CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT

CƠ SỞ KHÍ CỤ ĐIỆN

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA ĐIỆN

BÀI GIẢNG KHÍ CỤ ĐIỆN

Khí cụ điện là những thiết bị dùng để đóng cắt, điều khiển,

điều chỉnh và bảo vệ các lưới điện, mạch điện, máy điện,…

,dùng để kiểm tra và điều chỉnh các quá trình không điện

khác .

Khí cụ điện sử dụng rộng rãi ớ các nhà máy phát điện ,trạm

biến áp ,trong xí nghiệp công nghiệp ,nông nghiệp , lâm

nghiệp , giao thông vận tải....

VD: công tắc , cầu chì , cầu dao , rơ le …

2

PHÂN LOẠI VÀ CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN

Phân loại theo công dụng : gồm 5 loại

Khí cụ điện dùng để đóng ngắt mạch điện của lưới điện (cầu

dao, công tắc…)

Khí cụ điện dùng để mở máy, điều chỉnh tốc độ , điều chỉnh

điện áp, dòng điện (công tắc tơ , khởi động từ,...)

Khí cụ điện dùng để bảo vệ lưới điện, máy điện (cầu chì , …)

Khí cụ điện dùng để duy trì tham số điện ở giá trị không đổi

(ổn áp hay thiết bị tự động điều chỉnh điện áp, dòng điện, tần

số , tốc độ , nhiệt độ…)

Khí cụ điện đo lường (VOM , volt kế, ampe kế…)

3

PHÂN LOẠI

Phân loại theo điện áp :

Khí cụ điện cao thế: Uđm ≥ 1000V

Khí cụ điện trung thế : 600V ≤ Uđm <1000V

Khí cụ điện hạ thế: Uđm < 600V

Phân loại theo dòng điện: gồm 2 loại

Khí cụ điện 1 chiều

Khí cụ điện xoay chiều

PHÂN LOẠI

Phân loại theo nguyên lý làm việc

Khí cụ điện làm việc theo nguyên lý điện từ

Khí cụ điện làm việc theo nguyên lý từ điện

Khí cụ điện làm việc theo nguyên lý cảm ứng

Khí cụ điện làm việc theo nguyên lý điện động

Khí cụ điện làm việc theo nguyên lý điện nhiệt

Khí cụ điện có tiếp điểm

Khí cụ điện ko có tiếp điểm

PHÂN LOẠI

Phân loại theo điều kiện làm việc và dạng bảo vệ:

Khí cụ điện làm việc ở vùng nhiệt đới

Khí cụ điện làm việc ở vùng có nhiều rung động

Khí cụ điện làm việc ở vùng mỏ có khí nổ

Khí cụ điện làm việc ở môi trường có chất ăn mòn hoá học...

PHÂN LOẠI

Khi lưới điện xảy ra sự cố ngắn mạch, dòng điện sự cố tăng

rất nhiều lần so với dòng định mức. Dưới tác dụng của từ

trường, các dòng điện này gây ra lực điện động làm biến

dạng dây dẫn và cách điện nâng đỡ chúng

Khí cụ điện phải chịu lực tác động phát sinh khi có dòng

điện ngắn mạch chạy qua là một tiêu chuẩn không thể thiếu

của khí cụ điện gọi là tính ổn định lực điện động .

LỰC ĐIỆN ĐỘNG TRONG KHÍ CỤ ĐIỆN

Khi tần số của thành phần biến thiên của lực gần bằng với

tần số riêng của dao động cơ khí sẽ sinh ra hiện tượng cộng

hưởng và có khả năng phá hỏng khí cụ điện .

Vì vậy khi thiết kế khí cụ điện nên chọn tần số riêng của các

dao động cơ khí lớn hơn gấp đôi tần số của lực.

CỘNG HƯỞNG CƠ KHÍ

Chỗ tiếp giáp giữa hai vật dẫn điện để cho dòng điện

chạy từ vật dẫn này sang vật dẫn kia gọi là tiếp xúc điện.

Bề mặt chỗ tiếp giáp của các vật dẫn điện gọi là bề

mặt tiếp xúc điện.

KHÁI NIỆM VỀ TIẾP XÚC ĐIỆN

Tiếp xúc cố định : là loại tiếp xúc không tháo lắp giữa 2

vật dẫn, được liên kết bằng bulông, đinh vit, đinh rivê,...

Tiếp xúc đóng mở : là tiếp xúc có thể làm cho dòng

điện chạy hoặc ngừng chạy từ vật này sang vật khác (như

các tiếp điểm trong thiết bị đóng cắt).

Tiếp xúc trượt : là vật dẫn điện này có thể trượt trên bề

mặt của vật dẫn điện kia (ví dụ như chổi than trượt trên

vành góp máy điện).

PHÂN LOẠI TIẾP XÚC ĐIỆN

Nơi tiếp xúc điện phải chắc chắn, đảm bảo.

Mối nối nơi tiếp xúc phải có độ bền cơ khí cao.

Mối nối không được phát nóng quá gía trị cho phép.

Ổn định nhiệt và ổn định động khi có dòng điện cực đại đi

qua.

Chịu được tác đông của môi trường (nhiệt độ, chất hoá

học...)

CÁC YÊU VỀ TIẾP XÚC ĐIỆN

Vật liệu dùng làm tiếp điểm có các yêu cầu:

Điện dẫn và nhiệt dẫn cao.

Độ bền chổng rỉ trong không khí và trong các khí khác.

Độ bền chống tạo lớp màng có điện trở suất cao.

Độ cứng cao để giảm hao mòn ở các bộ phận đóng ngắt.

Độ bền chịu hồ quang cao (nhiệt độ nóng chảy).

Đơn giản gia công, giá thành hạ.

Một số vật liệu làm tiếp điểm: Đồng, Bạc, Nhôm, Vonfram...

CÁC YÊU VỀ TIẾP XÚC ĐIỆN

Ăn mòn kim loại

Thực tế dù gia công thế nào thì bề mặt tiếp xúc tiếp điểm

vẫn còn những lỗ nhỏ li ti.

Khi vận hành hơi nước và các chất có hoạt tính hóa học cao

thấm và đọng lại trong những lỗ nhỏ đó sẽ gây ra các phản

ứng hóa học tạo ra một lớp màng mỏng rất giòn.

Khi va chạm trong quá trình đóng mở tiếp điểm, lớp màng

này dễ bị bong ra. Do đó bề mặt tiếp xúc sẽ bị mòn dần, hiện

tượng này gọi là hiện tượng ăn mòn kim loại

NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG VÀ CÁCH KHẮC PHỤC

NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG VÀ CÁCH KHẮC PHỤC

Oxy hóa

Môi trường xung quanh làm bề mặt tiếp xúc bị oxy hóa

tạo thành lớp oxit mỏng trên bề mặt tiếp xúc, điện trở suất

của lớp oxit rất lớn nên làm tăng Rtx dẫn đến gây phát nóng

tiếp điểm.

NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG VÀ CÁCH KHẮC PHỤC

Hư hỏng do điện

Thiết bị điện vận hành lâu ngày hoặc không được bảo quản

thì lò xo tiếp điểm sẽ bị hoen rỉ và yếu đi không đủ lực ép vào

tiếp điểm.

Khi có dòng điện chạy qua, tiếp điểm dễ bị phát nóng gây

nóng chảy, thậm chí hàn dính vào nhau. Nếu lực ép tiếp điểm

quá yếu có thể phát sinh tia lửa làm cháy tiếp điểm.

Ngoài ra, tiếp điểm bị bẩn, rỉ sẽ tăng điện trở tiếp xúc, gây

phát nóng dẫn đến hao mòn nhanh tiếp điểm.

Cách khắc phục hư hỏng

Tiếp xúc cố định : nên bôi một lớp mỡ chống rỉ hoặc quét

sơn chống ẩm, khi thiết kế nên chọn vật liệu có điện thế hóa

học giống nhau hoặc gần bằng nhau cho từng cặp.

Nên sử dụng vật liệu không bị oxy hóa làm tiếp điểm.

Mạ điện các tiếp điểm: với tiếp điểm đồng, đồng thau

thường được mạ thiếc, mạ bạc, mạ kẽm còn tiếp điểm thép

thường được mạ cađini, kẽm,...

NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG VÀ CÁCH KHẮC PHỤC

NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG VÀ CÁCH KHẮC PHỤC

Cách khắc phục hư hỏng

Thay lò xo tiếp điểm: những lò xo đã rỉ, đã yếu làm giảm

lực ép sẽ làm tăng điện trở tiếp xúc, cần lau sạch tiếp điểm

bằng vải mềm và thay thế lò xo nén khi lực nén còn quá yếu.

Kiểm tra sửa chữa cải tiến thiết bị dập hồ quang để rút

ngắn thời gian dập hồ quang.

Ở trạng thái làm việc, trong các bộ phận của TBĐ như :

mạch vòng dẫn điện, mạch từ, các chi tiết bằng kim loại và

cách điện đều có tổn hao năng lượng tác dụng và biến thành

nhiệt năng.

Một phần của nhiệt năng này làm tăng nhiệt độ của TBĐ,

còn 1 phần khác tỏa ra môi trường xung quanh.

Ở chế độ xác lập nhiệt, nhiệt độ của thiết bị không tăng

lên nữa mà đạt trị số ổn định, còn toàn bộ nhiệt năng tỏa ra

môi trường xung quanh.

PHÁT NÓNG KHÍ CỤ ĐIỆN

PHÁT NÓNG KHÍ CỤ ĐIỆN

Nếu nhiệt độ của thiết bị điện tăng cao thì cách điện

bị già hóa và độ bền cơ của các chi tiết bị suy giảm.

Khi tăng nhiệt độ của vật liệu cách điện lên 8oC so

với nhiệt độ cho phép ở chế độ dài hạn thì tuổi thọ của

cách điện giảm 50%.

PHÁT NÓNG KHÍ CỤ ĐIỆN

Vật liệu dẫn điện thông dụng nhất là Cu, nếu tăng nhiệt

độ từ 100oC đến 250oC thì độ bền cơ giảm 40%, do độ bền

cơ của chúng giảm nên lực điện động trong trường hợp

ngắn mạch sẽ làm hư hỏng thiết bị.

Do vậy độ tin cậy của thiết bị phụ thuộc vào nhiệt độ

phát nóng của chúng.

Độ bền điện động của thiết bị điện được cho dưới dạng

dòng ngắn mạch xung kích.

Khi chọn thiết bị điện đóng cắt, phải kiểm tra xem dòng

ngắn mạch đi qua thiết bị đó, có bé hơn dòng xung kích

cho phép hay không, nếu không đạt phải chọn thiết bị có

dòng xung kích lớn hơn.

ỔN ĐỊNH LỰC ĐIỆN ĐỘNG

Đảm bảo sử dụng lâu dài với các thông số kỹ thuật định

mức.

Ổn định nhiệt và ổn định lực điện động.

An toàn, chính xác , dễ gia công lắp ráp và dễ sữa chữa.

Vật liệu cách điện phải ko bị hư hỏng khi xảy ra sự cố.

Làm việc ổn định ở các điều kiện khí hậu và môi trường

yêu cầu.

CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN ĐỐI VỚI KCĐ

HỒ QUANG ĐIỆN

Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện trong chất

khí với mật độ dòng điện rất lớn ( tới khoảng 102 đến 103

A/mm2) có nhiệt độ rất cao (tới khoảng 5000 đến 60000C )

và thường kèm theo hiện tượng phát sáng.

Hồ quang điện có ích : Hồ quang điện thực sự có

ích khi được sử dụng trong các lĩnh vực như hàn điện,

luyện thép,...những lúc này hồ quang cần được duy trì

cháy ổn định.

HỒ QUANG ĐIỆN

Hồ quang điện có hại : Khi đóng cắt các thiết bị điện

như contactor, cầu dao, máy cắt,...hồ quang sẽ xuất hiện

giữa các cặp tiếp điểm.

Hồ quang cháy lâu sau khi thiết bị điện đã đóng cắt sẽ

làm hư hại các tiếp điểm và thiết bị điện.

Để đảm bảo độ làm việc tin cậy của thiết bị điện cần

tiến hành dập tắt hồ quang càng nhanh càng tốt.

QUÁ TRÌNH PHÁT SINH HỒ QUANG ĐIỆN

Hồ quang điện phát sinh là do môi trường giữa các

điện cực (giữa các cặp tiếp điểm) bị ion hóa.

Ion hóa có thể xảy ra bằng các con đường khác nhau

như dưới tác dụng của ánh sáng, nhiệt độ, điện trường

mạnh,....

Hồ quang điện sẽ bị dập tắt khi môi trường giữa các

điện cực không còn dẫn điện.

Trong thời gian ngắn phải dập tắt được hồ quang, hạn

chế phạm vi cháy hồ quang là nhỏ nhất.

Tốc độ đóng mở tiếp điểm phải lớn.

Năng lượng hồ quang sinh ra phải bé, điện trở hồ quang

phải tăng nhanh.

Tránh hiện tượng quá điện áp khi dập hồ quang.

CÁC YÊU CẦU DẬP TẮT HỒ QUANG ĐIỆN

CÁC BIỆN PHÁP DẬP TẮT HỒ QUANG ĐIỆN

Kéo dài ngọn lửa hồ quang.

Dùng năng lượng hồ quang sinh ra để tự dập.

Dùng năng lượng nguồn ngoài để dập.

Chia hồ quang thành nhiều phần ngắn để dập.

Mắc thêm điện trở song song để dập.

CƠ CẤU ĐIỆN TỪ VÀ NAM CHÂM ĐIỆN

Các thiết bị như rơle, công tắc tơ, khởi động từ,

áptômát, ... đều có bộ phận làm nhiệm vụ biến đổi từ điện

năng ra cơ năng. Bộ phận này gồm có : cuộn dây và mạch

từ gọi chung là cơ cấu điện từ.

Mạch từ chia làm các phần chính sau đây :

Thân mạch từ

Nắp mạch từ

Khe hở không khí chính .

3 1

2

r

t

Hình : Kết cấu mạch từ

1.Thân mạch từ; 2. Nắp mạch từ ;3. Cuộn dây

CƠ CẤU ĐIỆN TỪ VÀ NAM CHÂM ĐIỆN