Chương 1. Các hình thức chế tạo thiết bị điện Chương 2. Thiết bị bảo vệ trong mỏ Chương 3. Thiết bị điều khiển Chương 4.
Thiết bị cung cấp điện Chương 5. Cáp điện và dây dẫn Chương 6. Kiểm nghiệm, sửa chữa và vận hành thiết bị điện Giáo trình do tập thể tác giả: Tiến sĩ Trần Hữu Phúc chủ biên, ThS Dương Thị Lan và ThS Nguyễn Thanh Tùng, Bộ môn Điện khí hoá - Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh biên soạn. Tập thể tác giả chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm Khoa Điện, các giảng viên bộ môn Điện khí hóa - Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh cùng các phòng ban nghiệp vụ, các cá nhân đã tạo điều kiện giúp đỡ động viên, góp ý để hoàn thành tốt giáo trình này.
Trong quá trình biên soạn, nhóm tác giả đã cố gắng bám sát chương trình môn học đã được phê duyệt của Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, kết hợp với kinh nghiệm giảng dạy môn học này trong nhiều năm, đồng thời có chú ý đến đặc thù đào tạo các ngành của trường. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song vì thời gian và trình độ có hạn, nên sai sót trong cuốn giáo trình này là khó tránh khỏi. Nhóm tác giả mong nhận được nhiều -3- đóng góp ý kiến xây dựng để cuốn giáo trình được hoàn thiện hơn. Những ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ: Bộ môn Điện khí hoá Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh.
Xin chân thành cảm ơn! Quảng Ninh, tháng 04 năm 2021 Tác giả. CÁC HÌNH THỨC CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐIỆN 1.1 Phân loại môi trường mỏ và mức độ nguy hiểm do cháy nổ 1.1 Đặc điểm làm việc của các thiết bị điện mỏ Các đặc điểm làm việc của thiết bị điện mỏ là: - Đa số máy móc trong thời gian làm việc thường xuyên hoặc định kỳ di chuyển. - Khí hậu và thời tiết khắc nghiệt, mưa nắng, nhiệt độ cao, trong không khí có nhiều bụi dẫn điện. - Không gian chật hẹp.
- Áp lực đất, đá, sạt lở. - Công tác nổ mìn dễ phá hoại thiết bị điện.2 Phân loại môi trường mỏ Các thiết bị điện mỏ được chế tạo để làm việc trong các môi trường: - Ngoài trời đối với mỏ lộ thiên. - Đặc biệt nguy hiểm về hỏa hoạn, điện giật trong mỏ hầm lò. Để phân loại hỗn hợp nổ người ta sử dụng tiêu chuẩn giá trị khe hẹp an toàn lớn nhất xác định bằng thực nghiệm.
Giá trị khe hẹp an toàn lớn nhất là giá trị mặt ghép phẳng có bề rộng 25 mm giữa thân và nắp hộp để sao cho sự nổ của hỗn hợp có nồng độ bất kỳ xảy ra bện trong hộp không gây nổ hỗn hợp bên ngoài. Hỗn hợp nổ được phân loại trong bảng 1.1 Phân loại hỗn hợp nổ trong mỏ Cấp và hỗn hợp nổ Giá trị khe hẹp an toàn lớn nhất, mm I. Khí mê tan mỏ 1,0 II. Khí và hơi công nghiệp II A.
0,9 II B Từ 0,5 – 0,9 II C 0,5 Hỗn hợp khí và hơi của chất lỏng dễ cháy với không khí được phân loại dựa trên cơ sở nhiệt độ tự bốc cháy của chúng (Bảng 1. Phân loại nhóm hỗn hợp nổ và nhiệt độ tự bốc cháy Nhóm hỗn hợp nổ Nhiệt độ tự bốc cháy, 0C T1 450 T2 300-450 T3 200-300 T4 135-200 T5 100-135 T6 85-100 1. Điều kiện gây nổ môi trường do dòng điện Năng lượng tối thiểu để đốt cháy một thể tích khí tối thiểu hình cầu đường kính d = 0,08 a/Vn, bằng 𝐸 = 6,3𝑑 2 = 4. 10−2 𝑎2 /𝑉𝑛2 trong đó: a – hệ số truyền nhiệt của hỗn hợp khí , m2/s; Vn – tốc độ truyền loan sự cháy, m/s.
Tính chất của các hỗn hợp khí cháy ở áp suất P = 101 kPa và nhiệt độ T= (15- 20)0C cho trong bảng 1.3 Bảng phân loại hỗn hợp nổ theo cấp và nhóm Khí cháy Giới hạn nồng độ Năng lượng Nhiệt độ gây Dưới Trên gây cháy tối cháy, 0K thiểu, mJ Mê tan 5,0 15,0 0,28 2316 Êtan 3,22 12,45 0,26 2370 Prôpan 2,37 9,5 0,25 2383 Butan 1,86 8,41 0,24 2392 Peptan 1,4 7,8 0,24 2391 Hecxan 1,25 6,9 0,23 2397 Heptan 1,0 6,0 0,232 2399 Êtilen 2,75 28,6 0,1 2557 Propilen 2,4 11,1 0,25 2557 Oxitotilen 3,0 80,0 0,062 2557 -6- Tôluôn 1,27 6,75 0,062 2484 Axêtilen 2,5 81,0 0,019 2893 Hyđro 4,0 74,2 0,019 2483 Xăng σ-70 0,79 5,16 0,23 2483 Axêton 2,5 12,8 0,23 2483 Nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp càng cao thì giới hạn nồng độ nổ càng được mở rộng. Đối với hỗn hợp mêtan – không khí sự thay đổi đó được cho trong bảng 1. Bảng quan hệ giới hạn nổ với nhiệt độ ban đầu Nhiệt độ ban đầu của hỗn Giới hạn dưới, % thể tích Giới hạn trên, % thể tích hợp nổ, 0C 17 6,3 12,9 100 5,95 13,7 200 5,5 14,6 400 4,8 16,6 Trong bảng 1.5 trình bày sự thay đổi các giới hạn của nồng độ nổ tùy theo áp suất ban đầu của hỗn hợp mêtan – không khí.5 Bảng quan hệ giới hạn nổ với áp suất ban đầu Áp suất ban đầu của hỗn Giới hạn dưới, % thể tích Giới hạn trên, % thể tích hợp nổ, At 1 6,6 12,7 21 7,5 12,0 400 5,2 46,0 Trong phạm vi giới hạn nổ, tồn tại một giá trị nồngđộ tối nguy, là nồng độ dễ gây nổ nhất. Nồng độ tối nguy của cùng một loại hỗn hợp nổ không giống nhau khi nguồn gây nổ khác nhau.
Ví dụ hỗn hợp mêtan – không khí dễ nổ nhất khi nồng độ khoảng 8,5% nếu nguồn gây nổ là sự phóng điện (tia lửa hoặc hồ quang điện); bằng 9,8% nếu nguồn gây nổ là sợi tóc của bóng đèn; bằng (6,4 ÷7,4 ) % nếu nguồn gây nổ là tia lửa -7- do ma sát. Áp suất nổ lớn nhất xảy ra khi hỗn hợp mê tan – không khí có nồng độ (9 ÷10)% bị kích nổ bằng tia lửa điện. Muốn cho hỗn hợp nổ được, cần phải nâng nhiệt độ của nó lên đến nhiệt độ cháy. Giá trị nhiệt độ này thay đổi tùy theo nồng độ của hỗn hợp.
Nhiệt độ gây cháy hỗn hợp mêtan – không khí vào khoảng 6750C. Khi tiếp xúc với nguồn gây nổ, hỗn hợp nổ không nổ ngay mà chậm sau đó một ít. Hiện tượng như vậy gọi là sự nổ muộn và nó thường được dùng để đánh giá độ nhạy của hỗn hợp nổ. Thời gian nổ muộn càng nhỏ thì hỗn hợp càng nhạy.
Thời gian trễ này có ý nghĩa đặc biệt đối với hỗn hợp mêtan – không khí vì nó có thể đạt tới một số giây nhưng sẽ giảm nhanh khi tăng nhiệt độ của nguồn gây nổ và chỉ còn khoảng một vài mili giây khi nhiệt độ bằng 10000C. Khi bầu không khí nằm trong giới hạn nổ thì nó có thể nổ nếu có nguồn kích nổ thích hợp. Nguồn kích nổ do dòng điện có thể là hồ quang, tia lửa điện hoặc các bộ phận dẫn điện bị nung quá nóng. Theo lý thuyết nhiệt thì tất cả khối khí có thể bốc cháy nếu một thể tích nhất định được nung nóng đến nhiệt độ cháy.
Khi có nguồn nhiệt thì khối khí bị nung nóng và nhiệt độ khối khí sẽ giảm từ tâm (nguồn gây cháy) đến biên giới. Nếu nhiệt độ này gây cháy được một thể tích phân tố thì sẽ làm cháy được toàn bộ khối khí mặc dù nguồn gây cháy không tồn tại nữa. Để nung nóng được một thể tích khí như vậy đến nhiệt độ cháy cần phải có một nhiệt lượng nhất định gọi là nhiệt lượng gây cháy tối thiểu. Giá trị năng lượng này được xác định bằng thí nghiệm và bằng 0,019 mJ đối với hỗn hợp hyđro – không khí và 0,28 mJ đối với hỗn hợp mêtan – không khí.
Điều kiện để gây cháy hỗn hợp khí phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó chủ yếu là: - Năng lượng gây cháy và các thông số của mạch gây ra năng lượng đó như điện áp, dòng điện, loại mạch điện (điện trở, điện cảm, điện dung). - Kích thước, hình dạng và vật liệu làm tiếp điểm nơi xảy ra phóng tia lửa. - Khoảng cách giữa các tiếp điểm và tốc độ cắt mạch v. -8- Nếu tăng điện áp đặt vào mạch thì giá trị của dòng điện có khả năng gây cháy giảm.
Ví dụ: nếu điện áp của mạch là 25V thì dòng điện tối thiểu cần để đốt cháy hỗn hợp mêtan – không khí là 1,18 A, còn khi điện áp là 140 V thì dòng gây cháy chỉ còn 0,12 A. Trong mạch có điện cảm không đổi, khi tăng tần số dòng điện từ 4 kHz đến 200 kHz khả năng gây cháy của dòng điện giảm đi khá nhiều. Nhưng nếu tiếp tục tăng tần số lên cao nữa thì khả năng gây cháy của dòng điện lại tăng. Điện cảm của mạch điện có ảnh hưởng lớn đến khả năng gây cháy của tia lửa.
Khi tăng điện cảm của mạch thì giá trị dòng gây cháy tối thiểu giảm đi một cách rõ rệt, vì năng lượng của tia lửa được phụ thêm một phần năng lượng tích lũy trong điện cảm. Thực nghiệm cho thấy rằng giá trị dòng gây cháy càng nhỏ nếu nhiệt độ chảy của vật liệu làm tiếp điểm càng thấp, diện tích của tiếp điểm tại thời điểm cắt mạch càng nhỏ và tốc độ cắt mạch càng lớn trong một giới hạn nhất định. Do tính phức tạp của quá trình gây cháy hỗn hợp khí cho nên khó có thể xây dựng được một cơ sở lý thuyết cho phép xác định bằng giải tích tính an toàn tia lửa của mạch điện, mà chủ yếu vẫn phải đánh giá trên cơ sở thực nghiệm. Các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học Liên Xô (VX.Craptrenco) cho thấy rằng tia lửa của bất kỳ mạch điện nào cũng đều có khả năng gây nổ, nhưng do tính đa dạng của các yếu tố tạo ra khả năng nổ, cũng như mối quan hệ giữa các yếu tố tạo ra khả năng nổ mà năng lượng gây cháy hoặc dòng gây cháy của một mạch điện tuân theo luật thống kê và phụ thuộc vào số lần phát tia lửa để quan sát.
Thực nghiệm chứng tỏ rằng khi cùng một mạch điện với các thông số nhất định và khi cùng một hỗn hợp nổ có điều kiện nhất định, thì giá trị dòng gây cháy tối thiểu của mạch sẽ càng giảm nếu số lần thử nghiệm càng tăng. Nếu gọi tỷ số giữa số lần gây nổ với số lần phát tia lửa là tần suất gây cháy thì tần suất này sẽ là xác suất khi số thử nghiệm đủ lớn, được xác định từ định luật giới hạn của Laplaxơ. Trên cơ sở nhiều thí nghiệm và phân tích các kết quả thí nghiệm V.