Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Khí cụ điện (Mã mô đun: KTĐ19MĐ15) được biên soạn theo chương trình đào tạo nghề Lắp đặt thiết bị điện và Điện công nghiệp trình độ Trung cấp và Cao đẳng, ban hành kèm theo Quyết định số 187/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 3 năm 2020 của Trường Cao đẳng Dầu khí (thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam). Tài liệu do tập thể tác giả gồm Nguyễn Lê Cương (Chủ biên), Lê Thị Thu Hường và Nguyễn Xuân Thịnh thực hiện tại Bà Rịa – Vũng Tàu, xuất bản lưu hành nội bộ vào tháng 6 năm 2020.

Trong cấu trúc chương trình đào tạo nghề bắt buộc (khối kỹ thuật cơ sở với 14 tín chỉ/270 giờ), mô đun Khí cụ điện có thời lượng 3 tín chỉ (tổng số 75 giờ, gồm 14 giờ lý thuyết, 58 giờ thực hành/thảo luận và 3 giờ kiểm tra). Môn học được bố trí học sau các môn học đại cương, học trước môn An toàn lao động, Mạch điện và có thể bố trí học song song với môn Vật liệu điện.

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định cụ thể trên ba phương diện:

  • Kiến thức: Trang bị khả năng nhận dạng, phân loại các dòng khí cụ điện; giải thích cấu tạo, nguyên lý vận hành của thiết bị đóng cắt, bảo vệ và điều khiển; nắm vững phương pháp lắp đặt khí cụ vào các mạch điện cơ bản.
  • Kỹ năng: Tính toán và lựa chọn chính xác khí cụ điện phù hợp với thông số kỹ thuật phụ tải; thực hiện thành thạo việc đấu nối, lắp đặt các khí cụ vào sơ đồ mạch điện thực tế theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN).
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện tính chủ động, cẩn thận, phương pháp tư duy khoa học và tuân thủ quy trình kỹ thuật nghiêm ngặt.

Giáo trình được cấu trúc thành 4 bài học chính, kết hợp lý thuyết giải tích kỹ thuật với thực hành xưởng (chiếm hơn 77% tổng thời lượng), tập trung vào các thiết bị thực tế đang được vận hành trong lưới điện hạ áp, trung áp và các hệ thống phân phối điện công nghiệp.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được triển khai tuần tự qua 4 bài học chuyên đề:

┌────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Bài 1: Khái niệm và công dụng của khí cụ điện (4h LT) │
└──────────────────────────┬─────────────────────────────┘
                           │
┌──────────────────────────▼─────────────────────────────┐
│ Bài 2: Khí cụ điện đóng cắt (3h LT - 17h TH)          │
└──────────────────────────┬─────────────────────────────┘
                           │
┌──────────────────────────▼─────────────────────────────┐
│ Bài 3: Khí cụ điện bảo vệ (4h LT - 24h TH - 1h KT)     │
└──────────────────────────┬─────────────────────────────┘
                           │
┌──────────────────────────▼─────────────────────────────┐
│ Bài 4: Khí cụ điện điều khiển (3h LT - 17h TH - 2h KT) │
└────────────────────────────────────────────────────────┘

Bài 1: Khái niệm và công dụng của khí cụ điện (4 giờ lý thuyết)

Trình bày định nghĩa, chức năng và hệ thống phân loại khí cụ điện theo công dụng (khống chế, bảo vệ, điều khiển tự động từ xa, hạn chế dòng ngắn mạch, duy trì ổn định tham số, đo lường), tính chất dòng điện (AC/DC), nguyên lý làm việc và cấp điện áp (hạ áp $< 3\text{ kV}$, trung áp $3 - 36\text{ kV}$, cao áp $36 - 400\text{ kV}$, siêu cao áp $\ge 400\text{ kV}$). Phân tích các trạng thái phát nóng gồm quá tải, quá điện áp và ngắn mạch. Giáo trình cung cấp bảng số liệu xác suất xảy ra các dạng ngắn mạch trong hệ thống:

Dạng ngắn mạch Ký hiệu quy ước Xác suất xảy ra (%)
Ngắn mạch 1 pha $N^{(1)}$ 65%
Ngắn mạch 2 pha chạm đất $N^{(1-1)}$ 20%
Ngắn mạch 2 pha $N^{(2)}$ 10%
Ngắn mạch 3 pha $N^{(3)}$ 5%

Phần tiếp xúc điện phân tích cấu trúc tiếp xúc cố định, đóng mở, trượt; các dạng tiếp xúc điểm, đường, mặt; giải trình công thức tính điện trở tiếp xúc:

$$R_{tx} = \frac{\rho}{0.1 \cdot F \cdot N \cdot \delta_b}$$

Phần hồ quang điện phân tích bản chất phóng điện khí mật độ $10^2 - 10^3\text{ A/mm}^2$ ở nhiệt độ $5000 - 6000^\circ\text{C}$ và 5 phương pháp dập tắt: kéo dài hồ quang cơ khí, phân đoạn hồ quang bằng cách tử thép/amiăng, thổi hồ quang bằng từ trường cuộn dây, thổi hồ quang tự sinh khí và dập tắt trong dầu biến áp.

Bài 2: Khí cụ điện đóng cắt (20 giờ: 3h lý thuyết, 17h thực hành)

Khảo sát kết cấu, thông số kỹ thuật và nguyên lý làm việc của:

  • Cầu dao: Các loại 1 cực, 2 cực, 3 cực, cầu dao đổi nối đất; dập hồ quang bằng kéo dài cơ khí với lực điện động $F = \frac{I^2}{4l} \frac{dL}{dl}$; các gam dòng định mức từ $15\text{ A}$ đến $1000\text{ A}$.
  • Công tắc và nút ấn: Công tắc đổi nối kiểu hộp $\Pi\text{BM}$ (dòng điện đến $400\text{ A}$, tuổi thọ $2 \cdot 10^4$ lần đóng ngắt), công tắc chuyển mạch vạn năng đến $440\text{V DC} / 500\text{V AC}$, công tắc hành trình kiểu nút ấn BK-111 ($6\text{ A} / 500\text{V}$), công tắc hành trình tế vi (độ chính xác $0.3 - 0.7\text{ mm}$, thời gian đóng ngắt $0.01 - 0.02\text{ s}$), công tắc kiểu đòn và kiểu quay. Phân tích nút ấn thường hở, thường đóng, liên động với điều kiện chọn $I_{NA} \ge I_{tt}$, $U_{NA} \ge U_{đm}$.
  • Dao cách ly: Khảo sát dao cách ly trong nhà, ngoài trời cấp điện áp từ $3\text{ kV}$ trở lên, cấu trúc liên động cơ khí với máy cắt.
  • Máy cắt điện: Cấu tạo máy cắt nhiều dầu, máy cắt khí $\text{SF}6$, máy cắt không khí (ACB). Xác định điều kiện chọn lựa và kiểm tra ổn định động ($I{dđm} \ge I_{xk}$), ổn định nhiệt ($B_{nhđm} = I_{nhđm}^2 \cdot T_{tđ}$).
  • Aptomat (CB): Phân loại theo số cực, thời gian tác động và chức năng bảo vệ. Phân tích nguyên lý móc bảo vệ điện từ (chống ngắn mạch), móc bảo vệ rơ le nhiệt (chống quá tải), móc bảo vệ sụt áp. Khảo sát buồng dập hồ quang nửa kín (dòng cắt $\le 50\text{ kA}$) và kiểu hở ($> 50\text{ kA}$ hoặc cao áp); aptomat vạn năng vi mạch bán dẫn có dòng định mức từ $630\text{ A}$ đến $5000\text{ A}$ (Merlin Gerin).

Bài 3: Khí cụ điện bảo vệ (29 giờ: 4h lý thuyết, 24h thực hành, 1h kiểm tra)

Nghiên cứu cấu tạo nam châm điện có nắp và không nắp, rơ le điện từ, rơ le dòng cực đại, rơ le điện áp; rơ le nhiệt kim loại kép (nguyên lý uốn cong theo nhiệt độ, đường đặc tính ampe-giây phối hợp bảo vệ động cơ, các kiểu kết cấu: tấm phẳng, kiểu đồng tiền, dạng thanh đũa, kiểu ống, kiểu kín đặt trong thân máy); cầu chì (cầu chì vặn, hộp, cầu chì kín có chất nhồi); thiết bị chống dòng rò / cầu dao chống giật 1 pha và 3 pha (RCCB/RCBO).

Bài 4: Khí cụ điện điều khiển (22 giờ: 3h lý thuyết, 17h thực hành, 2h kiểm tra)

Phân tích cấu tạo và nguyên lý của Contactor (nam châm điện hút nhả tiếp điểm chính NO và tiếp điểm phụ NC); Khởi động từ đơn hai nút nhấn và Khởi động từ đảo chiều ba nút nhấn (có khóa chéo liên động); Rơ le trung gian, rơ le tốc độ và Rơ le thời gian (kiểu khí nén, kiểu bán dẫn điện tử).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập hệ thống lý thuyết kỹ thuật điện cơ sở thông qua:

  1. Lý thuyết nhiệt và quá độ trong mạch điện: Hiện tượng phát nóng do dòng điện định mức, dòng quá tải và dòng ngắn mạch ($I_{Nt}$ gồm thành phần chu kỳ và không chu kỳ, ảnh hưởng sóng hài bậc cao ở lưới điện $\ge 330\text{ kV}$).
  2. Nguyên lý tiếp xúc và hồ quang học: Cơ chế hình thành điện trở tiếp xúc ($R_{tx}$), điện dẫn bề mặt, quá trình phát xạ điện tử catot và ion hóa chất khí sinh hồ quang khi mở tiếp điểm.
  3. Lý thuyết lực điện động và ổn định điện từ: Lực tương tác giữa các phần tử dẫn điện khi có dòng xung kích ($i_{xk}$), điều kiện cân bằng lực lò xo và lực hút nam châm điện trong các cơ cấu đóng cắt.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng tính toán kỹ thuật: Xác định dòng điện tính toán ($I_{tt}$), điện áp tính toán ($U_{tt}$), dòng điện khởi động ($I_{kđ} = K_{mm} \cdot I_{đm}$); tính chọn thông số định mức của cầu dao, CB, nút ấn, rơ le nhiệt và contactor.
  • Kỹ năng phân tích sơ đồ: Đọc, hiểu sơ đồ nguyên lý đóng cắt, bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ sụt áp và sơ đồ điều khiển động cơ đảo chiều quay, khởi động sao - tam giác ($Y/\Delta$).
  • Kỹ năng thao tác thực tế: Lắp ráp, đấu nối chính xác các khối tiếp điểm chính, tiếp điểm phụ (NO/NC), buồng dập hồ quang, móc bảo vệ; kiểm tra hoạt động cơ khí và điện của các bộ khởi động từ, rơ le thời gian và thiết bị chống dòng rò.

Phương pháp giảng dạy và học tập

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ TỔNG THỜI LƯỢNG MÔ ĐUN: 75 GIỜ (3 TÍN CHỈ)                  │
├───────────────────┬─────────────────────────────────────────┤
│ Lý thuyết: 14 giờ │ Thực hành, thảo luận, bài tập: 58 giờ   │
├───────────────────┴─────────────────────────────────────────┤
│ Kiểm tra: 3 giờ (Định kỳ lý thuyết, thực hành & Thi máy)    │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

Phương pháp sư phạm

Giáo trình quy định áp dụng các phương pháp giảng dạy tích cực:

  • Giảng viên: Sử dụng phương pháp diễn giảng tích cực kết hợp vấn đáp và dạy học theo vấn đề (Problem-Based Learning); xây dựng các phiếu học tập, tình huống sự cố thực tế trên lưới điện để người học phân tích; kết hợp trình chiếu mô hình thiết bị và sơ đồ nguyên lý.
  • Người học: Làm việc độc lập kết hợp làm việc nhóm; nghiên cứu trước tài liệu giáo trình của từng bài học; giải quyết các câu hỏi thảo luận, bài tập tình huống kỹ thuật và nộp báo cáo đúng tiến độ.

Điều kiện và môi trường thực hiện

  • Phòng học / Nhà xưởng: Phòng học lý thuyết chuyên môn hóa và xưởng thực hành môn Trang bị điện.
  • Trang thiết bị: Hệ thống máy vi tính, máy chiếu; các bộ mẫu khí cụ điện thực tế (cầu dao, công tắc hành trình, nút ấn, contactor, rơ le nhiệt, CB, máy cắt hạ áp).
  • Học liệu: Giáo trình môn học, giáo án bài giảng, phiếu học tập, sơ đồ bản vẽ kỹ thuật và phim ảnh tư liệu vận hành thiết bị.

Phương pháp kiểm tra và đánh giá

Quy trình đánh giá kết quả học tập gồm 3 hợp phần:

  1. Kiểm tra thường xuyên: 01 bài kiểm tra theo hình thức hỏi miệng trên lớp hoặc làm bài thực hành trên máy tính.
  2. Kiểm tra định kỳ (03 bài):
    • Bài số 1 (Lý thuyết): Đánh giá kiến thức tổng hợp Bài 1, Bài 2 và Bài 3.
    • Bài số 2 (Lý thuyết): Đánh giá kiến thức Bài 4.
    • Bài số 3 (Thực hành): Đánh giá kỹ năng thao tác, lắp ráp mạch điện tích hợp cả 4 bài học.
  3. Thi kết thúc mô đun: Hình thức thi trắc nghiệm trên máy tính, thời gian làm bài từ 60 đến 90 phút.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Cấu trúc nội dung toàn diện: Bao quát từ cấp điện áp hạ thế dân dụng ($220\text{V}/380\text{V}$) đến lưới trung áp, cao áp công nghiệp ($3\text{ kV} - 500\text{ kV}$), làm rõ sự khác biệt trong giải pháp dập hồ quang giữa hạ áp (cách tử amiăng, cuộn thổi từ) và cao áp (dầu biến áp, khí nén, khí $\text{SF}_6$).
  • Cập nhật công nghệ thiết bị hiện đại: Bổ sung kiến thức về máy cắt khí $\text{SF}_6$, máy cắt không khí (ACB), các dòng aptomat vạn năng tích hợp vi mạch bán dẫn điện tử điều khiển dải dòng lên tới $5000\text{ A}$ (như dòng thiết bị của Merlin Gerin), rơ le nhiệt kiểu kín đặt trực tiếp trong thân động cơ và rơ le thời gian bán dẫn.
  • Tính thực tiễn trong ngành Dầu khí và Công nghiệp: Hệ thống phân loại, quy cách màu sắc nút ấn (đỏ để dừng, xanh để khởi động), tiêu chuẩn vỏ bảo vệ (chống bụi, chống nước, chống nổ chuyên dùng cho môi trường khí cháy) được chuẩn hóa theo thực tế lắp đặt trạm điện xí nghiệp và công trình công nghiệp dầu khí.

Đối tượng sử dụng giáo trình

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG                                          │
├──────────────────────────────┬──────────────────────────────┤
│ Người học                    │ Cán bộ giảng dạy & Kỹ sư    │
├──────────────────────────────┼──────────────────────────────┤
│ • Học sinh, sinh viên Trung  │ • Giảng viên bộ môn Điện     │
│   cấp / Cao đẳng nghề Điện   │   soạn bài giảng, phiếu học  │
│   công nghiệp, Lắp đặt thiết │   tập và đề thi trắc nghiệm  │
│   bị điện                    │ • Kỹ thuật viên, thợ điện    │
│ • Học viên tự học bổ túc tay │   vận hành bảo trì trạm phân │
│   nghề cơ điện               │   phối tra cứu thông số      │
└──────────────────────────────┴──────────────────────────────┘
  • Sinh viên / Học viên: Dùng cho học sinh, sinh viên học nghề Lắp đặt thiết bị điện và Điện công nghiệp trình độ Trung cấp, Cao đẳng tại Trường Cao đẳng Dầu khí và các cơ sở giáo dục nghề nghiệp tương đương.
  • Điều kiện tiên quyết: Người học cần hoàn thành các môn chung (Giáo dục chính trị, Tin học, Tiếng Anh) và các môn cơ sở ngành: An toàn vệ sinh lao động (ATMT19MH01), An toàn điện (KTĐ19MH1), Mạch điện cơ bản (KTĐ19MH32), Mạch điện (KTĐ19MĐ31).
  • Giảng viên: Tài liệu chuẩn dùng thiết kế giáo án giảng dạy lý thuyết, xây dựng bài tập xưởng thực hành và lập ngân hàng câu hỏi trắc nghiệm kết thúc môn học.
  • Cán bộ kỹ thuật: Dùng làm tài liệu tham khảo để tra cứu thông số kỹ thuật, ký hiệu tiêu chuẩn và quy tắc tính chọn thiết bị đóng cắt - bảo vệ cho mạng hạ áp và trạm phân phối.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được biên soạn phục vụ học sinh, sinh viên theo học nghề Lắp đặt thiết bị điện và Điện công nghiệp trình độ Trung cấp, Cao đẳng theo khung đào tạo của Trường Cao đẳng Dầu khí, đồng thời là tài liệu tham khảo cho kỹ thuật viên điện công nghiệp.

2. Cần kiến thức nền nào trước khi học mô đun này?

Người học cần hoàn thành các môn học kỹ thuật cơ sở bao gồm: An toàn điện (KTĐ19MH1), Mạch điện cơ bản (KTĐ19MH32), Mạch điện (KTĐ19MĐ31) và có kiến thức bổ trợ từ môn Vẽ điện chuyên ngành (KTĐ19MĐ66), Vật liệu điện.

3. Điểm đặc trưng trong cấu trúc nội dung của giáo trình là gì?

Giáo trình phân định mạch lạc 4 nhóm thiết bị (khái niệm/công dụng - đóng cắt - bảo vệ - điều khiển) với tỷ trọng thực hành lớn (58 giờ thực hành trên tổng số 75 giờ). Nội dung kết hợp giữa khí cụ đóng cắt truyền thống (cầu dao, cầu chì) và các thiết bị tự động hóa hiện đại (máy cắt khí $\text{SF}_6$, CB bán dẫn $5000\text{ A}$, rơ le thời gian điện tử).

4. Phương pháp tự học giáo trình như thế nào để đạt hiệu quả?

Người học cần nghiên cứu nội dung lý thuyết trước buổi học, trả lời hệ thống câu hỏi củng cố trắc nghiệm ở cuối mỗi bài (như xác suất ngắn mạch, nguyên lý tiếp xúc điện, phân loại dao cách ly), đồng thời luyện tập phân tích sơ đồ nguyên lý trước khi thực hành đấu dây tại xưởng.

5. Giáo trình sử dụng các tài liệu tham khảo chính thống nào?

Nội dung giáo trình được tổng hợp và đối chiếu từ các tài liệu chuyên ngành:

  1. Nguyễn Xuân Phú (2000), Khí cụ Điện: Kết cấu, sử dụng và sửa chữa, NXB Khoa Học và Kỹ Thuật.
  2. Lê Thị Thu Hường (2020), Khí cụ điện, Giáo trình lưu hành nội bộ Trường Cao Đẳng Dầu Khí.

Kết luận

Giáo trình Khí cụ điện cung cấp hệ thống kiến thức có cơ sở khoa học và định lượng kỹ thuật rõ ràng về cấu tạo, nguyên lý làm việc và phương pháp tính chọn các thiết bị điện trong sản xuất công nghiệp. Với cấu trúc 75 giờ tập trung vào rèn luyện kỹ năng thực hành xưởng, giáo trình đóng vai trò nền tảng trực tiếp, chuẩn bị năng lực thao tác thiết bị để người học tiếp tục theo học các mô đun chuyên môn nâng cao tiếp theo trong chương trình đào tạo, bao gồm:

                      [KTĐ19MĐ15] Khí cụ điện
                                 │
     ┌───────────────────────────┼───────────────────────────┐
     ▼                           ▼                           ▼
[KTĐ19MĐ14]                 [KTĐ19MĐ57]                 [KTĐ19MĐ50]
Đo lường điện               Trang bị điện 1             Thực tập điện cơ bản
     │                           │                           │
     └───────────────────────────┼───────────────────────────┘
                                 ▼
                     Các mô đun lắp đặt chuyên sâu:
                     • [KTĐ19MĐ24] Lắp đặt dây điện trong nhà
                     • [KTĐ19MĐ29] Lắp đặt thiết bị đo lường
                     • [KTĐ19MĐ27] Lắp đặt thiết bị chiếu sáng
                     • [KTĐ19MĐ28] Lắp đặt thiết bị dân dụng
                     • [KTĐ19MĐ55] Thực tập sản xuất

Tài liệu được chuẩn hóa theo quyết định đào tạo của Trường Cao đẳng Dầu khí, đảm bảo cung cấp cơ sở dữ liệu tra cứu và học tập chuẩn xác cho các ngành kỹ thuật điện công nghiệp.