Giáo trình hướng dẫn tính toán thiết kế thiết bị điện

LÊ THÀNH BẮC (Chủ biên)

VÕ NHƯ TIẾN

LÊ VĂN QUYỆN

DƯƠNG NGỌC THỌ

HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN

THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN

PHẦN I: MÁY NGẮT ĐIỆN CAO ÁP

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

HÀ NỘI-2003

HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN

PHẦN I: MÁY NGẮT ĐIỆN CAO ÁP

Tác giả: Lê Thành Bắc (chủ biên)

Võ Như Tiến, Lê Văn Quyện, Dương Ngọc Thọ

Chịu trách nhiệm xuất bản: PGS.TS Tô Đăng Hải

Biên tập: Nguyễn Thị Ngọc Bích

Chế bản: Nguyễn Trung Tiến, Văn Công Lê

Trình bày: Cao Ngọc Châu, Tôn Thất Hoà Bình

Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật

70 Trần Hưng Đạo - Hà Nội

In 600 cuốn khổ 19 x 27cm tại Nhà in Đại học Quốc gia

Giấy phép xuất bản số 978-56-20/7/2002

In xong và nộp lưu chiểu tháng 9 năm 2002.

Lời nói đầu

Giáo trình "HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN"

được chia làm hai phần:

- Phần 1: Máy ngắt điện cao áp.

- Phần 2: Thiết bị điện hạ áp.

Phần "MÁY NGẮT ĐIỆN CAO ÁP“ được biên soạn trên cơ sở đề cương

chuyên đề và đề cương môn học "Thiết kế thiết bị điện" cho các ngành Kỹ thuật điện

nói chung và ngành Thiết bị điện nói riêng. Chúng tôi biên soạn cuốn sách này nhằm

phục vụ làm tài liệu giảng dạy, tài liệu tham khảo trong thiết kế môn học cũng như

thiết kế tốt nghiệp cho sinh viên ngành kỹ thuật điện. Cuốn sách này biên soạn chủ

yếu dựa trên cuốn "ΠPOEKTỉPOBAHỉE BKΛþ÷ATEΛEĨ ΠEPEMEHHOΓO

TOKA BCOKOΓO HAΠPÿưEHỉÿ" của tác giả ê.A.KYKEKOB và cuốn " High

Voltage Circuit Breakers Design and Applications" của tác giả Ruben D. Gazon.

Trong quá trình biên soạn, các tác giả còn tham khảo các giáo trình "THIẾT KẾ

MÁY NGẮT CAO ÁP", "THIẾT KẾ MÁY NGẮT DẦU",...là những tài liệu đã

được trường Đại học Bách khoa Hà Nội xuất bản. Sách này không chỉ dùng làm tài

liệu giảng dạy và học tập cho sinh viên ngành Điện mà còn có thể làm tài liệu dùng

cho nghiên cứu cũng như tham khảo cho ki sư và cán bộ ki thuật ngành điện cũng

như các chuyên ngành liên quan.

Nội dung của tài liệu này đề cập đến các vấn đề lí thuyết cơ bản trong tính

toán thiết kế máy ngắt điện cao áp, các vấn đề được trình bày trong 9 chương. Đồng

chí Võ Như Tiến biên soạn các chương 1, 2, 3, 7. Đồng chí Lê Văn Quyện biên soạn

chương 6. Đồng chí Dương Ngọc Thọ biên soạn chương 8. Đồng chí Lê Thành Bắc

biên soạn các chương 4, 5, 9 và các phần còn lại.

Trong quá trình biên soạn, các tác giả đã nhận được sự giúp đỡ và cung cấp

tài liệu của các Thầy, Cô giáo trong bộ môn Thiết bị điện -điện tử, trường Đại học

Bách khoa Hà Nội, đặc biệt là PGS. Lê Văn Doanh và GVC. Lưu Mỹ Thuận. Chúng

tôi cũng đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của TS.Trần Văn Chính và các đồng

nghiệp khoa điện trường Đại học Kỹ thuật Đà Nẵng trong việc hiệu đính và đóng góp

thêm nhiều ý kiến cho nội dung tài liệu.

Mặc dù, chúng tôi đã cố gắng trong việc cập nhập các thiết bị hiện đại nhưng

do tài liệu về vấn đề này rất hạn chế nên có thể còn những vấn đề chưa được đề cập

thỏa đáng. Chúng tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến bổ xung của các bạn

đọc để sách được hoàn thiện hơn nữa trong các lần tái bản sau.

Mọi thư từ góp ý xin gửi về bộ môn Thiết bị Điện - trường Đại học Kỹ thuật Đà Nẵng.

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn.

Các tác giả

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Chương 1

CÁC VẤN ĐỀ CHUNG KHI TÍNH TOÁN MÁY NGẮT CAO ÁP ĐIỆN XOAY

CHIỀU

1.1. Các yêu cầu cơ bản đối với máy ngắt

1.2. Trình tự tính toán

1.3. Các tham số chính cho trước khi tính toán

1.4. Một số kinh nghiệm khi chọn kiểu máy ngắt

1.5. Sơ đồ kết cấu máy ngắt

Chương 2

Trang

5

7

9

11

20

TÍNH TOÁN CÁCH ĐIỆN CHUNG CỦA MÁY NGẮT

2.1. Các tham số cho trước khi tính toán cách điện chung

2.2. Phương pháp tính gần đúng cách điện chung

2.3. Phương pháp tính gần đúng sự phân bố điện áp cho từng khoảng ngắt trên một

cực

2.4. Ví dụ về cách tính cách điện chung

Chương 3

TÍNH TOÁN MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN CỦA MÁY NGẮT

3.1. Khái niệm chung

3.2. Tính điện động mạch vòng dẫn điện

3.3. Tính toán nhiệt của mạch vòng dẫn điện

3.4. Tính toán gần đúng sự phát nóng thanh dẫn điện sứ vào

3.5. Tính toán gần đúng hệ thống dẫn điện bình chứa của máy ngắt không khí

3.6. Tính toán các tiếp điểm

Chương 4

TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ VÀ ĐẶC TUYẾN CƠ BẢN CỦA CÁC THIẾT

BỊ DẬP HỒ QUANG TRONG MÁY NGẮT KHÔNG KHÍ

4.1. Khái niệm chung về tính toán các thiết bị dập hồ quang

4.2. Đặc tuyến chung của quá trình dập hồ quang khi thổi dọc

4.3. Tính toán lượng không khí (khí) chảy qua miệng ống có hồ quang điện

4.4. Tính toán gần đúng công suất ngắt và sự phục hồi độ bền điện ở khoảng giữa hai

tiếp điểm

4.5. Các nguyên lý cơ bản về cách tính kết cấu các buồng dập hồ quang có thổi

không khí dọc dùng shun điện trở

4.6. Kết cấu các thiết bị dập hồ quang có thổi không khí dọc

Chương 5

TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÁC THIẾT BỊ DẬP HỒ QUANG CỦA MÁY

NGẮT DẦU

5.1. Các vấn đề cơ bản về tính toán các thiết bị dập hồ quang trong máy ngắt dầu

5.2. Tính công suất và năng lượng của hồ quang trong quá trình tạo thành khí khi dập

tắt hồ quang trong dầu

5.3. Tính áp suất trong bình có chứa khi dạng bong bóng hơi khép kín

5.4. Tính áp suất trong bình chứa khi hỗn hợp và khí hơi chảy từ bình ra

5.5. Tính độ bền điện phục hồi của khoảng hồ quang

5.6. Phương pháp gần đúng tính quá trình dâng dầu trong bình chứa sau khi đã dập

tắt hồ quang

5.7. Trình tự tính toán các bình chứa thổi dầu tự động

Chương 6

TÍNH TOÁN KẾT CẤU THIẾT BỊ DẬP HỒ QUANG CỦA MÁY NGẮT TỰ

SINH KHÍ

6.1. Đặc tính chung của quá trình dập hồ quang của máy ngắt tự sinh khí

6.2. Tính gần đúng các đặc tính cơ bản của thiết bị dập hồ quang tự sinh khí

Chương 7

TÍNH KẾT CẤU THIẾT BỊ DẬP HỒ QUANG BẰNG TỪ TRONG MÁY

25

29

31

37

40

40

50

55

61

66

76

77

79

87

103

110

117

123

128

131

136

140

141

143

145

NGẮT KHÔNG KHÍ

7.1. Đặc tính chung của quá trình dập hồ quang được làm lạnh trong buồng dập hồ

quang kiểu rãnh

7.2. Ngắt mạch điện cảm bằng buồng dập hồ quang kiểu rãnh

7.3. Tính tốc độ chuyển động của hồ quang dưới ảnh hưởng của từ trường ngang

trong buồng dập hồ quang kiểu rãnh

7.4. Tính sự phát nóng các bức thành của rãnh bình chứa và tính dòng điện ngắt

7.5. Chọn và tính các kích thước chính và đặc tuyến cơ bản của bình chứa có buồng

dập hồ quang kiểu rãnh dập bằng từ

7.6. Kết cấu các thiết bị dập hồ quang bằng từ trong rãnh hẹp

Chương 8

PHƯƠNG PHÁP TÍNH CÁC ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC CƠ BẢN CỦA

MÁY NGẮT KHÔNG KHÍ

8.1. Đại cương

8.2. Tính sự bơm đầy không khí nén vào buồng dập hồ quang

8.3. Tính không khí chảy từ bình chứa ra khí quyển

8.4. Tính không khí chảy từ thể tích giới hạn ra ngoài trong lúc áp suất giảm

8.5. Sự bơm đầy không gian làm việc hình trụ của bộ phận cơ khí chảy bằng hơi

8.6. Ví dụ tính sự bơm đầy buồng dập hồ quang của máy ngắt không khí điện áp

110kV

Chương 9

KẾT CẤU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ CỦA

MÁY NGẮT ĐIỆN CAO ÁP

9.1. Các sơ đồ động học của truyền động cơ khí

9.2. Các tham số cho trước để tính truyền động cơ khi mở bằng lò xo

9.3. Tính toán động lực học của truyền động cơ khí mở bằng lò xo

9.4. Tính toán động lực học của bộ phận cơ khí chạy bằng hơi của buồng dập hồ

quang máy ngắt không khí

Phụ lục1: Một số loại máy ngắt dầu đang sử dụng ở Việt Nam

Phụ lục2: Một số loại máy ngắt SF6 đang sử dụng ở Việt Nam

Tài liệu tham khảo

151

153

156

161

164

166

169

169

178

180

182

187

191

195

202

218

222

228

234

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. ΠPOEKTỉPOBAHỉE BKΛþ÷ATEΛEĨ ΠEPEMEHHOΓO TOKA BCOKOΓO HAΠPÿưEHỉÿ -

ê.A.KYKEKOB-MOCKBA 1961

2. TEOPỉÿ ÝΛECTPỉ÷EKỉx AΠΠAPATOB -Γ. H. AỊEKCAHÔPOB-MOCKBA Bcaÿ KOỊA￾1985.

3. THIẾT KẾ MÁY NGẮT CAO ÁP - Bộ môn Máy điện- Khí cụ điện - Đại học Bách khoa Hà Nội

- 1978.

4. High Voltage Circuit Breakers Design and Applications- Ruben D. Gazon- New York 1996.

5. Cẩm nang thiết bị đóng cắt - Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật -Hà Nội - 1998.

6. HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ MÁY NGẮT DẦU - Lưu Mỹ Thuận- Bộ môn Máy điện - Khí cụ

điện - Đại học Bách khoa Hà Nội - 1976.

7. Giáo trình Khí cụ điện, dùng cho ngành Điện khí hóa- Đại học Bách khoa Hà Nội - 1979.

8. Giáo trình THIẾT BỊ ĐIỆN- Lê Thành Bắc- Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật- Hà Nội- 2001.

9. Low Oil Content Circuit - Breakers for Outdoor Stations 10...72.5 kV. E.I.B.

10. SF6 Circuit - Breakers with Spring Operating Mechanism 72.5... 170 kV. AEG.

11. Gas - Insulated Switchgear 72.5... 525 kV. AEG.

12. Metal - Enclosed, SF6 - Gas Insulated High Voltage Switchgear (V.I.S.). series B3 up to 420kV.

AEG.

13. Quy trình vận hành và bảo dưỡng các loại máy ngắt dầu- Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật-Hà

Nội -1996.

14. Quy trình vận hành và bảo dưỡng máy ngắt SF6-Tổng công ty Điện lực Việt Nam- Hà Nội -1998.

5

CHƯƠNG 1

CÁC VẤN ĐỀ CHUNG KHI TÍNH TOÁN MÁY NGẮT CAO ÁP ĐIỆN

XOAY CHIỀU

1.1. CÁC YÊU CầU CƠ BảN ĐốI VớI MÁY NGắT

Trong các hệ thống điện cao áp, máy ngắt là thiết bị đóng mở cơ khí có khả năng

đóng, dẫn liên tục và cắt dòng điện trong điều kiện bình thường và bất thường của mạch

điện, ví dụ như ngắn mạch.

Ngắt dòng điện ngắn mạch là chế độ làm việc nặng nề nhất và cơ bản của máy ngắt.

Song qúa điện áp sinh ra khi ngắt dòng điện bé của máy biến áp không tải, ngắt dòng điện

dung của đường dây dài và nhiều trường hợp khác cũng là điều kiện làm việc nặng nề cho

máy.

Theo nguyên tắc, hệ thống dẫn điện của máy ngắt nối tiếp với mạch điện của các

thiết bị điện cao áp. Khi đó các bộ phận kết cấu cơ bản của máy ngắt cần phải chịu được sự

tác động nhiệt, điện từ trong khi làm việc bình thường cũng như khi ngắn mạch, phải chịu

được trường tĩnh điện tác động vào cách điện lúc điện áp định mức và cả trong lúc quá điện

áp. Trong quá trình làm việc của máy ngắt còn có những hiện tượng sinh ra phụ tải nhiệt,

cơ và điện tác động vào từng bộ phận riêng của kết cấu máy ngắt (sự cháy của hồ quang

điện khi ngắt, sự tăng áp suất của chất khí và chất lỏng trong không gian công tác, các bộ

phận cơ chuyển động với gia tốc lớn gây va đập và nhiều những tượng khác).

Trong trường hợp các kết cấu của máy ngắt không tính đến điều kiện bất thường thì

mỗi yếu tố đã kể trên có thể là nguyên nhân sinh hư hỏng từng bộ phận hay toàn bộ máy

ngắt.

Máy ngắt phải đảm bảo hoạt động an toàn, tin cậy trong chế độ bình thường cũng

như bất thường, nên các bộ phận kết cấu của nó phải tuyệt đối ổn định đối với tác động

nhiệt và lực điện động, cũng như đối với tác động của điện áp đã được tính toán.

Yêu cầu chung đối với máy ngắt điện cao áp là

1) Các đặc tính máy ngắt phải tương ứng với những yêu cầu cho trước của nó.

2) Tất cả các bộ phận kết cấu của máy ngắt trong thời gian vận hành phải làm việc.

Các yêu cầu chung đối với máy ngắt cao áp được nêu trong các tiêu chuẩn như

ΓOCT 687-41 hay các tiêu chuẩn khác.

Ngoài những yêu cầu chung, trong các trường hợp riêng cũng có những yêu cầu

đặc biệt đối với máy ngắt, phụ thuộc vào điều kiện riêng mà máy ngắt làm việc. Ví dụ:

1) Khả năng làm việc ở vùng ẩm ướt, nhiều bụi bặm và có chất nổ.

2) Khả năng làm việc ở vùng rất cao hơn mặt biển.

3) Khả năng làm việc ở các thiết bị di động (đầu máy xe lửa điện, tàu thủy, ...).

4) Thích hợp với điều kiện làm việc ở nhiệt độ rất thấp.

Do ngành hệ thống điện ngày càng phát triển, máy ngắt là một trong những bộ phận

quan trọng nhất của hệ thống, các chỉ tiêu kĩ thuật vận hành yêu cầu ngày một cao hơn như:

tăng dòng điện định mức, tăng công suất ngắt, nâng cao tác động nhanh, tác động nhanh

6

nhiều lần của TĐL (đóng lặp lại tự động), tăng độ chống ăn mòn của các bộ phận cơ và của

cách điện, vận chuyển, lắp ráp, vận hành thuận tiện, an toàn về nổ và hỏa hoạn ...

Trong khi tính toán máy ngắt hiện đại cần đặc biệt lưu ý đến vấn đề nâng cao các

chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật, trọng lượng ít nhất trên một đơn vị công suất ngắt. Kết cấu của

máy ngắt cần phải đơn giản, vững chắc, các chi tiết và các khâu kết cấu trong tất cả các loại

máy ngắt phải thống nhất và cần phải áp dụng các phương pháp gia công tiên tiến. Trong

chế tạo sử dụng các nguyên liệu có tính cơ, tính điện, tính nhiệt cao và kinh tế nhất (chịu

plasma, nguyên liệu tiếp điểm đặc biệt, đồ gốm có độ bền cao, ...).

Tất cả các yêu cầu kể trên cần được chú ý đến trong lúc tính toán.

Những điểm đặc biệt chú ý trong khi nghiên cứu máy ngắt:

1) Ngắt dòng điện ngắn mạch giới hạn là chế độ làm việc của máy ngắt trong tính

toán.

2) Trong nhiều trường hợp một mối kết cấu hay chi tiết có thể có một vài nhiệm vụ.

Ví dụ: bộ phận dẫn điện bị nung nóng bằng dòng điện có thể thường xuyên chịu phụ tải cơ

rất lớn và chịu lực kéo,...

3) Trong tính toán các khâu cơ bản và các đặc tính liên quan nhau khá phức tạp,

như lực biến đổi của lò xo trong quá trình chuyển động của bộ phận cơ khí, áp suất biến đổi

của khí trong buồng dập hồ quang và lực điện động tác động vào các phần dẫn điện của nó.

Phương pháp để tính chính xác rất phức tạp, cho nên trong tính toán phải đơn giản hóa

bằng các phương pháp gần đúng.

4) Cần đặc biệt chú ý trong khi tính toán các thiết bị dập hồ quang.

Trong ngành chế tạo thiết bị điện hiện nay các phương pháp tính chính xác thiết bị

dập hồ quang chưa có, cho nên trong tính toán người ta sử dụng các tham số thực nghiệm

và thử khả năng ngắt của máy ngắt.

Mặc dù phương pháp tính gần đúng đôi khi chỉ cho định hướng, nhưng cũng cần

được hoàn chỉnh và áp dụng rộng rãi trong thiết kế máy ngắt cao áp, cho phép rút ngắn thời

gian cần thiết để hoàn thành kết cấu máy ngắt trong các phòng thí nghiệm và trên các mô

hình. Trong ngành chế tạo máy ngắt có nhiều biện pháp dập hồ quang, không những kết

cấu của thiết bị dập hồ quang có nhiều kiểu mà còn có nhiều kiểu máy ngắt. Biện pháp dập

hồ quang khác nhau theo kiểu máy ngắt được xác định bằng các tham số cho trước và các

kiểu điều khiển vận hành ( điện áp định mức, dòng điện định mức, công suất ngắt, tần

số,...).

Giải quyết sơ bộ ba vấn đề cơ bản sau có một ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong lúc

tính toán gồm:

1) Chính xác hóa các tham số cho trước.

2) Chọn kiểu máy ngắt.

3) Chọn và chính xác hóa sơ đồ kết cấu.

Trong sản xuất máy ngắt cao áp công suất ngắt lớn hay loại máy ngắt mới thì cách

chọn kiểu và sơ đồ kết cấu đóng vai trò quyết định.

Theo kinh nghiệm khi tính toán, sản xuất, lắp ráp và vận hành máy ngắt cao áp đã

hình thành một số hình dáng kết cấu của các chi tiết riêng, từng bộ phận và toàn bộ thiết bị

cũng như công nghệ điển hình sản xuất máy ngắt. Trong lúc tính toán các kiểu máy ngắt

7

mới các biện pháp kĩ thuật đã có đều cần được chú ý, phải nâng cao yêu cầu và áp dụng

những thành tựu mới nhất của khoa học công nghệ vào sản xuất. Nhiệm vụ của nhà chế tạo

là phải tìm ra những giải pháp tính toán, kết cấu mới hợp lí hơn trên cơ sở nghiên cứu các

hiện tượng vật lí, sử dụng các tham số thí nghiệm, áp dụng các cách tính và các thành tựu

trong lĩnh vực công nghệ chế tạo.

Cần phải chú ý đến các xu hướng hiện đại trong lĩnh vực tính toán trạm phân phối

các thiết bị cao áp, sơ đồ của trạm có ảnh hưởng đến hình dáng kết cấu, kích thước, các chỉ

tiêu và các đặc tính khác của máy ngắt.

1.2. TRÌNH Tự TÍNH TOÁN

Quá trình thiết kế máy ngắt cao áp gồm ba giai đoạn cơ bản.

1. Tính toán phác thảo

Các yêu cầu kĩ thuật đối với máy ngắt phải tính toán cần được xác định rõ, tìm ra

các giải pháp lợi nhất và dự định những kiểu có thể áp dụng, các phương án kết cấu.

2. Tính toán kĩ thuật

Quyết định kiểu áp dụng và phương án kết cấu, tiến hành các tính toán cần thiết và

tính toán các khâu, các chi tiết của máy ngắt. Chuẩn bị tài liệu kĩ thuật để sản xuất thử.

3. Tính toán chế tạo

Trong giai đoạn này trên cơ sở kinh nghiệm sản xuất và các tham số mẫu tiến hành

chính xác hóa kết cấu và vẽ các bản vẽ thi công để sản xuất mẫu. Chuẩn bị tài liệu công

nghệ cần thiết để sản xuất hàng loạt.

Thường người ta tiến hành những thí nghiệm nghiên cứu và thử các hình mẫu, các

chi tiết các khâu và máy ngắt mẫu cho cả ba giai đoạn.

Sau đây giới thiệu thứ tự giải quyết các vấn đề đó khi không có những tham số định

hướng về kết cấu và kích thước của thiết bị dập hồ quang:

1) Chính xác hóa các tham số cho trước đối với máy ngắt được tính toán.

2) Chọn kiểu máy ngắt.

3) Tính toán thiết bị dập hồ quang, định hướng hình dáng kết cấu và xác định kích

thước sơ bộ của nó.

4) Lập sơ đồ kết cấu của máy ngắt.

5) Tính toán cách điện của máy ngắt và xác định kích thước mạch vòng dẫn điện,

khoảng cách cách điện và kích thước của các bộ phận cách điện trụ.

6) Tính toán các khâu cơ bản gồm:

a) Tính lực điện động tác động vào từng bộ phận mạch vòng dẫn điện của

máy ngắt được tính toán trong điều kiện vận hành.

b) Tính sự phát nóng khi làm việc dài hạn do dòng điện định mức, tính độ

bền vững của các bộ phận mạch vòng dẫn điện khi tác động của dòng điện ngắn mạch và

tính toán các bộ phận đó.

c) Tính sự phát nóng do dòng điện định mức và tính độ bền vững của hệ

thống tiếp điểm máy ngắt khi ngắn mạch.

d) Tính và xác định kết cấu sứ cách điện của máy ngắt.

8

đ) Tính đặc tính khí động học của máy ngắt (trong trường hợp tính toán máy

ngắt không khí).

e) Tính và xác định các bộ phận truyền động cơ khí.

g) Tính và xác định các kết cấu trụ đỡ, thùng chứa, vỏ, ống dẫn, các bộ phận

điều khiển bằng thủy lực hay bằng hơi.

h) Xác định các đặc tính cơ khí cho trước để chọn cách truyền động (nếu

máy ngắt không có truyền động hơi bên trong).

i) Vẽ phác thảo về kết cấu máy ngắt.

Trong trường hợp đã biết tham số định hướng về thiết bị dập hồ quang thì việc tính

sơ bộ thiết bị dập hồ quang không cần thiết.

Trong nhiều trường hợp khi tính toán những khâu, chi tiết phức tạp thì việc tính

toán các bộ phận riêng được tiến hành song song, ví dụ:

- Tính toán nhiệt các tiếp điểm dập hồ quang tiến hành song song với tính các thiết

bị dập hồ quang.

- Khi tính toán cách điện của máy ngắt phải xác định luôn kiểu cách điện.

- Khi tính thanh dẫn điện của sứ cần thiết phải có các tham số về các kích thước và

kết cấu cách điện của sứ xuyên.

1.3. CÁC THAM Số CHÍNH CHO TRƯớC KHI TÍNH TOÁN

Các tham số chính cho trước của máy ngắt tính toán được xác định bằng những

điều kiện vận hành sau:

1) Điện áp định mức.

2) Dòng điện định mức.

3) Các dòng điện ngắt.

4) Công suất ngắt trong điều kiện cho trước (trong chu trình thao tác có tính chất

tiêu chuẩn, tần số của điện áp phục hồi, ...).

5) Hằng số thời gian của máy ngắt.

6) Thời gian ngắt máy ngắt.

7) Độ bền vững nhiệt của máy ngắt.

8) Dòng điện qua giới hạn khi ngắt ngắn mạch và độ bền vững của máy ngắt lúc

ngắt mạch.

9) Dòng điện đóng giới hạn.

10) Thời gian đóng.

11) Chu trình thao tác.

12) Loại bệ đặt và chỗ đặt trong hệ thống.

Những yêu cầu của máy ngắt được tính toán rút ra từ các điều kiện công tác đặc

biệt, các yêu cầu đó cần được chú ý trong khi tính toán.

Các giá trị của điện áp định mức, dòng điện định mức và công suất ngắt định mức,

thời gian ngắt hoàn toàn, được qui định trong các tiêu chuẩn (như ΓOCT 687-41):

- Điện áp định mức: 3, 6, 10, 15, 20, 35, 110, 150, 220,... kV.

- Dòng điện định mức :200, 400, 600, 1000, 1500, 2000, 3000, 4000,... A.

9

- Công suất ngắt định mức : 15, 20, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 300, 500, 750, 1000,

2000, 2500,... MVA.

- Thời gian ngắt hoàn toàn:

+ Với máy ngắt tác động nhanh thì không quá 0,08 s.

+ Với máy ngắt tác động tăng cường thì không quá 0,15s.

+ Với máy ngắt tác động không nhanh thì lớn hơn 0,15s.

Để nâng cao các yêu cầu đối với máy ngắt cao áp điện xoay chiều hiện nay đang có

nhiều tiêu chuẩn khác có thang của điện áp định mức, dòng điện và công suất ngắt được mở

rộng đến 800 kV, 12000 A và 25000 MVA. Trong tiêu chuẩn này đặc biệt chú ý đến sự

chính xác hóa các yêu cầu đối với thời gian ngắt hoàn toàn và sự tiêu chuẩn hóa công suất

ngắt có tính tới sự không đối xứng của dòng điện ngắn mạch và tần số dao động của điện

áp phục hồi.

Theo tiêu chuẩn thời gian ngắt hoàn toàn của máy ngắt được chia ra ba loại: không

quá 0,06 s, không quá 0,1s và hơn 0,1s.

Các tiêu chuẩn của tần số điện áp phục hồi (chế độ qúa độ) trong bảng 1-1.

Độ bền nhiệt biểu hiện bằng dòng điện ngắn mạch lớn nhất đi qua các bộ phận dẫn

điện trong khoảng thời gian cho trước có phát nóng không vượt mức cho phép. Độ bền

nhiệt không phải là đặc tính cho trước mà được xác định khi kiểm tra độ phát nóng bằng

dòng điện định mức làm việc dài hạn sau khi tính các bộ phận dẫn điện.

Bảng 1-1: Các tiêu chuẩn của tần số điện áp phục hồi

Điện áp định mức, kV

6 10 15 20 35 110 150 220

Trong giới hạn từ 100 đến

50% công suất ngắt 8 6 4,5 3 2 1 0,8 0,6

Tần số giao động

riêng (lớn hơn)

kHz Kém hơn 50% công suất

ngắt 20 15 12 9 7 3 2,5 2

Dòng điện ngắn mạch chạy qua lớn nhất trong thời gian rất ngắn không làm máy

ngắt hư hỏng gọi là dòng điện giới hạn của máy ngắt.

Trị số dòng điện ngắn mạch giới hạn được đánh giá bằng trị số biên độ và giá trị

hiệu dụng của dòng điện ở chu kì thứ nhất, khi đó tỉ số biên độ và giá trị hiệu dụng được

xác định theo công thức:

2

c

2

a

a c

P

I I

I 2 I K

+

+ =

Ia : giá trị hiệu dụng của thành phần chu kì.

Ic : giá trị trung bình của thành phần không chu kì.

Ti lệ giữa trị số của dòng điện giới hạn (In) và dòng điện ngắt giới hạn (I0) có thể

tìm theo đường cong giảm dần của dòng điện ngắn mạch khi biết trước giá trị của thời gian

ngắt hoàn toàn. Đánh giá gần đúng ti lệ này xác định theo công thức:

10

n n 0 I = K I

Kn : hệ số tính toán, trị số của nó phụ thuộc vào thông số lưới điện và tác động ngắt

nhanh, có thể lấy một cách gần đúng bằng 1,3 ÷ 1,6.

Trị số biên độ của dòng điện ngắt giới hạn được tính toán khi thiết kế, với dòng điện

này khi ở điện áp định mức máy ngắt làm việc ổn định, trị số này cũng được xem là trị số

hiệu dụng của dòng điện đóng cho phép. Biên độ dòng điện đóng xác định một cách định

hướng bằng cách nhân trị số dòng điện ngắt giới hạn với 1,8 2 . Trong nhiều trường hợp

trị số dòng điện đóng phụ thuộc vào các đặc tính truyền động của mạch ngắt.

Trong khi tính toán từng khâu cần phải có thêm hàng loạt các thông số phụ cho

trước. Ví dụ: áp suất làm việc trong các bình chứa của máy ngắt hay của truyền động (trong

trường hợp truyền động bằng khí), điện áp làm việc ở các đầu của cuộn dây truyền động,

mức độ gió (để xác định phụ tải gió) ở vùng đặt thiết bị, mức giảm nhiệt độ lớn nhất của

chuyển động có hệ thống tiếp xúc, ...

Ảnh hưởng của tất cả các nhân tố đó đến kết cấu và đặc tính máy ngắt sẽ được

nghiên cứu ở các chương sau. Các tham số cho trước đối với máy ngắt sản xuất hàng loạt

được xác định trong kết quả nghiên cứu, các yêu cầu của ngành sử dụng và khai thác có

tính đến sự phát triển sau này.

1.4. MộT Số KINH NGHIệM KHI CHọN KIểU MÁY NGắT

Tính chọn kiểu máy ngắt theo các tham số cho trước là một nhiệm vụ phức tạp và

quan trọng, nhiệm vụ đó yêu cầu giải quyết kịp thời với những đặc tính đặc biệt và các chỉ

tiêu kĩ thuật vận hành, kinh tế kĩ thuật của các kết cấu hiện có.

Trước hết cần phải tính đến các điều kiện làm việc của máy ngắt, các xu hướng hiện

đại trong khi tính toán máy ngắt sản xuất hàng loạt. Vấn đề này cũng không kém phần quan

trọng trong khi xác định các kết cấu mới của máy ngắt có tham số thật cao (điện áp 330kV

và cao hơn, dòng điện định mức trên 13000A).

Khi chọn cần phải tiến hành:

1) So sánh các chỉ tiêu của các kiểu máy ngắt hiện có với những tham số cho trước.

2) Đánh giá khả năng thực tế và lí thuyết ở kết cấu của kiểu được chọn với các đặc

tính yêu cầu cho trước.

Dưới đây giới thiệu sự phân loại và một vài kinh nghiệm có tính chất định hướng

theo sự đánh giá so sánh các kiểu máy ngắt cao áp điện xoay chiều.

Về phương diện chọn kiểu người ta phân loại máy ngắt:

1) Theo loại môi trường dập hồ quang.

2) Theo cách dập hồ quang.

3) Theo phương pháp cách điện ở chỗ cao áp của các phần dẫn điện.

4) Theo điện áp định mức.

5) Theo dòng điện định mức.

6) Theo công suất ngắt định mức.

7) Theo quan hệ về kết cấu của bộ phận truyền động cơ khí của máy ngắt.

11

8) Theo thang tác động nhanh.

9) Theo sự tiện lợi cho TĐL tức thời.

Ở bảng 1 - 2 giới thiệu sự phân loại máy ngắt theo loại môi trường dập hồ quang và

theo cách dập hồ quang. Bảng 1 - 3 giới thiệu các đặc điểm, ưu và khuyết điểm của các

kiểu máy ngắt cơ bản ở các thang điện áp khác nhau.

Theo điện áp định mức ngắt có thể chia ra làm hai nhóm chính:

- Máy ngắt điện áp 35kV và cao hơn (máy ngắt trạm biến áp).

- Máy ngắt điện áp 20kV và thấp hơn ( máy ngắt máy phát).

Máy ngắt trạm biến áp là nhóm lớn, thường dòng điện định mức nhỏ hơn 2000A.

Với loại này yêu cầu khả năng ngắt rất cao (bé hơn 20.000 MVA) tác động nhanh, tiện lợi

đối với TĐL tức thời và nhiều đặc tính khác.

Máy ngắt trạm biến áp thường sử dụng các loại máy ngắt sau:

1) Máy ngắt không khí (máy ngắt không khí trụ).

2) Máy ngắt ít dầu.

3) Máy ngắt nhiều dầu.

Hiện nay có máy ngắt kiểu elegas (SF6) có khả năng dập hồ quang rất cao, khí SF6

được sử dụng làm môi trường dập hồ quang. Kiểu máy ngắt này có những đặc tính kĩ thuật

vận hành và kinh tế kĩ thuật rất cao. So sánh các tham số ở bảng 1, 2, 3 và theo tài liệu hiện

Hçnh 1-1. Maïy ngàõt khäng khê.

1. Bçnh khê neïn; 2. Buäöng dáûp häö quang; 3. Âiãûn tråí sun; 4. Tiãúp âiãøm chênh; 5. Bäü pháûn

caïch ly.

4

3

2

5

1

12

có thể kết luận máy ngắt không khí ưu việt hơn các loại máy ngắt khác, đặc biệt đối với

máy ngắt có điện áp định mức 110kV và cao hơn. Ở các trạm biến áp việc tạo khí nén cho

máy ngắt không khí làm việc không khó khăn, vì trong các trạm phân phối điện cao áp, hệ

thống các máy ngắt, các cầu dao điều khiển bằng hơi là hợp li nhất, hoàn chỉnh và thuận

tiện nhất cho việc tự động hóa. Tuy thế do đòi hỏi gia công chính xác, nên giá thành máy

ngắt không khí cao hơn máy ngắt ít dầu cùng một chỉ tiêu trọng lượng.

Máy ngắt ít dầu về mặt kĩ thuật và kinh tế dùng cho những nơi không có yêu cầu

cao trong hệ thống điện. Ở đây các yêu cầu về trị số công suất ngắt, những đặc tính vận

hành khác (tác động rất nhanh, TĐL tức thời, nhiều lần, ngắt một cách tin cậy dòng điện

điện dung nhỏ, cho phép thường xuyên kiểm tra và thay đổi hệ thống tiếp xúc, ...) có thể ít

hơn.

Bảng 1-2: Phân loại máy ngắt theo môi trường dập hồ quang và cách dập hồ quang

Loạ Các tham số định hướng i môi

trường dập

hồ quang.

Cách dập hồ

quang

Kiểu thiết bị

dập hồ quang

Kiểu máy

ngắt Điện áp

định mức

kV

Dòng điện

định mức A

Công suất

ngắt định

mức , MVA

1 2 3 4 5 6 7

Dập hồ

quang trong

dầu

Tiếp xúc đứt

quãng đơn

giản trong dầu

Nhiều dầu 10 1500 50

Nhiều dầu cả

buồng dập

hồ quang

35

110

330

2000

2000

2000

1000

5200

25000

buồng có bộ

phận thổi dọc

hay ngang

trong dầu

Ít dầu 10

35

110

330

1500

1500

2000

2000

300

1000

2500

10000

Dầu Làm lạnh

hồ quang

trong buồng

của sản

phẩm tạo

thành khí

tách rời từ

dầu (hỗn

hợp khí hơi)

bức phên dập

hồ quang

ít dầu kiểu

chậu

15

(20)

6000 2500

buồng có bộ

phận thổi

trong nước

ít nước 15 600 300

Chất lỏng

không cháy

(nước)

Làm lạnh

thân hồ

quang

trong luồng

hơi nước

bức phên dập

hồ quang

nước kiểu

chậu

15 2000 1500

1 2 3 4 5 6 7

Chất rắn

sinh ra khí

Làm lạnh

thân hồ

quang trong

luồng của

sản phẩm

tạo thành khi

tách ra từ

chất rắn sinh

Buồng có bộ

phận thổi dọc

hay ngang

Tự động khí 10 600 300