Giáo trình Khí cụ điện (Phần 1) - Trường Cao đẳng nghề Nam Định
Giáo trình khí cụ điện
CHƯƠNG I : NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN HẠ ÁP
Bài 1-1 KHÁI NIỆM VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN
1. Định nghĩa
Khí cụ điện là những thiết bị điện dùng để đóng , cắt, điều khiển, điều
chỉnh và bảo vệ các lưới điện, mạch điện, máy điện và các máy móc sản xuất.
Ngoài ra nó còn được dùng để kiểm tra và điều chỉnh các quá trình không điện
khác.
Khí cụ điện được dùng rộng rãi ở các nhà máy phát điện , các trạm biến
áp, trong các xí nghiệp công nghiệp, nông nghiệp , lâm nghiệp , thuỷ lợi, giao
thông vận tải và quốc phòng....
ở nước ta khí cụ điện hầu hết được nhập từ nhiều nước khác nhau nên quy
cách không thống nhất, việc bảo quản và sử dụng có nhiều thiếu sót nên hư hỏng
khá nhiều, dẫn đến gây thiệt hại về kinh tế. Do đó nâng cao chất lượng sử dụng ,
kỹ thuật bảo dưỡng , bảo quản và kỹ thuật sửa chữa khí cụ điện là nhiệm vụ
quan trọng hiện nay.
2. Phân loại
a- Phân loại theo công dụng của khí cụ điện
- Khí cụ điện dùng để đóng cắt lưới điện, mạch điện để đổi nối kết dây của
hệ thống điện. Nhóm này gồm : áp tô mát, cầu dao, máy ngắt...
- Khí cụ điện dùng để mở máy, điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh điện áp và
dòng điện. Ví dụ : công tắc tơ, khởi động từ, bộ khống chế, biến trở, điện trở...
- Khí cụ điện dùng để duy trì các tham số điện ở giá trị không đổi. Ví dụ :
thiết bị tự động điều chỉnh điện áp, dòng điện, tần số, tốc độ, nhiệt độ...
- Khí cụ điện dùng để bảo vệ lưới điện, máy điện. Ví dụ : rơ le, áp tô mát,
cầu chì...
- Khí cụ điện đo lường. Ví dụ : máy biến dòng, máy biến điện áp đo lường.
b- Phân theo điện áp
- Khí cụ điện cao áp : Được chế tạo dùng ở điện áp 1000V trở lên
- Khí cụ điện hạ áp : Được chế tạo dùng ở điện áp dưới 1000V
c- Phân theo dòng điện: Khí cụ điện dùng trong mạch điện một chiều và xoay
chiều
d-Phân theo nguyên lý làm việc: có các loại điện từ, cảm ứng, nhiệt, có tiếp
điểm và không có tiếp điểm.
e- Phân theo điều kiện làm việc và dạng bảo vệ, gồm có : khí cụ điện làm việc
ở vùng nhiệt đới, ở vùng có nhiều rung động, vùng mỏ có khí nổ, ở môi trường
có hoá chất ăn mòn hoá học, loại để hở, loại bọc kín...
3. Các yêu cầu với khí cụ điện
Khí cụ điện phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
1
Khoa Điện - Điện Tử
Trường Cao đẳng nghề Nam Định
Giáo trình khí cụ điện
+ Khí cụ điện phải đảm bảo sử dụng lâu dài với các thông số kỹ thuật ở
định mức. Nói cách khác dòng điện qua vật dẫn không được vượt quá trị số cho
phép vì nếu không sẽ làm nóng khí cụ điện và chóng hỏng.
+ Khí cụ điện ổn định nhiệt và ổn định điện động. Vật liệu phải chịu nóng
tốt và có cường độ cơ khí cao vì khi quá tải hay ngắn mạch, dòng điện lớn có thể
làm khí cụ điện hư hỏng hoặc biến dạng.
+ Vật liệu cách điện phải tốt để khi xẩy ra quá điện áp trong phạm vi cho
phép khí cụ điện không bị chọc thủng.
+ Khí cụ điện phải đảm bảo làm việc được chính xác, an toàn song phải
gọn nhẹ, rẻ tiền, dễ gia công, dễ lắp ráp, kiểm tra và sữa chữa.
+ Ngoài ra khí cụ điện phải làm việc ổn định ở các điều kiện và môi
trường yêu cầu.
Bài 1-2 TIẾP XÚC ĐIỆN
I- Khái niệm chung :
1. Định nghĩa:
Theo cách hiểu thông thường , chỗ tiếp xúc điện là nơi gặp gỡ chung của
hai hay nhiều vật dẫn để dòng điẹn đi từ vật dẫn này sang vật dẫn khác. Bề mặt
tiếp xúc giữa các vật dẫn gọi là bề mặt tiếp xúc điện.
Tiếp xúc điện là một phần rất quan trọng của khí cụ điện. Trong thời gian
hoạt động đóng mở, chỗ tiếp xúc sẽ phát nóng cao, mài mòn lớn do va đập và
ma sát, đặc biệt sự hoạt động có tính chất huỷ hoại của hồ quang.
Tiếp xúc điện phải thoả mãn các yêu cầu sau:
- Thực hiện tiếp xúc chắc chắn , đảm bảo.
- Sức bền cơ khí cao.
- Không phát nóng quá nhiệt độ cho phép đối với dòng điện định mức.
- Ổn định nhiệt và ổn định lực điện động khi có dòng ngắn mạch cực đại
đi qua.
- Chịu được tác dụng của môi trường xung quanh, ở nhiệt độ cao ít bị oxy
hoá .
2. Phân loại:
Có ba loại tiếp xúc:
- Tiếp xúc cố định: Hai vật tiếp xúc chặt không rời nhau bằng đinh tán,
bu lông.
- Tiếp xúc đóng mở: Tiếp điểm của các khí cụ đóng cắt mạch điện.
- Tiếp xúc trượt: Chổi than trượt trên cổ góp, vành trượt của máy điện
Lực ép lên mặt tiếp xúc có thể là bulông hay lò xo.
2
Khoa Điện - Điện Tử
Trường Cao đẳng nghề Nam Định
Giáo trình khí cụ điện
Theo bề mặt tiếp xúc có ba dạng:
- Tiếp xúc điểm ( giữa hai mặt cầu, mặt cầu với mặt phẳng, hình nón với
mặt phẳng).
- Tiếp xúc đường ( giữa hình trụ với mặt phẳng ).
- Tiếp xúc mặt ( giữa mặt phẳng với mặt phẳng ).
II. Các hình thức tiếp xúc điện:
1. Tiếp xúc cố định:
Xét khi đặt hai vật dẫn tiếp xúc (hình3-1) ta sẽ có diện tích bề mặt tiếp xúc.
Sbk = a.l
Nhưng trên thực tế diện tích bề mặt tiếp xúc Stt nhỏ hơn nhiều tích số a.l vì
giữa hai bề mặt tiếp xúc dù có gia công thế nào thì vẫn có độ nhấp nhô, khi cho
tiếp xúc hai vật với nhau thì chỉ có một số điểm trên bề mặt tiếp giáp với nhau.
Do đó diện tích tiếp xúc thực nhỏ hơn nhiều so với diện tích biểu kiến Sbk = a.l
Diện tích tiếp xúc còn phụ thuộc vào lực ép lên tiếp điểm và vật liệu làm
tiếp điểm, lực càng lớn thì diện tích tiếp xúc càng lớn.
Diện tích tiếp xúc S ở một điểm (cầu với mặt phẳng) xác định bởi:
F
(3.1)
S
d
Trong đó
F: Lực ép lên tiếp điểm (Kg).
d: ứng suất chống dập nát của vật liệu làm tiếp điểm (kg/cm2).
Bảng ứng suất chống dập nát của một số kim loại thông dụng
ứ ng suất d
ứ ng suất d
Kim loại
Kim loại
(N/cm2)
(N/cm2)
Đồng cứng
(hợp kim)
Bạc
Đồng mềm
30.400
51.000
38.20
Nhôm
88.300
Nếu tiếp xúc ở n điểm thì diện tích sẽ lớn lên n lần so với biểu thức (3.1).
Dòng điện chạy từ vật này sang vật khác chỉ qua những điểm tiếp xúc, như
vậy dòng điện ở chỗ tiếp xúc đó bị thắt hẹp lại, dẫn đến điện trở ở những điểm
này tương đối lớn.
Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm kiểu bất kỳ tính theo công thức:
K
F m
(3.2)
Rtx
Trong đó:
K: hệ số phụ thuộc vật liệu và tình trạng bề mặt tiếp điểm (theo bảng tra).
m: hệ số phụ thuộc vào số điểm tiếp xúc và kiểu tiếp xúc với:
Tiếp xúc mặt
: m =1
3
Khoa Điện - Điện Tử
Trường Cao đẳng nghề Nam Định
Giáo trình khí cụ điện
Tiếp xúc đường : m= 0,7
Tiếp xúc điểm
: m= 0,5.
Bảng tra trị số K trong công thức (3.2).
Kim loại tiếp
Kim loại tiếp xúc
Trị số K(.N)
Trị số K(.N)
xúc
Đòng - đồng
Bạc - bạc
(0,08 đến 0,14).102
(0,06).102
Sắt - đồng
3,1.102
0,38.102
Nhôm - đồng
Nhôm - nhôm
(0,127).102
Ngoài công thức (3.2) trên là cồng thức kinh nghiệm, người ta còn dùng
phương pháp giải tích để dẫn giải rút ra công thức tính điện trở tiếp xúc điểm là:
(3.3)
Rtx
F.n
2
d .
: Điện trở suất của vật dẫn (.cm)
n: Số điểm tiếp xúc
F: Lực nén (kg).
Qua phân tích trên ta thấy, điện trở tiếp xúc của tiếp điểm ảnh hưởng đến
chất lượng của thiết bị điện, điện trở tiếp xúc càng lớn làm cho tiếp điểm càng
dễ phát nóng. Nếu phát nóng quá mức cho phép thì tiếp điểm sẽ bị nóng cháy,
thậm chí bị hàn dính. Điện trở tiếp xúc có giá trị càng nhỏ càng tốt, nhưng do
thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến Rtx nên không thể giảm được Rtx cực nhỏ
như mong muốn được.
a- Tiếp xúc cố định ( hình 1-7 ): Ở đây ta chú ý tới tiếp xúc cố định dùng các bu
lông thép để ghép, những bu lông này thực tế không dẫn điện khi ngắn mạch .
Lúc đó vật dẫn không phải là thép sẽ phát nóng và dãn nở nhiều hơn vật liệu bu
lông thép nên những bu lông này chịu ứng suất khá lớn. Nhưng đến khi phát
nóng giảm hay bị nguội lạnh thì mối tiếp xúc sẽ yếu. Để tránh hiện tượng này
nên đệm thêm vòng đệm lò so dưới đai ốc.
4
Khoa Điện - Điện Tử
Trường Cao đẳng nghề Nam Định
Giáo trình khí cụ điện
Hình 1-7 : Hình dạng của một số tiếp xúc cố định
2- Tiếp xúc đóng mở:
Hình 1- 4 : Hình dạng bề mặt tiếp xúc giữa hai mặt dẫn điện
Bề mặt tiếp xúc thường có dạng lồi lõm ly ty mà mắt thường không thể
thấy được. Tiếp xúc giữa hai vật dẫn không thực hiện được trên toàn bộ bề mặt
mà chỉ có một vài điểm tiếp xúc mà thôi. Đó chính là các đỉnh có bề mặt cực bé
để dẫn dòng điện đi qua. Khi vật liệu rắn , dưới tác dụng của lực ép F thì vật tiếp
xúc nhiều nhất ở 3 điểm và các đỉnh sẽ biến dạng đàn hồi. Nếu lực F lớn các
đỉnh sẽ biến dạng dẻo và những điểm tiếp xúc trở thành những bề mặt tiếp xúc
đồng thời tạo nên những điểm tiếp xúc mới.
Nếu gọi :
- S là tổng diện tích tiếp xúc thực tế.
- là ứng suất biến dạng của vật liệu ( còn gọi là hệ số chống dập nát ).
Thì ta có :
F
s
Trị số của cho ở bảng 1- 2
Bảng 1- 2
Vật liệu tiếp xúc
, N/ mm2
3650
Vanadi V
Niken N
2210
Môlipđen Mo
Nhôm Al
1660
883
5
Khoa Điện - Điện Tử
Trường Cao đẳng nghề Nam Định
Giáo trình khí cụ điện
Platin Pt
765
510
Đồng cứng Cu
Đồng mềm
Bạc Ag
382
304
Graphit
129,5
44,2
22,6
Thiếc Sn
Chì Pb
Ví dụ : Xác định S của hai thanh góp phân phối bằng nhôm được ép một
lực F = 7000 N , biết diện tích tiếp xúc biểu kiến Sbk = 40 x 40 = 1600 mm2.
Giải : áp dụng công thức :
F
S
Al
7000
Tra bảng = 883 N/ mm2 . Ta có:
S
7,94mm2
Al
883
0,5%Sbk
7,94100
Tính theo phần trăm sẽ là :
1600
Cũng từ tính toán trên nếu dùng thanh đồng cứng thì kết quả là 0,86%, tức
là thực hiện tiếp xúc tốt hơn.
Muốn tiếp xúc tốt phải làm sạch mối tiếp xúc. Sau một thời gian nhất
định, bất kỳ một bề mặt tiếp xúc nào đã được làm sạch trong không khí cũng đều
bị bọc một lớp ôxyt. ở những mối tiếp xúc bằng vàng hay bạc , lớp này tạo thành
chậm. Thông thường bề mặt tiếp xúc được đánh bóng bằng giấy ráo mịn, sau đó
lau bằng vải, bông hay dạ, ma sát mạnh cho đến khi toàn bộ bề mặt được độ
thấm nước ( bề mặt khô biểu hiện không hoàn toàn sạch ). Mỡ và dầu phải được
rửa sạch bằng axêtôn hay têtra clorua cacbon.
Trong thực tế nếu nói diện tích tiếp xúc S ta hiểu là diện tích tiếp xúc biểu
kiến Sbk.
- Đối với rơ le thường dùng bạc, Platin tán hoặc hàn vào giá tiếp điểm.
Tiếp điểm rơle thường dung hình thức tiếp xúc điểm.
- Tiếp điểm của các khí cụ có dòng điện trung bình và lớn như : bộ khống
chế, công tắc tơ, khí cụ điện cao áp….Thường tiếp điểm làm việc mắc song
songvới tiếp điểm hồ quang. Khi tiếp điểm đang ở vị trí đóng, dòng điện sẽ đi
qua tiếp điểm làm việc. Khi mở hoặc đóng , hồ quang phát sing sẽ cháy trên tiếp
6
Khoa Điện - Điện Tử
Trường Cao đẳng nghề Nam Định
Giáo trình khí cụ điện
điểm hồ quang. Tiếp điểm hồ quang được chế tạo bằng kim loại tốt. Như vậy
tiếp điểm làm việc luôn được bảo vệ tốt không bị hồ quang phá hoại bề mặt tiếp
xúc.
Tiếp điểm thường có nhiều dạng khác nhau: Hình ngón, bắc cầu,chổi,
cắm.
+ Tiếp điểm hình ngón : Dùng nhiều ở công tắc tơ, khi đóng tiếp điểm
động vừa lăn và trượt trên tiếp điểm tĩnh và tự làm tróc lớp oxyt trên bề mặt tiếp
điểm.
+ Tiếp điểm bắc cầu : Dùng như ở rơ le
+ Tiếp điểm chổi : Có dạng hình chổi gồm những lá đồng mỏng từ 0,1 –
0,2 mm xếp lại trượt trên tiếp điểm tĩnh.
+ Tiếp điểm kẹp ( cắm ): Dùng ở cầu dao, cầu chì, dao cách ly
+ Tiếp điểm đối diện ( còn gọi là tiếp điểm đầu ) : Dùng ở máy cắt diện
cao áp
Hình dạng của một số tiếp xúc đóng mở vẽ trên hình 1- 8.
Hình 1-8 : Dạng của một số tiếp xúc đóng mở:
a) Tiếp điểm ngón; b) Tiếp điểm bắc cầu; c) Tiếp điểm cắm ( kẹp )
7
Khoa Điện - Điện Tử
Trường Cao đẳng nghề Nam Định
Giáo trình khí cụ điện
d) Tiếp điểm đối diện; e) Tiếp điểm lưỡi; h) Tiếp điểm thuỷ ngân
3- Tiếp xúc mặt và tiếp xúc đường:
Có hai vật dẫn tiếp xúc nhau, diện tích tiếp xúc S, điện trở suất , có
chiều dài là l ( hình 1- 5 ).
Hình 1- 5 : Cách tính điện trở tiếp xúc
a- Hình dạng và kích thước
b- Đường đặc tính quan hệ điện trở tiếp xúc với lực ép lên
tiếp điểm:
1- khi lực ép tăng
2- khi lực ép giảm
l
Lúc đó điện trở hai vật dẫn ( hình 1- 5a ) tính theo công thức: R1
S
Khi dòng điện đi qua hai vật dẫn đó ,điện trở tổng R sẽ lớn hơn R1 vì hai
mặt vật dẫn dù có được làm sạch thế nào cũng đều xuất hiện lớp ôxyt làm tăng
điện trở. Nếu gọi Rtx là điện trở tiếp xúc của hai vật dẫn thì Rtx được tính theo
công thức :
k
F m
Rtx R R1
Trong đó :
- k là hệ số phụ thuộc vào và , đồng thời vào trạng thái mặt tiếp xúc.
- m là hệ số phụ thuộc vào dạng tiếp điểm và số lượng điểm tiếp xúc.
- F là lực ép lên tiếp điểm.
Trị số m và k tham khảo theo bảng 1- 3 và 1- 4
Bảng 1- 3
Vật liệu tiếp xúc
Trị số k, .N
8
Khoa Điện - Điện Tử
Trường Cao đẳng nghề Nam Định
Giáo trình khí cụ điện
Đồng- đồng
( 0,08- 0,14 ). 10-2
( 0,07- 0,1 ). 10-2
0,740. 10-2
0,280. 10-2
0,100. 10-2
0,060. 10-2
0,127. 10-2
1,850. 10-2
0,380. 10-2
0,980. 10-2
0,670. 10-2
7,600. 10-2
3,040. 10-2
3,100. 10-2
4,400. 10-2
Đồng - đồng mạ thiếc
Đồng - đồng loại dễ bị o xy hoá
Đồng - đồng tiếp xúc dạng ngón
Đồng - đồng tiếp xúc kiểu chổi
Bạc- bạc
Nhôm- nhôm
Nhôm - đồng thau
Nhôm - đồng
Đồng thau- đồng
Đồng thau- đồng thau
Sắt – sắt
Sắt - đồng thau
Sắt - đồng
Sắt – nhôm
Bảng 1- 4
Hình thức tiếp xúc
Mặt phẳng – mặt phẳng
Mặt cầu – mặt cầu
Mặt cầu – mặt phẳng
Chổi – mặt phẳng
Tiếp xúc nhiều điểm
Tiếp xúc đường
m
1
0,5
0,5
1
0,7 – 1,0
0,7 – 0,8
9
Khoa Điện - Điện Tử
Trường Cao đẳng nghề Nam Định
Giáo trình khí cụ điện
Tiếp xúc đỉnh nhọn – mắt phẳng
0,5
4-Một số yêu cầu đối với vật liệu làm tiếp điểm:
a- Vật liệu làm tiếp điểm:
Nếu vật liệu mềm thì dù áp suất có bé điện trở tiếp xúc cũng bé. Nói cách
khác, nếu khả năng chống dập nát được đặc trưng bằng bé thì Rtx cũng bé . Do
đó thường dùng vật liệu mềm để làm tiếp điểm hoặc dùng kim loại cứng mạ
ngoài bằng kim loại mềm như : đồng thau mạ thiếc, thép mạ thiếc hay mạ
cadimi. Từ đó cũng phát triển tiếp điểm lưỡng kim loại : tiếp điểm kim loại cứng
tiếp xúc với kim loại lỏng như thuỷ ngân.
b- Lực ép tiếp điểm F càng lớn thì điện trở tiếp điểm càng bé, có thể thấy rõ trên
hình 1- 5 b.
c- Hình dạng tiếp điểm có ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc, vì hệ số m khác
nhau nên
k
F m
Rtx
cũng khác nhau ( bảng 1- 4).
d- Nhiệt độ tiếp điểm:
Theo kết quả thí nghiệm : ở nhiệt độ không quá cao ( thường 2000C ), khi
nhiệt độ tiếp điểm tăng, thì điện trở tiếp xúc cũng tăng.
e- Diện tích tiếp xúc có ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc.
f- Mật độ dòng điện :
Diện tích tiếp xúc được xác dịnh tuỳ theo mật độ dòng điện cho phép. Mật
I
độ dòng điện cho phép được xác định theo công thức :
Icp
S
Mật độ dòng điện càng lớn thì nhiệt độ tiếp xúc càng tăng và do đó điện
trở tiếp xúc tăng.
Đối với mật độ dòng điện đã cho trước, muốn giảm phát nóng tiếp điểm
thì vật liệu phải có điện trở suất nhỏ, đồng thời phải có khả năng toả nhiệt cao
qua mặt ngoài. Do đó những vật dẫn có bề mặt xù xì kay những vật dẫn được
quét sơn sẽ toả nhiệt có hiệu quả hơn. Có thể kiểm tra nhiệt độ tiếp xúc bằng sự
biến màu của sơn.
Như vậy , muốn giảm điện trở tiếp xúc có thể tăng lực èp, tăng số tiếp
điểm tiếp xúc, chọn vật dẫn có điện trở suất bé và hệ số truyền nhiệt lớn, tăng
diện tích truyền nhiệt và chọn tiếp điểm có dạng toả nhiệt dễ nhất.
10
Khoa Điện - Điện Tử
Trường Cao đẳng nghề Nam Định
Giáo trình khí cụ điện
* Một số yêu cầu đối với vật liệu làm tiếp điểm
Những vật liệu làm tiếp điểm phải thoả mãn các điều kiện sau :
- Có độ bền cơ khí cao
- Dẫn diện và truyền nhiệt tốt
- Chống ăn mòn và mài mòn tốt
- Nhiệt độ bốc hơi và nóng chảy cao
- Rẻ và dễ gia công cơ khí
Đồng và thép được dùng rộng rãi để làn các tiếp điểm cố định. Đồng có
điện trở suất bé và có đủ sức bền cơ khí, được dùng trong mạch có dòng điện
lớn. Thép chỉ dùng ở điện áp cao và công suất bé, về sức bền cơ khí thì lớn hơn
đồng, song điện trở suất lại lớn và đặc biệt phát sinh tổn thất lớn đối với dòng
điện xoay chiều.
Đối với tiếp xúc đóng mở mạch điện có dòng điện bé, tiếp điểm thường
làm bằng bạc, đồng, platin, vonfram, molipđen, niken và hạn hữu mới dùng
vàng. bạc có tính dẫn điện và truyền nhiệt tốt và lớp oxyt của nó dẫn điện. Platin
( bạch kim ) không có lớp oxyt, điện trở tiếp xúc bé. Vonfram có nhiệt độ nóng
chảy cao và chống mài mòn tốt đồng thời có độ cứng lớn.
Trường hợp dòng điện vừa và lớn thường dùng đồng, đồng thauvà những
kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao.
Khi dòng điện lớn, dùng hợp kim gốm, có độ mài mòn bé, độ cứng lớn
song có nhược điểm là tính dẫn điện giảm, do đó để tăng khả năng dẫn điện ,
người ta chế tạo thành những tấm mỏng dán hoặc hàn vào bề mặt tiếp xúc. Hợp
kim gốm thường dùng : bạc- vonfram, bạc – molipđen, bạc – niken, đồng –
vonfram, đồng molipđen.
5- Các nguyên nhân gây hư hỏng tiếp điểm và các biện pháp khắc phục
Xung quanh điểm tiếp xúc có nhiều hốc nhỏ ly ti , hơi nước đọng lại . các
chất có hoạt tính hoá học lớn thấm vào gây phản ứng hoá học tạo nên màng
mỏng giòn, dễ bị bóc khi va chạm , do vậy mặt tiếp xúc bị mòn dần. Đó là hiện
tượng ăn mòn kim loại.
Điện trở suất của màng mỏng rất lớn so với điện trở suất của kim loại làm
vật dẫn, do đó điện trở tiếp xúc tăng khi hình thành màng mỏng.
Sự oxy hoá làm cho điện trở tiếp xúc tăng lên đặc biệt ở nhiệt độ lớn hơn
700C. Đồng bị oxy hoá mạnh, thí nghiệm thấy ở nhiệt độ 1000Csau 1 giờ điện
trở tiếp xúc tăng khoảng 50 lần.
Nếu đốt nóng và làm nguội liên tục cũng làm tăng tốc độ oxy hoá.
Ngoài ra , mỗi kim loại có một điện thế hoá học nhất định, do đó nếu hai
kim loại tiếp xúc nhau sẽ có hiệu điện thế giữa chúngvà tạo điều kiện thuận lợi
cho oxy hoá. Hơn nữa nếu hơi nước đọng trên bề mặt tiếp xúc có chất điện phân
11
Khoa Điện - Điện Tử
Trường Cao đẳng nghề Nam Định
Giáo trình khí cụ điện
thì do có hiệu điện thế nên sé có dòng điện chạy qua giữa chúng, kim loại có độ
hoà tan lớn sé bị ăn mòn trước. Kim loại nào có điện thế hoá học càng âm (
Mn,Al,Mg ) thì độ hoà tan càng lớn nên càng chóng hỏng.
Sau đây là một số vật liệu kim loại có điẹn thế hoá học (V ) với trị âm
tăng dần:
Ag
Cu
H
0
Sn
Ni
Co
Cd
+ 0,8
+ 0,345
- 0,14
- 0,2
- 0,25
- 0,4
Fe
Cr
Zn
Mn
Al
- 1,34
Mg
- 0,44
- 0,56
- 0,76
- 1,1
- 1,87
Để giảm bớt điện trở tiếp xúc thường mạ điện. Lớp kim loại bao phủ có
tác dụng bảo vện kim loại chính. Thường mạ với vật liệu sau :
- Tiếp điểm đồng thau, đồng mạ thiếc hay mạ bạc. Mạ thiếc không tốt bằng
mạ bạc vì khi có dòng điện cao đi qua ( lúc ngắn mạch ) thiếc chảy và bắn ra
xung quanh.
- Nhôm mạ kẽm
- Sắt mạ cadimi, kẽm. Mạ niken ít bị oxy hoá , không chảy băn ra ngoài.
Đồng thời để bảo vệ tốt bề mặt kim loại, kim loại mạ phải có điện thế hoá
học gần bằng điện thế hoá học của kim loại làm tiếp điểm, tăng lực ép F và giảm
bớt khe hở, giảm bớt độ ăn mòn.
* Sự làm việc của tiếp điểm khi ngắn mạch
Khi quá tải và đặc biệt khi ngắn mạch nhiệt độ chỗ tiếp xúc của tiếp điểm
rất cao làm giảm tính đàn hồi và cường độ cơ khí của tiếp điểm. Nhiệt độ cho
phép khi ngắn mạch đối với đồng , đồng thau là 200 – 3000C , còn đối với nhôm
là 150 – 2000C.
Khoa Điện
nghề Nam Định
Giáo trình khí cụ điện
Hình 1-6 : Hình dạng dòng điện ( a ) và lực điện động ( b ) ở điểm tiếp xúc
của tiếp điểm khi ngắn mạch.
Ta phân biệt ba trường hợp sau:
- Tiếp điểm đang ở vị trí đóng bị ngắn mạch : Tiếp điểm sẽ bị hàn dính và
nóng chảy. Kinh nghiệm cho thấy lực ép lên tiếp diểm ( F ) càng lớn thì dòng
điện đẻ làm tiếp điẻm nóng chảy và hàn dính càng lớn. Thường F = 200 – 500N.
Do đó , tiếp điểm cần phải có lực giữ tốt.
- Tiếp điểm đang trong quá trình đóng bị ngắn mạch : lúc đó sẽ sinh ra lực
điện động kéo rời tiếp điểm ra xa, song do chấn động nên dễ sinh hiện tượng hàn
dính.
Thật vậy, giả thiết hai tiếp điểm trong quá trình đóng vừa mới có một
điểm tiếp xúc đã bị ngắn mạch nên dòng điện đi qua điểm này rất lớn. Như vậy
dòng điện có giá trị rất lớn đi từ một tiết diện lớn ( tiết diện của vật tiếp xúc ) đến
tiết diện bé ( tiết diện của điểm tiếp xúc ) biểu diễn trên hình 1- 6.
Kết quả là giữa các tiếp điểm sẽ phát sinh lực điện động f đẩy tiếp điểm ra
xa. Lực này do sự tác động tương hỗ giữa dòng điện I và từ trường riêng sinh ra
bởi dòng điện đó. Lực điện động có tác dụng ngược lại với lực ép các tiếp điểm
vào nhau của lò xo mên tạo thành chấn động dễ sinh hiện tượng hàn dính. Lực
điện động f được tính như sau :
D
f 107 I 2 ln( ), N
d
Trong đó : D - đường kính vật tiếp xúc.
D - đường kính điểm tiếp xúc, ( xem như tiết diện tròn bé)
Rõ ràng nếu dòng điện I càng lớn thì f( tăng tỷ lệ với I2) sẽ càng lớn.
- Tiếp điểm trong quá trình mở bị ngắn mạch : Trường hợp này sẽ phát sinh
hồ quang làm nóng chảy tiếp điểm và mài mòn mặt tiếp xúc.
Bài 1-3 SỰ PHÁT NÓNG CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN, CÁC TRẠNG THÁI LÀM
VIỆC CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN
I. Sự phát nóng của khí cụ điện
13
Khoa Điện - Điện Tử
Trường Cao đẳng nghề Nam Định
Giáo trình khí cụ điện
1. Khái niệm:
Dòng điện chạy trong vật dẫn làm khí cụ điện nóng lên. Nừu nhiệt độ
vượt quá giá trị cho phép, khí cụ điện sẽ chóng hỏng, vật liệu cách điện chóng
già hoá và cường độ cơ khí của kim loại giảm đi nhanh chóng
Để đảm bảo cho các khí cụ điện làm việc bình thường thì nhiệt độ lớn
nhất của khí cụ điện không được vượt quá nhiẹt độ lớn nhất cho phép
Nhiệt độ lớn nhất cho phép của các bộ phận trong khí cụ điện tham khảo
theo bảng 1-1
Bảng 1-1
Các bộ phận của khí cụ điện
Vật liệu không bọc cách điện hay để xa vật cách điện
Dây nối tiếp xúc cố định
Nhiệt độ cho phép, 0C
110
75
Tiếp xúc hình nón của đồng và hợp kim đồng
Tiếp xúc trượt của đồng và hợp kim đồng
Tiếp xúc mạ bạc
75
110
120
110
Vật dẫn không bọc cách điện
Vật liệu dẫn điện có bọc cách điện :
- Cách điện cấp Y ( gồm vải sợi, giấy, tơ, lụa,
90
không tẩm cách điện ).
- Cách điện cấp A ( Vải sợi, giấy , tơ , lụa , có thấm
105
120
130
tẩm cách điện )
- Cách điện cấp E ( bọc lớp hợp chất tổng hợp và
một số vật liệu khác có thể làm việc ổn định ở
nhiệt độ này )
- Cách điện cấp B ( vật liệu trên cơ sở mi ca,
amian,sợi thuỷ tinh có thấm tẩm để chịu nhiệt độ
tương ứng )
- Cách điện cấp F ( vật liệu trên cơ sở mi ca,
amian,sợi thuỷ tinh có thấm tẩm tốt hơn để chịu
nhiệt độ cao hơn cấp B )
155
180
- Cách điện cấp H ( vật liệu trên cơ sở mi ca,
14
Khoa Điện - Điện Tử
Trường Cao đẳng nghề Nam Định
Giáo trình khí cụ điện
amian,sợi thuỷ tinh và tổng hợp silíc )
- Cách điện cấp C ( vật liệu trên cơ sở mi ca, silíc,
Trên 180
sứ.... )
Tuỳ theo chế độ làm việc mà khí cụ điện phát nóng khác nhau. Có 3 chế
độ làm việc : Làm việc dài hạn, làm việc ngắn hạn và làm việc ngắn hạn lặp lại.
Sự phát nóng do tổn hao nhiệt quyết định. Đối với khí cụ điện một chiều
đó là tổn hao đồng, đối với khí cụ điện xoay chiều là tổn hao đồng và sắt. Ngoài
ra còn tổn hao phụ. Nguồn phát nóng chính ở khí cụ điện là : dây dẫn có dòng
điện chạy qua, lõi thép có từ thông biến thiên theo thời gian . cầu chì, chống sét
và một số khí cụ khác có thể phát nóng do hồ quang. Ngoài ra còn có thể phát
nóng do tổn thất dòng điện xoáy.
Các loại tổn hao này đều biến thành nhiệt làm khí cụ điện nóng lên ta nói
khí cụ điện bị phát nóng. Khi nhiệt độ của khí cụ điện cao hơn nhiệt đọ môi
trường nó bắt đầu toả nhiệt ra ngoài môi trường theo ba hình thức : Truyền
nhiệt, bức xạ và đối lưu. Chênh lệch nhiệt càng lớn thì nhiệt lượng truyền ra môi
trường càng nhiều . Khi nhiệt lượng do năng lượng tổn hao trong khí cụ điện
sinh ra trong một đơn vị thời gian bằng nhiệt lượng toả ra môi trường trong cùng
thời gian đó thì nhiệt độ của khí cụ điện không tăng lên nữa mà đạt tới giá trị
nhiệt độ ổn định . Kết thúc quá trình phát nóng của khí cụ điện ( đoạn OA )
Hình 1-1 : Đường đặc tính phát nóng và nguội lạnh của khí cụ điện
Thời gian t nóng gọi là thời gian đốt nóng thường từ vài chục phút đến vài
giờ
Khi cắt thiết bị ra khỏi nguồn điện , nguồn phát nhiệt mất đi nó bắt đầu
giảm nhiệt độ cho đến khi bằng nhiệt độ 0của môi trường. Đó là quá trình nguội
15
Khoa Điện - Điện Tử
Trường Cao đẳng nghề Nam Định
Giáo trình khí cụ điện
lạnh của khí cụ điện ( đoạn BC ). Thời gian t nguội là thời gian nguội lạnh của khí
cụ điện.
2. Các chế độ làm việc của khí cụ điện
Khoảng các giữa hai lần đóng điện và cắt điện của khí cụ điện gọi là thời
gian làm việc tđ . Tuỳ theo tương quan giữa thời gian làm việc , thời gian phát
nóng và nguội lạnh , người ta chia ra 3 chế độ làm việc:
a- Chế độ làm việc dài hạn: Là chế độ làm việc có thời gian đóng điện tđ lớn
hơn thời gian phát nóng t nóng . Như vậy trong mỗi chu kỳ làm việc khí cụ điện
đều bị gia nhiệt đến nhiệt độ ổn định ( Hình 1- 2 ).
cp
Hình 1-2 : Đường đặc tính phát nóng và nguội lạnh của khí cụ điện ở chế độ làm
việc dài hạn
b- Chế độ làm việc ngắn hạn :
Là chế độ làm việc có thời gian làm việc ( tđ ) nhỏ hơn thời gian phát
nóng ( t
), tđ < t
. Nhưng thời gian cắt điện lại dài hơn thời gian
nóng
nóng
nguội lạnh ( tc > t nguội ). Như vậy trong mỗi chu kỳ làm việc khí cụ điện không
bao giờ đạt tới nhiệt độ ổn định và sau đó lại nguội lạnh đến nhiệt độ môi trường
( Hình 1- 3a )rồi mới bắt đầu chu kỳ làm việc mới. Ví dụ các khí cụ điện trong
mạch khởi động , mở máy các động cơ điện, cuận dây đóng và cắt máy ngắt.
16
Khoa Điện - Điện Tử
Trường Cao đẳng nghề Nam Định
Giáo trình khí cụ điện
Hình 1-3: a) Đường đặc tính trong chế độ làm việc ngắn hạn
b) Đường đặc tính trong chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại
c- Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại :
Là chế độ làm việc có thời gian đóng điện ( tđ ) nhỏ hơn thời gian phát
nóng( t nóng ) và thời gian cắt điện ( t c) nhỏ hơn thời gian nguội lạnh ( t nguội ) , t
< t nguội. Như vậy trong mỗi chu kỳ làm việc khí cụ điện chưa kịp nguội tới
c
nhiệt độ môi trường lại bắt đầu một chu kỳ làm việc mới. Ví dụ các khí cụ điện
trong các cầu trục làn việc ở chế độ này .
II. Các trạng thái làm việc của khí cụ điện
1. Trạng thỏi làm việc bỡnh thường
Các khí cụ điện cũng như các thiết bị điện làm việc với các đạ lượng
thông số không vượt quá trị số định mức như các đại lượng về dũng điện, điện
áp, công suất vv..
Đại lượng định mức là những trị số của các thông số mà thiết bị điện được
sử dụng hết khả năng của chúng, đồng thời đảm bảo làm việc lâu dài
2. Trạng thỏi làm việc khụng bỡnh thường
a. Trạng thỏi quỏ tải
Dũng điện vợt quỏ trị số định mức như: quỏ tải, ngắn mạch, khi đó các
tổn hao trong dõy quấn và lừi thộp vợt quỏ mức bỡnh thường làm nhiệt tăng cao
gõy hư hỏng khí cụ điện .
b. Trạng thỏi quỏ điện ỏp
Điện áp vượt quỏ trị số định mức như trong trường hợp quá điện
áp do sét. Khi đú, điện trường trong vật liệu cỏch điện tăng cao cú thể xảy ra
phóng điện, gõy hư hỏng cỏch điện
c. Trạng thỏi ngắn mạch
17
Khoa Điện - Điện Tử
Trường Cao đẳng nghề Nam Định
Giáo trình khí cụ điện
Ngắn mạch 3 pha, ngắn mạch 2 pha, ngắn mạch 1 pha, ngắn mạch 2
pha chạm đất. Khi cú ngắn mạch dũng điện rất lớn, đõy là trường hợp sự cố của
mạch điện nờn cần thiết phải cú thiết bị bảo vệ.
18
Khoa Điện - Điện Tử
Trường Cao đẳng nghề Nam Định
Giáo trình khí cụ điện
BÀI 1-4 HỒ QUANG ĐIỆN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP DẬP TẮT HỒ
QUANG
1. Khái niệm hồ quang điện
Đối với khí cụ điện cầu dao, rơ le, cầu chì, công tắc tơ... khi đóng cắt mạch
điện, hồ quang phát sinh trên tiếp điểm, nhất là khi cắt mạch điện. Hồ quang
cháy lâu, khí cụ và hệ thống điện sẽ hư hỏng do đó cần phải nhanh chóng dập tắt
hồ quang.
Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện trong khí (Hình vẽ).
Hồ quang có mật độ dòng điện lớn đến 104 - 105 A/cm2, nhiệt độ cao 5000 -
60000C, điện áp rơi trên catốt từ 10 - 20V và thường kèm theo hiện tượng phát
sáng. Cường độ điện trường Ec ở catốt rất lớn từ 105 - 106V/cm, trong khi ở thân
hồ quang cường độ điện trường là Eth khoảng 10 - 50V/cm.
Anốt
+
-
Catốt
Hồ quang
Hình vẽ : Hồ quang điện
2. Nguyên nhân và quá trình phát sinh hồ quang
Khi đóng cắt dòng điện ở chỗ tiếp xúc xuất hiện phóng điện hồ quang, ta
gọi là hồ quang điện. Hình 1- 9a vẽ mạch điện dùng cầu dao CD để đóng cắt.
Lúc cầu dao đang đóng , trong mạch có dòng điện I, còn điện áp nguồn
đặt vào tải là U, điện áp đặt vào hai cực A,B của cầu dao bằng không (bỏ qua
điện trở tiếp xúc của tiếp điểm ).
Khi cắt điện, hai đầu tiếp xúc A’, B’ rời nhau ra. Lúc đó dòng điện trong
mạch giảm nhanh, điện trở chỗ tiếp xúc trở thành rất lớn và toàn bộ điện áp U
coi như đặt vào hai cực AB ( hình 1- 9b ). Điện trường khe hở giữa hai tiếp điểm
sẽ là :
U
E
d
Hình 1- 9 : Hình thành điện trường ở chỗ tiếp xúc
19
Khoa Điện - Điện Tử
Trường Cao đẳng nghề Nam Định
Giáo trình khí cụ điện
Lúc vừa mở tiếp điểm , khoảng cách d rất nhỏ, nên điện trường E rất lớn.
Đồng thời , do dòng điện I vẫn còn ngay ở lúc tiếp điểm chưa rời hẳn, nên nhiệt
độ ở chỗ tiếp xúc tăng lên. Kết quả là không khí ở khe hở bị ion hoá mạnh ( ion
hoá do điện trường và do nhiệt ), làm cho khối khí trở thành dẫn điện tốt và xuất
hiện hiện tượng phóng điện hồ quang giữa hai đầu tiếp xúc A’ và B’.
Như vậy, điện áp U càng cao hoặc dòng điện I càng lớn, hồ quang càng dễ
phát sinh và càng mạnh, vì thế , đóng cắt điện áp cao, dòng điện lớn, hồ quang
sinh ra rất mạnh.
3- Tác hại của hồ quang
- Kéo dài thời gian đóng cắt
- Làm hỏng mặt tiếp xúc
- Gây ngắn mạch giữa các pha
- Gây hoả hoạn và tai nạn
- Khi hồ quang phóng chập chờn, dễ xảy ra hiện tượng cảm ứng, làm điện
áp cục bộ trên các thiết bị điện tăng cao, dẫn tới quá điện áp.
4- Các phương pháp dập hồ quang
Để dập tắt hồ quang, ta dùng những biện pháp sau :
- Tăng độ dài hồ quang
- Dùng từ trường để tạo lực thổi hồ quang chuyển động nhanh
- Dùng dòng khí hay dầu để thổi dập tắt hồ quang
- Dùng khe hở hẹp để hồ quang cọ sát vào vách của khe hẹp này
- Tạo thành chân không ở khu vực hồ quang
- Chia hồ quang thành nhiều hồ quang ngắn nhờ các vách ngăn
- Cho hồ quang tiếp xúc với một chất cách điện làm nguội
20
Khoa Điện - Điện Tử
Trường Cao đẳng nghề Nam Định
Tải về để xem bản đầy đủ
33 trang
09/01/2024
7100
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Khí cụ điện (Phần 1) - Trường Cao đẳng nghề Nam Định", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_khi_cu_dien_phan_1.pdf
