(Chương 1) khí cụ điện

MÔN HỌC

KHÍ CỤ ĐIỆN
GV: Phạm Văn Minh
Khoa: Điện


I. MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU MÔN HỌC
 Mục đích
Trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ sở, cơ bản về cấu tạo

và nguyên lý hoạt động của một số loại khí cụ điện thông dụng: Cầu dao,
cầu chì, aptômát, các loại rơle, máy cắt…trong hệ thống điện.
 Yêu cầu
Sau khi học xong môn học khí cụ điện sinh viên phải nắm được:
+ Cấu tạo, nguyên lý làm việc của các loại khí cụ điện
+ Phạm vi sử dụng của từng loại trong khí cụ điện
+ Một số bài tập tính chọn dòng, áp…của từng loại khí cụ điện
May 8, 2016

Trang 2


II. NỘI DUNG MÔN HỌC GỒM: 7 CHƯƠNG
Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện
Chương 2: Mạch từ và nam châm điện
Chương 3: Các khí cụ điện điều khiển – đóng cắt và bảo vệ
hạ áp
Chương 4: Rơle
Chương 5: Các khí cụ điện không tiếp điểm
Chương 6: Tính chọn các khí cụ điện hạ áp

Chương 7: Các khí cụ điện cao áp
May 8, 2016

Trang 3


III. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Bài giảng “Khí cụ điện”. Trường Đại học kinh tế kỹ thuật công
nghiệp.
[2]. Giáo trình “Khí cụ điện”. Tác giả Phạm Văn Chới, Bùi Tiến Hữu,
Nguyễn Tiến Tôn. Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật - 2004.
[3]. Giáo trình “Khí cụ điện”. Tác giả Nguyễn Xuân Phú Tô Đằng,
Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật - 1998.
[4]. Giáo trình “Thiết bị điện”. Tác giả Lê Thành Bắc, Nhà xuất bản
Khoa Học Kỹ Thuật - 2001.
May 8, 2016

Trang 4


Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện
Trong chương 1 chúng ta đi nghiên cứu 5 nội dung chính như sau:
1.1. Khái niệm, nhiệm vụ, phân loại, các yêu cầu cơ bản
1.2. Sự phát nóng của khí cụ điện
1.3. Tiếp xúc điện và tiếp điểm của thiết bị điện
1.4. Hồ quang điện và phương pháp dập tắt hồ quang điện
1.5. Lực điện động trong khí cụ điện
May 8, 2016

Trang 5

Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện
1.1. Khái niệm, nhiệm vụ, phân loại, các yêu cầu cơ bản
1.1.1. Khái niệm

Khí cụ điện (KCĐ) là thiết bị điện dùng để : đóng cắt, điều khiển,
kiểm tra, tự động điều khiển, khống chế các đối tượng điện cũng như
không điện và bảo vệ chung trong trường hợp sự cố.
Khí cụ điện có rất nhiều chủng loại với chức năng, nguyên lý làm
việc và kích cỡ khác nhau, được dùng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của
cuộc sống.
May 8, 2016

Trang 6


Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện
Trong phạm vi của môn học khí cụ điện này, chúng ta đề cập đến
các vấn đề như sau: cơ sở lý thuyết, nguyên lý làm việc, kết cấu và đặc
điểm của các loại KCĐ dùng trong ngành điện và trong công nghiệp.

May 8, 2016

Trang 7


Chng 1: Khỏi nim chung v khớ c in
1.1.2. Nhim v ca khớ c in

+ Khi thiết kế hoặc khi vận hành một hệ thống điện bất kỳ cần
phải xét đến khả năng phát sinh đến các h hỏng và tình trạng làm việc
không bình thờng của hệ thống (HT).
+ Các loại h hỏng thờng xảy ra và nguy hiểm nhất là ngắn mạch,
hậu quả của nó là: Gây sự sụt áp trong 1 phần của h thng, phá huỷ tình
trạng làm việc bình thờng cuả các hộ tiêu thụ điện. Phá huỷ các phần tử
bị h hỏng bằng tia lửa điện. Phá hỏng tính ổn định của hệ thống.
May 8, 2016

Trang 8


Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện
1.1.3. Phân loại khí cụ điện
1.1.3.1. Phân loại theo công dụng

a, Nhóm KCĐ khống chế: dùng để đóng cắt, điều chỉnh tốc độ chiều
quay của các máy phát điện, động cơ điện (như cầu dao, dao cách ly, dao
phụ tải, áptômát,…).
b, Nhóm KCĐ bảo vệ : làm nhiệm vụ bảo vệ các động cơ, máy phát điện,
lưới điện khi có quá tải, ngắn mạch, sụt áp, …( như rơle, cầu chì, máy
cắt tự động, …)
May 8, 2016

Trang 9


Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện
c, Nhóm KCĐ tự động điều khiển từ xa: làm nhiệm vụ thu nhận phân
tích và khống chế sự hoạt động của các mạch điện như khởi động từ…

d, Nhóm KCĐ hạn chế dòng điện ngắn mạch (như điện trở phụ, cuộn
kháng điện,…).
e, Nhóm KCĐ làm nhiệm vụ duy trì ổn định các tham số điện (như ổn
áp, bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát điện…).
f, Nhóm KCĐ làm nhiệm vụ đo lường (như máy biến dòng điện, biến áp
đo lường,…).
May 8, 2016

Trang 10


Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện
1.1.3.2. Phân loại theo tính chất dòng điện

 Nhóm KCĐ dùng trong mạch điện một chiều
 Nhóm KCĐ dùng trong mạch điện xoay chiều
1.1.3.3. Phân loại theo nguyên lý làm việc

Khí cụ điện được chia các nhóm với nguyên lý điện cơ, điện từ,
từ điện, điện động, nhiệt, có tiếp xúc và không có tiếp xúc.
1.1.3.4. Phân loại theo điều kiện môi trường

Có các loại khí cụ điện lắp đặt trong nhà, KCĐ lắp đặt ngoài trời,
KCĐ làm việc trong môi trường dễ cháy nổ…
May 8, 2016

Trang 11


Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện

1.1.3.5. Phân loại theo cấp điện áp

- Khí cụ điện hạ áp có điện áp dưới 3 kV.
- Khí cụ điện trung áp có điện áp từ 3 kV đến dưới 36 kV.
- Khí cụ điện cao áp có điện áp từ 36 kV đến nhỏ hơn 400 kV.
- Khí cụ điện siêu cao áp có điện áp từ 400 kV trở lên.
1.1.4. Các yêu cầu cơ bản về khí cụ điện

a, Phải đảm bảo sử dụng được lâu dài đúng tuổi thọ thiết kế khi làm
việc với các thông số kỹ thuật ở định mức.
May 8, 2016

Trang 12


Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện
b, Thiết bị điện phải đảm bảo ổn định lực điện động và ổn định động
khi làm việc bình thường, đặc biệt khi sự cố trong giới hạn cho phép của
dòng điện và điện áp.
c, Vật liệu cách điện chịu được quá áp cho phép
d, Thiết bị điện phải đảm bảo làm việc tin cậy, chính xác an toàn, gọn
nhẹ, dễ lắp ráp, dễ kiểm tra sửa chữa.
e, Ngoài ra còn yêu cầu phải làm việc ổn định ở điều kiện khí hậu môi
trường mà khi thiết kế cho phép.
May 8, 2016

Trang 13


Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện

1.2. Sự phát nóng của khí cụ điện
1.2.1. Khái niệm chung

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 tổn hao cân bằng với nhiệt
năng tỏa ra môi trường xung quanh.
May 8, 2016

Trang 14


Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện
- Nếu nhiệt độ của TBĐ 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%.
- Với vật liệu dẫn điện thông dụng nhất là Cu, nếu tăng nhiệt độ từ
100oC đến 250oC thì độ bền cơ giảm 40%, khi 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.
May 8, 2016

Trang 15

Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện
Độ tăng nhiệt của thiết bị được tính bằng: τ = θ – θ0
Trong đó: τ là độ tăng nhiệt (còn gọi là nhiệt áp, nhiệt chênh)
θ là nhiệt độ của thiết bị điện, θ0 là nhiệt độ môi trường
1.2.2. Các dạng tổn hao năng lượng

Trong TBĐ có các dạng tổn hao năng lượng chính sau :
 Tổn hao trong các chi tiết dẫn điện,
 Tổn hao trong các chi tiết bằng vật liệu sắt từ
 Tổn hao điện môi.
May 8, 2016

Trang 16


Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện
1.2.2.1. Tổn hao trong các chi tiết dẫn điện

Năng lượng tổn hao trong dây dẫn do dòng điện i đi qua trong
thời gian t được tính theo công thức sau :
t

W =

2
i
∫ Rdt
0

Điện trở dây dẫn R phụ thuộc vào điện trở suất vật liệu, kích
thước dây dẫn, ngoài ra còn phụ thuộc vào tần số dòng điện, vị trí của
dây dẫn : nằm đơn độc hay gần dây dẫn khác có dòng điện đi qua.

May 8, 2016

Trang 17


Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện
Nếu dây dẫn đồng chất, tiết diện S không đổi, chiều dài l và điện trở
suất ρ, nằm độc lập và có dòng điện một chiều đi qua thì điện trở của nó
được tính theo công thức:

l
R− = ρ .
S

Khi dòng điện xoay chiều đi qua sẽ gây ra hiệu ứng mặt ngoài làm
điện trở dây dẫn tăng: Rl : = K m .R−
Trong đó : R- là điện trở một chiều; Rl~ là điện trở xoay chiều khi dây dẫn
nằm đơn độc; Km là hệ số tính đến hiệu ứng mặt ngoài. Km phụ thuộc vào
kích thước dây dẫn, điện trở suất của vật lệu và tần số của dòng điện.
May 8, 2016

Trang 18


Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện
1.2.2.2. Tổn hao trong phần tử sắt từ và điện môi

- Nếu các phần tử sắt từ nằm trong vùng từ trường biến thiên thì
trong chúng sẽ có tổn hao do từ trễ và dòng điện xoáy tạo ra.
- Dưới tác dụng của điện trường biến thiên, trong vật liệu cách điện
sẽ sinh ra tổn hao điện môi.

May 8, 2016

Trang 19


Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện
1.2.3. Quá trình phát nóng khi ngắn mạch

Khi bị ngắn mạch, dòng điện chảy trong dây dẫn có trị số rất lớn,
gấp vài chục lần dòng điện ở chế độ định mức, nhưng vì thời gian ngắn
mạch không dài nên nhiệt độ phát nóng cho phép ở chế độ này thường
lớn hơn ở chế độ dài hạn. Ví dụ với đồng có cách điện cấp A cho phép
đến 2500C khi ngắn mạch, còn ở chế độ dài hạn là 1050C.
Vì thời gian ngắn mạch tnm bé nên có thể coi quá trình nhiệt này là
quá trình đoạn nhiệt, nghĩa là toàn bộ nhiệt lượng do thiết bị hấp thụ chứ
không tỏa ra môi trường xung quanh.
May 8, 2016

Trang 20


Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện
2
i

Do đó phương trình cân bằng nhiệt có dạng: .R.dt = CT .dθ

(1)

Trong đó R là điện trở của dây dẫn được tính theo công thức:
l
R = K ph .ρ0 . (1 + αT θ )
q

Kph là hệ số tổn hao phụ tính đến hiệu ứng mặt ngoài và hiệu ứng gần
ρ0 là điện trở suất của vật liệu ở 00C
αT là hệ số nhiệt điện trở của vật liệu dây dẫn
θ là nhiệt độ của dây dẫn
l, q là chiều dài và tiết diện dây dẫn
May 8, 2016

Trang 21


Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện
CT là nhiệt dung của thiết bị:

CT = c0 (1 + β .θ )G

C0 là nhiệt dung riêng của vật liệu ở 00C
β là hệ số nhiệt của nhiệt dung riêng
G là khối lượng của vật dẫn
Khối lượng vật dẫn có thể tính theo thể tích và khối lượng riêng:

G = γ .l.q = γ .V

Trong đó: γ là khối lượng riêng của vật liệu dây dẫn
V = l.q là thể tích vật dẫn
May 8, 2016

Trang 22


Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện
Thay các đại lượng trên vào (1) ta được:
c0γ (1 + β .θ )
i2
dt
=
dθ
2
q
K ph .ρ0 (1 − α T θ )

(2)

Tích phân hai vế của phương trình (2), với cận vế trái từ 0 đến t nm, cận vế
phải từ θ0 đến θnm (θ0 là nhiệt độ ban đầu, trước khi xảy ra ngắn mạch):
tnm

∫
0

May 8, 2016

i2

dt =
2
q

θ nm

∫
θ

0

γ .c0 (1 + β .θ )
dθ
K ph .ρ 0 (1 + α T θ )

(3)

Trang 23


Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện
Nếu trị hiệu dụng của dòng điện trong suốt thời gian ngắn mạch là không
đổi thì phương trình (3) có thể viết dưới dạng:
2
I nm
2
t
=
j
nm .t nm = Aθ nm − Aθ 0

2 nm
q

Trong đó:

jnm =

I nm
q

là mật độ dòng điện khi ngắn mạch

A θnm, A θ0 là trị số của tích phân vế phải của (3)

May 8, 2016

Trang 24


Chương 1: Khái niệm chung về khí cụ điện
1.3. Tiếp xúc điện và tiếp điểm của thiết bị điện
1.3.1. Khái niệm chung về tiếp xúc điện

Tiếp xúc điện là chỗ tiếp giáp giữa hai vật dẫn điện để cho dòng
điện chạy từ vật dẫn này sang vật dẫn kia.
Bề mặt chỗ tiếp giáp của các vật dẫn điện gọi là bề mặt tiếp xúc
điện.
1.3.2. Phân loại tiếp xúc điện

Dựa vào mối liên kết tiếp xúc, ta chia tiếp xúc điện ra các dạng sau :

 Tiếp xúc cố định: là loại tiếp xúc không tháo lắp giữa 2 vật dẫn, được
liên kết bằng bulông, đinh vit,...
May 8, 2016

Trang 25