Đồ án tốt nghiệp: Khảo sát đặc tính và ứng dụng khí cụ điện hạ áp

Khí cụ điện hạ áp gồm các thiết bị áp thấp được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, dân cư, xây dựng. Tìm hiểu đặc tính kỹ thuật, phân loại khí cụ và ứng dụng

• Tác giả: Lê Tuấn Khanh
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Văn Hồng
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện Công Nghiệp
• Đề tài: KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH VÀ ỨNG DỤNG KHÍ CỤ ĐIỆN HẠ ÁP
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án khí cụ điện hạ áp

Đồ án khí cụ điện hạ áp là công trình nghiên cứu chuyên sâu về các thiết bị điện hoạt động trong mạng điện áp thấp, thường dưới 1000V. Chủ đề này bao gồm việc khảo sát đặc tính kỹ thuật và ứng dụng thực tế của các loại khí cụ như aptomat, contactor, cầu chì, rơle bảo vệ. Mục tiêu chính là hiểu rõ nguyên lý làm việc, cách phân loại và các yêu cầu cơ bản khi vận hành. Khí cụ điện hạ áp đóng vai trò then chốt trong việc bảo vệ hệ thống điện, đảm bảo an toàn và ổn định cho mạng lưới phân phối điện công nghiệp và dân dụng. Việc nghiên cứu này đòi hỏi kiến thức nền tảng vững chắc về điện công nghiệp và kỹ thuật mạch điện.

1.1. Khái niệm và vai trò của khí cụ điện hạ áp

Khí cụ điện hạ áp là các thiết bị điện được thiết kế để đóng, cắt, điều khiển và bảo vệ các mạch điện trong mạng điện áp thấp. Chúng thực hiện nhiều chức năng quan trọng như bảo vệ ngắn mạch, quá tải, điều khiển động cơ, và phân phối điện. Vai trò của khí cụ hạ áp rất quan trọng trong mọi hệ thống điện, từ nhà ở đến nhà máy công nghiệp, đảm bảo vận hành an toàn và hiệu quả cho toàn bộ mạng lưới điện.

1.2. Phân loại và tiêu chuẩn đánh giá khí cụ hạ áp

Khí cụ điện hạ áp được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí. Theo chức năng, có loại đóng cắt, bảo vệ, điều khiển. Theo dòng điện, phân thành dòng xoay chiều và một chiều. Theo nguyên lý làm việc, có loại cơ khí, bán dẫn, khí nén. Tiêu chuẩn đánh giá bao gồm điện áp định mức, dòng điện định mức, khả năng cắt ngắn mạch, độ bền điện và cơ khí. Việc phân loại giúp lựa chọn đúng khí cụ cho từng ứng dụng cụ thể trong hệ thống điện.

II. Phân tích các vấn đề lý thuyết khí cụ hạ áp

Cơ sở lý thuyết khí cụ điện hạ áp tập trung vào các hiện tượng vật lý phức tạp xảy ra trong quá trình vận hành. Một trong những vấn đề cốt lõi là ngắn mạch hạ áp, bao gồm ngắn mạch 3 pha, 2 pha, 1 pha. Đặc tính dòng ngắn mạch rất lớn, gây ra hậu quả nghiêm trọng như phá hủy cách điện, cháy nổ và sụt áp mạng. Ngoài ra, lực điện động sinh ra giữa các dây dẫn mang dòng điện trong từ trường có thể phá hủy cấu trúc cơ khí của thiết bị. Phát nóng quá mức cũng là vấn đề lớn, làm suy giảm cách điện và rút ngắn tuổi thọ khí cụ. Hồ quang điện xuất hiện khi ngắt mạch là hiện tượng nguy hiểm, cần các biện pháp dập hồ quang hiệu quả. Các vấn đề về mạch từ và điện trở tiếp xúc cũng ảnh hưởng lớn đến hiệu suất làm việc.

2.1. Hiện tượng ngắn mạch và hậu quả trong mạng hạ áp

Ngắn mạch là sự cố nghiêm trọng trong mạng điện hạ áp, làm dòng điện tăng đột biến. Đặc tính dòng ngắn mạch phụ thuộc vào điện áp nguồn và tổng trở mạch. Hậu quả của ngắn mạch bao gồm xuất hiện hồ quang điện phá hủy cách điện, lực điện động lớn gây hư hỏng kết cấu, và nhiệt độ tăng cao làm hỏng cách điện. Ngoài ra, ngắn mạch còn gây sụt áp nghiêm trọng trên toàn mạng, ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị khác.

2.2. Lực điện động và phát nóng trong khí cụ hạ áp

Lực điện động là lực cơ học sinh ra do tương tác giữa dòng điện trong dây dẫn và từ trường. Giá trị lực tỷ lệ với bình phương dòng điện, có thể lên rất lớn khi ngắn mạch, gây biến dạng hoặc gãy các chi tiết dẫn điện. Phát nóng trong khí cụ điện diễn ra ở hai chế độ: chế độ quá độ và chế độ ngắn mạch. Nhiệt độ tăng cao làm suy giảm chất lượng cách điện, dẫn đến hư hỏng và nguy cơ chạm chập. Cần tính toán kỹ để đảm bảo ổn định nhiệt và động.

III. Giải pháp và phương pháp thiết kế khí cụ hạ áp

Để giải quyết các vấn đề lý thuyết, đồ án áp dụng nhiều phương pháp tính toán và thiết kế. Đối với ngắn mạch, phương pháp tính toán dòng ngắn mạch 3 pha dựa trên tổng trở nối tiếp của mạch được sử dụng phổ biến. Để chống lại lực điện động, người ta thiết kế cấu trúc tiếp điểm chắc chắn, sử dụng vật liệu chịu lực, và bố trí sao cho lực điện động tự hãm. Biện pháp dập hồ quang điện bao gồm sử dụng môi trường dập hồ quang như dầu, không khí, chân không, hoặc khí SF6, cùng với các cấu tạo đặc biệt như ngăn hồ quang, từ trường dập hồ quang. Tính toán phát nóng sử dụng các phương trình nhiệt để xác định kích thước dây dẫn và bề mặt tản nhiệt. Thiết kế mạch từ và tiếp xúc điện đòi hỏi vật liệu từ phù hợp và bề mặt tiếp xúc sạch, áp lực tiếp xúc đủ lớn để giảm điện trở tiếp xúc.

3.1. Phương pháp tính toán và bảo vệ khí cụ hạ áp

Phương pháp tính toán khí cụ hạ áp bao gồm xác định dòng ngắn mạch dựa trên công thức tổng trở, tính lực điện động bằng định luật Lorentz, và tính toán phát nóng dựa trên cân bằng nhiệt. Các giải pháp bảo vệ bao gồm sử dụng aptomat, cầu chì để cắt mạch nhanh khi sự cố, thiết kế hệ thống làm mát phù hợp, và lựa chọn vật liệu có độ bền nhiệt và cơ khí cao. Việc tính toán chính xác giúp đảm bảo khí cụ hoạt động an toàn và tin cậy.

3.2. Thiết kế hồ quang điện và mạch từ trong khí cụ hạ áp

Thiết kế hệ thống dập hồ quang điện là yếu tố quyết định tuổi thọ khí cụ đóng cắt. Các phương pháp phổ biến bao gồm dập hồ quang trong dầu, không khí nén, chân không, và khí SF6. Thiết kế mạch từ cho khí cụ như contactor, rơle cần đảm bảo từ thông đủ lớn để sinh lực hút cơ điện, đồng thời hạn chế tổn hao và phát nóng. Từ dẫn khe hở không khí là tham số quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hoạt động của mạch từ trong khí cụ điện hạ áp.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế khí cụ hạ áp

Đồ án khảo sát đặc tính và ứng dụng khí cụ điện hạ áp đã hệ thống hóa được các kiến thức lý thuyết và thực tiễn quan trọng. Kết luận cho thấy khí cụ hạ áp có vai trò không thể thiếu trong mọi hệ thống điện, từ bảo vệ, điều khiển đến phân phối điện. Việc hiểu rõ nguyên lý làm việc, đặc tính kỹ thuật và các giới hạn cho phép giúp vận hành an toàn, hiệu quả. Ứng dụng thực tế rất rộng rãi, bao gồm hệ thống điện công nghiệp, tòa nhà, hạ tầng đô thị, và các thiết bị gia dụng. Đồ án cung cấp nền tảng vững chắc cho việc lựa chọn, lắp đặt và bảo trì khí cụ điện hạ áp trong thực tế, đồng thời gợi mở hướng nghiên cứu sâu hơn về vật liệu mới và công nghệ thông minh cho khí cụ điện thế hệ tương lai.

4.1. Ứng dụng thực tế của khí cụ điện hạ áp

Khí cụ điện hạ áp được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong công nghiệp, chúng dùng để khởi động và bảo vệ động cơ, điều khiển dây chuyền sản xuất. Trong dân dụng, aptomat và cầu chì bảo vệ mạng điện gia đình. Trong hạ tầng, khí cụ hạ áp đóng vai trò phân phối và bảo vệ mạng lưới điện. Ngoài ra, chúng còn được sử dụng trong hệ thống nguồn dự phòng, tủ điện điều khiển trung tâm, và các ứng dụng năng lượng tái tạo như hệ thống điện mặt trời.

4.2. Hướng phát triển và cải tiến khí cụ hạ áp hiện đại

Khí cụ điện hạ áp đang phát triển theo hướng thông minh và tiết kiệm năng lượng. Xu hướng hiện đại bao gồm tích hợp vi xử lý để giám sát và bảo vệ chính xác hơn, kết nối IoT cho quản lý từ xa, sử dụng vật liệu mới như hợp kim bạc-graphite cho tiếp điểm bền hơn, và áp dụng công nghệ chân không, SF6 thân thiện môi trường. Hướng cải tiến cũng tập trung vào giảm kích thước, tăng tuổi thọ, và nâng cao độ tin cậy cho hệ thống điện thông minh ngày càng phức tạp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU  LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Khoa học ngày càng phát triển kéo theo việc sử dụng khí cụ điện trong các thiết bị ở khác lĩnh vực càng phổ biến. Ta thƣờng bắt gặp các khí cụ điện hạ áp đƣợc sử dụng trong dân dụng, phƣơng tiện giao thông vận tải, công nghiệp, nông nghiệp. Với việc các khí cụ điện này đƣợc đƣa vào sử dụng rộng rãi và phổ biến đặc ra yêu cầu cần phải sử dụng nó một các hợp lý, sử dụng triệt để các tính năng của chúng nhằm đáp ứng đƣợc yêu cầu sử dụng và tiết kiệm, mang lại lợi ích cao nhất. Đƣợc sự gợi ý của giáo viên hƣớng dẫn TS.

Bùi Văn Hồng, nhóm xin chọn đề tài ”Khảo sát đặc tính và ứng dụng khí cụ điện hạ áp” làm đồ án tốt nghiệp.  MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Biết đƣợc các đặc tính của các khí cụ điện hạ áp. Ứng dụng khí cụ điện hạ áp vào công nghiệp cũng nhƣ dân dụng.  PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU  Nghiên cứu lý thuyết: Hệ thống một cách tóm tắt lại kiến thức từ những tài liệu khí cụ điện hạ áp đang có.

Phân tích các đặc tính kỹ thuật của khí cụ điện hạ áp.  Nghiên cứu thực nghiệm: Từ đặc tính của khí cụ điện hạ áp có ứng dụng cụ thể trong công nghiệp và dân dụng.  ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU  Cầu chì hạ áp.  Dao cách ly.

Trang 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. BÙI VĂN HỒNG  Công tắc.  Rơle trung gian.  Rơle thời gian.

 PHẠM VI NGHIÊN CỨU  Khái niệm.  Nguyên lý hoạt động.  Thông số kỹ thuật. Trang 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.

BÙI VĂN HỒNG CHƢƠNG I. TỔNG QUAN KHÍ CỤ ĐIỆN I. Khái niệm khí cụ điện Khí cụ điện là thiết bị điện dùng để đóng, cắt, điều khiển, điều chỉnh và bảo vệ các lƣới điện, mạch điện, máy điện và các máy móc sản xuất. Ngoài ra khí cụ điện còn đƣợc dùng để kiểm tra và điều chỉnh các quá trình không điện khác.

Khí cụ điện có rất nhiều chủng loại với chức năng, nguyên lý làm việc và kích cỡ khác nhau, đƣợc sử dụng rộng rãi ở các nhà máy phát điện, các trạm biến áp, trong các xí nghiệp công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, thủy lợi, giao thông vận tải và quốc phòng… II. Phân loại khí cụ điện 1. Theo chức năng  Nhóm khí cụ điện đóng cắt Dùng để đóng cắt bằng tay hoặc tự động mạch điện ở các chế độ làm việc khác nhau. Các khí cụ điện đóng cắt gồm dao cách ly, dao cách ly, áp tô mát, cầu chì…).

 Nhóm khí cụ điện hạn chế dòng điện, điện áp Dùng để hạn chế dòng điện, điện áp trong mạch không tăng quá cao khi bị sự cố. Gồm kháng điện, van chống sét…  Nhóm khí cụ điện mở máy, điều khiển Gồm các loại khí cụ điện nhƣ các bộ mở máy, khống chế, điện trở mở máy, công tắc tơ, khởi động từ…  Nhóm khí cụ điện kiểm tra, theo dõi Nhóm này có chức năng kiểm tra, theo dõi sự làm việc của các đối tƣợng và biến đổi các tín hiệu không điện thành tín hiệu điện. Các khí cụ điện nhóm này gồm các loại rơle, bộ cảm biến…  Nhóm khí cụ điện tự động điều chỉnh, khống chế, duy trì chế độ làm việc và các Trang 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. BÙI VĂN HỒNG Thông số của đối tƣợng nhƣ các bộ ổn định điện áp, ổn định tốc độ, ổn định nhiệt…  Nhóm khí cụ điện đo lƣờng: máy biến dòng, biến áp 2.

Theo dòng điện Khí cụ điện dùng trong mạch điện một chiều và xoay chiều 3. Theo nguyên lý làm việc Điện cơ, điện từ, điện động, nhiệt, có tiếp điểm và không có tiếp điểm… 4. Theo điều kiện làm việc và dạng bảo vệ Khí cụ làm việc ở vùng nhiệt đới, ở vùng có nhiều rung động, vùng mỏ có khí nổ, ở môi trƣờng có chất ăn mòn, hóa học, loại để hở, loại bọc kín… 5. Theo điện áp làm việc  Ta có khí cụ điện một chiều và khí cụ điện xoay chiều.

 Theo độ lớn của điện áp làm việc, khí cụ điện chia thành:  Hạ áp có điện áp dƣới 1000V (U≤1000V).  Trung áp có điện áp từ 1000V đến 36kV (1000V<U≤36kV).  Cao áp có điện áp từ 36kV đến 400kV (36kV<U≤400kV).  Siêu cao áp có điện áp trên 400kV (400kV<U).

Đặc điểm và yêu cầu cơ bản đối với khí cụ điện Khí cụ điện cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:  Khí cụ điện phải đảm bảo sử dụng lâu dài ở điều kiện định mức.  Khí cụ điện phải ổn định nhiệt và ổn định động.  Vật liệu cách điện phải tốt chịu đƣợc quá điện áp cho phép.  Khí cụ điện phải đảm bảo làm việc tin cậy, chính xác, an toàn, gọn nhẹ, dễ lắp ráp, dễ kiểm tra và sữa chữa.

 Ngoài ra còn yêu cầu phải làm việc ổn định ở điều kiện khí hậu môi trƣờng mà khi thiết kế cho phép. Trang 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. BÙI VĂN HỒNG CHƢƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN I.

Ngắn mạch hạ áp 1. Khái niệm Ngắn mạch là hiện tƣợng mạch điện bị chập lại ở một điểm nào đó làm cho tổng trở mạch nhỏ đi, dòng điện trong mạch sẽ tăng cao đột ngột và điện áp giảm xuống.1 Dạng sóng dòng ngắn mạch 2. Phân loại ngắn mạch Ngắn mạch gián tiếp: là ngắn mạch qua một điện trở trung gian, gồm điện trở do hồ quang điện và điện trở của các phần tử khác trên đƣờng đi của dòng điện từ pha này đến pha khác hoặc từ pha đến đất. Điện trở hồ quang điện thay đổi theo thời gian, thƣờng rất phức tạp và khó xác đinh chính xác.

Theo kinh nghiệm: (2.1) Trong đó: I: dòng ngắn mạch [A] l: chiều dài hồ quang điện [m] Ngắn mạch trực tiếp: là ngắn mạch qua một điện trở trung gian rất bé, có thể bỏ qua. Trang 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. BÙI VĂN HỒNG Ngắn mạch đối xứng: là dạng ngắn mạch vẫn duy trì hệ thống dòng, áp 3 pha ở tình trạng đối xứng. Ngắn mạch không đối xứng: là dạng ngắn mạch làm cho hệ thống dòng, áp 3 pha mất đối xứng.

Không đối xứng ngang: khi sự cố xảy ra tại một điểm, mà tổng trở các pha tại điểm đó nhƣ nhau. Không đối xứng dọc: khi sự cố xảy ra mà tổng trở các pha tại một điểm không nhƣ nhau. Sự cố phức tạp: là hiện tƣợng xuất hiện nhiều dạng ngắn mạch không đối xứng ngang, dọc trong hệ thống điện. Có nhiều dạng ngắn mạch: ngắn mạch 3 pha, ngắn mạch 2 pha, ngắn mạch 2 pha chạm đất, ngắn mạch 1 pha chạm đất…, trong đó ngắn mạch 3 pha là nguy hiểm nhất.

Dạng ngắn Hình vẽ quy ƣớc Ký hiệu Xác suất xảy ra % mạch 3 pha N(3) 5 2 pha N(2) 10 2 pha – đất N(1,1) 20 1 pha – đất N(1) 65 Hình 2.2 Ký hiệu và xác suất xảy ra các dạng ngắn mạch a. Ngắn mạch xa máy phát Là tình huống thƣờng xảy ra nhất. Các dòng quá độ là hệ quả của điện áp ngang qua mạch điện trở - điện kháng. Điện áp đó: Trang 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.2) α: góc lệch pha giữa điện áp ngắn mạch và điện áp không Dòng điện tổng của hai thành phần: (2.3) Dòng điện xoay chiều hình sin: ( ) (2.4) I: dòng điện cực đại, Dòng điện không chu kỳ : (2.5) Giá trị ban đầu của nó phụ thuộc vào α và mức suy giảm của nó tỷ lệ thuận với Tại thời điển bắt đầu ngắn mạch theo định nghĩa, do đó: (2.3 Dạng dòng ngắn mạch và các thành phần của nó khi ngắn mạch xa máy phát Trang 7 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.

BÙI VĂN HỒNG Hệ số tỷ lệ nghịch với thành phần không chu kỳ đƣợc xác định dựa vào tỷ số hoặc. Thời điểm xuất hiện ngắn mạch hoặc đóng mạch, điện áp: ( ) (2.7) Dòng điện biến đổi: (2.8) ( ) ( ) Với thành phần xoay chiều có góc lệch pha φ đối với điện áp và thành phần không chu kỳ giảm tới không khi t tiến tới. Từ đó, hai trƣờng hợp biên đƣợc xác định bởi: - Khi , dòng ngắn mạch đƣợc xác định bởi: (2.9) ( ) - Khi α=0, dòng ngắn mạch đƣợc xác định bởi: (2. Ngắn mạch gần máy phát Khi ngắn mạch xảy ra trong vùng lân cận của máy phát cung cấp điện cho mạng điện, sự biến thiên trong trở kháng của máy phát làm giảm dòng điện ngắn mạch.

Các điều kiện phát triển dòng quá độ rất phức tạp là do sự biến đổi trong sức điện động gây nên bởi dòng ngắn mạch. Để đơn giản hóa, sức điện động đƣợc xem nhƣ là hằng số và điện kháng nội của máy phát là thay đổi. Đặc tính dòng ngắn mạch Thời gian tồn tại: thoáng qua, quá độ và lâu dài. Trang 8 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.

BÙI VĂN HỒNG Nguyên nhân:  Cơ học: dây dẫn bị hƣ, chập điện giữa hai vật dẫn bằng các vật thể dẫn điện khác nhau (dụng cụ hay động vật).  Quá điện áp nội bộ hay quá điện áp khí quyển.  Hƣ hỏng cách điện do nhiệt độ, độ ẩm hay môi trƣờng ăn mòn. Vị trí: bên trong hoặc bên ngoài thiết bị, bảng điện phân phối điện.

Hậu quả của ngắn mạch Hậu quả ngắn mạch thay đổi phụ thuộc vào loại và thời gian ngắn điểm xuất hiện ngắn mạch trong mạng điện và công suất ngắn mạch.  Xuất hiện hồ quang điện tại vị trí ngắn mạch, dẫn đến:  Phá hủy cách điện.  Kết dính các vật dẫn.  Cháy và nguy hiểm đến tính mạng.

 Trên mạng điện bị ngắn mạch:  Xuất hiện lực điện động lớn có khả năng phá hủy kết cấu của các thiết bị điện, tiếp tục gây chạm chập cháy nổ.  Làm nhiệt độ tăng cao phá hủy các đặc tính cách điện,việc này lại tiếp tục gây ra các ngắn mạch khác.  Trên các mạch điện khác trong mạng hoặc trong các mạng điện lân cận:  Sụt áp trong suốt thời gian xảy ra ngắn mạch.  Mất ổn định động hoặc mất đồng bộ hóa của máy phát  Siêu quá độ.

Trang 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. Tính toán ngắn mạch 3 pha Dòng điện ngắn mạch (2.12) √(∑ ) (∑ ) Trong đó: U: điện áp dây, tƣơng ứng với điện áp không tải của máy biến áp, thƣờng cao hơn từ điện áp có tải ngang qua các đầu cực. ∑ : tổng các thành phần điện trở nối tiếp. ∑ : tổng các thành phần điện kháng nối tiếp.

Lực điện động 1.