Khí cụ điện bài giảng phần mở đầu

EE3242

KHÍ CỤ ĐIỆN

Bài giảng2015

Ts. Nguyễn Văn Ánh Ts. Nguyễn Bích Liê[email protected] [email protected]

G

22 kV

0.4 kV

tải (loads)

tải quan trọng (critical loads)

tải khẩn cấp(emergency loads)

Nguồn chính(Main supply)

UPS

Nguồn khẩn cấp(Emergency supply)

= Circuit Breakeráp tô mátmáy cắt

21

MBA

Hình 2: Khí cụ điện trong trạm phân phối điện

Mở đầuKiến thức học

Khi nhắc đến hệ thống điện, chúng ta thường nghĩ ngay đến các máy phát ra

điện, hệ thống dây dẫn điện để truyền tải và các máy biến áp trong các trạm

điện. Tuy nhiên, còn có một số thiết bị điện khác cũng đóng vai trò rất quan

trọng trong quá trình truyền tải điện năng đó là các thiết bị bảo vệ, đo lường,

điều khiển,... Những thiết bị này, thường được gọi là khí cụ điện trong thuật

ngữ chuyên ngành điện, luôn luôn được sử dụng để tạo ra tính tin cậy và an

toàn trong việc vận hành hệ thống điện nói chung.

Khí cụ điện (KCĐ) là thiết bị điện dùng để đóng, cắt, điều khiển, kiểm tra,

khống chế các đối tượng điện cũng như không điện và bảo vệ chung trong

trường hợp sự cố.

Khí cụ điện là gì?

Các nhóm thiết bị trong khí cụ điện?

Nội dung môn học?

Sự khác nhau giữa KCĐ và thiết bị điện

1. Khí Cụ Điện

áp tô mát

công tắc tơ

nút ấn + vôn kếkhởi động từ

rơ le

Công tăc tơ khởi động từ và được sử dụng để điều khiển việc đóng, cắt, khởi

động các động cơ. Tín hiệu từ các nút ấn (có giá trị dòng điện nhỏ) được truyền

Để hiểu rõ hơn, chúng ta hãy nhìn hình 1 bên cạnh. Đây là các KCĐ có trong một tủ điện để cung cấp điện và điều khiển hệ thống bơm nước trong tòa nhà.

Hệ thống được sử dụng cho nút ấnngười vận hành thao tác đóng, cắt hệ thống động cơ máy bơm, các đồng hồ đo để chỉ thị giá trị của lưới điện cho người vận hành biết.

Hình 1: Các khí cụ điện trong một tủ điện

“The measure of life is not its duration, but its donation”Peter Marshall

G

22 kV

0.4 kV

tải (loads)




UPS



21

MBA


đến các thiết bị này để đóng hoặc cắt dòng điện động lực (có trị số lớn) vào các

động cơ bơm nước. , lắp đặt ngay ở đầu điện vào, được sử dụng để Áp tô mát

bảo vệ các động cơ trong trường hợp sự cố như là chập mạch điện hoặc quá tải.

Cuối cùng là các , trong trường hợp này là các rơ le thời gian, cung cấp rơ le

thời gian khởi động cần thiết cho mạch điện tự động chuyển mạch khi khởi

động các động cơ bơm nước mà không cần có sự can thiệp của con người.

Một ví dụ khác về tác dụng của KCĐ trong trạm điện phân phối được trình bày

như hình 2. KCĐ được sử dụng ở đây là (hay gọi là đối với áp tô mát máy cắt

điện áp lớn hơn 1 kV). Ngoài tác dụng tự động bảo vệ thiết bị trong mạng, áp tô

mát còn giúp cho người vận hành điều kiển để cung cấp điện cho các loại tải

như mong muốn.

Trong ví dụ này, trạm điện được thiết kế để cung cấp điện cho các loại tải với

các mức độ ưu tiên khác nhau. Khi hệ thống điện ổn định, toàn bộ tải được cấp

từ nguồn cấp chính 22kV, nhưng khi nguồn chính mất điện, các tải có cấp ưu

tiên hơn sẽ được cấp điện qua máy phát điện G. Muốn làm được vậy, ta cần

phải có thiết bị là áp tô mát 1

để ngắt tải khẩn cấp (ví dụ như

hệ thống thang máy tòa nhà)

và tải quan trọng (như hệ

thống server máy tính) ra khỏi

nguồn chình. Sau đó, sử dụng

áp tô mát 2 để đóng điện từ

máy phát điện G để cấp điện

cho những tải này.

Ở đây còn có thiết bị UPS,

được sử dụng để cấp điện liên

tục cho những tải quan trọng

trong thời gian chờ đóng điện

từ máy phát G. Thiết bị này

cũng sẽ được giới thiệu trong

môn học này.

G

22 kV

0.4 kV

tải (loads)




UPS



21

MBA


G

22 kV

0.4 kV

tải (loads)




UPS



21

MBA


2. Phân Loại Khí Cụ Điện

KCĐ có rất nhiều chủng loại với chức năng và kích cỡ khác nhau, được dùng

rộng rải trong mọi lĩnh vực của cuộc sống. Mặc dù có nhiều cách để phân loại

KCĐ, tuy nhiên có thể kể ra hai loại phân loại phổ biến thường gặp như sau.

2.1 Phân loại theo công dụng

Theo cách phân loại này, KCĐ được phân loại theo công dụng sử dụng của

thiết bị như là:

Nhóm KCĐ khống chế : loại thiết bị này dùng để đóng, cắt các thiết bị điện

khác như là cầu dao cách ly, hay áp tô mát. Công tắc tơ thường dùng để đóng

cắt hay đảo chiều quay của máy điện cũng được phân vào loại này.

Mặc dù cùng là các KCĐ khống chế nhưng cách sử dụng của các thiết bị khác

nhau là khác nhau. Ví dụ như hình 3, cầu dao cách ly thì chỉ có thể đóng, cắt

được dòng điện không tải hoặc dòng điện rất nhỏ. Công tắc tơ được sử dụng để

đóng, cắt dòng điện làm việc từ xa. Áp tô mát được sử dụng để tự động cắt dòng

điện sự cố (dòng điện thường lớn và rất lớn), hoặc là đóng, cắt dòng điện làm

việc khi cần thiết.

Nhóm KCĐ bảo vệ : loại thiết bị này làm nhiệm vụ bảo vệ các thiết bị trong hệ

thống truyền tải điện hoặc các thiết bị điện riêng lẻ như là động cơ điện khi có

sự cố quá tải, ngắn mạch, sụt áp, etc. Các thiết bị như máy cắt (hay áp tô mát),

cầu chì, hay rơle, là những thiết bị thường gặp cho nhóm này.

Ở đây ta thấy rằng, áp tô mát có thể làm cả hai chức năng đó là đóng, cắt khống

Cầu dao cách ly Áp tô mát Công tắc tơ

Hình 3: Các khí cụ điện khống chế

G

22 kV

0.4 kV

tải (loads)




UPS



21

MBA


chế các thiết bị điện, đồng thời nó có khả năng tự động bảo vệ các thiết bị khác

khi mạng điện gặp sự cố nên nó thuộc cả hai nhóm là KCĐ khống chế và nhóm

KCĐ bảo vệ. Đối với cầu chì, nó có thể bảo vệ các thiết bị điện khỏi quá tải và

ngắn mạch giống như áp tô mát nhưng nó không có chức năng đóng, cắt và

khống chế như áp tô mát.

Cuối cùng là rơ le, thiết bị này rất đa dạng tùy thuộc vào chức năng bảo vệ của

nó trong hệ thống. Thiết bị này thường không có khả năng cắt được mạch điện

trực tiếp, mà chỉ có khả năng phát hiện sự cố và báo sự cố cho các KCĐ chấp

hành cắt mạch. Hình 4 thể hiện hai ví dụ về hai loại rơ le thường gặp hiện nay:

rơ le số và rơ le nhiệt. Rơ le số, thường được thấy trong các nhà máy điện hay

trạm điện truyền tải ngày này, sử dụng để phát hiện sự cố trong mạng điện và

báo sự cố đó cho các máy cắt nhằm cắt mạch điện loại bỏ sự cố đó. Rơ le nhiệt

thì hay được sử dụng để bảo vệ các động cơ điện riêng lẻ khỏi bị quá tải.

Nhóm KCĐ điều khiển từ xa : làm nhiệm vụ thu nhận thông tin của người

điều khiển từ xa, phân tích và khống chế sự hoạt động của các mạch điện. Ví dụ

như các ổ cắm thông minh, công tắc bật tắt thông minh, bảng điều khiển thông

minh, hoặc đơn giản là các công tắc tơ cho phép đóng cắt từ xa.

Cầu chì Rơ le số Rơ le nhiệt

Ổ cắm thông minh

Công tắc bật tắt thông minh

Bảng điều khiển thông minh

Hình 4: Các khí cụ điện bảo vệ

Hình 5: Các khí cụ điện điều khiển từ xa

G

22 kV

0.4 kV

tải (loads)




UPS



21

MBA


Những thiết bị điện thông minh như hình 5 ngày một phổ biến hơn trong thiết

kế điện ngày này. Việc đóng, cắt điện được thiết kế thông minh hơn để đáp ứng

tính tiện nghi nhất cho người sử dụng. Ổ cắm thông minh giúp người sử dụng ở

bất cứ đâu cũng có thể đóng hoặc cắt điện cho tải tiêu thụ miễn người đó có

internet. Công tắc bật tắt thông minh thì có thể sử dụng để tự động bật đèn điện

khi có người và tự động tắt khi không có người. Phức tạp hơn đó là các bảng

điểu khiển thông minh cho phép đóng hoặc cắt điện nhiều kênh khác nhau từ

xa thông qua mạng internet.

Nhóm KCĐ hạn chế dòng điện: những thiết bị này, như điện trở hay cuộn

kháng ở hình 6, thường được để sử dụng để hạn chế dòng điện ngắn mạch,

dòng điện mở máy của các động cơ điện, hay dòng điện nối đất trung tính trong

máy phát hoặc biến áp điện,....

Nhóm KCĐ duy trì ổn định các tham số điện: nhóm thiết bị này được sử dụng

để duy trì một vài thông số quan trọng trong lưới điện. Ví dụ như để duy trì điện

áp ổn đình thì ta sử dụng thiết bị ổn áp. Các thiết bị cung cấp nguồn liên tục như

UPS hay ATS như hình 7 có thể được xem như thuộc loại này.

Điện trở công suất

UPS ATS

Cuộn kháng

Điện trở công suất? Cuộn kháng và máy biến áp?

Uninterruptible Power Supply

Hình 6: Các khí cụ điện hạn chế dòng điện

Hình 7: Các khí cụ điện duy trì ổn định các tham số điện

G

22 kV

0.4 kV

tải (loads)




UPS



21

MBA


Nhóm KCĐ làm nhiệm vụ đo lường và bảo vệ: ngoài các thiết bị như ampe kế,

vôn kế để đo dòng điện, điện áp, thì ta còn thường gặp các thiết bị biến dòng

điện, và biến áp đo lường trong các trạm điện như trên hình 8. Những thiết bị

này được chế tạo để biến dòng điện và điện áp lớn về các giá trị tiêu chuẩn để

cấp cho các thiết bị đo lường, bảo vệ và điều khiển.

Máy biến dòng điện (BI) Máy biến điện áp (BU)

2.2 Phân loại theo cấp điện áp

Đôi khi các KCĐ được phân loại theo cấp điện áp mà chúng làm việc. Đơn

giản thì ta có hai loại KCĐ, đó là tức là những thiết bị làm việc với KCĐ hạ áp

điện áp nhỏ hơn 1000V. Ngược lại, là thiết bị làm việc với điện áp KCĐ cao áp

lớn hơn 1000V. Trong nhiều tài liệu, việc phân loại theo cấp điện áp còn được

phân ra thành các cấp điện áp nhỏ hơn như dưới đây:

Khí cụ điện hạ áp có điện áp dưới 1 kV

Khí cụ điện trung áp có điện áp từ 1 kV đến 36 kV

Khí cụ điện cao áp có điện áp từ 36 kV đến nhỏ hơn 400 kV

Khí cụ điện siêu cao áp có điện áp từ 400 kV trở lên

Lưu ý, cấp điện áp được sử dụng trong hệ thống điện không phải là các giá trị

liên tục mà chỉ là các giá trị rời rạc. Hiện nay, cấp điện áp sử dụng phổ biến

trong hệ thống truyền tải và phân phối ở việt nam là: 0.4 kV - 22kV - 35 kV -

110kV - 220 kV - 500kV. Một số cấp điện áp trước đây như 6 kV, 10 kV và 15

kV gần như đã bị loại bỏ khỏi lưới điện và hiện nay cấp điện áp 35 kV mặc dù

vẫn còn nhưng cũng không còn được khuyến khích sử dụng nữa.

Hình 8: Các khí cụ điện làm nhiệm vụ đo lường và bảo vệ

G

22 kV

0.4 kV

tải (loads)




UPS



21

MBA


Giống như các thiết bị điện nói chung, KCĐ cần đảm bảo các yêu cầu chung

như sau:

Phải đảm bảo sử dụng được lâu dài đúng tuổi thọ thiết kế khi làm việc với

các thông số kỹ thuật ở chế độ định mức.

Thiết bị điện phải đảm bảo ổn định lực điện động và ổn định nhiệt khi làm

việc ở chế độ bình thường, và đặc biệt khi có sự cố về dòng điện và điện

áp trong giới hạn cho phép.

Vật liệu cách điện chịu được quá điện áp cho phép.

Thiết bị điện phải đảm bảo làm việc tin cậy, chính xác an toàn, gọn nhẹ,

dễ lắp ráp, dễ kiểm tra sửa chữa.

3 Các Yêu Cầu Đối Với Khí Cụ Điện

4 Hiểu Các Thuật Ngữ Kỹ Thuật

Trong giáo trình này và trong các tài liệu hướng dẫn kỹ thuật về các thiết bị điện,

chúng ta sẽ thường bắt gặp một số thuật ngữ như giá trị định mức, giá trị danh

định hay dòng điện đóng định mức,....Trong quá trình học, nắm bắt và hiểu bản

chất của những thuật ngữ này là rất quan trọng, giúp người đọc hiểu và lựa chọn

thiết bị đúng trong thiết kế và lắp đặt điện. Ví dụ như,

Giá trị định mức (rated values): ta thường bắt gặp là các giá trị dòng điện định

mức (rated current) hoặc điện áp định mức (rated voltage). Những thông số này

thường được ghi rõ trên thiết bị để cho người sử dụng biết. Thiết bị điện được

thiết kế để làm việc ở ‘chế độ bình thường’ đối với các thông số này. Và nói

chung, hầu hết các thiết bị cũng đều làm việc bình thường khi dòng điện hay

điện áp dao động trong khoảng ±5% hoặc ±10% giá trị định mức.

Giá trị danh định (normal values): khái niệm này thì chỉ áp dụng cho điện áp.

Điện áp danh định được hiểu là giá trị điện áp được gán (hay là dùng để đặt tên)

cho một đường dây truyền tải nào đó trong hệ thống điện. Ví dụ như các cấp

điện áp danh định trong hệ thống điện phân phối bao gồm 110kV, 35kV, 22kV,

15kV, 10kV, 6kV và 0,4kV.

G

22 kV

0.4 kV

tải (loads)




UPS



21

MBA


Nội dung chương trình học nhằm cung cấp cho người học các kiến thức cơ bản

về cơ sở lý thuyết KCĐ và giới thiệu các KCĐ cũng như ứng dụng của chúng

trong các hệ thống truyền tải, phân phối và điều khiển điện. Cụ thể môn học

được chia làm 3 phần lớn như được thể hiện trên hình vẽ

Phần 1 cơ sở lý thuyết: trình bày những cơ sở lý thuyết về những vấn đề liên

quan đến thiết kế và cấu tạo của các KCĐ nói chung. Bao gồm những vấn đề về

nam châm điện, lực điện động, phát nóng do tổn hao trong KCĐ, hồ quang điện,

tiếp xúc điện. Để giúp các bạn sinh viên tiếp xúc với môn học lần đầu hiểu, nên

các vấn đề trong phần này sẽ được trình bày dưới dạng đơn giản hóa, cùng với

các ví dụ giải sẵn để người học dễ tiếp thu hơn. Toàn bộ các lý thuyết này sẽ là cơ

sở giúp cho người đọc hiểu bản chất thiết kế và nguyên lý làm việc của các khí

cụ điện đề cập đến ở phần sau.

Phần 2 KCĐ hạ áp: giới thiệu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, và ứng dụng của

các KCĐ hạ áp, tức là các thiết bị làm việc với điện áp nhỏ hơn 1000V. Các

thiết bị sẽ được trình bày như: công tắc tơ, áp tô mát, rơ le điện, ... Ngoài việc

nắm bắt từng thiết bị riêng lẻ, người học còn được yêu cầu đọc và trình bày lại

cách tính toán và lựa chọn các KCĐ để bảo vệ, điều khiển hệ thống động cơ

trong một tòa nhà. Điều này sẽ giúp người học hiểu hơn về việc thiết kế mạch

điều khiển, lựa chọn và tác dụng của các khí cụ điện.

Phần 3 KCĐ cao áp: nội dung thì giống với phần hai nhưng áp dụng cho các

5 Nội Dung Môn Học

Khí Cụ Điện

Phần 1Cơ Sở Lý Thuyết

Phần 2Khí cụ điện hạ áp

Phần 3Khí cụ điện cao áp

Hình 9: Nội dung môn học khí cụ điện

G

22 kV

0.4 kV

tải (loads)




UPS



21

MBA


KCĐ cao áp, tức là các thiết bị làm việc với điện áp lớn hơn 1000V. Các thiết bị

sẽ được trình bày như: máy cắt, dao cách lý, dao ngắn mạch, chống sét,... Phần

này sẽ được so sánh với phần hai trong quá trình tìm hiểu để giúp cho người học

nhận ra sự khác biệt giữa các KCĐ cao áp và các KCĐ hạ áp. Ví dụ như, cùng

làm nhiệm vụ bảo vệ mạch điện nhưng máy cắt cao áp và máy cắt hạ áp (áp tô

mát) phải được thiết kế khác nhau và tư duy điều khiển, vận hành cũng hoàn

toàn khác nhau.

6 Tài Liệu Tham Khảo

Phạm Văn Chới, Bùi Tín Hữu, Nguyễn Tiến Tôn, Khí Cụ Điện, In lần thứ 6,

2010, NXBKHKT

http://www.electrical-installation.org/enwiki/Main_Page

http://webdien.com/d/content.php

G

22 kV

0.4 kV

tải (loads)




UPS



21

MBA


Thomas Alva Edison (11 tháng 2 năm 1847 – 18 tháng 10 năm 1931) là một nhà

phát minh và thương nhân đã phát triển rất nhiều thiết bị có ảnh hưởng lớn tới

cuộc sống trong thế kỷ 20. Ông được một nhà báo đặt danh hiệu "Thầy phù thủy

ở Menlo Park", ông là một trong những nhà phát minh đầu tiên ứng dụng các

nguyên tắc sản xuất hàng loạt vào quy trình sáng tạo, và vì thế có thể coi là đã

sáng tạo ra phòng nghiên cứu công nghiệp đầu tiên. Một số phát minh được gán

cho ông tuy ông không hoàn toàn là người đầu tiên có ý tưởng đó, nhưng sau khi

bằng sáng chế đầu tiên được thay đổi nó trở thành của ông (nổi tiếng nhất là

bóng đèn), trên thực tế là công việc của rất nhiều người bên trong công ty của

ông. Tuy nhiên, Edison được coi là một trong những nhà phát minh giàu ý tưởng

nhất trong lịch sử, ông giữ 1.093 bằng sáng chế tại Hoa Kỳ dưới tên ông, cũng

như các bằng sáng chế ở Anh Quốc, Pháp, và Đức (tổng cộng 1.500 bằng phát

minh trên toàn thế giới)

Không học ở trường, Edison tự học ở sách theo cách riêng của mình. Dần dần,

với sự suy nghĩ, tìm tòi, thực hiện không chú trọng lí thuyết suông, từng bước

Edison đã chinh phục những gì mà người thời bấy giờ cho là không tưởng. Phát

minh đầu tiên của ông là một chiếc máy điện báo tải hai có khả năng cùng một

lúc phát đi hai tin. Ít lâu sau, ông cải tiến thành máy tải ba, tải tư rồi đa tải. Tải tư

được bán cho Western Union với giá 10.000 USD.

Một thời gian sau, chán nản với công việc của một điện báo viên, Edison đến

New York, trung tâm tài chính bậc nhất lúc bấy giờ, với hy vọng sẽ kiếm thêm

chi phí cho các cuộc thí nghiệm của mình. Tại đây, ông đã hợp tác với vài người

Sinh 11 tháng 2, 1847 Milan, Ohio, Hoa Kỳ

Mất 18 tháng 10, 1931 (84 tuổi) West Orange, New Jersey, Hoa Kỳ

Thomas Alva Edison

Bạn có biết?

G

22 kV

0.4 kV

tải (loads)




UPS



21

MBA


bạn thành lập một công ty nhỏ chuyên về điện và điện báo. Phát minh thứ hai

của ông là cải tiến chiếc máy điện báo đa tải thành Hệ thống điện báo nhận các

tin tức hối đoái ngân hàng. Chiếc máy đầu tiên đã đem về cho ông một số tiền

lớn. Toàn bộ số tiến kiếm được lúc này, ông trút hết vào các thí nghiệm của mình

về sau.

Phát minh đầu tiên mang lại nổi tiếng cho Edison là máy quay đĩa năm 1877.

Công chúng không thể ngờ được về phát minh này và coi nó là điều ma thuật.

Edison bắt đầu được gọi là "Thầy phù thủy ở Menlo Park, New Jersey", nơi ông

sống. Chiếc máy quay đĩa đầu tiên của ông ghi lại âm thanh trên các trụ bọc

thiếc cho chất lượng âm thanh thấp và nó phá hủy luôn đường rãnh ghi âm khi

nghe lại nên chỉ có thể nghe được một lần. Trong thập kỷ 1880, một model được

thiết kế lại sử dụng các trụ bìa giấy các tông tráng sáp ong được chế tạo bởi

Alexander Graham Bell, Chichester Bell, và Charles Tainter. Đây là một lý do

khiến Thomas Edison tiếp tục làm việc để tạo ra chiếc "Máy hát hoàn thiện" của

riêng ông.

Ông cũng từng phát minh ra máy Kiểm phiếu điện tử và đã xin cấp bằng sáng

chế, nhưng đã bị từ chối.

Nguồn: Wikipediahttp://vi.wikipedia.org/wiki/Thomas_Edison

G

22 kV

0.4 kV

tải (loads)




UPS



21

MBA


Documents

Khí cụ điện bài giảng phần mở đầu