Sửa chữa thiết bị điện hạ thế

Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

Mục lục
Chương 1 Các thiết bị đóng cắt và bảo vệ...........................................5
1. Aptomat.....................................................................................5
1.1 Sự hoạt động.......................................................................6
1.2 Sự dập hồ quang..................................................................7
1.3 Tiêu chuẩn dòng định mức..................................................7
1.4 Cấu tạo bên trong của Aptomat...........................................8
1.5 Các loại Aptomat.................................................................9
1.5.1 Aptomat điện áp thấp................................................9
1.5.2 Aptomat từ.................................................................11
1.5.3 Aptomat từ nhiệt........................................................12
1.5.4 Aptomat ngắt thông dụng..........................................13
1.5.5 Aptomat trung áp.......................................................14
2. Rơle............................................................................................17
2.1 Thiết kế cơ bản và nguyên lý hoạt động.............................17
2.2 Các loại Rơle.......................................................................18
2.2.1 Rơle chốt...................................................................18
2.2.2 Rơle lưỡi gà...............................................................19
2.2.3 Rơle thủy ngân..........................................................19
2.2.4 Rơle phân cực...........................................................20
2.2.5 Rơle máy công cụ......................................................20
2.2.6 Rơle công tắc tơ........................................................20
2.2.7 Rơle bán dẫn và Rơ le công tắc tơ bán dẫn...............21
2.2.8 Rơle Buchholz...........................................................22
2.2.9 Rơle bảo vệ quá tải....................................................23
3. Công tắc tơ................................................................................24
3.1 Cấu trúc...............................................................................24
3.2 Nguyên lý hoạt động...........................................................25
3.3 Các ứng dụng của Công tắc tơ............................................26

3.3.1 Điều khiển đèn..........................................................26
3.3.2 Các khởi động từ.......................................................26

1


Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

4. Cầu chì......................................................................................27
4.1 Nguyên lý hoạt động...........................................................28
4.2 Các thông số đặc trưng........................................................29
4.2.1 Dòng định mức IN......................................................29
4.2.2 Tốc độ.......................................................................29
4.2.3 Giá trị I2t....................................................................30
4.2.4 Khả năng ngắt...........................................................30
4.2.5 Điện áp định mức......................................................30
4.2.6 Điện áp rơi.................................................................31
4.2.7 Sự giảm đặc tính do nhiệt.........................................31
5. Công tắc....................................................................................32
5.1 Cấu tạo công tắc..................................................................33
5.2 Bộ dẫn động........................................................................33
5.3 Hồ quang và sự dập hồ quang.............................................33
5.4 Các công tắc không đối xứng..............................................34
5.5 Các công tắc không đặc biệt...............................................35
5.6 Công tắc nghiêng thủy ngân................................................35
5.7 Cầu dao...............................................................................35
5.8 Công tắc trung gian.............................................................36
5.9 Công tắc đèn........................................................................37
Chương 2 Các thiết biến đổi điện áp, dòng điện, đo lường........................38
1. Máy biến áp..............................................................................38

1.1 Nguyên lý hoạt động...........................................................38
1.2 Phân loại máy biến áp.........................................................39
1.3 Cấu trúc lõi thép..................................................................40
1.3.1 Lõi thép cán...............................................................40
1.3.2 Lõi đặc.......................................................................41
1.3.3 Lõi hình xuyến..........................................................42
1.3.4 Lõi không khí............................................................43
1.4 Một số loại máy biến áp......................................................43
1.4.1 Máy biến áp tự ngẫu..................................................43

2


Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

1.4.2 Máy biến áp nhiều pha..............................................44
1.4.3 Máy biến áp rò..........................................................45
1.4.4 Máy biến áp cộng hưởng...........................................46
1.4.5 Máy biến áp âm tần...................................................46
1.4.6 Máy biến áp đo lường...............................................47
2. Máy biến dòng..........................................................................49
2.1 Nguyên lý hoạt động...........................................................50
2.2 Sử dụng...............................................................................51
2.3 Sự hoạt động an toàn...........................................................51
2.4 Độ chính xác.......................................................................51
2.5 Phụ tải.................................................................................52
3. Đồng hồ điện.............................................................................53
3.1 Đơn vị đo.............................................................................55
3.2 Các đơn vị đo khác..............................................................56
3.3 Các loại đồng hồ.................................................................56

3.3.1 Đồng hồ điện cơ........................................................57
3.3.1.1 Kỹ thuật điện cơ...........................................57
3.3.1.2 Đọc số chỉ đồng hồ điện cơ..........................58
3.3.2 Đồng hồ bán dẫn.......................................................59
3.3.2.1 Kỹ thuật bán dẫn..........................................59
3.3.2.2 Đọc số chỉ tự động.......................................59
3.3.2.3 Cấu tạo đồng hồ bán dẫn..............................61
3.3.3 Đồng hồ đa biều giá..................................................62
3.3.4 Đồng hồ sử dụng trong gia đình................................62
3.3.5 Đồng hồ và bộ chuyển mạch từ xa............................63
3.3.6 Đồng hồ số thông minh.............................................64
Chương 3 Động cơ điện.................................................................................65
1. Phân loại động cơ điện.............................................................66
2. Động cơ điện một chiều...........................................................67
2.1 Động cơ điện một chiều chổi than.......................................67
2.2 Động cơ điện một chiều không chổi than............................70

3


Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

3. Động cơ điện xoay chiều..........................................................71
3.1 Động cơ lồng sóc.................................................................71
3.2 Hệ số trượt...........................................................................72
3.3 Động cơ servo xoay chiều hai pha......................................72
3.4 Động cơ cảm ứng xoay chiều một pha................................73
3.4.1 Động cơ cực ẩn..........................................................73
3.4.2 Động cơ cảm ứng tách pha........................................74
3.4.3 Động cơ tụ tách vĩnh cửu..........................................76

3.5 Động cơ xoay chiều đồng bộ ba pha...................................77
3.6 Động cơ vạn năng và động cơ dây quấn nối tiếp................78
3.7 Động cơ đẩy........................................................................79
3.8 Động cơ đồng bộ xoay chiều một pha.................................80
3.9 Động cơ từ trễ đồng bộ........................................................81
3.10 Động cơ đồng hồ Wh........................................................81
Chương 4 Dây điện và cách điện...................................................................85
1. Dây điện.....................................................................................85
1.1 Kích cỡ dây.........................................................................85
1.2 Quy tắc an toàn đối với dây điện.........................................85
1.2.1 Quy tắc về màu dây...................................................85
1.3 Các yêu cầu khi nối dây......................................................87
2. Bộ nối điện.................................................................................87
2.1 Các đặc tính của các bộ kết nối điện...................................88
2.2 Các loại bộ kết nối điện.......................................................89
2.2.1 Khối nối dây..............................................................89
2.2.2 Đầu nối......................................................................90
2.2.3 Bộ nối thay thế cách điện..........................................90
2.2.4 Ổ cắm và phích cắm..................................................91
2.2.5 Các đầu nối dạng phiến.............................................92
3. Cách điện...................................................................................93
3.1 Hiện tượng đánh thủng điện................................................93
3.2 Sự sử dụng...........................................................................93

4


Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

3.3 Cách điện trong các thiết bị điện.........................................94

Chương 1 Các thiết bị đóng cắt và bảo vệ
1. Aptomat

Bộ chuyển mạch aptomat

Một aptomat 2 cực cỡ nhỏ

5


Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

Bốn aptomat 1 cực
Aptomat là một công tắc điện vận hành tự động được thiết kế nhằm bảo
vệ một mạch điện khỏi sự phá hủy gây ra bởi sự quá tải hay ngắn mạch. Chức
năng cơ bản của nó là nhận biết sự cố và, bằng cách ngắt sự liên tục, làm gián
đoạn dòng điện ngay lập tức. Không giống như một cầu chì, thiết bị tác động
một lần và sau đó phải thay thế, một cầu dao có thể được reset ( bằng tay hoặc
tự động) để bắt đầu hoạt động bình thường. Các cầu dao được thiết kế theo
nhiều kích cỡ, từ các thiết bị nhỏ bảo vệ cho những thiết bị gia đình đơn lẻ tới
các bộ đóng cắt lớn được thiết kế để bảo vệ cho những mạch điện áp cao cung
cấp cho một thành phố.

1.1 Sự hoạt động
Tất cả các aptomat đều có những đặc điểm chung trong nguyên lý hoạt
động, dù những đặc điểm riêng của chúng về căn bản là phụ thuộc vào các
phân lớp điện áp, khoảng dòng điện và các loại aptomat.
Aptomat phải phát hiện được sự cố; trong các aptomat hạ áp việc này
luôn được thực hiện bên trong khoang aptomat. Các apstomat ứng dụng cho

dòng điện lớn và điện áp cao luôn luôn được sắp xếp với các thiết bị dẫn
hướng để cảm ứng một dòng điện sự cố và tác động cơ cấu nhả. Cuộn dây nhả
giải phóng lẫy luôn được kích hoạt bởi một pin độc lập, mặc dù nhiều aptomat
không phụ thuộc vào máy biến dòng, Rơle bảo vệ, và nguồn năng lượng điều
khiển bên trong.
Khi mà một sự cố được phát hiện, các tiếp điểm bên trong aptomat phải
hở ra nhằm ngắt dòng; một số nguồn năng lượng dữ trự cơ học ( sử dụng lò
xo hoặc khí nén) chứa đựng bên trong aptomat được sử dụng để tách các tiếp
điểm, dù cho nhiều nguồn năng lượng mong muốn có thể nhận được từ chính
dòng điện sự cố của bản thân nó. Các aptomat nhỏ có thể được vận hành bằng
tay; các loại lớn hơn có các cuộn dây để đóng nhả cơ cấu, và các động cơ điện
để khôi phục năng lượng cho các lò xo.
Các tiếp điểm của aptomat phải chịu dòng tải không quá nhiệt, và đồng
thời cũng phải chịu đựng nhiệt của hồ quang được sinh ra khi ngắt mạch. Các
tiếp điểm được làm bằng đồng hoặc các hợp kim đồng, bạc, và các vật liệu
khác. Tuổi thọ của các tiếp điểm bị giới hạn bởi sự ăn mòn do ngắt hồ quang.
Các aptomat đúc và aptomat cỡ nhỏ bị loại bỏ khi các tiếp điểm của chúng bị
mòn, nhưng các aptomat năng lượng và aptomat cao áp có các tiếp điểm có
thể thay thế được.

6


Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

Khi dòng điện bị ngắt, một luồng hồ quang được sinh ra. Luồng hồ
quang này phải được chứa đựng, làm mát và dập tắt theo một cách đã định
hướng trước, sao cho khoảng hở giữa các tiếp điểm có thể lại chịu đựng được
điện áp trong mạch. Các aptomat khác sử dụng chân không, không khí, khí
cách điện, hoặc dầu như một môi trường để trong đó luồng hồ quang được

định hình. Các kỹ thuật khác nhau được sử dụng để dập hồ quang bao gồm:

chiều

•

Kéo dãn luồng hồ quang

•

Làm mát với cường độ cao

•

Chia thành từng đoạn hồ quang

•

Tôi điểm không

•

Mắc song song các tụ điện với các tiếp điểm trong các mạch một

Cuối cùng, khi sự cố đã được khắc phục, các tiếp điểm phải được đóng
lại để tiếp tục cung cấp năng lượng cho mạch điện đã được ngắt trước đó.

1.2 Sự dập hồ quang
Các aptomat hạ áp cỡ nhỏ sử dụng không khí để dập tắt hồ quang. Các
loại cỡ lớn hơn sẽ có các tấm kim loại hoặc các buồng dập hồ quang phi kim

nhằm chia nhỏ và làm nguội hồ quang. Các ống dây thổi hồ quang sẽ làm
chệch hướng của luồng hồ quang vào buồng dập hồ quang.
Đối với các aptomat có khoảng làm việc lớn hơn, ta sử dụng các
aptomat dầu dựa trên sự bốc hơi của một phần dầu sẽ tạo ra một tia dầu xuyên
qua luồng hồ quang
Các aptomat khí ( thường sử dụng sunfua hexaflorit SF6) đôi khi kéo
dãn luồng hồ quang bằng cách sử dụng một từ trường, và sau đó dựa vào độ
bền điện môi của SF6 dập tắt luồng hồ quang đã bị kéo dãn.
Aptomat chân không có hồ quang rất nhỏ ( vì không có gì để ion hóa
ngoại trừ vật liệu làm tiếp điểm), vì vậy luồng hồ quang sẽ bị dập tắt khi
chúng bị kéo dãn thành một lượng rất nhỏ (< 2-3 mm). Aptomat chân không
được sử dụng thường xuyên trong các bộ chuyển mạch điện áp trung bình
hiện đại khoảng 35000V.
Các aptomat khí có thể sử dụng khí nén để thổi tắt hồ quang, hoặc một
cách đồng thời, các tiếp điểm được xoay nhanh trong một buồng kín nhỏ, sự
thoát ra của không khí bị chuyển đi nhờ vậy thổi tắt luồng hồ quang.
Các aptomat luôn có thể chấm dứt tất cả các dòng một cách rất nhanh
chóng: thông thường hồ quang được dập tắt trong vòng 30 ms tới 150ms sau
khi cơ cấu được nhả, phụ thuộc vào tuổi và cấu trúc của thiết bị.

1.3 Tiêu chuẩn dòng định mức
7


Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

Tiêu chuẩn quốc tế IEC 60898-1 và Tiêu chuẩn Châu âu EN 60898-1 đã
định nghĩa dòng điện định mứcIn của một aptomat cho những ứng dụng phân
phối điện áp thấp như là dòng mà aptomat được thiết kế để mang liên tục (ở
môi trường không khí nhiệt độ 300C). Các giá trị ưu tiên sẵn có của dòng định

mức aptomat là 6A, 10A, 13A, 16A, 20A, 25A, 32A, 40A, 50A, 63A, 80A, và
100A. Aptomat được dán nhãn với dòng định mức là A, nhưng không ghi ký
tự “A”. Thay vào đó, ampe được ký hiệu lần lượt bởi các chữ cái “B”, “C”,
hoặc “D” có vai trò chỉ ra dòng điện ngắt tức thời, đó là giá trị tối thiểu của
dòng điện mà làm cho aptomat tác động ngắt không cần tạo thời gian trễ (ví
dụ nhỏ hơn 100ms), biểu thị qua In.

Loại

Dòng ngắt tức thời

B

trên 3In lên tới và bao gồm cả giá trị 5In

C

trên 5In lên tới và bao gồm cả giá trị 10In

D

trên 10In lên tới và bao gồm cả giá trị 20In
trên 8In lên tới và bao gồm cả giá trị 12In

K

Thích hợp sử dụng để bảo vệ các tải mà gây ra dòng đỉnh ngắn hạn thường xuyên
trong hoạt động thông thường
trên 2In lên tới và bao gồm cả giá trị 3In trong khoảng thời gian khoảng 10s

Z

Thích hợp sử dụng để bảo vệ các tải như các thiết bị bán dẫn hoặc các mạch đo lường
sử dụng máy biến dòng.

1.4 Cấu tạo bên trong của Aptomat

8


Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

Cấu tạo bên trong của một Aptomat
1. Cần dẫn động – Sử dụng để thực hiện ngắt bằng tay và reset
aptomat. Cũng có tác dụng thông báo trạng thái của Aptomat (Bật hay
Tắt/Ngắt). Hầu hết các Aptomat được thiết kế sao cho chúng vẫn có thể được
ngắt thậm chí ngay cả khi cần được giữ hoặc được khóa ở vị trí “mở”. Việc
này đôi khi còn được gọi là sự hoạt động “ngắt tự do” hoặc “ngắt vị trí”
2.

Cơ cấu dẫn động – Tác động đồng thời hoặc riêng rẽ lên các tiếp

điểm.
3. Các tiếp điểm – Cho phép dòng chạy qua khi đang tiếp xúc và phá
vỡ dòng khi di chuyển tách rời nhau.
4.

Các cực đầu và cuối

5.

Thanh lưỡng kim

6. Vít hiệu chỉnh – cho phép hiệu chỉnh một cách chính xác dòng
ngắt của thiết bị sau khi lắp ráp.
7.

Cuộn dây

8.

Bộ phận chia/dập hồ quang.

1.5 Các loại aptomat

Bảng mặt trước của một một aptomat 1250A được thiết kế bởi ABB.
Aptomat điện áp thấp này có thể được rút ra từ hộp của nó để bảo dưỡng. Các
đặt tính ngắt có thể được đặt trước qua các công tắc DIP trên mặt trước của
bảng.
Có nhiều cách phân loại aptomat khác nhau, dựa trên các đặc trưng của
chúng như phân lớp điện áp, kiểu cấu trúc, kiểu ngắt, và các đặc điểm cấu tạo.

9


Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

1.5.1 Các aptomat điện áp thấp
Các loại aptomat điện áp thấp (nhỏ hơn 1000 V xoay chiều) thường
được ứng dụng trong gia đình, bao gồm:

MCB (Aptomat nhỏ) – dòng định mức không lớn hơn 100A. Đặc
tính ngắt thông thường không điều chỉnh được. Vận hành theo nguyên lý
nhiệt hoặc từ nhiệt.
•

MCCB (Aptomat vỏ đúc) – dòng định mức lên tới 1000A. Vận
hành nhiệt hoặc từ nhiệt. Dòng ngắt có thể điều chỉnh được trong một khoảng
rộng.
•

•
Aptomat công suất điện áp thấp có thể được gắn nhiều tầng trên
các bảng chuyển mạch hoặc các tủ phân phối

Aptomat MCB

Aptomat MCCB

10


Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

1.5.2 Aptomat từ

Aptomat
từ
Aptomat từ sử dụng một cuộn dây (nam châm điện) mà lực kéo của nó
tăng lên cùng với dòng điện. Các tiếp điểm của aptomat được giữ đóng bởi
một lẫy. Khi dòng điện trong cuộn dây tăng lên trên xa giá trị định mức của

aptomat, lực kéo của cuộn dây sẽ giải phóng lẫy và cho phép các tiếp điểm hở
ra bởi tác động của lò xo. Nhiều loại aptomat từ còn kết hợp cả chức năng
thời gian trễ thủy lực sử dụng một chất lỏng nhớt. Lõi bị cản bởi một lò xo
cho đến khi dòng điện vượt quá dòng định mức của asptomat. Trong thời gian
quá tải, tốc độ chuyển động của cuộn dây được hạn chế bởi chất lỏng. Dòng
ngắn mạch sẽ tác động cuộn dây cấp một lực đủ lớn để giải phóng lẫy bất
chấp vị trí của lõi vì vậy mà bỏ qua đặc tính trễ. Nhiệt độ môi trường tác động
đến thời gian trễ những không tác động đến dòng định mức của áptomat.

11


Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

1.5.3 Aptomat từ nhiệt
Aptomat từ nhiệt là một loại Aptomat thường gặp ở trong hầu hết các
bảng phân phối điện, kết hợp cả hai kỹ thuật với đáp ứng nam châm điện tức
thời đối với sự tăng vọt của dòng điện (ngắn mạch) và đáp ứng của thanh
lưỡng kim với các trạng thái quá dòng ở mức độ thấp hơn nhưng dài hạn hơn.

Aptomat từ nhiệt

12


Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

1.5.4 Các Aptomat ngắt thông dụng

Aptomat thanh ba cực dòng định mức 2A sử dụng cho nguồn của một

thiết bị điện ba pha
Khi cấp nguồn cho một mạch nhánh với nhiều hơn một dây dẫn trực
tiếp, mỗi dây dẫn này phải được bảo vệ bởi một cực aptomat. Để đảm bảo tất
cả các dây dẫn trực tiếp được ngắt khi bất cứ cực nào ngắt, người ta sử dụng
aptomat ngắt thông dụng. Những aptomat này bao gồm hai hoặc ba cơ cấu
ngắt bên trong một vỏ, hoặc đối với những aptomat nhỏ, có thể liên kết các
cực cùng với nhau ở bên ngoài qua thao tác vận hành. Hai cực của aptomat
ngắt thông dụng thường được sử dụng cho hệ thống 120/240 V ở đó các tải
240V (bao gồm những ứng dụng quy mộ lớn hoặc những tủ phân phối xa
hơn) nối qua hai dây dẫn trực tiếp. Các aptomat ngắt thông dụng ba cực
thường được sử dụng để cấp nguồn năng lượng ba pha tới các động cơ cỡ lớn
hoặc các tủ phân phối xa.
Các aptomat hai hoặc bốn cực được sử dụng khi cần phải ngắt dây
trung tính, đảm bảo rằng không có dòng điện có thể chạy ngược từ dây trung
13


Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

tính quay trở lại các tải khác được kết nối trong cùng một mạng điện khi
người vận hành cần phải chạm vào các dây khi bảo dưỡng. Các aptomat khác
nhau không bao giờ được sử dụng cho việc ngắt kết nối dây dẫn trực tiếp và
dây trung tính, bởi vì nếu dây trung tính được ngắt trong khi các dây dẫn trực
tiếp vẫn kết nối, một trạng thái nguy hiểm xuất hiện: mạch sẽ xuất hiện sự
ngắt mạch (những ứng dụng sẽ không hoạt động), nhưng dây sẽ vẫn dẫn và
các RCD (các thiết bị ngắt dòng dư) sẽ không được ngắt nếu ai đó chạm vào
dây dẫn điện (do các RCD cần phải có năng lượng để ngắt). Việc này giải
thích tại sao các aptomat ngắt thông dụng phải được sử dụng khi cần thiết
phải đóng cắt dây trung tính.

1.5.5 Các aptomat trung áp
Các aptomát trung áp có điện áp định mức nằm trong khoảng 1 và 72
kV có thể được lắp bên trong một dụng cụ chuyển mạch bọc kim loại phục vụ
cho những mục đích sử dụng trong nhà, hoặc có thể là một bộ phận độc lập
được lắp đặt ngoài trời trong một trạm biến áp. Các aptomat không khí được
thay thế cho các aptomat dầu với những ứng dụng trong nhà, tuy nhiên bây
giờ chúng được thay thế bởi aptomat chân không (lên tới 35kV). Giống như
aptomat điện áp cao được mô tả ở trên, các aptomat loại này cũng được hoạt
động nhờ vào các Rơle bảo vệ cảm ứng dòng được kích hoạt thông qua máy
biến dòng. Các đặc tính của các aptomat trung áp được đưa ra bởi các tiêu
chuẩn quốc tế như IEC 62217. Các aptomat trung áp luôn sử dụng kèm theo
các sensor dòng dư và các Rơle bảo vệ, thay vì sử dụng các các sensor quá
dòng.
Các aptomat trung áp có thể được phân thành các loại theo môi trường
được sử dụng để dập hồ quang:
• Aptomat chân không - Aptomat Chân không Trung áp 15kV được thiết
kế bởi hãng ABB

14


Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

Aptomat trung áp của hãng ABB
Với dòng điện định mức lên tới 3000A, các aptomat này ngắt dòng
bằng cách tạo ra một cơ chế dập hồ quang trong những khoang chân không.
Những aptomat kiểu này thường áp dụng cho điện áp lên tới 35 000V, tương
đương với khoảng trung áp trong các hệ thống năng lượng.
• Aptomat không khí - Dòng định mức lên tới 10000A. Các đặc tính ngắt
có thể điều chỉnh hoàn toàn bao gồm các ngưỡng ngắt và thời gian trễ

ngắt. Thường được điều khiển điện tử, dù nhiều mô hình được điều
khiển vi xử lý qua một phần tử ngắt điện tử tích phân. Thường được sử
dụng cho phân phối năng lượng trong những xí nghiệp công nghiệp lớn,
ở đó các aptomat được sắp xếp thành những hàng dài để thuật tiện cho
việc bảo dưỡng.

Aptomat không khí dòng định mức 1000A của hãng Eigenon

15


Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

• Các aptomat SF6 dập hồ quang trong một buồng chứa đầy khí Sunfua
hexaflorit.

Aptomat SF6
Các aptomat trung áp có thể được kết nối trong các mạch bằng những
bu lông kết nối với các cần nối mạch hoặc dây dẫn, đặc biệt là trong những
trạm chuyển ngoài trời. Các aptomat trung áp trong bộ phận cơ cấu chuyển
mạch thường được sắp xếp theo cấu trúc trải dài, cho phép aptomat được rời
đi mà không gây xáo trộn các kết nối của mạch năng lượng, sử dụng một
động cơ tác động hoặc cơ cấu quay tay để tách riêng aptomat ra khỏi hàng của
chúng.

16


Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

2. Rơle
Rơle là một công tắc được hoạt động bằng điện. Nhiều Rơle sử dụng
một nam châm điện để hoạt động một cơ cấu đóng cắt, nhưng cũng có nhiều
nguyên tắc hoạt động khác được sử dụng. Rơle được tìm thấy trong những
ứng dụng mà cần thiết để điều khiển một mạch bằng tín hiệu năng lượng thấp,
hoặc vài mạch phải được điều khiển bằng một tín hiệu. Một loại Rơle mà có
thể đáp ứng yêu cầu sử dụng điện áp lớn để điều khiển trực tiếp một động cơ
điện được gọi là công tắc tơ. Các Rơle bán dẫn điều khiển những mạch công
suất không có phần có thể tháo rời, thay vì phải sử dụng những linh kiện bán
dẫn được khởi động bằng ánh sáng để hoạt động sự đóng cắt. Các Rơle với
các đặt tính làm việc đã được tính toán trước được sử dụng để bảo vệ các
mạch điện khỏi quá tải hay sự cố; trong những hệ thống điện công suất hiện
đại những chức năng này được thực hiện bằng một dụng cụ số vẫn được gọi là
“các Rơle bảo vệ”.

2.1 Thiết kế cơ bản và hoạt động

Một Rơle điện cơ đơn giản

17


Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

Một Rơle nhỏ được sử dụng trong điện tử
Một Rơle điện cơ đơn giản, ví dụ như loại được lấy từ một ô tô như ở
hình đầu, là một loại Rơle sử dụng nam châm điện. Nó bao gồm một cuộn dây
bao quanh một lõi sắt mềm, một gông sắt, có vai trò tạo ra một phần có từ trở
thấp cho từ thông, một phần ứng bằng sắt có thể di chuyển được, và một cặp
hoặc nhiều cặp tiếp điểm. Phần ứng được nối bản lề với gông và được bắt tay

cơ khí với một tiếp điểm động hoặc nhiều tiếp điểm. Nó được giữ tại chỗ
bằng một lò xo sao cho khi Rơle được ngắt điện có một khe hở không khí
trong mạch từ. Trong trường hợp này, một trong hai cặp tiếp điểm của Rơle
trong hình vẽ là đóng, và cặp khác thì hở. Các Rơle khác có thể có số cặp tiếp
điểm nhiều hơn hoặc ít hơn tùy thuộc vào chức năng của chúng. Rơle trong
hình vẽ cũng có một dây nối phần ứng với gông
Khi một dòng điện chạy qua dây, từ trường sinh ra hút phần ứng, và sự
di chuyển kéo theo của tiếp điểm động hay các tiếp điểm sẽ nối hoặc phá vỡ
sự kết nối với một tiếp điểm cố định. Nếu hệ tiếp điểm được đóng khi Rơle
ngắt điện, khi đó sự di chuyển sẽ mở các tiếp điểm và phá vỡ sự kết nối, và
ngược lại nếu các tiếp điểm được mở. Khi dòng tới cuộn dây được ngắt, phần
ứng được kéo trở lại nhờ một lực, xấp xỉ bằng một nửa của lực từ, về vị trí
cân bằng. Thông thường lực này được sinh ra nhờ một lò xo, nhưng đối với
bộ khởi động động cơ công nghiệp thường sử dụng lực trọng trường. Hầu hết
các Rơle được thiết kế để có thể tác động nhanh. Đối với những ứng dụng
điện áp thấp, việc này có tác dụng làm giảm tiếng ồn. Đối với những ứng
dụng điện áp hoặc dòng điện cao, việc này có tác dụng làm giảm hồ quang.

2.2 Các loại Rơle
2.2.1 Rơle chốt

Một Rơle chốt có hai trạng thái nghỉ (ổn định kép). Những Rơle loại
này còn có thể được gọi là Rơle xung, Rơle giữ hoặc Rơle chặn. Khi dòng

18


Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

được ngắt, Rơle vẫn ở trạng thái cuối. Việc này thực hiện được nhờ vào một

cuộn dây vận hành một cơ cấu bánh cóc và cơ cấu cam, hoặc bằng cách sử
dụng các cuộn dây hai vị trí với một lò xo quá tâm hoặc nam châm vĩnh cửu
để giữ phần ứng và các tiếp điểm ở vị trí khi cuộn dây được ổn định. Trong
trường hợp sử dụng cơ cấu bánh cóc và cam, xung đầu tiên tới cuộn dây sẽ
bật Rơle và xung thứ hai sẽ tắt nó. Trong trường hợp sử dụng cuộn dây hai vị
trí, một xung tới cuộn dây bật Rơle và một xung tới dây đối diện tắt Rơle.
Loại Rơle này có ưu điểm là nó sử dụng năng lượng chỉ trong giây lát, khi mà
nó đang được ngắt, và nó vẫn giữ trạng thái cuối của nó khi ngừng cung cấp
năng lượng.

2.2.2 Rơle lưỡi gà

Rơle lưỡi gà
Một Rơle lưỡi gà có một hệ tiếp điểm bên trong một ống thủy tinh chân
không hoặc chứa đầy khí trơ, có tác dụng bảo vệ các tiếp điểm khỏi sự ăn
mòn khí quyển. Các tiếp điểm được đóng bởi một từ trường được sinh ra khi
dòng điện chạy qua một cuộn dây quấn quanh ống thủy tinh. Rơle lưỡi gà có
tốc độ đóng cắt cao hơn các loại Rơle khác lớn hơn, nhưng có dòng điện và
điện áp định mức nhỏ.

2.2.3 Rơle thủy ngân

19


Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

Rơle thủy ngân là một dạng của Rơle lưỡi gà mà trong nó các tiếp điểm
được thấm thủy ngân. Những Rơle loại này được sử dụng để đóng cắt những
tín hiệu điện áp thấp (một vol hoặc thấp hơn) do độ bền tiếp điểm của nó thấp,

hoặc cho những ứng dụng định thời và đếm tốc độ cao ở đó thủy ngân sẽ có
tác dụng loại bỏ sự rung nẩy do tiếp xúc của tiếp điểm. Rơle thủy ngân rất
nhạy cảm với vị trí và phải được gắn thẳng đứng để làm việc chính xác. Do sự
nguy hiểm và chi phí đắt đỏ của dung dịch thủy ngân, những Rơle này hiếm
khi được sử dụng cho những thiết bị mới.

2.2.4 Rơle phân cực
Rơle phân cực đặt phần ứng giữa các cực của nam châm vĩnh cửu để
tăng tính nhạy cảm. Rơle phân cực được sử dụng trong trao đổi điện thoại ở
thời điểm giữa thế kỷ 20 để dò những xung mờ và sửa những méo dạng điện
báo. Các cực nằm trên các đinh ốc, nhờ vậy mà người vận hành có thể đầu
tiên điều chỉnh chúng ở mức nhạy cảm tối đa và sau đó đặt một lò xo lệch để
thiết lập dòng điện giới hạn mà sẽ hoạt động Rơle.

2.2.5 Rơle máy công cụ
Rơle máy công cụ làm một loại Rơle được tiêu chuẩn hóa cho điều
khiển công nghiệp đối với các máy công cụ, những dây chuyền tự động, và
những điều khiển tuần tự khác. Chúng được đặc trưng bởi một số lượng tiếp
điểm lớn (đôi khi có thể mở rộng thành trường tiếp điểm) mà có thể dễ dàng
được chuyển từ trạng thái thường mở sang thường đóng, các cuộn dây có thể
dễ dàng thay thế, và một hệ số hình dạng cho phép sự lắp đặt chặt chẽ nhiều
Rơle trên một bảng điều khiển. Dù những Rơle này là xương sống của tự
động hóa đặc biệt là đối với những ngành công nghiệp như là lắp ráp tự động,
song PLC hầu như đã thay thế hoàn toàn vai trò của các Rơle máy công cụ
trong các ứng dụng điều khiển tuần tự.

2.2.7 Rơle công tắc tơ

20

Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

Một Rơle công tắc tơ là một loại Rơle hết sức kiên cố được sử dụng để
đóng cắt các động cơ điện và các tải ánh sáng. Dòng điện liên tục định mức
cho các công tắc tơ thường là trong khoảng từ 10A tới vài trăm A. Các tiếp
điểm dòng điện cao được làm từ nhôm có chứa bạc. Sự phóng hồ quang
không thể tránh được sẽ gây nên các tiếp điểm bị oxi hóa; tuy nhiên, bạc oxit
vẫn là một chất dẫn điện tốt. Những công tắc tơ này thường được sử dụng cho
bộ khởi động động cơ. Bộ khởi động động cơ là một công tắc tơ được gắn các
thiết bị có tác dụng bảo vệ quá tải. Thiết bị cảm ứng quá tải là một dạng của
Rơle tác động nhiệt mà trong đó cuộn dây cấp nhiệt làm nóng một thanh
lưỡng kim, hoặc trong đó một mối hàn chảy ra, giải phóng một lò xo hoạt
động các tiếp điểm phụ. Các tiếp điểm phụ này mắc nối tiếp với cuộn dây.
Nếu sự quá tải gây ra sự quá dòng trong tải, cuộn dây sẽ được ngắt điện. Các
Rơle công tắc tơ có thể gây ra tiếng ồn rất lớn khi hoạt động, do vậy mà
chúng không thích hợp đối với những nơi tiếng ồn có ảnh hưởng lớn.

2.2.7 Rơle bán dẫn và Rơle công tắc tơ bán dẫn

Rơle bán dẫn, không có các phần có thể tháo rời

Các công tắc tơ bán dẫn 25A hay 40A

21


Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

Một Rơle bán dẫn là một linh kiện điện tử mà cung cấp một chức năng

tương tự như Rơle điện cơ nhưng không có các phần có thể tháo rời được, có
độ tin cậy cao. Với những Rơle bán dẫn đời đầu, luôn tồn tại một thực tế là
mọi tranzitor đều có một điện áp nhỏ rơi trên nó. Điện áp rơi này hạn chế
lượng dòng điện mà một Rơle bán dẫn có thể điều khiển. Khi các tranzitor
được cải tiến, các Rơle bán dẫn chịu dòng cao hơn, có thể điều khiển được
dòng từ 100 tới 1200 A, và trở trở nên có tính thương mại cao. Khi so sánh
với các Rơle điện từ, ta nhận thấy các Rơle bán dẫn có thể bị khởi động lỗi do
sự quá độ.
Rơle công tắc tơ bán dẫn là một Rơle bán dẫn kiên cố, có chứa bộ tản
nhiệt, được sử dụng cho việc đóng cắt các lò điện, các động cơ điện nhỏ và
các tải ánh sáng, ở đó có yêu cầu điều chỉnh tần số đóng cắt. Không có phần
có thể tháo rời do đó không bị mòn do cọ xát và không có sự rung giật tiếp
điểm. Chúng được kích hoạt bằng tín hiệu điều khiển xoay chiều hoặc một
chiều từ các nguồn PLC, PCs, mạch logic tranzitor-tranzitor, hoặc các tín hiệu
điều khiển khác từ vi xử lý và vi điều khiển.

2.2.8 Rơle Buchholz
Rơle Buchholz là một thiết bị an toàn cảm ứng sự tích tụ của khí ga bên
trong các máy biến áp dầu, nó sẽ báo động khi có sự tích tụ nhỏ của khí ga
hoặc sẽ ngắt máy biến áp nếu khí ga được sinh ra quá nhanh bên trong máy
biến áp.

22


Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

Hai loại Rơle Buchholz
2.2.9 Rơle bảo vệ quá tải
Một loại của Rơle bảo vệ quá tải động cơ điện được kích hoạt nhờ các

phần tử gia nhiệt mắc nối tiếp với động cơ. Nhiệt sinh ra bởi dòng động cơ tác
động thanh lưỡng kim hoặc mối hàn chảy, giải phóng một lò xo để tác đông
tiếp điểm. Nơi mà Rơle quá tải được đặt phải có cùng môi trường với động
cơ.

Một loại Rơle bảo vệ quá tải

23


Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

Rơle bảo vệ quá tải kết hợp với Contactor

3. Công tắc tơ

Một công tắc tơ xoay chiều sử dụng cho máy bơm
Công tắc tơ là một công tắc được điều khiển bằng điện (một Rơle) được
sử dụng để đóng cắt mạch công suất hoặc mạch điều khiển. Một công tắc tơ
được điều khiển bởi một mạch mà có mức năng lượng thấp hơn nhiều mạch
được đóng cắt. Các công tắc tơ có nhiều hình dáng với các tính năng và đặc
điểm có thể thay đổi. Không giống với aptomat công tắc tơ không được sử
dụng để ngắt dòng điện ngắn mạch.
Các công tắc tơ thay đổi từ những loại có dòng điện ngắt vài A và 24V
một chiều tới những loại hàng nghìn A và nhiều kV. Kích cơ vật lý của công
tắc tơ thay đổi từ một thiết bị đủ nhỏ để có thể cầm bằng một tay, tới những
thiết bị lớn một cạnh xấp xỉ một mét.
Công tắc tơ được sử dụng để điều khiển các động cơ điện, chiếu sáng,
nhiệt, giàn tụ điện và các tải điện khác.

3.1 Cấu trúc

24


Giáo trình Sửa chữa thiết bị điện hạ thế - Dự án RE II

Công tắc tơ một chiều SPST Albright
Một công tắc tơ được cấu tạo từ ba phần. Các tiếp điểm là phần mang
dòng điện của công tắc tơ. Nó bao gồm các tiếp điểm công suất, các tiếp điểm
phụ, và các lò xo tiếp điểm. Nam châm điện cung cấp lực tác động để đóng
tiếp điểm. Môi trường bảo vệ bao quanh là một khung bao bọc tiếp điểm và
nam châm. Môi trường bảo vệ được làm từ các vật liệu cách điện như Bakelit,
Nylon 6, và các chất dẻo xử lý nhiệt để bảo vệ và cách ly các tiếp điểm và để
đưa ra một vài phép đo về sự bảo vệ chống lại sự tiếp xúc của người với tiếp
điểm. Các công tắc tơ khung mở có thể có những sự bao bọc kỹ hơn để chống
lại bụi bẩn, dầu, nguy cơ phát nổ và thời tiết
Các công tắc tơ điện áp cao (lớn hơn 1000V) có thể sử dụng chân
không hoặc các khí trơ xung quanh các tiếp điểm
Các bộ thổi từ sử dụng các cuộn dây thổi để làm dài và di chuyển hồ
quang điện. Các loại này đặc biệt hữu dụng trong các mạch năng lượng một
chiều. Các hồ quang xoay chiều có những khoảng thời gian dòng điện thấp,
trong khoảng thời gian này hồ quang có thể được dập một cách tương đối dễ
dàng, nhưng hồ quang một chiều có dòng liên tục cao, vì vậy thổi tắt chúng
yêu cầu hồ quang phải được kéo dãn dài hơn hồ quang xoay chiều ở cùng
cường độ dòng điện. Bộ thổi từ trong công tắc tơ Albright (được thiết kế cho
dòng một chiều) lớn gấp đôi dòng nó có thể ngắt, tăng nó từ 600A tới 1500A.
Đôi khi một mạch điện tiết kiệm cũng được lắp đặt để làm giảm những
yêu cầu năng lượng để giữ công tắc tơ đóng, một tiếp điểm phụ giảm dòng
cuộn dây sau khi công tắc tơ đóng. Một lượng năng lượng được yêu cầu để

đóng một công tắc tơ ban đầu lớn hơn một chút năng lượng yêu cầu để giữ nó
ở trạng thái đóng. Mạch như thế này có thể lưu một lượng năng lượng đáng kể
và cho phép cuộn dây mang điện ở trạng thái mát hơn. Các mạch điện tiết
kiệm thường được áp dụng lên các cuộn dây công tắc tơ dòng một chiều và
các cuộn dây công tắc tơ xoay chiều lớn.
Một công tắc tơ cơ bản sẽ có một cuộn dây đầu vào (có thể được cung
cấp bởi nguồn một chiều hoặc xoay chiều phụ thuộc vào thiết kế của công tắc
tơ). Cuộn dây có thể được cấp năng lượng ở cùng một điện áp với động cơ,
hoặc có thể được điều khiển tách biệt với một điện áp dây thấp hơn thích hợp
hơn với các bộ điều khiển khả trình và các thiết bị điều khiển điện áp thấp
hơn. Các công tắc tơ chắc chắn có các cuộn dây nối tiếp được mắc trong các
mạch động cơ, chúng được sử dụng, ví dụ cho việc điều khiển gia tốc tự động,
25