HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN PHẦN - Full 10 điểm

LÊ THÀNH BẮC (Chủ biên)
VÕ NHƯ TIẾN
LÊ VĂN QUYỆN
DƯƠNG NGỌC THỌ

HƯỚNG DẪN TÍNH TỐN
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 TỐN 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 Cơng Lê

Trình bày: Cao Ngọc Châu, Tơn Thất Hồ 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 da trờn cun "POEKTPOBAHE BKỵữATEE EPEMEHHOO
TOKA BCOKOO HAPEH" ca tỏc 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 cịn 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 cịn 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
tốn 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 cịn những vấn đề chưa được đề cập
thỏa đáng. Chúng tơi 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 mơn 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 Trang

Chương 1 5
CÁC VẤN ĐỀ CHUNG KHI TÍNH TỐN MÁY NGẮT CAO ÁP ĐIỆN XOAY 7
9
CHIỀU 11
20

1.1. Các yêu cầu cơ bản đối với máy ngắt
1.2. Trình tự tính tốn
1.3. Các tham số chính cho trước khi tính tốn
1.4. Một số kinh nghiệm khi chọn kiểu máy ngắt
1.5. Sơ đồ kết cấu máy ngắt

Chương 2

TÍNH TỐN CÁCH ĐIỆN CHUNG CỦA MÁY NGẮT

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

2.2. Phương pháp tính gần đúng cách điện chung 25

2.3. Phương pháp tính gần đúng sự phân bố điện áp cho từng khoảng ngắt trên một 29

cực

2.4. Ví dụ về cách tính cách điện chung 31

37

Chương 3

TÍNH TỐN MẠCH VỊNG DẪN ĐIỆN CỦA MÁY NGẮT

3.1. Khái niệm chung

3.2. Tính điện động mạch vịng dẫn điện 40

3.3. Tính tốn nhiệt của mạch vòng dẫn điện 40

3.4. Tính tốn gần đúng sự phát nóng thanh dẫn điện sứ vào 50

3.5. Tính tốn gần đúng hệ thống dẫn điện bình chứa của máy ngắt khơng khí 55

3.6. Tính tốn các tiếp điểm 61

66

Chương 4

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

BỊ DẬP HỒ QUANG TRONG MÁY NGẮT KHƠNG KHÍ

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

4.2. Đặc tuyến chung của quá trình dập hồ quang khi thổi dọc 76

4.3. Tính tốn lượng khơng khí (khí) chảy qua miệng ống có hồ quang điện 77

4.4. Tính tốn gần đúng cơng suất ngắt và sự phục hồi độ bền điện ở khoảng giữa hai 79

tiếp điểm

87

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

khơng khí dọc dùng shun điện trở

4.6. Kết cấu các thiết bị dập hồ quang có thổi khơng khí dọc 103

110

Chương 5

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

NGẮT DẦU

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

5.2. Tính cơng suất và năng lượng của hồ quang trong q trình tạo thành khí khi dập 117

tắt hồ quang trong dầu

5.3. Tính áp suất trong bình có chứa khi dạng bong bóng hơi khép kín 123

5.4. Tính áp suất trong bình chứa khi hỗn hợp và khí hơi chảy từ bình ra 128

5.5. Tính độ bền điện phục hồi của khoảng hồ quang 131

5.6. Phương pháp gần đúng tính q trình dâng dầu trong bình chứa sau khi đã dập 136

tắt hồ quang

5.7. Trình tự tính tốn các bình chứa thổi dầu tự động 140

141

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 143

145

Chương 7

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

NGẮT KHƠNG KHÍ

7.1. Đặc tính chung của q 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 151

7.3. Tính tốc độ chuyển động của hồ quang dưới ảnh hưởng của từ trường ngang 153

trong buồng dập hồ quang kiểu rãnh

7.4. Tính sự phát nóng các bức thành của rãnh bình chứa và tính dịng điện ngắt 156

7.5. Chọn và tính các kích thước chính và đặc tuyến cơ bản của bình chứa có buồng 161

dập hồ quang kiểu rãnh dập bằng từ

7.6. Kết cấu các thiết bị dập hồ quang bằng từ trong rãnh hẹp 164

166

Chương 8

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

MÁY NGẮT KHƠNG KHÍ

8.1. Đại cương

8.2. Tính sự bơm đầy khơng khí nén vào buồng dập hồ quang 169

8.3. Tính khơng khí chảy từ bình chứa ra khí quyển 169

8.4. Tính khơng khí chảy từ thể tích giới hạn ra ngồi trong lúc áp suất giảm 178

8.5. Sự bơm đầy khơng gian làm việc hình trụ của bộ phận cơ khí chảy bằng hơi 180

8.6. Ví dụ tính sự bơm đầy buồng dập hồ quang của máy ngắt khơng khí điện áp 182

110kV

187

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

191

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

9.3. Tính tốn động lực học của truyền động cơ khí mở bằng lị xo 195

9.4. Tính tốn động lực học của bộ phận cơ khí chạy bằng hơi của buồng dập hồ 202

quang máy ngắt không khí

218

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 222

Tài liệu tham khảo 228

234

TÀI LIỆU THAM KHO

1. POEKTPOBAHE BKỵữATEE EPEMEHHOO TOKA BCOKOO HAPEH -
ê.A.KYKEKOB-MOCKBA 1961

2. TEOPỉÿ ÝΛECTPỉ÷EKỉx AΠΠAPATOB -Γ. H. AỊEKCAHƠPOB-MOCKBA Bc KOỊA-

1985.
3. THIẾT KẾ MÁY NGẮT CAO ÁP - Bộ mơn 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.

CHƯƠNG 1
CÁC VẤN ĐỀ CHUNG KHI TÍNH TỐN 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 dịng 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 khơng tải, ngắt dịng 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 q trình làm việc của máy ngắt cịn 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 khơng 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 khơng 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 tồn, 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 tốn.

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

5

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 tốn 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 cơng 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 ngun 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 tốn.
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
tốn.
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 dịng điện có thể thường xuyên chịu phụ tải cơ
rất lớn và chịu lực kéo,...
3) Trong tính tốn các khâu cơ bản và các đặc tính liên quan nhau khá phức tạp,
như lực biến đổi của lị xo trong q 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 tốn phải đơn giản hóa
bằng các phương pháp gần đúng.
4) Cần đặc biệt chú ý trong khi tính tốn 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 tốn người ta sử dụng các tham số thực nghiệm
và thử khả năng ngắt của máy ngắt.
Mặc dù phương pháp tính gần đúng đơi khi chỉ cho định hướng, nhưng cũng cần
được hồn chỉnh và áp dụng rộng rãi trong thiết kế máy ngắt cao áp, cho phép rút ngắn thời
gian cần thiết để hồn thành kết cấu máy ngắt trong các phịng thí nghiệm và trên các mơ
hình. Trong ngành chế tạo máy ngắt có nhiều biện pháp dập hồ quang, khơng những kết
cấu của thiết bị dập hồ quang có nhiều kiểu mà cịn 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 tốn 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 trị quyết định.
Theo kinh nghiệm khi tính tốn, 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 tồn bộ thiết bị
cũng như cơng nghệ điển hình sản xuất máy ngắt. Trong lúc tính tốn các kiểu máy ngắt

6

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 tốn, 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 tốn 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 TỐN

Quá trình thiết kế máy ngắt cao áp gồm ba giai đoạn cơ bản.
1. Tính tốn phác thảo

Các yêu cầu kĩ thuật đối với máy ngắt phải tính tốn 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 tốn cần thiết và
tính tốn các khâu, các chi tiết của máy ngắt. Chuẩn bị tài liệu kĩ thuật để sản xuất thử.
3. Tính tốn 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 khơng 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 tốn.
2) Chọn kiểu máy ngắt.
3) Tính tốn 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 tốn cách điện của máy ngắt và xác định kích thước mạch vịng dẫn điện,
khoảng cách cách điện và kích thước của các bộ phận cách điện trụ.
6) Tính tốn 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 tốn trong điều kiện vận hành.

b) Tính sự phát nóng khi làm việc dài hạn do dịng 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 tốn các bộ phận đó.

c) Tính sự phát nóng do dịng 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.

7