Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Khí cụ điện (Mã mô đun: KTĐ19MĐ15) được biên soạn bởi Ban biên soạn Trường Cao đẳng Dầu khí gồm ThS. Nguyễn Lê Cương (Chủ biên), ThS. Lê Thị Thu Hường và KS. Nguyễn Xuân Thịnh, ban hành chính thức theo Quyết định số 188/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 3 năm 2020 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí. Trong cấu trúc chương trình đào tạo nghề Thí nghiệm điện (trình độ Trung cấp) và nghề Điện công nghiệp (trình độ Cao đẳng), mô đun đóng vai trò là học phần cơ sở chuyên môn bắt buộc, có tổng thời lượng 75 giờ (gồm 14 giờ lý thuyết, 58 giờ thực hành/thảo luận và 3 giờ kiểm tra). Mô đun được bố trí giảng dạy sau các môn học đại cương, học sau môn Điện kỹ thuật cơ bản (KTĐ19MH7), Vẽ điện (KTĐ19MĐ65), An toàn điện (KTĐ19MH1), có thể học song song với môn Vật liệu điện, đồng thời là điều kiện tiên quyết để tiếp thu các mô đun chuyên ngành nâng cao như Bảo vệ rơ le (KTĐ19MĐ6), Đo lường điện (KTĐ19MĐ14), Trang bị điện 1 (KTĐ19MĐ57) và Thí nghiệm khí cụ điện (KTĐ19MĐ41).

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác lập theo ba chuẩn đầu ra rõ rệt:

  • Kiến thức: Người học nhận dạng, phân loại chính xác các nhóm khí cụ điện; giải thích cấu tạo, nguyên lý làm việc của các thiết bị đóng cắt, bảo vệ, điều khiển; nắm vững bản chất vật lý của quá trình tiếp xúc điện, phát nóng và hồ quang điện.
  • Kỹ năng: Tính toán, tra cứu và lựa chọn khí cụ điện phù hợp với các thông số định mức của mạng điện; thực hiện quy trình lắp đặt, đấu nối các thiết bị đóng cắt - bảo vệ - điều khiển vào các sơ đồ mạch điện công nghiệp cơ bản theo đúng Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN).
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Hình thành tác phong làm việc cẩn thận, chính xác, tuân thủ nghiêm ngặt quy trình an toàn điện và tư duy khoa học trong xử lý tình huống kỹ thuật.

Cấu trúc giáo trình tiếp cận theo mô hình tích hợp lý thuyết kỹ thuật cơ sở gắn liền với phân tích kết cấu và phương pháp tính chọn thiết bị thực tế. Điểm đặc sắc của tài liệu là việc chuẩn hóa hệ thống ký hiệu viết tắt, tích hợp các công thức giải tích tính toán tiếp xúc điện, lực điện động, ổn định động - ổn định nhiệt và số liệu thống kê sự cố ngắn mạch trong hệ thống điện công nghiệp.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được cấu trúc thành 4 bài học chính với tiến trình phát triển từ lý thuyết quá trình vật lý cơ bản đến kết cấu và nguyên lý của từng nhóm thiết bị chuyên biệt:

  • Bài 1: Khái niệm và công dụng của khí cụ điện (4 giờ LT): Trang bị định nghĩa, chức năng và các tiêu chí phân loại khí cụ điện (theo công dụng, tính chất dòng điện AC/DC, nguyên lý làm việc và cấp điện áp từ hạ áp $<3\text{kV}$ đến siêu cao áp $\ge 400\text{kV}$). Phân tích các chế độ phát nóng trong trạng thái quá tải, quá điện áp và ngắn mạch. Cung cấp dữ liệu thống kê xác suất xuất hiện các dạng ngắn mạch (Bảng 1.1: ngắn mạch 1 pha $N^{(1)}$ chiếm $65%$, 2 pha chạm đất $N^{(1-1)}$ chiếm $20%$, 2 pha $N^{(2)}$ chiếm $10%$, 3 pha $N^{(3)}$ chiếm $5%$). Trình bày bản chất tiếp xúc điện, phân loại tiếp xúc (cố định, đóng mở, trượt; tiếp xúc điểm, đường, mặt) và lý thuyết hồ quang điện (mật độ dòng $10^2 - 10^3\text{ A/mm}^2$, nhiệt độ $5000 - 6000^\circ\text{C}$) cùng các biện pháp dập tắt hồ quang (kéo dài cơ khí, phân đoạn qua cánh triệt hồ quang, thổi từ, buồng sinh khí và dập trong dầu biến áp).
  • Bài 2: Khí cụ điện đóng cắt (20 giờ: 3 LT - 17 TH): Đi sâu vào cấu tạo, thông số kỹ thuật và nguyên lý làm việc của:
    • Cầu dao: Cầu dao đơn, cầu dao đảo pha, cầu dao nối đất, cấu tạo lưỡi dao chính, dao phụ và má kẹp đàn hồi.
    • Công tắc và nút ấn: Công tắc hộp $\Pi\text{BM}$, công tắc chuyển mạch vạn năng dạng cam xoay, công tắc hành trình kiểu nút ấn BK-111, công tắc hành trình kiểu đòn, công tắc hành trình tế vi (độ chính xác $0{,}3 - 0{,}7\text{mm}$, thời gian tác động $0{,}01 - 0{,}02\text{s}$), các loại nút ấn điều khiển (nút nhấn đơn, liên động, phân định màu sắc: đỏ - dừng, xanh - khởi động).
    • Dao cách ly: Dao cách ly trong nhà, ngoài trời, cơ cấu truyền động và nguyên tắc khóa liên động liên hoàn với máy cắt điện.
    • Máy cắt điện và Áp tô mát (CB): Máy cắt nhiều dầu, máy cắt khí $\text{SF}_6$, máy cắt không khí, CB hạ áp bảo vệ quá tải bằng rơle nhiệt, bảo vệ ngắn mạch bằng móc điện từ, bảo vệ điện áp thấp và dòng Áp tô mát vạn năng vi mạch/bán dẫn với dãy dòng định mức từ $630\text{A}$ đến $5000\text{A}$.
  • Bài 3: Khí cụ điện bảo vệ (29 giờ: 4 LT - 24 TH - 1 KT): Trình bày nguyên lý biến đổi điện cơ của nam châm điện có nắp và không nắp; rơle dòng điện cực đại, rơle điện áp; cấu tạo và đặc tính Ampe - Giây ($A-s$) của rơle nhiệt lưỡng kim (dạng tấm, dạng đĩa đồng tiền, dạng đũa/ống, loại đặt kín bên trong động cơ); các chủng loại cầu chì (cầu chì vặn, cầu chì hộp, cầu chì kín có chất nhồi hạt thạch anh dập hồ quang); thiết bị chống dòng rò (cầu dao chống giật 1 pha, 3 pha ELCB/RCCB).
  • Bài 4: Khí cụ điện điều khiển (22 giờ: 3 LT - 17 TH - 2 KT): Phân tích kết cấu mạch từ, cuộn hút và hệ thống tiếp điểm chính/phụ của Contactor; sơ đồ nguyên lý mạch khởi động từ đơn (2 nút nhấn) và khởi động từ đảo chiều (3 nút nhấn liên động cơ điện); nguyên lý làm việc của rơle trung gian, rơle tốc độ và rơle thời gian (kiểu khí nén và kiểu bán dẫn điện tử).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập hệ thống cơ sở lý thuyết định lượng phục vụ tính toán kỹ thuật:

  • Lý thuyết điện trở tiếp xúc: Xây dựng trên mô hình cơ học tiếp xúc vật dẫn: $$R_{tx} = \frac{\rho \cdot \sigma_b}{F \cdot N}$$ (trong đó $\rho$ là điện trở suất vật liệu, $\sigma_b$ là ứng suất chống dập, $F$ là lực ép cơ học, $N$ là số điểm tiếp xúc). Đồng thời mô tả sự phụ thuộc của $R_{tx}$ theo nhiệt độ: $R_t = R_0[1 + \alpha_0(\theta - \theta_0)]$.
  • Lý thuyết lực điện động dập hồ quang: Xác định lực điện động tương hỗ tác dụng lên hồ quang cơ khí: $$F = \frac{I^2}{4l} \cdot \frac{dL}{dl}$$
  • Phương pháp tính chọn và kiểm nghiệm thiết bị:
    • Điều kiện chọn dòng - áp định mức: $U_{đm} \ge U_{mạng}$, $I_{đm} \ge I_{tt}$, $I_{Cđm} \ge I_{Nt}$ (hoặc $S_{cđm} \ge S_{Nt}$).
    • Điều kiện kiểm tra ổn định động: $I_{dđm} \ge I_{xk}$ (hoặc $i_{dđm} \ge i_{xk}$).
    • Điều kiện kiểm tra ổn định nhiệt: $B_{nhđm} = I_{nhđm}^2 \cdot T_{td}$ đối với thiết bị có dòng định mức $I_{đm} \le 1000\text{A}$.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật: Đọc và giải thích đúng các bản vẽ sơ đồ nguyên lý điều khiển; nhận dạng chính xác các cực tiếp điểm thường mở (NO), thường đóng (NC); thực hiện đấu nối các mạch điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha (mở máy trực tiếp, đảo chiều quay, liên động an toàn).
  • Kỹ năng phân tích: Tính toán dòng điện phụ tải ($I_{tt}$), dòng điện khởi động ($I_{kđ} = K_{mm} \cdot I_{đm}$), kiểm tra tính chọn lọc của các cấp bảo vệ CB và cầu chì; phân tích tọa độ đường đặc tính $A-s$ của rơle nhiệt so với đường đặc tính phát nóng cho phép của động cơ điện.
  • Kỹ năng thực hành nghề nghiệp: Thao tác đóng cắt dao cách ly theo đúng quy trình phối hợp liên động máy cắt; bảo dưỡng, làm sạch bề mặt tiếp điểm bị rỗ cháy; kiểm tra hoạt động của rơle thời gian và thiết bị chống dòng rò.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình Khí cụ điện được thiết kế theo phương pháp giảng dạy tích hợp (kết hợp lý thuyết và thực hành tại xưởng Trang bị điện):

  • Tiếp cận sư phạm: Giảng viên áp dụng phương pháp dạy học tích cực (nêu vấn đề, phân tích sơ đồ nguyên lý qua máy chiếu, đặt câu hỏi tình huống sự cố quá tải/ngắn mạch). Sinh viên đóng vai trò trung tâm thông qua việc tự nghiên cứu giáo trình trước giờ lên lớp và hoàn thành các phiếu học tập.
  • Hệ thống bài tập và thực hành xưởng: Tỷ trọng thực hành chiếm $77{,}3%$ tổng thời lượng (58/75 giờ). Người học trực tiếp thao tác trên các mô hình khí cụ thực tế, thực hiện đo kiểm điện trở tiếp xúc, thử nghiệm lực hút nam châm điện, đấu nối mạch khởi động từ đơn và đảo chiều quay, lắp ráp rơle bảo vệ nhiệt và đo dòng tác động của thiết bị chống rò.
  • Phương pháp kiểm tra, đánh giá:
    • Kiểm tra thường xuyên: 01 cột điểm đánh giá thông qua hỏi miệng hoặc bài tập trắc nghiệm trên máy tính.
    • Kiểm tra định kỳ: Gồm 03 bài kiểm tra bắt buộc:
      1. Bài kiểm tra số 1 (Lý thuyết): Kiểm tra nội dung Bài 1, Bài 2 và Bài 3.
      2. Bài kiểm tra số 2 (Lý thuyết): Kiểm tra chuyên sâu nội dung Bài 4.
      3. Bài kiểm tra số 3 (Thực hành): Đánh giá kỹ năng lắp ráp, vận hành mạch tổng hợp từ Bài 1 đến Bài 4.
    • Thi kết thúc mô đun: Hình thức trắc nghiệm trên máy tính với thời gian làm bài từ 60 đến 90 phút.
  • Hướng dẫn tự học: Sinh viên cần chuẩn bị đầy đủ giáo trình, vở ghi, tra cứu hệ thống câu hỏi củng cố ở cuối mỗi bài học (gồm các câu hỏi trắc nghiệm kiến thức về bản chất hồ quang, tiếp xúc điện, tuổi thọ cơ khí khí cụ đóng cắt), rèn luyện kỹ năng vẽ sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trước khi tham gia thực hành xưởng.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Kế thừa tài liệu kỹ thuật chuẩn mực: Giáo trình tổng hợp và kế thừa có chọn lọc các lý thuyết nền tảng từ giáo trình Khí cụ Điện Kết cấu, sử dụng và sửa chữa (Nguyễn Xuân Phú, NXB Khoa Học và Kỹ Thuật, 2000) cùng tài liệu giảng dạy chuyên môn nội bộ của Trường Cao đẳng Dầu khí do ThS. Lê Thị Thu Hường biên soạn.
  • Tích hợp các dòng thiết bị công nghiệp hiện đại: Bên cạnh các khí cụ điện đóng cắt truyền thống (cầu dao, máy cắt dầu), giáo trình cập nhật kết cấu và nguyên lý của các thiết bị đóng cắt - bảo vệ tiên tiến như: máy cắt cách điện bằng khí $\text{SF}_6$, máy cắt không khí (ACB), các dòng Áp tô mát dạng khối (MCCB), Áp tô mát dạng tép (MCB) của hãng Merlin Gerin, và hệ thống Áp tô mát vạn năng điều khiển bằng khối vi mạch bán dẫn có dòng định mức lên đến $5000\text{A}$.
  • Gắn kết thực tiễn vận hành lưới điện và nhà xưởng: Nội dung bài học bám sát thực tế sản xuất công nghiệp và các trạm biến áp, đặc biệt là các quy chuẩn bảo vệ động cơ điện, phối hợp liên động an toàn cơ - điện giữa dao cách ly và máy cắt, phương pháp dập hồ quang chân không/khí nén và phân tích hiện tượng dòng điện thứ tự nghịch trong máy điện quay.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên và học viên:
    • Học sinh, sinh viên theo học trình độ Trung cấp nghề Thí nghiệm điện, Cao đẳng nghề Điện công nghiệp và các chuyên ngành kỹ thuật liên quan đến vận hành, lắp đặt trạm điện, bảo trì hệ thống điện công nghiệp.
    • Học viên cần nắm vững cấu tạo bên trong và quy tắc tính chọn thiết bị điện trước khi học các mô đun chuyên sâu về rơle số và thí nghiệm điện cao áp.
  • Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites):
    • Đã hoàn thành các môn học chung và môn học cơ sở: Điện kỹ thuật cơ bản (KTĐ19MH7), An toàn điện (KTĐ19MH1), Vẽ điện (KTĐ19MĐ65).
    • Nắm vững các định luật cơ bản của mạch điện xoay chiều 1 pha, 3 pha, hiện tượng cảm ứng điện từ và an toàn đóng ngắt mạch điện.
  • Giảng viên và cán bộ kỹ thuật:
    • Sử dụng làm khung tài liệu giảng dạy chuẩn hóa để soạn bài giảng lý thuyết, biên soạn phiếu học tập xưởng thực hành và xây dựng ngân hàng đề thi trắc nghiệm khách quan.
    • Làm tài liệu tra cứu kỹ thuật cho kỹ thuật viên bảo trì, kỹ sư vận hành tại các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp và trạm biến áp phân phối.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Tài liệu được biên soạn phục vụ trực tiếp cho học sinh, sinh viên đào tạo nghề Thí nghiệm điện (hệ Trung cấp) và Điện công nghiệp (hệ Cao đẳng) theo chương trình mô đun KTĐ19MĐ15 của Trường Cao đẳng Dầu khí, đồng thời phù hợp cho kỹ thuật viên vận hành điện tại các cơ sở công nghiệp.

2. Cần kiến thức nền nào để học?

Người học cần hoàn thành khối kiến thức cơ bản về Điện kỹ thuật cơ bản, Vẽ điện, An toàn vệ sinh lao động và An toàn điện, nắm vững nguyên lý cảm ứng điện từ, quan hệ dòng - áp trong mạch 3 pha và kỹ năng đọc bản vẽ mạch điện.

3. Điểm khác biệt với giáo trình khác?

Giáo trình có tỷ trọng thời lượng thực hành vượt trội ($58/75$ giờ, chiếm hơn $77%$), tích hợp chi tiết giữa công thức giải tích tính chọn thiết bị (tiếp xúc điện, lực điện động dập hồ quang, ổn định nhiệt - động) với cấu tạo thực tế của các thiết bị hiện đại như máy cắt khí $\text{SF}_6$, Áp tô mát vi mạch bán dẫn $5000\text{A}$, rơle nhiệt kiểu đũa/ống và thiết bị chống dòng rò.

4. Làm sao để tự học hiệu quả?

Người học cần kết hợp đọc trước lý thuyết phân loại và nguyên lý làm việc của từng bài, giải hệ thống câu hỏi củng cố trắc nghiệm ở cuối mỗi bài học, ghi nhớ bảng ký hiệu viết tắt quy chuẩn, nghiên cứu kỹ các hình vẽ sơ đồ tiếp điểm (Hình 1.1 đến Hình 3.1) và chuẩn bị đầy đủ bài tập tình huống trước khi vào xưởng thực hành.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo?

Tài liệu học tập đi kèm gồm hệ thống Phiếu học tập thực hành xưởng Trang bị điện, ngân hàng câu hỏi trắc nghiệm kiểm tra trên máy tính, cùng 2 tài liệu tham khảo chính được trích dẫn: cuốn Khí cụ Điện Kết cấu, sử dụng và sửa chữa (Nguyễn Xuân Phú, NXB Khoa Học và Kỹ Thuật, 2000) và giáo trình nội bộ Khí cụ điện (Lê Thị Thu Hường, Trường Cao đẳng Dầu khí).

Kết luận

Giáo trình Khí cụ điện (Mã mô đun: KTĐ19MĐ15) do Trường Cao đẳng Dầu khí ban hành cung cấp nền tảng kiến thức kỹ thuật cơ sở chuẩn mực về phân loại, cấu tạo, nguyên lý làm việc và phương pháp tính chọn các thiết bị đóng cắt, bảo vệ và điều khiển trong hệ thống điện công nghiệp. Thông qua thời lượng thực hành chuyên sâu (58 giờ) kết hợp hệ thống đánh giá trắc nghiệm và thực hành đồng bộ, giáo trình định hình kỹ năng thao tác nghề nghiệp và năng lực tư duy kỹ thuật cho người học.

Theo tiến trình đào tạo nghề Điện công nghiệp và Thí nghiệm điện, kiến thức từ mô đun này là bước đệm trực tiếp để người học tiếp tục hoàn thành các học phần chuyên sâu tiếp theo: Bảo vệ rơ le (KTĐ19MĐ6), Đo lường điện (KTĐ19MĐ14), Trang bị điện 1 (KTĐ19MĐ57), Phần điện nhà máy điện và trạm biến áp (KTĐ19MĐ37), Thí nghiệm khí cụ điện (KTĐ19MĐ41), Thí nghiệm máy cắt điện (KTĐ19MĐ43) và Thực tập sản xuất (KTĐ19MĐ51).