A. KHÁI NIỆM KHÍ CỤ ĐIỆN
1. Khái niệm Khí cụ điện là gì?
Khí cụ điện là thiết bị sử dụng để đóng cắt, bảo vệ, điều khiển, điều chỉnh những lưới điện, mạch điện, những loại máy điện và những máy trong quá trình gia công.
Khí cụ điện làm việc lâu dài trong những mạch dẫn điện, nhiệt độ của khí cụ điện tăng lên gây tổn thất điện năng dưới dạng nhiệt năng và đốt nóng những phòng ban dẫn điện và cách điện của khí cụ. Vì vậy khí cụ điện làm việc được trong mọi chế độ lúc nhiệt độ của những phòng ban phải ko quá những giá trị cho phép làm việc an toàn lâu dài.
2. Sự phát nóng của khí cụ điện
Vật liệu cách điện Cấp cách nhiệt Nhiệt độ cho phép (oC) Vải sợi, giấy ko tẩm cách điện Y 90 Vải sợi, giấy với tẩm cách điện. A 105 Hợp chất tổng hợp E 120 Mica, sợi thuỷ tinh B 130 Mica, sợi thuỷ tinh với tẩm cách điện F 135 Chất tổng hợp Silic H 180 Sứ cách điện. C >180
Tuỳ theo chế độ làm việc khác nhau, mỗi khí cụ điện sẽ với sự phát nóng khác nhau:
A. Chế độ làm việc lâu dài của khí cụ điện
Khí cụ điện làm việc lâu dài, nhiệt độ trong khí cụ điện khởi đầu tăng và tới nhiệt độ ổn định thì ko tăng nũa, lúc này sẽ toả nhiệt ra môi trường xung quanh.
B. Chế độ làm việc ngắn hạn của khí cụ điện
Chế độ làm việc ngắn hạn của khí cụ điện là chế độ lúc đóng điện nhiệt độ của nó ko đạt tới nhiệt độ ổn định, sau lúc phát nóng ngắn hạn, khí cụ được ngắt nhiệt độ của nó sụt xuống tới mức ko so sánh được với môi trường xung quanh.
C. Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại của khí cụ điện
Nhiệt độ của khí cụ điện tăng lên trong khoảng thời kì khí cụ làm việc, nhiệt độ giảm xuống trong khoảng thời kì khí cụ nghỉ, nhiệt độ giảm chưa đạt tới giá trị ban sơ thì khí cụ điện làm việc lặp lại. Sau khoảng thời kì, nhiệt độ tăng lên to nhất sắp bằng nhiệt độ giảm nhỏ nhất thì khí cụ điện đạt được chế độ giới hạn.
3. Tiếp Xúc điện
3.1. Khái niệm Xúc tiếp điện
Xúc tiếp điện là nơi mà dòng điện đi từ vật dẫn này sang vật dẫn khác. Bề mặt xúc tiếp của hai vật dẫn được gọi là xúc tiếp điện. Những yêu cầu cơ bản của xúc tiếp điện:
- Nơi xúc tiếp điện phải kiên cố, đảm bảo.
- Mối nơi xúc tiếp phải với độ bền cơ khí cao.
- Mối nối ko được phát nóng quá gía trị cho phép.
- Ổn định nhiệt và ổn định động lúc với dòng điện cực đại đi qua.
- Chịu được tác đông của môi trường (nhiệt độ, chất hoá học…)
Để đảm bảo những yêu cầu trên, vật liều sử dụng làm tiếp điểm với những yêu cầu:
- Điện dẫn và nhiệt dẫn cao.
- Độ bền chổng rỉ trong ko khí và trong những khí khác.
- Độ bền chống tạo lớp màng với điện trở suất cao.
- Độ cứng bé để giảm lực nén.
- Độ cứng cao để giảm hao mòn ở những phòng ban đóng ngắt.
- Độ bền chịu hồ quang quẻ cao (nhiệt độ nóng chảy).
- Đơn thuần gia công, giá thành hạ.
Một số vật liều sử dụng làm tiếp điểm: Đồng, Bạc, Nhôm, Vonfram…
3.2. Phân loại Xúc tiếp điện
Dựa vào kết cấu tiếp điểm, với những loại xúc tiếp điện sau:
a) Xúc tiếp nhất quyết
Những tiếp điể được nối nhất quyết với những yếu tố dẫn dòng điện như là: thanh loại, cáp điện, chỗ nối khí cụ vào mạch. Trong quá trình sử dụng, cả hai tiếp điểm được gắn chặt vào nhau nhờ những bu – lông, hàn nóng hay nguội.
b) Xúc tiếp đóng mở
Là xúc tiếp để đóng ngắt mạch điện. Trong trườnghợp này ơhát sinh hồ quang quẻ điện, cần xác định khoảng cách giữa tiếp điểm tĩnh và động dựa vào dòng điện định mức, điện áp định mức và chế độ làm việc của khí cụ điện.
c) Xúc tiếp trượt
Là xúc tiếp ở cổ góp và vành trượt, xúc tiếp này cũng dễ sinh ra hồ quang quẻ điện.
3.3. Những yếu tố tương tác tới điện trở xúc tiếp
- Vật liệu làm tiếp điểm: vật liệu mềm xúc tiếp tốt.
- Kim loại làm tiếp điểm ko bị ôxy hóa.
- Lực ép tiếp điểm càng to thì sẽ tạo nên nhiều tiếp điểm xúc tiếp.
- Nhiệt độ tiếp điểm càng cao thì điện trở xúc tiếp càng to.
- Không gian xúc tiếp.
Thông thường sử dụng hợp kim để làm tiếp điểm.
4. Những nguyên nhân hư hỏng Khí cụ điện và cách khắc phục
4.1. Nguyên nhân hư hỏng Khí cụ điện
4.1.1. Ăn mòn kim loại Khí cụ điện
Trong thực tế cung cấp dù gia công thế nào thì bề mặt xúc tiếp tiếp điểm vẫn còn những lỗ nhỏ lí tí.
Trong vận hành khá nước và những chất với hoạt tính hóa học cao thấm vào và đọng lại trong những lỗ nhỏ đó sẽ gây ra những phản ứng hóa học tạo ra một lớp màng mỏng rất giòn.
Lúc va chạm trong quá trình đóng lớp màng này dễ bị bong ra. Do đó bề mặt xúc tiếp sẽ bị mòn dần, hiện tượng này gọi là hiện tượng ăn mòn kim loại.
4.1.2. Oxy hóa Khí cụ điện
Môi trường xung quanh làm bề mặt xúc tiếp bị oxy hóa tạo thành lớp oxit mỏng trên bề mặt xúc tiếp, điện trở suất của lớp oxit rất to nên làm tăng Rtx dẫn tới gây phát nóng tiếp điểm.
Mức độ gia tăng Rtx do bề mặt xúc tiếp bị oxy hóa còn tùy nhiệt độ. Ở 20 – 30oC với lớp oxít dày khoảng 25.10-6mm
4.1.3. Điện thế hóa kim loại Khí cụ điện
Mỗi chất với một điện thế hóa học nhất định. Lấy H làm gốc với điện thế âm (-) thì ta với bảng một số kim loại với điện thế hóa học như bảng sau:
Hai kim loại với điện thế hóa học khác nhau lúc xúc tiếp sẽ tạo nên một cặp hiệu điện thế hóa học, giữa chúng với một hiệu điện thế.
Nếu bề mặt xúc tiếp với nước xâm nhập sẽ với dòng điện chạy qua, và kim loại với điện thế học âm hơn sẽ bị ăn mòn trước làm nhanh hỏng tiếp điểm.
4.1.4. Hư hỏng do nguồn điện
Thiết bị điện vận hành lâu ngày hoặc ko được bảo quản tốt lò xo tiếp điểm bị hoen rỉ yếu đi sẽ ko đủ lực ép vào tiếp điểm.
Lúc với dòng điện chạy qua, tiếp điểm dễ bị phát nóng gây nóng chảy, thậm chí hàn dính vào nhau. Nếu lực ép tiếp điểm quá yếu với thể phát sinh tia lửa làm cháy tiếp điểm.
Ngoài ra, tiếp điểm bị bẩn, rỉ sẽ tăng điện trở xúc tiếp, gây phát nóng dẫn tới hao mòn nhanh tiếp điểm.
4.2. Cách khắc phục hư hỏng Khí cụ điện
- Đối với những xúc tiếp nhất quyết : nên bôi một lớp mỡ chống rỉ hoặc quét sơn chống ẩm.
- Lúc thiết kế ta nên tìm những vật liệu : với điện thế hóa học giống nhau hoặc sắp bằng nhau cho từng cặp.
- Nên sử dụng những vật liệu ko bị oxy hóa làm tiếp điểm.
- Mạ điện những tiếp điểm: với tiếp điểm đồng, đồng thau thường được mạ
- thiếc, mạ bạc, mạ kẽm còn tiếp điểm thép thường được mạ cađini, kẽm,…
- Thay lò xo tiếp điểm: những lò xo đã rỉ, đã yếu làm giảm lực ép sẽ làm tăng điện trở xúc tiếp, cần lau sạch tiếp điểm bằng vải mềm và thay thế lò xo nén lúc lực nén còn quá yếu.
- Kiểm tra sửa chữa cải tiến: cải tiến thiết bị dập hồ quang quẻ để rút ngắn thời kì dập hồ quang quẻ nếu điều kiện cho phép.
5. Hồ quang quẻ và những phương pháp dập tắt hồ quang quẻ
5.1. Khái niệm Hồ quang quẻ điện
Trong những khí cụ điện sử dụng để đóng ngắt mạch điện (cầu dao, contactor, rơle…) lúc chuyển mạch sẽ phát sinh hiện tượng phóng điện. Nếu dòng điện ngắt dưới 0,1A và điện áp tại những tiếp điểm khoảng 250 – 300V thì những tiếp điểm sẽ phóng điện âm ỉ. Trường hợp dòng điện và điện áp cao hơn trị số trong bảng sau sẽ sinh ra hồ quang quẻ điện.
Vật liệu làm tiếp điểm U(V) I(A) Platin 17 0.9 Vàng 15 0.38 Bạc 12 0.4 Vonfram 17 0.9 Đồng 12.3 0.43 Than 18 – 22 0.03
5.2. Tính chất cơ bản của phóng điện hồ quang quẻ
- Phóng điện hồ quang quẻ chỉ xảy ra lúc những dòng điện với trị số to.
- Nhiệt độ trung tâm hồ quang quẻ rất to và trong những khí cụ với thể tới 6000 tới 800000 Okay.
- Mật độ dòng điện tại Catốt to (104 tới 105)A/cm2.
- Sụt áp ở Catốt bằng 10 tới 20V và thực tế ko phụ thuộc vào dòng điện.
5.3. Quá trình phát sinh và dập hồ quang quẻ
5.3.1. Quá trình phát sinh hồ quang quẻ điện:
Đối với tiếp điểm với dòng điện bé, ban sơ khoảng cách giữa chúng nhỏ lúc điện áp đặt với trị số nhất định, vì vậy trong khoảng ko gian này sẽ sinh ra điện trường với cường độ rất to (3.107V/cm) với thể làm bật điện tử từ Catôt gọi là phát xạ tự động điện tử (gọi là phát xạ nguội điện tử). Số điện tử càng nhiều, đi lại dưới tác dụng của điện trường làm ion hoá ko khí gây hồ quang quẻ điện.
Đối với tiếp điểm với dòng điện to, quá trình phát sinh hồ quang quẻ phức tạp hơn. Lúc đầu mở tiếp điểm, lực ép giữa chúng với trị số nhỏ nên số tiếp điểm xúc tiếp để dòng điện đi qua ít. Mật độ dòng điện tăng đáng kể tới hàng chục nghìn A/cm2, do đó tại những tiếp điểm sự phát nóng sẽ tăng tới mức làm cho ở đó, giọt kim loại được kéo căng ra trở thành cầu chất lỏng và nối ngay tắp lự hai tiếp điểm này, nhiệt độ của cầu chất lỏng tiếp tục tăng, lúc đó cầu chất lỏng bốc khá và trong ko gian giữa hai tiếp điểm xuất hiện hồ quang quẻ điện.
Vì quá trình phát nóng của cầu thực hiện rất nhanh nên sự bốc hới mang tính chất nổ. Lúc cầu chất lỏng cắt kéo theo sự mài mòn tiếp điểm, điều này rất quan yếu lúc ngắt dòng điện quá to hay quá trình đóng mở xảy ra thường xuyên.
5.3.2. Quá trình dập tắt hồ quang quẻ điện
Điều kiện dập tắt hồ quang quẻ là quá trình trái lại với quá trình phát sinh hồ quang quẻ:
- Hạ nhiệt độ hồ quang quẻ.
- Kéo dài hồ quang quẻ.
- Chia hồ quang quẻ thành nhiều đoạn nhỏ.
- Tiêu dùng năng lượng bên ngoài hoặc chính nó để thổi tắt hồ quang quẻ.
- Mắc điện trở Shunt để tiêu thụ năng lượng hồ quang quẻ
Thiết bị để dập tắt hồ quang quẻ.
- Hạ nhiệt độ hồ quang quẻ bằng cách sử dụng khá khí hoặc dầu làm nguội, sử dụng vách ngăn để hồ quang quẻ cọ xát.
- Chia hồ quang quẻ thành nhiều cột nhỏ và kéo dài hồ quang quẻ bằng cách sử dụng vách ngăn chia thành nhiều phần nhỏ và thổi khí dập tắt.
- Tiêu dùng năng lương bên ngoài hoặc chính nó để thổi tắt hồ quang quẻ, năng lượng của nó tạo áp suất để thổi tắt hồ quang quẻ.
- Mắc điện trở Shunt để tiêu thụ năng lượng hồ quang quẻ (sử dụng điện trở mắc track track với hai tiếp điểm sinh hồ quang quẻ).
6. Lực điện động
- Lực điện động chính là lực tác dụng của điện trường và từ trường.
- Lực điện động trong KCĐ (được tạo ra từ dòng điện to, dòng điện ngắn mạch).
B. CÔNG DỤNG VÀ PHÂN LOẠI KHÍ CỤ ĐIỆN
1. Công dụng của Khí cụ điện
Khí cụ điện là những thiết bị điện, cơ cấu điện sử dụng để điều khiển những quá trình gia công, biến đổi, truyền tải, phân phối năng lượng điện và những dạng năng lượng khác.
2. Phân loại Khí cụ điện
Khái niệm điều khiển theo nghĩa rộng bao gồm : điều chỉnh bằng tay tự động, kiểm tra và bảo vệ.
Theo lĩnh vực sử dụng, những khí cụ điện được chia thành 5 nhóm, trong mỗi nhóm lại với rất nhiều chủng loại khác nhau. Những nhóm đó là :
- Nhóm khí cụ điện phân phối năng lượng điện áp cao, gồm : Dao cách ly, máy ngắt dầu (nhiều dầu và ít dầu), máy ngắt ko khí, máy ngắt tự sản khí, máy ngắt chân ko cầu chuỷ (cầu chì) , dao ngắn mạch, điện kháng , biến dòng, biến điện áp …
- Nhóm khí cụ điện phân phối năng lượng điện áp thấp, gồm : Máy ngắt tự động , máy ngắt bằng tay, những bộ đổi nối (cầu dao, công tắc), cầu chì …
- Nhóm khí cụ điện điều khiển : Công tắc tơ, phát động từ, những bộ khống chế và điều khiển, nút ấn , công tắc hành trình , những bộ điện trở điều chỉnh và mở máy, những bộ khuếch đại điện tử, khuếch đại từ, tự áp…
- Nhóm những rơle bảo vệ : Rơle dòng điện rơle điện áp, rơle công suất, rơle tổng trở, rơle thời kì
- Nhóm khí cụ điện sử dụng trong sinh hoạt và chiếu sáng: công tắc, ổ cắm, phích cắm, bàn là, bếp điện…
2.1. Phân loại Khí cụ điện theo công dụng
- Đóng ngắt mạch điện của lưới điện : cầu dao, CB, công tắc…
- Mở máy, điều chỉnh tốc độ , điều chỉnh điện áp, dòng điện: công tắc tơ, phát động từ, bộ khống chế…
- Bảo vệ lưới điện, máy điện: cầu chì , áptômát …
- Duy trì thông số điện ở giá trị ko đổi: ổn áp, thiết bị tự động điều chỉnh điện áp, dòng điện, tần số, tốc độ, nhiệt độ…
- Đo lường :VOM , volt kế, ampe kế…
2.2. Phân loại Khí cục điện theo điện áp
- Khí cụ điện cao thế: Uđm ≥100KV
- Khí cụ điện trung thế : 1000V≤ Uđm <100KV
- Khí cụ điện hạ thế: Uđm <1000V
2.3. Phân loại Khí cụ điện theo dòng điện
- Khí cụ điện 1 chiều
- Khí cụ điện xoay chiều
2.4. Phân loại Khí cụ điện theo nguyên lý làm việc
- Khí Cụ Điện nguyên lý điện từ
- Khí Cụ Điện nguyên lý từ điện
- Khí Cụ Điện nguyên lý cảm ứng
- Khí Cụ Điện nguyên lý điện động
- Khí Cụ Điện nguyên lý điện nhiệt
- Khí Cụ Điện với tiếp điểm
- Khí Cụ Điện ko với tiếp điểm
2.5. Phân loại Khí cụ điện theo điều kiện làm việc và dạng bảo vệ
- Khí Cụ Điện làm việc ở vùng nhiệt đới
- Khí Cụ Điện làm việc ở vùng với nhiều rung động
- Khí Cụ Điện làm việc ở vùng mỏ với khí nổ
- Khí Cụ Điện làm việc ở môi trường với chất ăn mòn hoá học…
Bài viết về Khí cụ điện trên hy vọng chia sẽ được chút ít tri thức cơ bản Dựa trên giáo trình “Khí cụ điện” của Tác giả: Phạm Văn Chới, Bùi Hữu Tín, Nguyễn Tiến Tôn – Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật.