động từ phần tử nối đất cho thanh dẫn điện di động của KCĐCA.

HÌNH VE 1-10.một số kiểu linh kiện cách điện

Sứ đòn nói chung tươgn tự như sứ kéo, nhưng không chịu lực cơ hướng trục chỉ chịu lực cơ hướng kính ( chịu lực uốn ). Sứ ống dẫn không khí ( hình 1-10 g) có tác dụng để chuyển không khí nén vào các bộ phận mang điện áp trong máy ngắt không khí. Trong sứ đầu vào điện áp cao cách điện giữa thanh dẫn điện và thực hiện bằng giấy thấm dầu và dầu chứa trong sứ vỏ. Về kết cấu sứ đầu vào có thể chia ra kiểu dầu ống chắn và kiểu tụ điện. Sứ đầu vào kiểu đầu ống chắn ( hình 1-11 ) thường sử dụng ở KCĐCA có điện áp 110 KV, 150 KV, và 220 KV gồm: thanh dẫn điện kiểu ống 3 đặt ở giữa rồi đến các ống cách điện 5 lồng vào nhau và cách nhau một khe hở để dầu biến áp 6 chảy vào, tất cả các chi tiết này được chứa trong sứ vỏ trên 4 và sứ vỏ dưới 7.

12

Hình 1-11. Sứ đầu vờ kiểu dàn ống ngăn 110 KV.

1. Óng thoát hơi 2. NGăn chứa dầu mỏ 3. Ống dẫn điện 4. Sứ vỏ trên 5. Ống chắn bằng cách điện 6. Dầu biến áp 7. Sứ vỏ dưới 8. đáy Sứ dầu vào kiểu tụ điện cơ bản dựa trên nguyên lý tụ điện để đều hoà sự phân bố điện trường. Theo kết cấu sứ đầu vào kiểu này loại phân ra: kiểu tụ điện bakelit và kiểu tụ điện giấy thấm dầu. a) Sứ đầu vào kiểu tụ điện balelit làm bằng giấy bakelit quấn liên tục trên thanh dẫn điện, cứ cách một số lớp giấy bakêlit đặt một lớp nhôm mỏng. Sứ đầu vào kiểu này dùng trong KCĐ trạm trong nhà với điện áp nhỏ hơn 35 KV thì không cần có sứ vỏ bọc ngoài, còn dùng trong KCĐ trạm ngoài trời diện áp nhỏ hơn 110 KV thì thanh dẫn cùng với các lớp giấy bakêlit nhôm được cố định trong sứ vỏ để chống ẩm bảo vệ các lớp giấy bakêlit, khoảng trống giữa thanh dẫn điện giấy bakêlit và thành sứ vỏ chứa dầu biến áp. Xem hình 1-12

b) Sứ đầu vào kiểu tụ điện giấy thấm dầu: là sử dụng tổng hợp giữa giấy thấm dầu kiểu tụ điện và dầu. Giấy thâm sdầu được quấn chặt liên tục trên thanh dẫn, cách một số lớp đạt một lớp nhôm mỏng. Chi tiết này đựoc sử dụng trong sứ vỏ và ngâm dầu biến áp. Sử dụng cách điện giấy thâm dầu kiểu tụ điện cho phép giảm đường kính và trọng lượng của sứ đầu vào.

Ngoài ra các linh kiện cách đệin còn có thể phân loại theo: trạm trong nhà hay ngoài trời, cách cố định mũ gang của sứ cách điẹn, vv… Chế tạo các linh kiện cách điện cần đạt được các yêu cầu: 1. Hoàn toàn loại trừ khả năng chọc thủng cách điện ( chất rắn và chất lỏng ) 2. Tránh không cho xuất hiện ion hóa các bộ phận dưới dạng vầng quang sáng hay phógn điện trên bề mặt cách điện. 3. Hạn chế đến mức tối thiểu khă năng sinh tia lửa điện hay hồ quang điện tác dụng vào cách điện.

13

4. Sử dụng tối đa cách điện đúc và chất dẻo. 5. Có khả năng làm việc trong mọi điều kiện khí hậu.

HÌnh 1-12. Sứ đầu vào kiểu tụ điện.

C. Tính và chọn cách điện trong KCĐCA I. Các thông số cho trước để tính cách điện a) Sơ đồ sứ đầu vào kiểu tụ điện bakelit b) Sứ đầu vào kiểu tụ điện giấy thấm dầu 1. ống dẫn điện 5. sứ vỏ 2. giấy bakelit 6. dầu 3. các lá nhôm mỏng 7. máy biến dòng điện 4. giấy cách điện. Trong kết cấu khí cụ điệnphải đảm bảo cách đệin: a) Giữa các bộ phận mang điện áp và các phần nối đất b) Giữa các chi tiết có đệin thế khác nhau. c) Giữa những phần tử ở cạnh các cực mang điện áp cao d) Giữa tiếp điểm tĩnh và tiếp điểm động ở vị trí ngắt. Mức độ cách điện phải phù hợp với tiêu chuẩn nhà nước ( hiện nay ta vẫn hay làm theo tiêu chuẩn của Liên xô- GOCT ). Mức độ này được bảo dảm bằng cách chọn khoảng cách cách điện cần thiết và kích thước chính của các chi tiết cách điện: sứ cách điện, tấm đệm cách điện, tấm máng chắn… Như vậy, đo kết quả tính và chọn cách điện ta có thể biết các kích thước chính của khí cụ điện phải thiết kế. Với thang điện áp định mức cho trước phải xuất phát từ giá trị điện áp phóng điện của các khoảng cách để tính cách điện. Điện áp phóng điện được xác định bằng cách nhân trị số điện áp thử ( Ut ) với hệ số K> 1.

Điện áp thử và điện áp phóng điện ở tần số công nghiệp tham khảo bảng 1-9. Bảng 1-9: điện áp thử tần số công nghiệp Thang cách điện, KV

Điện áp làm việc lớn

Khí cụ điện và máy

Máy biến áp

Điện áp thử, KV

Điện áp , KVhd

Điện áp phóng điện lưới của KCĐ và của

Sứ cách điện Cầu dao

Sứ cách điện Trạm Trạm Trạm Trạm

14

nhất, kV

biến dòng

Máy biến điện áp

Sào cách điện

trong nhà

ngoài trời

cách ly và cầu chì

trong nhà

ngoài trời

sứ cách điện trạm ngoài trời, KVhd

3 6 10 15 20 35 110 154 220

3,5 6,9 11,3 17,5 23 40,5 121 169 248

24 32 42 65 66 95 260 360 500

18 25 35 45 55 95 230 320 460

24 32 42 55 66 95 230 320 460

36 48 69 82 100 150 - - -

24 32 42 55 66 100 - - -

27 35 46 60 73 105 285 400 550

31 44 58 76 92 135 345 485 670

- 35 46 60 75 110 - - -

- 38 50 66 80 120 315 440 610

- 28 34 47 57 80 220 303 430

Trong vận hành, ngoài điện áp làm việc còn có của điện áp khí quyển ( sét) và quá điện áp nội bộ tác dụng vào cách điện. Thực tế không thể hoàn toàn loại trừ điện áp mà chỉ hạn chế đến mức có thể. Hiện nay người ta chọn cách điện có điện áp dưới 220 KV phải chịu được quá điện áp (2,5 ÷3) Uf , còn cách điện 300 ÷500 KV phải chịu được 2,5 Uf . Uf - điện áp pha. Để nâng cao độ bền vững củaí cụ điện và ổn định trong vận hành nên cần thiết phải tiến hành thử cách điện bằng xung cao áp. Các chỉ tiêu thử điện áp xung áp dụng ở nhà máy ‘ khí cụ điện – liên xô’ nêu ở bảng 1-10.

Bảng 1-10. Điện áp thử xung Dạng điện áp thử

Điện áp định mức KV 3 6 10 15 20 35 110 154 220

Điện áp thử xung các sứ cách điện và khí cụ điện(KVmax) bằng sóng 1,5/40 mks

43 57 75 95 110 170 465 640 900

Cũng như thế bằng sóng cắt 2mks

51 69 90 115 135 205 560 770 1090

Cũng như thế giữa các tiếp điểm của dao cách ly và của cầu chì (sóng đầy)

50 65 90 115 135 210 580 800 1100

15

Đối với máy ngắt có dao cách ly lắp kèm, tính khoảng cách giữa các tiếp điểm như sau: - Máy ngắt nối pha có một chỗ ngắt, điện áp phóng điện tính toán xác định theo công thức:

Upđt = kdt.kb.0,87. 2 .Uđm , KVmax (1-15) kđt = 1,5 hệ số dự trữ kb = 1,6 hệ số vượt quá biên độ tối đa - Máy ngắt mỗi pha có nhiều chỗ ngắt thì phải tính đến sự phân điện áp không đều trên những chôỗgnắt đó. Điện áp phóng điện tính toán trên một chỗ ngắt được tính bằng:

®m® dt . .0,87. 2. .

np t b p

UU k k k (1-16)

n- số lượng chỗ ngắt trên một pha kp- hệ số phân bố không đều của điện áp phục hồi. Đối với số máy ngắt không có dao cách ly lắp kềm, để phối hợp mức độ cách điện giữa các bộ phận ở môi trường khác nhau nên mỗi bộ phận cách điện phải có hệ số dự trữ riêng cảu mình. Giá trị điện áp phóng điện tính toán cảu từng bộ phận xác định theo công thức: Upđt = kdt.Upđ (1-17) Trong đó : kdt - hệ số dự trữ lấy theo bảng (1-11) Upđ - trị số tiêu chuẩn của điện áp phóng điện ( ở tần số công nghiệp hay ở chế độ xung ) bảng 1-11: các giá trị sơ bộ của hệ số dự trữ kdt Các bộ phận cách điện và điêu kiện làm việc kdt

- Khoảng trống và khoảng cách trên bề mặt sứ cách điện trong không khí - Sứ, gốm làm việc ở tần số công nghiệp - Sứ, gốm làm việc ở chế độ xung - Giấy dầu và dầu cách điện làm việc ở tần số công nghiệp - Cũng như thế nhưng ở chế độ xung - Các khoảng cách cách điện trong buồng dập hồ quang của máy ngắt nhiều dầu. - Các khoảng cách điện trong buồng dập hồ quang của máy ngắt ít dầu không có dao cách ly lắp kèm. - Cũng như thế nhưng đối với máy ngắt ít dầu có dao cách ly lắp kèm.

1

1,3 1,33 ÷1,6

1,3

1,25 1,15 ÷ 1,25

1,25÷1,5

1,15

II. Phương pháp tính cách điện Tính cách điện bao gồm giải quyết các vấn đề : a) Chọn các bộ phận chính có khoảng cách cách điện và chọn sơ bộ hình dáng, kích thước các điện cực tạo thành các khaỏgn cách đã chọn. b) Xác định các giá trị điện áp phóng điện tính toán cho từng khoảng cách đã chọn c) Tính kích thước nhỏ nhất cho phép của các khoảng cách cách điện

16

Căn cứ vào các đường hướng phóng điện có thể xẩy ra nhất, để chọn các khoảng cách phải tính. Ví dụ: ở hình 1-13 giới thiệu các đường phóng điện có thể xảy ra nhất trong máy ngắt nhiều dầu

Hình 1-13: các khoảng cách phóng điện trong máy ngắt nhiều dầu.

Trong khi xác định điện áp phóng điện tính toán ( ở tần số công nghiệp hay chế độ xung ) phải căn cứ vào mức độ yêu cầu về độ bền của từng khoảng cách. Tính kích thước nhỏ nhất của những khoảng cách phải dựa vào hình dáng và kích thước của các điện cực tạo thành khoảng cách đó, vào tính chất và trạng thái của môi trường cách điện, vào kết cấu cách điện của khoảng cách ( có các tấm chắn, các màng tĩnh điện hay không ).

S

UphdKVm

Cm

S

S2000

1600

1200

800

400

700600500400300200100

Hình 1-14: điện áp phóng điện trong không khí ở 50 Hz, với điều kiện khi quyển tiêu

chuẩn

S

3 2

1

Up

100 200 300 400 Cm

200

400

600

800

1000

KVth

Hình 1-15 điện áp phóng điện khô của sứ cách điện trong không khí ở 50Hz.

17

0

Udth

S

S

50

KVth

1000

800

600

400

200

Cm40302010

Hình 1-16: điện áp đánh thủng giữa các thanh trong dầu. Các kích thước của những khoảng cách được xác định trên cơ sở đường cong hoặc công thức thực nghiệm quan hệ giữa điện áp phóng điện ở các môi trường khác nhau và khoảng cách nhỏ nhất. Các đặc tuyến như thế giới thiệu ở các hình 1-14, 1-15, 1-16, 1-17 còn có các công thức tính toán thường áp dụng có thể tham khảo bảng 1-12 Bảng 1-12 Các công thức về quan hệ giữa điện áp phóng điện ở tần số công nghiệp và khoảng cách của cách điện. Loại môi trưòng, hình dáng các điện cực và kích thước giới hạn của các khoảng cách

Công thức tính toán Tác gia

- Phóng điện khô trong không khí, kim- kim không nối đất, cho S > 8mm - Phóng điện khô trong không khí, kim- kim nối đất, cho S > 8cm - Phóng điện khô trong không khí, thanh – thanh nối đất, cho S > 10 cm -Phóng điện khô trong không khí, thanh - mặt phẳng, cho S > 10 cm - Phóng điện khô trong không khí, sứ trụ kiểu khác nhau - Phóng điện khô trong không khí theo bề mặt của sứ trụ mặt phẳng cho l < 45 cm - Đánh thủng trong dầu, kim - mặt phẳng, cho S 10 cm - Đánh thủng trong dầu, kim- kim, cho S > 1cm

Uk = (14 ÷ 3,36)S KV Uk = (14 ÷ 3,16) S KV Uk = 4,75. S , KV Uk = 4,6 .S0,88 (KV) Uk = 3,95.S0,93 (KV) Uk = 10,4.l0,7 (KV) Udt = 30.S0,7 (KV) Udt = 39.S0,7 (KV)

A-Rôt - nhiều tác giả Mai- nhe-rơ

18

- Phóng điện khô trong không khí nén giữa các ống đồng trục d = 3,2 cm với các đầu mút tròn, ở áp suất p (at)

Uk 42(pS)0,45 (KV)max (ước lượng sơ bộ)

(+)

(+)

(-)

(-)

43

2

12;3

1;4 S

S

18016014012010080604020

1400

1200

1000

800

600

400

200

Cm

Hình 1-17. Điện áp phóng điện trong không khí ở chế độ xung 1,5 / 40 mks

Điện áp phóng điện trong không khí ở chế độ xung 1,5 / 40 mks D. Ví dụ tính cách điện. Chúng ta sẽ tiến hành tính cách điện cho máy ngắt ít đầu 110 KV. Dạng chung và sơ đồ kết cấu một pha của máy ngắt như thế giới thiệu ở hình 1-18. Đối với kết cấu này các khoảng cách cách điện tính toán gồm có: S1 - chiều cao sứ trụ S2 - chiều cao sứ cách điện của buồng dập hồ quang S3 - khoảng cách giữa các tiếp điểm dập hồ quang mở hoàn toàn trong dầu S4 - khoảng cách giữa đế tiếp điểm cố định IV của dao cách ly và mép ngoài phía trên nắp trung gian V của sứ xoay.

Hình 1-18

Chiều cao sứ cách điện cảu máy biến dòng lấy bằng chiều cao sứ trụ (S1) và sử dụng làm sứ trụ cho dao cách ly. Chúng ta tiến hành tra điện áp phóng điện theo bảng 1-9 đối với thang cách điện 110 KV: a) Điện áp phóng điện khô đối với sứ trụ UK1 = 315 KVhd b) Đối với dao cách ly cảu máy ngắt: Uk4 = 335 KV = 485 KVmax c) Do máy ngắt có dao cách ly lắp kèm, nên điện áp phóng điện trên bề mặt sứ cách của buồng dập hồ quang xác định theo phương trình (1-15)

Upđt2 = kdt.kb.0,87. 2 .110 = 325 KVmax

19

Upđr2 = 230 KV Nhận xét: nếu máy ngắt không có dao cách ly lắp kèm thì điện áp phóng điện cũng lấy bằng điện áp phóng điện khô ( Uk2 = 315 KV ) d) Điện áp phóng điện tính toán đối với khoảng cách giữa các tiếp điểm dập hồ quang, theo phương trình và bảng 1-11 ta có: Upđt3 = kdt. Upđt2 = 1,15 .230 = 264 KV Căn cứ vào các giá trị điện áp phóng điện trên và các đường cong ở hình 1-15 ( đường cong 2) và hình 1- 16 để tính trị số nhỏ nhất của các khoảng cách: S1 = 98cm, S2 = 70cm, S3 = 16cm, S4 = 100cm Phương pháp tính độ bền cách điện đối với điện áp xung cũng tương tự như trên, nhưng phải lấy và tra theo chỉ tiêu và đường cong ở chế độ xung.

CHƯƠNG II

CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CƠ BẢN VÀ LÝ LUẬN CƠ SỞ CỦA MÁY NGẮT CAO ÁP

§ 2-1. Khái niệm chung Máy ngắt là KCĐ dùng để đóng ngắt mạch điện cao áp có điện ở chế độ bình thường và tự động ngắt khi quá tải và ngắn mạch. Máy ngắt thực hiện thao tác đóng ngắt gián tiếp bằng bộ truyền động và hệ thống điều khiển. Cho nên ở chế độ bình thường có thể đóng ngắt trực tiếp bằng tay hay từ xa bằng tín hiệu, còn khi sự cố nhờ rơle bảo vệ tác động máy ngắt tự đọng ngắt mạch điện. Ngắt tự động và đủ nhanh là thao tác chủ yếu quan trọng nhất của máy ngắt, nhờ đó mà bảo vệ được các thiết bị đắt tiền (máy phát, máy biến áp,…) khỏi bị dòng điện ngắn mạch phá hỏng, cũng như duy trì cho hệ thống làm việc bình thường. Máy ngắt đóng và ngắt mạch điện là nối và tách rời có tính chất cơ khí hai đoạn của mạch điện nhờ tiếp điểm tĩnh và tiếp điểm di động của máy ngắt. Ở phần nhiều máy ngắt do lực đóng Pđg của bộ truyền động tác động vào cần mang tiếp điểm di động thực hiện thao tác đóng, còn ngắt thì nhờ lực ngắt Png của lò xo ngắt. Ở máy ngắt không khí thực hiện đóng nhờ năng lượng của lò xo, còn ngắt do không khí nén đảm nhiệm. Như đã biết, khi ngắt hồ quang điện xuất hiện ở giữa các tiếp điểm tĩnh và động, muốn ngắt mạch điện kết quả phải dập hồ quang. Có rất nhiều biện pháp dập tắt hồ quang, mỗi loại máy ngắt thể hiện mỗi biện pháp dập tắt hồ quang điện. Như vậy, theo dấu hiệu của biện pháp dập tắt hồ quang có thể phân lạo máy ngắt như sau: 1) Trong máy ngắt dầu sử dụng dầu và luồng khí do dàu bị nhiệt cảu hồ quang tác dụng sinh ra để dập tắt hồ quang điện. 2) Máy ngắt dùng trong không khí nén để dập tắt hồ quang gọi là máy ngắt không khí. 3) Máy ngắt tự sinh khí là những máy ngắt dùng cách điện chất rắn dưới tác dụng của hồ quang thì phát sinh luồng khí để dập tắt hồ quang. 4) Dập tắt hồ quang điện trong máy ngắt Elegat bằng khí Elegat ( SF6) 5) Trong máy ngắt chân không dập tắt hồ quang nhờ độ chân không. 6) Máy ngắt điện từ là những máy ngắt sử dụng từ trường của cuộn dây thổi từ ( hay kết cấu của buồng dập hồ quang ) để dập tắt hồ quang.

20

Ngoài ra, còn có thể phân loại máy ngắt theo nơi đặt máy ngắt trạm trong nhà, máy ngắt trạm ngoài trời, theo điện áp: máy ngắt 3 KV, 6 KV, 10KV, 35 KV, 110 KV …theo mức độ tác động : máy ngắt tác động chậm, máy ngắt tác động vừa, máy ngắt tác động nhanh,vv… Cũng như các ngành chế tạo khác, muốn thiết kế chế tạo KCĐCA để đưa vào sản xuất hàng loạt phải qua ba giai đoạn cơ bản: 1. Thiết kế phác thảo 2. Thiết kế kỹ thuật 3. Thiết kế chế tạo Chúng ta đã từng quen biết ba giai đoạn thiết kế chế tạo cơ bản này trong các giáo trình ‘ thiết kế máy biến áp’, ‘ thiết kế máy điện’ và giáo trình khác.Ở đây chỉ trình bày những đặc điểm trong thiết kế máy ngắt cao áp. Trình tự như sau: 1. Chính xác hoá các thông số cho trước 2. Chọn kiểu máy ngắt 3. Tính và thiết kế buồng dập hồ quang 4. Chọn và chính xác hoá sơ đồ kết cấu của máy ngắt 5. Tính cách điện và xác định các kích thước chính 6. Tính và thiết kế các cụm cơ bản: a) Tính lực điện động tác động vào từng bộ phận b) Tính nhiệt phát nóng các bộ phận dẫn điện và hệ thống tiếp điểm do dòng điện định mức làm việc dài hạn. c) Tính ổn định nhiệt các bộ phận dẫn điện và hệ thống tiếp điểm khi dòng điện ngắn mạch tác động. d) Tính đặc tuyến khí động học của máy ngắt (trường hợp máy ngắt không khí). e) Tính và thiết kế các kết cấu trụ đỡ, sứ cách điện, thùng dầu, ống dẫn, các bộ phận điều khiển bằng tay hoặc bằng thuỷ lực… g) Vẽ kết cấu máy ngắt và các bản vẽ thi công.

Trình tự thiết kế giới thiệu ở trên là trình tự chung về thiết kế máy ngắt. Thiết kế một số KCĐ đóng ngắt khác (dao cách ly…) thì đơn giản hơn, không cần phải qua tất cả các bước. Trong thiết kế thưck tế có nhiều bước tính liên quan với nhau tiến hành đồng thời một lúc. Ngoài những điểm đã trình bày còn tuỳ thuộc rất nhiều ở kinh nghiệm, khả năng và trí tưởng tượng của người thiết kế. Có giàu trí tưởng tượng mới sáng tạo được những KCĐ mới, tốt, đẹp, và kinh tế.

§ 2-2. Các thông số cơ bản của máy ngắt Chọn và đánh giá KCĐCA nói chung, máy ngắt cao áp nói riêng phải dựa vào các thông số cơ bản. Chúng ta sẽ lần lượt nghiên cứu các thông số đó. 1. Điện áp định mức Uđm là điện áp dây, mà KCĐ có thể lamg việc bình thường tin cậy trong thời gian dài. Điện áp định mức xác định mức độ lớn nhỏ cảu máy ngắt. Từ hình 2-1 thấy rằng, điện áp định mức càng tăng thì chiều cao và đường kính máy ngắt cũng tăng, nhưng đường kính tăng chậm hơn chiều cao.

21

Khí cụ điện cao áp thường được chế tạo với thang điện áp định mức: 3, 6, 10, 15, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750 KV

h, d (m)

Udm (kV)

d

h

Hình 2-1. quan hệ giữa kích thước của máy ngắt và điện áp định mức. h - chiều cao máy ngắt, d – đưòng kính máy ngắt….Hiện nay ở nước ta hệ thống điện lực mới chỉ có điện áp định mức dưới 110 KV trỏ xuống. 2. Dòng điện định mức Iđm là dòng điện chảy trong KCĐ với thời gian dài không làm phát nóng các chi tiết của KCĐ quá trị số cho phép và không dẫn đến hư hỏng các chi tiết đó. Dòng điện định mức ảnh hưởng đến kích thước các bộ phận mang điện và kích thứơc KCĐ với mức độ rất ít. Khí cụ điện cao áp thường có các dòng điện định mức: 1, 5, 10, 50, 100, 200, 400, 600, 1000, 2000, 3000 và 4000 A. 3. Dòng điện ngắt Ing – dòng điện lớn nhất ( do nhà máy bảo đảm ) khi ngắt mạch điện ở điện áp và theo chu trình đóng ngắt qui định không làm hư hỏng cản trở máy ngắt tiếp tục làm việc tốt. Khi ngắt ở điện áp định mức thì trị số dòng điện ngắt gọi là dòng điện ngắt định mức. Trị số này là một trong những thông số cơ bản cảu máy ngắt, nó xác định kết cấu buồng dập hồ quang của máy ngắt. Theo tiêu chuẩn qui định dòng điện ngắt định mức lấy bằng giá trị thực của dòng điện ngắn mạch:

2 2ng c kI I I (2-1)

Trong đó: Ic – giá trị hiệu dụng của thành phần chu kì dòng điện ngắn mạch ở chu kì thứ nhất Ik – giá trị trung bình của thành phần không chu kì của dòng điện ngắn mạch Dòng điện ngắt lớn nhất ở điện áp nhỏ hơn định mức gọi là dòng điện ngắt giới hạn Inggh 4. Công suất ngắt định mức là công suất lớn nhất máy ngắt có thể ngắt mạch điện ở điện áp định mức không phát sinh sự cố. Công suất này xác định kích thước và kết cấu buồng dập hồ quang cảu máy ngắt. Công suất ngắt định mức có thể tính theo:

®m ng3. .ngS U I (2-2)

5. Dòng điện đóng Iđ – dòng điện ngắn mạch lớn nhất (biên độ ) khi máy ngắt đóng ở điện áp qui định mà không làm nóng chảy các tiếp điêmẻ. Trị số dòng điện đóng là thông số quan trọng xác định kết cấu của tiếp điểm và công suất bộ truyền động. Dòng điện đóng tính bằng công thức:

® 1,8. 2. ngI I

6. Thời gian ngắt của máy ngắt là khoảng thời gian kể từ khi có tín hiện ngắt đến thời điểm hồ quang tắt hoàn toàn trên cả ba pha. Thời gian ngắt gồm có thời gian tiếp điểm chuyển động và thưòi gian hồ quang cháy.

22

Đối với máy ngắt tác động nhanh thời gian ngắt không quá 0,08 s, máy ngắt tác động vừa không quá 0,15s, còn đối với máy ngắt tác động chậm không quá 0,25s. 7. Tốc độ phục hồi điện áp trong máy ngắt và tần số dao động riêng của điện áp phục hồi, phụ thuộc vào tham số ( điện cảm và điện dung ) của lưới điện mà máy ngắt đặt, là thông số rât cần để xác định công suất ngắt lớn nhất của máy ngắt. Để đảm bảo cho máy ngắt làm việc tin cậy, tốc độ phục hồi điện áp trên máy ngắt phỉa thoả mãn các giá trị nêu ở bảng 2-1. Bảng 2-1: các giá trị tốc độ phục hồi điện áp trên máy ngắt Điện áp ,

KV 6 10 35 110 150 220

Tốc độ phụ hồi điện áp V/ s :

- Ở công suất định

mức - Ở công suất ngắt từ 0 đến

50 % định mức

80-120

400-600

200-300

1000-1500

110-210

670-1100

210-320

1100-1660

250-370

1250-1850

290-430

1450-2200

Tần số dao dộng riêng của điện áp phục hồi ở chế độ quá độ có thể tham khảo bảng 2-2 bảng 2-2: các tần số dao động riêng của điện áp phục hồi quá độ để thử nghiệm khả năng ngắt của máy ngắt.

Điện áp định mức KV

6 10 15 20 35 110 150 220

Tần số dao động riêng KHz ở công suất ngắt bằng

100% công suất ngắt của máy ngắt

4 3 2,4 1,8 1,3 0,6 0,5 0,4

50% công suất ngắt của

20

15 12 9 6,5 3 2,5 2

23

máy ngắt

§ 2-3. Cách chọn kiểu máy ngắt Trong thiết kế chọn kiểu máy ngát theo các thông số cho trước là nhiệm vụ đầu tiên phức tạp và quan trọng. Khi chọn cần phải chú ý đến điều kiện làm việc của máy ngắt, xu hướng hiện đại của thế giới và tình hình sản xuất máy ngắt trong nước. Khi thiết kế để đưa vào sản xuất hàng loạt hoặc khôi thảo các máy ngắt kết cấu mới với điện áp trên 330 KV và dòng điện định mức 1200 A, thì việc chọn kiểu máy ngắt lại càng có ý nghĩa quan trọng. Khi chọn cần phải dựa vào : 1. So sánh các thông số cho trước với các chỉ tiêu cảu những kiểu máy ngắt hiện có. 2. Đánh gí khả năng làm việc của máy ngắt đã chọn với các đặc tuyến cho trước. Về phương diện chọn kiểu máy ngắt có thể phân loại theo các dấu hiệu sau: a) Môi trường dập hồ quang b) Cách dập hồ quang c) Phương pháp cách điện d) Điện áp định mức đ) Dòng điện định mức e) Công suất ngắt định mức f) Cơ cấu truyền động g) Mức độ tác động h) Tiện lợi cho tự động đóng lặp lại Phân loại máy ngắt theo môi trường dập hồ quang và cách dập hồ quang có thể tham khảo bảng 2-3. bảng 2-3: phân loại máy ngắt theo môi troờng dập hồ quang và theo cách dập hồ quang

Môi trường dập hồ quang

Cách dập hồ quang

Kiểu buồng dập hồ quang

Kiểu máy ngắt

Các thông số định hướng

điện áp định mức KV

Dòng điện định mức A

Công suất ngắt định mức MVA

Dập hồ quang ngỏ trong dầu -Làm lạnh ráo

Tiếp điểm ngắt đơn giản trong dầu.

Nhiều dầu - Ít dầu

35 110 330 10 35 110

2000 2000 2000 1500 1500 2000

1000 5000 25000 300 1000 2500

24

dầu riết thân hồ quang trong buồng, sản phẩm tạo thành khí tách ra từ dầu ( hỗn hợp khí hơi)

-Buồng dập có bộ phận phổi tự động dọc hay ngang trong dầu - Màng chắn dập hồ quang

- Ít dầu kiểu chậu

330 15 (20)

2000 6000

10000 2500

Chất lỏng

không cháy

( nước)

Làm lạnh ráo riết thân hồ quang trong hơi nước

Buồng có bộ phận tự động thổi trong nước Màng chắn dập hồ quang

-Ít nước - Nước kiểu chậu

15 15

600 2000

300 1500

Chất rắn sản khí

Làm lạnh ráo riết thân hồ quang trong luồng sản phẩm tạo thành khí tách ra từ chất rắn sản khí

Buồng có bộ phận tự động thổi dọc hay ngang

Tự sản khí

10

600

300

Không khí nén

Làm lạnh ráo riết thân hồ quang trong

- Buồng thổi không khí dọc hay ngang

- không khí

10 35 110 400 10

2000 2000 2000 2000 400

300 1500 5000 25000 250

25

buồng dập không khí nén

- Buồng thổi dọc có sun bằng điện trở nhỏ

- tự điều khiển bằng hơi - Không khí có sun bằng điện trở nhỏ

15

12000

4000

Không khí và mặt phẳng làm lạnh của vách ngăn

Chuyển dịch bằng từ trường ngang và làm lạnh thân hồ quang trong khe hẹp của vách ngăn

buồng kiểu khe với hệ thống từ trường

Không khí điện từ với buồng dập hồ quang kiểu khe hẹp

15

4000

750

Không khí và mặt phẳng làm lạnh các điện cực

Chia thân hồ quang ra nhiều phần nhỏ với chuyển dịch bằng từ trường

buồng với sự làm lạnh bằng lưới, với hệ thống từ trường

Không khí điện từ với những tấm lưới dập hồ quang

15

2000

1000

Elegat ( SF6 )

Làm lạnh thân hồ quang trong luồng elegat

Buồng thổi elegat dọc hay ngang

Elegat

380 ( và cao hơn)

2000

40000

Chân Chia Chân Chân 110

26

không nhỏ thân hồ quang trong chân không

không dập hồ quang

không ( và cao hơn)

600 250

Dựa vào bảng 2-4 ta có thể biết được các đặc điểm, ưu khuyết của các kiểu máy ngắt với điên áp khác nhau, và do đó có thể chọn kiểu máy ngắt được dễ dàng. Theo điện áp định mức máy ngắt được chia làm hai nhóm chính: 1. Máy ngắt điện áp 35 KV và cao hơn gọi là máy ngắt trạm phân phối 2. Máy ngắt điên áp bằng va thấp hơn 20 KV gọi là máy ngắt máy phát Máy ngắt trạm phân phối sử dụng ưu việt các loại máy ngắt sau: a) Máy ngắt không khí b) Máy ngắt ít dầu c) Máy ngắt nhiều dầu Thời gian gần đây ta còn sử dụng máy ngắt elegat ( SF6 ). Loại máy ngắt này có các đặc tính kỹ thuật vận hành và kinh tế cao. Tuy máy ngắt không khí kết cấu phức tạp và đắt hơn máy ngắt dầu, nhưng với điện áp từ 110 KV trở lên sử dụng máy ngắt không khí ưu việt hơn máy ngắt dầu. Sử dụng máy ngắt dầu về mặt kỹ thuật và kinh tế phù hợp ở những điểm ít quan trọng của hệ thống điện. Theo điện áp định mức, dòng điện và công suất ngắt máy gnắt nhiều dầu ngang hàng với máy ngắt không khí, nhưng không an toàn bằng máy ngắt không khí. Cho nên trong tương lai máy ngắt loại này chưa chắc đã phát triển. Nhóm máy ngắt máy phát có dặc điểm dòng điện định mức ( bé hơn 12000 A ), công suất ngắt định mức ( nho rhơn 4000 MVA ) và dòng điện ngắt rất lớn. Máy ngắt máy phát sử dụng máy ngắt ít dầu kiểu chậu và máy ngắt không khí là ưu việt hơn cả. Hiện nay không sử dụng máy ngắt nhiều dầu làm máy ngắt máy phát. Máy ngắt có điện áp định mức nhỏ hơn 15 KV, dòng điện định mức dưới 1500 A và công suất định mức đến 400 – 500 MVA được xem là máy ngắt cung cấp. Tất cả các kiểu máy ngắt: a) nhiều dầu ngắt đơn giản b) nhiều dầu có buồng dập hồ quang c) ít dầu ( trong đó có kiểu chậu) d) ít chất lỏng không cháy e) không khí đ) tự sản khí g) tự diều khiển bằng hơi h) không khí dập hồ quang bằng điện từ. có thể sử dụng làm máy ngắt cung cấp. Máy ngắt cung cấp có rất nhiều kiểu, nhiều vẻ khác nhau, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực” nhà máy, hầm mỏ, xí nghiệp khai thác dầu, lưới điện nông nghiệp,vv..Cho nên kết cấu của máy ngắt cung cấp phải hết sức đơn giản,ổn định trong vận hành, thuận tiện khi lắp ráp và sản xuất phải hàng loạt để giá thành thật hạ. Trong các kiểu máy ngắt kể trên sử dụng máy gắt ít dầu và máy ngắt dập hồ quang bằng điện từ là ưu việt hơn cả.

27

Máy ngắt phụ tải là nhóm đặc biệt, thường có công suất ngắt nhỏ, kết cấu rất đơn giản, nhẹ và rất rẻ. Máy ngắt phụ tải sử dụng tốt nhất các máy ngắt kiểu: a) Tự sản khí b) Tự động điều khiển bằng hơi c) Điện từ Ngoài ra còn có thể sử dụng máy ngắt chân không. bảng 2-4: so sánh về chất lượng các kiểu máy ngắt Kiểu máy ngắt và điện áp định mức

Các ưu điểm cơ bản Các nhược điểm cơ bản

Nhiều dầu có buồng dập hồ quang, điện áp 110 KV và cao hơn

1) Kết cấu tương đối đơn giản 2) Có khả năg đặt máy biến dòng bên trong 3) Năng lực ngắt lớn 4) Thích hợp đối với các trạm ngoài trời

1) Không an toàn về hoả hoạn và phát nổ 2) Phải thường xuyên kiểm tra mức và chất lượng của dầu trong bình chứa và các sứ đầu vào cao áp 3) Khối lượng dầu lớn nên kéo dài thời gain thay dầu, thời gian kiểm tra buồng dập hồ quang và hệ thống tiếp điểm 4) Lượng dự trữ dầu lớn, các trạng bị lọc dầu rất qui mô 5) Không thích hợp đối với các trạm trong nhà 6) Ít thích hợp với làm việc AB tức thời nhiều lần 7) Các tiếp điểm dập hồ quang mòn tương đối lớn 8) Tốn nhiều kim loại để sản xuất bình dầu 9) Trọng lượng lớn, không thuận tiện cho chuyên chở, cho lắp ráp 10) Không có khả năng tạo thành một thể thống nhất với sự áp dụng những cụm thống nhất lớn

Máy ngắt ít dầu điện áp 35

1) Khối lượng dầu không lớn

1) Không an toàn về hoả hoạn và phát nổ,

28

KV và cao hơn 2) Trọng lượng tương đối nhẹ 3) Kết cấu đơn giản so với máy ngắt không khí 4) Giá thành tương đối hạ 5) Thích hợp cho cả trạm trong nhà lẫn trạm ngoài trời. 6) Nhẹ hơn máy ngắt nhiều dầu 7) Có khả năng tạo thành một thể thống nhất

tuy ít hơn ở máy ngắt nhiều dầu 2) Thực hiện AB tức thời nhiều lần phức tạp 3) Phải thường xuyên kiểm tra bổ xung và thay dầu trong buồng dập hồ quang 4) Các tiếp điểm dập hồ quang mòn tương đối lớn 5) Không thích hợp với điều kiện làm việc thường xuyên đóng ngắt 6) Đặt máy biến dòng bên trong khó khăn 7) Năng lực ngắt giới hạn tương đối kém

Máy ngắt không khí, điện áp 35 KV và cao hơn

1) An toàn về hở hoạn và phát nổ 2) Tác động nhanh thích hợp cho AB theo chu trình bất kỳ 3) Năng lực ngắt cao 4) Ngắt dòng điện dung cảu đường dây không tải vững chắc 5) Các tiếp điểm dập hồ quang mòn ít 6) Dễ kiểm tra buồng dập hồ quang 7) Trong vận hành không phải tiêu tốn dầu 8) Trọng lượng tơng đối nhẹ( so sánh với máy ngắt nhiều dầu) 9) Thích hợp cho trạm ngaòi trời và trạm trong nhà

1) Phải có các thiết bị nén và lọc không khí 2) Kết cấu tương đối phức tạp, mức độ gia công yêu cầu chính xác cao 3) Giá thành tương đối cao 4) Đặt máy biến dòng bên trong khó khăn

Máy ngắt kiểu tự sản khí

1) Hoàn toàn an toàn về hoả hoạn và phát nổ 2)Không cần phải có dầu, vận hành đơn gảin 3) Trọng lượng tương đối nhẹ

1) Điện áp định mức bị hạn chế ( nhỏ hơn 15 KV) 2) Mòn các phần tử sản khí làm thay đổi đặc tính của buồng dập hồ quang, nên phải thường

29

xuyên kiểm tra chất lượng của buồng dập hồ quang 3) Các tiếp điểm dập hồ quang mòn tương đối lớn 4) Không phù hợp với trạm ngoài trời

Máy ngắt kiểu điện từ

1) Hoàn toàn an toàn về hoả hoạn và phát nổ 2) Các tiếp điểm dập hồ quang và các phần tử của buồng dập hồ quang mòn rất ít 3) Thích hợp với diều kiện làm việc thường xuyên đóng ngắt 4) Năng lực ngắt tương đối cao

1) Kết cấu buồng dập hồ quang cùng với hệ thống thổi từ tương đối phức tạp 2) Điện áp định mức bị giới hạn( không quá 35 KV ) 3) Ít phù hợp đặt ở trạm ngoài trời

§ 2-4. Cách tính gần đúng sự phát nóng thanh dẫn điện của sứ đầu vào Sự truyền nhiệt từ thanh dẫn của sứ đầu vào ra môi trường xung quanh rất phức tạp, vì cấu trúc cách điện cảu sứ đầu vào phức tạp ( về phương diện nhiệt ), cá điều kiẹn tản nhiệt không giống nhau, nhiệt độ của môi trường dọc sứ đầu vào khác nhau ( phần dưới mgầm rong dầu với nhiệt độ gần 75 0C, còn phần trên- không khí ). Cho nên phải sử dụng phương pháp tính gần đúng. Chúng ta sẽ nghiên cứu sự phát nóng thanh dẫn sứ đầu vào của máy ngắt dầu ( hình 2-2 ).

Hình 2-2

Ở sứ đầu vào cao áp điện áp bằng và cao hơn 110 KV, tiết diện thanh dẫn tương đối bé, vai trò dòng nhiệt điều chỉnh hướng trục dọc theo thanh dẫn nhỏ ( xem hình 2-3 ).

30

60

oC

l

Cm402000204060100 80

80

100

H ình 2-3 Sự phân bố nhiệt độ dọc thanh dẫn của sứ đầu vào Trường hợp tiết diện thanh dẫn lớn và chiều dài ngắn ( các sứ đầu vào có dòng điện lớn và điện áp 6 – 10 KV ), vai trò dòng nhiệt điều chỉnh hướg trục là chủ yếu. Tính nhiệt các thanh dẫn của sứ đầu vào có hai nhiệm vụ có bản: a) Với dòng điện định mức, cấu trúc và kích thước cách điện, đường kính ngoài của thanh dân hình ống cho trước, xác định tiết diện cho phép nhỏ nhất. b) Cho trước kich thước kết cấu và điều kiện làm lạnh, xác định dòng điện cho phép lớn nhất khi làm việc dài hạn. Khi tính nhiệt các kết cấu mới thì phải giải quyết nhiệm vụ thứ nhất. Khi đó cần nhớ rằng ở các sứ dầu vào điện áp cao hơn 35 KV các thanh dẫn điện phải có dạng ống rỗng. Với các tham số cho trước xác định: a) Tiết diện cho phép nhỏ nhất của thanh dẫn, mà nhiệt độ điểm phát nóng nhất không vượt quá giới hạn cho phép b) Sự phân bố nhiệt độ hướng trục dọc thanh dẫn, đồng thời kiểm tra lại điểm phát nóng nhất ( điểm C). Ở chỗ giả thiết phát nóng nhất ( tiết diện C ) ta chia sứ đầu vào thành nhiều đoạn nhỏ. Giả sử nhiệt từ thanh dẫn bị đốt nóng chỉ truyền theo hướgn tâm, đối với mỗi đoạn đơn vị của hệ thống phải xét (hình 2-4 ) có thể viết phương trình nhiệt thông hướng tâm như sau:

1

2

1

. .1

ln1

.2

m bm m bmr

i n

i i

J FR

ri

(2-4)

Trong đó: m - nhiệt độ phát nóng thanh dẫn ở điểm C

bm - nhiệt độ ở mặt ngoài sứ vào

R - nhiệt trở tổng

HÌnh 2-4

Dựa trên cơ sở điều khiển liên tục của dòng chảy ta có thể viết phương trình cân bằng nhiệt thông đơn vị chế độ phát nóng xác lập:

31

1 0( )m bmr bmkS

R

(2-5)

k- hệ số tản nhiệt trên bề mặt sứ cách điện, W/ cm2 0C S- chu vi ngoài của sứ vỏ, cm 0 - nhiệt độ môi trường xung quanh ( dầu ), khi tính lấy bằng 750C

Giải liên hợp hai phương trình ( 2-4 ), (2-5 )và loại trừ ta sẽ có công thức tính nhiệt độ phát nóng ở tiết diện đang xét của thanh dẫn điện:

1

0

2

0

2

0

( . . 1)

. . ( . . 1)

. ( . . 1)

r

m

R k S

kS

J F R k S

kS

I R k S

kSF

(2-6)

Nếu cho trước giá trị dòng điện và nhiệt độ phát nóng, thì dễ dàng xác định tiết diện nhỏ nhất của thanh dẫn điện:

2

0

. ( . . 1)

( )m

I R k SF

kS

Tiếp theo chúng ta sẽ xét đến sự phân bố nhiệt độ dọc thanh dẫn điên. Trong tính toán sử dụng các giả thiết sau: 1. Xem sứ đầu vào giống như thanh dài vô tận ( hình 2-5 ) một phần (1) ngân trong môi trường có nhiệt độ 01 , còn phần khác (2) ở môi trường 02 và : 1 2R R , S1

S2 , k1 k2 2. Giá trị Rti, Si và ki xác định ở các điểm có các điều kiện truyền nhiệt xấu nhất. 3. Ở mỗi đoạn được xét coi điện trở suất cảu vật liệu và hệ số tản nhiệt không đổi. 4. Các phần tử tiếp xúc với thanh dẫn điện không ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt độ dọc trục 5. Cách điện của sứ đầu vào không tham gia trao đổi nhiệt hướng trục.

1

t1R F1

F2Rt2

(x)

- +

Hình 2-5. Để tính phát nóng thanh dẫn điện của sứ đầu vào

Từ giả thiết (5) có thể viết phương trình (2-6) dưới dạng:

2 2

0

. . ( . 1) . ..

. .i i i

i i

i i i i

J F R k S J Fm

k S k S

(2-8)

Trong đó: ( 1)i i im R k S đối với mỗi đoạn ( 1 hoặc 2) là đại lượng không đổi.

Từ phương trình (2-8) có thể viết :

32

2 ®0 0

t®

® 0 ®i ® 0

.1 1( ) . ( )

S

( ) ( )

t ii i i i i i i

i t i i t t i i

S SJ F k S k

m m

nk S k S

(2-9)

Trong đó ®

i

t

Sn

mS

Stđ – chu vi thanh dẫn điện ktđi = nki - hệ số tản nhiệt tưong đương ở đoạn 1. Như vậy, ta đã đưa phương trình (2-6) tản nhiệt của thanh dẫn bọc cách điện về phương trình biểu hiện đặc tính tản nhiệt của thanh dẫn trần có hẹ số tản nhiệt tương đương cho từng đoạn 1 ( xem hình 2-6 ) và 01 02 , ktđ1 ktđ2.

Ktd1 Std

01 02

StdKtd2

12

F = constan

(x)

- +

K

Hình 2-6. để tính phát nóng thanh dẫn điện của sứ đầu vào Có thể viết các phương trình phát nóng xác lập cho các đoạn đang xét 1 và 2 ( xem 1-3 )

2

2 21 22

0d

a adx

(2-10)

®1 ®1

F

t tk Sa

,

2®1 ®

2 01Ft tk SJ

a

Và 2

2 21 22

0d

b bdx

(2-11)

®2 ®1

t tF

k Sb

,

2®2 ®

2 02t t

F

k SJb

Nghiên cứu của các phương trình ( 2-10) và (2-11) có dạng:

1 1

1 1 2 1a x a x

yA e A e (2-12)

Trong đó: 22

1 21

y

a

a nghiệm riêng ( nhiệt độ của thanh dẫn dài vô tận có các thông số

của đoạn 1 )

1 1

1 1 2 2b x b x

yB e B e (2-13)

Trong đó: 22

2 21

y

b

b

Dựa vào các điều kiện bờ ta tìm các hằng số của hai phương trình này:

a. 22

1 1 21

y

ax

a

33

b. 22

2 2 21

y

bx

b

c. 1 21 20 ,rg

d dx

dx dx

Sau khi đã xác định các hằng số ta có thể viết các phương trình tính nhiệt độ cho điểm bất kỳ trên đoạn 1 và 2 của thanh dẫn điện:

1 1

1 1 (1 )a x a x

y rge e (2-14)

1 1

2 2 (1 )b x b x

y rge e (2-15)

1 2 1 1

1 1

y yrg

b a

a b

(2-16)

Dựa vào các phương trình này dựng đường cong phân bố nhiệt độ dọc trục ( )f x như ở hình 2-3.

§ 2-5. Cách tính gần đúng hệ thống dẫn điện trong buồng dập hồ quang của máy ngắt

không khí Sơ đồ kết cấu buồng dập hồ quang đơn giản cảu máy ngắt không khí giới thiệu hình 2-7. Thanh dẫn điện nằm trong sứ trụ rỗng, các đầu cuối phình to (đề nắp, nâng tĩnh điện ) nằm ngoài sứ cách điện là bề mặt làm lạnh cảu các đoạn thanh dẫn này. Ở giữa thanh dẫn điện có tiếp điểm. Trong hệ thống này thanh ( hoặc ống ) dẫn điện nằm trong, sứ rỗgn được làm lạnh là do tản nhiệt hướng tâm, cũng như tản nhiệt dọc trục về hai đầu mút của thanh dẫn đó. Các tham số cho trước để tính gồm có: a. Kích thước cảu các bộ phận dẫn điện b. Dòng điện phụ tải cực đại làm việc dài hạn c. Tính chất dẫn nhiệt của môi trường d. Trị số điện trở tiếp xúc

Hình 2-7. sơ đồ kết cấu buồng dập hồ quang của máy ngắt không khí Các đại lượng phải tìm là: 1. Trị số nhiệt độ cực đại ở chỗ tiếp xúc 2. Ảnh phân bố nhiệt độ dọc trục x của hệ thống thanh dẫn điện. Để bài toán đơn giản ta nhận các giả thiết: 1. Tất cả các hệ số ở phương trình cân bằng nhiệt(1-3) trên toàn bộ chiều dài của mỗi đoạn coi như không đổi. 2. Bỏ qua ảnh hưởng nhiệt của các thanh góp. 3. Tính ảnh hưởng của tiếp điểm đến ảnh phân bố nhiệt bằng phương pháp xếp chồng, nghĩa là ban đầu hệ thống được tính không có tiếp điểm, sau đó cộng thêm độ tăng nhiệt do có tiếp điểm.

34

Từ giả thiết 3 cho phép ta tiến hành tính hệ thống thanh dẫn điện không có tiếp điểm. Ta coi hệ thống là đối xứng,cho nên chỉ xét một nửa hệ thống như hình 2-8a. Như vậy hệ thống được xét có hai đoận 1 và 2. Trên cơ sở phương trình (2-9) có thể viết phương trình tản nhiệt cho đoạn 1:

21 1 1 1 1 1 0 ®1 ® 1 0( ) ( )t tJ F nk S k S (2-14)

Trong đó: ktđ1 = nk1

2

1

sSnmS

1 1 2( 1)sm R k S

Ss2 – chu vi mặt ngoài sứ cách điện của buồng dập hồ quang S1 – chu vi tiết diện thanh dẫn điện ở đoạn 1

1 - nhiệt độ trên bề mặt thanh dẫn điện ở đoạn 1

Nhiệt trở 1R ở đoạn 1 của hệ thống này tính theo công thức:

21

111

®

lnln1

( )2

ss

s

kt s

rr

rrR

(2-18)

Trong phương trình này nhiệt dẫn suất tương đương của lớp không khí ®kt cần được

tính đến ảnh hưởng cảu đối lưu theo công thức: ® ®.kt k

Trong đó k - nhiệt dẫn suất của không khí có đối lưu

® - hệ số đối lưu, tính theo phương trình:

®

Trong đó 1 1sr r - chiều dày của lớp không khí, m

- nhiệt rơi trên lớp không khí này Các giá trị hệ số của không khí cho trong bảng 2-5 bảng 2-5: các giá trị hệ số của không khí 0C 0 20 40 60 80 100

19,4 18,2 17,4 16,0 15,4 14,4 Như vậy sau khi biến đổi ta đã đưa hệ thống phải xét về hệ thống tính toán mô tả ở hình 2-8b. Hình 208b. để tính phát nóng hệ thống dẫn điện trong buồng dập hồ quang của máy ngắt không khí Phương trình cân bằng niệt tổng quát cho từng đoạn có dạng:

2

2 21 22

0d

a adx

(2-21)

Trong đó

®1 ®1

1.t tk S

aF

, 2

®1 11 22 0

1

tk SJa

F

F1 - tiết diện thanh dẫn điện đoạn 1, cm2 - nhiệt dẫn cảu vật liệu thanh dẫn điện W/cm.độ J1 - mật độ dòng điện ở đoạn 1

35

0 - nhiệt độ môi trường xung quanh

2

2 21 22

0d

b bdx

(2-22)

Trong đó:

2 21

2

k Sb

F ,

22 2 2 2

2 0

2

J k Sb

F

Nghiệm tổng quát của các phương trình này:

1 1

1 1 2 1a x a x

yA e A e (2-23)

1 1

1 1 2 2b x b x

yB e B e (2-24)

Và nghiệm riêng 22

1 21

y

a

a

22

2 21

y

b

b

Xác định các hệ số của phương trình (2-23) vaà(2-24) từ điều kiện bờ:

x = 0; m ; 1 0d

dx

( 2-25)

x = x1 ; 1 2 ; 1 1

1 2

x x x x

d d

dx dx

(2-26)

x = x2 ; 2 n ; 2

22 n

x x

dk

dx

(2-27)

từ các điều kiện bờ của ( 2-25) ta có: 1 0 1 12 ycha x

Trong đó: 10

2

m y .

Theo (2-24) vaà(2-27) có thể viết:

2

2

1 1

2

1 2 1 2

2

22

2

2 1 2 2

2 1 1 1 2( )

nx xx x

b x b xyx x

b x b x

x x

d

k dx

B e B e

b B e b B e

( 2-29)

Trong đó: 2k

từ đó ta có:

1 2

1 2 22 11 2

1 1

1( )

1 1

b xyb x eb

B B eb b

(2-30)

thực tế tính toán chỉ rằng:

36

1 2

1 2 22 12

1 1

1( )

1 1

b xyb x eb

B eb b

Cho nên ta nhận: 1 22 11 2

1

1( )

1b x b

B B eb

(2-31)

Trên cơ sở của (2-26) và (2-28) có thể viết:

1 1 1 11 0 1 1 1 1 1 22 . b x b xa sha x b B e b B e (2-32)

Thay giá trị B1 ở ( 2-31) vào (2-32) và giải phương trình B2:

1 1

1 2 1

10 1 1

12

2 ( )1

1

2 . . .

1. 1

1

b x

b x x

ae sha x

bB

be

b

(2-33)

Và từ (2-31) ta có:

1 1

1 2 1

10 1 1

11

2 ( )1

1

2 . . .

11 .

1

b x

b x x

ae sha x

bB

be

b

(2-34)

Xác định nhiệt độ của chỗ phát nóng nhất m từ điều kiện x = x1 1 2 nghĩa là :

1 1 1 1

1 1 1 1 1 2 2b x b x

m y y ycha x B e B e

Giải phương trình này với tần số m và thay các giá trị B1 và B2 tìm được ở trên ta

có:

11 1 1 1 1 2

1

11 1 1 1

1

( 1)y y

m

acha x sha x

b

acha x sha x

b

(2-36)

Độ tăng nhiệt do ảnh hưởng của tiếp điểm được tính theo các phương trình: a) Đối với x < x0

1 0

2( )

®1 12

a x xttx

t

I Re

k S F

(2-37)

b) Đối với x > x0

1 0

2( )

®1 12

a x xttx

t

I Re

k S F

(2-38)

Trong đó Rt - điện trở tiếp xúc. Nhiệt độ tổng ở điểm x bất kỳ tính theo: tx x tx (2-39)

Trên cơ sở phương (2-39) có thể dựng như hình 2-9.

37

Hình 2-9

§ 2-6. Tiếp điểm của máy ngắt 2-6-1. Khái niệm Các tiếp điểm cố định và di động là một trong những chi tiết quan trọng nhất của máy ngắt. Tiếp điểm của máy ngắt làm việc trong điều kiện rất phức tạp vì trong quá trình làm việc ngắt giữa các tiếp điểm phát sinh hồ quang điện có thể làm chảy và cháy bề mặt tiếp điểm. Ngoài ra, quá trình làm việc bình thường do điện trở tiếp xúc tăng và tiếp điểm bị phát nóng, nên thường xuyên hao mòn. Kết cấu tiếp điểm phải thoả mãn các yêu cầu sau: 1. Khi làm việc dài hạn với dòng điện định mức, tiếp điểm không được phát nóng quá trị số cho phép ( xem bảng 2-6) 2. Phải ổn định đối với tác động nhiệt và điện động của dòng điện ngắn mạch, nghĩa là khi dòng điện ngắn mạch chảy qua hoặc đóng máy ngắt vào ngắn mạch khôgn xảy ra dập nát hay nóng chảy tiếp điểm. Như vậy tính tiếp điểm phải tiến hành trên cơ sở tính phát nóng do dòng điện định mức làm việc dài hạn và tính độ ổn định với dòng điện ngắn mạch. bảng 2-6: nhiệt độ phát nóng tiếp điểm cho phép khi làm việc dài hạn Các chi tiét trong khí cụ điện

nhiệt độ phát nóng cho phép

độ tăng nhiệt khi nhiệt độ không khí + 350C

Trong không khí

Trong dầu

Trong không khí

Trong dầu

Đồng và hợp kim đồng không mạ bạc, nối cứng bằng bulông, đinh vít, đinh tán. Đồng và hợp kim đồng không mạ bạc nén bằng lò xo Đồng hoặc hợp kim đồng mạ bạc Bạc hoặc lót bằng bạc

80 75 85 100

80 75 85 90

45 40 50 65

45 40 50 55

Các điều kiện cho trước để tính: a) Kiểu và kết cấu hệ thống tiếp điểm b) Trị số dòng điện định mức c) Nhiệt độ phát nóng tiếp điểm chophép ( bảng 2-6)

38

Trong thiết kế cần phải xác định: 1) Số lượng, hình dáng, kích thước và vật liệu của tiếp điểm. 2) Lực nén cần thiết vào từng đôi tiếp điểm và ccs đặc tuyến của lò xo tiếp điểm

2-6-2. Tính phát nóng tiếp điểm do dòng điện định mức khi làm việc dài hạn Từ nghiên cứu bảnn chất vật lý thấy rằng, dòng điện chảy từ mặt tiếp xúc này sang mặt tiếp xúc khác chỉ ở một số điểm. Điện trở tiếp xúc tập trung ở vùng rất hẹp trên bề mặt tiếp xúc. Do đó khi có dòng điện chảy qua thì nhiệt độ ở đấy cao hơn cả. Tính điện trở tiếp xúc cảu tiếp điểm theo phương trình:

2

txRP

(2-40)

Trong đó: - điện trở suất của vật liệu tiếp điểm, .cm

- ứng suất dập cảu vật liệu, KG/cm2 P- lực nén vào tiếp điểm, KG Phương trình ( 2-40) chỉ gần đúng vì điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ ta chưa biết:

Hình 2-10

Điểm tiếp xúc có thể xem như diện tích tròn của đĩa rất mỏng đường kính 2r ( hình 2-10) tạo bởi hai thanh dẫn điện dài tiếp xúc đầu mút. Để thiết lập các phương trình tính nhiệt độ trên bề mặt tiếp xúc, sử dụng công thức tính điện trở tiếp xúc cho trường hợp a = b = r ( xem giáo trình cơ sở lý thuyết khí cụ điện)

2

04 ( )

dR

r

(2-41)

Điện thế trên mặt phẳng đảng thế bằng:

2

0

.4 ( )

I dR I

r

(2-42)

Tương tự như vậy xác định thế hiệu trên 2 mặt phẳng đẳng thế 0 µv

0

0 24 ( )

I d

r

(2-43)

Quan hệ giữa điện thế và nhiệt độ T được thể hiện bằng phương trình:

21 22 dT c c (2-44)

Theo định luật Vĩeman – Frans T

Trong đó: 2

8

0

V2,42.10 [ ]

K

hằng số

39

Thay giá trị ở (2-45) vào phương trình (2-44) và lấy tích phân rong khoảng (

T ÷ T0 ) , nhiệt độ T0 là nhiệt độ ở điểm xa vô cực ( ):

2 2 21 2 0( )c c T T (2-46)

Dựa vào điều kiện bờ: 0, 0T T

0

0

0 , , 0tx

TT T

Xác định các hệ số c1 , c2 : 1 0 22 ; 0c c

Thay vào phương trình ( 2-46) ta có:

2 2 20 02 ( ) 0T T ( 2-47)

Trong đó: 1/ 2 2 20 0txT T (2-48)

Giải liên hợp ( 2-47) và (2-48) ta sẽ có quan hệ phải tìm giữa và T trong dạng:

1/ 2 2 20 txT T (2-49)

Lấy vi phân phương trình này:

1/ 20 2 2

( )

tx

TdTd

T T

(2-50)

Mặt khác từ phương trình (2-43) cho ta:

0 2( ) .

4 ( )

I dd

r

(2-51)

Từ định luật Vizoman- Frans ( 2-40) T

thay vào phương trình này ta có:

0 2( ) .

4 ( )

I T dd

r

(2-52)

Cân bằng vế phải của hai phương trình (2-50), ( 2-52) và lấy tích phân trong khoảng T0 ÷ Ttx ta được:

0

0

01/ 2

22 2

1/ 20

tx

1/ 20

tx

4 ( )

Tarc sin arc tg

T 2 r

Tarc cos

T 4

tx

tx

T

T tx

T

T

dT I d

rT T

I

r

I

r

(2-53)

Bán kính điện tích tiếp xúc ( xem giáo trình cơ sở lý thuyết khí cụ điện ) bằng:

®tPr

(2-54 )

Thay giá trị r vào phương trình ( 2-53) ta được:

40

1/ 2

0

tx ®

Tarc cos

T 4 t

I

P

(2-55)

Từ đây ta có thể suy ra công thức tính lực nén cần thiết vào tiếp điểm:

2

®2 20

tx

( )T

16 (arc cos )T

t

IP KG

(2-56)

Trong phương trình này nhiệt độ T0 ( gọi là nhiệt độ ở điểm xa vô cực ) thực tế là nhiệt độ phát nóng thanh dẫn mang tiếp điểm. Có thể sử dụng các phương trình nêu ở bảng ( 1-5) để tính nhiệt độ này. Trường hợp nếu tiếp điểm đựơc tạo bởi đầu mút hai thanh dẫn điện cùng tiết diện thì tính nhiệt độ T0 theo phương trình:

2

00 273( )

IT K

kSF

Kinh nghiệm vận hành máy ngắt cho biết hiệu nhiệt độ giữa Ttx và T0 thường trong khoảng 5 ÷100 C Phương trình (2-56) chỉ đúng với các tiếp điểm chưa bị ôxy hoá, khi đã bị ôxy hoá lực nén Ptđ phải lấy tăng thêm 10 ÷ 250 C. Nhiệt độ phát nóng điểm tiếp xúc của tiếp điểm còn có thể xác dịnh trên cơ sở phương trình nhiệt dẫn và phương trình quan hệ giữa gradien điện thế và mật độ dòng điện:

2E

Trong đó: - toán tử Laplaxow E - gradien điện thế J - mật độ dòng điện Trường hợp này phương trình tính nhiệt độ phát nóng điểm tiếp xuc có dạng:

2

0232tx

I

r

(2-58)

Thay giá trị r vào phương trình này ta đựơc:

2

0

®32tx

t

I

P

(2-59)

Từ đây suy ra lực nén cần thiết vào tiếp điểm bằng

2 2

®

032( ) 32t

tx tx

I IP

( 2-60)

Trong đó: tx - nhiệt độ của điểm tiếp xúc, 0C

0 - nhiệt độ ở điểm xa vô cực

0tx tx - nhiệt chênh của điểm tiếp xúc so với điểm xa vô cực, cũng như trên đại

lượng này khoảng 5 ÷ 100 C Ví dụ:

41

Xác định lực nén cần thiết vào tiếp điểm đồng với I = 800 A, 6 2

0 00

2,5.10 . , 5200 / , 3.67w/cm.®é,

70 , 75tx

cm KG cm

C C

Theo công thức ( 2-60) ta có:

4 6 3

®t

64.10 .2,3.10 .3,14.5,2.1041,6

32.3,6.6P KG

Cũng với những điều kiện này, theo ( 2-56) ta được

0 00 70 273 343 , 75 273 348txT K T K

Và 0

tx

T 343arc cos arc cos 0,17

T 348

Ta đựơc: 4 8 3

® 2 2

64.10 .2,42.10 .3,14.5,2.1041

16.(3,6) .(0,17)tP KG

Như vậy, ta thấy hai kết quả này gần như nhau. 2-6-3. Tính ổn định nhiệt của tiếp điểm khi bị dòng điện ngắn mạch tác động.

Khi dòng điện ngắn mạch chảy qua tiếp điểm, thì các bêềmặt tiếp xúc phát nóng rất cao. Ngoài ra còn có lực điện động rất lớn hướng cùng chiều hoặc ngược chiều tác động của lò xo tiếp điểm xuất hiện trong hệ thống. Nếu lực nén của lò xo không đủ mức cần thiết mà dòng điện lại lớn, thì vật liệu tiếp điểm có thể bị nóng chảy làm hàn dính không ngắt được. Như vậy, lực tác động vào tiếp điểm sẽ bằng: t® lx ®®P P P

Trong đó: Plx – là lực nén của lò xo tiếp điểm Pđđ - lực điện động tổng tương ứng với biên độ dòng điện ngắn mạch ở nửa chu kì đầu. Tính ổn định của tiếp điểm bằng cách sử dụng công thức ( 2-56) hoặc ( 2-60) và giá trị dòng điện lấy bằng dòng điện ổn định Iô là giá trị thực của dòng điện ngắn mạch ở chu kì đầu :

2«

® ®®2 20

tx

T16 (arc cos )

T

t

IF P

(2-63)

Trong khi tính ổn định nhiệt của tiếp điểm phải nhận nhiệt độ ở điểm tíêp xúc Ttx rất cao, nhưng không được vượt quá nhiệt độ nóng chảy của vật liệu tiếp điểm, và cũng phải tương ứng với nhiệt độ này. Ví dụ: đối với tiếp điểm bằng đồng nhiệt độ Ttx

không vựot quá 1073 0K và tương ứng 2250 300( / )kg cm .

Trường hợp chung lực điện động tổng Pđđ xác định theo: ®® ®®1 ®®2P P P

Trong đó: Pđđ 2 - lực điện động tương tác giữa các thanh dẫn mang tiếp điểm, chiều hướng tác động của lực tuỳ thuộc ở kết cấu hệ thống tiếp điểm ( cách tính xem § 1-5 ) Pđđ1 - lực điện động đẩy xuất hiện ở chỗ tiếp xúc do dòng điện bị thắt hẹp, lực này luôn hướng ngược chiều với chiều tác động của lò xo tiếp điểm được xác định theo:

8®®1 1,02.10 . .ln [KG]xk

FP i

P

(2-65)

42

Trong công thức này lực tổng P chưa biết, nên không thễ xác định trực tiếp lực điện động đẩy, mà phải bằng phương phấp rò, nghĩa là ban đầu sơ bộ cho tuỳ ý, sau tính toán sẽ chính xác dần. Tính lực điện động đẩy còn có thể tham khảo công thức thực nghiệm gần đúng:

2

®®1 [KG]xk

h

iP

k

(2-66)

Trong đó: kh - hệ số thể hiện hìng dáng kích thước và vật liệu tiếp điểm. Theo kinh nghiệm đối với động kiểu đầu nút kh =4.8÷5.5.103, đối với tiếp điểm hoa huệ: kh = 4 ÷ 4.5.103. Do lực điện động đẩy tiếp điểm làm giảm lực nén vào tiềp điểm, dẫn đến điện trở tiếp xúc và phát nóng chỗ tiếp xúc tăng cao.với dòng điện ngắn mạch nếu lực nén vào tiếp điểm không đủ lớn. thí có thể dẫn đến phát nóng, dữ dội bề mặt tiếp xúc làm hàn dính tiếp điểm. Ngoài ra còn làm cho tiếp điểm bị rung và cũng dẫn tới hàn dính tiếp điểm. Để hàn dính tiếp điểm không xảy ra phải thoả mãn điều kiện sau:

2®2

1xk t

v

i Fk

(2-67)

Trong đó: Kv - hệ số phụ thuộc vật liệu tiếp điểm (điện trở xuất , nhiệt độ nóng chảy ,độ cứng) và kết cấu của tiếp điểm (xem bảng 2-7) Bảng 2-7:Các giá trị hệ số kv tiếp điểm kiểu khác nhau Kiểu tiếp điểm Vật liệu tiếp điểm Hệ số Kv

( A/Kg0.5 ) Kiểu ngón không tự định vị 12 35mm 12 35mm 12 35mm 12 35mm Kiểu ngón tự định vị trên một tiếp điểm Kiểu ngón tự định vị trên cả hai tiếp điểm Cũng thế Kiểu hoa huệ ( trên một nhánh) Cũng thế

Đồng - đồng Đồng thau - đồng Đồng thau – thép Nhôm - đồng thau Đồng thau - đồng Đồng - đồng Đồng - đồng thau Đồng - đồng thau Đồng - đồng

4100 3800 4800 5050 5750 11000 10000 5500 6000

Truờng hợp tiếp điểm máy ngắt là một số bề mặt song song (ví dụ , tiếp điểm kiểu hoa huệ , kiểu vuốt và các kiểu khác), dòng điên sẽ chảy từ thanh dẫn mang tiếp điểm phân nhánh theo từng phiến và giá trị dóng điện chảy qua mỗi đôi mặt tiếp xúc có thể xác định gần đúng theo:

1 1,3.i

in

(2-68)

Trong đó: 1.3 -hệ số phân bố không đồng đều của dòng điện trong các mặt tiếp xúc song song. i-dòng điện chung chảy trong tất cả các mặt tiếp xúc song song n-số đôi mặt tiếp xúc (số phiến)

43

Trong thiết kế chỗ tạo tiếp điểm máy ngắt lực nén cần thiết vào tiếp điểm Ptd xác định theo điều kiện làm việc dài hạn cũng như theo điều kiện ngắt mạch phải nhỏ hơn lực nén của lò xo tiếp điểm, đẻ có thêm dự trữ an toàn. CHƯƠNG III: MÁY NGẮT DẦU § 3-1: Đại cương Trong máy ngắt dầu môi trường để dập tất hồ quang điện là dầu biến thế, hệ thống tiếp điểm và buồng dập hồ quang đuợc chứa trong bình có dầu. Nguyên lý làm việc của máy ngất dầu như sau:trong quá trình ngắt hồ quang phát sinh ở giữa các tiếp điểm tiếp súc trực tiếp với dầu, duới tác dụng nhiệt độ cao của hố quang (5000÷600 oc) dầu nhanh chóng sôi và bốc hơi toạ thành xung quanh hồ quang bọc hỗn hộp khí hơi chủ yếu gồm hidro và hơi dầu, làm lạnh rối dập tất hố quang điện. ở hình 3.1 giới thiệu sơ đồ bao bọc khí hơi bao quanh hồ quang ở giữa các tiếp điểm ngâm trong dầu và cũng chỉ rằng một cách gia định các vùng khí hơi . Trong bọc khí hơi có khoảng 60% khí, 40% hơi dầu.thành phần của khí phụ thuộc vào thành phần của dầu gồm khoảng: 70-80% hyđrô, 15÷20% acctilon,5-10% mêtan và êtilon. Hydrô có tính dẫn nhiệt cao nhất trong các loại khí và từ hình vẽ ta thấy hydrô ở gần trực tiếp với hồ quang nên có khả năng làm lạnh và dập tắt hồ quang điện tốt.

Hình 3-1Hồ quang điện xuất hiện trong bọc khí hơi và dầu

1.Tiếp điện tĩnh.2.tiếp điện động.3.dầu. H-thân hồ quang điện . Hr-vùng hyđrô,c-các loại khí,d-hơi dầu. B-các vùng bốc hơi. Hiệu quả của dập hồ quang trong máy ngắt đầu còn ở chỗ:khí được thải ra với tốc độ rất lớn làm náo động giữa khí lạnh và khí nóng tạo điều kiện làm lạnh và phản iôn hoá hồ quang, quán tính,của dầu can trở khí hơi nóng dãn nở, nên áp suất tăng(ở các máy ngắt bình thường áp suất này khoảng 5÷ 10 at) thúc đẩy đối lưu làm lạnh thân hồ quang. Năng luợng hồ quang điện trong máy ngắt dầu tiêu hao cho các phần: 1)Phân tích và chuyển động dầu khoảng 28% 2)Đốt nóng và làm nốc hơi dầu khoảng9% 3)Dãn nở và đốt nóng khí hơi khoảng 40% 4)Đốt nóng các tiếp điểm khoảng 7% 5)bức xạ nhiệt khoảng 11% 6)Biến dạng cơ bình chứa khoảng 5% Dầu chuyển động càng nhanh và tiếp xúc với hồ quang càng gần, thì quá trình dập tất hồ quang càng nhanh chóng.trong máy ngất dầu đơn giản (không có buồng dập gồ quang) dầu tác dụng vào hồ quang tương đối yếu, vì hồ quang bị bao bọc hỗn hộp

44

khí hơi, nên thời gian hồ quang chạy dài. để tăng cuờng dầu tác dụng vào hồ quang người ta sử dụng buồng dập hồ quang. Trong máy ngắt dầu có buồng dập hồ quang dầu có điều kiện tiếp xúc gần hồ quang và lượng hỗn hợp .khí hơi thổi mạnh mẽ vào hồ quang, thúc đẩy quá trình phản iôn hoá làm rút ngắn thời gian hồ quang cháy. Sơ đồ nguyên lý của buồmg dập hồ quang trong máy ngất dầu giới thiệu ở hình 3-2. trong các thiết bị này tiếp điểm tinh 1 được đặt trong buồng dập hồ quang 3 bằng vật liệu cách điện, tiếp điểm động 2 chuyển động qua lại cửa buồng dập hồ quang. buồng dập hồ quang chứa dầu biến áp 4 và có khoảng trống, không gian vd gọi là thể tích điện. sau khi các tiếp điểm rời nhau.

Hình 3-2 quá trình dập tắt hồ quang điện trong buồng dập hồ quang đơn giản. a)

buồng dập hố quang điện b) kiểu thổi ngang Hồ quang H xuất hiện và tạo nên các hỗn hợp khí hơi KH bao quanh hồ quang, khi đó áp xuất trong buồng dập hồ quang tăng (vị trí I hoặc còn gọi là giai đoạn I ). duới áp xuất cao dầu và hỗn hợp khí hơi thổi mạnh vào dọc thân hồ quang.(vị trí II ở hình 3- 2a). hoặc vào ngang thân hồ quang.(vị trí II hình 3-2b ). Sau khi hồ quang tắt dầu tràn vào buồng dập hồ quang (vị trí III ). Giưa thể tích hổn hợp khí hơi tạo thành từ dầu trong thời gian t và năng lượng hồ quang có quan hệ sau: Vt = B. At (3-1)

Trong đó: 0293

d

TB B k hệ số thể tích tạo thành khí hơi ở nhiệt độ trung bình của khí

hơi và áp suất khí quyển. B = 60 ÷ 80 cm3/KW .s - hệ số thể tích tạo thành khí hơi ở nhiệt độ 20oC và áp xuất khí quyển. Kd - hệ số hơi dầu trong bọc khí T - nhiệt độ trung bình của khí hơi oK Nhiệt độ trung bình của khí hơi phụ thuộc vào dòng điện hồ quang, tạo điêu kiện làm lạnh và kết cấu buộng dập hồ quang. Ví dụ, khi hồ quang cháy trong bao bọc khí nhiệt độ này khoảng 800-1000oK , còn khi hồ quang cháy trong thể tích giới hạn kẹp với dòng điện lớn , thì nhiệt độ trung bình của khí hơi lên tới 2000÷ 2500 oK . Như vậy, nhiệt độ trung bình của khí hơi dao động trong khoảng rộng 800-2500 oK

Trong tính toán đại luợng 293

d

Tk lấy theo bảng 3-1

Bảng 3-1: nhiệt độ tương đối của hỗn hợp khí hơi

Điều kiện dập hồ quang

293d

Tk

45

Hồ quang trong bọc khí hơi khép kín trong máy ngắt dầu đơn giản Hồ quang trong buồng dập hồ quang ít dầu Hồ quang trong buồng dập hồ quang có thổi cưỡng bức bỏ xung Hồ quang trong buồng dập hồ quang thổi ngang

5-6

9,5

4,0

10,0 Với chiều dài hồ quang 1hq ở thời điểm t tổn hao công suất trong hồ quang có thể tính theo phương trình: Nhq = Uhq ihq = Ehqtb 1hq ihq (3-2) Uhq - điện áp trên thân hồ quang . Ehqtb -građiên điện áp trung bình trên thân hồ quang ihq – giá trị tức thời của dòng điện hồ quang. Trị số građien Ehpx có thể tính gần đúng theo phương trình đặc tuyến volt –ampe tính .

xhqx m

hq

aE

i

Trong đó: ax và m – các hệ số biểu thị cường độ làm lạnh phương pháp làm lạnh thân hồ quang ở điện x. Giá trị hệ số mũ m thay đổi trong khoảng : Q ≤ m ≤ 4 Trường hợp thổi dọc mạnh trong dầu ở giá trị dòng điện lớn có thể sơ bộ lấy gần đúng m ≈ 0. Đối với các thiết bị dập hồ quang thổi tư động không thể tính chính xác trị số građion ở tầng điện thân hồ quang vì các điếu kiện lamf lạnh ở mỗi đoạn có thể khác nhau .Cho nên chỉ xác định bằng thực nghiệm (xem bảng 3-2). Bảng 3-2: građiên điện áp trên thân hồ quang làm lạnh trong dầu

Điều kiện làm lạnh thân hồ quang V/cm Tác giả

Hồ quang trong bong bóng hơi khí ở giá trị dòng điện lớn Hồ quang trong luồng hỗn hợp hơi khí thổi dọc mạnh Hồ quang trong khí hyđrô ở dòng điện nhỏ (2A) Hồ quang trong dầu và từ trường ngang Hồ quang trong các rãnh của bình chứa thổi ngang ở dòng điện lớn, áp suất p (at )

70 ÷ 100

200

400

4 / 9

1/ 9

42050

B

i

55 p

Kexel-ringơ Kukecốp Briutxi

Dựa trên cơ sở đường cong cho trước vế tốc độ chuyển động của các tiếp điểm (1 hay 1 số ) để xá định thân chiều dài hồ quang ở từng thời điểm. Trường hợp hố quang ở giữa các Građiên điện áp trên thân hồ quang làm lạnh trong dầu tiếp điểm bị kéo vào trong các rãnh hẹp dọc trục, chiều dài thân hồ quang ở từng thời điểm có thể tính theo phương trình:

46

®(t)0

t

hq tl v dt

vtd(t) -tốc độ chuyển động của tiếp điểm ở thời điểm t. Trường hợp hồ quang chảy trong bong bóng hơi khí khép kín :

1. 21

1

1( 1) ( ),[m]

2tbv m t tb

hq tb

m vl e v t t

m (3-5)

vtb- tốc độ chuyển động trung bình của tiếp điểm, m/s m1 - thừa số tính đến ảnh hưởng của lưc điện động 1/m

Hình 3-3.Đặc tuyến građien điện áp trung bình trên thân hồ quang trong buồng dập hồ quang thổi dọc Đối với thể tích buồng dập hồ quang tương đối lớn : m1 ≈ 0.15 ÷ 0.25 [ 1/m]

Dòng điện hồ quang ihp có thể hoặc là dòng điện phụ tải hoặc là dòng điện ngắt mạch. trường hợp trung công suất hồ quang có thể biểu diễn :

Nhq(t) = Ehqtb lhqt ihq = No f(t) , (3-6) Bo = Ehqtb Im , Năng lượng của hồ quang trong thời gian t :

0 0 1

0

( ) ( ) ( )t

A t N f t dt N f t (3-7)

Trường hợp ngắt dòng điện ngắn mạch phương trình này sẽ phức tạp, giải chính xác rất khó.

Khi biết trước các đặc tính thực nghiệm: chiều dài hồ quang lhpt, dòng điện ngắt mạch và građiên điện áp trung bình người ta thường dùng phương pháp phân tích đồ thị để giải.

Bản chất của phương pháp phân tích gần đúng là :biến đổi hàm số sin, hàm số mũ trong dấu tích phân thành chuỗi hồ số và lấy hàm bậc một .

Nhờ phương pháp này Avakian và Xitnhakốp đã nhận được công thức tính năng lượng hồ quang cho trường hợp ngắt dòng điện ngắn mạch :

2 3( ) ( )2 3k n k

hqtb m

v vA t E I t t

(3-8)

n - hệ số tắt dần của dòng điện ngắn mạch ;

vk - tốc độ trung bình kéo dài thân hồ quang, xác định bằng thực nhiệm. Khi dầu hồ quang điện tác dụng, thì sản ra một lượng khí va hơi dầu rất lớn. Ở

nhiệt độ bình thường và áp suất bình thường cứ một gram dầu san ra khoảng 1400- 1500 cm3 khí hơi. Cho nén, dầu trong máy ngắt chỉ dùng để dập hồ quang và các điện thì số lượng phải nhiều.

Căn cứ vào số lượng và đặc điểm dùng đầy máy ngắt dầu có thể chia làm hai nhóm :

1) Máy ngắt nhiều dầu , còn được gọi la máy ngắt bình dầu

47

2) Máy ngắt ít dầu Có loại buồng dập hồ quang và loại không có buồng dập hồ quang. Sơ đồ kết cấu của máy ngắt nhiều dầu hai chỗ ngắt đơn giản (không có buồng dập hồ quang. § 3-2. Máy ngắt nhiều dầu.

Trong máy ngắt nhiều dầu dầu được sử dụng đẻ dập tắt hồ quang đồng thời làm môi trường cách điện các phần tư dẫn điện trong nội bộ máy ngắt với nhau và với vỏ bình chứa nồi đất .

Máy ngắt nhiều có loại có buồng dập hồ quang và loại không có buồng dập hồ quang.

Sơ đồ kết cấu của máy ngắt nhiều dầu hai chỗ ngắt đơn giản (không có buồng dập hồ quang ) giới thiệu ở hình 3-4.b là hệ thống tiếp điểm cùng với buồng dập hồ quang đơn giản của máy ngắt nhiều dầu có buồng dập hồ quang . Máy ngắt có hai cặp tiếp điểm trên một pha, cho nên trong quá trình ngắt có hai chỗ hồ quang xuất hiện mắc nối tiếp .

Tiếp điểm tĩnh 1 tiếp điểm động 2 cùng với xà ngang, bằng kim loại 3 cùng nắp 4, sứ dầu vào 5 cùng thanh dẫn điện 6, cần cách điện 7 cùng lò xo ngắt 8 và cơ cấu truyền động 9-12 là những phần từ cơ bản của máy ngắt nhiều dầu.

Hình 3-4 Sơ đồ kết cấu của máy ngắt nhiều dầu

Bình 3 của máy ngắt nhiều dầu được chế tạo với tiết diện ngang hình tròn, ê líp,

ô van và chữ nhật (hình 3-5) Đối với máy ngắt điện áp suất cao công suất lớn bình thường có dạng hạt đỗ .

Hình 3-5 Hình tiết diện ngang của bình máy ngắt nhiều dầu

Đối với cùng một khoảng cách điện 1 diện tích tiết diện ngang của bình hình tròn luôn lớn hơn diện tích hình êlíp, ôvan hoặc hình chữ nhật (xem hình 3-6 )cho nên kích thuớc và khối lượng dầu của máy ngắt hình trụ tròn sẽ lớn hơn.

Hình 3-6

48

Song với cùng một chiều dày bình hình trụ tròn, có khả năng chịu áp lực nhiều hơn các bình dạng khác, nghĩa là cùng độ bền như nahu thì bình hình trụ tròn tổn hao ít kim loại hơn, ngoài ra chế tạo đơn giản hơn và rẻ. Bình hình trụ tròn sử dụng ở những máy ngắt có áp suất, tiết diện lớn và kích thước không giói hạn. Bình hình elip hoặc ôvan sử dụng cho những máy ngắt môi cực ở mỗi bình riêng. BÌnh hình chữ nhật sử dụng cho máy ngắt công suất nhỏ ( chỉ đến 100 MVA ) Chiều dày của bình xác định theo công thức: a) Đối với bình hình trụ tròn:

ax

k

0,12

mDPcm

(3-9)

Trong đó: D - đường kính trong của bình , cm Pmax – áp suất lớn nhất trong bình, KG/cm2

k - ứng suất kéo của kim loại, KG /cm2

- hệ số của mối hàn (phụ thuộc chất lượng hàn 0,7 0,95 )

Đại lượng 0,1 cm là dự trữ cho hao mòn và gỉ b) Đói với bình hình chữ nhật:

ax ax1 2

u

( )m m

u

P Pa k k

(3-10)

ax ax3 4

u u

( )m mP Pa k k

(3-11)

Trong đó: 2a – chiều dài bình, cm ( xem bảng 3-3) 2b- chiều rộng bình, cm

k1 , k2 , k3 , k4 hệ số hình dạng bình ( xem bảng 3-3) u - ứng suất uốn cho phép Kg/ cm2

Công thức (3-10) xác định chiều dầy ở goc bình, công thức (3-11) xác định chiêềudày ở giữa thành bình cạnh lớn. bảng 3-3 : các hệ số tính toán hệ số Giá

trị hệ số ở tỉ

số a

b

0,2 0,4 0,5 0,6 0,8 1,0 k1 0,5 0,55 0,56 0,58 0,64 0,7 k2 1,31 1,25 1,21 1,22 1,3 1,41 k3 0,1 0,2 0,25 0,3 0,4 0,5 k4 1,15 1,23 1,24 1,23 1,15 1,0 Để tránh hồ quang văng phải, bên trong thành bình lót một lớp cáctông kỹ thuật điện sơn cách điện đặc biệt. Giữa thành bình và lớp cách điện này có một bình để tránh hồ quang ở pha này cháy lan sang pha khác, ở giữa các pha đặt tấm ngăn cách điện chịu nhiệt cao. Trong bình chứa dầu biến áp 13 đến mức nhật định và để chừa khoảng không gian gọi là thể tích đệm Vđ. Thể tiíchnày thường vào khoảng 20 ÷30 % thể tích của bình, dùng để làm giảm xung áp lực trong máy ngắt. Mức dầu trên chỗ ngắt hd ( xem hình 3-a) ảnh hưởng đối với đặc tính tăng áp suất trong bọc khí: mức dầu càng cao thì áp suất trong bọc khí càng lớn. Nhưng nếu mức

49

dầu không đủ, thì khí nóng có thể phát sinh nổ ở thể tích dệm, vì khí hơn sản ra từ đầu kết hợp với không khí ở tỷ lệ nhất định nào đó thì tạo thành hỗn hợp khí phát nổ ( khí cháy kem fnhiều khói ). Cho nên mức dầu trên chỗ ngắt phải có một gía trị nhất định phụ thuộc công suất và điện áp của máy ngắt, ví dụ ở máy ngắt điện áp 6 – 10 KV, công suất 200 – 400 MVA, mức dầu này khoảng 300 – 600 mm, còn ở máy ngắt 200 KV, 3500 MVA thì 2300 – 2500 mm. Trên nắp bình 4 cứ mỗi pha cố dịnh hai sứ đầu vào 5 cùng thanh dẫn điện 6. Ở đầu cuối phía dưới của sứ đầu vào cố định tiếp điểm 1 và buồng dập hồ quang 18 và tất cả ngậm trong dầu. Vì khoảng cách cách điện trong dầu cho phép nhỏ hơn ngoài không khí, nên sứ đầu vào được lắp vào nắp bình với một góc xiên theo chiều thẳng đứng ( 5 – 15 0 ). Tiếp điểm động 2 nối gián tiếp với cơ cấu truyền động 9-12 bằng cần cách điện 7. Cơ cấu truyền động được đặt hoặc ở ngoài trên nắp bình hoặc ở trong dưới nắp bình, và biến chuyển động quay qua trục máy ngắt thành chuyển động thẳng của tiếp điểm động. Đóng, mở tiếp điểm bằng tay hoặc bằng điện nhờ bộ truyền động ( ở hình 3-a không vẽ ). Trục bộ truyền động nối với trục máy ngắt 12 bằng đầu nối. Khi đógn, bộ truyền động quay trục ngắt theo chiều quay kim động hồ và nhờ cơ cấu truyền động tiếp điểm động chuyển động lên phía trên tiếp xúc với tíêp điểm tĩnh 2, khi đó lò xo ngắt 8 bị nén lại. Máy ngắt giữ được ở vị trí đóng nhờ một cía lẫy của bộ truyền động. Khi ngắt, do ngoại lực ( bằng tay hoặc nam châm điện ) đẩy lẫy bộ truyền động khởi vị trí chết, kho đó lò xo 8 bung ra dẩy tiếp điểm động xuống phía dưới. Để giảm bớt chấn động trong khi đóng, mỏ máy ngắt được trang bị các bộ hoãn xung bằng dầu hoặc bằng lò xo. Vị trí đặt của các bộ phận này tuỳ thuộc kết cấu cơ cấu truyền động của máy ngắt, có thể ở dưới nắp bình hoặc ở đáy bình. Trên mỗi bình máy ngắt còn có các thiết bị mức chỉ dầu kế 14 thường là ống thuỷ tinh, van tháo dầu 16, van bổ sung dầu và kim chỉ vị trí đóng hoặc ngắt. Trong máy ngắt nhiều dầu ở điều kiện dập hồ quang bình thường áp suất tác động vào thành bình không lớn lắm. Song, ở nhưữngđiều kiện sự cố, ví dụ cách điện bên trong bị phóng điện hoặc hồ quang cháy kéo dài ( cơ cấu truyền động bị hỏng hóc, ngắt dòng điện cảm nhỏ), áp suất trong bình có thể tăng lên rất cao. Cho nên trên nắp bình được dặt van bảo vệ, khi áp suất trong bình vượt quá trị số cho phép mà khí thoát theo ống dẫn khí không hết thì van này sẽ nhanh chóng mở để khí thải ra khí quyển. Áp suấ cực đại Pmax trong bình máy ngắt nhiều dầu kiểu ngắt đơn giản ( không có buồng dập hồ quang ) có thể xác định theo công twcs:

2

3ax 2 22

dm

t

VP

F

(3-12)

Trong đó: d - tỷ trọng của dầu, KG / cm3

V - thể tích khi shồ quang duy trì trong 1 giây và quy về 800 0K và 1 at, cm3 - hệ số chảy phụ thuộc hình dáng và độ gia công hệ thống thải khí ( 0,6 0,7 )

Ft - tiết diện ống thải khí và dầu, cm2 Áp suất Pmax là áp suất giứoi hạn có tính chất lý thuyết thực tế không đạt tới giá trị này, vì dầu sẽ chảy ra ngoài bằng ống thải. Song, để có dự trữ về độ bền nên các tiết diện của máy ngắt ( bình, nắp,vv..) được tính với đại lượng Pmax . Máy ngắt nhiều dầu kiểu ngắt đơn giản có kết cấu rất đơn giản, giá thành không cao, nhưng thời gian hôg quang dài. HIện nay máy ngắt kiểu này chỉ được chế tạo với điện áp 3 – 10 KV và công suất ngắt 100 – 150 MVA.

50

Vè kết cấu máy ngắt nhiều dầu chia làm hai nhóm 1) Máy ngắt kiểu mọt bình, nghĩa là tiếp điểm và các chi tiết của máy ngắt của cả ba pha được chứa trong một bình. 2) Máy ngắt kiểu ba bình- mỗi pha trong mỗi bình riêng. Máy ngắt kiểu một bình chỉ chế tạo với điện áp đến 20 KV, dòng điện định mức 1500 A và công suất ngắt khoảng 400 – 500 MVA. Ở hình 3-7 giới thiệu máy ngắt nhiều dầu kiểu một bình không có buông dập hồ quang với điện áp 10 KV, công suất ngắt 100 MVA, dùng ở trạm trong nhà.

Hình 3-7: máy ngắt nhiều dầu kiểu một bình điện áp 10 KV dòng điện định mức 400 A. Máy ngắt hiện đại kiểu một bình với điện áp 3- 20 Kv, dòng điện định mức 200 -400 A thường được chế tạo cùng với rơ le sơ cấp quá dòng điện bảo vệ khi ngắn mạch hoặc quá tải. Một cách đơn giản và kinh tế. Rơ le thường là điện tử hoặc cảm ứng được đạt trực tiếp trên đầu sứ vào của máy ngắt ở hai pha hoặc cả ba pha. Rơ le điện từ với cuộn dây bằng thanh đồng bẹt kết cấu một lớp có thể tham khảo hình 3-8.

Hình 3-8. sơ đồ rơ le sơ cấp quá dòng điện đặt trên sứ đầu vào của máy ngắt

Với điện áp cao hơn 20 KV khoảng cách cách điện giữa các phần dẫn của các pha với nhau và với bình nối đất phải lớn. Ngoài ra, khi công suất ngắt tăng thì buồng dạp hồ quang cũng lớn lên. Do đó với điện áp cao hơn 20 KV công suất ngắt lớn hơn 500 MVA. Máy ngắt kiểu một bình không phù hợp ữa mà dùng máy ngắt kiểu ba bình. Máy ngắt nhiều dầu điện áp 35 KV và cao hơn thưòng có máy biến dòng lắp kèm. Lõi thép cùng với cuộn dây thứ cấp của máy biến dòng được cố định dưới nắp bình máy ngắt. Thanh dẫn điện trong sứ đầu vào máy ngắt đồng thời là cuộn dây so cấp của máy biến dòng. Máy ngắt nhiều dầu kiểu ba bình điện áp 35 KV và cao hơn chế toạ có buồng dập hồ quang và kết cấu tương tự máy ngắt kiểu một bình. Cơ cấu truyền động của máy ngắt kiểu này có thể cho cả ba pha ( điều khiển ba pha ) hoặc cho từng pha riêng biệt. Máy ngắt nhiều dầu 35 KV thường cả ba bình được cố định trên khung sắt để đơn giản cho lắp ráp ây dựng trạm phân phối điện và có tời để nâng hạ.

51

Hình 3-9 giới thiệu mặt cắt một pha của máy ngắt dầu kiểu ba bình có buồng dập hồ qung với điẹn áp 35 KV, công suất ngắt 750 MVA , còn hình 3-10 là hình mặt ngoài của cả ba bình đặt trên khung kim loại. Máy ngắt kiểu này được chế tạo với bình hình ô van. Hình 3-9. mặt cắt một pha của máy ngắt kiểu ba bình, điện áp 35 KV 1) Bình 2) Nắp 3) Sứ đầu vào 4) Buồng dập hồ quang 5) Tiếp điểm động 6) Cơ cấu truyền động 7) Máy biến dòng 8)ong hướng 9) Mức dầu 10) Thiết bị sấy dàu bằng điện 11)Mức chỉ dầu kế 12) Van tháo dầu

Hình 3-9, 3-10

Hình 3-10. Máy ngắt nhiều dầu kiểu ba bình, điện áp 35 KV cùng bộ điều khiển ba pha. 1) Bình 2) Nắp 3) Sứ đầu vào 4) cơ cấu truyền động 5) ống thoát khí 6) Van bảo vệ 7) Mức chỉ dầu kế 8) Bộ điều khiển 9) Khung thép Máy ngắt nhiều dầu ba bình điện áp 110 – 500 KV được chế tạo với bình hình trụ tròn hoặc bình hình hạt đỗ Trong máy ngắt nhiều dầu điên áp 110 Kv và cao hơn còn có thể có maá biến ấp kiểu tụ điện ( trong sứ đầu vào) và máy biến áp thông thường cùng cuộn kháng. Hình 3-11 giới thiệu sơ đồ nguyên lý mạch điện của máy ngắt kiểu này cùng với máy biến dòng, máy biến áp kiểu từ điển.

52

Hình 3-11. Sơ đồ nguyên lý mạch điện của máy ngắt nhiều dầu 110 KV và cao hơn. 1)Tiếp điểm tĩnh 2)Xà cùng tiếp điểm động 3)Buồng dập hồ quang 4)Nắp bình 5)Sứ đầu vào 6)Thanh dẫn điện 7)Bích sứ đấu vào 8)Các lớp bao của sứ đấu vào kiểu tụ điện 9)Dây nối đất của sứ đấu vào 10)Cuộn dây thứ cấp của máy biến dòng. 11) Máy biến áp 3-6 KV cùng cuộn kháng 12 và khe hở bảo vệ 13 Như vậy, mỗi máy ngắt nhiều dầu 110 KV và cao hơn là tổ hợp các khí cụ điẹn: bản thân máy ngắt, máy biến dòng, máy biến áp và thiết bị điều khiển. Về phương diện nayg máy ngắt niều dầu có nhiều ưu điểm hơn các loại máy ngắt khác. Khói lượng dầu nhiều kích thước và trọng lượng máy ngắt lớn, xác suất gây nổ và cháy cao dẫn đến tăng kích thước trạm phân phối điện là những nhược đểim của máy ngắt nhiều dầu. § 3-3. Máy ngắt ít dầu Máy ngắt ít dầu được chế tạo ở tất cả các cấp điện áp ( từ 3 đến 500 KV), công suất ngắt từ 100 đến 12000 MVA luôn luôn được chế tạo có buồng dập hồ quang,ba pha là ba cực ( ba bình ) và được đặt hoặc trên cùng một đế giá chung hoặc riêng từng đế gia. Buồng dập hồ quang được cố định trong bình kim loại hoặc bình bằng vật liệu cách điện chứa dầu biến áp. Trong máy ngắt loại này dầu chỉ có tác dụng dập hồ quang còn cách điện giữa các vật dẫn điện và buồng dập hồ quang đối với đất sử dụng sứ cách điện hoặc vật liệu cách điện hữu cơ . Do đó khói lượng dầu ít, chỉ cần đủ để dập hồ quang. Theo cấp điện áp máy ngắt ít dầu có thể phân làm ba nhóm: 1) Máy ngắt đệin aá từ 3 đến 20 KV. 2) Máy ngắt điện áp từ 20 đến 35 KV 3) Máy ngắt điện áp từ 110 đến 500 KV Máy ngắt ít dầu nhóm một sử dụng làm máy ngắt máy phát ở trạm trong nhà, có sơ đồ kết cấu như hình 3-12. Hình 3-12 giới thiệu sơ đồ kết cấu máy ngắt ít dầu bình kim loại có một chỗ ngắt. Buồng dập hồ quang 6 được đặt trong bình trụ tròn 3 chứa dầu biến áp 5, dưới đáy bình cố định tiếp điểm cố định 1 ( thường là tiếp điểm hoa huệ ). Thanh tiếp điểm động 2 chuyển động lên xuống trong sứ cách điện 7, sứ cách điện này có nhiệm vụ cách điện

53

giữa tiếp điểm động với nắp 4. Trong quá trình làm việc bình kim loại mang điện áp và được cách điện với các chi tiêt nối đất bằng sứ trụ 8 hoặc 9.

Hình 3-12. Sơ đồ kết cấu một pha của máy ngắt ít dầu trạm trong nhà Máy ngắt thực hiện đóng mở nhờ cơ cấu truyền động. Thanh tiếp điểm động được nối gián tiếp với một đầu đòn bẩy 12 qua sứ kéo 10, còn đầu kia của đòn bẩy gắn với lò xo ngắt 13. Đòn bẩy này được gắn vào trục 11. Khi đóng, nhờ ngoại lực xoay trục 11, đòng thời đòn bẩy 12 cũgn xoay ngược chiều kim đồng hồ, thanh tiếp điểm động chuyển động xuống phía dưới tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh, khi đó lò xo ngắt bị kéo căng- dự trữ một năng lượng. Khi ngắt, chỉ cần làm cho lẫy của bộ diều khiển ( ơ rhình 3-12 không vẽ ) ra khỏi vị trí chết,lò xo ngắt thun lại, làm tiếp điểm động chuyển động lên phía trên nhả tiếp điểm động. Ở vị trí ngắt, tiếp điểm động nằm cao hơn mức dầu trong bình một ít, nhưng không ra khỏi bình. Hình 3-13 giới thiệu máy ngắt ít dầu bình kim loại, điện áp 10 KV, dòng điện định mức 600 – 1000 A, công suất ngất 350 MVA(BM - 133). Máy ngắt kiểu này có nhược điểm là bình bằng kim loại, do đó có tổn hao năng lượng điện ở vỏ bình và phải sử dụng sứ kéo 6 đọ bền cơ yếu.

Hình 3-13. máy ngứt ít dầu điện áp 10 KV Những năm gần đay người ta đã chế tạo được máy ngắt ít dầu kiểu bình bằn vật liệu cách điện hoàn chỉnh hơn để thay thế cho máy ngắt BM 133 . Máy ngắt kiểu như thế với điện áp 10 KV, 600 A, 200 MVA giới thiệu hình 3-14.

Hình 3-14. máy ngắt ít dầu kiểu bình vật liệu cách điện, điện áp 10 KV.

54

1. Bình bằng vật liệu cách điện 6. Trục 2. Sứ trụ 7. Đòn hai cánh bằng cách điện 3. Khung kim loại 8. Lò xo ngắt 4. Tiếp điểm động 9. Bộ hoãn xung bằng dầu 5. Hộp bốn mặt 10. Bộ hoãn xung bằng lò xo 11. Vách ngăn bằng cách điện Máy ngắt máy phát còn được chế tạo với hai chỗ ngắt trên một cực và mỗi chỗ ngắt có buồng dập hồ quang chứa trong bình kim loại riêng, vì máy ngắt máy phát thường có dòng điện định mức và công suất ngắt lớn. Hình 3- 15 giới thiệu sơ đồ nguyên lý kết cấu một cực máy ngắt ít dầu nhóm máy ngắt máy phát với điện áp 6- 20KV, 2000 – 8000A, 1800 – 7000 MVA ( kiểu M ). Mỗi cực máy ngắt có hai cặp tiếp điểm: tiếp điểm làm việc hoặc chính 1 và 2 ở ngoài bình, tiếp điểm chính tĩnh có dạng lưỡi dao được cố định trên nắp bình 6, còn tiếp điẻm chính động có dạng chữ nối với thanh đồng 7 của xà tiếp điểm 8. TIếp điểm dập hồ quang tĩnh 3 kiểu hoa huệ đặt dưới đáy bình, còn tiếp điểm dập hồ quang động 4 có dạng thanh tròn nói với xà 8 và cách điện với nắp bình bằng sứ xuyên 9. Các bình máy ngắt được cách điện với đất bằng sứ trụ 10 và trên nắp bình có các đầu ra 11.

Hình 3-15. sơ đồ máy ngứt ít dầu điện áp 6- 20KV có hai chỗ ngắt trển một cực. a) vị trí đóng b) Quá trình ngắt Ở vị trí đóng ( hình 3-15a ) dòng diện chủ yếu chảy trong mạch chính: từ cuối đầu ra 11 qua các nắp bình, các tiếp điểm 1và 2. thanh đồng 7, và đầu ra 11 khác ( đường đâm của mũi tên ). Song song với mạch chính là mạch dập hồ quang: đầu ra bên phải 11, nắp 2, thành bình 5, tiếp điẻm hoa huệ 3, thanh tiếp điểm 4, xà 8 tiếp theo thanh hoa huệ, thành bình, nắp của bình thứ hai và đầu ra bên trái 11. Dòng điện chảy trong mạch dập hồ quang nhỏ, vì điện trở và điện kháng của mạch này lớn hơn nhiều so với của mạch chính.

Khi ngắt (hình 3-15 b),cần cách điện 12 cùng vời xà 8 chuyển vị trí lên trên, các tiếp điểm làm việc 1 và 2 rời nhau kh không phát sinh hồ quang, vì khi đó giữa các tiếp điểm này còn được sun bằng mạch tiếp điểm dập hồ quang, tiếp điểm dập hồ quang được mở ra chậm sau tiếp điểm chính. Sau khi các tiếp điểm chính mở,thì tất cả dòng điện ngắt chạy trong mạch dập hồ quang và sẽ được ngắt bằng tiếp điểm dập hồ quang trong buồng dập hồ quang. Bởi vì dòng điện ngắt lớn chảy qua tiếp điểm dập hồ quang trong thời gian ngắn nên tiết diện của các tiếp điểm này cũng không đòi hỏi lớn.

Trong những năm sáu mươi ở Liên xô máy ngắt ít dầu điện áp 20 -35KV được sử dụng rộng rãi ( ở Việt Nam không được sử dụng ). Tuỳ thuộc biện pháp đặt và cố định máy ngắt ít dầu loịa này chia ra: kiểu treo, kiểu trụ và kiểu xuyên.

55

Hình 3- 16 giới thiệu mặt cắt một cực máy ngắt ít dầu kiểu trụ điện áp 35 KV, 800A, 1000 MVA ( kiểu BMK – 35 ) sử dụng ở trạm ngoài trời. Môi cực máy ngắt được chứâ trong sứ trụ rỗng, cả ba cực đặt chung trên khung giá 1 có bánh xe. Thanh kéo cách điện 3 chuyển động lên xuống ở bên trong sứ trụ 8. Đầu trên thanh kéo nói với đòn bẩy 4 của cơ cấu truyền động đảm bảo cho thanh tiếp điểm động chuyển động. Cơ cấu truyền động của tất cả ba cực cùng nói với thanh kéo chung. Lò xo ngắt và với thiết bị chống rung đặt trong khung giá. Buồng dập hồ quang cùng túi dầu chứa trong ống ba-ki-lít 10 và tất cả đặt trong sứ rỗng phần trên. Đầu trên sứ này cố định bình dãn dầu 11 và nắp 12. Ở mặt bích giữa đặt hệ thống tiếp điểm trượt để lấy hoặc đưa dòng điện.

Hình 3- 16. Mặt cắt một cực của máy ngắt ít dầu kiểu trụ 35 KV.

Trên hình vẽ 3- 17 giới thiệu một kiểu máy ngắt khác – máy ngắt ít dầu kiểu sứ

xuyên, điện áp 35 KV, 600A, 500 MVA đặt ở trạm trời (kiểu M - 35 )

Hình 3- 17. máy ngắt ít dầu kiểu sứ xuyên, 35 KV.

1. Khung giá 12. Lò xo ngắt 2. Ống cách điện rỗng 13. Bộ hoãn xung 3. Thanh tiếp đểim di động 14. 15. Đầu ra 4. Máy biến dòng 5. Nắp che máy biến dòng 16. Thiết bị chống quá điện áp 6 và 7. sứ cách điện rỗng bảo vệ sứ 8. Buồng dập hồ quang 17. Dây nói mềm 9. ống thái khí 18. Vị trí kế 10. Đòn bẩy của cơ cấu truyền động 19. Ống chỉ mức dầu

56

11. Thanh kéo tiếp điểm di động Máy ngắt ít dầu điện áp 110 – 500 KV về kết cấu có rất nhiều kiểu khác nhau theo: a) số lượng chỗ ngắt b) có hoặc không sứ trụ, sứ xuyên, dao cách và máy biến dòng lắp kèm. c) Vị trí trục kéo của bộ truyền động, và … Về kết cấu máy ngắt ít dầu 110 – 500 KV có thể chia làm hai nhóm chính: một chỗ ngắt và nhiều chỗ ngắt trên một cực. ở đây không xét kết cấu các loại máy ngắt này. Khi cần có thể tham khảo các tài liệu tương ứng. § 3- 4. Thiết bị dập hồ quang cảu máy ngắt dầu Các điều kiện cơ bản để dập hồ quang có hiệu quả nhất trong thiết bị dập hồ quang của máy ngắt dầu gồm: a) Ở cuối nửa chu kỳ dòng điện ( dòng điện qua trị số không ) áp suất của hỗn hợp khi hơi tại vùng hồ quang phải cực đại có thể và cường độ thổi cảu hỗn hợp khí hơi cũng phải lớn. b) Khoảng cách giữa mặt thân hồ quang và dầu phải nhỏ. Theo nguyên lý tác động thiết bị dập hồ quang của máy ngắt dầu hiện đại phân làm ba nhóm chính: 1) Thiết bị dập hồ quang thổi tự động, hỗn hợp khí hơi và dầu thổi vào vùng hồ quang là do năng lượng của chính hồ quang tạo nên. 2) Thiết bị dập hồ quang thổi dầu cưỡng bức- dầu được đưa vào vùng dập hồ quang ( chỗ ngắt ) bằng cơ cấu bơm thuỷ lực nhờ nguồn năng lượng riêng. 3) Thiết bị dập hồ quang bằng từ trường trong dầu, ở các thiết bị này dưới ảnh hưởng của từ trường ngang thân hồ quang chuyển dịch vào khe hẹp chứa dầu. Thiết bị dập hồ quang nhóm thứ nhất được ứng dụng nhiều nhất, vì với kết cấu không phức tạp vẫn cho hiệu quả dập hồ quang tốt. Tiếp dưới chúng ta sẽ chỉ nghiên cứu thiết bị dập hồ quang nhóm này. Thiết bị dập hồ quang nhóm thứ hai rất ít được ứng dụng, vì phải có thêm cơ cấu bơm dầu nên kết cấu phức tạp và nặng nề. Thiết bị dập hồ quang nhom sthứ ba cũng không được ứng dụng rộng rãi, vì hiệu quả dập hồ quang thấp so với nhóm thứ nhất. Thiết bị dập hồ quang thổi tự động tạo thành trong vùng dập hồ quang luồng thổi khí dầu và tăng áp suất, đảm bảo cho dòng chảy hỗn hợp khí hơi và các phần tử dầu có tốc độ lớn. Trong hiệu quả của thiết bị dập hồ quang có thể bằng cách trang bị thêm có cấu bơm dầu cưỡng bức nhờ nguồn năng lượng riêng. NHờ vậy sẽ rút ngắn thời gian hồ quang cháy khi ngắt dòng điện nhỏ. Để tránh cho các chi tiết của buồng dập hồ quang bị phá huỷ do áp suất tăng cao khi ngắt dòng điện lớn nhất, sử dụng các biện pháp kết cấu làm dịu áp suất như có thêm bình dầu phụ ( xem hình 3- 21 và 3- 22) Theo số lượng chỗ ngắt thiết bị dập hồ quang thổi tự động chia ra ba dạng kết cấu khac snhau:

57

a) Bồng dập hồ quang một chỗ ngắt b) Buồng dập hồ quang hai chỗ ngắt, một là chỗ sinh hỗn hợp khí hơi và một nửa chỗ dập tắt hồ quang. c) Buồng dập hồ quang nhiều chỗ ngắt Tuỳ thuộc cách kết cấu buồng dập hồ quang luồng thổi hỗn hợp khí hơi và dầu có thể hướng song song với trục tiếp điểm di động- buồng dập hồ quang thổi dọc, hoặc vuông góc với trục - buồng dập hồ quang thỏi ngang, hoặc phối hợp cả hai - buồng dập hồ quang thổi hỗn hợp. a) Buồng dập hồ quang một chỗ ngắt trong quá trình ngắt chỉ có một quãng hồ quang là chỗ sinh hỗn hợp khí hơi đồng thời là chỗ dập tắt hồ quang. Thời điểm ban đầu hồ quang sinh hỗn hợp khí hơi từ dầu, làm tăng áp suất trong buồng dập hồ quang và sau đó tiếp điểm tiếp tục chuyển động đến khi các lỗ thoát khí và dầu được mở tạo nên luồng thổi khí dầu mạnh vào thân hồ quang. Buồng dập hồ quang một chỗ ngắt thườn có các kiểu:buồng dập hồ quang đàn hồi, buồng dập hồ quang tíu dầu, buồng dập hồ quang vi sai, buồng dập hồ quang thổi ngang,…

Hình 3-18

Buồng dập hồ quang đàn hồi thổi dọc: sử dụng trong các máy ngắt ít dầu điện áp 10 – 15 Kv, giới thiệu hình 3- 18. Buồng dập hồ quang gồm ống cách điện 1 và bình bằng đồng 2, bên trong ở phần dưới cố định tiếp điểm cố định 3 kiểu hoa huệ còn ở phần trên đặt vành cách điện 4, hai phiến dập hồ quang 5 cùng ống chắn 6 và vành cao su 7. Nhờ bích 2 buồng dập hồ quang được cố định trên sứ trụ 8 của máy ngắt. Phía trên buồng dập hồ quang bích 9 nối trực tiếp với đầu cơ cấu truyền động 10.

Nguyên lý làm việc của buồng dập hồ quang đàn hồi như sau: khi ngắt, giữa tiếp điểm cố định 3 và di động 4 phát sịnh hồ quang và bọc khí, làm tăng áp suất trong buồng. Áp suất trong buồng tăng nhanh đến giá trị xác định ( 10 -15at) vành cao su 7 bị nén lại, nhờ đó các phiến dập hồ quang nâng lên và tạo thành vành khe hở ở giữa phiến dập hồ quang, dưới áp suất của khí dầu chảy ra khỏi buồng dập hồ quang theo vành khe hở này làm hình thành luồng thổi mạnh dọc thân hồ quang, đảm bảo dập tắt hồ quang.

Buồng dập hồ quang đàn hồi có kết cấu đơn giản. Song, khi ngắt dòng điện nhỏ đòi hỏi hành trình của tiếp điểm tương đối lớn. Do đó để giảm thời gian hồ quang cháy yêu cầu tốc độ chuyển động của tiếp điểm cao, như vậy kết cấu máy ngắt lại phức tạp.

Trên hình vẽ 3- 19 giới thỉệu buồng dập hồ quang túi dầu thường sử dụng ở các máy ngắt ít dầu điện áp đến 380 KV. Mỗi buồng dập hồ quang gồm ống cách điện 1 cùng với các vấch ngăn 2, hình thành nhiều thể tích nhỏ (tức là túi) có lỗ ở tâm để thanh tiếp điểm di động 3 chuyển động qua lại. Tiếp điểm cố định 4 có lỗ 5 để thải khí được cố định ở phần trên buồng dập hồ quang. Buồng dập hồ quang đặt trong ống cách điện bền, để tránh lực cơ tác động vào vỏ sứ cách điện qua máy ngắt.

58

Khi ngắt, giữa các tiếp điểm p-hát sinh hồ quang và bọc khí được hình thành ở chính giữa vì dầu rất khó chảy ra khỏi các túi dầu. Do đó, đảm bảo cho hồ quang tiếp xúc sát với dầu, tăng cường sinh khí làm cho áp suất trong buồng dập hồ quang tăng ( khoảng 50 -100 at ) và hỗn hợp đối lưu mãnh liệt. Nhờ đối lưu này, làm lạnh thân hồ quang và phản iôn hóa của khí xẩy ra nhanh chóng cả trong khi ngắt dòng điện nhỏ. Khi chỉ có thể thoát ra ngoài qua lỗ 5 khi áp suất tăng cao. Cho nên luồng thổi hỗn hợp khí hơi và các phần tử dầu chảy từ dưới lên.

Đặc điểm tói ưu cảu buồng dập hồ quang kiểu này là khi ngắt dòng điện nhỏ thời gian hồ quang cháy vẫn ngắn, vì vành khe hở giữa cùa buồng dập hồ quang và tiếp điểm di động nhỏ, đảm bảo đủ áp suất dập tắt hồ quang. Dập tắt hồ quang của dòng điện lớn xẩy ra ở khoảng cách giữa các tiếp điểm tương đối không lớn. Song, vẫn tránh được hồ quang không cháy lặp lại nhờ trong buồng có áp suất cao và các phần tử dầu sạch. Kết cấu các vách ngăn là để ngăn dầu khó chảy ra khỏi buồng, do đó tiện lợi.

Buồng dập hồ quang như hình vẽ 3 -19 có thể chế tạo trong dang đúc bằng vật liệu cách điện ( ví dụ ê – pooc- xi).

Hình 3- 19. buồng dập hồ quang túi dầu

Buồng dập hồ quang thổi ngang như hình vẽ 3- 20 sử dụng trong các máy ngắt

nhiều dầu điện áp 6- 10 KV ggồm một số tấm cách điện 6 – 10, xi lanh, kim loại 1 cùng nắp 2, tiếp điểm cố định 4 và thanh tiếp điểm di động 13. Nhờ bulông 11 các tấm cách điện dược bắt vào phần dưới xi lanh tạo nên ở vùng hồ quang cháy rãnh thổi ngang trên tấm 7 và thể tích phụ trên tấm 9 để tăng cường dập hồ quang khi ngắt dòng điện nhỏ. Tiếp điểm cố định kiểu hoa huệ đặt trên rãnh thổi chính giữa xi lanh. Để tránh cho tiếp điểm hoa huệ bị cháy trên đầu cánh tiếp điểm lắp vòng bảo vệ 5 cùng ống kim loại gốm 12. Buồng dập hồ quang được lắp vào cuối sứ đầu vào của máy ngắt nhờ nắp 2, đinh vít 3, xi lanh và đế tiếp điểm hao huệ 4. Nguyên lý làm việc của buồng dập hồ quang như sau: khi các tiếp điểm rời nhau ban đầu hồ quang phát sinh ở giữa các tiếp điểm cố định 4 và di động 13. Sau đó hồ quang từ cánh tiếp điểm cố định chuyển động sang ống lót kim loại gốm. Bọc khí hình thành ở quanh hồ quang làm tăng áp suất trong buồng dập hồ uqang, dầu, chảy theo rãnh tấm 7 tạo thành luồng thổi khí và các phần tử dầu cắt ngang hồ quang. Luồng thổi khí dầu ngang này có khả năng phản iôn hoá hồ quang và dập tắt hồ quang ở một thời điểm dòng điện qua trị số không.

59

Hình 3- 20. buồng dập hồ quang thổi ngang điện áp 6 – 10 KV. Buồng dập hồ quang thổi ngang sử dụng trong máy ngắt nhiều dầu 35 KV ( hình 3- 21 ) kết cấu hơi khác. Buồng dập hồ quang gồm thân kim loại 7, phần dưới thân nối với tổ hợp các tấm cách điện bằng các bulông cách điện, còn phần trên được đậy bằng giá đồng thau 4, giá này chứâ tiếp điểm cố định 1 kiểu đối và nối buồng dập hồ quang với sứ đầu vào 5. Thân kim loại có khả năng chịu được áp suất lớn và có thể tích không khí đẹn 8, tổ hợp các tấm cách điện có hình dáng khác nhau như hình vẽ 3- 21. bên phản, tạo thành hai rãnh ngang và hai rãnh dọc cùng cửa 9 là nơi tiếp điểm di động chuyển động qua lại, còn một rãnh khác để nối các rãnh ngang với thê tích đệm. Các rãnh ngang phục vụ cho việc thải khí dầu. Dây nói mềm 2 nối tiếp điểm cố định với giá đồng để dẫn điện đồng thời cho phép tiếp điểm cố định có thể chuyển động dọc nén lò xo, tiếp điểm 3 do đó có lực nén cần thiết vào chỗ tiếp xúc của cặp tiếp điểm. Trên mặt các tiếp điểm phủ lớp kim loại gốm ( Vônphram - bạc) để hạn chế hôồquang cháy mòn. Tất cả các chi tiết trên được đặt trong xi lanh cách điện 6.

Hình 3- 21.buồng dập hồ quang thổi ngang 35 KV Nguyên lý làm việc cảu buồng dập hồ quang kiểu này cũng tương tự như buồng dập hồ quang hình 3 -20. Buồng dập hồ quang thỏi ngang của máy ngắt nhiều dầu 35 KV có công suất ngắt 1500 MVA với tốc độ chuyển động của tiếp điểm 2,5 m/gy và hnàh trình khoảng 250 mm. Buồgn dập hồ quang thổi ngang sử dụng trong các máy ngắt ít dầu 10 KV ( kiểu BM - 133 ) giưói thiệu ơ rhình 3 -22a. Buồng dập hồ quang gồm một số tấm ccsh điện ghép lại với nhau nhờ gu đồng cách điện và được cố định trong bình kim loại 1

60

của máy ngắt trên tiếp điẻm cố định 12 kiểu hoa huệ bằng các ống ba –ki – lit 2 và 3. Các tấm cách điện ghép tạo thành ở phần dưới buồng dập hồ quang ba rãnh thổi ngang ăn thông với các rãnh dọc 16 ( trên hình 3 -22 chỉ thấy một rãnh dọc 16 ) và một lỗ ở tâm để tiếp điểm di động chuyển động qua lại. Ở phần trên buồng dập hồ quang, trên các rãnh, lỗ ở tâm có b ahốc nhỏ, túi 17. Trên nắp bình cố định sứ xuyên 14, trong sứ xuyên đặt ống bakilit 15 để làm ống dẫn hướng và cách điện cho thanh tiếp điểm di động với bình và nắp. Máy ngắt còn có bình dầu phụ 6 hàn liền với bình 1, trong bình dầu phụ có buồng 7 là thê tích không khí đệm thông với bình chính bằng lỗ hình vuông. Van một chiều 5 có tác dụng để dầu chảy từ bình dầu phụ sang bình chính. Phần trên của bình 1 có các lỗ thải khí dầu 8 thông sang bộ chắn dầu 9. Bộ chắn dầu có các lỗ 18 để dầu chảy xuống bình dầu phụ. Máy ngắt còn trang bị hai đinh vít nút, để bổ sung ( đinh vít nút 10 ) và tháo ( đinh vít nút 4 ) dầu và ống chỉ mức dầu. Nguyên lý làm việc của buồng dập hồ quang như sau: khi các tiếp điểm rời nhau, ở giữa chúng phát sinh hồ quang, tạo thành bọc khí làm áp suất ở khoang dưới buồng tăng. Ban đầu khi thanh tiếp điểm di động còn bit các rãnh thổi khí, khí dồn vào nén không khí trong buồng 7. Sau đó thanh tiếp điểm động tiếp tục chuyển động lên trên và trình tự mở các rãnh thổi, dưới áp suất của khí dầu trần vào các rãnh này tạo thành uồng khí dầu thổi ngang vào hồ quang và dập tắt nó ( hình 3-22b).

Hình 3-22. sơ đồ làm việc của buồng dập hồ quang thổi ngang a) Vị trí ngắt b) ngắt dòng điện lớn c) ngắt dòng điện nhỏ Khi ngắt dòng điẹn nhỏ, áp suất không đủ lớn để thỏi có hiệu quả, hồ quang bị léo dài trong lỗ tâm và tiếp xúc với dầu trong các túi. Do đó, sau khi thanh tiếp điểm động ra khỏi lỗ tâm sẽ hình thành luồng thổi dọc bổ sung đảm bảo dập tắt hồ quang ( hình 3-22c) Buồng 7 cùng thể tích không khí đệm tránh cho áp suất tăng vọt đột ngột ở thời điểm dòng điện cực đại. Với tốc độ chuyển động của tiếp điểm 2 m/s và lớn hơn buồng dập hồ quang này của máy ngắt ít dầu ( kiểu BM -133) có công suất ngqứt 350 MVA ở 10 KV, 200 MVA ở 6 KV và 100 MVA ở 3 KV. b) Buồng dập hồ quang hai chỗ ngắt biểu hiện trong quá trình ngắt phát sịnh hai khoảng hồ quang nối tiếp: sinh khí và dập hồ quang. Khoảng hồ quang thứ nhất có tác

61

dụng làm dầu ở xung quanh hồ quang sinh khí và làm áp suất trong buồng tăng đảm bảo thổi khí dầu mạnh vào vùng hồ quang thứ hai. Vách ngăn cùng tiếp điểm trung gian là đặc điểm của buồng dập hồ quang kiểu này. Nhờ vậy, khi ngắt hình thành hai khoảng hồ quang: sinh khí và dập hồ quang, trong đó khoảng hồ quang sinh khí phát sinh hoặc sớm một chút hoặc muộn hơn khoảng hồ quang dập hồ quang. Buồng dập hồ quang kiểu này được chế tạo theo nguyên lý thỏi dọc, ngang và ngang ngược chiều. Trên hình 3- 23 miêu tả buồng dập hồ quang có tiếp điểm trung gian và có thể điều chỉnh khoảng hồ quang sinh khí. Tiếp điểm cố định 1 và trung gian 5 đặt ở phần dưới buồng dập hồ quang, trong đó tiếp điểm trung gian bị lò xo 2 đẩy lên phía trên, ngoài ra còn nối với pit tông 4. Ở vị trí đóng, tiếp điểm di động 6 nén tiếp điểm trung gian vào tiếp điểm cố định. Khi ngắt tiếp điểm trung gian rời tiếp điểm cố định trước, kế sau tiếp điểm di động mới rời tiếp điểm trung gian. Giữa các tiếp điểm trung gian và cố định phát sinh hồ quang 7 và áp suất ở phần dưới buồng dập hồ quang tăng. Do đó dầu bắt đầu chảy qua khe hở cạnh tiếp điểm di động, nhưng lượng dầu ít vì khe hở này nhỏ, cho nên áp suất tăng nên rất nhanh. Đến khi tiếp điểm trung gian dừng, tiếp điểm di động rời khỏi và giữa các tiếp điểm này phát sinh hồ quang, dập hồ quang 8. Tiếp điểm di động tíếp tục chuyển động và mở lỗ 9, dầu theo lỗ này chảy vào rãnh dọc 10. Tiếp theo tiếp điểm di động mở các lỗ 11, 12 và rãnh 14. Các lỗ 9, 11, 12 được nối với phần dưới buồng dập hồ quang ( phía sau hình vẽ ), dầu từ các lỗ này chảy vào rãnh 13, 14 theo như mũi tên chỉ dẫn. Khi ngắt dòng điện lớn, pitt tông tự động tác động, điều chỉnh khoảng hồ quang, sinh khí. Khí ở phần dưới buồng dập hồ quang áp suất nén vào pit tông 4 tăng vượt quá lực lò xo 2, thì pit tông sẽ hãm tiếp điểm trung gian tại vị trí trung gian nào đó, rút ngắn chiều dài hồ quang sinh khí. Khi ngắt dòng điện trung bình và nhỏ, tiếp điểm trung gian chuyển động đến vị trí tận cùng bịt kín lỗ tâm, hồ quang sinh khí có chiều dài lớn nhất, khi đó dầu từ vùng hồ quang sinh khí chảy sang vùng dập hồ quang chỉ qua các lỗ và khe nhất định ( trên hình không vẽ) tác động dọc và ngang ngược chiều vào thân hồ quang. Buồng dập hồ quang kiểu này sử dụng trong các máy ngắt ít dầu 35 Kv, có công suất ngắt 500 MVA.

HÌnh 3- 23. buồng dập hồ quang có tiếp điẻm trung gian và điều chỉnh khoảng hồ quang sinh khí

62

§ 3-5. Cơ sở tính thiét bị dập hồ quang của máy ngắt dầu Hiện nay chưa có phương pháp tính thật chính xác thiết bị dập hồ quang của máy ngắt. Chọn và thiết kế buồng dập hồ quang thường được tiến hành trên cơ sở rất nhiều công trình thực nghiệm và thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và trên hệ thống điện thực. Một vài phương pháp tính gần đúng thiết bị dập hồ quang thỏi tự động cho phép đánh giá trị số áp suất cực đại trong buồng dập hồ quang, lưu lượng dầu chảy ra khỏi buồng dập hồ quang trong quá trình hồ quang cháy, tốc độ chuyển động của các tiếp điểm, thời gian dập tắt hồ quang, vv…Trên cơ sở các thông số này có thể tính độ bền cơ của các chi tiết buồng dập hồ quang. Kế dưới chúng ta sé nghiên cứu quá trình khí động trong dập tắt hồ quang và phục hồi độ bền điện của khoảng cách giữa các tiếp điểm mà có liên quan đến cơ sỏ tính thiết bị dập hồ quang thổi tự động. 3-5-1. Cách tính các quá trình khí động Trong trường hợp chung các quá trình khí động trong các thiết bị dập hồ quang thổi tự động có thể chia làm 3 trạng thái ( xem hình 3-2 ): a) Trạng thái hồ quang cháy trong bọc hỗn hợp khí hơi khép kín, kể từ khi các tiếp điểm tách rời nhau đến thời điểm tiếp điểm di động bắt đầu mở các rãnh thổi (vị trí I) b) Trạng thái chảy của hỗn hợp khí hơi từ vùng bọc khí hơi ra ngoài buồng dập hồ quang, kể từ khi các rãnh thổi bắt đầu mở đến mở hoàn toàn và dập tắt hồ quang (vị trí II ). c) Trạng thái dầu sạch tràn vào buồng dập hồ quang, xẩy ra sau khi tắt hồ quang, chuẩn bị cho lần ngắt tiếp theo. a) Trạng thái hồ quang cháy trong bọc hỗn hợp khí hơi khép kín Trạng thái bọc khí khép kín có trong tất cả buồng dập hồ quang của máy ngắt dầu. Ở trạng thái này thường tạo ra áp suất đảm bảo hình thành luồng thổi hỗn hợp khí hơi và dầu để dập tắt hồ quang. Trị số áp suất rất phụ thuộc vào kết cấu buồng dập hồ quang. Công nhận nhiệt độ của hỗn hợp khí hơi là không đổi và bằng nhiệt độ trung bình T (quá trình đẳng nhiệt), áp suất Pt ở thời điểm t có thể xác định từ phương trình trạng thái: t tp RT

Trong đó: R - hằng số khí, đối với hỗn hợp khí hơi 20 / ®éR m

t - tỷ trọng của hỗn hợp khí hơi tại thời điểm t xác định theo

( )t t td V G dt

từ đây suy ra: 30 [KG/cm ]

t

t

t

t

G dt

V

( 3-14)

thay vào ( 3 – 13) ta có :

0

t

t

t

t

G dt

p RTV

( 3- 15)

63

Trong đó: Gt - trọng lượng hỗn hợp khí hơi tạo thành trong buồng dập hồ quang trong đơn vị thời gian, ứng với áp suất khí quyển và nhiệt độ trung bình của hỗn hợp khí hơi.

0t

t

dAG k

dt

0

0

t

t tG dt k A 9 3- 16)

Trong đó: k0 - hệ số trọng lượng tạo thành khí, đối với hỗn hợp khí hơi

30 0,2.10 / W.sk KG K

Thay vào ( 3- 15 ) ta đươợ:

0 tt

t

k Ap RT

V

Trong đó: Vt - thể tích bọc khí hơi. Trường hợp chung ( vị trí I trong hình vẽ 3- 2 ) thể tích này có thể xác định từ biểu thức:

0® ® 0 ® ®

0 0

( )t t

t t t t t d

t

pV F v dt k A F F v dt v

p

( 3-18)

Trong đó : Ftd - diện tích tiết diện ngang thanh tiếp điểm động

(Ftd = const ) vtđ - tốc độ chuyển động của tiếp điểm k0At - trọng lượng dầu bốc hoơ trong thời gian t F - tiết diện nho rnhất của rãnh thổi vd - tốc độ chảy của dầu, cm / s vđ - thể tích ban đầu của khoảng không khí đệm Thể tích này thường không lớn và ảnh hưởng đối với áp suất chỉ ở quá trình. Để đơn giản ta nhận Vt = const. Trong nhiều trường hợp sau khi bắt đầu phát sinh hồ quang 6 ÷ 8. 10-3gy trạng thái dầu chảy có thể coi là xác lập, nên lưu lượng dầu chảy qua một đơn vị diện tích trong thời gian t coóthể xác định theo phương ftrình Bernull:

0 0

2.

t t

d d t

d

gv dt p dt ( 3- 19)

Trong đó: d - hệ số chảy của dầu

g = 981 cm/ s2 d - tỉ trọng của dầu KG / cm3

Hệ số chảy d phụ thuộc hình dáng miệng lỗ, áp suất thuỷ lực và số Raynôt, có thể

tham khảo bảng 3- 4. Bảng 3-4: Giá trị hệ số chảy d của dầu biến áp với aápsuất thỷu lực tĩnh, đường

kính miệng lỗ và vòi chảy khác nhau Áp suất thuỷ tĩnh ,mm

Lỗ tròn với đường kính, mm

Vòi chảy hình trụ với đường kính mm

64

5 3 2 5 3 2 0,25 0,739 0,748 0,765 0,56 0,53 0,364 0,5 0,727 0,74 0,788 0,602 0,584 0,436 1 0,7 0,734 0,761 0,645 0,638 0,508 1,5 0,72 0,735 0,766 0,694 0,680 0,555 1,8 0,716 0,719 0,765 0,698 0,684 0,565 Đối với nén đẳng nhiệt ta có thể viết:

0

0

00

onst

vµ

t

t

p pRT c

k

B

từ đây suy ra : 00

Bpk

RT ( 3- 20)

Như vậy, thay các giá trị ở các biểu thức ( 3- 18) , ( 3- 19) và ( 3- 20) vào phường trình ( 3- 17) sẽ có

0

® ® 0 ® ®

0 0

2. . . ( ). . .

p t

t t t

t t t t d t

d

B Ap

gF v dt k A F F p dt v

(3- 21)

Trong đó: p0 – áp suất khí quyển bình thường Nếu cho trước At = f(t) và vtđ = f(t) tính áp suất theo phương trình (3-21) có thể bằng phưong pháp xếp chồng. Ngoài ra tính áp suất trong bọc khí khép kín có thể sử dụng công thức nửa thực nghiệm cảu Avakian:

2/3

® ®

0

.

2[ . . . . ( ) ]

3

tt t

t t t

B Ap

C B A F F A dt v

(3-22)

Trong đó: C = 1500 hằng sô. Phương trình này cũng có thể giải bằng phương pháp xếp chồng gần đúng. Đối với tính gần đúng có thể bỏ qua một số điều kiện, khi đó phương trình có dạng sau:

hq ® 2/3

®

2.B.E . . .0,76.[ ]

. .( )

m t

t

t

I v tp

C F F (3- 23)

Trong đó: Ehq - gradien điện áp cảu hồ quang, V /cm Im- biên độ dòng điện ngắt , KA b) Trạng thái chảy của hỗn hợp khí hơi từ vùng bọc khí ra ngoài buồng dập hồ quang. Từ thời điểm t = t2 khi tiếp điểm động mở các rãnh thổi, hỗn hợp khí hơi bắt đầu chảy từ vùng bọc khí ( hình 3-2, vị trí II ) .Quá trình này mang tính chất rất phức tạp. Khi ngắt dòng điện lớn trạng thái chảy có đặc tính không ổn định: tại các rãnh thổi chỗ hồ quang cháy, xảy ra hiện tượng ngăn cản luồng khí do hiệu ứng nhiệt động và hình thành ‘ nút dầu ‘. Do đó áp suất trong buồng dập hồ quang tăng vọt và tiếp theo làm tung nút dầu, chu trình mới lại đươc lặp lại. Trong quá trình tính thường nhận một số điều kiện đơn giản hóa:

65

1) Từ thời điểm mở rãnh thổi trạng thái chảy của hỗn hợp khí hơi là entrôpi xác lập ( không phụ thuộc giá trị dòng điện hồ quang ) 2) Tốc độ luồng khí là không đổi và bằng tốc độ tới hạn 3) Dầu không chảy ra khỏi buồng dập hồ quang, nghĩa là chỉ có hỗn hợp khí hơi chảy qua rãnh thôi. 4) Trong quá trình hỗn hợp khí hơi chảy, thể tích trong buồng dập hồ quang không thay đổi. Trên cơ sở điều kiện cuối này ta có thể viết:

1 2

®

t

b

d G G

dt V

( 3- 24)

Trong đó: G1 – cường độ trọng lượng tạo thành hỗn hợp khí hơi ở thời điểm t2 , KG/s.

G2 - tổn hao trọng lượng hỗn hợp khí hơi ơ rthời điểmm t2 , KG/s Vbđ - thể tích ban đầu của bọc khí hơi ( khi t2 = 0). Cũng như trên coi nhiệt độ của hôn xhợp khí hơi là không đổi, nên ta có:

1 2

®

( )t

b

dp RTG G

dt V ( 3-25)

Giá trị G1 xác định từ các biểu thức ( 3- 16) và ( 3-20 ).

01 0 0

tt t

dA BpG k k N N

dt RT ( 3-26)

Trong đó Nt – công suất hồ quang tại thời điểm t2 , KW. Dựa vào phương trình chung có thể xác định giá rị G2 2 th thG C F ( 3-27)

Trong đó: th - tỷ trọng khí ở tiết diện tới hạn của rãnh thỏi

Cth- tốc độ tới hạn của luông fkhí F - tiết diện tới hạn qui đổi của rãnh thổi ( nhận F = const ) Sử dụng các đẳng thức trong khí động học đối với thµ Cthv :

1

12

1

21

k

th t

th

k

kC g RT

k

Trong đó: t - tỷ trọng khí ứng với áp suất pt

k- số mũ đoạn nhiệt, đối với khí hai nguyên tử k = 1,4. Phương trình ( 3- 27) sẽ có dạng mới:

1

1

2

22

1 1

k

t t

t

kG g RTF F

k k

pF

RT

( 3-28)

Trong đó:

1

122

1 1

k kg RT

k k

( 3-29)

66

Do ảnh hưởng hiệu ứng nhiệt động làm giảm tốc độ của luồng khí. Nên trong tính toán đại lượng phải có sự hiệu chỉnh: tt m

Trong đó: m = 0,3 ÷ 0,5 - hệ số hiệu nhiệt động. Lấy các giấ trị ở phương ftrình ( 3- 26) và ( 3- 28) thay vào ( 3- 25) ta được:

0

® ®

0t ttt t

b b

dp F Bpp N

dt V V

( 3-30)

Nghiệm của phương trình này tuỳ thuộc hàm Nt theo thời gian và cách giải có thể bằng phương pháp xếp chồng hoặc giải tích gần đúng. Chúng ta sẽ xét hai trường hợp. I) Trong quá trình ngắt, tích điện áp trên thân hồ quang và giá trị thực của dòng điện là không đổi, nghĩa là: Nt = Uhq ihq = Nhq = const Nghiệm đủ của phương trình ( 3- 30) sẽ có dạng:

® ®0®(1 )

tt tt

b b

F Ft t

hq V Vt b

tt

Bp Np e p e

F

( 3-31)

Trong đó: pbđ – áp suất trong buồng dập hồ quang ở thời điểm hỗn hợp khí hơi bắt đầu chảy ( t2 = 0)

®

tt

bV

F- hằng số thời gian khí động

II) Trường hợp Nt = UhqImsin t và Uhq = const ; Im = const. Phương trình ( 3- 30) được dẫn về:

sin 0tt

dpp t

dt ( 3-32)

Trong đó: ®

, 1/tt

b

Fs

V

0 2

®

, / .hq m

b

Bp U IKG cm s

V

Nếu bắt đầu chảy hỗn hợp khí hơi trùng với đầu nửa chu kỳ dòng điện hồ quang, và góc quay thay đổi trong giới hạn 0 t , thí nghiệm của phương trình ( 3- 32) để tính áp suất trong buồng dập hồ quang ở cuối nửa chu kỳ thưứn bất kỳ sẽ là:

®( )n

n bp p a e a

( 3-33)

Trong đó: 2 2

a=

Trường hợp Nt = UhqIm sin t , và UhqIm = const có thể sử dụng công thức nửa

thực nghiệm của A-va-kian để tính áp suất trong buồng dập hồ quang:

hq 0 2/3BE 2 sin2( )

0,76[ ] [1- . ]3

m

t

I l tp

CF t

Trong đó l0 - chiều dài đoạn hồ quang sinh khí, cm Sau khi hồ quang bị dập tắt hoàn toàn, tính áp suất trong buồng dập hồ quang cũng dựa trên cơ sở phương trình ( 3- 30) nhnưg Nt = 0 và có sự ngưng tụ hơi dầu:

67

®

0t ttt

b

dp Fp

dt V

( 3-35)

Nghiệm của phương trình này là:

3

®.tt

b

Ft

Vt cp p e

( 3-36)

Trong đó: pc – áp suất trong buồng dập hồ quang ở cuối nửa chu kỳ sau cùng xác điịnh từ phương trình (3- 33) - hệ số ảnh hưởng của ngưng tụ hơi dầu

t3 - thời gian kể từ sau khi hồ quang tắt c) Trạng thái dầu sạch tràn vào buồng dập hồ quang. Sau khi hồ quang tắt hoàn toàn do chênh lệch áp suất trong và ngoài buồng dập hồ quang, nên hỗn hợp khí hơi vẫn tiếp tục chảy qua rãnh thổi ra ngoài buồng dập hồ quang. Chỉ khi áp suất trong buồng dập hồ quang ( xem hình 3- 2a vị trí III ) giảm đến giá trị: 0 1( )b dp z z ( 3- 37)

hỗn hợp khí hơi tàn dư trong buồng dập hồ quang mới bắt đầu chảy qua lỗ thải khí f phía trên ra ngoài, và đồng thời dầu sạch tràn vào buồng dập hồ quang do mức dầu chênh lệch z0 - z1 . Thời gian tI cần thiết để áp suất trong buồng dập hồ quang giảm đến giá trị mà dầu bắt đầu tràn vào buồng dập hồ quang xác định từ phương trình ( 3- 36) với các điều kiện bờ: t3 = 0, pt= pc t3 = tI , 0t b dp p z

®

tt

lnb cI

b

V pt

F p ( 3-38)

Thời gian tII dầu sạch tràn vào buồng dập hồ qaung tính theo công thức gần đúng:

®

c

2gf

1+k

bII

Vt

RT

( 3- 39 )

Trong đó kc -hệ số cản của dầu Như vậy, thời gian toang bộ chuẩn bị cho buồng dập hồ quang ngắt liên tiếp sau bằng : ttb = tI + tII Từ các phương trình trên thấy rõ rằng thời gian t phụ thuộc vào các tiết diện f, F và có thêr tích ban đầu Vbd Đối với buồng dập hồ quang, công suất ngắt lớn trời gian ttb có thể rất dài không bảo đảm làm việc trong chu trình A B tác động mạnh . Cho lên trong mát ngắt phải trang bị thêm thiết bị thuỷ lực bơm dầu vào buồng dập hồ quang. 3 -5 -2. Cách tính độ bền điện phục hồi giữa các tiếp điểm khi nở . Tính độ bồn điện phuc hồi giữa càc tiếp điểm trong buồng dập hồ quang máy ngắt dầu thường đưa vào các điều kiện điện áp chọc thủng khoảng cách trong đó trong khí với áp suất và nhiệt độ cho truớc.

68

Đồ hồ quang không cháy lặp lại, nghĩa là đảm bảo đủ độ bền giửa các tiếp điểm, phải thoả mãn điều kiện sau :

0

1

2ct m mft

f

U k U

(3-40)

Vế trái của biểu thức là điện áp chọc thủng khoảng cách giũa các tiếp điểm với tần số giao động riêng fo của mạch ngắt thể hiện độ bền điện của khoảng cách và xác định theo :

0ct p

t

TU U

T (3-41)

Điện áp phóng điện Up của khoảng cách ở áp suất tuyệt đối pt và nhiệt độ p bình thường Tính gần đúng như sau : Up ≈ 3.7 (pt . S)o.45, KV (3-42) Trong đó : S- chiều dài khoảng cách, cm Pt- áp suất tuyệt đối với vùng khoảng cách, xác định theo ( 3- 33), KG/ cm2. Quan hệ giữa nhiệt độ thân hố quang và thời gian có thể trình bày bằng phương trình :

® (1 )t t

t b mtT T e T e

(3-43)

Trong đó : Tbđ = 3500 oK - nhiệt độ cực đại ban đầu Tmt : nhiệt độ môi trường xunh quanh ( luồng hỗn hợp khí hơi

2

p hqC r

k

: hằng số thời gian,

Khi ngắt dòng điện lớn ( > 5000 A) 42.10 gy

Khi ngắt dòng điện khoảng 1000 A thì 45.10 gy

Cp - tỷ nhiệt khí thân hồ quang - tỷ trọng của khí

rhq – bán kính thân hồ quang tàn dư k- hệ số tản nhiệt thay giá trị Tt vào phương trình ( 3-41) ta được

0

® (1 )ct pt t

b mt

TU U

T e T e

(3-44)

Trong vế phải của biểu thức ( 3-40) gồm có: km - hệ số không đồng nhất giữa các đặc tuyến Uct = f(t) và Uf = f1 (t), xác định theo:

1,57 0,57b

m

b

kk

k

( 3-45)

Trong đó: 1 2bk - hệ số tăng biên độ điện áp phục hồi

Và biên độ điện áp phục hồi Umf có thể thể hiện qua điện áp dây Ud trong công thức: Umf = 1,12kbUd Cuối cùng, thay các giá trị ở ( 3-42), ( 3-43 ) , ( 3-45) và ( 3-46 ) vào ( 3-40) và tiến hành vài biến đổi nhỏ ta được công thức tính điện áp dây cho phép:

69

0,45

0

®

52,85( ).

(2,72 1)(1 )

td t t

bb mt

p STU

kT e T e

( 3-47)

Trong tính sơ bộ gần đúng có thể nhận Tmt = 0, công thức sẽ có dạng đơn giản 0,45

0

®

52,85( ).

(2,72 1)

t

td

b b

p STU e

T k

( 3-48)

§ - 3 -6 . Cơ cấu truyển động của máy ngắt

Cơ cấu truyển động là một bộ phận kết cấu quan trọng của máy ngắt, thực hiện chuyển vị các tiếp điểm động trong khi đóng và ngắt theo hành trình và tốc độ cho truớc. Cơ cấu truyển động tác động nhờ bộ truyển động .Kết cấu cơ cấu truyển động tuỳ thuộc vào kiểu máy ngắt mỗi kết cấu cơ cáu truyển động có thể biểu diện vào sơ đồ động tương ứng . 3 -6 -1. Sơ đồ động của cơ cấu truyển động

Quan hệ động giữa hệ thống tiếp điểm và chi tiết công tác của bộ truyển động (phân ứng nam châm điện, pit- tông, lò xo điều tiết, vv… ) có rất nhiều dạng tuỳ thuộc vào kiểu máy ngắt và kiểu bộ truyển động. Hình 3 – 24 giới thiệu một số sơ đồ động về nguyên lý của cơ cấu truyển động trhường áp dụng trong máy ngắt cao áp.

Hình 3- 24 sơ đố nguyên lý của cơ cấu truyển động.

Cơ cấu tryển động sơ đồ a, khi đóng, hệ thống tiếp điểm động 6 chuyển động nhờ

bộ truyển động 1 tác động một chiều (TĐM) thông qua khâu trung gian 4, Tổng hợp các khâu trung gian này gọi la cơ cầu truyển động. Ở trạng thái đóng lò xo 5 dự trữ 1 thế năng , nhờ đố mà khi ngắt hệ thống tiếp điểm động và các chi tiết của cơ cấu chuyển vị . trong các cơ cáu như thế giữa bộ chuỷen động tác động một chièu và thanh kéo 3 thường lắp bộ khớp rời tự do 2 có tác dụng khi ngắt sự cố hoặc ngất bằng tín hiệu (gián tiếp bằng cuộn dây CD) tách chi tiết công tác của bộ truyển động và tăng tốc tác động của máy ngắt . Cơ cấu truyển động sơ đồ b , khi đóng cũng như khi ngắt hệ thống tiếp điểm động và cơ cấu truyển động tác động nhớ bộ truyển động tác động 2 chiều(TĐH). Khác với trường hợp trước, cơ cấu truyển động này không có lò xo ngắt và bộ khớp rời tự do. Cơ cấu truyền động sơ đồ a va b là cơ cấu nhiếu khâu ứng dụng rộng rãi trong các máy ngắt dầu , máy ngắt tự sinh khí và một số máy ngắt không khí.

70

Trong các cơ cấu truyển động sơ dồ c và đ (hính 3 - 24 ) các hệ thống tiếp điểm động 6 liên hệ trực tiếp với chi tiết công tác của bộ truyền động , nghĩa là số khâu trong cơ cấu được qui về hai. Các cơ cấu này ứng dụng ưu viẹt trong các may ngắt không khí. Tác động nhanh vá hành trình các tiếp điểm động ngắn là những đặc điểm cơ bản của các cơ cấu sơ đồ c va d. Đạt được tác động nhanh lá do trọng lượng toàn hệ thống ít và sử dụng truyển động điều khiển bằng hơi, còn hành trình các tiếp điểm có thể rut ngắn là do dập tắt hồ quang trong không khí nén có độ bền điện tương đối cao. Ở sơ đố c , nhờ bộ truyền động tác động 1 chiều mà các tiếp điểm tách rời nhau , đồng thời nén lò xo đóng 8, sau khi bộ truyển động ngừng làm việc ló xo này làm cho các tiép điểm đóng lại . Trong sơ đồ d, khi đồng cũng như khi ngắt chuyển vị các tiép điểm động đều do bộ truyển động tác động hai chiều đan nhiệm . Do đó, ở các cơ cấu này không cần có lò xo ngắt và lo xo đóng.

Hình 3 – 25 Các sơ đồ động của cơ cấu truyển động.

Phần lớn các cơ cấu truyển động sơ đồ a va b được hình thành trong dạng cơ cấu nhiều khâu thanh chuyền khớp nối phẳng, do đó đảm bảo cho tiếp điểm động chuyển vị theo quy tích yêu cầu và truyển ứng lực từ bô chuyển động cho các tiếp điểm với số lượng truyền đạt bất kỳ.Ở hình 3-35 giới thiệu một số sơ đồ động của cơ cấu truyển động thường sử dụng nhiều nhất trong máy ngắt cao áp . Tiếp điểm động 6 chuyển động tịnh tiến thẳng trên hành trình dài ( điều này rất cần cho máy ngắt ) và sự cần thiết của lò xo ngắt 5 là những đặc điểm của cơ cấu truyển động này. Đòn bẩy 4 (hình 3 -25 a). ống định hướng (hình 3 -25 b, c ) và cơ cấu nắn thẳng (hình 3 -25 d, đ, c ) đảm bảo cho tiép điểm chuyển động theo qui tích yêu cầu. Mỗi cơ cấu có đòn 1 nối cứng trên trục chính 0 ghép với thanh kéo của bộ truyển động và đòn bẩy 2 cùng với thanh treo 3 và thanh dẫn chính (hoặc con trượt ) hình thành cơ cấu bốn khâu kích thước của tứng khâu và khoảng cách giữa hai chục 0, 01 phải chọn sao cho khi ngắt máy ở vị trí đóng góc dự củ đòn bẩy 2 trước điểm chốt không quá lớn (5÷10o )

Quan hệ giữa hành trình H và góc quay của trục chính gọi là đặc tuyến động của cơ cấu truyển động . Trên hình 3 -26 giới thiệu dạng đặc tuyến này và đường cong

đạo hàm của nó dH

d . Từ đặc tính này rút ra rằng đối với các vị trí cơ cấu gần trạng

thái đóng đạo hàm rất nhỏ . Cho nên ở thời điểm các tiếp điểm tiép gián với nhau, cơ

71

cấu có khả năng truyền ứng lực lớn cho tiếp điểm động với momen quay Mo trên trục chính tương đối nhỏ vì :

0 .H

c

P dHM

d ( 3-49)

trong đó : PH - lực truyền cho tiếp điểm động ở vị trí H c - hiệu suất của cơ cấu

Dựng đặc tuýen dộng và đạo hàm dH

d có thể bằng phương pháp giải tích hoặc đồ thị.

Hình 3 -26 Đặc tính động của cơ cấu truỳen động.

Nếu biết phương trinh quan hệ giữa hành trình tiếp điểm và góc quay thì có thể xác định các đặc tính này bằng phương pháp giải tích . Song phương pháp này rất phức tạp không thuận tiện trong tính toán . Cho nên xác định đặc tuyến H = f ( ) bằng phương pháp đồ thị là phù hợp hơn cả .

Để xác định đặc tuyến động của cơ cấu với tỉ lệ xích nào đó cho chục dẫn biến thiênỏten các vị trí khác nhau xác định hành trình của tiếp điểm động tương ứng với từng vị trí (xem hinh 3 -27 )

Còn đường cong dH

d xác định bằng cách lấytg của góc nghiêng giữa H = f ( ) và

trục hoành.

Hình3-27 Xác định đặc tuyến động cúa cơ cấu truỷen động bằng phương pháp đồ thị. Tính cơ cầu truyển động ngắt bằng lò xo có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế máy ngắt vì khi cho trước tốc độ chuyển động của tiếp điểm động ta có thẻ xác định được các đặc tính ló xo ngắt và các thiết bị hoãn xung. 3-6-2. Cách tính động lực của cơ cấu truyền động ngắt bằng lò xo

72

Trong thiét kế máy ngắt cao áp, tính động lực của cơ cấu truyền động là xác định sự chuyển động theo các lực cho trước hoặc xác định lực theo đặc tính chuyển động cho trước. Như vậy, khi cho trước sơ đồ động bài toán về cơ cấu truyền động sắp xếp làm hai dạng: 1) Tìm đặc tính lò xo ngắt đảm bảo cho hệ thống tiếp điểm động chuyển động với tốc độ cho trứơc trong lúc ngắt, khi biết trước: các kích thước và trọng lượng của các chi tiết động, lực đàn hồi của lò xo tiếp điểm, các lực cản tác động vào cơ cấu. 2) Xác định tốc độ chuyển động của hệ thống tiếp điểm động ở từng thời điểm hoặc ở từng điểm của hành trình khi cho trước: hình dáng kích thước trọng lượng của từng chi tiết động, lực đàn hồi của lò xo ngắt và của cá lò xo khác cũgn như các lực cản. Bản chất tính động lực cơ cấu truyền động của máy ngắt là tính động lực của cơ cấu truyền động được đưa về tính động lực của điểm quy đổi có khối lượng thay đỏi và lực thay đổi tác động vào điểm này. Thường chọn những điểm có quỹ tích, chuyển động như quỹ tích chuyển động qua tiếp điểm động làm quy đổi. Trong phần lớn máy ngắt các quỹ tích này là những đường thẳng hay cung của vành tròn. Nếu trong cơ cấu có những khâu chuyển động tịnh tiến .( cần mang tiếp điểm, tiếp điểm động ), thì chọn điểm quy đổi trên khâu đó là phù hợp hơn cả. Trường hợp chung các lực quy đổi tác động trong cơ cấu chuyển động của máy ngắt gồm có: a) Lực đàn hồi của lò xo ngắt Plxn ; b) Lực đàn hồi của lò xo tiếp điểm Plxtđ ; c) Trọng lực Ptrl d) Lực quán tính Pqt đ) Áp lực của khí trong buồng dập hồ quang Pal ; e) Lực cản Pc : lực ma sát ở các khớp nối Pmsk ,ở tiếp xúc Pmstx, thuỷ lực cản Ptl khi các bộ phận chuyển động trong chất lỏng; g) Lực điện động Pđđ Theo Đa- lam-be ta có thể viết phương trình của các lực quy đổi tác động trong cơ cấu truyền động:

' ' ' ' ' ' 'l ® ®® 0xn lxt trl qt al cP P P P P P P

( 3- 50)

Tính động lực của cơ cấu truyền động trong máy ngắt có thể bằng phương pháp giải tích gần đúng hoặc đồ thị.

Dùng phương pháp giải tích để tính rất phức tạp và tốn nhiều công sức nhất là khi cần biết đặc tính của lò xo ngắt. Cho nên, trong những trường hợp như vậy dùng phương pháp đồ thị là tiện lợi hơn cả.

Dưới đây chúng ta sẽ xét một trong những phương pháp đồ thị tính động lực của cơ cấu truyền động.

Trong thiết kế cơ cấu truyền động của máy ngắt thưởng phải giải bài toán dạng thứ nhất nghĩa là đặc tính lò xo ngắt là ẩn số, còn đặc tính vận tốc và tất cả các lực quy đổi ( trừ lực quán tính ) đã biết. Khi đó chúng ta sẽ kí hiệu:

' ' ' ' ' '®b ® ®®lxt trl al cP P P P P P

( 3-51)

Kết hợp với phương trình ( 3- 50) ta có thể viết

' ' 'l ®b 0xn qtP P P

73

hoặc ' ' 'l ®b qtxnP P P

Như vậy, muốn xác định lực đàn hồi của lò xo ngắt thì phải tìm lực quán tính, mà lực này có thể xác định theo phương trình vi phân của Lagraenzơ cho trường hợp chuyển động thẳng:

' 2

' ( )2

qt

d m vP

dH

( 3-53)

Trong đó: H- hành trình của tiếp điểm động m’ – khối lượng quy đổi thay đổi theo hành trình của tiếp điểm (cách xác định đại lượng này và các lực quy đổi chúng ta sẽ xét sau) v = f(H) đặc tuyến vận tốc cho trước

Xác định lực quán tính quy đổi bằng phương pháp thì tiến hành theo trình tự sau: a) Vẽ các đặc tuyến khối lượng quy đổi và vận tốc với tỷ lệ xích nhất định.

b) Dựng đường cong động năng ' 2

2

m v

c) Lấy đạo hàm đường cong này ở từng điểm trên hành trình H, sẽ cho ta đặc tuyến lực quán tính quy đổi ( xem hình 3- 28)

HÌnh 3- 28. Phưong pháp đồ thị tính lực quán tính quy đổi.

HÌnh 3- 29

74

Sau khi cộng đặc tuyến lực quán tính quy đổi với các lực quy đổi đã biết, sẽ cho ta biểu đồ tổng lực trong cơ câu chuyển động theo hành trình.hình 3- 29 phần dưong của biểu đồ là lực tổng hướng ngược chiều với chuỷên động của điểm quy đổi phải được bù bằng lực lò xo ngắt. Như vậy ta chỉ cần tuyến tính hoá đoạn đường cong này, sẽ nhận đựơc đặc tuyến quy đổi của lò xo ngắt..Còn phần âm của biểu đồ là lực hướng cùng chiều với chuyển động của điểm quy đổi. Lực này chủ yếu do quán tính của cơ cấu tạo ra do đó phải đựơc loại trừ bằng lực hãm quy đổi của các bộ hoãn xung. Trường hợp đơn giản nhất khi lò xo ngắt cố định trực tiếp với điểm quy đổi bằng cách xây dựng đồ thị trên ta sẽ nhận đựơc ngay đặc tuyến lò xo ngắt. Thường ở các cơ cấu truyền động của máy ngắt cao áp, lò xo ngắt tác động không trực tiếp vào thanh ngang tiếp điểm động ( điểm quy đổi), mà vào khâu nào đó của cơ cấu. Do đó phải quy đổi lực quy đổi của lò xo ngắt về điểm gắn và hướng tác động của lò xo ngắt bằng những luật quy đổi thông thường, kết quả sẽ đựơc đặc tuyến phải tìm của lò xo ngắt. Nói chung đặc tuyến tổng lực không thể hoàn toàn trùng với đặc tuyến của lò xo ngắt và của các bộ hoãn xung. Do đó, khi lực lò xo và các lực khác tác động sẽ cho đặc tuyến vận tốc khác với đặc tuyến vận tốc cho trước ít nhiều. Để xác định mức độ sai lệch giữa các đặc tuyến này phải tiến hành dừng, đặc tuyến vận tốc của điểm quy đổi với sự tác động của tất cả các lực quy đổi ( trong đó các lực của lò xo ngắt đã chọn). Trường hợp giữa các đặc tuyến vận tốc cho trước và nhận được sai lệch nhiều, thì phải lập lại, khi đó phải thay đổi giá trị lực quán tính. Xây dựng đặc tuyến vận tốc của điểm quy đổi ( bài toán dạng thứ hai) cùng xuất phát từ phương trình vi phân Lagranzơ ( 3-55 ) và lấy tích phân:

' 2

'

00

( )2

HH

qt

m vP dH

( 3-54)

Nếu chuyển động bắt đàu từ trạng thái tĩnh, nghĩa là v = 0 thì tốc độ chuyển động của điểm quy đổi tại hành trình sẽ bằng:

'

'

0

2( )

H

H qtv P dHm

( 3-55)

Từ phương trình này ta thấy tốc độ chuyển động của điểm qui đổi tại cuối hành

trình H bằng căn bậc hai của hai diện tích biểu đồ ' ( )qtP f H chia cho tổng khối lưọng

quy đổi tại điểm đó. Như vậy, dựng đặc tuyến vận tốc của điểm quy đổi bằng phương pháp đồ thị tiến hành theo trình tự sau:

a) Dựng các đường cong ' '1 qt( ) µ P ( )m f H v f H với tỷ lệ xích tuỳ ý.

b) Chia diện tích bị chắn bởi đường cong 'qtP ( )f H và các trục toạ độ thành các

vi phân diện tích ( xem hình 3- 30). Diện tích vi phân này bằng:

1

'( ) [KG.cm]m

m

H

m qt

H

S P dH

Còn diện tích chắn bởi đường cong kể từ đầu hành trình đến điểm đang xét: 1 [KG.cm]m m mS S S

c) Bằng đồ thị xác định diện tích Sm và tính tốc dộ của điểm quy đổi theo phương trình:

75

'

2[cm/s]H mv S

m

( 3-56)

Hình 3- 30. Cách xác định đặc tuyến vận tốc của điểm quy đổi Như vậy, tiến hành tính cho nhiều điểm trên hành trình ta sẽ được hàng loạt v ứng với H1 , H2 .. Hm-1 và căn cứ vào cá giá trị này dựng đặc tuyến vận tốc của điểm quy đổi v = f3(H) ( xem hình 3-31). Mức độ chính xác của đường cong này tuỳ thuộc vào cách chia các vi phân diện tích, diện tích vi phân lấy càng nhỏ thì mức độ chính xác

càng cao, nhất là ở các đoạn đặc tuyến ' 'µ mqtP v thay đổi nhiều.

Trong thiết kế đôi khi còn dựa vào v = f3(H) dựng đặc tuýên vận tốc thay đổi theo thời gian v = f(t). Khi đó xuất phát từ:

dH

vdt

hoặc 1

dt dHv

Từ đây suy ra: 0

1H

t dHv

Diện tích vi phaâ thời gian bằng:

1

1m

m

H

m

H

t dHv

Còn thời gian kể từ đàu hành trình đến điểm đang xét: 1m m mt t t

Nếu dựng một đường cong phụ thuộc 4

1( )f H

v và chia nhỏ

( xem hình 3- 30) tiến hành tương tự như trường hợp trên sẽ đựơc đặc tuyến vận tốc theo thời gian v = f (t) cũng như H = f2( t).

Ở điểm đầu và điểm cuối của hành trình đại lượng 1

vtiến tới vô cực. Cho nên để

dựng 4

1( )f H

v đoạn đàu và đoạn cuối đường cong

v = f3(H) thường được thay thế bằng cung parabôn 2 2v a H nghĩa là:

v a H ( 3-57)

76

Và như vậy ta có 1 1

1

00 0

2t H

HdHdt H

aa H

Nếu thay thế đoạn đầu đường cong v = f3 (H) từ điểm không đến giá trị H1 nào đó bằng cung parabôn, thì tốc độ và gia tốc của điểm quy đổi tính bằng:

11 1

1

,v

v a H aH

Và vi phân thời gian đựơc biểu diễn:

1

1 1 1

10

2 2tl

t dt H Ha v

( 3-58)

Nghĩa là diện tich chắn bởi đường cong ở đoạn này bằng tích số của hai lần tung độ 1

2

v

với hoành độ H1 ( hình 3- 30). Ở cuối hành trình cũng tương tự như vậy ta có:

2 2

2

2( )t H H

v

Thời gian ngắt toàn bộ sẽ là:

2

1

1 2

1 2

2 1 2( )

H

H

t H dH H Hv v v

3-6-3. Tính khối lượng quy đổi và các lực quy đổi Xác định khối lượng quy đổi của từng khâu trong cơ cấu truyền động có thể tiến hành theo trình tự: 1) Đánh dấu các điẻm nút của cơ cấu mà khối lượng của từng khâu đẳng trị về đấy ( thường là các khớp nối, các trọng tâm, vv…) 2) Sử dụng các công thức quen biết trong cơ học lý thuyết, xác định khối lượng đẳng trị của từng khâu, ví dụ a) Đối với chuyển động thẳng ( tịnh tiến ) khối lượng đẳng trị ơở trong tâm của khâu bằng:

2®t [KG.s / ]

Gm m cm

g ( 3-60)

Trong đó: m và G - khối lượng và trọng lượng thực của khâu G = 9,81 cm/m2 – gia tốc trọng trường. b) Đối với khâu chuyển động quay, khối lượng đẳng trị tính theo:

2®t 2

[KG.s / ]J

m cmr

( 3-61)

Trong đó: J – mômen quán tính tương đối với trục quay KG.s2.cm r - khoảng cách từ trục quay đến điểm nút đặt khối lượng đẳng trị [ cm] 3) Dựa vào điều kiện bảo toàn động năng để quy đổi tất cả các khối lượng đẳng trị của cơ cấu về điểm quy đổi:

2 2 ' 2®ti

1

1 1( ) '

2 2

i n

i i ii

A m v J m v

( 3-62)

Từ đây suy ra khối lượng quy đổi của cơ cấu ở điểm quy đổi tính theo đẳng thức:

77

2 2

'®ti ' '

1

[m ]i n

i ii

i

vm J

v v

( 3-63)

Trong đó: m’ – khôốilượng quy đổi mđti - khối lượng đẳng trị ở điểm I nào đó của cơ cấu v’

- tốc độ điểm quy đổi ở vị trí đang xét vi – tốc độ chuyển động của điểm i i - tốc độ góc của khâu i

Ji – mômen quán tính của khâu i đối với trục quay

Trong khi tính khối lượng quy đổi m theo phương trình trên, tỉ số các tốc độ ở

từng vị trí của cơ cấu 1'( )iv f H

v

và 2'

( )i f Hv

được xác định theo toạ độ vận

tốc với tỷ lệ xích tuỳ ý ( vì số phải tìm không phải là giá trị tuyệt đối, mà là tỉ số). Cách xác định các lực tác động trong cơ cấu truyền động chúng ta đã làm quen ở

các giáo trình “ cơ học lý thuyết “ “Chi tiết máy “ “ Sức bền vật liệu “, vv… Ổ đây chỉ nhắc lại một số công thức thường được sử dụng trong tính toán cơ cấu truyền động của máy ngắt cao áp .

Lực Pi bất kì tác động vào điểm nào đó của cơ cấu truyền động theo hướng Hi, ta có thể qui đổi cơ cấu truyền động về điểm a chuyển động theo hướng Ha trên cơ sở phương trình :

ia i

a

dHP P

dH

Đạo hàm i

a

dH

dH ở các vị trí khác nhau xác định từ đặc tuyến chuyển động Hi = f (Ha)

mà chúng ta xét ở trên. (1) Các lực lò xo tiếp điểm hộ trợ cho khi ngắt được xác định theo cho từng kiểu tiếp

điểm cụ thể : a) Tiếp điểm kiểu đối diện :

® ® ®1 ® ®( ) ( )t t t t tP n C m H C l H ( 3-65)

Trong đó : ntđ - số lò xo tiếp điểm Ctđ1 - độ cứng một lò xo tiếp điểm, KG/m ltđ - độ rời của lò xo tiếp điểm, m Ctđ - độ cứng tất cả lò xo tiếp điểm, KG/m.

b) Tiếp điểm kiểu hoa huệ lực lò xo tiếp điểm không hỗ trợ cho khi ngắt, nghĩa là Ptđ = 0

c) Tiếp điểm kiểu vuốt (má)

® ®12 sin2

t tP P

Trong đó : Ptđ1 - lực một lò xo tiếp điểm - góc nhọn của tiếp điểm động (lưỡi dao) tiếp xúc (2) Lực ma sát ở khớp nối , ống định hướng và chỗ tiếp xúc phụ thuộc vào sơ đồ động của cơ cấu và kết cấu tiếp điểm . Trường hợp lực trung ma sát bằng : Pms = -fms Ppt Trong đó : fms - hệ số ma sát ( fms ≈ 0.2 ÷ 0.3 )

78

Ppt – thành phần lực pháp tuyến đối với chiều dài chuyển động

a) Lò xo tiếp điẻm của tiếp điểm kiểu đối diện không sinh ra lực ma sát, vì thành phần lực pháp tuyến của lò xo bằng ma sát , vì thành phần lực pháp tuyến của lò xo bằng không.

b) Lực ma sát trong tiếp điểm kiểu hoa huệ xác định theo kiểu thức : Pms = -mn fms Ptđ1 ( 3-67) Trong đó : m - số phiến tiếp điểm tĩnh n - số lò xo trên một phiến. ptđ1 - lực nén của 1 lò xo tiếp điểm vào một phiến

c) Tiếp điểm kiểu vuốt lực ma sát bằng :

®12 os2

ms ms tP f P c

( 3-68)

3) Thuỷ lực cản hướng ngược chiều với chuyển dộng của vật, trong dạng chung được biểu diễn bằng phương trình :

2

1 1i

t t d

vP C F

g ( 3-69)

Trong đó : Ctl - hệ số thuỷ lực cản phụ thuộc vào số Rây – nôn và hình dáng của vật , lấy theo bằng 3-5. F - diện tích hình chiéu của vật trên mặt phẳng vuông góc hướng chuyển động d - tỉ trọng của dung dịch

vi - tốc độ chuyển động tương đối của vật g – gia tốc trọng trường.

bảng 3 -5 :Các giá trị của hệ số thuỷ lực cản Số thứ tự

Hình dáng vật Hệ số cản

Số Râynôl

1 2 3 4 5 6 7

Hình cầu Hình êlipxôit quay

5

9

a

b

Hình trụ tròn dài vô tận Mặt chiếu ngang hình

quả lê 3t

d

Tấm hình tròn Tấm hình vuông

Tấm hình chữ nhật 10a

b

0,47 0,22 0,6 0,2 1,2 0,4 0,04 0,04 1,11 1,1 1,29

79

3 – 6 -4. kết luận Như vậy, tính động lực của cơ cấu truyến động ngắt bắng lò xo được tiến hành theo trình tự sau :

1) Tính khối lượng đẳngătrij của tất cả các khâu trong cơ cấu . 2) Qui đổi khối lượng đẳng trị về điểm qui đổi. 3) Tính các lực qui đổi (trừ lực lò xo ngắt ) 4) Xác định lực quán tính qui đổi. 5) Xác định đặc tuyến lò xo ngắt 6) Xác đinh lực tác động vào bộ hoãn xung 7) Theo đặc tuyến lò xo ngắt thiết kế lò xo ngắt. 8) Theo lực tác động vào bộ hoãn xung thiết kế bộ hoãn xung . 9) Tính nhầm nghiệm đặc tuyến vận tốc. 10)

CHƯƠNG IV MÁY NGẮT KHÔNG KHÍ

§ 4-1 Nguyên lý tác động của máy ngắt không khí. Trong máy ngắt hồ quang điện được dập tắt bằng không khí nén gọi là máy ngắt

không khí. Dòng không khí nén có trị số áp suất nào đó chảy với tốc độ lớn ( gần tốc độ tiếng động ) ngang hoặc dọc thân hố qunag và làm lạnh hồ quang cách mãng liệt, tăng khả năng phản iôn hoá khí xung quanh hồ quang thân hồ qunag. Do đó hồ qunag được nhanh chóng dập tắt.

Dập tắt hồ quang bằng không khí nén sẽ xảy ra đồng thời hai quá trình liên hệ mật thiết với nhau : quá trình khí động và quá trình điện. Quá trình khí động là đặc tính cơ bản của quá trình nhiệt, vì dòng không khí nén khi chảy qua buồng dập hồ quang gặp phải nguồn nhiệt công suất lớn ở dạng hồ quang điện. Không khí nén cần nhanh chóng làm lạnh hồ qunag xuống đến nhiệt độ 2000oC, nghĩa là nhiệt độ không xảy ra nhiệt iôn hoá.

Quá trình điện bao gồm : dòng điện chảy qua lớp khí gần điện cực và chọc thủng lớp khí phát sinh hồ quang, khí hồ quang tắt phải xét đến sự phuc hồi độ bền điện của khoảng trống giữa các tiếp điểm Các yếu tố : trị số áp suất vá tốc độ cháy cùng không khí nén tần số riêng của lưới điện, khoảng cách giữa các tiếp điểm và diện tích lỗ thai khí ( tiết diện miệng lỗ thổi ) , cũng như hướng tác động của luồng không khí nén vào hồ qunag ảnh hưởng đến quá trình dập tắt hồ quang ảnh hưởng đến quá trình dập hồ quang bằng không khí nén. Trị số áp suất và tốc độ chảy của không khí nén do kết cấu của máy ngắt không khí quyết định, và không phụ thuộc vào cường độ hố quang như ở các máy ngắt tự động thổi ( máy ngắt dầu, máy ngắt tự sinh khí ). Với sự tăng áp suất của không khí nén độ bền điện của nó sẽ tăng, như vậy, điều kiện dập tắt hố quang sẽ tốt hơn vá công suất ngắt của máy ngắt có thể tăng . Khi điện trường ở khoảng trống giữa các tiếp điểm phân bố đều và điện áp tần số công nghiệp, công suất ngắt tăng theo tỷ lệ thuận với sự tăng áp suất ( hình 4-1 ). Trong các máy ngắt không khí thực hiện qua ảnh hưởng của áp suất bị giảm do bơi điện trường ở giữa các tiếp điểm phân bố không đều.

80

Hình 4-1 Quan hệ giữa công suất ngắt của máy ngắt không khí và áp suất

Tần số riêng của lưới điện ảnh hưởng nhiều đối với quá trình dập hồ quang trong máy ngắt không khí . Với sự tăng tăn số rieng của lưới điện tốc độ điện áp phục hồi tăng, như vậy , điều kiện dập hố quang sẽ xấu và công suất ngắt của máy ngắt giảm. Để hạn chế ảnh hưởng của tần số riêng lưới điện, trong máy ngắt không khí người ta sử dụng điện trợ sun làm giảm hội (xem hình 4 -2 ). Ngoài ra, sử dụng điện trở phi tuyến, cho phép giảm rất nhiều quá điện áp trong máy ngắt không khí.

Hình 4-2 Đặc tính thay đổi điện áp phục hồi và công suất ngắt phụ thuộc tấn số riêng của lưới điện. 1 và 2 - tốc độ điện áp phục hối 3 và 4- công suất ngắt 2 và 4 -có điện trở sun Trong máy ngắt không khí với mỗi áp suất khoảng cách giữa hai đàu tiếp điểm để dập tắt hồ quang hiệu quả nhất phải có một trị số nhất định gọi là khoảng cáh tối ưu. Tăng hoặc giảm khoảng cách này khác trị số tối ưu đều làm xấu điều kiện dập hồ quang, nghĩa là làm giảm công suất ngắt ( hình 4-3). Khi máy ngắt không khí ngắt, năng lượng hồ quang đốt nóng không khí làm cho không khí giãn nở tạo nên áp lực ngược ngăn cản không khí thổi vào hồ quang. Khoảng cách giữa hai đàu tiếp điểm càng lớn, hồ qâng càng dài, áp lực ngược càng cao, không khí thổi vào hồ quang càng bị ngăn cản, hiệu quả dập hồ quang kém. Vì vậy để dập hồ quang có kết quả phải giảm năng lượng hồ quang bằng cách giảm độ dài hồ quang, để tăng tốc độ thổi không khí vào thân hồ quang. Mặt khác, khoảng cách giữa các tiếp điểm nhỏ quá, điều kiện dập hồ quang cũng không thuận lợi là vì không khí chạy vào vùng giữa các tiếp điểm và

81

miệng thổi bị cản trở. Khảng cách cho phép nhỏ nhất giữa các tiếp điểm đối với buồng

dập hồ quang thổi dọc một phía min4

dS , thổi hai phía min

2

dS , trong đó d- đường

kính miệng thổi. Để đảm bảo điều kiện dập hồ quang tốt nhất và khoảng cách cho phép nhỏ nhất giữa các tiếp điểm, các máy ngắt khôn gkhí điện áp 110 KV và cao hơn thường được chế tạo với nhiều chỗ ngắt.

Hình 4-3. Đặc tính thay đổi công suất ngắt cảu máy ngắt không khí phụ thuộc khoảng cách giữa hai đầu tiếp điểm Khoảng cách tối ưu thường không lớn, nên không đủ đảm bảo độ bền điện cần thiết. Khoảng cách này có thể bị đánh thủng bằng điện áp công tác và mạch điện lại khép kín qua hồ quang khi không khí nén ngừng chảy vào buồng dập hồ quang. Như vậy máy ngắt ở vị trí ngắt khoảng cách giữa các tiếp điểm phaỉ lớn hơn khoảng cách tối ưu. Do đó điều kiện dập hồ quang bị xấu bị vì rằng với sự tăng khoảng cách ( vẫn cùng một thời gian dập tắt hồ quang) tốc độ chuyển động của tiếp điểm động phải tăng và chuyển động rất nhanh, ở thời điểm dập hồ quang dễ ( thời điểm dòng điện qua trị số không ) khoảng cách rơi ra ngoài vùng dập hồ quang thuận lợi( hình 4-4,a đường 3, điểm A)

Hình 4-4. Quá trình dập hồ quang dưới tốc độ chuyển động khác nhau của tiếp điểm 1) Vùng dập hồ quang thuận lợi nhất 2) Đường dòng điện ngắt 3, 4, 5 và 6 – các đường quan hệ giữa hnàh trình của tiếp điểm động và thời gian. Nếu tốc đọ chuyển động của tiếp điểm tương đối nhỏ thì thời gian chuyển động có thể rất lớn tiếp điểm động mới đạt đến vùng dập hồ quang thuận lợi nhất ( hình 4-4 a đường 4, điểm B và C)

82

Có thể cải thiện điều kiện dập hồ quang bằng cách điều chỉnh đặc tuyến tốc độ của máy ngắt ( hình 4-4 b, đường 5). Trong trường hợp này trước vùng dập hồ quang thuận lợi tiếp điểm động phải chuyển động với tốc độ tương đối lớn và duy trì tại vùng đó trong một số nửa chu kì nhỏ cơ cấu hàm đặc biệt có mức độ tác động rất chính xác trong bất kỳ điều kiện vận hành ( nhiệt độ thay đỏi ,vv..) Điều này gây ra nhiều khó khăn và không ổn định trong quá trình làm việc. Cho nên với mục đích sử dụng điều kiện dập hồ quang thuận lợi nhất ( hình 4-4,c ) đồng thời vận tốc đảm bảo khoảng cách điện trong máy ngắt không khí thường sử dụng các biện pháp sau: 1) Khi ngắt các đầu tiếp điểm chỉ mở ra một khoảng thích hợp với điều kiện dập hồ quang thuận lợi nhất và giữ khoảng này cố định cho đén khi hồ quang bị dập tắt. Sau đó hoặc các tiếp điểm lại tiếp tục mở ra một đoạn nữa hoặc dùng dao cách ly ( cũng là một bộ phận của máy ngắt và được điều khiển bằng không khí nén ) mắc nối tiếp với tiếp điểm chính tự động mở ra đẻ đảm bảo khoảng cách cách điện cần thiết. 2) Cũng vậy, nhưng sau khi dập tắt hồ quang các lỗ thải không khí đựoc tự động đóng lại để vẫn duy trì khôn gkhí nén trong buồng dập hồ quang. Do duy trì liên tục không khí nén trong buồng dập hồ quang nên khoảng cách giữa các tiếp điểm nhỏ hơn nhiều so với trường hợp trên. Với dự tăng diện tích lỗ thải không khí điều kiện dập hồ quang được cải thiện, nghĩa là công suất ngắt tăng. Hướng tác động của luồng thải không khí nén vào hồ quang gọi là luồng thổi không khí được quyết định bằng kết cấu thiết bị dập hồ quang (xem § 4-3) § 4-2. Các kết cấu máy ngắt không khí Cũng như máy ngắt dầu máy ngắt không khí có rất nhiều kiểu kết cấu khác nhau cho tất cả các cấp điện áp và dãy dòng điện định mức. Căn cứ vào kiểu thiế bị dập hồ quang và biện pháp thực hiện cách điện giữa các tiếp điểm sau khi đã dập tắt hồ quang máy ngắt không khí được phân loại thành ba nhóm: 1) Máy ngắt không khí không dao cách ly 2) Máy ngắt không khí có dao cách ly 3) Máy ngắt không khí chèn Mỗi nhóm máy ngắt này lại có nhiều dạng kết cấu khác nhau. Dưới đây chúng ta sẽ nghiên cứu một số kết cấu máy ngắt khôn gkhí được sử dụng nhỉều. 4-2-1. Máy ngắt không khí không dao cách ly HÌnh vẽ 4-5 giới thiệu sơ đồ giải thích quá trình làm việc của máy ngắt không khí không dao cách ly. Phần trên 1 là buồng dập hồ quang, phần thứ 2 là bộ truyền động diều khiển bằng không khí nén dùng để đóng và mở máy ngắt. Đường dòng điện khi máy ngắt ở vị trí đóng như sau: đầu vào 11- nắp buồng dập hồ quang 5 - tiếp điểm cố định kiểu ống. 4 - tiếp điểm di động hình trụ. 3- tiếp điểm kiểu trượt. 9- vòng kim loại. 8- đầu ra 12.

83

Hình 4-5. Sơ đồ giải thích quá trình làm việc của máy ngắt không khí không dao cách ly Không khí nén từ bình chứa chảy vào máy ngắt qua van ngắt VN hoặc van đống VĐ mở bằng tay hoặc bằng điện nhờ cuộn dây ngắt CN hoặc cuộn dây đóng CĐ và được điều khiển bằng nút ấn ngắt NN hoặc nút ấn đóng NĐ. Khi ngắt không khí nén từ bình chứa chảy qua van ngắt VN vào buồng dập hồ quang 1 và phần trên của bộ truyền động 2. Dưới tác dụng của không khí nén pit tông 10 chuyển dịch xuống phía dưới kéo theo tiếp điểm di động 3, giữa 3 và 4 phát sinh hồ quang. Không khí nén từ trong buồng 1 thổi vào thân hồ quang với tốc độ rất lớn, kéo hồ quang vào bên trong tiếp điểm cố định hình trụ 4 như hình vẽ 4-5,a và dập tắt hồ quang khi dòng điện biến thiên qua trị số không lâng thứ nhất hoặc lần thứ hai. Không khí đã bị đốt nóng tiếp tục chảy lên nắp 6 và qua lỗ 7 thoát ra ngoài. Sau khi hồ quang đã bị dập tắt không khí nén không chảy vào buồng dập hồ quang nữa mf chỉ cahỷ vào phần trên củ bộ truyền động ( trên hình vẽ không chỉ dẫn ) để đẩy tiếp điểm di động đi một đoạn nữa đảm bảo khoảng cách cách điện cần thiết. Mạch cuộn dây ngắt và cuộn dây đóng được nối qua tiếp điểm phụ TĐP có liên hệ với phần động cảu máy ngắt để tự động ngắt mạch của các cuộn dây này, dẫn đến tự động đóng các van lại không cho không khí nén chảy vào buồng dập hồ quang hoặc bộ truyền động sau khi máy ngắt đã ngắt hoặc đóng xong. Khi đóng, cuộn dây đóng tác động mở van đóng để không khí nén từ bình chứa chảy vào phần dưới của bộ truyền động, tác dụng vào pit tông đẩy tiếp điểm di động lên tiếp xúc với tiếp điểm cố định. Trên hình 4-6 vẽ mặt cắt một pha của máy ngắt không khi không dao cách ly kiểu BBH – 35 điện áp 35KV ( chữ B đầu – máy ngắt, chữ B thứ hai – không khí, chữ H- được dùng ở trạm ngoài trời) Máy ngắt mỗi pha có hai đầu tiếp điểm kiểu ống ( mỗi pha có một chỗ ngắt) : đầu tiếp điẻm trên 15 và dưới 20. Ở đầu 9 cơ cấu chuyển động đầu tiếp điểm trên gồm: pít tông 17, tiếp điẻm ống 15 vaàlò xo 18. Tiếp điểm 15 được liên hệ về điện với đầu vào 19 của máy ngắt. Tiếp điểm dưới 20 đựoc gắn trên cần cách điện 23 và liên hệ về điện với tiếp điểm trượt 21, đầu ra 22 cố định trên đế giữa 8. Ở cuối phần dưới của tiếp điểm 20 có các lỗ hổng 24.

84

Khi máy gắt ở vị trí đống các lỗ hổng này nằm đối diện với lỗ thoát khí 11. Khi đó đường dòng điện như sau: đầu vào 19- tiếp điẻm trên 15- tiếp điểm dưới 20- tiếp điểm trượt 21- đầu ra 22. Cần 23 của cả ba pha trong máy ngắt được nối với thanh kéo cảu cơ cấu truyền động đặt trong khung 1. Khi ngắt, van 25 mở, không khí nén từ bình chứa 2 theo các ống dẫn không khí 12 và 13 chảy vào trong sứ cách điện 6, từ trong các sứ này không khí nén chảy tiếp vào buồng dập hồ quang qua cá rãnh trong đế giữa 8 ( trên hình 4-6 không vẽ các rãnh này ). Qua các lỗ hổng ( trên hình không vẽ) trong đế của dầu 9 không khí nén chảy vào khoảng không gian dưới pít tông 17 và tác động vào pít tông này nâng lên phía trên cùng với tiếp điẻm 15 mộtkhoảng 30mm ( khoảng cách dập hồ quang toi ưu ) lò xo 18 bị ép lại giữa các đầu tiếp điểm 15 và 20 phát sinh hồ quang. Hồ quang bị không khí nén thổi vào phía trong các đầu tiếp điểm rỗng như sơ đồ hình 4-6.c.

Hình 4-6. mặt cắt một pha của máy ngắt không khí không dao cách ly kiểu BBH- 35. Do hồ quang bị đẩy vào phía trong các đầu tiếp điểm rỗng, nếu bảo vệ được phần tiếp điểm làm việc không bị hư hỏng do nhiệt độ cao của hồ quang. Không khí chảy trong đầu tiếp điểm 15 lên đầu tiếp điểm 19 và thoát ra ngoài qua các lỗ hổng 10, 24, và 11. Bộ truyền động không khí nén qua máy ngắt không khí cần phải đảm bảo sao cho máy ngắt sau khi dập tắt hồ quang quay trục máy ngắt và nhờ thanh kéo của cơ cấu truyền động cần cách điện 23 cùng đầu tiếp điểm 20 nhanh chóng hạ xuống, để tạo nên khoảng hở cách điện cần thiết. Sau đó, không khí nén ngừng chảy vào buồng dập hồ quang 7 và dưới tác dụng của lò xo 18 tiếp điểm15 trỏ về vị trí ban đầu. Đóng máy ngắt cũgn dùng bộ truyền động không khí nén nâng tiếp điểm 20 lên tiếp giáp với tiếp điểm 15. Khi đógn, không khí nén không cháy vào buồng dập hồ quang 7. Trong điều kiện bình thường các lỗ hổng 10 và 11 được bịtkín bằng nắp đậy 14 cùng với các lò xo để tránh cho bụi không xâm nhập vào trong.Khi ngắt, không khí

85

nén lmà bật nắp 14 đồng thưòi các lò xo giãn ra.Ngắt xong không khí nén không cần nữa, các lò xo kéo nắp đậy lại. Thời gian dập tắt hồ quang của máy ngắt này vào khaỏng 0,1 s, nhưng nếu kể cả thời gian chuyển động của tiếp điểm 20 thì thời gian ngắt toàn bộ sẽ vào khoảng 0,3s. 4-4-2. Máy ngắt không khí có dao cách ly Máy ngát không khí có dao cách ly có thể được chế toạ cho điện áp bất kỳ, nhưng thường đựoc chế tạo cho điện áp 110 KV trở lên. Dao cách ly có thể đặt trong hoặc ngoài máy ngắt. Trên hình 4-7 giới thiệu sơ đồ nguyên lý máy gắt không khí có dao cách ly đặt ngoài. Máy ngắt gồm các phần: buòng dập hồ quang BD, hệ thống cung cấp không khí nén ( trạm nén không khí TN , bình chứa không khí nén BC, các ống dẫn không khí nén OD ) và hệ thống điều khiển bằng điện và không khí nén.

HÌnh 4-7. sơ đồ nguyên lý kết cấu máy ngắt không khí có dao cách ly Buồng dập hồ quang là bộ phận quan trọng có tiếp điểm cố định 1 và tiếp điểm di động 2, xi lanh 3 cùng lò xo đóng 4, pit tông 5 và voe sứ 7. Tiếp điểm cố định đựoc chế tạo là một trụ đặc, còn tiếp điểm di động- trụ rỗng. Bình chứa không khí nén BC là một ống kim loại dày có một số lỗ hổng để nhận không khí nén từ trạm nén TN và cung cấp không khí nén cho buồng dập hồ quang qua các ống dẫn không khí OD. Thể tích bình chứa thường đựoc tính cho hai lần A B ( tự động đóng lặp lại ) Ống dẫn không khí OD là những ống sứ có độ bền cơ cao hoặc ống ê-pooc- xít và thường được lắp trong sứ trụ rỗng. Bình chứa nhận không khí nén từ TN một cách tự động nếu lượng dự trữ không khí nén trong bình giảm xuốgn dứoi mức quy định nhờ nam châm điện 10 và 11. Cung cấp không khí nén cho buồng dập hồ quang cũng tự động nhờ nam châm điện 12, van nhả 13 và van thổi 14. Máy ngắt ở vị trí đóng đường dòng điẹn như sau: đầu vào 19- tiếp điểm di động 2- tiếp điểm cố định 1- đầu ra của máy ngắt 20- lưỡi dao cách ly 8- tiếp điểm cố định của dao cách ly 21- đầu ra 22. Quá trình ngắt xẩy ra theo trình tự sau. Đưa tín hiệu ( bằng tay hoặc tự động ) cho nam châm điện 12 mở van nhả 13 nối khoảng A và B với khí quyển. Khi đó áp suất ở dưới pít tông của van thổi 14 giảm rất nhanh và lò xo 15 bị ép lại, đĩa 16 chuyển động sang trái mở ổ van và nối khoảng C với lồ hổng của khoảng 17. Do đó không khí nén từ trong bình chứa BC theo ống dẫn không khí OD chảy vào buồng dập hồ quang và tác động vào bề mặt 6 của pit tông, nén lò xo 4 lên phái trên. Tiếp điẻm di động lên trên, khi đó ở giữa các tiếp điểm xuất hiện hồ quang và lỗ hổng 9 cũng được mở ra để không khí thoát ra ngoài khí quyển.

86

Sau khi hồ quang bị dập tắt nam châm điện 18 đóng van nhả 13, không khí nén của lỗ hổng trên đĩa 16 của van thổi tràn vào khoảng B và lò xo 15 gian xra pit tông chuyển động đến đóng ô van và lồ hổng 17. KHông khí nén ngừng chảy vào buồng dập hồ quang và áp suất trong đó giảm xuống rất nhanh. Dưới tác dụng của lò xo đóng 4 tiếp điểm di động 2 chuyển động xuống tiếp giáp với tiếp điểm cố định 1, đồng thời trong lúc tiếp điểm di động chuyển động lưỡi dao 8 đựoc nâng lên nhờ cơ cấu truyền động cảu dao cách ly điều khiển bằng không khí nén. Tuy các tiếp điểm 1 và 2 tiếp giáp với nhau, nhưng mạch điện vẫn được ngắt vì lưỡi dao cách ly đã ở vị trí mở dảm bảo khoảng cách điện yêu cầu. Đóng máy ngắt cũng tiến hành bằng luồng không khí nén, trước hết tác động tách tiếp điểm động 2 khỏi tiếp điểm tĩnh 1, khi tiếp điểm tĩnh 2 chuyển động xuống tiếp giáp với tiếp điểm 1 thì tác động hạ lưỡi dao cách ly xuống. Như vậy lưỡi dao cách ly 8 tiếp giáp với tiếp điểm cố định của dao cách ly 21. Tất cả quá trình ngắt mạch điện ( các tiếp điểm va lưỡi dao chuyển động, dạp hồ quang ) kéo dài 2- 3 chu kỳ, còn dập hồ quang- một hoặc hai nửa chu kỳ dòng điện. Máy ngắt không khí có dao cách ly ngoài chỉ chế tạo với điện áp 110 KV trở lên. Để làm ví dụ về kết cấu máy ngắt loại này trên hình 4-8 vẽ một pha máy ngắt không khí kiểu BBH – 110 dùng cho điện áp 110 KV.

Hình 4-8.máy ngắt khôngkhí (một pha) kiểu BBH- 110 Thiết bị dập hồ quang của máy ngắt này có hai chỗ ngắt ứng với hai buồng dập hồ quang như nhau ( cho một pha) đặt nối tiếp với nhau trong các vỏ sứ 1 và 1’ . Các vỏ sứ này cùng cơ cấu truyền động dao cách ly được cố định trên sứ trụ rỗng 2 làm nhiệm vụ cách điện với xe 3 và chứa các ống dẫn không khí. Xe có hai bình chứa không khí nén nối với nhau và nối với máy nén khí. Phía trước xe đặt tủ điều khiển 10 Dao cách ly có lưỡi dao 4. Đầu tiếp điểm cố định 7 của dao cách ly được đặt trên sứ 6 ở trên xe. Mỗi pha máy ngắt là một khí cụ điện hoàn chỉnh không có liên hệ cơ khí với các pha khác. Các pha chỉ có liên hệ với nhau bằng sơ đồ điều khiển đóng ngắt. Chế tạo riêng từng pha thành khí cụ hoàn chỉnh như vậy tạo đièu kiện thuận tiện cho việc chuyên chở và lắp ráp. Thiết bị dập hồ quang của BBH-110 có hai buồng dập hồ quang như nhau giới thiệu ở hình 4-9. Phần chủ yếu của thiết bị dập hồ quang gồm sứ 1, trụ đồng 11, đầu tiếp điểm di động kiểu ống 13,pit tông 14,các lò xo tiếp điẻm 15, ống hướng 16 ( khi ngắt đầu tiếp điểm 13 chuyển động trongongs này ), đầu tiếp điểm trwotj kiểu hoa hồng 19 và đầu tiếp điểm cố định 20.

87

Khi ngắt ở vị trí đógn dòng điện chảy từ đầu vào 8, qua lưỡi dao cách ly 4 đế 22, đầu tiếp điểm cố định 20, đầu tiếp điểm di động 12, tiếp điểm hoa hồng 19, hình trụ 11, và nắp tới đầu ra 9. Khi ngắt, mở van không khí từ các bình chứa 3 theo ống 24 chảy vào trong sứ 1’ và 1, sau đó qua các lỗ 12’ và 12 vào trong các trụ 11’ và 11. Dưới tác dụng của không khí nén, pit tông 14 và 14’ bị ép lại các đầu tiếp điẻm di động 13 và 13’ chuyển dịch lên phía trên và giữa các đầu tiếp điểm 13 và 20 cũng như 13’ và 20’ xuất hiện hò quang. Đồng thời không khí thổi hồ quang vào trong các đầu tiếp điểm ống và thoát ra ngoài qua các lồ 18, 21, 23 như các mũi tên chỉ dẫn ở hình vẽ. Thời gian dập tắt hồ quang của máy ngắt này thường không qua hai nửa chu kì. Sau khi dập tắt hồ quang, dao cách ly 4 mở ra, không khí nén ngừng chảy vào máy ngắt,dưới tác động của lò xo 15 và 15’ các đầu tiếp điẻm di động 13 và 13’ lại trở vè vị trí ban đầu ( tiếp giáp với 20 và 20’ ). Cần chú ý rằng lưỡi dap 4 chỉ được mở ra sau khi hồ quang đã bị dậptắt. Để đảm bảo điều đó, phải cho không khí nén vào cơ cấu truyền động 5 của dao cách ly 4 chậm hơn. Trong thực tế lưỡi dao cách ly mở chậm sau tiếp điểm dập hồ quang mở khoảng 0,05s. Quá trình đóng mạch điện bắt đầu phải đưa không khí nén vào buồng dập hồ quang để tách tiếp điểm di động 19 (19’) khỏi tiếp điểm cố định 20 (20’) đồng thời một luồng không khí khác qua ống 25 vào trong bộ truyền động 5 để hạ lưỡi dao 4 xuống tiếp giáp với đầu tiếp điểm cố định của dao cách ly 7. Quá trình được kết thúc bằng sự tiếp giáp của các tiếp điểm động 19 ( 19’ ) và tiếp điểm tĩnh 20 ( 20’) Lưỡi dao cách ly tiếp giáp với tiếp điẻm 7 bao giờ cũng sớm hơn tiếp điểm 19 ( 19’ ) tiếp giáp với 20(20’ ). Các máy ngắt có điện áp cao hơn cũng cấu tạo tương tự, nhưng số buồng dập hồ quang nhiều hơn. VÍ dụ: đối với máy ngắt 154 KV phải có ba buồng, 220 KV - bốn buồng, và 400 KV – sáu buồng. Do có nhiều chỗ ngắt nên phải có điện trở đặt trong các ống sứ ghép song song với các buồng dập hồ quang để điện áp giữa các chỗ ngắt phân bố đựơc đồng đều.

88

Hình 4-9. so đồ thiết bị dập hồ quang của máy ngắt kiểu BBH- 110. 4-2-3. Máy ngắt không khí chèn Trong máy ngắt không khí chèn không khí nén không những có tác dụng để dập tắt hồ quang mà còn đảm bảo cách điện giữa các tiếp điểm khi hồ quang đã tắt. Như vậy, khi ngắt tiếp điểm động chỉ chuyển động một khoảng dập hồ quang tối ưu và cố định ở đó: khi hồ quang đã tắt thì bịt các lỗ thải khí để vẫn duy trì không khí nén trong buồng dập hồ quang. Do đó yêu cầu buồng dập hồ quang phải có độ bền cơ cao. Máy ngắt không khí có thể chế tạo với điện áp bất kỳ, nhưng thường chế tạo với dđẹn áp 35 KV trở lên. § 4-3. Thiết bị dập hồ quang của máy ngắt không khí Thiết bị dập hồ quang của máy ngắt không khí có tác dụng dập tắt hồ quang diện lớn bằng luồng không khí nén. Nhiệm vụ chủ yếu của thiết bị này là hoàn toàn và nhanh chóng xáo lộn với các phần tử iôn hoá của hồ quang với không khí nén có độ bền điện cao. Kiểu buồng dập hồ quang tuỳ thuộc vào kết cấu buồng dập hồ quang, khi luồng thổi khôn gkhí nén vuông góc với trục hồ quang thì gọi là kiểu thổi ngang, còn song song với trục hồ quang - kiểu thổi dọc. Trong các buồng dập hồ quang kiểu thổi không khí ngang như sơ đồ hình 4-10,a được tạo nên bởi các vách ngăn cách điện chia buồng dạp hồ quang thành nhiều khoảng;

89

Trong quá trình ngắt buồng dập hồ quang được cung cấp không khí nén. Sau khi không khínén tràn vào buồng dập hồ quang, cá tiếp điểm bắt đầu tách rời nhau và giữa chúgn xuất hiện hồ quang. Dưới tác dụng của buồng không khí nén hồ quang bị thổi vào trong các khoảng và bị làm lạnh. Khi dòng điện qua trị số không hồ quang sẽ bị dập tắt. Néu điện áp trên các tiếp điẻm tăng nhanh hơn điện trở của khoảng hồ quang thì hồ quang không bị dập tắt ở khoảng thứ nhất và cháy lặp lại. Khi dó tiếp điểm động càng chuyển động càng kéo dài hồ quang và hồ quang bị thổi ào khoảgn thứ hai và các khoảng tiếp điểm sau. Quá trình này tiếp diễn đến khi điện áp trên các tiếp điẻm không đủ cho hồ quang cháy lặp lại. Khi ngát dòng đien lớn hồ quang có thể bị kéo dài vào trong tất cả các khoảng, nhưng khi tiếp điểm động ra khỏi buồng dập hồ quang thì hồ quang phải bị dập tắt vì đến thời điẻm đó sẽ ngừng cugn cấp không khí nén; Dòng điện ngắt càng lớn yêu cầu số lượng khoảng càng nhiều. Trong các buồng dập hồ quang kiểu này các tiếp điểm là những trụ đặc hoặc thanh góp. Các bề mặt làm việc của tiếp điểm không bị chảy là vì dưới tác dụng của luồng không khí nén hồ quang bị thổi sang bề mặt không làm việc.

HÌnh 4-10. Các kiểu thổi không khí nén a) Thổi ngang, b) thổi dọc một phía trong họng buồng dập hồ quang, c) thổi dọc một phái qua miệng phễu kim loại, d) thổi dọc một phái qua mỉệng phễu cách điẹn ( thổi tự do ); đ) thổi dọc hai phiá đối xứng qua miệng tiếp điểm, e) thổi dọc hai phía không đối xứng miệng tiếp điểm. 1- tiếp điểm tĩnh 6- miệng phễu cách điện 2- tiếp điểm động 7- hồ quang điện 3- thân buồng dập hồ quang 4- các vách ngăn cách điện 5- miệng phễu kim loại Trong máy ngắt không khí buồgn dập hồ quang kiểu thổi dọc được chế tạo theo các sơ đồ hình 4- 10.b-e. Tuỳ thuộc vào hình dáng miệng và vị trí tương hỗ của tiếp điểm buồng dập hồ quang kiểu thổi không khí dọc chia làm hai loại: a) thổi một phía ( hình 4-10.b, c, d) b) thổi hai phía ( hình 4-10, đ, e) Khi buồng dập hồ quang là thổi dọc một phía các tiếp điểm của máy ngắt được chế tạo hoặc cả hai là trụ đặc hoặc một trụ rỗng và một trụ đặc. Còn thổi dọc hai phía tiếp điểm của máy ngắt cả hai có dạng trụ rỗng miệng phễu. Như hình vẽ 4-10 b buồng dập hồ quang thổi dọc một phía đoạn hồ quang phát sinh ở đúng họng buồng dập hồ quang. Họng buồng dập hồ quang có tác dụng làm cho

90

không khí nén tiếp xúc với hồ quang càng sát và tăng tốc độ chảy của không khí. Vì trong quá trình ngắt các bề mặt tiếp điểm cũng như họng buồng dập hồ quang bị đốt nóng dữ dội, nên yêu cầu phải sử dụng các vật liệu chịu được nhiệt độ hồ quang. Trong buồng dập hồ quang thổi một phía với một tiếp điểm rỗng một tiếp điểm đặc ( hình 4-10 c) luồng không khí nén chảy ôm tiêp sdiểm di động đặc và dọc thân hồ quang qua tiếp điểm cố định rỗng ra ngoài khí quyển , do đó thân hồ quang cháy trên tiếp điểm rỗng bị kéo vào trong tiếp điểm và bị không khí nén thổi mạnh rồi bị dập tắt. Trong buồng dập hồ quang một phía tia tự do ( hình 4- 10, đ ) tiếp điẻm đặc di động được đặt trong bình sứ cách điện miệng phễu , còn tiếp điểm cố định được đặt ở ngoài buồng dập hồ quang - ngoài khí quyển. Ở vị trí đóng tiếp điểm động nhô ra khỏi bình để tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh. Khi ngắt không khí nén được đưa vào buồng dập hồ quang, do đó tiếp điểm động bắt đầu chuyển động vào trong bình, còn hồ quang thì phát sinh ở ngoài bình, lúc đầu lỗ miệng phễu hầu như bị bịt kín bởi tiếp điểm động và luồng thởi không khí thì nhỏ. Tại thời điểm lõ miệng phễu được mở hoàn toàn không khí nén đột ngột chảy ra ngoài khí quyển, do đó hồ quang bị thổi ngang dọc mạnh . Khi tiếp điểm động chuyển động vào hẳn trong miệng phễu thì thổi dọc mạnh và phản iôn hoá hồ quang được xác lập . Do đó, khi các tiếp điểm mới tách rời độ bền điện của khoảng cách hồ quang tăng chậm, nhưng khi tiếp điểm động chuyển động vào trong miệng phễu thì độ bền điện này tăng rất nhanh. nhờ đặc điểm tăng độ bền điện của khoảng cách hồ quang này cho phép buồng dập hồ quang ngắt được dòng điện bé mà không xảy ra qua điện áp. Ngoài ra buồng dập hồ quang kiểu này còn có ưu điểm nhìn rõ chỗ ngắt của mạch điện ở vị trí ngắt. Trong buồng dập hồ quang kiểu thổi hai phía với các tiếp điểm rỗng (hình 4-10, đ, e ) luồng không khí nén ban đầu chảy ngang thân hồ quang, sau đó chia làm hai và chảy dọc (buồng dập hồ quang thổi ngang dọc ). Do độ chảy dọc với tốc độ lớn không khí làm lạnh và dập tắt hồ quang rất nhanh. Áp suất tại vùng hồ quang trong buồng dập hồ quang kiểu với tiếp điểm đặc. Để tăng áp suất tại khoảng hồ quang một trong hai tiếp điểm rỗng được chế tạo có tiết diện thắt hẹp (hình 4-10, e ) hoặc một là tiếp điểm đặc (hình 4-10,c ). Theo hiệu quả tác dụng vào hồ quang thì buồng dập hồ quang thổi ngang dọc có đặc tính tốt, nhưng lại tiêu hao nhiều không khí nén. Cho nên kiểu này thường được sử dụng trong các máy ngắt có dòng điện định mức và dòng điện ngắt lớn ở điện áp dưới 20 KV. Buồng dập hồ quang kiểu thổi dọc và thổi ngang dọc có hiệu quả tác dụng vào hồ quang kém hơn kiểu thổi dọc và thổi ngang, nhưng lại có nhiều chỗ ngắt đơn giản, hiệu chính lượng thổi không khí bằng hình dạng tiếp điểm và lỗ thải khí cũng đơn giản, tiêu hao không khí nén tương đối ít. Do có khả năng tạo được nhiều chỗ ngắt nên buồng dập hồ quang kiểu này được sử dụng trong các máy ngắt điện áp 35 KV và cao hơn. Các công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về dập hồ quang trong không khí nén chỉ ra rằng để dập hồ quang có kết quả nhất buồng dập hồ quang của máy ngắt không khí phải thoả mãn các điều kiện cơ bản sau : 1)Tốc độ luồng không khí nén tại miện phễu ơ cuối nửa chu kì phải đạt tới giá trị giới hạn. 2)Tốc độ luồng không khí nén tại miệng phễu khi dòng điện qua trị số cực đại không được bé hơn giá trị cho phép\ 3)Áp suất trong vùng thân hồ quang tàn dư phải đạt giá trị lớn có thể

91

Những điều kiện này sẽ làm dễ dàng cho tính toán buồng dập hồ quang của máy ngắt không khí, chủ yếu là tính luồng chảy của không khí qua miệng phễu khi tồn tại hồ quang và công suất ngắt giới hạn .. ( xem§ 4 – 4, 4 – 5, 4 – 6) §:4 – 4 Quá trình động trong máy ngắt không khí Quá trình khí động xảy ra trong máy ngắt không khí rất phức tạp và phụ thuộc rất nhiều vào kết cấu của máy ngắt. Trong khảo sát các quá trình khí động trong máy ngắt không khí xuất phát từ phương trình dòng khí chảy liên tục xác định được lưu lượng khí chảy trong một đơn vị thời gian qua miệng lỗ bất kỳ của bình khí chuyển động xác lập :

onsts

vG F v F c

V ( 4-1)

Trong đó: Gs – lưu lượng trọng lượng giây của khí F- tiết diện ngang miệng lỗ của bình, m2 - trọng lượng riêng của khí tại tiết diện đó, kg/m3

v- tốc độ khí ở lỗ của bình, m/s V- thể tích suất của khí, m3/kg Như đã biết từ các tài liệu về khí động ta có định luật : Tỷ số áp suât của khí ở nơi xảy ra quá trình và áp suất của khí trong bình mà có sự thay đổi trạng thái chảy gọi là tới hạn và xác định theo :

1

0 .

2

1

k

k

t h

p

p k

( 4-2)

Trong đó: p- áp suất của khí ở nơi xẩy ra quá trình chảy, kh/m2 p0 – áp suất của khí trong bình, KG/m2 k- số mũ đoạn nhiệt đối với khí có hai nguyên tử như không khí k = 1,4.

Như vậy, tỉ số tới hạn 0 .t h

p

p

của không khí:

1,43,5

1,4 1

0 .

2 20,528

1,4 1 2,4t h

p

p

Khi thoả mãn phương trình ( 4 – 2 ) thì tốc độ dòng chảy là lớn nhất, như vậy với tiết diện lỗ thải khí đã cho lưu lượng khí cũng sẽ lớn nhât tương ứng với điểm 1 trên hình 4 – 11. Nếu tỷ số p/p0 lớn hơn (p/p0)t.h, đối với không khí lớn hơn 0.528 thì sự chảy xảy ra ở vùng áp suất dưới tới hạn ( vùng bên phải điểm a trên hình 4 – 11) . Nếu tỷ số này nhỏ hơn giá trị tới hạn thì sự chảy xảy ra ở vùng áp suất trên tới hạn . Ở vùng này lưu lượng khí được xác định bằng tung độ giới hạn bởi đường ab và là cực đại.

92

Hình 4 – 11 . Quan hệ giữa lưu lượng khí với tỷ số áp suất Áp suất và trọng lượng riêng của khí ở lỗ thổi nơi xảy ra sự cháy phụ thuộc vào tỷ số p/p0. Ở vùng dưới tới hạn áp suất ở lỗ thổi bằng áp suất môi trường nơi xảy ra sự cháy. ở vùng trên tới hạn áp suất ở lỗ thổi sẽ lớn hơn áp suất môi trường nơi xảy ra sự chảy và chỉ phụ thuộc vào áp suất trong bình chứa nơi khởi sự sự chảy gọi là áp suất tới hạn pt.h và xác định theo:

1

. 0

2.

1

k

k

t hp pk

Tương tự như vậy trọng lượng riêng của khí ở lỗ thổi khi áp suất pt.h bằng:

1

. 0

2.

1

k

k

t hk

Trong đó: 0 - trọng lượng của khí ở áp suất p0 ( kg/m3 )

Trên cơ sở của phương trình (4 – 1) và tiến hành một số biến đổi ta sẽ được các biểu thức sau . Tốc độ ở vùng trên tới hạn :

.

0

2 . , /1

t th th

k pv v g m s

k

( 4-3)

Lưu lượng trọng lượng dây của khí ở vùng trên tới hạn:

1

1

. 0 0

2. 2 , /

1 1

k

t th

kG F g p kg s

k k

( 4-4)

Trong đó: g- gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2 v.th - tốc độ tới hạn của dòng khí - hệ số chảy của khí ( hệ số kể đến lượng giảm của khí so

với tính toán lý thuyết 4 )

Quan hệ giữa trọng lượng riêng và thể tích suất :

0

0

1 1µ =

Vv

V ( 4-5)

Tốc độ khí ở vùng dưới tới hạn

1

.

0 0

2 . 1 , /1

k

k

d th

k p pv g m s

k p p

(4-6)

Lưu lượng trọng lượng giây của khí ở dưới vùng tới hạn:

93

1

2 /. 0 0

0 0

2 . ( )1

k

kk

d th

k p pG F g p

k p p

kg/s (4-7)

Tiếp theo chúng ta xét quá trình chảy của khí từ bình thể tích rất lớn sang bình thể tích nhỏ. Ta có hai bình, một bình có dung lượng rất lớn chứa không khí nén với các thông số p0 và 0 , còn bình kia dung lượng nhỏ chứa khí áp suất khí quyển với các thông số

pkq và kq thêm vào đó áp suất p0 lớn hơn rất nhiều áp suất pkq . Với điều kiện như vậy

không khí chảy từ bình lớn sang bình nhỏ không làm thay đổi áp suất và trọng lượng riêng cảu khí ơ rbình lớn. Nếu tại thời điểm t = 0 nhanh chóng mở lỗ tiết diện F ở chỗ nối hai bình thì khí từ bình lớn sẽ chảy sang bình nhỏ và trong khoảng thời gian thật ngứn dt ta sẽ có biểu thức: s nG dt V d ( 4-8)

Trong đó Vn - thể tích của bình nhỏ, m3 Thời gian quá trình chảy của khí từ bình lớn sang bình nhỏ xác định như sau. Ở qua trình đầu, khi tỉ số áp suất p/p0 nhỏ hơn giá trị tới hạn ( đối với khôn gkhí thì nhỏ hơn 8,528) , nghĩa là đối với vùng trên tới hạn thì giá trị Gs ở ( 4-8) phải lấy từ phương trình ( 4-8):

1

1

0 0

2l 2 .

1 1

k kVd F g p dt

k k

( 4-9)

Trong biểu thức ( 4-9) tích số

1

1

0 0

22 .

1 1

k kg p

k k

là đại lượng hoàn toàn xác

định ta ký hiệu bằng ψ ( khi k = 1,4 thì ψ = 2,15 ) ta có:

0 0 nF p dt V d ( 4- 10)

Lấy tích phân biểu thức ( 4-10) trong giới hạn vùng áp suất trên tới hạn:

0 0

0

0 0 ( )

kq

t

n

n kq

F p dt V d

F p t V

hoặc :

0 0

nt kq

Vt

F p

( 4-11)

từ các tài liệu khí động được biết:

0

0

1 1kq

k p

k k p

( 4-12)

Và thay vào biểu thức trên ta được:

0

00 0

nt kq

V pt

pk F p

( 4-13)

Theo định luật trạng thái cảu Kơ- la- phơ- rơ- men- đê- lê- ep 0 0 0p RT , ta có thể

dẫn ( 4-13) vè dạng:

94

0 00

kqnt

pV pt

p pk F RT

( 4-14)

Trong đó: R- hằng số khí ( đối với không khí R = 29,27 m/0K) T0- nhiệt độ tuyệt đối của khí ( 0K) Biểu thức ( 4-14) thể hiện thời gian trên tới hạn kể từ đầu quá trình chảy của khí sang bình nhỏ đến điểm nào đó mà áp suất trong bình nhỏ bằng p. Tại thời điểm áp suất trong bình nhỏ bằng giá trị tới hạn, quá trình chaỷ của khí trong vùng áp suất trên tới hạn kết thúc. Khi đó ta có:

1

0 00

1

00

2

1(4 15)

2Æc (4 16)

1

k

k

kqnt

k

k kqnt

ppV k

tp pk F RT

pVho t

k pk F RT

Trong đó: t - thời gian kể từ đầu quá trình chảy đến p = pt.h = 1

0

2

1

k

k

pk

Đối với phần quá trình chảy trong vùng dưới tới hạn thì giá trị cảu Gs trong ( 4-8) phải lấy từ biểu thức ( 4- 3) nghĩa là:

1

2 /0 0

0 0

2 . ( )1

k

kk

n

k p pV d F g p dt

k p p

( 4-17)

Tích phân biểu thức này trong giới hạn vùng dưới tới hạn ta có:

1

2 /0 0

0 0

2 . ( )1

th

nd

k

kk

V dt

k p pF g p

k p p

( 4-18)

Thay d bằng d(p/p0 ) từ (4-12) , p0 = RT0 và ký hiệu 0/p p phương trình trên sẽ

có dạng:

1

2 /02

1th

nd k

k k

V dt

kk F g RT

k

Sau khi tích phân sẽ được:

1 1

0

21 1

2 1

k k

n k kd th

Vt

F gk k RT

( 4-18)

95

Trong đó: 1

0

2

1

k

kth

th

p

p k

- tỉ số áp suất tới hnạ và p0

Khi áp suất trong hai bình bằng nhau p = p0 thì quá trình chảy trong vùng áp suất dưới tơớihạn kết thúc. Lúc này thành phần thứ hai trong dấu ngoặc của biểu thức ( 4-18) sẽ

bằng không, còn thà h phần thứ nhất bằng 1

1

k

k

cuối cùng biểu thức ( 4-16) có dạng:

0

2

2 ( 1)n

d

Vt

F gk k RT

( 4-19)

Trong đó: td - thời gian kể từ quá trình chảy trong vùng dưới tới hạn đến kết thúc Thời gian toàn bộ của quá trình chảy bằng: ttb = tt + td ( 4-20) § 4-5. Cách tính không khí chảy qua ống thổi xi- lanh lá hồ quang Hồ quang điện như là nguồn nhiệt lớnnhiệt độ rất cao ảnh hưởng quyết định đối với thông số và đặc tính chảy của không khí nén, nghĩa là đối với hiệu quả làm việc cảu thiết bị dập hồ quang trong máy ngắt không khí. Do luồng không khí chảy từ vùng nhỏ có tác đôộn nhiệt ra vùng với điều kiện bình thường, nên sinh luồng ngược của không khí nóng hướng về vùng ống thổi bị đốt nóng. Khi chọn các thông số của buồng dập hồ quang không phù hợp luồng ngược này có thể gây ra áp suất đối làm suy giảm tốc độ không khí nén chảy vào ống thổi và được gọi là hiệu ứng nhiệt. Nếu áp suất trong buồng dập hồ quang và tiết diện miệng ống thỏi nhỏ, còn công suất hồ quang lại lớn thì tốc độ không khí chảy vào ống thổi có thể tính bằng không nghĩa là ống thỏi hoàn toàn bị bịt kín. Sự suy giảm tốc độ làm xấu cường độ làm lạnh,kết quả laàmgiảm công suất ngắt của máy ngắt. Cho nên các thông số của buồng dập hồ quang phải chọn sao cho, để loại trừ luồng ngược của không khí nóng và hiện tượng bịt kín miệng ống còn tốc độ không khí tại thời điểm dòng điện qua trị số không phải lớn nhất. Cách chọn phù hợp buồng dập hồ quang phụ thuộc vào tiết diện miệng ống, áp suất không khí nén, tỷ lệ giữa không khí lạnh chảy vào chỗ ngắt và không khí nóng thải ra từ đó, dòng điện ngắt hoặc năng lượng hồ quang và nhiều yếu tố khác. Trong mục này chúng ta sẽ xét các quan hêệnày đối với trường hợp đơn giản chung nhất, trường hợp thân hồ quang nằm dọc trục ống thỏi xi lanh ( hình 4-12a ). Để tính toán đơn giản ta giả thiết: a) trong quá trình chảy thông số của không khí lạnh không thay đổi, nghĩa là

0 0 0, ,p T = const.

b) nhiệt năng toả ra từ khoảng thân hồ qaung đang xét là không đổi trong suốt quá trình hồ quang cháy và phaâ bố đều theo tiết diện và chiều dài ống thổi ( hình 4-12,b) c) quá trình chảy theo định luật nhiệt đẳng không kể ma sát ( entrôpi không đổi)

96

Hình 4-12

Chúng ta sẽ xác định quan hệ của tốc độ luồng khí ở miệng ống v1 ( tiết diện 1-1’

) với các thông số hình học của ống thổi, thông số không khí lạnh 0 0 0, ,p T và côngn

suất hồ quang. Đối với luồng không khí cảu hệ thống đang xét ( hình 4-12 b) các phương trình xuất phát có: 1) Phương trình trạng thái của khí: pV = RT ( 4-21) 2) Phương trình xung:

vdv

Vdpg

( 4-22)

3) Phương trình lưu lượng không đổi:

1 2

1 2

G v v

F V V ( 4-23)

4) Phương trình năng lượng:

p

vdvdQ C dT A

g ( 4-24)

Trong đó: Cp - nhiệt dung của không khí nén ở áp suất không đổi

hqQQ

G - nhiệt lượng trên một đơn vị trọng lượng của khí, Kcal/kg

42,4.10 , /hq hq hqQ U i Kcal s

Uhq , ihq - điện áp, V và dòng điện A trên đoạn thân hồ quang đang Xét.

1

, / .427

A Kcal KG m - đương lượng nhiệt

Như vậy đối với trường hợp đang xét ta có bốn phương trình và tám ẩn số ( v1, p1, T1, V1, v2, p2, T2 , V2 ). Phương trình trạng thái của khí đúng với tiết diện ở đầu 1-1’ và tiết diện ở cuối 2-2’ ống thổi. Bằng cách cân bằng tốc độ chảy ở ngaòi ống thổi /( sau tiết diện 2- 2’ ) với tốc độ

tiếng động có các thông số p2 , V, T2 ta có biểu thức sau :

97

2 2 2 2v kgp V kgRT ( 4-25)

Trên đoạn nằm giữa các tiết diện 0 – 0’ và 1 – 1’ không có nguồn nhiệt năng năng

xác định tốc độ v1 ở miệng ống dựa trên cơ sở của phương trình ( 4-6)

1

11 0 0 1 1

0

2 1 . ( )1

k

kk pv g p V b

k p

( 4-26)

Trong đó:

1/ 20 0

11

0

,b p V m

p

p

1

1/ 21 1 12 1 , / .

1

k

kk

g m sk

Tốc độ khí ở tiết diện thứ n nằm cách miệng ống một khoảng l được biểu diễn như sau:

0 021

nn n n

p

Q Rkv g p V p V

k C

Trong đó:

;hqn hq

n hqn

Q QQ Q l

G L

L- chiều dài ống thổi, m

l- chiều dài đoạn ống đang xét, m

Tương tự như vậy tốc độ v2 ở ngoài ống thổi có thể xác định theo:

2 0 0 2 221 p

k QRv g p V p V

k C

( 4-27)

Trong trường hợp ở chế độ tới hạn và trên tới hạn tốc độ v2 chảy từ ống xi lanh ra

sẽ bằng tốc độ tiếng động và xác định bằng phươgn trình ( 4-25). Giải liên hợp ( 4-25)

và ( 4-27) đối với tích p2V2 ta được:

98

2 2 0 0

2

1 p

QRp V p V

k C

( 4-28)

Đối với đoạn nămg fiữa hai tiết diện 0 -0’ và 1-1’ phương trình lưu lưọng của khí

như sau:

11

1

a.fG v

F V ( 4-29)

Trong đó:

1/ 20

0

, /p

a kg mV

1

2 / 1 / 21 1 12 , /

1

kk k

kf g m s

k

Như vậy, năng lượng hồ quang trên đơn vị trọng lượng tính theo phương trình:

1

1 1a.f( )

hq hq hqQ Q V QQ

G Fv F ( 4-30)

Giải liên hợp ( 4-27), ( 4-28) và ( 4-30) sẽ được phương trình tốc độ v2 trong dạng hàm

số 1 :

2 0 0

1

21 .

hq

p

Q Rkv g p V

k C Fa f

( 4-31)

Trong phương trình này v2 và 1 là ẩn số. Để tìm một trong các ẩn số ta sử dụng

phương trình xung ( 4-22) đối với đoạn 1-2 ở dạng sau:

11 2 2 1 1 2 1

1

1 1. . .v

p p v v a f v vg V g

( 4-32)

từ ( 4-25) và ( 4-29) ta được:

22 1. .

vp a f

kg

99

Thay giá trị p2 vào phương trình ( 4-32) sẽ có:

12 1 1

1

.1 .

k gpv b

k a f

( 4-33)

Cân bằng các vế phải của hai phương trình ( 4-31) và ( 4-33) với nhau, rồi chia cả

hai vế cho 0 0p V , sau đó tiến hành 1 số biến đổi ta được:

11 1

1 0 0 1

2 11 1 .

hq

p

Q Rk g kg

k f k Fp C T f

( 4-34)

Trong đó: , /

4,18

«ng suÊt hå quang,

hqhq

hq hq hq

NQ Kcal s

N U i c

Phương trình ( 4-34) có thể dẫn giải và dạng:

2

11 1 1 1 1

0 1

4,18 m{ 1}=f

2ghqN g

fFp n f

Trong đó: 1/ 2

0

1

, . / .p

km

k

Rn m KG Kcal

C T

Chúng ta có thể viết lại phương trình ( 4-26) mhư sau:

1 0 1 2 1.v RT f ( 4-36)

Dựa vào ( 4-35), ( 4-36) và sau khi biến đổi ta sẽ nhận được quan hệ phải tìm:

1 3

0

hqNv f

Fp

Trên cơ sở các phương trình trên dựng đườgn cong như 4-13 cho

phép xác định tốc độ luồng khí ở miệng ống v1 phụ thuộc tỉ số 0

hqN

Fp.

100

Đại lượng 11

0

p

p thay đổi trong khaỏng từ 0,528 đến 1 tương ứng với

0

hqN

Fp thay

đổi từ 0 đến

Khi 0

hqN

Fp nghĩa là hoặc công suất hồ quang rất lớn hoặc tích Fp0 rất nhỏ, tốc

độ chảy của không khí ở miệng ống có thể suy giảm đến không, nghĩa là miệng ống bị

bịt kín.

Từ các phương trình trên và đường cong hình ( 4- 13) ta được các công thức gần

đúng để tính tốc độ v1 ( với T0 = 300 K ).

a) Đối với tốc độ v1 thay đổi trong giới hạn

10 70 /v m s

01 860. , /

hq

Fpv m s

N ( 4-37)

b) Khi tốc độ v1 thay đổi trong giới hạn:

170 333, /v m s

31

0

333 110 , /hqNv m s

Fp ( 4-38)

Trong đó: F- cm2 ; p0 – áp- mốt – phe; Nhq – Kw.

Khi tính công suất hồ quang Nhq phải tìm điện áp trên thân hồ quang theo:

Uhq =lhq.Eth, KV

Trong đó:

lhq - chiều dài đoạn thân hồ quang nằm giữa tiếp điểm và mặt cắt

ngoài của ống thổi ( khí thổi một phía ), cm

0,15 /thE KV cm - gradiên điện áp trung bình trên thân hồ quang.

101

Khi dòng điện thay đổi theo luật sin, công suất đwocj xác định theo phương trình:

sin .hq hq mN U I t

Vì đối với dòng điện xoay chiều giá trị tức thời của công suất trong nửa chu kỳ là

đại lượng thay đổi đến các thông số của luồng không khí cũng thay đổi. Tốc độ v1 của

luồng không khí sẽ thay đổi theo tần số dòng điện xoay chiều:

01 860

sinhq m

Fpv

U I t ( 4-39)

1

0

sin333 110

Fp

hq mU I tv

( 4-40)

Các biểu thức trên và đường cong hình 4-13 cho phép xác định tiết diện ống khi cho

trước tốc độ nhỏ nhất của luồng không khí ở miệng ống và biên độ dòng điện ngắt.

Hình 4-13

Kinh nghiệm cho thấy rằng với tần số cho trước để đảm bảo dập tắt hồ quang

chắc chắn tại thời điểm dòng điện đạt giá trị biên độ tốc độ v1 không nhỏ hơn giá trị

giới hạn; ví dụ ở tần số 50 Hz giá trị giới hạn dưới của tốc độ v1 = 8 ÷ 10 m/s.

102

Ngoài ra hình dạng ống thổi cũng ảnh hưởng đối với khả năng dập hồ quang.

Trường hợp xét trên để đơn giản ta nhận ống thổi có dạng hình xi lanh. Song, trong

thực tế ống thổi có dạng hình côn với độ chếch 150 thì dập tắt hồ quang hiệu quả hơn.

§ 4-6. Cách đánh giá gần đúgn hiệu quả làm việc của buồng dập hồ quang máy ngắt

không khí

Chế tạo buồng dập hồ quang máy ngắt không khí, thường phải dựa trên cơ sở thí

nghiệm nhiều lần. Đánh giá công suất ngắt nghĩa là đánh giá hiệu quả làm việc của

buồng dập hồ quang bằng phương pháp tính toán chỉ là rất gần đúng.

Các tác gia dựa vào các quá trình giả thiết với góc cạnh khác nahu để đưa ra cách

đánh giá, nên kết quả tính toán hiệu quả làm việc của buồng dập hồ quang cũgn khác

nhau, nhưng tương đối gần giống nhau.

Ở dưới giói thiệu các cách đánh giá hiệu quả làm việc cảu buồng dập hồ quang

máy ngắt không khí của một số tác gia.

Hình 4-14. sơ đồ buồng dập hồ quang (a) và tiết diện vi phân của luồng không khí trên

mặt cắt ngang buồng dập hồ quang.

103

Nhóm tác gia thư snhất đại diện là xây- rốp cho răng hiệu quả dập tắt hồ quang

phụ thuộc vào thông số của không khí nén và tiết diện ống thổi.

Tác gia đã nghiên cứu buồng dập hồ quang kiểu thổi dọc ( hình 4-14) và chia

buồng này làm ba vùng: vùng một – không khí lạnh chuyển động đến tiếp xúc với hồ

quang ( quá trình đoạn nhiệt), vùng hai- nơi hồ quang cháy, vùng ba- vùng không khí

nóng ( quá trình gần như đoạn nhiệt).

Giá trị tức thời của công suất hồ quang xác định theo công thức:

3427.0,24. . sin .10 , . /hq hq mn U I t KG m s ( 4-41)

Vì giá trị tức thời của công suất hồ quang thay đổi trong vòng nửa chu kỳ, nên

trong tính toán phải lấy giá trị trung bình của công suất này cũng trong nửa chu kỳ Nt.b

. Nếu nhận 0hqdU

dt thì giá trị trung bình của công suất hồ quang băng:

3/ 2

.

0

3

427.0,24. . sin .10

/ 2

4.427.0,24. . .10

2

0,092. . , . /

Thq m

t b

hq m

hq m

U I tN dt

T

U I

U I Kg m s

( 4-42)

Trên mặt phẳng giáp giới giữa vùng một và vùng hai a –a’ lấy diện tích vi phân f,

theo định luật liên tục ta có:

1 1 2 2v v ( 4-43)

Trong đó: v1, v2 - tốc độ chảy cảu luồng không khí ở vùng một và hai

1 2, - trọng lượng riêng của không khí ở vùng một và hai

Do nhiệt năng của hồ quang nên khối lượng không khí m chảy qua tiết diện f

trong một đơn vị thời gian có thêm một gia tốc bằng v2 – v1 và theo định l;uật động

học có thể viết:

104

2 1 1 2m v v f p p

p , p2 – áp suất ở vùng một và hai

nếu lấy 1 1fvm

g

ta sẽ có:

1 12 1 1 2

vv v p p

g

( 4-44)

Độ tăng năng lượng dq của thể tích vi phân không khí chảy qua tiết diện f trong

thời gian dt theo định luật thứ nhất về nhiệt động học có thể biểu diễn như sau:

2 2

2 1 2 11 1 1 1 2 2 1 1

2

u u v vdq fv dt fv dt f p v p v dt

A g

( 4-45)

Trong đó: u1, u2 – năng lượng nội bộ của 1 kg không khí.

A- đương lượng nhiệt của công .

Theo phương trình Klapeiron có thể viết nưng lượng nội bộ của không khí dưới dạng:

v

pu C

R (4-46)

Cv - nhiệt dung của không khí khi thể tích không đổi, cal/Kg 0 C.

Năng lượng của hồ quang toả ra trong thời gian dt:

hq .W . 0,092 , .t b hq md N dt U I dt KG m ( 4-47)

Năng lượng này làm phát nóng không khí ở vùng hồ quang trong thời gian dt với trọng

lượng bằng:

1 1 1 , .dG F v dt KG

F1 – tiết diện của buồng dập hồ quang trên mặt phẳng a –a’

Như vậy, nhiệt lượng làm cho 1kg không khí phát nóng:

hq

1 1 1

W 0,092. /hq hqd U I

Q KG m KgdG F v

105

Nhiệt lượng làm thể tích vi phân phát nóng trong thời giann dt:

1 1

1

0,092 hq m

fdq Qf v dt U I dt

F

Cân bằng phương trình này với (4-45) ta có:

2 2

2 1 2 11 1 1 1 2 2 1 1

1

10,092

2hq m

u u v vU I v v p v p v

F A g

Thay các giá trị ở ( 4-43) và ( 4-46) vào phương trình cuối ta được:

2 1

2 22 1 2 1

1 1 1 2 1

0,0921 1

2

v vhq mC CU I p p v v

F v AR AR g

( 4-48)

Biểu thức ( 4-48) chỉ đúng cho trường hợp 0mI , nghĩa là năng lượng của các hồ

quang toả ra không gần giá trị không.

Trong phương trình này có sáu ẩn số : p1, 1 1 2 2 2, , , ,v p v

Phương trình đọan nhiệt của không khí trong buồng dập hồ quang ở vùng một:

1/

1 11 0 1 0

0 0

k k

pp p hay

p

( 4-49)

Trong đó: p0, 0 - các thông số của không khí trong bình chứa cung cấp cho

buồng dập hồ quang

Theo các giá trị cho trước của tiết diện buồng dập hồ quang và tốc độ tới hạn của

không khí tại tiết diện nhỏ nhất 2

2

th

pv g

xác định tốc độ v2 ( tốc độ của không khí

nóng ở gần tiết diện a- a’ ) theo phương trình vi phân của khí động:

2 2 2

2

0g

v dv dp

Và phương tỷình liên tục:

2 2 onstv F c

106

Theo các phương trình này và phương trình dẳng nhiệt ta có:

2

2 2 1

min

2 ln 1 2lnth th

v v F

v v F

Fmin - tiết diện nhỏ nhất ( tới hạn) của buồng dập hồ quang

Nếu kí hiệu 2 1

min

Fµ =

Fth

vv

v ta được:

2 2 ln 1 2 ln

Hình 4-15

Trên hình 4-15 giới thiệu đồ thị của hàm số f cho phép xác định trị số theo

trị số cho trước. Theo giá trị tìm được và vth xác định tốc độ v2 :

22

2

. th

pv v g

( 4-50)

Sử dụng biểu thức lưu lượng không khí chảy qua buồng dập hồ quang trong một

giây:

1 2 2 1 2 2sG F v F gp

Đối với quá trình đoạn nhiệt:

12 /

1 11 0 0

0 0

21

kk

k

s

k p pG F g p

k p p

Cân bằng hai phương trình này ta được:

107

12 /

1 12 2 0 0

0 0

21

kk

k

s

k p pG p g p

k p p

( 4-51)

Giải liên hợp các phương trình ( 4-43) , ( 4-44) và 4-50 ta được:

1 12 2 2

1 21

pp

( 4-52)

Thay các đẳng thức ( 4-43) và ( 4-44) vào phương tình 4-48 ta có:

2 12 1 1 2

1 2 2 2 1 2 1

0,0920,5 0,5 0,5

v vhq hqC CU I p p p p

F v AR AR

( 4-53)

Đặt 1 2 2

0,092 hq hqU I

F v= E

Và thay giá trị p2 ở ( 4-52) ta sẽ có:

2 11 1 1 1 212 2 2 2

11 2 1 2

2 1 11 2 2

1 1 2

2 0,5 0,5AR1 1

0,5 0,5 .1

v vC Cp pp

AR

pp

Làm một số phép biến đổi ta được:

1 2

1 1

22

2 22 1 2 12

2

1 1 0,51 AR AR. 0

0,5 0,5AR

v v

v v

C CE

C C

AR

Từ đây suy ra:

1

1

1 2 1

212

2

2

2 2 2

[ 1 ( 1

2 0,5

1 0,5 4( 1 0,5 ) 0,5AR

v

v

v v v

C

C AR

AR

C C CE

AR AR

108

( 4-55)

Giải liên hợp ( 4-51) , 4-52 và chú ý đến phương trình 4-49:

2 1 10 1

2 121 1

0

1.

1

2

k k

k kk

k

Cân bằng phương trình 4-45 với 4-46 ta được:

2 1

1 1

1

2 22

22

1 10 1

1 10

4( 1 0,5 ) 0,5AR1

[ 1 1 ]=12 1

=1

2

v v

v v

v

k k

k k

C CE

C C AR

C AR AR

AR

k

k

Đặt tất cả vế trái của phương trình 4-47 bằng ta sẽ có:

1 1 1 10 1 0 1

1

2k k k kk

k

Từ đây suy ra các thông số của không khí trong buồng dập hồ quang:

1

1

1 0

1

1

1 0

1 0

1 0

14 58

11

2

14 59

11

2

24 60

2 1

14 61

11

2

k

k

t

k

k

p pk

k

v ak k

T Tk

k

109

1

1

2

2 02

1 1

11

2

k

k

k

(4-62)

1

02 2

1

11 1 12

k

k

pp

k

k

( 4-63)

2

2 0 2 2

2

1 2 1tv a

k k

( 4-64)

2

2 22 2

.11

2

oTTk

k

(4-65)

Trong đó:

1

1

1 1 2

22

2

22

0,5[ 1

1

41 0,5 1 0,5

1

v

v

v v v

C

C AB

AB

C C CE

AR AR AR

( 4-66)

0ta - tốc độ phát triển của tiếng động trong luồng khí có các thông số p0 , 0

Hệ số thể hiện sự chảy của không khí từ miệng ống ra và phụ thuộc vào E. Khi

Im = 0 nên E = 0 và nếu lấy 1 × =0,5th , khi

Im 0 ta có 0E và 0,5, nếu × =0mI th .

Hệ số có liên quan với thừa số nhân trong dấu căn cảu phương trình 4-66:

2 21 0,5vC

M EAB

( 4-67)

tiến tới không chỉ khi M tiến tới không. Trường hợp M = 0 điều kiện phục hồi

độ bền điện môi xấu nhất. Cho nên phải đảm bảo M > 0. Từ đó suy ra:

110

2 2E- 1 0,5vC

AB

Hay 2 2

1 2 2

0,0921 0,5

vhq mCU I

FC p AB ( 4-68)

Công nhận quan hệ 2v

C với nhiệt độ làg tuyến tính trong dạng:

2

22,1716 0,0015.10vC o T

Thay giá trị này và giá trị v2 ở phương trình (3-10) R = 29,27 vào bất đẳng thức ( 4-68)

ta được:

2

22

1 2 2

0,092 0,1716 0,0015.10427 1 0,5

29,27

hq mU I T

F p gRT

( 4-69)

Trên cơ sở phương trình 4-63 có thể lấy p2 = 0,5 p0.

Thay giá trị này và T2 = 8000 0 K vào ( 4-69) ta sẽ được biểu thức để đánh giá

hiệu quả làm việc của buồng dập hồ quang:

5

1 0 2

.10

1 0,13

hq m ghU I

F p

( 4-70)

Trong đó:

F1 - tiết diện cảu buồng dập hồ quang, cm2

P0 – áp suất trong bình chứa , KG/ cm2

hq m ghU I - công suất giới hạn của buồng dập hồ quang , V.A.

Đối với buồng dập hồ quang hình trụ 1 , biểu thức ( 4-70) sẽ đơn giản hơn:

5

1 0

.10

1,13

hq m ghU I

F p

( 4-71)

La – bu- re cho rằng sự tăng độ bền điện của luồng không khí là yếu tố dập tắt hồ

quang.

111

Các thực nghiệm của tác giả này cho biết quan hệ tối ưu của ba đại lượng: dòng

điện ngắt giới hạn Ing , miệng lỗ F và khoảng cách giữa các tiếp điểm ST.ư theo biểu

thức:

,­

5000 ,ng

T

FI A

S ( 4-72)

Sau khi dập tắt hồ quang, khoảng cách tối ưu ST,ư xác định theo công thức:

T.­S phU

E

Trong đó: Uph - điện áp phục hồi: ®m 2,45 ,phU U KV

E – gradiên điện áp cảu khoảng trống có áp suất p0 .

Một số tác giả khác ( Gu xq và Sư- ghel- ka) lại cho quá trình bịt kín miệng ống

do tác dụng nhiệt của hồ quang và do thân hồ quang là ảnh hưởng quyết định đến khả

năng làm việc của buồng dập hồ quang.

Theo các thí nghiệm của họ, muốn thắng sự bịt kín miệng ống do nhiệt cảu hồ

quang ở các buồng dập hồ quang kiểu thổi dọc, trị số dòng điện ngắt không được vượt

quá giá trị:

0,3 0,5405,35. .ngI p F ( 4-74)

Để thắng sự bịt kín miệng ống do thân hồ quang:

0,25 0,75016,65. .hqI p F ( 4-75)

112

Hình 4-16

Ở hình 4-16 giới thiệu quan hệ ngI f F và 1hqI f F khi

p0 = 21 at

Các đường cong ơ rhình 4-16 nói lên rằng, khi tiết diện miệng ống nhỏ hơn 12

cm2 đường cong Ihq thấp hơn đường cong Ing , nghĩa là sự bịt kín miệng ống do thân hồ

quang xẩy ra trước ngắt dòng điện ngắn mạch, còn khi tiết diện lớn 12 cm2 đường cong

Ihq cao hơn đường cong Ing - sự bịt kín miệng ống do thân hồ quang không xẩy ra. Cho

nên các thông số cảu thiết bị dập hồ quang phải chọn sao cho, để sự bịt kín miêện ống

do thân hồ quang xẩy ra sớm hơn sự bịt kín miệng ống do nhiệt cảu hồ quang.

Aron- xon và Borixốp dựa trên nguyên lý ngắt hồ quang có tính chất co khi ch

rằng hiệu quả dập hồ quang giới hạn cảu buồng dập hồ quang bất kỳ có thể xác định

gần đúng theo:

ph bdU dU

dt dt ( 4-76)

Trong đó: phdU

dt- tốc độ phục hòi điện áp

bdU

dt- tốc độ tăng độ bền cách điện của khoảng không hồ

quang

113

Tốc độ phục hồi điện áp có thể xác định bằng biểu thức :

..4 .ph

p hm p h

dUU f

dt ( 4-77)

Trong đó: Um (p.h) – giá trị cực đại cảu điện áp phục hồi

fp.h - tần số điện áp phục hồi.

Độ bền cách điện cảu khoảng không hồ quang bằng:

Ub = b.v0 t ( 4-78)

Trong đó: b- hệ số thể hiện độ bền của không khí chảy

v0 - tốc độ không khí tại thời điểm dòng điện qua trị số không

Hệ số b phụ thuộc rất nhiều vào kết cấu, buồng dập hồ quang. Trên cơ sở thí

nghiệm đối với buồng dập hồ quang thổi một phía b = Ect – gradiên điện áp chọc thủng

và lấy 50 55 /KV cm , còn đối với buồng dập hồ quang thổi hai phía thì lớn hơn một

chút 60 65 /KV cm .

Tốc độ không khí tại thời điểm dòng điện qua trị số không xác định theo công

thức thực nghiệm:

0 «

. 0

(300 100 )hq ng

t h

U Iv k

F p ( 4-79)

Trong đó: «k - hệ số hình dạng ống thổi , .«

t h

hq

Fk

F

Fth - tiết diện tới hạn cảu ống thổi, cm2

Fhq - tiết diện ống thổi ở vùng hồ quang cháy, cm2

Uhq - điện áp hồ quang, V

Ing – dòng điện ngắt, KA

114

Thay gíá trị ở các phương trình 4-77, 4-78 và 4-79 vào phương trình 4-76 ta

được:

0 «

. 0

4 . (300 100 )hq ngphm ph

t h

U IU f bv k b

F p

Từ đây suy ra dòng điện ngắt giới hạn:

5

«. 0

«

3 0,04 ..

phm pht hng

hq

bk U fF pI

U bk

( 4-80)

Khi cho trước giá trị dòng điện ngắt Ing tiết diện tới hạn của ống thổi buồng dập

hồ quang có thể xác định theo:

5

«.

0 «

.3 0,04 .

hq ng

t h

phm ph

U I bkF

p bk U f

( 4-81)

Chiều dài hồ quang lấy bằng khoảng cách giữa các tiếp điểm dập hồ quang

2 2

ct

US

E . Điện áp U trên một chỗ ngắt bằng:

®m

n

UU

Trong đó: n- số chỗ ngắt.

®mU - điện áp định mức của máy ngắt.

Gradiên điện áp trên hồ quang Ehq ở áp suất tuyệt đối 15 20at dao động trong

giới hạn 200 250 /V cm .

§ 4-7. Các phần tử chủ yếu điều kiện bằn hơi trong máy ngắt không khí.

Các phần tử chủ yếu điều khiển bằng hơi trong máy ngqứt không khí gồm có: a)

cơ cấu pit tông tiếp điểm ; b) van điều khiển bằng hơi; c) bình chứa không khí nén; d)

các bọ truyền động bằng hơi; đ) các bộ truyền động bằng không khí né, vv…

115

Chúng ta sẽ nghiên cứu nguyên lya làm việc và cách tính một vài phẩn tử này

a) Cơ cấu pit tông tiếp điẻm.

Cơ cấu pit tong tiếp điểm có tác dụng chủ yếu để tách các tiếp điểm.

Đối với pit tông tiếp điểm yêu câu:

1) Khi các tiếp điểm bắt đầu tách rời, áp suất không khí nén tỷong buồng dập hô

fâung phải đủ lớn để đảm bảo chất lượng dập hồ quang và độ bền điện của khoảng

cách giữa các tiếp điểm.

2) Để dập hồ quang kết quả, tốc độ tách các tiếp điểm phải cực đại.

3) Độ dẫn điện của thanh tiếp điểm phải ổn định.

Cơ cấu pit tông tiếp điểm sử dụng rộng rãi giới thiệu trên hình 4- 17. Dưới tác

dụng của áp suất không khí nén pb trong buồng dập hồ quang 0bp p pit tông 3 nối

cứng với tiếp điểm động 2 tách rời khỏi tiếp điểm tĩnh 1, đồng thời lò xo đógn 4 bị nén

lại. Lực của bộ giảm chấn động 5 chỉ tác động ở cuối hành trình khi ngắt. Nhờ lò xo 4

tiếp điểm động tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh.

Hình 4-17. sơ đồ tính toán cơ cấu pit tông tiếp đểim của buồng dạp hồ quang

Lực để chuyển động pit tông nghĩa là lực để tách các tiếp điểm Pt phụ thuộc vào

áp suất không khí trong buồng dập hồ quang pb cũng như diện tích bề mặt phần ứng pit

tông và có thể diễn tả bằng công thức:

116

1 2( ),t bP p f f KG

Trong đó: f1 - diện tích ứng với đương kính pit tông, cm2

f 2- diện tích lỗ tháot khí của tiếp điẻm động, cm2

Phản lực đối với chuyển động của cơ cấu như sơ đồ hình 4-16 bằng ( bỏ qua trọng

lượng của các phần động ):

1 2( ),pl lx kqP P p f f KG

Trong đó: Plx - lực lò xo cảu cơ cấu, Kg

Pkq – áp suất khí quyển, at .

Tại thời điểm lực Pt bằng Ppl tiếp điểm động bắt đầu chuyển động, khi đó áp suất

trong buồng dập hồ quang gọi là áp suất suất khởi động pkđ và được xác định theo:

®

1 2

,lxk kq

Pp p at

f f

( 4-82)

Như vậy, áp suất khởi động càng cao thì lực lò xo càng lớn và diện tích bề mặt

phần ứng pit tông càng nhỏ.

Phương trình vi phân tổng quát về chuyển động của tiếp điểm động khi ngắt ( nếu

bỏ qua lực ma sát, trọng lượng của cấc phần động, lực đàn hồi khi bị nén và khối lượng

của các phần động nhận là không đổi ) có dạng:

2

1 2 ®2 b k

d S Sf f p p

dt m ( 4-83)

Trong đó: S- hành trình của pit tông hoặc cảu tiếp điểm, m

G

mg

- khối lượng của các phần động, KG.m2/m

G- trọng lượng của các phần động, KG

t- thời gian , s

117

Áp suất không khí trong buồng dập hồ quang pb trong quá trình ngắt không khí là

hằng số. Để tính toán đặc tính chuyển động của tiếp điểm cần biết quan hệ bp f t .

Quan hệ này rất phức tạp và không thẻ tính chính xác được:

Sơ bộ bước đầu có thể nhận:

® ,bt kp f t p ht at ( 4-84)

Trong đó: h- hằng số thể hiện độ tăng áp suất ở đầu quá trình chảy vào

buồng dập hồ quang

Hành trình cảu tiếp đểim có thể xác định theo 4-83. Trường hợp đơn giản nhất,

khi áp suất không khí trong buồng dập hồ quang tăng tức thưòi đến pb và nhận là pb =

const theo 4083 ta có:

2®1 2 .

2mb kp p

S f f t

( 4-85)

Kể thêm sự thay đổi của pbt như phương trình 4-84 theo 4-83 ta được:

31 2

6

f fS ht

m

( 4-86)

Đối với hệ thống đang xét nếu lực ma sát Pms , trọng lực Ptr , lực đàn hồi cảu lò xo

plx nhận là không đổi trên suốt hành trình và bỏ qua lực của bộ giảm chấn động, thì

trên cơ sở nguyên lý Dalamber có thể viết:

0qt lx ms tr btP P P P p f ( 4-87)

Trong đó: Pqt - lực quán tính

pbt – áp suất không khí trong buồng dập hồ quang tại thời

điểm t.

0 1 2f f f diện tích bề mặt phần ứng pit tong

Thay giá trị pbt ở 4-84 vào 4-87 và biến đỏi ta sẽ được:

118

0 0 0. 0kd

dvm f ht P p fdt

( 4-88)

Trong đó: 0 tlx ms trP P P P

tlxP - lực trung bình của lò xo

qt

dvP m

dt - lực quán tính

Giải phương trình 4-88 với tốc độ ban đầu vbđ =0 ta được:

2 0 ® 00

2kP p ff h

v t tm m

( 4-89)

Và 3 20 ® 00

02

t

kP p ff hS t vdt t t

m m

( 4-90)

Dựa vào các phương trình 4- 89 và 4-90 ta có thể dựng đặc tuyến

1µ v f t v S f t như hình 4-18.

Hình 4-18

Để giảm chấn động ở cuối hành trình cảu tiếp điểm động ( tốc độ khoảng

4 4,5 /m s ) sử dụng các bọ giảm chấn động kiểu khác nhau ( cao su, dầu hơi ,vv)

nhưng thường sử dụng ống cao su 5 ( hình 4-17) với chiều dài 40 50mm và chiều dầy

4 5mm . Quá trình hãm bắt đầu từ thưòi điểm pit tông 3 tiếp xúc với ống cao su 5.

Quá trình này được thể hiện bừng phương trình vi phân:

119

1 2 b ®. p k cs cs

dvf f p h m

dt ( 4-91)

Trong đó: cs - hế số lún của cao su trên đơn vị dài

csh - hành trình cảu tiếp điểm trong quá trình hãm hoặc

khoảng lún của cao su, m.

Khoảng lún cảu cao su xác định theo:

csh vdt

Và khi dó phương trình 4-91 sẽ có dạng:

2

2cs

d vv m

dt

hoặc 2

20csvd v

dt m

nghiệm chung của phương trình này sẽ là:

cs1 2os sin

mcsv C c t C tm

Trong đó: C1 và C2 - hằng số tích phân Khi t= 0 , v = vbđ như vậy C1 = Cbđ , hằng số C2 xác định bằng cách vi phân phương trình trên :

cs cs cs2 1os sin

m m mcsdv

C c t C tdt m

Khi t =0, hcs = 0 và 1 2f f pdv

dt m

Trong đó p = pb - pkđ . Từ đó suy ra

1 2

2. cs

f f pC

m

Thay giá trị C1 và C2 vào phương trình trên ta được:

1 2cs cs

® os sinm m.

b

cs

f f pv v c t t

m

( 4-92)

Như vậy khoảng lún của cao su là:

120

1 2

® sin [1-cos ]cs cscs b

cs cs

f f pmh v t t

m m

( 4-93)

Còn lực hãm sẽ băng:

® 1 2. . sin [1-cos ]cs csh cs cs b csP h v m t f f p t

m m

( 4-94) Toàn bộ thời gian hãm th xác dịnh từ phương trình ( 4-92) khi v = 0:

1 2

®cos sin.

cs csb h h

cs

f f pv t t

m mm

Phương trình này thoả mãn với điều kiện:

. .2

c sht

m

Trong đó: ãc <2

g

Như vậy ta có:

1 2

® sin os.

b

cs

f f pv c

m

Và 1 2

® .b cs

f f ptg

v m

Từ đây suy ra:

1 2

®

arctg.b cs

f f p

v m

Thời gian hãm sẽ là:

2h

cs

t

m

Thay giá trị th vào phương trình 4-94 ta sẽ được lực hãm cực đại:

ax ® 1 2. os + f (1 sin )hm b csp v m c f p ( 4-95)

Theo phương trình ( 4-93) khoảng lún lớn nhất của cao su bằng:

2®

ax 22 2cs ® 1 2

1 2 1 2

22 2cs ® 1 2

m.

[1+ ]m.

bcsm

b

csb

mvh

v f f p

f f p f f p

v f f p

( 4-96)

b) Các loại van hơi. Van hơi được sử dụng rộng rãi đẻ thực hiện các thao tác khác nhau: mở không khí nén chảy vào buồng dập hôồquang, xả không khí nén ra khí quyển, thay đổi hướng của luồng không khí nén.

121

Thực hiện đóng hoặc mở van bừng ngoại lực ( tay người, nam châm điện ,vv..) hoặc bừng lực không khí nén. Về phương diện điều khiển, van hơi được phân loại như sau: 1) Van điều khiển cơ khí 2) Van điều khiển bằng hơi Theo tác dụng van chia thành các nhóm sau: 1) Van mở có tác dụng để đưu lượng nhỏ không khí ở đầu thao tác đi đóng hoặc ngắt. 2) Van thổi để đưa không khí nén vào buồng dập hồ quang 3) Van chống rung để giảm rung động khi các tiếp điểm tiếp xúc. 4) Van phụ. Về kết cấu van hơi chia ra chia kiểu: kiểu đĩa và kiểu ngăn kéo ( trượt). Tuỳ thuộc vào nguyên lý tác động van đĩa lại phaâ ra: van tác dộng trực tiếp và van kiểu vi sai. Van tác động trực tiếp tiến hành mở khi không khí nén chảy vào vùng laàmviệc cuủapit tông, còn van kiểu vi sai tác động khi không khí nén ở dưới pit tông xả. Van tác động trực tiếp làm việc nhanh hơn ( khoảng hai lần) van vi sai, nhưng van vi sai lại đơn giản nên được sử dụg rộng rãi. Trên hình 4-19 giới thiệu so đồ nguyên lý van đĩa tác động trực tiếp. Trong van này đĩa 3 nối gián tiếp với pit tông qua đòn 6. yhực hiện mở van này bằng cách đưa không khí nén qua ống f3 vào khoảng không gian bên trái pit tông, áp suất ở phần này tằng đẩy pit tông chuyển động và mở đĩa 3. Như vậy là đẫ mở để không khí nén từ bình chứa 1 theo ống dẫn không khí 2 chảy vào buồng dập hồ quang. Đóng van được thực hiện bằng cách qua ống f3 xả không khí nén ở bên trái pit tông. Ban đầu lò xo 7 tác động và sau đó áp suất ở bên phải cùng tác động đẩy pit tông sang trái và đĩa đậy kín ống f1. Đưa ( hoặc xả ) không khí vào phần trái pit tông nhờ ngoại lực tác động vào van phụ 9. Khi mở, tác động vào van có hai lực : lực mở và lực đóng.

Hình 4-19. sơ đồ nguyên lý van đĩa tác động trực tiếp. Lực mở van bằng: 2 1. ,m kqP pf p f KG

Lực đóng van bằng: ® 0 1 2. ,lx kqP p f P p f KG

Trong đó: p- áp suất có sẵn ở phần trái pit tông , KG/m2 Pkq – áp suất khí quyển, KG/m2 p0 – áp suất trong bình chứa, KG/m2 Plx - lực nén cảu lò xo, KG f1 - tiết diện ống dẫn không khí vào buồng dập hồ quang, m2

122

f2- diện tích bề mặt pit tông, m2 Khi lực mở van bằng lực đóng van thì áp suất bên trái pit tông đạt tới áp suất khởi động: 2 1 0 1 2kq kq lxpf p f p f p f P

Từ đây suy ra:

1 1®m 0

2 2 2

1lxk kq

Pf fp p p p

f f f

( 4-97)

Trong dó: pkđm – áp suất khởi động mở Áp suất mở càng nhỏ van tác động cang lớn, có thể giảm pkdm bằng cách giảm tỉ số f1/f2. Theo kinh nghiệm diện tích f2 lấy lớn hơn diện tích f1 khoảng 3 4 lần. Khi đóng van có hai lực tác động: lực duy trì van mở Pdm và lực đóng van Pđ . Lực duy trì van mở bằng: 2 1 1dmP pf p f

Lực đóng van là: ® 0 1 2kq lxP p f p f P

Trong đó: p1- áp suất tác động vào bề mặt bên trái pit tông ,

21 0 /p p KG m

p- áp suất trong xi lanh pit tông , KG/m2 Áp suất khởi động đóng nhận được từ phương trình: ®® 2 1 1 1 1 2k kq lxp f p f p f p f P

Từ đây suy ra:

®®

2

lxk kq

Pp p

f ( 4-98)

Từ phương trình này ta thấy áp suất pkđđ được xác định bằng lực lò xo. Để đảm bảo van đĩa tác động trực tiếp đóng đựơc và mở nhanh phải đạt được các yêu cầu sau: 1) Giảm khối lượng các phần tử động cảu van. 2) Giảm thể tích các ống nối và thể tích van phụ. 3) Giảm áp suất khởi động mở. 4) Tăng diện tích lỗ f3.

Hình 4-20

123

Nguyên lý van đĩa vi sai được trình bày trên hình 4-20. Mở van được thực hiện

bừng cách xả nhanh không khí nén ở một phái pit tông 4 ra khí quyển nhờ mở van phụ

trên ống f3 .

Lực mở van bằng :

0 2 1,m kqP p f p f KG

Lực duy trì van đóng:

® 2 0 1 ,lxoP pf p f P KG

Trong đó: Plxo - lực nén ban dầu của lò xo

p- áp suất dưới pit tông, KG/m2

Tại thời điểm mở lỗ f3 áp suất p dưới pit tông suy giảm, lực Pđ giảm. Khi p = pkđ

thì lực Pm = Pđ , như vậy ta được:

0 2 1 1

®

2

kd lxok

p f f p f Pp

f

( 4-99)

hoặc ® 1

0 2 0 0 2

1 (1 )pk kd lxop p Pf

f p p f ( 4-100)

Từ phương trình này rút ra rằng áp suất khởi động pkđ càng lớn

pit tông van chuyển động càng sớm. Trong thiết kế cần tiến tới để pkđ gần bằng p0

.Thành phần thứ hai của vế phải phương trình ( 4-100) gọi là thừa số nhậy hơi và ký

hiệu 1

2 0

(1 )kqh

pfT

f p . Còn thành phần thứ ba thừa số nhậy cơ khí và ký hiệu

0 2

lxoc

PT

p f . Thừa số cơ khí thường nhỏ hơn thừa số hơi, và áp suất khởi động phụ thuộc

124

không phải vào f2 mà vào tỉ số 1

2

f

f. Trong thực tế f1 được chọn nhỏ hơn f2 khoảng

3 4 lần.

Tương ứng với hai thừa số nhậy thời gian mở van cũng gồm hai thành phần : hơi

và cơ khí.

Thời gian đógn van cũng là tổng của thời gian hơi và thời gian cơ khí:

® ® ®h ct t t

Trong đó: th.đ – thời gian hơi khi đógn van

tc.đ - thời gian cơ khí khi đóng van.

Thời gian hơi khí nóng ( thời gian để không khí chảy đầy thể tích dưới pittông )

được xác định bằng thể tích dư dưới pittông , tiết diện lỗ sả và tiết diện lỗ cung cấp f5 .

Tiết diện lỗ f4 rất nhỏ và không ảnh hưởng quyết định đối với thời gian th.d thường lấy

4

3

0,02 0,07f

f tiết diện lỗ cung cấp ảnh hưởng rất nhiều đến t hd tăng tiết diện này

dẫn đến tố độ không khí chảy vào thể tích dưới pittông tăng . Trong các máy ngắt

không khí thường lấy 5

2

0,008 0,009f

f

Thời gian cơ khí khi mở van quyết định bởi tốc độ chuyển động của pittông nghĩa là bởi lực lò xo và trọng lượng của các phần tử động . Van ngăn kéo làm việc nhờ pittông ( pittông này gọi là ngăn kéo) chuyển động trong thân van và trở về vị trí ban đầu bằng lò xo . Khi ngăn kéo chuyển động sẽ mở hoặc đống lỗ này hoặc lỗ kia để không khí chảy vào các cơ cấu hoặc các van hoặc sả không khí . Tuỳ thuộc tác dụng của van ngăn kéo mà không khí nén luôn luôn chứa đầy trong van hoặc chứa đầy chỉ trong thời gian ngắn cấn thiết để thực hiện thao tác ngắt hoặc đóng máy ngắt.

125

Hình 4.21

Trên hình 4 – 21 giới thiệu kết cấu van ngăn kéo được sử dụng làm van cắt trong máy ngắt không khí 110 KV . Trên thân van đặt ngăn kéo 2 cùng lò xo 3 . Thân van được đậy lắp 5 có lỗ 6 và rỗng đen cao su 4 . Chỉ khi áp suất trong vùng C suy giảm không khí từ vùng A mới chảy sang vùng B . Khi áp suất trong vùng C giảm ngăn kéo chuyển động sang phải đóng lỗ 6 và nối vùng C với vùng B qua lỗ hình xuyến . Áp suất trong vùng C vừa cân bằng với áp suất trong vùng A và dưới tác dụng của lò xo 3 ngăn kéo trở về vị trí ban đầu cắt vùng A với vùng B . Các phần tử còn lại của máy ngắt không khí có thể tham khảo trong tài liệu tương ứng . Chương V : Máy ngắt phụ tải § 5 – 1 Khái niệm chung : Trong chương này sẽ nghiên cứu một số loại máy ngắt khác nhau :

- Máy ngắt tự động bằng hơi - Máy ngắt tự sinh khí - Máy ngắt điện từ - Máy ngắt chứa khí nén Ê-lê-gát - Máy ngắt chân không

Những máy ngắt này được sử dụng với những trạm công suất ngắt nhỏ hay ngắt và đóng dòng phụ tải, dòng điện từ hoá của máy biến áp điện lực , dòng điện hiệu dụng của đường dây tải điện và tụ điện. Tất cả những máy ngắt kể trên là những máy ngắt không có dầu, không yêu cầu nguồn năng lượng để dập hồ quang, không sinh ra hoả hoạn và phát nổ, đồng thời cấu trúc đơn giản và dẻ hơn máy ngắt dầu. Khí cụ ngắt chỉ để ngắt dòng phụ tải có kết cấu trong dạng liên hợp giữa thiết bị dập hồ quang đơn giản với dao cách ly được gọi là máy ngắt phụ tải ( hình dạng bên ngoài thường giống dao cách ly ) thiết bị dập hồ quang với dao cách ly hợp lý nhất là đặt nối tiếp trong mạch dòng điện, nhưng có thể đặt song song. Khi nối song song thì dòng diện qua thiết bị dập hồ quang chỉ trong quá trình đóng hay ngắt máy ngắt, như vậy có thể giảm nhẹ cấu tạo và chế độ làm việc của thiết bị . Còn dao cách ly trong trạng thái ngắt của máy ngắt phụ tại tạo ra quãng đứt rõ ràng đảm bảo an toàn khi sửa chữa và kiểm tra thiết bị . Sử dụng máy ngắt phụ tải hợp lý nhất trong trường hợp khi công suất trong mạch đã cho để đổi nối dưới phụ tải , mà không được sử dụng dao cách ly thường , còn đặt những máy ngắt quý thì không tinh tế . Máy ngắt phụ tải cần phải thoả mãn những yêu cầu cơ bản sau:

1- Thực hiện ngắt lập lại dòng điện phụ tải không phải kiểm tra

126

2- Ở trạng thái đóng của tiếp điểm dập hồ quang máy ngắt phải chịu được dòng điện phụ tải lâu dài và dòng điện ngắn mạch trong thời gian ngắn.

3- Có kết cấu đơn giản mà rẻ Vì vậy máy ngắt phụ tải như máy ngắt tự động bằng hơi , máy ngắt Êlê gát nén , máy ngắt chân không ,và máy ngắt tự sinh khí cho phép số lần đóng và ngắt nhiều không phải kiểm tra. Máy ngắt phụ tải mắc nối tiếp với cầu trì dây chảy cho phép không chỉ ngắt và đóng dòng điện phủ tải mà còn ngắt dòng điện quá tải và dòng điện ngắn mạch trong giới hạn đã biết. Ngoài ra với mục đích đơn giản hoá và hạ giá thành người ta sử dụng rộng rãi việc đặt rơ le tác dụng trực tiếp ở ngay đầu vào máy ngắt , vì vậy không cần thiết sử dụng máy biến dòng và máy biến điện áp . Sử dụng máy ngắt phụ tải đặc biệt có phối hợp với rơle tác dụng trực tiếp làm giảm số lượng khí cụ cần thiết trong thiết bị, rút ngắn kích thước và đơn giản hoá kết cấu của thiết bị phân phối. Bộ truyền động của máy ngắt phụ tải có thể tự động và không tự động. Truyền động bằng tay, điện từ và lò xo là được sử dụng nhiều hơn cả. §5 -2 : Máy ngắt tự động bằng hơi Máy ngắt tự động bằng hơi dập tắt hồ quang bằng luồng không khí nén được tạo ra và chuyển vào buồng dập hồ quang nhờ thiết bị pittông nắp trực tiếp trong buồng và tác động tự động trong quá trình ngắt của máy ngắt nên gọi là thổi tự động . Nén không khí trong pittông nhờ năng lượng của lò xo đàn hồi được dự trữ trong quá trình đóng. Nguyên lý dập hồ quang tự động bằng hơi là không cần thiết bị nén khí và bình chứa không khí nén, vì vậy kết cấu của máy ngắt đơn giản và giá thành hạ nhưng vẫn nhận được một áp lực không khí nén nhỏ ở trong buồng ( 2 – 6 at ). Vì những lý do đó mà máy ngắt tự động bằng hơi được sử dụng ở điện áp 6 – 20KV , công suất ngắt nhỏ từ 2 – 400 MVA.

Hình 5-1

Nguyên lý tác động máy ngắt tự động bằng hơi ở hình 5 – 1. Tiếp điểm cố định 1 bắt chặt trong xilanh của buồng dập hồ quang 3, phần dưới của nó là ống cách điện 4, trong lỗ hổng của ống có chứa tiếp điểm di động 2 . Ở bên cạnh buồng nắp thêm xilanh 5 cùng pittông 6 và cần 7 . Khi tiếp điểm động bắt đầu rời khỏi tiếp điểm tĩnh thì tức thời cần pittông dưới tác dụng của lò xo điều khiển sẽ nén không khí trong xilanh rồi đầy nó vào buồng 3 và ống 4, nghĩa là từ phía trên xuống phía dưới : Hồ quang 8 tạo ra giữa các tiếp điểm bị dòng không khí nén thổi theo chiều dọc, nó làm lạnh thân hồ

127

quang và dập tắt trong khoảng thời gian 0.01 – 0.015s khi mở ống bằng tiếp điểm động không chậm quá 0.01s sau khi pittông bắt đầu chuyển động . Xilanh và pittông trong nhiều kết cấu được bố trí như thế nào đó để không khí nén dồn từ dưới lên theo đường chấm chấm. Nhận thấy rằng giá trị áp lực tỷ lệ thuận với lực lò xo ngắt và thời điểm mở cửa lỗ 4 . Để dập tắt đường hồ quang cần phải có sự phối hợp giữa thời điểm nhả của tiếp điểm và thời điểm chuyển động của pittông để đảm bảo đủ áp suất trong buồng dập hồ quang trong suốt thời gian hồ quang cháy. Sự mở của ống muộn hơn thời gian xác định ( sau khi pittông bắt đầu chuyển động ) . Sẽ dẫn đến sự chạy lặp lại của hồ quang. Máy ngắt tự động bằng hơi có kết cầu theo nhiều kiều khác nhau và được sử dụng rộng rãi để đóng và ngắt dòng điện phụ tải .

Hình 5 – 2 là mặt cắt một pha của máy ngắt tự động bằng hơi 3 pha – công tắc tơ 6 – 10 KV, 500MVA với 25÷30 lần đóng ngắt trong 1h. Mối pha của máy ngắt gồm 2 sứ cách điện 8 đặt chung cả 3 pha lên đế 9 . Trên sứ cách điện trên gắn chặt xilanh 5 cùng pittông 6 cùng với trục bị dẫn 10 nhờ cần 7 đặt bên trong sứ cách điện . Đầu trên cùng của xilanh gắn chặt buồng thép 3, trong đó người ta vặn vào tiếp điểm cố định 1 có dạng ống với hai tiếp điểm nửa hình cầu đặt dọc theo ống . Bề mặt t làm việc của nửa hình cầu cao hơn ống để đảm bảo tách những phần dập hồ quang và những phần làm việc của tiếp điểm. Người ta vặn ống dập hồ quang 4 bằng thuỷ tinh hữu cơ vào phía dưới của buồng 3. Khi đó khoảng cách giữa tiếp điểm cố định và miệng ống vào khoảng 5 mm. Ở sứ cách điện dưới có khung 11 , bên trong của khung đặt thiết bị thanh truyền cùng với trục tiếp điểm di động 2. đòn bầy 13 một đầu liên hệ bằng một khớp nối với trục chính 12 và bằng thanh kéo 14, còn đầu kia nối với con trượt 15 qua đường ray 16. Trong quá trình làm việc của máy ngắt con trượt 15 trượt theo đường thẳng đứng của óng dẫn hướng 18 . Trục bị dẫn 10 và trục bị dẫn 12 nối với nhau bằng thanh thép 18 . Lò xo ngắt 19 đầu dưới liên hệ với trục dẫn còn đầu trên liên hệ với khung 9 nhờ vít điều chỉnh 20. Đầu vào và đầu ra của dòng điện nối với đầu nối 21 . Lấy dòng điện từ tiếp điểm động nhờ dây nối mềm 22 một đầu vặn vít vào con trượt 15 và một đầu vào khung 11 .

Hình 5- 2 máy ngắt tự động bằng hơi - công tắc tơ ở điện áp 6 – 10KV 25 A, 5 MVA . Bộ truyền động của máy ngắt là động cơ điện điều khiển từ xa bằng tay ( nút ấn ) Trong quá trình ngắt của máy ngắt pittông được chuyển động về phía nén không khí trong xilanh còn tiếp điểm động thì ra khỏi miệng ống. Hồ quang tạo ra giữa các tiếp điểm được dập tắt bằng dòng không khí nén .

128

Thực nghiệm cho thấy khả năng của máy ngắt ở chế độ làm việc bình thường sau 200 lần ngắt dòng điện 500 A ở 6 KV và 300 A ở 10 KV và số lần đóng ngắt trong khoảng 25 – 30 lần trong 1h . Tần số dao động riêng của mạch ngắt khi đó bằng 10 KHZ ở 6 KV và 4.5 KHZ ở 10 KV . Máy ngắt ở hình 5 – 2 Sử dụng ở 6 – 10 KV và dòng điện ngắt đến 1000 A . Sơ đồ kết cấu một pha của máy ngắt phụ tải tự động bằng hơi 30 KV , 300 A và 300 MVA ở hình 5 – 3 .

Hình 5 – 3 máy ngắt tự động bằng hơi ở 30 KV , 300 MVA . Tiếp điểm cố định 1 có lò xo đặt ở sứ cách điện trên còn xilanh với pittông và tiếp điềm di động 2 ở cột cách điện dưới . Cách điện di động 6 truyền chuyển động cho tiếp điểm di động . Sứ cách điện của cả 3 pha được bắt chặt trên một khung thép chung . Dòng điện qua máy ngắt bằng đầu nối 10 và qua tiếp điểm di động bằng tiếp điểm trượt 9 . Khi ngắt lò xo ngắt tác động trên trục 12, khi đó cách điện di động 6 chuyển động và qua tay đòn 11 tiếp điểm di động 2 cùng pittông 3 gắn chặt ở đầu dưới thanh tiếp điểm chuyển động về phía dưới làm nén không khí trong xi lanh thép 4 . Không khí nén chảy vào bên trong của ống tiếp điểm di động và chảy ra ngoài khí quyển đến khi lò xo 8 chưa dãn ra lắp kín van 7 ở trong ống tiếp điểm cố định . Đến khi áp suất đạt vào khoảng 5 at sứ cách điện 5 bắt đầu rời khỏi lắp 7 và luồng không khí nén dập tắt hồ quang giữa các tiếp điểm .

Hình 5 – 4 là sơ đồ kết cấu một pha của máy ngắt phụ tải ở 22 KV , 400 A ( tiệp khắc ) .

129

Trên khung thép 1 gắn chặt 2 sứ cách điện chứa tiếp điểm cố định và tiếp điểm di động. Trong khung đặt cơ cấu truyền động 2 , tay đòn của cơ cấu nối với pittông 3 của xilanh 4 . Trên tay đòn có bố trí lò xo 5 . Khi ngắt, lò xo của cơ cấu được giải phóng và nhờ thanh kéo 10 lưỡi dao tiếp điểm động 9 bắt đầu rơi khỏi tiếp điểm cố định đồng thời tay đòn nhanh chóng chuyển động lên phía trên và pittông nén không khí trong xilanh. Không khí nén qua lố 6 theo ống 7 đặt bên trong cột cách điện lên đến tiếp điểm cố định B thì lưỡi dao phụ 11 tiếp tục chuyển động hồ quang sẽ xuất hiện giữa tiếp điểm cố định 12 và tiếp điểm động 13 và được luồng không khí nén dập tắt trong lỗ 14. Nối máy ngắt vào hệ thống điện nhờ đầu nối 15 . Bộ truyền động được thực hiện bằng tay hay tự động bằng hơi. Ưu điểm của máy ngắt tự động bằng hơi là kết cấu đơn giản , vững chắc và máy ngắt làm việc lâu dài không phải kiểm tra , điều khiển đơn giản . Nhược điểm cơ bẳn của máy ngắt này là bộ truyền động phải có công suất lớn để cung cấp dòng không khí nén dập hồ quang. §5 – 3 Máy ngắt tự sinh khí Máy ngắt tự sinh khí có buồng dập hồ quang làm bằng chất rắn dưới tác dụng của hồ quang chất rắn này sinh khí để dập tắt hồ quang. Thiết bị dập hồ quang của máy ngắt này là một buồng có những bức tường làm từ vật liệu tự sinh khí tạo ra rãnh dập hồ quang. Khí do bức tường phân tích ra dưới tác dụng của hồ quang có áp lực cao thổi vào hồ quang với tốc độ lớn và khi dòng điện đi qua trị số không hồ quang sẽ được dập tắt

Hình 5 -5 Khí thổi dọc và thổi ngang trong buồng vật liện rắn tự sinh khí Khỉ thổi phụ thuộc vào kết cấu thực tế của buồng , tuỳ vị trí lỗ thổi của buồng tương quan với trục chuyển động tiếp điểm động mà có thể chia loại thổi dọc và loại thổi ngang ( hình 5- 5 ) Một số vật liệu tự sinh khí được sử dụng như phíp, thuỷ tinh hữu cơ , nhựa, uyarê CONH2CO … Khả năng sinh khí của những vật liệu này và thành những phần khí khác nhau do nó sinh ra ở bảng 5 – 1

Thành phần khí

Phíp đỏ Uyarê thuỷ tính hữu cơ

Cm3 % Cm3 % Cm3 % CO2 CO H2

70,32 682,5 468,43

5,29 51,34 35,24

125,13 584,88 294,15

7,9 35,03 18,58

105,82 955,64 587,35

5,07 47,71 27,18

130

H2O Tổng cộng

108,07 1329,32

8,13 100,00

609,32 1613,48

38,49 100,00

418,3 2067,11

20,04 100,00

Qua sự phân tích trên thì phíp đỏ và thuỷ tinh hữu cơ sản ra khí ô xy các- bon- nit, CO2( muội than) là ít hơn và riêng thuỷ tinh hữu cơ có lượng khí lớn nhất hực tế cho thấy rằng vai trò chủ yếu để dập tắt hồ quang trong thiết bị tự sinh khí là cường độ tạo thành khí và hướng thổi Dập tắt hồ quang sẽ đạt được trong trường hợp nếu năng lượng hồ quang bằng hay lớn hơn giá trị A: hq 1W hqk I A ( 5-1)

Ihq – dòng điện hồ quang ( dòng điện ngắt ). Công nhận rằng điện áp phục hồi không đổi và bằng: Uph k = k1 sẽ có: . .ph hqk U I A ( 5-2)

Theo 5-1 và 5-2 có thể xác định được chiều dài tới hạn cảu hồ quang mà hồ quang phải kéo dài để đảm bảo dập tắt nó trong điều kiện đã cho. Chiều dài hồ quang phụ thuộc vào giá trị dòng điện và đường kính rãnh sinh khí. Điẹn trở tác dụng của hồ quang bằng: Rhq = Rhq1.lhq Trong đó: Rhq1 - điện trở một đơn vị chiều dài hồ quang Năng lượng hồ quang được tính như sau:

2 2hq 1A =I . . . .hq hq hq hqR t I R l t ( 5-3)

t- thời gian nửa chu kỳ. Có thể viết:

21 .hq hq hq ph hqI R l t kU I

Vậy: 1

phhq

hq hq

Ul k

I R t ( 5-4)

Nhận thấy rằng chiều dài hồ quang tỉ lệ thuận với điếp áp phục hồi và tỷ lệ nghịch với dòng điện ngắt và điện trở trên một đơn vị chiều dài hồ quang.

Bằng thực nghiệm người ta đã xây dựng đường cong hqR f t đối với đường

kính rãnh khác nhau và tìm chiều dài tới hạn của hồ quang, như vậy ;à xác định hình trình tối thiểu của tiếp điểm. Thực nghiệm cho thấy rằng khi rãnh 6-8 mm thì dập tắt hồ quang tốt nhất khi dòng điện từ một đến một vài trăm Ampe. Khi ngắt dòng điện lớn hơn thì dập hồ quang bằng luồng thổi ngang là hợp lý hơn cả. Trong thiết bị dập hồ quang của máy ngắt tự sinh khí thì thuỷ tính hữu cơ, khi bị mòn nó được thay thế. Thuỷ tinh hữu cơ dập tắt hồ quang tốt nhất nhưng độ bền cơ không cao. Hình 5-6 là máy ngắt phụ tải tự sinh khí 6-10 KV dòng điện ngắt định mức vào khaỏng 400 – 2000A ( kiểu BH-16) và công suất ngắt 4- 30 MVA. Máy ngắt được đặt thẳng đứng và theo dạng bên ngoài tương tự như dao cách ly ba cực.

131

Hình 5-6. máy ngắt phụ tải tự sinh khsi ở 10 KV

Trên khung chung gắn chặt sáu sứ cách điện , ở sứ cách điện trên đặt buồng dập hồ quang 5 với tiếp điểm cố định chỉnh 2 có dạng vấu và tiếp điểm dưới gắn toàn bộ tiếp điểm di động, mỗi một tiếp điểm có dạng lưỡi dao hai nửa vòng cung 3, giữa chúng là lưỡi dao dập hồ quang 4 dài hơn. Ở vị trí đóng lưỡi dao 1 kẹp vấu tiếp điểm 2. Truyền chuyển động từ trục đến lưỡi dao chính kéo cách điện . Khi đóng tiếp điểm chính 1 và 2 tiếp xúc chậm sau tiếp điểm dập hồ quang và khi ngắt thì tiếp điểm dập hồ quang ngắt sau, ở đó sẽ phát sịnh ra hồ quang. Tốc độ ngắt của tiếp điểm được cung cấp bằng hai lò xo ngắt 6 đặt trên khung. Truyền động được thực hiện bằng tay hai điện tử. Buồng dập hồ quang của máy ngắt này là sử dụng theo nguyên lý thổi dọc ( hình 5-7). Vách buồng được xây dựng từ hai nửa vật liệu chất dẻo 5 ghép lại và bên trong có hai tấm 8 làm bằng thuỷ tinh hữu cơ thành rãnh 9. Gắn chặt hai nửa của vách buồng bằng đinh ốc. Tất cả vách buồng và tiếp điểm chính cố định 2 được đặt trên sứ cách điện. Tiếp điểm cố định 2 nối mềm với tiếp điểm dập hồ quang 7 nó được bắt chặt trên lò xo bằng thép.

Hình 5-7. buồng dập hồ quang thổi dọc làm bằng vật liệu rắn tự sinh khí của máy ngắt phụ tải Khi đóng, lưỡi dao dập hồ quang 4 đi vào rãnh 9 nằm trong buồng dập hồ quang và khớp vào tiếp điểm dập hồ quang cố định. Khi ngắt, hồ quang phát sinh ở giữa các tiếp điểm dập hồ quang được kéo vào bên trong rãnh 9 giữa các tấm thuỷ tinh hữu cơ, khi đó sinh ra khí và tạo trong buồng một áp suất khí cao. Khi lưỡi dao 4 chuyển động trong buòng, khí chảy ra ngoài chỉ qua khe rãnh giữa lưỡi dao và tấm thuỷ tinh. Như vậy đã tạo được khí thổi dọc qua hồ quang , hồ quang bị làm lạnh ráo tiết và bị dập tắt. Máy ngắt phụ tải ở 6-10 KV có cầu chì dây chảy cũng tương tự như vậy, công suất ngắt vào khoảng 200 MVA . Cầu chì chính được đặt ở phía trên còn phía dưới là phần máy ngắt. Hình 5-8 là máy ngắt loại này có bộ truyền động bằng tay ( loại BH

132

-16) .Máy ngắt phụ tải ơ rhình 5-6 và 5-8 ở điện áp 6-10 KV có vùng thải khí vào khoảng 200 -500mm. Hình 5-9 là buồng dập hồ quang của máy ngắt thổi khí ngang. Cấu tạo của nó như sau: giữa hai tấm ghi- chi- nát 1 lắp vào tấm đệm textôlis 2 hình chữ và hai tấm 3 bằng thuỷ tinh hữu cơ. Bên trong buồng có hai rãnh dọc và ngang. Trong rãnh dọc đặt tấm lót 4 có thể thay là thuỷ tinh hữu cơ và tấm chắn 5 có hai lò xo giữ 6. Buồng đwocj đóng chắc bằng những gu đông 7. Bên trên tấm 3 đặt tiếp điểm động 8 và tiếp điểm cố định 10. Ở hốc gắn vào van 12 chỉ mở một chiều cho không khí chảy vào thẻ tích 13.

Hình 5-8. Máy ngắt phụ tải tự sinh khí 6-10 KV có càu chì và bộ truyền động bằng tay. 1. Sứ trụ 2. Bộ truyền động bằng tay 3. Tay đòn nối từ bộ truyền động đến máy ngắt 4. Bộ tiếp điểm 5. Thiết bị dập hồ quang 6. Lưỡi dao chính 7. Đầu nối máy ngắt đến thanh góp 8. Cầu chì dây chảy Khi đóng tiếp điểm động chuyển động giữa những tấm 3 rồi qua tấm chắn 5 và cuối cùng tiếp xúc với tiếp điểm cố định 9. Khi ngắt lưỡi dao tiếp điểm động từ từ rời khỏi tiếp điểm cố định 9 và chuyển dộng xuốgn phía dưới , hồ quang sẽ phát sinh giữa vòng và lưỡi dao tiếp điểm động. Lưỡi dao chuyển động về phía dứoi kéo dài hồ quang vào giữa tấm lót 4. Dưới tác dụng của hồ qaung thuy tinh hữu cơ phát sinh ra một lượng khí rất lớn . Khi áp suất đủ lớn sẽ mở van 12 và hơi dồn vào thể tích 13. Pá suất dần dần tăng, đến khi tiếp điểm động đi qua, khỏi rãnh thổi ngang, khí sẽ thổi ngang vào hồ quang vaàlàm lạnh ráo riết hồ quang, hồ quang được dập tắt. Thời gian hồ quang cháy không quá 2.5 nửa chu kỳ. Thể tích 13 đóng vai trò rất quan trọng khi dập tắt hồ quang và là thể tích đệm.\ Nhược điểm cơ bản của tất cả các máy ngắt tự sinh khí đã được nghiên cứu là công suất ngắt nhỏ, chỉ sử dụng ở trạm trong nhà, thiết bị dập hồ quang bị chảy mòn phải thay thế luôn.

133

Hình 5-9. buồng dập hồ quang thổi ngang Tính toán đặc tính cơ bản của thiết bị dập hồ quang của máy ngắt tự sinh khí khi có phần tương tự như thiết bị dập hò quang của máy ngắt dầu. Sơ đồ để tính toán thiết bị dập hồ quang tự sinh khí thổi hỗn hợp có rãnh tiết diện hình vành khăn ( hình 5-10)

HÌnh 5-10. để tính toán áp lực trong thiết bị dập hồ quang tự sinh khí Trong phần trên đã xác định đựoc thẻ tích đệm V0 . Khi ngắt tiếp điểm động chuyển động xuốgn phía dưới, hồ quang phát sinh trong rãnh tiết diện hình vành khăn và được kéo dài đến một khoảng nhất định, sau đó khi tuổi ngang vầo hồ quang và hồ quang bị dập tắt ( hình 5-10b). Nếu biết giá trị hành trình h1 ( hình 5-10 a) thì năng lượng hồ quang đến thời điểm mở lỗ thoát khí tính theo:

1hq1 axW hq m

hE I

( 5-5)

Theo 3-17 và 5-5 áp lực trong buồng sẽ là:

11 1 ax

0

hq m

RT hp k E I

V ( 5-6)

Giá trị T và Ehq phụ thuộc vào kích thước của rãnh sinh khí của thiết bị dập hồ quang. Tính k1 theo công thức thực nghiệm với rãnh tròn vật liệu phíp thì:

10

1 ax1 3

2,64.10

.m

hq

h Ik

d E

( 5-7)

d- đưòng kính trong cảu ống , cm Khi tính toán theo 5-6 có thể lấy:

01000 15000T K 150 /hqE V cm

Tính toán áp suất khí trong buồng sau khi mở lỗ thoát khí có thể tính theo ( 3-30) và nhận:

134

® 0 onstbV V c

Áp suất khí trong buồng tại thời điểm cuối nửa chu kỳ tương tự như 3-33 và có dạng:

2( )n

nP P a e a

( 5-8)

2 2

211 ax

0

0

1

1

a=

. . . , / .

2 20,5 .

1 1

hq m

tt

k

tt

hk R T E I KG cm s

V

F

V

kgRT

k k

F- tiết diện ngang của lỗ thổi, cm2

Trong trường hợp hồ quang cháy ổn định áp suất trong buồng dập hồ quang đối với mỗi nửa chu kỳ khí ngắt có thể nhận P a . Để tính toán phục hồi độ bền điện

cũgn như sử dụng các công thức 3=40 và 3-48. Tuy nhiên độ bền điện khí thấp hơn độ bền đệin của không khí và có thể lấy: Usk = 0,5 .Uskk Uskk - độ bền điện của không khí nén Thời gian dập hồ quang và công suất ngắt được xác định tương tự như đối với máy ngắt dầu. § 5-4. Máy ngắt chứa khí nén ê-lê-gát Máy ngắt loại này dập hồ quang bằng khí SF6 có áp suất không cao. Thiết bị dập hồ quang của máy ngắt này được thực hiện trong dạng buồng kín, được đổ đầy khí ê- lê- gát có áp suất không cao và trong đó có chứa tiếp điểm dập hồ quang. Khí ê- lê- gát có khả năng dập hồ quang tốt và độ bền điện cao hơn của không khí. Khả năng đó của khí SF6 cho phép tạo ra những máy ngắt có dòng điện vài nghìn ampe, ngắt đảm bảo dòng điện điện dung không cháy lặp lại. Khí SF6 dưới tác dụng của hồ quang điện vài trăm ampe không mất tính chất cách điện của mình, hình 5-11 là sơ đồ buồng dập hồ quang có khí nén ê- lê- gát và thổi cưỡng bức. Buồng là xi lanh cách điện 3 bên trong nó theo dọc trục được phân bố tiếp điểm cố định 1 và tiếp điểm di động 2. Tiếp điểm động liên hệ với cơ cấu truyền động đặt bên trong một cái hộp ( hình vẽ không chỉ dẫn). Xi lanh 3 và cái hộp cơ cấu truyền động được bịt kín và chứa đầy khí nén ê-lê-gát. Thổi cưỡng bức được thực hiện nhờ pit tông 4 rời khỏi vị trí đóng, nén khí trong phần bên trái của xi lanh 3 và thưo hướng dòng 5 của khí chưa ion hoá qua lỗ giữa pit tông vào trong buồng dập hồ quang 6. Để tính độ bền điện phục hồi giữa tiếp điểm cảu thiết bị dập hồ quang bằng khí nén ê-lê-gat được thực hiện theo sơ đồ hình 5-11, có thể sử dụng công thức gần đúng sau:

135

(1 )t

Tph phsU U e

( 5-9)

Uph - độ bền điện phục hồi khoảng không gian Uphs - độ bền điện phục hồi khoảng không gian trong trạng thái lạnh khi áp suất khí và chiều dài khoảng không gian đã cho. t- thời gian sau khi dòng điện qua trị số không KS

T- hằng số thời gian làm lạnh, KS

Hình 5-11. nguyên lý dập hồ quang bằng khí nén ê-lê-gát và thổi cưỡng bức Độ bền khoảng không gian trong trạng thái làm lạnh Uphs phụ thuộc vào áp suất khí và chiều dài khoảng không gian. Thực nghiệm cho sự phụ thuộc này ở hiìn 5-12. Trên cơ sở thực nghiệm cho biết thời gian làm lạnh có thể bằng:

0,27. ,T P KS

p- áp suất tuyệt đối của khí, at

Hình 5-12 . sự phụ thuộc của điện áp phục hồi vào áp lực khi khoảng cách giữa các điện cực làm lạnh khác nhau đường kính 12 mm. 1- S= 2,4mm 2- S= 4,8 mm 3- S = 12,7 mm 4 – S = 25,4 mm Đối với máy ngắt không thổi cưỡng bức với tốc độ ngắt tiếp điểm không đổi v, thì chiều dài khoảng không gian là: S = v ( thq + t) [cm] ( 5-11) v- tốc độ không đổi của tiếp điểm động khi ngắt cm/ KS

Độ bền điện khoảng không gian giữa các tiế điểm khi ngắt dòng điện dung đến 400 A và một chỗ ngắt đơn giản có thể xác định theo công thức:

0,56 0,67lsd7,7. . [KV ]phU p v

v- tốc độ nhả của tiếp điểm , m/s HÌnh 5-13a là máy ngắt phụ tải chứa khí SF6 ở 35- 110 KV và dòng điện phụ tải ngắt 200 A, sử dụng ngắt nhiều lần ( không dưới 100 lần ngắt không phả isửa chữa) .Máy ngắt loại này là hợp số của thiết bị dập hồ quang và dao cách ly ( dao cách ly loại PAH- 35) có sứ cách điện quay được900

. Buồng dập hồ quang 1 cùng hộp cơ cấu

136

truyền động 2 đặt trên sứ cách điện quay 3, sứ cách điện 5 để gắn chặt tiếp điểm cố định của đòn bảy 8 đặt trên trục 9. Tiếp điểm động của dao cách ly 6 đựoc gắn chặt trên sứ cách điện quay 4 ở bên trái. Trên náp sứ cách điện của buồng gắn tiếp điểm ngoài 7, trượt theo lưỡi dao 6 khi nó chuyển động.

Hình 5-13. Máy ngắt phụ tải chứa khí nén ê-lê-gát ở 35-100 KV trạm ngoài trời a- trạng thái đóng b- quá trình ngắt c- trạng thái ngắt Ưu điểm của máy ngắt cơ khí ê-lê-gát là dập hồ quang tốt, không tổn hao khí, thể tích nhỏ và vận hành đơn giản. Nhược điểm của máy ngắt này là công suất ngắt nhỏ, buồng dập hồ quang yêu cầu phải thật kín, kiểm tra chặt chẽ áp suất khí trong vận hành. § 5-5. Máy ngắt chân không Máy ngắt chân không tạo ra quãng đứt trong mạch điện ở trong chân không cao ( 10-4 – 10-6 mm cột thuỷ ngân ) Chân không có hai đặc điểm cơ bản để sử dụng nó trong máy ngắt. 1) Độ bền điện cao 2) Phục hồi nhanh chóng độ bền cách đệin cảu khoảng trống hồ quang Tính chất này của chân không được giải thích với số lượng phân tử khí nhỏ, nghĩa là khả năng và dập ion hoá nhỏ. Đặc điểm này của chân không người ta đã biết từ lâu nhưng sử dụng nó để tạo ra khí cụ điện cao ápồcn hạn chế. Quá trình dập tắt hồ quang trong chân không mới đạt được ở mức độ nghiên cứu, nhưng có thể hiểu như sau: khi tiếp điểm tách rời nhau từ âm cực điện tử được giải phóng với tốc độ lớn nó phá huỷ dương cực, từ dương cực giải phógn ra những ion dương. Những ion dương này có tốc độ lớn chạy về phía âm cực, xẩy ra ion hoá trên bề mặt và giải phóng từ âm cực những điện từ. Tại thời điểm đầu tiện dòng điện hồ quang qua trị số không, hơi kim loại tiếp điểm chạy về phía trên trong bình chứa chân không. Do không có phần tử khí trong bình hơi kim loại khuyếch tán với tôc độ lớn, đảm bảo phản ion hoá nhanh và dập tắt hồ quang không cháy lặp lại lần thứ hai. Sau 10 KS dòng điện hồ quang qua trị số

không khi khoảng cách giữa các tiếp điểm còn nhỏ độ bền điện đã được phục hồi. VÌ vậy máy ngắt chân không có kích thước tương đối nhỏ.

137

Buồng chân không của máy ngắt là bình thuỷ tính đường kính vào khoảng 75- 100 mm và cao 200 – 300 mm. Bên trong nó tạo ra chân không cao và chứa tiếp điểm di động và cố định . Hành trình toàn phần của tiếp điểm động là vai mi –li- mét khi điện áp 110 KV hay cao hơn. Kết cấu máy ngắt chân không có thể tham khảo trong các tài liệu tương ứng. Chưong VI: Dao cách ly § 6-1. Khái niệm chung Dao cách ly là khí cụ điện để đóng và ngắt mạch điện áp cao không có dòng điện hay dòng điẹn rất nhỏ và đảm bảo cách ly thật rõ ràng trong mạch điện, nghĩa là khoảng không khí giữa tiếp điểm tĩnh và tiếp điểm động. Thực hiện việc ngắt mạch không có dòng điện, dao cách ly tách rời và cách ly các phần thiết bị điện áp cao cần sửa chữa hay kiểm tra với những phần mang điện áp. VÌ vậy dao cách ly đảm bảo an toàn cho nhân viên phục vụ khi làm việc ở phần mạch điện đó mà không ảnh hưởng đến những thiết bị khác làm việc bình thường. Dao cách ly còn có nhiệm vụ đổi nối trong sơ đồ phân phối điện, đổi nối thanh góp phân đoạn, nối đất đường dây và vv…Trong một vài trường hợp dao cách ly dùng để ngắt dòng điện nhỏ, dòng điện điện dung của đường dây tải điện khoảng vượt ngắn… Hiện nay sử dụng dao cách ly tự động tác động nhanh ở đang nối đất một cực ( hay ba cực ) được gọi là dao ngắn mạch và ba cực cảu dao cách ly phân ly. Liên hợp những dao cách ly tự động tác động nhanh này trong trường hợp riêng cho phép thay thế máy ngắt. Dao cách ly không có thiết bị dập hồ quang nên không đựơc phép ngắt dòng điện phụ tải cũng như dòng điện ngắn mạch , vì như : sẽ phát sinh hồ quang trên tiếp điểm dao cách ly dẫn đến ngắn mạch giữa các pha và nguy hiểm lớn đến nhân viên phục vụ. Nguyên lý cấu tạo và tác động của dao cách ly bao gồm những phần tử cơ bản như sau: tiếp điểm cố định 1 đựơc nối vào mạch dòng điện; tiếp điểm di động 2 thường gọi là lưỡi dao ; sứ cách điện 3 dùng để cách điện những phần dẫn điện với đất; khung 4 dùng để lắp cách điện và cho phép đặt toàn bộ kết cấu cảu dao cách ly lên tường , nên,vv…Về mặt kết cấu một tiếp điểm cố định được nối với trục quay của lưỡi dao như sư đồ nhình 6-1. Thực hiện đóng mở bằng cách quay lưỡi dao 2 để tiếp xúc hoặc tách rời với tiếp điểm cố định khác không đối với trục quay của con dao và gọi là tiếp điểm làm việc chính. Mạch dòng điện trong trạng thái đóng của dao cách ly được chỉ ra theo mũi tên . Trạng thái ngắt của dao cách ly là vị trí mở của tiếp điểm động theo vạch chấm chấm. Tác động vào lưỡi dao 2 , nghĩa là đógn và ngắt nó thực hiện bằng tay hay bằng cơ cấu truyền độngđiều khiển bằng tay hay nguồn năng lượng khác ( bộ truyền động bằng điện hay băng hơi).

138

Hình 6-1. Sơ đồ nguyên lý một cực cảu dao cách ly kiểu chém Kết cấu khác nhau cơ bản của dao cách ly là đặc tính chuyển động của lưỡi dao, ngoài ra khác nhau theo điện áp định mứca ( 3, 6, 10 KV..) theo dòng điện định mức ( 100, 400, 600 A,.) theo số cực : một cực hay ba cực; theo loại thiết bị : thiết bị để trong nhà hay ngoài trời; theo khả năng điều khiển : điều khiển bằng tay hay bừng nguồn năng lượng bên ngoài; theo đặc tính của thiết bị: lưỡi dao ở trạng thái đứng hay nằm; theo số sứ cách điện trong một cực: một sứ , hai hay ba sứ; theo có hay không có dao nối đất và vv… Dao cách ly ba cực được chế tạo với sự bố trí tất cả các cực tỷên một khung chung hay nỗi cực trên một khung riêng. Trong trường hợp sau các cực cùng nối với trục hay thanh kéo nhằm mục đích ngắt hay đóng , đồng thời cả ba cực. Thường dao cách ly ba cực có khung chung sử dụng ở điện áp đến 35 KV, vì rằng ở điện áp cao hơn khoảng cách giữa các cực lớn hơn nên dùng khung chung thì cồng kềnh. Dao cách ly cần phải chịu dòng điện định mức lâu dài, dòng điện quá tải ngắn và khi ngắn mạch mà nhiệt độ phát nóng không vượt quá nhiệt độ phát nóng cho phép ( bảng 1-1 và 1-2 ) .Ngoài ra còn phải có đủ độ bền nhiệt và điện động. Tiếp điểm dao cách ly có nhiều dạng khác nhau nhưng tiếp xúc mặt và đường được sử dụng nhiều hơn cả. Dao cách ly có dòng điện định mức lớn để giảm phát nóng tiếp điểm phải sử dụng áp lực lớn đặt lên tiếp điểm. Khi dòng điện vào khoảng N000 Avà lớn hơn , lưỡi dao của dao cách ly không phải là một tấm hay hai tâm song song, mà là bốn hay sáu tấm tiết diện hình chữ nhật, tiết diện hình chậu hay tiết diện tròn ( hình 6-2).

Hình 6-2. Hình dạng lưỡi dao cảu dao cach sly ở dòng điện định mức lớn. a) Dạng một dãy tấm song song b) Dạng hai dãy tấm song song c) Tiết diện hình chậu d) Tiết diện hình chậu hai dãy song song đ) Tiết diện tròn Kết cấu đơn giản nhất của lưỡi dao là dạng một dãy tấm song song ( hình 6-2) . Song trong trường hợp này sự phân bố mật độ dòng điện giữa các tấm sẽ không đều nhau do ảnh hưỏng tương tác của chúng. Điều này xác định theo đường cong thực nghiệm hình 6-3. Kết quả dòng điện định mức tăng không tỉ lệ với số lượng tấm.

139

Khi sử dụng dao cách ly có lưỡi dao bố trí như bình 6-2b thì sự phân bố mật độ dòng điện đều hơn trường hợp một dãy tấm song song. Do đó dòng điện cho phép của lưỡi dao cao hơn. Sự phân bố dòng điện tốt hơn cả khi lưỡi dao có tiết diện hình chậu hay hình tròn.

Hình 6-3. Đường cong thực nghiệm sự phân bố mật độ dòng điện theo dạng một dãy tấm sogn song của lưỡi dao của dao cách ly khi tiết diện tấm 60 10 mm; dòng điện 600 A. Để đảm bảo cho thiết bị chịu được nhiệt độ cao và tránh cho tiếp điểm của dao cách ly bị hàn dính và lưỡi dao tự văng ra do lực điện động cần phải có lực nén vào tiếp điểm lớn và trong một vài trương hợp phải có lực nén vào tiếp điểm lớn và trong một vài trường hợp phải tăng tiết diện của lứỡi dao. Song, do tăng lực nén vào tiếp điểm nên dẫn đến phải tăng lực ngắt và đóng. Vì vậy đối với dao cách ly có dòng điện ngắn mạch xuyên qua rất lớn người ta sử dụng nhiều biện pháp để tránh hàn dính tiếp điểm, Ví dụ sử dụng khoá hãm điện từ để tăng lực nén vàp tiếp điểm. Khi dòng điện ngắn mạch lớn chảy qua mạch của dao cách ly ( hình 6-1) sẽ sinh ra mọt lực kéo mạch thành này theo một đường thẳng và làm biến đổi các phần tử của dao cách ly. Do tương tác của dòng điện chảy trong tiếp điểm và lưỡi dao nên phát sinh lực điện động P. Lực này tác dụng lên lưỡi dap tạo ra mô men M = Pl, quay lưỡi dao theo chiều kim đồng hồ, nghĩa là làm văng lưỡi dao ra nếu lực P vượt quá lực nén lên lưỡi dao và tiếp điểm cố định. Để xác định lực tác dụng lên lưỡi dao cảu dao cách ly do sự tác dụng tương hỗ giữa các pha có thể sử dụng công thức sau:

2

81 22 2

.2,04 . [2 . (1 )]10th

i i h hP l h arctg a

h a a [KG]

Trong đó: i1 , i2 – giá trị dòng điện chảy trong pha 1 và 2, A l- chiều dài lưỡi dao, cm h- chiều cao lưỡi dao, cm a- khoảng cách giữa hai pha, cm Lực Pth tính toán theo công thức tác dụng thẳng góc với mặt phẳng lưỡi dao làm uốn cong lưỡi dao và sứ cách điện. Trên hình 6-4 là khoá cơ khí có lò xo khi đóng, khoá móc vào mấu của tiếp điểm tĩnh không cho dao cách ly tự động ngắt do tác dụng của lực điện động. Khi ngắt dao cách ly, khoá này được giải phógn nhờ vào cách điện, tác dụng vào tay quay gắn trên cùng một trục với móc khoá.

140

Khoá hãm điện từ cơ bản là sử dụng lực điện động tương tác vào giữa hai dòng điện cùng chiều nhằm mục đích tăng lực ép chặt lưỡi dao vào tiếp điểm khi có dòng ngắn mạch chảy qua.

Hình 6-4. Khoá cơ khí của lưỡi dao cách ly 1) Lưỡi dao 2) Tay quay 3) Móc khoá 4) Lò xo 5) Sứ cách điện Khoảng cách giữa các tiếp điểm kho mở phải lớn hơn ( khoảng 10 -15 % ) khoảng cách giữa những phần dẫn điện và khoảng cách giữa cực với những phần nối đất , để đam rbảo an toàn cho nhân viên phục vụ , vì khi phát sinh quá điện áp thì phóng điện sẽ xảy ra ở giữa những phần dẫn điện và những phần nối đất mà không ở giữa các tiếp điểm khi mở. Khoảng cách nhỏ nhất giữa các tiếp điểm khi mở của cùng một cực được xác định bằng giá trị điện áp khô. Sứ cách điện của dao cách ly phải chịu được lực uốn do lực điện động tương tác giữa các phần tử. Lực uốn cho phép của sứ cách điện dùng trong dao cách ly ở bảng 6-1 bảng 6-1: Lực uốn cho phép của sứ cách điện Dòng điện định mức của dao cách ly (A)

Điện áp định mức của dao cách ly ( KV)

Lực uốn cho phép không nhỏ hơn (KG)

Đói với thiết

220, 250, 400, 600 1000, 1500, 2000 2000, 3000, 4000

5000, 6000 600. 1000

Đối với thiết 200, 400, 600 200, 40, 600

600 1000, 2000 600, 1000

2000 600, 1000

bị trong nhà 3, 6, 10, 15, 20, 35

10, 15, 20, 35 10, 15, 20

20 110

bị ngoài trời 3 , 6

10 35 35

110, 150 110 210

375 750

2000 3000 250

350 500 500

1000 300 500 250

Độ bền cơ khí của doa cáh ly thẻ hiện ở số lần đógn ngắt mà dao cáh ly chịu được mà không bị nóng và vẫn đảm bảo làm việc bình thường. Đối với dao cách ly của Liên Xô thì tiêu chuẩn số lần đóng ngẳt như sau: a) Đối với dao cách ly ở điện áp 110 KV và cao hơn thì không nhỏ hơn 100 lân.

141

Nếu điều khiển bằng bộ truyền động dao cách ly còn chịu đựng thêm hơn 25 lần đóng ngắt, kho bộ truyền động co điện áp cao nhất ( đối với bộ truyền động điện từ) hay áp lực cao nhất ( đối với bọ truyền động bằng hơi) § 6-2. Kết cấu cau dao cách ly Tuỳ thuộc vào đặc tính chuyển động của tiếp điểm động ( lưỡi dao) dao cách ly có thể chia ra: 1) Dao cách ly kiểu chém- lưỡi dao chuyển động trong mặt phảng song song với trục các sứ cách điện 2)Dao cách ly kiểu quay - lưỡi dao quay xung quanh trục của một sứ cách điện. 3) Dao cách ly kiểu lắc- tiếp điểm động chuyển động trong mặt phẳng qua các trục sứ cách điện của một cực. 4) Dao cách ly kiểu trượt- tiếp điểm động chuyển động tịnh tiến trong mặt phảng qua các trục sứ cách điện của một cực. 6-2-1. Dao cách ly kiểu chém. Dao cách ly kiểu chém được sử dụng rộng rãi hơn cả và được chế tạo với mọi cấp điện áp, dòng điện với thiết bị trong nhà và ngoài trời . Dao cách ly kiểu chém một cực trạm trong nhà sử dụng ở điện áp đến 35 kV. Kết cấu đơn giản và có nhiều dạng khác nhau như sau: a) Hai sứ trụ trên một cực b) một sứ trụ và một sứ xuyên trên một cực c) hai sứ xuyên trên một cưc d) hai sứ trụ và một sứ xuyên trên một cực cùng hai lưỡi dao Hình 6-5 la fdao cách ly một cực kiểu chém thiết bị trong nhà có hai sứ trụ với sự điều khiển bằng sào cách điện. Kết cấu loại này đơn giản và nó làm việc tương tự như sơ đồo hình 6-1. Trên đế đặt sứ trụ và trên nó có tấm tiếp điểm cố định 1. Hai tấm 2 của lưỡi dao quay trên trục 3 và kẹp chặt các tấm tiếp điểm cố định bằng lò xo 6. Đóng và ngắt dao cách ly nhờ saò cách điện móc vào lỗ 4 trên lưỡi dao. Góc quay của lưỡi dao khoảng 60 – 100 0 và được giới hạn bởi giá đỡ 5 gắn chặt vào trục quay. Dao cách ly một cực điều khiển bằng tay được sử dụng ở dòng điẹn định mức nhỏ hơn 600 A

Hình 6-5. một cực dao cách ly kiểu chém trạm trong nhà 10 KV 400 A . Điều khiển bằng sào cách điện. Trên hình 6-6 là hệ thống tiếp điểm của dao cách ly kiểu chém có khoá bằng từ. Khoá gồm hai tấm thép 10 lồng voà trục 7 ép chặt lưỡi dao 2 vào tiếp điểm cố định bằng lò xo 6 và hcỗ lồi ra của tấm thép 10. Khi có ngắn mạch dòng điện chảy qua tấm lưỡi dao từ thông sẽ khép kín qua tấm 10 và khe hở không khí . Đường sức từ có xu hướng rút ngắn chiều dài nên tạo ra lực tác dụng ghì chặt lưỡi dao vào tiếp điểm cố

142

định . Nếu gọi P là lực điện từ tác dụng ttrên tấm khoá từ thì lực nén vào tiếp điểm cố định sẽ là:

1

bP P

a

Dao cách ly ba cực kiểu chém thiết bị trong nhà được chế tạo bằng cách lắp ghép ba dao cách ly một cực trên cùng đế chung vàcùng trục truyền động. Kết cấu tiếp điểm dao cách ly kiểu chém 5000 A có khoá điện từ giới thiệu ơ rhình 6-7. Tiếp điểm cố định 1 là hia nửa hộp bằng đồng dạng hình máng quay lại với nhau, còn lưỡi dao gồm bốn nửa hộp 2 cũng dạng hình máng . Lưỡi dao quay xung quanh trục 5 là nhờ cái đĩa 4 nối với trục của dao cách ly . Lưỡi dao ép chặt vào tiếp điểm cố định nhờ lò xo 6 lồng ngoài bu lông, giữa lò xo đặt tấm thép khoá từ 7 song song với lưỡi dao.

Hình 6-6. kết cấu tiếp điểm của dao cách ly kiểu chém với khoá bằng từ trạm trong nhà 6- 10 KV, 400 -600 A 1) Tiếp điểm cố định 2) TIếp điểm di động 3) Sứ trụ cách điện 4) Cái đĩa nối với trục của dao cách ly 5) Trục quay của lưỡi dao 6) Lò xo 7) Trục lò xo 8) Ổ trục 9) Mũ lò xo 10) Tấm thép cảu khoá bằng từ 11) Ống chặn 12) Rồng đèn

Hình 6-7. Kết cấu tiếp điểm cảu dao cách ly kiểu chém có khoá điện từ. 1. Tiếp điểm cố định 2. Tiếp điểm di động ( lưỡi dao) 3. Sứ cách điện 4. Cái đĩa 5. Trục quay của lưỡi dao 6. Lò xo 7. Tấm thép của khoá điện từ 8. Ống chặn 9. Mũ lò xo Kết cấu dao cách ly của thiết bị ngoài trời ở điện áp cao hơn thì lưỡi dao phải dài hơn, sứ cách điện phải cao hơn. Ví dụ dao cách ly ở điện áp 35 KV chiều dài lưỡi dao vào khoảng 700 mm và dao cách ly ở điện áp 500 KV là 5000 mm. Kích thước lưỡi dao và cách điện như vậy yêu cầu phải có lực đóng và ngắt lớn.

143

Để tăng cường độ bền cơ khí lưỡi dao được chế tạo trong dạng một hay nhiều ống đồng hay một vài thanh. Hình 6-8 là dao cách ly ngoài trời ở điện áp 35 KV có dao nối đất hay không nối đất do Liên Xô chế tạo và ký hiệu PAHz và ầH ( P- dao cách ly , A- tiếp xúc đường, H- sử dụgn trạm gnaòi trời, z- có dao nối đất) . Mỗi cực có ba sứ cách điện đặt chung trên đế 5 . Sứ cách điện ngoài 3 được cố định trên đế, còn sứ cách điện giữa 4 đặt trên ổ trục và có thể quay xung quanh trục của mình. Lưỡi dao 2 là một ống đồng một đầu dẹt hình quạt và một đầu gắn với cơ cấu 6 . Ở trạng thái đóng đầu dẹt của lưỡi dao nằm theo mặt phẳng ngang ăn khớp vào tiếp điểm cố định 1. Khi ngắt sứ 4 quay dẫn đến cơ cấu 6 chuyển động làm lưỡi dao cùng đầu dẹt hình quạt quay xung quanh trục của mình một góc 900 để đầu dẹt này nhả điểm cố định 1 và sau đó lưỡi dao được nâng lên một khoảng cần thiết. Nhờ quay như vậy những lớp băng tuyết đóng trên lưỡi dao và các chi tiết động rạn nứt rơi dần xuống. Khi đóng quá trình xảy ra theo trình từ ngược lại: lưỡi dao được hạ xuống tiếp xúc với tiếp điểm cố đinh. Khi đã nằm gọn trong tiếp điểm có định lưỡi dao quay quanh trục của mình một góc 90 độ ăn khớp vào tiếp điểm cố định . Như vậy bề mặt tiếp xúc được làm sạch và tạo được lực nén cần thiết vào chỗ tiếp xúc. HÌnh 6-8 là dao cách ly có dao nối đất 8 mắc vào một phái cảu dao cách ly. Dao nối đất quay quanh trục 10 và đóng vào tiếp điểm cố định 9 để nối đất đường dây. Ngoài ra còn có những dao cách ly có dao nối đất ở cả hai phía. TRuyền động cơ khí của dao nối đất được nối liên động với lưỡi dao chính cảu dao cách ly, khi dao nối đất mở thì dao cách ly ở trạng thái đóng. Kết cấu của dao cách ly kiểu chém điện áp khoảng 110 -220 KV đều có dạng tương tự như hình 6-8, nhưng mỗi sứ trụ và sứ quay gồm nhiều bát sứ chồng lên nhau như hình 6-9.

Hình 6-8. Dao cách ly kiểu chém trạm ngoài trời 35 KV, 600 A a) dao cách ly có dao nối đất b) dao cách l7 không có dao nối đất

144

Hình 6-9. Dao cách ly kiểu chém trạm ngòai trời 220 KV 600 và 1000 A có dao nối đất. 1. Tiếp điểm cố định của dao cách ly 2. Lưỡi dao của dao cách ly 3. Sứ trụ 4. Dao nối đất 5. Tiếp điểm cố định cua dao nối đất 6. Trục quay cảu dao nối đất 7. Đế 6-2-2 . Dao cách ly kiểu quay Dao cách ly kiẻu quay được sử dụng ở điện áp 35- 380 KV và dùng ở trạm trong nhà hay ngoài trời, mõi cực của nó được đặt trên một đế riêng. Lưỡi dao của dao cách ly kiểu quay trong quá trình ngắt quay gần đến phần dẫn điện của cực khác, vì vậy khoảng cách giữa các cực trong dao cách ly kiểu quay lớn hơn so với dao cách ly kiểu chém cùng một cấp cách điện. Mỗi cực của dao cách ly kiểu quay có thể có một hay hai chỗ ngắt trong mạch. Cực của dao cách ly có một chỗ ngắt gồm hai sứ trụ điện, trong đó có thể là cả hai cùng quay hay một quay một cố định . Hình 6-10 là dao cách ly quay 60 KV ( hãn AEG- cộng hoà dân chủ Đức). Mỗi cực của dao cách ly gồm hai sứ cách điện quay, trên đó có lưỡi dao quay và đầu vào cua rdây dẫn điện.

Hình 6-10. Dạng bên ngoài của dao cách ly kiẻu quay 60 KV trạm ngoài trời. Khi đóng dao cách ly hai nửa tiếp điểm dạng móng nhọn khớp vào nhau và quay một góc nhỏ hướng ngược với lực tác dụng của lò xo đựt bên trong của lưỡi dao. Tiếp điểm quay làm xoắn lò xo tạo r alực nén cần thếit để pgá vỡ những lớp băng tuyết trên lưỡi dao. Bộ truyền động bằng hơi chung cho cả ba cực được đặt trên đế. Dao cách ly kiểu quay 110- 380 KV sử dụng ở trạm trong nhà và ngoài trời , kết cấu cũng tươgn tự như hình 6-20 nhưng chí khác nhau về chiều cao, hình dạng bên ngoài của sứ cách điện và chiều dài lưỡi dao. Khi cần thiết dao cách ly kiểu này được trang bị thêm dao nối đất. Ngoài dao cách ly hai cột kiểu quay còn có dao cách ly kiểu hình V ( hình 6-11) . Dao cách ly hình V có đế gang bên trong gắn chặt ổ trục của cả hai trụ quay và bộ truyền động bằng hơi. Đế gang được đặt trên bệ dạng ống tương đối dài ( với thiết bị phân phối 110 KV chiều dài của bệ vào khoảng 2,6 m)

145

Hình 6-11. Dao cách ly hai trụ kiểu quay và dao cách ly hình V 110 KV , 600 A So sánh giữa dao cách ly hình V và dao cách ly hai trụ hình 6-11 thấy rằng dao cách hình V chắc chắn hơn và chiếm diện tích ít hơn. Dao cách ly hình chữ V có thể trang bị lưỡi dao nối đất. Dao cách ly kiểu quay với hai chỗ ngắt trên một cực gồm có ba trụ sứ: hai trụ ngoài cố định vf trụ giữa quay . Lưỡi dao được gắn chặt trên sứ trụ cố định. Khi đóng hay ngắt dao cách ly thì đồng thời cả hia chỗ ngắt cùng đóng hay ngắt. Để tăng cường độ bền cơ khí của sứ trụ quay khi có dòng điện lớn hay điện áp rất cao người ta sử dụng hai cột cách điện quay. Ưu điểm của dao cách ly kiểu quay là kết cấu đơn giản và chỉ có hai trụ cách điện ( khi một chỗ ngắt trên một cực ). Nhược điểm của kiểu này là mô men uốn và khoảng cách giữa các cực lớn, các đầu nối với dây dẫn cũng phải quay trong quá trình đóng ngắt nên dây dẫn bị xoắn. 6-2-3. Dao cách ly hiểu lắc Dao cách ly kiẻu lắc được sử dụng ở điện áp nhỏ hơn hay bằng 35 KV đối với trạm trong nhà và ngoài trời. Mỗi cực của dao cách l kiểu lắc có một hay hai sứ trụ lắc đặt trên trục quay. Trên sứ trụ này gắn tiếp điểm động. Dao cách ly thực hiện đóng hay ngắt bằng cách cho sứ trụ lắc qua lại.

Hình 6-12 giới thiệu dao cách ly kiểu lắc 35 KV thiết bị ngoài trời. Mỗi cực gồm hai sứ trụ cùng tiếp điểm động và một sứ lắc gắn tiếp điểm động. Tiếp điểm cố định chính ở bên trái. Dòng điện chảy từ tỉếp điểm động qua tiếp điểm tĩnh bên phải nhờ dây nối mềm. Ở những kết cấu dao cách ly có hai sứ lắc thì không có sứ trụ. Trên các sứ lấc này gắn tiếp điểm của dao cách ly . Thường thường một tiếp điểm có dạng hình cầu còn tiếp điểm khác dạng hình máng. Ở trạng thái mở, mỗi sứ cách điện nằm nghiêng về một bên. Còn ở trạng thái đóng, tiếp điểm hình cầu ăn khớp sâu vào tiếp điểm hình máng.

146

Hình 6-12. Dao cách ly kiểu lắc 35 KV trạm ngoài trời 1. Sứ trụ 2. Sứ lắc 3. Tiếp điểm di động 4. Dây nối mềm Dao cách ly kiẻu lắc so với dao cách ly kiểu chém có thẻ tích nhỏ hơn ( khi ngắt lưỡi dao không chuyển động lên trên ) và lưỡi dao không bị văng ra dưới tác dụng của lực điện động. Nhược điểm của dao cách ly kiểu lắc là ở điện áp cao hơn 35 KV có dây nối mềm dài. 6-2-4. Dao cách ly kiểu trượt Dao cách ly kiểu trượt thường sử dụng ở các trạm ngoài trời điện áp 220 Kv và cao hơn. Mỗi cực của dao cách ly gồm hai sứ trụ đặt trên một đế chung ( hình 6-13) , một sứ trụ được bắt cố định trên đế còn một trụ nhờ bánh xe nhỏ trượt trên đường ray bắt chặt lên đế. Đóng hay ngắt dao cách ly được thực hiện bằng cách sứ động trượt đến gần sứ cố định ( hay tuột ra khỏi ) . Sứ trượt la fnhờ bộ truyền động bằng động cơ điện.

Hình 6-13. Dao cách ly kiểu trượt 380 KV 1- Đế 2- Trụ sứ cố định 3- Trụ sứ trượt 4- Tiếp điểm cố đinhj 5- Tiếp điểm di động 6- Đầu nối lấy điện 7- Dao nối đất 8- Bộ truyền động bằng động cơ điện

147

9- Bộ truyền động của dao nối đất. Dao cách ly kiểu trượt có kích thước nhỏ hơn so với dao cách ly kiểu chém vf kiểu quay cùng cấp điện áp nhưng kết cấu tương đối phức tạp và truyền động chậm hơn. 6- 2-5. Trình tự tính toán dao cách ly Trình tự tính toán kết cấu dao cách ly theo điện áp định mức, dòng điện định mức, dòng điện ổn định nhiệt và dòng điện ổn định điện động như sau: 1. Xác định tiết diện ngang ( các kích thước ) của tiếp điểm đông theo giá trị dòng điện định mức khi làm việc dài hạn. 2. Tìm điện trở của lưỡi dao với nhiệt độ phát nóng cho phép trong chế độ làm việc dài hạn, trong đó chiều dài của lưỡi dao được nhận bằng đường dòng điện trên nó. 3. Xác định điện trở tiếp xúc của tiếp điểm khi lựa chọn trước lực nén theo công thức: k- hệ số phụ thuộc vào vật liệu và trạng thái bề mặt tiếp điểm m- hệ số kiểu tiếp xúc 4. Xác định điện trở của phần dẫn điện là tổng số điện trở của tiếp điểm và lưỡi dao. 5. Xác định sự phát nóng giữa những phần dẫn điện khi dòng điện định mức chảy qua lâu dài và so sánh với giá trị cho phép. 6. Xác định dòng điện ổn định nhiệt, giá trị nhận được phải so sánh với giá trị dòng điện ổn định cho phép. 7. Theo dòng điện xuyên qua giới hạn cho phép cho trước xác định lực điện động tác dụng trên lưỡi dao của dao cách ly. 8. Kiểm nghiệm độ bền cơ khí của các chi tiết trong dao cách ly 9. Tính toán cách điện của dao cách ly. § 6-3. Dao cách ly ngắt dòng điện nhỏ Dao cách ly còn được dùng để ngắt dòng điện nhỏ: dòng điện không tải của máy biến áp điện lực công suất nhỏ, dòng điện điện dung của đường dây không tải có khoảng vượt ngắn và điện áp 35 KV,vv…Ví dụ dao cách ly có thể ngắt được dòng điện không tải của máy biến áp có: Điện áp 10 KV công suất 0.75 MVA 20 KV - 3.2 MVA 35 KV - 7.5 MVA 110 – 220 KV - 10 MVA Trong thời gian gần đây do việc sử dụng tram phân phối điện không có máy ngắt ở phía cao áp nên dao cách ly có nhiệm vụ ngắt dòng không tải của máy biến áp điện lực với tất cả các thang công suất, dòng điện điện điện dung của đường dây không tải, dòng điệ cân bằng của mạch vòng, vv… Công suất giới hạn của máy biến áp không tải cho phép đóng và ngắt bằng dao cách ly có thể mở rộng bằng hai phương pháp: bù điện kháng của máy biến áp không tải bằng cách mắc thêm tụ điện tinh và dao cách ly thường kèm thiết bị dập hồ quang. Nguyên lý làm việc của dao cách ly thường kèm thiết bị dập hồ quang gồm: bình chứa không khí nén với áp suất 6 – 10 atm, ống thổi và van để mở cho không khí nén

148

từ bình chứa chảy vào ống khi tiếp điểm dao cách ly mở ra. Khoảng cách cách điện của ống thổi được chọn với khả năng quá điện điện áp (vào khoảng 4 – 6 Upha) Ở những trạm phân phối không có hệ thống nén không khí có thể sử dụng bình chứa sẵn không khí nén thể tích 30 – 40 atm với áp suất 6 – 10 atm. Khi dùng hết không khí nén thì thay bình khác.

Hình 6 – 14. Sơ đồ một cực của dao cách ly kiểu chém trạm ngoài trời kem thiết bị thổi. 1- Tiếp điểm cố định chính 2- Lưỡi dao. 3- Sứ cách điện 4- ống thổi nối với bình nhông khí nén.

§ 6 – 4. Dao phân ly và dao ngắn mạch

Dao phân ly là khí cụ dưới tác động của thiết bị bảo vệ tự động ngắt nhanh những phần sự cố khỏi lưới điện khi không có dòng điện. Dao ngắn mạch dùng để tạo ra ngắn mạch chạm đất nhân tạo, tác động tự động nhanh khi có sự cố trên lưới điện. thiết bị này tạo ra ngắn mạch với đất khi máy biến áp có sự cố để máy ngắt ở đầu đường dây tác động ngắt. Dao phân ly ngắt tự động còn dao ngắn mạch đóng tự động. Dao phân ly và dao ngắn mạch làm việc phải theo trình tự nhất định. Trong trường hợp máy biến áp nào đó có sự cố, rơle bảo vệ sẽ đưa tín hiệu cho dao ngắn mạch đóng ngắn mạch với đất, sau đó máy ngắt đặt ở đầu đường dây ngắt nguồn điện, cuối cùng dao phân ly đặt ở trước biến áp bị sự cố tác động ngắt máy biến áp này ra và máy ngắt lại đóng lại cung cấp điện cho những hộ không có sự cố. Vì vậy dao phân ly chỉ được ngắt khi không có dòng điện trong mạch nên thời gian ngắt của dao phân ly được xác định từ lúc máy ngắt ở đầu đường dây phía nguồn ngắt đến lúc đóng lặp lại thời gian này vào khoảng 0,5 – 0,8 s. Thời gian đóng của dao ngắn mạch không lớn hơn 0,3 – 0,5 s. Hình 6-15 a là sơ đồ nối dây của trạm cuối có hai máy biến áp được một đường dây cung cấp. Hình 6- 15 b là trạm có hai máy biến áp được hai đường dây song song

149

cung cấp. Mỗi máy biến áp nối vào đường dây qua dao phân ly PL, giữa chúng đặt dao ngắn mạch NM. Máy ngắt MN chỉ được đặt ở đầu đường dây phía nguồn. Dao phân ly được sử dụng ở điện áp 35 KV và cao hơn dòng điện định mức 600 – 1000 A và cao hơn ở trạm trong nhà và cả ngoài trời.

Hình 6-15. Sơ đồ nối trạm giảm áp với đường dây tải điện bằng dao phân ly và dao ngắn mạch. Kết cấu dao phân ly trên cơ bản tương như dao cách ly kiểu chém hay kiểu quay, chỉ khác là dao phân ly tác động nhanh và thường chế tạo ở ba cực Theo phương pháp điều khiển dao phân ly có thể chia ra: a) Ngắt bằng bộ truyền động điều khiển từ xa ( lò xo , hơi, điện từ …) và đóng bằng tay. b) Đóng và ngắt bằng bộ truyền động điều khiển từ xa. Dao phân ly ba cực của Liên Xô ở điện áp 35- 220 Kv, 600 – 1000A trạm ngoài trời , hình thành trên cơ sở dao phân ly hai trụ kiẻu quay ( hình 6-16). Ba cực của dao phân ly được ghép với nhau và cùng được điều khiển bằng một bộ truyền động qua thanh kéo chung. Dao phân ly ngắt tự động và đóng bằng tay tác động nhanh nhờ năng lượng của lò xo. Dao phân ly được duy trì ở vị trí đóng bằng bộ truyền động điện từ đặc biệt, khi có tín hiệu ngắt khớp rơi tự do của cơ cấu truyền động sẽ nhả và dao phân ly sẽ ngắt tự động. Dao phân ly còn dùng để đóng và ngắt máy biến áp không tải.

Hình 6-16. Dao phân ly 110 KV, 600 A trạm ngoài trời. Dao ngắn mạch được sử dụng với điện áp 35 Kv và cao hơn ở trạm trong nhà hay ngoài trời. Theo số lượng cực dao ngắn mạch chia ra loại một, hai, hay ba cực. Ở điện áp 35 Kv sử dụng dao ngắn mạch hai hay ba cực, với dao ngắn mạchba cực thì hai pha đóng trước pha thứ ba. Dao ngắn mạch ba cực chỉ được sử dụng ở những trrạm có

150

dòng điện ngắn mạch chạm đất nhỏ. Ở điện áp 110 Kv và cao hơn đối với hệ thống có trung tính nối đất thì sử dụng dao ngắn mạch một cực là hợp lý hơn cả. Theo phương pháp điều khiển dao ngắn mạch có thẻ chia ra: a) Đóng bằng bộ truyền động đièu khiển từ xa ( lò xo, điện từ và vv…) và ngắt bằng tay. b) Đóng và ngắt bằng bộ truyền động điều khiển từ xa.\ Kết cấu của dao ngắn mạch tương đối đơn giản. Hình 6-17 là dạng chung củ dao ngắn mạch ở điện áp 110 KV trạm ngoài trời. Trên đế đặt sứ trụ 3 cố định, ba bát sứ cách điện chồng lên nhau thành trụ 4, phần trên trụ này gắn tiếp điểm cố định 5, tiếp điểm di động là lưỡi dao được chế tạo bằng ống thép có mép phẳng. Một đầu cảu ống tiếp xúc với tiếp điểm cố định mạ đồng, còn đầu kia gắn vào trục quay trong ổ bi. Trục được nối với cơ cấu duy trì ở trạng thái ngắt nhờ bộ truyền động đặc biệt 1, thanh kéo nối với bộ truyền động bằng cách điện 7. Trong bộ truyền động có hai rơ le dòng điện cực đại và một nam châm một chiều. Dòng điện chảy từ lưỡi dao đến điểm nối đất nhờ dây nối mềm 6. Trong mạch nối đất của dao ngắn mạch đặt máy biến dòng đặc biệt 2. Nhờ có máy biến dòng này khi xuất hiện dòng điện ngắn mạch 500- 16000 A thì rơ le của bộ truyền động của dao phân ly sẽ làm việc có chọn lọc để mở dao phân ly khi đã loại trừ dòng điện ngắn mạch. Để chế tạo đựơc nhưng kết cấu dao phân ly và dao ngắn mạch chắc chắn và làm việc tin cậy, nên lắp ghép chúng trong một khí cụ trọn vẹn.

Hình 6-17. Dao ngắn mạch 110 KV trạm ngoài trời. § 6-5. Các bộ truyền động của dao cách ly Thiết bị đơn giản để điều khiển dao cách ly là sào cách điện, một đầu sào này bịt kim loại và khi đóng hay ngắt thì móc vào lỗ trên lưỡi dao của dao cách ly. Sào cách điện được sử dụng để điều khiển dao cách ly một cực và trong một vài trường hợp cho dao cách ly ba cực trạm trong nhà hay ngoài trời ở điện áp 35KV . Song ,điều khiển dao cách ly ba cực bằng sào cách điện không được sử dụng rộng rãi vì phải cần có lực lớn để đóng và ngắt. Điều khiển dao cách ly thường được sử dụng bằng bộ truyền động. Nhờ đó mà có thể điều khiển từ xa và tăng mức an toàn cho nhân viên vận hành.

151

Truyền động bằng tay kiểu đòn bẩy được sử dụng nhiều nhất để điều khiển dao cách ly có dòng điện định mức đến 3000 A. Trên hình 6-18 giới thiệu một trong những bộ truyền động bằng tay kiểu đòn bẩy trạm trong nhà. Đòn bẩy 2 có tay cầm 1 gắn trên trục 6 và có thể quay được. Một đầu của đòn bẩy nối vào thanh kéo 3 để liên lạc với hình quạt 5, còn hình quạt 5 quay xung quanh trục 7. Thanh kéo nối với đĩa qua trục 4. Trêb đĩa hình quạt có một số lỗ hổng , nhờ đó mà đòn bẩy được giữ vững ở những vị trí nhất định. Khi tay cầm chuyển động từ dưới lên trên là đóng và từ trên xuống dưới là ngắt dao cách ly. Góc quay của cần khoảng 90 đến 180 độ tuỳ thuộc vào kết cấu của bộ truyền động. Truyền động bằng tay kiẻu bánh lái được sử dụng với dao cách ly có dòng điện định mức cao hơn 200 A. Trong bộ truyền động này trục bánh lái được nối với trục của dao cách ly qua những khâu trung gian bằng hệ thống bánh răng. Quay bánh lái theo chiều kim đồng hồ là đóng dao cách ly còn ngắt thì quay ngược lại. Đối với dao cách ly có dòng điện định mức 3000 A và cao hơn thì sử dụng bộ truyền động bằng tay kiểu trục vít để điều khiển. Trong trường hợp này khi tay quay của bộ truyền động quay, cơ cấu trục vít sẽ truyền chuyển động đến thanh kéo của dao cách ly. Bộ truyền động bằng động cơ điện sử dụng để điều khiển những dao cách ly lớn không thể điều khiển bằng tay. Bộ truyền động bằng động cơ điện gồm có: động cơ điện một chiều hay xoay chiều ở điện áp 110 -380 V, cơ cấu truyền lực, các tổ hợp tiếp điểm.

Đóng hay ngắt dao cách ly được thực hiện bằng cách cho động cơ điện quay cùng một chiều hoặc đổi chiều, kéo trục vít quay theo chiều tương ứng và nhờ các thanh kéo làm chuyển động đòn bẩy trên trục dao cách ly. Khi dao cách ly đã đóng hay ngắt xong, động cơ điện tự động dừng lại nhờ tổ hợp tiếp điểm. Ví dụ động cơ điện loạ MPB được sử dụng với dao cách ly trạm trong nhà có dòng điện định mức 2000- 6000A và cơ cấu trục vít bánh răng 1.

Hình 6-18. Bộ truyền động bằng tay kiểu đòn bẩy

Hình 6-19 là sơ đồ nguyên lý của bộ truyền động bằng hơi. Khi pit tông chuyển động thì đòn bẩy truyền động 4 chuyển động và đẩy hay kéo thanh kéo 5 làm đòn bẩy và trục của dao cách ly chuyển động. Như vậy, dao cách ly sẽ được đóng hay được ngắt. Bộ truyền động tác dụng được là nhờ không khí nén do máy nén cung cấp.

152

Để loại trừ nhầm lẫn vè thao tác đóng hay ngắt, và ngắt hay đóng khi có dòng điện chảy trong mạch, người ta sử dụng một loạt thiết bị khoá an toàn giữa máy ngắt và dao cách ly. Thiết bị khoá an toàn này được đặt trong bộ truyền động của dao cách ly và không cho phép dao cách ly đóng hay ngắt thì trong mạch có điện.

Hình 6-19. Sơ đồ nguyên lý của bộ truyền động bằng hơi dao cách ly. 1- Xi lanh, 2 và 3- pit tông ngắt và đóng nối cứng với nhau, 4- đòn truyền động. 5- thanh kéo, 6- đòn bẩy truyền động của dao cách ly. 8- bộ van đóng, 9- bộ van ngắt, 10- Nút ấn để điều khiển, 11- nam châm điện, 12- bộ lọc. 13- ống dẫn khí nối máy nén . Chương VII: Máy biến dòng điện § 7-1. Khái niệm chung. Máy biến dòng điện thường gọi tắt là máy biến dòng ( m.b.d) có tác dụng : a) Bảo vệ dụng cụ đo lường và công nhân phục vụ khỏi điện thế cao của lưới điện. b) Cho phép đo lường năng lượng điện cao áp bằng dụng cụ đo lường hạ áp. c) Nguồn dòng cung cấp cho rơ le bảo vệ . Máy biến dòng có những đặc điểm cơ bản khác máy biến áp điện lực: 1) Chế độ ngắn mạch là chế độ làm việc bình thường của m.b.d, nhưng đối với máy biến áp là sự cố. 2) Khi làm việc cuộn dây thứ cấp của máy biến áp có thể để hở mạch, còn của m.b.d thì không cho phép vì sẽ sinh ra điện thế cao nguy hiểm cho công nhân phục vụ và cách điện của m.b.d. 3) Từ cảm của m.b.d thay đổi, còn của máy biến áp là một hằng số. 4) Dòng điện chảy trong cuộn thứ cấp của m.b.d không phụ thuộc vào phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào dòng điện sơ cấp, còn của máy biến áp hoàn toàn phụ thuộc vào phụ tải. 5) Phụ tải và sai số của m.b.d có quan hệ với nhau. Máy biến dòng có rất nhiều kiểu nhiều loại, có thể phân loại theo các dấu hiệu sau: 1) Theo tác dụng m.b.d có thể chia ra các nhóm sau:

153

a. Máy biến dòng đo lường b. Máy biến dòng cung cấp cho mạch bảo vệ ( bảo vệ so lệch, bảo vệ chạm đất, bảo vệ thứ tự không …) c. Máy biến dòng hỗn hợp ( đo lường và bảo vệ) d. Máy biến dòng thí nghiệm ( có nhiều hệ số bién đổi và cấp chính xác cao) đ. Máy biến dòng trung gian ( để nối hai m.b. có hệ số biến đổi khác nhau). 2) Theo nơi đặt m.b.d có thể chia: a. Máy biến dòng sử dụng trong nhà b. Máy biến dòng sử dụng ở trạm ngoài trời c. Máy biến dòng đặt ở các nơi đặc biệt, ví dụ trên tàu thuỷ, xe lửa điện, vv) 3) Theo số vòng dây cảu cuộn sơ cấp m.b.d có hai kiểu : a. Kiểu thanh hoặc một vòng dây b. Kiểu nhiều vòng dây Trong m.b.d kiểu thanh số vòng dây sơ cấp bằng một và có những dạng sau: 1. Máy biến dòng kiểu thanh góp ( hình 7-1 a) - cuộn dây sơ cấp A là một thanh góp hoặc ống dài xuyên qua cửa sổ lõi B. 2. Máy biến dòng kiểu chữ U ( hình 7-1 b) - cuộn dây sơ cấp hình chữ U, một nhánh xuyên qua cửa sổ lõi B 3. Máy biến dòng kiểu sứ xuyên ( hình 7-1 c) - bản thân m.b.d không có cuộn dây sơ cấp mà chỉ để sẵn lỗ cho sứ xuyên và thanh góp xuyên qua trong khi lắp ráp tại trạm. 4. Máy biến dòng lắp trong thiết bị khác ( hình 7-1 d) cuộn dây sơ cấp là thanh sứ đầu vào của máy ngắt hoặc củ máy biến áp, vv..

Hình 7-1. Các dạng máy biến dòng kiểu thanh a. m.b.d kiểu thanh góp b. m.b.d kiểu chữ U c. m.b.d kiểu chữ C d. M.b.d lắp trong thiết bị khác 4) Theo vật liệu cách điện giữa các cuộn dây m.b.d có thể chia ra: a. Sứ cách điện b. Bakialít c. Không khí và khí d. Giấy ngâm trong dầu đ. Nhựa đúc( êpoocxit),vv 5) Theo kết cấu m.b.d gồm có những nhóm sau: a. Máy biến dòng kiểu ống dây b. Máy biến dòng kiểu thanh góp c. Máy biến dòng kiểu bình d. Máy bíên dòng kiểu số 8

154

đ. Máy biến dòng kiểu chữ U e. Máy bíên dòng kiểu chữ C, vv… 6) Theo tần số công tác m.b.d có thể được chia ra : a. Máy biến dòng tần số công nghiệp ( 50 Hz) b.Máy biến dòng tần số biến thiên sử dụng trên tàu thuỷ. c. Máy biến dòng tần số 400 – 800 Hz, vv… Trên các hình 7-2, 7-3, 7-4, 7-5 và 7-6 giới thiệu sơ đồ kết cấu của một số kiểu m.b.d

Hình 7-2 .m.b.d kiểu đứng với cách điện nhựa đúc và

Hình 7-3. m.b.d kiểu nằm ngang với cách điện nhựa đúc

Hình 7-4. m.b.d kiểu 3T , 3 KV và 300/5 A

1. sứ cách điện 2.cuộn dây sơ cấp 3. tấm lót cách điện\ 4. Cuộn dây sơ cấp 5. lõi thép

Hình 7-5. m.b.d kiểu bình dầu. 1. lõi thép, 2. cuộn dây thứ cấp, 3. cách điện giữa các cuộn dây, 4. cuộn dây sơ cấp. Và hình 7-6. m.b.d kiểu nhiều vòng dây, cách điện nhựa đúc, lõi thép dai băng cuốn tròn.

155

§ 7-2. Vật liệu từ và kiểu lõi thép máy biến dòng 7-2-1. Vật liệu từ Người ta thường dùng các lá tôn mỏng khoảng 0,1 - 0,35 mm chứa hàm lượng silic từ 0,5 – 4,8 % ghép lại làm lõi m.b.d chất lượng tôn silic ảnh hưởng nhiều đến cấp chính xác m.b.d. Trong sản xuất m.b.d thường sử dụng các loại tôn silic nêu trong bảng 7-1 để làm lõi . bảng 7-1. Các loại tôn silic thường sử dụng làm lõi m.b.d Kí hiệu cũ

Kí hiệu mới

Độ dầy mm

Các đặc tính cơ bản

Lĩnh vực sử dụng

4A

4AA

41

42

0,35 0,35

Tôn hợp kim cao, ở tần số 50 Hz tổn hao binh thường Tôn hợp kim cao ở 50 Hz, tổn hao ít

Máy biến dòng đo lường và bảo vệ khi yêu cầu không cao, kích thước lớn

2B 45

47

0,35 Tôn hợp kim cao cán nóng, ở trường yếu ( < 0,01, AV/cm) và trường trung bình ( 0,1 – 10 AV/cm ), độ từ thẩm bình thường

m.b.d đo lường khi các đặc tính yêu cầu tăng cường

3B 46 48

0,35 Tôn hợp kim cao, cán nóng, ở trường yếu và trung bình độ từ thẩm cao

m.b.d đo lường khi các đặc tính yêu cầu tăng cường

XB 310 0,35 Tôn hợp kim tăng cường cán nguội, ở 50 Hz tổn hao bình thường, trong trường mạnh độ từ thẩm bình thường.

m.b.d đo lường và bảo vệ có cấp chính xác cao và kích thước nhỏ

XT18 XT18,5

320

330

0,35 0,35

Tôn hợp kim tăng cường cán nguội, ở 50 Hz tổn hao ít, trong trường mạnh độ từ thẩm cao Tôn hợp kim tăng cường cán nguội, ở 50 Hz tổn hao rất ít, trong trường mạnh độ từ thẩm cao

m.b.d bảo vệ có cấp chính xác cao và kích thước nhỏ

Bảng 7-2. Cường độ từ cảm Bm của một số loại tôn kĩ thuật điện

156

Ký hiệu tôn

Độ dày mm

Cường độ từ cảm Tesla B5 B10 B25 B50 B100 B300

41 42 310 320 330 44 44 44

0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,20 0,10

- - - - -

1,21 1,20 1,19

1,30 1,29 1,60 1,65 1,70 1,30 1,29 1,28

1,46 1,45 1,75 1,80 1,85 1,44 1,42 1,40

1,57 1,56 1,83 1,87 1,90

- - -

1,70 1,69 1,91 1,92 1,95

- - -

1,90 1,89 1,98 2,00 2,00

- - -

Bảng 7-3. Tổn hao suất trong tôn kĩ thuật điện Ký hiệu tôn

Đồ dầy mm

Tổn hao suất W/kg

P10/50 P15/50 P77/50 P7,5/400 P10/400

41 42 310 320 330 44 44 44

0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,20 0,10

1,35 1,2 0,8 0,7 0,6 - - -

3,0 2,8 1,75 1,5 1,3 - - -

- -

2,5 2,2 1,9 - - -

- - - - -

10,7 7,2 6,0

- - - - -

19,0 12,5 10,5

Trong đó: P10/50 : tổn hao suất ở 1 T và 50 Hz P10/400 : tổn hao suất ở 1 T và 400 Hz Các loại tôn silic lãm lõi máy biến dòng phải có những tính chất sau: 1) Với cường độ từ cảm nhỏ, khoảng vài phần nghìn tesla , độ từ thẩm phải cao, tính chất này cho phép có được sai số nhỏ và đặc biệt quan trọng đối với máy biến dòng đo lường. 2) Để đảm bảo cho m.b.d bảo vệ có bội số 10 % lớn yêu cầu độ bão hoà cao. 3) Độ từ thẩm cao và không đổi trong khoảng rộng 4) Tổn hao suất trong tôn nhỏ. Song, những yêu cầu trên còn phải thõa mãn tính kinh tế. Nếu có được những đặc tính tốt mà tăng trọng lượng kích thước gía thành cao thì cũng không phải phương án tối ưu. Trong thiết ké máy biến dòng thường phải sử dụng các đường cong từ hoá và góc tổn hao của tôn kĩ thuật điện. Các đặc tính này có thể tham khảo trên các hình 7-7, 7-8, 7- 9, 7-10. Mỗi loại tôn cho hai đặc tính tốt và xấu tương ứng với tôn chất lượng tốt và tôn chất lượng xấu.

157

Hinh 7-7. Các đường cong từ hoá cảu lõi hình xuyến kiểu dải băng làm bằng tôn

310

Hình 7-8. Các đường cong từ hóa của lõi hình xuyến kiểu dải băng. 1- 310 , 2-

42 tốt, 3- 42 xấu.

Hình 7-9. Các đường cong từ hoá của lõi hình xuyến kiểu dải băng làm bằng tôn

42 .

Hình 7-10. Đường cong góc tổn hao của lõi hình xuyến kiểu dải băng. 1- 310 , 2- 42 ( giá trị trung bình) 7-2-2. Kiểu lõi thép

158

Kết cấu lõi m.b.d có thể chia ra làm hia kiểu: 1) Kiểu dập- những lá tôn dập với hình dạng khác nhau rồi ghép lại thành khối. 2) Kiểu dải băng - cắt thành những dải băng dài rồi quấn lại thành hình xuyến hoặc hình ê- líp. Trên hình 7-11 giới thiệu một số hình dạng lá tôn của lõi kiểu dập. Kiểu này chí sử dụng đối với tôn silic cán nóng. Còn đối với các loại tôn cán lạnh thì lõi m.b.d thường là kiểu dải băng.

Hình 7-11

§ 7-3. Thiết kế máy biến dòng Yêu cầu và trình tự thiết kế m.b.d cũng tương tự như đối với máy biến áp điện lực. 7-3-1. Xác định kích thước lõi thép Trên cơ sở phương trình sức điện động và tiến hành một vài thay thế biến đổi nhỏ ta được công thức tính tiết diện lõi thép:

3

2

2

4,5.10

W m

EQ

B

( 7-1)

Trong đó: Q- tiết diện lõi thép, m2 W2 - số vòng dây thứ cấp Bm - cường độ từ cảm, trong thiết kế thường lấy khoảng 0,05 ÷ 0,08 tesla. Sức điện động thứ cấp bằng:

2 2

2 2 2 ® 2 ®mmE I r R x X ( 7-2)

Trong tính toán sơ bộ có thể lấy gần đúng 2 ®mr R và 2 ®mx X , do đó ta có:

2 22 2 ®m ®m2E I R X ( 7-3)

Trong đó: r2 và x2 - điện trở và điện cảm của cuộn dây thứ cấp. Rđm và Xđm - điện trở và điện cảm định mức của phụ tải. Sau đó căn cứ vào tiết diện lõi thép nhận được chọn các kích thước và tính chiều dầy lõi thép: a) Đối với lõi hình xuyến

2 e

Qb

D d k

( 7-4)

Trong đó: b- chiều dầy lõi thép D và d - đường kính ngoài và trong

159

ke - hệ số ép cặht các lá tôn thường lấy 0,8 ÷ 0,85 b) Đối với lõi hình chữ nhật

2 e

Qb

A a k

( 7-5)

Trong đó: (A- a)- chiều rộng của trụ lõi thép 7-3-2. Thiết kế dây quấn Cuộn dây cao áp (CA) hay sơ cấp (SC) thường quấn ngoài cuộn dây thứ cấp và dùng thanh dẫn hoặc dây bẹt ghép lại vì dòng điện sơ cấp thường rất lớn , còn cuộn dây hạ áp (HA)- dây tròn vì dòng điện thứ cấp nhỏ : 1,3 và 5A. Xác định tiết diện dây quấn theo:

®mIq

( 7-6)

Trong đó: - mật độ dòng điện phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố : vật liệu và kết cấu cuộn dây, mức độ làm lạnh,vv… Trong tính toán sơ bộ gía trị mật độ dòng điện lấy theo bảng 7-4. Tiết diện dây quấn phải lấy chẵn theo tiết diện tiêu chuẩn gần nhất nêu trong bảng 7-5 và 7-6. Bảng 7-5. Tiết diện và kích thước của dây đồng tròn

mm T, mm2

Cách điện 2 mm

Tăng trọng lượng %

mm T, mm2

Cách điện 2 mm

Tăng trọng lượng %

0,38 0,41 0,44 0,47 0,49 0,51 0,53 0,55 0,57 0,59 0,62 0,64 0,67 0,69 0,72 0,74 0,77 0,80 0,83 0,86

0,1134 0,132 0,1521 0,1735 0,1886 0,204 0,221 0,238 0,255 0,273 0,302 0,322 0,353 0,374 0,407 0,430 0,466 0,503 0,541 0,581

0,16 (0,26)

0,165

(0,265)

0,17 (0,27)

0,18 (0,28)

14 13,5 12

11,5 11 11 10 10 9,5 8,5 8,5 8,5 8 8

7,5 7,5 7 7

6,5 6,5

1,00 1,04 1,08 1,12 1,16 1,20 1,25 1,30 1,35 1,45 1,45 1,50 1,56 1,62 1,68 1,74 1,81 1,88 1,95 2,02

0,755 0,84 0,916 0,985 1,06 1,134 1,23 1,33 1,43 1,65 1,65 1,70 1,91 2,06 2,22 2,38 2,57 2,78 2,99 3,20

0,3 (0,40) 0,3 (0 40)

7,5 7 7 6,5 6 6 5,5 5,5 5 5 5 4,5 4,5 4 4 4 3,5 3,5 3,5 3

160

0,90 0,93 0,96

0,636 0,679 0,724

6 6

5,5

2,1 2,26 2,44 2,63 2,83 3,05

3,28 3,53

3,43 4,01 4,60 5,43 6,29 7,31 8,41 9,69

3 3 2,5 2,5 2,5 2,5 2 2

bảng 7-6. Kích thước và tiết diện dây đồng chữ nhật Trong thiết kế dòng điện sơ cấp định mức Idm là đại lượng cho trước, còn dòng điện thứ cấp định mức I2đm là đại lượng tiêu chuẩn thường dùng I2đm = 5A, ít dùng hơn I2đm = 2,5 và 10 A, đối với điện áp bằng và lớn hơn 220 KV để giảm tổn hao trong dây quấn nên dùng I2đm = 1A. Xác định số vòng dây thứ cấp theo: I1đm.W1 = I2đm .W2 Từ đây suy ra:

1dm 12

2dm

WW

I

I ( 7-7)

Đối với m.b.d kiểu thanh ( W1 = 1) thì :

1dm2

2dm

WI

I ( 7-7)

Thiết kế m.b.d kiểu nhiều vòng dây thì phức tạp hơn, viìphải chọn W1 hợp lý. Số vòng dây sơ cấp tăng sai số của m.b.d sẽ giảm, nhưng trọng lượng đồng và giá thành tăng. Cho nên phải chọn W1 sao cho kết hợp một cách hợp lý nhất giữa các mặt này. Hiện nay với tôn kỹ thuật điện chất lượng tốt ta có thể chọn I1đm trong khoảng 600 -900 A.vòng . § 7-4. Cách xác định điện kháng trong m.b.d. Điện trở thuần của các cuộn dây trong m.b.d được xác định bằng những phương pháp thông thường mà chúng ta đã nghiên cứu trong các giáo trình khác. Còn xác định điện kháng x thì phức tạp hơn, có thể xác định bằng phương pháp thí nghiệm hoặc bằng tính tóan. Ở đây ta chi nghiên cứu phương pháp tính toán. Điện kháng thứ cáp x2 được xác định theo công thức: 2 2x L ( 7-9)

Trong đó: - tấn số góc. L2 - điện cảm do từ thông tản sinh ra trong cuộn dây thứ cấp. Điện cảm L2 trong trường hợp hai cuộn dây cùng quấn trên một trụ có thể xác định theo công thức của kôgopstri

161

2 92 2

24 W . . .10 [H]

2 3

SI H

h

( 7-10)

Trong đó: - chiều rộng khe hở giữa hai cuộn dây, cm 2 - chiều dày của cuộn dây thứ cấp, cm h- chiều cao của cuộn dây, cm S- độ dài trung bình của tiết diện từ tản thứ cấp, cm H- hệ số điều chỉnh Rôgopski:

1 21Hh

( 7-11)

Công thức 7-11 chỉ sử dụng cho trường hợp các cuộn dây có chiều cao giống nhau. Nếu chièu cao của các cuộn dây khác nhau ( xem hình 7-12 ), thì hệ số H lấy theo bảng 7-7 của Golstay.

Hình 7-12.

Nếu trên lõi thép hình xuyến cuộn dây thứ cấp quấn dầy đặc lấp kín thì 2 0x .

Nếu quấn không lấp kín hết , thì điện kháng có thể xác định theo công thức:

2 62 2

3606,7 8 W .10 lg ,[ ]x H

( 7-12)

Trong đó: - góc được tạo thành bởi cuộn dây thứ cấp quấn trên lõi hình xuyến ( xem hình 7-13) H- độ dài quy đổi của đường từ tản [cm] , phụ thuộc vào đường kính trong d của lõi hình xuyến, có thể lấy theo quan hệ: d [mm] H < 150 a 150 – 400 a + b > 400 a + 2b

Hình 7-13. Sơ đồ để xác định điện kháng của cuộn dây thứ cấp quấn trên lõi hình xuyến.

162

Bảng 7-7. Hệ số điều chỉnh H cho trường hợp chiều cao của các cuộn dây khác nhau.

2 1

2

.100[%]h h

kh

2

h2

H

17 17 19 22 25

1,2 1,2 1,2 1,3 1,6

1,5 1,7 2,4 3,7 5,6

12,8 12,8 12,6 16,0 10,2

1,27 1,24 1,15 1,05 0,9

Trong tính toán m.b.d đôi khi cần biết điện kháng của cuôộn dây sơ cấp.Nếu cuộn dây này có dạng vòng hình chữ nhật ( hình 7-14) thì điện kháng xác định theo công thức của Sumeo:

21 1

-9

B.2. W {9,2.[Alg lg ]+

a+d

+3 A+B }.10 [ ]

Ax k f B

a d

( 7-13)

Trong đó: A, B, a và d- các kích thước cuộn dây sơ cấp, cm W1 - số vòn dây sơ cấp k- hệ số phụ thuộc vào kết cấu m.b.d Ở những kết cấu mà cuộn dây sơ cấp bị bao bởi các chi tiết là vật liệu từ tính, ( thép, gang ) thì k = 2, còn đối với cuộn dây sơ cấp bị bao bởi các chi tiết là vật liệu phi từ tính thì k = 1.

Hình 7-14.

§ 7-5. Cấp chính xác - đồ thị vectơ và phương trình sai số cảu m.b.d. 7-5-1. Cấp chính xác của m.b.d. Đối với m.b.d cấp chính xác thể hiện ơ rmức độ sai số vè dòng điện và góc là chỉ tiêu kỹ htuật quan trọng. Cấp chính xác này được xác định theo tiêu chuẩn quy định của nhà nước. Tiêu chuẩn của Liên Xô quy định về cấp chính xác của m.b.d có thể tham khảo bảng 7-8 và theo bảng này có thể vẽ được các hình 7-15 và 7-16 thể hiện vùng cho phép ( không gạch ) và cùng không cho phép.

163

Đặc tuyến sai số của m.b.d ứng với cấp chính xác của mình phải nằm trọn vẹn trong vùng cho phép. Nếu một phần hoặc toàn bộ đặc tuyến này nằm ngoài giới hạn quy định thì phải tiến hành hiệu chỉnh ). sai số bằng cách thay đổi số vòng dây thứ cấp hoặc áp dụng các biện pháp bù sai số ( xem § 7-6, và 7-8 )

Hình 7-15. Các giới hạn quy định của sai số dòng điện 11- cấp chính xác 0,2; 22- cấp 0,5, 33- cấp 1.

Hình 7- 16. Các giới hạn quy định của sai số dòng điện. 11- cấp chính xác 3 22- cấp chính xác 10. 7-5-2. Đồ thị vectơ và phương trình sai số. Để thiết lập phương trình sai số, dưới đây chúng ta sơ lược nghiên cứu cách dựng đồ thị vectơ của m.b.d. Trong trường hợp chung m.b.d gồm có cuộn dây sơ cấp với số vòng dây, cuộn dây thứ cấp có số vòng dây W2 và lõi L ( hình 7-17 ). Cuộn dây sơ cấp của m.b.d được mắc nối tiếp vào lưới điện, còn cuộn dây thứ cấp thì nối với phụ tải Z2 , ví dụ dụng cụ đo lường hoặc rơ le, vv.. Các đầu dây của các cuộn dây trong m.b.d Liên xô chế tạo thường ký hiệu:

164

Cuộn dây sơ cấp 1 2®Çu , èi cu

Cuộn dây thứ cấp 1 2®Çu H , èi Hcu

Khi dòng điện I1 chảy trong cuộn dây sơ cấp thì trên lõi L xuất hiện từ thông

cảm ứng trong các cuộn dây W1 và W2 sức điện động E1 và E2.

Hình 7-17. Sơ đồ mắ m.b.d vào mạch. Sức điện động thứ cáp E2 xác định theo:

. . . . .

2 2 2 22 2 2 ®m ®mE I x I r I R I X ( 7-14)

Trong trường hợp chung phương trình sức từ động có dạng:

. . .

1 2 01 2 0W W WI I I ( 7-15)

Trong đó : .

0 0WI - lực từ hoá, A.vòng

Hình 7-18. Đồ thị vec tơ của m.b.d Dựng đồ thị vec tơ của m.b.d tiến hành theưo trình tự sau:

a. Từ điểm o ( hình 7-18 ) đặt vec tơ - 2 2WI

.

b. Cũng từ điểm thứ cấp và cộng các vec tưo này ta được s.đ.đ E2 thoả mãn phương trình ( 7-14) Góc lệch pha giữa s.đ.đ E2 và dòng điện I2:

2 2 2 ®m 2 ®m

2 2 2 ®m 2 ®m

I xarctg arctg

x I X X

I r I R r R

( 7-16)

c. Dựng vec tơ từ thông sớm hơn s.đ. đ E2 một góc 900 , còn giá trị từ thông

xác định theo:

165

3

2

2

4,5.10.

WE

( 7-17)

Khi biết trước tiết diện lõi thép ta có thể xác định được cường độ từ cảm Bm và

theo các đường cong từ hoá tìm đựơc I0 W1 , góc tổn hao từ hoá 0 . Sau đó, từ 0 dựng

vec tơ 0 1WI hợp với vec tơ thành góc 0 .

d. Cộng vec tơ 2 2 0 1W íi WI v I ta được 1WI theo như phương trình ( 7-15) .

Từ đồ thị thấy rằng:

2 2 1 1 0W W Wsin +I I AB I

Sai số điện tính trong hệ tương đối phần trăm sẽ là:

2 2 1 1 0 1

1 1 1 1

W W W.100 sin .100 [%]

W W

I I II

I I

( 7-17)

Dấu (-) ở phía trước biểu thức thê rhiện m.b.d thường làm việc với phụ tải trở cảm.

Vì góc thường rất nhỏ 02 nên có thể lấy sin . Sai số góc có thề xác định theo:

0 1

1 1

0 1

1 1

BC Wsin = os + [rad]

OC W

WhoÆc = os + 3440

W

Ic

I

Ic

I

( 7-18)

Tổng trở phụ tải thay đổi thì sai số m.b.d cũng có những giá trị khác nhau. Phụ tải càng lớn sai số càng nhiều. § 7-5. Hiệu chỉnh sai số bằng cách thay đổi số vòng dây thứ cấp. Khi một phần hoặc toàn bộ đặc tuyến sai số dòng điện của m.b.d không năm trong giới hạn quy định, nghia xlà m.b.d thiết kế không đạt cấp chính xác thì phải tiến hành hiệu chỉnh. Vì thường phụ tải là trở cảm nên sai số dòng điện âm và khi hiệu chỉnh thì chỉ cần thêm một lượng sai số dương bằng cách giảm bớt số vòng dây thứ cấp một số vòng để đực tuyến sai số tịnh tiến lên phía trên lột vào giới hạn cho phép( xem hình 7-19). Không phải lúc nào phương pháp hiệu chỉnh này cũng thảo mãn chính xác yêu cầu, mà chỉ trường hợp:

tt t ( 7- 19)

mới đặt được cấp chính xác mong muốn. Đại lượng tt gọi là khoảng sai số tính toán và được xác định theo:

'120 '10tt I I ( 7-20)

Trong đó: '120I - giá trị sai số dương theo tiêu chuẩn ở 120 % dòng điện định mức.

'10I - giá trị sai số âm theo tiêu chuẩn ở 10 % dòng điện định mức (

xem hình 7-19) Còn đại lượng t thì mang tên khoảng sai số thực và được xác định theo:

10 120t I I ( 7-21)

166

Trong đó: 10I - giá trị sai số âm ở 10 % dòng điện định mức của đặc tuyến thực

120I giá trị sai số âm ở 120 % dòng điện định mức của đặc tuyến thực (

xem hình 7-19 ).

Xem hình 7-19 . Các đặc tuyến sai số dòng điện có hiệu chỉnh và không hiệu chỉnh của m.b.d cấp chính xác 1. Để thiết lập phương trình tính sai số có hiệu chỉnh ta cũng sẽ dựa vào đồ thị vec tơ trên hình 7-18. Chiếu các vec tơ sức từ động lên trục OAB ta có phương trình:

1 1 2 2 0 1W os I W W sinI c I ( 7-22)

Chia cả hai vế của phương trình này cho I1 W1 :

2 2 0 1

1 1 1 1

W Wos sin

W W

I Ic

I I ( 7-23)

Để thuận tiện cho tính toán ta ký hiệu:

0 1

1 1

Wsin

W

I

I ( 7-24)

Và phương trình ( 7-23) có dạng mới:

2 2

1 1

Wos

W

Ic

I ( 7-25)

Vì góc rất nhỏ, nên cos 1 ta có thêểviết lại phương trình ( 7-25) như sau:

2 2

1 1

1 12

2

W1

W

W( 1)

W

I

I

II

( 7-26)

Thay giá trị I2 từ phương trình này vào công thức ( 7-17) và sau khi biến đổi ta được:

2®m

2

W1 1

W.100 [%]

1hcI

( 7-27)

Trong đó: hcI - sai số dòng điện có hiệu chỉnh.

Nhân và chia vế phải phương ( 7- 27 ) cho 1 , nghĩa là:

167

22®m

2

W1 1

W.100 [%]

1hcI

( 7-28)

Vì giá trị rất nhỏ nên có thể bỏ qua 2 ở tử số và ở mẫu số của phương ( 7-

26) , ta được:

2®m 2

2

W W100

WhcI

( 7-29)

Theo điều kiện hiệu chỉnh chỉ giảm bớt một số vòng dây thứ cấp, nên ở mẫu số của ( 7-29) có thể thay W2 bằng W2đm và ký hiệu: 2®m 2 2W W W ( 7-30)

Ta có: 2

2®m

100.100 W [%]

WhcI

( 7-31)

Đại lượng 2®m

100

W gọi là gia vòng dây khi có hiệu chỉnh.

Thay giá trị từ 7-25 và phương trình này cuối cùng ta được phương trình tính

sai số dòng điện có hiệu chỉnh:

0 12

1 1 2®m

W 100sin .100 W [%]

W Whc

II

I

( 7-32)

So sánh phương trình với phương trình tính sai số dòng điện chưa hiệu chỉnh ( 7-17) thấy rằng ở vế phải của phương trình tính sai số dòng điện có hiệu chỉnh có thêm thành phần sai số dương. Như vậy, đặc tuyến sai số dòng điện có hiệu chỉnh sẽ tịnh tiến theo chiều dương song song với đặc tuyến chưa hiệu chỉnh. § 7-7. Quan hệ giữa sai số và các thông số tính toán kết cấu của m.b.d. Các thông số tính toán kết cấu của m.b.d gồm có: I1đm W1- sức từ động sơ cấp của m.b.d gồm có. ltb - chiều dài trung bình của đường sức từ. Q- tiết diện lõi thép Z02 - tổng trở của mạch thứ cấp. Để làm rõ các thông số này ảnh hưởng đến sai số của m.b.d như thế nào, ta phải thiết lập phương trình thể hiện quan hệ giữa chúng với nhau. Do các thông số tính toán kết cấu quan hệ với sai số của m.b.d thông qua đường cong từ hoá, cho nên dùng phương pháp giải tích để mô tả thì không thể hoàn toàn chính xác mà chỉ gần đúng. Trong tính toán sai số của m.b.d ta chỉ thường dùng đoạn đầu của đường cong từ hoá khoảng từ 0 đến 0,7 Tesla, và đoạn đường cong này có thể được thể hiện bằng công thức gần đúng:

mH B ( 7-33).

Thực nghiệm cho biết rằng hệ số phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng sắt từ, còn số mũ hầu như không thay đổi đối với tất cả các loại tôn kỹ thuật điện thông thường.

Ví dụ: đối với tôn silic ký hiệu hai con số: 0,6 - đối với tất cả các laọi tôn silic thông thường.

0,55 - đối với tôn silic thông thường loại tốt.

168

0,02 - đối với loại trung bình 1,1 - đối với loại xấu. Để khảo sát chúng ta lấy số liệu của tôn silic loại trung bình với

0,5 µ =0,32.v

Thay vào công thức 7-33 ta được:

0,60,82. mH B ( 7-34)

Và từ đây suy ra:

0,60 1¦W . 0,82. .tb m tbI H l B l ( 7-35)

Mặt khác theo công thức ( 7-1 ) ta có:

33

2®m 022

2 2

4,5.104,5.10

W Wm

I ZEB

Q Q

( 7-36)

Nhân tử số và mẫu số cảu phương trình này cho I2đm = 5A và nhân I2đm W2 I1đm W1 ta được:

02

1®m 1

0,1125

Wm

ZB

QI ( 7-37)

Thay giá trị Bm này vào ( 7-35):

0,6020 1

1®m 1

0,1125W 0,82. ( )

Wtb

ZI l

QI ( 7-38)

Sử dụng công thức tính sai số ở ( 7-17 ) và thay thế I0 W1 bằng giá trị này ta được:

0,602

1®m 1 1®m 1

0,82. 0,1125.( ) .sin .100

W Wtbl Z

II QI

Sau khi biến đổi cuối cùng ta được phương trình thể hiện quan hệ giữa sai số và các thông số tính toán kết cấu m.b.d.

0,6

021,6 0,6

1®m 1

0,221.. .sin .100

( W )tbl Z

II Q

( 7-39)

Cũng tương tự như vậy, đối với sai số góc ta có:

0,6

021,6 0,6

1®m 1

0,221.. . os .3440

( W )tbl Z

cI Q

( 7-40)

Hai công thức 7-39 – và 7-40 này có giá trị thực tế quan trọng thiết kế hệ thống mạch từ của m.b.d. Sử dụng các công thức này người thiết kế dễ dàng quyết định thay đổi thông số nào với mức độ nào để có được cấp chính xác yêu cầu của m.b.d. Tăng sức từ động sơ cấp định mức là phương pháp tăng độ chính xác, giảm sai số của m.b.d có hiệu quả nhất. Nhưng lượng tiêu hao đồng cung tăng ( đồng là vật liệu đắt tiền ). Do đó, khi sử dụng phương pháp này phải kết hợp vơi mặt kinh tế cho phuùhợp. Giảm chiều dài đường sức từ trung bình ltb cũng cho hiệu quả khá, nhưng không thể giảm đến vô cùng vì còn phải đảm bảo cho cuộn dây sơ cấp, cuộn dây thứ cấp và cách điện giữa chúng lọt cửa sổ mạch từ. Phương pháp này được sử dụng tốt khi chất lượng cách điện tốt cho pháp giảm độ dầy cách điện. Tuy nhiên phép tăng tiết diện lõi thép Q cho hiệu quả kém hơn hai phương pháp trên, nhưng lại là phương pháp đơn giản nhất và có tính kinh tế hơn. Cho nên, trong thực tế thường được áp dụng và đôi khi lại là phương pháp duy nhất như đối với m.b.d kiểu thanh, vì sức từ tồng sơ cấp định mức không thể thay đổi được.

169

§ 7-8. Bù sai số máy biến dòng. Những phương pháp giảm sai số mà chúng ta đã nghiên cứu ở trên không phải luc nào cũng đạt yêu cầu cấp chính xác cao. Giảm sai số bằng cách tăng tiết diện lõi thép cho hiệu quả kém và nhiều trường hợp không kinh tế. Cho nên đã từ lâu người ta đã nghiên cứu được những phương pháp hoặc sơ đồ để giảm sai số với vốn đầu tư ít gọi là bù sai số m.b.d. Trong một số trường hợp tuy phải chi thêm vốn đầu tư cho bù sai số, nhưng lại đảm bảo cho kích thước của máy nhỏ hoặc đạt được cấp chính xác cao mà các biện pháp khác không thể đạt được. Các phương pháp bù sai số có thể chia ra các nhóm sau: Nhóm I- bù sai số bằng biện pháp tuyến tính hoá đường cong từ hoá của lõi thép. Nhóm II – bù sai số bằng kích từ lõi thép. Nhóm III – phương pháp bù trực tiếp Nhóm IV- bù sai số góc bằng phương pháp quay véctơ dòng điện. Nhóm V – phương pháp điều khiển dòng từ tản Dưới đây chúng ta nghiên cứu sơ lược một số phương pháp bù sai số m.b.d. thường gặp. 7 – 8 – 1 Bù sai số bằng biện pháp tuyến tính hoá đường cong từ hoá lõi thép Rất dễ dàng chứng minh sai số m.b.d có quan hệ với độ từ thẩm của lõi thép.

Với mục đích này ta viết công thức sức từ hoá lõi thép dưới dạng sau:

0 1W m tbtb

B lI Hl

Thay giá trị này vào công thức sai số ở (7 - 17) ta có:

1 1

sin( ).100m tb

dm

B lI

I W

(7 - 41)

Như vậy sai số dòng điện của m.b.d tỉ lệ nghịch với độ từ thẩm , mà độ từ thẩm

sắt từ lại thay đổi tuỳ thuộc giá trị từ cảm. Với từ cảm nhỏ thì độ từ thẩm nhỏ dẫn đến sai số m.b.d lớn, còn ở từ cảm trung bình thì độ từ thẩm lớn nên sai số m.b.d nhỏ và ở đoạn sắp bão hoà độ từ thẩm lại nhỏ nên sai số m.b.d lại lớn. Để khắc phục điều này ta sử dụng phương pháp tuyến tính hoá đường cong từ hoá. Phương pháp tuyến tính hoá đường cong từ hoá lõi thép là tổng hợp hai phương pháp: điều chỉnh độ từ thẩm ở từng đoạn trên đường cong này và thay đổi số vòng dây thứ

cấp. Dựa vào nguyên lý này năm 1929 Vilson đã đề xuất một số sơ đồ bù sai số m.b.d. Một trong những sơ đồ đó giới thiệu trên hình 7 – 20. Cuộn dây thứ cấp được chia làm hai phần không bằng nhau - phần chính 2 được đặt trên cùng một trụ với cuộn dây sơ cấp, còn phần phụ bên cạnh. Trên cửa sổ lõi thép giữa hai phần của cuộn dây thứ cấp đặt sun từ 5 bằng lõi thép permalloi.

170

Hình 7-20

Khi dòng điện sơ cấp nhỏ, nghĩa là cường độ từ cảm nhỏ, thì m.b.d sẽ làm việc nhhư sau:

a) Từ thông khép kín theo đường ngắn nhất qua sun từ có độ từ thẩm lớn, do đó dẫn đến giảm được sai số m.b.d.

b) Ngoài ra, cuộn dây thứ cấp chỉ có phần chính 2 tác động. Như vậy là sử dụng phương pháp điều chỉnh sai số bằng cách giảm số vòng dây thứ cấp.

Dòng điện sơ cấp tăng kéo theo cươngd độ từ cảm tăng, sun từ permalloi bão hoà rất nhanh và phần lớn từ thông chảy sang trụ bên có đặt cuộn phụ, do đó làm tăng số vòng dây thứ cấp. Khi dòng điện sơ cấp đủ lớn thì hầu hết từ thông khép kín qua trụ bên, hệ số biến đổi m.b.d làm việc như trong trường hợp không bù sai số mà sai số đa số đủ nhỏ Để thấy rõ hiệu quả của phương pháp bù sai số này só thể tham khảo hình 7 – 21

Song chế tạo m.b.d bù sai số bằng sun từ permalloi tương đối khó va permaloi lại là kim loại hiếm. Cho nên sơ đồ bù sai số này rất ít áp dụng trong thực tế nhưng dựa trên nguyên lý này người ta đã phát minh ra nhiều kết cấu sai số cho m.b.d.

Hình 7-22

171

Một số bù sai số khác của Vilson được sử dụng trong thực tế giới thiệu trên hình 7 – 22. Trên lõi thép có lỗ a chia đoạn mạch từ ở đấy làm hai nhánh song song b và c. Trên nhánh b quấn một số vòng dây để bù sai số. Số vong dây này được mắc nối tiếp

cùng chiều với cuộn dây thứ cấp 0W . Cho nên từ thông 3 của các vòng dây trên nhánh

b cùng chiều với từ thông chính của cuộn dây thứ cấp và ngược chiều với từ thông từ

hoá 0 . Ngoài ra từ thông 3 còn khép kín trên nhánh c cùng chiều với từ thông từ hoá

0 . Như vậy, ta có :

Trên nhánh b : 0 3b

Trên nhánh c : 0 3b

nghĩa là trên nhánh b là khử từ, còn trên nhánh c là kích từ . Khi dòng điện sơ cấp nhỏ do trên nhánh c kích từ nên cường độ từ cảm và đoạn lõi thép này làm việc ở vùng có độ từ thẩm lớn(vùng I trên hình 7 - 23). Cho nên khi dòng điện sơ cấp nhỏ(ví dụ khoảng 10% dòng điện định mức)thì hầu hết từ/từ hoá

0 chạy qua nhánh c và như vậy các vòng dây bù sai số không tham gia sinh ra sức điện

động thứ cấp.

Hình 7-23

Khi dòng điện sơ cấp lớn(gần định mức)do nhánh c kích từ nên cường độ từ cảm ở đó chuyển sang vùng bão hoà (vùng III trên hình 7 – 23 ) Và m.b.d làm việc ở vùng có độ từ thẩm lớn(vùng II)..Như vậy khi dòng điện sơ

cấp lớn thì phần lớn từ thông 0 chạy qua nhánh b có quấn các vòng dây bù 3W , do đó

làm tăng hệ số biến đổi và dẫn đến giảm được sai số m.b.d Trong kết cấu thực của m.b.d kiểu thanh số vòng dây bù 3W chiếm khoảng 1 –

2% số vòng dây thứ cấp 2W .

7 – 8 – 2 Bù sai số bằng cách kích từ lõi thép Để kích từ lõi thép hoặc có thể dùng nguồn ngoài hoặc sử dụng ngay dòng điện trong nội bộ m.b.d. A – kích từ bằng nguồn ngoài Như trên ta đã nói sai số m.b.d có quan hệ với độ từ thẩm . Nêú ở vùng dòng

điện nhỏ (cường độ từ cảm nhỏ)mà có thể tăng độ từ thẩm lõi thép thì nhiệm vụ bù sai

172

số coi như được giải quyết. Để đạt được mục đích này người ta dùng phương pháp kích từ lõi thép khi dòng điện sơ cấp có giá trị nhỏ. Dựa vào ý này Liovit đã đưa ra sơ đồ bù sai số m.b.d như sau : Lõi thép của m.b.d gồm có hai nửa hệ thống mạch từ hoá hoàn toàn giống nhau và quấn trên đó ba cuộn dây :sơ cấp 1 2 , thứ cấp 1 2U U và phụ 1 2B B .(hình 7 – 24 ).

Hình 7-24

Cuộn dây phụ chia làm hai phần, mỗi phần cuộn dây được quấn trên trụ bên của mỗi loại thép và đấu nối tiếp ngược chiều nhau rồi mắcvào cuộn xoay chiều ngoài Cuộn dây sơ cấp và cuộn thứ cấp cùng được quấn cùng chiều trên hai trụ của lõi thép. Như vậy cuộn dây phụ có nhiệm vụ đảm bảo kích từ lõi thép khi cần thiết, mà không phát sinh sức điện động cảm ứng trong các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp. Hiệu quả của phương pháp này có thể tham khảo hình 7 – 25. Song phương pháp bù sai số bằng kích từ nguồn ngoài không đuợc sủ dụng rộng rãi, vì phải thêm nguồn năng lượng ngoài.

Hình 7-25

Trong trường hợp cần thiết ví dụ m.b.d dùng trong phòng thí nghiệm cần có cấp chính xác cao cũng có thể áp dụng phương pháp này. B - Tự kích từ Bù sai số m.b.d bằng tự kích từ lõi thép có ưu điểm là không cần nguồn năng lượng goài mà sử dụng ngay dòng điện chạy trong các cuộn dây để kích từ lõi thép. Khoảng năm 1927 – 1932 AEP, Val, Gôlstây đã áp dụng phương pháp này vào trong sản xuất m.b.d .Sơ đồ kích từ của AEP còn gọi là sơ đồ phân tử hóa. Sơ đồ này

173

tương đương với sơ đồ có hai m.b.d với hệ số biến đổi khác nhau mắc nối. Sơ đồ điện tử của phương pháp này cũng tương tự như sơ đồ của Iliôvit, nhưng khác ở chỗ cuộn dây bù gồm hai phần không giống nhau và mắc nối tiếp ngược chiều với cuộn dây thứ cấp . Đặc điểm của sơ đồ AEP là trên mỗi nửa lõi thép không có sự cân bằng giữa sức từ động sơ cấp và sức từ động thứ cấp. Trên lõi A của m.b.d gồm có hai cuộn dây thứ cấp:

'

2A 2 2W W W

Còn trên lõi (hình 7 – 25 ):

"

2B 2 2W W W

Giả thiết rằng:

2A 2®mW W

2A 2®mW W

Như vậy, trên lõi A sức từ động sơ cấp lớn hơn sức từ động thứ cấp và lõi thép sẽ được kích từ bằng sức từ động dư của cuộn sơ cấp. Còn trên lõi B thì ngược lại,

2 2B 1 1WI I B và lõi thép được kích từ bằng sức từ động dư của cuộn thứ cấp.

Do tính chất phản từ hoá, nên sức từ động từ hoá giảm và dẫn đến tăng độ chính xác của m.b.d. Đối với m.b.d kiểu hình xuyến chủ yếu kiểu, một vòng dây thì phương pháp bù sai số theo sơ đồ phân từ hoá về nguyên lý không thay đổi, mà chỉ hơi khác về mặt kết cấu. Sơ đồ bù sai số m.b.d kiểu hình xuyến bằng phương pháp phân tử hoá cho trên hình 7 – 27. Máy biến dòng gồm hai lõi thép hình xuyến A và B. Cuôn dây thứ cấp với số vòng 2W được quấn cả hai lõi thép A và B.

Ngoài ra trên lõi B còn quấn một số vòng dây 3W mắc nối tiếp cùng chiều với

cuộn dây thứ cấp. Rõ ràng, về nguyên lý sơ đồ này không khác sơ đồ trên, mà chỉ có kết cấu đơn giản hơn. Từ trên hình 7 – 28 thấy rằng hiệu quả bù sai số bằng tự kích từ kém hơn phương pháp kích từ bằng nguồn ngoài. Song, đặc tuyến sai số m.b.d bù bằng tự kích từ có dạng cung tròn nên cung dễ điều chỉnh bằng cách thay đổi số vòng dây thứ cấp. Do phương pháp này không cần có nguồn năng lượng ngoài nên vẫn được áp dụng rộng rãi cho đến ngày nay.

174

Hình 7-27. Sơ đồ bù sai số m.b.d kiểu hình xuyến bằng phương pháp phản từ hoá .

Hình 7-28. Các đặc tuyến sai số m.b.d bù bằng phương pháp kích từ lõi thép. 1- kích từ bằng nguồn ngoài, 2- tự kích từ. 7 – 8 - 3 Bù sai số theo phương pháp M Năm 1948-1950 Pêtrôp và Ôkun cán bộ giảng dạy của trường Đại học Năng lượng Matscơva(Mockobcknut ) đã đề xướng và áp dụng vào sản xuất m.b.d một phương pháp bù sai số mang tên trường của mình – phương pháp M . Phương pháp này dựa trên cơ sở áp dụng sun từ và sử dụng các dòng từ tan Sun từ là một mạch từ bổ sung được ghép song song với mạch từ chính ở nơi thuận tiện cho đường từ tan. Sơ đồ đơn giản của phương pháp bù sai số M giới thiệu trên hình 7 – 29.

Hình 7-29

Cuộn dây thứ cấp chia làm hai phần 1 và 2 và được đặt trên hai trụ lõi thép đối diện nhau. Hai phần cuộn dây này được đấu nối tiếp với nhau và cùng chiều. Cuộn dây sơ cấp quấn ngoài cuộn dây thứ cấp trên trụ bên phải. Từ tan chảy trong sun từ 4 liên quan cả với cuộn dây sơ cấp cả với mỗi phần của cuộn dây thứ cấp. Điếu chỉnh khe hở không khí ở chỗ ghép sun từ với lõi thép ta có thể thay đổi từ thông trong sun từ. Tác dụng vật lý của phương pháp bù sai số này có hai hiện tượng cùng có một ảnh hưởng. 1) Ở đây cũng có hiện tượng như trong m.b.d bù sai số bằng sun permalloi. Khi dòng điện khoảng 10%định mức thì phần lớn từ thông khép kín theo đường ABCD có độ từ thẩm cao. Như vậy,cuộn dây 1 ít tham gia tạo ra sức điện động thứ cấp nghĩa là đã giảm được sai số bằng cách bớt số vòng dây thứ cấp.

175

Khi dòng điện khoảng 100 – 200% định mức thì toàn bộ từ thông chảy trong mạch từ chính. Do đó tăng số vòng dây thứ cấp tác dụng và tăng hệ số biến đổi. 2) Hiện tượng từ tản và hiện tương phân bố lại từ thông ở những giá trị dòng điên khác nhau làm cho điện kháng thứ cấp 2X thay đổi. Khi dòng điện nhỏ điện kháng

2X này thay đổi nhiều và có thể giảm tới không, thậm chí là trị số âm - đặc tính điện

dung. Do đó đoạn đầu của đường cong sai số được nâng lên. Ứng với đặc tính điện dung đoạn đường cong sai số này có giá trị dương và khi đó gọi là quá bù Khi dòng điện lớn điện kháng 2X không thay đổi, Sai số m.b.d cũng không thay đổi so

với m.b.d không có hệ thống bù.

§ 7 – 9 Điện áp khi hở mạch thứ cấp Để làm điều qui định không để hở mạch thứ cấp của m.b.d trong vận hành , dưới đây chúng ta sẽ xét điện áp trên hai đầu cuộn dây thứ cấp nếu để hở mạch này. Khi dòng điện định mức 1I chạy trong cuộn dây sơ cấp, nếu để hở mạch thứ cấp

thì lõi thép không còn bị khử từ bằng dòng điện thứ cấp và dòng điện sơ cấp bằng dòng điện từ hoá:

1 0I I

Vì m.b.d mắc nối tiếp vào lưới điện, nên khi để hở mạch thứ cấp m.b.d có thể được xem như kháng điện có lõi thép Cường độ từ cảm trong loic thép được xác định theo đường cong từ hoá với:

( 7-42)

Và với tiết diện lõi thép cho trước ta dễ dàng xác định từ thông

Giá trị trung bình của điện áp trên hai đầu cuộn dây thứ cấp để hở mạch bằng:

20 24 W , (7 43)tb mE f V

Còn giá trị thực tế sẽ là:

(7 – 44 ) trong đó :

fk - hệ số hình dạng đường cong điện áp. Nếu khi hở mạch thứ cấp mà lõi thép

chưa bão hoà, thì có thể nhân và E20 biến đổi theo hàm sin và kf =1,11. Thực tế phần lớn khi hở mạch thứ cấp lõi thép thường bão hào nên hệ số hình dạng tăng rất nhanh và điện áp cảm ứng này có dạng xung nhọn. Hơn nữa , điện áp nguy hiểm đối với cách điện và nhân viên phục vụ không phải là với giá trị hiệu dụng E20 mà là gía trị cực đại của điện áp trên hai đầu cuộn dây thứ cấp khi hở mạch. Cho nên chúng ta cần biết hàm E20 biến thiên theo thời gian t. Trên hình 7-30 giới thiệu cách dựng hàm E20 = f(t) bằng phương pháp đồ thị. Hình 7-30 a miêu tả dòng điện sơ cấp I0 cũng là dòng điện từ hoá đã quy về dòng điện (

1 10

t.b

W

l

IH

20 20 .t tb fE E k

176

hình 7-30 b) ta rất dễ dàng dựng đường cong hoặc B thay đổi thao t ( hình 7-30 c).

Từ hình 7- 30 c thấy rằng f t có dạng hình thang.

Hình 7-30. Cách dựng đặc tuyến điện áp trên hai đầu cuộn dây thứ câp khi hở mạch. Các gía trị tức của E20 sẽ bằng:

20 2Wd

Edt

( 7-45)

Từ đẳng thức này dễ dàng nhận thấy rằng, E20 cực đại khi qua trị số không, vì đạo hàm /d dt ở đấy là lớn nhất. Trên đoạn nằm ngang của hình thang đạo hàm

/d dt bằng không, nên E20 cũng sẽ bằng không. Đường cong của hàm E20 = f(t) được thể hiện trên hình 7-30, d.

Cách dựng các biểu đồ này cho ta thấy rõ bản chất vật lý các hiện tượng, nhưng không thuận tiện cho tính toán thực tế. Cho nên người ta sử dụng một phương pháp tính toán khác đơn giản và thuận tiện hơn. Bằng thực nghiệm người ta dựng các đường quan hệ Es = f( H0 ) cho từng loại tôn kỹ thuật điện, Es - điện áp suất là điện áp một vòng dây của cuộn thứ cấp trên 1 cm2 tiết diện lõi thép m.b.d ( hình 7-31 và 7-32 )

177

Hình 7-31. Quan hệ E20 = f(H0 ) của lõi hình xuyến kiẻu dải băng làm bằng tôn

310 .

Hình 7-32. Quan hệ E20 = f(H0 ) của lõi hình xuyến kiẻu dải băng làm bằng tôn

41 . Sử dụng các đường cong này ta có thể dễ dàng xác định điện áp trên hai đàu của

cuộn dây thứ cấp khi hở mạch cho m.b.d với kết cấu bất kỳ: E20 = Es .W2 .Q. ( 7-46) Điện áp trên hai đầu của cuộn dây thứ cấp khi hở mạch có khi đạt những giá trị cao hàng ngàn thậm chí hàng chục ngàn volt. Ví dụ: tính điện áp hai đầu cuộn dây thứ câp của m.b.d kiểu 35T H với các thông số: I1đm = 600 A, I1 W1 = 1200 A. vòng, Q = 9, 56 cm2 , W2 = 239 vòng và ltb = 44 cm. Theo các thông số này ta có:

1 10

.W 120027,2 . ßng/cm

44tb

IH A v

l

Theo đường còng đối với tôn 310 trên hình 7-31 tra đựơc: Es = 0,9 V/vòg.cm2. Từ đây ta được: E20 = 0,9.239.9.56 = 2050 V Đối với m.b.d cùng kiểu trên với điện áp sơ cấp 400 KV thì điện áp thứ cấp khi hở mạch lên tới 31.600 volt.

178

§ 7-10. Các thông số bội số của m.bd. 7-10-1. Tính bội số 10 %. Khi phụ tải thứ cấp bằng Z2 cho trước 2os 0,8c và sai số đạt tới trừ 10 % thì tỷ

số 1

1®m

In

I gọi là bội số 10 %.

Tính bội số 10 % được tiến hành theo phương pháp liên tiếp gần đúng. Bản chất của phương pháp này là: cho tỉ số n bất kỳ lớn hơn một, tính xem sai số I có đúng – 10% không. Nếu không đúng thì cho tỉ số khác và tính lại. Khi đại lượng

10%(5 8%)nI thì n10 sẽ là bội số 10 % nghìa là, với bội số n10 của dòng điện sơ cáp

khi biến đổi sẽ nhậ được dòng điện thứ cấp với sai số - 10 %. I2 = n1.I2đm .0,9. ( 7-47) Tiến hành tính như thế với nhiều giá trị phụ tải thứ cấp Z2 khác nhau. Cuối cùng ta sẽ nhận đựơc quan hệ: N10 = f( Z2 ) thường biểu diễn dưới dạng đường cong như hình 7-33 để sử dụng trong tính toán thiết kế mạch bảo vệ.

Hình 7-33

Vì khi sai số gần bằng 10 % lõi thép thường đã gần bão hoà và phương pháp tính là gần đúng, nên phải điều chỉnh. I2 = n1.I2đm .0,95 ( 4-78) Thí dụ: tính bội số 10% với giá trị Z2 = Z2đm , os =0,8c .

Lấy n1 bất kỳ theo ( 6-23) xác định I2 .

2 1 2®m

2 2®m 2 2

02 2 2 02 2 2

02

02

2 22 2 02 02

32

ax

2®m

.0,95

sin ; os

X ;

Xarctg

R

4,5.10

Wm

I n I

X Z R Z c

X x R R r

E I R X

EB

Tra theo đường cong từ hoá ta được aW0 và I0 W1 = a W0 Ltb

179

0 1

1 1®m 1

Wsin .100 %

n W .0,95

II

I

giả thiết 5 8%.I Như vậy n1 = n10 – là bội số 10 %. 7-10-2. Tính bội số cực đại của dòng điện thứ cấp Người ta thường tính lõi thép m.b.d ( thép 41, 42, 310) hoàn toàn bão hoà khi

cường độ từ cảm B = 2,0 tesla.

Dòng điện thứ cấp xác định bằng cưòng độ từ cảm giới hạn gọi là dòng điện thứ cấp cực đại, còn:

2 ax

2®mI

m

m

In ( 7-49)

gọi là bội số cực đại của dòng điện thứ cấp. Giá trị của dòng điện cực đại có thể xác định từ đẳng thức: 2 ax 2 ax 02 24,44. .W .m mE I Z f QB

Từ đây suy ra:

22 ax

02

4,44. Wm

f QBI

Z ( 7-50)

E2max – s.đ.đ thứ cấp khi dòng điện thứ cấp cực đại; B - cường độ từ cảm bão hoà lấy bằng 2,0 tesla.

Đẳng thức ( 7-50) là gần đúng, vì hệ số 4,44 chỉ đúng với dòng điện hình sin, nhưng khi lõi thép bão hoà do ảnh hưởng của sóng hài bậc cao nên dòng điện thứ cấp không còn là hình sin. Thay giá trị B và f vào 7-50 ta được:

2

22 ax

02

4,44.W .10m

QI

Z ( 7-51)

Bội số cực đại của dòng điện thứ cấp sẽ là:

22 ax 2

2®m 02 2®m

W4,44.10 .

Im

m

I Qn

Z I ( 7-52)

§ 7-11. Tính độ bền nhiệt. Khả năng chịu nhiệt tác động do dòng điện ngắn mạch trong khoảng thời gian xác định ( thường là một giấy ) gọi là độ bền về nhiệt. Độ bền vè nhiệt thường được xác định bằng bội số ngắn mạch.

1®m

nmnm

In

I

Phương pháp tính độ bền về nhiệt dựa trên cơ sở của phương trình:

2dQ i R

d dtClq CLq

( 7-53)

Trong đó: d - gia số nhiệt độ của dây dẫn dt- gia số nhiệt trong dây dẫn C- tỉ nhiệt của vật liệu dây dẫn

180

l- chiều dài dây dẫn q- tiết diện dây dẫn Lấy tích phân phương trình ( 6-28) ta có:

0

2 22

2

0 0 0

t t t ti R i

d dt dt dtClq Cq C

20

0

t

t dtC

( 7-54)

- mật độ dòng điện - điện trở suất của dây dẫn.

Trong phương trình ( 7- 54)

1

2

( )f

C f

Để tính toán được đơn giản người ta xây dựng các đườgn cong ( xem hình 7-34).

2( )f t ( 7-55) 2t - hiệu ứng nhiệt trong thời gian t giây.

Trong tính toán độ bền vè nhiệt của m.b.d.

0 - nhiệt độ cho trước thường lấy bằng 90 0C.

t - nhiệt độ cho phép khi phát nóng ngứn hạn, tra theo bảng 7-9.

Hình 7-34. Các đường cong f t của đồng nhô và đồng thau ( 60 % Cu).

bảng 7-9. Nhiệt độ cho phép phát nóng các phần dẫn điện của m.b.d khi ngắn mạch. Vật liệu cách điện của phần dẫn điện

Nhiệt độ cho phép 0 C Đồng Nhôm đồng thau

Không khí Cách điện cấp B Cách điện khô cấp 0 và A Dầu và giấy dầu

300 300 250 200

200 200 200 200

200 200 200 200

181

Thí dụ. 090 C và tương ứng với thanh dẫn đồng cách điện khô 0 0250t C .

Tính độ bền về nhiệt của m.b.d.

Sử dụng các đường cong ở hình 7-34 xác định 2t khi 0 0250t C tra được 2 4 2 2( ) 3,7.10 ( / ) .tt A mm s

Khi 00 90 C tra được 2 4 2 2

0( ) 1,7.10 ( / ) .t A mm s

Như vậy hiệu ứng nhiệt của dòng điện ngắn mạch:

2 2 2 4 2 20( ) ( ) ( ) 2.10 ( / ) .nm tt t t A mm s

Nếu t = 1s thì :

4 2

1®m

2.10 141 /nm

nm nm

nmnm

A mm

I q

In

I

Chương VIII. Máy biến điện áp § 8-1. Khái niệm chung Máy biến điện áp ( m.b.đ.a) là khí cụ điện biến điện áp cao xuống điện áp thấp để thuận tiện an toàn trong đo lường và mạch bảo vệ. Điện áp thứ cấp lấy theo tiêu chuẩn

nhà nước. Ở Liên xô và châu âu U2 = 100 V; 100 / 3V . Ở Anh và các nước ả rập U2 =100 V , ở Mĩ 120 V. Đối với m.b.đ.a không yêu cầu độ bền nhiệt và độ bền nhiệt động cao, vì dòng điện thứ cấp rất bé thậm chí khi ngắn mạch thứ cấp cũng không sinh hiệu ứng nhiệt và điện động nào cả, hơn nữa ở mạch máy biến điện áp thường đặt cầu chì bảo vê.

M.b.đ.a có bốn cấp chính xác : 0,2; 0,5; 1 và 3 . Bảng 8- 1 giới thiệu sai số lớn nhất của m.b.đ.a Bảng 8-1. Sai số lớn nhất của m.b.đ.a Cấp chính xác Sai số lớn nhất

Điện áp % Góc [phút] 0,2

0,5

1

3

0,2

0,5

1,0

3,0

10

20

40

«ng quy ®Þnhkh

Khi phụ tải bằng 25 – 100 % định mức, 2os 0,8c , điện áp sơ cấp dao động trong

khoảng 1®m10%U , sai số cua m.b.đ.a không được vượt quá giới hạn cho phép.

Nếu phụ tải vượt quá công suất định mức tương ứng với cấp chính xác cho trước, thì cấp chính xác của m.b.đ.a chuyển sang cấp chính xác xấu hơn. Như vậy một m.b.đ.a có thể làm việc với cấp chính xác khác nhau phụ thuộc vào phụ tải thứ cấp.

182

§ 8-2. Kiểu và kết cấu m.b.đ.a Về kiểu m.b.đ.a chia làm ba nhóm: 1) Khô 2) Dầu 3) Phân cấp M.b.đ.a khô một pha HOC, HOCK và ba pha HTC chỉ sử dụng ở trạm trong nhà. Trên hình 8-1 giới thiệu kết cấu m.b.đ.a khô kiểu HOC -3. 1- gông từ( trụ thép biểu diễn bằng đường gạch ngắt quang ), 2- cuộn dây cao áp, 3- cuộn dây hạ áp, 4- các đầu vào cao áp, 5- các đầu ra hạ áp. Ở kiểu này khó khăn phức tạp ở chỗ cách điện giữa các cuộn dây với nhau và giữa các đầu vào cao áp.

Hình 8-1. Máy biến điện áp khô một pha điện áp 3 KV, kiểu HOC -3.

Hình 8-2. M.b.đ.a dầu một pha điện áp 10 KV, kiểu HOM -10.

Máy biến điện áp dầu điện áp 3- 18 KV một pha HOM, 3 HOM và loại ba pha HTMK, HTMИ sử dụng ở các trạm trong nhà, còn điện áp 35 kV chỉ có loại một pha HOM ; 3 HOM sử dụng ở trạm ngoài trời. Ở hình 8-2 biểu diễn m.b.đ.a một pha điện áp 10 KV của trạm trong nhà HOM- 10 . Mạch từ 1 là những lá thép cán nguội ghép lại. Cuộn dây thứ cấp quấn ở trong còn cuộn dây sơ cấp 2 quấn ngoài cuộn dây thứ cấp. Cách điện giữa cuộn dây sơ cấp với cuộn dây thứ cấp và với lõi thép phải tính bằng điện áp định mức. Lõi thép và các cuộn dây được

183

bắt chặt vào bình 3 chứa dầu biến áp 4. Trên nắp bình 5 gắn sứ xuyên 6 và 7 phục vụ cho các đầu ra của hai cuộn dây.

M.b.đ.a kiểu 3 HOM có mức cách điện thấp, nên khi vận hành một đầu ra của cuộn dây sơ cấp phải nối đất. M.b.đ.a ba pha có hai kiểu : ba trụ ( hình 8-3 a ), 5 trụ ( hình 8-3 b)

Hình 8-3 . sơ đồ nguyên lý của m.b.đ.a ba pha :

a) Kiểu ba trụ b) Kiểu 5 trụ

Khi điện áp cao hơn 35 KV m.b.đ.a kiểu dầu trở lên cồng kềnh và đắt tiền . Cho nên ở điện áp bằng và cao hơn 110 KV thường sử dụng m.b.đ.a phân cấp . Trên hình 8-4 giới thiệu sơ đồ nối dây và sơ đồ kết cấu của m.b.đ.a 110 .

M. b.đ.a phân cấp gồm có hai phần hầu như giống nhau. Phần trên chứa: cuộn dây sơ cấp 1, cuộn dây đều hoà 2 , lõi thép 3 và cuộn dây liên lạc 4. Ở phần dưới ngoài những chi tiết ở phần trên còn có cuộn dây hạ áp 5.

Cuộn dây sơ cấp gồm bốn phần bằng nhau: hai phần quấn trên hai trụ thép 3 của phần trên, hai phần còn lại quấn trên hai trụ thép của phần dưới. Đầu cuối mỗi phần cuộn dây nối với hệ thống mạch từ. Như vậy mỗi phần cuộn dây sơ cấp chỉ chịu một phần tư điện áp định mức, nên cách điện qua cuộn dây sơ cấp cũng dễ dàng hơn.

Trong hệ thống mạch từ của phần trên ngoài cuộn dây sơ cấp còn quấn hai cuộn dây: đều hoà hai và liên lạc 4. Cuộn dây đều hoà gồm hai nửa quấn ngược chiều nhau trên hai trụ khác nhau, dùng để điều hoà điện áp giữa hai nửa của cuộn dây sơ cấp. Cuộn dây liên lạc quấn trên hai trụ gần nhau của phần trên và phần dưới, dùng để điều hoà điện áp giữa hai phần.

Về kết cấu của m.b.đ.a phân cấp: 1- vỏ sứ cách điện; 2- hệ thống mạch từ của phần trên; 3 - hệ thống mạch từ của phần dưới; 4- các cuộn dây của phần trên; 5- các cuộn dây của phần dưới.

Hình 8-4. M.b.đ.a kiểu phân cấp a. sơ đồ nối dây

184

b. sơ đồ kết cấu Sử dụng vỏ sứ cách điện thay bình sắt cho phép không cần có sứ đàu vào cao áp và

cho phép rút gọn được kích thước m.b.đ.a rất nhiều. M.b.đ.a 220 KV mà hai m.b.đ.a 110 KV ghép lại đặt cái nọ trên cái kia. Kết cấu m.b.đ.a cao hơn 220 KV rất phức tạp, ở đây chúng ta không xét § 8-3. Đồ thị vec tơ – phương trình sai số. Dựa trên cơ sở của các phương trình:

1 0 2

1 2 2 2 2 2 2( )

I I I

E E U I r I x

1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 1 1 1 1

1 2 2 1 2 2 1 2 0 1 0 1( ) ( )

U E I r I x U I r I x I r I x

U U I r r I x x I r I x

Xây dựng đồ thị vec tơ của m.b.đ.a ( hình 8-5 )

Hình 8-5. Đồ thị vec tơ của m.b.đ.a. Từ đồ thị vec tơ ta có : U1 = OA’ + A’ C’ + C’ F. Theo tam giác OAA’ :

'2 2os =UOA U c

Vì góc rất nhỏ nên os 1c .

' ' 0 1

K K

' 1 2' 'K K

ABcos osos =

cos cos

CDcos ( ) osos =

cos cos

I r cAC ACc

I r r cC F CFc

tỉ số:

21

1 2 1 1

21 2 11

1

(1 )

(1 )

rr

r r r r

xx x xxx

Vì trong thực tế 2 2

1 1

r x

r x

Cho nên 'K K

Như vậy:

185

' 2 1 2

K

( ) os

cos

I r r cC F

Từ tam giác AGH ta có:

0

0

K

K

Từ tam giác CDF:

' '2 2 2K K K

Cuối cùng ta được:

0 1 0 2 1 2 K 2

1 2

K

os ( ) os

osKI r c I r r c

U Uc

( 8-1 )

Hệ số biến đổi k :

1

2

0 1 0 2 1 2 K 2

2 K

os ( ) os1

osK

Uk

U

I r c I r r ck

U c

( 8-2)

Sai số điện áp xác định theo:

2 1

1

100[%]kU U

UU

( 8-3)

Sai số góc m.b.đ.a có thể tính theo đẳng thức :

' '

'2

' 2 1 22

K

0 1

K K

sin

os

( )sin sin ;

os

os os

K

AA CC ACtg

OA U c

I r rCC CF

c

AB I rAC

c c

Như vậy:

2 1 2 2 0 1 0

2 K

( )sin sin

osK KI r r I r

gradU c

2 1 2 2 0 1 0

2 K

( )sin sin3440

osK KI r r I r

U c

( 8-5)

§ 8-4. Trình tự tính sai số của m.b.đ.a

Các tham số cho trước : U2; I2, 2osc .

1. Xác định điện trở và điện kháng của các cuộn dây theo các công thức quen biết ở giáo trình mba hay ở chương máy biến dòng.

2. Tính cường độ từ cảm B, theo đường cong từ hoá xác định I0 và . 3. Xác định các góc :

186

0

1

1

/ 2

xarctg

rK

4. Theo các công thức ( 8-1) , (8- 2), (8 – 3) xác định sai số điện áp. 5. Theo ( 8-5) tính sai số góc của m.b.đ.a. 6. Theo kết quả tính toán của sai số điện áp và sai số góc xác định cấp chính xác

của m.b.đ.a. Chương IX: Kháng điện.

§ 9-1. Khái niệm chung.

Kháng điện là khí cụ điện có điện kháng không đổi dùng để hạn chế dòng điện ngắn mạch, đồng thời duy trì điện áp ở mức nhất định.

Để có được điện kháng không đổi cuộn kháng thường không có lõi thép Kháng điện không lõi thép có thể chia làm hai nhóm:

1. Kháng điện thô 2. Kháng điện dầu Kháng điện khô sử dụng ở các trạm trong nhà, điện áp dưới 35 KV .

Kháng điện khô là cuộn cảm có cách điện khô và làm lạnh bằng không khí. Thường sử dụng bê tông, gỗ, sứ cách điện, các vật liệu tổng hợp để làm các chi tiết cách điện giữ dây quấn.

Dây quấn của cuộn kháng có rất nhiều kiểu, nhưng sử dụng nhiều nhất : kiểu xoắn và kiểu bánh dây.

Dây quấn kiểu xoắn là những dây mềm trần hoặc dây mềm cách điện quấn liên tục có để chừa những khoang trống giữa các vòng dây với mục đích tăng cường làm lạnh.

Dây quấn kiểu bánh dây thường là những dây dẫn với tiết diện hình chữ nhật quấn xoáy ốc liên tục.

Hình 9-1 giới thiệu sơ đồ mặt cắt của kháng điện bê tông dây quấn kiểu xoắn. Các trụ bê tông đặt trên sứ cách điện đảm bảo cách điện giữa các pha với đất và

giữa các pha với nhau. Bố trí ba pha của kháng điện có nhiều cách: a. Đồng trục thẳng đứng nghĩa là pha nọ đặt trên pha kia. b. Các trục song song thẳng đứng c. Nằm ngang

Những năm gần đây người ta đã tạo được các kháng điện kép do đó tiết kiệm được nguyên vật liệu, và thời gian trong khi xây dựng và thời gian trong khi xây dựng trạm phân phối điện.

Kháng điện kép là cuộn cảm có hai khối đồng trục và quấn theo cùng một hướng. Đầu cuối của các khối mắc sao để từ trương của chúng ngược chiều nhau .

187

Hình 9-1. Sơ đồ mặt cắt của kháng điện bê tông.

Hình 9-2: giới thiệu kích thước và cách bố trí các đầu ra của kháng điện kép, điện áp 6 KV, dòng điện định mức của một nhánh 70 A, điện kháng của một nhánh 8%.

Hình 9-2. Kháng điện kép ba pha điện áp 6 KV, 750 A.

Nhược điểm cơ bản của kháng điện bê tông là rất nặng kích thước công kềnh. Sử dụng thuỷ tinh hữu cơ có thể giảm trọng lượng và kích thước của kháng điện

được rất nhiều.

188

Hình 9-3 Kháng điện dầu là cuộn có cách điện và làm lạnh bằng dầu biến áp. Hình 9-3 giới

thiệu sơ đồ kháng điện dầu. Kết cấu kháng điện dầu rất giống máy biến áp. Nhờ có dầu nên có thể giảm được khoảng cách cách điện và tưng mật độ dòng

điện. Do đó kích thước và trọng lượng cảu kháng điện sẽ giảm. Vì điện trở rất nhỏ so với điện kháng nên khi tính điện áp rơi trong kháng điện có

thể bỏ qua: ®m, [V]ph KU x I ( 9-1)

xK - điện kháng một pha của kháng điện.

Chia cả hai vế của phương trình ( 9-1) cho điện áp pha định mức ®m / 3U , ta sẽ có

điện áp rơi tương đối:

®m

®m ®m

3 3ph KU x I

U U

( 9-2)

Điện kháng phần trăm:

®m

®m ®m

3 .100 3% 100ph K

K

U x Ix

U U

( 9-3)

Có thể xác định điện kháng một pha cảu kháng điện theo biểu thức:

32 .10 [ ]Kx L fL ( 9-4)

L- điện cảm một pha của kháng điện, milihẻni Thay f = 50 Hz ta có: 0,314. ,[ ]Kx L ( 9-5)

Và : ®m

®m

54,4 .%K

L Ix

U ( 9-6)

Về định lượng tổn hao điện áp trong kháng điện không bằng điện áp rơi , mà còn phụ thuộc

Hình 9-4 osc .

Hình 9-4 giới thiệu ảnh phân bố điện áp trên đường dây có kháng điện. Tổn hao điện áp trong cuộn kháng là hiệu số hoạc giữa điện áp trước và sau kháng điện, nghĩa là:

1 2ph ph phU U U

từ đồ thị vec tơ ta được:

1 2ph ph phbC U U U

189

Vì góc rất nhỏ, nên đoạn 0CA và nhận phbd bc U .Từ tam giác abd ta có

sin , µ ab

ªn sin

d K

ph d K

bd ab m I x

n U I x

Id – dòng điện trên đường dây. Lấy gía trị xK ở 9-3 thay vào biểu thức này ta sẽ có:

®m

% %. sindIU xI

( 9-7)

Khi biết trước phụ tải Id biểu thức 9-7 cho phép xác định tổn hoa điện áp phần trăm trong kháng điện. Tổn hao điện áp trong kháng điện của đường dây không được vượt quá 4- 5% điện áp định mức. Điện kháng của kháng điện đường dây không được quá 6-8%. Điện kháng của kháng điện thanh góp phân đoạn 8-12%.

Bỏ qua tất cả các điện trở củ đường dây trừ điện kháng của kháng điện, có thể xác định dòng điện ngắn mạch xác lập Inm và dòng điện xung kích ixk theo công thức gần đúng:

®m

33.2 .10nm

UI

fL ( 9-8)

Khi f = 50 Hz :

®m

0,544Lnm

UI ( 9-9)

Chia cả hai vế của 9-9 cho 100Iđm và kết hợp với 9-6 ta sẽ nhận được:

®m

®m ®m

1

100 54,4L.I %nm

K

I U

I x ( 9-10)

Như vậy: ®m

100

%nm

K

I Ix

( 9-11)

Dòng điện xung kích hay giá trị tức thời lớn nhất của dòng điện ngắn mạch bằng:

1,8 2xk nmi I

®m ®m

100 1001,8 2 2,54 .

% %xk

K K

i I Ix x

( 9-12)

Kháng điện có nhưng yêu cầu cơ bản sau: 1. Quá điện áp không được phát sinh đánh thủng cách điện giữa các vòng dây và cách điện đối với đất hay không được phát sinh phóng điện cụ bộ trên bề mặt của kháng điện. 2. Kháng điện phải có đủ độ bền nhiệt và điện động 3. Tổn hao công suất trong kháng điện phải ít nhất ( tổn hao không được gây nên phát nóng kháng điện quá mức cho phép). § 9-2. Điện cảm của kháng điện lõi thép.

Điện cảm của kháng điện phụ thuộc vào hình dạng,kích thước và số vòng dây của cuộn dây.

Điện cảm của kháng điện như hình 9-5 a có thể xác định theo công thức thực nghiệm:

190

2 6n

D10,5.W [ ] 10

2 h+bL D mH ( 9-13)

Trong đó : Wn - số vòng dây một nhánh; D- đường kính trung bình của cuộn dây , cm; h- chiều cao của cuộn day, cm; b- chiều dày của cuộn dây, cm;

- số mũ phụ thuộc vào tỷ số 2

D

h b

30,3 1

4 2

Dkhi

h b

11 3

2 2

Dkhi

h b

Hình 9-5. Các dạng cuộn dây của kháng điện. Khi b/D << h/D ( hiình9-5 b) điện cảm của kháng điện xác định theo công thức Bảng 9-1. Các giá trị của hệ số 1

h/D 1 h/D 1 h/D 1 h/D 1 0,10 0,20 0,30 0,40 0,45

20,1 15,8 13,35 11,62 11,0

0,50 0,60 0,70 0,80 0,85

10,35 9,40 8,61 7,88 7,52

0,90 1,0 1,2 1,4 1,6

7,25 6,87 5,96 5,33 4,82

1,8 2,2 2,6 3,0 3,5

4,42 3,73 3,25 2,87 2,50

Nếu h/D << b/D ( hình 9-5 c ), điện cảm của kháng điện có thể xác định theo công

thức:

2 2

2 622 2 2

2 2

4 12 W 1 ln 0,5 .10

8 32

b D bL D mH

D b D

( 9-15)

D2 - đường kính ngoài của cuộn dây, cm. Hay theo công thức:

2 62W .10 ,L D mH ( 9-16)

2 - hàm số phụ thuộc vào b/ D, lấy theo đường cong hình 9-6.

191

Hình 9-6. Đường cong 2 /f b D

Khi dòng điện định mức coa hơn 400 A cuộn dây cảu kháng điện gồm một số nhánh nối song song. Để đảm bảo cho dòng điện phân bố đều trong các nhánh, tránh được quá tải và quá trình phát nóng, phải áp dụng phương pháp hoán vị trong cuộn dây. Hình 9-7 giới thiệu sơ đồ mặt cắt về cách bố trí và nối các vòng dây cảu cuộn dây.

Hình 9-7. Sơ đồ bố trí và nối dây của cuộn dây nhiều nhánh song song. a- 1 nhánh, b- 2 nhánh song song, 3- ba nhánh song song . Tính diện tích của cuộn dây nhiều nhánh song song, cũng theo công thức (9-15) nhưng : số vòng dây chỉ lấy cảu 1 nhánh, còn kích thước của cuộn dây phải lấy tất cả các nhánh. § 9-3. Sự phát nóng và tổn hao công suất trong kháng điện. Khi có dòng điện định mức chảy qua, cuộn kháng phát nóng có tính chất phân bố nhiệt độ không đều. Tính sơ bộ nhiệt độ phát nóng cuộn dây củ cuộn kháng bê tông ( dây quấn là cáp đồng ) có thể sử dụng các công thức sau: a. Nhiệt độ phát nóng của từng pha đặt riêng rẽ:

2

®m0

®m

80mC

m

Ik

b. Nhiệt độ phát nóng pha trên của cuộn kháng ba pha đặt đồng trục thảng đứng:

2

0®m0

®m

100mC

m

Ik C

( 9-18)

192

1

1

0,57.2,1

m

Dk

D N

( 9-19)

Trong đó: 0 - nhiệt độ không khí xung quanh cuộn kháng,

®mI - dòng điện định mức của cuộn kháng, A

m- số nhánh song song của cuộn dây; Cđm - hệ số lấy theo bảng 9-2; D1 = D – b - đường kính trong của cuộn dây, cm. N- số trụ bê tông. Đối với cuộn kháng bê tông khi làm việc dài hạn nhiệt độ phát nóng. cuộn dây ở điểm phát nóng nhất không được vượt quá 950 C. Nếu nhiệt độ môi trường xung quanh

lấy bằng 35 0C, thì độ tăng nhiệt độ cho phép 060cp C

Dưới chế độ ngắn mạch nhiệt độ phát nóng cuộn dây nm không được vượt quá

250 0C, nghĩa là 0150nmcp C

Bảng 9-2.Các gía trị của hệ số Cđm Tiết diện dây cáp q ( mm2 )

Số hàng dây quấn dọc trục

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

70 95 120 135 150 185 210

270 337 400 438 475 555 608

264 329 390 426 463 541 591

258 322 381 415 452 528 576

253 315 373 406 442 516 563

248 309 365 393 433 505 551

243 303 358 391 424 495 540

239 298 352 348 416 486 530

235 295 346 378 409 478 521

231 289 341 373 403 471 512

228 285 337 368 398 464 506

225 282 335 364 393 458 500

Sử dụng bảng 9-3 để chọn mật độ dòng điện trong kháng điện và bảng 9-4 để chọn tiết diện dây quấn cảu kháng điện.

bảng 9-3. Mật độ dòng điện trong cuộn dây của kháng điện khi làm việc dài hạn.

Kiểu kháng điện 2, /A mm

Kháng điện có dòng điện dưới 100

193

A, kiểu bánh dây, làm lạnh bằng không khí

1,2 – 1,8

Kháng điện có dòng điện 150 – 3000A, dây quấn kiểu xớn, làm lạnh bằng không khí

2 – 2,7

Kháng điện có dòng điện 200 – 1000A, làm lạnh bằng dầu

3- 3,5

Tổn hao trong kháng điện có thể chia ra: tổn hao đồng và tổn hao sắt . Ở dòng điện định mức tổn hao có thể xác định theo công thức

2®mCuP I R

R- điện trở điện xoay chiều của cuộn dây. Bảng 9-4. Tiết diện dây cáp ruột đồng của kháng điện bê tông. Iđm, A 150 200 300 400 500 600 800 1000 1500 q, mm2

70 95 120 135

185 1210 2120

2120 2135 2 150

2 185

3 135 3 150

4 150 4 185

Điện trở R có thể biểu diễn bằng tích số của điện trở một chiều r75 và hệ số tổn hao phụ kph. Như vậy:

2®m 75Cu phP k I r ( 9-20)

r75 - điện trở của vật liệu dây dẫn ở 750C

75 75 2

1r

m q ( 9-21)

75 - điện trở suất cảu vật liệu dây dẫn ở 750 C, 2. /mm m ;

l- chiều dài của dây quấn , m D- đường kính trung bình của cuộn dây, cm Wn - số vòng dây cảu một nhánh song song. Hệ số tổn hao phụ xác định theo công thức:

2 2

3n0

W1 .10

50ph q

m fk k k k

h

( 9-23)

Trong đó: k0- hệ số phụ thuộc vào hình dạng dây dẫn và cuộn dây ( xem bảng 9-5). kq- hệ số phụ thuộc vào tiết diện dây dẫn đối với dây cáp

21,15 1,5 , ;qk q cm

kf- hệ số vật liệu , đồng 1fk , nhôm 0,37fk

f- tần số , Hz. Tổn hao trong các mũ sắt của sứ cách điện lấy bằng 15 W/ một cái.

194

Tổn hao trong các bu lông và cột sắt cảu trụ bê tông lấy gần bằng 10 % tổn hao đồng. Bảng 9-5. Giá trị của hệ số k0 đối với dây dẫn tiết diện tròn. b/D h/D

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 0,2 0,3 0,4 0,5

28,5 22,8 19,2 15,5

32,5 26,3 23,0 18,6

36,0 30,0 26,0 21,8

38,5 33,0 28,5 24,3

41,0 36,0 31,0 26,5

43,4 38,0 33,2 29,0

45,5 40,0 35,0 31,0

47,2 41,5 37,0 32,8

49,0 42,4 38,3 34,2

50,5 44,4 39,8 35,8

Tổng tổn hao công suất trong kháng điện thường không quá 0,2 ÷ 0,3 % công suất của kháng điện. § 9-4. Lực điện động trong kháng điện. Khi ngắn mạch lực điện động xuất hiện tác động trong nội bộ mỗi pha và giữa các pha với nhau.

Hình 9-8. Lực điện động trong cuộn dây của kháng điện. a- Hướng tác động của lực điện động; b- từ trường dọc, ngang và lực điện động hướng tâm, hướng trục. Khi có dòng điện trong mỗi pha lực điện động có chiều hướng nén cuộn dây khắp tứ phía ( xem hình 9-8 a) .Giá trị và hướng của lực này phụ thuộc vào vị trí cảu vòng dây trong từ trường cảu kháng điện. Như vậy ứng lực cơ xuất hiện ở các chỗ khác nhau sẽ không giống nhau. Lực điện động tác động vào một đơn vị chiều dài của vòng dây gồm có hai thành phần: hướng tâm PR và hướng trục Ph , do từ trường dọc và ngang tạo nên. Hình 9-8 b, giới thiệu sự thay đổi của từ trường dọc theo bán kính kháng điện và của từ trường ngang theo chiều cao, cũng như các lực PR và Ph. Từ hình 9-8 thấy rõ rằng, lực hướng tâm lớn nhất của từ trường dọc sẽ ở lớp trong giữa chiều cao của cuộn dây ( điểm A). Lực điện động tác động trên 1cm dây dẫn ở ba điểm đặc trưng nhất A, B,C ( hình 9-8, b ) có thể xác định theo các công thức:

195

2

3 ®m/ 2

K

2

3 ®m

K

2

3 ®m

K

W5.10 , / 9 24

mb x %

W6.10 , / 9 25

mb x %

W2,8.10 , / 9 26

mb x %

A h

B h

C h

IP A KG cm

IP A KG cm

IP A KG cm

Ah/2, Ah – các hệ số phụ thuộc vào hình dạng của cuộn dây, xác định theo các đường cong ở hình 9-9. Lực lớn nhất ở điểm A chỉ tác động theo hướng tâm nhưng phản lực cảu trụ bê tông chống lại lực này. Như vậy, ở điểm này về phương diện độ bền cơ không nguy hiểm. Ở điểm c lực hướng trục lớn nhất tác động uốn ( xem hình 9-10 ) và quãng vượt của dây quấn lại lớn nhất. Cho nên điểm C có ứng lực cơ lớn nhất và là điểm tính kiểm tra độ bền cơ của dây quấn. Độ võng của dây dẫn có thể xác định theo:

22

8

c qvP lh

Q ( 9-27)

lqv- chiều dài quãng vượt của vòng dây ngoài, cm Q- sức căng cảu dây dẫn, KG.

2

2

8. ,

3 qv

hQ qE KG

l

( 9-28)

q- tiết diện dây dẫn, cm2\ E- môđun đàn hồi cảu vật liệu dây dẫn ( đối với đồng E = 1,15.106 Kg/cm2 )

Hình 9-9. Đường cong của các hệ số 1 1 / 2 1 2 1/ µ / 2h hA f h D v A f h D

Hình 9-10.Lực uốn ở vòng dây ngoài của cuộn dây trong kháng điện.

196

Giải liên hợp ( 9-27) và ( 9-28) ta được:

4

36

,64

c qvP lh cm

qE ( 9-29)

Ứng suất của vật liệu dây dẫn:

2

2

2

8, /

3

Q hE KG cm

q l

( 9-30)

Giải liên hợp ( 9-29) và ( 9-30) sẽ được:

2 2

23

2, /

6

c qvP l EKG cm

q ( 9-31)

Khi biết trước Pc theo biểu thức 9-31 co thể xác định được ứng suất trong dây dẫn. Nếu ứng suất này lớn hơn ứng suất cho phép thì phải giảm lqv tưng số trụ bê tông. Lực tác động giữa các pha phụ thuộc vào hỗ cảm M, vị trí và khoảng cách S giữa các pha. Nếu W1 = W2 =W thì hỗ cảm M tỷ lệ với W2 và phụ thuộc vào kích thước của cuộn dây và khoảng cách S . Khi đó:

21 2WF i i ( 9-32)

i1, i2 – giá trị tứ thời của các dòng điện trong các cuộn dây, A

, ,b h S

fD D D

- hàm số biểu thị lực tác động tương hỗ.

Hình 9-11. lực điện động suất giữa các pha. a- Kháng điện đặt đồng trục thẳng đứng b- Kháng điện trục song song thẳng đứng.

Hình 9-11 giới thiệu các đường cong

, ,b h S

fD D D

khi b 1

0,5 1,5 µ D 6

hv

D

Khi ngắn mạch ba pha tích số dòng điện hai pha thay đổi trong khoảng từ 2 2

1 2 1 20,75 ®Õn 0,25xk xki i i i i i

Giá trị lớn nhất của lực tác động tương hỗ giữa hia pha trong kháng điện đồng trục thẳng đứng:

2 2 2ax 1 2W 0,75 W .m xkP i i i ( 9-33)

197

Lực Pmax này là lực đẩy Pđ. Nếu pha giữa của cuộn kháng quấn ngược chiều với hai pha bên cạnh, thì lực Pmax trở thành lực hút Ph. Khi đó:

2 2

®

2 2

0,25 W

0,75 W

xk

h xk

P i

P i

Nghĩa là lực đẩy ba lần nhỏ hơn lực kéo. Cuộn dây của pha giữa quấn ngược chiều là rất đơn giản vì lực lớn nhất sẽ tác động nén vào các sứ cách điện giữa các pha, mà sứ cách điện chịu lực nén tốt hơn lực kéo. Thay giá trị ixk vào công thức 9-33 ta có:

2 2ax ®m

1000,75( W) 4,86(¦I )

%m xk

K

P ix

( 9-34)

Lực kéo fk và lực nén fn tác động vào một trụ sứ cách điện:

®

h

, 9 35N

, 9 36N

k

n

P Gf KG

N

P Gf KG

N

G- trọng lượng một pha của kháng điện, KG N- số trụ bê tông hay trụ sứ. Ví dụ: tính kháng điện bê tông kiểu cuộn dây xoắn với điện áp dây Ud = 10 KV, dòng điện định mức Iđm = 600 A điện kháng phần trăm xK % = 5 %. Theo các tham số cho trước chúng ta tiến hành chọn và tính cuộn dây. Đối với kết cấu kiểu cuộn dây xớăn người ta thường lấy dây đồng làm dây quấn.

Chọn mật độ dòng điện theo bảng 9-3 được 22,2 /A mm và xác định sơ bộ tiết diện dây quấn:

2®m 600273

2,2

Iq mm

Do q> 185 mm2 và theo bảng 9-4 dây quấn gồm hai nhnáh nối song song m2 = 2 và q = 2 × 135 mm2, nghĩa là tiết diện một nhánh 135 mm2. Tính toán điện cảm. Với các tham số cho trước xác định điện cảm yêu cầu theo công thức 9-6:

®m

®m

% 5%.100001,53

54,4 54,4.600Kx U

L mHI

Dựa vào những kết cấu có sẵn tiến hành chọn hình dạng cuộn dây và thiết kế sơ bộ, vẽ phác thảo ( hình 9-12). Giả thiết ta có phương án: Số vòng dây trong một hàng K = 7 Số hàng r = 16 Đường kính trung bình của kháng điện D = 83 cm Chiều cao cuộn dây h = 4,5.16 = 72 cm Chiều dày cuộn dây b = 3,5.7 = 24,5 cm Số vòng dây W = 7.16 = 112 Số vòng dây trong một nhánh nW 112 / 2 56

198

830,430 1

2 2 72 24,5

D

h b

Theo công thức 9- 13 ta được:

3 / 4

2 68310,5.56 .83 .10 1,45

193L mH

Giá trị nhận được L = 1,45 mH nhỏ hơn giá trị yêu cầu,nhưng vẫn có thể nhận được vì theo điều kiện kỹ thuật cho phép sai số 10% . Sau đó chọn số trụ bê tông, trong ví dụ này lấy 12 trụ cùng các kích thước cuộn dây: h = 675 mm, b = 210 mm, đường kính ngoài D2 = D +b = 1040 mm, đường kính trong D1 = D- b = 620 mm. Theo công thức 9-22 xác định chiều dài dây quấn: l = 1,03.3,14,83.2.56.10-2 = 300 m Tính toán tổn hao công suất phát nóng và độ bền nhiệt. Để tính tổn hao công suất theo công thức 9-29 phải sơ bộ xác định hệ số tổn hao phụ kph và điện trở.

Hình 9-12. Bản vẽ phác thảo của kháng điện 10 Kv, 600 A. 1- cuộn dây, 2- trụ bê tông, 3- trụ sứ, 4- đầu ra. Với tần số 50 Hz , kq = 1,3q = 1,3 . 1,35 = 1,75 và tra bảng 9-5 cùng sử dụng phương pháp nội suy tìm k0 = 36 ( đối với h/D = 0,81 và b/D = 0,25 ) hệ số tổn hao phụ xác định theo công thức 9-23:

2 2

356,2 501 36.1,75.1 . .10 1 0,17 1,17

67,5 50phk

Theo công thức 9-21 điện trở một chiều bằng:

75 2

3000,0216 0,012

2 .135r

Tổn hao công suất trong cuộn dây một phá:

21,17.600 .0,012 5060WCuP

Tổn hao trong tất cả mũ sắt của sứ cách điện: 12.15 180WsP

Tổn hao trong các bulông và cốt sắt của trụ bê tông lấy khoảng 10 % tổn hao đồng: Pb = 490 W. Tổng tổn hao công suất trong kháng điện:

199

P = 5060 + 180 + 490 = 5730 W = 5,73 KW. Vì kháng điện bố trí ba pha theo kiểu đồng trục thẳng đứng nên xác định nhiệt độ phát nóng pha trên cùng theo công thức 9-18 và bảng 9-2:

2

010035 100.0,96 35 52 87

2.406C

Trong đó :

1

1

0,57.620,57 0,96

2,1 62.2,1.12m

Dk

D N

Như vậy điều kiện phát nóng ở chế độ làm việc dài hạn thoả mãn.

Khi ngắn mạch nhận nhiệt độ phát nóng 0200nm C và xác định độ bền nhiệt

theo công thức:

2 0

0 0

2

2

1. ln

1

0,39.8,9 1 0,0043.200ln 12700, .

1,17.0,00413.0,0165 1 0,0043.87

nmnm nm

ph

Ct

k

As

mm

Từ đấy suy ra:

2 1/ 2. . 2.135. 12700 30430 /nm nm nm nmI t q t A s

Dòng điện ngắn mạch xác lập chảy qua kháng điện không vượt qua giá trị:

®m

100 100600. 12000 .

% 5nm

K

I I Ax

Thời gian cho phép dòng điện ngắn mạch này chảy trong kháng điện có thể xác định từ hai đẳng thức:

22

304306,4

12000nm nm

nm

nm

I tt s

I

Tính lực điện động giữa các vòng dây.

với 2

1 1

104 67,51,68; 1,09

62 62

D h

D D

và theo đường cong trên hình 9-9 ta được: Ah = 0,26. Lực Pc tác động trên 1cm của vòng dây được xác định theo công thức 9-26:

2

3 112 6002,8.10 .0,26 28 /

2.21 5cP KG cm

Ứng suất của dây quấn bằng:

2 2 2 2 6

23 3

2 2

28 .16,2 .1,15.101750 /

6 6.(2.1.35)

c qvP l EKG cm

q

Tính lực điện động giữa các pha. Khoảng cách giữa các cuộn dây bằng: S = 21,5 + 16+ 16 = 53,5 cm Như vậy:

200

53,5 67,5

0,64; 0,81383 83

S h

D D

Theo đường cong trên hình 9-13 ta được :

97.10

Khi ngắn mạch ba pha lực hút được xác định theo công thức 9-34:

2 9ax 4,86.(56.600.100 / 5) .7.10 15360h mP P KG

Lực đẩy bằng: ® / 3 15360 / 3 5120hP P KG

Bở qua trọng lượng kháng điện và nếu mỗi trụ bê tông đặt trên một trụ sứ thì lực nén tác động vào một trụ sứ bằng: Fn = 15360/12 =1280 KG. Vì lực nén cho phép của trụ sứ cách điện kiểu 05-10 là 10000 Kg, nên với phụ tải này thì hoàn toàn cho phép. Lực kéo tác động vào một trụ sứ bằng: Fk = 5120 /12 =426Kg. Sứ cách điện 05-10 cho phép lực kéo 500 Kg do đó về phương diên chịu lực kéo cũng thoả mãn.