CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN ĐÓNG CẮT 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN ĐÓNG CẮT. Từ khi con người phát minh ra điện năng và sử dụng nó trong công nghiệp cũng như trong dân dụng thì cùng với sự tăng lên không ngừng về sản lượng điện cũng như những ứng dụng rộng rãi của nó là sự phát triển qua nhiều thế hệ của các thiết bị đóng cắt khác nhau nhằm bảo vệ mạng lưới truyền tải và phân phối điện năng. Về lịch sử phát triển của các thiết bị đóng cắt thì khí cụ điện đơn giản nhất có lẽ là cầu chì, được Thomas Edison (1847 – 1931) phát minh ra vào năm 1879.
Cầu chì tự động cắt mạch điện khi có sự cố quá tải, ngắn mạch. Cầu chì có đặc điểm là đơn giản, kích thước nhỏ, khả năng cắt lớn và giá thành hạ nên ngày nay vẫn được sử dụng rộng rãi. Loại cầu chì đầu tiên bao gồm một dây bạc mỏng đựng trong một chiếc vỏ bảo vệ và được gắn vào hai cực tiếp xúc của một mạch điện. Nguyên lý của nó là dựa vào hiện tượng dây bạc có tính chảy nhanh hơn dây điện bình thường nên có thể ngắt mạch nhanh chóng khi xảy ra sự cố trên đường dây.
Nhược điểm của loại cầu chì này là khi dây đứt phải mất thời gian để thay. Do đó nó thường được sử dụng ở lưới điện có công suất bé như lưới hạ áp, lưới trung áp.Các khí cụ điện đóng cắt hạ áp. Các khí cụ điện đóng cắt được phân loại theo các đặc điểm của chúng như cấp điện áp, kiểu cấu trúc, kiểu cắt, và đặc điểm cấu tạo. Aptomat là khí cụ điện phổ biến và có khả năng tự động cắt mạch điện khi có sự cố: quá tải, ngắn mạch, điện áp thấp, công suất ngược…Trong các mạch Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành Kỹ thuật điện 4 điện hạ áp có điện áp định mức đến 660V xoay chiều và 330V một chiều, có dòng điện định mức tới 6300A.
Những máy cắt hiện đại có thể cắt được dòng điện tới 300kA. Các kiểu máy cắt hạ áp thường gặp được phân loại theo ứng dụng trong dân dụng, thương mại và công nghiệp bao gồm: - MCB (Aptomat loại nhỏ): Dòng điện định mức không lớn hơn 100A. Đặc tính cắt của loại này thường không thể điều chỉnh được. Cơ cấu cắt của loại có thể theo nguyên lý nhiệt hoặc từ nhiệt.
[25] - MCCB (Aptomat vỏ đúc): Dòng điện định mức tới 1600A. Đặc tính cắt cả loại này có thể điều chỉnh trong khoảng rộng. Cơ cấu cắt có thể theo nguyên lý từ- nhiệt hoặc nguyên lý nhiệt. [2] Nguyên lý điện từ: Sử dụng cuộn dây nam châm điện mà lực của nó tạo ra phụ thuộc vào độ lớn của dòng điện.
Thông thường nguyên lý điện từ được sử dụng để cắt dòng ngắn mạch do yêu cầu cắt nhanh. Tiếp điểm của máy cắt hạ áp được giữ ở vị trí đóng nhờ một cái chốt. Khi dòng điện trong cuộn dây nam châm điện tăng lên vượt quá dòng điên định mức của máy cắt, nam châm điện sẽ tạo ra lực điện từ hút chốt mở ra cho phép tiếp điểm mở ra nhờ tác động của lò xo nhả. Một vài kiểu máy cắt còn kết hợp với tính năng trễ thủy lực sử dụng dung dịch nhớt.
Nguyên lý nhiệt: Sử dụng thanh kim loại lưỡng kim, có độ dãn nở dài theo nhiệt độ khác nhau. Khi xảy ra quá tải lâu dài, do sự dãn nở dài khác nhau, thanh kim loại bị cong tác động vào cơ cấu truyền động, mở máy cắt. Các máy cắt hạ áp hiện nay thường sử dụng kết hợp cả hai nguyên lý trên. Các yêu cầu chỉ tiêu của thiết bị đóng cắt hạ áp mà ở đây chính là aptomat: - Chế độ làm việc định mức của máy cắt hạ áp phải là chế độ làm việc dài hạn, nghĩa là trị số dòng điện định mức chảy qua máy cắt lâu bao nhiêu cũng được.
Mặt khác mạch vòng dẫn điện của nó phải chịu được dòng điện ngắn mạch lớn khi có ngắn mạch lúc các tiếp điểm của nó đã đóng hay đang đóng. Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành Kỹ thuật điện 5 - Máy cắt hạ áp phải cắt được trị số dòng điện ngắn mạch lớn có thể đến vài chục kiloampe. Sau khi cắt dòng điện ngắn mạch, máy cắt hạ áp phải đảm bảo vẫn làm việc tốt ở trị số dòng điện định mức. - Để nâng cao tính ổn định nhiệt và ổn định điện động của các thiết bị điện, hạn chế sự phá hoại do dòng điện ngắn mạch gây ra, máy cắt hạ áp phải có thời gian cắt bé.Các khí cụ điện đóng cắt cao áp.
[1], [4] Các khí cụ điện đóng cắt cao áp gồm có: dao cách ly, máy cắt, dao phụ tải, dao nối đất, cầu chì. Máy cắt là thiết bị đóng cắt cơ khí có khả năng dẫn, ngắt dòng điện trong mạch ở điều kiện bình thường, dẫn trong thời gian quy định và ngắt dòng điện tăng lên trong mạch điện ở điều kiện không bình thường đã xác định (ngắn mạch). Máy cắt làm việc ở mọi chế độ: chế độ không tải, chế độ tải định mức, chế độ sự cố, trong đó chế độ đóng cắt dòng ngắn mạch là chế độ nặng nề nhất. Vì vậy trong quá trình nghiên cứu các thiết bị đóng cắt ta chỉ xem xét đối với một loại thiết bị cụ thể đó là máy cắt.
Đối với các thiết bị đóng cắt trung áp và cao áp càng cần có nhiều yêu cầu khắt khe hơn về độ tin cậy khi làm việc cũng như an toàn đối với con người. Về lịch sử phát triển của máy cắt cao áp, môi trường dập hồ quang đầu tiên được sử dụng chính là môi trường không khí. Những trong 40 năm sau đó đã bắt đầu xuất hiện những máy cắt sử dụng môi trường dầu cách điện. Một mô hình ứng dụng máy nén khí để thổi hồ quang được xây dựng vào những năm 1920.
Vào thập niên 40, một cuộc khảo sát về sử dụng khí nén SF6 làm môi trường cách điện đã thu được các kết quả thành công. Các nghiên cứu ban đầu môi trường dập hồ quang bằng khí SF6 được bắt đầu vào những năm 1950, và vào năm 1959 máy cắt SF6 đầu tiên có khả năng ứng dụng thực tế được giới Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành Kỹ thuật điện 6 thiệu bởi Westinghouse ở Mỹ. Hiện tại máy cắt khí SF6 có vai trò rất quan trọng trong các kiểu máy cắt. Các thông số chính của máy cắt gồm: điện áp định mức, dòng điện định mức, dòng điện ổn định nhiệt ứng với thời gian tương ứng, dòng điện ổn định điện động, dòng điện cắt định mức, công suất cắt định mức, thời gian đóng, thời gian cắt.
Điện áp định mức là điện áp dây đặt lên thiết bị điện với thời gian làm việc dài hạn mà cách điện của máy cắt mà không bị hỏng hóc, tính theo trị số hiệu dụng. Dòng điện định mức là trị số hiệu dụng của dòng điện chạy qua máy cắt trong thời gian làm việc dài hạn mà máy cắt không bị hỏng hóc. Việc tính toán dòng điện định mức dựa vào bài toán cân bằng nhiệt của mạch vòng dẫn điện ở chế độ xác lập nhiệt. Dòng điện ổn định nhiệt với thời gian tương ứng là trị số hiệu dụng của dòng điện ngắn mạch, chạy trong thiết bị với thời gian cho trước mà nhiệt độ của mạch vòng dẫn điện không vượt quá nhiệt độ cho phép ở chế độ làm việc ngắn hạn.
Việc xác định dòng điện ổn định nhiệt gắn liền với bài toán cân bằng nhiệt của mạch vòng dẫn điện ở chế độ quá độ.t nm = const Thời gian đóng là quãng thời gian từ khi có tín hiệu đóng được đưa vào máy cắt đến khi máy cắt đóng hoàn toàn. Thời gian này phụ thuộc vào đặc tính của cơ cấu truyền động và hành trình của tiếp điểm động. Thời gian cắt của máy cắt là quãng thời gian từ khi có tín hiệu cắt đến khi hồ quang bị dập tắt hoàn toàn. Thời gian này phụ thuộc vào đặc tính của cơ cấu cắt (thường là lò xo được tích năng lượng trong quá trình đóng) và thời gian cháy của hồ quang, được tính toán cho hồ quang của dòng cắt định mức.
Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành Kỹ thuật điện 7 Trong những năm 70 của thế kỷ 20 còn có sự xuất hiện của máy cắt không tiếp điểm tức là sử dụng các van bán dẫn công suất để thực hiện việc đóng cắt. Sự phát triển này xuất hiện ở cả Mỹ và Liên Xô. Các máy cắt sẽ được điều khiển đóng cắt nhờ vào việc điều khiển các van bán dẫn. Máy cắt loại này có thể có điện áp lên đến 10kV.
Ưu điểm của nó là không phát sinh hồ quang. Tuy nhiên máy cắt loại không tiếp điểm này có các nhược điểm là tổn hao trên van bán dẫn lớn và quan trọng hơn là làm việc không ổn định trong các quá trình quá độ của mạch điện. Vì thế nó cũng không được phát triển hơn nữa. Xu hướng phát triển của các khí cụ điện đóng cắt.
[2], [12], [13] Các máy cắt hiện đại được sử dụng rộng rãi và chiếm ưu thế hiện nay là máy cắt khí SF6 và máy cắt chân không. Trong khi máy cắt khí SF6 đã trải qua ba thế hệ và được ứng dụng ở mọi cấp điện áp thì máy cắt chân không mới chỉ được ứng dụng cho cấp điện áp 24 kV, dòng điện định mức từ 800 A đến 3150 A, dòng cắt đến 40 kA. Nguyên nhân, trong buồng cắt chân không, kim loại tiếp điểm khi đóng cắt hay bị bay hơi và lắng đọng, bám vào thành buồng cắt làm giảm độ bền cách điện của buồng cắt. Thứ hai là công nghệ vật liệu và chế tạo buồng chân không khá phức tạp.
Thứ ba trên quan điểm phóng điện, máy cắt chân không sẽ có khoảng cách cách điện tối ưu với cấp điện áp đến 36 kV. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, từ những năm 70 của thế kỷ XX, máy cắt chân không được chế tạo với số lượng tăng dần và thị phần của loại máy cắt này ngày càng chiếm tỷ trọng lớn trên thị trường máy cắt điện cao áp. Hiện nay máy cắt SF6 hiện đang ở thế hệ thứ ba. Nguyên lý thổi hồ quang ở buồng cắt kiểu thế hệ ba cũng như ở buồng cắt thế hệ hai đó là được thực hiện nhờ hiệu ứng thổi hồ quang trong buồng cắt kiểu pittong.