Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản không thiếu của tài liệu tại đây ( 3.45 MB, 79 trang )
Hình 6.1: Các loại CB 1 pha và 3 pha
a) Phân loại
–
Theo cơ cấu tác động( tự ngắt) người ta chia ra ba loại sau
Áp tô mát nhiệt: tác động nhờ cơ cấu điện_nhiệt, như vậy thời gian tác động sẽ
rất chậm. Loại này thường dùng để bảo vệ quá tải.
Áp tô mát điện từ: tác động nhờ cơ cấu điện_từ, như vậy thời gian tác động sẽ
rất nhanh. Loại này thường dùng để bảo vệ ngắn mạch.
Áp tô mát điện từ_nhiệt
Theo cơ cấu người ta chia ra các loại sau
Áp tô mát 1 cực
Áp tô mát 2 cực.
Áp tô mát 3 cực.
Theo điện áp sử dụng người ta chia ra các loại sau
Áp tô mát 1 pha (có 1 hoặc 2 cực).
41
–
Áp tô mát 3 pha (có 3 cực).
Theo công dụng người ta chia ra các loại sau
Áp tô mát dòng cực đại.
Áp tô mát điện áp thấp.
Áp tô mát chống giật.
Áp tô mát đa năng.
b) Chức năng
CB là công tắc hoặc cầu dao tự động có nhiệm vụ bảo vệ chống ngắn mạch hay
quá tải tức là bảo vệ chống quá nhiệt hay trong trường hợp hỏng hóc thiết bị, nó sẽ
bảo vệ chống tiếp xúc trực tiếp với các phần mang điện.
Ưu điểm của CB là khi có sự cố về dòng điện xảy ra thì CB tự động ngắt mạch
và khi sự cố về dòng điện được loại trừ, có thể đóng CB lại để tiếp tục làm việc ở chế
độ bình thường và có thể cắt mạch điện nếu có sự cố ngắn mạch.
Ngoài ra CB còn có các ưu điểm sau:
Tạo cơ sở phát triển, cải tiến CB:
• Giảm tác động nhiệt của dòng ngắn mạch.
• Giảm tiết diện phần dẫn bên trong CB.
• Giảm kích thước và khối lượng của CB.
• Tăng khả năng chịu dòng ngắn mạch.
• Tăng công suất cắt dòng ngắn mạch.
Đối với hệ thống điện dân dụng:
• Bảo vệ đường dây an toàn, thậm chí ở dòng ngắn mạch rất cao.
•
Có thể dùng để đóng cắt bảo vệ cho mạch điện gần nguồn hơn với
dòng ngắn mạch rất cao.
• Năng lượng hồ quang sinh ra tại điểm sự cố thấp, giảm thiệt hại xuống mức tối
thiểu.
c) Yêu cầu kỹ thuật
Chế độ làm việc ở định mức của CB phải là chế độ làm việc dài hạn nghĩa là
trị số dòng điện định mức chạy qua CB lâu bao nhiêu cũng được. Mặt khác, dòng
điện của CB phải chịu được dòng điện lớn (khi ngắn mạch) lúc các tiếp điểm của
nó đã đóng hay đang đóng.
CB phải ngắt được trị số dòng điện ngắn mạch lớn, có thể đến vài chục kA.
Sau khi ngắt dòng điện ngắn mạch, CB phải đảm bảo vẫn làm việc tốt ở trị số dòng
điện định mức.
42
Để nâng cao tính ổn định nhiệt và điện động của các thiết bị điện, hạn chế sự
phá hoại do dòng điện ngắn mạch gây ra, CB phải có thời gian cắt bé. Muốn vậy
thường phải kết hợp lực thao tác cơ học với thiết bị dập hồ quang bên trong CB.
Để thực hiện yêu cầu thao tác bảo vệ có chon lọc, CB cần phải có khả năng
điều chỉnh trị số dòng điện tác động và thời gian tác động.
d) Nguyên lý hoạt động của CB
Sơ đồ nguyên lý làm việc của CB thông thường được trình bày ở hình 6.2.1
Khi không bị sự cố quá tải hay ngắn mạch, lưỡng kim nhiệt và cuộn dây điện từ
không tác động cơ cấu đóng ngắt, hệ thống tiếp điểm vẫn đóng và mạch điện làm việc
bình thường.
Khi xảy ra quá tải ở mạch điện, dòng điện tăng lên quá trị số chỉnh định trước,
lưỡng kim nhiệt bị đốt nóng cong lên tác động cơ cấu đóng ngắt làm hệ thống tiếp
điểm của CB mở ra, mạch điện được bảo vệ.
Khi xảy ra ngắn mạch, dòng điện tăng vọt đến trị số rất lớn, cuộn dây sinh ra một
lực điện từ đủ mạnh tác động cơ cấu đóng ngắt làm tiếp điểm của CB nhanh chóng mở
ra một cách dứt khoát, mạch điện được bảo vệ.
Hình 6.2 Nguyên lý làm việc của CB
e). Cấu tạo của các CB thông dụng
43
Như hình 6.2.2 là cấu trúc điển hình của một aptomat. Về mặt cấu tạo aptomat
gồm 5 bộ phận chính, đó là:
– (1) Vỏ hộp (Molded Case).
– (2) Tiếp điểm (Contacts).
– (3) Buồng dập hồ quang (Arcing chamber kit).
– (4) Cơ cấu tác động cơ khí (Operating Mechanism).
– (5) Cơ cấu bảo vệ (Trip Uni) thường gọi là móc bảo vệ.
Hình 6.3. Cấu tạo của CB
Vỏ hộp (1)
Là một kết cấu cách điện để lắp các thiết bị của một CB. Vật liệu thường được
sử dụng là nhựa chịu nhiệt như thủy tinh- polymer (glass-polymer). Cấu trúc của vật
liệu phụ thuộc vào các thông số định mức của CB như điện áp định mức, dòng điện
định mức, công suất cắt và kích cỡ vật lý của CB.
Tiếp điểm (2)
Tiếp điểm của CB thường có cấu tạo dạng ngón như (hình 6.2.2). Kết cấu này
có hai ưu điểm đó là:
+ Khi đóng mở, có một khoảng thời gian tiếp điểm động tỳ và trượt lên tiếp
điểm tĩnh tạo điều kiện cho các chất bẩn trên bề mặt tiếp điểm bị cạo sạch.
+ Ưu điểm lớn nhất của tiếp điểm dạng này là khi ngắn mạch, ngoài lực kéo
về của lò xo phản hồi còn có thêm lực điện động tạo bởi hai dòng điện song song
44
ngược chiều trong hai phần tiếp điểm tĩnh và động. Lực này có xu hướng kéo 2 tiếp
điểm rời xa nhau, kết quả là thời gian cắt của CB bé (có thể chỉ khoảng 4ms) làm hạn
chế được dòng điện ngắn mạch.
Tiếp điểm gồm có tiếp điểm hồ quang, tiếp điểm động, tiếp điểm tĩnh. Do yêu
cầu tiếp điểm phải có điện trở tiếp xúc nhỏ và vật liệu làm tiếp điểm phải chịu nhiệt
khi ngắn mạch nên đòi hỏi tiếp điểm phải làm bằng chất liệu đặc biệt. Người ta đã chế
tạo ra tiếp điểm làm bằng hợp kim bạc với tỉ lệ bạc nguyên chất cao. Ngoài ra, còn
một số tiêu chuẩn về tăng tốc độ tách tiếp điểm và dập hồ quang nhằm hạn chế được
hiện tượng cháy tiếp điểm, đảm bảo độ bền tiếp điểm. Nguyên tắc tách tiếp điểm bằng
lực của “lẫy cò“ và thiết kế đặc biệt của hệ thống dập hồ quang có thể giải quyết được
vấn đề trên. Từ thiết kế của tiếp điểm, lực đóng của tiếp điểm và việc lựa chọn vật liệu
làm tiếp điểm phải phù hợp và cân đối với nhau để đảm bảo thao tác của CB được an
toàn trong khoảng điện áp định mức thay đổi từ 12V-450V.
Buồng dập hồ quang (3)
Khi cắt mạch, hồ quang phát sinh ở tiếp điểm sinh ra nhiệt có thể làm hư hỏng
các tiếp điểm mặt khác quá trình ion hóa do hồ quang có thể có áp suất cao làm hư
hỏng các bộ phận khác và vỏ của CB.
Cấu trúc của buồng dập hồ quang thường hình chữ U được làm bằng nhiều tấm
thép ghép lại để chia nhỏ hồ quang, khuếch tán năng lượng hồ quang và dập
tắt hồ quang nhanh chóng.
Cơ cấu tác động cơ khí (4)
Gồm các bộ phận cơ khí giúp cho việc đóng mở bằng tay của tiếp điểm. Có ba
trạng thái của cơ cấu tác động bằng tay: đóng (ON), mở (OPEN) và trạng thái sau tác
động bảo vệ (tripped).
Cơ cấu bảo vệ (5)
Tích hợp bên trong nó là các cơ cấu quan trọng khác như cơ cấu đóng ngắt, cơ
cấu thanh lưỡng kim nhiệt bảo vệ quá tải, cơ cấu ngắt điện từ.
Đây là trung tâm của một CB, là các phần tử mà nhờ nó việc tác động tự động
của CB được thực hiện. CB sẽ tác động trong các trường hợp sau: khi nhấn nút
“PUSH TO TRIP”, khi thành phần cảm biến quá dòng bằng lưỡng kim hay cuộn dây
điện từ tác động (đối với CB thông thường) hoặc tác động khi có sự cố chạm vỏ
(ELCB, RCCB)…hình .trình bày cấu tạo của một móc bảo vệ tác động bằng lưỡng
kim nhiệt và nam châm cuộn dây điện từ. Quá trình tác động khi có sự cố quá dòng do
quá tải hay ngắn mạch, tác động bằng lưỡng kim nhiệt và nam châm điện từ được
trình bày trên hình (3.9)
45
Hình 6.4. Cấu tạo của móc bảo vệ
Hình 6.5. Quá trình tác động bằng lưỡng kim nhiệt và cuộn dây điện từ
46
Các cơ cấu quan trọng khác
Cơ cấu đóng ngắt
Cơ cấu đóng ngắt phải được thiết kế tốt nhằm đảm bảo tất cả các cực của CB
được đóng ngắt cùng một lúc, chắc chắn và chính xác. Điều đó đảm bảo thao tác tin
cậy, thậm chí trong môi trường khắt khe và chế độ làm việc dài hạn.
Cơ cấu thanh lưỡng kim nhiệt bảo vệ quá tải
Cơ cấu ngắt khi quá tải phụ thuộc vào hoạt động theo nguyên tắc của thanh
lưỡng kim nhiệt gồm hai thanh kim loại xếp chồng lên nhau. Vì có hệ số giãn nở nhiệt
khác nhau, hai thanh kim loại này sẽ giãn nở với mức độ khác nhau khi bị đốt nóng
và cong lên. Độ cong của nó phụ thuộc trực tiếp vào độ nóng, độ nóng này phụ thuộc
vào cường độ dòng điện và thời gian dòng điện chạy qua. Sau khi cong đến một mức
độ xác định (hay nhiệt độ nhất định) thanh lưỡng kim sẽ tác động tới cơ cấu đóng cắt.
Thường thì thanh lưỡng kim được nối tiếp với mạch điện chính và được đốt nóng trực
tiếp. Trong trường hợp hoạt động với dòng nhảy lớn hơn dòng định mức thì cần một
băng đốt nóng phụ trợ cuốn quanh thanh kim loại.
Cơ cấu ngắt điện từ
Hệ thống đóng ngắt theo cơ cấu điện từ có một bộ phận cơ bản là cuộn dây mà
dòng tải sẽ chạy qua. Cuộn dây có một lõi sắt cố định và lõi chuyển động. Nếu dòng
điện vượt quá một giá trị xác định trước, cuộn dây sinh ra một lực điện từ đủ mạnh để
thắng lực giữ của lò xo và hút phần ứng. Cơ cấu đóng ngắt lúc đó được tác động bằng
một cần đóng ngắt làm tiếp điểm của CB nhanh chóng mở ra.
Khi sử dụng loại CB cổ điển với cơ cấu đóng ngắt khá chậm, nên có sự chậm trễ
nhất định khi vận hành do phải qua rất nhiều khâu như: lực lò xo, đường chuyển động.
CB hạn chế dòng điện khắc phục những nhược điểm trên do được chế tạo trên nguyên
tắc “lẫy cò“. Nguyên tắc “lẫy cò“ dựa trên hoạt động của một nam châm, sử dụng lực
điện từ tích lũy ngay từ khoảnh khắc đầu tiên khi dòng ngắn mạch chạy qua để trực
tiếp tách các tiếp điểm, các tiếp điểm được nhanh chóng tách ra một cách dứt khoát và
tạo ra điện áp hồ quang lớn là tiền đề để hạn chế dòng ngắn mạch một cách cực kỳ
hiệu quả.
Điểm đấu dây
Để kinh tế và tiết kiệm thời gian, điểm đấu dây CB được thiết kế theo yêu cầu
này gọi là cọc đấu dây hai chức năng: đấu được cả thanh cái và dây dẫn cùng lúc nên
giảm thời gian đấu dây xuống một nửa.
Khung của cọc đấu dây được để ở vị trí mở, nằm lõm sâu vào vỏ nhựa. Khi mở
vít và đẩy xuống, nó sẽ rơi xuống và tạo thành lỗ để đút dây vào, sau đó bắt vít đồng
thời phía trên có thể kẹp thành cái răng lược. Khung đấu dây rộng đảm bảo việc đấu
nối an toàn với tiết diện dây cho phép lớn hơn so với yêu cầu trong các hệ tiêu chuẩn.
47
f). Điều kiện lựa chọn CB
Các đặc tính điện của lưới điện mà CB được đặt vào
Điện áp định mức
Ue + Ue ≥ Uđm mạng + Umạng
Ở đây: Ue là điện áp định mức của CB, Ue là độ tăng điện áp cho phép của CB,
Uđm mạng điện áp định mức của mạng điện nơi thiết bị và CB được lắp đặt, Umạng là độ
chênh lệch điện áp có thể có của mạng so với điện áp định mức trong điều kiện vận
hành.
Dòng điện định mức
Kr In ≥ Ilv max
Ở đây: In là dòng điện định mức của CB, Ilv max là dòng điện làm việc lâu dài cực đại
của phụ tải, Kr là hệ số hiệu chỉnh (K r = 0 – 0,8 đối với cơ cấu bảo vệ nhiệt, K r = 0 –
0,8 đối với cơ cấu bảo vệ điện từ).
Tần số
fn ≥ fmạng
Khả năng cắt dòng ngắn mạch
Icu (hoặc Icn ) ≥ I3N
Ở đây: Icu là dòng cắt ngắn mạch định mức đối với CB công nghiệp và I cn là dòng cắt
ngắn mạch định mức đối với CB dân dụng.
Đặc tuyến ngắt dòng: phù hợp với thiết bị được bảo vệ.
Môi trường sử dụng: nhiệt độ xung quanh, lắp đặt trong/ ngoài tủ, các điều
kiện khí hậu.
Các yêu cầu khai thác: tính chọn lọc, các yêu cầu như điều khiển từ xa, các
công tắc tơ phụ, các cuộn dây tác động phụ, có đưa thêm vào hệ thống
mạng tín hiệu nội bộ (thông tin, điều khiển và chỉ thị…).
6.5.2.Contactor
Contactor là khí cụ điện đóng cắt nhờ lực hút của cuộn dây. Contactor có thể
đóng được dòng điện không tải, dòng định mức hay dòng khởi động của động cơ. Nó
có thể cắt dòng điện có tải hay quá tải nhẹ.
Contactor có hai vị trí: đóng – cắt, được chế tạo có số lần đóng – cắt lớn, tần số
đóng có thể đến 1500 lần trong một giờ.
48
a) Phân loại
Hình 6.6. Contactor kiểu điện từ
Contactor hạ áp thường dùng kiểu không khí, phân ra nhiều loại như sau:
Theo nguyên lý truyền động, có contactor kiểu điện từ, có kiểu hơi ép, kiểu
thuỷ lực. Thường gặp contactor kiểu điện từ. Contactor kiểu điện từ có các bộ
phận chính như sau: hệ thống tiếp điểm chính, hệ thống dập hồ quang, cơ cấu điện
từ, hệ thống tiếp điểm phụ.
49
Theo dòng điện, có contactor điện một chiều và contactor điện xoay chiều.
Theo kiểu kết cấu có contactor hạn chế chiều cao và Contactor hạn chế
chiều rộng.
b) Các yêu cầu cơ bản của contactor
Điện áp định mức Uđm là điện áp của mạch điện tương ứng mà tiếp điểm
chính phải đóng cắt.
Dòng điện định mức Iđm là dòng điện định mức đi qua tiếp điểm chính trong
chế độ làm việc gián đoạn – lâu dài, nghĩa là ở chế độ này thời gian contactor ở
trạng thái đóng không lâu quá 8 giờ. Nếu contactor được đặt trong tủ điện thì
dòng điện định mức phải lấy thấp hơn 10% vì làm mát kém.
Khả năng đóng cắt: đó là khả năng cho phép dòng điện đi qua tiếp điểm
chính khi cắt mạch hoặc khi đóng mạch.
Tuổi thọ của contactor: tuổi thọ của contactor được tính bằng số lần đóng mở, sau số
lần đóng mở ấy contactor sẽ hỏng không dùng được nữa. Sự hư hỏng của nó có thể là
do mất độ bền cơ khí hay độ bền điện.
Độ bền cơ khí được xác định bởi số lần đóng cắt không tải contactor. Contactor
hiện đại đạt tuổi thọ cơ khí tới (10 đến 20) triệu lần thao tác.
Độ bền điện được xác định bởi số lần đóng cắt các tiếp điểm có tải định mức.
Hiện nay đã có contactor đạt tuổi thọ tới 3 triệu lần thao tác.
Tần số thao tác: đó là số lần đóng cắt contactor trong một giờ.
Tính ổn định lực điện động: contactor có tính ổn định lực điện động nghĩa
là tiếp điểm chính của nó cho phép một dòng điện lớn nhất đi qua mà lực điện
động sinh ra không làm tách rời tiếp điểm. Quy định lấy dòng điện thử bằng 10
lần dòng điện định mức (10Iđm).
Tính ổn định nhiệt: contactor có tính ổn định nhiệt nghĩa là khi có dòng
điện ngắn mạch chạy qua trong một khoảng thời gian cho phép, các tiếp điểm
không bị nóng chảy và hàn dính lại.
Hệ thống tiếp điểm của contactor
Các tiếp điểm của contactor phải chịu được độ mài mòn về điện và về cơ cấu
trong các chế độ làm việc nặng nề và có tần số thao tác lớn. Để đáp ứng yêu cầu đó
tức là giảm độ mài mòn và để giảm điện trở tiếp xúc, cần phải chế tạo để các tiếp điểm
có tiếp xúc đường.
d) Cấu tạo và nguyên lý làm việc của contactor kiểu điện từ
Về nguyên lý, contactor có cấu tạo cơ bản gồm: cuộn dây và mạch từ, hệ thống
tiếp điểm chính và buồng dập hồ quang, hệ thống tiếp điểm phụ. Cấu tạo chi tiết của
contactor kiểu điện từ sử dụng điện xoay chiều như sau:
Mạch từ: Các lõi thép có hình dạng chữ E hoặc chữ II, nó gồm có những lá
tôn silíc, có chiều dầy 0,35 mm hoặc 0,5 mm, ghép lại để tránh tổn hao dòng điện
50
xoáy Foucault. Mạch từ thường chia làm hai phần: một phần được kẹp chặt cố định
(phần tĩnh), phần còn lại là nắp (còn gọi là phần ứng hay phần động) được nối với
hệ thống tiếp điểm qua hệ thống tay đòn.
Cuộn dây hút: cuộn dây có điện trở rất bé so với điện kháng. Dòng điện trong
cuộn dây phụ thuộc vào khe hở không khí giữa nắp và lõi thép cố định. Kết quả là
không được phép cho điện áp vào cuộn dây khi vì lý do nào đấy nắp bị giữ ở vị trí
mở.
Các cuộn dây của phần lớn các contactor được tính toán sao cho được phép đóng
ngắt tới 600 lần trong một giờ, ứng với hệ số đóng điện = 40%. Cuộn dây của
contactor điện xoay chiều cũng có thể được cung cấp từ lưới điện một chiều.
Cơ cấu truyền động: phải có cấu tạo sao cho giảm được thời gian thao tác đóng
ngắt tiếp điểm, nâng cao lực ép các tiếp điểm và giảm được tiếng kêu va đập.
Các tiếp điểm chính và buồng dập hồ quang:
Các tiếp điểm chính của contactor khi làm việc phải chịu được dòng điện định
mức, dòng điện quá tải, ngắn mạch trong thời gian ngắn cũng như phải cắt được
dòng điện có tải cũng như quá tải nên thường được trang bị buồng dập hồ quang.
Thường dòng điện định mức của contactor (tùy nhà chế tạo) có thể lên đến vài
nghìn Ampe. Buồng dập hồ quang của các contactor hạ áp thường dùng phương pháp
chia cắt hồ quang có thể kết hợp với việc thổi hồ quang bằng từ trường do kết cấu
của các vách ngăn bằng vật liệu sắt từ. Ở điện áp cao buồng dập hồ quang có thể
sử dụng phương pháp dập hồ quang trong chân không, trong dầu, khí áp suất cao…
Hệ thống tiếp điểm phụ:
Để thuận tiện cho việc phối hợp điều khiển, các contactor còn được trang bị
các tiếp điểm phụ chỉ có thể đóng cắt mạch điều khiển hoặc làm tín hiệu cho các
thiết bị điều khiển tự động, cảnh báo…có hai loại tiếp điểm phụ : tiếp điểm thường
đóng (NC) và tiếp điểm thường hở (NO).
Nguyên lý làm việc: muốn đóng điện cho tải thì đóng khóa K trên mạch điều
khiển, cuộn dây contactor sẽ sinh ra lực điện từ hút chập hai nửa mạch từ lại với nhau,
vì Ftđ > Flò _ xo nên lò xo bị nén lại đồng thời thanh truyền động sẽ kéo tiếp xúc động
đóng chặt vào tiếp xúc tĩnh, khi đó tiếp điểm thường đóng mở ra còn tiếp điểm thường
mở đóng lại làm cho mạch điện được nối liền. Muốn cắt điện khỏi tải, ngắt khóa K,
cuộn dây điện áp mất điện, lực điện từ bị triệt tiêu, lò xo đẩy 2 nửa mạch từ cách xa
nhau và tiếp xúc động tách rời khỏi tiếp xúc tĩnh, mạch điện được cắt.
Nguyên lý làm việc của contactor điện một chiều kiểu điện từ cũng tương tự như
trên, thường chỉ khác hình dáng cấu tạo truyền động của mạch từ tới tiếp điểm. Cụ thể
là contactor điện một chiều hầu hết dùng mạch từ kiểu súppáp có tiếp điểm động bắt
chặt ngay vào nắp. Ngoài ra vì là điện một chiều nên mạch từ thường làm bằng sắt
51
