Tổng quan về giáo trình

Giáo trình môn học Khí cụ điện được Trường Cao đẳng Dầu khí biên soạn và ban hành theo Quyết định số 213/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022 tại Bà Rịa – Vũng Tàu. Tài liệu do nhóm tác giả gồm Ninh Trọng Tuấn, Lê Thị Hải Huyền và Nguyễn Xuân Thịnh thực hiện, được lưu hành nội bộ phục vụ công tác giảng dạy và học tập cho nghề Điện công nghiệp và nghề Vận hành nhà máy nhiệt điện.

Trong khung chương trình đào tạo trình độ cao đẳng (tổng khối lượng 84 tín chỉ, 2010 giờ), môn học Khí cụ điện mang mã mô đun ELEI53117 (hoặc ELET52116), có thời lượng 2 tín chỉ tương đương 45 giờ đào tạo (14 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành/thí nghiệm/thảo luận và 2 giờ kiểm tra). Mô đun này thuộc nhóm kiến thức cơ sở ngành (Mục II.1), được bố trí giảng dạy sau các môn học chung/đại cương, học trước các môn An toàn điện, Mạch điện và có thể tổ chức song song với môn Vật liệu điện.

Về mục tiêu học tập (learning outcomes), giáo trình cung cấp kiến thức nền tảng giúp người học nhận dạng, phân loại, giải thích cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các loại khí cụ điện thông dụng. Về kỹ năng, học sinh được rèn luyện năng lực tính toán, lựa chọn khí cụ phù hợp với phụ tải và lắp đặt chính xác vào các sơ đồ mạch điện thực tế theo tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam (TCVN). Đồng thời, tài liệu hướng đến việc định hình tính kỷ luật, sự cẩn trọng và tác phong an toàn lao động trong môi trường kỹ thuật điện.

Cấu trúc giáo trình gồm 4 bài học chính, triển khai tuần tự từ lý thuyết đại cương, khí cụ đóng cắt, khí cụ bảo vệ đến khí cụ điều khiển, kết hợp giữa lý thuyết tính toán thông số kỹ thuật và sơ đồ cấu tạo thực tế.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

  • Bài 1: Khái niệm và công dụng của khí cụ điện (3 giờ: 2 giờ LT, 1 giờ TH): Cung cấp khái niệm, công dụng và các tiêu chí phân loại khí cụ điện. Phân tích trạng thái phát nóng trong điều kiện làm việc bình thường, quá tải, quá điện áp và ngắn mạch. Thống kê xác suất xuất hiện sự cố ngắn mạch theo Bảng 1.1 ($N^{(1)}$ chiếm 65%, $N^{(1-1)}$ chiếm 20%, $N^{(2)}$ chiếm 10%, $N^{(3)}$ chiếm 5%). Trình bày bản chất tiếp xúc điện (tiếp xúc cố định, đóng mở, trượt; dạng điểm, đường, mặt) và bản chất của hồ quang điện kèm 6 biện pháp dập tắt hồ quang (kéo dài cơ khí, phân đoạn qua cách tử thép, thổi từ, sinh khí, dập tắt trong dầu biến áp, buồng dập chân không/khí).
  • Bài 2: Khí cụ điện đóng cắt (14 giờ: 5 giờ LT, 9 giờ TH): Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc và phương pháp tính chọn của các thiết bị đóng cắt bằng tay và tự động:
    • Cầu dao hạ áp: Gam dòng định mức từ 15A đến 1000A, phân tích lực điện động hướng kính $F = \frac{I^2}{4l} \cdot \frac{dL}{dl}$.
    • Công tắc và nút ấn: Công tắc hộp loại $\Pi BM$, công tắc chuyển mạch vạn năng, công tắc hành trình kiểu nút ấn (BK-111, dòng định mức 6A, điện áp 500V), công tắc hành trình tế vi (độ chính xác 0,3 - 0,7 mm), công tắc hành trình kiểu đòn và kiểu quay; quy chuẩn nút ấn dừng (màu đỏ) và khởi động (màu xanh).
    • Dao cách ly: Khí cụ đóng cắt cao áp không tải, tạo khoảng cách cách ly nhìn thấy được; phân loại lắp đặt trong nhà và ngoài trời (cấp điện áp từ 3kV trở lên); nguyên tắc thao tác liên động cơ khí với máy cắt.
    • Máy cắt cao áp: Máy cắt nhiều dầu, máy cắt khí $SF_6$, máy cắt không khí; các điều kiện kiểm tra ổn định động ($I_{dđm} \ge I_{xk}$), ổn định nhiệt ($B_{nhđm} = I_{nhđm}^2 \cdot T_{td}$) và khả năng cắt dòng ngắn mạch ($I_{cđmMC} \ge I_{Nt}$ hay $S_{cđm} \ge S_{Nt}$).
    • Áp tô mát (CB): Cấu tạo hệ thống 2 hoặc 3 cấp tiếp điểm (chính, phụ, hồ quang), buồng dập hồ quang kiểu nửa kín ($<50\text{ kA}$) và kiểu hở ($>50\text{ kA}$ hoặc $>1000\text{ V}$), cơ cấu móc bảo vệ quá dòng điện cực đại và bảo vệ sụt áp; các dòng CB bán dẫn/vi mạch có dòng định mức lên đến 5000A.
  • Bài 3: Khí cụ điện bảo vệ (14 giờ: 3 giờ LT, 11 giờ TH): Cấu tạo và nguyên lý của nam châm điện có nắp và không nắp; rơ le điện từ (rơ le dòng điện cực đại, rơ le điện áp); rơ le nhiệt kim loại kép (kiểu đồng tiền, kiểu kín đặt trong động cơ, dạng đũa, kiểu ống, kiểu khí nén) dựa trên đường đặc tính ampe-giây ($A\text{-}s$); cấu tạo cầu chì (loại vặn, loại hộp, loại kín có chất nhồi); cầu dao chống dòng rò một pha và ba pha.
  • Bài 4: Khí cụ điện điều khiển (14 giờ: 4 giờ LT, 8 giờ TH, 2 giờ kiểm tra): Khảo sát cấu tạo và nguyên lý contactor; khởi động từ đơn hai nút nhấn và khởi động từ đảo chiều ba nút nhấn; rơ le trung gian; rơ le tốc độ; rơ le thời gian kiểu khí nén và kiểu bán dẫn.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng hệ thống lý thuyết dựa trên các nguyên lý kỹ thuật điện cơ bản:

  • Lý thuyết hồ quang điện: Giải thích hiện tượng phát xạ điện tử catôt và ion hóa chất khí ở mật độ dòng điện $10^2 - 10^3\text{ A/mm}^2$ cùng nhiệt độ đạt $5000 - 6000^\circ\text{C}$; nguyên lý phản ion để dập tắt hồ quang.
  • Lý thuyết tiếp xúc điện: Mối quan hệ giữa điện trở tiếp xúc $R_{tx}$ với điện trở suất vật liệu $\rho$, lực ép tiếp điểm $F$, số điểm tiếp xúc $N$, ứng suất chống dập $\delta_b$ và nhiệt độ tiếp điểm qua hệ số nhiệt trở $a_0$.
  • Cơ chế tính toán lựa chọn thiết bị: Công thức xác định dòng điện tính toán $I_{tt}$, điện áp tính toán $U_{tt}$, hệ số dòng mở máy động cơ $K_{mm}$ và thời gian tác động tổng hợp $t = t_{bv} + t_{mc}$.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật: Đọc hiểu các ký hiệu tiêu chuẩn (NO, NC, thông số định mức); tính chọn công suất, dòng điện, điện áp định mức cho nút ấn, cầu dao, CB, dao cách ly và máy cắt cao áp.
  • Kỹ năng phân tích: Đánh giá đặc tính bảo vệ của rơ le nhiệt phối hợp với đặc tính chịu tải của động cơ điện; xác định sự cố ngắn mạch đối xứng và không đối xứng.
  • Năng lực thực hành nghề nghiệp: Lắp ráp, đấu nối hoàn chỉnh mạch khởi động, dừng, đảo chiều quay động cơ điện sử dụng contactor, nút ấn liên động và rơ le nhiệt.

Phương pháp giảng dạy và học tập

  • Phương pháp giảng dạy: Giáo trình định hướng giảng viên áp dụng các phương pháp giảng dạy tích cực như diễn giảng kỹ thuật, vấn đáp lý thuyết và dạy học theo vấn đề (problem-based learning). Giảng viên biên soạn giáo án theo từng bài/buổi dạy, tổ chức theo lớp học tập trung và thiết kế các phiếu học tập để hướng dẫn học sinh thao tác trên thiết bị.
  • Điều kiện cơ sở vật chất:
    • Phòng học lý thuyết chuyên môn hóa và xưởng thực hành Trang bị điện.
    • Thiết bị dạy học: Máy tính, máy chiếu kết hợp các phim ảnh, mô hình trực quan và thiết bị điện thực tế.
    • Học liệu: Giáo trình môn học, giáo án, phiếu bài tập tình huống và tài liệu tham khảo chuyên ngành.
  • Phương pháp học tập: Người học có trách nhiệm chủ động nghiên cứu trước nội dung giáo trình trước khi đến lớp, chuẩn bị đầy đủ dụng cụ và vở ghi. Trong các giờ thực hành, học sinh thực hiện các bài tập, câu hỏi thảo luận theo hình thức làm việc độc lập hoặc phối hợp làm việc nhóm, bảo đảm nghiêm ngặt nội quy an toàn phòng xưởng.
  • Phương thức đánh giá kết quả học tập:
    • Đánh giá thường xuyên: 01 cột điểm kiểm tra thông qua hình thức hỏi miệng hoặc thực hành trên máy tính.
    • Đánh giá định kỳ: 03 bài kiểm tra (gồm 01 bài kiểm tra lý thuyết và 02 bài kiểm tra thực hành) tổng hợp kiến thức từ Bài 1 đến Bài 4.
    • Thi kết thúc môn học: Thi trắc nghiệm khách quan trên hệ thống máy tính với thời gian làm bài từ 60 phút đến 90 phút.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Hệ thống hóa thiết bị đóng cắt từ hạ áp đến cao áp: Giáo trình trình bày từ các khí cụ hạ áp dân dụng (cầu dao, công tắc hộp $\Pi BM$, nút ấn) đến các thiết bị đóng cắt công nghiệp công suất lớn và cao áp như dao cách ly trong nhà/ngoài trời, máy cắt nhiều dầu, máy cắt khí $SF_6$ và máy cắt không khí.
  • Tích hợp các dòng Aptomat (CB) điều khiển bán dẫn: Bên cạnh các rơ le nhiệt và nam châm điện truyền thống, tài liệu cập nhật dòng Aptomat vạn năng tích hợp khối bảo vệ bằng bán dẫn và vi mạch, hoạt động ở điện áp 660V xoay chiều với dải dòng định mức mở rộng từ 630A đến 5000A.
  • Dẫn chứng thiết bị thực tế từ các nhà sản xuất: Giáo trình sử dụng trực tiếp hình ảnh, thông số kỹ thuật của các dòng CB thông dụng từ hãng Merlin Gerin, thiết bị chống dòng rò một pha, ba pha và rơ le nhiệt kiểu đồng tiền, rơ le kiểu ống gắn bên trong động cơ.
  • Kế thừa các tài liệu chuyên ngành tiêu chuẩn: Nội dung giáo trình được biên soạn dựa trên việc chọn lọc, đối chiếu từ các nguồn tài liệu tham khảo gồm:
    1. Nguyễn Xuân Phú (2000), Khí cụ Điện Kết cấu, sử dụng và sửa chữa, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
    2. Lê Thị Thu Hường, Khí cụ điện, Giáo trình lưu hành nội bộ Trường Cao đẳng Dầu khí.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Cấp độ và đối tượng đào tạo: Giáo trình được thiết kế chuẩn hóa cho sinh viên trình độ cao đẳng thuộc hai chuyên ngành chính tại Trường Cao đẳng Dầu khí:
    • Nghề Vận hành nhà máy nhiệt điện (khóa đào tạo theo chương trình khung 84 tín chỉ).
    • Nghề Điện công nghiệp.
  • Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites):
    • Người học cần hoàn thành khối kiến thức chung/đại cương gồm: Giáo dục chính trị (COMP64002), Pháp luật (COMP62004), Tin học (COMP63006), Tiếng Anh (FORL66001), An toàn vệ sinh lao động (SAEN52001).
    • Mô đun được giảng dạy làm nền tảng trước các môn học: An toàn điện (ELET5201), Đo lường điện (ELEI53115), Mạch điện và có thể bố trí học song song với môn Vật liệu điện.
  • Ứng dụng đối với cán bộ giảng dạy: Là căn cứ chuyên môn để giảng viên thiết kế kế hoạch bài giảng, chuẩn bị phiếu học tập, xây dựng câu hỏi đánh giá và tổ chức các bài thực hành xưởng đạt chuẩn kỹ năng nghề.
  • Ứng dụng cho kỹ thuật viên và người tự học: Cung cấp thông tin tham khảo kỹ thuật về thông số thiết bị, bảng tra cứu dòng điện định mức, nguyên tắc vận hành liên động và bảo vệ quá tải/ngắn mạch phục vụ vận hành nhà máy công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Tài liệu được biên soạn phục vụ trực tiếp cho sinh viên hệ cao đẳng nghề Điện công nghiệp và nghề Vận hành nhà máy nhiệt điện, đồng thời làm tài liệu tham khảo cho giảng viên giảng dạy các môn kỹ thuật điện cơ sở và kỹ thuật viên vận hành lưới điện nhà máy.

2. Cần kiến thức nền nào để học?

Người học cần hoàn thành các môn học đại cương cơ bản (Tin học, Tiếng Anh, An toàn lao động). Kiến thức vật lý cơ sở về dòng điện, điện áp, hiện tượng nhiệt và từ trường là điều kiện cần thiết để tiếp thu lý thuyết tiếp xúc điện, hồ quang và nam châm điện.

3. Điểm khác biệt với giáo trình khác?

Giáo trình phân bổ dung lượng thực hành vượt trội (29 giờ thực hành trên tổng số 45 giờ mô đun, chiếm 64,4% thời lượng). Nội dung gắn kết trực tiếp với thiết bị thực tế trong nhà máy điện như dao cách ly trung - cao áp, máy cắt dầu, máy cắt khí $SF_6$, CB bảo vệ điện tử và contactor đảo chiều.

4. Làm sao để tự học hiệu quả?

Người học cần kết hợp đọc trước lý thuyết từng bài, trả lời hệ thống câu hỏi củng cố trắc nghiệm ở cuối Bài 1, Bài 2; đồng thời thực hành tính chọn thông số thiết bị theo các biểu thức giải tích ($I_{đm}, U_{đm}, R_{tx}, S_{cđm}$) trước khi tham gia đấu nối mạch tại xưởng thực hành.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo?

Kèm theo giáo trình là hệ thống phiếu học tập chuyên môn hóa, hệ thống hình vẽ mặt cắt cấu tạo (25 hình vẽ), bảng thống kê xác suất ngắn mạch (Bảng 1.1), bảng số liệu cuộn dây rơ le và các tài liệu tham khảo tiêu chuẩn của tác giả Nguyễn Xuân Phú (NXB Khoa Học và Kỹ Thuật, 2000) cùng tài liệu chuyên môn của Trường Cao đẳng Dầu khí.

Kết luận

Giáo trình môn học Khí cụ điện của Trường Cao đẳng Dầu khí cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện và có cấu trúc chặt chẽ về cấu tạo, nguyên lý làm việc và phương pháp tính toán các thiết bị điện đóng cắt, bảo vệ và điều khiển.

Lộ trình học tập được thiết kế liên tục từ việc nắm vững bản chất vật lý của tiếp xúc điện và quá trình dập tắt hồ quang (Bài 1), chuyển sang tính chọn khí cụ đóng cắt và bảo vệ quá tải, ngắn mạch (Bài 2, Bài 3), đến thiết lập các mạch điều khiển tự động liên động (Bài 4). Mô đun này là cơ sở trực tiếp để sinh viên tiếp thu các học phần chuyên sâu tiếp theo trong chương trình đào tạo như Phần điện nhà máy điện và trạm biến áp (ELET52137), Bảo vệ rơ le (ELET5316) và Trang bị điện 1 (ELET55157).