CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN

(1)

CHƯƠNG 6 :

CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN

6.1 . KHÁI NIỆM

Để vận hành được trong nhà máy điện, trạm biến áp, ngoài các thiết bị chính như máy phát, máy biến áp còn cần phải có các khí cụ điện và các phần dẫn điện .

Theo vị trí đặt chia thành :

- Các khí cụ trong nhà dùng cho các NMĐ và TBA đặt trong nhà . - Các khí cụ ngoài trời dùng cho các NMĐ và TBA đặt ngoài trời . Theo nhiệm vụ và công dụng chia thành các loại sau :

- Các khí cụ dùng để đóng cắt mạch điện .

- Các dụng cụ phục vụ cho các thiết bị đo lường điều khiển … - Các thiết bị để hạn chế dòng ngắn mạch .

Mỗi khí cụ có một số thông số kỹ thuật đặc trưng , trong đó có những một số thông số chung và điều kiện chọn giống nhau :

1. Điện áp định mức:

Uđm.kcđ  UHT

Trong đó : Uđm.kcđ -điện áp định mức của khí cụ điện.

UHT - điện áp định mức nơi đặt khí cụ điện.

Riêng về máy biến điện áp bắt buộc: Uđm.kcđ = UHT

Chọn Uđm.kcđ >UHT nói chung không cần thiết vì như vậy sẽ tăng vốn đầu tư, trừ trường hợp không có thiết bị cùng cấp điện áp.

2. Dòng điện định mức :

Iđm.kcđIcb.max

Trong đó: Iđm.kcđ -dòng định mức của khí cụ điện Icb.max - dòng cưỡng bức đi qua khí cụ điện.

Máy biến áp và máy biến dòng điện có cho phép quá tải cho nên điều kiện trên sẽ là:

Iđm.BI.kqtIcb.max

Trong đó kqt: hệ số quá tải cho phép 3. Khả năng ổn định nhiệt:

(2)

I²nh.tnh BN hoặc BN.đm BN Trong đó: BN -xung nhiệt tính toán

Inh, tnh, BN.đm - khả năng chịu nhiệt của khí cụ điện.

4. Khả năng ổn định lực động điện:

Ilđđ.đm.kcđ Ixk hoặc ilđđ.đm.kcđ ixk

Trong đó: Ilđđ.đm.kcđ, ilđđ.đm.kcđ - khả năng chịu đựng về lực động điện theo trị số hiệu dụng và trị số biên độ.

Ngoài ra mỗi khí cụ có thể có một số thông số riêng sẽ trình bày khi nghiên cứu khí cụ đó .

6-2. – CÁC KHÍ CỤ ĐÓNG CẮT MẠCH ĐIỆN . 1- Máy cắt điện cao áp .

- Nhiệm vụ và công dụng : Máy cắt điện là khí cụ điện dùng để đóng cắt một phần tử của hệ thống điện như máy phát, máy biến áp, đường dây v..v..trong lúc làm việc bình thường cũng như khi có sự cố (ngắn mạch).

- Yêu cầu đối với máy cắt điện :

. Cắt nhanh , đảm bảo khi đóng cắt không gây nổ và cháy . . Có thể điều khiển tại chổ , đứng cách và từ xa .

. Có khả năng đóng cắt nhiều lần với dòng điện bình thường và với một số lần nhất định với dòng ngắn mạch ( do nhà chế tạo qui định ) .

. Có khả năng đóng cắt lặp lại với chu kì theo yêu cầu , ví dụ ĐC-Dt1-ĐC lặp lại 1 lần sau thời gian Dt1

ĐC-Dt1-ĐC-Dt2-ĐC lặp lại 2 lần sau thời gian Dt1 và Dt2

ĐC-Dt1-ĐC-Dt2-ĐC Dt3-ĐC lặp lại 3 lần sau thời gian Dt1,Dt2 ,và Dt3

Trong đó ; Đ : đóng ; C : cắt ; Dti : thời gian dừng giữa cắt và đóng lại . Kích thước gọn nhẹ .

. Giá thành hạ .

Ngoài các thông số chung đã nêu trên trong thông số kỷ thuật của máy cắt còn có dòng điện cắt định mức Icắt.đm là dòng lớn nhất mà máy cắt có thể cắt mạch điện .

Đối với máy cắt quá trình cắt , phương pháp , thời gian và khả năng dập tắt hồ quang khi cắt dòng ngắn mạch rất quan trọng .

Căn cứ vào phương pháp dập tắt hồ quang phân loại máy cắt điện : a) Máy cắt nhiều dầu

(3)

Trong đó dầu làm nhiệm vụ dập tắt hồ quang và đồng thời làm nhiệm vụ cách điện giữa các pha với nhau và giữa các pha với võ . Loại này đơn giản trong chế tạo , sử dụng , sữa chữa , giá thành thấp nhưng kích thước lớn , có khả năng gây nổ , cháy, khả năng cắt hạn chế , số lần đóng cắt dòng ngắn mạch ít , đưa đến thời gian ngừng cung cấp lớn , nhất là khi điện áp càng cao cho nên hiện nay hầu như ít được sử dụng . Ở nước ta chỉ tồn tại ở các trạm biến áp xây dựng từ trước năm 1970 , với các trạm biến áp đang và sẽ thiết kế không chọn loại này . Các máy cắt nhiều dầu cũng sẽ được thay và loại bỏ dần khi phát triển vì không thích hợp và không đủ khả năng cắt dòng IN .

b) Máy cắt điện ít dầu .

Trong đó chỉ có ít dầu , dầu chỉ đủ để làm nhiệm vụ dập tắt hồ quang còn cách điện sử dụng chất rắn . Loại này có kích thước gọn hơn , nhưng cũng tồn tại khuyết điểm như máy cắt nhiều dầu cho nên hiện nay cũng chỉ sử dụng với điện áp từ 15 kV trở lại .

c) Máy cắt không khí .

Trong đó dầu được thay bằng không khí nén để dập tắt hồ quang . Loại này kích thước nhỏ , khả năng dập tắt hồ quang tương đối tốt , an toàn về nổ , cháy , giá thành không cao lắm , tuy nhiên nó còn nhược điểm là cần có không khí nén với áp suất cao , ví dụ với điện áp 220 kV cần áp suất khí nén đến 30-40 kg/cm² , do đó cần hệ thống nén khí . Hệ thống nén khí phức tạp đắt tiền , vì để đảm bảo làm việc an toàn ít nhất phải có hai máy nén khí , bình chứa khí nén dự phòng v..v.. cho nên trước đây cũng chỉ sử dụng ở các trạm biến áp có nhiều máy cắt .

Hiện nay loại này đang tồn tại nhiều nhưng xu hướng chung không còn thích hợp .

d) Máy cắt khí .

Trong đó không khí được thay bằng khí êlêga ( SF6 ). Khí SF6 có khuyết điểm hơn không khí là nó không có trong thiên nhiên nhưng khả năng dập tắt hồ quang tốt hơn không khí nén , ví dụ với công suất cắt như nhau với khí SF6

chỉ cần áp suất 4-6 kg/cm² và với khối lượng nhỏ hơn . Tuy nhiên khí SF6 cũng có khuyết điểm so với không khí nén là khí thải sau khi cắt dòng điện là khí độc với người , có khả năng cháy và nổ . Do đó trong công nghệ chế tạo yêu cầu không được thải ra ngoài trời .

Để khắc phục máy cắt khí SF6 hiện nay được chế tạo có thiết bị thu hồi xử lí và sử dụng lại khí thải sau khi làm nhiệm vụ dập tắt hồ quang . Khí SF6 không bị mất đi mà chỉ cần bổ sung khi cần thiết sau một thời gian vận hành . Bộ phận này được chế tạo kèm theo cùng các bộ phận khác trong từng máy cắt rất

(4)

thuận lợi khi sử dụng ngay cả khi chỉ cần một máy cắt cũng có thể dùng máy cắt khí .

Máy cắt khí SF6 còn có ưu điểm là số lần đóng cắt dòng ngắn mạch rất lớn không phải ngừng cung cấp điện để sữa chữa , độ tin cậy cao do đó xu thế hiện nay hầu như chỉ sử dụng loại này đối với điện áp từ 22 kV trở lên .

e) Máy cắt tự sinh khí .

Trong loại máy cắt này buồng dập tắt hồ quang làm bằng vật liệu rắn tự sinh khí dưới tác dụng nhiệt độ cao để dâp tắt hồ quang khi cắt mạch điện , cách điện cũng dùng vật liệu rắn . Hiện nay loại này chỉ chế tạo với Uđm đến 15 kV .

g) Máy cắt điện chân không.

Các đầu tiếp xúc để đóng cắt của loại này đặt trong buồng chân không ( áp suất 10^-5 – 10^-6 mmHg ). Độ bền về điện của chân không cao hơn nhiều so với không khí áp suất bình thường do đó khi cắt mạch hồ quang được dập tắt rất nhanh .Ưu điểm nổi bậc của loại này là kích thước nhỏ nhưng chế tạo phức tạp yêu cầu kỹ thuật cao , giá thành cao cho nên hiện nay còn trong thời gian thử nghiệm và chế tạo với Uđm đến 22 kV.

h) Máy cắt phụ tải .

Máy cắt phụ tải cũng là máy cắt điện nhưng chỉ có khả năng đóng cắt dòng điện bình thường , không có nhiệm vụ đóng cắt dòng ngắn mạch do đó buồng dập tắt hồ quang đơn giản hơn , kích thước nhỏ hơn, giá thành cũng bé hơn so với máy cắt điện . Hiện nay chỉ chế tạo đến điện áp 24 kV chủ yếu để sử dụng cho các trạm biến áp của các xí nghiệp và trong lưới điện trung thế .

Các điều kiện chọn máy cắt

Thông số của máy cắt Điều kiện Thông số mạng điện Uđm

Iđm Icắt, đm ( Inh.đm )².tnh

Ilđđ.đm

    

UHT

Icb.max

I^” BN

Ixk

Chú ý : riêng máy cắt phụ tải không có điều kiện thư 3 vì nó không có nhiệm vụ cắt dòng ngắn mạch .

6-3. DAO CÁCH LY

(5)

Dao caùch ly laø khí cú ñieôn coù nhieôm vú táo moôt khoạng caùch trođng thaây ñöôïc ñeơ ñạm bạo an toaøn khi söûa chöõa maùy phaùt ñieôn, maùy bieân aùp, maùy caĩt ñieôn, ñöôøng dađy v..v.. Trong khạ naíng dao caùch ly cuõng coù theơ ñoùng caĩt mách ñieôn trong moôt soâ tröôøng hôïp coù giôùi hán, nhöng noùi chung laø ñoùng caĩt khi khođng coù doøng hoaịc doøng nhoû, ñieôn aùp khođng cao laĩm, sau khi maùy caĩt ñaõ caĩt mách ñieôn (thöôøng laø ñoùng caĩt baỉng tay qua boô phaôn truyeăn ñoông), trong caùc tröôøng hôïp sau ñađy :

- Caĩt doøng khođng tại cụa ñöôøng dađy tređn khođng coù giôùi hán : Vôùi ñieôn aùp ñeân 20 kV chieău daøi ñöôøng dađy daøi ñeân 35 km.

Vôùi ñieôn aùp ñeân 35 kV chieău daøi ñöôøng dađy daøi ñeân 69 km.

Vôùi ñieôn aùp ñeân 110 kV chieău daøi ñöôøng dađy daøi ñeân 28 km . - Caĩt doøng khođng tại cụa ñöôøng dađy caùp ñeân 10 kV daøi ñeân 10 km . - Ñoùng caĩt doøng khođng tại cụa maùy bieân aùp ñieôn löïc coù giôùi hán : Vôùi ñieôn aùp ñeân 10 kV cođng suaât ñònh möùc ñeân 750 kVA . Vôùi ñieôn aùp ñeân 20 kV cođng suaât ñònh möùc ñeân 10 MVA . Vôùi ñieôn aùp ñeân 35 kV cođng suaât ñònh möùc ñeân 20 MVA . Vôùi ñieôn aùp ñeân 110 kV cođng suaât ñònh möùc ñeân 40,5 MVA .

- Ñoùng caĩt doøng phú tại ñeân 10 A , ñieôn aùp ñeẫn 10 kV .

- Ñoùng caĩt doøng cađn baỉng cụa ñöôøng dađy ñeân 70 A ñieôn aùp ñeân 10 kV - Ñoùng caĩt doøng chám ñaât moôt pha coù giôùi hán :

Vôùi ñieôn aùp 20-35 kV doøng ñieôn ñeân 5 A . Vôùi ñieôn aùp 10 kV doøng ñieôn ñeân 30 A . - Ñoùng caĩt caùc maùy bieân ñieôn aùp .

Dao caùch ly coù caâu táo ñôn giạn khođng coù buoăng daôp hoă quang , chụ yeâu truyeăn ñoông baỉng tay vaø ñöôïc phađn loái nhö sau :

- Theo vò trí boâ trí coù :dao caùch ly ñaịt trong nhaø ,dao caùch ly ñaịt ngoaøi trôøi . - Theo soâ löôïng dao noâi ñaât keøm theo : khođng coù , coù moôt hoaịc hai dao noâi ñaât - Theo chieău quay cụa löôõi dao khi caĩt : trong maịt phaúng ngang , trong maịt phaúng ñöùng .

- Theo caâu truùc : kieơu moôt söù ( kieơu treo ) , kieơu thođng thöôøng . Cuøng loái vôùi dao caùch ly coøn coù :

Dao caùch ly töï ñoông .

Dao caùch ly töï ñoông coù caâu táo gioâng dao caùch ly thođng thöôøng loái khi caĩt quay trong maịt phaúng ngang nhöng ñöôïc laĩp boô truyeăn ñoông coù theơ ñieău khieơn ñoùng caĩt töï ñoông duøng ñeơ laĩp trong caùc tröôøng hôïp coù yeđu caău .

Dao ngaĩn mách .

Dao ngaĩn mách laø khí cú ñieôn khođng phại ñeơ ñoùng caĩt mách ñieôn maø ñeơ noâi mách ñieôn xuoâng ñaât, táo thaønh ngaĩn mách nhađn táo khi caăn thieât.

(6)

Các điều kiện chọn dao cách ly

Thông số của dao cách ly Điều kiện Thông số mạng điện Uđm

Iđm ( Inh.đm )².tnh

Ilđđ.đm

   

UHT

Icb.max BN

Ixk

6-4. CẦU CHÌ CAO THẾ .

Cầu chì dùng để bảo vệ mạch điện khi quá dòng . Bộ phận chính của nó là dây chảy và giá đở , cũng có loại có buồng dập hồ quang . Cầu chì khác máy cắt điện ở chỗ máy cắt có thể điều khiển được trị số dòng cắt , thời gian cắt do chỉnh định của bảo vệ rơle , còn cầu chì sẽ tự động cắt theo đường đặc tính cắt của dây chảy . Trên hình 6-1 vẽ đặc tính chảy của cầu chì .

Từ đường đặc tính này thấy rằng :

- Thời gian cắt của cầu chì phụ thuộc vào dòng điện , dòng điện càng lớn thời gian cắt càng bé , ví dụ : I1 > I2 thì t1 < t2

- Khi I < Imin t =  nghĩa là cầu chì không bao giờ cắt

- Thời gian cắt của cầu chì bé nhất bằng tmin dù dòng điện lớn bằng vô cùng . Cầu chì có nhiều loại phụ thuộc vào cấu tạo và công dụng . Hiện nay chỉ chế tạo đến 35 kV , chủ yếu sử dụng trong

mạng điện hình tia có dòng làm việc không lớn lắm và cho các máy biến

điện áp ( BU ) .

Cầu chì đơn giản và rẻ tiền hơn máy

cắt nhưng không thuận tiện, đảm bảo t2

như máy cắt nên chỉ dùng trong mạch điện đơn giản, không quan trọng lắm. t1

Cầu chì tự rơi thực chất là cầu chì tmin

nhưng có cấu tạo đặc biệt, khi cắt sẽ

cắt luôn dao cách ly (trên phần động Imin I2 I1 I của dao cách ly gắn cầu chì).

Hình 6-1 . Đặc tính chảy của cầu chì 6-5. CÁC KHÍ CỤ CẮT ĐIỆN DƯỚI 1000 V .

(7)

Vôùi ñieôn aùp döôùi 1000 V thöôøng khođng caăn söû dúng maùy caĩt vì giaù thaønh cao maø thay baỉng caùc khí cú caĩt ñieôn sau ñađy :

1-Aùp–tođ-maùt .

Aùp-tođ-maùt laø khí cú ñieôn coù theơ ñoùng caĩt mách ñieôn luùc bình thöôøng cuõng nhö khi söï coâ : quaù tại , ngaĩn mách , sút aùp , cođng suaât cháy ngöôïc … öùng dúng trong máng ñieôn xoay chieău coù ñieôn aùp ñeân 600V vaø moôt chieău ñeẫn 3300V ,doøng ñònh möùc ñeân 6000A , nhöõng aùp-tođ-maùt theâ heô môùi coù theơ caĩt doøng ngaĩn mách ñeân 200-300 kA .

Caín cöù vaøo chöùc naíng bạo veô aùp-tođ-maùt chia thaønh caùc loái sau : . Aùp-tođ-maùt doøng cöïc ñái .

. Aùp-tođ-maùt doøng cöïc tieơu .Aùp-tođ-maùt ñieôn aùp thaâp . Aùp-tođ-maùt cođng suaât ngöôïc .

hoaịc trong moôt aùp-tođ-maùt coù 2,3 chöùc naíng . Nguyeđn lyù laøm vieôc cụa caùc loái naøy trình baøy tređn hình 6-2 .

2- Cođng taĩc tô .

Cođng taĩc tô laø khí cú ñieôn duøng ñeơ ñieău khieơn ñoùng , caĩt mách töø xa ñieôn aùp beù hôn 1000 V , cuoôn ñoùng thöôøng söû dúng ñieôn aùp mách ñieôn chính ñieău khieơn do ñoù khi maât ñieôn mách chính cođng taĩc tô seõ töï ñoông caĩt .

Sô ñoă nguyeđn lyù laøm vieôc veõ tređn hình 6-3 .

a) b)

c) d) Hính 6-2. Nguyeđn lyù laøm vieôc cụa aùp-tođ-maùt^. a) Aùp-tođ-maùt doøng cöïc ñái; b) Aùp-tođ-maùt doøng cöïc tieơu.

c) Aùp-tođ-maùt cođng suaât ngöôïc . d) Aùp-tođ-maùt ñieôn aùp thaâp;

4 N D 1 2

(8)

A K1 K2 K3 K0

a RN K RN1 RN2

b 3 B

Hình 6-3.Sơ đồ nguyên lý côngtắctơ Hình 6-4.Sơ đồ nguyên lý khởi động tư AB.mạchđộnglực;ab.mạchđiềukhiển K1,K2,K3:đầu tiếp xúc chính;N,D:nút ,12- đầu tiếp xúc chính ,3-cuộn điều điều khiển cắt, đóng;RN.rơle nhiệt khiển đóng, 4. buồng dập tắt hồ quang K.cuộn đóng khởi động từ

3 - Khởi động từ

Khởi động từ là công tắc tơ nhưng có thêm bộ phận quay thuận nghịch sử dụng cho động cơ điện , rơle nhiệt đểbảo vệ quá tải , bộ phận bảo vệ được chỉnh định tương ứng với công suất động từ của động cơ . Để điều khiển động cơ dùng hộp có nút đóng ( Đ ), nút cắt (C), sơ đồ nguyên lý làm việc công tắc tơ vẽ trên hình 6-4 .

4- Dao cắt tự động ( CB )

Dao cắt tự động ( CB ) là khí cụ cắt điện áp thấp chủ yếu đóng cắt bằng tay trong đó có rơle nhiệt có khả năng tự động cắt khi dòng điện vượt quá trị chỉnh định ,khi dòng điện định mức lớn có thêm bộ phận dập hồ quang để tăng khả năng cắt . Hiện nay loại này được sử dụng rộng rải vì đơn giản , gọn , an toàn và giá thành thấp .

5- Dao cắt điện .

Dao cắt điện là khí cụ cắt điện áp thấp , đóng cắt trực tiếp bằng tay , thường có kèm theo cầu chì đẻ cắt mạch khi dòng điện đạt đến trị số chảy của dây chì 6-6. MÁY BIẾN DÒNG ĐIỆN .

Máy biến dòng điện ( BI ) có nhiệm vụ là biến đổi dòng điện I1 ( dòng điện sơ cấp ) trong mạch điện có điện áp cao về dòng điện I2 ( dòng điện thứ cấp ) tương ứng với thiết bị đo lường, tự động bảo vệ rơ-le , qua tỷ số biến đổi kI.

I1 = I2. kI kI = I1 / I2

Dòng điện I2 thường là 5A cũng có thể 1A ;10A khi có yêu cầu . Khi sử dụng BI có ưu điểm :

- An toàn cho người và cho thiết bị .

- Tiêu chuẩn hóa được việc chế tạo thiết bị đo lường và tự động . Ngoài các thông số định mức Uđm ; Iđm ; BI còn có các thông số riêng :

- Cấp chính xác : khi biến đổi I1 về trị số I2 có sai số về trị số DI , và sai số góc I , (hình 6-5 ).

(9)

DI =

Í I

I I k I₂  ₁

 DI% =

Í I

I I k I₂  ₁

100 I : là góc lệch pha giữa vectơ I1 với vectơ I^'2

Trên hình 6-5 vẽ sơ đồ thay thế và đồ thị vectơ của máy biến dòng . Căn cứ vào đồ thị vectơ có thể xác định được biểu thức để tính sai số ∆I và δI của BI . ^{A I}¹

^X¹^R¹ ^X²^R² ^C ^X0 ^R0 ^X ^jI2R I2R2 I2

R E2 U2 jI2X I0 

I2R  

a) b) ⁰

Hình 6-5 . Sơ đồ thay thế và đồ thị vectơ của máy biến dòng .

∆I = ^OC_OA^^OA ≈ _OA^CB =

IÍ

I₀

sin ( α +^) , δI ≈ sinδI = _OA^AB =

IÍ

I₀

cos ( α +^) ,

Từ đây thấy rằng sai số của BI phụ thuộc vào I0/I1 , phụ tải thứ cấp và góc α - Phụ tải thứ cấp Z2 hoặc S2 là các dụng cụ nối vào mạch thứ cấp của BI - Phụ tải định mức Z2đm ( S2đm) : là phụ tải thứ cấp lớn nhất có thể sử dụng có cấp chính xác tương ứng .

Vì vậy với máy biến dòng có thể có nhiều trị số công suất định mức tương ứng với các cấp chính xác khác nhau .

Sai số của BI phụ thuộc vào I1 , phụ tải thứ cấp Z2… Để giảm sai số có thể dùng thép từ tốt , cấu tạo đặc biệt .

Căn cứ vào trị số của sai số về trị số và sai số góc chia thành các cấp chính xác 0,2 ; 0,5 ; 1 ; 3 và 10 .

Cấp chính xác 0,2 dùng cho các dụngcụ đo lường mẫu ; cấp chính xác 0,5 dùng cho công tơ điện ; cấp chính xác 1 dùng cho các dụng cụ đo lường lắp bảng ; cấp 3 và 10 dùng cho các bộ truyền động cho máy cắt . Riêng bảo vệ rơle tuỳ theo yêu cầu của từng loại bảo vệ mà dùng BI có cấp chính xác thích hợp .

Các loại máy biến dòng đặc biệt :

(10)

1) Máy biến dòng kiểu một vòng quấn

Khi dòng sơ cấp I1 lớn cuộn sơ cấp của BI chỉ có một vòng dây ( W1=1 ) dưới dạng một thanh xuyên qua mạch từ (hình 6-6), hoặc không có khi sử dụng mạch điện luồn xuyên qua mạch từ ( ví dụ kiểu Ampe kiềm ). Cuộn thứ cấp có thể có một , hai cuộn thứ cấp với các mạch từ khác nhau thích hợp theo yêu cầu ( đo lường , bảo vệ rơle …) .

I1

I2 I21 I22

I1

Hình 6-6 .Máy biến dòng có một vòng sơ cấp ( W1=1)

2) Máy biến dòng kiểu bậc cấp.

Để giảm tỷ số biến dòng KI trong một cấp do đó giảm sai số của BI khi chế tạo chia BI thành nhiều cấp ( hính 6-7) , mỗi cấp có tỷ số KIi ( KI1 ,KI2, …). Tỷ số biến dòng chung của BI là tích số các KIi .

KI = Ki1 .Ki2….

Hình 6-7. Máy biến dòng kiểu bậc cấp 3) Máy biến dòng thứ tự không

Trong mạch ba pha đo dòng thứ tự không ( I0 ) khi phụ tải không đối xứng ví dụ khi ngắn mạch một pha có thể sử dụng máy biến dòng thứ tự không ( hình 6-8 ), trong đó cả ba pha IA,, IB , IC đều xuyên qua mạch từ do đó từ thông tổng trong mạch từ sẽ là :

 = A + B + C

(11)

Khi dòng điện trong ba pha đối xứng vì IA+IB+IC = 0 ___{= 0}

Khi dòng điện ba pha không đối xứng 0  0 và trong cuộn thứ cấp sẽ có I0 = 3I0

Cần chú ý khi mạch điện sử dụng cáp ba pha cần thêm dây nối võ cáp với đất và xuyên qua mạch từ (hình 6-8b ) vì trong võ cáp đã có từ thông 0 , dòng điện trong dây nối đất này sẽ sinh ra từ thông ngược chiều để khử từ thông 0

đã nói trên .

A B C A B C

a) b) Hình 6-8. Máy biến dòng thứ tự không a) Cấu tạo ; b) khi sử dụng cáp ba pha 4) Máy biến dòng kiểu bù.

Để giảm dòng từ hóa I0 và giảm cả sai số về trị số cũng như sai số góc , BI được chế tạo thêm cuộn bù . Trên hình 6-9 vẽ máy biến dòng kiểu tự bù , trong đó có hai mạch từ I và II, cuộn sơ cấp quấn vào mạch từ I với w1 vòng , quấn vào mạch từ II với w1+1 vòng ; cuộn thứ cấp chia làm ba phần , quấn vào cuộn I với w^'2 vòng , vào mạch từ II với w2^'' vòng và quấn chung cả hai mạch từ với w2 vòng . Phương trình của từ thông trong các mạch từ của BI sẽ là :

Với mạch từ I : I = I1w1 – I2 ( w^'2 + w2 ) Với mạch từ II : II = I1( w1+1 ) – I2 ( w²^'' + w2 )

Nếu w^'2> w ^"2  I gần như ngược chiều với II

Vì I1w1 < I1 ( w1+1 )

Do đó từ thông 0I gần như ngược chiều với 0II và

0 = 0I - 0II  0  I0  0 1

Z2

0 0=1+2

(12)

a) b) 2

Hình 6-9 . Máy biến dòng kiểu bù a) cấu trúc , b) đồ thị vectơ

5) Máy biến dòng kiểu lắp sẳn .

Trong một số máy cắt điện , máy biến áp điện lực công suất lớn thường ở các đầu ra đã đặt sẵn một số máy biến dòng kiểu một vòng quấn có nhiều cuộn thứ cấp , khi thiết kế cần tận dụng hết các BI này , nếu cần mới đặt thêm . Cần chú ý cuộn nào không sử dụng phải nối tắt lại . Tỷ số KI = w2 /w1 được chọn thích hợp theo dòng sơ cấp I1 bằng cách thay đổi w2 ( nối tiếp các cuộn thứ cấp với nhau ).

Sơ đồ nguyên lý nối dụng cụ đo của BI ( hình 6-10 a ):

Cần chú ý : - Phụ tải của BI chỉ được nối tiếp .

- Không được để hở mạch cuộn thứ cấp , vì khi hở mạch dòng từ hóa I0 = I1

rất lớn làm cho mạch từ bị bảo hòa , 0 sẽ bằng đầu đưa đến E0 sẽ rất lớn vì e = - ^d_dt

- Cuộn thứ cấp luôn luôn phải nối đất để đảm bảo an toàn cho người và thiết bị đề phòng khi điện áp cao xâm nhập sang cuộn thứ cấp .

 e=-^d_dt \

Hình 6-10. Sơ đồ nguyên lý nối phụ tải của BI

a) nối dụng cụ đo , b) đồ thi vectơ khi cuộn thứ cấp hở mạch Cách tính toán và các điều kiện chọn máy biến dòng .

Trước khi tiến hành chọn máy biến áp đo lường cần xác định các dụng cụ nối vào cuộn thứ cấp của nó . Đối với BI xác định tổng công suất trên từng pha và công suất tính toán ( Stt) hay tổng trở tính toán ( Ztt) lấy bằng công suất hay tổng trở của pha lớn nhất ( Smax hay Zmax ). Phụ tải của BI có thể nối theo sơ đồ chỉ có một pha ( hính 6-11a ), hai pha ( hình 6-11b ) hay ba pha ( hình 6-11c ).

(13)

Trong tổng trở của phụ tải BI phải tính cả điện trở dây dẩn nối BI với dụng cụ đo vì nó cũng tiêu thụ công suất đáng kể , mà điện trở này tỷ lệ với chiều dài dây dẩn , chiều dài tính toán của dây dẩn phụ thuộc vào sơ đồ nối dây của BI .

a) b) c) Hình 6-11. Sơ đồ nối dụng cụ đo của máy biến dòng ( BI )

a) chỉ có một BI ; b) có hai BI nối hình V; c) có ba BI nối hình Y) Chiều dài tính toán dây dẫn ( ltt) của BI xác định như sau :

Với sơ đồ một BI ltt = 2l Với sơ đồ hai BI ltt = ³ l Với sơ dồ ba BI ltt = l

Trong đó l là chiều dài thực từ nơi đặt BI đến chỗ lắp dụng cụ đo .

Phụ tải định mức của BI xác định theo cấp chính xác của dụng cụ đo có yêu cầu cao nhất ( thường theo công tơ , vì cấp chính xác công tơ là 0,5 ).

Trong tính toán thực tế thường tính ngược , từ Zđm của BI và Ztt của phụ tải suy ra Rdd lớn nhất cho phép và từ đây chọn tiết diện dây dẩn thỏa mãûn điều kiện của BI :

Z2 =  Z2dc + Rdd  Z2đm.BI

Trong đó: Zdd -tổng trở dây dẫn (thường chỉ tính Rdd) Rdd =

dd tt

F . l



Fdd -tiết diện dây dẫn (mm²).

 -điện trở suất vật liệu dây dẫn

(^^Cu ^⁰^,⁰¹⁸⁸^^mm²^/^m;^^Al ^⁰^,⁰³¹⁵^^mm²^/^m).

ltt -chiều dài tính toán (m), phụ thuộc vào cách nối dây của BI Thường tính ngược để xác định tiết diện dây dẫn:

Rdd  Z2đm.BI -  Z2dc dc 2 BI

. đm 2

tt dd dd

tt

dd dd Z Z

l.

R F l.





 

Để đảm bảo sức bền cơ, tiết diện dây dẫn không được bé hơn các giá trị sau:

l

ltt =2l

l

l l_tt  3

l

l_tt =l

(14)

- Đối với dây dẫn bằng đồng: FCu 1,5 mm². - Đối với dây dẫn bằng nhôm: FAl 2,5 mm².

Nếu có dụng đo điện năng (công tơ), để đảm bảo sai số về điện áp rơi (^D^U) - Đối với đồng: FCu 2,5 mm².

- Đối với nhôm: FAl 4 mm²

Phụ tải của máy biến dòng thố kê ghi vào bảng

Dụng cụ đo Loại Phụ tải trên pha (^) Ghi chú A B C

Các điều kiện chọn máy biến dòng điện

Thông số của BI Điều kiện Thông số tính toán Điện áp định mức Uđm  UHT

Dòng điện định mức Iđm  Icb.max / Kqt

Ổn định lực động điện ilđđ.đm  ixk

Ổn định nhiệt ( Inh.đm)²tnh  BN

Chú ý : - Khi I1đm > 1000A không kiểm tra diều kiện ổn định nhiệt - Khi Ibt.max< 0,7Icb.max Kqt = 1,3

- Khi Ibt.max> 0,7 Icb.max Kqt = 1

Trong đó : UHT là điện áp định mạng điện lắp BI

6-7. MÁY BIẾN ĐIỆN ÁP.

Máy biến điện áp ( BU ) : có nhiệm vụ biến đổi điện áp cao U1(điện áp sơ cấp ) về điện áp thấp U2 ( điện áp thứ cấp ), tương ứng với thiết bị đo lường , tự động v...v.., qua tỷ số biến đổi kU .

U1 = U2 kU kU = U1 / U2 .

Điện áp U2 thường là 100V (với BU ba pha) hoặc 100/ ³V (với BU một pha ) Cũng như BI khi sử dụng BU có ưu điểm :

- An toàn cho người và cho thiết bị .

(15)

- Tiêu chuẩn hóa được việc chế tạo thiết bị đo lường và tự động . Ngoài các thông số định mức Uđm ; BU còn có các thông số riêng :

- Cấp chính xác : khi biến đổi U1 về trị số U2 có sai số về trị số DU , và sai số góc U .

DU =

1 1 2

U U k U _U 

 C B DU% =

1 1 2

U U k U _U 

100 jI2(x1+x2) U : là góc lệch pha giữa vectơ U1 với vectơ U^'² x1 r1 x2 r2 i2 I2(r1+r2) U1

i0 x U jI0x1

U1 x0 r0 U2 A I2 I0r1

R U2 I0

0  a) b)

Hình 6-12. Sơ đồ thay thế và đồ thị vectơ của BU Căn cứ vào đồ thị vectơ trê hình 6-12 xác định được sai số ∆U và δU

∆U = ÔA_OC^ÔC ≈ _OCÂB = -

1

' 2 1 ' 2 ' 2 1 ' 2

1 ( ) ( )

U

x x I r r I I r

I_oa  _or  _a   _r 

δU ≈ sinδU = _OC^BC =

1

' 2 1 ' 2 ' 2 1 ' 2 1 0 1

0 ( ) ( )

U

x x I r r I x I r

I _r  _a  _r   _a  trong đó I0 =I0a + jI0r và I^'2 = I^'2a + j I^'2r

Từ đó thấy sai số của BU phụ thuộc vào U1 , phụ tải thứ cấp Z2 vàI0 … Để giảm sai số có thể dùng thép từ tốt , hoặc cấu tạo đặc biệt .

Căn cứ vào trị số của sai số về trị số và sai số góc chia thành các cấp chính xác 0,2 ; 0,5 ; 1 ; 3 và 10 .

Cấp chính xác 0,2 dùng cho các dụng cụ đo lường mẫu ; cấp chính xác 0,5 dùng cho công tơ điện ; cấp chính xác 1 dùng cho các dụng cụ đo lường lắp bảng ;

a1 b1 c1

Các loại máy biến điện áp đặc biệt : A B C

1) Máy biến áp kiểu ba pha năm trụ

Máy biến áp loại này mạch từ có 5 trụ ( hình 6-12 ), ngoài 3 trụ cho 3 pha còn

(16)

thêm 2 trụ hai bên để cho từ thông thứ tự không 0 sinh ra khi điện áp sơ cấp U1 không đối xứng chạy qua mà không

khép vòng qua dầu , không khí có từ trơ x0 a0

lớn gây phát nóng . Cuộn sơ cấp và thứ Hình 6-12. Máy biến điện áp cấp thứ nhất nối hình sao nối đất (Y0) k iểu 3 pha 5 trụ cuộn thứ cấp thứ hai nối tam giác hở

a1, x1 nối vào rơle điện áp để cho tín hiệu , khi có một pha sơ cấp chạm đất vì khi đó ï

Ua1,x1 = UA+UB +UC = 3U0 ;

(U0 là điện áp thứ tự không ) Loại này thường chế tạo vớiU1đm từ 3 đến 15 kV 2) Máy biến áp kiểu bậc cấp

Với điện áp từ 110 kV trở lên để giảm kích thước, trọng lượng va øđơn giản máy biến điện áp được chế tạo thành nhiều cấp giống nhau chồng lên nhau (hình 6-13) chỉ có cấp cuối cùng mới có cuộn thứ cấp , cuộn sơ cấp chia đều trên các cấp . Số cấp phụ thuộc vào điện áp sơ cấp , ví dụ 110 kV có 2 cấp , 220 kV có 4 cấp … Để giảm cách điện giữa các cuộn sơ cấp với lõi điểm giữa các cuộn sơ cấp nối với mạch từ, do đó cách điện chỉ cần chế tạo với U = Uđm/n trong đó n là số cấp . Loại này sai số phụ thuộc phụ tải thứ cấp , để khắc phục khuyết điểm này lắp thêm cuộn bù còn gọi là cuộn cân bằng (wcb).

3) Máy biến điện áp kiểu phân chia điện dung

Với điện áp cao sử dụng diện dung nối tiếp nhau và nối xuống đất ( hình 6- 14 ) , máy biến điện áp chỉ nối vào với điện áp UC2 , trong đó

UC2 = I. XC2 I=

2 1

1 C

C X

X U

 =

2 1

1

1 1

C C

U



 ^ =

1 2

2 1 1

C C

C C U





do đó UC2 =

2 1

2 1 1

C C

C C U



 .

2

1

C = ¹

2 1

1 U

C C

C

 tức một phần của U1 vì

2 1

1

C C

C

 < 1

Khối C2 và máy biến điện áp BU chế tạo thành một khối , khi sử dụng vào mạng có điện áp U1 khác nhau chỉ cầ chọn C1 .

Sơ đồ nguyên lý nối phụ tải của BU ( hình 6-15 )

(17)

Hình 6-14.Máy biến điện áp Hình 6-13 . Máy biến điện áp kiểu điện dung kiểu bậc cấp

b)

c) a) d)

Hình 6-15. Sơ đồ nối dụng cụ đo vào BU

a)Sơ đồ nguyên lý; b)Nối hính V/V; c) Nối Y0/Y0 ; d) Nối Y0/Yo/ Chú ý : - Phụ tải của BU nối song song

- Cuộn thứ cấp phải nối đất ( tương tự như đối với BI )

- Cuộn tam giác hở để nhận tín hiệu 3U0 khi U1 ba pha không đối xứng .

Cách tính toán và các điều kiện chọn máy biến điện áp .

Trước khi tiến hành chọn máy biến áp đo lường cần xác định các dụng cụ nối vào cuộn thứ cấp của nó .

Phụ tải định mức của BU xác định theo cấp chính xác của dụng cụ đo có yêu cầu cao nhất ( thường theo công tơ , vì cấp chính xác công tơ là 0,5 ).

Đối với BU công suất tính toán lấy bằng tổng công suất cả ba pha (  Sdc ), phụ tải của BU có thể nối vào U hay Ud .

(18)

S2 = ⁽Sdc^cosdc⁾²⁽Sdc^cosdc⁾² = Pdc² Qdc²

Chọn dây dẫn từ BU đến dụng cụ đo theo hai yêu cầu:

-Tổn thất điện áp (^D^U) trên dây dẫn không được lớn hơn 0,5% điện áp định mức thứ cấp.

-Thỏa mãn điều kiện độ bền về cơ như với dây dẫn của BI (FCu 1,5 mm²; FAl 2,5 mm²).

Dụng cụ đo

Kiểu Số lượng

Phụ tải trên pha AB Phụ tải trên pha BC

P(W) Q(VAR) P(W) Q(VAR)

Tổng cộng  PA

B

 QA B

 PB C

 QA B

  

2 AB BC



²

BC AB

2 P P Q Q

S      

Chú ý:khác với BI, trên mỗi phân đoạn của thanh góp chỉ đặt một BU chung, cho nên phụ tải của nó là tất cả dụng cụ đo của các mạch nối vào phân đoạn đó trừ mạch máy điện (nếu có) có đặt BU riêng.

Điều kiện chọn máy biến điện áp

Thông số của BU Điều kiện Thông số của mạng điện Điện áp định mức Uđm = UHT

Công suất định mức Sđm ≥ S2 6-8 . KHÁNG ĐIỆN HẠN CHẾ DÒNG NGẮN MẠCH .

Khi thiết kế phần điện trong nhà máy điện và trạm biến áp, đặc biệt khi chọn sơ đồ nối điện ở điện áp máy phát điện, có thể có dòng điện ngắn mạch (IN) rất lớn. Điều này dẫn đến không thể có các thiết bị nào thỏa mãn hoặc phải chọn mắy cắt điện, dao cách ly, các phần dẫn điện rất lớn trong khi dòng điện làm việc bình thường nhỏ làm tăng vốn đầu tư không cần thiết . Trong những trường hợp như vậy, cần tìm biện pháp tốt nhất, đơn giản nhất và không làm tăng vốn đầu tư nhiều để hạn chế dòng ngắn mạch đến trị số thích hợp.

(19)

Chúng ta đã biết trị số dòng ngắn mạch được xác định gần đúng theo biểu thức :

IN =

X

E

Trong đó, E là đại lượng không thể thay đổi.

X: tổng trở đến điểm ngắn mạch.

Để giảm được IN chỉ cần tăng X . Tăng X có thể sử dụng các biện pháp khác nhau tùy trường hợp cụ thể . Sử dụng kháng điện là một trong các biện pháp đó .

Kháng điện có nhiều mục đích, ví dụ để hạn chế dòng mở máy của động cơ điện, của máy bù đồng bộ v…v… Trong phần này chỉ giới thiệu kháng điện hạn chế dòng ngắn mạch.

Kháng điện hạn chế dòng ngắn mạch ở điện áp cao trên 1000 V là một cuộn dây điện cảm gồm w vòng, không có lõi. Khi có dòng điện xoay chiều chạy qua, tự bản thân có điện cảm L và tạo thành điện kháng Xk = L. nối vào mạch điện nơi đặt kháng điện ,

Chế tạo điện kháng X mà không chế tạo R vì tổng trở khi ngắn mạch trên 1000V, thành phần điện trở nhỏ; tăng X hiệu quả tốt hơn..

Chế tạo không có lõi vì yêu cầu hạn chế dòng ngắn mạch; trong khi nếu có lõi, khi dòng ngắn mạch lớn, mạch từ bão hòa làm giảm trị số điện kháng – ngược lại yêu cầu.

Nhưng khi đặt kháng điện lại phát sinh tác dụng :

- Tổn thất DU = IXk làm giảm điện áp mạch điện sau kháng.

- Tổn thất DQ = I²Xk làm cos nguồn giảm .

Để giảm bớt các tổn thất này cần xác định nơi cần đặt kháng , trị Xk thích hợp và nhất la ø loại kháng điện .

1 - Về cấu tạo : có -Kiểu lắp ghép , và kiểu bê-tông

Kháng điện kiểu lắp ghép được chế tạo thành từng lớp, cách điện chủ yếu bằng gỗ tẩm, ba-kê-lit; khi xây lắp sẽ ghép nhiều lớp với nhau bằng ốc xiết và thanh giữ. Kiểu này nhẹ, thuận tiện chuyên chở nhưng giá thành cao và không bền bằng kiểu bê-tông nên ít được sử dụng.

Kháng điện kiểu bê-tông : dùng bê-tông để cách điện giữa các vòng dây cũng như giữa các lớp với nhau , bê-tông cũng có nhiệm vụ tăng độ bền cơ dưới tác dụng lực động điện khi ngắn mạch . Kháng điện kiểu bê-tông trọng lượng lớn khó khăn trong chuyên chở nhưng rẽ và bền nên được sử dụng nhiều

(20)

trong thiết bị phân phối điện trong nhà điện áp đến 15 kV. Với điện áp trên 15 kV hầu như không cần dùng kháng điện vì dòng ngắn mạch không lớn .

2 - Về nguyên lý làm việc, kháng điện có 2 loại: kháng đơn và kháng kép.

- Kháng điện đơn :

Là cuộn dây (hình 6-16a) chỉ có một đầu vào và một đầu ra, khi có dòng điện chạy qua chỉ tạo thành Xk do tự cảm L

Xk = L = XL.

Trên sơ đồ được ký hiệu như hình 6-16b.

Sơ đồ thay thế chỉ có Xk (hình 6-16c) . Ưu điểm đơn giản nhưng DU và DQ lớn phụ

thuộc vào dòng điện chạy qua, khi ngắn Hình 6-16. Kháng đơn mạch cũng như khi việc bình thường.

DU = I.X và DQ = I².XK

- Kháng điện kép : là cuộn dây như kháng đơn nhưng ở giữa có thêm đầu ra (hình 6-17a) và được ký hiệu trên sơ đồ như hình 6-17b.

Hình 6- 17.

Kháng kép

a) Sơ đồ nguyên lý ; b) Sơ đồ ký hiệu ; c) Sơ đồ thay thế .

Ngoài XL như kháng điện đơn, nhưng vì có 2 cuộn dây đặt lồng vào nhau nên giữa chúng còn có XM (hỗ cảm) phụ thuộc vào chiều dòng điện ở 2 phần.

Xk = XL ± XM

Với X1 = - kXL = -XM

X2 = X3 = XL – XM = XL(1+k) với XM = kXL

trong đó,

- Kháng điện đơn : thường đặt trên thanh góp và đường dây - Kháng điện kép : đặt trên đường dây

5 , X 0 k X

L

M 



a) Hình 8.2b) c)

1

3 3 2

2

Hình 8.3 1

a) b)

c) L 2

L

3 -kx 1

L x (1+k) x (1+k)

(21)

3. Các thông số của kháng điện

- Uđm: điện áp định mức của kháng điện; chủ yếu do sứ đỡ để cách điện giữa kháng điện với nền nhà. Còn điện áp giữa các vòng dây, giữa các lớp rất nhỏ.

Điện áp rơi trên kháng điện là DUK.

DUk đm = Iđm . Xk < (5¸10)% Uđm.

Do đó, có thể dùng kháng điện có Uđm = 10 kV trong mạch có UHT cao hơn, ví dụ 13,8 kV, 15,75 kV … chỉ cần thay sứ đỡ bằng sứ có điện áp tương ứng.

- Iđm: dòng điện định mức : là d02ng đi65n lớn nhất cho phép chạy qua kháng điện .

- Xk%: điện kháng XL của kháng tính bằng % so với định mức

XK% = ¹⁰⁰^%

% 3 100 3

%

100 _K

dm dm

K Kdm

K X

U I I

U X X

X  

Do đó

Từ đây, thấy rằng cũng Xk% như nhau nhưng với IđmK lớn hơn trị số Xk nhỏ hơn nghĩa là hiệu quả hạn chế dòng ngắn mạch kém hơn. Do đó, khi chọn kháng cần tính đúng dòng cưỡng bức qua kháng , tránh chọn kháng có IđmK lớn không cần thiết.

Với kháng đơn, dòng chạy qua kháng chỉ có một chế độ làm việc. Với kháng kép có 3 chế độ làm việc.

- Chế độ song song (hình 6-19a): dòng điện vào cửa 1 và phân thành hai nhưng qua 2 và 3 (hoặc ngược lại vào cửa 2 và 3, ra ngõ 1). Đây là chế độ tốt nhất của kháng điện kép vì lúc bình thường

Khi k = 0,5:

Do đó, DU và DQ bé. Nhưng khi ngắn mạch, ví dụ ở vị trí 2:

Khả năng hạn chế dòng ngắn mạch lớn, đúng yêu cầu khi đặt kháng điện.

- Chế độ một nhánh (hình 6-19b): dòng điện chỉ qua một nhánh nên không có xM..

Xk = -k XL + (1+k)XL = XL đmK

đmK K K

I 3 . U 100

% X  X

L L

L

K kX X kX X

kX

X 0,5 0,5 0,25

2

1   





 



 

_L

 

_L



_L



_K

K

kX k X X X

X

^/

( 1 )

c) L 2

L

3 -kx 1

L x (1+k) x (1+k)

1 -kx

L 1 -kx

L

-kxL 1

(22)

Hình 6-19. Sơ đồ thay thế kháng kép trong 3 chế độ làm việc a) Làm vịêc song song ; b) Làm việc một nhánh ; c)Làm việc nối tiếp

- Chế độ nối tiếp (hình 6-19c): dòng điện đi từ 2 sang 3 hay ngược lại.

Xk = 2(1+k)XL

Khi k = 0,5 ta có: Xk = 3 XL.

Tổng kết các điều kiện chọn các khí cụ điện

TT Thông số Điều kiện Máy

cắt Dao

cách ly

Máy cắt

phụ tải Cầu chì

1 Điện áp định mức UđmUTH x x x x

2 Dòng điện định mức Iđm  Icb.max x x x x

3 Dòng điện cắt định mức Icắt.đm  I^" x 0 0 x

4 Ổn định lực động điện Ilđđ.đm  Ixk x x x 0

5 Ổn định nhiệt I²nh .tnh BN x x x 0

Ghi chú : x : cần kiểm tra

0 : không cần kiểm tra