MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM VÀ CÔNG DỤNG CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN Mã chương: MH 011-00 Giới thiệu: Khí cụ điện là những thiết bị được sử dụng phổ biến trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày Mục tiêu - Nêu được khái niệm, công dụng của các loại khí cụ điện - Hiểu được cách tiếp xúc điện, cách tạo hồ quang điện và dập tắt hồ quang điện. - Rèn luyện tính nghiêm túc trong học tập và thực hiện công việc Nội dung chính: 1. Khái niệm về khí cụ điện. Khái niệm về khí cụ điện.
Khí cụ điện (KCĐ) là thiết bị điện dùng để: đóng cắt, điều khiển, kiểm tra, tự động điều khiển, khống chế các đối tượng điện cũng như không điện và bảo vệ chung trong trường hợp sự cố. Khí cụ điện có rất nhiều chủng loại với chức năng, nguyên lý làm việc và kích cỡ khác nhau, được dùng rộng rải trong mọi lĩnh vực của cuộc sống. Trong phạm vi của môn học khí cụ điện này, chúng ta đề cập đến các vấn đề như sau: cơ sở lý thuyết, nguyên lý làm việc, kết cấu và đặc điểm của các loại KCĐ dùng trong ngành điện và trong công nghiệp. Sự phát nóng của khí cụ điện.
Khái niệm chung. Ở trạng thái làm việc, trong các bộ phận của thiết bị điện (TBĐ) như: mạch vòng dẫn điện, mạch từ, các chi tiết bằng kim loại và cách điện đều có tổn hao năng lượng tác dụng và biến thành nhiệt năng. Một phần của nhiệt năng này làm tăng nhiệt độ của TBĐ, còn 1 phần khác tỏa ra môi trường xung quanh. Ở chế độ xác lập nhiệt, nhiệt độ của thiết bị không tăng lên nữa mà đạt trị số ổn định, còn toàn bộ nhiệt năng tỏa ra môi trường xung quanh.
Nếu nhiệt độ của TBĐ tăng cao thì cách điện bị già hóa và độ bền cơ của các chi tiết bị suy giảm. Khi tăng nhiệt độ của vật liệu cách điện lên 80C so với nhiệt độ cho phép ở chế độ dài hạn thì tuổi thọ của cách điện giảm 50%. Với vật liệu dẫn điện thông dụng nhất là Cu, nếu tăng nhiệt độ từ 100oC đến 2500C thì độ bền cơ giảm 40%, khi độ bền cơ của chúng giảm nên lực điện động trong trường hợp ngắn mạch sẽ làm hư hỏng thiết bị. 5 Do vậy độ tin cậy của thiết bị phụ thuộc vào nhiệt độ phát nóng của chúng.
Trong tính toán phát nóng TBĐ thường dùng một số khái niệm như sau : 0: nhiệt độ phát nóng ban đầu, thường lấy bằng nhiệt độ môi trường. : nhiệt độ phát nóng = - o : là độ chênh nhiệt so với nhiệt độ môi trường, ở vùng ôn đới cho phép = 350C, vùng nhiệt đới = 500C. Sự phát nóng thiết bị điện còn tùy thuộc vào chế độ làm việc. ôđ = ôđ - o : độ chênh nhiệt độ ổn định.
Các dạng tổn hao năng lượng. - Tổn hao trong các chi tiết dẫn điện. Năng lượng tổn hao trong dây dẫn do dòng điện i đi qua trong thời gian t được tính theo công thức sau : Điện trở dây dẫn R phụ thuộc vào điện trở suất vật liệu, kích thước dây dẫn, ngoài ra còn phụ thuộc vào tần số dòng điện, vị trí của dây dẫn : nằm đơn độc hay gần dây dẫn khác có dòng điện đi qua. - Tổn hao trong các phần tử sắt từ.
Nếu các phần tử sắt từ nằm trong vùng từ trường biến thiên thì trong chúng sẽ có tổn hao do từ trễ và dòng điện xoáy tạo ra. - Tổn hao trong vật liệu cách điện. Dưới tác dụng của điện trường biến thiên, trong vật liệu cách điện sẽ sinh ra tổn hao điện môi. Quá trình phát nóng ở chế độ quá độ.
Chế độ làm việc dài hạn. Chế độ làm việc dài hạn là chế độ làm việc của thiết bị điện với thời gian dài tùy ý nhưng ngắn hơn thời gian để nhiệt độ phát nóng đạt tới giá trị ổn định. Khi có dòng điện I chạy trong vật dẫn sẽ gây ra tổn hao một công suất P và trong thời gian dt sẽ gây ra một nhiệt lượng: Q = P.dt = RI2dt (1.1) Nhiệt lượng hao tổn này bao gồm hai phần: + Đốt nóng vật dẫn: Q1= G.2) + Tỏa ra môi trường xung quanh : Q2= S .3) Ta có phương trình cân bằng nhiệt của quá trình phát nóng: P.4) Trong đó: G : là khối lượng vật dẫn (g) 6 C : là tỉ nhiệt vật dẫn tỏa nhiệt ( J/g) : là độ chênh nhiệt (00C) : là hệ số tỏa nhiệt (W/cm2) P d S . Ta có phương trình: = + G.C Giải phương trình vi phân trên với điều kiện tại t = 0 thì độ chênh nhiệt ban .S P − t − t đầu là 0, ta được: = (1 − e G .C Đặt T= là hằng số thời gian phát nóng : S P = od độ chênh nhiệt ổn định. t t − − Ta có: = od (1 − e T ) + oe T (1-5) t − Khi t = 0 mà 0 = 0 thì: = od (1 − e T ) −T Thay t = T vào (2) ta được = (1 − e ) = 0,632 T (1-6) Quá trình nguội của thiết bị xảy ra khi ta cắt điện của nó, nhiệt độ của nó giảm dần đến nhiệt độ môi trường. Ta có phương trình cân bằng nhiệt sẽ là: G.dt = 0 Giải phương trình vi phân ta được biểu thức thể hiện quá trình nguội lạnh: t − = od e T ( đường 3 hình 1) (1-7) Ở chế độ làm việc dài hạn, thời gian làm việc đủ lớn để = và thời gian nghỉ đủ dài để = 0.
Vì (t ) là hàm mũ, nên về lý thuyết đạt (khi phát nóng) và đạt 0 (khi nguội) với thời gian vô cùng. Trong thực tế, nếu t 4T thì có thể coi là chế độ làm việc dài hạn, hoặc độ tăng nhiệt theo thời gian d 0 2 C cũng có thể coi đó là chế độ làm việc dài hạn. Phát nóng lặp lại b. Chế độ làm việc ngắn hạn: Chế độ làm việc ngắn hạn là chế độ làm việc của thiết bị điện với thời gian đủ ngắn để nhiệt độ phát nóng của nó chưa đạt tới giá trị ổn định, sau đó ngưng làm việc trong thời gian đủ lớn để nhiệt độ của nó hạ xuống tới nhiệt độ môi trường.
Đồ thị làm việc của quá trình này được mô tả ở hình 2. Nếu thiết bị làm việc với công suất P = P1 ứng với chế độ dài hạn, nghĩa là 1 bằng nhiệt chênh cho phép của thiết bị thì sau thời gian làm việc t lv, nhiệt chênh đạt 1 1 , nghĩa là thiết bị làm việc còn non tải. Để tận dụng khả năng mang tải của thiết bị, ta có thể nâng công suất làm việc tới P2, sao cho sau t = tlv, độ phát nóng đạt 2 = 1 = cph. Vậy ở chế độ ngắn hạn, thiết bị có thể quá tải, được đặc trưng bằng hệ số quá tải: P2 2 1 Theo công thức : Kp = P = = t (1-8) 1 1 1 − exp( − lv ) T 1 Theo dòng điện: K1= K P = t (1-9) 1 − exp( − lv ) T Từ biểu thức (1-5) và (1-8) ta nhận thấy rằng, hệ số quá tải càng lớn khi thời gian làm việc càng bé và hằng số thời gian phát nóng càng lớn.
Điều này liên quan đến việc chọn thiết bị khi làm việc ở chế độ ngắn hạn. 8 200 P= P2 100 = 2 P = P1 1 t tlv Hình 2: Phát nóng ng?n h?n Hình 1.2: Phát nóng ngắn hạn c. Chế độ ngắn hạn lặp lại: Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại là chế độ làm việc của thiết bị điện trong một thời gian tlv mà nhiệt độ phát nóng chưa đạt tới bão hòa và sau đó nghỉ một thời gian tng mà nhiệt độ chưa giảm về nhiệt độ ban đầu rồi tiếp tục làm việc và nghỉ xen kẽ. Quá trình làm việc và nghỉ cứ lặp lại tuần hoàn như vậy theo chu kỳ với thời gian tck = tlv + tng.
Thời gian làm việc trong mỗi chu kỳ chưa đủ lớn nên độ tăng nhiệt chưa đạt đến giá trị xác lập, thời gian nghỉ chưa đủ dài nên nhiệt độ của thiết bị vẫn cao hơn nhiệt độ môi trường. 2 1 2' 1' tlv tng t tck Hình1.3: Chế độ phát nóng lặp lại. Quá trình phát nóng khi ngắn mạch. Khi bị ngắn mạch, dòng điện chảy trong dây dẫn có trị số rất lớn, gấp vài chục lần dòng điện ở chế độ định mức, nhưng vì thời gian ngắn mạch không dài nên nhiệt độ phát nóng cho phép ở chế độ này thường lớn hơn chế độ hài hạn.
9 Ví dụ với đồng có cách điện cấp A cho phép đến 2500C khi ngắn mạch, còn chế độ dài hạn là 1050C Vì thời gian ngắn mạch tnm bé nên có thể coi quá trình nhiệt này là quá trình đoạn nhiệt, nghĩa là toàn bộ nhiệt lượng do thiết bị hấp thụ chứ không tỏa ra môi trường xung quanh. Do đó phương trinh cân bằng nhiệt có dạng: I2.d (1-10) Trong đó: R là điện trở của dây dẫn. CT là nhiệt dung riêng của thiết bị là nhiệt độ của dây dẫ 1. Chỗ tiếp giáp giữa hai vật dẫn điện để cho dòng điện chạy từ vật dẫn này sang vật dẫn kia gọi là tiếp xúc điện.
Bề mặt chỗ tiếp giáp của các vật dẫn điện gọi là bề mặt tiếp xúc điện. Dựa vào mối liên kết tiếp xúc, ta chia tiếp xúc điện ra các dạng sau : + Tiếp xúc cố định: là loại tiếp xúc không tháo lắp giữa 2 vật dẫn, được liên kết bằng bulông, đinh vít,. + Tiếp xúc đóng mở: là tiếp xúc mà có thể làm cho dòng điện chạy hoặc ngừng chạy từ vật này sang vật khác (như các tiếp điểm trong thiết bị đóng cắt). + Tiếp xúc trượt: là vật dẫn điện này có thể trượt trên bề mặt của vật dẫn điện kia (ví dụ như chổi than trượt trên vành góp máy điện).
Dựa vào hình dạng chỗ tiếp xúc, ta chia tiếp xúc điện ra các dạng sau : + Tiếp xúc điểm: là hai vật tiếp xúc với nhau chỉ ở một điểm hoặc trên bề mặt diện tích với đường kính rất nhỏ (như tiếp xúc hai hình cầu với nhau, hình cầu với mặt phẳng, hình nón với mặt phẳng,.