Thiết kế máy ngắt SF6

Đồ án môn khí cụ điện cao áp Đờng Xuân Hùng - CH9
Lời nói đầu
Điện năng là nguồn năng lợng quan trọng trong sản xuất và sinh hoạt. Nó
có u điểm là dễ sản xuất và truyền tải. Trong quá trình truyền tải phải sử dụng
điện áp cao, vì thế vấn đề đóng cắt và bảo vệ mạch điện cao áp nảy sinh, ngời ta
đã dùng các loại máy ngắt. Máy ngắt ngắt mạch điện một cách tự động khi hệ
thống có sự cố và ngắt mạch điện khi muốn nâng cấp và sửa chữa hệ thống điện.
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, máy ngắt ngày một nhỏ hơn, nhẹ
hơn và làm việc tin cậy hơn. Trong đó loại máy ngắt SF
6
hiện nay đang đợc sử
dụng rộng rãi vì có nhiều u điểm nổi bật hơn các loại máy ngắt khác. Từ năm
1969 trở lại đây ngời ta tìm ra những u điểm nổi bật của khí SF
6
, máy ngắt này
đã đợc chế tạo đến cấp điện áp 800 KV và dòng điện lên tới 80 KA.
Trong quá trình học tập em nhận đợc đồ án môn học: Thiết kế máy ngắt
SF
6
. Em xin chân thành cảm ơn thầy Bùi Tín Hữu đã tận tình giúp đỡ em
trong quá trình hoàn thành đồ án môn học.
Sinh viên thực hiện
Đờng Xuân Hùng
Trang 1
Đồ án môn khí cụ điện cao áp Đờng Xuân Hùng - CH9
mục lục
Trang
Chơng 1: Giới thiệu chung về máy ngắt SF
6
Chơng 2: Tính chọn kết cấu
Chơng 3: Tính toán cách điện

Chơng 4: Tính toán mạch vòng dẫn điện
Chơng 5: Tính toán lực điện động
Chơng 6: Tính toán buồng dập hồ quang
Trang 2
Đồ án môn khí cụ điện cao áp Đờng Xuân Hùng - CH9
Chơng 1: Giới thiệu chung về máy ngắt SF
6
1.1. Định nghĩa:
Máy cắt là khí cụ điện dùng để đóng cắt mạch điện có điện ở trạng thái
bình thờng và tự động đóng cắt mạch điện khi có sự cố.
Mắt cắt thực hiện đóng cắt bằng bộ truyền động: bằng tay hoặc tự động.
1.2. Yêu cầu của máy ngắt:
- Cắt tự động và đủ nhanh đây là hai yêu cầu quan trọng của máy ngắt.
- Làm việc tin cậy.
- Có khả năng thực hiên đóng lập lại.
- Kích thớc nhỏ, dễ kiểm tra và thay thế.
- An toàn khi cắt (không gây cháy nổ, không gây quá điện áp khi cắt).
1.3. Phân loại máy ngắt:
Dựa vào môi trờng dập hồ quang
* Máy ngắt dầu: Gồm hai loại
Máy cắt nhiều dầu.
Máy cắt ít dầu.
* Máy ngắt khí nén: Dùng không khí nén ở áp suất 16 28 ata để
cách điện và dập hồ quang. Máy cắt khí nén chia ra làm ba loại
Không có dao cách ly.
Có dao cách ly.
Máy cắt không khí chèn.
* Máy ngắt khí SF
6
: Từ năm 1969 nghiên cứu và sản xuất máy ngắt

SF
6
với điện áp cao và siêu cao áp với điện áp định mức nằm trong khoảng 3
800 KV, dòng điện ngắt lên đến 80 KA áp suất khí SF
6
trong buồng dập hồ
quang 7 8(ata) vỏ bằng kim loại hoặc bằng sứ cách điện.
Để tăng hiệu ứng dập hồ quang trong môi trờng khí và giảm kích thớc
cách điện ngời ta sử dụng khí SF
6.
Loại khí này có những đặc điểm sau:
Trang 3
Đồ án môn khí cụ điện cao áp Đờng Xuân Hùng - CH9
- ở áp suất bình thờng độ bền của khí SF
6
gấp 2,5 lần so với không khí,
còn ở áp suất 2 at(0,2 Mpa) độ bền điện áp của khí này tơng đơng với dầu máy
biến áp.
- Khả năng dập hồ quang của buồng hồ quang dập kiểu thổi dọc khí SF
6
lớn gấp 5 lần so với không khí, vì vậy giảm đợc thời gian cháy của hồ quang,
tăng khả năng cắt, tăng tuổi thọ tiếp điểm.
- SF
6
là loại khí trơ, không phản ứng với oxy, hiđrô, ít bị phân tích thành
các khí thành phần. Một năm giảm 1% khí SF
6
nên lâu phải thay thế.
Nhợc điểm chính của loại khí này là nhiệt độ hoá lỏng thấp. ở áp suất 13,1
at(1,31 Mpa) nhiệt độ hoá lỏng của nó là 0

0
C, còn ở áp suất thấp 3,5 at (0,35
Mpa) là -40
0
C. Vì vậy loại SF
6
chỉ dùng ở áp suất không cao để tránh phải dùng
thiết bị hâm nóng. Mặt khác khí này chỉ có chất lợng tốt khi không có tạp chất.
Máy ngắt SF
6
đợc thiết kế, chế tạo cho mọi cấp cách điện áp cao áp từ
3KV đến 800KV bởi tính năng u việt của nó: khả năng cắt lớn, khích thớc nhỏ
gọn, độ an toàn tin cậy cao, tuổi thọ cao, chi phí bảo dỡng thấp.
Nhìn qua qua độ bền điện của SF
6
so với các loại khác ta thấy đợc u điểm
của loại máy này.
U
pd
(KV)
1 2 p(ata)
Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa điện áp phóng
điện chọc thủng và áp suất
Trang 4
Khí quyển
Không khí
Dầu biến áp
SF
6
Đồ án môn khí cụ điện cao áp Đờng Xuân Hùng - CH9

Chơng 2: tính chọn kết cấu của máy ngắt SF
6
Từ những u điểm của khí SF
6
đã nêu trên nên máy ngắt SF
6
nhỏ gọn hơn
máy ngắt dầu, buồng dập hồ quang của máy ngắt SF
6
có áp suất nhỏ hơn máy
ngắt không khí nén.
Qua quá trình tìm hiểu tài liệu và quan sát thực tế máy ngắt SF
6
em chọn
kết cấu máy ngắt SF
6
do hãng Schneider chế tạo.
2.1. Mạch vòng dẫn điện:
Mạch vòng dẫn điện là bộ phận dẫn điện vào và lấy điện ra của máy ngắt,
hệ thống mạch vòng dẫn điện gồm có:
a) Thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh:
- Có tiết diện tròn, là trụ rỗng.
- Vật liệu làm thanh dẫn là đồng.
b) Đầu nối:
Đây là một phần tử rất quan trọng, độ bền của nó phụ thuộc rất nhiều vào
điện áp đặt lên máy ngắt, nó có chức năng nối các bộ phận của hệ thống mạch
vòng dẫn điện với nhau và là nơi đa điện vào và lấy điện ra của máy ngắt.
c) Tiếp điểm:
Đây là bộ phân quan trọng của khí cụ điện nói chung và máy ngắt nói
riêng. Tiếp điểm có chức năng đóng ngắt trong máy ngắt, do đó khi làm việc

tiếp điểm phải chịu một dòng điện lớn và phải chịu nhiệt độ rất cao (nhất là khi
ngắt mạch). Do vậy, với dòng điện định mức 1000A ta chọn kết cấu tiếp điểm
dạng hoa huệ, vật liệu làm tiếp điểm làm bằng đồng là thích hợp nhất.
2.2. Buồng dập hồ quang:
Khi đóng cắt giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh có hồ quang phát sinh,
hồ quang đực dập tắt trong môi trờng khí SF
6
. Có hai phơng pháp thổi hồ quang:
- Thổi từ: Dùng từ trờng để kéo dài hồ quang. Phơng pháp này hiện nay ít
dùng.
Trang 5
Đồ án môn khí cụ điện cao áp Đờng Xuân Hùng - CH9
- Theo nguyên tắc tự thổi: Dùng cơ cấu pittong tiếp điểm. Qua phân
tích ta chọn kết cấu buồng dập hồ quang theo nguyên tắc tự thổi.
2.3. Cơ cấu truyền động:
Sử dụng động cơ điện nạp năng lợng vào lo xo ngăt.
2.4. Kết cấu các bộ phận dẫn điện:
- Mỗi pha sử dụng một buồng dập hồ quang nên việc tính toán cách điện
giữa các pha chỉ cần tính toán ở đầu voà và đầu ra trên một pha còn các pha
khác tơng tự nh thế.
- Cách điện giữa các bộ phận mang điện với đất ta chọn kết cấu sứ trụ.
Trang 6
Đồ án môn khí cụ điện cao áp Đờng Xuân Hùng - CH9
Chơng 3: tính toán cách điện
Mục đích của tính toán cách điện là xác định các khoảng cách cách điện
cần thiết giữa các phần tử dẫn điện với nhau và với đất, làm sao giữa chúng
không xảy ra hiện tợng phóng điện và chọc thủng cách điện. Khi máy làm việc
ở chế độ và điều kiện môi trờng nhất định.
3.1. Lập sơ đồ kết cấu và xác định các hình thức phóng điện dễ xảy ra
nhất:

a) Cách điện của khí cụ điện có tác dụng cách ly các vật dẫn điện với nhau, giữa
các pha với nhau và các bộ phận mang điện với đất.
Cách điện gồm hai loại:
- Cách điện bọc trực tiếp lấy thanh dẫn điện nh sơn cách điện, vải, giấy,
nhựa bakêlit
- Cách điện có kết cấu riêng (sứ cách điện).
Sứ cách điện gồm nhiều loại với kết cấu và chức năng khác nhau gồm: sứ
trụ, sứ vỏ, sứ đòn, sứ ống dânc khí đầu vào
b) Yêu cầu của cách điện:
- Hoàn toàn loại trừ khả năng chọc thủng cách điện, điện áp phóng điện
trên độ bền mặt và độ bền xung.
- Tránh không để ion hoá cục bộ.
- Hạn chế khả năng sinh ra tia lửa điện, do vậy không đợc để chất cách
điện gần nơi có hồ quang phát sinh.
- Sử dụng tối đa cách điện đúc và cách điện dẻo.
- Có thể làm việc trong mọi điểu kiện khí hậu.
c) Tính toán các khoảng cách cách điên:
Để đảm bảo an toàn về điện giữa các chi tiết trong máy ngắt và giữa máy
ngắt với đất thì cần phải có những khoảng cách thích hợp giữa các bộ phận của
máy ngắt với nhau và giữa mắy ngắt với đất để sao cho vừa đủ để an toàn mà
không làm cho kích thớc máy ngắt quá lớn. Do đó ta phải tính toán cho thích
Trang 7
Đồ án môn khí cụ điện cao áp Đờng Xuân Hùng - CH9
hợp các khoảng cách cách điện giữa các chi tiết của máy ngắt và khoảng cách
cách điện giữa máy ngắt và đất.
Từ kết cấu sơ bộ máy ngắt ta xác định các khoảng cách cách điện nh sau:
Máy ngắt SF
6
có vỏ làm bằng sứ cách điện tiêu chuẩn có thể chịu đợc điện
áp phóng điện cao và đợc gắn cố định.

Dựa vào sơ đồ vẽ một pha của máy ngắt ta có:
- S
1
là khoảng cách cách điện giữa điểm lấy điện vào và lấy điện ra qua
máy ngắt. Môi trờng cách điện là không khí. Dạng phóng điện là phóng điện
theo bề mặt của sứ cách.
- S
2
là khoảng cách cách điện giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh khi
máy ở trang thái ngắt hoàn toàn. Môi trờng cách điện là khí SF
6
. Dạng phóng
điện có thể xảy ra là dạng phóng điện giữa mũi và mũi nhọn.
- S
3
là khoảng cách cách điện giẵ điểm lấy điện ra và đất. Dang phóng điện
là phóng điện theo bề mặt của sứ cách điện.
- S
4
là khoảng cách cách điện giữa pha với pha. Môi trờng cách điện là
không khí. Dạng phóng điện là thanh và mặt phẳng.
3.2.Xác định điện áp phóng điện tính toán cho các khoảng cách cách điện:
Máy ngắt này đợc lắp đặt ngoài trời với điện áp lới là U
đm
= 24KV. Tra
bảng trong sách thiết kế máy ngắt cho ta U
pđ
= 100KV.
Giá trị điện áp phóng điện tính toán trong trờng hợp riêng đơch xác định
bằng cách nhân trị số điện áp phóng điện (U

pđ
) với hệ số dự trữ (k
dt
). Hệ số dự
trữ tuỳ thuộc vào điều kiện làm việc và môi trờng cách điện:
- Hệ số dự trữ cho khoảng cách trong không khí thì k
dt1
= 1.
- Hệ số dự trữ cho điện áp phóng điện trên bề mặt sứ trụ đỡ k
dt2
= 1,3.
- Các khoảng cách cách điện trong buồng dập hồ quang của máy ngắt SF
6
k
dt3
=
* Đối với khoảng cách S
1
, S
3
xảy ra phóng điện theo bề sứ trụ đỡ ta có điện
áp phóng điện tính toán:
U
pđtt1
= U
pđtt3
=
3
pd
U

K
dt2
= 75 (KV)
=
3
100
. 1,3
Trang 8
Đồ án môn khí cụ điện cao áp Đờng Xuân Hùng - CH9
* Đối với khoảng cách S
2
xảy ra phóng điện trong môi trờng SF
6
ta có điện
áp phóng điện tính toán:
U
pđtt2
=
3
pd
U
K
dt3
= 86,6 (KV)
=
3
100
. 1,5
* Đối với khoảng cách S
4

xảy ra phóng điện trong không khí ta có điện áp
phóng điện tính toán:
U
pđtt4
= U
pđ
. K
dt3
= 100 (KV)
= 100 . 1
3.3.Tính các kích thớc cho phép nhỏ nhất của các khoảng cách cách điện:
Theo công thức thực nghiệm ta có:
* Phóng điện theo bề mặt sứ cách điện: U
pđtt
= 10,4 . S
0,7

U
pđtt1
= U
pđtt3
= 10,4 . S
1min
0,7

S
1min
= S
3min
=

7,0
1
1
4,10








pdtt
U
=
4286,1
4,10
75






= 16,8 (cm)
* Phóng điện trong khí SF
6
mũi nhọn mũi nhọn: U
pđtt
= 14 + 3,36 . 3S

U
pđtt2
= 14 + 3,36 . 3S
2min

S
2min
=
36,3.3
14
2

pdtt
U
= 7,2 (cm)
* Phóng điện trong không khí của thanh mặt phẳng: U
pđtt
= 4,6S
0,88

U
pđtt4
= 4,6 S
4min
0,88

S
4min
=

88,0
1
4
6,4








pdtt
U
=
136,1
6,4
100






= 33 (cm)
Trang 9
Đồ án môn khí cụ điện cao áp Đờng Xuân Hùng - CH9
Chơng 4: Tính toán mạch vòng dẫn điện
4.1. Khái niệm:
Mạch vòng dẫn điện là mộy bộ phận quan trọng, nó có chức năng dẫn

dòng chuyển đổi và đóng cắt mạch điện. Mạch vòng dẫn điện do các bộ phận
khác nhau về hình dáng kết cấu hợp thành gồm: thanh dẫn, đầu nối và tiếp
điểm.
4.2. Yêu cầu của mạch vòng dẫn điện:
- Với dòng điện định mức chảy trong mạch vòng dẫn điện thì nhiệt độ phát
nóng cuả các chi tiết mạch vòng không đợc vợt quá nhiệt độ cho phép.
- Chịu đợc dòng điện ngắn mạch trong những khoảng thời gian nhất định.
- Lực điện động sinh ra khi có dòng ngắn mạch chạy qua không phá hỏng
kết cấu của mạch vòng dẫn điện.
4.3. Tính toán nhiệt độ thanh dẫn và đờng kính thanh dẫn điện:
Mạch điện dẫn điện của máy ngắt SF
6
tà tổng hợp các phần dẫn điện nh
thanh dẫn, xà ngang, dây nối mềm, tiếp điểm động. Trong quá trình làm việc
các phần tử này sẽ bị phát nóng. Nguyên nhân là do: Khi dòng điện chạy qua
các phần tử đó đều có điện trở tiếp xúc. Nếu điện trở tiếp xúc lớn mà dòng điện
lớn thì sẽ dẫn đến sự phát nhiệt càng lớn trên thanh dẫn có thể gây h hỏng.
Ngoài chế độ làm việc bình thờng có nghĩa là làm việc với dòng điện định
mức, máy ngắt còn làm việc với dòng ngắt mạch trong thời gian rất ngắn
khoảng 5
ữ
10 giây. Nhng với thời gian đó cũng đủ làm nóng các bộ phận mang
điện của máy ngắt. Cho nên tính toán ổn định nhiệt phải tính cho cả hai trạng
thái làm việc:
- Sự phát nóng ở chế độ làm việc bình thờng do dòng điện định mức gây
ra trong chế độ dài hạn. Đặc điểm của sự phát nóng này là sau khoảng thời gian
dài làm việc nhiệt độ của phần dẫn điện sẽ đạt giá trị ổn định. Nhiệt lợng do
dòng điện gây ra chỉ bằng nhiệt lợng toả ra môi trờng xung quanh.
Trang 10
Đồ án môn khí cụ điện cao áp Đờng Xuân Hùng - CH9

- Phát nóng ngắn hạn do dòng điện ngắn mạch gây ra khi có sự cố. Thời
gian tồn tại sự cố rất ngắn do đó toần bộ nhiệt lợng do I
nm
gây ra chỉ để đốt
nóng vật dẫn điện chứ không kịp toả ra môi trờng xung quanh.
Để đảm bảo an toàn cho máy ngắt, ta phải chọn hình dáng kết cấu vật liệu
của các bộ phận dẫn điện sao cho hợp lý để sự phát nóng của chúng không vợt
quá nhiệt độ phát nóng cho phép.
a) Tính toán sự phát nóng của phần dẫn điện ở chế độ dài hạn:
Mạch vòng dẫn điện trong máy chủ yếu là thanh dẫn hình trụ tròn. Dựa
vào giá trị I
nm
trong bảng tra ra giá trị đờng kính thanh dẫn điện:
d(mm) 10 14
ữ
16 20
ữ
22 30
ữ
33 38
ữ
42 42
ữ
53
I
nm
(A) 100
ữ
200
200

ữ
400 500 1000 1500 2000
Phơng trình đặc trng cho quá trình phát nóng của thanh dẫn ở chế độ làm
việc dài hạn là:
I
2

=
( )
0
.


F
SK
Hay
0
2
..
.


=
FSK
I
Trong đó : I: Dòng điện định mức (I
đm
= 1000A)

: Điện trở suất của vật liệu tại

:
( )

+=
1
0

0

: Điện trở suất của đồng ở 0
0
C (
6
0
10.58,1

=


cm

)

T

: Hệ số nhiệt điện trở của đồng
T

= 4,25 . 10
-3
(1/
0
C )


: Nhiệt độ thanh dẫn (
0
C )
K: Hệ số toả nhiệt đối với đồng k = 10
-3
( W/
0
C.cm
2
)
S: chu vi thanh dẫn S =

. D (cm)
d: Đờng kính thanh dẫn ( cm
2
)
F: Tiết diện ngang thanh dẫn F =
4
.
2
d

( cm

2
)

0

: Nhiệt độ môi trờng xung quanh thanh dẫn, ta chọn
0

=40
0
C
Trang 11
Đồ án môn khí cụ điện cao áp Đờng Xuân Hùng - CH9
Ta phải đục lỗ cho thanh dẫn động để có luồng khí SF
6
đi qua lỗ đó thổi
vào hồ quang phát sinh trong quá trình đóng cắt để nhanh chóng dập tắt hồ
quang. Đây là kiểu tự thổi khí nén dùng xi lanh pittông.
Chọn đờng kính trong của thanh dẫn động d = 0,5 d vì vậy so với bảng giá
trị trên ta tạm chọn d = 34 mm
Từ phơng trình trên ta có:
0


=

4
...
.
2
2
d
dK
I

=
( )
32
2
.3
.116
dK
I
T

+





.

32
2
..3
..16
1
dK
I
T


=
32
2
..3
.16
dK
I

+






.











32
23.2
..3
..16.3
dK
IdK


=
32
322

..3
...3.16
dK
dKI

+






=


+




...16..3
...3.16
232
322
IdK
dKI
Thay số:

=
362323

32362
10.25,4.10.58,1.1000.1634.14,3.10.3
34.14,3.10.40.310.58,1.1000.16



+
= 65,28
0
C
Nhiệt độ cho phép của thanh dẫn trong máy cắt SF
6
tra bảng ta có
[ ]

= 75
0
C ( ở chế độ dài hạn)
Vậy

= 65,28
0
C <
[ ]

thoả mãn điều kiện dẫn điện.
Tóm lại, đờng kính thanh dẫn d = 3,4 cm thì điều kiện phát nóng ở chế độ
làm việc bình thờng đợc thoả mãn.
b) Tính toán sự phát nóng của các phần tử dẫn điện ở chế độ ngắn hạn:
Khi bị ngắn mạch dòng điện trong thanh dẫn có trị số rất lớn, gấp vài chục

lần dòng ở chế độ định mức, nhng vì thời gian ngắn mạch không dài nên nhiệt
độ phát nóng cho phép ở chế độ này lớn hơn ở chế độ dài hạn. Trong trờng hợp
này ta cho nhiệt độ ngắn mạch cho phép là 250
0
C
Do đó phơng trình cân bằng nhiệt có dạng:
i
2
R.dt = C
T
d

(*)
Trang 12