Giao Trinh Thiet Bi Dien - Le Thanh Bac

7/18/2019 Giao Trinh Thiet Bi Dien - Le Thanh Bac

http://slidepdf.com/reader/full/giao-trinh-thiet-bi-dien-le-thanh-bac 1/202

LÊ THÀNH BẮC

GIÁO TRÌNH

THIẾT BỊ ĐIỆN (Tái bản có sửa chữa và bổ xung)

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ K Ỹ THUẬTHÀ NỘI - 2003



MỤC LỤC

Mục lục

Phần thứ nhấ t CƠ SỞ LÍ THUYẾT THIẾT BỊ ĐIỆ N

Khái niệm chung về thiết bị điệnChươ ng 1 H ồ quang đ iện

1.1. Đại cươ ng về hồ quang điện1.2. Hồ quang điện một chiều1. 3. Hồ quang điện xoay chiều1. 4. Qúa trình phục hồi điện áp của hồ quang điện1. 5. Các biện pháp và trang bị dậ p hồ quang trong thiết bị điện

Chươ ng 2 Tiế p xúc đ iện2. 1. Đại cươ ng về tiế p xúc điện2. 2. Tiế p điểm của thiết bị điện

Chươ ng 3 Phát nóng 3. 1. Đại cươ ng

3. 2. Chế độ làm việc dài hạn của vật thể đồng nhất3. 3. Chế độ làm việc ngắn hạn của vật thể đồng nhất3. 4. Chế độ làm việc ngắn hạn lặ p lại của vật thể đồng nhất3. 5. Sự phát nóng khi ngắn mạch

Chươ ng 4 Lự c đ iện động 4. 1. Khái niệm chung4. 2. Các phươ ng pháp tính lực điện động4. 3. Tính lực điện động của vật dẫn4. 4. Lực điện động trong mạch điện xoay chiều4. 5. Cộng hưở ng cơ khí và ổn định lực điện động

Chươ ng 5 C ơ cấ u đ iện t ừ và nam châm đ iện5. 1 Khái niệm chung về mạch từ 5. 2 Tính từ dẫn khe hở không khí của mạch từ 5. 3 Tính toán mạch từ

5. 4 Đại cươ ng về nam châm điện5. 5. Tính lực hút điện từ nam châm điện một chiều5. 6. Nam châm điện xoay chiều và vòng chống rung5. 7 Nam châm điện 3 pha5. 8. Cơ cấu điện từ chấ p hành

Phần thứ hai THIẾT BỊ ĐIỆ N HẠ ÁP Chươ ng 6 Rơ le

6. 1. Khái niệm chung về r ơ le6. 2. R ơ le điện từ 6. 3. R ơ le điện động6.4. R ơ le từ điện6. 5. R ơ le cảm ứng6. 6. R ơ le thờ i gian - R ơ le nhiệt -R ơ le tốc độ-- R ơ le điều khiển

6.7 R ơ le t ĩ nhChươ ng 7 C ảm biế n

7. 1. Khái niệm chung7. 2. Cảm biến điện tr ở 7. 3. Cảm biến điện cảm7. 4. Cảm biến cảm ứng - Cảm biến điện dung - Cảm biến điểm7.5. Cảm biến quang

Chươ ng 8 Công t ắ c t ơ -khở i động t ừ -cầu chì-áptômát

Trang

5

79

111214

1720

2526272830

3131323638

4041

444849525454

58606263

6466

78818687



8.1. Công tắc tơ 8.2. Khở i động từ 8.3. Cầu chảy(cầu chì)8.4. Áptomat

Chươ ng 9 Các bộ ổ n định đ iện

9. 1. Khái niệm chung về các bộ ổn định điện9. 2. Ổn áp sắt từ không tụ 9. 3. Ổn áp sắt từ có tụ 9. 4. Ổn áp khuếch đại từ 9. 5. Ổn áp biến tr ở than9.6. Ổn áp Servomotor 9.7. Ổn áp kiểu bù9.8. Ổn áp điện tử

Phần thứ ba THIẾT BỊ ĐIỆ N TRUNG VÀ CAO ÁPChươ ng 10 Dao ng ắ t

10. 1. Các định ngh ĩ a và đặc tính của thiết bị đóng cắt10. 2. Dao cách li10. 3. Cầu dao nối đất một tr ụ

10. 4. Cơ cấu thao tác tác của dao cách li và cầu dao nối đất10.5. Cầu dao cao áp10. 6. Dao cách li và cầu dao phụ tải lướ i trung áp

Chươ ng 11 Máy ng ắ t đ iện11.1. Chức năng-phân loại-cách lựa chọn và cấu trúc11. 2. Nguyên lí cắt và các điều kiện đóng cắt khắc nghiệt11. 3. Môi tr ườ ng dậ p hồ quang và nguyên lí tác động11.4. Cơ cấu tác động và điều khiển11.5. Một số loại máy ngắt cao và siêu cao áp

Chươ ng 12 Thiế t bị chố ng sét 12. 1. Khái niệm chung12. 2. Thiết bị chống sét ống12. 3. Chống sét van12. 4. Chống sét van từ

12. 5. Chống set ôxit kim loại12. 6. Chống sét VariSTAR UitraSILChươ ng 13 Kháng đ iện

13.1. Khái niệm chung13.2. Lựa chọn và kiểm tra kháng điện

Chươ ng 14 Biế n áp đ o l ườ ng 14.1. Biến điện áp đo lườ ng14.2. Biến dòng điện

Chươ ng 15 H ệ thiế t bị SCADA15.1. Công dụng và chức năng của hệ SCADA15.2 Tổ chức SCADA trong hệ thống điện lực15.3. Phần mềm RUNTIME thườ ng lệ của SCADA15.4. Hệ phần mềm thươ ng phẩm của SCADA công nghiệ p15.5. Các mạng truyền tin của hệ SCADA

15.6

Truyền tin trong hệ SCADAPhụ lụcTài liệu tham khảo

88

919598

101

105105106108109110111112

113115119119120121

123137140152155

171

172173176177181

186186

189192

196199

204204205207



Lờ i nói đầu

"Giáo trình Thiết bị điện “ đượ c biên soạn trên cơ sở đề cươ ng chi tiết môn học "Thiết bị điện" cho các ngành K ỹ thuật Điện, Tự động hóa, K ỹ thuật Nhiệt-Điện lạnh. Trong quá trình biên soạn, tác giả có tham khảo các giáo trình "Cơ sở lí thuyết khí cụ điện", "Phần tử tự động","Khí cụ điện hạ áp ", "Khí cụ điện cao áp",...đã đượ c tr ườ ng Đại học Bách khoa Hà Nội xuất bản.Giáo trình này dùng làm tài liệu giảng dạy và học tậ p cho sinh viên ngành Điện, Điện tử, Côngnghệ Nhiệt -Điện lạnh cũng như làm tài liệu tham khảo cho ki sư và cán bộ ki thuật ngành điệncũng như các chuyên ngành liên quan.

Nội dung của giáo trình đề cậ p đến các vấn đề lí thuyết cơ bản của thiết bị điện và giớ ithiệu một số thiết bị điện thông dụng hiện nay.

Giáo trình này đượ c chia làm ba phần:+ Phần thứ nhấ t : Lí thuyết cơ sở .+ Phần thứ hai : Thiết bị điện hạ áp.+ Phần thứ ba: Thiết bị điện trung - cao áp.

Trong quá trình biên soạn, Tác giả đã nhận đượ c sự giúp đỡ và cung cấ p tài liệu của:- Các Thầy, Cô giáo trong bộ môn Thiết bị điện -điện tử, tr ườ ng Đại học Bách khoa Hà

Nội.- Các đồng nghiệ p trong nhóm Thiết bị điện tr ườ ng Đại học K ỹ thuật Đà Nẵng như GVC.

Lê Văn Quyện, ThS.Võ Như Tiến.- Các Ki sư công tác tại cơ quan đại diện các hãng thiết bị như ABB, SIEMENS,

COOPER,... và các Ki sư của trung tâm Điều độ điện Quốc gia.Đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình của TS.Tr ần Văn Chính trong việc hiệu đính và đóng góp

thêm nhiều ý kiến cho nội dung Giáo trình.Mặc dù, tác giả đã có nhiều cố gắng trong việc biên soạn giáo trình nhất là đề cậ p đến

những thiết bị điện hiện đại nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượ ng đào tạo, phục vụ nhu cầucông nghiệ p hóa - hiện đại hóa hiện nay nhưng vớ i khả năng và kinh nghiệm có hạn, chắc chắnkhông tránh khỏi thiếu sót. Sách sau khi đượ c nhà xuất bản Khoa Học và K ỹ Thuật phát hành, tácgiả cũng đã nhận đượ c nhiều ý kiến đóng góp và khích lệ động viên của các Thầy Cô giáo và nhiềuk ỹ sư, cán bộ k ỹ thuật đang công tác tại các tr ườ ng đại học cũng như các công ty, xí nghiệ p của



ngành điện. Tác giả xin chân thành cảm ơ n và r ất mong tiế p tục nhận đượ c sự đóng góp ý kiến củađông đảo bạn đọc để giáo trình đượ c hoàn thiện hơ n nữa trong các lần tái bản sau.

Mọi thư tư, góp ý xin gửi về ban biên tậ p nhà xuất bản Khoa Học và K ỹ Thuật - Hà Nộivà bộ môn Thiết bị Điện - tr ườ ng Đại học K ỹ thuật Đà Nẵng. Tác giả xin chân thành cảm ơ n.

Tác giả

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Teo рия Элeктрическиx Aппаратов -Γ. H. Aлександров -MOCKBA Bыcшaя Школа-1985.2. Cơ sở lí thuyết khí cụ điện - Bộ môn Máy điện- Khí cụ điện - Đại học Bách khoa Hà Nội - 1978.3. Khí cụ điện, k ết cấu sử dụng và sửa chữa - Nguyễn Xuân Phú, Tô Đằng -Nhà xuất bản Khoa học và k ỹ

thuật - 1997.4. Cẩm nang thiết bị đóng cắt - Nhà xuất bản Khoa học và K ỹ thuật -Hà Nội - 1998.5. Giáo trình K ĩ thuật điện cao áp - Võ Viết Đạn - Đại học Bách khoa Hà Nội - 1972.6. Phần tử tự động - Nguyễn Tiến Tôn, Phạm Văn Chớ i - Bộ môn Máy điện - Khí cụ điện - Đại học Bách

khoa Hà Nội - 1980.7. Giáo trình Khí cụ điện, dùng cho ngành Điện khí hóa- Đại học Bách khoa Hà Nội - 1979.7. Giáo trình Khí cụ điện- Đại học Bách khoa Hà Nội - 1985.8. Static Relays - ABB.

9. Low Oil Content Circuit - Breakers for Outdoor Stations 10...72.5 kV. E.I.B.10. SF6 Circuit - Breakers with Spring Operating Mechanism 72.5... 170 kV. AEG.11. Gas - Insulated Switchgear 72.5... 525 kV. AEG.12. Metal - Enclosed, SF6 - Gas Insulated High Voltage Switchgear (V.I.S.). series B3 up to 420kV.

AEG.13. Giáo trình Cảm biến- Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến-Nhà xuất bản Khoa học và K ỹ thuật - Hà

Nội -2000.14. Quy trình vận hành và bảo dưỡ ng các loại máy cắt dầu- Nhà xuất bản Khoa học và K ỹ thuật-Hà Nội

-1996.15. Quy trình vận hành và bảo dưỡ ng máy ngắt SF6-Tổng công ti Điện lực Việt Nam- Hà Nội -1998.16. Nhà máy điện và tr ạm biến áp - Tr ịnh Hùng Thám, Nguyễn Hữu Khai, Đào Quang Thạch, Lã Văn Út,

Phạm Văn Hòa, Đào Kim Hoa -Nhà xuất bản Khoa học và K ỹ thuật -Hà Nội -1996.





5

PHẦN THỨ NHẤTLÍ THUYẾT CƠ SỞ

KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THIẾT BỊ ĐIỆN

Thiết bị điện đượ c đề cậ p ở đây là các loại thiết bị làm các nhiệm vụ: đóng cắt, điều khiển, điềuchỉnh, bảo vệ, chuyển đổi, khống chế và kiểm tra mọi sự hoạt động của hệ thống lướ i điện và các loạimáy điện. Ngoài ra thiết bị điện còn đượ c sử dụng để kiểm tra, điều chỉnh và biến đổi đo lườ ng nhiềuquá trình không điện khác.

Thiết bị điện là một loại thiết bị đang đượ c sử dụng r ất phổ biến có mặt trong hầu hết các lãnhvực sản xuất của nền kinh tế, từ các nhà máy điện, tr ạm biến áp, hệ thống truyền tải điện, đến các máy phát và động cơ điện trong các xí nghiệ p công nghiệ p, nông nghiệ p, giao thông,... và trong cả lãnh vực anninh quốc phòng.

Thiết bị điện sử dụng ở nướ c ta hiện nay đượ c nhậ p từ r ất nhiều nướ c, r ất nhiều hãng sản xuấtkhác nhau và đủ các thế hệ. Có cả các thiết bị đã có thờ i gian sử dụng 40 đến 50 năm, r ất lạc hậu và cácthiết bị r ất hiện đại mớ i nhậ p. Chính vì vậy các quy cách không thống nhất, gây khó khăn cho vận hành, bảo dưỡ ng và sửa chữa. Do qúa nhiều chủng loại thiết bị điện vớ i các tiêu chuẩn ki thuật r ất khác nhau,nên trong sử dụng hiện nay nhiều khi không sử dụng hết tính năng và công suất của thiết bị hoặc sử dụng

không đúng gây hư hỏng nhiều, làm thiệt hại không nhỏ cho nền kinh tế. Chính vì vậy việc đào tạo vàcậ p nhậ p nâng cao kiến thức về thiết bị điện đặc biệt là các thiết bị mớ i cho các cán bộ ki thuật quản lí vàvận hành thiết bị điện là một đòi hỏi r ất cấ p thiết. Giáo trình này nhằm trang bị những lí luận cơ bản, để hiểu nguyên lí làm việc, đặc điểm cấu tạo các loại thiết bị điện thườ ng dùng trong tự động truyền động,trong hệ thống điện và trong các linh vực điều khiển máy điện,...nhằm giúp sinh viên các ngành nănglượ ng khi ra tr ườ ng có thể lựa chọn, vận hành, sửa chữa, cải tiến thiết bị điện hoặc một số bộ phận củathiết bị điện, đặc biệt cung cấ p những kiến thức làm cơ sở đê tiế p cận các thiết bị hiện đại.

1. Phân loại thiết bị điệnĐể thuận lợ i cho việc nghiên cứu, vận hành sử dụng và sửa chữa thiết bị điện ngườ i ta thườ ng

phân loại như sau:a) Phân theo công d ụng

+ Thiết bị điện khống chế: dùng để đóng cắt, điều chỉnh tốc độ chiều quay của các máy phátđiện, động cơ điện (như cầu dao, áp tô mát, công tắc tơ ,...).

+ Thiết bị điện bảo vệ: làm nhiệm vụ bảo vệ các động cơ , máy phát điện, lướ i điện khi có quátải, ngắn mạch, sụt áp,...( như r ơ le, cầu chì, máy cắt,...).

+ Thiết bị điện tự động điều khiển từ xa: làm nhiệm vụ thu nhận phân tích và khống chế sự hoạtđộng của các mạch điện như khở i động từ,...

+ Thiết bị điện hạn chế dòng ngắn mạch (như điện tr ở phụ, cuộn kháng,...).+ Thiết bị điện làm nhiệm vụ duy trì ổn định các tham số điện (như ổn áp, bộ tự động điều chỉnh

điện áp máy phát,...)+ Thiết bị điện làm nhiệm vụ đo lườ ng (như máy biến dòng điện, biến áp đo lườ ng,...).

b) Phân theo tính chấ t dòng đ iện+ Thiết bị điện dùng trong mạch một chiều.+ Thiết bị điện dùng trong mạch xoay chiều.

c) Phân theo nguyên lí làm việcThiết bị điện loại điện từ, điện động, cảm ứng, có tiế p điểm, không có tiế p điểm,...

d) Phân theo đ iề u kiện làm việc

+ Loại làm việc vùng nhiệt đớ i khí hậu nóng ẩm, loại ở vùng ôn đớ i, có loại chống đượ c khícháy nổ, loại chịu rung động,...e) Phân theo cấ p đ iện áp có

+ Thiết bị điện hạ áp có điện áp dướ i 3kV.+ Thiết bị điện trung áp có điện áp từ 3kV đến 36 kV.+ Thiết bị điện cao áp có điện áp từ 36kV đến nhỏ hơ n 400 kV.+ Thiết bị điện siêu cao áp có điện áp từ 400 kV tr ở lên.



6

2. Các yêu cầu cơ bản của thiết bị điện - Phải đảm bảo sử dụng đượ c lâu dài đúng tuổi thọ thiết k ế khi làm việc vớ i các thông số k ỹ

thuật ở định mức.- Thiết bị điện phải đảm bảo ổn định lực điện động và ổn định nhiệt độ khi làm việc bình

thườ ng, đặc biệt khi sự cố trong giớ i hạn cho phép của dòng điện và điện áp.

- Vật liệu cách điện chịu đượ c quá áp cho phép.- Thiết bị điện phải đảm bảo làm việc tin cậy, chính xác an toàn, gọn nhẹ, dễ lắ p ráp, dễ kiểm

tra, sửa chữa.- Ngoài ra còn yêu cầu phải làm việc ổn định ở điều kiện khí hậu môi tr ườ ng mà khi thiết k ế đã

cho phép.

Chươ ng 1. HỒ QUANG ĐIỆ N

1.1. ĐẠI CƯƠ NG VỀ HỒ QUANG ĐIỆN

1. Khái niệm chungHồ quang điện thực sự có ích khi đượ c sử dụng trong các l ĩ nh vực như hàn điện, luyện

thép,...những lúc này hồ quang cần đượ c duy trì cháy ổn định. Nhưng trong các thiết bị điện như cầu chì, cầu dao, máy cắt,...hồ quang lại có hại cần phải

nhanh chóng đượ c loại tr ừ. Khi thiết bị điện đóng, cắt (đặc biệt là khi cắt) hồ quang phát sinh giữa cáccặ p tiế p điểm của thiết bị điện khiến mạch điện không đượ c ngắt dứt khoát. Hồ quang cháy lâu sau khithiết bị điện đã đóng cắt sẽ làm hư hại các tiế p điểm và bản thân thiết bị điện. Trong tr ườ ng hợ p này để đảm bảo độ làm việc tin cậy của thiết bị điện yêu cầu phải tiến hành dậ p tắt hồ quang càng nhanh càngtốt.



7

Bản chất của hồ quang điện làhiện tượ ng phóng điện vớ i mật độ dòngđiện r ất lớ n (tớ i khoảng 104 đến 105 A/cm2), có nhiệt độ r ất cao (tớ i khoảng5000 ÷ 60000C) và điện áp r ơ i trên cực

âm bé (chỉ khoảng 10 ÷ 20V) và thườ ngkèm theo hiện tượ ng phát sáng. Sự phân bố của điện áp và cườ ng độ điện tr ườ ngdọc theo chiều dài hồ quang đượ c biểudiễn trên hình 1-1a.

Dọc theo chiều dài hồ quangđượ c chia làm ba vùng là: vùng xungquanh cực âm (cách cực âm khoảng 10-4 đến 10 -5cm) vùng này tuy điện áp nhỏ chỉ 8 đến 10V nhưng khoảng cách cũng r ất bé nên cườ ng độ điện tr ườ ng r ất lớ n cỡ 105 đến 106 V/cm. Còn vùng có chiều dàigần hết hồ quang là vùng thân, vùng nàycó cườ ng độ điện tr ườ ng chỉ khoảng 10đến 50 V/cm. Vùng còn lại còn đượ c gọilà vùng cực dươ ng có cườ ng độ điệntr ườ ng lớ n hơ n vùng thân nhưng các yếutố xảy ra ở đây theo các lí thuyết hiện đạithì ít ảnh hưở ng đến quá trình phát sinh vàdậ p hồ quang nên không đượ c đề cậ p.

Đặc tính u(i) của hồ quang mộtchiều có thể biểu điễn theo công thứcKapzow có dạng:

uhq = a+ bl +ni

dlc+

Vớ i: a, b, c, d là các hằng số phụ thuộc vật liệu làm tiế p điểm và các yếu tố bên ngoài (ví dụ tiế p

điểm đồng có a= 30; b=17; c=41; d=33). Có n là số mũ, phụ thuộc vào nhiệt độ vật liệu dươ ng cực, theothực nghiệm thườ ng lấy n = 2,62.T.10-4, trong đó T là nhiệt độ của vật liệu dươ ng cực.

Đặc tính u(i) vớ i l là chiều dài hồ quang có dạng hypécbôn như hình 1-1b.

2. Qúa trình phát sinh và dập tắt hồ quanga) Quá trình phát sinh

Hồ quang điện phát sinh là do môi tr ườ ng giữa các điện cực (hoặc giữa các cặ p tiế p điểm) bị ionhóa (xuất hiện các hạt dẫn điện). Ion hóa có thể xảy ra bằng các con đườ ng khác nhau dướ i tác dụng củaánh sáng, nhiệt độ, điện tr ườ ng mạnh,.... Trong thực tế quá trình phát sinh hồ quang điện có những dạngion hóa sau:- Quá trình phát xạ điện tư nhiệt; Quá trình tự phát xạ điện tư.- Quá trình ion hóa do va chạm.- Quá trình ion hóa do nhiệt .a.1) S ự phát xạ đ iện t ử nhiệt

Điện cực và tiế p điểm chế tạo từ kim loại, mà trong cấu trúc kim loại luôn tồn tại các điện tử tự dochuyển động về mọi hướ ng trong quỹ đạo của cấu trúc hạt nhân nguyên tử. Khi tiế p điểm bắt đầu mở ralực nén vào tiế p điểm giảm dần khiến điện tr ở tiế p xúc tăng lên chỗ tiế p xúc dòng điện bị thắt lại mật độ dòng tăng r ất lớ n làm nóng các điện cực (nhất là ở cực âm nhiều e). Bị đốt nóng, động năng của các điệntử tăng nhanh đến khi công nhận đượ c lớ n hơ n công thoát liên k ết hạt nhân thì điện tử sẽ thoát ra khỏi bề mặt cực âm tr ở thành điện tử tự do. Quá trình này đượ c gọi là phát xạ điện tử nhiệt.a.2) S ự t ự phát xạ đ iện t ử

a)

b)

Hình 1-1: a) H ồ quang một chiề u; b) Đặc tính

K A

UA

UTh

UK

E[V]

EK

EthEA

Vùng Vùng thân Vùng

lhq[m]

I

Uhq

l

50mm

20

0

0 2 4

50

100

150

200



8

Khi tiế p điểm hay điện cực vừa mở ra lúc đầu khoảng cách còn r ất bé dướ i tác dụng của điện ápnguồn ngoài thì cườ ng độ điện tr ườ ng r ất lớ n, nhất là vùng cực âm có khoảng cách nhỏ có thể tớ i hàngtriệu V/ cm. Vớ i cườ ng độ điện tr ườ ng lớ n ở cực âm một số điện tử có liên k ết yếu vớ i hạt nhân trong cấutrúc sẽ bị kéo bật ra khỏi bề mặt ca tốt tr ở thành các điện tử tự do, hiện tượ ng này gọi là tự phát xạ điệntử. Khi có điện tử tự phát xạ và phát xạ điện tử nhiệt năng lượ ng đượ c giải phóng r ất lớ n làm nhiệt độ

khu vực hồ quang tăng cao và phát sáng, đặc biệt khi cắt mạch ở điện áp cao và có dòng tải lớ n thì hồ quang cháy và phát sáng r ất mãnh liệt.a.3) Ion hóa do va chạm

Sau khi tiế p điểm mở ra, dướ i tác dụng của nhiệt độ cao hoặc của điện tr ườ ng lớ n (mà thôngthườ ng là cả hai) thì các điện tử tự do sẽ phát sinh chuyển động từ cực dươ ng sang cực âm. Do điệntr ườ ng r ất lớ n nên các điện tử chuyển động vớ i tốc độ r ất cao. Trên đườ ng đi các điện tử này bắn phá cácnguyên tử và phân tử khí sẽ làm bật ra các điện tử và các ion dươ ng. Các phần tử mang điện này lại tiế ptục tham gia chuyển động và bắn phá tiế p làm xuất hiện các phần tử mang điện khác. Do vậy mà số lượ ng các phần tử mang điện tăng lên không ngừng, làm mật độ điện tích trong khoảng không gian giữacác tiế p điểm r ất lớ n, đó là quá trình ion hóa do va chạm.a.4) Ion hóa do nhiệt

Do có các quá trình phát xạ điện tử và ion hóa do va chạm, một lượ ng lớ n năng lượ ng đượ c giải phóng làm nhiệt độ vùng hồ quang tăng cao và thườ ng kèm theo hiện tượ ng phát sáng. Nhiệt độ khí càngtăng thì tốc độ chuyển động của các phần tử khí càng tăng và số lần va chạm do đó cũng càng tăng lên.

Khi tham gia chuyển động cũng có một số phần tử gặ p nhau sẽ k ết hợ p lại phân li thành các nguyên tử.Các nguyên tử khuếch tán vào môi tr ườ ng xung quanh, gặ p nhiệt độ thấ p sẽ k ết hợ p lại thành phân tử,hiện tượ ng này gọi là hiện tượ ng phân li (phản ứng phân li thu nhiệt làm giảm nhiệt độ của hồ quang, tạođiều kiện cho khử ion). Còn lượ ng các ion hóa tăng lên do va chạm khi nhiệt độ tăng thì gọi đó là lượ ngion hóa do nhiệt. Nhiệt độ để có hiện tượ ng ion hóa do nhiệt cao hơ n nhiều so vớ i nhiệt độ có hiện tượ ng phân li. Ví dụ không khí có nhiệt độ phân li khoang 40000K còn nhiệt độ ion hóa khoảng 80000K.

Tóm lại, hồ quang điện phát sinh là do tác dụng của nhiệt độ cao và cườ ng độ điện tr ườ ng lớ nsinh ra hiện tượ ng phát xạ điện tử nhiệt và tự phát xạ điện tử và tiế p theo là quá trình ion hóa do va chạmvà ion hóa do nhiệt. Khi cườ ng độ điện tr ườ ng càng tăng (khi tăng điện áp nguồn), nhiệt độ càng cao vàmật độ dòng càng lớ n thì hồ quang cháy càng mãnh liệt. Quá trình có thoát năng lượ ng hạt nhân nênthườ ng kèm theo hiện tượ ng phát sáng chói lòa. Nếu tăng áp lực lên môi tr ườ ng hồ quang thì sẽ giảmđượ c tốc độ chuyển động của các phần tử và do vậy hiện tượ ng ion hóa sẽ giảm. b) Quá trình hồ quang t ắ t

Hồ quang điện sẽ bị dậ p tắt khi môi tr ườ ng giữa các điện cực không còn dẫn điện hay nói cáchkhác hồ quang điện sẽ tắt khi có quá trình phản ion hóa xảy ra mạnh hơ n quá trình ion hóa. Ngoài quátrình phân li đã nói trên, song song vớ i quá trình ion hóa còn có các quá trình phản ion gồm hai hiệntượ ng sau:b.1) Hiện t ượ ng tái hợ p

Trong quá trình chuyển động các hạt mang điện là ion dươ ng và điện tử gặ p đượ c các hạt tíchđiện khác dấu là điện tử hoặc ion dươ ng để tr ở thành các hạt trung hòa (hoặc ít dươ ng hơ n). Trong líthuyết đã chứng minh tốc độ tái hợ p tỉ lệ nghịch vớ i bình phươ ng đườ ng kính hồ quang, và nếu cho hồ quang tiế p xúc vớ i điện môi hiện tượ ng tái hợ p sẽ tăng lên. Nhiệt độ hồ quang càng thấ p tốc độ tái hợ pcàng tăng.b.2) Hiện t ượ ng khuế ch tán

Hiện tượ ng các hạt tích điện di chuyển từ vùng có mật độ điện tích cao(vùng hồ quang) ra vùngxung quanh có mật độ điện tích thấ p là hiện tượ ng khuếch tán. Các điện tử và ion dươ ng khuếch tán dọctheo thân hồ quang, điện tử khuếch tán nhanh hơ n ion dươ ng. Quá trình khuếch tán đặc tr ưng bằng tốc độ khuếch tán. Sự khuếch tán càng nhanh hồ quang càng nhanh bị tắt. Để tăng quá trình khuếch tán ngườ i tathườ ng tìm cách kéo dài ngọn lửa hồ quang.

1.2. HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU

1. Khái niệm chung



9

Chúng ta khảo sát ở đây một quá trình xuất hiện hồ quang giữa hai điện cực trong một mạchđiện một chiều như hình 1-2.

Gọi điện áp nguồn là U0 ,điện tr ở mạch là R, điện cảm mạch là L và r hq đặc tr ưng cho điện tr ở hồ quang vớ i điện áp trên hồ quang là uhq. Theo định luật Kiếc khố p II, ta có phươ ng trình cân bằng điện áptrong mạch khi mở tiế p điểm và hồ quang bắt đầu cháy như sau:

U0 = i.R + uhq + Ldtdi (1.1)

Khi hồ quang cháy ổn định thì dòng điện không đổi i=I và códt

di= 0 phươ ng trình cân bằng áp sẽ là :

U0 = uR + uhq = I.R+ I.r hq (1.2)Các thành phần điện áp trong phươ ng trình (1.1) đượ c thể hiện trên hình 1-2. Vớ i: đườ ng 1-là

điện áp nguồn; đườ ng 2- là điện áp r ơ i trên điện tr ở R và đườ ng 3- là đặc tính u(i) của hồ quang.Theo đồ thị các đườ ng đặc tính 2 và 3 giao nhau ở hai điểm A và B. Tại A và B phươ ng trình

(1.2) đượ c thỏa mãn, các điểm A, B đượ c gọi là hai điểm cháy của hồ quang .-Xét t ại B: Hồ quang đang cháy nếu vì một lí do nào đó làm dòng điện i tăng lớ n hơ n IB thì theo đồ thị ta

nhận thấy sức điện động tự cảm trên L là Ldt

di< 0 (ngượ c chiều dòng tăng) sẽ làm dòng điện i giảm

xuống lại IB. Còn ngượ c lại nếu i giảm nhỏ hơ n IB thì L dt

di> 0 sẽ làm i tăng tr ở lại giá tr ị IB, do vậy điểm

B đượ c gọi là điểm hồ quang cháy ổn định.- N ế u cũng t ươ ng t ự ta xét t ại đ iể m A, khi hồ quang đang cháy ổn định vớ i i= IA nếu vì một lí do nào đó i

giảm nhỏ hơ n IA thì Ldt

di< 0 nên dòng tiế p tục giảm đến 0 và hồ quang tắt. Còn nếu i tăng lớ n hơ n IA thì

trên đặc tính ta thấy Ldt

di> 0 nên dòng tiế p tục tăng đến IB và hồ quang cháy ổn định tại điểm B, vậy

điểm A gọi là điểm hồ quang cháy không ổn định.

2. Điều kiện để dập tắt hồ quang điện một chiều



10

Để có thể dậ p tắt đượ c hồ quang điện mộtchiều cần loại bỏ đượ c điểm hồ quang cháy ổn định(điểm B). Trên đặc tính ta nhận thấy sẽ không cóđiểm cháy ổn định khi đườ ng đặc tính 3(điện áptrên hồ quang) cao hơ n đườ ng đặc tính 2 (là đặc

tính điện áp r ơ i trên điện tr ở R) như hình 1-2b (tứclà hồ quang sẽ tắt khi Uhq> U0- UR ). Để nâng caođườ ng đặc tính 3 thườ ng thực hiện hai biện pháp làtăng độ dài hồ quang(tăng l) và giảm nhiệt độ vùnghồ quang xuống, đặc tính như hình 1-3.

3. Quá điện áp trong mạch điện một chiều Khi cắt mạch điện một chiều thườ ng xảy ra quá điện áp, khi ở mạch có điện cảm lớ n nếu tốc độ

cắt càng nhanh thì quá điện áp càng lớ n.

Nếu tại thờ i điểm cắt có I= 0 thì : U0 = Ldt

di+ uhq , hay ta có:

uhq - U0 = - Ldt

di= UΔ (1.3)

ΔU là tr ị số quá điện áp xoay chiều. Trong mạch một chiều làm việc vớ i công suất lớ n lại có nhiềuvòng dây khi dậ p hồ quang điện quá điện áp sẽ xảy ra r ất lớ n có thể gây đánh thủng cách điện và hư hỏngthiết bị. Để hạn chế hiện tượ ng quá điện áp ngườ i ta thườ ng dùng thêm một mạch điện phụ mắc songsong vớ i phụ tải. Mạch này có thể là điện tr ở , điện tr ở và tụ nối tiế p hoặc một chỉnh lưu mắc ngượ c.

Hình 1-2: Đặc tính hồ quang một chiề u và đ iề u kiệnt ắ t

I[A]

U[V]

U01

2 3

UR

Uhq

Ldi/dt>0 Ldi/dt

< 0

Ldi/dt< 0

I[A]

U [V]

2

3

c)

a)

+- Uo

R

rhqL

I

b)

T1 T2<T1

U [V]

b)

I[A]

U [V]

L1

L2>L1

a)

I[A]

Hình 1-3 : Đặc tính khi kéo dài và giảm nhiệt độ hồ quang



11

1.2. HỒ QUANG ĐIỆN XOAY CHIỀU

1. Khái niệm chung Đặc điểm của mạch xoay chiều là trong

một chu kì biến thiên dòng điện có hai lần qua tr ị số i= 0. Khi có hồ quang thì tại thờ i điểm khi i= 0 quátrình phản ion hóa xảy ra mạnh hơ n quá trình ionhóa. Khi i= 0 hồ quang không dẫn điện và đây làthờ i điểm tốt để dậ p tắt hồ quang điện xoay chiều.

Khi hồ quang điện xoay chiều đang cháy tađưa dòng điện và điện áp của hồ quang vào daođộng kí ta sẽ đượ c dạng sóng của dòng điện và điệnáp hồ quang như hình 1-4.

Dòng điện có dạng sóng gần giống sónghình sin còn điện áp thì trong một nửa chu kì có haiđỉnh nhọn tươ ng ứng vớ i hai giá tr ị điện áp cháy (Uch) và điện áp tắt (U t) của hồ quang điện. Từ dạngsóng thu đượ c trên màn hình dao động kí ta xâydựng đượ c đặc tính Vôn -Am pe (V-A) của hồ quang điện xoay chiều như hình 1-4.

Ta nhận thấy ở thờ i điểm dòng điện qua tr ị số 0 nếu điện áp nguồn nhỏ hơ n tr ị số điện áp cháy(Uch) thì hồ quang sẽ tắt. Do vậy quá trình dậ p hồ quang điện xoay chiều phụ thuộc r ất nhiều vào tínhchất của phụ tải.

Ta nhận thấy trong mạch có phụ tải điệntr ở thuần dễ dậ p hồ quang hơ n trong mạch có tảiđiện cảm, bở i ở mạch thuần tr ở khi dòng điện qua tr ị số không (thờ i gian i=0 thực tế kéo dài khoảng0,1 μ s ) thì điện áp nguồn cũng bằng không (trùng pha), còn ở mạch thuần cảm khi dòng bằng không thìđiện áp nguồn đang có giá tr ị cực đại (điện áp vượ t tr ướ c dòng điện một góc 900).

2. Dập tắt hồ quang điện xoay chiều Hồ quang điện xoay chiều khi dòng điện qua tr ị số 0 thì không đượ c cung cấ p năng lượ ng. Môitr ườ ng hồ quang mất dần tính dẫn điện và tr ở thành cách điện. Nếu độ cách điện này đủ lớ n và điện ápnguồn không đủ duy trì phóng điện lại thì hồ quang sẽ tắt hẳn. Để đánh giá mức độ cách điện của điệnmôi vùng hồ quang là lớ n hay bé ngườ i ta dùng khái niệm điện áp chọc thủng. Điện áp chọc thủng ( Uch.t ) càng lớ n thì mức độ cách điện của điện môi càng cao.

Quá trình dậ p tắt hồ quang điện xoay chiều không những tùy thuộc vào tươ ng quan giữa độ lớ ncủa điện áp chọc thủng vớ i độ lớ n của điện áp hồ quang mà còn phụ thuộc tươ ng quan giữa tốc độ tăngcủa chúng. Nếu tốc độ tăng điện áp chọc thủng lớ n hơ n tốc độ phục hồi điện áp nguồn (hình 1-5: đườ ng 1và đườ ng 2 không giao nhau ở điểm nào) thì hồ quang sẽ tắt hoàn toàn. Trong các thiết bị điện khi tiế pđiểm mở ra khoảng cách tăng dần làm cách điện điện môi tăng dần (đườ ng 1), nửa chu kì sau càng dốchơ n nửa chu kì tr ướ c.

Hình 1-4: Đặc tính của hồ quang xoay chiề u

i(t)

1

2

Uch

Ut

U[V]

ωt

a)

U

I

Uch

Ut

b)



12

Ngượ c lại, tốc độ phục hồi điện áp mà nhanh hơ n tốcđộ tăng của điện áp chọc thủng ( làm đườ ng 1 và đườ ng 2 giaonhau) thì hồ quang sẽ cháy lại.

Tóm l ại : để dậ p tắt hồ quang điện xoay chiều hoàntoàn thì ta phải làm sao để độ tăng điện áp chọc thủng (đườ ng 1)

vượ t cao hơ n đỉnh của đườ ng biểu diễn điện áp phục hồi hồ quang (đườ ng 2). Khi điện áp nguồn là1000V thì trong lúc dòngđiện qua tr ị số 0 sau khoảng 0,1 μ s mức độ cách điện khu vựcnày đạt đến giá tr ị xuyên thủng tức thờ i khoảng 150 đến 250V.

1.4. QUÁ TRÌNH PHỤC HỒI ĐIỆN ÁP CỦA HỒ QUANG ĐIỆN

1. Khái niệmGiá tr ị tức thờ i của điện áp nguồn xuất hiện giữa các tiế p điểm sau khi đã ngắt mạch trong quá

trình quá độ đượ c gọi là điện áp phục hồi.a) Trong mạch đ iện một chiề u

Tùy thuộc tính chất của tải là điện tr ở , điện cảm hay điện dung mà điện áp phục hồi cũng khácnhau. Thực tế tồn tại điện dung giữa các dây dẫn khác nhau, dây dẫn vớ i đất hay giữa các bối dây vớ inhau. Trong mạch khi có cả R, L, C thì điện áp phục hồi tùy theo giá tr ị điện tr ở R mà có thể dao độngtuần hoàn hay không. Khi mạch R, L, C mà có mắc thêm tụ điện song song vớ i hồ quang thì tr ướ c khidòng điện triệt tiêu tụ đã đượ c nạ p và phóng điện tr ở lại, điện áp phục hồi sẽ dao động tuần hoàn khi R nhỏ.

Nhưng nếu tr ị số điện tr ở R lớ n sẽ không thể có dao động tuần hoàn đượ c. b) Trong mạch đ iện xoay chiề u

Nếu hồ quang đượ c dậ p tắt v ĩ nh viễn thì quá trình phục hồi điện áp có dạng biến thiên vớ i tần số nhỏ dần về bằng 0. Nếu hồ quang xuất hiện lại thì quá trình phục hồi bị ngắt và điện áp giảm nhanh từ giá tr ị Uch đến giá tr ị bé nhất ứng vớ i điện áp r ơ i trên hồ quang.

Nếu mạch điện có điện tr ở đủ lớ n thì điện áp phục hồi trên tiế p điểm khi có hồ quang sẽ khôngcòn xuất hiện lại (có dạng không tuần hoàn). Ở mạch điện xoay chiều thì tần số điện áp nguồn f nguồn thông thườ ng r ất thấ p so vớ i tần số dao động riêng của mạch có L và C.

f nguäön << = ÷∏

12 100 10 000. .

( . ) [ ] L C

Hz (1.4)

Giá tr ị bé nhất phù hợ p vớ i lướ i có điện áp cao. Quá trình phục hồi điện áp xảy ra ở hai tr ườ nghợ p giớ i hạn sau :

+ Ngắt mạch cảm ứng lớ n (090≈ϕ ) thườ ng xảy ra khi ngắn mạch.

+ Ngắt mạch thuần điện tr ở ( 00≈ϕ ).

Trên hình 1-6a biểu diễn tr ườ ng hợ p phụ tải thuần điện cảm (090≈ϕ ) điện áp phục hồi không tuần

hoàn, k ết quả là : xmamaxph EU ≤ . Hình 1-6b điện áp phục hồi dao động (tuần hoàn) và trên thực tế

xmamaxph E.2U ≤ . Trên hình 1-6c là tr ườ ng hợ p phụ tải điện tr ở ( 00≈ϕ ), khi đó dòng điện và sức điệnđộng nguồn e(t) trùng pha nhau, chúng đồng thờ i qua giá tr ị 0, điện áp phục hồi sẽ bằng 0.

K ết quả là mạch thuần điện tr ở , hồ quang dễ bị dậ p tắt v ĩ nh viễn hơ n là mạch điện cảm. Từ đó

giải thích khi thử nghiệm thiết bị điện đóng mở mạch dòng xoay chiều cần phải thực hiện trong mạch cóhệ số công suất ϕcos thấ p )2.0cos( ≤ϕ .

Hình 1-5: Điề u kiện t ắ t hồ quang

xoay chiề u

I[A]

U[V]

1

2

150÷250V



13

Trên hình 1-6d biểu diễn điện áp phục hồi khi ngắt mạch đườ ng dây không tải.

2. Năng lượ ng hồ quanga) Dòng một chiề u

Đặc tính dậ p tắt hồ quang phụ thuộc vào năng lượ ng hồ quang. Năng lượ ng hồ quang dòng mộtchiều tính theo :

∫ −+t

0

2

hq dt.i).i.RU(2

IL=W (1.5)

Từ phươ ng trình thấy r ằng toàn bộ năng lượ ng2

I.L 2

đã tích lũy trong mạch tr ướ c lúc ngắt cộng

vớ i năng lượ ng nguồn sau khi đã bớ t phần năng lượ ng tổn hao trên điện tr ở R nằm trong mạch chính lànăng lượ ng hồ quang (Whq).

Do vậy ở mạch một chiều, điện cảm của mạch càng lớ n thì năng lượ ng hồ quang sẽ càng lớ n,khi đó hồ quang sẽ khó dậ p tắt.b) Dòng đ iện xoay chiề u

Hồ quang xoay chiều dậ p tắt lúc i = 0, do đó năng lượ ng điện từ xem như bằng 0 và ta có :

∫ω

πn.=t

0hq R.i)i.dt.-(u=W (1.6)

Vớ i n là số lượ ng bán chu kì trong khoảng thờ i gian cháy của hồ quang. K ết quả là ở dòng xoaychiều thì năng lượ ng hồ quang là năng lượ ng nguồn tr ừ bớ t đi phần tổn hao tác dụng. Khác vớ i dòng mộtchiều toàn bộ năng lượ ng đượ c đưa tr ở về nguồn. Nếu dòng điện đượ c ngắt tr ướ c lúc đi qua tr ị số 0 thìmột phần của năng lượ ng từ sẽ không đưa về nguồn mà cung cấ p cho hồ quang. Do đó đứng trên quanđiểm năng lượ ng mà xét thì ngắt mạch dòng xoay chiều dễ dàng hơ n ngắt mạch dòng một chiều cùng mộtcông suất.

Đồng thờ i ta còn thấy muốn giảm năng lượ ng hồ quang (một chiều và xoay chiều) thì phải cầngiảm thờ i gian đốt cháy của hồ quang.

Hình 1-6 : Các đườ ng đặc tính đ iện áp phục hồi sau khi cắ t mạch trong các

tr ườ ng hợ p: a,b) phụ t ải đ iện cảm, c)phụ t ải đ iện tr ở , d)phụ t ải dung

e(ti(t

ut

ωt

Uphm Emϕ=90°

L

e(ti(t

ut

ωt

Um=2Em

Emϕ=90°

L

Uphmϕ=0°

e(t

i(tut

ωt

R

e(t

i(t ut

ωt

C

i=0

ϕ=90°

d)c)

b)a)



14

3. Công thứ c qui ướ c về công suất ngắt

Để đặc tr ưng cho khả năng ngắt lớ n nhất của thiết bị đóng mở mạch, ngườ i ta đưa vào khái niệmcông suất ngắt (Sngắt) đượ c xác định theo qui ướ c theo công thức sau :

)MVA(I.CSâmngàõtngàõt

=(1.7)

Trongđó: C=m.Uđm=3.Uđmfa= phabachotrængâàûc:âmdáyU.3 .

[kA].maûch,måí âoïngthiãút bëcuíamæïcâënhtâiãûn ngàõdoìngduûnghiãûutrëgiaï laìâmngàõtI

duûng).hiãûutrë(giaï dáymæïcâënhaïpâiãûnlaìâmdáyU

duûng).hiãûutrë(giaï phamæïcâënhaïpâiãûnlaì âmfaU

Ingắtđm là dòng điện lớ n nhất ứng vớ i lúc đầu tiên các tiế p điểm r ờ i xa nhau ở điện áp định mức của thiết bị đóng mở mạch.

Trong các công thức trên xét tr ị số của các thông số cơ bản để khi ngắt ở giá tr ị đó thiết bị điệnkhông bị xảy ra hư hỏng.

1.5. BIỆN PHÁP VÀ TRANG BỊ DẬP HỒ QUANG TRONG THIẾT BỊ ĐIỆN

1. Các biện pháp và trang bị để dập hồ quang trong thiết bị điện cần phải đảm bảo yêu cầu

-Trong thờ i gian ngắn phải dậ p tắt đượ c hồ quang, hạn chế phạm vi cháy hồ quang là nhỏ nhất.-Tốc độ đóng mở tiế p điểm phải lớ n.-Năng lượ ng hồ quang sinh ra phải bé, điện tr ở hồ quang phải tăng nhanh.-Tránh hiện tượ ng quá điện áp khi dậ p hồ quang.

2. Các nguyên tắc cơ bản để dập hồ quang điện-Kéo dài ngọn lửa hồ quang.-Dùng năng lượ ng hồ quang sinh ra để tự dậ p.-Dùng năng lượ ng nguồn ngoài để dậ p.-Chia hồ quang thành nhiều phần ngắn để dậ p.-Mắc thêm điện tr ở song song để dậ p.

3. Trong thiết bị điện hạ áp thườ ng dùng các biện pháp và trang bị saua) Kéo dài hồ quang đ iện bằ ng cơ khí

Đây là biện pháp đơ n giản thườ ng dùng ở cầu dao công suất nhỏ hoặc ở r ơ le. Kéo dài hồ quang làmcho đườ ng kính hồ quang giảm, điện tr ở hồ quang sẽ tăng dẫn đến tăng quá trình phản ion để dậ p hồ quang. Tuy nhiên biện pháp này chỉ thườ ng đượ c dùng ở mạng hạ áp có điện áp nhỏ hơ n hoặc bằng 220Vvà dòng điện tớ i 150 A. b) Dùng cuộn dây thổ i t ừ k ế t hợ p buồng d ậ p hồ quang

Ngườ i ta dùng một cuộn dây mắc nối tiế p vớ i tiế p điểm chính tạo ra một từ tr ườ ng tác dụng lênhồ quang để sinh ra một lực điện từ kéo dài hồ quang. Thông thườ ng biện pháp này k ết hợ p vớ i trang bị thêm buồng dậ p bằng amiăng. Lực điện từ của cuộn thổi từ sẽ thổi hồ quang vào tiế p giáp amiăng làmtăng quá trình phản ion.c) Dùng buồng d ậ p hồ quang có khe hở quanh co

Buồng đượ c dùng bằng amiăng có hai nửa lồi lõm và ghép lại hợ p thành những khe hở quanh co

(khi đườ ng kính hồ quang lớ n hơ n bề r ộng khe thì gọi là khe hẹ p).Khi cắt tiế p điểm lực điện động sinh ra sẽ đẩy hồ quang vào khe quanh co sẽ làm kéo dài vàgiảm nhiệt độ hồ quang.d) Phân chia hồ quang ra làm nhiề u đ oạn ng ắ n

Trong buồng hồ quang ở phía trên ngườ i ta ngườ i ta đặt thêm nhiều tấm thép non. Khi hồ quangxuất hiện, do lực điện động hồ quang bị đẩy vào giữa các tấm thép và bị chia ra làm nhiều đoạn ngắn.Loại này thườ ng đượ c dùng ở lướ i một chiều dướ i 220 V và xoay chiều dướ i 500 V.e) T ăng t ố c độ chuyể n động của tiế p đ iể m động



15

Ngườ i ta bố trí các lá dao động, có một lá chính và một lá phụ (thườ ng là ở cầu dao) hai lá nàynối vớ i nhau bằng một lò xo, lá dao phụ cắt nhanh do lò xo đàn hồi(lò xo sẽ làm tăng tốc độ cắt dao phụ)khi kéo dao chính ra tr ướ c .

f) K ế t cấ u tiế p đ iể m kiể u bắ c cầu

Một điểm cắt đượ c chia ra làm hai tiế p điểm song song nhau, khi cắt mạch hồ quang đượ c phân

chia làm hai đoạn và đồng thờ i do lực điện động ngọn lửa hồ quang sẽ bị kéo dài ra làm tăng hiệu quả dậ p.

4. Các biện pháp và trang bị dập hồ quang ở thiết bị điện trung và cao ápa) Dậ p hồ quang trong d ầu biế n áp k ế t hợ p phân chia hồ quang

Ở các máy cắt trung áp các tiế p điểm cắt đượ c ngâm trong dầu biến áp, khi cắt hồ quang xuấthiện sẽ đốt cháy dầu sinh ra hỗn hợ p khí (chủ yếu là H) làm tăng áp suất vùng hồ quang, đồng thờ i giảmnhiệt độ hồ quang. Các máy cắt điện áp cao mỗi pha thườ ng đượ c phân ra làm nhiều chỗ ngắt. b) Dậ p hồ quang bằ ng khí nén

Dùng khí nén trong bình có sẵn hoặc hệ thống ống dẫn khí nén để khi hồ quang xuất hiện (tiế pđiểm khi mở ) sẽ làm mở van của bình khí nén, khí nén sẽ thổi dọc hoặc ngang thân hồ quang làm giảmnhiệt độ và kéo dài hồ quang.c) Dậ p hồ quang bằ ng cách dùng vật liệu t ự sinh khí

Thườ ng dùng trong cầu chì trung áp, khi hồ quang xuất hiện sẽ đốt cháy một phần vật liệu sinh

khí(như thủy tinh hữu cơ ,...) sinh ra hỗn hợ p khí làm tăng áp suất vùng hồ quang.d) Dậ p hồ quang trong chân không

Ngườ i ta đặt tiế p điểm cắt trong môi tr ườ ng áp suất chỉ khoảng 10-6 đến 10-8 N/ cm2.Ở môi tr ườ ng này thì độ bền điện cao hơ n r ất nhiều độ bền điện của không khí nên hồ quang nhanh

chóng bị dậ p tắt.e) Dậ p hồ quang trong khí áp suấ t cao

Khí đượ c nén ở áp suất tớ i khoảng 200 N/cm2 hoặc cao hơ n sẽ tăng độ bền điện gấ p nhiều lầnkhông khí. Trong các máy cắt điện áp cao và siêu cao áp hiện nay thườ ng sử dụng khí SF6 đượ c néntrong các bình khí nén để dậ p hồ quang. Hồ quang dậ p trong môi tr ườ ng SF6 r ất đảm bảo(bở i vì ngay cả ở điều kiện áp suất thườ ng hồ quang cũng đã tắt nhanh trong môi tr ườ ng khí SF6).



16

Chươ ng 2. TIẾP XÚC ĐIỆN

2.1. ĐẠI CƯƠ NG VỀ TIẾP XÚC ĐIỆN



17

1. Khái niệm

Chỗ tiế p giáp giữa hai vật dẫn điện để cho dòng điện chạy từ vật dẫn này sang vật dẫn kia gọi làtiế p xúc điện. Bề mặt chỗ tiế p giáp của các vật dẫn điện gọi là bề mặt tiế p xúc điện.

Tiế p xúc điện chia ra làm ba dạng chính:

-Tiế p xúc cố định: là hai vật dẫn tiế p xúc liên k ết chặt cứng bằng bulông, đinh vit, đinh rivê,...-Tiế p xúc đ óng mơ : là tiế p xúc mà có thể làm cho dòng điện chạy hoặc ngừng chạy từ vật này sang vậtkhác (như các tiế p điểm trong thiết bị đóng cắt).-Tiế p xúc tr ượ t : là vật dẫn điện này có thể tr ượ t trên bề mặt của vật dẫn điện kia (ví dụ như chổi thantr ượ t trên vành góp máy điện).

Tiế p xúc đóng mở và tiế p xúc tr ượ t đều có hai phần, phần động (gọi là tiế p điểm động) và phầnt ĩ nh (gọi là tiế p điểm t ĩ nh).

Ba dạng tiế p xúc trên đều có thể tiến hành tiế p xúc dướ i ba hình thức:-Tiế p xúc đ iể m: là hai vật tiế p xúc vớ i nhau chỉ ở một điểm hoặc trên bề mặt diện tích vớ i đườ ng kính r ấtnhỏ (như tiế p xúc hai hình cầu vớ i nhau, hình cầu vớ i mặt phẳng, hình nón vớ i mặt phẳng,...)-Tiế p xúc đườ ng : là hai vật dẫn tiế p xúc vớ i nhau theo một đườ ng thẳng hoặc trên bề mặt r ất hẹ p (như tiế p xúc hình tr ụ vớ i mặt phẳng, hình tr ụ vớ i tr ụ,...)-Tiế p xúc mặt : là hai vật dẫn điện tiế p xúc vớ i nhau trên bề mặt r ộng(ví dụ tiế p xúc mặt phẳng vớ i mặt phẳng,...).

Các yêu cầu đối vớ i tiế p xúc điện tùy thuộc ở công dụng, điều kiện làm việc, tuổi thọ yêu cầucủa thiết bị và các yếu tố khác. Một yếu tố chủ yếu ảnh hưở ng tớ i độ tin cậy làm việc và nhiệt độ phátnóng của tiế p xúc điện là điện tr ở tiế p xúc R tx.

2. Điện trở tiếp xúc Xét khi đặt hai vật dẫn tiế p xúc nhau(hình 2-1) , ta sẽ có diện tích bề mặt tiế p xúc :

S bk = a . l. Nhưng trên thực tế diện tích bề mặt tiế p xúc thực nhỏ hơ n nhiều a.l vì giữa hai bề mặt tiế p xúc

dù gia công thế nào thì vẫn có độ nhấ p nhô, khi cho tiế p xúc hai vật vớ i nhau thì chỉ có một số điểm trêntiế p giáp tiế p xúc. Do đó diện tích tiế p xúc thực nhỏ hơ n nhiều diện tích tiế p xúc biểu kiến S bk = a.l.

Diện tích tiế p xúc còn phụ thuộc vào lực ép lên trên tiế p điểm và vật liệu làm tiế p điểm, lực épcàng lớ n thì diện tích tiế p xúccàng lớ n.

Diện tích tiế p xúc thựcở một điểm(như mặt cầu tiế pxúc vớ i mặt phẳng) xác định bở i:

S =d

F

δ(2.1)

Trong đó:F là lực ép vào tiế p

điểm [kg].

δ d là ứng suất chốngdậ p nát của vật liệu làm tiế p điểm [kg/cm2].

Bảng 2.1: Ứ ng suất chống dập nát của một số kim loại thông dụng

Kim loại Ứ ng suất δ d [N/cm2]

Kim loại Ứ ng suất δ d [N/cm2]

bạc 30.400 đồng cứng(hợ p kim)

51.000

đồng mềm 38.200 nhôm 88.300 Nếu tiế p xúc ở n điểm thì diện tích sẽ lớ n lên n lần so vớ i biểu thức (2.1).

Hình 2-1: Tiế p xúc của hai vật d ẫ n

21 a

l 1

2

a



18

Dòng điện chạy từ vật này sang vật khác chỉ qua những điểm tiế p xúc, như vậy dòng điện ở cácchỗ tiế p xúc đó sẽ bị thắt hẹ p lại, dẫn tớ i điện tr ở ở những chỗ này tăng lên.

Điện tr ở tiế p xúc của tiế p điểm kiểu bất kì tính theo công thức:

R tx =m

F

K [ Ω ] ( 2.2)

K: hệ số phụ thuộc vật liệu và tình tr ạng bề mặt tiế p điểm ( theo bảng tra).m: hệ số phụ thuộc số điểm tiế p xúc và kiểu tiế p xúc vớ i:+Tiế p xúc mặt m = 1+Tiế p xúc đườ ng m = 0,7+Tiế p xúc điểm m = 0,5

Bảng 2.2: Tra trị số K trong công thứ c (2.2) Kim loại tiế p xúc Tr ị số K [ Ω .N] Kim loại tiế p xúc Tr ị số K [ Ω .N]đồng - đồng ( 0,08 đến 0,14).10-2 sắt - đồng ( 3,1).10-2 bạc - bạc ( 0,06)10-2 nhôm - đồng ( 0,38).10-2 nhôm - nhôm ( 0,127).10-2

Ngoài công thức (2.2) là công thức kinh nghiệm, ngườ i ta còn dùng phươ ng pháp giải tích để dẫn giải rút ra công thức tính điện tr ở tiế p xúc điểm:

R tx =

π δ

ρ

.

.2

d

n F (2.3)

ρ : điện tr ở suất của vật dẫn [ Ω .cm].n: số điểm tiế p xúc.F: lực nén [kg].Do vậy rõ ràng điện tr ở tiế p xúc của tiế p điểm ảnh hưở ng đến chất lượ ng của thiết bị điện, điện

tr ở tiế p xúc lớ n làm cho tiế p điểm phát nóng. Nếu phát nóng quá mức cho phép thì tiế p điểm sẽ bị nóngchảy, thậm chí bị hàn dính. Trong các tiế p điểm thiết bị điện mong muốn điện tr ở tiế p xúc có giá tr ị càngnhỏ càng tốt, nhưng do thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưở ng đến R tx nên không thể giảm R tx cực nhỏ đượ cnhư mong muốn.

3.Các yếu tố ảnh hưở ng đến điện trở tiếp xúc (R tx) Điện tr ở tiế p xúc bị ảnh hưở ng của nhiều yếu tố vớ i mức độ khác nhau, ta xét ở đây một số yếu

tố chủ yếu sau:

a) V ật liệu làm tiế p đ iể m

Từ (2.3) ta thấy hệ số chống dậ p nát δ d bé thì R tx bé. Vì vậy đứng về mặt yêu cầu có điện tr ở tiế p xúc bé nên dùng các vật liệu mềm để làm tiế p điểm. Nhưng thực tế cần phải k ết hợ p các yếu tố khác(như độ bền cơ ) nên vật liệu thườ ng dùng là đồng, đồng thau mạ thiếc, thép mạ thiếc,...



19

b) Lự c ép lên tiế p đ iể mCũng từ công thức (2.2) và (2.3) lực F

càng lớ n thì R tx càng nhỏ (hình 2-2)Đườ ng 1 biểu diễn điện tr ở tiế p xúc giảm theochiều lực tăng, nếu giảm lực nén lên tiế p điểmđiện tr ở tiế p xúc R tx thay đổi theo đườ ng 2.Ta có thể giải thích là vì khi tăng lực nén bề lênmặt tiế p xúc thì không những bề mặt tiế p xúc bị biến dạng đàn hồi mà còn bị phá hủy cục bộ. Khita giảm lực ép thì một số điểm tiế p xúc vẫn còngiữ nguyên như khi lực ép lớ n tác dụng. Tăng lựcép chỉ có tác dụng giảm R tx ở giai đoạn đầu điệntr ở lớ n và trung bình. Khi lực ép đủ lớ n thì dù cótăng lực ép lên nữa thì điện tr ở tiế p xúc vẫnkhông thay đổi.

c) Hình d ạng của tiế p đ iể mHình dạng của tiế p điểm cũng ảnh hưở ng đến R tx. Cùng một lực nhưng kiểu tiế p xúc khác nhau

thì R tx cũng khác nhau. Từ các công thức trên ta thấy R tx của tiế p xúc mặt nhỏ nhất vì có hệ số m lớ n nhất

(tra từ công thức 2.2).d) Nhiệt độ của tiế p đ iể m

Nhiệt độ của tiế p điểm thay đổi sẽ làm R tx thay đôi theo k ết quả thí nghiệm vớ i nhiệt độ nhỏ hơ n 2000C có thể tính R tx qua công thức:

R tx( )θ = R tx (0)(1+2

3α θ ) [ Ω ] (2.4)

Trong đó: R tx(0): điện tr ở tiế p xúc ở 00C, α : hệ số nhiệt điện tr ở [1/0C].

θ : Nhiệt độ của tiế p điểm [0C].

e) Tình tr ạng bề mặt tiế p xúc

Bề mặt tiế p xúc khi bị bẩn hoặc khi bị oxit hóa có R tx lớ n hơ n nhiều R tx của tiế p điểm sạch (docó nhiều điểm không đượ c tiế p xúc tr ực tiế p bằng vật liệu làm tiế p điểm). Khi bị oxy hóa càng nhiều thìnhiệt độ phát nóng trên bề mặt tiế p xúc càng cao. Tiế p điểm bị oxy hóa có điện tr ở tiế p xúc tăng hàngchục lần(vì oxit của phần lớ n kim loại dẫn điện kém hơ n nhiều kim loại nguyên chất).

f) M ật độ dòng đ iệnDiện tích tiế p xúc đượ c xác định tùy theo mật độ dòng điện cho phép. Theo kinh nghiệm

đối vớ i thanh dẫn bằng đồng cho tiế p xúc nhau khi nguồn ở tần số 50 Hz thì mật độ dòng điện cho phéplà:

Jcp = ≈S

I[( 0,31 - 1,05 .10-4 (I-200)] [A/mm2] ( 2.5)

Trong đó : I là giá tr ị dòng hiệu dụng ; S=S bk diện tích tiế p xúc biểu kiến.Biểu thức (2.5) trên chỉ đúng khi dòng điện biến thiên trong khoảng từ 200 đến 2000A. Nếu ngoài tr ị số đó thì có thể lấy:

I < 200 A lấy Jcp = 0,31 [A/ mm2]I > 2000 A lấy Jcp = 0.12 [A/ mm2].

Khi vật dẫn tiế p xúc không phải là đồng thì mật độ dòng cho phep đối vớ i vật liệu ấy có thể lấy theo công thức sau:

Jcp vật liêux = Jcp.đồngxliãûu)váût(

âäöng)(tx

R

R

ρ

ρ(2.6)

2.2. TIẾP ĐIỂM THIẾT BỊ ĐIỆN

1. Vật liệu làm tiếp điểm

R tx[106

F[kg]0 5 10 15 20 25

100

200

300

400

1

2

Hình 2-2: Điện tr ở tiế p xúckhi l c nén tăn



20

Để thỏa mãn tốt các điều kiện làm việc khác nhau của tiế p điểm thiết bị điện thì vật liệu làm tiế pđiểm phải có đượ c những yêu cầu cơ bản sau:

-Có độ dẫn điện cao(giảm R tx và chính điện tr ở của tiế p điểm).-Dẫn nhiệt tốt (giảm phát nóng cục bộ của những điểm tiế p xúc).-Không bị oxy hóa (giảm R tx để tăng độ ổn định của tiế p điểm).

-Có độ k ết tinh và nóng chảy cao (giảm độ mài mòn về điện và giảm sự nóng chảy hàn dínhtiế p điểm đồng thờ i tăng tuổi thọ tiế p điểm).

-Có độ bền cơ cao (giảm độ mài mòn cơ khí giữ nguyên dạng bề mặt tiế p xúc và tăng tuổi thọ của tiế p điểm).

-Có đủ độ dẻo (đê giảm điện tr ở tiế p xúc).-Dễ gia công khi chế tạo và giá thành r ẻ.

Thực tế ít vật liệu nào đáp ứng đượ c đầy đủ các yêu cầu trên. Trong thiết k ế sử dụng tùy từngđiều kiện cụ thể mà tr ọng nhiều đến yêu cầu này hay yêu cầu khác. Những vật liệu thườ ng dùng gồm:

a) Đồng ki thuật đ iện: đồng nguyên chất thu đượ c bằng điện phân. Nó đáp ứng hầu hết các yêu cầutrên. Nhượ c điểm chính của đồng ki thuật điện là r ất dễ bị oxit hóa.

b) Đồng cađ imi: đồng ki thuật điện pha thêm cađimi có tính chất cơ cao chống mài mòn tốt, khả năngchịu đượ c hồ quang tốt hơ n đồng ki thuật điện thông thườ ng.

c) Bạc: là vật liệu làm tiế p điểm r ất tốt do có độ dẫn điện cao và có điện tr ở tiế p xúc ổn định. Nhượ c

điểm chủ yếu là chịu hồ quang kém nên sử dụng bị hạn chế.d) Đồng thau: hợ p kim đồng vớ i k ẽm đượ c sử dụng làm tiế p điểm dậ p hồ quang.

e) Các hợ p kim đồng khác: hợ p kim đồng vớ i nhôm, đồng vớ i mangan, đồng vớ i niken, đồng vớ i silicvà các hợ p kim đồng khác đượ c sử dụng làm tiế p điểm, đồng thờ i làm lò xo ép (ví dụ tiế p điểm t ĩ nh củacầu chì). Những tiế p điểm như vậy khi bị đốt nóng dễ bị mất tính đàn hồi.

f) Thép có đ iện tr ở suấ t l ớ n: thép thườ ng bị oxy hóa cao nhưng là vật liệu r ẻ nên vẫn đượ c sử dụng làmtiế p xúc cố định để dẫn dòng điện lớ n, trong các thiết bị thép thườ ng đượ c mạ.

g) Nhôm: có độ dẫn điện cao, r ẻ nhưng r ất dễ bị oxy hóa làm tăng điện tr ở suất. Nhượ c điểm nữa là hànnhôm r ất phức tạ p, độ bền cơ lại kém.

h) Vonfram và hợ p kim vonfram: có độ mài mòn về điện tốt và chịu đượ c hồ quang tốt nhưng có điệntr ở tiế p xúc r ất lớ n. Hợ p kim vonfram vớ i vàng sử dụng cho tiế p điểm có dòng nhỏ. Hợ p kim vớ imolipđen dùng làm tiế p điểm cho những thiết bị điện thườ ng xuyên đóng mở , khi dòng điện lớ n thìvonfram và hợ p kim vonfram sử dụng để làm tiế p điểm dậ p hồ quang.

i) Vàng và platin: không bị oxy hóa do đó có điện tr ở tiế p xúc nhỏ và ổn định, đượ c sử dụng làm tiế pđiểm trong thiết bị điện hạ áp có dòng điện bé và quan tr ọng. Vàng nguyên chất và platin nguyên chất cóđộ bền cơ thấ p nên thườ ng đượ c sử dụng dạng hợ p kim vớ i môlipđen hoặc vớ i iriđi để tăng độ bền cơ .

j) Than và graphit : có điện tr ở tiế p xúc và điện tr ở suất lớ n nhưng chịu đượ c hồ quang r ất tốt.Thườ ng dùng làm các tiế p điểm mà khi làm việc phải chịu tia lửa điện, đôi khi làm tiế p điểm dậ p hồ

quamg.

k) H ợ p kim g ố m: hỗn hợ p về mặt cơ học của hai vật liệu không nấu chảy mà thu đượ c bằng phươ ng pháp thiêu k ết hỗn hợ p bột hoặc bằng cách tẩm vật liệu này lên vật liệu kia. Thườ ng vật liệu thứ nhất cótính chất k ỹ thuật điện tốt, điện tr ở suất và điện tr ở tiế p xúc nhỏ, ít bị oxy hóa.Vật liệu thứ hai có tínhchất cơ cao và chịu đượ c hồ quang. Như vậy, chất lượ ng kim loại gốm là do tính chất của hỗn hợ p quyếtđịnh. Kim loại gốm sử dụng r ộng rãi nhất thườ ng có gốc bạc như : bạc-niken, bạc- oxit cađimi, bạc-vonfram, bạc-môlipđen. Ngoài ra đôi khi ngườ i ta sử dụng kim loại gốm có gốc đồng như: đồng -vonfram, đồng -môlipđen, đồng cađimi làm tiế p điểm chính và tiế p điểm dậ p hồ quang.

Chú ý +Vớ i tiế p xúc cố định thườ ng dùng vật liệu là đồng, nhôm, thép.+Vớ i tiế p xúc đóng/mở tùy theo dòng dẫn, nếu :

-Dòng điện bé dùng bạc, đồng, platin, vonfram, đôi khi vàng, môlipđen, niken.-Dòng vừa đến lớ n dùng đồng thau, kim loại hoặc hợ p kim ít nóng chảy như vonfram, molipđen,...-Dòng điện lớ n thì thườ ng dùng hợ p kim gốm (sản phẩm hai kim loại ở dạng bột ép lại ơ áp lực lớ n,

nhiệt độ cao. Hợ p kim gốm r ất cứng chịu đượ c dòng lớ n, khuyết điểm là độ dẫn điện kém, nên thườ ngđượ c chế tạo dạng tấm mỏng hàn trên bề mặt tiế p điểm của thiết bị).



21

2. Một số k ết cấu tiếp điểm

a) Phân ra làm các loại theo cấ u t ạo

Tiế p xúc cố định có các d ạng

-Nối hai thanh tiết diện chữ nhật.-Nối hai thanh tiết diện tròn (thanh tròn nối vớ i nhau thườ ng trong các thiết bị điện như máy ngắtđiện, máy biến dòng,...). Loại tiế p xúc đ óng mở và tiế p xúc tr ượ t phân theo dòng đ iện

-Dòng bé : I ≤ 10 [mA].

-Dòng vừa: I ≤ 100 [A].-Dòng lớ n: I > 100 [A].

b) Tiế p đ iể m r ơ leThườ ng dùng bạc, platin tán hàn gá vào tiế p điểm, kích thướ c tiế p điểm do dòng điện cho phép

quyết định (theo bảng có trong các sổ tay thiết k ế).

c) Tiế p đ iể m thiế t bị đ iện khố ng chế Các thiết bị như công tắc tơ , áptômát và thiết bị cao áp thườ ng có dòng điện lớ n. Thì những tiế p

điểm chính mắc song song vớ i tiế p điểm hồ quang khi tiế p điểm ở vị trí đóng dòng điện sẽ qua tiế p điểm

chính (tiế p điểm) làm việc, khi mở hoặc bắt đầu đóng tiế p điểm hồ quang sẽ chịu hồ quang. Do đó bảo vệ đượ c tiế p điểm làm việc.Ta thườ ng thấy tiế p điểm có các dạng như hình 2-3.+Hình ngón: dùng trong công tắc tơ , tiế p điểm động vừa tr ượ t vừa lăn trên tiế p điểm t ĩ nh do vậy có thể

tự làm bóc lớ p oxit trên bề mặt tiế p xúc.+Tiế p đ iể m bắ c cầu: dùng trong r ơ le và công tắc tơ .+Tiế p đ iể m đố i diện: dùng ở máy ngắt điện áp cao.+Tiế p đ iể m hoa huệ: gồm một cánh hình thang giống cánh hoa huệ hay chữ z, tiế p điểm động là một

thanh dẫn tròn.+Tiế p đ iể m vuố t ma: tiế p điểm động kiểu sống dao có thể tr ượ t giữa hai vuốt tròn (làm tiế p điểm t ĩ nh) lò

xo và dây đượ c nối chặt vớ i vuốt.+Tiế p đ iể m chổ i: tiế p điểm động hình chổi gồm những lá đồng mỏng 0,1 ÷ 0,2 mm xế p lại tr ượ t lên

sống dao tiế p điểm t ĩ nh. Để tăng lực ép trên tiế p điểm hình chổi thì thườ ng có thêm bản đàn hồi. Loại nàykhi chổi bị cháy sẽ làm điện tr ở tăng nhanh do đó ít dùng làm tiế p điểm hồ quang.



22

3. Nguyên nhân hư hỏng tiếp xúc và biện pháp khắc phục

a) Nguyên nhân hư hỏng Nguyên nhân hư hỏng tiế p xúc có r ất nhiều, ta xét một số nguyên nhân chính sau:

a.1) Ă n mòn kim loại Trong thực tế chế tạo dù gia công thế nào thì bề mặt tiế p xúc tiế p điểm vẫn còn những lỗ nhỏ li

ti. Trong vận hành hơ i nướ c và các chất có hoạt tính hóa học cao thấm vào và đọng lại trong những lỗ nhỏ đó sẽ gây ra các phản ứng hóa học tạo ra một lớ p màng mỏng r ất giòn. Khi va chạm trong quá trìnhđóng lớ p màng này dễ bị bong ra. Do đó bề mặt tiế p xúc sẽ bị mòn dần, hiện tượ ng này gọi là hiện tượ ngăn mòn kim loại.a.2) Oxy hóa

Môi tr ườ ng xung quanh làm bề mặt tiế p xúc bị oxy hóa tạo thành lớ p oxit mỏng trên bề mặt tiế pxúc, điện tr ở suất của lớ p oxit r ất lớ n nên làm tăng R tx dẫn đến gây phát nóng tiế p điểm. Mức độ gia tăngR tx do bề mặt tiế p xúc bị oxy hóa còn tùy nhiệt độ. Ở 20-30oC có lớ p oxít dày khoảng 25.10-6mm. Theothí nghiệm tiế p điểm đồng để ngoài tr ờ i sau một tháng R tx tăng lên khoảng 10%. Ở nhiệt độ lớ n hơ n 700Csự oxit hóa r ất nhanh. Theo thí nghiệm ở 1000C sau chỉ một giờ R tx của tiế p điểm đồng tăng khoảng 50lần. Ngoài ra việc luân phiên bị đốt nóng và làm nguội cũng tăng quá trình ôxit hóa.a.3) Điện thế hóa học của vật liệu tiế p đ iể m

Mỗi chất có một điện thế hóa học nhất định. Lấy H làm gốc có điện thế âm (-) thì ta có bảng mộtsố kim loại có điện thế hóa học như bảng sau:

Bảng 2.3: Điện thế hóa học của một số kim loạiKim loại Ag Cu H Sn Ni Co Fe Al

Điện thế hóahọc [ V].

+0.8 +0.345 0 -0.14 - 0.2 -0.255 -0.44 - 1.34



23

Hai kim loại có điện thế hóa học khác nhau khi tiế p xúc sẽ tạo nên một cặ p hiệu điện thế hóahọc, giữa chúng có một hiệu điện thế. Nếu bề mặt tiế p xúc có nướ c xâm nhậ p sẽ có dòng điện chạy qua,và kim loại có điện thế học âm hơ n sẽ bị ăn mòn tr ướ c làm nhanh hỏng tiế p điểm.a.4) H ư hỏng do đ iện

Thiết bị điện vận hành lâu ngày hoặc không đượ c bảo quản tốt lò xo tiế p điểm bị hoen r ỉ yếu đi

sẽ không đủ lực ép vào tiế p điểm. Khi có dòng điện chạy qua, tiế p điểm dễ bị phát nóng gây nóng chảy,thậm chí hàn dính vào nhau. Nếu lực ép tiế p điểm quá yếu có thể phát sinh tia lửa làm cháy tiế p điểm. Ngoài ra, tiế p điểm bị bẩn, r ỉ sẽ tăng điện tr ở tiế p xúc, gây phát nóng dẫn đến hao mòn nhanh tiế p điểm. b) Các biện pháp khắ c phục

Để bảo vệ tiế p điểm khỏi bị r ỉ và để làm giảm nhỏ điện tr ở tiế p xúc có thể thực hiện các biện pháp sau: b.1) Đố i vớ i nhữ ng tiế p xúc cố định nên bôi một lớ p mỡ chống r ỉ hoặc quét sơ n chống ẩm. b.2) Khi thiế t k ế ta nên chọn nhữ ng vật liệu có điện thế hóa học giống nhau hoặc gần bằng nhau chotừng cặ p. b.3) Nên sử d ụng các vật liệu không bị oxy hóa làm tiế p đ iể m.

b.4) M ạ đ iện các tiế p đ iể m: vớ i tiế p điểm đồng, đồng thau thườ ng đượ c mạ thiếc, mạ bạc, mạ k ẽm còntiế p điểm thép thườ ng đượ c mạ cađini, niken, k ẽm,... b.5) Thay lò xo tiế p đ iể m: những lò xo đã r ỉ, đã yếu làm giảm lực ép sẽ làm tăng điện tr ở tiế p xúc, cần lausạch tiế p điểm bằng vải mềm và thay thế lò xo nén khi lực nén còn quá yếu.

b.6) Kiể m tra sử a chữ a cải tiế n: cải tiến thiết bị dậ p hồ quang để rút ngắn thờ i gian dậ p hồ quang nếuđiều kiện cho phép.

4. Tình trạng làm việc của tiếp điểm khi ngắn mạchKhi có ngắn mạch, nhiệt độ chỗ tiế p xúc tăng cao làm giảm tính đàn hồi và cườ ng độ cơ khí của

tiế p điểm. Nhiệt độ cho phép khi ngắn mạch quy định:

-Vớ i đồng, đồng thau: [θ ] = (200 ÷ 300)0C

-Nhôm: [θ ] = (150 ÷ 200)0CTùy thờ i gian ngắn mạch có mật độ dòng điện cho phép khác nhau như bảng 2-4.

Bảng 2.4: Mật độ dòng điện cho phépVật liệu tiế p xúc Mật độ dòng điện cho phép jcp [A/mm2 ]

Thờ i gian ngắn mạch [s] 1s 5s 10s

Đồng 152 67 48Đồng thau 75 38 27 Nhôm 89 40 28

Ngoài ra còn tùy tình tr ạng làm việc của tiế p điểm khi ngắn mạch xảy ra như:-Tiế p đ iể m ở vị trí đ óng khi ng ắ n mạch

Theo công thức kinh nghiệm Butkêvich: Im = K. F (2.7) Vớ i: Im: dòng điện biên độ làm tiế p điểm nóng chảy hàn dính.

K: hệ số tùy vật liệu làm tiế p điểm và số điểm tiế p xúc.F: lực nén lên tiế p điểm, F = (20÷ 50) kg.

Hệ số K trong một số tr ườ ng hợ p cụ thể sau:+ Tiế p điểm chổi đồng, đồng thau: K= 3000 đến 4000+ Tiế p điểm hình ngón bằng đồng: K= 4100.

+ Tiế p điểm kiểu cắm đồng, đồng thau: K= 6000.-Tiế p đ iể m trong quá trình đ óng bị ng ắ n mạch

Lúc này sinh lực điện động kéo dờ i tiế p điểm, tiế p điểm động có tốc độ lớ n dễ sinh hiện tượ nghàn dính vì có chấn động.

Khi dòng chạy trong vật dẫn từ tiết diện lớ n sang tiết diện nhỏ thườ ng bị uốn cong sinh lực điệnđộng theo công thức:



24

F = 1,02.10-8.i2lnd

D(2.8)

D,d: đườ ng kính tiết diện lớ n và nhỏ [cm].-Tiế p đ iể m trong quá trình ng ắ t bị ng ắ n mạch

Phát sinh hồ quang có thể làm cháy tiế p điểm. Tùy kim loại có tr ị cực tiểu áp và cực tiểu dòngcó thể phát sinh hồ quang.Bảng 2.5: Trị số dòng, áp cự c tiểu

Kim loại tiế p điểm W Ag Cu Al FeImin [A] 0,8 0,75 0,42 0,5 0,55Umin [V] 11,5 12 14 12,5 12,5

+Khi cắ t dòng bé

Nếu I ⟨ Imin , U ⟩ Umin : Giữa hai tiế p điểm hình thành một cầu kim loại nóng chảy, cầu bị đứtkim loại sẽ chảy từ anôt sang catôt. Vì vậy tiế p điểm là anôt bị mòn.

Nếu I ≥ Imin , U ⟩ Umin : Hình thành các ion đến bắn phá phía catôt, kim loại sẽ chuyển từ catôtsang anôt.+Tr ườ ng hợ p cắ t dòng trung bình và dòng đ iện l ớ n

Hồ quang lớ n cả catôt và anôt đều bị mòn. Cần chú ý tiế p điểm động khi đóng có khi bị haomòn nhiều hơ n khi mở .Sự hao mòn tỉ lệ vớ i dòng điện, số lần đóng mở và lượ ng điện tích qua tiế p điểm và thờ i gian

cháy của hồ quang, đó là các hao mòn về điện (do dòng điện gây ra). Ngoài ra còn hao mòn về cơ , thôngthườ ng hao mòn về cơ bằng (1 ÷ 3)% hao mòn điện.

Chươ ng 3. PHÁT NÓNG

3.1. ĐẠI CƯƠ NG

1. Khái niệm chung Nhiệt lượ ng sinh ra do dòng điện chạy qua trong cuộn dây hay vật dẫn điện khi thiết bị điện làm việc

sẽ gây phát nóng. Ngoài ra trong thiết bị điện xoay chiều còn do tổn hao dòng xoáy và từ tr ễ trong lõi sắttừ cũng sinh ra nhiệt. Nếu nhiệt độ phát nóng của thiết bị điện vượ t quá tr ị số cho phép thì thiết bị điện sẽ nhanh bị hư hỏng, vật liệu cách điện nhanh bị già hóa, độ bền cơ khí của kim loại bị giảm sút. Nhiệt độ cho phép của các bộ phận của thiết bị điện tham khảo theo bảng cho sẵn.

Trong tính toán phát nóng thiết bị điện thườ ng dùng khái niệm độ chênh nhiệt τ là hiệu số giữa nhiệt

độ phát nóngθ và nhiệt độ môi tr ườ ng xung quanh thiết bị điện θ 0. Ở vùng ôn đớ i cho phép τ =350C,vùng nhiệt đớ i τ =500C. Sự phát nóng thiết bị điện còn tùy thuộc vào chế độ làm việc. Thiết bị điện có ba chế độ làm việc: dài hạn, ngắn hạn và ngắn hạn lặ p lại.

2. Các nguồn nhiệt trong thiết bị điện-Các phươ ng pháp truyền nhiệt



25

Trong thiết bị điện một chiều sự phát nóng chủ yếu là do tổn hao đồng. Đối vớ i thiết bị điện xoaychiều, sự phát nóng sinh ra chủ yếu là do tổn hao đồng trong dây quấn và tổn hao sắt từ trong lõi thép,ngoài ra còn tổn hao do hiệu ứng bề mặt.

Song song vớ i quá trình phát nóng có quá trình tỏa nhiệt gồm: dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt và đối lưunhiệt.

Quá trình d ẫ n nhiệt, nhiệt l ượ ng d ẫ n tính theo công thứ c

dQ = - λ .→

→

∂

∂

X

Q .dS.dt

Trong đó: dQ: nhiệt lượ ng đượ c dẫn theo phươ ng x.

→

→

∂

∂

X

Q: građien nhiệt lưu theo phươ ng x; dS: diện tích nhiệt lưu đi qua, dt: thờ i gian; λ :

hệ số dẫn nhiệt [W/0C.cm]. Bứ c xạ nhiệt : phụ thuộc bề mặt tỏa nhiệt Đố i l ư u nhiệt : phân làm đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡ ng bức, đối lưu phụ thuộc vào vị trí phân bố củavật thể, kích thướ c bề mặt, tính chất môi tr ườ ng xung quanh vật và nhiệt độ môi tr ườ ng.

Nếu xét cả đồng thờ i ba hình thức trên thì có công thức Niutơ n sau:P = α .S.τ hay τ =

S

P

Trong đó: P: nhiệt lượ ng tỏa ra; S: diện tích tỏa nhiệt.τ: độ chênh nhiệt của vật dẫn vớ i môi tr ườ ng.α : hệ số tỏa nhiệt [N/0C.cm2].

Dùng công thức trên r ất tiện nhưng sai số cỡ (15 ÷ 25)%Hệ số α tra trong tài liệu thiết k ế:

+Vớ i cuộn dây truyền nhiệt tốt trong phạm vi nhiệt độ 750C ÷ 1200C hệ số α là:α = 11.10-4 đến 12,98.10-4 [W/0C cm2]

+Vớ i cuộn dây truyền nhiệt kém: α = 9,84.10-4 đến 11,52.10-4 [W/0C. cm2].3. Nhiệt độ phát nóng và cấp cách điện

Nhiệt độ môi tr ườ ng xung quanh quy định cho các nướ c ở vùng ôn đớ i θ 0

= 350C, nướ c ở vùng nhiệt

đớ i θ 0 = 400C. Nhiệt độ phát nóng chênh lệch τ = θ -θ 0 quy định vùng ôn đớ i thì: τ =350C, vùng nhiệt đớ i τ =500C.C ấ p cách đ iện: căn cứ vào khả năng chịu nhiệt độ phát nóng lớ n nhất của vật liệu cách điện mà khônglàm phá hủy tính chất cơ của nó, ngườ i ta chia vật liệu cách điện ra các cấ p cách điện gồm cấ p:

A : [T0] = (90 ÷ 105)0CE : [T0] = (105 ÷ 120)0CB : [T0] = (120 ÷ 140)0C

Các bộ phận thiế t bị đ iện quy định

+ Vật liệu không bọc cách điện để xa vật cách điện [T0] =110.+ Dây nối tiế p xúc cố định [T0] = 750C+ Tiế p xúc mạ bạc [T0] =1200C+ Vật liệu dẫn điện có bọc cách điện thì:

-Cấ p O: [T0] ≤ 800C-Cấ p A : [T0]

≤950C

-Cấ p B: [T0] ≤ 1100C+ Vật liệu không dẫn điện không bọc cách điện [T] ≤ 1100C Ngoài ra chế độ làm việc khác nhau có nhiệt độ lớ n nhất cho phép khác nhau.

3.2. CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC DÀI HẠN CỦA VẬT THỂ ĐỒNG NHẤT



26

Thiết bị điện làm việc dài hạn tức là thiết bị điện có thể làm việc liên tục lâu dài nhưng thờ i gianlàm việc phải không nhỏ hơ n thờ i gian cần thiết để thiết bị phát nóng đến nhiệt độ ổn định.

Khi có dòng điện I chạy trong vật dẫn sẽ gây ra tổn hao một công suất P và trong thờ i gian dt sẽ gâyra một nhiệt lượ ng:

P.dt = RI2dt (3.1)

Nhiệt lượ ng hao tổn này bao gồm hai phần:-Đốt nóng vật dẫn G.C.dτ -Tỏa ra môi tr ườ ng xung quanh Sα .τ.dt.Ta có phươ ng trình cân bằng nhiệt của quá trình phát nóng:

P.dt = G.C.dτ + S α .τ.dt (3.2)Trong đó: G là khối lượ ng vật dẫn [g]

C là tỉ nhiệt vật dẫn tỏa nhiệt [J/g].τ là độ chênh nhiệt [00C].α là hệ số tỏa nhiệt [W/cm2].

Từ (3.2) ta có phươ ng trình :

C.G

P=

dt

dτ+

C.G

.Sα.τ (3.3)

Giải phươ ng trình vi phân (3.3) vớ i điều kiện tại t = 0 thì độ chênh nhiệt ban đầu là τ0, ta đượ c:

τ =α.S

P(1 -

tGC

S

eα

) + τ0 t

GC

S

eα

(3.4)

Đặt T =α.S

C.Glà hằng số thờ i gian phát nóng.

α.S

P= τôđ : độ chênh nhiệt ổn định. Ta có:

τ = τôđ ( 1- T

t

e−

) + τ0 T

t

e−

(3.5)

Khi t = 0 mà τ0 = 0 thì:

τ = τôđ .(1- Tt

e−

) (3.6)Khi ngắt dòng điện (I = 0), quá trình phát nóng chấm

dứt và quá trình nguội lạnh bắt đầu xảy ra, ngh ĩ a là P.dt= 0, ta có phươ ng trình nguội lạnh:

I2R.dt = 0 (3.7)Và: G.C.dτ + Sα +τdt = 0 nên có:

dt

dτ+ τ

.S

C.G= 0 (3.8)

Vớ i điều kiện khi ngắt dòng điện độ chênh lệch nhiệt bằng độ chênh lệch nhiệt ổn định. Giải phươ ngtrình vi phân (3.8) ta đượ c biểu thức thể hiện quá trình nguội lạnh:

τ = τôđ .e

−t

T

Hằng số thờ i gian phát nóng T là khoảng thờ i gian cần thiết để đốt nóng vật lên tớ i độ chênh nhiệt ổnđịnh nếu không có sự tỏa nhiệt ra môi tr ườ ng xung quanh .

Xác định hằng số T bằng giải tích, ta có: P dt = G.C.dτ

dt

dτ=

C.G

Pthì τ =

C.G

P.t + τ0

τ

τôđ

τ0 0.632τô

3

t[s]

12

0

T

A

B

Hình 3-1: Phát nóng

dài h n



27

Nếu τ0 = 0 thì: τ =C.G

P.t

Khi τ0 = τôđ thì t = T. Từ τôđ =C.G

P.T và theo công thức Niutơ n τôđ =

S.

P

α.

Ta có: T=α.S

C.G(3.9)

Dùng phươ ng pháp vẽ cũng có thể xác định đượ c giá tr ị T. Từ gốc tọa độ gốc ta vẽ đườ ng tiế p tuyến

vớ i đườ ng cong 1 và đườ ng cong 2. Ta nhận đượ c AB = T.

d

dt

τ t =0 =

τ äâ

T= tgα =

AB

BC

Trong đó BC = τôđ vậy AB = T. Quá trình phát nóng có tỏa nhiệt ra môi tr ườ ng xung quanh thì sauthờ i gian T độ chênh lệch nhiệt chỉ đạt tớ i giá tr ị 0,632 τôđ .

3.4. CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC NGẮN HẠN CỦA VẬT THỂ ĐỒNG NHẤT

Ở chế độ làm việc ngắn hạn độ chênh lệch nhiệt của thiết bị điện sau thờ i gian làm việc chưa đạt tớ itr ị số ổn định thì thiết bị điện đã ngừng làm việc. Nhiệt độ phát nóng ở chế độ này là nhỏ nhất. Khi ngừnglàm việc (I= 0) thì quá trình nguội lạnh lại bắt đầu.

Giả sử làm việc dài hạn đườ ng cong phát nóng là đườ ng 1 trong hình 3-2.Phụ tải lúc này là Pf :

Pf =α S.τf (3.10)Sau thờ i gian tlv (thờ i gian làm việc ngắn hạn)

độ chênh nhiệt mớ i đạt tớ i tr ị τ1 < τf , nên thiết bị điện làm việc non tải và chưa lợ i dụng hết khả năngchịu nhiệt. Từ đó ta thấy r ằng có thể nâng phụ tảilên để sau thờ i gian làm việc ngắn hạn tlv độ chênhnhiệt vừa đạt tớ i tr ị số cho phép τf , phụ tải lúc nàylà Pn:

Pn = α S. τmax (3.11)

Đườ ng cong phát nóng tr ườ ng hợ p này là đườ ng2. Điểm M trên đườ ng 2 thỏa mãn phươ ng trình độ chênh nhiệt của quá trình phát nóng.

τf = τmax (1- e T

tlv

)(3.12)

Sau thờ i gian làm việc tlv dòng điện ngừng chạy vào vật dẫn do đó vật dẫn nguội lạnh theo quyluật như khi làm việc dài hạn (đườ ng 3).

Từ các biểu thức (3.10), (3.11), (3.12) và gọi K p =f

n

P

Plà hệ số quá tải công suất ta rút ra:

K p =f

n

P

P=

f

max

τ

τ=

T

tlv

e1

1

−

−

> 1 (3.13)

Vì công suất tỉ lệ vớ i bình phươ ng dòng điện nên:

K I =f

nI

I= PK =

T

tlv

e1

1

−−

(3.14)

K I : hệ số quá tải về dòng điện.

τ

τmax τf τ1

0t[s]

tlv

1

23

Hình 3-2: Phát nóng khi

n ắn h n

M



28

Ví du: Một thiết bị điện có T = 180s nếu làm việc dài hạn thì dòng điện cho phép If = 100 A nhưng nếulàm việc ngắn hạn trong thờ i gian tlv = 5 s thì có thể tăng dòng diện lên bao nhiêu ?.Giải:

K I =1

1− −e

t

T lv

=1

15

180− −e

= 6

Vậy dòng cho phép lớ n nhất là: In = K I. If = 6.100 = 600 [A].

3.4. CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC NGẮN HẠN LẶP LẠI CỦAVẬT THỂ ĐỒNG NHẤT

Đây là chế độ mà thiết bị điện làm việc trong một thờ i gian tlv mà nhiệt độ phát nóng chưa đạttớ i bão hòa và sau đó nghỉ một thờ i gian tng mà nhiệt độ chưa giảm về nhiệt độ ban đầu r ồi lại tiế p tục làmviệc và nghỉ xen k ẽ. Quá trình làm việc và nghỉ cứ lặ p lại tuần hoàn như vậy. Để thể hiện mức độ làmviệc lặ p, ngườ i ta dùng khái niệm hệ số làm việc (còn gọi hệ số đóng điện):

ĐL% =

ngtlvt

lvt

+

.100% (3.15)

Trong thực tế ĐL% thườ ng bằng 25%, 40%, 60%. Trong chế độ làm việc ngắn hạn lặ p lại, nhiệtđộ phát nóng nhỏ hơ n chế độ làm việc dài hạn nhưng lớ n hơ n ở chế độ ngắn hạn. Tổng thờ i gian làm việctlv và thờ i gian nghỉ tng gọi là thờ i gian chu kì tck .

tck = tlv + tng Ta giả thiết tại thờ i điểm ban đầu độ chênh nhiệt độ của vật dẫn là τ 0 sau thờ i gian làm việc tlv

vật dẫn đượ c đốt nóng đến độ chênh nhiệt là:

τ 1=τ ôđ(1-e T

tlv−

) + τ 0 e T

tlv−

(3.16)Sau thờ i gian nghỉ tng vật dẫn nguội xuống nhiệt

độ:

τ 2 =τ 1 e T

tng−

(3.17)

Chu kì tiế p theo vật dẫn lại bị đốt nóng tớ i độ chênhnhiệt độ:

τ 3=τ ôđ(1- e T

tlv−

) + τ 2 e T

tlv−

(3.18)Sau một số chu kì nhiệt độ chênh lệch nhiệt độ

đạt đến độ chênh nhiệt cực đại τ max và độ chênh lệchnhiệt độ cực tiểu τ min không thay đổi, ta gọi là thờ i kì ổnđịnh. Tươ ng tự như trên, ta viết:

Quá trình phát nóng τ max = τ ôđ (1- e T

tlv−

) + τ min

e T

tlv−

(3.19)

Quá trình nguội lạnh: τ min = τ max . e Ttng−

(3.20)Giải hai phươ ng trình này ta đượ c:

t[s]

tlvtng

tcK

34

1

2 τ

τmaτf τ’mτmi

Hình 3-3 : Phát nóng khi ng ắnh n l l i



29

τ max =

T

tt

T

t

äâ

nglv

lv

e1

e1

+−

−

−

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛ −τ

(3.21)

Vớ i: τ ôđ :độ chênh nhiệt độ ổn định bằng độ chênh nhiệt cho phép τ f [0C].

τ max: độ chênh nhiệt độ lớ n nhất khi làm việc ngắn hạn lặ p lại [0C].Có: τmax< τf =τ ôđ nên có thể cho tăng tải thêm lên để làm việc như ở đườ ng cong phát nóng 2(ứng vớ iτ nl>τ f ) hình 3-3, để sau thờ i gian làm việc τ = τf .Ta có:

τf = τnl

T

tt

T

t

nglv

lv

e1

e1+

−

−

−

−(3.22)

Hệ số quá tải công suất: K p = cf

nl

τ

τ

= Tt

T

t

lv

CK

e1

e1

−

−

−

−

(3.23)

Hệ số quá tải dòng điện:

K I =f

nlI

I= PK =

T

t

T

t

lv

CK

e1

e1

−

−

−

−(3.24)

Hình 3-3 so sánh đặc tính phát nóng khi làm việc trong chế độ ngắn hạn lặ p lại (đườ ng 3) vớ iđặc tính phát nóng khi làm việc dài hạn (đườ ng 1) ta thấy khi làm việc ngắn hạn lặ p lại lại có thể tăngthêm phụ tải (đườ ng 4).

3.5. SỰ PHÁT NÓNG KHI NGẮN MẠCH

Thờ i gian xảy ra ngắn mạch r ất ngắn nên nhiệt độ cung cấ p cho vật thể hoàn toàn dùng để đốtnóng vật dẫn và gần đúng ta coi không có nhiệt lượ ng tỏa ra môi tr ườ ng xung quanh. Trong thờ i gian dtdòng điện ngắn mạch sinh ra nhiệt lượ ng là:

dQ = K 2m. I2 .R.dt = K 2m .I2 .s

lρ .dt (3.25)

Trong đó: K m = I

I nm , vớ i Inm là tr ị số dòng ngắn mạch qua vật dẫn; I là dòng điện định mức qua

vật dẫn; S là tiết diện vật thể.Toàn bộ nhiệt lượ ng do dòng điện ngắn mạch sinh ra dùng để đốt nóng vật dẫn lên độ chênh nhiệt độ

là dτnm . Ta có phươ ng trình:dQ = C.G.dτmn = C.S.l.γ .dτmn (3.26)

Vớ i γ là khối lượ ng riêng của vật dẫn. C là nhiệt dung riêng của vật dẫn.

So sánh biểu thức (3.25) và (3.26) ta có: dτmn =c.γ

ρK 2m

2

F

I⎟

⎠ ⎞

⎜⎝ ⎛

.dt.

Lấy tích phân ta đượ c:



30

τnm =c

m K

.

.

γ

ρ 2

. ∫ ⎟ ⎠ ⎞

⎜⎝ ⎛ t

0dt.

2

S

I(3.27)

-Khi I = const thì: dt

2

SIt

0⎟

⎠ ⎞⎜

⎝ ⎛ ∫ =

2

SI ⎟ ⎠ ⎞⎜

⎝ ⎛ t = J2t. Có: τnm=

cm

K

.

.

γ

ρ 2

J2t (3.28)

Nếu độ chênh nhiệt lúc bắt đầu ngắn mạch là τôđ thì khi k ết thúc ngắn mạch độ chênh nhiệt sẽ là: τ,nm

= τôđ + τnm. Trong thực tế ρ , C thay đổi theo nhiệt độ : C = C0 [ 1+ b0 ( τôđ + τnm )],

ρ = ρ 0 [ 1+ α 0 ( τôđ + τnm )]. Trong đó: C0: nhiệt dung riêng khi τ = 0; b0: hệ số nhiệt độ tỉ nhiệt.

ρ 0: điện tr ở suất khi τ = 0; α 0: hệ số nhiệt điện tr ở . Thay vào (3.28) ta đượ c:

τnm =γ

2m

K

dt.

2

S

I.

)]nmäâ(0b1[0c

)]nmäâ(01[0 ⎟ ⎠ ⎞

⎜⎝ ⎛

τ+τ+

τ+τα+ρ(3.29)

Chươ ng 4. LỰ C ĐIỆN ĐỘNG

4.1. KHÁI NIỆM CHUNG

Một vật dẫn đặt trong từ tr ườ ng, có dòng điện I chạy qua sẽ chịu tác động của một lực. Lực cơ họcnày có xu hướ ng làm biến dạng hoặc chuyển dờ i vật dẫn để từ thông xuyên qua nó là lớ n nhất. Lựcchuyển dờ i đó gọi là lực điện động. Chiều của lực điện động đượ c xác định theo quy tắc bàn tay trái.

Ở tr ạng thái làm việc bình thườ ng, thiết bị điện đượ c chế tạo để lực điện động không làm ảnhhưở ng gì đến độ bền vững k ết cấu. Khi ngắn mạch dòng tăng lên r ất lớ n (có lúc tớ i hàng chục lần Iđm) dođó lực điện động sẽ r ất lớ n. Trong một số tr ườ ng hợ p dòng lớ n, lực có thể tớ i hàng chục tấn. Lực làm biến dạng đôi khi có thể làm phá vỡ k ết cấu thiết bị. Do đó cần phải nghiên cứu lực điện động để ngănngừa tác hại của nó khi lựa chọn, tính toán và thiết k ế thiết bị điện.

Ngoài ra ngườ i ta còn nghiên cứu ứng dụng lực điện động để chế tạo các thiết bị điện như r ơ leđiện động, cơ cấu đo điện động,...

4.2. CÁC PHƯƠ NG PHÁP TÍNH TOÁN LỰ C ĐIỆN ĐỘNG

1. Phươ ng pháp sử dụng định luật Bio-Xavar-LaplaxTheo quan điểm của phươ ng pháp này lực điện động là k ết quả tươ ng tác lẫn nhau của dây dẫn l

mang dòng điện I và từ tr ườ ng do dây dẫn khác tạo nên.

- Lực điện động tác dụng lên chiều dài Δl khi có dòng điện I đặt trong từ tr ườ ng có từ cảm B là:

αΔ=ΔΔΔ=Δ sin.l.B.IFhayBxl.IF

Vớ i góc α là góc hợ p bở i l Δ và B ( l Δ cùng chiều I ).α là góc xác định theo chiều quay nhỏ nhất.

- Dạng vi phân là B xl d I F d .=

α= sin.dl.B.IFd (4-1)

Có : dl→ trùng chiều dòng điện i.Từ đó ta có lực điện động :

∫∫ α==l

0

l

0

sinBdl.IFdF = I.B. l. sinα

(4-2)

B

dl

l

M

β I

Hình 4-1: Lự c đ iệnđ n



31

- Nếu hai dây dẫn cùng trong một mặt phẳng α = 900 thì ∫=l

0

IBdlF =I.B.l.

Muốn xác định đượ c F ta phải tìm đượ c quan hệ B = B(l), cảm ứng từ phụ thuộc kích thướ c dây

dẫn.- Theo Bio-Xavar-Laplax thì cườ ng độ từ cảm tại một điểm M∈ B có tr ị số là :

∫ ∫β

π

μ=

π

μ=

20

200

r

sin.dlI

4Bhay,

r

rxldI

4B (4-3)

Trong đó:

⎪⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪⎪

⎨

⎧

β

=

lãn.taûo0rvaìlddo

gmàût phàóvåïigoïcthàóngtæìcaím æïngtåveïc:B

0rvaìldbåíihåüpgoïc:

M.âãúndlcaïch tæìkhoaínglaì:r

10rcoï Mâãúndlchoün tæìâån vëveïctålaì0r

2. Phươ ng pháp cân bằng năng lượ ngXét một dây dẫn có dòng điện chạy qua như hình 4-2.

Khi dây dẫn dịch chuyển theo hướ ng x một đoạn dx thì lực điệnđộng đượ c xác định bở i :

dw = F.dxdx

dwF =⇒ (4-4)

Trong đó:+ dw : độ biến thiên năng lượ ng từ tr ườ ng của vật dẫn

mang dòng điện khi di chuyển một đoạn dx.+ x : phươ ng chuyển dờ i có thể có của dây dẫn dướ i tác

dụng của lực F.

+ Chiều F trùng vớ i chiều dx.Ví d ụ: xét hệ hai vật dẫn mang hai dòng điện i1 ; i2 như hình 4-3đặt song song cách nhau một khoảng x. Năng lượ ng từ tr ườ ngcủa hệ là:

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

=

=

⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ ++

==

++=

]cm/ J[dx

dL.i

2

1F

]cm/ J[

dx

dL.i

2

1F

:laìseî reî riãngduûngtaïclæûccoï Tadx

iMiiL2

1iL

2

1d

dx

dwF

:laìduûngtaïclæûcvaìiMiiL2

1iL

2

1W

2222

1211

21222

211

M

21222

211M

Khi vật thể biến dạng hoặc chuyển dờ i ta giả thiết các dòng điện bằng hằng số. Theo phươ ng pháp nàymuốn tính lực ta phải biết đượ c biểu thức toán học của hệ số tự cảm L và hỗ cảm M theo x. Các phươ ng pháp tính L và M nêu trong giáo trình lí thuyết tr ườ ng điện từ.

4.3. TÍNH LỰ C ĐIỆN ĐỘNG TÁC DỤNG LÊN VẬT DẪN

x A A ’

B B’

F

dx

l

Hình 4-2: Lự c tác d ụng vàothanh d ẫ n.

x

dx I2

I1

Hình 4-3 : Lự c giữ a hai vòng dâ



32

1. Ứ ng dụng phươ ng pháp cân bằng năng lượ ngTa xét lực điện động trong một số tr ườ ng hợ p vật dẫn đồng nhất nằm trong từ tr ườ ng đều. Các

tr ườ ng hợ p khác có thể tham khảo tài liệu chuyên ngành chế tạo thiết bị.a) Lự c đ iện động tác d ụng lên một vòng dây có dòng i nằ m trong một t ừ tr ườ ng

Giả thiết bán kính vòng dây R, bán kính dây dẫn r (hình 4-4). Lực điện động có xu hướ ng kéo căngvòng dây dẫn bung ra. Giả thiết lực phân bố đều trên chu vi vòng dây. Gọi f R là lực tác dụng lên một

đơ n vị dài chu vi theo hướ ng kính, lực tác dụng tổng:dR

dL.I

2

1f .R.2F 2R =π= (4-6)

Theo Kiếc khố p có: ⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ −μ= 75,1

r

R8lnRL 0 .

Và ta giả thiết 1R

r2<< thay vào biểu thức (4-6) ta có:

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=μ⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ −μ= −∏

m

H810.02

0 .4,0biãút75,0r

R8lnI.

2

1F

Vậy ]kg[75,0

r

R8lnI.10..04,2F 28 ⎟

⎠

⎞⎜

⎝

⎛ −π= − (4-7)

Để tính độ bền cơ khí vòng dây, ta phải xác định lực có xuhướ ng kéo đứt vòng dây theo hướ ng kính (là tích phân hình chiếu cáclực hướ ng kính tác dụng lên 1/4vòng dây) là :

∫

π

− ⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ −==ϕϕ=

2

0

27RRR 75,0

r

R8lnI.10R.f d.cos.R.f F N

* Trong tr ườ ng hợ p cuộn dây có W vòng, thay IW cho I, ta có :

].kg[75,0r

R8ln)WI.(10.02,1]N[75,0

r

R8ln)WI.(10F 2827

R ⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ −=⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ −= −− (4.9)

Chú ý: 1[N]=0,102 [kg] và 1[J/cm]=10,2[kg].

b) Tính l ự c đ iện động giữ a hai dây d ẫ n tiế t diện tròn đặt song song mang dòng iTa sử dụng phươ ng pháp cân bằng năng lượ ng vớ i giả thiết hai dây dẫn có bán kính r đặt song song

cách nhau khoảng a.Ta biết theo lí thuyết tr ườ ng đối vớ i dây dẫn như trên thì hệ số tự cảm là :

⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ −+

π

μ=

r

raln.2

2

1

2

lL .0

Vớ i: l là chiều dài của dây dẫn.Lực tác dụng vào từng thanh dẫn đượ c tính:

ra

l.I.10.2,0

da2

dl.I

da

dWF 28

2M

−=== − [J/cm]. (4.10)

Nếu có a>>r thì:

a

l.I.10.04,2F 28−= [kg] (4.11)

Nếu dòng trong hai dây cùng chiều thì hai dây dẫn sẽ hútnhau và ngượ c chiều thì đẩy nhau.

2. Ứ ng dụng định luật Bio-Xavar-Laplaxa) Lự c đ iện động tác d ụng lên hai dây d ẫ n đặt trong cùng một mặt phẳ ng

Hình 4-5 : Hai thanh đặtsong song

l

I

2r

a

dF

B l

FT

d

I

2r

Hình 4-4: Lự c căng



33

Trên hình 4-6 là hai dây dẫn l1 và l2 cùng đặt trong một mặt phẳng. Dây dẫn l1 mang dòng I1 dâydẫn l2 mang dòng I2.

Ta tìm sự phân bố lực lên dây dẫn l2.Ta chọn tr ục tung oy trùng vớ i dây l1 (chọn hệ xoy hình 4-6). Dòng I1 ở đơ n vị dy trong dây l1 tạo

ra ở đoạn dl có cườ ng độ từ cảm là :

20

10

r

rxydI

4Bd

GG

G

π

μ= hay:

210

r

)sin(dyI

4dB

α−π

π

μ=

Vì có: sin( π α − )= sinα nên:

210

r

sindyI

4dB

α

π

μ=

Lực tác dụng lên đoạn dl2 do I1dy gây ra là:

Bdxld.IFd 22GGG

=

Hay:

022210 90sin.r

sindl.dyII4dB απ

μ=

Từ hình 4-6 ta có :

y=cotgα

=αα

−=α

sin

xr;d

sin

xdy;

2

Vậy:

ααπ

μ= d.sin.dl.

x.4

II.dF 2

210 (4.12)

Lực tác dụng lên đoạn dl2 ở vị trí x trên do dòng I1 chạy trong l1 gây ra là :

∫α

α

ααπ

μ−=

2

1

d.sinx.4

I.I.dF 210

x (4-13)

Lực tác dụng lên một đơ n vị dài của dây l2 tại vị trí xi do 11 ltrongI gây lên là :

i

i1i2210

2

xx x

coscos.

4

I.I.

dl

dFF i

i

α−α

π

μ== (4-14)

Chú y : khi chọn các điểm tính x dọc chiều dài l2 góc α và độ dài x biến thiên dẫn đến các lực Fx biếnthiên không đều dọc chiều dài l2 của dây 2.Điểm tác dụng của lực tổng F sẽ qua tr ọng tâm dây l2.Bằng phươ ng pháp vẽ ta có thể biết sự phân bố của lực dọc chiều dài dây l2.

b) Lự c đ iện động giữ a hai dây d ẫ n đặt song song trong đ ó một dây dài vô t ận

Hình 4-7, xét khi dây l1 = ∞; dây l2 = l khoảng cách giữa hai dây x = a. Áp dụng biểu thức (4.14)

ta thay α1 = π; α2 = 0; x = a vào ta có : consa.4

I.I.2F 210xi =

π

μ=

Lực điện động tác dụng lên dây dẫn l2 là :

a

l.

4

2I.1I.022F

π

μ= (4-14)

và có ][....,2Fhay[J/cm]...., kg a

l I I

a

l I I F

8102104281021202−=−= .

c) Lự c đ iện động giữ a hai dây d ẫ n song song có chiề u dài bằ ng nhau

Áp dụng công thức (4.12) ở phần tr ướ c và thay x = a; dl2 = dy ta có :

l1

l2 l

d

d

y

I2

I1

α

α1

α2

x

Hình 4-6 : Hai thanh trong



34

)1cos2(cosdy.a.4

2I.1I.0dF α−απ

μ= (4-15)

Trên hình 4-7 có :22

11222

ay

y)cos(coscoìn,

a)yl(

ylcos

+

=α−π−=α+−

−=α

Vậy :

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

∫+

∫ ++−

−

π

μ=

l

0 2a2y

ydyl

0 2a2)yl(

dy)yl(

a.4

2I.1I.0F (4-16)

Tính từng tích phân riêng r ẽ có :

∫+

=l

0 2a2y

ydyA

Nếu đặt z2= y2+a2 ⇒ 2zdz = 2ydy và:+ khi y= 0 thì z= a

+khi y=1 thì z= l a2 2+

đổi cận ta có :

.a2l2a2a2l

adz

l

0

2a2y

ydyA −+=∫

+=∫

+=

Đổi cận ta có:

a2a2l0

l 2a2u

udu-

l

0 2a2)yl(

dy)yl(−+=∫

+

=∫

+−

−

Từ đó thay vào (4.16) ta có :⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡−+

π

μ=⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ −+π

μ=

l

a2l

2a1

2a

l.

22I.1I.0a2l2a2.

a.4

2I.1I.0F

đặt :coï 1)l

a(thçalkhichènhuhaìm hiãûgoüicoìnhay

l

a2l

2a1)

l

a( ≈ϕ>>−+=ϕ

][).(....,:hay]/[).(..., kg l

a

a

l I I F cm J

l

a

a

l I I F

810210428102120 −=−= ϕ ϕ

Khi hai thanh d ẫ n có tiế t diện chữ nhật vớ i kích thướ c r ộng b, cao h và dài l

+ N ế u có b ≤ h, b ≤ a thì :

]cm/ J[810.2a

2hlln

a

harctg

a

h22h

1.l2I1I2,0F −+−=

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ . Có thể viết dướ i dạng :

]cm/ J[)f (810.a

l2I1I.2,0F ϕ−= hay ]kg[)f (810.

a

l2I1I.04,2F ϕ−=

⎩⎨⎧

=→=

=→=⇒=

=∫+−

−=

0ulykhi

lu0ykhi dy-du

y;-lâàût utæûtæångl

0 2a2)yl(

dy)yl(B

α2

α1

al

y

d

l

I1

I2

Hình 4-7 : Hai thanh



35

có ϕ (f) gọi là hàm Dwight phụ thuộc theobh

ba;

a

h

+

−

+ N ế u h<<a ; h/b<1 thì:

]kg[)f (

8

10.a

l

2I1I.04,2F ϕ

−

=

Trong đó : )]a

b1ln().

a

b1()

b

a1[(

2b

2a)f ( −−++=ϕ .

4.4. LỰ C ĐIỆN ĐỘNG TRONG MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU

1. Mạch xoay chiều một phaXét hai dây dẫn song song có hai dòng điện i1, i2 cùng pha (hoặc lệch một góc π) giả thiết i1 = i2

= Imsinωt = I 2 sinωt = iLực điện động F = C.i2 , vớ i C là hằng số :

2F

1F

2

t.2cos.2mI.C

2

2mI.C

2

t.2cos1.2

mI.Ct.2sin.2

mI.CF +=

ω−=

ω−=ω=

Trong đó :

2

2mCI

1F = là thành phần không đổi.

t2cos1F2

t2cos.2mCI

2F ω−=ω

−= là

thành phần lực thay đổi.Ta biểu diễn như hình 4-8 :

Lực F biến thiên khoảng từ 0 đến CIm2.

- Lực trung bình2

CI2

2mI.C

tbF ==

Khi xả y ra ng ắ n mạch l ự c F r ấ t l ớ n, dòng điện

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ ω−

−= tcos T

t

eI.2i

Đặt T

1=λ là hệ số cản của dòng

không tuần hoàn, phụ thuộc vào máy phátđiện và các thông số của mạch điện. Theothí nghiệm có λ = 22 , ta có lực điện độnglà:

2)tcos

te(

2CI2

2CiF ω−λ−==

Tức là trong mạch gồm hai thành phần là thành phần biến đổi tuần hoàn vàthành phần không tuần hoàn. Sau một số chu kì (nT) thành phần không tuần hoàn suygiảm về 0, do đó lực ổn định (một số nửachu kì đỉnh nhọn thấ p dần, một số nửa caodần đến bằng nhau và ổn định như hình 4-9).



36

Theo thí nghiệm sau ωt = π thì có i đạt cực đại imax = 1,8 2 I và lực:FMax = CI2 = C.6,48I2.

2. Lự c điện động trong mạch xoay chiều ba pha

Giả sử dòng điện trong các pha A, B, C lần lượ t là :

⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪

⎨

⎧

π+ω=

π−ω=

ω=

)3

2t.sin(.2I2i

)3

2t.sin(.2I2i

t.sin.2I1i

a) Khi bố trí ba dây trên một mặt phẳ ng (hình 4-10a) Gọi C1 hằng số lực giữa dây A và B, C2 dây B và C, C3

dây A và C . Ta có:+ Lực tác dụng lên dây pha A là:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ π+ωω+

π−ωω=

+=

)3

2tsin(.tsin3C)

3

2tsin(.tsin1C2I2

3i1i3C2i1i1CF

Chọn chiều tăng theo thờ i gian t: dấu (+) vớ i lực kéo về hai dây kia và (-) vớ i lực đẩy ra. Tiếnhành thay số ta tính toán và tìm đượ c các tr ị số lực đẩy và lực kéo cực đại của pha A

là: ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ +−−+= )3C1C(3C1C

23C

21C2

2

2I

1kF .

Chọn sin2ωt và cos2ωt dấu (-) lực ngượ c lại là lực đẩy nhau:

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ++−+−= )3C1C(3C1C

23C

21C2

2

2I

1âF .

+ Vớ i dây pha C giống dây A.+ Dây pha B : tươ ng tự ta có Fk2 và Fđ2 là :

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −−++= )2C1C(2C1C2

2C21C2

2

2I

2kF .

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −−++−= )2C1C(2C1C2

2C21C2

2

2I

2âF .

Nếu chọn C1 = C2, C3 = 0,5C1 thì ta có pha A:⎪⎩

⎪⎨

⎧

−=

=

2I1C.615,1

1âF

2I1C.115,0

1kF

Có ngh ĩ a là ở pha A lực đẩy gấ p khoảng 14 lần lực kéo. Còn ở pha B thì:

⎪⎩

⎪

⎨

⎧

−=

=

2I1C73,12âF

2I1C73,12kF

b) Tr ườ ng hợ p ba dây d ẫ n bố trí trên ba đỉ nh tam giác đề uTa giả thiết lần lượ t ba dòng điện i1, i2, i3 cho ở trên đi vào dây dẫn các pha A, B, C đượ c bố trí

trên ba đỉnh tam giác đều như hình 4-10b.Ta có hệ số C1=C2=C3=C

+ Lực tác dụng lên dây pha A sau khi thay số và tính toán ta đượ c:

a)

b)

Hình 4-10: Lự c đ iện động trong mạch xoay

chiề u ba pha

Fđ1Fk1

Fđ2Fk2

C

Y

X A

B

C FAC

FAB

π

6



37

tsin.C2

I3t2cos.222

CI2

3F ω=ω−=

+ Lực tác dụng lên dây B và dây C tươ ng tự như dây A chỉ có góc pha thay đổi.

3. Lự c điện động trong ba pha khi ngắn mạchDòng trong các pha khi ngắn mạch là :

[ ]

⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪

⎨

⎧

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

π+ϕ+ω−

π+ϕλ−=

π−ϕ+ω−

π−ϕλ−=

ϕ+ω−ϕλ−=

)3

2tcos()

3

2cos(teI23i

)3

2tcos()

3

2cos(

teI22i

)tcos(costeI21i

Trong đó :ϕ :góc pha của dòng điện trong pha thứ nhất khi bắt đầu xảy ra sự cố; λ : hệ số cản. Nếu giả thiết

không xét đến thành phần không tuần hoàn vớ i e-λt = 1 ta có :

+ Lực tác động dây A là : F = C1i1i2 + C3i1i3 + Lực tác dụng lên dây B là : F = C1i1i2 + C2i2i3

Khi xét ba dây cùng nằm trong một mặt phẳng, lực điện động không chỉ phụ thuộc thờ i gian t mà phụ thuộc cả thờ i điểm xảy ra ngắn mạch ϕ.

Xét : +) Khi ϕ = - 150 mà xảy ra ngắn mạch thì ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ω−

ω−= tcos

2

3

2

t2sin

2I21C3

1âF

Nếu ωt = π thì

⎪⎩

⎪⎨⎧

=

−=

01k

F

2I1C46,6max1â

F

+) Khi ϕ = 750 mà ngắn mạch thì ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ω+

ω−= tcos

2

3

2

t2sin2I21C3

1

kF

ωt = π thì Fk1max = 0,16C1I2, Fđ1max = -1,5C1I

2.

4.5. CỘNG HƯỞ NG CƠ KHÍ VÀ ỔN ĐỊNH LỰ C ĐIỆN ĐỘNGTHIẾT BỊ ĐIỆN

1. Cộng hưở ng cơ khí Khi dòng điện xoay chiều đi qua thanh dẫn (thanh cái) lực điện động sẽ gây chấn động và có thể

phát sinh hiện tượ ng cộng hưở ng cơ khí. Điề u kiện tránh cộng hưở ng cơ khí

Muốn không xảy ra cộng hưở ng thì tần số dao động riêng của thanh cái phải bé hơ n tần số sóng cơ bản của lực. Trong thực tế ngườ i ta thườ ng thay đổi khoảng cách giá đỡ thanh cái để điều chỉnh tr ị số tầnsố dao động riêng của thanh cái.

Tần số dao động riêng thanh cái tính theo biểu thức :

1g

J.E2

l

112Z =

Trong đó :l : khoảng cách giá đỡ cách điện; E : mô đun đàn hồi [kg/cm2].J : mô men quán tính (lấy tr ục thẳng góc vớ i hướ ng uốn làm chuẩn)



38

g1 : tr ọng lượ ng đơ n vị dài thanh cái [kg]. Nếu không thực hiện đượ c điều kiện trên thì có thể phải giải quyết bằng điều chỉnh tần số riêng

của thanh cái z để lớ n hơ n tần số sóng cơ bản. Chú ý tần số lực điện động gấ p hai lần tần số dòng điện f 1 = 2f I’ > z.

2. Ổn định lự c điện độngTrong thiết bị điện phải tính lực điện động để kiểm tra xem thiết bị điện có đạt độ bền cơ hay

không. Ôn định lực điện động là khả năng chịu đựng tác động cơ khí do lực điện động sinh ra khi ngắnmạch.

Để đảm bảo cần điều kiện cần thì: Im > Ixk vớ i :+Im : dòng cho phép lớ n nhất của thiết bị điện, ixk : dòng xung kích tính toán khi ngắn mạch ba

pha. Có thể dùng bội số cho phép (K m) lớ n nhất để kiểm tra lực điện động.

xkmâm iK I2 ≥ , trong đó : K m là bội số dòng cho phép lớ n nhất.

Chú ý : theo tính toán ngắn mạch trong mạng ba pha, lực điện động khi ngắn mạch một pha (Fmax = CI1

2 = C.6,48Iđm2) lớ n hơ n lực điện động khi ngắn mạch ba pha (Fđ1max = C1.6,46Iđm

2), nhưng do khingắn mạch ba pha chiều lực thay đổi trong không gian nên phải dùng để kiểm tra khả năng chịu lực ở cácđiểm.

- Nếu thiết bị điện không ghi giá tr ị Im thì có thể xác định theo công thức :

]kA[âmU3

ngS55,2xkimI ≈=

Vớ i : Sng : công suất ngắt mạch [MVA]; Uđm : điện áp định mức hiệu dụng [kV].



40

Chươ ng 5. CƠ CẤU ĐIỆN TỪ VÀ NAM CHÂM ĐIỆN

5.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MẠCH TỪ

1. Khái niệmCác thiết bị điện như r ơ le, công tắc tơ , khở i động từ, áp tô mát,...đều có bộ phận làm nhiệm vụ

biến đổi từ điện năng ra cơ năng. Bộ phận này gồm có cuộn dây và mạch từ gọi chung là cơ cấu điện từ,chia làm hai loại xoay chiều và một chiều. Để nắm đượ c những quy luật điện từ ta xét mạch từ và phươ ng pháp tính toán mạch từ.

Mạch từ đượ c chia làm các phần:- Thân mạch từ.- Nắ p mạch từ.- Khe hở không khí chính δ và khe

hở phụ δ p.- Khi cho dòng điện chạy vào cuộn

dây thì trong cuộn dây có từ thông φ đi qua,từ thông này cũng chia làm ba phần :

a) T ừ thông chính φ δ là thành phầnqua khe hở không khí gọi là từ thông làmviệc φlv.

b) T ừ thông t ản φ t là thành phần đira ngoài khe hở không khí xung quanh φ δ

c) T ừ thông rò φ r là thành phầnkhông đi qua khe hở không khí chính màkhép kín trong không gian giữa lõi và thânmạch từ.

2. Tính toán mạch từ Tính toán mạch từ thực chất là giải hai bài toán:

a) Bài toán thuận : biết từ thông φ tính sức từ độngF = IW loại này gặ p khi thiết k ế một cơ cấu điện từ mớ i.

b) Bài toán nghịch : biết sức từ động F = IW cần tìm từ thông φ(gặ p khi kiểm nghiệm các cơ cấu điện từ có sẵn).Để giải quyết đượ c hai bài toán trên cần phải dựa vàocác cơ sở lí thuyết sau:

- Biết đườ ng cong từ hóa của vật liệu sắt từ.- Nắm vững các định luật cơ bản về mạch từ.- Biết đượ c từ dẫn khe hở .

2. Các lí thuyết cơ sở

a) Đườ ng cong t ừ hóa B = f(H) hình 5-2

b) Các định luật cơ bản mạch t ừ

+ Định toàn dòng điện F IW Hdl l

= = ∫

+ Định luật Ohm trong mạch từ:MM RIWRF ==φ

+Định luật Kiếc Khố p 1 cho mạch từ : 0i =φ∑

+Định luật Kiếc Khố p 2 cho mạch từ: ∑ ∑=φ iMii FR (tổng đại số độ sụt từ áp trên một mạch từ kín

bằng tổng đại số các sức từ động tác dụng trong mạch từ đó).c) T ừ d ẫ n của khe hở

Hình 5-1: K ế t cấ u mạch t ừ 1.Thân mạch t ừ ; 2. N ắ p mạch t ừ ;3. Cuộn dây

Hình 5-2: Đườ ng cong t ừ hóa

31

2

Φr

Φδ

Φt

B

H



41

Vì mạch từ có độ từ thẩm (hệ số dẫn từ) lớ n hơ n không khí nhiều nên từ tr ở toàn bộ mạch từ hầu

như chỉ phụ thuộc vào từ tr ở khe hở không khí. Trong tính toán thườ ng dùng từ dẫnMR

1G = . Tươ ng tự

như mạch điện thì trong mạch từ dẫn G tỉ lệ thuận vớ i tiết diện mạch từ, tỉ lệ nghịch vớ i chiều dài khe hở

không khí.Có :

l

S.gâiãûnmaûchâæångtæång

S.G 0 α=δ

μ= vớ i:

+ ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡A

WbG :từ dẫn khe hơ không khí.

+cm.A

Wb10.25,1 8

0−=μ : hệ số từ thẩm không khí.

+ δ [cm]: chiều dài khe hở .+S [ cm2]: diện tích từ thông đi qua ( tiết diện).Công thức này dùng trên cơ sở giả thiết : từ thông qua khe hở không khí phân bố đều đặn ( các

đườ ng sức từ song song vớ i nhau), công thức chỉ đúng khi khe hở r ất bé, (khe hở lớ n thì càng ra mépcàng không song song). Thực tế tính từ dẫn r ất phức tạ p, tùy yêu cầu chính xác mà có các phươ ng pháptính từ dẫn khác nhau.

5.2. TÍNH TỪ DẪN KHE HỞ KHÔNG KHÍ CỦA MẠCH TỪ

1. Tính từ dẫn bằng phươ ng pháp phân chia từ trườ ng

Xét ví du : Có một cực từ tiết diệnchữ nhật đặt song song vớ i mặt phẳng. Giả thiết chiều φ đi từ cực từ xuống mặt phẳng(hình 5-3).

Nếu tính từ dẫn khe hở bằng phươ ng pháp phân chia từ tr ườ ng ta sẽ phân từ tr ườ ng thành nhiều phần nhỏ saocho ở mỗi phần từ tr ườ ng phân bố đều(cócác đườ ng sức từ song song vớ i nhau) để áp dụng công thức cơ bản tính từ dẫn đãcó ở trên. Ở đây ta chia làm 17 phần gồm :

+) 1 hình hộ p chữ nhật thể tích: a. b. δ +) 4 hình 1/4 tr ụ tròn có đườ ng

kính 2δ chiều cao a và b+) 4 hình tr ụ 1/4 r ỗng có đườ ng

kính trong 2δ đườ ng kính ngoài 2δ + 2m

Bảng 5.1: Công thứ c tính từ dẫn của các phầnHình dạng Tên gọi Công thức tính từ dẫn

δ Hộ p chữ nhật

G = μ0 ab/δ

ba

δ δ δ l

a

b

m

δ

Hình 5-3:

Phân chia từ tr ườ ng



42

1/4 Hình tr ụ đặc G = 0,52.μ0 l. (l=a hoặc b)

δ

1/4 tr ụ r ỗng

-Nếu δ>3m thì:G = μ0(1,28.m.l) /(2δ+m)

-Nếu δ<3m thì:G = μ0(2l/π).ln(1+m/δ)

1/8 cầu đặcG = μ0 0,308δ

1/8 cầu r ỗngG

m= μ 0 2

.

Từ dẫn của từng phần cho theo bảng 5-1. Trong đó từ dẫn chính Gδ là của tr ụ chữ nhật, tổng các

từ dẫn còn lại là từ dẫn tản. Có ∑=

=17

1iiGG : nếu có hai từ dẫn nối song song thì nối từ dẫn tươ ng đươ ng

Gtđ= G1 + G2.

Nếu nối tiế p thì từ dẫn tươ ng đươ ng là21

21ât GG

GGG

+= .

Ư u đ iể m : tính bằng phươ ng pháp này có ưu điểm là chính xác, rõ ràng dễ kiểm tra. Nhượ c đ iể m : có nhiều công thức nên chỉ dùng để tính kiểm nghiệm

2. Tính từ dẫn bằng công thứ c kinh nghiệm ( dùng khi tính toán sơ bộ )a) T ừ d ẫ n khe hở không khí giữ a nắ p và lõi t ạo thành góc ϕ (hình 5-4a)

G = K . G0 Vớ i: K: hệ số điều chỉnh

475,2K ϕ= , (ϕ tính theo rađian).

+ δμ=

S.G 00

+ S :tiết diện lõi [cm2].

+ δ : độ dài trung bình khe hở không khí (cm).

μ0 = 1,25 . 10-8 [ Wb/A. cm= H/cm].

b ) T ừ d ẫ n giữ a cự c t ừ tròn vớ i mặt phẳ ng (hình 5-4b)

⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ δ+δμ= d

08,21

S.G 00

c) T ừ d ẫ n giữ a hai cự c t ừ chữ nhật(hình 5-4c)

00 G.K S

..K G =δ

μ=

l

m

m

δ



43

( )2n.m

31,0m1

n.m

58,01K +++= , vớ i

δ==

an;

a

bm

d) T ừ d ẫ n giữ a mặt phẳ ng và cự c t ừ đặt ở đầu mặt phẳ ng(hình 5-4d)

G = K .G0 = K .μ0 . S/δ

Vớ i ( )2n.m

31,0m5,11

n.m

58,01K +++=

e) T ừ d ẫ n giữ a mặt phẳ ng và cự c t ừ đặt ở giữ a mặt phẳ ng

00 G.K S

..K G =δ

μ=

( )2n.m

31,0m21

n.m

58,01K +++=

3. Tính từ dẫn bằng phươ ng pháp giải tích Nguyên tắc của phươ ng pháp này là dựa vào tính chất tươ ng đươ ng giữa sự phân bố từ tr ườ ng

xung quanh vật dẫn từ vớ i điện tr ườ ng xung quanh vật dẫn điện. Điều kiện bờ giống nhau thì cũng giảitươ ng tự.Ví du: hai vật dẫn từ đặt song song vớ i nhau, nếu ở điện tr ườ ng thì có công thức:

2.vaì1dáùnváûtcuíaâiãûn thãúlaì2,1

dung.âiãûnlaìC

dáùn.trãn váûtâiãûn têchlaìQ

)21C(=Q

ϕϕ

ϕ−ϕ

Vớ i điện tích Q, điện dung C, điện thế ϕ.

Ỏ từ tr ườ ng có : ( )21 uuG −=φ vớ i:

2.vaì1dáùnváûtcuía thãútæìlaì:2U,1U

dáùn.váûthaigiæîadáùntæìlaìG

dáùn.váûthaigiæîa thängtæìlaìφ

δ

d

δ

a

b

b)

c)

b

a

δ

Hình 5-4:M ột shình d ạng phân

b khe hở

d)

ϕ

δ

a)



44

có: C.K G = và K: hệ số phụ thuộc đơ n vị chọn.

Ở đây:0

0K ε

μ= vớ i ]cm/F[

10.9.4

1;

Acm

b.W10.25,1

1108

0π

=ε=μ −

Vậy vớ i mô hình toán học giống nhau khi đã tìm ra điện dung C thì sẽ tìm ra từ dẫn G.

4. Một số công thứ c có đượ c bằng phươ ng pháp giải tích

a) T ừ d ẫ n giữ a mặt tr ụ song song vớ i một mặt phẳ ng l ớ n (khoảng cách a>4r)

r

raaln

l..2G

22 −+

μπ=

b) T ừ d ẫ n hai mặt tr ụ tròn song song (khoảng cách b>4d)

l.

r

bln

.G 0 πμ

=

c) T ừ d ẫ n giữ a hai mặt tr ụ đồng tâm bán kính r 1 và r 2

12

0

r

rln

l2.G

πμ=

d) T ừ d ẫ n giữ a hai mặt cự c t ừ chữ nhật đặt song song ở trong cùng một mặt phẳ ng

⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ −+−π

μ= 1mm21m2ln.2

l.G 22

0 , vớ i d

db2m

+=

Ngoài ra còn phươ ng pháp vẽ nhưng chỉ dùng khi cực từ hình dạng phức tạ p không thể dùng biểu diễn toán học đượ c.

5.3. TÍNH TOÁN MẠCH TỪ

1. Tính mạch từ một chiều+ Mạch từ một chiều khi làm việc, trong

mạch có dòng không đổi I, từ thông Φ=const nên

không có tổn hao dòng xoáy, lõi đượ c làm bằng vậtliệu sắt từ khối để dễ gia công cơ khí.Trình tự tính toán mạch từ:

* Vẽ mạch từ đẳng tr ị.* Tính từ dẫn G của khe hở không khí và

toàn mạch.* Giải mạch từ, tìm các tham số chưa biết.Trong quá trình làm việc khe hở không khí

thay đổi làm từ thông Φ biến thiên do vậy ta chiađượ c ra các tr ườ ng hợ p:a) Tính mạch t ừ một chiề u khi không xét t ừ thông

rò

Vớ i mạch từ khe hở không khí bé, cuộndây phân bố đều trên mạch từ thì có thể bỏ qua từ

thông rò.Ví du: xét mạch từ hình xuyến hình 5-5; phần sắt từ chiều dài l, tiết diện S, khe hở δ có từ thông

rò Φro=0. Giải:a.1) Biế t Φ cần tìm F=IW (do Φro=0 nên Φδ=Φ do IW sinh ra.

SBB

φ=≈δ , theo định luật toàn dòng điện có:

δ+== δ.HHlIWF (*), từ tr ị số B ta tra ra H, vớ i S là tiết diện mạch từ [m2]

δ

S

l

Hình 5-5: M ạch từ hìnhxu n



45

Vớ i tr ị số từ cảm là Bδ thì:0

BH

μ= δ

δ , thay giá tr ị Hδ vào (*) ta có F=IW.

Hoặc dùng phươ ng trình: ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜

⎝

⎛ +φ=

δG

1RIW M

a.2) Biế t IW cần tìm Φ

Có : δ+= δ .Hl.HIW

Vớ i:

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

μ=δδ

μ=

μ=

μ=

δδ

δδ

G

S:n

SG

BBH

..

;

00

00

coï ãn

δ+=

G

BSHlIW . Chia hai vế cho l.

Ta có: lG S.BHlIWδ

+=

Trên đườ ng cong từ hóa sắt từ đặt oal

IW=

- Chọn tỉ lệ xích tr ục hoành mH (A.vòng/khoảng).- Chọn tỉ lệ xích tr ục tung mB (Gauss/khoảng).

Vớ i:B

Hm

m.

l.Gtg

δ=α δ (cắt đườ ng cong từ hóa tại b) từ b hạ OHbc⊥ như vậy có

Bm.bc;l.G

BSm.ca;Hm.Oc BHH ===

δ

do đó δφ==φ S.B .

Rút ra tr ườ ng hợ p t ổ ng quát * Đối vớ i những bài toán sức từ động IW giống nhau, nhưng khe hở không khí δ khác nhau (tiết

diện S khác nhau) thì có thể giải đượ c nhanh chóng bằng cách k ẻ từ a các đoạn ab’, ab”,... tạo vớ i tr ụchoành các góc α’, α”,... tung độ các điểm b’, b” là tr ị số B cần tìm.

* Khi khe hở không khí δ và tiết diện S bằng nhau nhưng sức từ động IW khác nhau thì trên tr ục

hoành ta đặt những đoạn thẳng oa’, oa”,...có giá tr ị bằng1

11l

WI;

l

WI 22 và k ẻ a’b’//a”b” tung độ b’, b”

là tr ị từ cảm B cần tìm.b) Tính mạch t ừ một chiề u khi xét t ừ thông rò

Khi nắ p mạch từ mở thì lượ ng từ thông rò lớ n đáng k ể nên khi tính phải xét đến.Tính hệ số từ thông rò σ:

Xét mạch từ hình 5-7, ta xét sự phân bố từ thông rò dọc theo chiều cao mạch từ lõi.

Sức từ động trên một đoạn x làl

x.IWFX = theo vi phân dx là dx.g.Fd xrx =φ (g: từ dẫn rò

trên đơ n vị chiều dài x).

∫ ∫ φ===φx

0

x

0rx

2

xrx 2

x.

l

g.IWdx.g.Fd

Khi x = 0 thì lx;0coï rx ==φ nên :

Hình 5-6

Tìm từ thông từ đườ ng cong từ hóa

H

B

O a c

b

α



46

2

l.g.IWrrx =φ=φ

Có thể xem từ thông rò φr chạy qua một từ dẫn tậ p

trung có giá tr ị bằng g

l

. 2 , từ dẫn rò tậ p trung đượ c gọilà từ dẫn rò quy đổi.

- Để đánh giá từ thông rò nhiều hay ít ta dùnghệ số từ thông rò σ:

δδ

δ

δ φ

φ+φ+=

φ

φ+φ+φ=

φφ

=σ trtr 1

Vớ i:φ : từ thông tổng do cuộn dây sinh raφδ: từ thông khe hở φr : từ thông ròvì φ tỉ lệ vớ i từ dẫn nên:

δ

δ ++=σ

G

GGG tr

Trong đó:- Khi nắ p mở φr lớ n thì lấy σ=(1,8 ÷ 3).- Khi nắ p đóng φr nhỏ thì lấy σ=(1,05 ÷ 1,1).

Chú y:

- Khi nắ p mở có thể bỏ qua từ tr ở của mạch từ nhưng phải xét đến từ thông rò, nên có mạch từ đẳng tr ị như hình 5-8.

- Khi nắ p đóng có thể bỏ qua từ thông rò vì bé nhưng phải k ể đến từ tr ở .

2. Tính mạch từ xoay chiều Mạch từ xoay chiều khác mạch từ một chiều vì những đặc điểm sau:

a) Trong mạch t ừ xoay chiề u: i=i(t) nên φ =φ m sinω t dòng biế n thiên có hiện t ượ ng t ừ tr ễ , dòng xoáy, dòngđiện chạy trong cuộn dây phụ thuộc vào điện kháng của cuộn dây, mà điện kháng phụ thuộc từ dẫn mạchtừ nên từ tr ở toàn mạch từ càng lớ n (khe hở không khí càng lớ n) thì điện kháng càng bé và dòng điệntrong cuộn dây càng lớ n. Khi nắ p mạch từ mở dòng điện khoảng I= (4÷15)Iđm.Chú y: khi đóng điện cơ cấu điện từ, phải kiểm tra nắ p xem đóng chưa, nếu nắ p mở có thể làm cuộn dây bị cháy.b) Lự c hút đ iện t ừ F biế n thiên F=F (t) có thờ i đ iể m F=0 có thờ i đ iể m F=F max d ẫ n đế n mạch t ừ khi làm

việc bị rung , để hạn chế rung ngườ i ta đặt vòng ngắn mạch. Từ thông biến thiên làm xuất hiện sức điệnđộng trong vòng ngắn mạch, trong vòng có dòng điện mắc vòng khép kín, làm vòng ngắn mạch nóng lên.Gọi Wnm là số vòng ngắn mạch (thườ ng Wnm=1). Theo định luật toàn dòng điện có:

( )

( )dt

d.

r

WRRIW

RRWIIW

nm

2nm

t

tnmnm

:coï nãnφ

++φ=

+φ=+

δ

δ

( )⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣

⎡ ω++φ= δnm

2nmt

mrW JRR

2IW , gọi

nm

nmt

rWx = là từ kháng của vòng ngắn mạch thì có:

( )[ ]ttm J xRRIW2 ++φ= δ : J xRRZ ttt ++= δ vớ i R t: từ tr ở mạch từ.

Đặc đ iể m: từ kháng trong mạch xoay chiều tiêu thụ công suất tác dụng.

IW

φr

φt

φδ

Gδ

Gt

Gr

Hình 5-8

M ạch từ đẳng tr ị khi có từ thông rò

Φrx

Φδ

Φt

x

dx

Hình 5-7

M ạch từ khi có từ thông

rò



47

c) Trong mạch t ừ xoay chiề u có t ổ n hao dòng xoáy t ừ tr ễ làm nóng mạch t ừ , có thể xem như tổn haotrong vòng ngắn mạch. Nếu gọi Pxt là công suất hao tổn do dòng xoáy và từ tr ễ thì có thể biểu diễn dướ idạng tươ ng đươ ng như một vòng ngắn mạch.

P I r xt nm nm= 2 . hay2m

nm

2nm

2

nm

2nm

xt .

r.2

W.

r

BP φ

ω==

Có: nm2m

xt

nm

2nm X

P2

r

W.=

ωφ=

ωgọi là từ kháng thay thế tươ ng đươ ng đặc tr ưng cho tiêu hao công

suất tác dụng do dòng xoáy và từ tr ễ.d) T ừ d ẫ n rò quy đổ i

Khác vớ i mạch một chiều vì:- Sức từ động tổng F=IW sức từ

động đoạn X làl

x.IWFX =

l

xWWx = từ thông mắc vòng đoạn

x là ψ φ rx x rxW = .

Cuối cùng có :3l.gGr = là từ dẫn rò

trong mạch xoay chiều.Về phươ ng pháp tính toán mạch từ

xoay chiều cũng giống ở mạch từ một chiềunhưng phải lưu ý bốn đặc điểm trên. Ví d ụ mạch từ xoay chiều như hình 5-9:

- Khi vẽ mạch từ đẳng tr ị phải xét đến tác dụng của vòng ngắn mạch, tổn hao dòng xoáy và từ tr ễ.

- Khi nắ p đóng, bỏ qua từ thông rò nhưng phải k ể đến từ tr ễ và từ kháng mạch từ nên dạng như hình 5-10a.

- Khi nắ p mạch từ mở , có thể bỏ qua từ tr ở và từ kháng của mạch từ, nhưng phải xét đến từ thông rò cho nên mạch từ đẳng tr ị có dạng như hình 5-10b.

5.4. ĐẠI CƯƠ NG VỀ NAM CHÂM ĐIỆN

1. Khái niệm

a) b)

31

2

Φr

Φδ

Φt

4 i(t

Hình 5-9: M ạch từ xoay

chiều1.Thân mạch từ ; 2. N ắ pmạch từ ;3. Cuộn dây;4. Vòng ng ắnmạch

Hình 5-10: M ạchtừ đẳng tr ị

a) Khi nắ p đ óng ;

IWIW

Xnm

Rδ2 Rδ2

Xnm

Rδ1 Rδ1

Rt

Rr

Xt



48

Dòng điện chạy trong cuộn dây sẽ sinh ra từ tr ườ ng. Vật liệu sắt từ đặt trong từ tr ườ ng này sẽ bị từ hóavà có cực tính ngượ c lại vớ i cực tính của cuộn dây, cho nênsẽ bị hút về phía cuộn dây hình 5-11.

Nếu đổi chiều dòng điện trong cuộn dây thì từ

tr ườ ng trong cuộn dây cũng đổi chiều và vật liệu sắt từ bị từ hóa có cực tính ngượ c vớ i cực tính cuộn dây, cho nên chiềulực hút không đổi.

Vật liệu sắt từ có độ từ thẩm lớ n hơ n r ất nhiều củakhông khí nên từ tr ở toàn bộ mạch từ hầu như chỉ phụ thuộcvào từ tr ở khe hở không khí. Ta thườ ng dùng khái niệm độ từ dẫn:

μ=

R1G

(5.1)Do tính chất tươ ng đươ ng giữa mạch từ và mạch điện nên trong mạch từ, từ dẫn tỉ lệ thuận vớ i

tiết diện mạch từ và tỉ lệ nghịch vớ i chiều dài khe hở không khí.

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡

δμ= A

WbS

.G 0 (5.2)Trong đó:

+μ0 từ thẩm không khí bằng 1,25.10-8[Wb/A.cm]+S[cm2] tiết diện từ thông đi qua.+δ [cm] chiều dài khe không khí.

Chú y: công thức trên chỉ đúng vớ i giả thiết từ thông trong khe không khí phân bố đều (các đườ ng sức từ phải song song) khi khe hở bé. Khi khe hở lớ n tính toán phức tạ p tùy yêu cầu cụ thể việc tính toán có các phươ ng pháp khác nhau.

M ột số công thứ c dùng trong tính toán mạch t ừ

SB

φ= ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡2cm

Wb

H : Cườ ng độ từ tr ườ ng [ A/cm]=1,25 [Osted]F;

H

B=μ = IW :là sức từ động [A.vòng]

+ Định luật toàn dòng điện FWIHdll

=∫ =

+ Định luật Ôm cho mạch từ:MR

IWG.IW ==φ

+ Định luật Kiếc khố p I cho mạch từ: ∑ =φ=

n

1ii 0 tại một điểm.

+ Định luật Kiếc khố p II cho mạch từ: trong một mạch từ khép kín có:

∑ ∑=φ= =

μn

0i

n

0iiii FR

2. Phân loại cơ cấu điện từ Phân theo tính chấ t của nguồn đ iện

- Cơ cấu điện từ một chiều.- Cơ cấu điện từ xoay chiều.

Theo cách nố i cuộn dây vào nguồn đ iện- Nối nối tiế p.- Nối song song.

i N

Φ S

i

N

S

N

S

Hình 5-11

Hai d ạng nam châmđ iện



49

Theo hình d ạng mạch t ừ - Mạch từ hút chậ p (thẳng).- Mạch từ hút xoay (quanh một tr ục hay một cạnh), mạch từ hút kiểu pít tông.Trong quá trình làm việc nắ p mạch từ chuyển động khe hở không khí giữa nắ p và lõi thay đổi

nên lực hút điện từ cũng thay đổi. Thườ ng để tính toán mạch từ nam châm điện ngườ i ta dùng hai phươ ng

pháp (sẽ nêu sau).

5.5. TÍNH LỰ C HÚT ĐIỆN TỪ NAM CHÂM ĐIỆN MỘT CHIỀU

1. Tính lự c hút điện từ bằng phươ ng pháp cân bằng năng lượ ng N ăng l ượ ng t ừ tr ườ ng và đ iện cảm

Xét mạch từ như hình 5-12.Khi cho dòng điện i vào cuộn dây w có:

(5.3) dtdt

didt.i.Ruidt

dt

di.Ru

2

hay

ψ+=

ψ+=

Lấy tích phân hai vế phươ ng trình trên ta có :

∫ ∫ ψ∫+=t

0

t

0

t

0

2 dtdtdiRdtiuidt (5.4)

Trong đó ta có:

∫t

0uidt là năng lượ ng nguồn cung cấ p.

∫t

0

2dtRi là năng lượ ng tiêu hao trên điện tr ở cuộn dây w

∫ =ψt

0tWdt

dt

di là năng lượ ng tích lũy trong từ tr ườ ng có:

∫

ψ

ψ=0tidW

(5.5)

Biểu diễn bở i hình 5-13 chính là diện tích phần tam giác cong oab có quan hệ ψ và i là phituyến.

Theo định ngh ĩ a thì điện cảm: IL

ψ=

Trong đó: ψ là từ thông móc vòng của cuộn dây w.I :là dòng điện trong cuộn dây.

∫ ===I

tt I

WLn

ILiLdiw

0

2

22

2coï ãn (5.6)

Hình 5-12: Nam châm đ iện hút chậ p

iđ k



50

Tính l ự c hút đ iện t ừ Khi cung cấ p năng lượ ng

cho cơ cấu điện từ thì nắ p của mạchtừ đượ c hút về phía lõi, khe hở không khí ở giữa nắ p và lõi giảm

dần.Ứ ng vớ i vị trí ban đầu của

nắ p mạch từ có:δ δ ψ ψ = = =1 1 1; ; I I

Ứ ng vớ i vị trí cuối có:δ δ ψ ψ = = =2 2 2; ; I I

Năng lượ ng từ tr ườ ng khi ở vị trí đầusẽ là:

∫ ψ=ψ1

10

t idW = diện tích Δ oa1 b1

Năng lượ ng từ tr ườ ng khi ở vị trí cuối sẽ là:

∫ ψ=

ψ 2

20t idW = diện tích Δ oa2 b2 (hình 5-14)

Vậy năng lượ ng lấy thêm từ ngoài vào để nắ p mạchtừ chuyển động là:

Δw id t = ∫ ψ ψ

ψ

1

2

= diện tích hình thang b1a1a2 b2

(như hình 5-14).Theo định luật cân bằng năng lượ ng có:

AWWW21 ttt Δ+=Δ+

Trong đó ΔA là năng lượ ng làm nắ p chuyển động từ vị trí 1 đến vị trí 2.

21 tt WWWA −Δ+=Δ = diện tích tam giác cong

oa1a2 Nếu giả thiết mạch từ chưa bão hòa đườ ng

đặc tính ψ = f(i) chỉ xét ở đoạn tuyến (hình 5-15). Tacó:

Vì có: ψ=I.L ( hình 5-16a).

( )1221 II2

1A ψ−ψ=Δ (5.8)

Đặt: ψΔ+ψ=ψ 12 , III 12 Δ+=

( )II21A 11 Δψ−ψΔ=Δ

(5.9)Dạng vi phân :

( )dIId2

1dA ψ−ψ= (5.10)

Vậy lực hút điện từ sẽ là:

Hình 5-13

Hình 5-14

s Hình 5-15

Hình 5-16

)(2

IIW

;2

IW;

2

IW

1221

t

22t

11t 21

ψ−ψ+

=Δ

ψ=

ψ=

Ψ1

Ψ

a1

a2

I1

I[A

Ψ2

I2 0

b2

b1

I2

Ψ1=Ψ2

Ψ

a1 a2

I1 I[A

0

Ψ1

Ψ

a1

a2

I1= I[A

Ψ2

a)

b)

0

Ψ1

Ψ

a1

a2

I1

I[A

Ψ2

I2

b2

b1

I[A]

Ψ

0 I

ba



51

⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ δ

ψ−δψ

=δ

=d

dI

d

dI

2

1

d

dAF (5.11)

Ta xét hai tr ườ ng hợ p sau:

a) Tr ườ ng hợ p khi I = const thì 0

d

dI=

δ(như hình 5-16a).

LI];kg[d

dI.1,5F =ψ

δψ

=

δ=

d

dLI.1,5F 2 (5.12)

Có: GWL 2= Trong đó: G là từ dẫn của mạch từ.

W là số vòng của cuộn dây.

Ta có: ( )δ

=d

dGIW.1,5F 2 (5.13)

b) Tr ườ ng hợ p ψ= const thì 0d

d=

δψ

(như hình 5-16b).

]kg[d

dI..1,5]cm/ J[d

dI

2

1F δψ−=δψ−=

GWL;L

I 2=ψ

= (5.14)

]kg[d

dG.

G.

2

1,5Fnãn

2.W

2

2mm

δ

φ=

φ=ψ (5.15)

Vì:2G

dG

G

1d =

]Wb[mφ tr ị số biên độ từ thông; ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡A

WbG từ dẫn mạch từ.

Khi khe hở không khí lớ n từ thông rò nhiều ta phải xét đến từ thông rò thì:

( ) δσ

φ= d

dG..G2

1,5F 2

2m

(5.16)

Trong đó σ là hệ số từ thông rò.Chú ý: theo định luật Kiếc khố p:

FG

=φ

mà IGW ì IWFWG

;W

2vanãn =ψ==ψψ

=φ nên có: GWI

L 2=ψ

= .

2. Tính lự c hút điện từ bằng công thứ c MaxwellTheo Maxwell thì khi có một vật dẫn từ đặt trong một từ tr ườ ng thì vật dẫn từ sẽ chịu một lực

tác dụng:

( ) dsn.B2

1B.n.B

1F s

2

0∫

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

−μ

=G

G

G

GG

(5.17)

Trong đó:

- BG

: véc tơ cườ ng độ tự cảm ngoài trên vi phân diện tích ds.

- nG

: véc tơ đơ n vị pháp tuyến ngoài của vi phân diện tích ds.- S : diện tích bề mặt vật dẫn.

- ]cm/H[10.25,1 80

−=μ là độ từ thẩm của không khí.

Vì hệ số từ dẫn của vật liệu sắt từ lớ n hơ n nhiều của không khí ( )0μ>>μ nên xem như

BG

cùng phươ ng nG

(α=0) và ( ) n.BBn.B 2 G

G

G

G

=



52

Và ta có dsnB2

1F s

2

0∫

μ=

G

G

-Khi khe hở không khí δ bé nên coi ds ≈ s thì ta có:

]cm/ J[,n.2

S.B

F 0

2G

G

μ= (5.18)

hay0

2 S.B.1,5F

μ= (5.19)

B: đơ n vị[ Wb/cm2].S: diện tích từ thông qua [cm2].μ 0=1,25.10-8 [Wb/A.cm]

Nếu B tính theo Tesla thì: ]kg[S

4SB4F2

2 φ== (5.20)

- Khi khe hở không khí l ớ n t ừ thông rò nhiề u

]kg[.K 1

1S.B.4F

c/d

2

δ+= (5.21)

vớ

i K đ/c = 3÷5 là hệ

số

đ

iều ch

ỉnh.

5.6. NAM CHÂM ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ VÒNG CHỐNG RUNG

1. Nam châm điện xoay chiều Trong nam châm điện xoay chiều ta

có: tsinm ωφ=φ ; tsinBB m ω= . Theo công

thức (5.19) có tsin4BF 22mât ω= .

Ta thay2

t2cos1tsin2 ω−

=ω

t2cos.2

SB4

2

SB4F

2m

2m

ât ω−= (5.22)

Đặt S.B2F 2m0 = là thành phần lực hút không

đổi theo thờ i gian.( )t2f t2cos.FFF 00ât ω=ω−=

t2cos.FF 0bâ ω−= là thành phần lực thay đổitheo thờ i gian.Ta có: Fđt= Fk đ+F bđ

Vậy lực hút điện từ biến đổi theo tần số gấ p đôi tần số của nguồn điện ( 2ω ). Ở thờ i điểm B= 0thì Fđt= 0 lực lò xo: Flx > Fđt nên nắ p của mạch từ bị kéo nhả ra. Ở những thờ i điểm Flx< Fđt thì nắ p đượ chút về phía lõi như vậy trong một chu kì nắ p bị hút nhả ra hai lần ngh ĩ a là nắ p bị rung vớ i tần số 100Hznếu tần số nguồn điện là 50Hz.

Hình 5-17: Nam châm xoay

chi u

i

Φ

δ



53

Để chống hiện tượ ng rung này, ta phải làmsao cho lực hút điện từ Fđt ở mọi thờ i điểm phải lớ nhơ n lực Flx. Muốn Fđt>Flx ngườ i ta xử lí bằng cáchđặt vòng chống rung. Vòng chống rung thườ ng làm bằng đồng và có một vòng.

2. Nguyên lí làm việc của vòng chống rung(hình 5-18)

Khi từ thông φ đi qua cực từ sẽ chia làm haithành phần φ1 và φ2. φ1 là thành phần không đi qua phần cực từ có vòng chống rung, φ2 đi qua phần cóvòng chống rung. Khi có từ thông φ2 biến thiên điqua, trong vòng chống rung sẽ xuất hiện dòng điệncảm ứng icứ chạy khép mạch trong vòng. Dòng icứ sẽ sinh ra một từ tr ườ ng có tác dụng chống lại sự biếnthiên của φ2 nên làm φ2 chậm pha so vớ i φ1 một gócα. Lực điện từ sinh ra sẽ có hai thành phần:

Từ thông φ1sinh ra lực:

t2cosFFF 10101 ω−= (5.23)φ2 sinh ra:

)t(2cosFFF 02022 α−ω−= (5.24)

Lực hút điện từ tổng F sẽ là:

( ) ( )[ ]α−ω+ω−+=

+=

2t2cosFt2cosFFF

FFF

02010201

21(5.25)

Qua đó ta thấy r ằng lực hút điện từ F1 và F2 không đồng thờ i đi qua tr ị số 0, do đó lực hút điện từ tổngF đượ c nâng cao làm cho mọi thờ i điểm t, lực F>Flx nênnắ p mạch từ sẽ không rung nữa. Điề u kiện chố ng rung

-Thành phần lực không đổi:

F F F kâ = +01 02 (hình 5-19).-Thành phần lực hút biến đổi là:

α++= 2cosFF2FFF 0201202

201bâ (5.26)

Trong tr ườ ng hợ p lí tưở ng F bđ= 0 thì cơ cấu không cònrung. Muốn vậy ta phải thỏa mãn hai điều kiện:

( )

(5.27) cosF.2

cosF22cos1F2F

FF.1

01

201

201bâ

0201 :thç

α

=α=α+=

=

2. góc2

π=α lúc đó hệ số rung:

02

cosF2cosF.2

FFP

0101

kâbâ =π=α==

(5.28)Thực tế chỉ có thể tạo đượ c α=500 ÷800 thì mạch từ vẫn còn rung nhưng không đáng k ể.

5.7. NAM CHÂM ĐIỆN BA PHA

Hình 5-19: Lự c đ iện t ừ khi đặt vòng ng ắ n

mạch và đồ thị véc t ơ t ừ thông

Φ1

Φ1

Φ2 Φ2

Φ Φ

X2

Rδ2

Rδ1

a) b)

Hình 5-18: Vòng ng ắn mạchvà l c đ i n từ

c)

ωt

Fbđ

Fđt F0FLX

F

F

FLX F1 F2

Fđt= F1+F2

ωt

2α

X Φ2

Φ1 Φ

Y

α



54

Ta khảo sát một nam châm điện ba pha có lõi sắt mạch từ kiểu chữ E thông dụng như hình 5.20. Nam châm điện ba pha có ba cuộn dây, dòng điện trong các cuộn dây tươ ng ứng lệch pha nhau một góc1200. Ta có thể xem lực hút của nam châm ba pha là tổng hợ p của lực hút trên các lõi gồm:

F1 = tsind

dG.

G

1.

2

1,5 22m2

ωφδ

; F3 = ).240t(sind

dG.

G

1.

2

1,5 022m2

−ωφδ

Lực hút tổng của ba pha:→→→→

++= 321 FFFF Ta có tr ị số lực tổng:

F=2m2

.2

3.

d

dG.

G

1.

2

1,5φ

δ (5.29)

Từ biểu thức (5.29) trên ta nhận thấy lực hút tổng của nam châm điện ba pha là một đại lượ ngkhông đổi theo thờ i gian. Nhưng theo hình 5-20, ta thấy điểm đặt của lực F trên nắ p của nam châm khôngcố định. Điểm đặt của lực di chuyển vị trí trong khoảng AB của nắ p.+ Khi lõi 3 có dòng điện bằng 0 thì lực F3 = 0 chỉ còn lực F1 và F2 bằng nhau và điểm đặt của lực tạiđiểm A.

+ Khi lõi 1 có dòng điện bằng 0 thì lực F1 = 0 chỉ còn lực F3 và F2 bằng nhau và điểm đặt của lực tạiđiểm B.+ Khi lõi 2 có dòng điện bằng 0 thì lực F2 = 0 chỉ còn lực F1 và F3 bằng nhau và điểm đặt của lực tạiđiểm C là trung điểm của đoạn AB.

5.8. CƠ CẤU ĐIỆN TỪ CHẤP HÀNH

1 . Khái niệm chung Trong cơ cấu điện từ chấ p hành nam châm điện là bộ phận chủ yếu. Nó sinh ra lực điện từ cần

thiết để cho các cơ cấu đó làm việc. Nam châm điện một chiều có cuộn dây điện áp đượ c dùng r ộng rãihơ n cả bở i nó có những ưu điểm sau:

+ Khi làm việc không gây ra rung, ồn vì lực điện từ không thay đổi theo thờ i gian.+ Mạch từ không bị phát nóng do tổn hao sắt từ gây ra, lực điện từ lớ n gấ p hai lần so vớ i lực

điện từ ở mạch từ có dòng điện xoay chiều có cùng kích thướ c và cùng mật độ từ cảm.+ Dòng điện trong cuộn dây không phụ thuộc vào kích thướ c mạch từ và khe hở không khí của

mạch từ.

+ Có thể dùng nguồn ắc quy thay thế khi mất điện lướ i (vớ i cơ cấu cần thiết).+ Có nhiều dạng, loại cơ cấu điện từ chấ p hành khác nhau vớ i những chức năng khác nhau.

2. Nam châm điện nângLà một bộ phận công tác của cần cẩu điện từ, nó đượ c dùng trong việc bốc dỡ vận chuyển hàng

hóa bằng sắt. Hình 5-21 giớ i thiệu một nam châm điện nâng gồm các bộ phận: cuộn dây 1, lõi sắt 2, mặtcực 3, dây dẫn mềm đưa điện vào 5, vành bảo vệ bằng vật liệu không dẫn từ 4 (như dùng thép mangancao cấ p).

F2 = )120t(sind

dG.

G

1.

2

1,5 022m2

−ωφδ

Hình 5-20: Nam châm đ iện ba pha

iA iB iC

A B C



55

a) C ấ u t ạo

Một nam châm điện một chiều có lõi sắt và cuộn dây, nắ p chính là hàng hóa cần bốc dỡ . Khiđưa điện vào cuộn dây lực điện từ sinh ra sẽ giữ chặt hàng hóa.

Dịch chuyển nam châm để dịch chuyển hàng hóa, muốn tách ra chỉ cần ngắt điện vào. b) Đặc đ iể m

- Khi móc hàng không cần ngườ imóc và các dây buộc.

- Bốc dỡ đều điều khiển từ xa.- Có thể vận chuyển thép nóng

(nhưng nhiệt độ phải nhỏ hơ n điểm nhiệt độ Quiri, vì từ điểm này tr ở lên vật liệu mất từ tính).

- Tải tr ọng có ích của cần cẩu điện từ phụ thuộc vào kích thướ c hàng hóa. Nếu hànghóa lớ n thì tải tr ọng có ích của nam châm điệnsẽ lớ n gấ p nhiều lần khi hàng hóa có kíchthướ c bé.

- Lực hút điện từ phụ thuộc vào thành phần hóa học và kích thướ c của hàng hóa.

- Để khắc phục sự cố ( hàng bị r ơ ikhi mất điện lướ i) thườ ng dùngnguồn ắc quy mắc song song.

3. Bàn nam châm điện Nhằm giảm bớ t công sức thờ i gian gá

lắ p các chi tiết khi gia công bằng vật liệu sắttừ, trên một số máy công cụ ngườ i ta dùng bàn là một hệ thống nam châm điện một chiều không có nắ p,nắ p sẽ là vật liệu gia công (có bộ phận phi từ tính để bảo vệ cuộn dây khỏi va đậ p). Một bàn có nhiềucuộn dây, nhiều cực từ, lực giữ càng lớ n nếu chi tiết đặt trên càng nhiều cực từ. Đặc đ iể m

+ Khi gá không cần thiết bị phụ, gá một lúc nhiều chi tiết.+ Chi tiết gá không bị biến dạng bở i lực gá nên có thể đạt độ chính xác cao.+ Lực giữ phụ thuộc nhiều vào độ sạch bề mặt của bàn.+ Các chi tiết khi gia công xong bị nhiễm từ do đó cần khử từ dư.+ Cuộn dây nam châm điện khi tỏa nhiệt có thể gây thấm dầu làm nguội các chi tiết.+ Các thiết bị đóng ngắt cuộn dây làm việc ở chế độ nặng nề (hồ quang mạnh, điện áp cao).

4. Nam châm điện phân li Nam châm điện phân li là cơ cấu điện từ dùng để lọc bụi sắt, thép vụn từ các băng tải thải rác

trong các hầm mỏ.C ấ u t ạo: Trên mạch từ hình tr ống có rãnh bên trong đặt các cuộn dây đượ c giữ chặt bằng các nêm phi từ tính, nhờ lực hút của NCĐ bụi sắt sẽ đượ c đổ ra một nơ i, tuy vậy chỉ lọc đượ c một phần. Nam châm điện phân li là NCĐ một chiều, chiều thứ tự các cuộn dây phải đấu sao cho mỗi r ăng của mạch từ tạo thànhmột cực từ, để đưa điện áp vào cuộn dây cần hệ thống vành tr ượ t, chổi than vì NCĐ quay.

5. Van điện từ Dùng để đóng mở các ống dẫn chất lỏng hoặc chất khí, phần động mạch từ gắn vớ i cơ cấu làm

việc của van.Khi đưa điện vào cuộn dây NCĐ lực hút điện từ làm phần động cơ cấu chuyển động làm van

đóng hoặc mở . Cần thiết k ế sao cho áp lực của chất lỏng đượ c dẫn cùng chiều lực điện từ để điều khiểnvan đượ c dễ dàng.

6. Các khớ p li hợ p điện từ



56

Khớ p li hợ p điện từ là cơ cấu giúp quá trình truyền lực từ tr ục này sang tr ục kia bằng lực điệntừ.

Hiện nay vẫn còn dùng nhiều trong tự động hóa và điều khiển từ xa để thay đổi tốc độ của tr ụcdẫn. Khớ p li hợ p điện từ có:

- Khớ p li hợ p điện từ kiểu ma sát.

- Khớ p li hợ p điện từ kiểu bám.- Khớ p li hợ p điện từ kiểu từ tr ễ.

Kiể u ma sát Mô men đượ c truyền từ tr ục dẫn qua tr ục bị dẫn nhờ các đĩ a ma sát khi chúng bị ép chặt vào

nhau. Còn li và hợ p thì điều khiển bằng thao tác "ngắt" và "đóng" của cuộn dây nam châm. Nhượ c điểm của loại li hợ p này là không điều chỉnh đượ c tốc độ tr ục bị dẫn vì nếu giảm lực hút

điện từ thì đĩ a sẽ bị tr ượ t dài phá hỏng bề mặt ma sát. Khớ p li hợ p đ iện t ừ kiể u bám

Mô men truyền nhờ lực bám giữa hai mặt quay của tr ục dẫn và tr ục bị dẫn có tr ộn bột sắt vớ i bộtthan và dầu nhờ n để giảm ma sát.

Khi có từ tr ườ ng do cuộn dây sinh ra lớ p bột này sẽ tr ở nên "cứng" "nổi" trong hai mặt quay củatr ục dẫn và tr ục bị dẫn.

Khi không có dòng điện đi qua sẽ ở dạng lỏng tr ượ t(cho phép điều chỉnh tốc độ bằng cách thayđổi dòng điện cuộn dây NCĐ).

Nếu mô men cản của tr ục bị dẫn lớ n sẽ dẫn đến tr ượ t so vớ i tr ục dẫn nhưng không sợ hỏng mặtquay.

7. Phanh hãm điện từ Phanh hãm điện từ là cơ cấu điện từ dùng để hãm các thiết bị đang quay. Nó là bộ phận không

thể thiếu của cần cẩu, thang máy hay tau điện.Thông thườ ng nhất là loại phanh hãm bằng má và bằng đai, ở các loại này lực hãm và nhả đượ c

khuếch đại qua hệ thống đòn bẩy. Ngoài ra, còn bộ đếm và bộ chọn bướ c điện từ.



57



58

PHẦN THỨ HAITHIẾT BỊ ĐIỆN HẠ ÁP

Chươ ng 6. R Ơ LE

6.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ R Ơ LE

R ơ le là một loại thiết bị điện tự động mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấ p khi tín hiệu đầu vàođạt những giá tr ị xác định. R ơ le là thiết bị điện dùng để đóng cắt mạch điện điều khiển, bảo vệ và điềukhiển sự làm việc của mạch điện động lực.

1. Các bộ phận (các khối) chính của rơ le

+ Cơ cấu tiế p thu( khối tiế p thu)Có nhiệm vụ tiế p nhận những tín hiệu đầu vào và biến đổi nó thành đại lượ ng cần thiết cung cấ p

tín hiệu phù hợ p cho khối trung gian.+ Cơ cấu trung gian( khối trung gian)Làm nhiệm vụ tiế p nhận những tín hiệu đưa đến từ khối tiế p thu và biến đổi nó thành đại lượ ng

cần thiết cho r ơ le tác động.

+ Cơ cấu chấ p hành (khối chấ p hành)Làm nhiệm vụ phát tín hiệu cho mạch điều khiển.

Ví d ụ các khố i trong cơ cấ u r ơ le đ iện t ừ hình 6-1.-Cơ cấu tiế p thu ở đây là cuộn dây.-Cơ cấu trung gian là mạch từ nam châm điện.-Cơ cấu chấ p hành là hệ thống tiế p điểm.

2. Phân loại rơ le Có nhiều loại r ơ le vớ i nguyên lí và chức năng làm việc r ất khác nhau. Do vậy có nhiều cách để

phân loại r ơ le:a) Phân loại theo nguyên lí làm việc g ồm các nhóm

+ R ơ le điện cơ (r ơ le điện từ, r ơ le từ điện, r ơ le điện từ phân cực, r ơ le cảm ứng,...).+ R ơ le nhiệt.+ R ơ le từ.+ R ơ le điện tử -bán dẫn, vi mạch.+ R ơ le số.

b) Phân theo nguyên lí tác động của cơ cấ u chấ p hành + R ơ le có tiế p điểm: loại này tác động lên mạch bằng cách đóng mở các tiế p điểm.

+ R ơ le không tiế p điểm (r ơ le t ĩ nh): loại này tác động bằng cách thay đổi đột ngột các tham số của

cơ cấu chấ p hành mắc trong mạch điều khiển như: điện cảm, điện dung, điện tr ở ,...c) Phân loại theo đặc tính tham số vào + R ơ le dòng điện.+ R ơ le điện áp.+ R ơ le công suất.+ R ơ le tổng tr ở ,...

d) Phân loại theo cách mắ c cơ cấ u+ R ơ le sơ cấ p: loại này đượ c mắc tr ực tiế p vào mạch điện cần bảo vệ.

Hình 6-1: S ơ đồ khố i của r ơ le đ iện t ừ

X Y



59

+ R ơ le thứ cấ p: loại này mắc vào mạch thông qua biến áp đo lườ ng hay biến dòng điện.e) Phân theo giá tr ị và chiề u các đại l ượ ng đ i vào r ơ le

+R ơ le cực đại.+R ơ le cực tiểu.+R ơ le cực đại-cực tiểu.

+R ơ le so lệch.+R ơ le định hướ ng.

...

3. Đặc tính vào -ra của rơ le Quan hệ giữa đại lượ ng vào và ra của r ơ le như hình 6-2.

Khi x biến thiên từ 0 đến x2 thì y = y1 đến khi x= x2 thìy tăng từ y = y1 đến y = y2 (nhảy bậc). Nếu x tăng tiế p thìy không đổi y = y2 . Khi x giảm từ x2 về lại x1 thì y = y2 đến x = x1 thì y giảm từ y2 về y = y1. Nếu gọi:

+ X = X2= Xtđ là giá tr ị tác động r ơ le.+ X = X1 = Xnh là giá tr ị nhả của r ơ le.

Thì hệ số nhả:

ât

nh

2

1nh X

XXXK ==

4. Các thông số của rơ lea) H ệ số đ iề u khiể n r ơ le

tâ

âkâk P

PK = , vớ i:

+Pđk là công suất điều khiển định mức của r ơ le, chính là công suất định mức của cơ cấu chấ phành.

+Ptđ là công suất tác động, chính là công suất cần thiết cung cấ p cho đầu vào để r ơ le tác động.Vớ i r ơ le điện từ Pđk là công suất tiế p điểm (ngh ĩ a là công suất tiế p điểm cho phép truyền qua). Ptđ

là công suất cuộn dây nam châm hút.Các loại r ơ le khác nhau thì K nh và K đk cũng khác nhau.

b) Thờ i gian tác động Là thờ i gian k ể từ thờ i điểm cung cấ p tín hiệu cho đầu vào, đến lúc cơ cấu chấ p hành làm việc.

Vớ i r ơ le điện từ là quãng thờ i gian cuộn dây đượ c cung cấ p dòng (hay áp) cho đến lúc hệ thống tiế p điểmđóng hoàn toàn (vớ i tiế p điểm thườ ng mở ) và mở hoàn toàn (vớ i tiế p điểm thườ ng đóng).

Các loại r ơ le khác nhau ttđ cũng khác nhau.+ttđ < 1.10-3[s] : r ơ le không quán tính.+ttđ = (1 ÷ 50).10-3 [s]: r ơ le tác động nhanh.+ttđ > 150.10-3[s]: r ơ le thờ i gian.

M ột số ví d ụ về r ơ le đ iện cơ

Bảng 6-1: R ơ le điện cơ Loại r ơ le. Ptđ[W] Pđk [W] K đk ttđ[10-3s]

R ơ le điện từ : 10-1÷10-3 10÷104 5÷5000 1÷2000

R ơ le từ điện : 10-9÷10-4 0,1÷2 104÷108 10÷500

R ơ le cảm ứng : 10-2÷102 10-1÷103 102÷104 1÷100

6.2. R Ơ LE ĐIỆN TƯ

Hình 6-2: Đặc tính vào-ra của r ơ le

Y

Y2

Y1

X

X2 X1



60

1. Nguyên lí làm việc Sự làm việc của loại r ơ le này dựa trên nguyên lí điện từ. Xét một r ơ le như hình 6-3. Khi cho

dòng điện i đi vào cuộn dây của nam châm điện thì nắ p sẽ chịu một lực hút F. Lực hút điện từ đặt vào nắ p:

⎪⎩

⎪⎨

⎧δ

δ=

5)chæång(xemsäúhãûlaì:K

âiãûndoìng:i

håí khe:

våïi,22i.K F :

Khi dòng điện vào cuộn dây i > Itđ (dòng điện tác động) thì lực F hút nắ p và khi lực F tăng thìkhe hở giảm (δ giảm) làm đóng tiế p điểm (do tiế p điểm đượ c gắn vớ i nắ p).

Khi dòng điện i ≤ Itv (dòng tr ở về) thì lực lò xoFlò xo > F (lực điện từ) và r ơ le nhả.

Tỉ số: vãtråí säúhãûlaìgoüiâæåüctâItvI

tvK = .

+ R ơ le dòng cực đại K tv < 1.+ R ơ le dòng cực tiểu K tv > 1.R ơ le càng chính xác thì K tv càng gần 1.

⎪⎩

⎪⎨⎧

=

råle.cuíaâäüngsuáút taïccäng:tâP

khiãøn.âiãöusuáútcäng:âkP Våïi

rålecuíakhiãønâiãöusäúhãûP

PK .tâ

âkâk

R ơ le càng nhạy K đk càng lớ n.Khoảng thờ i gian từ lúc dòng điện i bắt đầu lớ n

hơ n Itđ đến lúc chấm dứt sự hoạt động của r ơ le gọi là thờ igian tác động ttđ.

Số lần tác động trong một đơ n vị thờ i gian (giờ ) gọi là tần số tác động.R ơ le điện từ phân ra hai loại:

+ R ơ le một chiều2

2U'.K Ftênhnãn ta

'R

UIthç

δ== có U là điện áp đặt vào cuộn dây.

+ R ơ le xoay chiều : lực F = 0 (tần số 2f) khi I = 0. Giá tr ị trung bình của lực hút sẽ

là:2

2

tb

I"kF

δ= , nếu cuộn dây đặt song song vớ i nguồn điện áp U thì

2

2

tbU

"kFδ

= .

Nam châm xoay chiều khi lực F = 0 lò xo kéo nắ p ra, do vậy r ơ le loại này khi làm việc có rungđộng gây tiếng kêu, để hạn chế ngườ i ta sử dụng dùng vòng ngắn mạch.

R ơ le điện từ có các đặc điểm:- Công suất điều khiển Pđk từ vài W đến hàng nghìn W.- Công suất tác động Ptđ từ vài phần W đến hàng tr ăm W.

- Hệ số điều khiển K đk = (5 ÷ 20).- Thờ i gian tác động ttđ = (2 ÷ 20)ms.

Hình 6-3 : C ấu trúcchung

4

3 5

1 2

iđk



61

2. Nhượ c điểm của rơ le điện từ Công suất tác động Ptđ tươ ng đối lớ n, độ nhạy thấ p, K đk nhỏ. Hiện nay có xu hướ ng cải tiến ứng

dụng vật liệu sắt từ mớ i sản xuất các loại r ơ le để tăng K đk .

3. Một số loại rơ le điện từ

a) Rơ le dòng đ iện và đ iện áp loại ∋ T (hình 6-4a).b) Rơ le trung gian (hình 6-4b). Nhiệm vụ chính của r ơ le trung gian là khuếch đại tín hiệu điều khiển, nóthườ ng nằm ở vị trí trung gian giữa các r ơ le khác. Đặc điểm r ơ le trung gian có cơ cấu điều chỉnh điện áptác động để có thể tác động khi điện áp tăng giảm trong khoảng ± 15% Uđm.c) Rơ le thờ i gian đ iện t ừ (hình 6-4c) khi từ thông φ0 giảm thì sức điện động e chống sự giảm để duy trìthờ i gian khoảng t = (0,5 ÷ 5)s.

4. R ơ le phân cự cR ơ le phân cực là một dạng của r ơ le điện từ có thêm từ thông phân cực do nam châm v ĩ nh cửu

tạo nên. Chuyển động của nắ p phụ thuộc vào chiều dòng trong cuộn dây. Khi chưa có dòng điện thì phầnđộng r ơ le đã ở một trong hai vị trí do lực hút từ tr ườ ng nam châm v ĩ nh cửu.

Mạch từ nam châm v ĩ nh cửucó cấu trúc sao cho một phía khe hở không khí lớ n còn một phía nhỏ để khicho dòng vào cuộn dây nam châm thìtổng lực hút điện từ của cuộn dây vànam châm v ĩ nh cửu phân cực hai bênkhông bằng nhau, nắ p bị hút về một bên, lực hút nam châm v ĩ nh cửu làmnhiệm vụ giữ nắ p khi cắt điện cuộndây. Muốn nắ p chuyển động ngượ c lạithì phải đổi chiều dòng điện để đổichiều lực hút điện từ. Hai kiểu r ơ le phân cực như hình 6-5.

Loại này có ưu điểm chính làđộ nhạy cao kích thướ c gọn thờ i giantác động nhanh cỡ (2 ÷ 3).10-3s , cho phép thao tác vớ i tần số lớ n.



62

6.3. R Ơ LE ĐIỆN ĐỘNG

1. Nguyên lí

Theo nguyên tắc, r ơ le điện động có hai cuộn dây như hình 6-6. Khi có dòng qua cuộn dây 1 là i1 và cuộn dây 2 có dòng điện i2. Tại vị trí như hình 6.6 ta có cảm

ứng từ B12 = K’.i1 và có lực điện từ F = K”.B12.i2 hay lực F = K 1”.i1.i2 sẽ sinh ra mô men M = Ki1i2 đặtlên cuộn dây 2, làm cuộn dây 2 quay và đóng tiế pđiểm. Nếu hai cuộn đượ c mắc nối tiế p thì i1 = i2 = i cóM = Ki2 lúc này mô men độc lậ p vớ i chiều dòng điện.Khi mạch điện xoay chiều vớ i tần số f thì thì F thayđổi, r ơ le sẽ làm việc vớ i giá tr ị trung bình của lực điệntừ và mô men.

∫ ϕ== T

021tb cosIkIMdt

T

1M .

Trong đó :+ I1, I2 :tr ị hiệu dụng.

+ ϕ :góc lệch pha giữa hai dòng điện i1, i2. Nếu i1 = i2 thì cosϕ = 1 và Mtb = Ki2.Khi một trong hai cuộn dây đượ c đổi chiều dòng điệnthì chiều mô men trung bình Mtb cũng thay đổi.

2. Ứ ng dụngR ơ le điện động đượ c sử dụng làm r ơ le công suất tác dụng, phản kháng. Có thể chế tạo r ơ le sắt

điện động để tăng tr ị số mô men Mtb và sẽ tăng độ nhạy của r ơ le. Loại r ơ le điện động xoay chiều khôngcó mạch sắt từ tuy Mtb nhỏ nhưng dùng nhiều trong tự động điều khiển.

6.4. R Ơ LE KIỂU TỪ ĐIỆN

1. Nguyên lí Sự làm việc của r ơ le loại này dựa trên cơ sở lực điện từ do từ tr ườ ng của nam châm v ĩ nh cửu tác

dụng lên một cuộn dây khi có dòng điện chạy qua. Nguyên lí chung biểu diễn như hình 6-7.Từ tr ườ ng nam châm v ĩ nh cửu vớ i cảm ứng từ B tác dụng lên khung có dòng I tạo ra mômen quay.Lực điện từ là F = K’B12I.

Mô men quay M = KI (tỉ lệ vớ i dòng điện I).

2. Đặc điểm R ơ le từ điện có độ nhạy lớ n, công suất tác động nhỏ

(cỡ 10-10 w) sử dụng nhiều trong tự động hóa, công suất điềukhiển cỡ 1 đến 2 W.

Không làm việc ở mạch xoay chiều vì ở mạch xoaychiều mô men trung bình Mtb = 0.

6.5. R Ơ LE CẢM Ứ NG

1. Nguyên lí Dựa trên tác động tươ ng hỗ giữa từ tr ườ ng xoay chiều vớ i dòng điện cảm ứng trong bộ phận

quay (đĩ a, cối) để tạo mômen quay. Hình 6-8a là sơ lượ c k ết cấu một r ơ le cảm ứng.Hai từ thông φ1, φ2 biến thiên xuyên qua đĩ a nhôm tươ ng ứng cảm ứng các sức điện động e1, e2

sinh ra các dòng i1, i2 . Các lực điện từ là F12 = B2i1l và F21 = B1i2l, lực điện từ tổng:

Hình 6-6 : Rơ le đ iện động

Hình 6-7 : Rơ le t ừ đ iện

I2

I11

2

1

N S

I



63

[ ] ii

S

1=FFF

,FFF

21122112

2112 :thçthæåìng

φ−φ−=

+=GGG

Vì dòng điện và từ thông là những đại lượ ng thay đổi theo thờ i gian nên tấm kim loại sẽ chịu lực

trung bình:[ ] sink.=dt.ii

S

1

T

1 =F m2m12112

T

0t b αφφφ−φ∫

vớ i α là góc lệch pha giữa φ1 và φ2.Mô men quay trung bình tác dụng vào phần động sẽ là: Mtb= k m. φm1. φm2.sinα.

Trong thực tế sự lệch pha từ thông có thể thực hiện bằng nhiều cách nhưng thườ ng dùng vòng ngắnmạch.

Nhận xét + α = 0 thì F = 0 ngh ĩ a hai từ thông trùng pha nhau đĩ a không quay.+ α = 900 thì F = Fmax.

Vậy muốn đĩ a quay thì từ thông của hai nam châm phải có vị trí khác nhau trong không gian vàlệch pha về thờ i gian.

2. Ứ ng dụng rơ le cảm ứ ng chế tạo + R ơ le dòng μT-80 (hình 6-8b), PT-80.+ R ơ le công suất loại cốc 4 cực từ ( 2 cực quấn cuộn dòng, 2 cực quấn cuộn áp).+ R ơ le kiểm tra tốc độ kiểu cảm ứng kí hiệu PKC.

6.6. R Ơ LE NHIỆT - R Ơ LE THỜ I GIAN - R Ơ LE TỐC ĐÔR Ơ LE ĐIỀU KHIỂN

1. R ơ le nhiệt



64

a) Khái niệm - công d ụng R ơ le nhiệt là một loại thiết bị điện dùng để bảo vệ

động cơ và mạch điện khỏi bị quá tải, thườ ng dùng kèmvớ i khở i động từ, công tắc tơ . Dùng ở điện áp xoay chiềuđến 500 V, tần số 50Hz, loại mớ i Iđm đến 150A điện áp

một chiều tớ i 440V. R ơ le nhiệt không tác động tức thờ itheo tr ị dòng điện vì có quán tính nhiệt lớ n phải cần thờ igian để phát nóng. Thờ i gian làm việc từ khoảng vài giây[s] đến vài phút, nên không dùng để bảo vệ ngắn mạchđượ c. Muốn bảo vệ ngắn mạch thườ ng dùng kèm cầu chảy.

b) Nguyên lí ( hình 6-9a)

Dựa trên tác dụng nhiệt của dòng điện, ngày nay sử dụng phổ biến r ơ le nhiệt có phiến kim loại kép, nguyên lí làm việc dựa trên sự khác nhau về giãn nở dàicủa hai kim loại khi bị đốt nóng. Phần tử cơ bản r ơ le nhiệt là phiến kim loại kép (bimetal) cấu tạo từ haitấm kim loại, một tấm hệ số giãn nở bé (thườ ng dùng invar có 36% Ni, 64% Fe) một tấm hệ số giãn nở lớ n (thườ ng là đồng thau hay thép crôm - niken, như đồng thau giãn nở gấ p 20 lần invar). Hai phiến ghéplại vớ i nhau thành một tấm bằng phươ ng pháp cán nóng hoặc hàn.

Khi đốt nóng do dòng I phiến kim loại kép uốn về phía kim loại có hệ số giãn nở nhỏ hơ n, có thể dùng tr ực tiế p cho dòng điện qua hoặc dây điện tr ở bao quanh. Để độ uốn cong lớ n yêu cầu phiến kimloại phải có chiều dài lớ n và mỏng. Nếu cần lực đẩy mạnh thì chế tạo tấm phiến r ộng, dày và ngắn.

2. R ơ le tốc đô (hình 6-10)Đại lượ ng đầu vào là tốc độ quay của thiết bị, đại lượ ng ra là tr ạng thái đóng hoặc mở tiế p điểm.

Nguyên lí loại li tâm như sau: khi tr ục đứng yên hoặc quay vớ i tốc độ nhỏ hơ n tr ị số tốc độ tác động, lòxo 3 kéo quả văng 2 tỳ lên đĩ a 4, mở hệ thống tiế p điểm 5 đóng hệ thống 6, khi tốc độ lớ n hơ n v tđ lực litâm của quả văng 2 thắng lực lò xo 3 làm hai quả 2 không tỳ vào đĩ a 4, lò xo đẩy đĩ a 4 ra, tiế p điểm độnggắn trên đĩ a sẽ đóng tiế p điểm thườ ng mở 6 và cắt tiế p điểm thườ ng đóng 5. Điều chỉnh độ văng của haiquả văng bằng lò xo 3 thì có thể thay đổi đượ c tr ị số vận tốc tác động vtđ.

3. R ơ le thờ i giana) Khái niệm

Dùng để duy trì thờ i gian đóng chậm hoặc mở chậmcủa hệ thống tiế p điểm so

vớ i thờ i điểm đưa tín hiệu tác động vào r ơ le.Thờ i gian chậm này có thể vài phần giây cho

đến hàng giờ . b) Yêu cầu

Thờ i gian chậm thực hiện bở i r ơ le phải ổn địnhít phụ thuộc vào các yếu tố khác như điện áp nguồn,dòng điện, nhiệt độ môi tr ườ ng,...c) Phân loại

Có r ất nhiều loại r ơ le thờ i gian vớ i nguyên lí, cấutạo r ất khác khác nhau như:

+ R ơ le thờ i gian kiểu điện từ (hình 6-4c).+ R ơ le thờ i gian kiểu thủy lực.+ R ơ le thờ i gian kiểu đồng hồ.

a)

a)Nguyên lí; b) Đặc tính:1.đặc tính thiế t bị ,2.đặc tính r ơ le,3.đặc tính mong muố n.

t[s

I/I11,2 2 3 4 5 6

10

100

1000

10.000

1

2 3

b)

Hình 6-9



65

+ R ơ le thờ i gian kiểu điện tử - bán dẫn.Ta chỉ xét đại diện một loại:

R ơ le thờ i gian kiểu điện từ cấu tạo như hình 6-4c loại này duy trì thờ i gian nhả chậm và chỉ dùngcho điện một chiều.d) Nguyên lí

Trong quá trình đóng hay ngắt cuộn dây r ơ le thì ở trong vòng ngắn mạch (chính là ống lót bằngđồng 1) sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng, dòng điện do nó sinh ra sẽ tạo ra một từ thông chống lại sự biến thiên từ thông do cuộn 7 dây sinh ra. Do đó nó làm cho tốc độ thay đổi của từ thông chậm lại làmthờ i gian tác động của r ơ le chậm lại.

Thay đổi thờ i gian tác động bằng cách thay đổi độ căng lò xo 3, điều chỉnh vít 4 để điều chỉnhchiều r ộng khe hở có miếng đệm 6 hoặc tr ị số dòng điện.

Loại này thờ i gian chậm đến 3 giây.

4. R ơ le điều khiển Có chức năng như một r ơ le trung gian, nhưng có kích thướ c nhỏ, tần số thao tác lớ n, khả năng

ngắt lớ n, hệ số nhả cao. Cấu tạo của r ơ le đượ c mô tả như hình 6-11a.Trong ống thủy tinh kín 1 đặt thanh dẫn 2 bằng thép lò xo dẫn từ. Ở hai đầu mỗi thanh dẫn có

gắn tiế p điểm bằng flatin. Ống 1 đượ c rút hết không khí hoặc cho vào đó một chất khí thích hợ p, mụcđích để hồ quang dậ p tắt dễ dàng. Ngoài ống đặt cuộn dây 3, khi đưa điện vào cuộn dây 3, lực điện từ sẽ

làm hai thanh hút nhau, hệ tiế p điểm đượ c đóng lại. Nếu ngắt điện của cuộn dây, lực đàn hồi của haithanh dẫn làm tiế p điểm mở ra.

Loại r ơ le này có ưu điểm là môi tr ườ ng làm việc của tiế p điểm gần như lí tưở ng, do đó không bị oxy hóa. Khi đóng/ngắt không có hồ quang, vì vậy tuổi thọ của nó đạt tớ i khoảng 10 triệu lần đóng/ngắt.Khe hở giữa hai tiế p điểm bé nên cho phép thờ i gian tác động bé, cỡ (0,2 ÷ 0,4).10-3s. Có thể làm việcvớ i tần số thao tác từ 400 đến 2000 lần đóng ngắt trong một giây. Khả năng ngắt của r ơ le vớ i đườ ng kínhống thủy tinh d= (2,5 ÷ 6,5) mm chiều dài l = (10 ÷ 55) mm đạt tớ i 1A, đôi khi tớ i 5A. Từ tr ườ ng cầnthiết cho điều khiển bé, sức từ động của cuộn dây bé khoảng (20 ÷ 200) A.vòng.

Hình 6-11b trình bày cấu tạo của một r ơ le dòngđiện, trong ống thủy tinh 1 gá hai điện cực bằng vonfram 2và trong có một lượ ng thủy ngân. Phao sắt từ 3 hình tr ụ r ỗng, nổi trên thủy ngân (vì tỉ tr ọng của sắt bé hơ n tỉ tr ọngcủa thủy ngân). Cuộn dây điều khiển 4 đượ c đặt lệch về phíadướ i của ống (về phía chứa thủy ngân). Khi không có điệnvào cuộn dây, phao 3 nổi, cực 2 không tiế p xúc vớ i thủyngân, mạch điện hở . Khi có điện vào cuộn dây, lực điện từ sẽ hút phao 3 về phía cuộn dây làm thủy ngân dâng lên, cực 2ngậ p trong thủy ngân, mạch điện đượ c nối kín. Vì ngắt bằngthủy ngân nên tốc độ ngắt r ất lớ n, sinh ra quá áp cao.

6.7. ĐẠI CƯƠ NG VỀ R Ơ LE TĨNH

1. Sự đổi mớ i của k ĩ thuật rơ lea) Nhữ ng hạn chế của r ơ le đ iện- cơ

Cho đến khoảng những năm 70 các thiết bị bảo vệ r ơ le chủ yếu cũng chỉ thực hiện vớ i cơ cấu sosánh là điện từ và cơ khí, cơ cấu thừa hành là tiế p điểm hợ p kim.

i

iđ

1

2

3 a)

1 2

3

4 iđk

b)

Hình 6-11: Rơ le đ i u

khi n



66

Cơ cấu đo và so sánh cơ - điện từ có những đặc điểm :- Chậm: mạch điện từ đo mất khoảng 20 ms, cơ cấu so sánh đòn bẩy, lò xo, cuộn dây nhanh cũng cỡ

10ms.- Kém chính xác: việc đo điện từ tr ướ c kia thườ ng đo qua biến dòng (BI) 5A ÷ 100A, đo áp của BU

cỡ 100V. Thườ ng không qua lọc, khi đo lẫn cả thành phần tần số công nghiệ p vớ i các thành phần tự do

và hài. Những thành phần này thườ ng khá lớ n có thể làm sai k ết quả đo r ất nhiều.- Cơ cấu đo và so sánh lại thườ ng chỉ là loại đo đơ n biến, một dòng hoặc một áp. Thườ ng khó thực

hiện đượ c những phép xử lí phức tạ p cần có như các phép số học, giải tích, phép tr ễ, phép đếm ,...Do đó muốn bảo vệ cho một đối tượ ng đơ n giản là một đườ ng dây phân phối, cũng phải cần dùng

tớ i mườ i phần tử r ơ le, kèm theo một sơ đồ nối dây phức tạ p chiếm một tủ thiết bị. Chi phí cao mà độ tincậy, chính xác, tốc độ và các chức năng bảo vệ thì khiêm tốn.b) Rơ le đ iện t ử hóa(r ơ le t ĩ nh)

Từ khoảng những năm 70 đến 90 các r ơ le cơ - điện đượ c cải tiến theo hướ ng điện tử hóa. Chủ yếu ngườ i ta tìm cách thay các cơ cấu đo, cơ cấu so ngưỡ ng bằng các mạch điện tử và vi mạch bán dẫn.

Một số phép xử lí đơ n giản như cộng, đạo hàm, tích phân, đếm, tr ễ,... cũng thực hiện bằng mạchđiện tử.

Vi mạch điện tử đã khiến thiết bị bảo vệ tiến một bướ c khá dài, tiểu hóa thiết bị, nâng cao thêmđộ chính xác và chất lượ ng các chức năng r ơ le.

R ơ le t ĩ nh đã đượ c dùng để phối hợ p bảo vệ trong hệ thống điện từ khoảng những năm 1970, đầu

tiên là sử dụng các đèn điện tử sau đó đến các Tranzitor silic vớ i tốc độ tin cậy cao để tạo nên các cổngtín hiệu.

R ơ le k ĩ thuật analog (tín hiệu vào/ra là tín hiệu liên tục): Các loại r ơ le này sử dụng độc lậ p riênglẻ các bộ phận có một số chức năng riêng tươ ng tự r ơ le điện cơ vớ i các chức năng thông thườ ng, có thể sử dụng khối thay thế tr ực tiế p. Trong hình 6-17 là r ơ le quá dòng chạm đất đượ c thiết k ế để cải thiện tínhnăng của r ơ le điện cơ bằng sự phân chia phối hợ p bảo vệ. c) Rơ le số hóa

Phải đến khoảng những năm 90 khi đưa k ĩ thuật vi xử lí, vi điều khiển vào thì thiết bị r ơ le đãthực hiện một sự thay đổi tiến hóa toàn diện.

Vi xử lí, vi điều khiển là công cụ thực hiện đượ c r ất tốt các công việc như lọc các tín hiệu vào,việc đo nhanh nhiều biến (3 dòng, 3 áp, thờ i gian,...), việc tính toán nhanh những xử lí phức tạ p nhất (số học, giải tích, đếm, phân tích phổ,...), so nhiều ngưỡ ng ,...Vì vậy các r ơ le số hóa có những ưu việt lớ n :c.1) Tốc độ đo, tính nhanh các véc tơ biến vào, vớ i độ chính xác cao độ tin cậy cao.c.2) Do những điều trên khiến một r ơ le có thể thực hiện đượ c cùng một lúc tất cả những chức năng bảovệ phức tạ p khác nhau cho một đối tượ ng, thậm chí gồm cả những chức năng bảo vệ dự bị cũng như cácchức năng bảo vệ phụ thêm nữa. Từ đó sinh ra một số đặc điểm mớ i khác vớ i hai thế hệ r ơ le truyền thốngcũ là :

+R ơ le số đượ c chế tạo theo hướ ng một r ơ le thực hiện tất cả những phép đo lườ ng, phân tích tínhtoán tất cả những phép so sánh, tất cả các chức năng bảo vệ cần cho một thiết bị điện lực. Đó là nhữngr ơ le đa chức năng tổng hợ p thành bộ.

+Ngườ i ta phân loại các r ơ le thành bộ theo nhóm các đối tượ ng bảo vệ, số kiểu r ơ le đượ c thugọn lại trong một số nhóm sau :

* Các kiểu r ơ le bảo vệ máy phát điện.* Các kiểu r ơ le bảo vệ đườ ng dây siêu cao và cao áp.* Các kiểu r ơ le bảo vệ đườ ng dây phân phối trung áp.* Các kiểu r ơ le bảo vệ biến áp.* Các kiểu r ơ le bảo vệ thanh cái.* Các kiểu r ơ le bảo vệ mô tơ điện đồng bộ, không đồng bộ.* R ơ le sa thải theo tần số,...+Mỗi r ơ le số lại có khả năng ghi lại số liệu vận hành, số liệu các sự cố cả những số liệu về tác

động bảo vệ "CẮT", "ĐÓNG LẠI",... giúp sử dụng vào nhiều việc phân tích, thống kê liên quan.Mỗi r ơ le số lại biết tự động báo các sự kiện, sự cố cho ngườ i tr ực và cho một máy tổng hợ p ghi

nhận, máy này lại tự động báo cáo vớ i hệ SCADA của tr ạm.



67

c.3) Về k ết cấu thì r ơ le số có thể tích thu gọn r ất nhiều; một tủ r ơ le cũ đượ c thay bằng một r ơ le số hóa.Một tủ r ơ le số hóa của tr ạm điện thườ ng chứa xế p chồng hai r ơ le cao áp lớ n, hoặc tám r ơ le bảo vệ trungáp.

K ết quả là phòng điều khiển trung tâm thu gọn lại tất cả chỉ còn 1 ÷ 2 tủ r ơ le, 1 ÷ 2 tủ thu thậ pthông tin cho SCADA và 1 ÷ 2 màn hình SCADA.

c.4) Việc đấu nối dây cho một r ơ le số chỉ còn lại sáu dây dòng, sáu dây áp, hai dây nguồn và vài cặ p dâyđi "ĐÓNG", "CẮT". Tất cả đấu vào các cọc ở phía sau của r ơ le, so vớ i các tủ cũ thi đơ n giản hơ n nhiều.c.5) Việc chỉnh đặt, kiểm tra, thử nghiệm đều thực hiện bằng truyền tin giữa r ơ le và máy tính, r ất là giảntiện, đặc biệt nhanh chóng và chính xác.c.6) Giá thành của r ơ le số hóa r ẻ hơ n r ơ le truyền thống, nói chung chỉ bằng nửa.Ví du: một tủ r ơ le truyền thống bảo vệ một đườ ng dây phân phối thì khoảng giá 3000 ÷ 4000 USD.Trong khi đó một r ơ le số bảo vệ đườ ng dây phân phối giá chỉ khoảng 1500 ÷ 2000 USD. R ơ le k ĩ thuật số (digital): đặc điểm của loại này là trong một mô đun có thể có thể phối hợ p nhiều chức năng phức tạ p màcác yếu tố đo lườ ng liên quan bằng các mức logic phối hợ p đượ c xử lí bở i các mạch số trong bộ vi xử lí,đầu ra là chung cho tín hiệu đóng cắt và tín hiệu báo như hình 6-20.c.7) Thờ i gian tác động: thờ i gian tác động ảnh hưở ng nhiều đến sự ổn định của hệ thống. Nếu sự cố đượ c giải quyết càng nhanh thì khả năng duy trì sự ổn định của hệ thống càng cao. Trong r ơ le t ĩ nh khôngcó các phần tử quán tính cơ trong chuyển động nên thờ i gian tác động r ất nhanh, thườ ng Ttđ = 0,6ms.Giớ i hạn tối đa của tốc độ đáp ứng trong thực tế tùy thuộc chế độ quá độ của máy biến dòng hay các phầntử khác.c.8) Tính chọn lọc: việc xử lí tốt nhất đối vớ i các tình tr ạng sự cố có ngh ĩ a là chỉ ngừng cung cấ p điệncho một số lượ ng tối thiểu các phụ tải tiêu thụ đượ c bảo vệ, phải đảm bảo sàng lọc chỉ ngắt ra khỏi mạchnhững thiết bị bị sự cố, còn các thiết bị khác phải vẫn tiế p tục làm việc. Trong tr ườ ng hợ p bảo vệ phứctạ p như bảo vệ khoảng cách việc chọn là do khối xử lí trung tâm xác định. Tr ườ ng hợ p bảo vệ đơ n giản,việc tạo tính lựa chọn qua các phần tử cơ bản (như đưa thêm vào một mạch trì hoãn thờ i gian..) để có đặctính tác động phù hợ p trong tr ườ ng hợ p bảo vệ phức tạ p. Nếu khi thờ i gian tác động không đượ c ưu tiênhàng đầu thì có thể chấ p nhận một thờ i gian trì hoãn nào đó để giải quyết sự cố theo điều kiện chọn lọc.c.9) Tính tin cậy: đảm bảo chỉ tác động và luôn tác động khi cần thiết và chỉ khi cần thiết mà thôi(tức làđảm bảo không tác động sai hay tác động không đúng lúc vớ i thiết bị đượ c bảo vệ). Để đạt đượ c tính đảm bảo làm việc của bảo vệ cần phải có hai điều kiện là:

+Bảo vệ phải đượ c thiết k ế đúng (theo quan điểm sơ đồ tính toán các giá tr ị điều chỉnh).+Trang thiết bị phải có giá tr ị tin cậy cao.

Các điều kiện này r ơ le t ĩ nh hơ n hẳn r ơ le điện cơ vì không có các chuyển động cơ học, không tạora tác động sai như r ơ le tiế p điểm. Tần số tác động và tuổi thọ của r ơ le t ĩ nh cũng hơ n hẳn r ơ le điện cơ vàthờ i gian tr ở về cũng nhanh hơ n.c.10) Độ nhạy: công suất tiêu thụ của r ơ le t ĩ nh (các mạch bán dẫn) vô cùng nhỏ so vớ i các r ơ le điện cơ .Độ nhạy cũng r ất cao hệ số tr ở về gần bằng 1( K tv=Itv/Ik đ bv ≈ 1). Điều đó làm giảm dòng và tăng độ nhạycủa r ơ le, ngoài ra kích thướ c bao bì của các loại r ơ le t ĩ nh chỉ bằng khoảng 1/3 đến 1/5 r ơ le điện cơ dẫnđến giảm kích thướ c bảng gắn và không gian điều khiển.c.11) Tinh độc lậ p vớ i các điều kiện vận hành : r ơ le cần phải tác động đúng khi xuất hiện sự cố ở thiết bị bảo vệ. Các giá tr ị khở i động cần phải đượ c tính toán ở các chế độ làm việc cực đại và cực tiểu của trangthiết bị đượ c bảo vệ. Trong r ơ le số hoặc bán dẫn tín hiệu điều khiển đượ c lấy cách li vớ i tín hiệu mạchđộng lực qua điốt phát quang (hay phtotranzitor), nhiễu lọc qua bộ lọc tần số cao nên không chịu ảnhhưở ng của nhiễu cơ học và nhiễu tần số cao.c.12) Ư u điểm trong phối hợ p bảo vệ hệ thống: Trong r ơ le t ĩ nh nhất là r ơ le k ĩ thuật số, việc sử dụng cápquang qua môđun giao diện dữ liệu dẫn đến tốc độ truyền tín hiệu r ất nhanh và độ tin cậy tốt không bị

ảnh hưở ng của dòng điện từ k ĩ thuật truyền số. Do thờ i gian tác động r ất chính xác cho nên có thể phốihợ p nhiều bảo vệ để đạt độ chính xác cao nhất cho toàn hệ thống. R ơ le k ĩ thuật số vớ i hiển thị số r ất tiệnlợ i cho ngườ i vận hành.

Trong bảo vệ lướ i điện hoặc một hệ thống thiết bị luôn đòi hỏi phải tiến hành điều khiển tự độngtách thiết bị sự cố ra khỏi phạm vi của lướ i hay hệ thống khi xuất hiện sự cố hay một chế độ làm việckhông bình thườ ng có nguy cơ gây hỏng thiết bị. Sự ngăn cách thiết bị bị sự cố vớ i hệ thống cần phảithực hiện sao cho có thể ngăn ngừa đượ c sự phát triển của sự cố hay nguy cơ hủy diệt thiết bị và thiết lậ ptr ở lại chế độ làm việc bình thườ ng vớ i phần hệ thống còn lại. Đảm bảo liên tục sự làm việc của hệ thống



68

trong điều kiện tối đa có thể đượ c. Để giải quyết sự cố trong những điều kiện tốt nhất thì sự bảo vệ bằngr ơ le t ĩ nh nói chung và r ơ le số nói riêng thỏa mãn đượ c hàng loạt các chỉ tiêu k ĩ thuật mà r ơ le điện cơ đãkhông đạt đượ c.

Hiệu quả nói chung của r ơ le t ĩ nh hơ n hẳn r ơ le điện cơ , tuy nhiên trong tính toán kinh tế khi thiếtk ế bảo vệ cần chọn các giải pháp tốt nhất để giảm nhỏ giá đầu tư thiết bị bảo vệ. Cần quan tâm các vấn đề

như tiêu tốn cho bảo quản, bảo dưỡ ng và kiểm tra xem xét định kì, vớ i r ơ le t ĩ nh công tác bảo dưỡ ng kiểmtra thông qua việc tháo lắ p các môđun không cần làm sạch tiế p điểm như r ơ le điện cơ . Thay thế r ơ le t ĩ nhcũng đượ c thực hiện đơ n giản khi sự cố, loại đượ c các sai sót như nối cáp ở r ơ le điện cơ . Tuy nhiên việcthay thế sửa chữa r ơ le t ĩ nh cũng cần cán bộ k ĩ thuật có chuyên môn cao hơ n. Hiện nay trình độ cán bộ k ĩ thuật ngày càng đượ c nâng cao và giá bán r ơ le t ĩ nh không ngừng giảm, trong hệ thống điện và các mạngđiện điều khiển r ơ le t ĩ nh đang thay chỗ dần cho r ơ le điện cơ .

2. R ơ le tươ ng tự R ơ le loại này có đặc tr ưng là các thông số vào/ra r ơ le như dòng, áp, góc lệch pha, công suất,... là

các đại lượ ng liên tục (analog). Tín hiệu này đượ c so sánh vớ i một hay nhiều đại lượ ng đầu vào có giá tr ị chuẩn để cho tín hiệu đầu ra (r ơ le loại này gồm các loại r ơ le bán dẫn, r ơ le điện tử). Cấu trúc r ơ le loại nàygồm các khối sau:a) Khố i tiế p thu

Khối này gồm hai phần chính là bộ đo lườ ng và bộ so sánh, đại lượ ng đầu ra của bộ phận này

gồm một trong hai giá tr ị chuẩn.

+ Bộ phận đo lườ ng lấy tín hiệu từ các máy biến dòng để biến đổi thành đại lượ ng một chiềunhờ cầu chỉnh lưu. Có hai cách thực hiện chỉnh lưu như hình 6-12a,b.

+ Bộ so sánh có thể làm việc theo hai nguyên tắc chính là:-So sánh hai đại lượ ng điện theo giá tr ị tuyệt đối (dùng cho các r ơ le bảo vệ khoảng cách,

bảo vệ so lệch, bảo vệ quá áp, bảo vệ kém áp,...)-So sánh hai đại lượ ng điện theo giá tr ị góc pha (dùng cho r ơ le bảo vệ khoảng cách, r ơ le

định hướ ng công suất,...).

Hình 6-12: Thự c hiện l ấ y tín hiệu và chỉ nh l ư u trong khố i tiế p thu

Ur

IA ia

IB ib

Ic

ic

Ur

IA ia

IB ib

Ic

ic

a) b)



69

Bộ phận so sánh hai đại lượ ng điện theo giá tr ị tuyệt đối thườ ng sử dụng mạch tích hợ p

(integrated circuit), ở đây ta chỉ xét một sơ đồ so sánh tiêu biểu dùng khuếch đại thuật toán như hình 6-

13. Cổng không đảo của khuếch đại thuật toán đượ c nối vào điện áp chuẩn Uo là điện áp cần so sánhvớ i cổng đảo. Nếu điện áp vào thấ p hơ n Uo chuẩn thì sẽ cho ra tín hiệu ở đầu ra (ở mức cao). Việc sử dụng khâu R-C ở đầu vào là để thay đổi thờ i gian hoạt động bằng cách thay đổi tr ị số của R và C. Ở đây bộ phận này sẽ cho ra tín hiệu nếu biên độ tín hiệu điện áp đầu vào vượ t quá biên độ điện áp đặt tr ướ cUo (Uo cũng có thể điều chỉnh đượ c).

Bộ phận so sánh hai đại lượ ng điện theo giá tr ị góc pha thườ ng sử dụng bộ tách sóng phân cực(polanity detector) như hình 6-14.

Đầu đảo củakhuếch đại thuật toánđượ c nối mát, tín hiệusóng vào là tín hiệu hìnhsin tín hiệu ra đượ cchuyển sang dạng xungvuông nhờ việc dùng

khuếch đại thuật toán(K ĐTT).Tín hiệu ra chỉ có

hai mức tươ ng ứng vớ itín hiệu vào (hiển nhiên là độc lậ p vớ i biên độ tín hiệu vào). Việc so sánh góc pha có thể thực hiện bằnghai bộ tách sóng phân cực và so sánh pha để cho ra tín hiệu xung vuông.b) Khố i thự c hiện

Mục đích của khối này thực hiện những biến đổi đột ngột của mạch điện ngoài như khuếch đạitín hiệu để đưa đến cuộn cắt máy cắt. Ta xét sơ nguyên lí khối thực như hình 6-15.

Mạch thyristor thực hiện các yêu cầu và cung cấ p cho các mạch đầu ra tín hiệu độc lậ p. Tín hiệukích thích đượ c cho tranzitor nhờ điốt phát quang, sự trì hoãn tín hiệu đượ c cung cấ p bở i thyristor TH1,điốt zerne Uz và điện tr ở R 1. Điốt Uz không thể điều khiển kích thích cho thyristor TH2 đượ c cho đếnkhi điện áp trên R 1 vượ t quá điện áp trên R z lúc này mơ i có tín hiệu đến kích thích thyristor TH2 làmthyristor này dẫn và cho tín hiệu đến cuộn tác động cắt máy cắt ra.

c) Khố i trì hoãnMột mạch khác đượ c sử dụng trong trong r ơ le t ĩ nh là mạch tich phân, sử dụng khâu chính là mộtkhâu khuếch đại thuật toán (K ĐTT) như hình 6-16.

a) b) Hình 6-13: Thự c hiện so sánh theo giá tr ị tuyệt đố i

Hình 6-14: Thự c hiện so sánh theo tr ị pha

IC1

IC2

IC3

0

t

U

U0

Ura

Uvào

(+)

Ura

C

R

Uvào

U0



70

Trên sơ đồ hình 6-16 dòng vào có giá tr ị i

=1

1

R

E nạ p cho tụ C thông

qua mạch phản hồi. Cổngkhông đảo của K ĐTT nàynối mát, điện áp trên tụ là:

∫ ∫== dtR

E

C

1dti

C

1U

1

1cc

ta có điện áp trên tụ là:

∫= dtECR

1U 1

1

c

Điện áp đầu ra

∫−

=−= dtECR

1UE 1

1

c0.

Ta thấy điện áp ra E0 tỉ lệ vớ i tích phân điện áp vàoE1.

Mạch này đượ c sử dụng liên tục như mạch trìhoãn thờ i gian. Tốc độ thay đổi của điện áp đầura tỉ lệ vớ i biên độ củađiện áp vào.

d) Khố i chỉ nh địnhVớ i r ơ le t ĩ nh cho

phép việc chỉnh định các bộ phận trong r ơ le để phốihợ p bảo vệ, thông thườ ngcó hai cách:

+ Chỉnh định cácthông số đầu vào để phùhợ p vơ i r ơ le.

+Chỉnh định cácthông số chuẩn trongkhối so sánh để xác địnhngưỡ ng tác động củar ơ le. Điện áp ngưỡ ng củakhối so sánh cũng có thể chỉnh định bằng hai cáchlà:

- Chỉnh định U0 bằng biến tr ở tr ướ c khi đưa vào bộ phận so sánh để có giá tr ị phù hợ p.- Chỉnh định ngay ở phía đầu vào bằng việc thay đổi tr ị số của biến tr ở hay điện dung của khâu

R-C. Qúa trình nạ p cho tụ C khi điện áp đầu vào thay đổi có dạng như hình 6-13b. Như vậy bộ so sánh

thực hiện cho tín hiệu ra khi điện áp trên cổng không đảo (đầu vào) vượ t quá điện áp U0. Tùy tr ị số R vàC độ dốc của đặc tính đó sẽ nhiều hay ít, ta có ngưỡ ng tác động khác nhau, đồng thờ i mạch R-C cũng cóngưỡ ng tác động khác nhau. Sơ đồ nguyên lí của một r ơ le dòng cực đại bằng k ĩ thuật tươ ng tự như hình6-17.

Chú y: ngày nay r ơ le k ĩ thuật tươ ng tự hầu như không còn sử dụng linh kiện đèn điện tử mà hầuhết thay bằng linh kiện bán dẫn nên ở đây không đề cậ p linh kiện điện tử.

Hình 6-16 : M ạch tích phân dùng để trì hoãn

E0

C

R

E1

Ic

-+

Filtrer

+

LeverDetector 2

I A

IB

IC

MaximumCurrentGate andRecchfier

FilterCurveShaper

LeverDetector1

RL2

Setin Timer

Regulator



71

3. R ơ le k ĩ thuật số

Đặc đ iể m: các tín hiệu xử lí bên trong của r ơ le k ĩ thuật số ở dạng số (dạng nhị phân 0,1) mà nócó thể thực hiện nhiều chức năng tuần tự. Tín hiệu đầu vào đượ c chuyển sang tín hiệu số để điều khiểntín hiệu ra.

a) Chứ c năng và cấ u trúc t ổ ng quan r ơ le số Một r ơ le số có những loại nhiệm vụ chức năng sau :

a.1) Chức năng đo lườ ng : là chức năng đầu tiên và quan tr ọng nhất, nhằm đo, lọc, tính ra những thôngsố mạch điện mà r ơ le phải canh. Các lượ ng vào đầu tiên nói chung là :

- Dòng ba pha, dòng trung tính.- Áp ba pha, áp thứ tự zêrô.

Số lượ ng vào cụ thể lại tùy yêu cầu của r ơ le. Những lượ ng này khi không có sự cố thườ ng làhình sin và cân bằng, dòng trung tính, áp thứ tự zêrô bằng không. Nhưng khi sự cố sẽ có một biến độngmạnh của thành phần tần số công nghiệ p, thườ ng kèm theo mất đối xứng khiến sinh ra các thành phầnthứ tự nghịch và zêrô. Một nét đặc biệt quan tr ọng khác nữa là kèm theo đó thườ ng sinh ra những thành phần quá độ tự do lớ n, không chu kì, khiến dòng áp quá độ cố mất dạng hình sin.

Do đó những dòng áp đo vào cần đượ c :- Biến nhỏ lại bằng những BU và BI đặc biệt (BI không bão hòa, dải đo r ộng).- Lọc thông thấ p ra thành phần tần số công nghiệ p gồm lọc cứng, khi cần k ết hợ p lọc bằng phần

mềm.- Chuẩn hóa đến mức điện áp thích hợ p, qui định cỡ 2V ứng vớ i Uđịnh mức và ứng vớ i 10.Iđịnh mức. Những việc trên thực hiện chủ yếu bằng phần cứng.

a.2) Chức năng lấ p mẫu, tính toán canh sự cố, khở i động các r ơ le chủ yếu gồm các việc sau :* Lấ p mẫu dòng, áp, tần số, đếm pha đưa vào bộ đệm mẫu.* lọc số tiế p nếu cần.

* Tính toán phân tích ra các số liệu cần như :- Dòng, áp hiệu dụng (hoặc số gia Δi, Δu).- Các thành phần thứ tự pha dòng áp.- Góc lệch pha.* Tính các biểu thức đặc tr ưng sự cố, so ngưỡ ng để phát hiện sự cố.

a.3) Các thành phần bảo vệ r ơ le và ghi chép sự cố :Khi xảy ra sự cố thì modul canh sẽ khở i động chạy chức năng bảo vệ r ơ le để xử lí ứng vớ i sự cố

ấy. Một r ơ le số có nhiều chức năng r ơ le khác nhau do các CPU thực hiện. Một modul chươ ng trình bảo

Hình 6-17 : S ơ đồ khố i một loại r ơ le t ươ ng t ự của hãng ABB



72

vệ r ơ le tươ ng ứng sẽ bắt đầu tiế p nhận lấy những số liệu đang tiế p tục diễn biến, để tính định lượ ng cụ thể các thông số của sự cố ấy và tính ra thờ i gian tr ễ cần cho việc "CẮT" sự cố. Đồng thờ i một modulcũng ghi chép lại diễn biến của sự cố để có thể lấy ra dùng sau này.a.4) Chức năng "CẮT" sự cố.a.5) Chức năng "ĐÓNG LẠI" (nếu có).

a.6) Chức năng tự kiểm tra thiết bị, như kiểm tra BU, BI đứt, chậ p, kiểm tra điện áp để "ĐÓNG", "CẮT"đủ không và nhất là kiểm tra các vi xử lí có chạy tốt không. Để có những xử lí báo tín hiệu hay báo độngcần thiết. Hình 6-18 vẽ một phần lưu đồ xử lí của r ơ le bảo vệ nhanh đườ ng dây cao áp LFP.931 của hãng NARI Trung Quốc.b) Phần mề m của r ơ le số

K ết cấu phần cứng và phần mềm của các kiểu r ơ le số của các hãng khác nhau thườ ng có những nétđặt biệt riêng, không giống nhau. Các hãng đó đều không cho thông báo gì rõ về phần cứng, phần mềmcủa họ. Ở đây sẽ chỉ nêu trên những nét chung về phần mềm của r ơ le số.b.1) Phần mề m của r ơ le số ở Runtime sau khi KH Ở I ĐẦ U thườ ng g ồm một số bộ phận

Sampling

Lineener izd

Undervoltagedistance

relay

Powerswing

blockin

Trippinglo ic

Closinglo ic

Normal

operationro ram

Phase distatacerelay picks up

Faul detector

earthdistance

N

NN

Y

Y

Y

Y

Sampleinterru t

Return to main program

Hình 6-18

Biểu đồ chứ c năng bảo v ệ của CPU1 trong LFP 931của hãng NARI

(Trung Quốc).

Đồng hồ lấy

Do modulCANH sự cố

khởi

Modullấy mẫu12,16,24lần chu kìtrở về của

Modul các bảovệ rơle-Kiểm tra cờ tính sự cố của

bảo vệ.-Dựng /xóa các



73

a) Bộ phận thườ ng kì chạ y liên t ục theo nhữ ng chu kì* Modul "LẤY MẪU" các dòng, áp, tr ạng thái cất vào byffer các mẫu. Tần số lấy mẫu 12, 16

hoặc 24 lần/chu kì điện.*Modul "CANH" sự cố, nó tính liên tục những thông số đặc tr ưng sự cố hay dùng các biên độ

dòng và canh, khi chúng vượ t những ngưỡ ng thì phát hiện ra sự cố và khở i động những modul bảo vệ làm việc. Khở i động modul "LƯ U GIỮ " các số liệu của sự cố (dòng, áp, các lệnh đóng/cắt,...). Chu kìcanh giữ thườ ng 10ms hay 20ms. b) Các modul "B Ả O V Ệ RƠ LE" do modul "CANH" khở i động

Gồm một số modul bảo vệ chính và một số modul bảo vệ hậu bị. Ví du bảo vệ quá dòng cắt nhanh, bảo vệ quá dòng định thờ i gian, bảo vệ quá dòng thờ i gian, bảo vệ phươ ng hướ ng góc pha, bảo vệ khoảng cách, bảo vệ thấ p tần,... Thật ra chỉ khở i động những bảo vệ đã đượ c ngườ i dùng chọn. Cácmodul này có thể đượ c thiết k ế theo kiểu chạy lần lượ t, theo một thứ tự đã định. Chúng lần lượ t tính chitiết những thông số liên quan đến nhiệm vụ bảo vệ của mình. Ví du modul bảo vệ quá dòng thờ i gian sẽ tính xem :

- Quá dòng các pha nào, giá tr ị bao nhiêu.- Thờ i gian cắt theo tiêu chuẩn thờ i gian ngượ c nào, tính ra là bao nhiêu ms bao nhiêu chu kì

20ms.Sau đó từng modul dựng cờ sự cố của mình và ghi vào ô nhớ thờ i gian của mình để modul "TRIP"

thực hiện.c) Modul "TRIP" cũng đượ c modul "CANH" khở i động bắ t đầu chạ y

Nó kiểm tra các cờ sự cố và các ô ghi thờ i gian cắt để đếm ngượ c cho đến hết thờ i gian cắt nào tr ướ cthì ra lệnh "CẮT". Sau đó nó xem có đặt chế độ "ĐÓNG LẠI" RECLOSE (sau cắt quá dòng) thì khở iđộng cho modul "RECLOSE" hoạt động.d) Modul đ óng l ại "RECLOSE" đượ c khở i động



74

Nó sẽ kiểm tra chế độ Reclose (mấy lần, thờ i gian giãn cách bao nhiêu) và đếm lùi căn thờ i gian ralệnh các lần "ĐÓNG LẠI".

Việc "ĐÓNG LẠI" cũng như lệnh "ĐÓNG CẮT" còn thêm option định r ằng phải kiểm tra đồng bộ hay không. Lưu đồ thay thế như hình 6-19.c) Phần mề m khác

Bên cạnh Runtime còn có bộ phận giao tiế p sau :c.1) Modul "BÁO CÁO"

Nó báo cáo các thông tin về sự cố xảy ra (như thờ i gian, kiểu sự cố, cườ ng độ sự cố, thờ i điểm ra lệnhcắt, thờ i điểm cắt xong) gở i lên máy "QUẢ N LÍ R ƠLE" (nếu trong hệ có đặt máy này) để "QUẢ N LÍR ƠLE" báo cáo sang cho hệ SCADA.c.2) Modul này cũng báo cáo về lịch sử các sự cố cho một máy tính nối thông tin vớ i nó qua một cổngPORT RS - 232.c.3) M ột modul "L Ậ P TRÌNH CH Ế ĐÔ"

Cũng giao tiế p vớ i máy máy tính qua "PORT" đó để đối thoại giúp ngườ i thiết k ế khai báo cấuhình bảo vệ cho r ơ le, như dùng chức năng bảo vệ nào, các số đặt settings bao nhiêu. Modul này sẽ ghigiữ lại các số đặt ấy trong bộ nhớ , để các modul Runtime sẽ tra đọc mà làm việc.d) C ấ u trúc chung của r ơ le số

Từ các chức năng trên thấy r ơ le số có một số chức năng thực hiện bằng những phần cứng gầntươ ng tự nhau :

- Mạch BI, BU đo vào chuẩn hóa (những lượ ng dòng, áp vào).- Mạch lọc cứng; Mạch lấy mẫu (lấy mẫu những lượ ng gì, tần số lấy mẫu).- Mạch vi xử lí (mấy CPU, kiểu gì); Mạch "CẮT".- Mạch giao tiế p vớ i ngườ i, mạch thông tin; Các đèn báo.Tín hiệu sau khí lấy qua biến dòng có tr ị số thích hợ p đượ c đưa vào chỉnh lưu tạo ra dòng điện

một chiều. Tuy nhiên các mạch điện tử chỉ làm việc vớ i một dòng điện định mức giớ i hạn nhỏ nhất địnhnào đó. Để đưa dòng điện thích hợ p vào CPU, ta phải lựa chọn dòng điện đầu vào nhờ công tắc lựa chọn

để có tín hiệu vào trong dải cho phép. Cấu trúc chung của một r ơ le số gồm các khối sau:

Input

Interpos

Current settingswitch

A to D

Current selectswiches

HighSwitchsetting

TMSSwitchsettingMicro

Output

H.S output

Timecurrentout ut

H.S Tim

0.2/0.10.4/0 0.5/00.2/0 0.4/0

0.4/00.2/00.1/00.05/0

0.05/0.025

0/016/5/02/01/0



75

d.1) Bộ biế n đổ i A/D: trong CPU có khối A/D làm nhiệm vụ chuyển tín hiệu từ tươ ng tự(liên tục) sang tínhiệu số. Bộ phận này có hai chức năng là lượ ng tử hóa tín hiệu liên tục cho ra tín hiệu r ờ i r ạc sau đó mãhóa tín hiệu r ờ i r ạc này. Việc mã hóa là gán những mã nhị phân cho từng tín hiệu r ờ i r ạc trong quá trìnhlượ ng tử hóa.d.2) Sau khi l ấ y tín hiệu t ừ bộ chuyể n đổ i đầu vào A/D: ở dạng số bộ vi xử lí (CPU) sẽ phân tích đánh giávà cho tín hiệu đầu ra. Bộ CPU có nhiều khối nhỏ hợ p thành việc chỉnh định các thông số tác động nhờ các công tắc lậ p trình cho các giá tr ị đặt. Các công tắc là một trong số chuỗi nhị phân của của giá tr ị lậ ptrình đó, nó có thể ở mức 0 hay mức 1. Khi chỉnh định các thông số các giá tr ị này có thể hiển thị trênmàn hình tươ ng ứng các giá tr ị của các công tắc lậ p trình đó. Ngoài ra, thờ i gian tác động cũng đượ c đưa vào các công tắc lậ p trình, tùy theo nhu cầu phối hợ p bảo

vệ mà ta chọn số nào trong chuỗi công tắc lậ p trình đó.

d.3) Khố i đ iề u khiể n đầu ra: thực hiện việc chuyển mạch đưa tín hiệu vào các r ơ le đầu ra, mỗi r ơ le đầu racó thể cho tín hiệu đến máy cắt hay đèn tín hiệu khi có sự cố xảy ra trong vùng bảo vệ.d.4) Rơ le đầu ra (khố i thự c hiện): cũng tươ ng tự ở r ơ le tươ ng tự tín hiệu cắt nhờ tầng khuếch đại côngsuất đưa đến cuộn cắt máy cắt. Trong r ơ le so lệch tr ị số các vòng dây của biến dòng và giá tr ị điện tr ở thườ ng đượ c chọn để hằng số thờ i gian của mạch thứ cấ p k ể cả mạch từ hóa r ất bé (khoảng 0,06 chu kìtần số trong công nghiệ p). Giá tr ị tối ưu này đượ c hiệu chỉnh sao cho khi đóng không tải thành phần ngắnmạch trong vùng bảo vệ đượ c hấ p thụ hoàn toàn bở i mạch từ hóa của máy biến áp trong khoảng 0,18 chukì tần số công nghiệ p. Do vậy r ơ le không bị chậm pha khi có dòng ngắn mạch hình sin vớ i thành phầnkhông chu kì. Hình 6-20 và 6-21 vẽ sơ đồ sơ lượ c của r ơ le số của hãng ABB và hãng NARI: Chức năngtừng bộ phận mạch của r ơ le đượ c các sơ đồ thể hiện một cách sơ lượ c.e) Bộ phận chứ c năng giao tiế p vớ i ng ườ ie.1) Các r ơ le số có nhữ ng bộ phận để giao tiế p vớ i ng ườ i thuận tiện (thườ ng có t ổ chứ c):

* Một PORT truyền tin RS - 232 hoặc RS - 485 để truyền tin đối thoại vớ i ngườ i lậ p trình hoặctr ực ban qua màn hình hay bàn phím máy tính.

* Một panel bảng chữ LCD và bộ phím sử dụng để đối thoại vớ i ngườ i lậ p trình hoặc tr ực ban.e.2) M ục đ ích các việc truyề n tin chủ yế ue.2.1) Chỉnh đặt cho các chức năng bảo vệ r ơ le :Dùng/ không dùng chức năng bảo vệ nào; Đặt các giá tr ị mức ngưỡ ng, thờ i gian tr ễ, số lần bao nhiêu ,...e.2.2) Khai báo cấu hình mạch vào gồm: hệ số BI, BU; khai báo cách đấu dây của chúng.e.2.3) Khai báo về cấu hình các mạch đóng, cắt.e.2.4) Đọc ra và sửa các thông số đã đượ c chỉnh đặt, đã khai báo.

Hình 6-20: S ơ đồ khố i một r ơ le số của hãng ABB

Serialport

Printer

Management

CPU1 General

ALF

tester I0 i0

I A i A



76

Chươ ng 7. CẢM BIẾN


1. Khái niệmCảm biến là các phần tử nhạy cảm dùng để biến đổi các đại lượ ng đo lườ ng, kiểm tra hay điều

khiển từ dạng này sang dạng khác thuận tiện hơ n cho việc tác động của các phần tử khác. Cảm biến là

một thiết bị chịu tác động của đại lượ ng cần đo m không có tính chất điện và cho một đặc tr ưng mang bản chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện, tr ở kháng) kí hiệu là s có s = F(m). Cảm biến thườ ngdùng ở khâu đo lườ ng và kiểm tra.

Các loại cảm biến đượ c sử dụng r ộng rãi trong tự động hóa các quá trình sản xuất và điều khiểntự động các hệ thống khác nhau. Chúng có chức năng biến đổi sự thay đổi liên tục các đại lượ ng đầu vào(đại lượ ng đo lườ ng - kiểm tra, là các đại lượ ng không điện nào đó thành sự thay đổi của các đại lượ ngđầu ra là đại lượ ng điện, ví d ụ: điện tr ở , điện dung, điện kháng, dòng điện, tần số, điện áp r ơ i, góc pha,...

Hình 6-21: K ết cấu r ơ le số LFP-902 (bảo v ệ đườ ng dây siêu cao).



77

Căn cứ theo dạng đại lượ ng đầu vào ngườ i ta phân ra các loại cảm biến như: cảm biến chuyểndịch thẳng, chuyển dịch góc quay, tốc độ, gia tốc, mô men quay, nhiệt độ, áp suất, quang, bức xạ,...

2. Các thông số cơ bản của cảm biến

a) Độ nhạ y X

Y

S Δ

Δ

= Vớ i: +ΔX: gia số đại lượ ng đầu vào.

+ΔY: gia số đại lượ ng đầu ra.

Trong thực tế còn sử dụng độ nhạy tươ ng đối:

XX Y

YS0 Δ

Δ=

Vớ i: Y là đại lượ ng ra.X là đại lượ ng vào.

Cảm biến có thể là tuyến tính nếu S0=const hoặc là phi tuyến nếu S0= var. Cảm biến phi tuyến cóđộ nhạy phụ thuộc vào giá tr ị đại lượ ng vào (X). b) Sai số

Sự phụ thuộc của đại lượ ng ra Y vào đại lượ ng đầu vào X gọi là đặc tính vào ra của cảm biến. Sự sai khác giữa đặc tính vào ra thực vớ i đặc tính chuẩn (đặc tính tính toán hay đặc tính cho trong lí lịch)

đượ c đánh giá bằng sai số. Phân làm hai loại sai số + Sai số tuyệt đối X'XX −=Δ X': giá tr ị đo đượ c; X: giá tr ị thực.

+ Sai số tươ ng đốiX

Xa

Δ=

Các nguyên nhân ảnh hưở ng t ớ i sai sô Có nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan ảnh hưở ng tớ i sai số, trong thực tế ngườ i ta đưa

ra các tiêu chuẩn và các điều kiện k ĩ thuật để hạn chế mức độ ảnh hưở ng này trong phạm vi cho phép.Sai số ở giá tr ị định mức do yếu tố của bên ngoài gọi là sai số cơ bản. Nếu yếu tố của bên ngoài

vượ t ra khỏi giớ i hạn định mức thì xuất hiện sai số phụ. Để giảm sai số phụ phải giảm độ nhạy của cảm biến vớ i yếu tố ngoài hoặc hạn chế ảnh hưở ng của chúng bằng màn chắn hay môi tr ườ ng khác.c ) Các yêu cầu của cảm biế n

Muốn có độ nhạy cao, sai số nhỏ, cảm biến cần có các tính chất sau:

+ Có dải thay đổi đại lượ ng vào cần thiết.+ Thích ứng và thuận tiện vớ i sơ đồ đo lườ ng, kiểm tra.+ Ảnh hưở ng ít nhất đến đại lượ ng đầu vào.+ Có quán tính nhỏ.Hiện nay có r ất nhiều loại cảm biến, chúng làm việc theo nhiều nguyên lí khác nhau, do vậy k ết

cấu của cảm biến r ất đa dạng và phong phú. Bảng 7-1 là nguyên lí làm việc và lãnh vực của cảm biếncảm ứng, là loại phổ biến trong tự động hóa và điều khiển tự động.d) Phân loại cảm biế nCó thể phân các cảm biến làm hai nhóm chính: là cảm biến tham số (thụ động) và cảm biến phát (chủ động hay tích cực).* Nhóm phát (làm việc như một máy phát hình 7-1) bao gồm các loại cảm biến sử dụng hiệu ứng cảmứng điện từ, hiệu ứng điện áp, hiệu ứng Holl và sự xuất hiện sức điện động của cặ p nhiệt ngẫu, tế bàoquang điện.

+Hiệu ứng cảm ứng điện từ: trong một dây dẫn chuyển động trong một từ tr ườ ng không đổi sẽ xuất hiện một sức điện động tỉ lệ vớ i từ thông cắt ngang dây trong một đơ n vị thờ i gian, ngh ĩ a là ti lệ vớ itốc độ dịch chuyển của dây dẫn.

Hiệu ứng cảm ứng điện từ đượ c ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông quaviệc đo sức điện động cảm ứng.

+Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: là hiện tượ ng các điện tử đượ c giải phóng thoát ra khỏi vật liệutạo thành dòng đượ c thu lại dướ i tác dụng của điện tr ườ ng.



78

+Hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn: là hiện tượ ng khi một chuyển tiế p P-N đượ c chiếusáng sẽ phát sinh ra các cặ p điện tử-lỗ tr ống, chúng chuyển động dướ i tác dụng của điện tr ườ ng chuyểntiế p làm thay đổi hiệu điện thế giữa hai đầu chuyển tiế p.

+Hiệu ứng Holl: trong vật liệu (thườ ng là bán dẫn) dạng tấm mỏng có dòng điện chạy qua đặttrong từ tr ườ ng B có phươ ng tạo thành một góc vớ i dòng điện I sẽ xuất hiện một hiệu điện thế U theo

hướ ng vuông góc vớ i B và I. Hiệu ứng Holl đượ c ứng dụng để xác định vị trí của một vật chuyển động.Vật sẽ đượ c ghép nối cơ học vớ i một thanh nam châm, ở mọi thờ i điểm vị trí của thanh nam châm xácđịnh giá tr ị của từ tr ườ ng và góc lệch tươ ng ứng vớ i tấm bán dẫn mỏng làm trung gian. Hiệu điện thế đođượ c giữa hai cạnh tấm bán dẫn trong tr ườ ng hợ p này (gián tiế p) là hàm phụ thuộc vị trí của vật trongkhông gian.

Cảm biến loại này là cảm biến tích cực vì trong tr ườ ng hợ p này nguồn của dòng điện I (chứ không phải đại lượ ng cần đo) cung cấ p năng lượ ng liên quan đến tín hiệu đo.

+Hiệu ứng điện áp: khi tác dụng lực cơ học lên một vật làm bằng vật liệu áp điện (như thạchanh) sẽ gây nên biến dạng của vật đó và làm xuất hiện lượ ng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu nhautrên các mặt đối diện của vật (là hiệu ứng điện áp). Hiệu ứng này đượ c ứng dụng để xác định lực hoặccác đại lượ ng gây nên lực tác dụng vào vật liệu áp điện (như áp suất, gia tốc,...) thông qua việc đo điện áptrên hai bản cực tụ điện.

Ngoài ra còn cảm biến nhiệt điện, cảm biến hóa điện,...*C ảm biế n tham số (thụ động): thườ ng đượ c chế tạo từ những tr ở kháng có một trong các thông số chủ

yếu nhạy vớ i đại lượ ng cần đo. Một mặt giá tr ị của tr ở kháng phụ thuộc vào kích thướ c hình học củamẫu, nhưng mặt khác nó còn phụ thuộc vào tính chất điện của vật liệu như: điện tr ở suất, từ thẩm, hằngsố điện môi. Vì vậy giá tr ị của tr ở kháng thay đổi dướ i tác dụng của đại lượ ng đo ảnh hưở ng riêng biệtđến tính chất hình học, tính chất điện hoặc đồng thờ i ảnh hưở ng cả hai. Thông số hình học hoặc kíchthướ c của tr ở kháng có thể thay đổi nếu cảm biến có phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng.

+Tr ườ ng hợ p khi có phần tử động thì mỗi vị trí của phần tử sẽ tươ ng ứng vớ i một giá tr ị tr ở kháng, đo tr ở kháng sẽ xác định đượ c vị trí đối tượ ng. Đây là nguyên lí nhiều cảm biến như cảm biến vị trí, cảm biến dịch chuyển.

+Tr ườ ng hợ p cảm biến có phần tử biến dạng, thì sự biến dạng gây nên bở i lực hoặc các đạilượ ng dẫn đến lực (áp suất, gia tốc) tác dụng tr ực tiế p hoặc gián tiế p lên cảm biến làm thay đổi tr ở kháng.Sự thay đổi tr ở kháng liên quan đến lực tác động lên cấu trúc, ngh ĩ a là tác động của đại lượ ng cần đođượ c biến đổi thành tín hiệu điện (hiệu ứng áp tr ở ).

Tr ở kháng của cảm biến thụ động và sự thay đổi của tr ở kháng dướ i tác dụng của đại lượ ng cầnđo chỉ có thể xác định đượ c khi cảm biến là một thành phần của mạch điện. Trong thực tế tùy từng

tr ườ ng hợ p cụ thể mà ngườ i ta chọn mạch đo thích hợ p vớ i cảm biến. Hình 7-2 biểu diễn một mạch điệnđo điện thế trên bề mặt màng nhạy quang đượ c lắ p ráp từ nhiều phần tử.

F

u u φ F

a) b)

Hình 7-1: C ảm biến pháta) Hiệu ứ ng đ iện áp; b) Hiệuứ ng hóa đ iện



79

Bảng 7-1: Một số loại cảm biến thông dụng

Đại lượ ng đầu vào Phươ ng pháp thay đổi từ dẫn-Cảm biến chuyển dịch cơ học- Lực , hoặc áp suất.

- Nhiệt độ.- Cườ ng độ từ tr ườ ng.

-Thay đổi khe hở không khí-Dùng một trong hai phươ ng pháp sau:

+ Hiệu ứng đàn hồi từ (từ dẫn thay đổi dướ i tác dụng củalực hoặc áp lực).

+ Độ võng của màng dẻo và chuyển dịch của phần ứng liênk ết vớ i chúng thay đổi khe hở không khí.

-Thay đổi độ từ thẩm μ .

-Thay đổi độ từ thẩm μ (cuộn kháng bão hòa).

Bảng 7-2: Đặc điểm một số loại cảm biếnĐại lượ ng cần đo Đặc tr ưng nhạy cảm Loại vật liệu sử dụng

Nhiệt độ ρ(điện tr ở suất) Kim loại:Pt,Ni,CuBán dẫn

Bức xạ ánh sáng ρ Bán dẫn Biến dạng ρ

Từ thẩm (μ) Hợ p kim Ni,Si pha tạ p

Hợ p kim sắt từ Vị trí (nam châm) ρ Vật liệu từ tr ở Bi,InSb Độ ẩm ρ LiCl

FC

1

D

2

PA

3

PC

4

ADC 6

CPU

7

MÁY IN

MÀN HÌNH

5

Hình 7-2: M ạch đ o đ iện thế bề mặt1.Máy phát chứ c năng; 2. C ảm biếnđ iện tích3.Tiền khuếch đại; 4. So pha lọcnhiễ u5.Khuếch đại; 6. Chuy ển đổi tươ ng tự số



80

ε (hằng số điện môi) Al2O3,Polime Mức ε Chất lưu cách điện

Ta chỉ khảo sát ở đây một số loại có nguyên lí làm việc gần vớ i lãnh vực thiết bị điện, các cảm biến còn lại tham khảo các tài liệu khác.

7.2. CẢM BIẾN ĐIỆN TR Ở

1. Khái niệm Cảm biến điện tr ở có đại lượ ng đầu vào là các đại lượ ng cơ : chuyển dịch cơ học thẳng hoặc

chuyển dịch góc quay (hình 7-3), áp lực, độ biến dạng,...Còn đại lượ ng đầu ra là điện tr ở hoặc sự thay đổi điện tr ở của cảm biến. Theo k ết cấu cảm biến

điện tr ở có các loại:- Cảm biến điện tr ở dây quấn.

- Cảm biến điện tr ở tiế p xúc.

- Cảm biến điện tr ở biến dạng (tenzô).

2. Cảm biến điện trở dây quấn Nguyên lí loại này hoàn toàn giống một biến tr ở trong phòng thí nghiệm. Nếu cơ cấu đo (phần tử

chuyển dịch) đượ c liên hệ về cơ vớ i tiế p điểm động (con tr ượ t biến tr ở ), thì sự chuyển dịch của tiế p điểm

động sẽ phụ thuộc chuyển dịch của cơ cấu đo (lượ ng vào) dẫn đến điện tr ở đầu ra của cảm biến (lượ ngra) thay đổi tươ ng ứng. Tiế p điểm động có thể chuyển động thẳng hoặc quay (hình 7-3).C ấ u t ạo: Các bộ phận chính của cảm biến gồm:+ Khung của cảm biế n thườ ng bằng vật liệu cách điện, chịu nhiệt như ghetinắc, técxtôlít, sứ hoặc kimloại có phủ lớ p cách điện, cách nhiệt bên ngoài. Tiết diện ngang của khung có thể không đổi (cảm biếntuyến tính) hoặc thay đổi (cảm biến phi tuyến).+ Dây đ iện tr ở : làm bằng kim loại ít bị ôxy hóa có điện tr ở ít thay đổi theo thờ i gian và theo nhiệt độ như côngstăngtan, vonfram, maganin,... Bên ngoài dây đượ c phủ một lớ p sơ n cách điện hoặc lớ p oxit vàmột lớ p sơ n để gắn chặt dây quấn vớ i khung. Độ lớ n của dây quấn phụ thuộc vào độ chính xác yêu cầucủa cảm biến. Đối vớ i cảm biến có độ chính xác cao, dây có đườ ng kính từ 0,03mm đến 0,1 mm, loại cóđộ chính xác thấ p thì đườ ng kính dây từ 0,1mm đến 0,4 mm.+ Tiế p đ iể m: đượ c làm bằng kim loại có tính dẫn điện tốt, chịu mài mòn và có điện tr ở tiế p xúc nhỏ, bề r ộng tiế p xúc trên cuộn dây bằng 2 đến 3 lần đườ ng kính dây. Dải này đượ c tạo ra bằng cách dùng giấynhám mỏng đánh bóng trên cuộn dây. Lực ép lên tiế p điểm bằng 0,5g đến 15 g.

3. Cảm biến tuyến tínhThườ ng đượ c nối một cách đơ n giản bằng ba cách như hình 7-4.

a) b)

Hình 7-3: C ảm biế n đ iện tr ở

U0

Ur Ur Uv



81

Ở chế độ không tải hoặc khi điện tr ở vào của mạch lớ n hơ n nhiều so vớ i điện tr ở của cảm biến

R 0 thì điện áp ra UR0 phụ thuộc vào chuyển dịch x hoặc góc ϕ theo phươ ng trình sau mà không phụ thuộc vào tr ị số điện tr ở R 0:

- Cảm biến thẳng: UR0 = x.sx.l

Ur.

R

U 0

0

0 ==

- Cảm biến quay : UR0 = ϕ= .sr.R

U

0

0

Trong đó: s =l

U0 gọi là độ nhạy của cảm biến, trên đặc tính góc hình 7-5, góc α có : tgα = s =l

U0 .

Chú ý: nếu nối cảm biến theo sơ đồ a) và b) hình 7-4 thì cực tính điện áp ra của cảm biến không thayđổi, nếu nối theo sơ đồ c) có thể thay đổi đượ c điệnáp ra lớ n nhất giảm còn U0/2 nhưng ở cực tính điện

áp ra vẫn bằng U0 , có ngh ĩ a là độ nhạy cảm biếntăng lên hai lần. Tuy nhiên cấu tạo cảm biến theosơ đồ này sẽ phức tạ p hơ n. Ngoài các loại như hình7-4 a,b,c còn dùng sơ đồ kiểu cảm biến kép gócquay.

Thông thườ ng để tăng độ nhạy của cảm biếnngườ i ta nâng cao điện áp làm việc U0.

Việc này dẫn đến tăng công suất tiêu tán củacảm biến. Độ nhạy cực đại phụ thuộc vào công suấtcho phép lớ n nhất Pmax của điện tr ở cảm biến R 0 đượ c xác định theo công thức sau:

max

0max

max x

R.PS =

Trong đó: xmax là độ dịch chuyển lớ n nhất của tiế p điểm động.Độ nhạy của cảm biến điện tr ở đạt từ 3 đến 5 [V/mm]. M ột số nguyên nhân sai số của cảm biế n khi làm việc

Hình 7-4 C ảm biế n đ iện tr ở tuyế n tính

Hình 7-5: Đặc tính cảm biế n tuyế n tính

U0

I,X

α

U0

Urx

lR0Rx

U0

Ur

a) b) c)



82

+ Vùng không nhạ y : do cảm biến gồm nhiều vòng dây quấn liên tiế p trên khung nên trong quá trình làmviệc tiế p điểm động dịch chuyển từ vùng nàysang vùng khác điện áp sẽ thay đổi nhảy cấ pvớ i giá tr ị Δ U ( là điện áp r ơ i trên một vòngdây).

Δ U =WU0

Vớ i W là số vòng dây của cảm biến.Khi tiế p điểm chưa chuyển dịch đến vùngkhác thì điện áp ra không đổi do đó đặc tínhUR0 thực chất là đườ ng bậc thang như hình 7-6.+ Sai số do t ải: khi đặt tải R t và điện áp vàoR o là U0 thì đặc tính UR = f (x) sẽ thay đổi hìnhdạng không còn là đườ ng thẳng nữa. Xét cảm biến đơ n tải như hình 7-7.

Sau khi biến đổi ta có:

t

t0

0

t

t

r

Rr

R.r)rR(

UI

Rr

R.rIU

+++

=

+=

.

Từ đó ta có :

Ur = I.r =

t

2

t

00

0

R

r

R

R.rR

r.U

−+

( 7.1)

-Nếu R t >> R 0 thì 0R

R

t

0 ≈ và 0R

r

t

2

≈ ta có:

Ur = 0

0

0 UR

r.U = .

R t hầu như không ảnh hưở ng đến điện áp ra và đặc tính gần dạng không tải.-Nếu R t ≈ R 0 thì sai số gây ra sẽ là:

2

0

2

0t

2

0

0

2

0

r.Rr.RRR

)rR(r.UU

−+

−=Δ .

Và ta có sai số tươ ng đối lớ n nhất:

amax =0U

UΔtại r = 0R

3

2 ứng vớ i x = l

3

2

và amax =η27

4vớ i

0

t

R

R=η là hệ số tải. Ta thấy hệ số tải càng lớ n η càng lớ n thì sai số a càng nhỏ.

Ngoài ra sai số của cảm biến còn do sự thay đổi của nhiệt độ, ma sát do điện áp r ơ i trên tiế p xúc

gây ra.

4. Cảm biến phi tuyến Trong k ĩ thuật ngoài cảm biến điện tr ở tuyến tính còn cần cả những cảm biến điện tr ở phi tuyến

là loại có đặc tính quan hệ Ur = f(x) dạng phi tuyến. Để tạo ra loại cảm biến có quan hệ Ur = f(x) theoyêu cầu cho tr ướ c có thể thực hiện theo các phươ ng pháp sau:

a) Thay đổi đườ ng kính dây quấn. b) Thay đổi bướ c dây quấn.

Hình 7-6 :Vùng không nhạ y của cảm biế n

Hình 7-7 :C ảm biế n đơ n t ải

U0 R 0

rR T

Ur

Δ X

Δ U

X

Ur



83

c) Thay đổi tiết diện ngang của khung dây.d) Mắc điện tr ở sun vào từng phân đoạn của cảm biến tuyến tính có tr ị số khác nhau.Thực tế phươ ng pháp a và b r ất khó thực hiện do công nghệ chế tạo, chỉ có hai phươ ng pháp sau

thườ ng đượ c sử dụng. Phươ ng pháp thay đổi tiết diện ngang của khung dây thườ ng để đơ n giản cho chế tạo. Ngườ i ta sử dụng dây quấn tiết diện không đổi và bề mặt khung như nhau suốt chiều dài khung (như

hình 7-8).Trong đó có:hx là chiều cao khung tại vị trí x.l:chiều dài làm việc của cảm biến .W: số vòng dây.R 0 là điện tr ở toàn bộ của cảm biến.S là tiết diện dây quấn.r x là điện tr ở ứng vớ i vị trí x.

Nếu tiế p điểm động dịch chuyển từ vị trí x đi một đoạn dx thì điện tr ở ứng vớ i độ

dịch chuyển đó là:

dr x =s

dx.l

W).hb(2.. x+ρ

Vì b<< hx và coi như b+hx ≈ hx nên có:

dr x s.l

W.h.2.. xρ≈ .

Ứ ng d ụng cảm biế n đ iện tr ở trong bể đ o mứ c chấ t l ỏng hình 7-9.Trong đ ó: 1- Bể chất lỏng.2- Phao nối vớ i bộ phận cơ khí.

3- Tiế p điểm động.4- Cảm biến. 5- Lô gô mét.

5. Cảm biến điện trở tiếp xúc (biế ntr ở than)

Dựa trên nguyên lí sự thayđổi điện tr ở tiế p xúc giữa các hạt thankhi lực ép lên (áp lực) trên chúngthay đổi.C ấ u t ạo: gồm các hạt than đượ c k ếtdính theo một phươ ng pháp nhất địnhthành các đĩ a đườ ng kính từ 5 đến 30mm dày 1mm đến 2mm. Mỗi cảm biến gồm 10 đến 15 đĩ a than xế p chồng nên nhau và có điện tr ở khoảng vài chục Ôm. Để tăng độ ổn định khi làm việc cảm biến đượ c đặt dướ i áp suất ban đầu (khi

không tải) khoảng 20kg/cm2, áp suất lớ n nhất khi làm việc (có tải) đến (50 ÷ 60) kg/cm2 thì điện tr ở cảm biến giảm (20 ÷ 30)%. Đại lượ ng vào là lực F ra là R k đặc tính vào ra như hình 7-10.

quan hệ R k = f(F) mô tả theo công thức :0kmk R

F

K R += , vớ i:

Hình 7-8: C ảm biế n đ iện tr ở phi tuyế n

hx

dxxl



84

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

haûtåïieïplæûcaïphaûn våïitåïiâiãûn tråí

xuïctiãúpdaûngthuäücphuûsäúhãû

thanâéaliãûuváûtthuäücphuûsäúhãû

:k0

R

:m

:K

Nếu cảm biến gồm n đĩ a thì:

⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ +−=

0kmk RF

K )1n(R

Quan hệ R k = f(F) là phi tuyến khi F tăngđến một giá tr ị nào đó thì R k không giảmnữa và có tính chất tr ễ như đặc tính hình7-10 là do tính chất không đàn hồi của vậtliệu tạo nên. Đây là một nguyên nhân gâyra sai số, ngoài ra khi nhiệt độ θ tăng thìđiện tr ở cảm biến giảm (θ tăng do môitr ườ ng hoặc do tổn hao trong cảm biến).Ư u đ iể m : đơ n giản, chất tạo từ vật liệu r ẻ tiền, công suất tươ ng đối lớ n tớ i hàng tr ăm W và dòng qua đếnvài A, không cần cơ cấu khuếch đại. Thườ ng dùng đo áp lực và trong các bộ phận tự động điều chỉnh

điện áp máy phát một chiều và xoay chiều.Ví d ụ: cảm biến trong tự động điều chỉnh điện áp máy phát một chiều hình 7-11 gồm:

1-nam châm điện một chiều có cuộn dâynối song song vớ i điện áp máy phát, lựchút nam châm sẽ thay đổi tùy điện áp ra.2- lò xo cân bằng vớ i lực nam châm 1,tạo ra lực ép lên đĩ a than nhờ tay đòn 3, bộ phận thừa hành là cảm biến 4 nối vớ imạch kích từ máy phát.

6. Cảm biến kiểu biến dạng (tenzô)

Ta biết r ằng khi có lực tác dụngvào vật dẫn thì kích thướ c và cấu trúccủa chúng sẽ thay đổi làm điện tr ở thay

đổi. Lợ i dụng tính chất này ngườ i ta chế tạo cảm biến biến dạng dùng để đo vàkiểm tra các lực biến dạng cơ của các chi tiết máy, có loại kiểu dây quấn, kiểu bán dẫn.

7.3. CẢM BIẾN ĐIỆN CẢM

Hình 7-10: C ảm biế n đ iện tr ở tiế p xúc và đặc tính

F

I

a)

12

b)

R

F[kg



85

1. Cảm biến có điện cảm thay đổi

Hình 7-12 là loại cảm biến điện cảm đơ n giản nếu bỏ qua từ tr ở lõi thép, từ thông rò và từ thông tản khe hở khôngkhí làm việc thì ta có điện cảm.

2)G2fW2(20

R

U

2)L(2)R TR(

UI

:coï Ta

].m[laìm viãûchåí khedaìichiãöu:

].2m[maûch tæìgdiãûn ngantiãút:S

khê.khängcuíatháømtæìâäülaì]H/m[6-1,25.10=:0

dáycuäündáyvoìngsäú laì

]H[SWGWL

W:Våïi

022

δπ+=

ω++=

δ

μ

δμ== δ

R T: điện tr ở tải, R: điện tr ở cuộn dây. Điện cảm L sẽ thay

đổi nếu ta làm thay đổi khe hở δ, diện tích S hoặc độ từ thẩmμ, dẫn đến dòng điện i biến thiên tươ ng ứng. Ứ ng dụng hiệntượ ng này ngườ i ta chế tạo các loại cảm biến điện cảm khácnhau.Cảm biến có phần ứng chuyển dịch ngang như hình 7-13. Độ

nhạy của cảm biến khi khe hở thay đổi :

2

0

0

0

)1(

LLK

δδΔ

+δ=

δΔΔ

−=δ

Diện tích khe hở thay đổi là:

0

0

S

L

S

LK =

Δ

Δ−=δ

L0 : giá tr ị điện cảm ban đầu của cảm biến ở δ = δ0; S = S0.Δδ và ΔS : độ thay đổi khe hở và diện tích.Độ nhạy K δ là hàm phi tuyến vớ i Δδ trong đó các tr ườ ng hợ p làm việc có độ phi tuyến nhỏ có thể chọn

2,00

=δ

δΔ.

2. Sai số của cảm biếnSai số của cảm biến chịu ảnh hưở ng của nhiều yếu tố như :

+ Độ ổn định của biên độ và tần số nguồn cung cấ p+ Anh hưở ng của nhiệt độ đến điện tr ở dây quấn và kích thướ c khe hở làm việc.

a)

b)

Hình 7-12: a) S ơ đồ; b) Đặc tính cảmbiế n có khe hở làm việc thay đổ i

I

L

I, L

δ

δ

x

L R

u



86

3. Nhượ c điểmCảm biến điện cảm có các nhượ c điểm sau:

a) Xuất hiện lực hút điện từ tác dụng lên phần ứng, tạo ra phụ tải cơ trên phần tử cần đo

lườ ng, kiểm tra nên dẫn đến giảm độ chính xác khicảm biến làm việc.

b) Dòng trong mạch luôn khác không, giá tr ị nhỏ nhất của nó ứng vớ i vị trí khe hở δ bé nhất (diệntích S lớ n nhất) và bằng dòng từ hóa i0. Điều nàykhông thuận tiện trong quá trình đo lườ ng và làmviệc.

c) Vì cảm biến có khe hở δ lớ n, để giảm kíchthướ c và giá thành thì dùng nguồn cung cấu có tần số cao (100 ÷ 3000) Hz và lớ n hơ n.

Ứ ng dụng cảm biến điện cảm như trong thiết bị tự động đo áp suất bình hơ i từ xa,...

Ngoài ra còn cảm biến kiểu biến điện áp, biến áp vi sai và cảm biến đàn hồi từ.

7.4. CẢM BIẾN CẢM Ứ NG - CẢM BIẾN ĐIỆNDUNG - CẢM BIẾN ĐIỂM

1. Nguyên lí cảm biến cảm ứ ng Làm việc dựa trên hiện tượ ng cảm ứng điện từ. Nếu từ thông móc vòng qua cuộn dây thay đổi thì

sẽ xuất hiện một sức điện động cảm ứng trên cuộn dây. Loại này đượ c chế tạo làm hai loại, cuộn dâychuyển động trong từ tr ườ ng và cuộn dây đứng yên trong từ tr ườ ng biến thiên.Ứ ng d ụng : làm cảm biến đo tốc độ.

2. Cảm biến điện dung Nguyên lí : sự thay đổi thông số cần đo dẫn đến thay đổi thông số của điện dung tụ điện (khoảng cách

hay bề mặt diện tích đặt lực thay đổi).3. Cảm biến điểm

Là loại đơ n giản nhất, đại lượ ng vào là độ chuyển dờ i, còn đại lượ ng ra là tr ạng thái đóng haymở (độ dẫn điện của hệ thống tiế p điểm).

Vớ i một khoảng chuyển dờ i quy định nào đó tiế p điểm của nó sẽ đóng hay mở làm xuất hiện tínhiệu ra cho ta biết độ dịch chuyển (độ dờ i lớ n hay nhỏ so vớ i quy định).

Dùng trong kiểm tra kích thướ c và phân loại chi tiết theo kích thướ c.

7.5. CẢM BIẾN QUANG

1. Tế bào quang dẫn Các tế bào quang dẫn là một trong những cảm biến quang có độ nhạy cao. Cơ sở vật lí của tế bào

quang dẫn là hiện tượ ng quang dẫn do k ết quả của hiệu ứng quang điện nội (hiện tượ ng giải phóng hạt tải

điện trong vật liệu dướ i tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu).a) V ật liệu để chế t ạo cảm biế n Cảm biến quang thườ ng đượ c chế tạo bằng các chất bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơ n tinh

thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạ p, ví dụ như:+Đa tinh thể :CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe.+Đơ n tinh thể:Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạ p Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, PIn, CdHgTe.Vùng phổ làm việc của các vật liệu này khác nhau.

b) Các đặc tr ư ng

a)

b)

Hình 7-13: a) C ảm bi

ế n ph

ầnứ

ng chuyể nd ịch ngang; b) đặc tính

x

d

δ

u

d,

L



87

+ Điện tr ở : giá tr ị điện tr ở tối R c0 phụ thuộc vào dạng hình học, kích thướ c, nhiệt độ và bản chấtlí hóa của vật liệu quang dẫn. Điện tr ở R c của cảm biến khi bị chiếu sáng giảm r ất nhanh khi độ r ọi tănglên. Sự phụ thuộc của điện tr ở vào thông lượ ng ánh sáng không tuyến tính, tuy nhiên có thể tuyến tínhhóa bằng cách sử dụng một điện tr ở mắc song song vớ i tế bào quang dẫn.

+Độ nhạy: độ dẫn của tế bào quang dẫn là tổng của độ dẫn trong tối và độ dẫn khi chiếu sáng.

Độ nhạy phổ là hàm của nhiệt độ nguồn sáng: khi nhiệt độ tăng thì độ nhạy phổ tăng lên.e) Ứ ng d ụng của t ế bào quang d ẫ n

Tế bào quang dẫn đượ c ứng dụng nhiều bở i chúng có tỉ lệ chuyển đổi t ĩ nh và độ nhạy cao cho phépđơ n giản hóa trong việc ứng dụng (ví dụ điều khiển các r ơ le hình 7-14). Nhượ c điểm chính của tế bàoquang dẫn là:

+Hồi đáp phụ thuộc một cách không tuyến tính vào thông lượ ng.+Thờ i gian hồi đáp lớ n.+Các đặc tr ưng không ổn định (già hóa).+Độ nhạy phụ thuộc vào nhiệt độ.+Một số loại đòi hỏi phải làm nguội. Ngườ i ta không dùng tế bào quang dẫn để xác định chính xác thông lượ ng. Thông thườ ng chúng

đượ c sử dụng để phân biệt mức sáng khác nhau (tr ạng thái tối- sáng hoặc xung ánh sáng). Thực tế thì tế bào quang dẫn thườ ng ứng dụng trong hai tr ườ ng hợ p:

+Để điều khiển r ơ le thì khi có thông lượ ng ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện tr ở của nó

giảm đáng k ể đủ để cho dòng điện I chạy qua tế bào. Dòng điện này đượ c sử dụng tr ực tiế p hoặc thôngqua khuếch đại để đóng mở r ơ le.

+Thu tín hiệu quang dùng để biến đổi xung quang thành xung điện. Sự ngắt quãng của xung ánhsáng chiếu lên tế bào quang dẫn sẽ đượ c phản ánh trung thực qua xung điện của mạch đo, ứng dẫn để đo tốc độ quay của đĩ a hoặc đếm vật.

2. Cáp quang a) C ấ u t ạo và các tính chấ t chung

Hình 7-15 biểu diễn dạng đơ n giản của cáp quang. Nó gồm một lõi vớ i chiết suất n1 bán kính a (10đến 100μm) và một vỏ có chiết suất n2 < n1 dày khoảng 50μm. Vật liệu để chế tạo cáp quang bao gồm:

+SiO2 tinh khiết hoặc pha tạ p nhẹ.+Thủy tinh, thành phần của SiO2 và phụ gia Na2O3, B2O3, PbO,..+Polime(trong một số tr ườ ng hợ p).

a n1 n2

Hình 7-15: Môi tr ườ ng có chiết suất khácnhau

a) b)

Hình 7-14: Dùng tế bào quang đ iện đ iều khiểnr ơ lea) Điều khiển tr ự c tiế p; b) Điều khiển qua



88

Ở mặt phân cách giữa hai môi tr ườ ng có chiết suất tươ ng ứng bằng n1 và n2 các góc θ1 và θ2 do tiasáng tạo thành vớ i đườ ng tr ực giác của mặt phẳng (hình 7-16) liên hệ vớ i nhau bở i biểu thức Descatesn1sinθ1= n2 sinθ2.

Khi n1> n2 sẽ xảy ra phản xạ toàn phần nếu:θ1> Arcsin(n2/n1) = θ0

Vớ i điều kiện như vậy, trong cáp quang tia sáng sẽ bị giam giữ trong lõi và đượ c truyền đi bằng phảnxạ liên tục nối tiế p nhau (hình 7-16b). Ví dụ nếu n1=1,15 và n2= 1,50 sẽ có góc giớ i hạn θ0=83030’.

b)Ứ ng d ụng của cáp quang +Trong truyền tin: đây là ứng dụng quan tr ọng nhất, truyền thông tin dướ i dạng tín hiệu ánh sáng

lan truyền trong cáp quang là để tránh các tín hiệu điện từ kí sinh hoặc để đảm bảo cách điện giữa mạchđiện nguồn và máy thu. Trong ứng dụng này thông tin đượ c truyền đi chủ yếu bằng cách mã hóa cácxung ánh sáng. Đôi khi ngườ i ta có thể truyền thông tin đi bằng cách biến điệu biên độ hoặc tần số củaánh sáng. Khi thiết lậ p một đườ ng dây truyền tin bằng cáp quang, phải đánh giá công suất của tín hiệuthu đượ c cũng như sự tiêu hao năng lượ ng do cáp quang và các mối nối gây ra.

+Quan sát và đo bằng phươ ng tiện quang học: cáp quang cho phép quan sát hoặc đo đạc bằngcác phươ ng pháp quang ở những chỗ khó tiế p cận hoặc trong các môi tr ườ ng độc hại. Sử dụng cáp quangcó thể dẫn ánh sáng tớ i đượ c những vị trí mà trong điều kiện bình thườ ng ánh sáng không thể chiếu tớ iđượ c.

n1>n2

n1

n2

θ2

θ0 θ0 θ1

a)

θ1 θ2

b)

Hình 7-16: a) khúc x ạ trên mặt phân cáchgiữ a hai môi tr ườ ng; b) phản x ạ toàn



89

Chươ ng 8. CÔNG TẮC TƠ - KHỞ I ĐỘNG TỪ - CẦU CHẢYÁPTÔMÁT

8.1. CÔNG TẮC TƠ

1. Khái quát và công dụngCông tắc tơ là một loại thiết bị điện dùng để đóng cắt từ xa, tự động hoặc bằng nút ấn các mạchđiện lực có phụ tải điện áp đến 500V, dòng điện đến 600A.

Công tắc tơ có hai vị trí là đóng và cắt. Tần số đóng có thể tớ i 1500 lần một giờ .

2. Phân loại Công tắc tơ hạ áp thườ ng là kiểu không khí đượ c phân ra các loại sau:

a) Phân theo nguyên lí truyề n động + Công tắc tơ điện từ (truyền động bằng lực hút điện từ, loại này thườ ng gặ p).+ Công tắc tơ kiểu hơ i ép.+ Công tắc tơ kiểu thủy lưc.

b) Phân theo d ạng dòng đ iện + Công tắc tơ một chiều+ Công tắc tơ xoay chiều

c) Phân theo kiể u k ế t cấ u+ Công tắc tơ hạn chế chiều cao (dùng ở gầm xe,...)+ Công tắc tơ hạn chế chiều r ộng (như lắ p ở buồng tàu điện,...)

3. Các bộ phận chính của công tắc tơ Công tắc tơ điện từ có các bộ phận chính như sau:+ Hệ thống tiế p điểm chính.+ Hệ thống dậ p hồ quang.+ Cơ cấu điện từ.+ Hệ thống tiế p điểm phụ.

4. Các yêu cầu cơ bản của tắc công tơ a) Điện áp định mứ c U đ m

Là điện áp của mạch điện tươ ng ứng mà tiế p điểm chính phải đóng/cắt, có các cấ p: + 110V, 220V,

440V một chiều và 127V, 220V, 380V, 500V xoay chiều.Cuộn hút có thể làm việc bình thườ ng ở điện áp trong giớ i hạn từ 85% đến 105%Uđm.b) Dòng đ iện định mứ c I đ m

Là dòng điện đi qua tiế p điểm chính trong chế độ làm việc gián đoạn - lâu dài, ngh ĩ a là ở chế độ này thờ i gian công tắc tơ ở tr ạng thái đóng không lâu quá 8 giờ .

Công tắc tơ hạ áp có các cấ p dòng thông dụng: 10, 20, 25, 40, 60, 75, 100, 150, 250, 300, 600A). Nếu đặt công tắc tơ trong tủ điện thì dòng điện định mức phải lấy thấ p hơ n 10% vì làm mát kém, khi làmviệc dài hạn thì chọn dòng điện định mức nhỏ hơ n nữa.



90

b) Khả năng cắ t và khả năng đ óng Là dòng điện cho phép đi qua tiế p điểm chính khi cắt và khi đóng mạch.

Ví du: công tắc tơ xoay chiều dùng để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc cần có khả năng đóng yêu cầu dòng điện bằng ( 3 ÷ 7)Iđm . Khả năng cắt vớ i công tắc tơ xoay chiều phải đạt bội số khoảng 10 lần dòng điện định mức khi tải cảm.

c) Tuổ i thọ công t ắ c t ơ Tính bằng số lần đóng mở (sau số lần đóng mở ấy công tắc tơ sẽ không dùng đượ c tiế p tục nữa, hư

hỏng có thể do mất độ bền cơ khí hoặc bền điện).+ Độ bền cơ khí: xác định bở i số lần đóng cắt không tải, tuổi thọ cơ khí từ 10 đến 20 triệu lần.+ Độ bền điện: xác định bở i số lần đóng cắt có tải định mức, công tắc tơ hiện nay đạt khoảng 3 triệu

lần.d) T ần số thao tác

Số lần đóng cắt trong thờ i gian một giờ bị hạn chế bở i sự phát nóng của tiế p điểm chính do hồ quang. Có các cấ p: 30, 100, 120, 150, 300, 600, 1.200 đến 1.500 lần trên một giờ , tùy chế độ công táccủa máy sản xuất mà chọn công tắc tơ có tần số thao tác khác nhau.h) Tính ổ n định l ự c đ iện động

Cho phép dòng lớ n nhất qua tiế p điểm chính mà lực điện động gây ra không làm tách r ờ i tiế pđiểm. Quy định dòng thử lực điện động gấ p 10 lần dòng định mức.

g) Tính ổ n định nhiệt

Công tắc tơ có tính ổn định nhiệt tức là khi có dòng ngắn mạch chạy qua trong khoảng thờ i giancho phép thì các tiế p điểm không bị nóng chảy hoặc bị hàn dính.

5. Hệ thống tiếp điểm Yêu cầu của hệ thống tiế p điểm là phải chịu đượ c độ mài mòn về điện và cơ trong các chế độ

làm việc nặng nề, có tần số thao tác đóng cắt lớ n, do vậy điện tr ở tiế p xúc của tiế p điểm công tắc tơ R tx thườ ng là tiế p xúc đườ ng (tiế p điểm hình ngón hoặc kiểu bắc cầu).

6. Nguyên lí làm việc của hệ thống dập hồ quang Theo lí thuyết có các nguyên tắc cơ bản đã đượ c nêu trong chươ ng 1.

Ta xét ở đây một vài k ết cấu dậ p hồ quang đang phổ biến:a) Thiế t bị d ậ p hồ quang trong công t ắ c t ơ một chiề u

Trong công tắc tơ một chiều thườ ng dùng phươ ng pháp dậ p hồ quang bằng từ tr ườ ng ngoài. Hệ thống này đượ c chia ra làm ba loại :

+Hệ thống có cuộn dây dậ p hồ quang nối nối tiế p (thườ ng đượ c sử dụng do có nhiều ưu điểmnhư: chiều thổi từ không đổi vì khi dòng điện thay đổi chiều thì chiều từ tr ườ ng cũng thay đổi theo. Ngoài ra có sụt áp trên cuộn dây dậ p hồ quang nhỏ).

+Hệ thống có cuộn dây dậ p hồ quang nối song song (loại này ít đượ c dùng do nhiều nhượ c điểmnhư: chiều lực tác dụng vào hồ quang phụ thuộc chiều dòng tải, cách điện cuộn dậ p lớ n do đấu song songvớ i nguồn, khi sự cố ngắn mạch gây sụt áp thì hiệu quả dậ p giảm nhiều).

+Hệ thống dùng nam châm điện v ĩ nh cửu (về bản chất gần giống cuộn dây mắc song song nhưngcó những ưu điểm sau: không tiêu hao năng lượ ng để tạo từ tr ườ ng, giảm đượ c tổn hao cho công tắc tơ ,không gây phát nóng cho công tắc tơ , vì vậy khi dòng điện bé loại này đượ c sử dụng r ộng rãi).

Hình 8-1 là k ết cấu thiết bị dậ p hồ quang điện một chiều trong công tắc tơ .b) Thiế t bị d ậ p hồ quang trong công t ắ c t ơ xoay chiề u

Các công tắc tơ xoay chiều thông dụng dùng trong công nghiệ p thườ ng bố trí chế tạo có hai điểmngắt trên một pha (dùng tiế p điểm kiểu bắc cầu).

Để nâng cao độ tin cậy làm việc của bộ phận dậ p hồ quang và để bảo vệ tiế p điểm thườ ng bố trí bổ xung các các biện pháp như:



91

+Dậ p hồ quang bằng cuộn dây thổi từ nối tiế p kèm hộ p dậ p hồ quang có khe hẹ p.

+ Chia hồ quang ra làm nhiều hồ quang ngắn, hồ quang bị thổi vào hộ p cấu trúc bằng nhiều tấmthép ghép song song.

7. Nguyên lí làm việc của công tắc tơ kiểu điện từ Hình 8-2 là kiểu nguyên lí chung của công tắc tơ kiểu điện từ.

Trên hình 8-2 ta thấy cơ cấu điện từ của công tắc tơ gồm các bộ phận cơ bản:

+ M ạch t ừ : là các lõi thép có dạng chữ E hoặc chữ U đượ c ghép bằng các lá tôn silíc có chiềudày 0,35mm hoặc 0,5mm để giảm tổn hao sắt từ do dòng điện xoáy. Mạch từ thườ ng chia làm hai phần,một phần đượ c k ẹ p chặt cố định (phần t ĩ nh), phần còn lại là nắ p (gọi là phần ứng hay phần động) đượ cnối vớ i hệ thống tiế p điểm qua hệ thống tay đòn.

+ Cuộn dây hút : cuộn dây có điện tr ở r ất bé so vớ i điện kháng. Dòng điện trong cuộn dây phụ thuộc vào khe hở không khí giữa nắ p và lõi thép cố định. K ết quả là không đượ c phép cho điện áp vào

cuộn dây khi nếu vì lí do nào đấy mà nắ p bị giữ ở vị trí mở (dòng lúc đó sẽ r ất lớ n do tổng tr ở vào côngtắc tơ nhỏ).+ Các cuộn dây của phần lớ n các công tắc tơ đượ c tính toán sao cho phép đóng ngắt vớ i tần số

600 lần trong một giờ , ứng vớ i hệ số thông điện ĐL = 40%.+ Cuộn dây của công tắc tơ xoay chiều cũng có thể đượ c cung cấ p từ lướ i điện một chiều. Cuộn

dây có thể làm việc tin cậy (hút phần ứng), khi điện áp cung cấ p cho nó nằm trong phạm vi (85 ÷ 110)%Uđm. Nếu ta gọi tỉ số giữa tr ị số điện áp nhả và điện áp hút của cuộn dây là hệ số tr ở về, thì hệ số này có



92

thể đạt tớ i (0,6 ÷ 0,7). Điều đó có ngh ĩ a là khi điện áp cuộn dây sụt xuống còn (0,6 ÷ 0,7) tr ị số điện áphút thì nắ p sẽ bị nhả và ngắt mạch điện.

+ C ơ cấ u truyề n động : phải có k ết cấu sao cho giảm đượ c thờ i gian thao tác đóng ngắt tiế p điểm,nâng cao lực ép các tiế p điểm và giảm đượ c tiếng kêu va đậ p.

+ N ắ p chuyể n động xoay chiề u bản lê: tiế p điểm chuyển động thẳng có tay đòn truyền chuyển

động (hình 8-2a).+ N ắ p và tiế p đ iể m: chuyển động thẳng theo hai phươ ng vuông góc vớ i nhau (hình 8-2b).+ Nắ p chuyển động thẳng, tiế p điểm

chuyển động xoay quanh bản lề (hình 8-2c).+ Nắ p và tiế p điểm đều chuyển động

xoay quanh một bản lề có một hệ thống tayđòn chung (hình 8-2d), tr ườ ng hợ p này lực éptrên tiế p điểm lớ n. Nguyên lí làm việc của công tắc tơ điện mộtchiều kiểu điện từ cũng tươ ng tự như trên,thườ ng chỉ khác ở hình dáng k ết cấu truyềnđộng của mạch từ tớ i tiế p điểm. Cụ thể là côngtắc tơ điện một chiều hầu hết sử dụng mạch từ kiểu supáp có tiế p điểm động bắt chặt ngay

vào nắ p. Ngoài ra, vì là điện một chiều nênmạch từ thườ ng làm bằng sắt từ mềm, cuộndây thườ ng có hình tr ụ tròn, có thể quấn sátvào lõi vì lõi thép ít nóng hơ n tr ườ ng hợ p điệnxoay chiều. Hình dạng chung của công tắc tơ một chiều như hình 8-4.Trong đ ó: 1. là tiế p điểm t ĩ nh đượ c bắt chặtvào quai 2; 3 cuộn dậ p hồ quang; 4. dây dẫn;5. đế cách điện; 6. móc thép; 7. tiế p điểmđộng; 8. giá đỡ ;9. cọc dẫn dâyra; 10. dây mềm; 11. sừng bảovệ tiế p điểm động ; 12. lò xo.

8. Công t ắc t ơ chân không

Công tắc tơ chânkhông đặc biệt thích hợ p vớ icông việc đóng mở các độngcơ cần đóng/mở thườ ngxuyên.

Ví du: động cơ trungáp của các máy bơ m, của bộ tụ bù điện hoặc quạt.

Công tắc tơ chânkhông có tuổi thọ 1 x 106 chukì đóng/cắt và có thể làm việcvớ i tần số đóng cắt 1200 đóng/cắt một giờ .Các tính năng của công tắc tơ chân không kiểuVRC( hình 8- 4) biểu diễn như sau:

Bảng 8.1: Một số loại công tắc tơ chân khôngĐiện áp định mức [ kV] 3,6 7,2 12 Dòng điện định mức [A]+ Dùng cho động cơ đến [kW]+Dùng cho tụ điện đến [kVAr]

45015002000

45020004000

25040004000



93

8.2. KHỞ I ĐỘNG TỪ

1. Khái quát và công dụng Khở i động từ là một loại thiết bị điện dùng để điều khiển từ xa việc đóng/cắt, đảo chiều và bảo

vệ quá tải (nếu có mắc thêm r ơ le nhiệt) cho các động cơ ba pha rôtor lồng sóc. Khở i động từ khi có một

công tắc tơ gọi là khở i động từ đơ n, thườ ng dùng để điều khiển đóng cắt động cơ điện. Khở i động từ cóhai công tắc tơ gọi là khở i động từ kép, dùng để khở i động và điều khiển đảo chiều động cơ điện. Muốnkhở i động từ bảo vệ đượ c ngắn mạch phải mắc thêm cầu chảy.

2. Các yêu cầu k ĩ thuật chủ yếu Động cơ không đồng bộ ba pha làm việc liên tục hay không nhờ chủ yếu vào độ làm việc tin cậy

của khở i động từ. Khở i động từ muốn làm việc tin cậy cần thỏa mãn các yêu cầu k ĩ thuật sau:+Tiế p điểm phải có độ bền chịu đượ c độ mài mòn cao.+Khả năng đóng cắt của khở i động từ phải cao.+Thao tác đóng cắt phải dứt khoát.+Tiêu thụ công suất ít nhất.+Bảo vệ tin cậy động cơ điện khỏi quá tải lâu dài.+Thỏa mãn các điều kiện khở i động động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có hệ số dòng khở i

động từ bằng từ 5 đến 7 lần dòng điện định mức.

Để thỏa mãn các yêu cầu trên đây, trong sản xuất ngườ i ta chế tạo tiế p điểm động ngày một nhẹ,đồng thờ i tăng cườ ng lò xo nen tiế p điểm. Làm như vậy sẽ giảm đượ c thờ i gian chấn động tiế p điểmtrong quá trình mở máy động cơ , do đó giảm đượ c độ mài mòn tiế p điểm.

Thờ i gian chấn động là một chỉ tiêu quan tr ọng nói lên độ bền chịu mòn của tiế p điểm. Các k ếtquả nghiên cứu thí nghiệm cho thấy r ằng nếu rút ngắn đượ c 0,5ms thờ i gian chấn động lúc đóng khở iđộng từ để mở máy động cơ điện thì sẽ giảm đượ c độ mài mòn tiế p điểm đi khoảng 50 lần. Các khở iđộng từ của Liên Xô (cũ) có loại ∏ như kiểu ∏422, thờ i gian chấn động chỉ 3ms, kiểu ∏222 - 1,5ms,

đồng thờ i khả năng đóng ngắt về điện đã đạt tớ i 1.106 lần thao tác. Hãng Siemens (Đức) sản xuất khở iđộng từ đạt đượ c tuổi thọ về điện tớ i 2.106 lần thao tác (ví dụ kiểu K -915).

Khi ngắt khở i động từ, điện áp phục hồi trên tiế p điểm bằng hiệu số điện áp lướ i và sức điệnđộng của động cơ điện. K ết quả trên các tiế p điểm chỉ còn xuất hiện một điện áp bằng khoảng (15 ÷ 20)% Uđm tức là thuận lợ i cho quá trình ngắt. Các k ết quả nghiên cứu thí nghiệm về khở i động từ chothấy độ mòn tiế p điểm khi đóng động cơ lớ n gấ p 3 đến 4 lần độ mòn tiế p điểm khi ngắt khở i động từ

trong điều kiện đang làm việc bình thườ ng.

3. Độ bền chịu mài mòn về điện và cơ của các tiếp điểm khở i động từ Tuổi thọ của các tiế p điểm về điện và về cơ thườ ng do ba yếu tố sau đây quyết định:+ K ết cấu.+ Công nghệ sản xuất.+ Sử dụng vận hành và sửa chữa.

a) Độ bề n chịu mòn về đ iệnĐộ mòn tiế p điểm về điện lớ n nhất khi khở i động từ mở máy động cơ điện không đồng bộ rotor

lồng sóc, hồ quang điện sinh ra khi các tiế p điểm động dậ p vào tiế p điểm t ĩ nh bị chấn động bật tr ở lại.Lúc này dòng điện đi qua khở i động từ bằng 6 - 7 lần dòng điện định mức, do đó hồ quang điện cũngtươ ng ứng vớ i dòng điện đó.

K ết quả nghiên cứu, thí nghiệm vớ i nhiều kiểu khở i động từ khác nhau cho thấy r ằng khi giảmthờ i gian chấn động các tiế p điểm, độ bền chịu mòn của chúng tăng lên rõ r ệt. Trong chế tạo khở i động từ

ngày nay ngườ i ta thườ ng dùng k ết cấu tiế p điểm bắc cầu để giảm bé thờ i gian chấn động thứ nhất, đồngthờ i làm tiế p điểm động có tr ọng lượ ng bé và tăng cườ ng lò xo nén ban đầu lên tiế p điểm. Giảm thờ i gianchấn động thứ hai bằng cách đặt nệm lò xo vào lõi thép t ĩ nh đồng thờ i vớ i việc nâng cao độ bền chịu màimòn về cơ của nam châm điện.

Tình tr ạng bề mặt làm việc của các tiế p điểm cũng ảnh hưở ng rõ r ệt đến mức độ mài mòn. Điềunày thườ ng xảy ra trong qúa trình sử dụng và nhất là do chất lượ ng sửa chữa bảo dưỡ ng tiế p điểm. Hiệntượ ng cong vênh, nghiêng các bề mặt tiế p điểm làm tiế p xúc xấu dẫn tớ i giảm nhanh chóng độ bền chịu



94

mòn của tiế p điểm. Để giảm ảnh hưở ng của hiện tượ ng này, ngườ i ta thườ ng chế tạo tiế p điểm động cóđườ ng kính bé hơ n tiế p điểm t ĩ nh một chút và có dạng mặt cầu.

Vật liệu làm tiế p điểm khi dòng điện bé (nhỏ hơ n 100A) ở các khở i động từ cỡ nhỏ thườ ng làlàm bằng bột bạc nguyên chất. Còn ở các khở i động từ cỡ lớ n (dòng điện lớ n hơ n 100A) thườ ng làm bằng bột gốm kim loại như hỗn hợ p bạc - cađimi ôxít (mã hiệu COK - 15) hoặc bạc - niken.

b) Độ bề n chịu mòn về cơ Cũng như hầu hết các thiết bị điện hạ áp, các chi tiết động của khở i động từ làm việc không có

dầu mỡ bôi tr ơ n, tức là làm việc khô. Do đó phải chọn vật liệu ít bị mòn do ma sát và không bị gỉ. Ngàynay ngườ i ta thườ ng dùng kim loại - nhựa có độ bền chịu mòn cao, có thể bền gấ p 200 lần độ mòn giữakim loại - kim loại.

Các yếu tố ảnh hưở ng đến độ bền chịu mài mòn về cơ của khở i động từ thườ ng là:+ Kiểu k ết cấu (cách bố trí các bộ phận cơ bản).+ Phụ tải riêng (tỉ tải) ở chỗ có ma sát và va đậ p.+ Hệ thống giảm chấn động của nam châm.Chọn đúng khở i động từ, sử dụng và vận hành đúng chế độ, cũng làm tăng tuổi thọ về cơ . Đối

vớ i các khở i động từ kiểu thông dụng, cần phải đảm bảo:+ Làm sạch bụi và ẩm nướ c.

+ Lựa chọn phù hợ p vớ i công suất và chế độ làm việc của động cơ .+ Lắ p đặt đúng, ngay ngắn, không để khở i động từ bị rung, kêu đáng k ể.

Độ bền chịu mài mòn về cơ khí của khở i động từ có thể đạt tớ i 10.106 lần thao tác đóng/cắt.

4. K ết cấu và nguyên lí làm việcKhở i động từ thườ ng đượ c phân chia:+ Theo điện áp định mức của cuộn dây hút : 36V, 127V, 220V, 380V, và 500V.+ Theo k ết cấu bảo vệ chống tác động bở i môi tr ườ ng xung quanh có các loại: hở , bảo vệ, chống

bụi, chống nổ,...+ Theo khả năng làm biến đổi chiều quay động cơ điện: có loại không đảo chiều và đảo chiều.+ Theo số lượ ng và loại tiế p điểm : có loại thườ ng mở và thườ ng đóng.

Căn cứ vào điều kiện làm việc của khở i động từ như đã nêu ở trên, trong chế tạo khở i động từ,ngườ i ta thườ ng dùng k ết cấu tiế p điểm bắc cầu (có hai chỗ ngắt mạch ở mỗi pha) do đó đối vớ i cỡ nhỏ dướ í 25A không cần dùng thiết bị dậ p hồ quang cồng k ềnh dướ i dạng lướ i hoặc hộ p thổi từ.

K ết cấu khở i động từ nói chung đều bao gồm các bộ phận có hình dáng tươ ng tự như hình 8-5.Tiế p điểm động 1 đượ c chế tạo kiểu bắc cầu có lò xo nén tiế p điểm để tăng lực tiế p xúc và tự

phục hồi tr ạng thái ban đầu.Giá đỡ tiế p điểm 3 làm bằng đồng thanh mạ k ền hoặc k ẽm trên đó có hàn viên tiế p điểm t ĩ nh 4

thườ ng làm bằng bột gốm kim loại. Nam châm điện chuyển động có hệ thống mạch từ hình E gồm lõi thép t ĩ nh 5 và lõi thép phần

động 6 nhờ lò xo 7, khở i động từ tự tr ở về vị trí ban đầu. Vòng chậ p mạch 8 đượ c đặt ở đầu mút hai mạchr ẽ của lõi thép động.



95

Lõi thép phần ứng 6 của nam châm điện đượ c lắ p ghép liền vớ i hai giá đỡ cách điện 9, trên đó có

mang các tiế p điểm động1 và các lò xo tiế p điểm 2. Giá đỡ cách điện 9 (thườ ng làm bằng bakêlit) chuyểnđộng trong các rãnh dẫn hướ ng 10 ở trên thanh nhựa đúc của khở i động từ. Các tiế p điểm chính có nắ pđậy kín làm nhiệm vụ hộ p dậ p hồ quang và bình thườ ng làm bằng vật liệu chịu hồ quang.

Khở i động từ cũng còn có các cụm tiế p điểm phụ kiểu bắc cầu (12), số lượ ng tùy thuộc từng kiểucụ thể.

Để bảo vệ động cơ điện khỏi bị qúa tải, khở i động từ thườ ng có lắ p kèm theo r ơ le nhiệt ở hai phavà lắ p cùng một giá vớ i khở i động từ.

Khở i động từ đảo chiều (gọi là khở i động từ kép) gồm hai khở i động từ đơ n có cấu tạo như trên,lắ p trên cùng một giá, có thêm khóa liên động về cơ khí kiểu đòn bẩy( 2) để đề phòng cả hai khở i động từ

cùng đóng đồng thờ i. Cơ cấu này đượ c bố trí ở dướ i chân đế. Khở i động từ kép cũng có kiểu lắ p kèmtheo cả r ơ le nhiệt trên cùng một giá.Hình 8-6 là sơ đồ mắc khở i động từ kép điều khiển đảo chiều động cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc.

Hình 8-6 : S ơ đồ dùng khở i động t ừ mở máy và đảo chiề u động cơ không đồng bộ l ồng sóc.

TN

T

N

D KT

T

KN

N

N

T

RN

RN



96

8.3. CẦU CHẢY (Cầu chì)

1. Khái quát và công dụng Cầu chảy là loại thiết bị điện dùng để bảo vệ thiết

bị điện và lướ i điện tránh quá (dòng chủ yếu là dòng ngắn

mạch) thườ ng dùng bảo vệ cho đườ ng dây, máy biến áp,động cơ ,...

2. Đặc điểmCầu chảy cấu tạo đơ n giản, kích thướ c bé khả

năng cắt lớ n, giá thành hạ nên ứng dụng r ộng rãi.

3. Các phần từ cơ bản của cầu chảy

+ Dây chả y : là phần tử cơ bản của cầu chảy,để cắt một cách tin cậy cho mạch điện cần bảovệ yêu cầu dây chảy thỏa mãn:

- Không bị ô xy hóa.- Dẫn điện tốt.

- Điện tr ở không thay đổi theo nhiệt độ.- Nhiệt độ nóng chảy tươ ng đối thấ p.

+Thiế t bị d ậ p hồ quang: hồ quang phát sinh sau khi dây chảy bị đứt cầu chảy cắt mạch

(không có ở mạch hạ áp mà chỉ có ở cầu chảy cao áp).

4. Các tính chất yêu cầu của cầu chảyĐặc tính A -s của cầu chảy (đườ ng 1 trong hình 8-7) phải thấ p hơ n đườ ng đặc tính đối tượ ng

cần bảo vệ (đườ ng 2 trong hình 8-7).-Cầu chảy cần có đặc tính làm việc ổn định.-Công suất thiết bị càng tăng cầu chảy càng phải có khả năng cắt cao hơ n.-Khi có ngắn mạch cầu chảy phải làm việc có lựa chọn theo thứ tự.-Việc thay thế dây chảy phải dễ dàng ít tốn thờ i gian.

5. Nguyên lí làm việc Đặc tính Am pe- giây ( A-s) hình 8-6 là sự phụ thuộc của thờ i gian chảy vào dòng điện qua cầu

chảy.Để có tác dụng bảo vệ đặc tính cầu chảy 1 luôn thấ p hơ n đặc tính thiết bị (đườ ng 2) nhưng đặc

tính thực tế là đườ ng 3 trong vùng có quá tải lớ n (vùng B) bảo vệ đượ c còn vùng (A) quá tải nhỏ không bảo vệ đượ c. Thực tế dòng khi quá tải không lớ n hơ n (1,5÷2)Iđm thì sự phát nóng diễn ra chậm, phần lớ nnhiệt tỏa ra môi tr ườ ng xung quanh nên cầu chảy không bảo vệ đượ c quá tải nhỏ.

Để đảm bảo khi làm việc vớ i dòng định mức dây chảy không đứt thì dòng giớ i hạn của dây chảyIgh>Iđm.

Để cầu chảy bảo vệ tốt và nhạy cả khi Igh>Iđm không nhiều thì theo kinh nghiệm chọn Igh/Iđm=(1,6÷2) vớ i đồng, Igh/Iđm=(1,25÷1,45) vớ i chì, Igh/Iđm =1,15 vớ i thiếc và nhôm.

Dòng định mức của cầu chảy chọn sao cho khi dòng này chạy liên tục qua dây chảy chỗ phát nónglớ n nhất của dây chảy không làm kim loại bị ô xy hóa quá mức và biến đổi đặc tính bảo vệ, đồng thờ i

nhiệt phát ra bên ngoài không quá giá tr ị ổn định.Ở giá tr ị gần dòng điện giớ i hạn ( Igh ) yêu cầu dây chảy cũng phải gần đến nhiệt độ nóng chảy để không làm ảnh hưở ng đến các chi tiết khác tức là phải chọn dây chảy là kim loại có nhiệt độ nóng chảythấ p.

Khi quá tải lớ n I= (3÷4)Iđm thì quá trình phát nóng là quá trình đoạn nhiệt (nóng cục bộ dâychảy, dòng chảy chuyển sang dạng lỏng khi quá trình Ion hóa dướ i nhiệt độ cao làm khó dậ p tắt hồ quanghồ quang hơ n, do vậy mong muốn càng ít kim loại lỏng càng tốt. Ngườ i ta chế tạo dây chảy cấu tạo cónhiều đoạn hẹ p khi đó mật độ dòng cao ở nơ i thắt hẹ p, lực điện động sinh ra sẽ cắt nhanh dây chảy. Dây

Hình 8-7 : Đặc tính dây chả y

t[s

I/I11,2 2 3 4 5 6

2

13

B A



97

chảy có đoạn hẹ p làm giảm thờ i gian cắt, nếu có phối hợ p vớ i thiết bị dậ p hồ quang thì thờ i gian tác độngttđ chỉ còn vài phần nghìn giây.

6. K ết cấu cầu chảy hạ ápa) Loại hơ

Ở loại hở không có vỏ bọc thườ ng chỉ gồm dây chảy dậ p dạng phiến bằng kim loại (Cu, Al, Pb,Zn, Sn). Vít 2 cực nguồn đặt trên bảng cách điện (sứ, gốm,...) có các loại dây chảy 5, 10, 15, 30A.b) Loại vặn

Ở loại này dây chảy ở phía trong nắ p, nắ p có dạng vặn vít vào đế loại này dây chảy có các loại 6,10, 15, 20, 25, 30, 60, 100A ở điện áp 500V hình 8-7b.c) Loại hộ p

Thườ ng hộ p và nắ p đều làm bằng sứ có bắt chặt các tiế p xúc điện bằng đồng, có k ẹ p đơ n hoặckép để khỏi r ơ i nắ p, dây chảy trên nắ p có các cỡ 5, 10, 15, 20, 30, 60, 80, 100A ở 500V hình 8-7c,d.d) Loại kín không có cát thạch anh

Loại này dây chảy đặt trong ống không có cát thạch anh: vỏ làm bằng chất hữu cơ (một loạixenlulô) có dạng ống dây chảy đặt trong ống hai đầu có vít, nối vớ i các cực điện qua vòng đệm. Dâychảy thườ ng bằng k ẽm (nhiệt độ nóng chảy bằng 4200C) nhiệt độ nóng chảy thấ p và có khả năng chốnggỉ tốt.

Quá trình dậ p hồ quang: khi dây chảy đứt làm phát sinh hồ quang nhiệt độ tăng cao làm vỏ ống bị

đốt cháy sinh ra khí hơ i trong ống hẹ p (có 40%H2, 50%CO2, 10% hơ i nướ c) làm áp suất ống tăng cao (40÷ 80at) nhanh chóng dậ p tắt hồ quang có ống có hai cỡ :

+Loại ngắn làm việc vớ i điện áp U=380V+Loại dài làm việc vớ i U=500V

Tùy cỡ đườ ng kính ống mà dòng làm việc khác nhau 6, 10 hay 15A.e) Loại kín trong ố ng có cát thạch anh

Đặc tính bảo vệ của loại này tốt còn gọi là cầu chảy ống sứ.Thườ ng vỏ cầu chảy làm bằng sứ (hoặc steatit) có dạng hộ p chữ nhật trong vỏ có tr ụ tròn r ỗng đặt dây chảy, sau đó đổ đầy cát thạch anh,dây chảy đượ c vít vào đĩ a gắn trên 2 đầu hộ p. Dây chảy thườ ng bằng là đồng lá dày (0,1 ÷ 0,2)mm dậ p lỗ dài để tạo tiết diện hẹ p. Nhằm để giảm nhiệt độ tự chảy của đồng (10800C) ngườ i ta hàn thêm các vảythiếc vào những chỗ tiết diện hẹ p.



98

Chú ý +Icc: Dòng định mức của cầu chảy.+Idc: Dòng định mức của dây chảy. Thườ ng Icc

≥ Idc (vì một cầu chảy có thể mắc nhiều cỡ dây).

7. Dây chảy và cách tính gần đúng dòng điện igh Khi chọn kim loại làm dây chảy cần đảm

bảo các yêu cầu:-Điểm nóng chảy thấ p.-Kim loại vật liệu phải ít.-Quán tính nhiệt phải nhỏ.

Để giảm nhiệt độ tác độngngườ i ta thườ ng dùng hai biện pháp là:

+ Dùng dây dẹt cóchỗ thắt lại để giảm tiết diện.

+ Dùng dây tròn trênmột số đoạn hàn thêm một số vảy kim loại có nhiệt độ nóng

chảy thấ p (ứng dụng hiệu ứngluyện kim).

Ngoài ra nhiệt độ ion hóa hơ i kim loại phải cao, và thêm một số điều kiện phụ nữa. Theothứ tự giảm nhiệt hóa hơ i ion của một số kim loạilà:

Zn>Ag>Cu>Pb>Mg>Ni>Sn>Al.Thực tế không có kim loại nào thỏa mãn

hết các yêu cầu trên đượ c nên để khắc phục ngườ ita thườ ng chế tạo bằng hợ p kim. Thông thườ ng dâychảy dùng các kim loại sau:

+ Chì (Pb): dùng nhiều do mềm, nhiệtnóng chảy thấ p nhưng khối lượ ng lớ n và dễ bị ô xyhóa trong không khí nên chỉ dùng khi dòng điện bé,kích thướ c nhỏ dễ lắ p ráp. Để khắc phục nhượ cđiểm trên ngườ i ta dùng hợ p kim để giảm nhiệt độ nóng chảy.

+ K ẽm (Zn): nhiệt nóng chảy thấ p, giá r ẻ,dùng cho dòng từ (20 ÷ 500)A . Ngoài ra còn dùng Ag, Cu và còn đôi khi dùng Al.

9. Cầu chảy cao áp (H. R. C)Dùng bảo vệ tụ điện, máy biến áp và cần

tính đến dòng điện qúa độ. Trong thiết bị tụ điện,dòng định mức của dây chảy tối thiểu bằng 1,6 lầndòng định mức của tụ điện, để tính đến các điều

hòa của lướ i và sự tăng điện áp. Kiểu súng như hình 8-8a.Khi chọn cầu chảy bảo vệ động cơ cao áp,

cần chú ý đến dòng khở i động của động cơ và thờ igian khở i động. Cũng cần chú ý đến tần số khở iđộng, nếu tần số qúa cao, các cầu chảy sẽ khôngthể đủ nguội giữa các lần đóng mở . Khi chọn cầuchảy cũng cần nhớ r ằng chúng có điện áp định mức



99

và tr ị số dòng điện khác nhau khi đế cầu chảy có kích thướ c khác nhau. Khả năng hạn chế dòng đ iện

Dòng điện tối đa cầu chảy cho phép chạy qua phụ thuộc vào dòng định mức của nó và vào diễn biến dòng ngắn mạch. Đặc tính chảy của cầu chảy do nhà sản xuất cho phép dải dòng điện cắt theo các

tiêu chuẩn k ĩ thuật (ví dụ theo tiêu chuẩn DIN VDE 0670). Đối vớ i mỗi dòng điện định mức, ta có thể đọc giá tr ị đỉnh của dòng điện qua, vớ i giá tr ị đó cầu

chảy hạn chế dòng ngắn mạch đối xứng.Sự hạn chế dòng điện này bảo vệ thiết bị có hiệu quả, chống đượ c hư hỏng do ứng suất cơ và

nhiệt.

8.4. ÁPTÔMÁT

1. Khái quát và yêu cầuÁp tô mát là thiết bị điện dùng để tự động cắt mạch điện bảo vệ quá tải, ngắn mạch, sụt áp,... hồ

quang đượ c dậ p trong không khí.Yêu cầu của áp tô mát

+ Chế độ làm việc định mức của áp tô mát phải là chế độ làm việc dài hạn (tức là cho dòngI=Iđm qua dài hạn). Mặt khác mạch dòng điện phải chịu đượ c dòng điện lớ n (khi ngắn mạch) lúc các tiế pđiểm đã hay đang đóng.

+Phải cắt đượ c dòng ngắn mạch lớ n vài chục kA và sau khi ngắt phải đảm bảo làm việc tốt khiI=Iđm.

+Yêu cầu thờ i gian cắt áptômát nhỏ để bảo vệ các thiết bị khác. Muốn vậy phải k ết hợ p lực thaotác cơ học vớ i thiết bị dậ p hồ quang trong áptômát. Để thực hiện yêu cầu thao tác chọn lọc bảo vệ, áp tômát phải có khả năng hiệu chỉnh dòng tác động và thờ i gian tác động .

Thờ i gian tác động của áp tô mát : t = to + t1+ t2 . Trong đó:



100

+t0 là thờ i gian tính từ lúc sự cố xảy ra đến khi i tăng đến i=Ik đ phụ thuộcdt

di.

+t1 là thờ i gian từ khi i=Ik đ đến khi tiế p điểm áptômát bắt đầu chuyển động, thờ i gian này phụ thuộc vào cơ cấu ngắt.+t2 là thờ i gian cháy của hồ quang (phụ thuộc bộ phận dậ p hồ quang và tr ị dòng điện ngắt).

2. Phân loại- cấu tạo và nguyên lí làm việca) Phân loại

Phân theo k ế t cấ u+Loại một cực.+Loại hai cực.+Loại ba cực.

Phân theo thờ i gian tác động + Tác động không tức thờ i.+ Tác động tức thờ i.

Phân loại theo công d ụng bảo vệ + Dòng cực đại.+ Dòng cực tiểu.+ Áp cực tiểu.+ Áptômát bảo vệ công suất điện ngượ c.+ Áptômát vạn năng (chế tạo cho mạch có dòng điện lớ n các thông số bảo vệ có thể chỉnh địnhđượ c) loại này không có vỏ và lắ p đặt trong các tr ạm biến áp lớ n.+ Áptômát định hình: bảo vệ quá tải bằng r ơ le nhiệt, bảo vệ quá điện áp bằng r ơ le điện từ, đặttrong vỏ nhựa.

b) Nguyên lí làm việc của áptômát Sơ đồ nguyên lí bảo vệ chức năng của áptômát như hình 8-9a, b, c, d:tươ ng ứng vớ i các cơ cấu

bảo vệ dòng cực đại, điện áp thấ p, dòng cực tiểu và bảo vệ công suất ngượ c.c) C ấ u t ạo áptômát +Tiế p đ iể m: có hai cấ p tiế p điểm (tiế p điểm chính và tiế p điểm hồ quang) hoặc ba cấ p tiế p điểm (chính, phụ, hồ quang). Đóng mạch áptômát thì thứ tự đóng tiế p điểm là: hồ quang, phụ, chính, khi cắt thìngượ c lại (nhằm bảo vệ tiế p điểm chính). Tiế p điểm hồ quang thườ ng cấu tạo bằng kim loại gốm chịuđượ c hồ quang như Ag-W, Cu-W, Ni ,...).

Hình 8-10 trình bày một hệ thống tiế p điểm trong áptômát: 2, 3 là tiế p điểm chính; 4 là các tiế pđiểm phụ; 5 là các tiế p điểm hồ quang.



101

+ H ộ p d ậ p hồ quang : để áptômát dậ p đượ c hồ quang trong tất cả các chế độ làm việc của lướ i điện thìngườ i ta thườ ng dùng hai kiểu thiết bị dậ p hồ quang là: kiểu nửa kín và kiểu hở . Thiết bị dậ p kiểu nửakín đượ c đặt trong vỏ kín của áptômát và có lỗ thoát khí. Kiểu này có dòng điện giớ i hạn cắt không quá50kA. Thiết bị dậ p kiểu hở đượ c dùng khi giớ i hạn dòng điện cắt lớ n hơ n 50kA hoặc điện áp lớ n hơ n1000V. Trong buồng dậ p hồ quang thông dụng ngườ i ta thườ ng dùng những tấm thép xế p thành lướ ingăn. Để phân chia hồ quang thành nhiều đoạnngắn thuận lợ i cho việc dậ p tắt hồ quang. Hìnhdạng k ết cấu hộ p dậ p hồ quang đượ c trình bàytrên (hình 8-10), 6 là hộ p dậ p hồ quang. Cùngmột thiết bị dậ p tắt hồ quang, khi làm việc ở

mạch điện xoay chiều điện áp đến 500V thì có thể dậ p tắt đượ c hồ quang của dòng điện đến 40kA,nhưng khi làm việc ở mạch điện một chiều điệnáp đến 440V thì chỉ có thể cắt đượ c dòng điệnđến 20kA.

+ C ơ cấ u truyề n động cắ t áptômát: truyền động cắtáptômát thườ ng có hai cách: bằng tay và bằng cơ điện (điện từ, động cơ điện). Điều khiển bằng tayđượ c thực hiện vớ i các áptômát có dòng điện địnhmức không lớ n hơ n 600A. Điều khiển bằng điệntừ (nam châm điện) đượ c ứng dụng ở các áptômátcó dòng điện lớ n hơ n đến 1000A. Để tăng lựcđiều khiển bằng tay ngườ i ta còn dùng một taydài phụ theo nguyên lí đòn bẩy. Ngoài ra còn có

cách điều khiển bằng động cơ điện hoặc khí nén.Hình 8-11 trình bày cơ cấu điều khiển cácáptômát bằng nam châm điện có nhả khớ p tự do.Khi đóng bình thườ ng (không có sự cố), các tayđòn 2 và 3 đượ c nối cứng (vì tâm xoay o nằmthấ p dướ i đườ ng nối hai điểm o1 và o2.). Giá đỡ 5làm cho hai đòn này không tự gậ p lại đượ c. Tanói điểm o là vị trí chết. Khi có sự cố, phần ứng 6 của nam châm điện 7 bị hút đậ p vào hệ thống tay đòn



102

2, 3 làm cho điểm o thoát khỏi vị trí chết . Điểm o sẽ cao hơ n đườ ng nối o1o2, lúc này tay đòn 2, 3không đượ c nối cứng nữa. Các tiế p điểm sẽ nhanh chóng mở ra dướ i tác dụng của lò xo kéo tiế p điểm(hình 8-11b). Muốn đóng lại áptômát, ta phải kéo tay cầm 4 xuống phía dướ i như hình 8-11c, sau đómớ i đóng vào đượ c.

Móc bảo vệ: Aptômát tự động cắt nhờ các phần tử bảo vệ gọi là móc bảo vệ.

+ Móc bảo vệ quá t ải (còn gọi là quá dòng điện): để bảo vệ thiết bị điện khỏi bị quá tải, đườ ng thờ i gian - dòng đ iện của móc bảo vệ phải nằm dướ i đườ ng đặc tính của đối tượ ng cần bảo vệ. Ngườ i ta thườ ngdùng hệ thống điện từ và r ơ le nhiệt làm móc bảo vệ đặt bên trong áptômát. Móc kiểu điện từ có cuộndây mắc nối tiế p vớ i mạch điện chính. Khi dòng điện vượ t quá tr ị số cho phép thì phần ứng bị hút vàmóc sẽ bị đậ p vào khớ p r ơ i tự do, làm tiế p điểm của áptômát mở ra như hình 8-11. Điều chỉnh vít để thay đổi lực kháng của lò xo, ta có thể điều chỉnh đượ c tr ị số dòng điện tác động. Để giữ thờ i gian trong bảo vệ qúa tải kiểu điện từ, ngườ i ta thêm một cơ cấu giữ thờ i gian (ví dụ bánh xe r ăng như trong cơ cấu đồng hồ). Móc kiểu r ơ le nhiệt đơ n giản hơ n cả, loại này có k ết cấu tươ ng tự r ơ le nhiệt có phần tử phát nóng nối nối tiế p vớ i mạch điện chính, tấm kim loại kép dãn nở làm nhả khớ p r ơ i tự do để mở tiế pđiểm của áptômát khi có quá tải. Kiểu này có nhượ c điểm là quán tính nhiệt lớ n nên không ngắt nhanhđượ c dòng điện tăng vọt như khi có ngắn mạch, do đó chỉ bảo vệ đượ c dòng điện quá tải. Vì vậy ngườ ita thườ ng sử dụng tổng hợ p cả móc kiểu điện từ và móc kiểu r ơ le nhiệt trong một áptômát. Loại nàythườ ng đượ c dùng ở áptômát có dòng điện định mức đến 600A.+ Móc bảo vệ sụt áp: (còn gọi là bảo vệ điện áp thấ p) cũng thườ ng dùng kiểu điện từ. Cuộn dây mắc

song song vớ i mạch điện chính. Nguyên lí làm việc xem hình 8-9.

3. Cách lự a chọn áptômátViệc lựa chọn áptômát, chủ yếu dựa vào :Dòng điện tính toán đi trong mạch; Dòng điện quá tải; Tính

thao tác có chọn lọc. Ngoài ra lựa chọn áptômát còn phải căn cứ vào đặc tính làm việc của phụ tải và áptômát không

đượ c phép cắt khi có quá tải ngắn hạn (thườ ng xảy ra trong điều kiện làm việc bình thườ ng như dòngđiện khở i động, dòng điện đỉnh trong phụ tải công nghệ). Yêu cầu chung là dòng điện định mức của

móc bảo vệ Iaptô không đượ c bé hơ n dòng điện tính toán (Itt) của mạch :Iaptô ≥ Itt

Tùy theo đặc tính và điều kiện làm việc cụ thể của phụ tải, ngườ i ta hướ ng dẫn lựa chọn dòngđiện định mức của móc bảo vệ bằng 125%, 150% hay lớ n hơ n nữa so vớ i dòng điện tính toán của mạch.Sau cùng ta chọn áptômát theo các số liệu k ĩ thuật đã cho của nhà chế tạo.

Chươ ng 9. CÁC BÔ ỔN ĐỊNH ĐIỆN



103


Các bộ ổn định điện là các thiết bị điện tự động duy trì đại lượ ng đầu ra ở mức không đổi khi đạilượ ng đầu vào biến đổi trong một phạm vi nhất định. Ứ ng vớ i các đại lượ ng dòng điện, điện áp, công suấtcó các bộ ổn định dòng điện, điện áp và công suất, những bộ ổn định điện áp hiện nay đang đượ c dùng phổ biến hơ n cả.

Chất lượ ng của bộ ổn định điện đượ c đánh giá bằng hệ số ổn định K ôđ .

K ôđ=Υ

ΔΥ:

ΧΔΧ

=ΔΧΥΔΥΧ.

..

Trong đó :+ Υ và ΔΥ là đại lượ ng đầu ra và gia số của nó .

+ Χ và ΔΧ là đại lượ ng đầu vào và gia số của nó. Nếu K ôđ càng nhỏ thì chất lượ ng của bộ ổn định điện càng tốt. Đối vớ i bộ ổn định điện áp (ổn

áp ) thì hệ số ổn định đượ c biểu diễn bằng :

K ôđ=Υ

ΔΥ:

ΧΔΧ

=V

V

R

R

U

U:

U

U ΔΔ

Trong đó :- UR là điện áp ra.- UV là điện áp đầu vào.

- Δ UR và Δ UV là độ biến thiên điện áp đầu ra và độ biến thiên điện áp đầu vào. Hiện nay có r ấtnhiều loại ổn áp vớ i những nguyên lí làm việc r ất khác nhau. Trong phạm vi giáo trình này chỉ đề cậ pmột số loại phổ biến.

9.2. ỔN ÁP SẮT TỪ KHÔNG TỤ

Kiểu đơ n giản nhất của loại này là hai cuộn kháng nối tiế p nhau, một cuộn tuyến tính L1 ( có khehở không khí trong mạch từ ) và một cuộn bão hòa L2 như hình 9-1.Điện áp vào UV đặt trên cả hai cuộn còn điện áp raUr lấy trên cuộn bão hòa:

UV = U1 + U2 = U1 + Ur . Nếu bỏ qua tổn hao trong hai cuộn kháng thì

phươ ng trình trên có thể viết dướ i dạng số học là:UV = U1 + Ur .

Đặc tính V- A của bộ ổn áp này đượ ctrình bày như hình 9-2.

Ta nhận thấy khi điện áp đầu vào thay đổinhiều thì điện áp đầu ra thay đổi ít ( Δ UV >>Δ UR ). Tuy vậy sự dao động của điện áp đầura Δ UR vẫn còn tươ ng đối lớ n vì đặc tính V-A củacuộn kháng bão hòa không thể nằm song song vớ itr ục hoành đượ c. Có thể giảm bớ t Δ UR bằng cáchmắc thêm trên cuộn tuyến tính một cuộn bù W b

ngượ c cực tính vớ i cuộn bão hòa.



104

Điện áp ra trong tr ườ ng hợ p này đượ c tính bằng :

UR = (U2 - U1).1

b

W

W.

Trong đó tỉ số 1

b

WW phải chọn sao cho UR bé

nhất.Để có một điện áp ra tùy ý thì cuộn

dây W2 của cuộn kháng bão hòa phải là cuộnsơ cấ p của biến áp, còn điện áp lấy ra trêncuộn thứ cấ p là ở trên cuộn kháng bão hòa.

Hình 9-3 trình bày một số kiểu sơ đồ nối.

Nhượ c điểm chính của ổn áp sắt từ không tụ là tốn nhiều nguyên vật liệu, hiệusuất bé, điện áp ra bị méo dạng nhiều.

9.3. ỔN ÁP SẮT TỪ CÓ TỤ

Nhượ c điểm lớ n nhất của ổn ápsắt từ không tụ là dòng điện lớ n do khimạch từ bão hòa gây ra. Điều này có thể khắc phục đượ c bằng cách mắc thêmmột tụ điện có tr ị số thích hợ p song songvớ i cuộn kháng bão hòa. Do dòng điệntrên tụ ngượ c pha vớ i dòng điện trêncuộn kháng bão hòa nên chúng tự triệttiêu nhau.

Mắc thêm tụ điện tạo ra trongmạch hiện tượ ng cộng hưở ng, vì vậy ổnáp sắt từ còn đượ c gọi là bộ ổn áp cộnghưở ng.

1. Bộ ổn áp kiểu hai cuộn khángSơ đồ đơ n giản nhất của loại

này đượ c mô tả như hình 9-4.Ổn áp gồm hai cuộn kháng, một cuộn tuyến tính và mộtcuộn bão hòa mắc nối tiế p nhau, tụ điện C mắc songvớ i cuộn bão hòa. Điện áp ra lấy trên cuộn kháng bãohòa . Điện áp đầu ra có quan hệ khá phức tạ p vớ i điệnáp vào và dòng điện I. Khi: U2 < Uch ( điện áp cộnghưở ng) thì mạch vòng L2C có tính chất điện dung. KhiU2 = Uch trong mạch xảy ra hiện tượ ng cộng hưở ngdòng điện. Khi U2 > Uch thì mạch vòng L2C có tínhchất điện cảm (hình 9-5).



105

Đặc tínhV-A của bộ ổn ápnày hình 9-6. Tanhận thấy ở đâykhi Δ UV tươ ng

đối lớ n thì Δ UR thay đổi khôngđáng k ể và UR chỉ ổn định khi U2 >Uch . Vì vậy phảichọn miền làm việccủa ổn áp sau điểmcộng hưở ng .

Để giảm bớ t đến mức tối đasự thay đổi củađiện áp đầu ra UR

ngườ i ta dùng thêmcuộn bù vớ i số vòng thích hợ p quấn trên mạch từ của cuộn dây tuyến tính L

1và ngượ c cực tính vớ i cuộn

W2. Sơ đồ mạch biểu diễn trên hình 9-7.Tụ điện C có thể mắc vào điện áp cao hơ n UR nhờ cuộn tăng áp kiểu biến áp tự ngẫu, mục đích

làm giảm tr ị số của tụ ( biết UC =C

I

ω, nếu UC càng cao thì tr ị số của tụ càng bé khi dòng điện I và tần

số không đổi). Nhượ c điểm chính của loại ổn áp cộng hưở ng là điện áp ra bị méo bở i phần tử phi tuyến L2 .

điều này có thể khắc phục bằng cách dùng bộ lọc thích hợ p.

nguyên lí của bộ ổn áp sắt từ cộng hưở ng. Bộ ổn áp này đã dùng nhiều biện pháp tích cực nhằm cải tiếntối đa các thông số của nó . Ở đây nhờ có cuộn bù W b điện áp của tụ đượ c tăng cao. Ngoài ra còn có cuộnkháng tuyến tính L3 mắc nối tiế p vớ i tụ C. Tr ị số L3 chọn sao cho L3 và C tạo thành mạch cộng hưở ng đốivớ i các sóng bậc cao (chủ yếu là sóng hài bậc 3), do vậy điện áp ra sẽ gần hình sin hơ n.

2. Bộ ổn áp kiểu biến áp có sun từ Biến áp có sun từ đóng vai trò của cuộn kháng bão hòa và cuộn kháng tuyến tính. Sơ đồ nguyên

lí của loại này như hình 9-9. Tụ C mắc song song vớ i U2 hoặc vớ i điện áp cao hơ n U2.

Hình 9-6 : Dạng đặc tính V-A.



106

9.4. ỔN ÁP KHUẾCH ĐẠI TỪ

Điện áp hay dòng điện củatải mắc ở đầu ra của khuếch đạitừ có thể điều khiển đượ c nhờ

dòng điện điều khiển vào cuộndây điều khiển. Muốn duy trìđiện áp hay dòng điện đầu rakhông đổi thì chỉ việc thay đổi tr ị số dòng điều khiển Iđk , đó lànguyên lí làm việc của bộ ổn ápkhuếch đại từ như hình 9-10.

Nó gồm một K ĐT đơ nvà một biến áp tự ngẫu AT, điệnáp đầu vào đặt trên hai cuộn làmviệc của khuếch đại từ và cuộndây sơ cấ p của AT.

Có UV = UK ĐT + U1AT. Điệnáp đầu ra lấy ở cuộn thứ cấ p của máy biến

áp tự ngẫu AT. Vai trò của AT dùng để nâng cao điện áp ra :Ur = K.UAT = K( UV+ UK ĐT).

Trong đó : K là hệ số biến áp của AT.Muốn cho Ur không đổi thì Iđk phải đượ cđiều chỉnh sao cho :+ Khi Ur = Uđm thì Iđk = Iđk đm và cóUK ĐTđm.+ Khi Ur > Uđm thì Iđk < Iđk đm và có UK ĐT làm giảm Ur về lại Uđm.+ Khi Ur < Uđm thì Iđk > Iđk đm và có UK ĐT làm tăng Ur lên lại Uđm.

Vấn đề mấu chốt là phải tạo rađượ c quá trình tự động thay đổi Iđk theoquy lụật trên khi Ur thay đổi. Điều này đượ c giảiquyết nhờ hệ thống điều khiển gồm các cơ cấu phát, cơ cấu đo và cơ cấu so sánh. Khi UV thayđổi ( vì điện áp dướ i tải thay đổi hoặc tải của ổnáp thay đổi) các cơ cấu trên có nhiệm vụ tạo raIđk phù hợ p vớ i đặc tính điều chỉnh của ổn áp dođó điện áp ra sẽ đượ c duy trì ổn định. Ur daođộng ít nhất nếu các cơ cấu phát, đo và so sánhđượ c làm bằng các linh kiện điện tử và bán dẫn.Tuy vậy chúng cũng còn đượ c làm từ các phầntử điện từ.

Hình 9 -12 trình bày nguyên lí của mộtổn áp K ĐT mà cơ cấu của hệ điều khiển làm bằng các cuộn kháng. K ĐT có ba cuộn dây điều khiển W

đk1, W

đk2và W

đk3. Trong đó: W

đk1:là cơ cấu

phải chỉnh định bằng dòng điện Iđk1 sao cho khi : UV = Uvđm , I t = I tđm thì điện áp ra bằng điện áp địnhmức. Iđk1 đượ c chỉnh định bằng điện tr ở R 1.

Cuộn Wđk2 và Wđk3 mắc nối tiế p vớ i cuộn kháng bão hòa L2 và tuyến tính L3 qua bộ chỉnh lưu, vì hai cuộn này trên hình đượ c nối ngượ c cực tính vớ i nhau do đó sức từ động chung bằng hiệu hai sức từ động: (IW) = ( Iđk2.Wđk2) - ( Iđk3 .Wđk3)

Trong đó: Iđk2 và Iđk3 phải đượ c chỉnh định qua biến tr ở R 2 và R 3 sao cho khi Ur = UR đm thì sức từ động tổng bằng không(IW= 0). Khi Ur thay đổi thì Iđk2Wđk2 và Iđk3Wđk3 thay đổi theo hình 9-11.

Hình 9-11: Đặc tính ổ n áp



107

Quá trình tự động thay đổi điện áp có thể biểu diễn như sau:+ khi UR < Ur đm thì sức từ động IW >0 dẫn đến LK ĐT giảm và UK ĐT giảm và điện áp ra lại tăng lại.+ khi UR > Ur đm thì IW < 0 dẫn đến LK ĐT tăng làm UK ĐT tăng và điện áp ra giảm lại.Ổn áp khuếch đại từ có thể chế tạo vớ i công suất tươ ng đối lớ n, hiệu suất cao hơ n so vớ i ổn áp sắt từ.

9.5. ỔN ÁP BIẾN TR Ở THAN

Loại ổn áp này có cấu tạo khá đơ n giản như hình 9-13. Nó gồm một chồng đĩ a than xố p, một lòxo kéo và một nam châm điện. Điện áp đầu ra đượ c tính bằng hiệu của điện áp đầu vào và điện áp r ơ itrên chồng đĩ a than:

U = UV - IT. R Nếu điện áp ra thay đổi ( khi điện áp vào và tải thay đổi) thì lực điện từ của nam châm điện thay

đổi theo cho nên lực ép lên chồng đĩ a than cũng thay đổi làm điện tr ở của nó thay đổi.Khi điện tr ở của đĩ a than thay đổi thì điện áp r ơ i trên nó cũng thay đổi, k ết quả làm cho điện áp

đầu ra UR đượ c duy trì không đổi.

9.6. ỔN ÁP KIỂU SERVOMOTOR

Ổn áp kiểu servomotor còn đượ c gọi là ổn áp dùng servomotor kéo chổi than theo nguyên lí điệncơ . Nguyên lí làm việc của nó là dùng một mạch điều khiển bằng linh kiện bán dẫn điện tử để điều khiểnđộng cơ thừa hành làm nhiệm vụ ổn định điện áp.

Uv Ur

S

Điện áplấy mẫu

MM



108

Sơ đồ nguyên lí làm việc như hình 9-14.Phần chính là một biến áp tự ngẫu BA có lõi hình xuyến, đầu vào lấy điện qua con chạy S. Để

giữ điện áp ra Ur không đổi ta phải thay đổi điện áp vào Uv cho phù hợ p bằng cách điều khiển tự độngcon chạy S. Việc điều chỉnh S đượ c thực hiện nhờ động cơ M. Động cơ này đượ c điều khiển bằng bộ sosánh mức độ sai lệch giữa điện áp mẫu Ur

’ (Ur ’ là đại diện cho Ur ) và điện áp chuẩn. Sơ đồ khối mạch

điều khiển đượ c trình bày như hình 9-15.

Điện áp Ur sau khi qua bộ chỉnh lưu (CL) có điện áp Ur ’. Bộ đo lườ ng là một mạch cầu gồm ba

nhánh điện tr ở R 1, R 2, R 3 và một nhánh điôt zener Dz đượ c vẽ trên hình 9-16.Điện áp giữa hai nhánh của cầu là Ur

’ (điện áp chỉnh lưu của Ur ), Δ U là điện áp giữa hai đỉnhchéo AB của cầu. Các tr ị số điện tr ở R 1, R 2, R 3 đượ c tính toán như thế nào để khi Ur = Ur đm thì có Δ U= 0.

Giá tr ị Δ U sai lệch đượ c khuếch đại lên thành giá tr ị Δ U1 lớ n hơ n nhiều lần. Δ U1 này đượ c đưa đếnkhối thực hiện TH để khối này nhận biết điều khiển chiều quay của động cơ M, kéo theo con tr ượ t Schạy. Ta có cụ thể như sau:

+Khi điện áp ra Ur tăng xuất hiện sự sai lệch điện áp là Δ U, sự sai lệch này đượ c khuếch đạithành Δ U1 lớ n gấ p nhiều lần để cung cấ p cho động cơ M quay theo chiều giảm(chiều ngượ c), kéo theocon tr ượ t S chạy đến khi Ur ổn định (Ur =Ur đm).

+Khi điện áp ra Ur giảm xuất hiện sự sai lệch điện áp là Δ U, sự sai lệch này đượ c khuếch đạithành Δ U1 lớ n gấ p nhiều lần để cung cấ p cho động cơ M quay theo chiều tăng (chiều thuận), kéo theocon tr ượ t S chạy đến khi Ur ổn định (Ur =Ur đm).

Uv

Ur

R1

R2

R3

Dz

BA

Hình 9-16 : C ầu so sánh

TH ĐL CL

Uv

Ur

U r

Hình 9-15 : S ơ đồ khối mạch đ iềukhiển ổn áp

MM



109

Ổn áp loại này có các ưu điểm: điện áp ra ổn định, làm việc tin cậy, dạng điện áp ra ít bị méodạng, phạm vi thay đổi điện áp r ộng, hiệu suất cao và r ất tiện lợ i khi chế tạo ở công suất nhỏ. Tuy nhiênnó có một số nhượ c điểm là: cấu tạo khá phức tạ p, do có hệ thống chổi than nên gây ồn khi làm việc vàdễ sinh cháy nổ, do vậy loại này khó thực hiện ở công suất lớ n và giá thành cao.

9.7. ỔN ÁP KIỂU BÙ

Nguyên lí làm việc của ổn áp kiểu bù tươ ng tự như ổn áp kiểu servomotor. Hình 9-17 là sơ đồ nguyên lí của loại ổn áp kiểu bù.

Mục đích của cuộn bù là bù thêm một lượ ng điện áp thích hợ p để có điện áp ra ổn định. Phươ ng trình cân bằng điện áp là: Uv= Ur + Δ U b

Việc thay đổi lượ ng điện áp bù nhờ biến áp tự ngẫu. Mạch điều khiển có nhiệm vụ so sánh vàkhuếch đại điện áp ra thay đổi để điều khiển servomotor M theo hai chiều quay thuận hoặc quay ngượ c.Servomotor M lại điều khiển từ biến áp tự ngẫu T làm cho nó cung cấ p một lượ ng điện áp có véc tơ dươ ng hoặc âm cho biến thế B. Thứ cấ p của B nối nối tiế p vớ i mạch động lực giữa đầu vào và đầu ra.

Thực tế điện áp lướ i dao động từ Umin đến Umax nên thườ ng phươ ng án đượ c đưa ra là bù mộtlượ ng Δ U và do một biến áp khác đảm nhiệm. Sơ đồ nguyên lí như hình 9-18. Khi có Uv nhỏ hơ n mộttr ị số điện áp đặt Uđ thì biến áp BA1 làm việc (Triac T1 dẫn, Triac T2 ngưng dẫn) bù một lượ ng điện ápΔ U do đó điện áp của biến áp BA2 luôn luôn lớ n hơ n Uđ. Khi điện áp Uv cao thì biến áp BA1 ngưng làmviệc. Biến áp BA2 làm nhiệm vụ bù lượ ng điện áp Δ U để điện áp ra ổn định, việc bù này nhờ thay đổi

Uđk theo vị trí chổi than con tr ượ t của biến áp vi sai. Khi các biến áp BA1, BA2 không cần thiết phải bùthì thiết bị tự ngắt mạch sơ cấ p của nó để tránh hiện tượ ng bão hòa mạch từ làm tăng tổn hao công suất.

Ư u điểm của ổn áp kiểu bù là chất lượ ng điện áp tốt ít bị méo dạng, độ tin cậy làm việc cao, các phần tử điều khiển lượ ng công suất bé( của BA1 và BA2 ) nên dễ chế tạo ổn áp ở công suất lớ n, hiệu suấtcao và giá hạ. Tuy nhiên loại này cũng tồn tại một số nhượ c điểm: khó chế tạo và thiết k ế, sử dụng chổithan nên gây ồn và dễ cháy nổ, loại này thườ ng đượ c chế tạo vớ i công suất lớ n.

9.9. ỔN ÁP ĐIỆN TỬ

Hình 9-17 : Nguyên lí ổn

Mạchđiềukhiển

B

Ur Uv

MM

BA1 BA2

T2 T1

Hình 9-18 : S ơ đồ nguyên lí ổn ápkiểu bù



110

Ổn áp gồm một biến áp tự ngẫu T2 , cuộn dây bù điện áp T1 và mạch điều khiển là các linh kiện

bán dẫn. Nguyên lí làm việc loại này tươ ng tự loại servomotor, nhưng ở đây động cơ thừa hànhservomotor và con chạy S đượ c thay thế bằng mạch điều khiển dòng điện và cuộn dây bù điện áp T1. Khiđiện áp thay đổi, mạch điều khiển sẽ phân tích để bù lượ ng điện áp thích hợ p đảm bảo điện áp ra ổn định.

Hình 9-19 là sơ đồ nguyên lí của ổn áp điện tử.

Ư u nhượ c đ iể m của ổ n áp đ iện t ử

Ngoài các ưu điểm đạt đượ c như loại servomotor, loại này còn khắc phục đượ c các nhượ c điểmlà không gây ồn hoặc cháy nổ. Tác động r ất nhanh , nhạy và khối lượ ng nhẹ.

Tuy nhiên nó cũng có các nhượ c điểm là khá phức tạ p khi thiết k ế, chế tạo mạch điều khiển,công suất chế tạo loại ổn áp này không lớ n và giá thành sản xuất khá cao.

Uv Mạch điềukhiển

dòng

T1

T2

So sánh vàkhuếch đại

Điện áp lấy

Điện áp

Ur

Hình 9-19 : S ơ đ khối ổn áp đ iệntử



113

PHẦN THỨ BATHIẾT BỊ ĐIỆN TRUNG - CAO ÁP

Chươ ng 10. DAO NGẮT

10.1. CÁC ĐỊNH NGHĨA VÀ CÁC ĐẶC TÍNH ĐIỆN CỦATHIẾT BỊ ĐIỆN ĐÓNG NGẮT

1. Các định ngh ĩ a của thiết bị điện đóng ngắt -Dao cách li là thiết bị đóng ngắt cơ khí, ở vị trí mở tạo nên một khoảng cách cách điện. Chúng

có khả năng mở hoặc đóng mạch nếu dòng điện đóng mở không đáng k ể hoặc sự biến thiên điện áp giữacác đầu cực là không đáng k ể. Trong điều kiện làm việc bình thườ ng và bất thườ ng (ngắn mạch), daocách li có thể cho dòng điện chạy qua trong thờ i gian quy định.

-Khoảng cách cách điện là khoảng cách trong chất khí hoặc chất lỏng có cườ ng độ điện môi quyđịnh khi thiết bị đóng ngắt mở mạch. Để bảo vệ ngườ i và thiết bị chúng phải thỏa mãn các điều kiện đặc biệt và sự có mặt của nó phải đượ c nhận rõ khi thiết bị đóng ngắt ở vị trí mở .

-Cầu dao là thiết bị đóng ngắt cơ khí. Chúng không những dẫn và ngắt dòng điện ở điều kiện bình thườ ng trong lướ i điện mà còn dẫn dòng điện trong khoảng thờ i gian quy định và có khả năng dẫn

dòng điện tăng cao ở cả các điều kiện bất thườ ng của lướ i điện.-Dao cách li -cầu dao là cầu dao khi ở vị trí mở thỏa mãn đượ c các yêu cầu cách li của dao cáchli.

-Máy ngắt là thiết bị đóng ngắt cơ khí có khả năng dẫn, ngắt dòng điện trong mạch ở điều kiện bình thườ ng, dẫn trong thờ i gian quy định và ngắt dòng điện tăng lên trong mạch ở điều kiện không bìnhthườ ng đã xác định (ví dụ ngắn mạch).

-Cầu dao nối đất là thiết bị đóng ngắt cơ khí dùng để nối đất và tạo ngắn mạch. Chúng có khả năng chịu dòng điện ở điều kiện không bình thườ ng và không đòi hỏi dẫn dòng điện làm việc bìnhthườ ng. Cầu dao nối đất có khả năng tạo dòng điện ngắn mạch.

-Cầu chảy là thiết bị bảo vệ nhờ nóng chảy một hoặc nhiều đoạn dây chảy, đượ c chế tạo nhằmmục đích làm hở mạch khi dòng điện này vượ t quá giá tr ị quy định trong khoảng thờ i gian đủ lớ n.

-Các công tắc phụ, mạch phụ: công tắc phụ đượ c thiết k ế vớ i dòng một chiều ít nhất là 10 A, cókhả năng đóng và ngắt dòng điện trong mạch điều khiển. Các thông số chi tiết do nhà sản xuất cung cấ p. Nếu thông tin này chưa đầy đủ các công tắc phụ phải có khả năng đóng và ngắt dòng điện ít nhất là 2A ở

điện áp 220V một chiều khi hằng số thờ i gian tối thiểu của mạch là 20ms. Các đầu cực và dây mạch phụ phải đượ c thiết k ế cho qua dòng một chiều ít nhất là 10A. Các công tắc phụ phải đượ c tác động tr ực tiế pở cả hai chiều.

2. Các đặc tính điện của thiết bị đóng ngắt- Dòng đ iện đ óng : là tr ị số đỉnh nửa sóng đầu của dòng điện ở một cực của thiết bị đóng ngắt khi đóng.-Dòng đ iện đỉ nh: là tr ị số đỉnh nửa sóng đầu của dòng điện trong khi xảy ra quá độ sau khi dòng điện bắtđầu chạy mà thiết bị đóng ngắt phải chịu đựng ở vị trí đóng trong các điều kiện quy định.-Dòng đ iện cắ t : là dòng điện ở một cực của thiết bị đóng ngắt hoặc của cầu chảy ở ngay thờ i điểm banđầu của hồ quang trong quá trình cắt.-Khả năng đ óng : là tr ị số dòng điện đóng mà ở điện áp đã cho thiết bị đóng ngắt có thể đóng trong cácđiều kiện sử dụng và tính năng quy định để đóng tớ i giá tr ị dòng điện làm việc.-Khả năng cắ t : là gía tr ị của dòng điện cắt chờ đợ i ở điện áp đã cho của thiết bị đóng ngắt có thể cắt dòngđiện trong điều kiện sử dụng và tính năng quy định để ngắt giá tr ị dòng điện làm việc.-S ự cố ng ắ n mạch đầu cự c: là ngắn mạch trên đườ ng dây trên không ở khoảng cách r ất ngắn không đángk ể từ đầu cực máy ngắt.-Khả năng đ óng/cắ t (đóng và cắt ): trong điều kiện không đồng bộ: là khả năng đóng hoặc cắt khi mấtđồng bộ hoặc không có lướ i tr ướ c và sau máy ngắt trong điều kiện sử dụng và tính năng quy định.-Dòng đ iện bình thườ ng : là dòng điện trong mạch chính mà thiết bị dóng cắt có thể dẫn một cách liên tụctrong điều kiện sử dụng và tính năng quy định.-Dòng đ iện chịu ng ắ n hạn: là tr ị số hiệu dụng của dòng điện khi thiết bị đóng ngắt ở vị trí đóng có thể dẫndòng điện ngắn mạch định mức ở điều kiện sử dụng và tính năng quy định, đượ c tiêu chuẩn hóa.



114

- Điện áp định mứ c: là giớ i hạn trên của điện áp cao nhất của lướ i mà thiết bị đóng ngắt đượ c thiết k ế.Điện áp định mức đượ c tiêu chuẩn hóa.- Điện áp đặt : Điện áp giữa các đầu cực của thiết bị đóng ngắt ngay tr ướ c khi đóng dòng điện.- Điện áp phục hồi: là điện áp xuất hiện trên các đầu cực của thiết bị đóng ngắt hoặc cầu chảy sau khidòng điện bị ngắt.

-Thờ i gian mở : là khoảng thờ i gian giữa thờ i điểm ban đầu quy định của thao tác mở và thờ i gian phântách tiế p điểm hồ quang ở tất cả các cực.-Thờ i gian đ óng: là khoảng thờ i gian giữa thờ i điểm ban đầu quy định thao tác đóng và thờ i điểm tất cả các cực của tiế p điểm chạm nhau.-Tr ị số chịu đự ng : là giá tr ị lớ n nhất của đại lượ ng đặc tr ưng mà thiết bị đóng ngắt đượ c phép đóng/cắtnhưng không làm hư hỏng tính năng. Tr ị số chịu đựng ít nhất phải bằng tr ị số định mức.-Tr ị số định mứ c: là giá tr ị của các đại lượ ng đặc tr ưng sử dụng để xác định các điều kiện vận hành màthiết bị đóng ngắt đượ c thiết k ế, chế tạo mà nhà sản xuất cần phải đảm bảo.-Tr ị số tiêu chuẩ n: là giá tr ị đượ c định ngh ĩ a trong các quy định chính thức mà các thiết k ế thiết bị phảidựa vào:

+ Điện áp định mức tiêu chuẩn : 3,6; 7,2; 12; 17,5; 24; 36; 52; 72,5; 100; 123; 145, 170; 245;300, 362; 420; 525; 765 kV.

+ Dòng điện bình thườ ng định mức tiêu chuẩn: 200; 400; 630; 800; 1250; 1600; 2000; 2500;3150; 4000; 5000; 6300A.

+ Dòng điện ngắn hạn định mức tiêu chuẩn: 6.3; 8; 10; 12,5;16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80;100kA.- Điện áp chịu t ần số nguồn định mứ c: là tr ị số hiệu dụng của điện áp xoay chiều hình sin ở tần số hệ thống mà cách điện của thiết bị phải chịu đựng trong thờ i gian 1 phút ở các điều kiện thử nghiệm quyđịnh.- Điện áp chịu xung sét định mứ c: là giá tr ị đỉnh của điện áp xung sét tiêu chuẩn 1,2/50 μ s mà cách điện

của thiết bị phải chịu đựng.- Điện áp chịu xung đ óng mở định mứ c: là giá tr ị đỉnh của điện áp đóng mở đơ n cực tiêu chuẩn250/2500 μ s mà cách điện của thiết bị có điện áp định mức 300 kV và lớ n hơ n cần phải chịu. Theo tiêu

chuẩn mớ i khoảng cách cách điện của dao cách li ở điện áp định mức 300kV và lớ n hơ n đượ c thử nghiêm bằng cách đặt điện áp tần số nguồn cho một cực và khi đạt đến tr ị số đỉnh thì đặt vào cực kia điện áp xungsét ngượ c cực tính hoặc điện áp xung đóng mở , thử nghiệm hai cực này gọi là thử nghiệm kép.

10.2. DAO CÁCH LI

Kiểu dao cách li đượ c lựa chọn chủ yếu xác định theo sơ đồ tr ạm. Ngày nay dao cách li đượ c chế tạo có dải điện áp từ 72,5 đến 800 kV, dòng từ 1250 đến 4000 A và dòng ngắn mạch đỉnh tớ i 63 dến 160kA.

1. Dao cách li kiểu quay a) Dao cách li quay hai tr ụ

Đó là loại dao cách li thông dụng có điện áp từ 72,5 đến 420kV, chủ yếu sử dụng trong các tr ạm biến áp nhỏ hoặc các tr ạm biến áp lớ n ngoài tr ờ i như tr ạm đườ ng dây đến hoặc dao cách li phân đoạn.Cầu dao nối đất có thể đượ c lắ p ở bất k ỳ phía nào. Hình 10-1 sau cho thấy một dao cách li hai đế quayđượ c lắ p trên khung thép cán định hình và đượ c nối bằng thanh k ẹ p. Các sứ đỡ đượ c gắn vớ i bệ quay vàtrên đỉnh gắn vớ i khớ p xoay có cần và tiế p điểm cao áp. Khi thao tác cả hai cần quay một góc 900.



115

Ở vị trí mở , dao cách li có điểm cắt giữa hai tr ụ tạo nên khoảng cách cách điện nằm ngang. Bệ quay có cơ cấu chịu đượ c điều kiện thờ i tiết vàkhông cần bảo dưỡ ng ổ bi. Bệ quay đượ c lắ p trên bu lông cho phép điều chỉnh chính xác hệ thống

tiế p điểm một khi thiết bị thẳng hàng và cũng cho phep có dung sai sứ cách điện. Các tay khớ p cấutrúc bằng nhôm hàn có chi tiết tiế p điểm không bị ăn mòn và thờ i gian lâu không làm giảm giá tr ị của điện tr ở . Dao cách li có điện áp U > 170 kVcó thêm thiết bị khóa liên động tránh các tay bị tách ra khi xảy ra sự cố dòng ngắn mạch lớ n. Dâydẫn điện tớ i các đầu quay đượ c bảo vệ hoàn toànvà không cần bảo dưỡ ng. Dao cách li như hình 10-1, các đầu cao áp có thể quay 3600 đảm bảo cho

ống hoặc dây dẫn đượ c nối theo phươ ng bất k ỳ.Hệ thống tiế p điểm có cấu trúc hỗn hợ p đồng thépvớ i chùm tiế p điểm ôm chặt. Chúng có mỡ khô bôi tr ơ n thườ ng xuyên và không cần bảo dưỡ ng.

Nếu cần mỗi cực dao cách li có thể đượ c trang bị một hoặc hai cầu dao nối đất. Cả dao cách li và cầu daonối đất đều có cơ cấu thao tác khóa liên động điểm chết. Như vậy đề phòng sự thay đổi vị trí khi làm việcở tình huống nguy hiểm như có ngắn mạch, động đất hay gió mạnh.

Dao cách li và cầu dao nối đất có cơ cấu thao tác riêng. Một cơ cấu thao tác một nhóm hai hoặc ba cực, các cực của một nhóm đượ c liên k ết cơ khí bằng thanh nối. Lực tác động từ bộ truyền động đượ ctruyền đến đế quay và làm đế quay một góc 900 đồng thờ i quay đế thứ hai. Khi mở và đóng các tiế p điểmdao cách li quay và chuyển động tr ượ t để dễ dàng cắt khi bị bụi hoặc băng bám đầy. Lực của cơ cấu thaotác đượ c truyền tớ i tr ục của cầu dao nối đất. Khi dao cách li đóng tay của cầu dao nối đất đậ p mạnh vàgài tiế p điểm nối đất vào khớ p. b) Dao cách li quay ba tr ụ

Dao cách li loại này chủ yếu sử dụng ở châu Âu và thườ ng dùng cho mạng trung áp. So vớ i loạihai tr ụ chúng cho phép khoảng cách giữa các pha nhỏ hơ n. Lực kéo t ĩ nh đầu cuối dao cao hơ n. Hai sứ cách điện phía ngoài đượ c cố định trên bệ khung và mang hệ thống tiế p điểm (hình 10-2). Sứ cách điệngiữa đứng trên đế quay và đỡ cần tác động, khi tác động nó quay khoảng 600 và gài hệ thống tiế p điểm

lên sứ phía ngoài.



116

Các tiế p điểm của cầu dao nối đất cóthể đượ c lắ p ở cả hai phía và đượ c đặt ở hệ thống tiế p điểm t ĩ nh. Dao cách li 3 tr ụ đượ cchế tạo bằng các chi tiết giống dao hai tr ụ ở trên.

2. Dao cách li một trụ tiếp điểm đóng mở Trong các tr ạm cao áp và khi có

nhiều thanh góp dao cách li một tr ụ (còn gọilà dao cách li kiểu máy vẽ thanh truyền hoặcdao cách li thẳng đứng) cho trong hình 10-3.Đòi hỏi diện tích mặt bằng nhỏ hơ n so vớ i cácloại dao cách li khác. Do vậy chúng đượ c sử dụng r ộng rãi giúp làm gọn hơ n sơ đồ tr ạm. Vị trí đóng ngắt đượ c thể hiện rõ ràng theokhoảng cách cách điện thẳng đứng. Đế daocách li là khung, trên đó có sứ đỡ mang chitiết chính có cơ cấu thanh truyền và hộ p số.Lực tác động đượ c sứ quay truyền đến hộ p số

, tiế p điểm treo đặt trên thanh góp nằm phíatrên cao dao cách li. Khi đóng hai thanhtruyền ép chặt lấy tiế p điểm treo, đườ ng dâycung cấ p đượ c nối vớ i đầu cao áp trên hộ p số.

Nếu muốn, mỗi cực dao cách li cóthể đượ c trang bị cầu dao nối đất quay hoặcthẳng. Khung có gắn ổ quay để truyền lực tácđộng từ cơ cấu thao tác tớ i hộ p số và đượ cgắn chắc vớ i cột đỡ bằng bốn bu lông. Các bulông này cho phép điều chỉnh chính xác daocách li vớ i tiế p điểm treo, đó là ưu điểm củaloai này khi lắ p đặt và vận hành. Chiều caoquá mức của dao cách li có thể đặt không khớ p trên nền, nhưng điều này có thể đượ c bù lại bằng cáchđiều chỉnh các bu lông đế. Cơ cấu thanh truyền có cấu trúc bằng nhôm hàn (giống như mọi kiểu có dòng

điện đỉnh tớ i 200 kA), cơ cấu đượ c cố định và chốt vào tr ục thanh truyền trong hộ p số. Bộ phận này cókhả năng chuyển dịch, đảm bảo áp suất tiế p điểm cao giữa đầu trên của thanh truyền và tiế p điểm k ẹ p.Áp suất tiế p điểm từ 70 đến 150 kp (theo thiết k ế) không chỉ đảm bảo truyền động dòng điện

hiệu quả mà còn giúp cắt đượ c dễ dàng ngay cả khi băng bám đầy. Tiế p xúc giữa hộ p số và các thanhtruyền từ dướ i đến các thanh truyền trên nhờ lá đồng mạ bạc nhiều lớ p đàn hồi hoặc tiế p điểm con lăn.Thanh tiế p xúc ở đầu thanh truyền và tiế p điểm treo làm từ tấm đồng mạ bạc hoặc bạc tinh khiết khi chế độ làm việc nặng nề hoặc trong các tr ườ ng hợ p đặc biệt vì vậy ít làm mòn tiế p điểm, đảm bảo dẫn dòngđiện tốt và thờ i gian làm việc lâu dài. Dao cách li dùng cho dòng điện ngắn mạch cao có thiết bị cản lựcgiữ các điểm ghép nối thanh truyền. Ở vị trí đóng, các tiế p điểm nối này hạn chế khoảng cách giữa haithanh truyền, do vậy đề phòng mọi khả năng làm giảm áp suất tiế p điểm và cản dịu mọi dao động của cácthanh tiế p xúc do ngắn mạch gây ra.

Dao cách li một tr ụ có khóa liên động điểm chết trong hộ p số, do đó vị trí của nó không thể thayđổi một cách tự phát. Việc chỉnh định vẫn đượ c tiến hành ngay cả khi sứ quay cắt ra hoặc chấn độngmạnh do động đất hoặc do lực ngắn mạch. Cơ cấu chống vầng quang ở đầu thanh truyền tác động để dừng

tiế p điểm treo nếu nó chuyển động thẳng đứng. Vòng k ẹ p vẫn nằm chắc chắn trong vùng tiế p điểm ngaycả khi chịu áp suất do ngắn mạch. Khối thanh truyền và hộ p số đượ c lắ p tại nhà máy, làm giam đáng k ể thờ i gian lắ p đặt tại chỗ. Lò xo bù trong hộ p số tr ợ giúp lực tác động khi đóng, khi mở nó quay cần nhẹ nhàng về vị trí gậ p lại.

Hình 10-2: Dao cách li quay ba tr ụ kiể u TDA,145kV



117

Các phươ ng án đặc biệt của daocách li một tr ụ đã đượ c sử dụng từ lâu trongcác tr ạm dòng điện một chiều cao áp(HVDC). Mỗi cực của dao cách li có cơ cấuthao tác riêng. Khi dao cách li đóng các cần

thanh truyền thực hiện chuyển động khớ pvào và đảm bảo gài chặt các tiế p điểm treo,tuy nhiên trong một số tr ườ ng hợ p có xêdịch do điều kiện thờ i tiết.

3. Tiếp điểm treo dùng trong đóng ngắtdòng điện của dao cách li một trụ

Trong các tr ạm đóng ngắt ngoàitr ờ i, việc thay đổi thanh góp không làm ngắtdòng điện cung cấ p nhưng làm tăng cácdòng điện đóng ngắt khi thao tác đóng mở và các dòng này có thể dẫn đến làm tăngnhiệt ở các tiế p điểm dao cách li và ở tiế pđiểm t ĩ nh. Tr ị số dòng điện này phụ thuộc

khoảng cách vị trí đóng ngắt tớ i nguồn cungcấ p hoặc phươ ng thức làm việc của bộ chuyển mạch, ngh ĩ a là thanh góp hoặckhoang đóng ngắt, ở khoang đóng ngắt tạonên ứng suất cao hơ n. Tr ị số điện áp đóngmở có thể đượ c tìm qua tính toán.

Hiện tượ ng đóng mở có thể xảy ra cả khi đang đóng hoặc mở . Đóng làm tăng sự dồn ép giữa cầncủa dao cách li và tiế p điểm k ẹ p, tạo nên tia lửa nhỏ do đó làm tiế p điểm mòn dần. Khi mở , hồ quang phátsinh giữa các tiế p điểm tách dờ i và duy trì cho đến khi có điện áp ngượ c cần thiết để dậ p tắt hồ quang.Tr ưóc tiên các tiế p điểm chuyển động chậm, quá trình này xảy ra trong vài chu k ỳ gây hư hại các phần tử tiế p xúc của dao cách li. Tr ạm đóng ngắt 420 kV công suất lớ n có thể phải chịu đựng điện áp đóng mở đến 300 V và dòng điện đóng mở đến 1600A.

Hình 10-4 và 10-5 là tiế p điểm đóng mở treo do hãng ABB chế tạo dùng cho dao cách li một tr ụ có hai hệ thống đóng mở phụ kiểu kín, tác động độc lậ p vớ i nhau. Do đó nó luôn đảm bảo có đượ c hoạt

Hình 10-3



118

động đúng bất k ể tay truyền dẫn tr ướ c chạm vào hoặc cái sau tách khỏi tiế p điểm treo. Hệ thống đóng mở phụ nằm trong mũ chống vầng hào quang và bao gồm tiế p điểm bật (ghép vớ i thanh tiế p điểm phụ bằnglẫy) và thiết bị dậ p tắt hồ quang khử ion.

Tiế p điểm bật mở và đóng theo tốc độ đóng mở khi thanh tiế p điểm phụ ở vào vị trí nào đó. Khimở thờ i gian hồ quang kéo dài khoảng 25 ms sự hao mòn trên tiế p điểm lẫy r ất ít và dòng điện đượ c ngắt

một cách an toàn tr ướ c khi phân tách thanh tiế p điểm dao cách li. Bằng cách phân tách hệ thống tiế p điểmchính và tiế p điểm phụ nên không có lực tác động nên tiế p điểm sau trong tr ườ ng hợ p sự cố. Thử nghiệmngắn mạch cho thấy cườ ng độ chịu xung đến 200kA.

Mỗi hệ thống đóng ngắt có thể thực hiện ít nhất 350 chu k ỳ đóng ngắt vớ i dòng điện đóng mở 1600A và điện áp đóng mở tớ i 330V.

Việc bố trí các tiế p điểmtreo đóng mở như vậy tạo nên sự linh hoạt và tin cậy cho ngườ i vậnhành hệ thống. Những tiế p điểmnày có thể đượ c lắ p đặt để nâng cấ pcác tr ạm đang hoạt động vớ i cácthiết bị cũ hiện nay.

4. Dao cách li hai trụ đứ ng cắt ở

giữ a Khi điện áp làm việc tăng,khoảng cách cách điện r ộng đòi hỏicần tiế p điểm dài. Dao cách li cắtthẳng đứng ở giữa có hai cần tiế pđiểm dùng cho mạng điện áp bằnghoặc lớ n hơ n 400kV, ở đây cónhiều ưu điểm hơ n.

Hình 10-6 cho thấy hai cộtsứ đỡ đượ c lắ p trên khung. Gắn vớ ichúng là hộ p số có các cần tiế pđiểm và đầu cao áp. Sứ quay nốivớ i ổ quay trên khung ở đầu ổ trênhộ p số. Cơ cấu thao tác đượ c đặt

dướ i tâm khung, lực đượ c truyềnđến hai ổ quay bằng thanh giằng.Tùy theo yêu cầu, cả hai phía củadao cách li có thể đặt cầu dao nối đất. Các tiế p điểm nối đất đượ c lắ p trên tay đỡ giữa sứ và hộ p số.

Dao cách li cắt ở giữa đặt đứng đòi hỏi lực thao tác nhỏ hơ n các loại khác có cần một tiế p điểm.Cột đỡ của tr ạm không cần cao quá do đó chi phí làm nền móng cũng thấ p hơ n. Cấu trúc cơ khí của daocách li cũng đơ n giản bở i tay cầm mang dòng điện chỉ quay theo mặt thẳng đứng không có chuyển độngquay phụ để đạt đượ c áp suất tiế p điểm cần thiết. Giống như các loại dao cách li khác sứ đỡ đượ c đặt trêncác bu lông đế sau khi căng dây cho phep điều chỉnh chính xác cần tiế p xúc và bù dung sai của sứ đỡ . Sứ quay có ổ đứng trên đầu hộ p số và truyền lực tác động mà không bị xoắn, hộ p số và nửa tay cần tiế p điểmtạo nên bộ khớ p cơ khí.

Các tay cần tiế p điểm chế tạo các linh kiện dao cách li quay hai tr ụ bằng cấu trúc nhôm hàn, chỉ một vài mối nối sử dụng bu lông. Các tiế p điểm quay truyền dòng điện đến hộ p nhôm đúc chịu đượ c mọithờ i tiết. Áp suất tiế p điểm thấ p làm cho tiế p điểm ít bị mòn, thiết bị khóa liên động đề phòng tay cần tiế p

điểm tách dờ i khi có dòng ngắn mạch cao và đảm bảo làm việc không sai sót trong các điều kiện bấtthườ ng. Thanh truyền chéo truyền lực tác động từ cơ cấu thao tác đến hai ổ dướ i và quay các sứ quay đếnổ tr ục trong hộ p số. Thanh truyền chéo và các thanh tác động ở hộ p số vượ t qua điểm chết r ất nhanh tr ướ ckhi đạt đến vị trí mở và khóa tay cần máy dẫn dòng điện ở vị trí này. Mỗi tay cần tiế p điểm quay thẳngđứng một góc 900. Ở vị trí mở chúng hướ ng thẳng đứng lên trên, tạo ra khoảng cách cách điện theo chiềungang.



119

10.3. CẦU DAO NỐI ĐẤT MỘT TR Ụ

Trong các tr ạm ngoài tr ờ i, cầu dao nối đất không những đòi hỏi đặt tr ực tiế p ở dao cách li màcòn ở cả các vị trí khác. Ví dụ để nối đất cho các phân đoạn thanh góp riêng r ẽ.

Cầu dao nối đất một tr ụ dùng cho tr ườ ng hợ p này có thể đượ c sử dụng như bệ đỡ cho thanh góp

dạng ống. Cầu dao nối đất lắ p vào dao cách li hoặc đặt riêng trên một cột có cùng các linh kiện như nhau,chỉ khác biệt là khung là giá đỡ cho tiế p điểm nối đất. Khung đế có sứ đỡ cách điện cho cơ cấu thao tác(hình 10-7) đượ c gắn vớ i chi tiết đỡ tiế p điểm và tiế p điểm nối đất. Theo yêu cầu khác nhau có hai kiểudao nối đất: Cầu dao nối đất thẳng đứng dùng chođiện áp định mức và dòng điện đỉnh thấ p.

Cầu dao nối đất quay thẳng dùng chođiện áp và dòng điện đỉnh cao hơ n. Sự khác nhaucủa hai loại cầu dao này nằm ở chỗ thiết k ế cơ cấuthao tác và do đó dẫn đến chuyển động mà cầntiế p xúc thực hiện. Cần tiế p xúc của cầu dao nốiđất thẳng đứng có khả năng khớ p nối trên tr ục vàchỉ thực hiện chuyển động quay vớ i góc khoảng900. Ở vị trí đóng, tiế p điểm nối đất nằm giữa cácngón tiế p xúc và những ngón này ép lò xo lại. Cơ

cấu cầu dao nối đất quay thẳng đứng cho phép làmtăng tính năng, tay tiế p điểm quay tr ướ c nhưngcuối vòng quay chuyển sang đườ ng thẳng vào tiế pđiểm nối đất. Lá tiế p điểm trên tay cần tiế p xúc cố định vào tiế p điểm nối đất tạo nên chỗ nối có thể chịu dòng điện đỉnh cao.

10.4. CƠ CẤU THAO TÁC CỦA DAO CÁCHLI VÀ CẦU DAO NỐI ĐẤT

Cơ cấu thao tác dao cách li và cầu dao nối đất đượ c truyền động bằng động cơ hoặc thao tác bằng tay.

Nói chung cơ cấu thao tác đượ c lắ p tr ực tiế p trên khung đế của dao cách li hoặc cầu dao nối đất.

Tuy vậy, vì dao cách li đượ c lắ p cách mặt đất (ví dụ lắ p trên cột) nên cần phải có cơ cấu thao tác đạt đếnvị trí đó. Bộ phận tác động tác động đòi hỏi có ổ bi và các thanh nối phụ . Có thể thao tác bằng tay khẩncấ p vớ i mọi loại cơ cấu thao tác nếu khi nguồn bị sự cố hoặc khi tiến hành điều chỉnh.

Cơ cấu thao tác cũng gắn vớ i công tắc báo hiệu vị trí đóng mở , dùng cho các mục đích kiểm travà khóa liên động. Loại truyền dẫn bằng động cơ cũng có công tắc và thiết bị điều khiển. Hệ thống điềukhiển đượ c bố trí sao cho chỉ cần một xung đóng mở và cơ cấu chấ p hành tự động cắt khi đạt đến vị trícuối. Tr ườ ng hợ p thao tác bằng tay khẩn cấ p, tiế p điểm an toàn ngắt mạch động cơ sao cho không thể tácđộng cùng lúc từ buồng điều khiển. Các hệ thống truyền động động cơ cũng đượ c trang bị điều khiển tạichỗ và điều khiển từ xa.



120

Để đề phòng thao tác sai, các cơ cấu của dao cách li và dao nối đất đượ c khóaliên động lẫn nhau(hệ thống động cơ chạyđiện và hệ thống có thao tác bằng tay). Cáchệ thống thao tác bằng tay và bằng động cơ

có thể đượ c trang bị bằng cuộn dây khóahình xuyến, khi điện áp khóa liên động bị mất tránh đượ c tác động nhầm bằng tay.Thao tác tại chỗ chỉ có thể đượ c tiến hànhnếu có điện áp và các điều kiện khóa liênđộng quy định đượ c thỏa mãn. Ví dụ: daocách li chỉ có thể đóng hoặc mở đượ c nếumáy ngắt liên quan đến nó mở . Cũng có thể trang bị nhiều loại khóa liên động.

Hệ thống tác động của dao cách livà cầu dao nối đất có khóa liên động điểmchết, sao cho vị trí đóng mở không thể thayđổi một cách ngẫu nhiên do các điều kiện sự cố như ngắn mạch có động đất hay gió bão

xảy ra.

10.5. CẦU DAO CAO ÁP

Cầu dao cao áp là cơ cấu đóng ngắt cơ khí có khả năng đóng/dẫn và cắt dòng điện, k ể cả quá tảilàm việc quy định ở các điều kiện làm việc bình thườ ng trong lướ i điện và cũng có thể dẫn điện ở cácđiều kiện bất thườ ng đã quy định. Ví dụ ngắn mạch trong khoảng thờ i gian quy định. Cầu dao cao ápcũng có thể đóng dòng ngắn mạch nhưng không cắt chúng.

Cầu dao cao áp đượ c thiết k ế cho cả tr ạm trong nhà và ngoài tr ờ i, theo chức năng đóng ngắt và ápdụng có sự phân biệt giữa :

-Cầu dao thông dụng.-Cầu dao có mục đích đặc biệt.-Cầu dao có mục đích hạn chế.-Cầu dao chuyên dụng.

-Cầu dao một bộ tụ điện.-Cầu dao bộ tụ.-Cầu dao kháng điện song song.Khi sử dụng dao cách li -cầu dao mà ở vị trí mở phải thỏa mãn các yêu cầu cách điện quy định

cho dao cách li. Các cầu dao cao áp hiện nay hiện nay cũng đang đượ c sử dụng cho các tr ạm .



121

10.6. DAO CÁCH LI VÀ CẦU DAO PHỤ TẢI LƯỚ I TRUNG ÁP

1. Dao cách li trung ápCác dao cách li dùng cho thiết bị trung

áp chủ yếu là kiểu tiế p điểm dao (hình 10-8). Cần đặc biệt chú ý đến chuyển độngquay quanh tr ụ của lưỡ i dao khi quyết địnhkích thướ c tủ để đảm bảo khoảng cáchcách điện yêu cầu. Tủ đóng ngắt có daocách li kiểu tiế p điểm dao đòi hỏi đượ c lắ psâu hơ n so vớ i kiểu tr ượ t. Lưỡ i dao cách likhi đặt đứng hoặc treo cần đề phòngchuyển động tự phát do tr ọng lượ ng của

chúng. Các dao cách li có điện áp địnhmức tớ i 36 kV thườ ng đượ c thao tác bằngtay. Trong các thiết bị điều khiển từ xa,dao cách li đượ c tác động bằng động cơ hoặc khí nén. Lắ p cầu dao nối đất, k ể cả khi các cầu dao có đủ khả năng đóng/cắt mạch. Các dao cách li có điện áp nhỏ hơ n 36 kV phải thỏa mãn các điều kiện thử nghiệm theo tiêu chuẩn (như IEC). Nếu thiết k ế dao cách li hoặc bất cứ thiết bị cao áp nào tạo nên khoảngcách cách điện nhỏ hơ n khoảng cách cách điện tối thiểu quy định cho thiết bị đó (như tiêu chuẩn DINVDE 0101) thì thiết bị phải đượ c thử nghiệm vớ i dây nối trong vùng có khoảng cách cách điện nhỏ hơ n

Hình 10-9: Bộ truyề n động bằ ng hệ tr ục khớ p cho dao cách li



122

giá tr ị tối thiểu cho phép. Vùng này đượ c gọi là vùng nối thử nghiệm và phải đưa vào chỉ dẫn thao táccùng vớ i các kích thướ c chính (hình 10-10).

2. Dao cách li - cầu dao phụ tảiDao cách li cầu dao phụ tải đượ c sử dụng ngày càng nhiều trong các tr ạm đóng ngắt trung áp

cũng như việc sử dụng các dao cách li và máy ngắt mạch.Dao cách li cầu dao phụ tải có khả năng đóng ngắt hoàn toàn mạch và có thể điều khiển mọi

thao tác đóng mở mạch không sự cố. Dao cách li - Cầu dao phụ tải là cầu dao phụ tải mà có khoảng cáchcách điện có thể quan sát đượ c. Hình 10-11 là loại cầu dao phụ tải kiểu tiế p điểm dao. Dao cách li -Cầudao phụ tải có thể đượ c tác động bằng một trong hai cách sau:

a) C ơ cấ u bật Cơ cấu lò xo đượ c kéo và nhả nhanh tr ướ c khi thực hiện góc đóng mở và lực của nó đượ c sử dụng để

làm chuyển động tiế p điểm. Quá trình đượ c sử dụng cả khi đóng và khi mở .b) C ơ cấ u tích năng l ượ ng

Hệ thống này có một lò xo để đóng và một lò xo để mở . Khi thao tác đóng, lò xo mở căng ra và chốtlại. Năng lượ ng tích lũy để thao tác mở đượ c giải phóng bở i chốt từ hoặc cầu chảy cao áp (HRC).



123

Chươ ng 11. MÁY NGẮT ĐIỆN CAO ÁP

11.1. CHỨ C NĂNG- PHÂN LOẠI- CÁCH LỰ A CHỌN VÀ CẤU TRÚCMÁY NGẮT

1. Chứ c năngMáy ngắt điện cao áp dùng để đóng, cắt mạch khi có dòng phụ tải và cả khi có dòng ngắn mạch.Máy ngắt cao áp là cơ cấu đóng mở cơ khí có khả năng đóng, dẫn liên tục và cắt dòng điện trong

điều kiện bình thườ ng và cả trong thờ i gian giớ i hạn khi xảy ra điều kiện bất thườ ng trong mạch (ví dụ như ngắn mạch). Máy ngắt đượ c sử dụng để đóng mở đườ ng dây trên không, các nhánh cáp, máy biếnáp, cuộn kháng điện và tụ điện. Chúng cũng đượ c sử dụng cho thanh góp, sao cho điện năng có thể đượ ctruyền từ một thanh góp này sang một thanh góp khác.

Máy ngắt đượ c thiết k ế đặc biệt dùng cho các nhiệm vụ đặc biệt như đườ ng sắt, ở đó sử dụng

lướ i 162

3Hz, phải dậ p tắt hồ quang dài hơ n (dài hơ n nửa sóng).

Máy ngắt đượ c sử dụng cho lò nung chảy có hoạt động thườ ng xuyên thì yêu cầu lực tác độngnhỏ hơ n và dung lượ ng cắt thấ p hơ n. Do vậy chúng ít chịu mài mòn, mặc dù chế độ đóng mở cao vàkhoảng thờ i gian làm việc dài.

Yêu cầu vớ i chúng phải cắt nhanh, khi đóng/cắt không gây nổ hoặc cháy, kích thướ c gọn nhẹ,giá thành hạ. Trong máy ngắt cao áp vấn đề dậ p tắt hồ quang khi cắt ngắn mạch r ất quan tr ọng. Do vậythườ ng căn cứ phươ ng pháp dậ p hồ quang để phân loại máy ngắt.

Ngắt dòng điện ngắn mạch là chế độ làm việc nặng nhất và cơ bản. Song qúa điện áp sinh ra khingắt dòng điện bé của máy biến áp không tải, ngắt dòng điện dung của đườ ng dây dài và nhiều tr ườ nghợ p khác cũng là điều kiện làm việc nặng nề cho cả hệ thống ngắt.

Trong nhiều tr ườ ng hợ p đại lượ ng quá điện áp đượ c xác định bằng sự đặc biệt của k ết cấu máyngắt, cho nên các yêu cầu đối vớ i máy ngắt cao áp hiện đại không giống như đối vớ i một máy cách lidòng điện đơ n giản mà phải yêu cầu như thiết bị ngắt mạch có dòng điện không làm nguy hại cho hệ thống và đảm bảo an toàn chắc chắn. Chế tạo máy ngắt nếu chỉ có tác dụng để ngắt dòng điện phụ tải thìđơ n giản hơ n.

Theo nguyên tắc hệ thống dẫn điện của máy ngắt nối tiế p vớ i mạch điện của các thiết bị điện caoáp. Khi đó các bộ phận k ết cấu cơ bản của máy ngắt cần phải chống sự tác động nhiệt, điện từ trong khilàm việc bình thườ ng cũng như khi ngắn mạch phải chống tr ườ ng t ĩ nh điện tác động vào cách điện lúcđiện áp định mức và cả trong lúc quá điện áp. Trong quá trình làm việc của máy ngắt còn có những hiệntượ ng sinh ra thêm nhiều phụ tải nhiệt, cơ và điện tác động vào từng bộ phận riêng của k ết cấu máy ngắt(sự cháy của hồ quang điện khi ngắt, sự tăng áp suất của chất khí và chất lỏng trong không gian công tác,các bộ phận cơ chuyển động vớ i gia tốc lớ n và nhiều những hiện tượ ng khác). Trong tr ườ ng hợ p các dự tr ữ k ết cấu của máy ngắt qui định không tươ ng ứng vớ i điều kiện cho tr ướ c thì mỗi yếu tố đã k ể có thể lànguyên nhân sinh hư hỏng từng bộ phận hay toàn bộ các phần của máy ngắt, dẫn tớ i phá hỏng sự làmviệc bình thườ ng của một khu vực trong hệ thống điện, ngh ĩ a là dẫn tớ i sự cố. Máy ngắt phải tự động hạnchế sự cố trong hệ thống, nên các bộ phận k ết cấu của nó phải tuyệt đối ổn định đối vớ i tác động nhiệt vàlực điện động, cũng như đối vớ i tác động của điện áp ở mọi giá tr ị.a) Yêu cầu chung đố i vớ i máy ng ắ t

a.1) Sự tươ ng ứng của các đặc tính máy ngắt đối vớ i những qui định cho tr ướ c của nó.a.2) Tất cả các bộ phận k ết cấu của máy ngắt trong thờ i gian vận hành phải làm việc.

Các yêu cầu chung đối vớ i máy ngắt cao áp đượ c nêu trong các tiêu chuẩn k ĩ thuật khác nhau(như tiêu chuẩn Liên Xô cũ ΓOCT 687-41 hay các tiêu chuẩn quốc tế :IEC, DIN VDE, ANSI).

b) Các yêu cầu đặc biệt khác Ngoài những yêu cầu chung, trong các tr ườ ng hợ p riêng cũng có những yêu cầu đặc biệt đối vớ imáy ngắt, phụ thuộc vào điều kiện riêng mà máy ngắt làm việc, như:

b.1) Khả năng làm việc ở vùng ẩm ướ t, nhiều bụi bặm và có chất nổ. b.2) Khả năng làm việc ở vùng r ất cao hơ n mặt biển. b.3) Khả năng làm việc ở các thiết bị di động (đầu máy xe lửa điện, tàu thủy,...). b.4) Thích hợ p vớ i điều kiện làm việc ở nhiệt độ r ất thấ p.



124

Do năng lượ ng ngày càng phát triển, và áp dụng các phươ ng pháp hoàn chỉnh trong vận hành hệ thống điện nên máy ngắt là một trong những bộ phận quan tr ọng nhất của hệ thống yêu cầu nâng cao cácchỉ tiêu k ĩ thuật vận hành như: tăng dòng điện định mức, tăng công suất ngắt, nâng cao tác động nhanh,tác động nhanh nhiều lần của AΠB (đóng lặ p lại tự động), tăng độ chống ăn mòn của các bộ phận cơ vàcủa cách điện; vận chuyển, lắ p ráp, vận hành thuận tiện, an toàn về nổ và hỏa hoạn,...

Trong khi thiết k ế máy ngắt hiện đại cần đặc biệt lưu ý đến vấn đề nâng cao các chỉ tiêu kinh tế k ĩ thuật, tr ọng lượ ng ít nhất trong một đơ n vị công suất ngắt. K ết cấu của máy ngắt cần phải đơ n giản,vững chắc, các chi tiết và các mối k ết cấu trong tất cả các loại máy ngắt phải thống nhất và cần phải ápdụng các phươ ng pháp gia công tiên tiến. Trong chế tạo sử dụng r ộng rãi các nguyên liệu có tính cơ , tínhđiện, tính nhiệt cao và kinh tế nhất (các nguyên liệu tiế p điểm đặc biệt, đồ gốm có độ bền cao,...).

2. Phân loạia) Máy ng ắ t nhiề u d ầu

Dầu vừa là chất cách điện đồng thờ i sinh khí để dậ p tắt hồ quang.b) Máy ng ắ t ít d ầu

Lượ ng dầu ít chỉ đủ sinh khí dậ p tắt hồ quang còn cách điện là chất r ắn.c) Máy ng ắ t không khí Dùng khí nén để dậ p tắt hồ quang.d) Máy ng ắ t t ự sinh khí

Dùng vật liệu cách điện có khả năng tự sinh khí dướ i tác dụng của nhiệt độ cao của hồ quang. Khí tự sinh ra có áp suất cao dậ p tắt hồ quang.

e) Máy ng ắ t đ iện t ừ Hồ quang đượ c dậ p trong khe hẹ p làm bằng vật liệu r ắn chịu đượ c hồ quang, lực điện từ đẩy hồ

quang vào khe.f) Máy ng ắ t chân không Hồ quang đượ c dậ p trong môi tr ườ ng chân không.g) Máy ng ắ t SF 6 Dùng khí SF6 để dậ p hồ quang.

3. Các thông số chính của máy ngắt+ Uđm là điện áp dây lớ n nhất mà máy ngắt có thể làm việc bình thườ ng tin cậy trong thờ i gian

dài.Uđm xác kích thướ c lớ n nhỏ của máy ngắt, có các cấ p sau: 3, 6, 10, 15, 20, 35, 110, 220, 330,

500, 750kV. Bộ phận mang điện chịu đượ c các cấ p dòng điện: 32, 63, 100, 200,..., 25000A.+ Iđm là dòng chạy lâu dài qua máy ngắt mà không làm quá nhiệt và không gây hư hỏng, (liên

quan kích thướ c các chi tiết trong máy ngắt).+ Iđđm là dòng ổn định động định mức.+ Inhđm là dòng ổn định nhiệt tươ ng ứng thờ i gian ổn định định mức tnh .+ Icđm là dòng cắt định mức chính là dòng ngắn mạch ba pha hiệu dụng toàn phần lớ n nhất máy

ngắt có thể cắt đượ c mà không gây hư hại gì cho máy ngắt. Icđm xác định từ thực nghiệm. Vì máy ngắt phải cắt một số lần liên tục nên thí nghiệm đòi hỏi phải cắt đượ c dòng cắt định mức theo chu trình sau:

C - 180 - ĐC - 180 - ĐC (theo tiêu chuẩn Liên Xô cũ).C-0,3-ĐC - 60 - ĐC (theo tiêu chuẩn IEC vớ i máy ngắt SF6).

Vớ i loại máy ngắt 550MHMe-1P/S là loại siêu cao áp dùng để nối đất tụ bù đườ ng dây 500kVcó chu trình thao tác đặc biệt: C- 0,15 - Đ- 4- C- 15 - ĐC.Để xác định Icđm theo quy định có:

* C: kí hiệu máy ngắt tác động cắt khi tín hiệu tớ i từ các r ơ le.*ĐC: thao tác đóng máy ngắt lúc ngắn mạch và sau đó lại cắt ra.*Đ: thao tác đóng máy ngắt.* 180, 0,15, 60,...:là khoảng thờ i gian giữa hai lần thao tác liên tục tính bằng giây (s).

Công suất cắt định mức Scđm= 3 Uđm.Icgh + Icgh: dòng cắt lớ n nhất cho phép khi U<Uđm.+ ttđ: khoảng thờ i gian tính từ khi có tín hiệu ngắt đến thờ i điểm hồ quang bị dậ p tắt trên cả ba

pha.



125

- Tác động nhanh ttđ= (0,02 ÷ 0,06)s.- Tác động trung bình ttđ = (0,15 ÷ 0,1)s.- Tác động chậm ttđ = (0,15 ÷ 0,25)s. Ngoài ra yêu cầu máy ngắt có khả năng đóng mạch ngay cả khi đang có dòng ngắn mạch mà

các đầu tiế p xúc không hư hại gì.

4. Cách lự a chọn máy ngắt Các điểm chính cần chú ý khi lựa chọn máy ngắt bao gồm:

- Điện áp làm việc cực đại tại nơ i đặt.- Độ cao của tr ạm so vớ i mặt biển.- Dòng điện làm việc cực đại tại nơ i đặt.- Dòng ngắn mạch cực đại tại nơ i đặt.- Tần số hệ thống.- Khoảng thờ i gian tồn tại dòng ngắn mạch.- Chu kì đóng mở .- Các điều kiện làm việc đặc biệt và điều kiện khí hậu.Các tr ị số định mức có thể đượ c lựa chọn ở bảng 11.1 và 11.2.Các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế quan tr ọng để đánh giá máy ngắt gồm:IEC, DIN VDE, ANSI (American National Standards Institution-viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ).

Tiêu chuẩn Liên Xô cũ ΓOCT 687-41 Khi chọn cần phải d ự a vào

+ So sánh các chỉ tiêu của các kiểu máy ngắt hiện có vớ i những tham số cho tr ướ c.+ Đánh giá khả năng thực tế và nguyên tắc ở k ết cấu của kiểu đượ c chọn vớ i các đặc tính yêu

cầu cho tr ướ c.Dướ i đây giớ i thiệu sự phân loại và một vài kinh nghiệm có tính chất định hướ ng theo sự đánh

giá so sánh các kiểu máy ngắt cao áp điện xoay chiều. Về phươ ng diện chọn kiểu ngườ i ta phân loại máyngắt theo:

+ Theo loại môi tr ườ ng dậ p hồ quang.+ Theo cách dậ p hồ quang.+ Theo phươ ng pháp cách điện ở chỗ cao áp của các phần dẫn điện.+ Theo điện áp định mức.+ Theo dòng điện định mức.

+ Theo công suất ngắt định mức.+ Theo quan hệ về k ết cấu của bộ phận truyền động cơ khí của máy ngắt vớ i truyền động.+ Theo thang tác động nhanh.+ Theo sự tiện lợ i cho AΠB tức thờ i.Ở bảng 11.1 giớ i thiệu sự phân loại máy ngắt theo loại môi tr ườ ng dậ p hồ quang và theo cách

dậ p hồ quang. Bảng 11.2 giớ i thiệu các đặc điểm ưu và khuyết của các kiểu máy ngắt ở một số các thangđiện áp khác nhau.

Theo điện áp định mức ngắt có thể chia ra làm hai nhóm chính.- Máy ngắt điện áp 35kV và cao hơ n là máy ngắt tr ạm biến áp.- Máy ngắt điện áp 20kV và thấ p hơ n là máy ngắt máy phát.Máy ngắt tr ạm biến áp là nhóm lớ n, thườ ng dòng điện định mức tớ i hơ n 2000A. Vớ i loại này

yêu cầu khả năng ngắt r ất cao (tớ i hơ n 20.000 MVA) tác động nhanh, tiện lợ i đối vớ i AΠB tức thờ i vànhiều đặc tính khác.

Máy ngắt tr ạm biến áp sử dụng ưu việt các loại máy ngắt sau:

+ Máy ngắt không khí (máy ngắt không khí tr ụ).+ Máy ngắt ít dầu.+ Máy ngắt nhiều dầu.Hiện nay phổ biến máy ngắt kiểu mớ i SF6, khí elegas (SF6) có khả năng dậ p hồ quang r ất cao,

đượ c sử dụng làm môi tr ườ ng dậ p hồ quang. Kiểu máy ngắt này có những đặc tính k ĩ thuật vận hành vàkinh tế k ĩ thuật cao.



126

Từ đó so sánh các tham số ở bảng 11.1, 11.2, và theo tài liệu hiện có đi đến k ết luận máy ngắtkhông khí ưu việt hơ n các máy ngắt khác, đặc biệt đối vớ i máy ngắt có điện áp định mức 110kV và caohơ n.

Ở các tr ạm sự cần thiết để có khí nén cho máy ngắt không khí làm việc không nên cho r ằng đólà nhượ c điểm, vì trong các tr ạm phân phối điện cao áp hiện đại hệ thống các máy ngắt, các cầu dao điều

khiển bằng hơ i là hợ p li nhất, hoàn chỉnh và thuận tiện nhất cho việc tự động hóa.Tuy thế, đòi hỏi gia công chính xác, nên giá thành máy ngắt không khí cao hơ n máy ngắt ít dầu

khi cùng một chỉ tiêu tr ọng lượ ng.Ứ ng dụng máy ngắt ít dầu về mặt k ĩ thuật và kinh tế cho những nơ i kém quan tr ọng hơ n của hệ

thống điện, ở đây các yêu cầu về tr ị số công suất ngắt, những đặc tính vận hành khác (tác động r ất nhanh,AΠB tức thờ i, nhiều lần, ngắt một cách tin cậy dòng điện điện dung nhỏ, khả năng thườ ng xuyên kiểmtra và thay đổi hệ thống tiế p xúc,...) có thể ít hơ n.

Bảng 11.1: Phân loại máy ngắt theo môi trườ ng dập và cách dập hồ quangCác tham số định hướ ng

Loại môitr ườ ng dậ p

hồ quang.

Cách dậ p hồ quang

Kiểu thiết bị dậ p hồ quang

Kiểu máyngắt

Điện ápđịnh mức[kV]

Dòng điệnđịnh mức[A]

Công suấtngắt địnhmức[MVA]

Dậ p hồ quang ở trong dầu

Tiế p xúc đứtquãng đơ ngiản trong dầu

Bình dầu 10 1500 50

Dầu

Làm lạnhráo riết thânhồ quangtrong buồng

buồng có bộ phận thổi dọchay ngangtrong dầu.

Bình dầu cả buồng dậ phồ quang

35110330

200020002000

10005200

25000

của sản phẩm tạothành khítách r ờ i từ

ít dầu 1035

110330

1500150020002000

30010002500

10000dầu (hỗn

hợ p khí hơ i)

bức phên dậ p

hồ quang

ít dầu kiểu

chậu

15

(20)

6000 2500

Chất lỏngkhông cháy

Làm lạnhráo riết thêmhồ quang

buồng có bộ phận thổitrong nướ c

ít nướ c 15 600 300

(nướ c) trong luồnghơ i nướ c

bức phên dậ phồ quang

nướ c kiểuchậu

15 2000 1500

Chất r ắnsinh ra khí

Làm lạnhráo riết thânhồ quangtrong luồngcủa sản phẩm tạothành khitách ra từ

chất r ắn sinhra khí.

Buồng có bộ phận thổi dọchay ngang

Tự động khí 10 600 300

Không khínén

Làm lạnhráo riết thânhồ quangtrong luồng

Buồng thổikhông khí dọc

Không khí(không khítr ục)

1035

110400

2000200020002000

300015005000

25000không khínén

hay ngang Tự độngđiều khiển

10 400 2550



127

bằng hơ iBuồng thổidọc có shun bằng điện tr ở nhỏ.

Không khícó shun bằng điệntr ở thấ p .

15 12000 4000

Không khívà mặt phẳng làmlạnh của cácthành buồng

Chuyển dịch bằng từ tr ườ ngngang vàlàm lạnhthêm hồ quang trongkhe hẹ p của buồng.

Buồng kiểukhe vớ i hệ thống từ tr ườ ng thổi.

Không khíđiện từ vớ i buồng cókhe.

15 4000 7500

Không khívà mặt phẳng làmlạnh cácđiện cực.

Chia thân hồ quang ranhiều phầnliên tiế p bở ichuyển dịch bằng từ tr ườ ng.

Buồng vớ i sự làm lạnh bằnglướ i vớ i hệ thống từ tr ườ ng thổi.

Không khíđiện từ vớ inhững tấmlướ i dậ p hồ quang.

15 2000 1000

Khí ele gas(SF6)

Làm lạnhthêm hồ quang trongluồng khíelegas.

Buồng thổielegas dọc hayngang

elegas 380 và caohơ n

2000và cao hơ n

40000và cao hơ n

Chân không Phân táchthêm hồ quang trongchân không

Chân khôngdậ p hồ quang

Chân không 110 và caohơ n

600 250

Bảng 11.2: So sánh về chất lượ ng các kiểu máy ngắt

Kiểu máyngắt và điệnáp định mức

(1)

Các ưu việt cơ bản

(2)

Các nhượ c điểm cơ bản

(3)Bình dầu có buồng dậ p hồ quang điện áp110kV và caohơ n

1. Cơ cấu tươ ng đối đơ n giản.2. Có khả năng đặt máy biến dòngở bên trong.3. Năng lực ngắt cao.4. Thích hợ p vớ i các tr ạm ngoàitr ờ i.

1. Không an toàn về hỏa hoạn và phát nóng2. Cần thiết kiểm tra thườ ng xuyên tr ạng thái dầutrong bình và trong các sứ vào cao áp.3. Khối lượ ng dầu lớ n yêu cầu thờ i gian khá dài để kiểm tra buồng dậ p hồ quang và hệ thống tiế p xúc.Thờ i gian thay dầu lớ n.4. Trong tr ạm biến áp cần thiết phải dự tr ữ dầunhiều và các trang bị lọc dầu r ất qui mô.5. Thực tế không thích hợ p vớ i các tr ạm trong nhàmáy.

6. Ít thích hợ p cho AΠB tức thờ i nhiều lần trongchu trình.7. Các tiế p xúc dậ p hồ quang khá lớ n.8. Chi phí nhiều cho sản xuất bình dầu.9. Tr ọng lượ ng lớ n không thuận tiện cho chuyênchở lắ p ráp.10. Không có khả năng tạo thành thể thống nhất vớ isự áp dụng những hệ thống lớ n.



128

Máy ngắt ítdầu 35 kV vàcao hơ n.

1. Khối lượ ng dầu không lớ n.2. Tr ọng lượ ng tươ ng đối nhẹ.3. Cơ cấu r ất đơ n giản so vớ i máyngắt không khí4. Giá thành tươ ng đối thấ p.

5. Thích hợ p cho các tr ạm trongnhà và ngoài tr ờ i.6. Nhẹ hơ n máy ngắt kiểu bình dầuở điện áp 35 kV và cao hơ n.7. Có khả năng tạo thành một thể thống nhất.

1. Không an toàn về hỏa hoạn và phát nổ, nhưng íthơ n ở các máy ngắt trên.2. Thực hiện AΠB tức thờ i nhiều lần phức tạ p.3. Thực hiện lọc lại dầu khó.4. Sự cần thiết kiểm tra, và thay đổi thườ ng xuyên

dầu trong bình dậ p hồ quang.5. Các tiế p xúc dậ p hồ quang tươ ng đối lớ n.6. Không thích hợ p vớ i tr ườ ng hợ p ngắt thườ ngxuyên.7. Đặt máy biến dòng bên trong khó khăn.8. Năng lực ngắt giớ i hạn tươ ng đối kém.

Máy ngắtkhông khí 35kV và caohơ n.

1. An toàn về hỏa hoạn và phát nổ.2. Tác động nhanh và thích hợ pcho A Π B trong bất kì chu trìnhnào.3. Năng lực ngắt cao.4. Ngắt dòng điện điện dung củađườ ng dây không tải vững chắc.5. Các tiế p xúc dậ p hồ quang mònít.6. Thiết bị dậ p hồ quang dễ tiế pxúc và sự kiểm tra chúng đơ n giản.7. Trong vận hành không phải tiêutốn dầu cho máy ngắt.8. Tr ọng lượ ng tươ ng đối nhẹ (sosánh vớ i máy ngắt kiểu bình dầu).9. Có khả năng tạo thành một loạtvớ i những mối thống nhất lớ n.10. Thích hợ p cho cả tr ạm

ngoài tr ờ i và trong nhà.

1. Ở tr ạm biến áp cần thiết phải có các thiết bị nénvà lọc không khí.2. Cơ cấu chi tiết và các khâu tươ ng đối phức tạ p,mức độ chính xác gia công cao.3. Giá thành tươ ng đối cao.4. Đặt máy biến dòng bên trong khó khăn.

Máy ngắt kiểutự động khí.

1. Hoàn toàn an toàn về hỏa hoạnvà phát nổ.

2. Không cần dầu do đó việc vậnhành đơ n giản.

1. Giớ i hạn phía trên của điện áp định mức bị hạnchế (bé hơ n 15kV).

2. Mòn các bộ phận sản ra khí nên thay đổi đặc tínhcủa thiết bị dậ p hồ quang do đó phải kiểm tra tr ạngthái thiết bị dậ p hồ quang.3. Các tiế p xúc dậ p hồ quang mòn nhiều.4. Không phù hợ p vớ i tr ạm ngoài tr ờ i.

Máy ngắt kiểuđiện từ.

1. Hoàn toàn an toàn về hỏa hoạnvà phát nổ.2. Mòn các tiế p xúc dậ p hồ quangvà các bộ phận công tác của thiết bị dậ p hồ quang.3. Phù hợ p vớ i tr ạm ngắt thườ ngxuyên.4. Năng lực ngắt khá cao.

1. Cơ cấu thiết bị dậ p hồ quang vớ i hệ thống từ thổitươ ng đối phức tạ p.2. Giớ i hạn phía trên của điện áp định mức bị hạnchế (không quá 20-35 kV).3. Sự phù hợ p vớ i tr ạm ngoài tr ờ i hạn chế.

Theo các tham số cơ bản (điện áp định mức, dòng điện, công suất ngắt) máy ngắt kiểu bình dầu

ngang hàng vớ i máy ngắt không khí đặc biệt là sau khi k ết cấu máy ngắt kiểu bình dầu có nhiều cải tiến.Tuy vậy đặc tính vận hành của máy ngắt dầu trong nhiều tr ườ ng hợ p thua máy ngắt không khí,

thí dụ như không an toàn về hỏa hoạn và phát nổ. Cho nên máy ngắt kiểu này chưa đượ c phát triển nhiềutrong sản xuất và sử dụng trong vận hành tr ạm và hệ thống điện, đặc biệt cho điện áp 110 kV và cao hơ n.

Nhóm máy ngắt máy phát có đặc điểm là dòng điện định mức (bé hơ n 12000A), công suất ngắtđịnh mức r ất lớ n (tớ i hơ n 4000 MVA) cũng như dòng điện ngắt giớ i hạn lớ n (tớ i hơ n 100 - 150 kA).

Máy ngắt máy phát sử dụng máy ngắt ít dầu kiểu chậu và máy ngắt không khí (không khí tr ụ) làưu việt hơ n cả. Về nguyên tắc mà nói cũng có thể có khả năng chế tạo máy ngắt máy phát cho tham số



129

trung bình, trên cơ sở của nguyên tắc dậ p hồ quang bằng điện từ (cùng vớ i buồng có khe hay cùng vớ itấm lướ i).

Hiện nay máy ngắt nhiều dầu không áp dụng làm máy ngắt máy phát.Máy ngắt ít dầu kiểu chậu về nguyên tắc cũng có thể chế tạo vớ i dòng điện định mức và công

suất định mức r ất lớ n, có thể đạt tớ i giá tr ị lớ n (hơ n 2500 MVA). Song đặc tính vận hành của máy ngắt

kiểu này kém máy ngắt không khí. Nhiệm vụ sản xuất máy ngắt máy phát vớ i tham số thật cao (dòng điện hơ n 12.000A, công suất

ngắt hơ n 4000 MVA) đặc biệt khó khăn. Trong tr ườ ng hợ p này máy ngắt không khí có điện tr ở nhỏ dậ phồ quang bên trong là phù hợ p hơ n cả.

Chúng ta sẽ rõ ở các chươ ng sau, nhờ áp dụng điện tr ở shun nhỏ dậ p hồ quang trong quá trìnhngắt, máy ngắt có thể dễ dàng dậ p tắt hồ quang lớ n, mặc dù tần số của điện áp phục hồi r ất lớ n đối vớ icác máy phát của hệ thống điện.

Máy ngắt vớ i điện áp định mức đến 15 kV, dòng điện định mức đến 1500 A, vớ i công suất ngắtđịnh mức đến 400 - 500 MVA đượ c xem là máy ngắt cung cấ p.T ấ t cả các kiể u máy ng ắ t k ể trên đề u nằ m trong nhóm máy ng ắ t cung cấ p:

a) Bình dầu có khoảng ngắt đơ n giản. b) Bình dầu có buồng dậ p hồ quang.c) Ít dầu ( trong đó có kiểu chậu).d) Ít chất lỏng không cháy.

đ) Tự sản khí.e) Không khí.g) Tự động điều chỉnh bằng hơ i.h) Không khí dậ p hồ quang bằng điện từ.i) Máy ngắt chân không.Máy ngắt cung cấ p có r ất nhiều kiểu nhiều vẻ khác nhau cho nên r ất khó đánh giá và lựa chọn.

Trong khi giải quyết nhiệm vụ này cần phải chú ý đến hàng loạt suy luận. Tr ướ c hết cần phải biết máyngắt có thể có tác dụng cho thiết bị không chỉ ở nhà máy điện mà cả ở các tr ạm biến áp của hệ thống lớ n,nhưng chủ yếu là ở các thiết bị công nghiệ p năng lượ ng của nhà máy xí nghiệ p khai thác mỏ, hầm mỏ,nơ i khai thác than bùn, công nghiệ p khai thác dầu,..., cũng như trong mạng lướ i nông nghiệ p. Cho nênk ết cấu máy ngắt này cần phải hết sức đơ n giản, vững chắc trong vận hành, thuận tiện trong lắ p ráp. Sảnxuất máy ngắt như thế phải hàng loạt, giá thành thấ p.

Trong khi chọn kiểu cần phải tính đến chỗ định đặt máy ngắt đang thiết k ế. Tr ướ c hết, máy ngắtcung cấ p có thể đặt ở tr ạm phân phối ngoài tr ờ i của nhà máy điện và tr ạm biến áp, ở tr ạm phân phối cótủ, ở mạch mở động cơ , ở các tr ạm biến áp của mạng lướ i công suất nhỏ, ở các tr ạm biến áp nông nghiệ pkiểu ngoài tr ờ i và các tr ạm biến áp ngầm của hầm mỏ,...Trong nhiều tr ườ ng hợ p máy ngắt cần phải đảm bảo đóng ngắt nhiều lần trong thờ i gian một ngày đêm (ví dụ máy ngắt thiết bị lò điện).

Điều kiện làm việc khác nhau dẫn đến cần thiết sử dụng tất cả các kiểu máy ngắt đã k ể. Kinhnghiệm cho thấy r ằng, hiện nay máy ngắt ít dầu và máy ngắt hồ quang bằng điện từ là vạn năng và hoànchỉnh. Càng cải tiến k ết cấu và vật liệu cách điện mớ i vững bền hơ n máy ngắt điện từ đượ c ứng dụng mộtcách khá ưu việt.

Cần phải đưa máy ngắt phụ tải vào nhóm đặc biệt chúng khác vớ i máy ngắt cao áp bình thườ nglà ở công suất ngắt nhỏ, nhờ đó k ết cấu đơ n giản hơ n, tr ọng lượ ng và giá thành thấ p hơ n. Máy ngắt phụ tải cùng vớ i cầu chì trong quan hệ đóng ngắt bằng giá máy ngắt cung cấ p. Do có lợ i về kinh tế máy ngắt phụ tải đượ c sử dụng r ộng rãi.Các kiể u máy ng ắ t đượ c sử d ụng một cách ư u việt cho máy ng ắ t phụ t ải g ồm:

a) Tự sản khí.

b) Tự động điều khiển bằng hơ i.c) Điện từ.Máy ngắt chân không cũng đã đượ c áp dụng trong sản xuất.

5. Sơ đồ k ết cấu của máy ngắtMỗi kiểu máy ngắt có thể đượ c thực hiện vớ i nhiều phươ ng án k ết cấu khác nhau, nhưng mỗi

phươ ng án trình bày dướ i dạng một sơ đồ biểu hiện các đặc điểm chính của k ết cấu đó. Sơ đồ k ết cấu cần phải thể hiện:



130

+ Số lượ ng khoảng ngắt dòng điện trong mỗi pha, cách bố trí tươ ng hỗ của tiế p điểm.+ Số lượ ng, vị trí và cách bố trí tươ ng hỗ của thiết bị dậ p hồ quang.+ K ết cấu của mạch dẫn điện và cách bố trí tươ ng hỗ của các bộ phận dẫn điện.+ Phươ ng pháp cách điện các bộ phận k ết cấu có điện thế khác nhau và các phần nối đất.



131

Hình 11-2: S ơ đồ k ế t cấ u của máy ng ắ t ít d ầu

a) M ỗ i cự c có một khoảng ng ắ t trong bình kim loại, dùng cho thiế t bị treo t ườ ng.

b) M ột cự c có một khoảng ng ắ t trong bình sứ vớ i máy biế n dòng trong sứ xuyên, dùng cho thiế t bị treo trên t ườ ng.

c) M ỗ i cự c có hai khoảng ng ắ t d ậ p hồ quang trong các bình kim loại, có hệ thố ng tiế p đ iể mchính và d ậ p hồ quang vớ i bộ truyề n động cơ khí đặt trong khung đỡ .

d) M ỗ i cự c có một khoảng ng ắ t trong bình sứ , vớ i máy biế n dòng trong sứ xuyên và truyề n động

cơ khí đặt trong khung treo.đ ) M ỗ i cự c có một khoảng ng ắ t trong bình cách li có dao cách li ngoài, truyề n động cơ khí đặt

trong khung đỡ .e) Hai buồng d ậ p hồ quang đặt nghiêng trên một sứ đỡ .

g) M ỗ i cự c có một khoảng ng ắ t trong bình sứ vớ i sứ đỡ đổ đầ y d ầu.

h) M ỗ i cự c có một khoảng ng ắ t trong bình sứ thiế t bị d ậ p hồ quang và truyề n động cơ khí cùng

đặt trong sứ đỡ .

+ Cách bố trí định hướ ng các tr ụ kim loại, các bình dầu, các bình nén không khí, các thiết bị thảikhí,...

+ Cấu trúc và bố trí truyền động cơ khí.+ Cách bố trí tươ ng hỗ của máy ngắt và truyền động.

Một số sơ đồ k ết cấu máy ngắt chính giớ i thiệu ở các hình 11-1, 11-2, 11-3 và 11-4.Chúng ta sẽ nghiên cứu đặc tính đặc biệt của một số k ết cấu máy ngắt.

a) Trong k ế t cấ u máy ng ắ t ít d ầu vớ i bình cách li, khi ở vị trí ngắt các tiế p điểm dậ p hồ quang còn lạitrong dầu nối tiế p vớ i khoảng ngắt dậ p hồ quang (ngh ĩ a là khoảng ngắt đượ c hình thành ở trong dầu) dotách dao cách li phụ đặc biệt, tạo thành đứt quãng trong không khí (xem hình 11-2).

Nhờ vậy cách điện của dụng cụ dậ p hồ quang đượ c bỏ đi. Ở trong những máy ngắt này chỉ cho phép không dùng dao cách li trong tr ườ ng hợ p khi số lượ ng dầu đầy đủ trong bình dậ p hồ quang và dầukhông mất tính cách điện.



132

b) Hình d ạng và cách bố trí các bộ phận cách đ iện nằ m trong d ầu sao cho không có sự liên tục ngangcủa các bề mặt để các phần tử than nhỏ hình thành trong dầu có thể lắng xuống bề mặt đó để tạo thànhcon đườ ng phóng điện theo bề mặt. Loại phóng điện như vậy thườ ng dẫn đến sự cố nặng.c) Trong các máy ng ắ t không khí (áp lực không khí có tác dụng đối vớ i AΠB tức thờ i) sử dụng truyềnđộng khi đặt tr ực tiế p ở bên trong dụng cụ dậ p hồ quang. Như thế trong nhiều tr ườ ng hợ p cần thiết có

dao cách li gắn liền, nhờ nó sau khi dậ p tắt hồ quang tạo thành khoảng ngắt phụ (ở ngoài hay trong khôngkhí nén).

Trong máy ngắt không khí có các bộ phận trung gian của quan hệ động giữa tiế p điểm dậ p hồ quang và bộ phận làm việc của truyền động làm máy ngắt loại này mất tính chất tác động nhanh.d) S ơ đồ k ế t cấ u máy ng ắ t đặt trong tr ạm phân phố i đ iện có tủ (KPY) cần phải đảm bảo quan hệ giữa k ết

cấu máy ngắt vớ i các bộ phận còn lại của mạch là có lợ i nhất, thườ ng máy ngắt như thế có truyền độnggắn liền tr ực tiế p, đảm bảo kiểm tra và sửa chữa thuận tiện trong quá trình vận hành và thay đổi máyngắt.

Hình 11-4a,b cho cấu trúc cơ bản của máy ngắt cao áp SF6. Những bộ phận chính gồm: cơ cấutác động, sứ cách điện, buồng ngắt, tụ điện và điện tr ở . Máy ngắt cao áp đượ c chế tạo theo nguyên limođun. Số lượ ng buồng ngắt tăng theo điện áp và khả năng cắt. Buồng dậ p hồ quang tự thổi cần ít nănglượ ng hoạt động, đượ c sử dụng cho điện áp đến 170kV và dòng điện cắt đến 40kA.

Máy ngắt một buồng đượ c sử dụng cho điện áp tớ i 300kV và dòng cắt tớ i 50kA. Máy ngắt nhiều buồng đượ c sử dụng cho dòng điện cao đến 80kA và điện áp ≥ 300 kV.



133

Bảng 11.3: Các tr ị số đị nh mứ c phố i hợ p của máy ng ắt ( theo IEC và DIN VDE)

Điện ápĐịnh mức[kV]

Dòng cắt ngắnmạch định mức.

[kA]

Dòng điện định mức[ A]

1 2 3 4 5 6 7 8123 12,5

202540

800 12501250 1600 20001250 1600 2000

1600 2000145 12,5

202531,54050

800 1250

1250 1600 20001250 1600 20001600 2000 31501600 2000 3150

2000 3150170 12,5

2031,5

800 12501250 1600 20001250 1600 2000



134

4050

1600 2000 31501600 2000 3150

2000 3150245 20

31,5

4050

1250 1600 20001250 1600 2000

1600 2000 31502000 3150

300 162031,550

1250 16001250 1600 20001250 1600 2000 3150

1600 2000 3150362 20

31,540

20001600 2000

2000 3150

420 2031,54050

1600 20001600 20001600 2000 3150

2000 3150 4000525 40 2000 3150765 40 2000 3150

Bảng 11.4: Các tr ị số phố i hợ p của máy ng ắt ( theo ASNI C37.06.1979)

Điện ápđịnh mức

[kV]

Điện áp địnhmức max

[ kV]

Dòng điện cắtngắn mạch địnhmức [kA]

Dòng điện định mức[A]

34 38 22 1200 69 72,5 37 2000

115 121 204063

1200 1600 2000 3000

3000 138

145 20406380

1200 1600 2000 3000

20003000

3000 161 169 16

31,54050

1200 1600

20002000

230 245 31,54063

1600 2000 300020003000

3000 345 362 40 2000 3000500 550 40 2000 3000700 765 40 2000 3000



135

Vớ i điện áp đến 550kV và dòng điện cắt 63kA thì máy ngắt có hai buồng. Vớ i điện áp và dunglượ ng lớ n hơ n số lượ ng buồng tăng thành bốn.

Vớ i các điện áp thấ p hơ n và tự đóng lại ba pha, ba cực thườ ng đượ c lắ p trên khung chung. Máyngắt có bố trí một cực và có cơ cấu tác động đượ c điều khiển riêng cho mỗi cực thườ ng đượ c sử dụng đốivớ i điện áp 245kV và cao hơ n. Máy ngắt cao áp có thể đượ c lắ p trên xe bánh xích hoặc bánh đặc.

11.2. NGUYÊN LÍ CẮT VÀ CÁC ĐIỀU KIỆN ĐÓNG CẮT KHẮC NGHIỆT

1. Dập hồ quang Quá trình dậ p tắt hồ quang có thể theo hai dạng cơ

bản sau:a) Dậ p t ắ t hồ quang một chiề u (hình 11-5)

Hồ quang một chiều chỉ có thể dậ p tắt đượ c bằng cách cưỡ ng bức dòng điện qua không. Điều đó cóngh ĩ a là điện áp hồ quang Us phải cao hơ n điện áp hiệndiện ở máy ngắt (hình 11-5a). Có thể tạo nên điện áp

hồ quang đủ lớ n bằng các phươ ng tiện hợ p li, chỉ cótrong các mạch một chiều hạ áp và trung áp (máy ngắtthổi từ). Để dậ p tắt hồ quang một chiều trong mạch caoáp một chiều, điện áp phải đượ c hạ thấ p một cáchtươ ng ứng hoặc phải tạo nên dòng điện về "không"nhân tạo bằng cách thêm mạch cộng hưở ng vào. b) Dậ p t ắ t hồ quang xoay chiề u (hình 11-6)

Hồ quang xoay chiều có thể dậ p tắt mỗi khidòng điện qua không. Ở mạch cao áp nếu không có các biện pháp bổ xung, hồ quang cháy lại sau khi dòngđiện qua không.

Ở các máy ngắt cao áp, plasmacủa hồ quang đượ c làm mát tăng cườ ngtrong buồng dậ p hồ quang và do đó làmgiảm điện dẫn của chúng ở dòng điệnkhông, nhờ vậy điện áp phục hồi khôngđủ để cháy lại. Hình 11-7 minh họacác điện áp trên máy ngắt.

Khi ngắt tải điện cảm (hình 11-7a),điện áp máy ngắt dao động đến giá tr ị đỉnh của điện áp phục hồi. Máy ngắt phải có khả năng chịu đựng tốc độ tăngcủa điện áp phục hồi và giá tr ị đỉnh củanó. Một khi hồ quang bị dậ p tắt, cườ ngđộ điện môi giữa các tiế p điểm phải lớ nhơ n độ tăng điện áp phục hồi để đề phòng hồ quang cháy lại. Khi ngắt tảithuần tr ở (hình 11-7b) thì dòng điện bằng không và điện áp bằng không tr ở về đồng thờ i. Điện áp phục hồi ở máyngắt tăng theo hình sin vớ i tần số làmviệc. Khe hở giữa các tiế p điểm có đủ thờ i gian để phục hồi cách điện. Khiđóng cắt tải điện dung (hình 11-7c), sau khi ngắt dòng điện thì điện áp nguồn (đầu cuối máy ngắt) daođộng theo tần số hệ thống giữa ± Um, trong khi ở đầu máy ngắt phía tụ điện vẫn đượ c nạ p ở +Um.

Hình 11-5: Dậ p hồ quang đ iện một chiề ua) M ạch t ươ ng đươ ng đơ n giản,

b) Đườ ng cong dòng đ iện I s và đ iện áp hồ

quang U s ; t 1.thờ i đ iể m bắ t đầu ng ắ nmạch; t 2.thờ i đ iể m tách r ờ i

Hình 11-6: Dậ p hồ quang đ iện xoay chiề ua) M ạch t ươ ng đươ ng đơ n giản hóa, b) Các đườ ng

cong dòng ng ắ n m

ạch I s và

đ iện áp U s:t 1.th

ờ iđ iể mtiế p xúc d ờ i, t 2.thờ i đ iể m d ậ p t ắ t hồ quang, S- T ố c độ

t ăng đ iện áp phục hồi

U

+

-

L LS

Us

R

a)

Is

IsUs

U

I

t1 t2 b)

LS

Us

a)

Is

c

u

us

t

s

ist2

t1b)

L

u

LS

Us

L

a)

Is

LSIs

us

is

u

t

t1

u i



136

2. Các điều kiện đóng cắt khắc nghiệt

Tùy theo vị trí đặt, máy ngắt phải chịu đựng hàng loạt các điều kiện khác nhau, do vậy cần đặtra những yêu cầu khác nhau đối vớ i máy ngắt.a) Ng ắ n mạch đầu cự c (dòng ng ắ n mạch đố i xứ ng) hình 11-8.

Hình 11-7: Điện áp phục hội U s khi ng ắ t mạch đ iệna)T ải đ iện cảm, b)T ải đ iện tr ở , c)T ải đ iện dung

Hình 11-9: Ng ắ n mạch g ần

a)M ạch t ươ ng đươ ng đơ n giản hóa

b) Điện áp phục hồi U s qua máy ng ắ t 1. Đườ ng dây, 2. Hình r ăng cư a của U s

Hình 11-8: Ng ắ n mạch đầu cự ca) M ạch t ươ ng đươ ng đơ n giản hóa. b) Các

đườ ng cong đ iện áp phục hồi U s và dòng

đ iện I s; 1. Thành phần một chiề u t ắ t d ần

a)

us

t is

t2t1B

LS

Us

Is

c

u

L

t

i

LS

Us

Is

c

u

L

t

us

a)

b)



137

Ngắn mạch đầu cực là ngắn mạch ở phía tải ngay sát đầu cực máy ngắt. Dòng ngắn mạch là đốixứng nếu sự cố xảy ra ở thờ i điểm điện áp cực đại.

Điện áp phục hồi tr ở lại giá tr ị điện áp điều khiển. Độ tăng và biên độ điện áp quá độ đượ c xácđịnh bằng các thông số lướ i. Các tr ị số sử dụng để thử nghiệm đượ c cho trong IEC 56/VDE 0670. b) Ng ắ n mạch đầu cự c (dòng ng ắ n mạch không đố i xứ ng)

Cộng thêm vào dòng ngắn mạch đối xứng có thành phần một chiều cũng bị ngắt. Độ lớ n của nó phụ thuộc vào thờ i gian mở cơ cấu của máy ngắt. Thành phần một chiều của dòng ngắn mạch phụ thuộcvào thờ i điểm bắt đầu ngắn mạch (cực đại ở điện áp không) và hằng số thờ i gian của các thành phần phíanguồn cung cấ p như máy phát, máy biến áp, cáp và đườ ng dây cao áp (IEC và DIN VDE qui định hằngsố thờ i gian là 45ms. Điều đó có ngh ĩ a là thành phần một chiều bằng khoảng chừng 40% ÷ 50% đối vớ ithờ i gian mở thông thườ ng của máy ngắt ngoài tr ờ i loại hiện đại SF6).c) Ng ắ n mạch g ần (hình 11-9)

Là ngắn mạch trên đườ ng dây trên không không xa máy ngắt (khoảng vài kilômét). Nó gây raứng suất đặc biệt nghiêm tr ọng cho máy ngắt bở i vì hai điện áp quá độ xế p chồng lên nhau (điện áp quáđộ của lướ i đườ ng dây cung cấ p và điện áp quá độ của phía đườ ng dây). Ảnh hưở ng tích lũy là bướ c tăngđiện áp chỉ làm giảm dòng ngắn mạch một ít. Khoảng cách tớ i hạn của ngắn mạch phụ thuộc vào dòngđiện, điện áp và môi tr ườ ng dậ p hồ quang.d) Đóng mở không trùng pha (hình 11-10)

Ứ ng suất điện áp (tần số nguồn) r ất lớ n nếu góc pha của các hệ thống ở phía máy ngắt khác nhau

(các thành phần hệ thống tách r ờ i hoặc các máy ngắt của máy phát điện hòa đồng bộ không chính xác).e) Ng ắ t dòng đ iện đ iện cảm nhỏ (hình 11-11)

Tùy theo cấu hình lướ i, việc ngắt mạch dòng điện cảm nhỏ như các cuộn kháng điện hoặc dòng

từ hóa máy biến áp có thể làm điện áp phục hồi tăng nhanh và gây quá điện áp do k ết quả của dòng điện băm (dậ p tắt cưỡ ng bức) tr ướ c khi chuyển mạch qua điểm không tự nhiên (các mạch thử nghiệm vẫn cònđang đượ c thảo luận trong IEC và DIN VDE bở i vì quá điện áp phụ thuộc r ất nhiều vào các tính chấtriêng của tải điện cảm).f) Đóng cắ t dòng đ iện dung (hình 11-12)

Tình huống này tuy không tạo nên ứng suất nghiêm tr ọng nhưng nói chung máy ngắt cho phéptránh bị hồ quang cháy lại. Tuy nhiên về li thuyết sự cháy lặ p lại có thể làm tăng ứng suất tạo nên nhiềugiá tr ị đỉnh của điện áp.h) Đóng cắ t đườ ng dây không t ải và cáp



138

Điện dung trên một đơ n vị chiều dài đườ ng dây hoặc cáp tạo nên các điều kiện tươ ng tự như đóng cắt tụ điện.

Các ứng suất trên tiế p điểm khi nối mạch điện cảm (hình 11-13).Việc đóng mạch điện cảm và điện dung có thể tạo nên quá điện áp đến 100%. Do vậy, máy ngắt

vớ i điện áp cao và đườ ng dây dài (khoảng trên 300 km) thườ ng mắc thêm vào các điện tr ở khi đóng.

11.3. MÔI TR ƯỜ NG DẬP HỒ QUANG VÀ NGUYÊN LI TÁC ĐỘNG

Trong máy ngắt cao áp thiết bị dậ p hồ quang là bộ phận chính, khi ngắt mạch điện ở đó xảy racác quá trình cơ bản dậ p hồ quang và tiế p theo đó là phục hồi độ bền về điện giữa các khoảng tr ống tiế p

điểm. Quá trình xảy ra r ất phức tạ p phụ thuộc vào sự làm việc của kiểu thiết bị dậ p hồ quang, phụ thuộc khả năng dậ p hồ quang của thiết bị và phụ thuộc vào đặc tuyến của quá trình đó. Dạng đặc tuyếncủa quá trình này phụ thuộc vào nguyên tắc tác động của thiết bị và vào các đặc điểm k ết quả từng chitiết của nó.

Tính và thiết k ế thiết bị dậ p hồ quang là một trong các nhiệm vụ quan tr ọng khi thiết k ế máyngắt. Trong tính toán cần phải xác định các tham số của thiết bị và các đặc tuyến của nó:

Các tham số của thiết bị dậ p hồ quang:- Số lượ ng và kích thướ c chính của các đườ ng rãnh dậ p tắt hồ quang.- Số lượ ng, vị trí tươ ng hỗ và tr ị số các khoảng tr ống giữa các tiế p điểm trong lúc dậ p tắt hồ

quang cũng như kích thướ c, hình dáng của tiế p điểm tạo thành các khoảng tr ống.Các đặc tuyến của thiết bị dậ p hồ quang gồm:- Đặc tuyến tốc độ chuyển động của các tiế p điểm dậ p hồ quang và của van (nếu có).- Tr ị số lớ n nhất và đặc tuyến thay đổi áp suất của môi tr ườ ng tạo thành khí trong vùng dậ p hồ

quang (trong các đườ ng rãnh làm việc, trong không gian và trong các thiết k ế để thải khí,...).- Tốc độ cháy của môi tr ườ ng dậ p hồ quang trong vùng dậ p hồ quang ở từng giai đoạn dậ p hồ quang.

- Tốc độ chuyển dịch của thân hồ quang trong từ tr ườ ng (nếu áp dụng dậ p hồ quang bằng điệntừ).

- Sự thay đổi điện áp trên hồ quang và năng lượ ng thải ra trong hồ quang.- Sự thay đổi tr ạng thái (độ dẫn dư, độ bền điện, nhiệt độ,...) mà gọi là thân dư ở cuối nửa chu kì

của dòng điện và sự phục hồi độ bền về điện của khoảng tr ống giữa các tiế p điểm.



139

M ột số đặc tuyế n- Tốc độ chuyển động của các tiế p điểm.- Áp lực của không khí hay khí tác động vào đầu rìa của tiế p điểm di động,... đượ c sử dụng làm

tham số cho tr ướ c để tính toán các khâu khác của máy ngắt liên quan đến các tiế p điểm của thiết bị dậ phồ quang (truyền động cơ khí, truyền động, bình chứa không khí, van,...). Như vậy việc tính và chính xác

hóa kích thướ c các chi tiết của thiết bị dậ p hồ quang phải tiến hành tr ướ c khi tính và gia công các khâukhác của máy ngắt.

Thiết bị dậ p hồ quang của các máy ngắt hiện đại phải thỏa mãn các yêu cầu chung:+ Dậ p tắt hồ quang điện chắc chắn ở điện áp định mức cho tr ướ c, khi ngắt các dòng điện giớ i

hạn (đến hàng chục kA) trong một thờ i gian nhất định.+ Dậ p hồ quang điện chắc chắn và nhanh, không cháy lặ p lại khi ngắt các dòng điện điện dung

của điện dung của đườ ng dây không tải và các dòng điện kháng của máy biến áp không tải.+ Làm việc ổn định không thay đổi các đặc tuyến đoạn đầu trong thờ i gian vận hành đã qui định

và số lần đóng ngắt quy định.+ K ết cấu đơ n giản, dễ gia công và thuận tiện trong vận hành.+ Tiêu hao môi tr ườ ng dậ p hồ quang (chất lỏng, không khí nén hay khí) để hoàn thành thao tác

qui định cần phải ít nhất.

1. Dập hồ quang trong máy ngắt không khí a) Quá trình d ậ p hồ quang khi không khí thổ i d ọc

Làm lạnh thân hồ quang trong buồng không khí nén có cườ ng độ cao là một trong những phươ ng tiện dậ p hồ quang hiệu dụng ở các máy ngắt cao áp điện xoay chiều. Quá trình dậ p hồ quang phụ thuộc vào hình dáng và vị trí tươ ng hỗ của các tiế p điểm và của miệng ống:

a.1) Khi thổi một phía - qua miệng ống kim loại (hình 11-14a).a.2) Khi thổi một phía - qua miệng ống cách điện (hình 11-14b).a.3) Khi thổi hai phía đối xứng - qua tiế p điểm kiểu miệng ống (hình 11-14c).a.4) Khi thổi hai phía không đối xứng - qua tiế p điểm kiểu miệng ống (hình11-14d).Các công trình nghiên cứu về li thuyết và về thực nghiệm chỉ ra r ằng, ở các thiết bị như thế có

thể dậ p tắt hồ quang một cách k ết quả nhất vớ i các điều kiện chủ yếu sau:+ Tốc độ của luồng không khí nén tại biên độ dòng điện khi trong miệng ống có hồ quang tắt

không đượ c nhỏ hơ n giớ i hạn cho phép.+ Ở ngay cuối nửa chu kì của dòng điện hồ quang, trong khoảng thờ i gian tươ ng đối ngắn tốc độ

của luồng khí nén miệng ống phải đạt tớ i giá tr ị tớ i hạn, còn tr ị số áp suất trong vùng thân dư phải lớ nnhất.

Vớ i các điều kiện trên quá trình nứt vỡ thân dư do ion đã xảy ra mãnh liệt và sự phục hồi độ bềnvề điện của khoảng tr ống giữa các tiế p điểm có quan hệ vớ i quá trình đó.



140

b) Dậ p hồ quang có thổ i không khí d ọc vớ i shun bằ ng đ iện tr ở nhỏ

Shun hồ quang bằng điện tr ở nhỏ (dậ p hồ quang) là một trong các phươ ng thức tăng khả năngngắt của máy ngắt. Các sơ đồ nguyên li có tính điển hình về sun hồ quang bằng điện tr ở nhỏ nêu ở hình11-15. Khi ngắt các tiế p điểm tách r ờ i ra và ở trong buồng dậ p hồ quang xuất hiện hai dòng hồ quang 1và 2, một trong những đoạn đó đượ c nối shun bằng điện tr ở nhỏ R S. Ở cuối nửa chu kì hồ quang thứ nhấtsẽ tắt và hồ quang thứ hai (điện tr ở shun mắc nối tiế p vớ i đoạn 1) sẽ tắt ở nửa chu kì sau.

Nhờ shun đó, sau khi hồ quang tắt tốc độ phục hồi điện áp và biên độ của điện áp phục hồi ở

khoảng tr ống thứ nhất giảm xuống r ất nhiều. Mắc tiế p điện tr ở vào mạch của đoạn hồ quang thứ hai tạora điều kiện thuận lợ i để dậ p tắt, nhưng do tr ị số dòng điện ngắt giảm r ất nhiều và tr ị số điện áp phục hồicũng giảm. Như vậy, trong các thiết bị như thế quá trình dậ p hồ quang thuận lợ i hơ n trong các thiết bị không đượ c shun bằng điện tr ở nhỏ.

Khi tr ị số điện tr ở chọn đúng thì ở các máy ngắt công suất ngắt không phụ thuộc vào tần số daođộng tự do của điện áp phục hồi. Vớ i máy ngắt không khí đặc điểm này r ất quan tr ọng, vì nhờ đó có thể tạo ra đượ c những máy ngắt công suất ngắt r ất lớ n ở điện áp máy phát, mà khi các phươ ng pháp khôngdùng shun điện tr ở nhỏ khó thực hiện đượ c, vì tần số dao động tự do ở điện áp máy phát tươ ng đối lớ n.

Ta sẽ xét quá trình dậ p hồ quang trong buồng dậ p hồ quang của máy ngắt không khí có haikhoảng ngắt, một trong hai khoảng ngắt đó đượ c shun bằng điện tr ở nhỏ. Các sơ đồ tính toán điện của haigiai đoạn dậ p hồ quang và đặc tuyến ở hình 11-15 và 11-16.

Giai đoạn dậ p hồ quang thứ nhất có các đẳng thức:

i i i

i R U U

hq S

S S S hq

= +

= =

⎫⎬⎭

Uhq : điện áp trên thân hồ quang thứ nhất



141

US : điện áp trên điện tr ở shun

ihq : dòng điện hồ quangiS : dòng điện qua điện tr ở shunR S: tr ị số điện tr ở shuni : dòng điện của mạch ngắt. Nếu lấy gần đúng theo đặc tuyến t ĩ nh của hồ quang, thì vớ i tr ườ ng hợ p thổi dọc r ất mạnh có

điện áp trên thân hồ quang:

UA

ilhq

hqm hq=

A =1400 : hệ số không đổi biểu thị cườ ng độ làm lạnh thân hồ quang.m :số mũ biểu thị phươ ng pháp làm lạnh thân hồ quang. Trong tr ườ ng hợ p này có thể lấy m = 0,25.



142

lhq : chiều dài hồ quang, cm.ihq : dòng điện hồ quang, A.iS : dòng điện qua điện tr ở shunR S : tr ị số điện tr ở sun, i: dòng điện của mạch ngắt.

Đặc tuyến V-A của hồ quang và đặc tuyến dậ p tắt hồ

quang của shun ở hình 11-16. Ở gía tr ị i i ihq S 0 0 0= +

xuất hiện điều kiện r ơ i tức thờ i của dòng điện hồ quangđến tr ị số không, do quá độ chuyển dòng điện đó vàoshun. Điều đó tươ ng ứng vớ i thờ i điểm xác định theo phươ ng trình:

i i i I thq S m0 0 0 0= + = sinω

2. Dập hồ quang trong máy ngắt dầu Dậ p hồ quang của máy ngắt dầu đượ c thực hiện

bằng cách làm lạnh thân hồ quang trong luồng của môi tr ườ ng khí (hỗn hợ p khí hơ i) do sự phân li và bốchơ i của dầu do chính hồ quang tạo ra.

So sánh vớ i quá trình dậ p tắt hồ quang trong luồng không khí lạnh, trong tr ườ ng hợ p này cácđiều kiện trao đổi nhiệt vớ i môi tr ườ ng xung quanh có đặc điểm:

- Trong thành phần hỗn hợ p khí hơ i chứa r ất nhiều H2 (đến 90%) có tính dẫn nhiệt cao hơ n sovớ i không khí nhưng độ bền điện kém hơ n.

- Luồng hỗn hợ p khí ở vùng hồ quang cháy có nhiệt độ cao (800 ÷ 25000K). Khi dòng điện hồ quang không lớ n (thườ ng tớ i 100A) thì điều kiện làm lạnh thân hồ quang khác nhau. Khi dòng điện lớ nsự làm lạnh thân hồ quang xảy ra chủ yếu là do đối lưu cưỡ ng bức trong luồng hỗn hợ p khí hơ i ở áp suấtlớ n.

Dòng điện tăng cườ ng độ làm lạnh đối lưu và tr ị số áp suất ở vùng dậ p hồ quang cũng tăng. Nhờ đó tạo ra đượ c điều kiện r ất tốt để phục hồi độ bền điện của khoảng tr ống giữa các tiế p điểm khi dòngđiện qua tr ị số không.

Khi dòng điện nhỏ sự đối lưu và áp suất của khí ở vùng dậ p hồ quang sẽ giảm, như vậy điềukiện dậ p hồ quang xấu, thờ i gian hồ quang cháy sẽ tăng lên rõ r ệt. Sự tăng áp suất trong vùng dậ p hồ quang do truyền dầu cưỡ ng bức dướ i tác động của nguồn năng lượ ng cơ khí bên ngoài có thể cải tiếnđiều kiện dậ p hồ quang, thờ i gian hồ quang cháy sẽ giảm khi ngắt dòng điện nhỏ.

Trong tính toán gần đúng cho r ằng các điều kiện dậ p tắt hồ quang đạt k ết quả tốt nhất trong cácthiết bị dậ p hồ quang của máy ngắt dầu là:

* Sự thổi của hỗn hợ p khí hơ i ở vùng hồ quang mãnh liệt (đặc biệt ở gần cuối nửa sóng dòngđiện).

* Áp suất cao của hỗn hợ p khí hơ i ở vùng hồ quang vào cuối nửa chu kì của dòng điện.* Khoảng cách nhỏ giữa bề mặt thân hồ quang và thành rãnh hình thành hồ quang bằng dầu

xung quanh hay giữa bề mặt của chất cách điện cũng đượ c tẩm dầu.Do đó cần tạo đượ c điều kiện thuận lợ i nhất để làm bốc hơ i mãnh liệt và hình thành các luồng

hơ i dầu bão hòa tr ực tiế p ở gần bề mặt thân hồ quang.Một số hay tất cả các điều kiện k ể trên trong các k ết cấu về thiết bị dậ p hồ quang của máy ngắt

dầu có mức độ khác nhau do cách chọn nguyên tắc tác động của thiết bị và hình dáng k ết cấu kích thướ ccủa từng chi tiết. Theo nguyên tắc tác động thiết bị dậ p hồ quang của các máy ngắt dầu hiện đại có thể chia ra làm ba nhóm chính:

+ Thiết bị dậ p hồ quang thổi tự động. Điều kiện để dậ p tắt hồ quang của thiết bị này là: áp suấtcao và tốc độ luồng khí ở vùng dậ p tắt hồ quang lớ n - tạo nên do năng lượ ng tách ra từ hồ quang.+ Thiết bị dậ p hồ quang thổi dầu cưỡ ng bức, ở thiết bị này nhờ bộ phận đặc biệt đẩy dầu đến

khoảng ngắt.+ Thiết bị dậ p hồ quang có bộ phận dậ p hồ quang bằng từ trong dầu. Dướ i ảnh hưở ng của từ

tr ườ ng ngang thân hồ quang chuyển dịch vào rãnh và khe hep tạo bở i các thành cách điện chứa đầy dầu,do đó tạo đượ c điều kiện thuận lợ i để dậ p hồ quang.

Hình 11-16 : Đặc tuyế n V-A của hồ quang có

shun bằ ng đ iện tr ở nhỏ

in

U

i

Us

Uhq=f(ia)

Uhq=f1(i)



143

Do hiệu suất cao và tươ ng đối đơ n giản nên thiết bị dậ p hồ quang thổi tự động đượ c áp dụngr ộng rãi nhất.

Thiết bị của nhóm thứ hai ít đượ c áp dụng vì khi ngắt dòng điện lớ n thì thổi dầu cưỡ ng bức íthiệu lực, k ết cấu của buồng dậ p hồ quang và thiết bị bơ m dầu r ất phức tạ p, cồng k ềnh. Khi ngắt dòngđiện bé thổi dầu cưỡ ng bức tác động tốt trong tr ườ ng hợ p riêng để dậ p tắt hồ quang chắc chắn hơ n không

cháy lặ p lại khi ngắt dòng điện điện dung bé của đườ ng dây. Thổi dầu cưỡ ng bức đượ c áp dụng trongmột số bình chứa thổi tự động như công cụ bổ sung. Thiết bị dậ p hồ quang có bộ phận dậ p bằng từ tr ườ ng cũng không đượ c áp dụng r ộng rãi vì phươ ng pháp này hiệu quả kém hơ n phươ ng pháp thổi tự động trong dầu.

Chúng ta sẽ chỉ nghiên cứu các vấn đề k ết cấu của các thiết bị dậ p hồ quang có thổi tự độngtrong dầu. Sơ đồ k ết cấu của các thiết bị dậ p hồ quang hiện đại kiểu này ở hình 11-17 và 11-18.

Các thiết bị dậ p hồ quang có thổi tự động thườ ng có dạng bình chứa cứng (hình 11-17) thân củanó đượ c tạo thành bở i chi tiết nối cứng vớ i nhau, hay là bình chứa đàn hồi (hình 11-18) đượ c tạo thành bở i các chi tiết nối vớ i nhau một cách đàn hồi nhờ các lò xo hay các miếng đệm đàn hồi.

Trong quá trình ngắt khi áp suất trong bình chứa tăng các chi tiết của bình chứa đàn hồi có thể bị ngăn cách tạo thành rãnh làm việc bổ sung trong vùng hồ quang cháy, nhờ đó tạo đượ c các điều kiệnthuận lợ i hơ n để dậ p tắt hồ quang.



144

Tùy thuộc vào số lượ ng, vị trí tươ ng hỗ của các tiế p điểm có trong bình chứa và vào trình tự lúcngắt, buồng dậ p hồ quang có thể có nhiều phươ ng án k ết cấu khác nhau, thí dụ:

- Bình chứa có một khoảng ngắt chính của các tiế p điểm.- Bình chứa có nhiều khoảng ngắt, có cùng điều kiện dậ p tắt hồ quang.- Bình chứa có một khoảng ngắt chính và một khoảng ngắt phụ.- Bình chứa có nhiều khoảng ngắt chính và nhiều khoảng ngắt phụ.Khi trong bình chứa có khoảng ngắt phụ tạo đượ c điều kiện phát sinh hơ i ổn định trong vùng

xác định của buồng dậ p hồ quang, một số tr ườ ng hợ p dậ p tắt hồ quang đượ c đẩy mạnh ở khoảng ngắtchính.

Nhiều khoảng ngắt đượ c áp dụng trong tr ườ ng hợ p điện áp làm việc r ất cao và mục đích hạn chế của điện áp sinh ra trong lúc ngắt dòng điện cảm ứng nhỏ, một phần của các khoảng ngắt đó đượ c nốishun bằng điện tr ở .

Vớ i các điều kiện khác giống nhau khả năng dậ p hồ quang của các thiết bị đang xét ở mức độ cao đượ c xác định bằng các kích thướ c, hình dạng và bố trí tươ ng hỗ các rãnh làm việc của bình chứa.

Hướ ng của luồng khí dọc tr ục hay vuông góc vớ i tr ục thân hồ quang tùy thuộc cách bố trí cácrãnh. Trong các bình chứa hướ ng áp dụng các dạng thổi sau: thổi dọc (hình 11-17a, c), thổi ngang (hình11-17e, b, g), thổi hỗn hợ p (hình 11-17d) và thổi ngang ngượ c chiều (hình 11-17đ). Dựa vào điện áp địnhmức công suất ngắt so sánh kinh tế để chọn kiểu thổi. Một số bình chứa có thổi tự động có bổ sung thổidầu cưỡ ng bức phải có thêm một bộ phận cơ khí.

Chúng ta sẽ qui định một số qui tắc ban đầu để tính toán các bình chứa có thổi tự động trongdầu. Trong tr ườ ng hợ p chung khi ngắt chu trình làm việc của bình chứa có thể chia ra làm ba giai đoạnchính.



145

Giai đ oạn thứ 1: sau khi các tiế p điểm tách r ờ i nhau hồ quang cháy trong buồng khí (hình 11-19a). Trong giai đoạn này nhờ năng lượ ng tỏa ra từ hồ quang mà tr ữ lượ ng hỗn hợ p khí hơ i nén trong bình chứa tăng đến áp suất có thể dậ p tắt hồ quang ở các rãnh.

Giai đ oạn thứ 2: (hình 11-19b) k ể từ thờ i điểm hỗn hợ p khí hơ i bắt đầu chảy từ vùng bong bóng khí hơ i qua các rãnh ra khỏi bình chứa. Giai đoạn này biểu hiện sự thay đổi áp suất khí trong bìnhchứa ở các rãnh và cườ ng độ cháy của hỗn hợ p. Giai đoạn này k ết thúc bằng sự phục hồi độ bền điện củakhoảng tr ống giữa các tiế p điểm, như vậy giai đoạn thứ hai là giai đoạn chủ yếu.

Giai đ oạn thứ 3: (hình 11-19c) từ bình chứa khí nóng và hơ i dầu dư đượ c đẩy ra ngoài và dầusạch đượ c đổ vào bình chứa. Giai đoạn này chuẩn bị bình chứa cho lần ngắt tiế p sau. Trong các buồngdậ p hồ quang có A Π B giai đoạn này r ất quan tr ọng.

Hai giai đoạn đầu có đặc điểm tổng hợ p r ất phức tạ p về quá trình thủy động và nhiệt động liênquan lẫn nhau, khả năng dậ p hồ quang của thiết bị toàn bộ phụ thuộc vào hành trình của quá trình đó.

3. Dập hồ quang của máy ngắt tự sản khí Trong các thiết bị dậ p hồ quang của máy ngắt tự sản khí dậ p tắt hồ quang ở trong luồng khí do

vật liệu r ắn sản khí ra dướ i tác dụng của hồ quang.

Bảng 11.5: Các tham số về các sản phẩm tạo thành khí của các vật liệu rắn sản khí Thành phần

củaPhibra đỏ Nhựa phóoc-mal-đê-hyđuyarê Nhựa pôlimetakril

Khí cm3 % cm3 % cm3 %CO2 COH2

H2O

70,32682,5

468,43108,07

5,2951,3435,24

8,13

125,13584,88294,15609,32

7,0035,0318,5838,49

105,82955,64587,35418,30

5,0747,7127,1820,04

Σ 1329,32 100,00 1613,48 100,00 2067,11 100,00

K ết cấu thiết bị là một bình chứa, các thành và các chi tiết tạo thành các rãnh dậ p hồ quang làm bằng vật liệu cách điện sản khí. Khi hồ quang tiế p xúc nhiệt vớ i các thành của các rãnh sẽ tạo thànhlượ ng khí lớ n, khi các rãnh có hình dáng và kích thướ c tươ ng ứng thì có điều kiện cần thiết để dậ p tắt hồ quang: áp suất cao, tốc độ chảy của khí trong vùng dậ p hồ quang lớ n.

Thườ ng sử dụng các vật liệu sản khí sau: phibra đã lưu hóa, nhựa phooc-mal-đê-hyđ, Ôyarê vàthủy tinh hữu cơ . Các tham số về khả năng sản khí của các vật liệu k ể trên và sản phẩm tạo thành khí nêuở bảng 11.5.



146

Khuynh hướ ng tạo thành muội than trên bề mặt buồng dướ i tác dụng của nhiệt độ hồ quang caolà một trong các tính chất quan tr ọng để dậ p tắt hồ quang. Về mặt này phibra đã lưu hóa và thủy tinh hữucơ là tốt hơ n cả.

Sự tạo thành muội than ít đi khi cho thêm một ít axít boric vào bột nén của vật liệu đó (thí dụ thủy tinh hữu cơ ).

Kinh nghiệm chỉ r ằng, trong các thiết bị đã nêu dậ p tắt hồ quang chỉ đạt đượ c trong tr ườ ng hợ páp suất trong bình chứa ở thờ i điểm mở lỗ thổi vượ t quá tr ị số tớ i hạn tối thiểu. Trong bất cứ tr ườ ng hợ pnào áp suất không thấ p hơ n 2 at (dòng điện mở 500 A).

Do ở gần lỗ thải khí có các chi tiết giảm âm (thí dụ tấm dạng phẳng nằm vuông góc vớ i hướ ngcủa luồng), khí đi chậm vào lỗ, nên khả năng dậ p hồ quang bị giảm.

Thiết bị dậ p hồ quang của máy ngắt tự sản khí kiểu B 10−Γ (hình 11-20) là bình chứa phẳng,trong đó các thành và màng ngăn làm bằng thủy tinh hữu cơ tạo thành thể tích bớ t rung 1 và ra các rãnhdậ p hồ quang hẹ p 2 và 3. Tiế p điểm kiểu hai ngón 4 nằm phía trên. Khi mở , tiế p điểm 5 chuyển độngxuống phía dướ i trong rãnh dậ p hồ quang.

Khí đượ c tạo thành trong thờ i gian hồ quang cháy ở phần trên của bình chứa đi vào thể tíchgiảm rung và áp suất ở đây tăng lên đến khi tiế p điểm di động mở rãnh 3, sau đó khí từ thể tích giảm rungvà rãnh dậ p hồ quang bắt đầu chảy qua lỗ thải khí ở chi tiết giảm âm 6. Nhờ thổi dọc ngang nên tạo rađượ c điều kiện để dậ p tắt hồ quang.

Sau khi thanh tiế p điểm đi ra do tác động của lò xo, ống lót bằng thủy tinh hữu cơ 7 nén thân hồ quang. Nhờ đó dậ p tắt hồ quang bảo đảm chắc chắn khi ngắt dòng điện nhỏ và loại tr ừ đượ c khả năng khíđốt nóng vượ t ra ngoài bình chứa khi ngắt dòng điện lớ n.

4. Dập hồ quang bằng từ Các thiết bị dậ p hồ quang gọi là dậ p tắt bằng từ là do dùng ảnh hưở ng của từ tr ườ ng ngang hồ

quang tạo chuyển dịch và đượ c làm lạnh theo nhiều kiểu khác nhau hay phản ion hóa. Trong các thiết bị

có các kiểu dậ p hồ quang sau:a) Phân chia hồ quang ra thành nhiề u hồ quang ng ắ n, sau đ ó d ậ p t ắ t ở các đ iện cự c l ạnh.

b) Do k ế t quả của sự kéo dài và chuyể n d ịch vớ i t ố c độ l ớ n trong không khí , thân hồ quang đượ c làm lạnhmột cách đối lưu ngang.



147

c) Làm l ạnh thân hồ quang trong rãnh phẳ ng hẹ p do các thành của bình chứa tạo nên, hồ quang bị đẩy

qua đó bằng từ tr ườ ng ngang. Như vậy, trong các thiết bị này từ tr ườ ng ngang thườ ng đượ c tạo ra bằngdòng điện hồ quang là phươ ng tiện nâng cao hiệu quả của phươ ng pháp làm lạnh kiểu khác nhau trongkhông khí ở áp suất bình thườ ng.

Ngày nay thườ ng sử dụng các buồng dậ p hồ quang kiểu rãnh là kinh tế và hiệu quả hơ n cả, chonên sau này ta sẽ chỉ nghiên cứu cách tính và k ết cấu các thiết bị như thế. Sơ đồ của buồng dậ p hồ quangkiểu rãnh ở hình 11-21.

Sau khi các tiế p điểm tách r ờ i dướ i ảnh hưở ng của từ tr ườ ng ngang (thườ ng đượ c tạo bằng dòngđiện hồ quang) thân hồ quang nhanh chóng bị kéo dài và sau đó chuyển dịch vào vùng dậ p tắt, ở đấy cácthành cách điện chịu nhiệt của bình chứa tạo thành rãnh hẹ p. Khi đó, nếu chiều r ộng của rãnh nhỏ hơ nđườ ng kính của thân hồ quang (d>δ) thì thân hồ quang bị biến dạng, tiết diện của nó thành hình chữ nhật bị kéo dài và diện tích tiế p xúc vớ i bề mặt của các thành đượ c tăng lên. Nhờ đó, giữa hồ quang và bề mặtcủa các thành tạo ra đượ c sự tiế p xúc về nhiệt đảm bảo tản nhiệt tốt. Trong tr ườ ng hợ p này sự đối lưu vàlàm lạnh thân hồ quang bằng luồng không khí ngượ c chiều đóng vai trò không đáng k ể.

Trong tr ườ ng hợ p đang xét, các tiết diện trong vùng thân hồ quang giảm là do sự tái hợ p một

cách mạnh mẽ trên bề mặt các thành lạnh.Các công trình nghiên cứu đã chỉ ra, đối vớ i phươ ng pháp làm lạnh như vậy tỉ lệ giữa dòng điện

hồ quang Ihq, građien điện áp trên thân hồ quang Ehq và đạo hàm của chúng theo thờ i gian có thể đặt trongdạng đặc tuyến V-A động.

5. Dập trong khí SF6

Máy ngắt sử dụng khí SF6 (Sunfua hexaflo) làm môi tr ườ ng cách điện và dậ p hồ quang đã vậnhành có k ết quả trên toàn thế giớ i từ hơ n 25 năm qua.

Khí này đặc biệt thích hợ p làm môi tr ườ ng dậ p hồ quang do nó có độ bền điện môi và suất dẫnnhiệt cao.

Máy ngắt kiểu pittông đượ c sử dụng cho các khả năng cắt cao, trong khi máy ngắt sử dụng k ĩ thuật tự thổi đượ c sử dụng cho khả năng cắt trung bình.

a) Nguyên li pittông



148

Hình 11-22 đưa ra bố trí và nguyên li tác động của buồng dậ p hồ quang kiểu pittông. Bộ dậ pgồm tiế p điểm t ĩ nh và tiế p điểm động vớ i xilanh thổi. Trong hành trình mở , thể tích của xilanh thổi giảmđi đều đặn và do đó áp suất khí trong buồng tăng cho đến khi tiế p điểm t ĩ nh và tiế p điểm động tách r ờ i.

Sự tách của các tiế p điểm gây nênhồ quang làm tăng áp suất của khí SF6 bêntrong xi lanh. Khi áp suất đủ lớ n để khínén thoát ra và thổi hồ quang, giải phóngnăng lượ ng của hồ quang và làm cho hồ quang bị dậ p tắt.

Hình dạng lỗ của cả hai tiế p điểm

tạo nên đặc tính thổi và dậ p tắt tối ưu.

b) Phươ ng pháp cắ t t ự thổ iK ĩ thuật tự thổi của ABB (xem

hình 11-23) đượ c thử nghiệm thành côngnhiều năm trong máy ngắt khí SF6 trungáp, đã đượ c dùng dướ i dạng biến đổi cho

in

Ud[kV]300

250

200

150

100

50

010 20 30

S[mm]

1

2

3

4

5

Hình 11-25: Tính chất đ iện môi - đ iệnáp v ớ i khoảng cách phóng đ iện1.D ầu biến áp; 2. Không khí 1bar; 3.Chân không;

4.Khí SF 6 1bar; 5. Khí SF 6 5bar.



149

máy ngắt cao áp vào năm 1935 và do vậy không cần cuộn nam châm quay hồ quang. Hình 11-23 cho cách bố trí và nguyên li hoạt động của buồng dậ p hồ quang tự thổi dùng cho

điện áp tớ i 170kV và dòng 40kA.Cũng giống như nguyên li pittông, khi dòng điện nhỏ, áp suất đòi hỏi để thổi hồ quang đượ c tạo

nên trong hành trình mở bằng nén khí trong thể tích 5 (hình 11-23c). Khi xảy ra ngắn mạch, năng lượ ngcủa hồ quang do dòng điện lớ n sinh ra đốt nóng và nâng áp suất khí trong thể tích 6 (hình 11-23d). Ápsuất tăng này không đặt ra yêu cầu nào cho cơ cấu thao tác, k ết quả là cơ cấu thao tác chỉ để có năng

lượ ng cho hành trình đóng cắt dòng điện làm việc. So vớ i nguyên li pittông, phươ ng pháp tự thổi chỉ đòihỏi khoảng 20% năng lượ ng tác động đối vớ i máy ngắt cùng tính năng k ĩ thuật. Ư u điểm vận hành là cơ cấu truyền động chắc chắn, ứng suất cơ lên hệ thống nhỏ, tải động trên nền nhỏ hơ n, mức ồn nhỏ hơ n vànói chung độ tin cậy đượ c nâng cao.

Tính chất điện môi nói chung của môi tr ườ ng cách điện khí SF6, dầu biến áp (a), không khí nén(b) và áp không khí ở suất khí quyển (c) đượ c minh họa trên hình 11-24. Cườ ng độ điện môi ngoài của buồng dậ p hồ quang phụ thuộc vào áp suất của không khí xung quanh mà không phụ thuộc vào áp suấtkhí SF6 bên trong buồng. Cườ ng độ điện môi bên trong buồng đượ c xác định bằng áp suất khí SF6 vàkhoảng cách giữa các tiế p điểm. Biểu đồ nêu lên quan hệ cơ bản giữa cườ ng độ bên trong và bên ngoài(đườ ng cong SF6 đến đườ ng cong c). Hình 11-26 cho khả năng đóng cắt thực tế của buồng dậ p hồ quangđượ c sử dụng trong loạt máy ngắt SF6 ngoài tr ờ i.

11.4. CƠ CẤU TÁC ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN

1. Cơ cấu tác động lò xoCơ cấu tác động lò xo là hệ thống cơ khí ở đó năng lượ ng đượ c tích trong lò xo. Lò xo đượ c

nén bằng động cơ điện và đượ c giải phóng bằng chốt.

Hình 11-24: Tính chấ t đ iện môi của các môi

tr ườ ng cách đ iện khác nhau. C ườ ng độ đ ánh

thủng U vớ i khoảng cách đ iện cự c 38mm theo Hình 11-26: Khả năng cắ t của buồng d ậ p hồ quang

áp suấ t p: a)Dầu biế n áp, b)Không khí nén, U- Điện áp định mứ cc) Đườ ng không khí chuẩ n ở áp suấ t khí quyể n I k -Dòng cắ t ng ắ n mạch định mứ c

P[bar

654321

0

U[kV]

1

600400200

0

20

800

2 4

Buồng dập hồ quangc c



150

Cơ cấu tác động máy ngắt gồm bộ tr ữ năng lượ ng, bộ điều khiển và bộ truyền năng lượ ng. Bộ tr ữ phải có khả năng cung cấ p năng lượ ng tối thiểu đủ để thực hiện chu trình tự đóng lại.

Khi máy ngắt nhảy, nam châm nhả chốt, lực của lò xo đượ c sử dụng để chuyển tiế p điểm ra khỏi bộ truyền lực cơ khí.

Hình 11-27 trình bày mặt tr ướ c và mặt bên của cơ cấu tác động lò xo các máy ngắt SF6 ngoài

tr ờ i của ABB. Hình 11-28 là cơ cấu tác động lò xo trong máy ngắt của hãng AEG.

2. Cơ cấu tác động dùng khí nén Cơ cấu khí nén sử dụng khí nén chứa trong thùng chứa đặt tr ực tiế p trên máy ngắt. Van hình

xuyến cho phép khí nén qua xilanh tác động (khi đóng) hoặc tớ i áp suất khí quyển (khi cắt). Thùng chứakhông khí đượ c nạ p đầy bằng máy nén.

3. Cơ cấu tác động thủy lự c Cơ cấu thủy lực có bình chứa nitơ để tích năng lượ ng cần thiết. Bộ đệm khí nitơ bị nén truyền

áp lực lên dầu thủy lực. Năng lượ ng cần để tác động các tiế p điểm đượ c truyền bằng pittông thủy lực.Hệ thống làm việc theo nguyên li pittông vi sai. Phía "MỞ" (thanh pittông) diện tích tiết diện

của thanh pittông nhỏ hơ n phía "ĐÓNG" (mặt pittông). Thanh pittông thườ ng xuyên chịu áp suất. Mặtkhác, phía bề mặt pittông chịu áp suất hệ thống khi đóng và khi mở .

Hệ thống đượ c nạ p lại bằng truyền động động cơ bơ m thủy lực, nó truyền dầu từ khối áp suất

thấ p đến bộ chứa nitơ .



151



152

4. Cơ cấu tác động lò xo thủy lự c

Cơ cấu lò xo thủy lực là phối hợ p của hệ thống thủy lực và lò xo. Năng lượ ng đượ c tích lũytrong lò xo và đượ c kéo căng bằng thủy lực. Năng lượ ng đượ c truyền bằng thủy lực, khi các tiế p điểmmáy ngắt đóng hay mở bằng pittông vi sai, cơ cấu làm việc hoàn toàn như ở hệ thống thủy lực.

Cơ cấu lò xo thủy lực của ABB có nhiều kích cỡ . Tất cả đượ c thiết k ế sao cho không có ống nốingoài. Mọi điểm làm kín áp suất động lớ n bố trí giữa dầu áp suất cao và dầu áp suất thấ p, như vậy dầukhông có thể thoát ra ngoài khi có rò r ỉ nhẹ. Mặt cắt cơ cấu lò xo thủy lực của máy ngắt tự thổi có thể xem hình 11-29.

Các máy ngắt cao áp hiện đại thườ ng đượ c trang bị bằng cơ cấu tác động lò xo thủy lực hoặc cơ cấu lò xo.

5. Điều khiển điện Bộ chỉ thị lệch pha dùng cho máy ngắt có tác động một cực. Nếu mạch "NHẢY" của cực máy

ngắt bị hư hỏng, cực này không đáp ứng vớ i lệnh "NHẢY" và ba cực máy ngắt ở các vị trí khác nhau. Hệ

thống chỉ thị lệch pha phát hiện sai lệch này và sau khi đặt lại thờ i gian chờ đợ i 2 giây, nó tác động thaotác "MỞ" của ba cực máy ngắt. Máy ngắt ba cực tự đóng lại không cần đến giám sát lệch pha, bở i vì bacực có liên hệ về cơ khí và do vậy không có các vị trí khác nhau.

6. Điều khiển chống bơ mĐiều khiển chống bơ m đề phòng thao tác lặ p lại không mong muốn của một hoặc nhiều máy

ngắt nếu lệnh "MỞ" tiế p theo là lệnh "ĐÓNG" bị lặ p lại. Do đó máy ngắt phải đóng không quá một lầnsau đó bị khóa, ngh ĩ a là nó cần nằm ở vị trí "MƠ" bất chấ p các lệnh điều khiển nào đượ c áp dụng hoặckéo dài bao lâu.

7.Thao tác động cơ không dừ ng Tùy theo thiết k ế hệ thống và thực hiện chu trình đóng cắt, máy bơ m hoặc máy nén đòi hỏi một

khoảng thờ i gian để khôi phục năng lượ ng đã mất. Nếu có rò trên hệ thống nén, động cơ khở i động lạihoặc chạy liên tục. Chạy không dừng đượ c thể hiện như r ối loạn và sẽ đưa ra tín hiệu.

8. Giám sát khí SF6

Khả năng cắt của máy ngắt phụ thuộc vào mật độ khí trong buồng cắt và đượ c đo bằng đồng hồ đo áp suất có bù nhiệt. Sẽ có báo động nếu mật độ khí giảm tớ i giá tr ị đặt tr ướ c và nếu như mật độ giảmtiế p đến giớ i hạn quy định tối thiểu thì máy ngắt sẽ bị khóa lại.



153

9. Điều khiển tại chỗ/Điều khiển từ xaCho phép công việc đượ c tiến hành trên máy ngắt, thườ ng có thể đượ c điều khiển tại chỗ ở tủ

điện, cũng có thể chuyển từ điều khiển từ xa sang điều khiển tại chỗ bằng công tắc chọn.

10. Giám sát năng lượ ng

Vớ i các cơ cấu tác động bằng khí nén và thủy lực, áp suất không khí hoặc dầu đượ c chỉ thị vàđiều khiển bằng công tắc áp suất nhiều cực. Nó thực hiện các chức năng sau đây:

- Điều khiển máy nén hoặc động cơ bơ m.- Khoá liên động "MƠ", khóa liên động "ĐÓNG", khóa liên động "TỰ ĐÓNG LẠI" tùy theo áp

suất có trong hệ thống.Cơ cấu lò xo thủy lực không đòi hỏi điều khiển áp suất. Thay vào đó là các bộ chỉ thị hệ thống

cửa và điều khiển ứng suất lò xo (hành trình lò xo) đượ c xem như là năng lượ ng để tác động.

11. Tự đóng lạiBộ tự đóng lại một cực hoặc ba cực đượ c chọn tùy theo kiểu nối đất hệ thống, phạm vi của lướ i

liên lạc, chiều dài đườ ng dây và đầu nguồn cung cấ p từ các nhà máy điện lớ n.Các lệnh nhảy từ hệ thống bảo vệ lướ i (quá dòng điện và bảo vệ đườ ng dây) đượ c đánh giá một

cách khác nhau đối vớ i các máy ngắt tươ ng ứng.Trong các máy ngắt có tự đóng lại một pha, mỗi cực có cơ cấu tác động đượ c điều khiển riêng

r ẽ, do vậy bất cứ cực nào cũng có thể đượ c nhảy một cách độc lậ p. Tuy nhiên, cả ba cực đượ c đóng đồngthờ i và hệ thống năng lượ ng phụ dùng cho ba cực đượ c cung cấ p từ một nguồn duy nhất. Khoảng sự cố quá độ có thể đượ c giớ i hạn về thờ i gian và địa điểm mà không làm ảnh hưở ng đến các bộ phận lớ n hơ ncủa hệ thống. Sự nhảy một pha cải thiện mức ổn định của hệ thống lướ i vẫn duy trì đồng bộ. Ba cực củacác máy ngắt một pha tự đóng lại có thể đượ c điều khiển sao cho chúng có thể mở hoặc đóng đồng thờ i.

Các máy ngắt ba pha tự đóng lại có tr ụ tác động duy nhất cho cả ba cực. Ba cực đượ c liên hệ cơ khí vớ i nhau và vớ i cơ cấu thao tác. Do vậy chỉ có thể đượ c đóng hoặc mở đồng thờ i. Trong các lướ i ổnđịnh (nơ i sự mất đồng bộ ít xảy ra), các máy ngắt ba pha tự đóng lại rút ngắn thờ i gian ngừng có thể.

11.5. MỘT SỐ LOẠI MÁY NGẮT

1. Máy ngắt nhiều dầua) C ấ u t ạo (hình 11-30 )

Thùng dầu chứa dầu biến áp, vớ i điện áp 10kV thì ba pha đượ c đặt trong một thùng còn 35kVtr ở lên mỗi pha trong một thùng riêng, thùng cấu tạo bằng thép, mặt trong lót cách điện 4 để ngăn hồ quang 5 lan ra vỏ. Khi ba pha đặt trong một thùng thì giữa các pha có tấm cách điện để tăng khả năngcách điện các pha và ngăn hồ quang các pha không tràn sang nhau.

Để an toàn, nắ p và thùng thườ ng nối đất, nắ p thùng bằng gang đúc không từ tính vớ i điện áp35kV tr ở lại, 110kV tr ở lên làm bằng thép. Sứ xuyên đặt nghiêng để tăng khoảng cách hai phần mangđiện trong không khí.



154

Vớ i điện áp 10kV tr ở lại sứ xuyên bằng vật liệu sứ vớ i điện áp 35kV sứ xuyên dọc chiều dài thanh dẫncòn lót cách điện ba kê lit còn vớ i 110kV trong sứ códầu cách điện.Lõi sứ xuyên chính là thanh tiế p xúc cố định 2, đầu

tiế p xúc động 1 gắn vớ i bộ truyền động, máy ngắtđóng/ cắt nhờ lò xo 6 và tr ục truyền.b) Nguyên li

Khi đóng tác động vào tr ục truyền kéo đầutiế p xúc di động lên lò xo 6 bị nén khi máy ngắt đóng,quá trình cắt đượ c thực hiện bằng tay hay tự động. Khichốt thả lỏng dướ i tác dụng của lực nén lò xo 6, đầutiế p xúc 1 nhanh chóng hạ xuống khi hồ quang xuấthiện bọt khí và hơ i dầu áp suất cao dậ p tắt.c) Đặc đ iể m

Vít giữ nắ p vào thùng, vớ i máy ngắt dầu yêucầu lưu ý mức dầu, nếu dầu thấ p quá khí bay lên khoảng trên do chưa làm mát đủ có thể gây nổ, nhưngdầu quá cao áp lực lớ n cũng gây nổ, thích hợ p là khoảng tr ống (20 ÷ 30)% thể tích thùng.

Máy ngắt nhiều dầu ≥ 35kV đặt máy biến dòng trong sứ xuyên mà dây sơ cấ p chính là thanh

dẫn trong sứ, cách điện sơ - thứ là sứ xuyên.Máy ngắt nhiều dầu ở trên có nhượ c là kích thướ c to nên chỉ dùng ở điện áp ≤10kV, để khắc

phục nhượ c này tại chỗ cắt bố trí thêm buồng dậ p hồ quang ngăn thành ngăn mỗi ngăn có một chỗ cắt.Thờ i gian cắt vẫn dài (0,15÷0,2)0s, máy ngắt nhiều dầu có buồng dậ p hồ quang có thể chế tạo tớ i điện áp(35÷220)kV.

Liên xô (cũ) chế tạo loại không buồng dậ p nhiều dầu BM, BM∋, BC loại có buồng MK ∏ .

2. Máy ngắt ít dầuC ấ u t ạo - Nguyên li (hình 11-31).

Dầu chỉ làm việc dậ phồ quang nên số lượ ng ít, loạinày gọn, nhẹ, nhất thiết phải có buồng dậ p thổi ngang.

Thân máy kiểu treogắn trên sứ cách điện cả ba phatrên cùng một khung đỡ , mỗi pha (cực) có một chỗ cắt vớ i buồng dậ p tắt hồ quang riêng.

Có loại có thêm đầutiế p xúc làm việc ở ngoài dùngcho máy có dòng định mức lớ n.

Vớ i máy ngắt ít dầu từ 35kV tớ i 110kV có một chỗ cắttrên một pha, máy ngắt điện ápcao hơ n có nhiều chỗ ngắt hơ n.

Liên xô cũ chế tạoBMΓ-133; BMΓ-10. Máy

BM∏-10kV; BM∏ ∏ , BM∏∋ có dòng đến 3200A/10 dòng cắt tớ i 31,2kA. Thờ i gian dậ p hồ quang

(0,015 ÷ 0,025)s, tươ ng ứng có loại MΓΓ, MΓ cải tiến thành BΓM20-90/11200 dùng cho máy phát điệncó dòng tớ i Iđm=11200A.

Máy ngắt ít dầu thườ ng dùng cho TBPP trong nhà có điện áp 6, 10, 20, 35 đến 110kV. TBPPngoài tr ờ i 35, 110, 220kV có công suất lớ n.

3. Máy ngắt không khí

Hình 11-30: Máy ng ắ t nhiề u d ầu

Hình 11-31: C ấ u trúc máy ng ắ t ít d ầu

1.đầu tiế p xúc;2.buồng d ậ p hồ quang;3.đầu tiế p xúc cố định;4.đầu

tiế p xúc làm việc

6

1

2

4

3

5

4

1

2

3



155

Trong loại này hồ quang đượ c dậ p tắt nhờ khí thổi của không khí đượ c nén ở áp suất từ (8÷20)at, cách điện bằng sứ hoặc vật liệu r ắn.

Cấu trúc loại máy ngắt không khí r ất khác nhau tùy điện áp định mức và khoảng cách các đầutiế p xúc vào vị trí cắt và cách truyền không khí nén vào buồng dậ p hồ quang ví dụ hình 11-32.

Vớ i máy ngắt không khí dòng định mức lớ n có 2 phần:

+ mạch chính (dao cách li)+ mạch dậ p hồ quang (buồng dậ p, điện tr ở shun)Khí nén 200 N/cm2có thờ i gian dậ p 0,01s và toàn bộ thờ i gian tác động khoảng 0,17s.

Đặc đ iể m việc đóng cắt nhờ khí nén, máy ngắt hình 11-32 không tự đóng lại đượ c, thườ ng dùng cho máy phát điện công suất lớ n.

Vớ i TBPP ngoài tr ờ i loại máy ngắt không khí có buồng dậ p hồ quang từ 110kV có 2 hoặc nhiềuchỗ cắt (220kV có 5 chỗ cắt, 330kV có 8 chỗ cắt, 500kV có 9 chỗ cắt). Máy 220kV tr ở lên còn thêm bộ phân áp bằng tụ và điện tr ở nhằm cân bằng áp giữa các đầu tiế p xúc của bộ cách li khi máy ngắt cắt.

Các yếu tố ảnh hưở ng đến quá trìnhdậ p hồ quang gồm: tr ị số áp suất, tốc độ chảykhí nén, tần số riêng của lướ i, khoảng cách giữacác tiế p điểm, diện tích lỗ thải khí cũng như hướ ng tác động của luồng khí nén vào thân hồ quang.

+ Đặc điểm: trên bình khí nén đặt tủ điều khiển gồm các van đóng mở khí nén, cácnam châm điều khiển, các bộ tiế p điểm truyềnđộng bằng khí nén, các hộ p đấu nối mạch nhị thứ, các tín hiệu chỉ vị trí đóng mở , áp k ế khínén, công tơ đếm số lần đóng cắt,... Mỗi pha có bộ truyền động riêng nên máy ngắt không khí cóthể đóng lại theo từng pha.

Các đầu tiế p xúc có thể đặt ngoài bìnhkhí nén (lúc muốn đóng lại máy ngắt phải tháokhí bằng van để áp suất bình giảm còn khoảng100N/cm2 lò xo mớ i đóng đượ c) loại đặt trong bình khí nén thì tốc độ dậ p hồ quang nhanh hơ n loại này chỗ cắt tùy thuộc Uđm (110kV - 1chỗ, 220kV - 2chỗ, 330kV - 4 chỗ, 500kV - 6 chỗ, 750kV - 8 chỗ cắt).

Để phân bố điện áp trên các chỗ ngắt thì đều dùng bộ phân áp điện dung và điện tr ở . Loại BBσ -Uđm = 750kV thờ i gian cắt (0,02 ÷ 0,025)s.

So vớ i máy ngắt dầu máy ngắt không khí ưu điểm an toàn về nổ, cháy, tác động nhanh và có thể tự đóng lại, khả năng cắt lớ n, độ mòn tiế p xúc ít dùng cả cho thiết bị ngoài tr ờ i và trong nhà. Tuy vậy đòihỏi tr ạm khí nén, ống dẫn khí và cấu tạo các chi tiết phức tạ p hơ n.

4. Máy ngắt tự sinh khí Đặc đ iể m: hồ quang đượ c dậ p tắt bằng khí do vật liệu r ắn tự sinh khí dướ i tác dụng nhiệt độ cao của hồ quang còn cách điện cũng là vật liệu r ắn hình 11-33 máy ngắt BH10 gọi là máy ngắt phụ tải.Có hai tiế p xúc, tiế p xúc chính không nằm trong buồng dậ p hồ quang sẽ mở tr ướ c, tiế p xúc hồ quang mở sau (có cố định và di động) nằm trong buồng dậ p hồ quang, lúc hồ quang xuất hiện vật liệu sinh khí dướ i

tác dụng nhiệt độ cao bị đốt cháy sinh khí tạo áp suất lớ n để dậ p hồ quang. Điều khiển máy ngắt bằng tayhoặc truyền động điện từ.Loại máy ngắt phụ tải thườ ng dùng cho mạng cung cấ p xí nghiệ p hoặc thành phố.



156

5. Máy ngắt điện từ Chế tạo vớ i điện áp 6 tớ i 10kV dòng Iđm = 3200A dòng cắt tớ i 40kA. Không cần dầu hay khí

nén để dậ p hồ quang, các tiế p xúc chính và dậ p hồ quang đều nằm trong không khí, khi mở thì tiế p xúchồ quang mở sau, hồ quang xuất hiện dướ i tác dụng lực điện động hồ quang bị kéo vào khe dậ p, hồ quang làm đóng cuộn dây từ tr ườ ng, từ tr ườ ng tạo thành càng đẩy nhanh hồ quang (tớ i 30m/s) vào trong buồng dậ p để dậ p tắt sau khoảng (0,01 ÷ 0,02)s.

Máy ngắt điện từ ưu điểm là an toàn về nổ cháy, hao mòn tiế p xúc it thuận lợ i cho đóng mở thườ ng xuyên. Nhượ c điểm là cấu tạo phức tạ p chỉ chế tạo tớ i điện áp 15 tớ i 20kV, ít dùng ngoài tr ờ i.

6. Máy ngắt chân khôngDo đặc điểm độ bền điện của chân không (áp suất 10-5 ÷ 10-6 mmHg), cao hơ n nhiều không khí

thườ ng, nên ngườ i ta dùng máy ngắt chân không. Nguyên lí

Khi mở tiế p xúc, diện tích tiế p xúc giảm nhanh kim loại bị nóng chảy thành cầu nối, sau thờ igian ngắn cầu nối kim loại hóa hơ i ở giữa hồ quang, trong chân không các phân tử bị khuếch tán vàonhanh. Để giảm mức hóa hơ i các tiế p xúc làm bằng kim loại khó nóng chảy.

Hình 11-34 cơ cấu buồng dậ p hồ quang cho phép điện áp 10kV thì đóng mở ở dòng 600A là500 lần, vớ i dòng 200A tớ i 30000 lần.

Loại này có nhượ c điểm dòng cắt không lớ n, thườ ng dùng cho các lò hồ quang. Hình 11-23 làmặt cắt của buồng đóng cắt chân không 12kV, 1250 A, dòng cắt 25kA.



157

7. Máy ngắt khí cách điện SF6 (GIS)a) Khái niệm chung

Khí SF6 có khả năng dậ p tắt hồ quang r ất cao nên đượ c dùng để dậ p hồ quang trong máy ngắt

khí. Trong loại máy ngắt này hồ quang đượ c dịch chuyển trong khí SF6 khi máy ngắt mở . Trên các tiế pxúc cố định và di động gắn các nam châm tạo từ tr ườ ng có hướ ng ngượ c nhau để làm dịch chuyển hồ quang thành hình xuyến trong SF6. Buồng dậ p làm bằng sứ chứa khí SF6.

Các máy 135, 110kV có một buồng dậ p trên một pha, 220kV có hai buồng dậ p trên một pha.Đặc biệt chế tạo máy ngắt nhiều hướ ng để thay cho nhiều máy ngắt một hướ ng. Trên máy ngắt có gắn ápk ế chỉ áp suất SF6, hiện nay loại này chế tạo tớ i điện áp 750kV, công suất cắt Scđm tớ i (40000 ÷ 50000)MVA. Tuy nhiên, chúng có nhượ c điểm là phải có thiết bị làm sạch khí SF6 nên giá thành còn cao.Máy ngắt khí cách điện SF6 đượ c sử dụng từ khoảng năm 1969. Khoảng điện áp định mức từ 7,2 đến 800kV, dòng điện cắt tớ i 63kA, trong tr ườ ng hợ p đặc biệt tớ i 80 kA.

Các ưu điểm của máy ngắt khí SF6 là: chắc chắn, tr ọng lượ ng thấ p, độ tin cậy cao, an toàn chốngđiện áp tiế p xúc, bảo dưỡ ng dễ dàng và tuổi thọ cao. Thờ i gian lắ p đặt tại chỗ ngắn vì sử dụng cấu kiệnlắ p sẵn và thử nghiệm tại nhà máy từng tổ lớ n hoặc các gian hoàn chỉnh. Thiết bị GIS thườ ng có cấu trúcmôđun. Tất cả các bộ phận như thanh góp, dao cách li, máy ngắt, máy biến áp đo lườ ng, đầu nối cáp đềunằm trong vỏ kín nối đất và chứa đầy khí SF6 .

Điện áp dướ i 170 kV thì ba pha của máy ngắt thườ ng có vỏ chung, khi có điện áp cao hơ n các pha đượ c tách riêng. Dướ i điện áp 72,5 kV môi tr ườ ng cách điện khí SF6 có thể đượ c sử dụng ở áp suấtthườ ng. Khi ở điện áp cao hơ n, áp suất khí làm việc từ 3,5 đến 4,5 bar, trong một số tr ườ ng hợ p tớ i 6 bar.Máy có điện áp nhỏ hơ n 72,5 kV do áp suất khí thấ p nên vỏ có thể làm bằng thép lá hàn kín. Máy ngắtđiện áp cao hơ n dùng vỏ bằng nhôm đúc không sắt từ, chống r ỉ và chịu ăn mòn. b) Môi tr ườ ng khí SF 6



158

Khí SF6 đượ c sử dụng vừa làm môi tr ườ ngcách điện vừa làm môi tr ườ ng dậ p hồ quang. SF6 đượ c sử dụng làm chất cách điện trong tất cả các bộ phận thiết bị và trong máy ngắt. Dùng để dậ p hồ quang vì do khí SF6 là khí mang điện tử âm, có độ

bền điện môi ở áp suất khí quyển gấ p khoảng ba lầnkhông khí. SF6 là loại khí không độc, không mùi, tr ơ về hóa và có tính chất dậ p hồ quang tốt hơ n khôngkhí từ 3 đến 4 lần khi ở cùng một áp suất. Khí SF6 hiện nay không nằm trong danh mục các chất nguyhiểm. Bảo quản và sử dụng khí SF6 phải tuân theo cácquy định (như theo IEC 376). Ap suất khí dậ p hồ quang từ 6 đến 7 bar. Quan hệ giữa áp suất và nhiệtđộ của khí SF6 sạch cho trên hình 11-36. Ap suất khíđượ c theo dõi trong buồng kín riêng và cả trong buồng máy ngắt. Cần tính đến tổn thất khí (dướ i 1% trong một năm). Không cần đặt các thiết bị tự độngđóng. Khi hồ quang xuất hiện sẽ làm phân giải mộtlượ ng nhỏ khí SF6, nhưng sau đó nó lại đượ c k ết hợ pgần như hoàn toàn thành lại SF6. Các sản phẩm phângiải phản ứng vớ i nướ c trong khí ẩm đượ c kiểm soát bằng các bộ lọc khô đặt trong máy ngắt. Tr ướ c khi bơ m khí SF6 cần làm thoát hàm lượ ng ẩm ban đầu.c) Máy ng ắ t SF 6 dùng cho đ iện áp 52 đế n 72,5 kV

Loại này các ngăn thanh góp máy ngắt và buồng nhánh đượ c phân cách vớ i nhau và kín khí. Apsuất khí cách điện là 1 bar, khi nạ p khí tạo nên áp suất dươ ng 0,2 bar. Ngăn truyền động và điều khiểnchứa không khí ở áp suất thườ ng. Ở đây đặt cơ cấu vận hành điều khiển điện và hệ thống theo dõi khícho tất cả các ngăn có chứa khí của gian. Cửa tr ướ c có sơ đồ nhánh và các nút ấn có điều khiển cần thiết.Không đòi hỏi các tủ có điều khiển riêng. Các dao cách li điều khiển bằng động cơ là loại quay ba vị trí.Máy ngắt có cơ cấu thao tác lò xo tích năng lượ ng và làm việc theo nguyên li tự thổi. Các ngăn khí dậ phồ quang của máy ngắt ba cực đượ c nối liên động và phân cách vớ i ngăn khí cách điện. Ap suất địnhmức 6 bar đượ c theo dõi bằng r ơ le ti tr ọng. Các máy biến dòng là máy kiểu tr ụ đỡ đổ nhựa có hai đến bốn lõi.

Các máy biến điện áp cảm ứng cũng đổ nhựa êpôxy, thườ ng có dây quấn đo lườ ng ở phía thứ cấ p, dây quấn tam giác hở dùng cho bảo vệ sự cố chạm đất. Để thử nghiệm cáp bằng điện áp mộtchiều, phía sơ cấ p của máy biến điện áp đượ c ngắt từ bên ngoài. Bộ nối ngoài có thể phù hợ p vớ i cápdầu hoặc cáp XLPE, các ống thanh góp dẫn SF6 cùng nối ra ngoài và các thanh góp có cách điện bằngchất r ắn. Các kích thướ c nhỏ cho phép lắ p ráp sẵn ( hãng ABB có máy ngắt loại ENK - 2 có thể đáp ứngcấu hình cho loại tr ạm bất kì.d) Máy ng ắ t SF 6 dùng ở đ iện áp 72,5 đế n 800 kV

Máy ng ắ t SF 6 kiể u ELK của ABB, dùng cho điện áp từ 72,5 cho đến 800 kV. ABB sử dụngnăm kích thướ c theo môđun có cùng thiết k ế cơ sở . Cấu trúc theo môđun có ưu điểm là sản xuất đượ c số lượ ng lớ n, các cấu kiện tiêu chuẩn, bảo quản dự phòng đơ n giản và tính năng đồng nhất. Bằng cách phốihợ p các cấu kiện môđun kích thướ c khác nhau có thể tậ p hợ p lại thành các thiết bị đóng cắt cho các cấuhình mạch cơ bản. Do vậy chúng có thể đáp ứng yêu cầu của mọi sơ đồ. Như chỉ dẫn chung, điểm đặtcho thiết bị hoàn toàn kín phải tuân theo các yêu cầu của DIN VDE 0101 dùng cho các tr ạm máy ngắttrong nhà. Gian xưở ng cấu trúc gọn nhẹ, có một số thiết bị bảo vệ chống các sự cố bên ngoài. Máy ngắtSF6 cũng có thể đặt ngoài tr ờ i.Các linh kiện

Các thanh góp đượ c phân cách bằng sứ cách điện ở mỗi gian và tạo nên một bộ gồm các daocách li thanh góp và cầu dao nối đất. Máy ngắt hoạt động theo nguyên li tự thổi hay nén. Máy ngắt có từ một đến bốn chỗ ngắt trong một cực, phụ thuộc vào kích thướ c modul. Trong khi thao tác mở , pittôngcủa mỗi buồng dậ p hồ quang phát khí SF6 có áp suất cần thiết để dậ p hồ quang. Cơ cấu lò xo thủy lựctác động lên một hoặc cả ba cực. Trong máy ngắt dùng nguyên li nén, cơ năng của cơ cấu tác động đượ c

Hình 11-36 : Biể u đồ áp suấ t/ nhiệt độ của khí SF 6

sạch

P[bar] SF6[g/

t[độ]0 20 40-60 -40

10

20

30

40

50

60

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10



159

sử dụng để phát sinh dòng khí. Trái lại, máy ngắt tự động thổi sử dụng nhiệt năng của bản thân hồ quang, nó tiết kiệm tớ i 80% năng lượ ng tác động đòi hỏi. Cầu dao phụ tải đượ c sử dụng trong các tr ạm phân phối nhỏ hơ n.

Chúng có khả năng cắt dòngđiện tải, cắt và đóng máy biến áp cũng

như cắt đườ ng dây và cáp không tải.Chúng có khả năng đóng dòng

điện ngắn mạch và dẫn dòng điện ngắnmạch trong thờ i gian ngắn. Chúng cũnglàm việc theo nguyên li thổi áp lực và cócơ cấu tác động lò xo truyền động bằngđộng cơ . Các máy biến dòng dùng để đolườ ng và bảo vệ là kiểu lõi hình xuyến,có thể bố trí tr ướ c hoặc sau máy ngắttùy theo quan niệm bảo vệ. Cách điệnsơ cấ p do khí SF6 đảm nhiệm. Các máy biến điện áp đo lườ ng và bảo vệ có thể đượ c nối ở phía thứ cấ p, hai dây quấnđo và dây quấn nối tam giác hở để phát

hiện sự cố chạm đất.Các máy biến điện áp cảm ứng

đặt trong vỏ chứa khí SF6 cũng sử dụngmáy biến điện áp cách điện lá vớ i SF6 làm chất cách điện chính. Cũng có thể sử dụng các máy biến điện áp điện dung,thườ ng đối vớ i điện áp trên 300 kV. Tụ điện cao áp loại cách điện dầu và chứakhí SF6 trong vỏ. Các tụ hạ áp và cácthiết bị hòa hợ p điện cảm đượ c đặttrong tủ riêng có vỏ nối đất. Cũng cho phép các đầu điện dung phối hợ p vớ icác bộ khếch đại đo lườ ng điện tử. Hộ pđầu cáp có thể thích hợ p vớ i mọi loạicáp cao áp có tiết diện đến 2000 mm2.Các tiế p điểm cách li và phươ ng tiện nối đượ c sử dụng để thử nghiệm cáp ở điện áp một chiều.

Nếu là dao cách li nhánh phải mở đủ r ộng trong quá trình thử nghiệm. Cầu dao nối đất tốc độ cao có khả năng đóng dòng ngắn mạch hoàn toàn. Đạt đượ c tốc độ đóng cao nhờ cơ cấu tác động lò xotruyền động bằng động cơ , có thể thao tác bằng tay. Cầu dao nối đất bảo dưỡ ng (đáp ứng yêu cầu có thể có trong quá trình sản xuất) thườ ng đượ c đặt tr ướ c hoặc sau máy ngắt. Bình thườ ng chúng đượ c lắ p trênvỏ cách điện và đượ c thao tác bằng tay hoặc chỉ bằng động cơ khi phía cao áp không có điện. Có thể bỏ cầu dao nối đất bảo dưỡ ng sau máy ngắt, nếu đã có cầu dao nối đất tốc độ cao ở phía đườ ng dây. Ốngnối SF6 ngoài tr ờ i cho phép máy ngắt kiểu vỏ kín đượ c nối tớ i đườ ng dây trên không hoặc các đầu cuốicủa máy biến áp.

Ống nối đầu SF 6 của máy biến điện áp đượ c nối tr ực tiế p vớ i máy ngắt không qua ghép nốingoài tr ờ i. Ống nối đượ c bắt bulông tr ực tiế p vào thùng máy biến áp.



160

Các ống mềm phải chịu dãn nở nhiệtvà dung sai lắ p đặt. Mỗi gian có tủ điều khiểnchứa tất cả thiết bị cần thiết cho điều khiển, tínhiệu hóa, giám sát và cấ p nguồn tự dùng (bố trígian máy ngắt xem hình 11 -37). Loại vỏ nhôm

kín khí có tr ọng lượ ng thấ p và chỉ yêu cầu nềnmóng nhẹ.

Vỏ bọc quanh phần có điện dựa trêncách điện nhựa và đượ c cách điện vớ i vỏ bằngkhí SF6 có áp suất 3,5 đến 4,5 bar.

Rào cách điện chia gian thành cácngăn khí đượ c hàn kín vớ i nhau.

Điều đó làm giảm tối thiểu các ảnhhưở ng của các linh kiện khác(ví dụ khi mở r ộng tr ạm hoặc trong tr ườ ng hợ p sự cố), như vậy làm đơ n giản việc kiểm tra và bảo dưỡ ng.Mặt bích nối có vòng đệm không lão hóa.Lượ ng khí rò chỉ có thể thoát ra ngoài màkhông nằm ở giữa các ngăn.

Máy ngắt hình 11-37 trên có 3 buồngdậ p hồ quang trên một pha. Phụ thuộc vào khả năng cắt, một cực có thể có đến 4 buồng dậ pnối tiế p nhau. Các máy ngắt có thể làm việc vớ idòng điện cắt đến 63 kA.

Trong các nhánh nơ i chỉ phải cắt dòngđiện tải, có điện áp định mức 362 kV, có thể sử dụng cầu dao phụ tải thay cho máy ngắt vì li dokinh tế. Mỗi bộ cầu dao có cơ cấu thao tác dễ dàng, vận hành bằng tay trong tr ườ ng hợ p khẩncấ p (bố trí ngoài vỏ).e) Giớ i thiệu máy ng ắ t của các hãng AEG và E.I.B

Hình 11-40 là sơ đồ các quá trình tác động cắt của máy ngắt khí SF6 kiểu pitông do AEG sảnxuất, hình 11-38 một loại máy ngắt của E.I.B.

Hình 11-39 là sơ đồ mặt cắt máy ngắt AR 12 của ABB.



161



162

8. Máy ngắt tự đóng lại 3 pha điều khiển bằng điện tử a) Giớ i thiệu

Máy ngắt tự động đóng lại (Recloser) điều khiển điện tử là một thiết bị bảo vệ quá dòng r ất tincậy, dùng cho lướ i phân phối điện áp đến 38 kV.

Do k ết cấu gọn nhẹ, các thiết bị này dễ dàng lắ p đặt trên tr ụ hay trong các tr ạm. Nhờ bộ phậnđiều khiển tự động đóng lại, các máy tự động đóng lại này cho phép có đượ c sự phối hợ p r ất tốt và cókhả năng ứng dụng mà các thiết bị bảo vệ khác của hệ thống khó thể có đượ c.

Hoạt động của máy ngắt tự động đóng lại đượ c lậ p trình trong một bộ điều khiển điện tử có đặctính cắt theo số lần đặt tr ướ c và thờ i gian tự động đóng lại chính xác. Chươ ng trình làm việc r ất chính xác



163

và cố định, cho phép phối hợ p chặt chẽ vớ i các thiết bị bảo vệ khác trong hệ thống điện. Khi yêu cầu bảovệ của hệ thống thay đổi, việc chỉnh định các giá tr ị đặt cho chươ ng trình dễ dàng thực hiện mà khônglàm mất đi cấ p chính xác hay tính nhất quán của bảo vệ tr ướ c đó.

Các loại máy ngắt tự động đóng lại đã có như loại Kyle trong nhóm W - VWE, VWVE27,VWVE38X, WE, WVE27 và WVE38X có dãy thông số định mức r ộng đáp ứng đượ c các nhu cầu khác

nhau của hệ thống điện. Ngoài ra các phụ kiện điều khiển cho phép đáp ứng chươ ng trình bảo vệ đạt tínhlinh động tối đa khi vận hành hệ thống.Thông số định mứ c và đặc đ iể m

Máy ngắt tự động đóng lại 3 pha bảo vệ cho hệ thống loại WE và VWE có điện áp định mức từ 2,4 đến 14,4 k V. Loại VWE27 hay VWVE27 có thể dùng cho hệ thống có điện áp định mức đến 24,9kV. Bảo vệ cho hệ thống điện áp cao hơ n (24,9 kV đến 34,5 kV) sẽ dùng máy ngắt tự động đóng lại loạiWVE38X và VWVE38X. Bảng 11.6 ghi tóm tắt các thông số định mức cho nhóm máy ngắt tự độngđóng loại này.* Có thể tăng lên 800A

Hoạt động

Máy biến dòng cảm nhận đặt trong máy ngắt tự động đóng lại cung cấ p tín hiệu phát hiện sự cố đến bộ điều khiển điện tử. Tín hiệu đóng và cắt từ bộ điều khiển sẽ làm mạch điện trong máy ngắt tự động đóng lại hoạt động. Các loại máy ngắt tự động đóng lại tuy có tr ị định mức khác nhau nhưng vẫn sử dụng một tỉ số biến dòng duy nhất nên giá tr ị cắt nhỏ nhất không phụ thuộc vào giá tr ị dòng làm việc và

định mức cắt của máy ngắt tự động đóng lại. Ngoài ra việc lựa chọn các đặc tính thờ i gian - dòng điện từ các đườ ng cong có sẵn, các giá tr ị cắt tối thiểu, thờ i gian chỉnh định đóng hay reset và những phụ kiệnlàm cho việc phối hợ p của máy ngắt tự động đóng lại vớ i các thiết bị khác r ất linh hoạt.

BẢNG 11.6: Tóm tắt các thông số định mứ cĐiện áp địnhmức (kV)

Dòng điện làmviệc liên tục lớ nnhất (A)

Định mức dòng cắt lớ nnhất ở điện áp địnhmức ( A - đối xứng)

Môi tr ườ ng dậ p tắthồ quang

Loại Recloser

14,414,424,924,934,534,5

560*560*560*560*560*560*

1000012000800012000800012000

DầuChân khôngDầuChân khôngDầuChân không

WEVWEWVE27VWVE27WVE38XVWVE38X

Cuộn dây đ óng

Tiế p điểm chính của máy ngắt tự động đóng lại nhờ cuộn dây đóng, quá trình đóng đồng thờ itích đủ năng lượ ng cho cơ cấu cắt. Cuộn dây điện áp cao đượ c nối vào hệ thống từ phía nguồn của máyngắt tự động đóng lại, việc lựa chọn điện áp định mức của cuộn dây căn cứ vào áp dây của điện áp lướ iđang làm việc. Có thể chọn cuộn dây điện áp thấ p, khi đó điện áp tự dùng phải đượ c cung cấ p cho máyngắt tự động đóng lại.C ắ t hồ quang trong môi tr ườ ng d ầu hay trong chân không

Có nhiều loại môi tr ườ ng cắt cho máy ngắt tự động đóng lại. Máy ngắt tự động đóng lại loạiWE, WVE27WE và WVE38 sử dụng dầu làm môi tr ườ ng dậ p tắt hồ quang. Tiế p điểm loại cầu gồm haitiế p điểm nối tiế p trên mỗi pha. Buồng dậ p hồ quang kiểu tự sinh riêng biệt hiệu quả, từ mức tải nhỏ nhấtđến mức dòng sự cố lớ n nhất.

Máy ngắt tự động đóng lại loại VWVE dùng chân không làm môi tr ườ ng cắt hồ quang, có tuổithọ tiế p điểm và chu kì làm việc dài hơ n. Việc cắt từng pha đượ c thực hiện nhờ cơ cấu tiế p điểm nằm

trong buồng cắt chân không, khi đó tất cả hồ quang sinh ra đều nằm trong chân không. Việc cắt hồ quangở mức năng lượ ng bé trong chân không giúp cho máy ngắt tự động đóng lại làm việc nhẹ nhàng hơ n vàkéo dài tuổi thọ cơ cấu đóng cắt.

Do đó máy ngắt tự động đóng lại vớ i cơ cấu cắt trong chân không r ất ít khi cần bảo trì, thờ i giangiữa hai lần thay dầu cũng dài hơ n do cách điện không bị nhiễm bẩn trong quá trình cắt hồ quang.

Bảo vệ quá đ iện áp

Máy ngắt tự động đóng lại đượ c bảo vệ quá điện áp nhờ các chống sét, lắ p cả hai phía nguồn vàtải (hoặc lắ p phía nguồn nếu chỉ bảo vệ quá điện áp cho một phía) cho tr ườ ng hợ p máy ngắt tự động đóng



164

lại lắ p trên đườ ng dây và chống sét lắ p phía tải, tr ườ ng hợ p máy ngắt tự động đóng lại lắ p tại tr ạm đượ ctrình bày sau.

Một bộ máy ngắt tự động đóng lại điều khiển điện tử gồm các phần sau:♦ Máy ngắt tự động đóng lại và phụ kiện.♦ Bộ điều khiển điện tử và phụ kiện.

♦ Cáp nối mạch điều khiển.♦ Phụ kiện treo máy ngắt tự động đóng lại (theo yêu cầu).

b) Đặc đ iể m và mô t ả chi tiế t Máy ngắt tự động đóng lại như loại Kyle (dầu) ba pha, nhóm W điều chỉnh r ộng, lậ p trình đượ c

của bộ điều khiển điện tử cho phép thỏa mãn các yêu cầu đa dạng.Có thể lựa chọn môi tr ườ ng dậ p tắt hồ quang trong dầu hay trong chân không.

* Máy ng ắ t t ự động đ óng l ại d ầu loại WE, WVE và WVE38X (hình 11-42)

Tiế p điểm dạng cầu nối giúp ngắt dòng ra làm hai phần nối tiế p nhau trên mỗi pha. Mỗi tiế p điểm ngắtdòng nằm trong buồng dậ p hồ quang riêng, kiểu tự sinh, có rãnh hở , giúp máy ngắt tự động đóng lại cắtdòng một cách hiệu quả. * Máy ng ắ t t ự động đ óng l ại chân không loại VWE, VWVE27 và VWVE38

Việc cắt dòng trong từng pha đượ c thực hiện bằng một bộ tiế p điểm đặt riêng trong buồng dậ phồ quang chân không. Việc cắt hồ quang năng lượ ng thấ p trong chân không giúp kéo dài chu kì làm việc,giảm ồn, nâng cao tuổi thọ cơ cấu truyền động của máy ngắt tự động đóng lại. Lực đóng tiế p điểm là docuộn dây đóng, cuộn này đượ c cấ p điện từ điện áp dây, lấy ngay trong máy ngắt tự động đóng lại.

Cuộn dây này đóng tất cả các tiế p điểm chính của ba pha, đồng thờ i nén lò xo nhả để chuẩn bị cho quá trình cắt tiế p theo. Bộ điều khiển cung cấ p tín hiệu để đóng/cắt.

Ba biến dòng tỉ số 1000:1 đặt trong máy ngắt tự động đóng lại có nhiệm vụ phát hiện dòng sự cố. Các biến dòng này liên tục đo dòng điện, cảm nhận bằng một mạch điện tử. Khi dòng trong mạchtăng cao hơ n mức dòng điện cắt nhỏ nhất và sau một thờ i gian tr ễ, bộ điều khiển cấ p điện cho cuộn dâycắt, làm nhả lò xo, mở các tiế p điểm chính của ba pha. Nếu có lậ p trình tự đóng lại, bộ điều khiển sẽ kích

hoạt cơ cấu đóng. Máy ngắt tự động đóng lại đượ c thiết k ế theo kiểu tự vận hành mà không cần nguồnđộc lậ p nào bên ngoài (tr ừ khi có yêu cầu bở i vài phụ kiện).



165

Bộ phận điều khiển máy ngắt tự động đóng lại bằng mạch điện tử giúp cài đặt đơ n giản trình tự cắt sự cố quá dòng pha và đất sẽ khóa máy ngắt tự động đóng lại. Tr ị số cắt dòng sự cố pha hoặc đất lànhỏ nhất, thờ i gian cắt, đóng lại và thờ i gian reset đượ c chỉnh đặt tại bộ điều khiển mà không cần cắt điệnmáy. Do có thể lựa chọn 2 đườ ng cong bảo vệ (thờ i gian - dòng điện) trong vô số các đườ ng cong nên

việc sử dụng máy ngắt tự động đóng lại bảo vệ trên lướ i r ất linh hoạt.c) C ấ u t ạo

Giống như các loại máy ngắt tự động đóng lại khác của hãng Kyle, những loại máy ngắt tự độngđóng lại đều đượ c thiết k ế có tuổi thọ làm việc cao và ít cần bảo trì nhất. Nắ p đượ c đúc bằng nhôm.Thùng làm bằng thép cứng, mặt ngoài sơ n polister. (Munsell5BG 7,0/0,4; màu chuẩn là xanh nhạt).

Một vòng đệm lót nằm lọt trong rãnh giúp giữ kín dầu và tạo mối ghép r ấtkín giữa nắ p và thùng bất chấ p các điều kiện thờ i tiết. Van lấy mẫu dầu và xả dầu 0,5 inch nằm gần đáythùng.

Máy ngắt tự động đóng lại đượ c giữ bằng các bu lon bắt nắ p vớ i giá treo. Toàn bộ cơ cấu làmviệc bên trong đều đượ c treo gắn vớ i nắ p cho phép tháo r ờ i vỏ thùng ra mà không ảnh hưở ng gì đến cơ cấu truyền động cũng như các bộ phận của nắ p máy.

Ba buồng cắt chân không cố định trên các ống đỡ làm bằng sợ i epoxy thủy tinh có độ bền điệnvà bền cơ cao, khả năng chống ẩm tốt. Buồng cắ t hồ quang trong d ầu (hình 11-44)



166

Các máy ngắt tự động đóng lại loại WE, WVE27 và WVE38X dùng dầu làm môi tr ườ ng dậ p tắthồ quang. Việc dậ p tắt hồ quang nhanh chóng (xuống còn 2,5 chu kì) đượ c thực hiện nhờ tiế p điểm loạicầu nối, tạo ra tiế p điểm nối tiế p trên mỗi pha. Tiế p điểm động dạng lưỡ i lê, làm bằng hợ p kim tungstenmạ bạc, có tính chịu mài mòn và độ dẫn điện tốt. Tiế p điểm t ĩ nh dạng hoa tulip mạ bạc, định vị bằng lòxo đàn hồi. Tiế p điểm tự làm sạch nhờ thao tác chà sát khi đóng và mở . Mỗi tiế p điểm có một cơ cấu dậ p

hồ quang riêng loại tự sinh, gồm các buồng hồ quang có rãnh thoát ghép lại. Buồng cắ t hồ quang trong chân không (hình 11-45)

Các Máy ngắt tự động đóng lại loại VWE, VWVE27 và VWVE38X sử dụng buồng cắt hồ quang trong chân không. Buồng cắt trong chân không dậ p hồ quang ở mức năng lượ ng thấ p nhanhchóng, kéo dài tuổi thọ tiế p điểm và tuổi thọ buồng cắt, tạo ứng suất cơ học nhỏ và có mức độ an toàncao.

Khi dậ p tắt hồ quang trong chân không, tuổi thọ của buồng cắt và tiế p điểm lớ n hơ n nhiều lần sovớ i trong dầu và máy ngắt tự động đóng lại gần như không cần bảo trì. Ngoài ra ứng suất cơ học và độ độ mài mòn của các cơ cấu đều giảm đáng k ể vì khoảng dịch chuyển của các tiế p điểm trong tr ườ ng hợ p nàyngắn hơ n. Các buồng cắt hồ quang trong chân không đượ c thiết k ế vớ i vỏ buồng cắt bằng hợ p kim gốmcó độ bền cao và duy trì độ chân không lâu dài. Loại hợ p kim gốm - nhôm có độ bền gấ p 5 lần thủy tinh,có thể đượ c gia công xử lí ở nhiệt độ cao hơ n, để sản phẩm có độ tinh khiết cũng như độ chân không caovì khí helium không lọt vào đượ c. Bên trong buồng cắt là một bộ tiế p điểm động và t ĩ nh. Tiế p điểm độngdi chuyển vớ i khoảng di chuyển độ 0,5 inch. Tr ục của nó luồn trong ống đỡ đàn hồi duy trì độ chânkhông. Các tiế p điểm làm bằng một loại hợ p kim đặc biệt không bị hàn dính. Do chỉ cần một lượ ngnhiễm bẩn nhỏ nhất bên trong buồng cũng có thể giảm đi đáng k ể tuổi thọ của buồng cắt chân không, nênviệc sản xuất các buồng cắt chân không này đượ c thực hiện trong các phòng siêu sạch, tránh mọi nguồngây nhiễm bẩn nhỏ nhất.d) Hoạt động của máy ng ắ t t ự động đ óng l ại

C ắ t: k hi dòng tải tăng, vượ t quá giá tr ị cắt nhỏ nhất tươ ng ứng vớ i đặc tính thờ i gian - dòng điện đặttr ướ c của máy ngắt tự động đóng lại thì bộ điều khiển sẽ cấ p điện cho cuộn dây cắt. Cuộn này làm nhả chốt gài lò xo và mở tiế p điểm. Thờ i gian mở tối đa là 2,7 chu kì đối vớ i các loại VWE, VWVE, WE,WVE.

Hình 11-46 : S ơ đồ cung cấ p đ iện áp cho cuộn dây solenoid đ óng đ iệncao áp



167

Đóng: lực đóng cũng là lực để nén lò xo nhả, đượ c cung cấ p từ một cuộn dây đóng hoạt động ở điện ápcao. Khi các tiế p điểm của máy ngắt tự động đóng lại, píttông của cuộn dây bị gài ở vị trí dướ i, chốt nàysẽ nhả đồng thờ i vớ i khi lò xo nhả bung ra và píttông của cuộn dây chạy lên chuẩn bị cho hành trình k ế tiế p đóng máy ngắt.

Vào thờ i điểm đóng lại đượ c lậ p trình tr ướ c, bộ điều khiển điện tử cấ p điện cho cuộn dây kiểu

xoay. Khi đó píttông bị hút vào cuộn dây, làm đóng các tiế p điểm của máy ngắt tự động đóng lại và đồngthờ i nén các lò xo nhả. Hành trình của píttông cũng cắt điện 2 tiế p điểm công tắc tơ cao áp, làm cuộn dâyđóng mất điện. Cơ cấu truyền động của máy ngắt tự động đóng lại khi đóng sẽ mở một tiế p điểm trênmạch cuộn dây xoay làm mất điện cung cấ p đến cuộn dây xoay. Dây xoay này đóng 2 tiế p điểm nối tiế p(trên mạch cuộn dây đóng) trong thờ i gian ngắn và cấ p điện áp dây cho cuộn dây đóng. Cuộn dây đóng(hình 11-46) đượ c thiết k ế làm việc ở chế độ ngắn hạn lặ p lại, không liên tục. Tr ườ ng hợ p píttông củacuộn dây hay tiế p điểm trên mạch của cuộn đóng có vấn đề làm cho cuộn dây đóng có điện trong mộtthờ i gian kéo dài thì cầu chì bảo vệ cuộn dây đóng sẽ cắt mạch cao áp để tránh cuộn dây đóng bị cháy.Thao tác bằ ng tay

Máy cắt tự động đóng lại có thể cắt bằng tay vào bất kì lúc nào bằng cách kéo cần thao tác nằmdướ i tủ điều khiển, kéo cần lên sẽ sẵn sàng cho máy ngắt tự động đóng lại vào tr ạng thái đóng, tuy vậytiế p điểm chính của máy ngắt tự động đóng lại chưa đóng. Máy ngắt tự động đóng lại chỉ đóng khi kéocần lên, vặn tay vặn ở mặt tr ướ c tủ điều khiển qua vị trí đóng và điện áp cao phía nguồn đã đượ c cấ p đếnmáy ngắt tự động đóng lại. Một cờ chỉ thị màu đỏ nằm k ế cần thao tác cho biết tình tr ạng đóng hoặc cắt

của tiế p điểm của máy ngắt tự động đóng lại. Đo l ườ ng tín hiệu dòng

Máy ngắt tự động đóng lại có 3 biến dòng tỉ số 1000:1. Các biến dòng đo đượ c cả dòng pha vàdòng đất (dòng thứ tự 0), chúng đượ c nối tớ i tủ điều khiển nhờ một dây cáp dài, nhờ vậy cho phép lắ p đặtđượ c bộ điều khiển xa máy ngắt tự động đóng lại.T ủ đ iề u khiể n đ iện t ử

Máy ngắt tự động đóng lại loại VWE, VWVE27, VWVE38, WE, WVE27 và WVE đượ c điềukhiển bằng tủ điều khiển điện tử. Có thể dùng nhiều loại tủ điều khiển khác nhau (tùy yêu cầu). Sau đâygiớ i thiệu sơ lượ c về tủ điều khiển vi xử lí F4C.

Hình 11-47 là tủ điều khiển máy ngắt tự động đóng lại loại 4C - ME, dùng k ĩ thuật vi xử lí để vận hành và có độ linh hoạt cao. Tất cả các thông số điều khiển chuẩn gồm: dòng cắt sự cố chạm đất nhỏ nhất, lựa chọn đặc tuyến dòng điện - thờ i gian, trình tự làm việc của máy ngắt tự động đóng lại có thể hoàn toàn lậ p trình đượ c. Dùng bàn phím đơ n giản để lậ p trình cho tủ điều khiển, các phím chức năngchuyên dùng và màn hình LCD (tinh thể lỏng) cho phép dễ dàng lậ p trình và kiểm tra lại các tr ị số đã đặt.Bộ điều khiển đượ c trang bị 41 đặc tuyến dòng điện - thờ i gian chọn bằng phím, có thể chuyển đổi đượ cgiữa các giá tr ị pha và đất. Mỗi đặc tuyến có thể đượ c thay đổi hoặc theo chiều thẳng đứng, hoặc cộngthêm một hằng số vào tr ục thờ i gian và như thế tạo ra vô số đặc tuyến. 10 mặt hiển thị LCD ở mặt tr ướ ctủ cho biết ngay tình tr ạng của bộ điều khiển và máy ngắt tự động đóng lại. Bộ điều khiển có các đặcđiểm chuẩn như: giám sát, hiển thị tr ạng thái từ xa, hiển thị sự cố nhờ màn hình LCD và bộ đếm, bộ ghicác sự kiện, đo đạc dòng cũng như hiển thị đồ thị phụ tải. Bộ điều khiển vi xử lí cũng có thể đượ ctrang bị một card input/output (đầu vào/ đầu ra) nhằm mở r ộng khả năng giám sát của bộ điều khiển. T ủ đ iề u khiể n t ừ FXA

Bộ điều khiển vi xử lí FXA có các khả năng xử lí dữ liệu r ất mạnh và tính linh hoạt cao cũngnhư độ tin cậy cao trong vận hành. Bộ điều khiển FXA có khả năng bảo vệ quá dòng pha / đất vớ i cáctầm r ất r ộng để đặt các giá tr ị cắt, các đườ ng cong dòng điện thờ i gian, các chế độ điều khiển.

11 LED chỉ thị cho phép quan sát các tình tr ạng hoạt động của máy ngắt tự động đóng lại. Bộ điều khiển FXA có khả năng mở r ộng khi hoạt động trong hệ thống SCADA. Bộ điều khiển FXA có khả năng giao tiế p đượ c vớ i máy tính, do đó tất cả các thông số hoạt động dễ dàng cài đặt thông qua chươ ngtrình này chạy trên môi tr ườ ng Window.

Trong phần mềm của bộ điều khiển FXA có một thư viện chuẩn cùng 41 đườ ng cong thờ i gian -dòng điện giúp cho việc phối hợ p bảo vệ. Chươ ng trình TTC Editor đi kèm theo phần mềm này cho phépngườ i sử dụng tạo ra những đườ ng cong cần thiết cho việc phối hợ p bảo vệ. Ngoài ra còn cho phép đọccác dữ liệu ghi nhận đượ c trong quá trình hoạt động.



168



171

Chươ ng 12. THIẾT BỊ CHỐNG SÉT

12.1. KHÁI NIỆM

Thiết bị chống sét là thiết bị đượ c ghép song song vớ i thiết bị điện để bảo vệ quá điện áp khíquyển. Khi xuất hiện quá điện áp nó sẽ phóng điện tr ướ c làm giảm tr ị số quá điện áp đặt lên cách điện củathiết bị và khi hết quá điện áp sẽ tự động dậ p tắt hồ quang của dòng điện xoay chiều, phục hồi tr ạng tháilàm việc bình thườ ng. Để làm đượ c nhiệm vụ trên thiết bị chống sét cần đạt các điều kiện sau đây:

1 . Có đặc tính Vôn - giây (V-s) thấp hơ n đặc tính V-s của cách điện Đây là yêu cầu cơ bản nhất vì nó liên quan đến tác dụng và lí do tồn tại của thiết bị chống sét.

Tuy nhiên thực hiện việc phối hợ p đặc tính V-s như vậy không dễ dàng. Trong thiết k ế và chế tạo thiết bị điện thườ ng dùng các biện pháp làm đều điện tr ườ ng để nâng cao cườ ng độ cách điện và dải k ết cấu củacách điện. Do cách điện thườ ng có đặc tính V-s tươ ng đối bằng phẳng và đặc tính V-s của thiết bị chốngsét cũng phải bằng phẳng để không xảy ra giao chéo ở khoảng thờ i gian bé (hình 12-1).

Loại khe hở bảo vệ và loại chống sét ống (PTφ) do k ếtcấu điện cực kiểu thanh-thanh nên tr ườ ng giữa các điện cực phân bố r ất không đều, điện áp phóng điện tăng cao khi thờ i gian phóng điện bé khiến đườ ng đặc tính V-s dốc do đó không thể phối hợ p tốt đượ c vớ i đặc tính V-s của các thiết bị trong tr ạm.Các thiết bị chống sét loại này thườ ng chỉ dùng bảo vệ cho cáchđiện đườ ng dây vì đặc tính xung kích của cách điện đườ ng dâycó dạng tươ ng tự.

Thiết bị chống sét tr ạm thườ ng là chống sét van (PB),trong cấu tạo đã dùng nhiều biện pháp để đặc tính V-s tươ ng đối bằng phẳng.

2. Có khả năng dập tắt nhanh chóng hồ quang của dòngxoay chiều

Khi quá điện áp, thiết bị chống sét làm việc (phóng điện) để tản dòng xuống đất đồng thờ i tạonên ngắn mạch chạm đất. Khi hết quá điện áp phải nhanh chóng dậ p tắt hồ quang của dòng ngắn mạchchạm đất tr ướ c khi bộ phận bảo vệ r ơ le làm việc để hệ thống điện đượ c tiế p tục vận hành an toàn.

Tùy theo các nguyên tắc và biện pháp dậ p hồ quang khác nhau mà thiết bị chống sét đượ c phân

ra các loại chống sét ống, chống sét van, chống sét van - từ,... Loại khe hở bảo vệ không có bộ phận dậ phồ quang nên khi nó làm việc nếu dòng điện ngắn mạch chạm đất của lướ i điện lớ n thì hồ quang sẽ khôngtự dậ p tắt và ngắn mạch chạm đất kéo dài. Do đó loại này chỉ dùng bảo vệ đườ ng dây trong các lướ i códòng ngắn mạch chạm đất bé (lướ i có trung tính cách điện hoặc nối đất qua cuộn dây hồ quang) hoặc khicó phối hợ p vớ i thiết bị tự động đóng lại (TĐL) để bảo đảm cung cấ p điện liên tục.

Loại chống sét ống dựa vào các chất sinh khí để tự dậ p hồ quang (tươ ng tự máy ngắt phụ tải).Loại chống sét van có trang bị dậ p hồ quang hoàn chỉnh hơ n dựa trên nguyên tắc chia cắt hồ

quang thành nhiều đoạn ngắn và dùng điện tr ở không đườ ng thẳng để hạn chế tr ị số dòng điện hồ quang(dòng xoay chiều).

Loại chống sét van từ có bộ phận dậ p hồ quang phức tạ p hơ n chống sét van bở i nó dùng thêm từ tr ườ ng để di chuyển hồ quang nên dậ p đượ c hồ quang có tr ị số dòng điện lớ n hơ n nhiều.

3. Có mứ c điện áp dư thấp so vớ i cách điện của thiết bị đượ c bảo vệ Sau khi phóng điện, điện áp còn trên thiết bị chống sét (áp dư) sẽ tác dụng lên cách điện của thiết

bị, nếu điện áp này lớ n vẫn có thể gây nguy hiểm cho thiết bị điện.Vớ i loại khe hở bảo vệ và chống sét ống giảm điện áp dư chủ yếu bằng cách giảm điện tr ở của

bộ phận nối đất (áp dư Udư=Is.R XK ).Ở chống sét van bên cạnh việc giảm tr ị điện tr ở không đườ ng thẳng phải hạn chế dòng điện qua

nó không lớ n quá tr ị số quy định (5kA hoặc 10kA), để điện tr ở vilit không bị quá nóng và duy trì đượ c

Hình 12-1: Đặc tính V-s

t

U

a)

b)



172

mức điện áp tươ ng đối ổn định. Hạn chế dòng qua chống sét chủ yếu dựa vào biện pháp bảo vệ ở đoạn tơ itr ạm.

4 . Thiết bị chống sét không đượ c làm việc (phóng điện) khi có quá điện áp nội bộ Yêu cầu này thực hiện bằng cách điều chỉnh (khoảng cách) khe hở phóng điện của thiết bị

chống sét. Ngoài bốn yêu cầu trên vớ i từng loại còn yêu cầu riêng, cần thêm r ằng vai trò chống sét trong

tr ạm biến áp r ất quan tr ọng vì nó quyết định việc lựa chọn mức cách điện xung kích của thiết bị, tức làliên quan đến k ết cấu và giá thành thiết bị. Việc phát huy tác dụng của thiết bị chống sét không những phụ thuộc đặc điểm riêng của chúng mà còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cải thiện bộ phận nối đất, sơ đồ truyền sóng, phần bảo vệ đoạn tớ i tr ạm, vị trí đặt thiết bị chống sét ,...

12.2. THIẾT BỊ CHỐNG SÉT ỐNG (PT)

1. Cấu tạo (hình 12-2) Phần chính 1 của thiết bị là ống làm bằng vật liệu tự sinh khí, chất phibro-bakêlít vớ i loại (PTφ)

hoặc chất dẻo viniplast vớ i loại (PTB), một đầu có nắ p kim loại giữ điện cực thanh còn đầu kia hở và đặtđiện cực hình xuyến 3.

Khe hở S gọi là khe hở trong (hoặc khe hở dậ p hồ quang) còn S2 là khe hở ngoài có tác dụng

cách li thân ống vớ i đườ ng dây để nó không bị hư hỏng do dòng dò.

2. Nguyên lí Khi có quá điện áp cả hai khe hở sẽ phóng điện dòng điện

sét qua chống sét đi vào bộ phận nối đất. Sau khi hết dòng điệnxung kích, sẽ có dòng điện tần số công nghiệ p (dòng ngắn mạchchạm đất) đi qua chống sét. Dướ i tác dụng của hồ quang do dòngngắn mạch sinh ra chất sinh khí bị phát nóng sản sinh nhiều khí, ápsuất khí tăng tớ i vài chục at, và thổi tắt hồ quang (thổi về phía đầuhở ống 3, ngay khi dòng xoay chiều qua tr ị số 0 lần đầu tiên).

Hình 12-3 là sự biến thiên của điện áp xung kích khichống sét làm việc. Đặc tính V-s phụ thuộc vào khoảng cách khe hở trong và ngoài của chống sét và có dạng giống như khe hở bảo vệ hình 12-3. Sau khi phóng điện điện áp dư trên chống sét là phần

điện áp giáng trên bộ phận nối đất do đó các nơ i đặt chống sét ống cần nối đất tốt. Độ dài khe hở ngoàiđượ c chọn theo điều kiện phối hợ p cách điện (phối hợ p đặc tính V-s) và có thể điều chỉnh trong phạm vinhất định, còn khe hở trong quyết định bở i khả năng dậ p hồ quang. Để dậ p đượ c hồ quang trong ống cầnđủ khí, điều này phụ thuộc vào dòng điện hồ quang, do vậy phải quy định giớ i hạn của dòng điện hồ quang. Thay đổi khoảng cách S và đườ ng kính trong của ống sinh khí sẽ làm thay đổi giớ i hạn dòng điện.Khi đặt chống sét ở bất kì điểm nào trong lướ i điện cần phải kiểm tra dòng ngắn mạch nối đất tại điểm đó,để đảm bảo chống sét có thể tự dậ p tắt đượ c hồ quang mà không bị hư hỏng. Khi chống sét làm việcnhiều lần, chất sinh khí sẽ hao mòn, ống sẽ r ỗng hơ n lượ ng khí sẽ không đủ để dậ p tắt hồ quang. Khiđườ ng kính trong ống tăng quá (20÷25)% so vớ i tr ị số đầu thì chống sét xem như mất tác dụng.



173

Chống sét TPφ ống phibro - bakêlít vật liệu sinhkhí dùng loại phibrô, do phibrô không đủ độ bền cơ khí nênống đượ c bọc thêm bakêlít có quét sơ n chống ẩm. Dòng cắttớ i khoảng 10kA.

Chống sét PTB: có thân ống bằng chất dẻo

viniplast có đặc tính điện và khả năng sinh khí tốt hơ n loại

PTφ về cấu tạo cũng đơ n giản hơ n. Kí hiệu loại PTφ110

5 0,8−

là thể hiện loại chống sét phibro - bakêlít dùng ở cấ p 110kVvà giớ i hạn dòng cắt (0,8÷5)kA.

Khi làm việc chống sét ống có thải khí bị ion hóado đó khi lắ p chống sét trên cột phải sao cho khí thoát rakhông gây nên phóng điện giữa các pha hoặc phóng điệnxuống đất, muốn thế trong phạm vi thoát khí của nó phảikhông có dây dẫn của pha khác, không có k ết cấu nối đất cũng như phạm vi thoát khí của chống sét ống ở pha khác.

Ngày nay dướ i sự phát triển của lướ i điện công suất lớ n yêu cầu chế tạo chống sét ống có giớ ihạn trên dòng cắt lớ n hơ n, Liên Xô cũ có loại PTBY, dùng chất dẻo viniplast tăng cườ ng bằng quấn vải

thủy tinh tẩm nhựa êpôxit nên giớ i hạn trên dòng cắt tớ i 20kA (loại PTB tớ i 15kA).Chống sét ống chủ yếu dùng bảo vệ các đườ ng dây không có dây chống sét. Khó khăn lớ n nhấtlà phải đảm bảo tr ị số dòng điện ngắn mạch chạm đất tại điểm đặt chống sét nằm trong phạm vi giớ i hạntrên và dướ i của dòng điện cắt. Khi dùng nó trong hệ thống công suất bé hoặc đặt chống sét ống vớ i mậtđộ quá dày sẽ không đảm bảo về yêu cầu giớ i hạn dướ i của dòng cắt. Ngượ c lại nếu hệ thống công suấtlớ n sẽ có thể vượ t quá tr ị số giớ i hạn trên. Chế độ vận hành hệ thống thay đổi luôn làm dòng ngắn mạchkhó đáp ứng yêu cầu trên. Các nhượ c điểm đó đã hạn chế việc ứng dụng chống sét ống r ộng rãi, thườ ngthay bằng khe hở bảo vệ phối hợ p vớ i thiết bị tự động đóng lại để bảo vệ cho đườ ng dây.

12.3. CHỐNG SÉT VAN

1. Khái niệmPhần chính của chống sét van là chuỗi khe hở phóng điện ghép nối tiế p vớ i các tấm điện tr ở

không đườ ng thẳng (điện tr ở làm việc). Điện tr ở không đườ ng thẳng chế tạo bằng vật liệu vilit, có đặcđiểm là có thể duy trì đượ c mức điện áp dư tươ ng đối ổn định khi dòng điện tăng.Sau khi tản dòng sét sẽ có dòng điện ngắn mạch duy trì bở i nguồn điện áp xoay chiều (ngắn

mạch qua điện tr ở làm việc) đi qua chống sét van, dòng này gọi là dòng k ế tục. Khi cho tác dụng điện tr ở r ất bé do đó dòng sét đượ c tản trong đất dễ dàng và nhanh chóng, ngượ c lại ở điện áp làm việc thì điện tr ở tăng cao do đó hạn chế tr ị số dòng k ế tục (thườ ng không quá 80A) tạo điều kiện thuận lợ i cho việc dậ p hồ quang ở chuỗi khe hở . Chính do tính chất cho qua dòng điện lớ n khi điện áp lớ n và ngăn dòng điện khiđiện áp bé nên loại chống sét này đượ c gọi là chống sét van. Tr ị số điện áp cực đại ở tần số công nghiệ pmà chống sét van có thể dậ p tắt hồ quang của dòng điện k ế tục gọi là điện áp dậ p hồ quang, đó là mộttrong các tham số chủ yếu của chống sét van.

2. Các tham số của chống sét van Ngoài điện áp dậ p hồ quang chống sét van còn các tham số sau:

a) Điện tr ở không đườ ng thẳ ng Đượ

c chế

tạo t

ừbột cacbôrun (SiC) m

ặt ngoài h

ạt cácborun có màng m

ỏng SiO2 (dày kho

ảng 10

-

5cm).

Hình 12-3: Đặc tính bảo vệ

1

2 t[s

U



174

Điện tr ở suất của bản thân hạt cácborun không lớ n (10-2 Ωm) và ổn định nhưng điện tr ở của lớ p màngmỏng phụ thuộc vào cườ ng độ điện tr ườ ng. Khi cườ ng độ điện tr ườ ng bé, điện tr ở lớ p màng mỏngkhoảng (104÷106)Ωm. Nhưng khi điện tr ườ ng tăng cao nó sẽ giảm r ất nhanh và điện tr ở tổng của vilitgiảm tớ i mức bằng điện tr ở của hạt cácborun. Trong các tấmvilít hạt bột đượ c dính bằng keo thủy tinh lỏng sau đó đượ c

nung nóng ở nhiệt độ khoảng vài tr ăm độ.Tr ướ c kia ngườ i ta dùng điện tr ở loại tirit nhiệt nung

nóng khoảng 12000C có đặc tính không ổn định bằng vilit (tiritdùng chất dính bằng đất sét).

Hình 12-4 là đặc tính V-A của tấm vi lit đườ ng kínhφ100mm và dày 60mm đặc tính này đượ c xác định vớ i dạngsóng dòng điện 20/40μs và cho dòng điện biến thiên trong phạmvi 1 đến 10.000A. Nó gồm hai đoạn biểu diễn bở i quan hệ giảitích IlgAlgulg α+= vớ i A là hằng số, α càng bé thì điện

áp giáng trên nó (điện áp dư) sẽ tăng càng chậm khi dòng điệntăng. Đoạn trên ứng vớ i khi có dòng điện sét α = (0,13÷0,2) ứngvớ i loại vilit, đoạn dướ i ứng vớ i phạm vi dòng điện k ế tục α =

(0,28÷0,32). Có thể viết quan hệ dướ i dạng u AI = α , A là điện

tr ở của tấm khi dòng điện qua nó là 1[A]. Nếu chống sét dùng n tấm điện tr ở thì đặc tính V-A biểu thị u n AI = α

.Hình 12-5 đặc tính V-A của loại PBC-110 khi có dòng điện lớ n thông qua điện tr ở trong thờ i

gian dài, lớ p màng SiO2 có thể bị phá hủy do đó cần quy định các tr ị số cho phép về độ lớ n cũng như thờ igian duy trì của dòng điện.

Ví du tấm vilít φ100mm có tr ị số cho phép dòng xung kích dạng sóng 20/40μs là 10kA. Đối vớ idạng sóng vuông góc có độ dài sóng 2000μs thì tr ị số cho phép của dòng điện là 150A, điều đó chứng tỏ chốngsét van không thể làm việc đối vớ i phần lớ n các loại quáđiện áp nội bộ vì chúng thườ ng kéo dài trong nhiều chukì tần số công nghiệ p. Tr ị số cho phép của dòng k ế tụcduy trì trong nửa chu kì tần số công nghiệ p còn thấ p hơ nvà không quá 100A.

Biện pháp duy nhất để tăng năng lực thông quadòng điện là tăng tiết diện điện tr ở tức là tăng đườ ngkính tấm.

b) Khe hở phóng đ iện Sự làm việc của chống sét van bắt đầu từ việc

chọc thủng các khe hở phóng điện và k ết thúc bằng việcdậ p tắt hồ quang của dòng điện k ế tục cũng ngay tại khe hở này. Mỗi giai đoạn trên đều đề xuất yêu cầuriêng đối vớ i khe hở . Ở giai đoạn đầu khe hở phải có đặc tính V-s tươ ng đối bằng phẳng để phối hợ p vớ iđặc tính V-s của cách điện (chủ yếu là máy biến áp). Để đạt đượ c các yêu cầu trên có các biện pháp sau:+ Dùng chuỗ i g ồm nhiề u khe hở ghép nố i tiế p nhau

Có thể xem như một chuỗi điện dung tươ ng tự sơ đồ chuỗi cách điện, điện áp xung kích phân bố không đều dọc chuỗi sẽ làm cho quá trình phóng điện k ế tiế p xảy ra nhanh chóng trên tất cả khe hở . Dođó tr ị số điện áp phóng điện có thể giảm tớ i mức ổn định (điện áp phóng điện một chiều hoặc xoay chiều)hoặc còn thấ p hơ n và đườ ng đặc tính V-s có dạng tươ ng đối bằng phẳng. Cũng vớ i mục đích trên trong

chống sét PBBM (dùng bảo vệ máy điện) còn thực hiện cách ghép thêm điện dung song song vớ i một phần của chuỗi khe hở .

Hình 12 -4: Đặc tính V-A t ấ m vilit

Hình 12-5: Đặc tính V-A của PBC

U[ kV]

I [A]

300

200

100

5000

3, 2

l gU

l gI

0 1 2 3 4 5 6

3, 4

3, 6

3, 8

4, 0

4, 2



175

+ Trong t ừ ng khe hở (hình 12-6)Điện cực dùng các tấm đồng cách li bở i

vòng đệm mica dày 1mm. Điện tr ườ ng giữa cácđiện cực đạt mức gần đồng nhất. Mặt khác khi cóđiện áp trong khe không khí giữa điện cực và lớ p

mi ca thì điện tr ườ ng tăng (do hệ số điện môi củakhông khí bé hơ n mi ca). Nên quá trình ion hóaxuất hiện sớ m, nó có tác dụng cung cấ p điện tử chokhoảng không gian giữa các điện cực. Các yếu tố trên tạo điều kiện cho quá trình phóng điện pháttriển một cách dễ dàng và làm đườ ng đặc tính V-s bằng phẳng ngang (hình 12-6). Trong giai đoạn dậ ptắt hồ quang vì dòng điện cùng pha điện áp nên khidòng k ế tục qua tr ị số 0 thì hồ quang tắt, lúc nàychấm dứt quá trình phát xạ điện tử từ bề mặt cựcâm, cách điện khe hở đượ c phục hồi nhanh chóngvà khi vượ t quá tr ị điện áp phục hồi (tần số côngnghiệ p) thì hồ quang tắt. Điều quan tr ọng là phảilàm sao để điện áp phục hồi phân bố đều giữa các

khe hở trong chuỗi, có thể thực hiện bằng cách ghép các điện tr ở có tr ị số lớ n song song vớ i các khe hở .Mỗi loại khe có tr ị giớ i hạn dòng k ế tục để hồ quang có thể đượ c dậ p ngay khi dòng qua tr ị 0 lầnđầu. Vớ i loại điện cực trong chống sét van tr ị số này khoảng (80 ÷ 100) A. Xuất phát từ yêu cầu này căncứ vào tr ị số điện áp dậ p hồ quang (lấy bằng điện áp pha lớ n nhất khi có ngắn mạch chạm đất). Vớ i lướ i(3 ÷ 35kV) trung tính cách điện lấy bằng áp dây lớ n nhất. Còn lướ i 110kV tr ở lên trung tính nối đất tr ựctiế p nên lấy bằng 0,8Ud và gọi là chống sét 80% để phân biệt loại 100% trong lướ i (3÷35kV).

Trong các biện pháp dậ p hồ quang của chống sét chủ yếu vẫn là tìm biện pháp hiệu quả nhất để tăng giớ i hạn dòng điện k ế tục, điều này không chỉ liên quan đến sự làm việc của chống sét mà còn giảmmức cách điện xung kích của thiết bị cần bảo vệ. Vớ i chống sét van từ (dùng từ tr ườ ng dậ p hồ quang)nâng giớ i hạn lên đến 250A nên tấm điện tr ở không đườ ng thẳng sẽ dùng ít hơ n, điện áp dư chống sétgiảm và yêu cầu về mức cách điện xung kích thiết bị cũng giảm, để tăng năng lực cho qua dòng điện tatăng đườ ng kính tấm lên tớ i φ150mm dòng k ế tục cho phép tăng gấ p đôi tấm chống sét van thườ ng(φ100mm).c) K ế t cấ u và đặc tính của một số loại chố ng sét van thông thườ ng PBC,PB∏ , PBBM.

+Loại PBC thườ ng dùng ở tr ạm biến áp chế tạo theo các cấ ptớ i 35kV. Khi dùng ở điện áp cao hơ n sẽ ghép nối cấ p bằng nhiều phầntử có điện áp định mức15, 20, 33 và 35kV. Trong cấu tạo từng cặ p 4khe hở đượ c ghép vớ i nhau và đặt trong ống sứ thành một tổ hợ p khehở tiêu chuẩn. Mỗi tổ đượ c ghép song song vớ i một điện tr ở (cũng chế tạo bằng cácbôrun) để cho sự phân bố điện áp xoay chiều giữa cácchuỗi đều đặn. Các tấm vilít đượ c gắn vớ i nhau bằng chất dính loạigốm và để có tiế p xúc tốt trên bề mặt mỗi tấm tráng bột kim loại vàđượ c ép bằng lò xo. Tất cả đặt trong vỏ sứ kín để hơ i ẩm không lọt vàoảnh hưở ng đến các đặc tính điện của chống sét.

+Loại chống sét PBBM dùng để bảo vệ máy điện đặc tính củanó như hình 12-6, có thêm điện dung ghép song song vớ i một phần củachuỗi khe hở hình 12-7.

Bảng 12.1: Tổ hợ p các chống sét PBC ở điện áp cao

Loại chốngsét

Điện ápđịnh mức

[kV]

Điện áp cho phép lớ n nhấttrên chống sét

[kV]

Số lượ ng vàloại chống sét

trên tổ hợ p

Chiều caocủa chốngsét, mm

Bán kínhđế chốngsét, mm

PBC-15 15 19 1xPBC-15 725 236

\

Hình 12-6 : Đặc tính V-s trong khe hở

Hình 12-7 : Ghép đ iện dung

t [10-

U[ kV]

01 2 3 4 5 6 7

2,4

2,8

3,2

3,6

4

4

5

6

3

1

2



176

PBC-20PBC-35PBC-110PBC-150

PBC-220

2035110150

220

2540,5100138

200

1xPPC-201xPBC-353xPBC-333xPBC-33

+2xPBC-15

6xPBC-33

885121030504546

6192

2362362751535

2035

Bảng 12.2: Đặc tính chủ yếu của chống sét PBC (theo ⎡OCT-8934-58)

Điện ápđịnhmức[kV]

Điện áplàm việclớ n nhất[kV]

Điện áp chọc thủng ở tần số công nghiệ p[kV]

Điện áp chọcthủng xung kíchkhi thờ i gian phóng địên từ1,5đến 20μs,[kV].

Điện áp dư của chống sétkhi dòng điện xung kích có biên độ khác nhau vớ i độ dài đầu sóng 10μs, [kV](không lớ n hơ n).Biên độ dòng [kA].

Khôngnhỏ hơ n

Khônglớ n hơ n

3kA 5kA 10kA

36

10152035

110150200

3,87,6

12,71925

40,5110138200

91626384978

200275400

1119

30,548

60,598

250345500

2030457085

125285375530

13,525425775

122315435630

14,527456180

130335465670

1630506788

143367510734

12.4. CHỐNG SÉT VAN TỪ

Trong chống sét van từ, dướ i tác dụng của từ tr ườ ng hồ quang giữa các điện cực sẽ di chuyểndướ i tốc độ lớ n dọc theo khe hở vòng xuyến, do đó sẽ dễ bị thổi tắt. Sau khi hồ quang tắt cườ ng độ cáchđiện của khe hở đượ c khôi phục nhanh chóng. Điện tr ở không đườ ng thẳng của các tấm vilít đườ ng kínhφ180mm, năng lực thông qua dòng điện có sóng vuông và độ dài sóng 2000 μ s có thể tớ i 400 A. Tr ị số

này phù hợ p vớ i các tham số của quá điện áp nội bộ trong lướ i điện áp tớ i 220 kV. Do đó chống sét vantừ còn có khả năng hạn chế phần lớ n các loại quá dòng nội bộ trong lướ i điện này. Ở điện áp 300 và500kV để hạn chế quá điện áp nội bộ cần thông qua dòng điện nhiều hơ n nữa. Các chống sét van từ dùngđể bảo vệ tr ạm của nga kí hiệu là PBMΓ và loại bảo vệ máy điện là PBM đượ c chế tạo ở các cấ p 3, 6,10kV, các đặc tính cho trong bảng 12-2 và 12-3.

Bảng 12.3: Đặc tính của chống sét van từ Điện ápđịnhmức[kV]

Điện áplàm việclớ n nh t

[kV].

Điện áp chọc thủng ở tần số công nghiệ p[kV]

Điện áp chọc thủngxung kích khi thờ igian phóng điện từ 1,5 đến 20μs [kV].

Điện áp dư của chống sétkhi dòng điện xung kíchcó độ dài đầu sóng 10μs,Vớ i các biên độ khônglớ n hơ n.

Khôngnhỏ hơ n

Khônglớ n hơ n

3 [kV] 5[kV]

10[kV]

36

102035

3,87,6

12,725

40,5

7,515254270

9,518305183

9172865

105

917286097

9,5183065

105

11203372

116



177

110150220330500

100138200295420

170235340485660

195270390560760

265370515740

1130

245340475680970

265370515740

1060

295410570820

1170

12.5. VAN CHỐNG SÉT Ô XÍT KIM LOẠI

1 . Cấu tạo và nguyên li hoạt động Chống sét van đã thay đổi một cách cơ bản trong khoảng hơ n 20 năm tr ở lại đây cả về cấu trúc

lẫn nguyên li làm việc. Loại van chống sét có khe hở phóng điện kiểu tấm phẳng và phát triển lên loại cókhe thổi từ và điện tr ở cácbit silic (SiC) mắc nối tiế p đã đượ c thay thế bằng van chống sét không có khehở phóng điện.

Van chống set mớ i không có khe hở phóng điện mà dựa trên điện tr ở ô xít kim loại (MO) có đặc

tính U-I hoàn toàn phi tuyến và có khả năng hấ p thụ năng lượ ng r ất cao. Chúng đượ c biết đến như loạivan chống sét ôxit kim loại (MO).

Van chống sét MO không “phóng điện” do vậy không định ngh ĩ a điện áp phóng điện. Khi điệnáp tăng van chống sét chuyển ngay từ tr ị số điện tr ở lớ n sang điện tr ở nhỏ theo dạng đặc tính U-I như hình 12-8.

Khi điện áp giảm lại tr ị số Uc van chống sét lại duy trì tính dẫn điện kem. Mức bảo vệ của vanchống sét MO đượ c xác định bằng điện áp dư của nó.

Điện áp dư đượ c định ngh ĩ a như giá tr ị đỉnh của điện áp ở đầu cực van chống sét khi có dòngđiện sét chạy qua.

Hình 12-8: Đặc tính dòng đ iện-đ iện áp của đ iện tr ở oxit kim loại

a) Đoạn tuyế n tính d ướ i, b) Điể m nhọn, c) Đoạn phi tuyế n rõ r ệt,d) Đoạn tuyế n tính trên, A- Điể m làm việc có đ iện áp thườ ng xuyên

U

l ogI

b cd

A

a



178

Dòng điện sét có dạng sóng giữa 1/9 μ s và 1/1 μ s thể hiện bướ c sóng quá điện áp và điện áp

dư phối hợ p có khả năng so sánh vớ i điện áp phóng điện ban đầu của chống sét van thông dụng. Sóngxung điện áp 8/20 μ s cho điện áp dư gần tươ ng đươ ng vớ i mức bảo vệ quá điện áp sét. Sóng dòng điện

vớ i thờ i gian sườ n giữa 30 μ s và 100μ s tươ ng ứng điện áp đóng mở . Điện áp dư tươ ng ứng vớ i dạng

sóng này cho mức bảo vệ trong tr ườ ng hợ p có ứng suất đóng mở . Các tr ườ ng hợ p sự cố tr ầm tr ọng, cókhả năng van chống sét bị quá tải. Trong các tr ườ ng hợ p như vậy (ví dụ như điện áp tăng từ một mức tớ imức sau) thì sự cố tr ạm đất một pha xảy ra trong điện tr ở lắ p ghép của van chống sét. Hệ thống thoát ápsuất để đề phòng vỏ sứ bị nổ. Dòng điện sự cố chạm đất của hệ thống tại điểm đặt chống sét van phải nhỏ hơ n dòng điện đảm bảo của thiết bị thoát áp suất của van chống sét. Cấu trúc của van chống sét MO đượ cmô tả như hình 12-9.

2. Ứ ng dụng và cách lự a chọnVan chống sét đượ c sử dụng để bảo vệ thiết bị và tr ạm quan tr ọng (đặc biệt là máy biến áp điện

lực) chống lại quá điện áp khí quyển và quá điện áp đóng mở . Khi thiết k ế và lựa chọn van chống sétthông dụng, cần lưu ý điện áp đánh thủng và điện áp đệm. Ngoài ra van chống sét MO đượ c chọn theocác tiêu chuẩn sau đây:

-Điện áp tần số nguồn tối đa.-Khả năng hấ p thụ năng lượ ng.-Mức bảo vệ.

Có thể đạt đượ c khả năng hấ p thụ năng lượ ng yêu cầu vớ i cùng cấ p bảo vệ bằng cách xế p chồngcác điện tr ở MO song song. Bằng cách gấ p đôi số chồng là có thể có mức bảo vệ thấ p hơ n và khả nănghấ p thụ gần như gấ p đôi. Mức bảo vệ cần thiết đượ c tìm ra nhờ các quy tắc phối hợ p cách điện, trong đócó chia độ (các tỉ số bảo vệ) giữa các mức bảo vệ của van chống sét và điện áp xung định mức của thiết

bị cần bảo vệ đượ c xác định (hình 12-10).Vớ i van chống sét MO, điện áp làm việc liên tục cực đại Us là điện áp tần số nguồn lớ n nhất mà

van chống sét có thể chịu đựng đượ c thườ ng xuyên. Cườ ng độ T của van chống sét chống lại quá điệnáp quá độ UTOV đượ c cho bằng các đặc tính điện áp/thờ i gian ( U TOV= T.UC hoặc UTOV = TR .UR ).

Hệ số T hoặc TR phụ thuộc vào loại van chống sét và có thể tìm đượ c trong tài liệu của nhà chế tạo, UR là điện áp định mức. Theo IEC 99-4 điện áp liên tục của van chống sét phải không đượ c thấ phơ n tr ị số hiệu dụng của điện áp tần số nguồn có thể xảy ta ở đầu cực lâu hơ n 10 phút trong lúc làmviệc. Điện áp này đượ c xác định trên cơ sở điện áp làm việc cao nhất tác động lên lướ i đang xét ở chế



179

độ làm việc bình thườ ng. Nếu số liệu này không đượ c xác định rõ ràng có thể lấy bằng điện áp cao nhấtUm đối vớ i thiết bị (IEC 71-1).a) Van chố ng sét giữ a pha và đấ t

Đối vớ i các hệ thống có tổng tr ở nối đất nhỏ, điện áp liên tục ít nhất bằng 1,05 lần điện áp làm

việc cao nhất chia cho 3 . Đối vớ i các hệ thống có sự cố tr ạm đất đượ c bù hoặc trung tính cách li, điệnáp liên tục có thể lấy ít nhất bằng điện áp làm việc cao nhất.

b) Van chố ng sét giữ a các pha Điện áp liên tục tối thiểu phải bằng 1,05 lần điện áp làm việc cao nhất.

c) Van chố ng sét đ iể m trung tính Đối vớ i các hệ thống có tổng tr ở nối đất thấ p, điện áp liên tục nhận đượ c từ điện áp định mức tạo

nên. Đối vớ i các hệ thống có sự cố tr ạm đất đượ c bù hoặc trung tính cách li, điện áp liên tục tối thiểu cóthể lấy bằng điện áp làm việc lớ n nhất chia cho 3 .

3. Các trị số điển hình của van chống sét vớ i các mứ c điện áp điều chỉnh Vớ i các van chống sét MO không có khe hở phóng điện, điện áp làm việc liên tục Uc phải đượ c

lựa chọn theo hệ số chạm đất Ce= 3. Bảng 12-4 cho thấy các tr ị số điển hình đối vớ i các lướ i tổng tr ở

nối đất nhỏ ( Ce=1,4) và các hệ thống không nối đất ( Ce = 3 ) không có quá điện áp quá độ nào khác.Van chống sét trong lướ i phân phối dướ i 30 kV (ví dụ các máy biến áp lắ p trên cột ) thườ ng

đượ c thiết k ế vớ i dòng điện sét định mức là 5 kA. Van chống sét 10 kA đượ c sử dụng cho các mạngthườ ng có nguy cơ bị sét đánh.

Dòng điện sét định mức 10 kA cần phải luôn luôn đượ c lựa chọn cho van chống sét tr ướ c đườ ngcáp. Van chống sét dùng cho các điện áp trên 30 kV luôn có dòng điện sét định mức là 10 kA. Vanchống sét đượ c đặt song song vớ i đối tượ ng đượ c bảo vệ thườ ng giữa pha và đất. Vì vùng bảo vệ trong

không gian bị giớ i hạn, các van chống sét phải đượ c nối càng gần bộ phận bảo vệ càng tốt . Các số liệugần đúng đối vớ i vùng bảo vệ đượ c cho trong bảng 12-4.

Bảng 12.4: chọn van chống sét MO vớ i điện áp định mứ c Ur (không xảy ra quá điện áp quá độ khác)

Điện áp hệ thống địnhmức Un,

kV

Van chống sét pha

Ur vớ i Ce= 1,4 Ur vớ i Ce= 3

Van chống sét trung tính

Ur vớ i Ce=1,4 Ur vớ i Ce= 3

Hình 12-10 Phố i hợ p cách đ iện cho

l ướ i t ổ ng nố i đấ t thấ p. (c E = 1,4) trong

khoảng C (U m ≥ 300Kv theo IEC 71-1

t ươ ng ứ ng vớ i giá tr ị đỉ nh của đ iện áp

pha -đấ t.U rs -đ iện áp chịu xung sét định mứ c .

U rB -đ iện áp chịu xung đ óng mở định mứ c.

a: đ iện áp pha đấ t t ần số nguồn max.c E hệ số sự cố tr ạm đấ t,b: đ iện áp pha đấ t t ần số nguồn max vớ i sự cố chạm đấ t ở pha

bên cạnh, d: quá đ iện áp ( đượ c hạn chế bằ ng

van chố ng sét đế n U p ).U p mứ c bảo vệ của van chố ng sét

C B giớ i hạn an toàn vớ i đ iện áp xung sét

C S giớ i hạn an toàn vớ i xung đ óng mở

CEa

b

1

2

3

4

u

ur B

ur s

d

Cs

CB

Up



180

kV kV kV kV6102030

66110138220345380500

6 912 1521 3030 45

60 9096 150

120 -192 -276 -330 -420 -

- -- -- -- -

- -72 9084 -90 -

132 -150 -192 -

Hiện nay hãng ABB có chươ ng trình truyền sóng để nghiên cứu các thiết bị đóng cắt lớ n có khả năngtính toán các thay đổi theo thờ i gian của điện áp ở các vị trí thích hợ p trong tr ạm.

Vùng bảo vệ của van chố ng sét - các tr ị số chuẩ n

Điện áp cực đại của Vùng đượ c bảo vệ Chiều dài dẫn đến vanthiết bị Um [ kV] Lmax [m] chống sét a[ m]

<= 36 8 2123 15 5245 20 10420 20 15Trong các tr ạm trung gian và cao áp có các đườ ng cáp vào cần tính đến quá điện áp phản xạ

không k ể sự hạn chế của sóng truyền trong cáp.Vớ i đoạn cáp ngắn ( LK <= 5m) , van chống sét A1 phải đặt để bảo vệ cáp và van chống sét A3

để bảo vệ máy biến áp ( xem hình 12-11). Tuy nhiên khi nếu LK > 5m cáp phải đượ c bảo vệ cả hai phía bằng van A1 và A2.

Trong tr ườ ng hợ p này nếu khoảng cách do van A2 bảo vệ lớ n hơ n L1 thì van A3 bảo vệ máy biếnáp có thể không cần thiết. Bộ đếm sét có thể đượ c sử dụng để giám sát van chống sét. Chúng đượ c nốivào dây nối đất của van chống sét , van chống sét phải đượ c cách điện vớ i đất.

12.6. CHỐNG SÉT VariSTAR UItraSIL

1. Giớ i thiệu chungThế hệ chống sét loại mớ i UItraSIL của hãng Cooper Power System đã hoàn thiện những ưu

điểm của công nghệ chống sét có vỏ bọc bằng polymer đó là kích thướ c và tr ọng lượ ng giảm nhỏ, cùngvớ i độ an toàn đượ c nâng cao. Chống sét UItraSIL sử dụng loại vật liệu ưu việt hiện nay đượ c chấ p nhậnr ộng rãi trong công nghiệ p là cao su cone làm vỏ bọc. Việc dùng các đĩ a MOV (điện tr ở phi tuyến oxidk ẽm) vớ i các đặc tính điện học cao cấ p làm cho chống sét loại UItraSIL có khả năng bảo vệ quá điện áphơ n hẳn cho các lướ i phân phối. Các đĩ a MOV chế tạo đều phải qua các kiểm tra chất lượ ng nghiêm ngặttừ khâu bắt đầu cho đến khâu hoàn tất trong dây chuyền sản xuất. Mỗi đĩ a MOV sau khi đượ c sản xuất

Hình 12-11: Bảo vệ quá đ iện áp vớ i cáp d ẫ n đế n máy ng ắ t

Lk L1

A 1 A 2 A 3



181

đều phải qua một loạt các thử nghiệm điện học nhằm bảo đảm cho đĩ a có đượ c chất lượ ng cao nhất. Nhờ vậy, các đĩ a MOV này có đượ c độ tin cậy r ất cao trong chức năng bảo vệ khi làm việc ngay cả sau nhiềunăm sử dụng.

Chống sét UIt raSIL có các loại 5kA và 10kA, cấ p 1 theo tiêu chuẩn IEC-99-4.

2. Cấu tạo Chống sét UIt raSIL gồm một chồng các đĩ a MOV vớ i hai điện cực ở hai đầu. Toàn bộ các đĩ a đượ c bọckeo epoxy gia cườ ng bằng sợ i thủy tinh trong một qui trình sản xuất hoàn toàn tự động hóa. Sau khi đượ cgia nhiệt để thành một khối lượ ng vững chắc về mặt cơ học có thể chịu đựng các ứng suất điện học, cơ học, trong các điều kiện môi tr ườ ng khắt khe. Lớ p vỏ bọc sau đó đượ c lắ p vào và k ết dính chặt vớ i khốicác đĩ a MOV tạo thành một thể chắc chắn có độ bền điện cao. Sau khi lắ p ráp, mỗi chống sét đều phải tr ảiqua một loạt các thử nghiệm hầu bảo đảm khả năng làm việc cao nhất.

Vỏ bọc cao su Silicone đã phải tr ải qua r ất nhiều thử nghiệm khi thiết k ế nhằm xác định hìnhdáng tối ưu các tai. Đặc đ iể m

Ngoài ra các thí nghiệm trong thờ i gian dài trong các điều kiện môi tr ườ ng khác nhau cũngchứng tỏ tính ưu việt của cao su silicone UItraSIL về độ bền, nếu so vớ i các vật liệu polimer khác. Các thínghiệm tiến hành ở các phòng thí nghiệm độc lậ p đã xác nhận tính hơ n hẳn của vật liệu silicone về cácmặt chống bám nướ c, khả năng chịu tia tử ngoại cũng như khả năng chống phóng điện bề mặt trong các

môi tr ườ ng ô nhiễm, tính tr ơ đối vớ i các hóa chất, tính ổn định nhiệt và nhiều đặc tính cách điện cơ bảnkhác.

Cao su silicone còn có khả năng kháng sự sinh sôi của nấm mốc, và không bắt cháy. Khi dòng sự cố là 20 kA hay lớ n hơ n, bộ phận cách li (tùy chọn) sẽ hoạt động và cách li phần đầu nối đất của chốngsét. Nhờ vậy tránh sự cố v ĩ nh viễn tr ườ ng hợ p chống sét bị ngắn mạch bên trong, mặt khác sẽ dễ dàng phát hiện và thay thế chống sét bị sự cố.



182

Bảng 12.5: Một số loại chống sét VariSTAR

Loại chống sét UNS UHS- Điện thế hệ thống- Điện thế định mức của chống sét

- Tần số hệ thống- Tiêu chuẩn thiết k ế và thử nghiệm- Dòng phóng điện định mức- Cấ p phóng điện- Mức chịu đựng dòng cao- Cấ p xả áp lực

3 - 36 kV3 - 36 kV

50 - 60 HzIEC 99 - 45 kA-65 kA20 kA (hiệu dụng đốixứng) (B)

3 - 72 kV3 - 60 kV

50 - 60 HzIEC 99 - 410 kA1100 kA20 kA (hiệu dụng đốixứng) (B)

3. Hoạt độngChống sét UItraSIL có hoạt động giống như các chống sét không khe hở khác. Trong điều kiện

xác lậ p, điện áp trên chống sét là điện áp pha của lướ i điện. Khi có quá điện áp, lậ p tức chống sét giớ i hạnquá điện áp ở mức bảo vệ cần thiết bằng cách dẫn dòng xung xuống đất. Khi tình tr ạng quá điện áp đã quar ồi, chống sét quay tr ở về tình tr ạng cách điện như tr ướ c, và chỉ dẫn dòng rò r ất nhỏ.

4. Các lư u ý chung để lự a chọn chống sétĐịnh mức của chống sét là giá tr ị điện áp pha ở tần số công nghiệ p lớ n nhất mà chống sét đượ c

thiết k ế và thử nghiệm theo tiêu chuẩn IEC. Bảng 12.5 hướ ng dẫn chung để lựa chọn tr ị định mức chốngsét thích hợ p vớ i điện áp của hệ thống đã cho.

Chống sét không khe hở phải đượ c lựa chọn đầy đủ vớ i các phụ kiện, chịu đựng đượ c điện áp pha ở tần số công nghiệ p trong tất cả các điều kiện vận hành của hệ thống. Điện thế làm việc liên t ục

Chọn sơ bộ trên cơ sở là "Điện áp làm việc liên tục của chống sét MCOV có Uc bằng hoặc lớ nhơ n điện áp pha lớ n nhất của hệ thống".Quá đ iện áp t ần số công nghiệ p (quá đ iện áp nội bộ )

Tiêu chuẩn thứ 2 để lựa chọn chống sét dựa vào mức độ nối đất của hệ thống. Khi có sự cố một pha chạm đất, trong điều kiện điện áp hệ thống có giá tr ị lớ n nhất, điện áp định mức của chống sét đượ cchọn phải lớ n hơ n điện áp tăng cao trên các pha không chạm đất. Cần lưu tâm đặc biệt đến các hệ thốngcó hệ số nối đất kém, hệ thống không nối đất, hệ thống nối đất kiểu cộng hưở ng hoặc đối vớ i các hệ thống

có các điều kiện làm việc không bình thườ ng nhất định. Tuy vậy, tùy theo điều kiện làm việc cụ thể củahệ thống mà có thể lựa chọn điện áp định mức của chống sét một cách thích hợ p miễn là không vi phạmkhả năng chịu đựng quá điện áp tạm thờ i của chống sét. Các sự cố trên lướ i điện có thể gây ra các quáđiện áp tạm thờ i tần số công nghiệ p vớ i giá tr ị vượ t quá mức điện áp làm việc liên tục MCOV hoặc ngaycả điện áp định mức chống sét có thể chịu đựng. Khi đó cần quan tâm đến mức quá điện áp (so vớ i thờ igian bảo vệ dự tr ữ của hệ thống), cũng như mức năng lượ ng của dòng phóng điện. So vớ i hệ thống cho phép làm việc khi có chạm đất một pha trong thờ i gian quá 10000 giây, cần dùng chống sét có điện ápđịnh mức làm việc liên tục bằng vớ i điện áp dây của hệ thống.

Bảng 12.6: Lự a chọn điện áp định mứ c của chống sét VariSTAR Điện áp của hệ thống (kV) Định mức của chống sét (kV)

Định mức Lớ n nhấtHệ thống 3 pha4 dây nối Y

trung tính nốiđất lặ p lại

Hệ thống 3 pha 3dây nối Y trung

tính nối đất tr ựctiế p tại nguồn

Hệ thống 3 pha nối Δ không nối đất hay nối Y

nhưng trung tính nối đấtqua điện kháng

3.3 3.7 3 6 66.6 7.3 6 9 9

10.0 11.5 9 12 12-1511.0 12.0 9-10 12 12-1516.4 18.0 15 - 18-2122.0 24.0 18-21 24 24-27



183

33.0 36.3 27-30 36 36-3947.0 52.0 39-48 54 6066.0 72.0 54-60 60 -

Trong một số các điều kiện làm việc đặc biệt của hệ thống như khi đóng điện máy biến áp vớ imột số kiểu đấu dây nhất định và hiện tượ ng cộng hưở ng có thể xảy ra, các chống sét lúc ấy sẽ chịu các

quá điện áp. Sau đây là bảng lựa chọn chống sét của Cooper Power Systrems áp dụng cho từng hệ thốngriêng lẻ.

5. Các đặc tính thử nghiệmChống sét VariSTAR UItraSIL đượ c thiết k ế và thử nghiệm theo tiêu chuẩn IEC 99-4.

Thử nghiệm chu k ỳ làm việcĐối vớ i chống sét UNS: 20 lần dòng xung 5 kA, dạng sóng 8/20 μs, sau đó là hai lần dòng xung

cao 65 kA đỉnh (dạng sóng 4/10 μs).Đối vớ i chống sét UNS: 20 lần dòng xung 10 kA dạng sóng 8/20 μs, sau đó là hai lần dòng xung

cao 100 kA đỉnh (dạng sóng 4/10 μs). Kiể m tra khả năng chịu đự ng dòng xung trong thờ i gian dài

Đối vớ i chống sét UNS: 18 lần dòng xung 75 kA trong thờ i gian 1000 μs.Đối vớ i chống sét UHS: 18 lần dòng xung ở mức năng lượ ng phóng theo tiêu chuẩn IEC cấ p 1

(xấ p x

ỉ250A, 2000 μs). Sau m

ỗi th

ửnghi

ệm, các ch

ống sét v

ẫnở

tr ạng thái

ổnđị

nh nhiệt nh

ờ các ki

ểmtra sau:

• Dòng rò có giá tr ị giảm liên tục trong vòng 30 phút khi chống sét đượ c phóng điện ở điện ápUc.

• Không có biểu hiện suy giảm về mặt cấu tạo hay về các đặc tính điện học.• Điện áp phóng điện ở 5kA hay 10kA đượ c đo lườ ng sau mỗi lần thử nghiệm thay đổi ít hơ n

5% so vớ i giá tr ị ban đầu.Tất cả các thử nghiệm đều đượ c thực hiện trong các phòng thí nghiệm độc lậ p, theo tiêu chuẩn

IEC - 99-4. Kiể m tra khả năng chịu đự ng dòng ng ắ n mạch

Các thử nghiệm này sẽ chứng minh khả năng chịu đựng dòng sự cố mà không bị nổ chống sét.Tất cả các vỏ bọc chống sét UItraSIL đều đượ c kiểm tra phù hợ p vớ i các yêu cầu đượ c liệt kê trong IEC -99 - 4/IEC - 99 - 1 và là loại không nổ.

Bảng 12.7: Kiểm tra khả năng chịu đự ng áp suất

Loại chống sét Cấ p chịu đựng áp lực theoIEC

Biên độ dòng sự cố (kA) Thờ i gian nhỏ nhất tồn tạisự cố (giây)

UNS/UHS B 0,820

0,502

Khả năng quá đ iện áp t ạm thờ i (TOV)Khả năng chịu đựng quá điện áp tạm thờ i ở tần số 60Hz đượ c cho theo đồ thị.Dựa vào đồ thị tính đượ c thờ i gian mà chống sét có thể chịu quá điện áp (tính bằng đơ n vị tươ ng

đối vớ i cơ sở là MCOV của chống sét) mà không bị hư hỏng.Các đặc tính bảo vệ

Chống sét UitraSIL VariSTAR có khả năng bảo vệ quá điện áp một cách hiệu quả cho các thiết bị điện trung thế.

Các đặc tính bảo vệ của họ chống sét UltraSIL cho trên bảng 12-8 và 12-9.

Bảng 12.8: Các đặc tính bảo vệ - VariSTAR UNS, IN= 5 kA (IEC - 94-4)Địnhmức

MCOV Điện ápdư do

Điện áp dư khi có xung sét dạng sóng 8/20μs (kV)

CS (kV) (kV) Xung cóđộ dốc

lớ n

1,5 kA 3 kA 5 kA 10 kA 20 kA 40 kA



184

3691012

1518212427303336

2.555.17.658.410.2

12.715.31719.522.024.427.029.0

10.921.831.432.741.1

51.361.665.476.386.396.2107.0115.0

9.017.925.826.933.8

42.250.653.762.771.079.187.894.7

9.719.428.029.136.5

45.754.858.267.876.885.695.1103.0

10.42.083031.239.2

49.058.562.472.882.491.8102.0110.0

11.422.732.834.142.9

53.664.368.279.690.1100.0112.0120.0

13.026.037.438.948.9

61.173.477.990.8103.0115.0127.0137.0

15.130.243.545.356.9

71.185.390.6106.0120.0133.0148.0160.0

Bảng 12-9: Các đặc tính bảo vệ - VariSTAR UHS, IN =10 kA (IEC-99-4)ĐịnhmứcCS(kV)

MCOV(kV)

Điện ápdư doxungcó đô

dốc lớ n

Điện áp dư khi có xung sét dạng sóng 8/20 μs (kV) Điện áp dư doxung đóng cắtđườ ng dây dạngsóng 30/60 μs

(kV)1,5kA 3 kA 5 kA 10 kA 20 kA 40 kA 125 A 500 A

369101215182124273033

36394245485460

2.555.107.658.4010.212.715.317.019.522.024.427.0

29.031.534.036.539.042.048.0

11.322.632.633.942.653.263.967.879.189.599.7110.8

119.5130.3141.2152.1162.9176.0197.7

8.617.224.825.832.440.448.551.560.168.075.884.2

90.899.1107.0116.0124.0134.0150.0

9.118.226.327.434.443.051.654.763.972.380.589.5

96.5105.0114.0123.0132.0142.0160.0

9.118.226.327.434.443.051.654.763.972.380.589.5

96.5105.0114.0123.0132.0142.0167.0

10.420.830.031.239.249.058.862.472.882.491.8102.0

110.0120.0130.0140.0150.0162.0182.0

11.523.033.234.543.354.265.069.080.591.1101.0113.0

122.0133.0144.0155.0166.0179.0201.0

13.025.937.438.948.861.073.277.790.7103.0114.0127.0

137.0149.0162.0174.0187.0202.0227.0

7.414.821.422.227.934.941.944.451.958.765.472.7

78.485.592.699.7107.0115.0130.0

7.915.922.923.829.937.444.847.655.562.870.077.8

83.991.599.1107.0114.0124.0139.0

Chươ ng 13. KHÁNG ĐIỆN

13.1. KHÁI NIỆM CHUNG1. Khái niệm

Kháng điện là một cuộn dây điện cảm có điện kháng không đổi (không có lõi thép L>>R), dùngđể hạn chế dòng ngắn mạch đồng thờ i duy trì một tr ị số điện áp ở mức nhất định khi có sự cố ngắn mạchxảy ra.



185

Để điện kháng không đổi thì cuộn dây phải không có lõi thép, vì khi có lõi thép thì nếu ngắnmạch xảy ra dòng tăng làm lõi thép bão hòa k ết quả điện kháng sẽ giảm không hạn chế đượ c dòng ngắnmạch (Inm).

Tham số cơ bản của điện kháng đượ c tính làXK % tươ ng ứng điện áp vớ i UΔ % (bỏ qua điện áp trên

điện tr ở ), sụt áp pha: ].V[I.XU âmK ph =Δ Kháng điện đượ c chọn theo điện áp định mức,

dòng điện định mức và XK %, kiểm tra ổn định động vàổn định nhiệt.

2. Yêu cầu của kháng điệna) Quá đ iện áp không đượ c phát sinh đánh thủng cáchđiện giữa các vòng dây và cách điện đối vớ i đất. Khôngđượ c phát sinh phóng điện cục bộ trên bề mặt của khángđiện.b) Kháng đ iện phải có đủ độ bề n nhiệt và đ iện động.

c) T ổ n hao công suấ t trong kháng đ iện phải ít nhấ t (tổnhao không đượ c gây phát nóng kháng điện quá mức cho phép).

13.2. LỰ A CHỌN VÀ KIỂM TRA KHÁNG ĐIỆN

1. Lự a chọn kháng điện Lựa chọn kháng điện theo điện áp, dòng điện và giá tr ị XK % cần phối hợ p vớ i máy ngắt điện đã

đặt trong mạch của nó, có ngh ĩ a là xuất phát từ điều kiện ngắn mạch sau kháng điện, dòng siêu quá độ không vượ t quá dòng điện cắt định mức của máy ngắt điện.

Ví du hình 13-1: ngắn mạch tại điểm N, điện kháng tổng của hệ thống từ nguồn đến nơ i sự cố tại N là:

càõtMCÂ

cbK HT I

IXXX =+=

∑(13.1)

- Icb: Dòng điện cơ bản.

- XHT: Điện kháng hệ thống tính đến thanh cái tr ướ c kháng điện.- XK : Điện kháng của kháng điện cần tìm. XK tính theo % ứng vớ i điều kiện dòng, áp định mức

như sau:

( )âmK bc

âmmaûngâmK

HTHttK .UI

.UIXXX −=

∑(13.2)

Trong đó: IđmK : dòng định mức của kháng điệnUđmK : điện áp định mức của kháng điện.Uđmmang: điện áp trung bình định mức nơ i đặt kháng điện.

Từ (13-2) ta tra bảng có sẵn chọn XK ≥XKtt.Chú ý: nếu biết tiết diện cáp nhỏ nhất sau kháng điện thì khi tính XK % cũng tiến hành tươ ng tự như trên. Nhớ r ằng lúc xác định XΣ đáng lẽ dùng dòng cắt định mức IcắtMCĐ công thức (13-1) thì phải thay bằngdòng ổn định nhiệt của cáp tươ ng ứng Iôđ .



186

2. Kiểm tra kháng điện

Sau khi chọn kháng điện ta phải tính tổn hao điện áptrong tình tr ạng làm việc bình thườ ng và điện áp dư trên thanhcái khi ngắn mạch sau kháng điện. Tổn thất điện áp trong tình

tr ạng làm việc lâu dài đối vớ i kháng điện đơ n đượ c xác định như sau:

%sin.I

IX%uhaysin.XIu

âmK

lvK K lvpha ϕ=Δα=Δ .

Vớ i: Ilv dòng làm việc của nhánh ⇒ coi như chỉ có điện kháng

nên sinα =1âmK

NK dæ I

I%X%Ucoï = . Vớ i I N: dòng ngắn mạch khi

sự cố sau kháng điện. Nếu điện áp thấ p hơ n điện áp dư cho phépUdưCP bằng 0,6Uđm thì phải tính lại điện kháng của kháng điệnnhư sau:

( ) âmK cbdæCP

âmmaûngâmK HTdæCP

K(âm) .UIU1

.U.I.XU*X

−= (13.3)

Vớ i:XHT: tổng điện kháng tươ ng đối cơ bản tính đến tr ướ c

điểm mắc điện kháng.Uđmmạng: điện áp định mức của cấ p điện áp xảy ra ngắn

mạch.X*K(đm): điện kháng tươ ng đối của kháng điện quy về điều kiện định mức.

Chuyển thành kháng điện phần tr ăm.100*X%X K(âm)K =

từ đây chọn điện kháng tiêu chuẩn.+Kháng điện đượ c xem là đảm bảo ổn định nếu thỏa mãn điều kiện:

Iôđđ≥ IXK (13.4)Vớ i Iôđđ: dòng ổn định động (dòng lớ n nhất có thể đi qua điện kháng mà không gây ra một sự biến dạngnào của cuộn dây).

+ Điều kiện ổn định nhiệt :gtäânäân t.ItI

∞≥ (13.5)

Mức ổn định nhiệt của kháng điện r ất cao, việc kiểm tra ổn định nhiệt chỉ cần thiết vớ i kháng điện nhỏ vàthờ i gian tồn tại ngắn mạch lớ n.

tgt: thờ i gian tồn tại ngắn mạch.I∝: dòng ngắn mạch ổn định (xác lậ p).

Ngoài kháng điện đơ n, kháng điện hai đầu còn có kháng điện kép ba đầu, ngoài thành phần điện cảmcòn có hỗ cảm (khi làm việc bình thườ ng hai cuộn cùng làm việc thì điện kháng kép nhỏ hơ n nhiều khángđiện đơ n đó là ưu việt hơ n của kháng điện kép, ở chế độ ngắn mạch tác dụng hạn chế ngang nhau. Tuynhiên kháng điện đơ n r ẻ hơ n kháng điện kép, và thườ ng dùng khi số đườ ng dây ít hơ n).

Hình 13-2: Kháng đ iện kép

a) Khi làm việc bình thườ ng;

b) Khi ng ắ n mạch một đườ ng dây

I1

I1

a)

I

I2

I2

I

I

b)



187

Hình 13-3: Các cách nố i kháng đ iện thông d ụng nhấ t: a)nố i đườ ng dây nguồn cung

cấ p;b)nố i đườ ng dây đ i ra; c)nố i phân đ oạn thanh góp

Hình 13-4: Đặt kháng đ iện hạn

chế dòng đ iện đỉ nh:Dn -đườ ng kính

trung bình của kháng đ iện,a-khoảng

cách giữ a đườ ng tâm kháng đ iện

và bộ phận kim loại:1.T ườ ng cố t thép;2.Thanh cố t thép(kích thướ c trên theo mm)

≅

MC

Kháng

N

HT

~

a

b cd



188

Chươ ng 14. BIẾN ÁP ĐO LƯỜ NG

14.1. BIẾN ĐIỆN ÁP (BU)

1. Chứ c năng và các thông số chính của BUBiến điện áp đo lườ ng dùng để biến đổi điện áp từ tr ị số lớ n xuống tr ị số thích hợ p (100V hay

100/ 3 V) để cung cấ p cho các dụng cụ đo lườ ng, r ơ le và tự động hóa. Như vậy các dụng cụ thứ cấ pđượ c tách khỏi mạch điện cao áp nên r ất an toàn cho ngườ i. Cũng vì an toàn, một trong những đầu ra củacuộn dây thứ cấ p phải đượ c nối đất. Các dụng cụ phía thứ cấ p của BU có điện tr ở r ất lớ n nên có thể coiBU làm việc ở chế độ không tải.

BU bao gồm các thông số chính như sau:a) H ệ số biế n đổ i định mứ c

âm2

âm1âm U

UK =

Trong đó: U1đm , U2đm là các điện áp địnhmức sơ cấ p và thứ cấ p. Điện áp sơ cấ p đolườ ng đượ c nhờ BU qua điện áp thứ cấ pgần đúng bằng:U1 ≈ U2.K đm .b) Sai số của biế n đ iện áp

Xét BU một pha có sơ đồ thay thế hình 14-1a, trong đó:

z1 = r 1 + jx1 : tổng tr ở cuộn sơ cấ p.z2 = r 2’ + jx2’ : tổng tr ở cuộn thứ

cấ p đã qui đổi về sơ cấ p.z’ = r’ + jx’ : tổng tr ở phụ tải đã

qui đổi về sơ cấ p;z0 = r 0 + jx0 - tổng tr ở mạch từ.Theo sơ đồ thay thế dựng đượ c đồ

thị véctơ các dòng áp (Hình 14-1b).Trên hình 14-2b, các véctơ U’2 và

E’2 cũng như I’2 là các véctơ điện áp vàdòng điện đã qui đổi về phía sơ cấ p. Quađồ thị véctơ thấy r ằng, điện áp thứ cấ p đãtăng lên K đm lần (tức U’2), sai khác vớ iđiện áp sơ cấ p U1 cả về pha lẫn tr ị số. Đóchính là do tổn thất trong BU gây nên.Sai số của BU đượ c xác định như sau.

Sai số tr ị số:

100.U

UU.K %U

1

12âm −=Δ

Sai số góc δu(góc lệch giữa U’2 và U1).Căn cứ vào đồ thị véctơ hình 14-1b có thể xây dựng đượ c biểu thức sai số điện áp và sai số góc của nó. Theo đồ thị có thế viết đượ c:

,OC

AB

OC

OCOAU ≈

−=Δ

vàOCBC

sin uu =δ≈δ

a)

b)

Hình 14-1. Biến đ iện áp một phaa) S ơ đồ thay thế; b) Đồ thị véctơ

1U

1I

2U

x r x' r2I

x'

r

0I

x r2E'

1U

2U 2I'

0I' Φ

I 0rI 0x1

j I ’ 2( r 1+r ’ 2)

j I ’ 2( x1+x’ 2)

δu

C B

A



189

Tóm lại AB và BC xác định sai số tr ị số và sai số góc của biến điện áp đồng thờ i xét phần thực và phần ảo của véc tơ AC. Ta có:

)]'zz('IzI[)UU(ACCA 21210'21

++−=−−=−=

Biến đổi biểu thức trên, tách phần thực và ảo sẽ có:

,U

)'xx('I)'rr('IxIrI

,U

)'xx('I)'rr('IxIrIU

1

21a221a21a01oru

1

21r221a21r01oa

+−++−=δ

+++++−=Δ

trong đó oí oa0 I jII += và r2a22 'I j'I'I +=

Ta thấy r ằng sai số của biến điện áp làmột hàm số phụ thuộc vào nhiều thông số.Dòng I0 phụ thuộc vào mạch từ, nên để giảm saisố cần dùng thép k ĩ thuật điện tốt để làm mạchtừ. Dòng I2 phụ thuộc vào tải thứ cấ p, vậy côngsuất các dụng cụ phía thứ cấ p không đượ c vượ t

quá công suất định mức của biến điện áp (S pt ≤ SđmBU ). Tổng tr ở Z1 và Z2 phụ thuộc vào cấutạo cuộn dây sơ cấ p và thứ cấ p của biến điện áp.Để giảm sai số ngườ i ta chọn mật độ dòng trongcác cuộn dây của BU nhỏ hơ n so vớ i trong máy biến áp điện lực.c). C ấ p chính xác của biế n đ iện áp

Căn cứ và sai số của BU mà ngườ i ta đặttên cho cấ p chính xác cho chúng. Cấ p chính xáccủa BU là sai số điện áp lớ n nhất khi nó làmviệc trong các điều kiện : tần số 50Hz, điện ápsơ cấ p biến thiên trong khoảng U1 = (0,9 ÷ 1,1)U1đm, còn phụ tải thứ cấ p thay đổi trong giớ ihạn từ 0,25 đến định mức và cosϕ = 0,8. Biến

điện áp đượ c chế tạo vớ i các cấ p chính xác 0,2;0,5; 1 và 3.BU cấ p chính xác 0,2 dùng cho cácđồng hồ mẫu trong phòng thí nghiệm; cấ p 0,5dùng cho công tơ điện, còn cấ p 1 và 3 dùng chocác đồng hồ để bảng. Riêng đối vớ i r ơ le, tùytheo yêu cầu của từng loại bảo vệ mà cấ p chính xáccủa BU cho thích hợ p.

2. Phân loại và cấu tạobiến điện áp

Biến điện áp đượ c phân thành hai loại: khôvà dầu. Mỗi loại lại có thể

phân theo số lượ ng pha: biến điện áp một pha và 3 pha.

Biến điện áp khô chỉ dùng cho TBPP trong nhà.Biến điện áp khô một phadùng cho cấ p điện áp 6kVtr ở lại, còn biến điện áp



190

khô ba pha dùng cho điện áp đến 500V.Theo kí hiệu của Liên xô cũ: HOC : biến điện áp khô một pha và HTC: biến điện áp khô 3 pha. Biến

điện áp dầu đượ c chế tạo vớ i điện áp 3kV tr ở lên và dùng cho TBPP cả trong và nhà và lẫn ngoài tr ờ i.Trên hình 14-2 trình bày biến điện áp dầu một pha điện áp 35kV tr ở lại. Liên xô chế tạo biến điện áp dầumột pha loại HOM. Biến điện áp dầu ba pha năm tr ụ (hình 14-3) đượ c chế tạo vớ i điện áp 3 ÷ 20kV. Nó

gồm một mạch từ năm tr ụ (trong đó có ba tr ụ có dây quấn, còn hai tr ụ bên không dây quấn để cho từ thông thứ tự không chạy qua) và hai cuộn dây thứ cấ p nối hình sao và hình tam giác hở . Cuộn dây nốihình sao abc cung cấ p cho các dụng cụ đo lườ ng, r ơ le và kiểm tra cách điện. Cuộn dây nối tam giáchở a1-x1 nối vớ i r ơ le điện áp để cho tín hiệu khi có một pha chạm đất trong lướ i cao áp. Bình thườ ng Udll = Ua + U b + Uc = 0. Khi một điểm chạm đất trong lướ i cao áp, điện áp Udll = 3U0, trong đó U0 - điện ápthứ tự không, do đó r ơ le tác động báo tín hiệu chạm đất.

Đối vớ i điện áp 110kV tr ở lên, để giảm bớ t kích thướ c và làm nhẹ cách điện của biến điận áp ngườ i tadùng biến điện áp kiểu phân cấ p (hình 14-4). Biến điện áp kiểu phân cấ p bao gồm nhiều tầng lõi từ xế pchồng lên nhau, mà cuộn dây sơ cấ p phân bố đều trên các lõi, còn cuộn dây thứ cấ p chỉ ở trên lõi từ cuốicùng. Số tầng lõi từ phụ thuộc vào điện áp định mức 110kV có hai tầng, còn 220kV tr ở lên thì số tầngnhiều hơ n.

Đối vớ i điện áp 500kV và cao hơ n ngườ i ta phân chia điện áp bằng tụ để lấy một phần điện áp cao r ồimớ i đưa vào biến điện áp (hình 14-5). Điện áp lấy trên C2 bằng khoảng 10-15kV, sau đó nhờ biến điện ápmột pha hạ xuống điện áp thích hợ p cho đo lườ ng, r ơ le và tự động hóa. Để điện áp thứ cấ p U2 không thay

đổi theo phụ tải cần đặt thêm điện kháng P và bộ chống nhiễu N.a) Sơ đồ nối dây của biến điện áp. b) Hai biến điện áp (hình 14-6).Sơ đồ BU chỉ cho phép đo điện

áp dây (UAB, UBC) mà không đo đượ cđiện áp pha. Sơ đồ này dùng r ộng rãicho lướ i có dòng chạm đất nhỏ và khi phụ tải là là Óat k ế và công tơ .

c) Biến điện áp ba pha năm tr ụ (Y0/Y0/Δ) đã nêu công dụng khi mô tả cấu tạo ở trên.

d) Biến điện áp ba pha ba tr ụ nối Y/Y:Dùng cho lướ i có dòng chạm đất bé để

cung cấ p cho các dụng cụ đo lườ ngđiện áp dây không đòi hỏi cấ p chínhxác cao.

14.2. BIẾN DÒNG ĐIỆN (BI)

1. Công dụng và các thông số chínhcủa BI

Biến dòng điện dùng để biến đổi dòngtừ tr ị số lớ n hơ n xuống tr ị số thích hợ p(thườ ng là 5A, tr ườ ng hợ p đặc biệt là 1Ahay 10A) vớ i các dụng cụ đo và r ơ le, tự động hóa.

Cuộn dây sơ cấ p của biến dòng có số vòng r ất nhỏ, có khi chỉ một vài vòng, còncuộn thứ cấ p có số vòng nhiều hơ n và luônđượ c nối đất đề phòng khi cách điện giữasơ và thứ cấ p bị chọc thủng thì khôngnguy hiểm cho dụng cụ phía thứ cấ p vàngườ i phục vụ. Phụ tải thứ cấ p của biếndòng điện r ất nhỏ vì vậy có thể coi biến

C1

P

N BU

U1 U2

Usc

Hình 14-5

:bộph

ận chiađ iện áp bằng tụ

A B C

a

b

c

a

xa

xc

A

XA

Xc

Hình 14-6 :S ơ đ nối hai biến đ iện áp



191

dòng luôn làm việc ở tr ạng thái ngắn mạch. Trong tr ườ ng hợ p không có tải phải nối đất cuộn thứ cấ p để tránh quá điện áp cho nó.

Biến dòng điện bao gồm các thông số chính sau.a) H ệ số biế n đổ i định mứ c

,I

I

K âm2

âm1

âm = trong đó I1đm và I2đm là dòng định mức sơ và thứ cấ p tươ ng ứng. Dòng sơ cấ p đượ c đo

gần đúng nhờ BI: I1 ≈ K đmI2 : dòng đo đượ c ở phía thứ cấ p.b) Sai số của biế n dòng

Sơ đồ thay thế của biến dòng cho trên hình 14-7a. Theo sơ đồ thay thế có thể dựng đượ c đồ thị véctơ của BI (hình 14-7b).

Trên (hình 14-7b) thấy r ằng dòng thứ cấ p tăng K đm lần (tức là I’2) sai khác vớ i dòng sơ cấ p I1 cả về pha lẫn tr ị số. Sai số của biến dòng gồm hai thành phần: sai số dòng và sai số góc.

Sai số dòng:

100.I

II.K %I

1

12âm −=Δ (2-51)

Sai số góc δ1 - góc lệch pha giữa I’2 và I1 Căn cứ vào đồ thị véctơ có thể xây dựng đượ c biểu thức sai số. Ta có:

),(SinII

OACB

OAOAOCI

1

0 ψ+α=≈−

=Δ

và ).(SinI

I

OAAB

sin1

011 ψ+α==δ≈δ

Vậy:

).cos(I

I

)sin(I

II

1

01

1

0

ψ+α=δ

ψ+α=Δ

Hình 14-7 :S ơ đồ biế n dòng:a)S ơ đồ thay thế ,b) Đồ thi véc t ơ

Từ biểu thức trên ta thấy r ằng sai số phụ thuộc vào tỉ số I0/I1, phụ tải thứ cấ p và góc α. Để giảm sai số của biến dòng ngườ i ta dùng thép k ĩ thuật điện tốt cho mạch từ và tăng số vòng dây thứ cấ p.

1I

2U

x1 r 1 x'2 r'22I

x'

r'

0I

x0 r 02E'

a)

I'2x’2

I'2x’E’2 U’2

I’2r’2

I’2r’

Ψ

ΦI0

I1I’2c

I0

α + Ψ

0 b)



192

b) C ấ p chính xác cúa biế n dòng Cấ p chính xác của biến dòng là sai số dòng lớ n nhất khi nó làm việc trong các điều kiện: tần số 50Hz,

phụ tải thứ cấ p thay đổi từ 0,25 đến 1,2 định mức. Biến dòng có năm cấ p chính xác: 0,2; 0,5; 1; 3 và 10.BI cấ p chính xác 0,2 dùng cho các đồng hồ mẫu; cấ p 0,5 dùng cho công tơ điện, còn cấ p 1 và 3 dùng

cho đồng hồ để bảng; cấ p 10 dùng cho các bộ truyền động của máy ngắt. Riêng đó vớ i r ơ le, tùy theo yêu

cầu của từng loại bảo vệ mà dùng cấ p chính xác của BI cho thích hợ p.

2. Phân loại cấu tạoBiến dòng có hai loại chính: biến dòng kiểu xuyên và biến dòng kiểu đế.

Biến dòng kiểu xuyên có cuộn dây sơ cấ p là một thanh dẫn xuyên qua lõi từ, còn cuộn dây thứ cấ pquấn trên lõi từ (hình 14-8a). Tùy theo dòng định mức sơ cấ p mà thanh dẫn xuyên có hình dáng và thiếtdiện khác nhau, chẳng hạn trên hình 14-8b, nó có dạng thẳng, tiết diện to dùng cho dòng sơ cấ p 600A tr ở lên, còn hình 14-8c thì nó cong, có tiết diện nhỏ hơ n dùng cho dòng sơ cấ p dướ i 600A. khi dòng địnhmức sơ cấ p lớ n (6000 ÷ 18000A) điện áp 20kV, cuộn dây sơ cấ p là thanh dẫn hình máng (hình 14-8d). số lượ ng lõi từ và số lượ ng cuộn dây thứ cấ p tùy thuộc vào công dụng từng loại. Trong biến dòng kiểuxuyên, các lõi và các cuộn dây thứ cấ p đượ c bọc trong nhựa cách điện êpôxy. Đối vớ i TBPP ngoài tr ờ i,ngườ i ta dùng biến dòng kiểu đế, vỏ của nó bằng sứ, cách điện bên trong bằng giấy dầu (hình 14-9a).Trong thùng sứ chứa dầu, phía dướ i thùng có hộ p các đầu ra của các cuộn dây thứ cấ p (thườ ng có một số

cuộn dây thứ cấ p).Khi điện áp cao, thực hiện cách điện giữa các cuộn dây sơ cấ p và thứ cấ p gặ p khó khăn. Vì vậy vớ i

cấ p điện áp 330kV và cao hơ n ngườ i ta dùng biến dòng kiểu phân cấ p (hình 14-9b), mỗi cấ p có lõi thépriêng.

Một vài kí hiệu của Liên xô (cũ) cho các biến dòng k ể trên như sau: biến dòng kiểu xuyên TΠOΛ-10 (dòng 600A và cao hơ n), TΠΛ-10 (dòng dướ i 600A), TΠΛ-205 (dòng 6000-18000A); biến dòng kiểu đế có: TΦH (một cấ p), TPH (nhiều cấ p).

Ngoài hai loại chính biến dòng k ể trên còn có các loại biến dòng chuyên dùng khác như biến dòng thứ tự không, biến dòng bão hòa nhanh, biến dòng chuyên dùng cho bảo vệ so lệnh ngang của máy phátđiện,...



193



196

Chươ ng 15. HỆ THIẾT BỊ SCADA

15.1. CÔNG DỤNG - CHỨ C NĂNG CỦA HỆ SCADA

1. Giớ i thiệu hệ SCADA SCADA là tên viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition, ngh ĩ a là hệ điều khiển

giám sát và thu thậ p số liệu sản xuất.SCADA là một công cụ tự động hóa công nghiệ p, dùng k ĩ thuật vi tính PLC/RTU, để tr ợ giúp

việc điều hành k ĩ thuật ở các cấ p tr ực ban điều hành của sản xuất công nghiệ p: từ cấ p phân xưở ng, xínghiệ p (hay tr ạm điện), đến các cấ p cao nhất của một công ty.

Chức năng mỗi cấ p SCADA là cung cấ p những dịch vụ chuẩn sau:a) Thu thậ p t ừ xa

Thu qua đườ ng truyền số liệu các số liệu về sản xuất, và tổ chức việc lưu giữ trong nhiều loại cơ sở số liệu (số liệu lịch sử về sản xuất, về sự kiện thao tác về báo động,...).b) Dùng các cơ sở số liệu đ ó để cung cấ p nhữ ng d ịch vụ về đ iề u khiể n giám sát hệ sản xuấ t

• Hiển thị báo cáo tổng k ết về quá trình sản xuất (trang màn hình trang đồ thị, trang sự kiện,trang báo động, trang báo cáo sản xuất,...).

• Điều khiển từ xa quá trình sản xuất (đóng / cắt các máy cắt, tăng / giảm nấc phân áp,...).c) Thự c hiện các d ịch vụ về truyề n số liệu trong hệ và ra ngoài ( đọc viế t số liệu PLC/RTU, g ở i tr ả l ờ i các

bản tin yêu cầu của cấ p trên về số liệu, về thao tác hệ ) Nhìn chung SCADA là một hệ k ết hợ p phần cứng - phần mềm vi tính để tự động hóa việc quản

lí giám sát điều khiển cho một đối tượ ng sản xuất công nghiệ p.Tùy yêu cầu cụ thể của bài toán tự động hóa ấy, có thể xây dựng hệ SCADA thực hiện một số

trong những nhiệm vụ tự động hóa sau:• Thu thậ p giám sát từ xa về đối tượ ng.• Điều khiển đóng/cắt từ xa lên đối tượ ng.• Điều chỉnh tự động từ xa lên đối tượ ng.• Thông tin từ xa vớ i các đối tượ ng và các cấ p quản lí.

Các chức năng đó mỗi thứ đều có những yêu cầu đặc biệt đối vớ i các bộ phần cứng, phần mềm chuyêntrách của SCADA. Cụ thể là:

• Phần đ o - giám sát xa cần bảo đảm thu thậ p, lưu giữ, hiển thị, in ấn đủ những số liệu cầncho quản lí k ĩ thuật.

• Phần đ iề u khiể n thao tác xa phải bảo đảm đượ c việc kiểm tra "ĐÓNG" an toàn, đúng đắn.Đối vớ i việc "ĐÓNG" lướ i cao áp phải có thiết bị thực hiện hòa đồng bộ lên thanh cái cao áp kiểu tự

động. Bên cạnh SCADA cần phải có "ĐÓNG / CẮT" bằng tay.• Phần đ iề u chỉ nh t ự động t ừ xa cần phân định và quy định trong nhiệm vụ điều chỉnh điện

áp, tần số ở tr ạm phát điện, trong nhiệm vụ điều áp của Tap changer ở tr ạm điện, hệ SCADA phải đảmnhiệm đến đâu.

• Phần truyề n tin xa phải quy định rõ các nhiệm vụ truyền số liệu hiện tr ườ ng và nhất lànhiệm vụ thủ tục truyền số liệu vớ i các cấ p SCADA điều độ.

2. K ết cấu cơ bản của hệ SCADATheo truyền thống của từng hãng chế tạo, các SCADA những năm 90-95 thườ ng có k ết cấu, có

các thành phần vớ i chức năng hơ i khác nhau. Tuy nhiên trong vài năm gần đây đã có những tiến bộ quantr ọng của máy PC vớ i các dịch vụ MFC, GUI r ất tiện lợ i của hệ điều hành Microsoft Windows 95, 98,



197

NT, của PLC mớ i và mặt khác là các tiến bộ mớ i của các transmitter / RTU số thông minh. Những điềuquan tr ọng này đã dẫn các hãng đến khuynnh hướ ng hệ SCADA k ết cấu theo những chỉ tiêu sau:

• Máy tính chủ SCADA là PC vớ i Microsoft Windows 95, 98, NT.• Bus truyền tin là multidrop (vớ i PC Master) tiêu chuẩn RS485, vớ i các protocol truyền tin

công nghiệ p master slaver đượ c chọn dùng nhiều nhất.• • Thiết bị thu thậ p số liệu và truyền tin vớ i PC là:- PLC (hoặc RTU ) dùng vớ i các transmitter analog 0÷10V.

- Hoặc là transmitter số thông minh.Sơ đồ một hệ SCADA mớ i cơ bản theo chỉ tiêu như vậy, dùng ở cấ p phân xưở ng hay tr ạm điện như hình15-1.

SCADA tr ạm PC vớ i Windows 95/98/NT

Bus RS-232

Liên lạc ngoài hệ

PLChayRTU

Vào 0÷10VChuẩn hóa

DC

Điều khiểnra 0÷24V

Transmitter hay RTU số thông minh

Điều khiểnra 0÷24V

Lượ ngvật lívào

chuyểnđổi

Hình 15-1

Phươ ng án scada tr ạm đ i ện l ự c

SCADA CIMPLICITY AND PLC

ETHERNET

CIMPLICITY Viewers

CIMPLICITY

Server



198

Hình 15-2: SCADA phân xưở ng

3. Các cấp SCADA trong xí nghiệp công nghiệpMột hệ thống sản xuất công nghiệ p thườ ng đượ c tổ chức phân nhiệm nhiều cấ p quản lí, mỗi cấ p

có những nhiệm vụ đo lườ ng, thu thậ p và điều khiển riêng lên những đối tượ ng máy móc trong hệ thống.Trong đó có tình hình là các đối tượ ng máy móc thườ ng lắ p đặt trong địa phươ ng của cấ p quản lí phânxưở ng xí nghiệ p là cấ p dướ i. Và cũng có một đặc điểm nữa là một đối tượ ng tuy thuộc sự giám sát - điềukhiển của cấ p trên về mặt sản xuất nhưng cũng còn thuộc sự giám sát - điều khiển vật lí cụ thể về mặt vậnhành, chuẩn đoán và bảo dưỡ ng của những cấ p khác thấ p hơ n.

Những điều này là cơ sở chỉ đạo cho việc tổ chức các cấ p SCADA quản lí hệ thống sản xuấtngày.nay. Những nguyên tắc chính sau:

a) C ấ p SCADA phân xưở ng ở dướ i sẽ thực hiện việc thu thậ p số liệu trên các máy móc trong phânxưở ng, có sự phân loại rõ máy móc thiết bị nào đượ c quản lí về sản xuất bở i cấ p SCADA nào. Các số liệu phân loại ấy sẽ đượ c các SCADA truyền tin báo cáo từ cấ p dướ i lên cấ p trên, theo nhị p gọi của cácSCADA cấ p cao hơ n một cấ p cho đến cấ p cần thu thậ p, lưu giữ, hiển thị, in ấn, sử dụng cho điều khiểnsản xuất ở các cấ p.b) M ỗ i cấ p sẽ thự c hiện bài toán phân tích, tính toán đượ c giao và tính đưa ra các lệnh thao tác thay đổihay tăng giảm chỉ tiêu hay đóng/cắt các đối tượ ng của mình. Nó sẽ qua hệ truyền tin gở i lệnh ấy tớ i cấ pSCADA liên quan để thực hiện.

Truyền tin xa cácvăn phòng K Đ xa

SCADA xí nghiệ p Máy quản tr ị Hệ thông tin quản lí

Mạng Ethernet truyền tingiữa các SCADA xí nghiệ pSCADA phân xưở ng

Ethernet

RS-485 RS-485 RS-485 RS-485

SCADAPhânxưở ng



199

Để thực hiện những bài toán điều khiển, phân tích riêng này của mình, SCADA mỗi cấ p thườ ngđượ c trang bị thêm những phần cứng máy tính, phần mềm phân tích chuyên dụng. Nó lấy số liệu hiệnhành từ SCADA cung cấ p để giải bài toán đó cho ra k ết quả cho ngườ i và cho cả hệ SCADA.

Sơ đồ hình 15-2 giớ i thiệu một mạng SCADA của cấ p phân xưở ng và cấ p xí nghiệ p. Từ hệ trênta thấy có nhiều dạng mạng truyền tin trong hệ:

• Truyền tin giữa PC master và PLC slave phân xưở ng trên bus RS-485 multidrop vớ i protocol RTU hoặc tươ ng đươ ng.

• Truyền tin nhanh, nhiều về đo lườ ng, điều khiển sản xuất giữa các PC phân xưở ng vớ i cácPC xí nghiệ p: SCADA, Administrator, Management Information System MIS. Thườ ng dùng mạngEthernet hay Ethernet TCP/IP multidrop 10Mbd.

• Nếu cần từ PC máy quản tr ị PC SCADA xí nghiệ p có thể tổ chức một mạng truyền tin,thườ ng là dùng vô tuyến điện, để truyền tin vớ i các văn phòng quản lí kinh doanh cấ p trên đặt ở xa.

15.2. TỔ CHỨ C SCADA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN LỰ C

1. Tổ chứ c bố trí một cấp SCADATrong hệ thống điện lực tr ướ c hết để đáp ứng yêu cầu tự động hóa và số hóa việc quản lí sản xuất

trong hệ thống điện lực và kèm theo nó phản ánh những điều kiện kinh tế - k ĩ thuật của thực tế sản xuấtđiện lực.

2. Nhận xét đánh giáĐối vớ i các mạng siêu cao áp, cao áp thì việc tính toán xử lí để ra lệnh thao tác điều khiển việc phát

- truyền tải là nhiệm vụ đặc thù của các trung tâm điều độ quản lí mạng. Cấ p tr ạm không đủ khả năngđảm nhận việc này. Có một thực tế là việc thu thậ p số liệu và thực hiện thao tác sản xuất lại đượ c thựchiện ở các tr ạm đặt ở xa. Những việc này muốn đượ c điều khiển tự động từ xa, từ các trung tâm điều độ thì phải có một mạng truyền tin tốt giữa trung tâm vớ i các tr ạm và các thiết bị thừa hành thao tác, hòađồng bộ cũng như các thiết bị cắt, chuyển mạch phải đượ c tự động hóa tốt và hoạt động tin cậy.

Trong điều kiện còn chưa hoàn hảo thì có thể giao việc thu thậ p và thao tác cao áp, siêu cao ápcho tr ạm thực hiện theo lệnh của điều độ.

• Còn việc quản lí phân phối cung cấ p điện ở trung áp thì thườ ng giao cho các tr ạm làm. Tr ạmcó đủ số liệu này và khả năng này, để giải phóng bớ t gánh nặng các cấ p điều độ truyền tải.

• Đến khi có thể bảo đảm mức độ hoàn thiện của tự động hóa SCADA và truyền tin, thìcác nhiệm vụ thao tác, thông tin đơ n giản của tr ạm sẽ có thể đượ c hoàn toàn tự động hóa, không cần có

ngườ i tr ực ban sản xuất nữa. Ta sẽ có những tr ạm không ngườ i tr ực.

Bảng 15.1: Tóm tắt nhữ ng cấp quản lí k ĩ thuật sản xuất điện lự cCấ p quản lí Nội dung quản lí chính

• Phát và truyền tải điện lực siêu cao áp500÷1000kV liên vùng lãnh thổ quốc gia.

• Phươ ng án phát P, Q các nguồn phát chủ yếuquốc gia.

• Quản lí tần số, dự phòng ổn định t ĩ nh, động củahệ thống quốc gia. Trào lưu công suất truyền tảiquốc gia.

• Thu thậ p số liệu, thao tác bảo vệ r ơ le, chuẩnđoán, bảo dưỡ ng thiết bị siêu cao áp.

• Phát và truyền tải điện lực đến các tr ạm trongmạng cao áp 220kV khu vực.

• Phươ ng án phát P, Q các nguồn chủ khu vực.• Trào lưu công suất, phân bố điện áp 220kV ở

các tr ọng tâm tải. Dự phòng ổn định của nguồnkhu vực.

• Thu thậ p số liệu, thao tác, bảo vệ, chuẩn đoán, bảo dưỡ ng thiết bị 220kV.

• Phân phối điện lực trong địa bàn các mạng110kV.

• Phát Q bù, trào lưu công suất.. Phân bố áp110kV trong mạng trong địa bàn.

• Thu thậ p số liệu, thao tác, bảo vê, chuẩn đoán, bảo dưỡ ng thiết bị 110kV.



200

• Phân phối, cung cấ p điện lực địa phươ ng mạng≤ 35kV.

• Phát Q bù địa phươ ng. Điều chỉnh điện áp trungáp vớ i Tap changer, sa thải thải theo tần.

• Cung cấ p điện lực hạ áp khu dân cư, xí nghiệ pnhỏ.

• Thao tác, bảo vệ, bảo dưỡ ng thiết bị hạ áp.

Khi từ SCADA điều độ cần điều khiển thao tác xuống một thiết bị cao áp, nó sẽ gở i qua đườ ngtruyền một bản tin lệnh thao tác xuống RTU của thiết bị đó ở tr ạm liên quan để thực hiện.

Một cách khác bản tin lệnh cũng có thể gở i xuống SCADA tr ạm, để nó thực hiện thao tác.Đườ ng truyền tin từ SCADA điều độ xuống mỗi tr ạm thườ ng là tải ba, cáp quang hay radio một

kênh.Cho nên ở lối vào SCADA điều độ phải đặt thêm một máy PC làm phân kênh - tậ p trung liên lạc

vớ i các kênh xuống các tr ạm.Ở nơ i đườ ng truyền tải ba / radio của điều độ vào mỗi tr ạm, nếu có SCADA tr ạm thì có thể k ết

nối nó vào cổng truyền tin của SCADA tr ạm. Nếu không có SCADA tr ạm, mà có đặt những RTU của điều độ thì phải đặt thêm một máy

chuyển Adapter multidrop lên bus multidrop của các RTU.

3. Các loại hình SCADA trong hệ thống điện lự cTừ phân tích trên ngườ i ta đã đề ra vài loại hình SCADA sau:

a) SCADA đ iề u độ mạng truyề n t ải cao áp, siêu cao áp Nó dùng để tr ợ giúp ngườ i điều độ đo lườ ng điều khiển về k ĩ thuật sản xuất các mạng cao áp,

siêu cao áp trong các việc sau:

SCADA EMS DTSĐiều độ

Mạng truyền nhanh Ethernet

Đườ ng tải ba,Radio,Cáp quang

Các SCADATr ạm

RS-485 RS-485 RS-485

ProtocolH iện tr ườ ng

Vào 0÷10V Điều khiển ra

Mànchiếur ộng

Mànchiếur ộng

Phân kênh Phân kênh

PLC,RTU,IED



202

-Nó thu thậ p và quản lí các số đo và tr ạng thái của các đối tượ ng cao áp đặt ở các tr ạm. Các số liệunày đượ c truyền từ các tr ạm lên qua những đườ ng truyền riêng (tải ba, hoặc cáp quang hoặc radio, viba).Nótiến hành những tính toán về phân tích, nhận dạng, về điều khiển tối ưu, về dự báo các trào lưu và phân bố điện áp cũng như về dự phòng ổn định.

Khối lượ ng tính toán điều khiển này thườ ng lớ n và phức tạ p vượ t ra ngoài khuôn khổ của cácSCADA thông thườ ng. Do đó bên cạnh SCADA điều độ thườ ng đặt thêm hai loại máy tính chuyên tráchkhác tr ợ giúp cho nó là:

-Máy tính EMS(Energy Manahement System) có phần mềm đặc biệt chuyên dụng làm những tínhtoán nói trên, sử dụng số liệu vào do SCADA cung cấ p.

-Máy DTS(Dispatcher Training Simulator) có phần mềm là một bộ mô phỏng mềm của mạng caoáp cũng sử dụng số liệu do SCADA cấ p cho.

Để huấn luyện các điều độ viên, ngườ i ta ra đề cho điều độ viên tiến hành những điều khiển, thao

tác lên bộ mô phỏng này, thay cho thao tác lên thiết bị thật để tậ p dượ t. Mỗi trình tự thao tác ấy sẽ đượ c DTS phân tích, đánh giá đúng sai và cho điểm.

b) SCADA tr ạm

SCADA tr ạm dùng tr ợ giúp cho tr ực tr ạm để thu thậ p số liệu giám sát và thao tác điều khiển lên:-Tr ướ c hết là thiết bị trung áp và Tap Changer của tr ạm.-Trong tr ườ ng hợ p đượ c giao thêm, cả việc thu thậ p cao áp để báo cáo SCADA điều độ (có lưu

giữ) và thực hiện các lệnh thao tác thiết bị cao áp của SCADA điều độ gở i xuống (hoặc các tr ực tr ạm).

SCADA NHÀ MÁY ĐIỆ N QUẢ N TR Ị NHÀ MÁY ĐIỆ N QUẢ N LÍ TR ẠM ĐIỆ N

Turbine Máy phát Nén khí Đậ p-Hồ chứa Tr ạm điện Tr ạm điện(Server) (Server) (Server) (Server) Cao áp Trung áp

RS-485 RS-485 RS-485 RS-485 RS-485 RS-485

Sensor Van, Sensor Mức so P,hAp lực Motor U,I,f phát xung

Motor nén khí Transmitter thủy văn Transmitter I,P,Q

Hình 15-4 SCADA và quản tr ị thủy đ iện

(Viewer)

Ethernet TCP/IP



203

Hình 15-5: S ơ đồ khố i thự c hiện

N

N

Y

N

Y

Y

Có bản tin từ SCADA cấp

Có yêu cầu phụcvụ của trựcban hím chu t

Đến chu trìnhmới chưa ?

Nhận và giảimã bản tin

Thực hiện cácyêu cầu củaSCADA cấp trên

Thực hiện cácyêu cầu củatr c ban

Bắt đầu chu

-Bộ phận quản lí thông tin gửi bản tin đếntừng nút PLC/IDE thứ XX lấy các thông số đođển XX

-Nhận bản tin về các số đo đó cất vào Buffer thu

-Bộ quản tr ị CSDL cậ p nhật các số liệu mớ i, cậ p nhật các cơ sở số liệu về sự kiện( Event), về báo động (Alarm).

-Bộ quản lí View Graphics cậ p nhật các số liệu lên các trang đồ họa(graphics), trang đồ thị



204

Việc truyền lệnh thao tác có thể bằng số (không ngườ i tr ực), hoặc bằng điện thoại qua ngườ i tr ựctr ạm.

M ạch thu thậ p số liệu có thể thự c hiện tùy sự thiế t k ế bằ ng:

+1÷2 PLC và các transmitter analog.+Một bộ Card RTU vớ i các transmitter analog.+Hoặc một số transmitter số điện lực thành bộ thông minh.

SCADA tr ạm có nhữ ng bus truyề n tin sau:

+Một bus gọi số liệu / truyền lệnh hiện tr ườ ng kiểu RS-485 nối SCADA tr ạm multidrop vớ i cácPLC hoặc các RTU hoặc các transmitter điện lực thông minh.

+Một hoặc một vài bus truyền tin RS-232 để giao tiế p thông tin vớ i một hoặc vài SCADA điều độ cao áp 220kV,110kV.

15.3. PHẦN MỀM RUNTIME THƯỜ NG LỆ CỦA SCADA

Phần mềm RUNTIME của SCADA là một chươ ng trình thực hiện các nhiệm vụ của cụ thể. Giốngnhư các chươ ng trình trong thờ i gian thực, chươ ng trình này chạy trong một thờ i gian ngắn và lặ p lại theo

chu trình, thườ ng chu trình của SCADA tr ạm từ 1 giây đến 2 giây. Chu trình của SCADA điều độ từ 2 giâyđến 10 giây.

Nhiệm vụ của SCADA trong mỗi chu trình bắt đầu bằng thu thậ p số đo của các đối tượ ng điềukhiển, biểu hiện các số liệu ấy cho ngườ i tr ực và thực hiện những dịch vụ bất chợ t khác nhau theo yêu cầucủa tr ực ban, trong đó có dịch vụ về điều khiển xa, điều chỉnh xa, giữ báo cáo số liệu lên cấ p trên,...

Các nhiệm vụ trên có những phần theo tr ật tự tr ướ c sau như :gọi bở i số đo, cậ p nhật các số liệu mớ inhưng cũng có những phần dịch vụ có thể đồng thờ i chồng lên nhau; yêu cầu hệ SCADA phải thực hiệnđượ c hết. Vì vậy hệ RUNTIME SCADA phải đượ c chạy trên một hệ điều hành đa nhiệm - đa luồng (multi -task - multithead). Thích hợ p nhất hiện nay là những hệ điều hành Windows 95/98 NT, hoặc những hệ điềuhành vi tính gốc UNIX .

Qua lưu đồ trên ta thấy hệ RUNTIME SCADA là những chươ ng trình chính để chạy máy. Nóđượ c lậ p trên cơ sở dùng những modul phần mềm chức năng chính như :

• Modul quản lí phát thu các bản tín hiệu tr ườ ng (vớ i PLC, RTU ) và thu phát bản tin của điều

độ.• Modul quản tr ị các cơ sơ số liệu (về sản xuất, về event, alarm).• Modul quản lí View - Graphic (về các trang graphic, trend).• Các modul quản lí dịch vụ chuột (về các trang graphic, trang trend, về in báo cáo sản xuất , về

đóng /cắt (có/không hòa đồng bộ), tăng /giảm ,...)

15.4. HỆ PHẦN MỀM THƯƠ NG PHẨM SCADA CÔNG NGHIỆP

Từ những năm 95 một số hãng đã đưa bán ra thị tr ườ ng những phần mềm thươ ng phẩm SCADAcông nghiệ p. Những ngườ i thiết k ế tự động hóa có thể lắ p ráp nên một hệ phần cứng PC, PLC, bus thông tinvà dùng phần mềm SCADA phát triển như thế để thiết k ế ra một chươ ng trình RUNTIME SCADA thíchhợ p để chạy phần cứng đó, và do đó tạo ra một hệ SCADA hoàn chỉnh, thích hợ p cho đồ án của mình.

Những phần mềm thươ ng phẩm SCADA này thườ ng xây dựng vớ i các chỉ tiêu chất lượ ng tốt,sử dụng dễ dàng tiện lợ i mà lại kinh tế, bớ t công đầu tư nghiên cứu (giá mua bằng 1,5 lần giá một bộ transmitter).Thự c chấ t phần mề m SCADA thươ ng phẩ m này g ồm 2 phần chính

• Một chươ ng trình RUNTIME SCADA vớ i các thông số hoạt động của các modul chức năng còn để tr ống chưa đượ c xác định. Chính ngườ i thiết k ế một đồ án SCADA cụ thể sẽ khai báo các thông số nàycho thích hợ p vớ i yêu cầu của đồ án.

* Một phần mềm gọi là phần thiết k ế cấu hình nó là một phần mềm đối thoại gồm những modulcông cụ thiết k ế. Các công cụ này sẽ qua cách đối thoại lậ p trình thân thiện vớ i ngườ i thiết k ế để giúp việckhai báo đúng đủ các thông số cần thiết để hướ ng dẫn các modulchức năng trên có thể hoat động.



205

* Một chươ ng trình compiler sẽ dịch các modul vớ i các thông số khai báo này.Các công cụ chính đế thiế t k ế cấ u hình xế p theo thứ t ự các bướ c thiế t k ế

* Công cụ khở i tạo ra đồ án Project mớ i.* Công cụ Device để khai báo về các PLC đượ c dùng (hãng, kiểu,...).* Công cụ Communication để khai báo về Protocol truyền tin, các Port truyền tin, địa chỉ các núttruyền tin ở các Device.* Công cụ Point để khai báo về các điểm đo số liệu (tên, kiểu biến, format biến, điều kiện đo, cáchđo, cách tính đổi,...).* Công cụ View - Graphic Baikler để giúp việc vẽ các trang graphic và khai báo các hoạt họa cậ pnhật trên các trang* Công cụ Trend để khai báo các trang đồ thị trend.* Công cụ Report để khai báo format các báo cáo.* Công cụ Alarm để khai báo định ngh ĩ a các alarm ,...* Công cụ phím cửa sổ để thiết k ế và định ngh ĩ a các phím mềm và các cửa sổ đối thoại,...

Đặc biệt chú ý, bên cạnh những modul ấy còn có những modul để hướ ng dẫn cho ngườ i dùng các bướ cthiết k ế ra đồ án "SCADA PROJECT" của mình. Chúng cho ngườ i dùng những chỉ dẫn rõ ràng, vắn tắt,thân thiện tiện lợ i. Chúng thườ ng mang tên là: "HELP"hay "PROJECT DESIGN GUIDE".

Cuối cùng trong gói phần mềm SCADA thươ ng phẩm trên đĩ a hoặc đĩ a quang còn có những tài liệuk ĩ thuật nói chi tiết về các bộ phận, cách dùng chúng để ngườ i dùng tham khảo đi sâu.

Nói chung sự hướ ng dẫn ấy đủ giúp các k ĩ sư tự động hóa có thể dùng các gói phần mềm SCADA

này để thể thiết k ế triển khai đề án SCADA cụ thể của mình.

15.5. CÁC MẠNG TRUYỀN TIN CỦA SCADA

Hệ SCADA hoạt động đượ c là nhờ có những mạng truyền tin để cung cấ p trao đổi số liệu giữaSCADA vớ i các đối tượ ng và vớ i các SCADA khác.

Trong hệ SCADA tr ạm thườ ng dùng một số mạng truyền tin nối tiế p dạng bus :* bus hiện tr ườ ng* các bus truyền tin vối các hệ SCADA cấ p trên ở xa* bus truyền tin giữa PC SCADA chủ và những PC quản lí khác trong tr ạm.* đườ ng truyền tin vớ i máy in

1. Mạng BUS truyền tin hiện trườ ng RS-485

Tiêu chuẩn RS - 485 quy định nó là một mạng bus cấ p 2 dây, đơ n giản là 2 dây xoắn để truyền tinkiểu multidrop giữa PC SCADA làm master vớ i các PORT PS - 485 làm slave, của các thiết bị số PLC, RTUhay Transmitter thông minh.

Multidrop là tất cả các Port (có "VÀO" và "RA") mỗi cái đưa 2 cực A(-),B(+), đều nối lên vào 2dây A(-), B(+) chung của bus truyền tin. Bus đó đảm bảo sự liên lạc thu phát giữa một Port nào đó là Phátvớ i một hoặc một số Port nào đó khác là thu.

Tr ườ ng hợ p trên gọi là liên lạc truyền bản tin, tr ườ ng hợ p dướ i gọi là quảng báo truyền bản tinK ết cấu bus là đơ n giản nhất : chỉ có 2 dây, A(-),B(+). Dây đất nếu có thêm chỉ là để che chắn nhiễu

cho A(-),B(+).Điểm đấu nối Drop Point từ bus vào mỗi Port cũng đơ n giản, nói chung không cần thêm linh kiện

chuyển tiế p.Tín hiệu trên 2 dây A(-), B(+) này là vi sai và đổi dấu, dùng để ký hiệu 2 mã “1” và “0” như sau :+ là “1” (mark) khi UBA > 0.

+ là “0” (Space) ) khi UBA <0.Mức độ dùng đượ c của biên độ tin hiệu khi UBA cho phép từ 2V đến 6V,thườ ng dùng mức 5V (có miền bất định 1/0 là 0,2V ).

Tần số bit (baudrate) đượ c dùng từ 9,6kbd đến 10kbd. Thườ ng dùng 19.2kbd, 38.4kbd hay 100kbdvớ i khoảng cách truyền tớ i 2 km.

Số lượ ng Port nối lên một đoạn bus cho phép là 32 Port. Nếu muốn thêm Port thì cuối đoạn bus phảilắ p nối tiế p thêm một mạch khuyết / tạo dáng Repeater. Repeater ấy có thể truyền thêm cho 32 Port nữa. Cứ như vậy có thể lắ p thêm những Repeater nữa để truyền tin Multidrop giữa 256 Port .

Tổ chức truyền tin công nghiệ p master - slave là một cách quy định đượ c dùng nhiều trong côngnghiệ p để thực hiện việc đọc lấy số liệu đo từ máy slave ở hiện tr ườ ng lên máy master và viết số liệu lệnh từ máy master xuống máy slave như sau :



206

• Một (hoặc vài ) máy điều khiển làm master, và những máy hiện tr ườ ng là slave có đánh số địachỉ Port 01, 02,...

• Mỗi chu trình đọc hoặt viết đều do Port master khở i đầu bằng cách gở i xuống Port slave XXmột bản tin yêu cầu "Đọc" hoặc "Viết" cái gì.

• Port slave XX sẽ nhận bản tin đó thực hiện yêu cầu "Đọc" hoặc "Viết" đó và gở i lại Port master một bản tin tr ả lờ i/báo cáo.

Chú ý: Cần nói rõ thêm là từ hình vẽ sơ lượ c trên thấy r ằng trên một đoạn bus có nhiều Port nối lên(max 23 Port). Mỗi Port lại có một lối ra và một lối vào.Mỗi lối vào có điện tr ở quang 5k Ω. Tất cả các lối vào 32 cái sẽ làm thành một điện tr ở tải của bus

quang 200Ω, tiêu thụ dòng điện của Port phát hạn chế ở mức 20 đến 30mA. Đặt nhiều Port hơ n nữa sẽ làmquá tải các Port phát.

Còn về các lối "RA" bình thườ ng tất cả các lối "RA" lên bus đều tự động cắt khỏi bus (gọi là 3 statehay tr ạng thái 3). Chỉ khi nào một Port có bản tin lên bus thì nó mớ i tự động đấu lối "RA" của nó lên bus để

phát. Do đó các lối "RA" không cản phá nhau khi phát, bảo đảm đưa đượ c bản tin nguyên vẹn lên bus.

2. BUS truyền tin PC SCADA vớ i máy tải ba RS - 232 Nó không phải là bus multidrop mà là bus truyền tin 1 điểm vớ i 1 điểm (point to point).

Tiêu chuẩn RS - 232 quy định bus truyền tin 1 điểm 1 điểm như sau : nó là một hệ bus phức tạ p gồm :* Đê truyền tín hiệu cần dùng 3 ( hoặc 4) dây bus truyền tin, tạo nên đườ ng đi so vớ i đất, đườ ng về so đấtnối giữa lối ra bên này vớ i lối vào bên kia.

Tín hiệu đi về trên các dây ấy qui định 12 V hoặc 24 V so đất để biểu diễn số “1” (-12 V) và số “0”(+12 V).

* Để liên hệ bên phát băt tay vớ i bên thu, có thể quy định lắ p chèn thêm một modem giữa Port của PC vớ i Portcủa tải ba. Đồng thờ i lắ p thêm giá PC vớ i Modem và giữa modem vớ i tải ba một số dây bus điều khiển vớ icác tín hiệu điều khiển số:

- RTS Request to Send (bên phát báo modem sẵn sàng muốn phát).- CTS Clear to Send (modem báo tải ba sẵn sàng muốn phát).- DSR Data Set Ready (máy tải ba sẵn sàng chuyển tin sàng).- DTR Data Terminal Ready (máy phát tin sẵn sàng).- Có thể thêm tín hiệu Clock.Các ổ cắm nối bus RS - 232 quy định là ổ 25 chân DB -25 hoặc ổ 9 chân DB - 9 vớ i quy định cụ thể

chức năng mỗi chân.Tốc độ truyền tin lên tải ba thườ ng quy định là 9,6kbd. Tốc độ bit và khoảng cách truyền tin RS -

232 kém hơ n của RS - 485, việc truyền tin RS - 232 và RS - 485 là không đồng bộ 8 bit /char hay 9 bit char.Protocol truyền tin hiện tr ườ ng công nghiệ p có nhiều loại khác nhau. Thườ ng dùng nhiều nhất ( tớ i

40% ứng dụng công nghiệ p) là Protocol RTU -Modbus của hãng Modicon hoặc RTU plus.

15.6. TRUYỀN TIN TRONG HỆ SCADA

1. Các dạng truyền tin trong hệ SCADAViệc truyền tin trong hệ SCADA chiếm vị trí quan trong bậc nhất. Nó phải truyền đủ nhanh chính

xác các loại thông tin khác nhau và đảm bảo sự hoạt động chính xác trong thờ i gian thực yêu cầu của hệ.Do vậy các hãng chế tạo SCADA đã hết sức chú ý dịch vụ này. Các hãng đã cố tạo ra những phươ ng

thức, tiêu chuẩn, thủ tục truyền tin thống nhất, thích hợ p nhất đủ nhanh và đủ chắc chắn phục vụ cho việctruyền các loại luồng tin khác nhau trong hệ. Các luồng truyền tin giữa phần mềm chủ SCADA vớ i các phầnmềm của các thiết bị hiện tr ườ ng thiết bị I/O, SCADA cấ p trên hay các phần mềm ứng dụng bên ngoài ( như

: EMS , DMS,...)

Bảng 15.2: Tổng k ết lại các bảng truyền tin thườ ng dùng trong hệ SCADATruyền tin Kiểu truyền Tiêu chuẩn thườ ng dùng

Máy chủ vớ i IDE hiện tr ườ ng Không đồng bộ kiểumultidrop

RS-485

PLC thu thậ p vớ i IDE hiệntr ườ ng

Không đồng bộ kiểumultidrop

RS-485



207

Máy chủ vớ i máy dự phòngmáy DMS, EMS và DTS

Đồng bộ kiểu multidrop Ethernet TCP/IP

Máy chủ vớ i SCADA cấ p trên Không đồng bộ kiểusingledrop

RS-232 tải ba, modem hayRadio 450 Hz

SCADA vớ i các ứng dụng khác Bản tin qua bộ nhớ DDE ( Dynamic DataExchange)

SCADA vớ i các thư viện(Library) Đọc viết library DLL( Dynamic Link Library)SCADA vớ i hệ điều hành(Windows)

Quản lí các cửa sổ Windows

SCADA vớ i máy in Song song, nối tiế p RS-232 , ASC II

Như vậy ta thấy r ằng truyền tin trong hệ SCADA chính là truyền tin số.

2. Truyền tin số Là truyền đi các bản tin số (mã dướ i dạng các bit hay byte,...) từ nơ i phát đến nơ i thu có những tín

hiệu truyền để đảm bảo việc truyền số liệu:a) T ừ một ứ ng d ụng này đế n một ứ ng d ụng (chươ ng trình)Trong truyền tin công nghiệ p thườ ng là:

- Giữa một ứng dụng chủ(master) vớ i một ứng dụng slave hay giữa một ứng dụng khách hàng(client) vớ i các ứng dụng của server phục vụ.

- Giữa các ứng dụng chủ vớ i các ứng dụng slave của mỗi master.- Giữa các master vớ i nhau.

b) Theo các qui định / protocol về - Kênh truyền bit tín hiệu(phisical).- Dạng tín hiệu : bit 0/1 bằng điện áp, bằng dòng lớ n bé ra sao hay bằng tần số ,...tín hiệu số đất

hay cân bằng.- Tốc độ truyền : 110, 300, 600, 1.2 kbd, 2.4 kbd, 9.6 kbd, 38.4 kbd , 1Mbd, 2 Mbd, 10Mbd- Thiết bị truyền : cáp lõi, cáp đồng tr ục, dây xoắn hay cáp quang.- K ết cấu, cách mã hóa các nhóm bit hay các byte, k ết cấu của một phần bảng tin đượ c truyền một

lần gọi là gói tin ( data link protocol):- Byte đồng bộ /byte kiểu không đồng bộ.

- Thông số về gói tin: độ dài, kiểu thông số,...- Số các gói tin hợ p thành bản tin (transport).- Theo những qui định về cách tìm đườ ng truyền từ device nút phát tớ i device

nút thu (routing hay network routing).- Theo những qui định về tổ chức phiên (session).- Theo những qui định về cách trình bày ( presentation).Các protocol này đượ c ISO xế p thành 7 lớ p:- Lớ p protocol về ứng dụng ( Application Layer).- Lớ p protocol về trình bày ( presentation Layer).- Lớ p protocol về phiên truyền ( Session Layer).- Lớ p protocol về vận chuyển bản tin ( Transport layer).

- Lớ p protocol về tìm đườ ng trong mạng ( network routing Layer).- Lớ p protocol về dạng thúc số liệu ( data link Layer).

- Lớ p protocol vật lí ( Phisical layer). Nhìn chung cho đến nay ngườ i ta muốn đi đến thống nhất chọn một phươ ng thức tiêu chuẩn truyềntin ở lớ p vật lí ( Phisical Layer) như sau:

- Truyền tin đồng bộ 2/10 Mbd Ethenet TCP/IP , bus multidrop cho các -luồng tin nhiều và nhanh giữa các máy tính trong hệ và có thể giữa máy SCADA vớ i PLC.

- Truyền không đồng bộ tốc độ vừa phải RS-232 singledrop cho các bảng tin không lớ n nhưngngẫu nhiên từ xa.

- Truyền không đồng bộ RS-485 half duplex tốc độ nhanh vừa phải 100Kbd đến l Mbd giữa máytính chủ hay PLC thu thậ p vớ i các IDE, RTU ở hiện tr ườ ng trên bus multidrop.

Còn đối vớ i protocol các lớ p cao qui định cấu trúc các bảng tin như sau:- Khở i đầu các bảng tin ( lớ p data Link).



- Địa chỉ nhân, độ dài bảng tin ( lớ p network).- Nội dung số liệu, lệnh xuống ( lớ p application).- Khuôn dạng số liệu đo tr ả về ( lớ p data link).- CheckSum, CRC ( lớ p data link).

Thì chưa có sự thống nhất.Hiện nay có những protocol công nghiệ p của một số hãng Modicon AEG ( Modbus Protocol),

Allen Bradley đượ c dùng nhiều chiếm 40% sản phẩm thế giớ i nhiều chuẩn SCADA cũng dùng chuẩnModBus.

3. Truyền tin hiện trườ ngViệc truyền tin hiện tr ườ ng nhằm đảm bảo việc máy chủ thườ ng xuyên thông tin vớ i các I/O PLC

hay các IDE.Đã thống nhất đượ c các thông tin theo kiểu:- Máy chủ gửi một bảng tin từng lệnh đến PLC hay IDE trên bus multidrop- PLC hay IDE liên quan thực hiện mỗi lệnh đó và gửi tr ả lờ i một bảng tin k ết qủa.Các bản tin do máy chủ gửi đi thườ ng là lệnh Read các loại số liệu của PLC, IDE và một vài lệnh

Write một số hệ số, bằng số, gán địa chỉ hay đơ n vị cho các số đóCác bản tin tr ả lờ i thườ ng là gửi về các số liệu tr ạng thái đo của IDE hay PLC hay báo cáo các tình

tr ạng có sai trong bản tin nhận đượ c.

Documents

Giao Trinh Thiet Bi Dien - Le Thanh Bac