Chương 1: KHÁI NIỆM VÀ CÔNG DỤNG CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN Mã chương: ĐC451204-01 Giới thiệu: Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp điện năng các thiết bị điện dân dụng, điện công nghiệp cũng như các khí cụ điện được sử dụng ngày càng tăng lên không ngừng. Chất lượng của các khí cụ điện cũng không ngừng được cải tiến và nâng cao cùng với sự phát triển của công nghệ mới. Vì vậy đòi hỏi người công nhân làm việc trong các ngành, nghề và đặc biệt trong các nghề điện phải hiểu rõ về các yêu cầu, nắm vững cơ sở lý thuyết khí cụ điện. Làm cơ sở để nắm vững cấu tạo, nguyên lý làm việc và ứng dụng của từng loại khí cụ điện để không ngừng nâng cao hiệu quả kinh tế và tiết kiệm điện năng trong sử dụng.
Mục tiêu: - Nêu được khái niệm, công dụng của các loại khí cụ điện - Hiểu được cách tiếp xúc điện, cách tạo hồ quang điện và dập tắt hồ quang điện. - Rèn luyện tính nghiêm túc trong học tập và trong thực hiện công việc. Nội dung chính: 1. Khái niệm về khí cụ điện 1.
Khái niệm về khí cụ điện Khí cụ điện là những thiết bị dùng để đóng, cắt, điều khiển, điều chỉnh và bảo vệ các lưới điện, mạch điện, máy điện và các máy móc sản xuất. Ngoài ra nó còn được dùng để kiểm tra và điều chỉnh các quá trình không điện khác. Các yêu cầu cơ bản đối với khí cụ điện: Khí cụ điện phải thỏa mãn các yêu cầu sau: + Khí cụ điện phải đảm bảo sử dụng lâu dài với các thông số kỹ thuật ở định mức. Nói cách khác dòng điện qua vật dẫn không được vượt quá trị số cho phép vì nếu không sẽ làm nóng khí cụ điện và chóng hỏng.
+ Khí cụ điện ổn định nhiệt và ổn định điện động. Vật liệu phải chịu nóng tốt và có cường độ cơ khí cao vì khi quá tải hay ngắn mạch, dòng điện lớn có thể làm khí cụ điện hư hỏng hoặc biến dạng. + Vật liệu cách điện phải tốt để khi xẩy ra quá điện áp trong phạm vi cho phép khí cụ điện không bị chọc thủng. 1 + Khí cụ điện phải đảm bảo làm việc được chính xác, an toàn song phải gọn nhẹ, rẻ tiền, dễ gia công, dễ lắp ráp, kiểm tra và sữa chữa.
+ Ngoài ra khí cụ điện phải làm việc ổn định ở các điều kiện và môi trường yêu cầu. Sự phát nóng của khí cụ điện Dòng điện chạy trong vật dẫn làm khí cụ điện nóng lên (theo định luật Jun- Lenxơ). Nếu nhiệt độ vượt quá giá trị cho phép, khí cụ điện sẽ chóng hỏng, vật liệu cách điện sẽ chóng hoá già và độ bền cơ khí sẽ giảm đi nhanh chóng. Nhiệt độ cho phép của các bộ phận trong khí cụ điện được cho trong bảng sau:(bảng 1.1) Bảng 1-1: Nhiệt độ cho phép của các bộ phận trong khí cụ điện và các cấp chịu nhiệt của vật liệu cách điện.
Cấp cách Nhiệt độ cho Các vật liệu cách điện chủ yếu điện phép (0C) 110 Vật liệu không bọc cách điện hay để xa vật cách điện. 75 Dây nối tiếp xúc cố định. 75 Tiếp xúc hình ngón của đồng và hợp kim đồng. 110 Tiếp xúc trượt của đồng và hợp kim đồng.
110 Vật không dẫn điện, không bọc cách điện. Y 90 Giấy, vải sợi, lụa, phíp, cao su, gỗ và các vật liệu tương tự, không tẩm nhựa. Các loại nhựa như: nhựa polietilen, nhựa polistirol, vinyl clorua, anilin. A 105 Giấy, vải sợi, lụa tẩm dầu, cao su nhân tạo, nhựa polieste, các loại sơn cách điện có dầu làm khô.
E 120 Nhựa tráng polivinylphocman, poliamit, eboxi. Giấy ép hoặc vải có tẩm nha phenolfocmandehit (gọi chung là bakelit giấy). Nhựa melaminfocmandehit có chất độn xenlulo. Vải có tẩm poliamit.
Nhựa poliamit, nhựa phênol - phurol có độn xenlulo. B 130 Nhựa polieste, amiăng, mica, thủy tinhcó chất độn. Sơn cách điện có dầu làm khô, dùng ở cả bộ phận không tiếp xúc với không khí. Sơn cách điện alkit, sơn cách điện từ 2 nhựa phenol.
Các loại sản phẩm mica (micanit, mica màng mỏng). Nhựa phênol-phurol có chất độn khoáng. Nhựa eboxi, sợi thủy tinh, nhựa melamin focmandehit, amiăng, mica,hoặc thủy tinh có chất độn. F 155 Sợi amiăng, sợi thủy tinh không có chất kết dính H 180 Xilicon, sợi thủy tinh, mica có chất kết dính C Trên 180 Mica không có chất kết dính, thủy tinh, sứ.
Tuỳ theo chế độ làm việc mà khí cụ điện phát nóng khác nhau. Có ba chế độ làm việc: làm việc dài hạn, làm việc ngắn hạn và làm việc ngắn hạn lặp lại. Chế độ ngắn hạn lặp lại: Ở chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại thường dùng hệ số thông dòng điện ĐL%. Theo định nghĩa: t lv t L% 100 lv 100 t lv t ng T Trong đó: - tlv là thời gian làm việc.
- tng là thời gian nghỉ. - T chu kỳ làm việc. Độ chênh nhiệt (còn gọi là độ tăng nhiệt) là hiệu nhiệt độ khí cụ điện và môi trường xung quanh: 0 Trong đó: - : nhiệt độ khí cụ điện. - o: nhiệt độ môi trường xung quanh.
Các nước miền ôn đới quy định q0 = 350C. ở Việt Nam quy định q0 = 400C Sự phát nóng do tổn hao nhiệt quyết định. Đối với khí cụ điện một chiều đó là tổn hao đồng, đối với khí cụ điện xoay chiều đó là tổn hao đồng và sắt. Ngoài ra còn có tổn hao phụ.
Nguồn phát nóng chính ở khí cụ điện là: dây dẫn có dòng điện chạy qua, lõi thép có từ thông biến thiên theo thời gian. Cầu chì, chống sét và một số khí cụ điện khác có thể phát nóng do hồ quang. Ngoài ra còn phát nóng do tổn thất dòng điện xoáy. Bên cạnh quá trình phát nóng có quá trình toả nhiệt theo ba hình thức: truyền nhiệt, bức xạ và đối lưu.
3 Phát nóng của vật thể đồng chất ở chế độ làm việc dài hạn: Hình 1-1. Đường đặc tính phát nóng theo thời gian của khí cụ điện ở chế độ dài hạn. Chế độ làm việc dài hạn là chế độ khí cụ làm việc trong thời gian t > t1, t1 là thời gian phát nóng của khí cụ điện từ nhiệt độ môi trường xung quanh đến nhiệt độ ổn định (hình 1-1) với phụ tải không đổi hay thay đổi ít. Khi đó độ chênh lệch nhiệt độ đạt tới trị số nhất định tôđ.
Một vật dẫn đồng chất, tiết diện đều đặn có nhiệt độ ban đầu là nhiệt độ môi trường xung quanh. Giả thiết dòng điện có giá trị không đổi bắt đầu qua vật dẫn: Từ lúc này vật dẫn tiêu tốn năng lượng điện để chuyển thành nhiệt năng làm nóng vật dẫn. Lúc đầu, nhiệt năng tỏa ra môi trường xung quanh ít mà chủ yếu tích lũy trong vật dẫn, nhiệt độ vật dẫn bắt đầu tăng dần lên và sau một thời gian đạt tới giá trị ổn định tôđ và giữ ở giá trị này. Như vậy là nhiệt độ vật dẫn tăng nhanh theo thời gian đến một lúc nào đó chậm dần và đi đến ổn định.
Nhiệt lượng tiêu tốn trong khoảng thời gian dt theo định luật Jun-Lenxơ: Pdt I 2 Rdt , Ws Với: P: Công suất tác dụng, W. I : Giá trị dòng điện hiệu dụng, A. R : Điện trở vật dẫn, W * Phương trình cân bằng nhiệt là: Pdt CMd S .dt Trong đó: CMd : Phần tích lũy đốt nóng vật dẫn S dt: Phần tỏa ra môi trường xung quanh. C: Tỉ nhiệt vật dẫn.
M: Khối lượng vật dẫn, kg. 4 : Độ chênh nhiệt độ (0C) so với môI trường xung quanh. : Hệ số tỏa nhiệt W/m2, oC S: Diện tích tỏa nhiệt của vật dẫn, m2. Các trạng thái làm việc của khí cụ điện: + Trạng thái làm việc bình thường: Là các khí cụ điện cũng như các thiết bị điện làm việc với các đại lượng thông số không vượt quá trị số định mức như các đại lượng về dòng điện, điện áp, công suất vv.
Đại lượng định mức là những trị số của các thông số mà thiết bị điện được sử dụng hết khả năng của chúng đồng thời đảm bảo làm việc lâu dài. + Trạng thái làm việc không bình thường: Là khi một trong các đại lượng đó vượt quá trị số cho phép gọi là làm việc trong trạng thái không bình thường. Ví dụ: Quá dòng điện: dòng điện vượt quá trị số định mức như, quá tải, ngắn mạch, khi đó các tổn hao trong dây quấn và lõi thép vượt quá mức bình thường làm nhiệt độ tăng cao gây hư hỏng khí cụ điện. Quá điện áp: điện áp vượt quá trị số định mức như trong trường hợp quá điện áp do sét.
Khi đó điện trường trong vật liệu cách điện tăng cao có thể xẩy ra phóng điện gây hư hỏng cách điện. Các loại ngắn mạch: ngắn mạch 3 pha, ngắn mạch 2 pha, ngắn mạch 1 pha, ngắn mạch 2 pha chạm đất. Khi có ngắn mạch dòng điện rất lớn, đây là trường hợp sự cố của mạch điện nên cần thiết phải có thiết bị bảo vệ. Tiếp xúc điện Khái niệm: Theo cách hiểu thông thường, chỗ tiếp xúc điện là nơi gặp gỡ chung của hai hay nhiều vật dẫn để dòng điện đi từ vật dẫn này sang vật dẫn khác.
Bề mặt tiếp xúc giữa các vật dẫn gọi là bề mặt tiếp xúc điện. Tiếp xúc điện là một phần rất quan trọng của khí cụ điện. Trong thời gian hoạt động đóng mở, chỗ tiếp xúc sẽ phát nóng cao, mài mòn lớn do va đập và ma sát, đặc biệt sự hoạt động có tính chất hủy hoại của hồ quang. Tiếp xúc điện phải thỏa mãn các yêu cầu sau: 5 - Thực hiện tiếp xúc chắc chắn, đảm bảo.
- Sức bền cơ khí cao. - Không phát nóng quá giá trị cho phép đối với dòng điện định mức. - Ổn định nhiệt và điện động khi có dòng ngắn mạch đi qua. - Chịu được tác dụng của môi trường xung quanh, ở nhiệt độ cao ít bị oxy hoá.
Có ba loại tiếp xúc: - Tiếp xúc cố định: hai vật tiếp xúc không rời nhau bằng bulông, đinh tán. - Tiếp xúc đóng mở: tiếp điểm của các khí cụ điện đóng mở mạch điện. - Tiếp xúc trượt: Chổi than trượt trên cổ góp, vành trượt của máy điện. Lực ép lên mặt tiếp xúc có thể là bulông hay lò xo.
Theo bề mặt tiếp xúc có ba dạng: - Tiếp xúc điểm (giữa hai mặt cầu, mặt cầu - mặt phẳng, hình nón - mặt phẳng). Bề mặt tiếp xúc theo dạng nào cũng có mặt phẳng lồi lõm rất nhỏ mà mắt thường không thể thấy được.