Máy ngắt điện cao áp
Máy ngắt điện cao áp dùng để đóng, cắt mạch khi có dòng phụ tải và cả khi có dòng ngắn mạch. Máy ngắt cao áp là cơ cấu đóng mở cơ khí có khả năng đóng, dẫn liên tục và cắt dòng điện trong điều ...
Máy ngắt điện cao áp dùng để đóng, cắt mạch khi có dòng phụ tải và cả khi có dòng ngắn mạch.
Máy ngắt cao áp là cơ cấu đóng mở cơ khí có khả năng đóng, dẫn liên tục và cắt dòng điện trong điều kiện bình thường và cả trong thời gian giới hạn khi xảy ra điều kiện bất thường trong mạch (ví dụ như ngắn mạch). Máy ngắt được sử dụng để đóng mở đường dây trên không, các nhánh cáp, máy biến áp, cuộn kháng điện và tụ điện. Chúng cũng được sử dụng cho thanh góp, sao cho điện năng có thể được truyền từ một thanh góp này sang một thanh góp khác.
Máy ngắt được thiết kế đặc biệt dùng cho các nhiệm vụ đặc biệt như đường sắt, ở đó sử dụng lưới 16 23 size 12{ { {2} over {3} } } {}Hz, phải dập tắt hồ quang dài hơn (dài hơn nửa sóng).
Máy ngắt được sử dụng cho lò nung chảy có hoạt động thường xuyên thì yêu cầu lực tác động nhỏ hơn và dung lượng cắt thấp hơn. Do vậy chúng ít chịu mài mòn, mặc dù chế độ đóng mở cao và khoảng thời gian làm việc dài.
Yêu cầu với chúng phải cắt nhanh, khi đóng/cắt không gây nổ hoặc cháy, kích thước gọn nhẹ, giá thành hạ. Trong máy ngắt cao áp vấn đề dập tắt hồ quang khi cắt ngắn mạch rất quan trọng. Do vậy thường căn cứ phương pháp dập hồ quang để phân loại máy ngắt.
Ngắt dòng điện ngắn mạch là chế độ làm việc nặng nhất và cơ bản. Song qúa điện áp sinh ra khi ngắt dòng điện bé của máy biến áp không tải, ngắt dòng điện dung của đường dây dài và nhiều trường hợp khác cũng là điều kiện làm việc nặng nề cho cả hệ thống ngắt.
Trong nhiều trường hợp đại lượng quá điện áp được xác định bằng sự đặc biệt của kết cấu máy ngắt, cho nên các yêu cầu đối với máy ngắt cao áp hiện đại không giống như đối với một máy cách li dòng điện đơn giản mà phải yêu cầu như thiết bị ngắt mạch có dòng điện không làm nguy hại cho hệ thống và đảm bảo an toàn chắc chắn. Chế tạo máy ngắt nếu chỉ có tác dụng để ngắt dòng điện phụ tải thì đơn giản hơn.
Theo nguyên tắc hệ thống dẫn điện của máy ngắt nối tiếp với mạch điện của các thiết bị điện cao áp. Khi đó các bộ phận kết cấu cơ bản của máy ngắt cần phải chống sự tác động nhiệt, điện từ trong khi làm việc bình thường cũng như khi ngắn mạch phải chống trường tĩnh điện tác động vào cách điệ̣n lúc điện áp định mức và cả trong lúc quá điện áp. Trong quá trình làm việc của máy ngắt còn có những hiện tượng sinh ra thêm nhiều phụ tải nhiệt, cơ và điện tác động vào từng bộ phận riêng của kết cấu máy ngắt (sự cháy của hồ quang điện khi ngắt, sự tăng áp suất của chất khí và chất lỏng trong không gian công tác, các bộ phận cơ chuyển động với gia tốc lớn và nhiều những hiện tượng khác). Trong trường hợp các dự trữ kết cấu của máy ngắt qui định không tương ứng với điều kiện cho trước thì mỗi yếu tố đã kể có thể là nguyên nhân sinh hư hỏng từng bộ phận hay toàn bộ các phần của máy ngắt, dẫn tới phá hỏng sự làm việc bình thường của một khu vực trong hệ thống điện, nghĩa là dẫn tới sự cố. Máy ngắt phải tự động hạn chế sự cố trong hệ thống, nên các bộ phận kết cấu của nó phải tuyệt đối ổn định đối với tác động nhiệt và lực điện động, cũng như đối với tác động của điện áp ở mọi giá trị.
a) Yêu cầu chung đối với máy ngắt
a.1) Sự tương ứng của các đặc tính máy ngắt đối với những qui định cho trước của nó.
a.2) Tất cả các bộ phận kết cấu của máy ngắt trong thời gian vận hành phải làm việc.
Các yêu cầu chung đối với máy ngắt cao áp được nêu trong các tiêu chuẩn kĩ thuật khác nhau (như tiêu chuẩn Liên Xô cũ OCT 687-41 hay các tiêu chuẩn quốc tế :IEC, DIN VDE, ANSI).
b) Các yêu cầu đặc biệt khác
Ngoài những yêu cầu chung, trong các trường hợp riêng cũng có những yêu cầu đặc biệt đối với máy ngắt, phụ thuộc vào điều kiện riêng mà máy ngắt làm việc, như:
b.1) Khả năng làm việc ở vùng ẩm ướt, nhiều bụi bặm và có chất nổ.
b.2) Khả năng làm việc ở vùng rất cao hơn mặt biển.
b.3) Khả năng làm việc ở các thiết bị di động (đầu máy xe lửa điện, tàu thủy,...).
b.4) Thích hợp với điều kiện làm việc ở nhiệt độ rất thấp.
Do năng lượng ngày càng phát triển, và áp dụng các phương pháp hoàn chỉnh trong vận hành hệ thống điện nên máy ngắt là một trong những bộ phận quan trọng nhất của hệ thống yêu cầu nâng cao các chỉ tiêu kĩ thuật vận hành như: tăng dòng điện định mức, tăng công suất ngắt, nâng cao tác động nhanh, tác động nhanh nhiều lần của AB (đóng lặp lại tự động), tăng độ chống ăn mòn của các bộ phận cơ và của cách điện; vận chuyển, lắp ráp, vận hành thuận tiện, an toàn về nổ và hỏa hoạn,...
Trong khi thiết kế máy ngắt hiện đại cần đặc biệt lưu ý đến vấn đề nâng cao các chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật, trọng lượng ít nhất trong một đơn vị công suất ngắt. Kết cấu của máy ngắt cần phải đơn giản, vững chắc, các chi tiết và các mối kết cấu trong tất cả các loại máy ngắt phải thống nhất và cần phải áp dụng các phương pháp gia công tiên tiến. Trong chế tạo sử dụng rộng rãi các nguyên liệu có tính cơ, tính điện, tính nhiệt cao và kinh tế nhất (các nguyên liệu tiếp điểm đặc biệt, đồ gốm có độ bền cao,...).
- Máy ngắt nhiều dầu
Dầu vừa là chất cách điện đồng thời sinh khí để dập tắt hồ quang.
- Máy ngắt ít dầu
Lượng dầu ít chỉ đủ sinh khí dập tắt hồ quang còn cách điện là chất rắn.
- Máy ngắt không khí
Dùng khí nén để dập tắt hồ quang.
- Máy ngắt tự sinh khí
Dùng vật liệu cách điện có khả năng tự sinh khí dưới tác dụng của nhiệt độ cao của hồ quang. Khí tự sinh ra có áp suất cao dập tắt hồ quang.
- Máy ngắt điện từ
Hồ quang được dập trong khe hẹp làm bằng vật liệu rắn chịu được hồ quang, lực điện từ đẩy hồ quang vào khe.
- Máy ngắt chân không
Hồ quang được dập trong môi trường chân không.
- Máy ngắt SF6
Dùng khí SF6 để dập hồ quang.
+ Uđm là điện áp dây lớn nhất mà máy ngắt có thể làm việc bình thường tin cậy trong thời gian dài.
Uđm xác kích thước lớn nhỏ của máy ngắt, có các cấp sau: 3, 6, 10, 15, 20, 35, 110, 220, 330, 500, 750kV. Bộ phận mang điện chịu được các cấp dòng điện: 32, 63, 100, 200,..., 25000A.
+ Iđm là dòng chạy lâu dài qua máy ngắt mà không làm quá nhiệt và không gây hư hỏng, (liên quan kích thước các chi tiết trong máy ngắt).
+ Iđđm là dòng ổn định động định mức.
+ Inhđm là dòng ổn định nhiệt tương ứng thời gian ổn định định mức tnh .
+ Icđm là dòng cắt định mức chính là dòng ngắn mạch ba pha hiệu dụng toàn phần lớn nhất máy ngắt có thể cắt được mà không gây hư hại gì cho máy ngắt. Icđm xác định từ thực nghiệm. Vì máy ngắt phải cắt một số lần liên tục nên thí nghiệm đòi hỏi phải cắt được dòng cắt định mức theo chu trình sau:
C - 180 - ĐC - 180 - ĐC (theo tiêu chuẩn Liên Xô cũ).
C-0,3-ĐC - 60 - ĐC (theo tiêu chuẩn IEC với máy ngắt SF6).
Với loại máy ngắt 550MHMe-1P/S là loại siêu cao áp dùng để nối đất tụ bù đường dây 500kV có chu trình thao tác đặc biệt: C- 0,15 - Đ- 4- C- 15 - ĐC.
Để xác định Icđm theo quy định có:
* C: kí hiệu máy ngắt tác động cắt khi tín hiệu tới từ các rơle.
*ĐC: thao tác đóng máy ngắt lúc ngắn mạch và sau đó lại cắt ra.
*Đ: thao tác đóng máy ngắt.
* 180, 0,15, 60,...:là khoảng thời gian giữa hai lần thao tác liên tục tính bằng giây (s).
Công suất cắt định mức Scđm= 3 size 12{ sqrt {3} } {}Uđm.Icgh
+ Icgh: dòng cắt lớn nhất cho phép khi U<Uđm.
+ ttđ: khoảng thời gian tính từ khi có tín hiệu ngắt đến thời điểm hồ quang bị dập tắt trên cả ba pha.
- Tác động nhanh ttđ= (0,02 0,06)s.
- Tác động trung bình ttđ = (0,15 0,1)s.
- Tác động chậm ttđ = (0,15 0,25)s.
Ngoài ra yêu cầu máy ngắt có khả năng đóng mạch ngay cả khi đang có dòng ngắn mạch mà các đầu tiếp xúc không hư hại gì.
Các điểm chính cần chú ý khi lựa chọn máy ngắt bao gồm:
- Điện áp làm việc cực đại tại nơi đặt.
- Độ cao của trạm so với mặt biển.
- Dòng điện làm việc cực đại tại nơi đặt.
- Dòng ngắn mạch cực đại tại nơi đặt.
- Tần số hệ thống.
- Khoảng thời gian tồn tại dòng ngắn mạch.
- Chu kì đóng mở.
- Các điều kiện làm việc đặc biệt và điều kiện khí hậu.
Các trị số định mức có thể được lựa chọn ở bảng 11.1 và 11.2.
Các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế quan trọng để đánh giá máy ngắt gồm:
IEC, DIN VDE, ANSI (American National Standards Institution-viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ). Tiêu chuẩn Liên Xô cũ OCT 687-41
Khi chọn cần phải dựa vào
+ So sánh các chỉ tiêu của các kiểu máy ngắt hiện có với những tham số cho trước.
+ Đánh giá khả năng thực tế và nguyên tắc ở kết cấu của kiểu được chọn với các đặc tính yêu cầu cho trước.
Dưới đây giới thiệu sự phân loại và một vài kinh nghiệm có tính chất định hướng theo sự đánh giá so sánh các kiểu máy ngắt cao áp điện xoay chiều. Về phương diện chọn kiểu người ta phân loại máy ngắt theo:
+ Theo loại môi trường dập hồ quang.
+ Theo cách dập hồ quang.
+ Theo phương pháp cách điện ở chỗ cao áp của các phần dẫn điện.
+ Theo điện áp định mức.
+ Theo dòng điện định mức.
+ Theo công suất ngắt định mức.
+ Theo quan hệ về kết cấu của bộ phận truyền động cơ khí của máy ngắt với truyền động.
+ Theo thang tác động nhanh.
+ Theo sự tiện lợi cho AB tức thời.
Ở bảng 11.1 giới thiệu sự phân loại máy ngắt theo loại môi trường dập hồ quang và theo cách dập hồ quang. Bảng 11.2 giới thiệu các đặc điểm ưu và khuyết của các kiểu máy ngắt ở một số các thang điện áp khác nhau.
Theo điện áp định mức ngắt có thể chia ra làm hai nhóm chính.
- Máy ngắt điện áp 35kV và cao hơn là máy ngắt trạm biến áp.
- Máy ngắt điện áp 20kV và thấp hơn là máy ngắt máy phát.
Máy ngắt trạm biến áp là nhóm lớn, thường dòng điện định mức tới hơn 2000A. Với loại này yêu cầu khả năng ngắt rất cao (tớí hơn 20.000 MVA) tác động nhanh, tiện lợi đối với AB tức thời và nhiều đặc tính khác.
Máy ngắt trạm biến áp sử dụng ưu việt các loại máy ngắt sau:
+ Máy ngắt không khí (máy ngắt không khí trụ).
+ Máy ngắt ít dầu.
+ Máy ngắt nhiều dầu.
Hiện nay phổ biến máy ngắt kiểu mới SF6, khí elegas (SF6) có khả năng dập hồ quang rất cao, được sử dụng làm môi trường dập hồ quang. Kiểu máy ngắt này có những đặc tính kĩ thuật vận hành và kinh tế kĩ thuật cao.
Từ đó so sánh các tham số ở bảng 11.1, 11.2, và theo tài liệu hiện có đi đến kết luận máy ngắt không khí ưu việt hơn các máy ngắt khác, đặc biệt đối với máy ngắt có điện áp định mức 110kV và cao hơn.
Ở các trạm sự cần thiết để có khí nén cho máy ngắt không khí làm việc không nên cho rằng đó là nhược điểm, vì trong các trạm phân phối điện cao áp hiện đại hệ thống các máy ngắt, các cầu dao điều khiển bằng hơi là hợp lí nhất, hoàn chỉnh và thuận tiện nhất cho việc tự động hóa.
Tuy thế, đòi hỏi gia công chính xác, nên giá thành máy ngắt không khí cao hơn máy ngắt ít dầu khi cùng một chỉ tiêu trọng lượng.
Ứng dụng máy ngắt ít dầu về mặt kĩ thuật và kinh tế cho những nơi kém quan trọng hơn của hệ thống điện, ở đây các yêu cầu về trị số công suất ngắt, những đặc tính vận hành khác (tác động rất nhanh, AB tức thời, nhiều lần, ngắt một cách tin cậy dòng điện điện dung nhỏ, khả năng thường xuyên kiểm tra và thay đổi hệ thống tiếp xúc,...) có thể ít hơn.
Các tham số định hướng | ||||||
Loại môi trường dập hồ quang. | Cách dập hồ quang | Kiểu thiết bị dập hồ quang | Kiểu máy ngắt | Điện áp định mức [kV] | Dòng điện định mức [A] | Công suất ngắt định mức [MVA] |
Dập hồ quang ở trong dầu | Tiếp xúc đứt quãng đơn giản trong dầu | Bình dầu | 10 | 1500 | 50 | |
Dầu | Làm lạnh ráo riết thân hồ quang trong buồng | buồng có bộ phận thổi dọc hay ngang trong dầu. | Bình dầu cả buồng dập hồ quang | 35110330 | 200020002000 | 1000520025000 |
của sản phẩm tạo thành khí tách rời từ | ít dầu | 1035110330 | 1500150020002000 | 3001000250010000 | ||
dầu (hỗn hợp khí hơi) | bức phên dập hồ quang | ít dầu kiểu chậu | 15(20) | 6000 | 2500 | |
Chất lỏng không cháy | Làm lạnh ráo riết thêm hồ quang | buồng có bộ phận thổi trong nước | ít nước | 15 | 600 | 300 |
(nước) | trong luồng hơi nước | bức phên dập hồ quang | nước kiểu chậu | 15 | 2000 | 1500 |
Chất rắn sinh ra khí | Làm lạnh ráo riết thân hồ quang trong luồng của sản phẩm tạo thành khi tách ra từ chất rắn sinh ra khí. | Buồng có bộ phận thổi dọc hay ngang | Tự động khí | 10 | 600 | 300 |
Không khí nén | Làm lạnh ráo riết thân hồ quang trong luồng | Buồng thổi không khí dọc | Không khí (không khí trục) | 1035110400 | 2000200020002000 | 30001500500025000 |
không khí nén | hay ngang | Tự động điều khiển bằng hơi | 10 | 400 | 2550 | |
Buồng thổi dọc có shun bằng điện trở nhỏ. | Không khí có shun bằng điện trở thấp . | 15 | 12000 | 4000 | ||
Không khí và mặt phẳng làm lạnh của các thành buồng | Chuyển dịch bằng từ trường ngang và làm lạnh thêm hồ quang trong khe hẹp của buồng. | Buồng kiểu khe với hệ thống từ trường thổi. | Không khí điện từ với buồng có khe. | 15 | 4000 | 7500 |
Không khí và mặt phẳng làm lạnh các điện cực. | Chia thân hồ quang ra nhiều phần liên tiếp bởi chuyển dịch bằng từ trường. | Buồng với sự làm lạnh bằng lưới với hệ thống từ trường thổi. | Không khí điện từ với những tấm lưới dập hồ quang. | 15 | 2000 | 1000 |
Khí ele gas(SF6) | Làm lạnh thêm hồ quang trong luồng khí elegas. | Buồng thổi elegas dọc hay ngang | elegas | 380 và cao hơn | 2000và cao hơn | 40000và cao hơn |
Chân không | Phân tách thêm hồ quang trong chân không | Chân không dập hồ quang | Chân không | 110 và cao hơn | 600 | 250 |
Kiểu máy ngắt và điện áp định mức (1) | Các ưu việt cơ bản(2) | Các nhược điểm cơ bản(3) |
Bình dầu có buồng dập hồ quang điện áp 110kV và cao hơn | 1. Cơ cấu tương đối đơn giản.2. Có khả năng đặt máy biến dòng ở bên trong.3. Năng lực ngắt cao.4. Thích hợp với các trạm ngoài trời. | 1. Không an toàn về hỏa hoạn và phát nóng2. Cần thiết kiểm tra thường xuyên trạng thái dầu trong bình và trong các sứ vào cao áp.3. Khối lượng dầu lớn yêu cầu thời gian khá dài để kiểm tra buồng dập hồ quang và hệ thống tiếp xúc. Thời gian thay dầu lớn.4. Trong trạm biến áp cần thiết phải dự trữ dầu nhiều và các trang bị lọc dầu rất qui mô.5. Thực tế không thích hợp với các trạm trong nhà máy.6. Ít thích hợp cho AB tức thời nhiều lần trong chu trình.7. Các tiếp xúc dập hồ quang khá lớn.8. Chi phí nhiều cho sản xuất bình dầu.9. Trọng lượng lớn không thuận tiện cho chuyên chở lắp ráp.10. Không có khả năng tạo thành thể thống nhất với sự áp dụng những hệ thống lớn. |
Máy ngắt ít dầu 35 kV và cao hơn. | 1. Khối lượng dầu không lớn.2. Trọng lượng tương đối nhẹ.3. Cơ cấu rất đơn giản so với máy ngắt không khí4. Giá thành tương đối thấp.5. Thích hợp cho các trạm trong nhà và ngoài trời.6. Nhẹ hơn máy ngắt kiểu bình dầu ở điện áp 35 kV và cao hơn.7. Có khả năng tạo thành một thể thống nhất. | 1. Không an toàn về hỏa hoạn và phát nổ, nhưng ít hơn ở các máy ngắt trên.2. Thực hiện AB tức thời nhiều lần phức tạp.3. Thực hiện lọc lại dầu khó.4. Sự cần thiết kiểm tra, và thay đổi thường xuyên dầu trong bình dập hồ quang.5. Các tiếp xúc dập hồ quang tương đối lớn.6. Không thích hợp với trường hợp ngắt thường xuyên.7. Đặt máy biến dòng bên trong khó khăn.8. Năng lực ngắt giới hạn tương đối kém. |
Máy ngắt không khí 35 kV và cao hơn. | 1. An toàn về hỏa hoạn và phát nổ.2. Tác động nhanh và thích hợp cho A Π size 12{ size 10{Π}} {}B trong bất kì chu trình nào.3. Năng lực ngắt cao.4. Ngắt dòng điện điện dung của đường dây không tải vững chắc.5. Các tiếp xúc dập hồ quang mòn ít.6. Thiết bị dập hồ quang dễ tiếp xúc và sự kiểm tra chúng đơn giản.7. Trong vận hành không phải tiêu tốn dầu cho máy ngắt.8. Trọng lượng tương đối nhẹ (so sánh với máy ngắt kiểu bình dầu).9. Có khả năng tạo thành một loạt với những mối thống nhất lớn. FIXME: A LIST CAN NOT BE A TABLE ENTRY. Thích hợp cho cả trạm ngoài trời và trong nhà. | 1. Ở trạm biến áp cần thiết phải có các thiết bị nén và lọc không khí.2. Cơ cấu chi tiết và các khâu tương đối phức tạp, mức độ chính xác gia công cao.3. Giá thành tương đối cao.4. Đặt máy biến dòng bên trong khó khăn. |
Máy ngắt kiểu tự động khí. | 1. Hoàn toàn an toàn về hỏa hoạn và phát nổ.2. Không cần dầu do đó việc vận hành đơn giản. | 1. Giới hạn phía trên của điện áp định mức bị hạn chế (bé hơn 15kV).2. Mòn các bộ phận sản ra khí nên thay đổi đặc tính của thiết bị dập hồ quang do đó phải kiểm tra trạng thái thiết bị dập hồ quang.3. Các tiếp xúc dập hồ quang mòn nhiều.4. Không phù hợp với trạm ngoài trời. |
Máy ngắt kiểu điện từ. | 1. Hoàn toàn an toàn về hỏa hoạn và phát nổ.2. Mòn các tiếp xúc dập hồ quang và các bộ phận công tác của thiết bị dập hồ quang.3. Phù hợp với trạm ngắt thường xuyên.4. Năng lực ngắt khá cao. | 1. Cơ cấu thiết bị dập hồ quang với hệ thống từ thổi tương đối phức tạp.2. Giới hạn phía trên của điện áp định mức bị hạn chế (không quá 20-35 kV).3. Sự phù hợp với trạm ngoài trời hạn chế. |
Theo các tham số cơ bản (điện áp định mức, dòng điện, công suất ngắt) máy ngắt kiểu bình dầu ngang hàng với máy ngắt không khí đặc biệt là sau khi kết cấu máy ngắt kiểu bình dầu có nhiều cải tiến.
Tuy vậy đặc tính vận hành của máy ngắt dầu trong nhiều trường hợp thua máy ngắt không khí, thí dụ như không an toàn về hỏa hoạn và phát nổ. Cho nên máy ngắt kiểu này chưa được phát triển nhiều trong sản xuất và sử dụng trong vận hành trạm và hệ thống điện, đặc biệt cho điện áp 110 kV và cao hơn.
Nhóm máy ngắt máy phát có đặc điểm là dòng điện định mức (bé hơn 12000A), công suất ngắt định mức rất lớn (tớí hơn 4000 MVA) cũng như dòng điện ngắt giới hạn lớn (tới hơn 100 - 150 kA).
Máy ngắt máy phát sử dụng máy ngắt ít dầu kiểu chậu và máy ngắt không khí (không khí trụ) là ưu việt hơn cả. Về nguyên tắc mà nói cũng có thể có khả năng chế tạo máy ngắt máy phát cho tham số trung bình, trên cơ sở của nguyên tắc dập hồ quang bằng điện từ (cùng với buồng có khe hay cùng với tấm lưới).
Hiện nay máy ngắt nhiều dầu không áp dụng làm máy ngắt máy phát.
Máy ngắt ít dầu kiểu chậu về nguyên tắc cũng có thể chế tạo với dòng điện định mức và công suất định mức rất lớn, có thể đạt tới giá trị lớn (hơn 2500 MVA). Song đặc tính vận hành của máy ngắt kiểu này kém máy ngắt không khí.
Nhiệm vụ sản xuất máy ngắt máy phát với tham số thật cao (dòng điện hơn 12.000A, công suất ngắt hơn 4000 MVA) đặc biệt khó khăn. Trong trường hợp này máy ngắt không khí có điện trở nhỏ dập hồ quang bên trong là phù hợp hơn cả.
Chúng ta sẽ rõ ở các chương sau, nhờ áp dụng điện trở shun nhỏ dập hồ quang trong quá trình ngắt, máy ngắt có thể dễ dàng dập tắt hồ quang lớn, mặc dù tần số của điện áp phục hồi rất lớn đối với các máy phát của hệ thống điện.
Máy ngắt với điện áp định mức đến 15 kV, dòng điện định mức đến 1500 A, với công suất ngắt định mức đến 400 - 500 MVA được xem là máy ngắt cung cấp.
Tất cả các kiểu máy ngắt kể trên đều nằm trong nhóm máy ngắt cung cấp:
a) Bình dầu có khoảng ngắt đơn giản.
b) Bình dầu có buồng dập hồ quang.
c) Ít dầu ( trong đó có kiểu chậu).
d) Ít chất lỏng không cháy.
đ) Tự sản khí.
e) Không khí.
g) Tự động điều chỉnh bằng hơi.
- Không khí dập hồ quang bằng điện từ.
- Máy ngắt chân không.
Máy ngắt cung cấp có rất nhiều kiểu nhiều vẻ khác nhau cho nên rất khó đánh giá và lựa chọn. Trong khi giải quyết nhiệm vụ này cần phải chú ý đến hàng loạt suy luận. Trước hết cần phải biết máy ngắt có thể có tác dụng cho thiết bị không chỉ ở nhà máy điện mà cả ở các trạm biến áp của hệ thống lớn, nhưng chủ yếu là ở các thiết bị công nghiệp năng lượng của nhà máy xí nghiệp khai thác mỏ, hầm mỏ, nơi khai thác than bùn, công nghiệp khai thác dầu,..., cũng như trong mạng lưới nông nghiệp. Cho nên kết cấu máy ngắt này cần phải hết sức đơn giản, vững chắc trong vận hành, thuận tiện trong lắp ráp. Sản xuất máy ngắt như thế phải hàng loạt, giá thành thấp.
Trong khi chọn kiểu cần phải tính đến chỗ định đặt máy ngắt đang thiết kế. Trước hết, máy ngắt cung cấp có thể đặt ở trạm phân phối ngoài trời của nhà máy điện và trạm biến áp, ở trạm phân phối có tủ, ở mạch mở động cơ, ở các trạm biến áp của mạng lưới công suất nhỏ, ở các trạm biến áp nông nghiệp kiểu ngoài trời và các trạm biến áp ngầm của hầm mỏ,...Trong nhiều trường hợp máy ngắt cần phải đảm bảo đóng ngắt nhiều lần trong thời gian một ngày đêm (ví dụ máy ngắt thiết bị lò điện).
Điều kiện làm việc khác nhau dẫn đến cần thiết sử dụng tất cả các kiểu máy ngắt đã kể. Kinh nghiệm cho thấy rằng, hiện nay máy ngắt ít dầu và máy ngắt hồ quang bằng điện từ là vạn năng và hoàn chỉnh. Càng cải tiến kết cấu và vật liệu cách điện mới vững bền hơn máy ngắt điện từ được ứng dụng một cách khá ưu việt.
Cần phải đưa máy ngắt phụ tải vào nhóm đặc biệt chúng khác với máy ngắt cao áp bình thường là ở công suất ngắt nhỏ, nhờ đó kết cấu đơn giản hơn, trọng lượng và giá thành thấp hơn. Máy ngắt phụ tải cùng với cầu chì trong quan hệ đóng ngắt bằng giá máy ngắt cung cấp. Do có lợi về kinh tế máy ngắt phụ tải được sử dụng rộng rãi.
Các kiểu máy ngắt được sử dụng một cách ưu việt cho máy ngắt phụ tải gồm:
a) Tự sản khí.
b) Tự động điều khiển bằng hơi.
c) Điện từ.
Máy ngắt chân không cũng đã được áp dụng trong sản xuất.
Mỗi kiểu máy ngắt có thể được thực hiện với nhiều phương án kết cấu khác nhau, nhưng mỗi phương án trình bày dưới dạng một sơ đồ biểu hiện các đặc điểm chính của kết cấu đó. Sơ đồ kết cấu cần phải thể hiện:
+ Số lượng khoảng ngắt dòng điện trong mỗi pha, cách bố trí tương hỗ của tiếp điểm.
+ Số lượng, vị trí và cách bố trí tương hỗ của thiết bị dập hồ quang.
+ Kết cấu của mạch dẫn điện và cách bố trí tương hỗ của các bộ phận dẫn điện.
+ Phương pháp cách điện các bộ phận kết cấu có điện thế khác nhau và các phần nối đất.
a) b) c) Hình 11-1Sơ đồ kết cấu của các máy ngắt nhiều dầua) Một bình với khoảng ngắt đơn giản trong dầu.b) Máy ngắt kiểu ba bình (một cực) bình tròn với mỗi cực có hai buồng dập hồ quang.c) Máy ngắt kiểu ba bình (một cực) với mỗi cực có hai buồng dập hồ quang.Hình 11-2: Sơ đồ kết cấu của máy ngắt ít dầua) Mỗi cực có một khoảng ngắt trong bình kim loại, dùng cho thiết bị treo tường.b) Một cực có một khoảng ngắt trong bình sứ với máy biến dòng trong sứ xuyên, dùng cho thiết bị treo trên tường.c) Mỗi cực có hai khoảng ngắt dập hồ quang trong các bình kim loại, có hệ thống tiếp điểm chính và dập hồ quang với bộ truyền động cơ khí đặt trong khung đỡ.d) Mỗi cực có một khoảng ngắt trong bình sứ, với máy biến dòng trong sứ xuyên và truyền động cơ khí đặt trong khung treo.đ) Mỗi cực có một khoảng ngắt trong bình cách li có dao cách li ngoài, truyền động cơ khí đặt trong khung đỡ.e) Hai buồng dập hồ quang đặt nghiêng trên một sứ đỡ.g) Mỗi cực có một khoảng ngắt trong bình sứ với sứ đỡ đổ đầy dầu.h) Mỗi cực có một khoảng ngắt trong bình sứ thiết bị dập hồ quang và truyền động cơ khí cùng đặt trong sứ đỡ.
+ Cách bố trí định hướng các trụ kim loại, các bình dầu, các bình nén không khí, các thiết bị thải khí,...
+ Cấu trúc và bố trí truyền động cơ khí.
+ Cách bố trí tương hỗ của máy ngắt và truyền động.
Một số sơ đồ kết cấu máy ngắt chính giới thiệu ở các hình 11-1, 11-2, 11-3 và 11-4.
Chúng ta sẽ nghiên cứu đặc tính đặc biệt của một số kết cấu máy ngắt.
a) Trong kết cấu máy ngắt ít dầu với bình cách li, khi ở vị trí ngắt các tiếp điểm dập hồ quang còn lại trong dầu nối tiếp với khoảng ngắt dập hồ quang (nghĩa là khoảng ngắt được hình thành ở trong dầu) do tách dao cách li phụ đặc biệt, tạo thành đứt quãng trong không khí (xem hình 11-2).
Nhờ vậy cách điện của dụng cụ dập hồ quang được bỏ đi. Ở trong những máy ngắt này chỉ cho phép không dùng dao cách li trong trường hợp khi số lượng dầu đầy đủ trong bình dập hồ quang và dầu không mất tính cách điện.
b) Hình dạng và cách bố trí các bộ phận cách điện nằm trong dầu sao cho không có sự liên tục ngang của các bề mặt để các phần tử than nhỏ hình thành trong dầu có thể lắng xuống bề mặt đó để tạo thành con đường phóng điện theo bề mặt. Loại phóng điện như vậy thường dẫn đến sự cố nặng.
c) Trong các máy ngắt không khí (áp lực không khí có tác dụng đối với AB tức thời) sử dụng truyền động khi đặt trực tiếp ở bên trong dụng cụ dập hồ quang. Như thế trong nhiều trường hợp cần thiết có dao cách li gắn liền, nhờ nó sau khi dập tắt hồ quang tạo thành khoảng ngắt phụ (ở ngoài hay trong không khí nén).
Trong máy ngắt không khí có các bộ phận trung gian của quan hệ động giữa tiếp điểm dập hồ quang và bộ phận làm việc của truyền động làm máy ngắt loại này mất tính chất tác động nhanh.
d) Sơ đồ kết cấu máy ngắt đặt trong trạm phân phối điện có tủ (KPY) cần phải đảm bảo quan hệ giữa kết
cấu máy ngắt với các bộ phận còn lại của mạch là có lợi nhất, thường máy ngắt như thế có truyền động gắn liền trực tiếp, đảm bảo kiểm tra và sửa chữa thuận tiện trong quá trình vận hành và thay đổi máy ngắt.
Hình 11-4a,b cho cấu trúc cơ bản của máy ngắt cao áp SF6. Những bộ phận chính gồm: cơ cấu tác động, sứ cách điện, buồng ngắt, tụ điện và điện trở. Máy ngắt cao áp được chế tạo theo nguyên lí mođun. Số lượng buồng ngắt tăng theo điện áp và khả năng cắt. Buồng dập hồ quang tự thổi cần ít năng lượng hoạt động, được sử dụng cho điện áp đến 170kV và dòng điện cắt đến 40kA.
Máy ngắt một buồng được sử dụng cho điện áp tới 300kV và dòng cắt tới 50kA. Máy ngắt nhiều buồng được sử dụng cho dòng điện cao đến 80kA và điện áp 300 kV.
Hình 11-4: Sơ đồ kết cấu các máy ngắt không khí trạm ngoài trời điện áp 110kV
a) Hai khoảng ngắt đặt đứng cho mỗi cực, với sự chuyển động không khí một cách trình tự vào các buồng và dao cách li ở bên ngoài.
b) Hai khoảng ngắt cho mỗi cực, với cách đặt đứng các buồng dập hồ quang và dao cách li chìm trong không khí nén.
c) Hai quãng đứt cho mỗi cực, với cách đặt đứng các buồng dập hồ quang nằm ngang, sự chuyển không khí song song vào các buồng, không có dao cách li.
- Hai khoảng ngắt dập hồ quang đặt trong buồng có thể tích lớn chứa đầy không khí nén cho mỗi cực, không có dao phân li.
Bảng 3: Các trị số định mức phối hợp của máy ngắt (theo IEC và DIN VDE)
Điện ápĐịnh mức[kV] | Dòng cắt ngắn mạch định mức.[kA] | Dòng điện định mức[ A] |
1 | 2 | 3 4 5 6 7 8 |
123 | 12,5202540 | 800 12501250 1600 20001250 1600 20001600 2000 |
145 | 12,5202531,54050 | 800 1250 1250 1600 20001250 1600 2000 1600 2000 31501600 2000 31502000 3150 |
170 | 12,52031,54050 | 800 12501250 1600 20001250 1600 2000 1600 2000 31501600 2000 31502000 3150 |
245 | 2031,54050 | 1250 1600 20001250 1600 20001600 2000 31502000 3150 |
300 | 162031,550 | 1250 1600 1250 1600 20001250 1600 2000 31501600 2000 3150 |
362 | 2031,540 | 20001600 2000 2000 3150 |
420 | 2031,54050 | 1600 20001600 20001600 2000 31502000 3150 4000 |
525 | 40 | 2000 3150 |
765 | 40 | 2000 3150 |
Bảng 4: Các trị số phối hợp của máy ngắt (theo ASNI C37.06.1979)
Điện áp định mức[kV] | Điện áp định mức max[ kV] | Dòng điện cắt ngắn mạch định mức [kA] | Dòng điện định mức[A] |
34 | 38 | 22 | 1200 |
69 | 72,5 | 37 | 2000 |
115 | 121 | 204063 | 1200 1600 2000 3000 3000 |
138 | 145 | 20406380 | 1200 1600 2000 3000 2000 30003000 |
161 | 169 | 1631,54050 | 1200 1600 2000 2000 |
230 | 245 | 31,54063 | 1600 2000 3000 2000 30003000 |
345 | 362 | 40 | 2000 3000 |
500 | 550 | 40 | 2000 3000 |
700 | 765 | 40 | 2000 3000 |
Với điện áp đến 550kV và dòng điện cắt 63kA thì máy ngắt có hai buồng. Với điện áp và dung lượng lớn hơn số lượng buồng tăng thành bốn.
Với các điện áp thấp hơn và tự đóng lại ba pha, ba cực thường được lắp trên khung chung. Máy ngắt có bố trí một cực và có cơ cấu tác động được điều khiển riêng cho mỗi cực thường được sử dụng đối với điện áp 245kV và cao hơn. Máy ngắt cao áp có thể được lắp trên xe bánh xích hoặc bánh đặc.
Dập hồ quang
Quá trình dập tắt hồ quang có thể theo hai dạng cơ bản sau:
- Dập tắt hồ quang một chiều (hình 11-5)
Hồ quang một chiều chỉ có thể dập tắt được bằng cách cưỡng bức dòng điện qua không. Điều đó có nghĩa là điện áp hồ quang Us phải cao hơn điện áp hiện diện ở máy ngắt (hình 11-5a). Có thể tạo nên điện áp hồ quang đủ lớn bằng các phương tiện hợp lí, chỉ có trong các mạch một chiều hạ áp và trung áp (máy ngắt thổi từ). Để dập tắt hồ quang một chiều trong mạch cao áp một chiều, điện áp phải được hạ thấp một cách tương ứng hoặc phải tạo nên dòng điện về "không" nhân tạo bằng cách thêm mạch cộng hưởng vào.
- Dập tắt hồ quang xoay chiều (hình 11-6)
Hồ quang xoay chiều có thể dập tắt mỗi khi dòng điện qua không. Ở mạch cao áp nếu không có các biện pháp bổ xung, hồ quang cháy lại sau khi dòng điện qua không.
Ở các máy ngắt cao áp, plasma của hồ quang được làm mát tăng cường trong buồng dập hồ quang và do đó làm giảm điện dẫn của chúng ở dòng điện không, nhờ vậy điện áp phục hồi không đủ để cháy lại.Hình 11-7 minh họa các điện áp trên máy ngắt.
Khi ngắt tải điện cảm (hình 11-7a), điện áp máy ngắt dao động đến giá trị đỉnh của điện áp phục hồi. Máy ngắt phải có khả năng chịu đựng tốc độ tăng của điện áp phục hồi và giá trị đỉnh của nó. Một khi hồ quang bị dập tắt, cường độ điện môi giữa các tiếp điểm phải lớn hơn độ tăng điện áp phục hồi để đề phòng hồ quang cháy lại. Khi ngắt tải thuần trở (hình 11-7b) thì dòng điện bằng không và điện áp bằng không trở về đồng thời. Điện áp phục hồi ở máy ngắt tăng theo hình sin với tần số làm việc. Khe hở giữa các tiếp điểm có đủ thời gian để phục hồi cách điện. Khi đóng cắt tải điện dung (hình 11-7c), sau khi ngắt dòng điện thì điện áp nguồn (đầu cuối máy ngắt) dao động theo tần số hệ thống giữa Um, trong khi ở đầu máy ngắt phía tụ điện vẫn được nạp ở +Um.
Các điều kiện đóng cắt khắc nghiệt
Tùy theo vị trí đặt, máy ngắt phải chịu đựng hàng loạt các điều kiện khác nhau, do vậy cần đặt ra những yêu cầu khác nhau đối với máy ngắt.
a) Ngắn mạch đầu cực (dòng ngắn mạch đối xứng) hình 11-8.
Ngắn mạch đầu cực là ngắn mạch ở phía tải ngay sát đầu cực máy ngắt. Dòng ngắn mạch là đối xứng nếu sự cố xảy ra ở thời điểm điện áp cực đại.
Điện áp phục hồi trở lại giá trị điện áp điều khiển. Độ tăng và biên độ điện áp quá độ được xác định bằng các thông số lưới. Các trị số sử dụng để thử nghiệm được cho trong IEC 56/VDE 0670.
b) Ngắn mạch đầu cực (dòng ngắn mạch không đối xứng)
Cộng thêm vào dòng ngắn mạch đối xứng có thành phần một chiều cũng bị ngắt. Độ lớn của nó phụ thuộc vào thời gian mở cơ cấu của máy ngắt. Thành phần một chiều của dòng ngắn mạch phụ thuộc vào thời điểm bắt đầu ngắn mạch (cực đại ở điện áp không) và hằng số thời gian của các thành phần phía nguồn cung cấp như máy phát, máy biến áp, cáp và đường dây cao áp (IEC và DIN VDE qui định hằng số thời gian là 45ms. Điều đó có nghĩa là thành phần một chiều bằng khoảng chừng 40% ¸ size 12{¸} {}50% đối với thời gian mở thông thường của máy ngắt ngoài trời loại hiện đại SF6).
c) Ngắn mạch gần (hình 11-9)
Hình 11-10:Đóng mở không trùng phaa) Mạch tương đương đơn giản hóa
- Ứng suất điện áp trên máy ngắt Hình 11-11: Ngắt dòng điện điện cảm nhỏ
- Mạch tương đương đơn giản hóa
- Các đường cong dòng điện và điện áp với dòng điện bị băm không cháy lại
- Đường cong điện áp ứng với cháy lại
d) Đóng mở không trùng pha (hình 11-10)
Ứng suất điện áp (tần số nguồn) rất lớn nếu góc pha của các hệ thống ở phía máy ngắt khác nhau (các thành phần hệ thống tách rời hoặc các máy ngắt của máy phát điện hòa đồng bộ không chính xác).
e) Ngắt dòng điện điện cảm nhỏ (hình 11-11)
Tùy theo cấu hình lưới, việc ngắt mạch dòng điện cảm nhỏ như các cuộn kháng điện hoặc dòng từ hóa máy biến áp có thể làm điện áp phục hồi tăng nhanh và gây quá điện áp do kết quả của dòng điện băm (dập tắt cưỡng bức) trước khi chuyển mạch qua điểm không tự nhiên (các mạch thử nghiệm vẫn còn đang được thảo luận trong IEC và DIN VDE bởi vì quá điện áp phụ thuộc rất nhiều vào các tính chất riêng của tải điện cảm).
f) Đóng cắt dòng điện dung (hình 11-12)
Tình huống này tuy không tạo nên ứng suất nghiêm trọng nhưng nói chung máy ngắt cho phép tránh bị hồ quang cháy lại. Tuy nhiên về lí thuyết sự cháy lặp lại có thể làm tăng ứng suất tạo nên nhiều giá trị đỉnh của điện áp.
- Đóng cắt đường dây không tải và cáp
Điện dung trên một đơn vị chiều dài đường dây hoặc cáp tạo nên các điều kiện tương tự như đóng cắt tụ điện.
Hình 11-12: Đóng cắt dòng điện điện dung Hình 11-13: Ứng suất tiếp điểm khi nối a)Mạch tương đương đơn giản hóa. mạch điện cảm.b)Các đường cong dòng điện và điện áp a) Có hồ quang trướcc)Các đường cong dòng điện và điện áp khi b)Không có hồ quang trướcxảy ra cháy lại hồ quang
Các ứng suất trên tiếp điểm khi nối mạch điện cảm (hình 11-13).
Việc đóng mạch điện cảm và điện dung có thể tạo nên quá điện áp đến 100%. Do vậy, máy ngắt với điện áp cao và đường dây dài (khoảng trên 300 km) thường mắc thêm vào các điện trở khi đóng.
Trong máy ngắt cao áp thiết bị dập hồ quang là bộ phận chính, khi ngắt mạch điện ở đó xảy ra các quá trình cơ bản dập hồ quang và tiếp theo đó là phục hồi độ bền về điện giữa các khoảng trống tiếp điểm.
Quá trình xảy ra rất phức tạp phụ thuộc vào sự làm việc của kiểu thiết bị dập hồ quang, phụ thuộc khả năng dập hồ quang của thiết bị và phụ thuộc vào đặc tuyến của quá trình đó. Dạng đặc tuyến của quá trình này phụ thuộc vào nguyên tắc tác động của thiết bị và vào các đặc điểm kết quả từng chi tiết của nó.
Tính và thiết kế thiết bị dập hồ quang là một trong các nhiệm vụ quan trọng khi thiết kế máy ngắt. Trong tính toán cần phải xác định các tham số của thiết bị và các đặc tuyến của nó:
Các tham số của thiết bị dập hồ quang:
- Số lượng và kích thước chính của các đường rãnh dập tắt hồ quang.
- Số lượng, vị trí tương hỗ và trị số các khoảng trống giữa các tiếp điểm trong lúc dập tắt hồ quang cũng như kích thước, hình dáng của tiếp điểm tạo thành các khoảng trống.
Các đặc tuyến của thiết bị dập hồ quang gồm:
- Đặc tuyến tốc độ chuyển động của các tiếp điểm dập hồ quang và của van (nếu có).
- Trị số lớn nhất và đặc tuyến thay đổi áp suất của môi trường tạo thành khí trong vùng dập hồ quang (trong các đường rãnh làm việc, trong không gian và trong các thiết kế để thải khí,...).
- Tốc độ cháy của môi trường dập hồ quang trong vùng dập hồ quang ở từng giai đoạn dập hồ quang.
- Tốc độ chuyển dịch của thân hồ quang trong từ trường (nếu áp dụng dập hồ quang bằng điện từ).
- Sự thay đổi điện áp trên hồ quang và năng lượng thải ra trong hồ quang.
- Sự thay đổi trạng thái (độ dẫn dư, độ bền điện, nhiệt độ,...) mà gọi là thân dư ở cuối nửa chu kì của dòng điện và sự phục hồi độ bền về điện của khoảng trống giữa các tiếp điểm.
Một số đặc tuyến
- Tốc độ chuyển động của các tiếp điểm.
- Áp lực của không khí hay khí tác động vào đầu rìa của tiếp điểm di động,... được sử dụng làm tham số cho trước để tính toán các khâu khác của máy ngắt liên quan đến các tiếp điểm của thiết bị dập hồ quang (truyền động cơ khí, truyền động, bình chứa không khí, van,...). Như vậy việc tính và chính xác hóa kích thước các chi tiết của thiết bị dập hồ quang phải tiến hành trước khi tính và gia công các khâu khác của máy ngắt.
Thiết bị dập hồ quang của các máy ngắt hiện đại phải thỏa mãn các yêu cầu chung:
+ Dập tắt hồ quang điện chắc chắn ở điện áp định mức cho trước, khi ngắt các dòng điện giới hạn (đến hàng chục kA) trong một thời gian nhất định.
+ Dập hồ quang điện chắc chắn và nhanh, không cháy lặp lại khi ngắt các dòng điện điện dung của điện dung của đường dây không tải và các dòng điện kháng của máy biến áp không tải.
+ Làm việc ổn định không thay đổi các đặc tuyến đoạn đầu trong thời gian vận hành đã qui định và số lần đóng ngắt quy định.
+ Kết cấu đơn giản, dễ gia công và thuận tiện trong vận hành.
+ Tiêu hao môi trường dập hồ quang (chất lỏng, không khí nén hay khí) để hoàn thành thao tác qui định cần phải ít nhất.
Dập hồ quang trong máy ngắt không khí
a) Quá trình dập hồ quang khi không khí thổi dọc
Làm lạnh thân hồ quang trong buồng không khí nén có cường độ cao là một trong những phương tiện dập hồ quang hiệu dụng ở các máy ngắt cao áp điện xoay chiều. Quá trình dập hồ quang phụ thuộc vào hình dáng và vị trí tương hỗ của các tiếp điểm và của miệng ống:
a.1) Khi thổi một phía - qua miệng ống kim loại (hình 11-14a).
a.2) Khi thổi một phía - qua miệng ống cách điện (hình 11-14b).
a.3) Khi thổi hai phía đối xứng - qua tiếp điểm kiểu miệng ống (hình 11-14c).
a.4) Khi thổi hai phía không đối xứng - qua tiếp điểm kiểu miệng ống (hình11-14d).
Các công trình nghiên cứu về lí thuyết và về thực nghiệm chỉ ra rằng, ở các thiết bị như thế có thể dập tắt hồ quang một cách kết quả nhất với các điều kiện chủ yếu sau:
+ Tốc độ của luồng không khí nén tại biên độ dòng điện khi trong miệng ống có hồ quang tắt không được nhỏ hơn giới hạn cho phép.
+ Ở ngay cuối nửa chu kì của dòng điện hồ quang, trong khoảng thời gian tương đối ngắn tốc độ của luồng khí nén miệng ống phải đạt tới giá trị tới hạn, còn trị số áp suất trong vùng thân dư phải lớn nhất.
Với các điều kiện trên quá trình nứt vỡ thân dư do ion đã xảy ra mãnh liệt và sự phục hồi độ bền về điện của khoảng trống giữa các tiếp điểm có quan hệ với quá trình đó.
Hình 11-14: Các cách thổi dọc trong bình của máy ngắt không khía) Thổi một phía qua miệng ống kim loạib) Thô