Tài liệu Chương 3 :tính toán mạch vòng dẫn điện pdf

Ch-ơng iii
tính toán mạch vòng dẫn điện
I) Khái quát chung:
Mạch vòng dẫn điện của máy ngắt là tổng hợp của các phần tử dẫn điện
nh- thanh dẫn, xà ngang, dây nối mền, tiếp điểm động, tiếp điểm tĩnh. Trong
quá trình làm việc các phần tử này sẽ bị phát nóng, nguyên nhân là do: Khi
có dòng điện chạy qua các phần tử đều có điện trở và chỗ tiếp xúc còn có
điện trở tiếp xúc. Nếu điện trở càng lớn, dòng điện càng lớn thì sự phát nóng
càng nhiều, biểu thị của sự phát nóng là năng l-ợng nhiệt ( Q= I
2
.R ).
Nhiệm vụ thiết kế tính toán mạch vòng dẫn điện là phải xác định kích
th-ớc của các chi tiết mach vòng dẫn điện. Tiết diện và kích th-ớc của các
chi tiết sẽ quyết định cơ cấu của mạch vòng dẫn điện.
Khi thiết kế tính toán mạch vòng dẫn điện của máy ngắt cần chú ý: Do
máy ngắt làm việc với dòng điện và điện áp cao nên các tác tác động nhiệt và
các tác động điện động là rất lớn sẽ gây ra phát nóng từng bộ phận và gây ra
phụ tải điên động lớn quá khả năng cho phép. Tác động nhiệt và các tác động
nhiệt quá lớn là nguyên nhân phá sự làm việc bình th-ờng của mày ngắt.
Trong thực tế, ngoài chế độ làm việc bình th-ờng có nghĩa làm việc với
dòng định mức ( I
dm
) máy ngắt còn làm việc với dòng ngắn mạch trong thời
gian rất ngắn ( 5 10 s ) . Mặc dù khi có sự cố bộ truyền động nhanh chóng
ngắt mạch trong thời gian rất ngắn nh-ng với thời gian đó cũng đủ để làm
nóng các bộ phận mang điện của máy ngắt. Để đảm bảo an toàn cho máy
ngắt làm việc thì phải chọn hình dáng, kích th-ớc kết cấu của bộ phận dẫn
điện sao cho phù hợp để sự phát nóng của chúng không v-ợt quá nhiệt độ
cho phép. Nừu nhiệt độ phát nóng của chúng lớn hơn nhiệt độ cho phép thì
chúng sẽ h- hỏng, cách điện chóng già cỗi và dẫn đến tuổi thọ máy giảm.
Đối với tiếp điểm thì sẽ bị hàn dính, chảy mòn tiếp điểm.

Yêu cầu của mạch vòng dẫn điện:
+ Với dòng điên định mức chảy trong mạch vòng dẫn điện thì nhiệt độ
phát nóng của chi tiết mạch vòng không đ-ợc v-ợt quá nhiệt độ cho phép.
+ Chịu đ-ợc dòng điện ngắn mạch trong những thời gian nhất định.
+ Lựa điện động sinh ra khi có dòng ngắn mạch chạy qua không phá
hỏng kết cấu của mạch vòng dẫn điện.
II) Đầu nối.

Đầu nối tiếp xúc là phần tử quan trọng của khí cụ điện nói chung và máy
ngắt nói riêng, nó có tác dụng nối các bộ phận dẫn điện để đ-a điện vào . Do
vậy khi thiết kế cần chú ý đầu nối cho phù hợp đặc biệt là trong cao áp.

Có thể chia đầu nối làm hai loại .
+ Các cực để nối với dây dẫn bên ngoài
+ Mối nối các bộ phận bên trong mạch vòng dẫn điện

Các yêu cầu đói với mối nối:
+ Đầu nối phải đảm bảo đủ độ bền nhiệt và độ bền điện động
+ Năng l-ợng tổn hao nhỏ
+ Đảm bảo R
tx
< [ R
tx
] - điện trở tiếp xúc cho phép
+
ở chế độ làm việc dài hạn nhiệt độ làm việc không v-ợt quá nhiệt độ
cho phép
* Tính toán lựa chọn mối nối
Từ sơ đồ máy ngắt đã chọn ta có kết cấu của các mối nối nh- sau
Việc lựa chộn kích th-ớc mối nối phụ thuộc vào dòng làm việc định mức

của khí cụ điện:
Với dòng định mức I
dm
= 1000A tra bảng 2-19TKKCĐHA chọn mối nối
dạng bu lông bằng thép không dẫn điện có đ-ờng kính hệ ren là 4x16mm
III) Tính toán thanh dẫn
Với kết cấu chọn nh- trên, than dẫn trong máy ngắt đ-ợc làm bằng đồng
kéo nguội.
Các thông số của đồng kéo nguội:
Ký hiệu
Khối l-ợng riêng (

) 8,9 g/cm
3
Nhiệt độ nóng chảy (
nc

) 1083

C
Điện trở suất ở 0

C (

0
) 1,75. 10
8
(

m )

Độ dẫn nhiệt (

) 393 ( W/m

C )
Độ cứng Briven ( H
B
) 80 120 ( kg/cm
2
)
Hệ số tỷ nhiệt (

) 10
-4
( 1/

C )
Hệ số nhiệt điện trở (

) 0,0043 ( 1/

C )
Nhiệt độ làm việc cho phép của đồng trong chân không là:
[

] = ( 75

C )
1) Tính toán thanh dẫn tĩnh
Thanh dẫn tĩnh gắn với tiếp điểm tĩnh có kết cấu dạng thanh tròn

* Tính toán thanh dẫn ở chế độ dài hạn.
Chế độ làm viẹc dài hạn có dòng điện định mức chảy qua thanh dẫn, để
máy ngắt làm việc bình th-ờng thì nhiệt độ thanh dẫn không v-ợt quá nhiệt
độ cho phép:


cp

= 75

C
Chế độ làm việc dài hạn khi có dòng điện định mức đi qua, do thanh dẫn
có điện trở nên bị phát nóng, ta coi nhiệt l-ợng sin ra bị toả hoàn toàn ra môi
tr-ờng xung quanh.
Ph-ơng trình cân bằng nhiệt:


J
dm
2
.

=
)(
.
0


F
SK

T
( 3- 1)
Với J
dm
: là mật độ dòng điện định mức:
J
dm
= I
dm
/F ( 3- 2 )
K
T
: là hệ số toả nhiệt của thanh dẫn, thanh dẫn đồng làm việc thẳng
đứmg thì K
T
= 6 9 [ W/ mm
2

C ]
Chọn K
T
= 8 .10
6
[ W/ mm
2

C ]
S : là chu vi toả nhiệt của thanh dẫn [mm]
F: là tiết diện thanh dẫn [mm
2

]

là nhiệt độ của thanh dẫn ở chế độ làm việc dài [

C ]
Trong chân không ta chọn nhiệt độ làm của thanh dẫn là:

= 70

C


0

là nhiệt độ của môi tr-ơng xung quanh:

0

= 40 [

C ]
Thanh dẫn tĩnh có dạng hình trụ tròn đặc biệt nên:
S =

.d , F =

.d
2
/4 ( 3- 3 )
Từ các công thức ( 3 2), ( 3 1 ), ( 3 3 ) ta suy ra đ-ờng kính của

thanh dẫn tĩnh :
d = 3
).(.
.4
0
2
2



T
dm
K
I

0


[ 1 +

.
] = 1,75.10
5
[ 1 + 0,0043.70 ]
= 2,2765.10
-5
(
mm
)
Thay số vào ta có:

d =
16.62
)4070.(10.8
10.27675,2.1000
3
62
52





(mm)
Đây là đ-ờng kính cho phép nhỏ nhất của thanh dẫn. Để đảm bảo
thanh dẫn làm việc tin cậy và bền vững ta chọn đ-ờng kính thanh dẫn tĩnh:
d = 40 (mm)
Với kích th-ớc đã chọn diện tích tiết diện thực tế của thanh dẫn tĩnh:
F
t
=

.
4
2
d
=

4
40
2

=1256 (mm
2
)
2) Tính toán thanh dẫn động:
- Thanh dẫn động gắn với tiếp điểm động, kết cấu của thanh dẫn động
có hình trụ giống nh- thanh dẫn tĩnh.
- Chọn vật liệu làm thanh dẫn động là đồng kéo nguội nh- đối với
thanh dẫn tĩnh.
- Theo kết cấu của máy ngắt đã chọn thì thanh dẫn động và thanh dẫn
tĩnh có tiết diện nh- nhau.
Nh- vậy thanh dẫn động có đ-ờng kính d = 40mm
3) Phần thanh dẫn đ-a điện ra từ thanh dẫn động (có thể thay thế bằng
dây dẫn mềm).
Thanh dẫn đ-a điện vào có tiết diện hình chữ nhật.
Mặt cắt ngang của thanh dẫn có dạng

b
a
a bề rộng của thanh dẫn
b bề dày của thanh dẫn
Để đảm bảo thanh dẫn này làm việc an toàn tức là có nhiệt độ làm việc và
mật độ dòng điện nằm trong giới hạn cho phép thì nó phải có tiết diện t-ơng
đ-ơng với tiết diện của thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh.
Có
S = axb =
4
.
2
d

Có thể chọn a=1,5b
1,5.b
2
=
4
.
2
d

b =
6

.d =
6

.40 = 28,936 (mm)
Chọn b = 30mm
Có a = 1,5 x 30 = 45
Chọn a = 50 (mm)
Nếu sử dụng dây dẫn mềm thì tổng diện tích của dây dẫn phải có giá trị
t-ơng đ-ơng diện tích của thanh dẫn tĩnh hoặc động.
4) Kiểm nghiệm thanh dẫn.
a. Chế độ làm việc dài hạn.
*) Đối với các thanh dẫn tĩnh và thanh dẫn động trong chế độ làm việc dài
hạn máy ngắt làm việc với dòng định mức. Khi đó mật độ dòng điện trong
thanh dẫn là:
J = I
dm
/S
I

dm
là dòng điện định mức = 1000A
S =
2
d

/4 =

.40
2
/4 = 1256 (mm
2
)
J = 1000/1256 = 0,796 (A/mm
2
)
J = 0,796
< 1
Vậy thanh dẫn tính toán thoả mãn điều kiện làm việc dài hạn.
* Đối với thanh dẫn điện vào ta có
J = I
dm
/axb = 1000/50x45 = 0,444
0,444 < 1Vậy thanh dẫn tính toán thoả mãn điều kiện làm việ dài hạn.
b) Chế độ ngắn mạch.
Chế độ ngắn mạch thì dòng điện chảy qua thanh dẫn có trị số rất lớn,
do đó thanh dẫn phải có độ bền nhiệt và độ bền điện động sao cho khi dòng
ngắn mạch chạy qua thanh dẫn không bị phá huỷ.
Do kết cấu của máy ngắt đã đ-ợc chọn lực điện động xảy ra trong quá
trình ngắn mạch tác động lên thanh dẫn là lớn và không ảnh h-ởng nhiều đến

thanh dẫn nên ta chỉ cần kiểm tra độ bền nhiệt của thanh dẫn ở chế độ ngắn
mạch.
Hiện t-ợng ngắn mạch xảy ra trong một khoảng thời gian rất ngắn nên có
thể coi quá trình ngắn mạch là quá trình đoạn nhiệt, không có sự toả nhiệt ra
ngoài.
Khi ngắn mạch xảy ra máy ngắt sẽ có thể ch-a cắt ngay vì có thể hiện
t-ợng ngắn mạch chỉ xảy ra tức thời. Nh-ng khi ngắn mạch xảy ra trong một
khoảng thời gian cho phép nào đó thì máy ngắt sẽ ngắt (1s, 2s, 3s, 5s,10s).
Trong khoảng thời gian ngắn mạch cho phép dó thì thanh dẫn phát nóng rất
cao, nêu v-ợt quá nhiệt cho phép thì thanh dẫn sẽ bị mất đi độ bền cơ và máy
ngắt có thể bị hỏng. Do đó ta cần phải kiểm tra thanh dẫn ở chế độ ngắn
mạch xem thanh dẫn có thoả mãn điều kiện làm việc cho phép khi ngắn
mạch xảy ra hay không.
Với thanh dẫn bằng đồng thì nhiệt độ làm việc cho phép ở chế độ ngắn
hạn là 250

C. Theo bài ra máy ngắt phải ngắt dòng điện có giá trị lớn gấp
10 lần giá trị dòng điện định mức, tức là máy ngắt phải ngắt đ-ợc dòng ngắn
mạch có trị số là:
I
nm
= 10I
dm
= 10.1000 = 10.000 (A)
Ta kiểm nghiệm thanh dẫn ở chế độ ngắn mạch trong khảng thời gian cho
phép là 1s, 2s, 3s, 5s,10s với dòng ngắn mạch nh- trên.