Giáo trình nghề Điện công nghiệp - Khí cụ điện
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ THƯƠNG MẠI
GIÁO TRÌNH
Khí cụ điện
NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG
(Ban hành kèm theo Quyết định số:
/QĐ – CĐ CN&TM ngày tháng
năm 2018 Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Công nghiệp và Thương mại)
Vĩnh Phúc, năm 2018
1
MỤC LỤC
Trang
3
Giới thiệu mô đun
Bài mở đầu
5
Bài 1. Khí cụ điện đóng cắt
1. Cầu dao
23
23
27
33
36
41
47
47
51
55
60
66
71
75
75
79
80
83
86
92
93
2. Các loại công tắc và nút điều khiển.
3. Dao cách ly.
4. Máy cắt điện
5. Áp-tô-mát.
Bài 2. Khí cụ điện bảo vệ
1. Nam châm điện.
2. Rơle điện từ.
3. Rơle nhiệt.
4. Cầu chì.
5. Thiết bị chống rò.
6. Biến áp đo lường.
Bài 3. Khí cụ điện điều khiển
1. Công tắc tơ.
2. Khởi động từ.
3. Rơle trung gian và rơle tốc độ.
4. Rơle thời gian.
5. Bộ khống chế.
Các thuật ngữ chuyên môn
Tài liệu tham khảo
2
MÔN ĐUN: KHÍ CỤ ĐIỆN
Mã mô đun: MHCC16010021
Vị trí, ý nghĩa, vai trò mô đun:
Mô đun này học sau các môn học: An toàn lao động; Mạch điện, có thể học
song song với môn học Vật liệu điện.
Nội dung môn học này nhằm trang bị cho học viên những kiến thức cơ bản và
những kỹ năng cần thiết về cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tính kỹ thuật và ứng
dụng, nắm được các hiện tượng, nguyên nhân hư hỏng và cách sữa chữa một số
khí cụ điện cơ bản nhằm ứng dụng có hiệu quả trong ngành nghề của mình.
Mục tiêu của mô đun.
Sau khi học xong mô đun này, học viên có năng lực:
- Nhận dạng và phân loại được khí cụ điện.
- Trình bày được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các loại khí cụ điện.
- Sử dụng thành thạo các loại khí cụ điện.
- Tính, chọn được các loại khí cụ điện.
- Tháo lắp được các loại khí cụ điện.
- Sửa chữa được các loại khí cụ điện.
Nội dung chính của môn học/mô đun: Nội dung tổng quát và phân bố thời gian :
Thời gian (giờ)
Tổng
Lý
Thực
Kiểm
tra
Số
TT
số thuyết hành, thí
nghiệm,
Tên các bài trong mô đun
thảo luận,
bài tập
1
2
Bài mở đầu
4
16
2
3
5
1
1
1
1
1
1
10
1
Bài 1. Khí cụ điện đóng cắt
1. Cầu dao
1
1
2. Các loại công tắc và nút điều khiển.
3. Dao cách ly.
2
1
4
3
4. Máy cắt điện
4
3
5. Áp-tô-mát.
3
2
* Kiểm tra
1
3
4
Bài 2. Khí cụ điện bảo vệ
1. Nam châm điện.
2. Rơle điện từ.
3. Rơle nhiệt.
4. Cầu chì.
5. Thiết bị chống rò.
6. Biến áp đo lường.
Bài 3. Khí cụ điện điều khiển
12
2
2
3
1
3
1
13
4
1
1
1
8
1
1
2
1
2
1
9
1
3
1
3
Thời gian (giờ)
Lý Thực
số thuyết hành, thí
nghiệm,
Tổng
Kiểm
tra
Số
TT
Tên các bài trong mô đun
thảo luận,
bài tập
1. Công tắc tơ.
3
1
4
2
2
1
1
2
1
3
2
1
2. Khởi động từ.
3. Rơle trung gian và rơle tốc độ.
4. Rơle thời gian.
5. Bộ khống chế.
* Kiểm tra
1
1
1
Cộng:
45
15
28
2
4
BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN
Giới thiệu :
Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp điện năng các thiết bị điện dân
dụng, điện công nghiệp cũng như các khí cụ điện được sử dụng ngày càng tăng
lên không ngừng. Chất lượng của các khí cụ điện cũng không ngừng được cải tiến
và nâng cao cùng với sự phát triển của công nghệ mới. Vì vậy đòi hỏi người công
nhân làm việc trong các ngành, nghề và đặc biệt trong các nghề điện phải hiểu rõ
về các yêu cầu, nắm vững cơ sở lý thuyết khí cụ điện. Làm cơ sở để nắm vững
cấu tạo, nguyên lý làm việc và ứng dụng của từng loại khí cụ điện để không ngừng
nâng cao hiệu quả kinh tế và tiết kiệm điện năng trong sử dụng.
Nội dung môn học này nhằm trang bị cho học viên những kiến thức cơ bản và
cần thiết về cơ sở lý thuyết khí cụ điện nhằm ứng dụng có hiệu quả trong ngành
nghề của mình.
Mục tiêu:
- Nêu được khái niệm, công dụng của các loại khí cụ điện
- Hiểu được cách tiếp xúc điện, cách tạo hồ quang điện và dập tắt hồ quang điện.
- Rèn luyện tính nghiêm túc trong học tập và trong thực hiện công việc.
Nội dung chính:
1.1. Khái niệm
1.1.1. Định nghĩa
Khí cụ điện là những thiết bị dùng để đóng, cắt, điều khiển, điều chỉnh và
bảo vệ các lưới điện, mạch điện, máy điện và các máy móc sản xuất. Ngoài ra
nó còn được dùng để kiểm tra và điều chỉnh các quá trình không điện khác.
1.1.2. Các yêu cầu cơ bản đối với khí cụ điện.
Khí cụ điện phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
+ Khí cụ điện phải đảm bảo sử dụng lâu dài với các thông số kỹ thuật ở
định mức. Nói cách khác dòng điện qua vật dẫn không được vượt quá trị số cho
phép vì nếu không sẽ làm nóng khí cụ điện và nhanh hỏng.
+ Khí cụ điện ổn định nhiệt và ổn định điện động. Vật liệu phải chịu nóng
tốt và có cường độ cơ khí cao vì khi quá tải hay ngắn mạch, dòng điện lớn có thể
làm khí cụ điện hư hỏng hoặc biến dạng.
+ Vật liệu cách điện phải tốt để khi xẩy ra quá điện áp trong phạm vi cho
phép khí cụ điện không bị chọc thủng.
+ Khí cụ điện phải đảm bảo làm việc được chính xác, an toàn song phải gọn
nhẹ, rẻ tiền, dễ gia công, dễ lắp ráp, kiểm tra và sữa chữa.
+ Ngoài ra khí cụ điện phải làm việc ổn định ở các điều kiện và môi trường
yêu cầu.
1.2. Sự phát nóng của khí cụ điện.
1.2.1. Khái niệm.
Dòng điện chạy trong vật dẫn làm khí cụ điện nóng lên (theo định luật Jun-
Lenxơ). Nếu nhiệt độ vợt quá giá trị cho phép, khí cụ điện sẽ nhanh hỏng, vật liệu
cách điện sẽ nhanh hoá già và độ bền cơ khí sẽ giảm đi nhanh chóng. Nhiệt độ
cho phép của các bộ phận trong khí cụ điện được cho trong bảng sau:(bảng 1.1)
5
Bảng 1-1:
Cấp cách Nhiệt độ
Các vật liệu cách điện chủ yếu
điện
cho phép
(0C)
110
75
Vật liệu không bọc cách điện hay để xa vật cách điện.
Dây nối tiếp xúc cố định.
75
Tiếp xúc hình ngón của đồng và hợp kim đồng.
Tiếp xúc trượt của đồng và hợp kim đồng.
Tiếp xúc má bạc.
110
120
110
90
Vật không dẫn điện không bọc cách điện.
Y
Giấy, vải sợi, lụa, phíp, cao su, gỗ và các vật liệu tương
tự, không tẩm nhựa. Các loại nhựa như: nhựa polietilen,
nhựa polistirol, vinyl clorua, anilin...
A
E
105
120
Giấy, vải sợi, lụa tẩm dầu, cao su nhân tạo, nhựa
polieste, các loại sơn cách điện có dầu làm khô.
Nhựa tráng polivinylphocman, poliamit, eboxi. Giấy ép
hoặc vải có tẩm nha phenolfocmandehit (gọi chung là
bakelit giấy). Nhựa melaminfocmandehit có chất độn
xenlulo. Vải có tẩm poliamit. Nhựa poliamit, nhựa
phênol - phurol có độn xenlulo.
B
130
Nhựa polieste, amiăng, mica, thủy tinh có chất độn. Sơn
cách điện có dầu làm khô, dùng ở các bộ phận không
tiếp xúc với không khí. Sơn cách điện alkit, sơn cách
điện từ nhựa phenol. Các loại sản phẩm mica (micanit,
mica màng mỏng). Nhựa phênol-phurol có chất độn
khoáng. Nhựa eboxi, sợi thủy tinh, nhựa melamin
focmandehit, amiăng, mica,hoặc thủy tinh có chất độn.
F
H
C
155
180
Sợi amiăng, sợi thủy tinh không có chất kết dính.
Xilicon, sợi thủy tinh, mica có chất kết dính.
Trên 180 Mica không có chất kết dính, thủy tinh, sứ.
Politetraflotilen, polimonoclortrifloetilen.
Tùy theo chế độ làm việc mà khí cụ điện phát nóng khác nhau. Có ba chế độ
làm việc: làm việc dài hạn, làm việc ngắn hạn và làm việc ngắn hạn lặp lại.
6
1.2.2. Chế độ ngắn hạn lặp lại:
Ở chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại thường dùng hệ số thông dòng điện ĐL%.
Theo định nghĩa:
tlv
t
100 lv 100
T
Đ
L%
tlv tng
Trong đó:
- tlv là thời gian làm việc.
- tng là thời gian nghỉ.
- T chu kỳ làm việc.
Độ chênh nhiệt (còn gọi là độ tăng nhiệt) là hiệu nhiệt độ khí cụ điện và môi
trường xung quanh: 0
Trong đó:
-
-
: nhiệt độ khí cụ điện.
o: nhiệt độ môi trường xung quanh.
Các nước miền ôn đới quy định o = 35oC. ở Việt Nam quy định o = 40oC
Sự phát nóng do tổn hao nhiệt quyết định. Đối với KCĐ một chiều đó là tổn
hao đồng, đối với KCĐ xoay chiều đó là tổn hao đồng và sắt. Ngoài ra còn có tổn
hao phụ. Nguồn phát nóng chính ở KCĐ là: dây dẫn có dòng điện chạy qua, lõi
thép có từ thông biến thiên theo thời gian. Cầu chì, chống sét và một số KCĐ khác
có thể phát nóng do hồ quang. Ngoài ra còn phát nóng do tổn thất dòng điện xoáy.
Bên cạnh quá trình phát nóng có quá trình tỏa nhiệt theo ba hình thức: truyền
nhiệt, bức xạ và đối lưu.
1.2.3. Phát nóng của vật thể đồng chất ở chế độ làm việc dài hạn.
0
t1
t
t t1
Hình 1-1. Đường đặc tính phát nóng theo thời gian của khí cụ
điện ở chế độ dài hạn.
Chế độ làm việc dài hạn là chế độ khí cụ làm việc trong thời gian t > t , t là
1 1
thời gian phát nóng của khí cụ điện từ nhiệt độ môi trường xung quanh đến nhiệt
độ ổn định (hình 1-1) với phụ tải không đổi hay thay đổi ít. Khi đó độ chênh lệch
nhiệt độ đạt tới trị số nhất định tôđ.
Một vật dẫn đồng chất, tiết diện đều đặn có nhiệt độ ban đầu là nhiệt độ môi
trường xung quanh. Giả thiết dòng điện có giá trị không đổi bắt đầu qua vật dẫn:
Từ lúc này vật dẫn tiêu tốn năng lượng điện để chuyển thành nhiệt năng làm nóng
vật dẫn. Lúc đầu, nhiệt năng tỏa ra môi trường xung quanh ít mà chủ yếu tích lũy
trong vật dẫn, nhiệt độ vật dẫn bắt đầu tăng dần lên và sau một thời gian đạt tới
7
giá trị ổn định tôđ và giữ ở giá trị này. Như vậy là nhiệt độ vật dẫn tăng nhanh
theo thời gian đến một lúc nào đó chậm dần và đi đến ổn định.
Nhiệt lượng tiêu tốn trong khoảng thời gian dt theo định luật Jun-Lenxơ:
P I2Rdt
, Ws
dt
Với:
P - công suất tác dụng, W.
I - giá trị dòng điện hiệu dụng, A.
R - điện trở vật dẫn, W
* Phương trình cân bằng nhiệt là:
P CMd S.dt
dt
Trong đó:
CMd
: phần tích lũy đốt nóng vật dẫn.
aS dt: phần toả ra môi trường xung quanh.
C: tỉ nhiệt vật dẫn.
M: khối lượng vật dẫn, kg.
0
: độ chênh nhiệt độ ( C) so với môi trường xung quanh.
: hệ số toả nhiệt W/m2, oC
S: diện tích toả nhiệt của vật dẫn, m2.
1.3. Tiếp xúc điện
Theo cách hiểu thông thường, chỗ tiếp xúc điện là nơi gặp gỡ chung của hai
hay nhiều vật dẫn để dòng điện đi từ vật dẫn này sang vật dẫn khác. Bề mặt tiếp
xúc giữa các vật dẫn gọi là bề mặt tiếp xúc điện.
Tiếp xúc điện là một phần rất quan trọng của khí cụ điện. Trong thời gian hoạt
động đóng mở, chỗ tiếp xúc sẽ phát nóng cao, mài mòn lớn do va đập và ma sát,
đặc biệt sự hoạt động có tính chất hủy hoại của hồ quang.
Tiếp xúc điện phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Thực hiện tiếp xúc chắc chắn, đảm bảo.
- Sức bền cơ khí cao.
- Không phát nóng quá giá trị cho phép đối với dòng điện định mức.
- Ổn định nhiệt và điện động khi có dòng ngắn mạch đi qua.
- Chịu được tác dụng của môi trường xung quanh, ở nhiệt độ cao ít bị oxy
hoá.
Có ba loại tiếp xúc:
- Tiếp xúc cố định: hai vật tiếp xúc không rời nhau bằng bulông, đinh tán.
- Tiếp xúc đóng mở: tiếp điểm của các khí cụ điện đóng mở mạch điện.
- Tiếp xúc trượt: Chổi than trượt trên cổ góp, vành trượt của máy điện.
Lực ép lên mặt tiếp xúc có thể là bulông hay lò xo.
Theo bề mặt tiếp xúc có ba dạng:
- Tiếp xúc điểm (giữa hai mặt cầu, mặt cầu - mặt phẳng, hình nón - mặt
phẳng).
- Tiếp xúc đường (giữa hình trụ - mặt phẳng).
- Tiếp xúc mặt (mặt phẳng - mặt phẳng).
Bề mặt tiếp xúc theo dạng nào cũng có mặt phẳng lồi lõm rất nhỏ mà mắt
thường không thể thấy được. Tiếp xúc giữa hai vật dẫn không thực hiện được trên
8
toàn bộ bề mặt mà chỉ có một vài điểm tiếp xúc thôi. Đó chính là các đỉnh có bề
mặt cực bé để dẫn dòng điện đi qua.
Muốn tiếp xúc tốt phải làm sạch mối tiếp xúc. Sau một thời gian nhất định,
bất kỳ một bề mặt nào đã được làm sạch trong không khí cũng đều bị phủ một lớp
oxy. ở những mối tiếp xúc bằng vàng hay bằng bạc, lớp oxy này chậm phát triển.
Thông thường, bề mặt tiếp xúc được làm sạch bằng giấy nhám mịn và sau đó
lau lại bằng vải. Nếu bề mặt tiếp điểm có dính mỡ hoặc dầu phải làm sạch bằng
axêtôn.
1.3.1. Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm:
Có hai vật tiếp xúc nhau, diện tích tiếp xúc S, điện trở suất chiều dài l như
(hình 1-2,a). Lúc đó điện trở hai vật dẫn tính bằng:
l
Rl
S
R()
S
I
Vật dẫn 1
Vật dẫn 2
1
2
l/2
l/2
F(N)
b - Đường đặc tính quan hệ điện trở tiếp
a - Hình dạng và kích thước
xúc với lực ép lên tiếp điểm
Hình 1-2. Cách tính điện trở tiếp xúc
Đường 1 - khi lực ép tăng
Đường 2 - khi lực ép giảm
Khi dòng điện đi qua hai vật dẫn đó, điện trở tổng R sẽ lớn hơn R vì hai mặt
1
vật dẫn dù có được làm sạch đến thế nào cũng đều xuất hiện lớp oxy làm tăng
điện trở. nếu gọi Rtx là điện trở tiếp xúc của hai vật dẫn thì Rtx được tính:
k
F m
Rtx R R1
Trong đó:
+ k - hệ số phụ thuộc vào r và s (với s là ứng suất biến dạng của vật liệu hay
còn gọi là hệ số chống dập nát) đồng thời trạng thái mặt tiếp xúc.
+ m - phụ thuộc vào dạng tiếp điểm và số lượng điểm tiếp xúc.
+ F- Lực ép lên tiếp điểm.
9
Bảng 1-2: ứng suất của vật liệu
Bảng 1-
Bảng 1-4: Trị số tham khảo m
1.3.2. Một số yếu tố ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc:
a. Vật liệu làm tiếp điểm:
Nếu vật liệu mềm thì dù áp suất có bé điện trở tiếp xúc cũng bé. Nói một cách
khác, nếu khả năng chống dập nát được đặc trưng bằng S bé thì Rtx cũng bé. Do
đó thường dùng vật liệu mềm để làm tiếp điểm hoặc dùng kim loại cứng mạ ngoài
bằng kim loại mềm như: đồng thau mạ thiếc, thép mạ thiếc. Từ đó cũng đã phát
triển tiếp điểm lưỡng kim loại: tiếp điểm loại cứng tiếp xúc với kim loại lỏng như
thủy ngân.
b. Lực ép lên tiếp điểm F:
10
Lực F tiếp điểm càng lớn thì điện trở tiếp xúc càng bé, có thể xem đường cong
(hình 1-2, b). Tuy nhiên lực ép tăng đến một giá trị nhất định nào đó thì điện trở
tiếp xúc sẽ không giảm nữa.
c. Hình dạng tiếp điểm:
k
F m
Vì: m khác nhau nên
cũng khác nhau (bảng 1-4).
Rtx R R1
d. Diện tích tiếp xúc:
Có ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc, diện tích tiếp xúc càng lớn thi Rtx càng
nhỏ.
e. Mật độ dòng điện:
Diện tích tiếp xúc được xác định tuỳ theo mật độ dòng điện cho phép. Đối với
thanh dẫn bằng đồng tiếp xúc nhau ở tần số 50Hz thì mật độ dòng điện cho phép
là:
Trong đó:
+ I - giá trị dòng điện hiệu dụng, A.
2
+ S - diện tích mặt tiếp xúc, mm .
Biểu thức tính toán trên chỉ đúng với dòng điện từ . Nếu I ngoài giá trị đó:
2
I < 200A thì Jcp = 0,31A/mm
2
I > 2000A thì Jcp = 0,12A/mm
Khi vật liệu tiếp xúc không phải là đồng (Cu) thì mật độ dòng điện cho phép
đối với chất ấy có thể tính theo công thức sau:
R
tx( p)Cu
Jcp.vat.lieu.x JcpCu
R( p).vat.lieu.x
Đối với mật độ dòng điện đã cho trước, muốn giảm phát nóng tiếp điểm thì
vật liệu phải có điện trở suất nhỏ, đồng thời phải có khả năng tỏa nhiệt cao qua
mặt ngoài. Do đó những vật dẫn có bề mặt xù xì (vật đúc) hay những vật dẫn được
quét sơn sẽ tỏa nhiệt có hiệu quả hơn. Có thể kiểm tra nhiệt độ tiếp xúc bằng sự
biến màu của sơn.
Như vậy muốn giảm điện trở tiếp xúc có thể tăng lực F, tăng số điểm tiếp xúc,
chọn vật dẫn có điện trở suất bé và hệ số truyền nhiệt lớn, tăng diện tích truyền
nhiệt và chọn tiếp điểm có dạng toả nhiệt dễ nhất.
1.3.3. Cấu tạo của tiếp xúc:
a. Tiếp xúc cố định:
Có các dạng như Hình1-3. ở đây ta cần chú ý tới tiếp xúc cố định dùng các
bulông thép để ghép, những bulông này thực tế không dẫn điện khi ngắn mạch.
Lúc đó vật dẫn không phải là thép sẽ phát nóng và nở nhiều hơn vật liệu bulông
thép nên những bulông này chịu ứng suất khá lớn, đến khi phát nóng giảm hay bị
nguội lạnh thì mối tiếp xúc sẽ yếu. Để tránh hiện tượng này nên đệm vòng đệm lò
xo dưới đai ốc.
b. Tiếp xúc đóng mở và tiếp xúc trượt:
11
Đối với rơle thường dùng bạc, platin tán hoặc hàn vào giá tiếp điểm. Kích
thước viên tiếp điểm rơle ứng với dòng điện cho phép có thể tham khảo ở bảng 1-
5.
Bảng 1-5:
Tiếp điểm rơle thường dùng hình thức tiếp xúc điểm.
- Tiếp điểm của các khí cụ có dòng điện trung bình và lớn hơn như: bộ khống
chế, Contactor, khí cụ điện cao áp... Thường tiếp điểm làm việc mắc song song
với tiếp điểm hồ quang. Khi tiếp điểm đang ở vị trí đóng, dòng điện sẽ qua tiếp
điểm làm việc. Khi mở hoặc đóng, hồ quang phát sinh sẽ cháy trên tiếp điểm hồ
quang. Tiếp điểm hồ quang được chế tạo bằng kim loại tốt. Như vậy tiếp điểm
làm việc luôn luôn được bảo vệ tốt không bị hồ quang phá hoại bề mặt tiếp xúc.
Hình 1-3 Hình dạng của một số tiếp xúc cố định.
Tiếp điểm thường có nhiều dạng khác nhau: hình ngón, bắc cầu, chổi, cắm....
- Tiếp điểm hình ngón: dùng nhiều ở Contactor. Khi đóng, tiếp điểm động vừa
lăn vừa trượt trên tiếp điểm tĩnh và tự làm tróc lớp oxyt trên bề mặt tiếp điểm.
- Tiếp điểm bắc cầu: dùng như rơle.
- Tiếp điểm chổi: gồm những lá đồng mỏng từ 0,1 - 0,2 mm dạng hình chổi
xếp lại trượt trên tiếp điểm tĩnh.
- Tiếp điểm kẹp (cắm): dùng ở cầu dao, cầu chì, dao cách ly...
- Tiếp điểm đối diện (tiếp điểm dầu): dùng ở máy ngắt điện áp cao.
c. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy làm việc và độ phát nóng của tiếp
xúc điện:
Là điện trở tiếp xúc. điện trở tiếp xúc càng nhỏ càng tốt. Điện trở tiếp xúc lớn
làm tiếp điểm phát nóng dẫn đến gây hư hỏng các chất cách điện gắn tiếp điểm,
nóng chảy tiếp điểm.
12
Hình 1-4. Dạng của một số tiếp xúc đóng mở:
a) Tiếp điểm ngón;
b) Tiếp điểm bắc cầu;
c) Tiếp điểm cắm (kẹp);
d) Tiếp điểm đối diện;
e) Tiếp điểm lưỡi;
h) Tiếp điểm thủy ngân.
d. Một số yêu cầu đối với vật liệu làm tiếp điểm:
Những vật liệu được dùng làm tiếp điểm phải thỏa mãn các điều kiện sau:
- Có độ dẫn điện cao, dẫn nhiệt tốt
- Có đủ độ dẻo độ mềm để giảm điện trở tiếp xúc
- Có độ bền cơ khí cao, để giảm mài mòn, biến dạng bề mặt tiếp điểm
- Không bị ô xy hóa làm giảm điện trở tiếp xúc
- Có độ nóng chảy cao để tránh tiếp điểm bị cháy
- Nhiệt độ bốc hơi và nóng chảy cao.
- Rẻ và dễ gia công cơ khí.
- Chống ăn mòn và mài mòn tốt
Đồng, thép được dùng rộng rãi để làm các tiếp điểm cố định. Đồng có điện
trở suất bé và có đủ sức bền cơ khí, được dùng trong mạch có dòng điện lớn. Thép
chỉ dùng ở điện áp cao và công suất bé, về sức bền cơ khí và điện trở suất thì lớn
hơn đồng và đặc biệt phát sinh tổn thất lớn đối với dòng xoay chiều.
Đối với tiếp xúc đóng mở mạch điện có dòng điện bé, tiếp điểm thường dùng
bằng bạc, đồng, platin, vonfram, niken và hạn hữu mới dùng vàng. Bạc có tính
chất dẫn điện và truyền nhiệt tốt. Platin (bạch kim) không có lớp oxýt, điện trở
13
tiếp xúc bé. Vonfram có nhiệt độ nóng chảy cao và chống mài mòn tốt đồng thời
có độ cứng cao.
Trường hợp dòng điện vừa và lớn thường dùng đồng, đồng thau và những kim
loại hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao.
Khi dòng điện lớn, dùng hợp kim có độ mài mòn bé, độ cứng lớn song có
nhược điểm là tính dẫn điện giảm, do đó để tăng khả năng dẫn điện, người ta chế
tạo thành những tấm mỏng dán hoặc hàn vào bề mặt tiếp xúc. Hợp kim thường
dùng: bạc - vonfram, bạc - niken, đồng - vonfram.
e. Các nguyên nhân gây hư hỏng tiếp điểm và các biện pháp khắc phục
* Nguyên nhân gây hư hỏng tiếp điểm
- Ăn mòn kim loại: do trên bề mặt tiếp điểm có những lỗ nhỏ. Trong vận hành
hơi nước và các chất đọng lại gây phản ứng hóa học, bề mặt tiếp xúc bị ăn mòn
làm hư hỏng tiếp điểm.
- Ô xy hóa: do môi trường tác dụng lên bề mặt tiếp xúc tạo thành lớp ô xýt
mỏng có điện trở suất lớn dẫn tới điện trở tiếp xúc lớn, phát nóng hỏng tiếp điểm.
- Điện thế hóa học của vật liệu làm tiếp điểm.
- Hư hỏng tiếp điểm do điện: Khi vận hành khí cụ điện không được bảo quản
tốt tiếp điểm bị rỉ, lò xo bị han rỉ không duy trì đủ lực làm điện trở tiếp xúc tăng
khi có dòng điện các tiếp điểm sẽ phát nóng có thể nóng chảy tiếp điểm.
* Các biện pháp khắc phục
- Với những mối tiếp xúc cố định nên bôi một lớp bảo vệ.
- Khi thiết kế nên chọn vật liệu có điện thế hóa học giống nhau.
- Sử dụng các vật liệu không bị ô xy hóa làm tiếp điểm hoặc mạ các tiếp điểm.
- Thường xuyên kiểm tra, thay thế lò xo hư hỏng, lau sạch các tiếp điểm.
1.4. Hồ quang và các phương pháp dập tắt hồ quang.
1.4.1. Quá trình hình thành hồ quang.
A
I
B
A
B
H1
d
H2
Hình 1.5: Quá trình hình thành hồ quang
Trong khí cụ điện, hồ quang thường xẩy ra ở các tiếp điểm khi cắt dòng điện.
Trước đó khi các tiếp điểm đóng điện trong mạch có dòng điện, điện áp trên phụ
tải là U còn điện áp trên 2 tiếp điểm A, B bằng 0. Khi cắt điện 2 tiếp điểm A, B
rời nhau (H2) lúc này dòng điện giảm nhỏ. Toàn bộ điện áp U đặt lên 2 cực A, B
do khoảng cách d giữa 2 tiếp điểm rất nhỏ nên điện trường giữa chúng rất lớn (Vì
điện trường U/d ).
Do nhiệt độ và điện trường ở các tiếp điểm lớn nên trong khoảng không khí
giữa 2 tiếp điểm bị ion hóa rất mạnh nên khối khí trở thành dẫn điện (Gọi là
plasma) sẽ xuất hiện phóng điện hồ quang có mật độ dòng điện lớn (104 - 105 A
/cm2), nhiệt độ rất cao (4000 - 50000C). Điện áp càng cao dòng điện càng lớn thì
hồ quang càng mãnh liệt.
14
1.4.2. Tác hại của hồ quang
- Kéo dài thời gian đóng cắt: do có hồ quang nên sau khi các tiếp điểm rời
nhau nhưng dòng điện vẫn còn tồn tại. Chỉ khi hồ quang được dập tắt hẳn mạch
điện mới được cắt.
- Làm hỏng các mặt tiếp xúc: nhiệt độ hồ quang rất cao nên làm cháy, làm rỗ
bề mặt tiếp xúc. Làm tăng điện trở tiếp xúc.
- Gây ngắn mạch giữa các pha: do hồ quang xuất hiện nên vùng khí giữa các
tiếp điểm trở thành dẫn điện, vùng khí này có thể lan rộng ra làm phóng điện giữa
các pha.
- Hồ quang có thể gây cháy và gây tai nạn khác.
1.4.3. Các phương pháp dập hồ quang
Yêu cầu hồ quang cần phải được dập tắt trong khu vực hạn chế với thời gian
ngắn nhất, tốc độ mở tiếp điểm phải lớn mà không làm hư hỏng các bộ phận của
khí cụ. Đồng thời năng lượng hồ quang phải đạt đến giá trị bé nhất, điện trở hồ
quang phải tăng nhanh và việc dập tắt hồ quang không được kéo theo quá điện áp
nguy hiểm, tiếng kêu phải nhỏ và ánh sáng không quá mạnh. Để dập tắt hồ quang
ta dùng các biện pháp sau:
- Kéo dài hồ quang.
- Dùng từ trường để tạo lực thổi hồ quang chuyển động nhanh.
- Dùng dòng khí hay dầu để thổi dập tắt hồ quang.
- Dùng khe hở hẹp để hồ quang cọ sát vào vách hẹp này.
- Dùng phương pháp thổi bằng cách sinh khí.
- Phân chia hồ quang ra nhiều đoạn ngắn nhờ các vách ngăn.
- Dập hồ quang trong dầu mỏ.
1.5. Lực điện động
1.5.1. Khái niệm:
Lực điện động là lực sinh ra khi một vật dẫn mang dòng điện đặt trong từ
trường. Lực tác dụng lên vật dẫn có xu hướng làm thay đổi hình dáng vật dẫn để
từ thông xuyên qua mạch vòng của vật dẫn có giá trị cực đại.
Trong hệ thống gồm vài vật dẫn mang dòng điện, bất kỳ một vật dẫn nào
trong chúng cũng có thể được coi là đặt trong từ trường tạo nên bởi các dòng điện
chạy trong các vật dẫn khác. Do đó giữa các vật dẫn mang dòng điện luôn luôn
có từ thông tổng tương hỗ móc vòng kết quả là luôn luôn có các lực cơ học (Được
gọi là lực điện động). Tương tự như vậy cũng có các lực điện động sinh ra giữa
các vật mang dòng điện và khối sắt từ . Chiều của lực điện động được xác định
bằng qui tắc bàn tay trái hoặc bằng nguyên tắc chung như sau: lực tác dụng lên
vật dẫn mang dòng điện có xu hướng làm biến đổi mạch vòng dòng điện sao cho
từ thông qua nó tăng lên.
Trong điều kiện sử dụng bình thường các lực điện động đều nhỏ và không gây
nên biến dạng các chi tiết mang dòng điện của khí cụ điện. Tuy nhiên khi có ngắn
mạch các lực này trở nên rất lớn có thể gây nên biến dạng hay phá huỷ chi tiết
thậm chí phá huỷ cả khí cụ điện. Vì vậy cần phải tính toán khí cụ điện (hoặc từng
bộ phận) về mặt sức bền chịu lực điện động nghĩa là khí cụ điện không bị phá huỷ
khi có dòng điện ngắn mạch cực đại tức hời chạy qua. Việc tính toán đó lại càng
cần thiết nếu ta muốn có được khí cụ điện có kích thước nhỏ gọn.
15
1.5.2. Phương pháp tính lực điện động.
Để tính toán lực điện động ta có thể dùng 2 phương pháp:
a. Phương pháp 1: dựa trên định luật tác dụng tương hỗ của dây dẫn
mang dòng điện và từ trường (Định luật Biosava laplax).
Dây dẫn thẳng dài l mang dòng điện i đặt trong từ trường có cảm ứng từ
B chịu tác dụng lực điện từ có giá trị bằng công thức.
(N)
(1)
F IBl sin
: là góc lệch pha giữa chiều của véc tơ cảm ứng từ và chiều của dòng điện
chạy trong dây dẫn.
B
l
F
Hình 1.6: Lực điện động trong dây dẫn thẳng
Một hệ gồm hai dây dẫn 1 và 2 đặt tuỳ ý có các dòng điện i1 và i2 chạy
qua.
2
1
dx
dy
B
+
i2
i1
Hình 1.7: lực điện động trong hai dây dẫn bất kỳ
Trường hợp này dây dẫn 1 mang dòng điện i1 được coi là đặt trong từ trường
tạo bởi dòng điện i2 chạy trong dây dẫn 2 (ngược lại i2 được coi là đặt trong từ
trường do dòng điện i1 chạy trong dây dẫn 1). Khi đó lực điện động tác dụng giữa
2 dây dẫn :
0
4
( N)
(2)
F C.i1.i2.
Trong đó : * 0: là độ từ thẩm của không khí 0 = 4.10-7 (H /m).
* Dây dẫn đặt trong không khí thì độ từ thẩm tương đối:tđ .
* C: hằng số phụ thuộc kích thước hình học của 2 dây dẫn, còn gọi
là hệ số mạch vòng.
16
Nếu thay: 0 vào (2) ta có:
F = 10 –7 i1 i2 C (N)
(3)
Trong đó: dòng điện i1 và i2 tính bằng A
b. Phương pháp 2: Phương pháp cân bằng năng lượng
Một dây dẫn hay một mạch vòng mang dòng điện i có năng lượng từ tính
theo công thức :
i2
W L
(4)
2
Trong đó: L là điện cảm của mạch.
Hai mạch vòng mang các dòng điện i1 và i2 có năng lượng từ tính theo
công thức :
i12
i22
W L1 L2 Mi i
(5)
1 2
2
2
Trong đó:
+ L1 , L2 : là hệ số tự cảm của các mạch vòng.
+ M: là hỗ cảm của 2 mạch vòng.
1.5.3.Lực điện động của một số dạng dây dẫn.
a. Tính lực điện động tác dụng lên dây dẫn thẳng mang dòng điện i:
Bài toán: Một dây dẫn mang dòng điện i = 10A, dài 1m, đặt trong từ trường
có cảm ứng từ B = 1T. Hướng của từ trường lệch so với hướng của dây dẫn một
góc
Giải:
Từ công thức F = iBl sinð (N)
= 10*1*1sin 450
= 7,07 N
b.Tính lực điện động giữa 2 dây dẫn song song có tiết diện tròn mang các
dòng điện i1 và i2.
Trong hệ thống gồm 2 dây dẫn song song có tiết diện tròn cách nhau một
khoảng a mang các dòng điện i1 và i2 khi đó ( sin = 1)
l 2
l 1
1
y
l
2
a
F2
F1
F1
F2
F
F
F
F
+
+
+
+
Hình 1.8: lực điện động trong hai dây dẫn song song
17
4
107
F Ci1i2
Ci1i2.107
( N)
(6)
(7)
4
* Với hệ số mạch vòng
dy
2
C l1 dxl2
sin
* Nếu coi dây dẫn 2 là dài vô hạn lấy tích phân thứ 2 trước ta có
2
(8)
C l1 dx
a
* Nếu dây dẫn 1 cũng dài vô hạn thì hệ số C cũng tiến tới vô hạn
+ Nếu dây dẫn 1 (l1) có chiều dài hữu hạn l thì
l
C 2
a
(9)
Khi đó lực tác động lên dây dẫn 1 sẽ là
l
F 2.107 i1i2
a
(10)
+ Nếu 2 dây dẫn có chiều dài hữu hạn l thì ta lấy tích phân với các tích phân
tương ứng ta được hệ số mạch vòng C và lực điện động :
2
l
a
a
l
F 2*107
1
i i
(11)
1 2
a
l
Nếu a << l và << 0,2 thì ta bỏ qua
l
a
F 2*107 1 i i
(12)
1 2
a
l
+ Nếu 2 dây dẫn có chiều dài không bằng nhau cách nhau một khoảng a có
dòng điện i1 và i2 thì
Trong thực tế ta thường gặp hai dây dẫn có chiều dài không bằng nhau như
hình 1.9 l1 và l2 cách nhau một khoảng a có các dòng điện i1 và i2 chạy qua.
Ta giả thiết kéo dài l2 thêm một đoạn l3 để bằng l1. Dây dẫn l1 cũng có thể coi
như gồm hai đoạn l2 + l3. Khi đó có thể coi như lực tác dụng tương hổ giữa hai
dây dẫn l1 và l2 (Fl1l2 ) bằng tổng các lực tác dung tương hổ giữa hai dây dẫn cùng
chiều dài l2 và l3 (Fl2l3 )
a
Hình 1.9: Lực điện động trong hai dây
dẫn song song, không bằng nhau
18
Fl1 l2 = Fl2 l2 +Fl2 l3
(13)
(14)
Tương tự ta viết được:
Fl1 l2 = Fl1 l1 - Fl2 l3 - Fl3 l3
Cộng 2 phương trình (13) và (14) ta có:
2 Fl1 l2 = Fl1 l1 + Fl2 l2 - Fl3 l3
1
Fl1 l2 = (Fl1 l1 + Fl2 l2 - Fl3 l3
)
(15)
2
c. Tính lực điện động giữa 2 dây dẫn song song có tiết diện hình chữ nhật
mang các dòng điện i1 và i2.
Trong các KCĐ và lưới điện người ta sử dụng rộng rãi dây dẫn có tiết diện
hình chữ nhật. Khi l >> a, ta áp dụng công thức.
l
F 2*107 i1i2 khd
(16)
a
Trong đó: khd là hệ số hình dáng phụ thuộc vào kích thước hình học của dây
dẫn và khoảng cách giữa chúng.
b
l
h
b
l
h
a
a
Hình a.
Hình b.
Hình 1.10: lực điện động trong hai dây dẫn
song song, có tiết diện hình chữ nhật
Hình a. Dây đặt đứng
Hình b. Dây đặt nằm
Ví dụ:
Ngàm của cầu dao được chế tạo từ hai thanh kim loại dẹt. Mỗi thanh có kích
thước:
B*h = 0,005 x 0,06 (m2), chiều dài l = 0,42 m và khoảng cách giữa chúng là
a = 0,024 m. Hãy tính lực điện động tác dụng giữa 2 thanh nếu mỗi thanh cho
dòng điện 33 KA đi qua.
Giải :
Ngàm của cầu dao thường bố trí theo chiều thẳng đứng. Từ các kích thước đã
cho ta tính được:
a b 0,024 0,005
h b 0,080 0,005
0,223
19
b
a
0,005
0,080
0,062
Tra bảng quan hệ hệ số khd với các kích thước dây dẫn ta có:
Khd = 0,55
l
0,42
F 2.107 i1i2 khd 2.107332106
0,55 2368N
a
0,024
1.6. Công dụng của khí cụ đện.
Khí cụ điện được sử dụng rộng rãi ở các nhà máy điện, các trạm biến áp, trong
các xí nghiệp công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, thủy lợi, giao thông vận tải,
quốc phòng …
Các máy điện gồm máy phát điện, động cơ điện.
Các thiết bị truyền tải bao gồm đường dây, cáp điện, thanh góp, sứ cách điện,
máy biến áp, kháng điện cũng được xem là thiết bị ở nhóm này.
Dụng cụ đo lường.
Các thiết bị điện còn lại bao gồm thiết bị đóng cắt, chuyển đổi, khống chế,
điều khiển, bảo vệ kiểm tra …gọi chung là khí cụ điện.
2. Công dụng và phân loại khí cụ điện.
2.1. Công dụng của khí cụ điện.
Khí cụ điện được sử dụng rộng rãi ở các nhà máy điện, các trạm biến áp, trong
các xí nghiệp công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, thủy lợi, giao thông vận tải,
quốc phòng …
Các máy điện gồm máy phát điện, động cơ điện.
Các thiết bị truyền tải bao gồm đường dây, cáp điện, thanh góp, sứ cách điện,
máy biến áp, kháng điện cũng được xem là thiết bị ở nhóm này.
Dụng cụ đo lường.
Các thiết bị điện còn lại bao gồm thiết bị đóng cắt, chuyển đổi, khống chế,
điều khiển, bảo vệ kiểm tra …gọi chung là khí cụ điện.
2.2. Phân loại khí cụ điện.
Có thể phân loại khí cụ điện theo những cách sau đây.
2.2.1. Phân loại theo công dụng.
Khí cụ điện dùng để đóng cắt lưới điện.
Khí cụ điện dùng để mở máy, điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh điện áp và dòng
điện.
Khí cụ điện dùng để duy trì tham số điện ở giá trị không đổi.
Khí cụ điện dùng để bảo vệ lưới điện, máy điện.
2.2.2. Phân loại theo dòng điện.
+ Phân loại theo dòng điện:
Khí cụ điện một chiều.
Khí cụ điện xoay chiều.
+ Phân loại theo điện áp.
Khí cụ điện cao thế.
Khí cụ điện hạ thế.
2.2.3. Phân loại theo nguyên lí hoạt động.
Khí cụ điện hoạt động theo nguyên lí điện từ, cảm ứng, nhiệt, có tiếp điểm,
không có tiếp điểm.
20
Tải về để xem bản đầy đủ
93 trang
24980
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình nghề Điện công nghiệp - Khí cụ điện", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_nghe_dien_cong_nghiep_khi_cu_dien.pdf
