SỰ PHÁT NÓNG CỦA CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN - Tài Liệu Text - 123doc

1. Trang chủ >
2. Kỹ Thuật - Công Nghệ >
3. Điện - Điện tử >

SỰ PHÁT NÓNG CỦA CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.4 MB, 97 trang )

2.2. Các nguồn nhiệt và các phương pháp trao đổi nhiệt2.2.1. Các nguồn nhiệtNhiệt năng do các tổn hao trong khí cụ điện tạo nên, có ba dạng tổn hao: Tổnhao trong các chi tiết dẫn điện, tổn hao trong vật liệu sắt từ và tổn hao trong vậtliệu cách điện.- Tổn hao trong các chi tiết dẫn điện: Năng lượng tổn hao trong các dây dẫndo dòng điện i đi qua trong khoảng thời gian t được tính bằng công thức:W= ∫ i .R.dt2Điện trở R của dẫy dẫn phụ thuộc vào điện trở suất của vật liệu, kích thướcdây dẫn và tần số dòng điện, vị trí của dây dẫn trong hệ thống.- Tổn hao trong các phần tử sắt từ: Nếu các phần tử sắt từ nằm trong vùngtừ trường biến thiên thì trong chúng sẽ có tổn hao do từ trễ và dòng điện xoáy tạora và được tính theo công thức:1.62PFe = ( xT . Bm + x x . f . Bm) f .GTrong đó: P fe tổn hao sắt từ, B m là trị số biên độ của từ cảm, f là tần sốlưới điện, x x, xT là hệ số tổn hao do từ trễ và dòng điện xoáy, G là khối lượngcủa mạch từ.Để giảm tổn hao trong các chi tiết dạng khối, người ta thường sử dụng cácbiện pháp sau:- Tạo khe hở phi từ tính theo đường đi của từ thông để tăng từ trở, giảm từthông tức là giảm Bm.- Đặt thêm vòng ngắn mạch để tăng từ kháng, giảm từ thông.- Với các chi tiết cho thiết bị có dòng điện lớn hơn 1000A, được chế tạo bằngvật liệu phi từ tính như đuyara, gang không dẫn từ.- Tổn hao trong vật liệu cách điện:Giáo trình Khí cụ điện8Dưới tác dụng của điện trường biến thiên, trong vật liệu cách điện sẽ sinh ratổn hao điện môi:2P= 2.π . f .U .tgδTrong đó: P là công suất tổn hao, f là tần số điện trường, U là điện áp, tg δ làtang của góc tổn hao điện môi.Từ biểu thức trên ta thấy tổn hao cách điện tỉ lệ với bình phương điện áp, vậytổn hao cách điện chỉ đáng kể khi điện áp cao.2.2.2. Các phương pháp trao đổi nhiệtNhiệt được truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp theo bacách: Dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ; Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt giữa các phầntử có tiếp xúc trực tiếp. Đối lưu là quá trình truyền nhiệt trong chất lỏng hoặc chấtkhí, gắn liền với sự chuyển động của các phần tử mang nhiệt. Có hai dạng đối lưu:đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức; Bức xạ nhiệt là quá trình toả nhiệt của vậtthể nóng ra môi trường xung quanh bằng phát xạ sóng điện từ.2.3. Các chế độ làm việc của thiết bị điện2.3.1. Chế độ xác lập nhiệtKhi làm việc phương trình cân bằng nhiệt có dạng:Q=Q1+Q2+Q3Trong đó: Q1=P.dt là năng lượng tổn hao công suất P.Q2=KT.ST.τ .dt là năng lượng toả ra môi trường xung quanh.Q3=c.G.d τ là năng lượng làm tăng nhiệt khí cụ, với G là khối lượngvà c là nhiệt dung riêng.Thay vào phương trình trên ta có:P.dt= KT.ST.τ .dt+ c.G.dτỞ chế độ xác lập nhiệt, nhiệt độ không thay đổi theo thời gian nên phươngtrình có dạng:P.dt= KT.ST.τ .dtCó nghĩa là toàn bộ nhiệt lượng sinh ra chỉ toả ra môi trường xung quanh, dođó độ tăng nhiệt độ xác lập sẽ là:τ=Giáo trình Khí cụ điện9PK T .S T2.3.2. Chế độ quá độKhi bắt đầu làm việc, nhiệt độ của khí cụ tăng dẫn, sau một thời gian quá độnó không tăng nữa và đạt giá trị xác lập.Quá trình nguội lạnh của khí cụ xảy ra khi ta cắt điện cho nó, nhiệt độ của khícụ giảm dần đến nhiệt độ môi trường.Người ta phân biệt ba chế độ làm việc của thiết bị điện: Chế độ làm việc dàihạn, chế độ làm việc ngắn hạn và chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại.2.3.3. Chế độ ngắn mạchKhi bị ngắn mạch, dòng điện chạy trong dây dẫn có trị số rất lớn so với dòngđịnh mức, nhưng vì thời gian ngắn mạch không dài nên nhiệt độ phát nóng chophép ở chế độ này thường lớn hơn chế độ dài hạn.Thời gian ngắn mạch bé nên có thể coi quá trình này là quá trình đoạn nhiệt,nghĩa là toàn bộ nhiệt lượng sinh ra dùng để đốt nóng khí cụ chứ không toả ra môitrường xung quanh. Do đó phương trình cân bằng nhiệt:i2.R.dt=CT.d θTrong đó: R là điện trở dây dẫn.θ là nhiệt độ của dây dẫn.CT là nhiệt dung riêng của khí cụ.CT=c0(1+ β .θ ).GTrong đó: c0 là nhiệt dung riêng ở 00C.β là hệ số nhiệt dung riêng.G là khối lượng của vật dẫn.2.4. Bảng nhiệt độ cho phép của một số vật liệuDựa vào khả năng chịu nhiệt của vật liệu cách điện, người ta chia chúng thànhcác cấp cách điện với nhiệt độ cho phép ở chế độ làm việc dài hạn như sau:Cấp cách điệnNhiệt độ cho phép (0C)Y90A105E120B130F155H180C>180Cách điện cấp Y: giấy, băng vải không tẩm cách điện.Cách điện cấp A: giấy, băng vải có tẩm cách điện, cao su, nhựa PVC.Cách điện cấp E: dây điện từ bọc men.Cách điện cấp B: dây điện từ bọc men kép.Giáo trình Khí cụ điện10Cách điện cấp F: lụa, thuỷ tinh, phíp.Cách điện cấp H: sứ.Cách điện cấp C: Micanit.3. TIẾP XÚC ĐIỆN3.1. Khái niệmTiếp xúc điện là nơi gặp gỡ chung của hai hay nhiều vật dẫn để cho dòng điệnđi qua từ vật dẫn này sang vật dẫn khác. Bề mặt tiếp xúc cho dòng điện đi qua gọilà bề mặt tiếp xúc.* Dựa vào mối liên kết tiếp xúc người ta chia tiếp xúc điện ra làm ba dạng:Tiếp xúc cố định, tiếp xúc đóng mở và tiếp xúc trượt.Tiếp xúc cố định: Khi hai vật dẫn tiếp xúc không rời nhau bằng bu lông hoặcđinh tán. Ví dụ như: Tiếp xúc của kẹp nối dây, tiếp xúc giữa dây dẫn và cốt bắt dâyở sứ xuyên…Hình 1.2: Tiếp xúc cố địnhTiếp xúc đóng mở: Đó là tiếp xúc giữa tiếp điểm động và tĩnh của các loạikhí cụ điện đóng cắt mạch điện. Ví dụ như: Tiếp xúc của tiếp điểm cầu dao, côngtắc, aptomat, máy cắt...Hình 1.3: Tiếp xúc đóng mởTiếp xúc trượt: Đó là dạng tiếp xúc vật dẫn này truợt trên vật dẫn kia. Ví dụ:Chổi than trợt trên cổ góp của máy phát điện hoặc động cơ.Giáo trình Khí cụ điện11Hình 1.4: Tiếp xúc trượt*Dựa vào hình dạng chỗ tiếp xúc người ta chia tiếp xúc thành ba loại: Tiếpxúc điểm, tiếp xúc đường và tiếp xúc mặt.Tiếp xúc điểm: Là hình thức các vật dẫn tiếp xúc nhau ở diện tích rất nhỏđược xem là một điểm. Ví dụ: Tiếp xúc giữa mặt cầu với mặt cầu, tiếp xúc giữamặt cầu với mặt phẳng trong một số loại Rơle điện từ.Tiếp xúc đường: Là hình thức các vật dẫn tiếp xúc nhau trên đường thẳnghoặc đường cong.Tiếp xúc mặt: là hình thức các vật dẫn tiếp xúc nhau trên nhiều điểm của mặtphẳng hoặc mặt cong. Ví dụ: Tiếp xúc giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh củamáy cắt, cầu dao, áptomát...3.2. Điện trở tiếp xúcKhi hai vật dẫn tiếp xúc với nhau, thực tế chỉ có một số điểm tiếp xúc. Tạinhững điểm tiếp xúc này mật độ dòng điện tăng cao tổn hao năng lượng lớn nênsụt áp và nhiệt độ tại điểm tiếp xúc cao. Nếu có lực ép lên tiếp điểm lớn, các điểmtiếp xúc này sẽ biến dạng dẻo và tạo ra các điểm tiếp xúc mới. Vì diện tích tiếp xúcthực tế bị thu nhỏ lại nên đường đi của dòng điện bị cong và dài ra do vậy làm chođiệ n trở tăng lên.Vậy điện trở tiếp xúc là điện trở do hiện tượng đường đi của dòng điện bị kéodài tại chỗ tiếp xúc tạo nên. Điện trở tiếp xúc được xác định bằng biểu thức kinhnghiệm:Rtx=KFmTrong đó: K là hệ số phụ thuộc vào vật liệu làm tiếp điểm và trạng thái bề mặtcủa nó.m là hệ số phụ thuộc vào kiểu tiếp xúc.F là lực ép lên tiếp điểm.Rtx là điện trở tiếp xúc.Giáo trình Khí cụ điện12Hình 1.5: Minh họa tiếp xúc của 2 vật dẫnCác yếu tố ảnh hưởng tới điện trở tiếp xúc gồm: độ cứng của vật liệu, điện trởsuất của vật liệu, tình trạng bề mặt tiếp xúc dạng bề mặt, lực ép lên tiếp điểm vànhiệt độ của tiếp điểm.Nếu vật liệu làm tiếp điểm mềm thì dù lực ép lên tiếp điểm nhỏ điện trởtiếp xúc cũng nhỏ.Vì vậy ở các tiếp xúc cố định có dòng điện lớn người tathường phủ lên bề mặt tiếp xúc một lớp vật liệu mềm trước khi cố định chúngbằng bulông, xà ép.Điện trở tiếp xúc giảm nếu lực ép lên tiếp điểm tăng vì diện tích tiếp xúc tăng.Điện trở tiếp xúc phụ thuộc vào dạng tiếp xúc; khi lực ép lên tiếp điểm nhỏtiếp xúc điểm có điện trở tiếp xúc bé hơn, còn khi lực ép lớn thì ngược lại, tiếp xúcmặt có điện trở tiếp xúc nhỏ nhất rồi đến tiếp xúc đường và cuối cùng mới đến tiếpxúc điểm. Vì vậy tiếp xúc điểm chỉ dùng cho những tiếp điểm có dòng điện bé.Nhiệt độ tiếp điểm cũng có ảnh hưởng tới điện trở tiếp xúc. Khi nhiệt độ tiếpđiểm tăng điện trở tiếp xúc cũng tăng. Lớp ôxýt cũng có ảnh hưởng tới điện trởtiếp xúc, lớp ôxýt làm điện trở tăng cao. Khi nhiệt độ tăng tiếp điểm càng dễ bị ôxyhóa nên càng làm tăng điện trở tiếp xúc.Độ bẩn, độ ẩm của môi trường xung quanh cũng làm điện trở tiếp xúctăng. Để tránh hiện tượng trên người ta thường sử dụng các biện pháp như:Phủ các lớp đặc biệt để chống tác động của môi trường, nâng cấp bảo vệ củacác thiết bị đóng cắt...3.3.Tiếp điểm khí cụ điện3.3.1.Vật liệu làm tiếp điểmCác yêu cầu chính đối với vật liệu làm tiếp điểm là: Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, ítbị tác động của môi trường như ôxy hoá, ăn mòn điện hoá, điện trở tiếp xúc bé, ítbị mòn về cơ và điện, chịu được nhiệt độ cao, trị số dòng điện, điện áp tạo hồGiáo trình Khí cụ điện13quang lớn, dễ gia công, giá thành hạ.- Đồng là kim loại màu được dùng nhiều nhất trong các thiết bị điện. ưuđiểm chính của đồng là dẫn điện tốt, dẫn nhiệt tốt, tương đối cứng, có trị sốdòng điện, điện áp tạo hồ quang trung bình, dễ gia công, giá thành hạ. Nhượcđiểm của đồng là nhiệt độ nóng chảy thấp, dẽ bị tác động của môi trường, nênbề mặt có một lớp ôxýt đồng có điện trở suất cao. Để giảm điện trở tiếp xúc,trong trường hợp tiếp điểm bằng đồng cần lực ép lên tiếp điểm lớn. Vì đồng ítcó khả năng chịu hồ quang nên không dùng để chế tạo các loại tiếp điểmthường xuyên đóng cắt với dòng điện lớn.- Bạc có các ưu điểm chính là dẫn điện, dẫn nhiệt rất tốt, khó bị tác động củamôi trường. Lớp ôxýt bạc mỏng, dễ bị phá vỡ vì có độ bền cơ khí kém. Điện trởtiếp xúc của bạc bé, ổn định nên không cần lực ép lên tiếp điểm lớn. Nhược điểmcủa bạc là chịu hồ quang, va đập kém do vậy nó không dùng để làm tiếp điểmthường xuyên đóng cắt với dòng điện lớn. Các tiếp điểm hồ quang bé và các tiếpđiểm không chịu hồ quang ở các thiết bị dóng cắt có dòng điện lớn thường đượcchế tạo bằng bạc.- Vonfram là kim loại có nhiệt độ nóng chảy khá cao nên chịu được hồquang. Kim loại này khó hàn, ít bị ôxy hoá, có độ cứng cao, ít mòn nhưng điện trởsuất cao. Vì vậy thường dùng làm tiếp điểm hồ quang ở các thiết bị đóng cắt cócông suất lớn.- Kim loại gốm: các kim loại nguyên chất không đáp ứng được đầy đủ cácyêu cầu của tiếp điểm. Người ta chế tạo các kim loại gốm từ các bột kim loại thànhphần, gia công theo phương pháp đặc biệt. Tuỳ thuộc vào yêu cầu của tiếp điểmmà thành phần vật liệu được pha trộn theo tỷ lệ thích hợp.34.3.2. Kết cấu của tiếp điểmTùy theo chức năng, yêu cầu của thiết bị đóng cắt và công suất (dòngđiện, điện áp) mà tiếp điểm phải chịu, người ta sử dụng những kết cấu thíchhợp của tiếp điểm.a.Tiếp điểm kiểu côngson:Thường dùng cho dòng điện bé (đến 5A) tải nhẹ dạng tiếp xúc điểmkhông có lò xo tiếp điểm mà lợi dụng tính đàn hồi của thanh dẫn động để tạolực ép lên tiếp điểm.Hình 1.6: Tiếp xúc kiểu côngsonb.Tiếp điểm kiểu bắc cầuGiáo trình Khí cụ điện14Với đặc điểm một pha có hai chỗ ngắt nên hồ quang bị phân đoạn, tiếp điểmchuyển động thẳng, lò xo ép tiếp điểm dạng xoắn, hình trụ làm việc ở chế độ nén.Kết cấu này thường dùng trong các công tắc tơ, khởi động từ có dòng điện địnhmức từ vài chục đến vài trăm ampe.Hình 1.7: Tiếp xúc kiểu bắc cầuc. Tiếp điểm hình ngónVới tiếp điểm kiểu này một pha có một chỗ ngắt nên phần động chuyển độngquay, sử dụng dây dẫn mềm để nối với tiếp điểm động. Loại kết cấu này thường sửdụng trong các máy cắt hạ áp, thiết bị đóng cắt có chế độ làm việc nặng nề.Hình 1.8: Tiếp xúc kiểu hình ngónd. Tiếp điểm kiểu daoKết cấu này thường dùng cho cầu dao với dòng điện thấp (Vài chục ampe).Lực ép lên tiếp điểm nhờ lực đàn hồi của đồng lá tiếp điểm tĩnh. Với tiếp điểm códòng điện lớn người ta dùng tấm thép lo xo dạng phẳng để tạo lực ép tốt hơn.Giáo trình Khí cụ điện15Hình 1.9: Tiếp xúc kiểu daoe. Tiếp điểm kiểu nêmVới kết cấu kiểu này cho phép dòng định mức lớn đi qua, nhưng dập hồquang không có lợi, vì dễ làm hỏng bề mặt tiếp xúc. Loại này thường dùng ở daocách ly điện áp cao.Hình 1.10: Tiếp xúc kiểu nêmg. Tiếp điểm kiểu đốiHình 1.11: Tiếp xúc kiểu đốiTiếp điểm động có dạng hình trụ đặc phần đầu có dạng hình cầu bằng kimloại chịu hồ quang.Giáo trình Khí cụ điện163.3.3. Nguyên nhân hư hỏng tiếp điểm và biện pháp khắc phụcXung quanh điểm tiếp xúc có nhiều hốc nhỏ ly ty, hơi nước đọng lại các chấtcó hoạt tính hóa học lớn thấm vào gây nên các phản ứng hóa học tạo nên lớp màngmỏng giòn dễ vỡ khi va đập, do vậy bề mặt tiếp xúc bị mòn dần đó là hiện tượngăn mòn kim loại. Điện trở suất của lớp màng mỏng rất lớn so với điện trở suất củakim loại làm vật dẫn, do đó điện trở tiếp xúc tăng khi hình thành màng mỏng.Sự ôxy hóa làm điện trở tiếp xúc tăng lên, đặc biệt ở nhiệt độ > 70 0C, khi đốtnóng và làm nguội liện tục làm tăng tốc độ ôxy hóa.Ngoài ra với mỗi kim loại có một điện thế hóa học nhất định, khi hai kim loạitiếp xúc với nhau sẽ có hiệu điện thế giữa chúng và tọa điều kiện thuận lợi cho sựôxy hóa. Hơn nữa nếu hơi nước đọng trên bề mặt có chất điện phân thì do có hiệuđiện thế nên sẽ có dòng điện chạy qua giữa chúng, kim loại có độ hòa tan lớn sẽ bịăn mòn trước.Để giảm bớt điện trở tiếp xúc thường tiến hành mạ điện. Lớp kim loại bao phủcó tác dụng bảo vệ kim loại chính.Đồng thời để bảo vệ tốt bề mặt kim loại, kimloại mạ cần có điện thế hóa học càng gần với kim làm tiếp điểm càng tốt, tăng lựcép lên tiếp điểm và giảm bớt khe hở không khí sẽ làm giảm bớt độ ăn mòn.3.3.4.Sự làm việc của kim loại khi ngắn mạchKhi quá tải, đặc biệt là khi ngắn mạch nhiệt độ chỗ tiếp xúc của tiếp điểm lênrất cao làm giảm tính đàn hồi và cường độ cơ khí của tiếp điểm. Nhiệt độ cho phépkhi ngắn mạch đối với đồng thau là 200 oC đến 300oC còn của nhôm là 150oC đến200oC.Ta phân biệt ba trường hợp sau:- Tiếp điểm đang ở trạng thái đóng thì xảy ra ngắn mạch: Tiếp điểm sẽ bịnóng chảy và bị hàn dính. Kinh nghiệm cho thấy nếu lực ép lên tiếp điểm càng lớnthì trị số dòng điện để làm cho tiếp điểm nóng chảy và bị hàn dính càng lớn. Do đótiếp điểm cần có lực ép lớn.- Tiếp điểm đang trong quá trình đóng thì xảy ra ngắn mạch: Lúc đó sẽ phátsinh lực điện động làm tách rời tiếp điểm ra xa nhưng do chấn động cũng dễ sinhhiện tượng bị hàn dính.- Tiếp điểm đang trong quá trình mở thì bị ngắn mạch: Trường hợp này sẽphát sinh hồ quang làm nóng chảy và mài mòn tiếp điểm.4. HỒ QUANG ĐIỆN4.1. Khái niệm chungHồ quang điện là sự phóng điện trong chất khí với mật độ dòng điện lớn (10 2đến 103A/mm2), điện áp rơi trên catốt bé (10V đến 12V), nhiệt độ hồ quang cao(6000 đến 180000K) và kèm theo ánh sáng.Giáo trình Khí cụ điện17Hình 1.12: Sự phân bố điện áp, cường độ điện trường của hồ quangTrên hình trình bày sự phân bố điện áp, cường độ điện trường của hồ quang.UAK=UA+UK+UthVùng Catốt với khoảng cách ngắn (cỡ 10 -3mm) với UK vào khoảng 10V đến20V nên cường độ điện trường ở vùng này khá lớn (vào khoảng 20 10V/m). Trị sốnày phụ thuộc vào vật liệu làm điện cực và đặc tính của chất khí.Vùng Anốt có điện áp rơi thấp, cỡ 5V đến 20V, vì vậy E A thấp hơn nhiều sovới EK.Vùng thân hồ quang có cường độ điện trường Ehq hầu như không đổi, cỡ từ1V/mm2 đến 20V/mm2 phụ thuộc vào tính dẫn nhiệt, tốc độ chuyển động của cácphân tử khí, vận tốc di chuyển của hồ quang. Điện áp rơi trên thân hồ quang U thphụ thuộc vào chiều dài hồ quang và được tính theo công thức: Uth=Ehq.IhqTrong công nghệ, hồ quang được sử dụng như nhân tố hữa ích ở các lò hồquang v.v, vì vậy ở đây cần hồ quang cháy ổn định. Trong các thiết bị đóng, cắt, hồquang phát sinh trong quá trình chuyển mạch điện, và là nhân tố không mongmuốn, vì vậy cần phải giảm hồ quang tới mức tối thiểu.4.2. Quá trình phát sinh và dập tắt hồ quangQuá trình phát sinh và dập tắt hồ quang là quá trình ion hoá và quá trình khử.4.2.1.Qúa trình ion hóaGiáo trình Khí cụ điện18

Xem Thêm

Tài liệu liên quan

• Giáo trình khí cụ điện
  • 97
  • 7,880
  • 2
• Hoàn thiện kế toán lưu chuyển hàng hoá nhập khẩu và xác định kết quả tiêu thụ hàng nhập khẩu tại Công ty Du lịch kỹ thuật và XNK (Techsimex)
  • 84
  • 112
  • 0
• Kế toán chi phí sản xuất và tính giá thành sản phẩm tại Công ty phát triển công trình du lịch DETOURPRO
  • 38
  • 88
  • 0
• Một số giải pháp phát triển nguồn khách du lịch đến tỉnh hoà Bình
  • 75
  • 463
  • 0

Tải bản đầy đủ (.doc) (97 trang)

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

(4.18 MB) - Giáo trình khí cụ điện-97 (trang) Tải bản đầy đủ ngay ×