Giáo trình Khí cụ điện - Mở đầu - Nguyễn Văn Ánh

Nội dung text: Giáo trình Khí cụ điện - Mở đầu - Nguyễn Văn Ánh

1. EE3242 KHÍ CỤ ĐIỆN Bài giảng 2016 Ts. Nguyễn Văn Ánh Ts. Nguyễn Bích Liên anh.nguyenvan1@hust.edu.vn lien.nguyenbich@hust.edu.vn
2. “The measure of life is not its duration, but its donation” Peter Marshall Khí cụ điện là gì? Các nhóm thiết bị trong khí cụ điện? Nội dung môn học? 1. Khí Cụ Điện Khi nhắc đến hệ thống điện, chúng ta thường nghĩ ngay đến các máy phát ra điện, hệ thống dây dẫn điện để truyền tải và các máy biến áp trong các trạm điện. Tuy nhiên, còn có một số thiết bị điện khác cũng đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình truyền tải điện năng đó là các thiết bị bảo vệ, đo lường, điều khiển, Những thiết bị này, thường được gọi là khí cụ điện trong thuật ngữ chuyên ngành điện, luôn luôn được sử dụng để tạo ra tính tin cậy và an toàn trong việc vận hành hệ thống điện nói chung. Khí cụ đi ện (KCĐ ) là thi ết b ị đi ện dùng đ ể đóng , c ắt , đi ều khi ển , Sự khác nhau giữa kiểm tra,kh ống ch ế các đ ốiượng t đi ệnũng c nh ư không đi ện và KCĐ và thiết bị điện bảoệ v chung trong tr ườngợpựố h s c . Để hiểu rõ hơn, chúng ta hãy nhìn áp tô mát hình 1 bên cạnh. Đây là các KCĐ có trong một tủ điện để cung cấp điện và điều khiển hệ thống bơm rơ le nước trong tòa nhà. Hệ thống nút ấn được sử dụng cho người vận hành thao tác đóng, cắt hệ thống động cơ máy bơm, các nút ấn + vôn kế khởi động từ đồng hồ đo để chỉ thị giá trị của công tắc tơ lưới điện cho người vận hành biết. Hình 1: Các khí cụ điện trong một tủ điện Công tăc tơ và khởi động từ được sử dụng để điều khiển việc đóng, cắt, khởi động các động cơ. Tín hiệu từ các nút ấn (có giá trị dòng điện nhỏ) được truyền
3. đến các thiết bị này để đóng hoặc cắt dòng điện động lực (có trị số lớn) vào các động cơ bơm nước. Áp tô mát , lắp đặt ngay ở đầu điện vào, được sử dụng để bảo vệ các động cơ trong trường hợp sự cố như là chập mạch điện hoặc quá tải. Cuối cùng là các rơ le , trong trường hợp này là các rơ le thời gian, cung cấp thời gian khởi động cần thiết cho mạch điện tự động chuyển mạch khi khởi động các động cơ bơm nước mà không cần có sự can thiệp của con người. Một ví dụ khác về tác dụng của KCĐ trong trạm điện phân phối được trình bày như hình 2. KCĐ được sử dụng ở đây là áp tô mát (hay gọi là máy cắt đối với điện áp lớn hơn 1 kV). Ngoài tác dụng tự động bảo vệ thiết bị trong mạng, áp tô mát còn giúp cho người vận hành điều kiển để cung cấp điện cho các loại tải như mong muốn. Trong ví dụ này, trạm điện được thiết kế để cung cấp điện cho các loại tải với các mức độ ưu tiên khác nhau. Khi hệ thống điện ổn định, toàn bộ tải được cấp từ nguồn cấp chính 22kV, nhưng khi nguồn chính mất điện, các tải có cấp ưu tiên hơn sẽ được cấp điện qua máy phát điện G. Muốn làm được vậy, ta cần phải có thiết bị là áp tô mát 1 22 kV để ngắt tải khẩn cấp (ví dụ như Nguồn chính hệ thống thang máy tòa nhà) (Main supply) và tải quan trọng (như hệ = Circuit Breaker MBA áp tô mát thống server máy tính) ra khỏi máy cắt nguồn chình. Sau đó, sử dụng G áp tô mát 2 để đóng điện từ Nguồn khẩn cấp (Emergency supply) máy phát điện G để cấp điện 2 1 cho những tải này. 0.4 kV Ở đây còn có thiết bị UPS , được sử dụng để cấp điện liên tải (loads) tải khẩn cấp (emergency loads) tục cho những tải quan trọng UPS trong thời gian chờ đóng điện từ máy phát G. Thiết bị này cũng sẽ được giới thiệu trong tải quan trọng môn học này. (critical loads) Hình 2: Khí cụ điện trong trạm phân phối điện
4. 2. Phân Loại Khí Cụ Điện KCĐ có rất nhi ềuủngạiớiức ch lo v ch năng và kích c ỡ khác nhau, đ ược dùng rộng r ải trong m ọi l ĩnh v ực c ủa cu ộc s ống . Mặc dù có nhiều cách để phân loại KCĐ, tuy nhiên có thể kể ra hai loại phân loại phổ biến thường gặp như sau. 2.1 Phân loại theo công dụng Theo cách phân loại này, KCĐ được phân loại theo công dụng sử dụng của thiết bị như là: Nhóm KCĐ khống chế : loại thiết bị này dùng để đóng , cắt các thiết bị điện khác như là cầu dao cách ly, hay áp tô mát. Công tắc tơ thường dùng để đóng cắt hay đảo chiều quay của máy điện cũng được phân vào loại này. Hình 3: Các khí cụ điện khống chế Mặc dù cùng là các KCĐ khống chế nhưng cách sử dụng của các thiết bị khác nhau là khác nhau. Ví dụ như hình 3, cầu dao cách ly thì chỉ có thể đóng, cắt được dòng điện không tải hoặc dòng điện rất nhỏ. Công tắc tơ được sử dụng để đóng, cắt dòng điện làm việc từ xa. Áp tô mát được sử dụng để tự động cắt dòng điện sự cố (dòng điện thường lớn và rất lớn), hoặc là đóng, cắt dòng điện làm việc khi cần thiết. Nhóm KCĐ bảo vệ : loại thiết bị này làm nhiệm vụ bảo vệ các thiết bị trong hệ thống truyền tải điện hoặc các thiết bị điện riêng lẻ như là động cơ điện khi có sự cố quá tải, ngắn mạch, sụt áp, etc. Các thiết bị như máy cắt (hay áp tô mát), cầu chì, hay rơle, là những thiết bị thường gặp cho nhóm này. Ở đây ta thấy rằng, áp tô mát có thể làm cả hai chức năng đó là đóng, cắt khống
5. Hình 4: Các khí cụ điện bảo vệ chế các thiết bị điện, đồng thời nó có khả năng tự động bảo vệ các thiết bị khác khi mạng điện gặp sự cố nên nó thuộc cả hai nhóm là KCĐ khống chế và nhóm KCĐ bảo vệ. Đối với cầu chì, nó có thể bảo vệ các thiết bị điện khỏi quá tải và ngắn mạch giống như áp tô mát nhưng nó không có chức năng đóng, cắt và khống chế như áp tô mát. Cuối cùng là rơ le, thiết bị này rất đa dạng tùy thuộc vào chức năng bảo vệ của nó trong hệ thống. Thiết bị này thường không có khả năng cắt được mạch điện trực tiếp, mà chỉ có khả năng phát hiện sự cố và báo sự cố cho các KCĐ chấp hành cắt mạch. Hình 4 thể hiện hai ví dụ về hai loại rơ le thường gặp hiện nay: rơ le số và rơ le nhiệt. Rơ le số, thường được thấy trong các nhà máy điện hay trạm điện truyền tải ngày này, sử dụng để phát hiện sự cố trong mạng điện và báo sự cố đó cho các máy cắt nhằm cắt mạch điện loại bỏ sự cố đó. Rơ le nhiệt thì hay được sử dụng để bảo vệ các động cơ điện riêng lẻ khỏi bị quá tải. Nhóm KCĐ điều khiển từ xa : làm nhiệm vụ thu nhận thông tin của người điều khiển từ xa, phân tích và khống chế sự hoạt động của các mạch điện . Ví dụ như các ổ cắm thông minh, công tắc bật tắt thông minh, bảng điều khiển thông minh, hoặc đơn giản là các công tắc tơ cho phép đóng cắt từ xa. Hình 5: Các khí cụ điện điều khiển từ xa
6. Những thiết bị điện thông minh như hình 5 ngày một phổ biến hơn trong thiết kế điện ngày này. Việc đóng, cắt điện được thiết kế thông minh hơn để đáp ứng tính tiện nghi nhất cho người sử dụng. Ổ cắm thông minh giúp người sử dụng ở bất cứ đâu cũng có thể đóng hoặc cắt điện cho tải tiêu thụ miễn người đó có internet. Công tắc bật tắt thông minh thì có thể sử dụng để tự động bật đèn điện khi có người và tự động tắt khi không có người. Phức tạp hơn đó là các bảng điểu khiển thông minh cho phép đóng hoặc cắt điện nhiều kênh khác nhau từ xa thông qua mạng internet. Nhóm KCĐ hạn chế dòng điện: những thiết bị này, như điện trở hay cuộn kháng ở hình 6, thường được để sử dụng để hạn chế dòng điện ngắn mạch, dòng điện mở máy của các động cơ điện, hay dòng điện nối đất trung tính trong máy phát hoặc biến áp điện, Điện trở công suất ? Cuộn kháng và máy biến áp? Hình 6: Các khí cụ điện hạn chế dòng điện Nhóm KCĐ duy trì ổn định các tham số điện: nhóm thiết bị này được sử dụng để duy trì một vài thông số quan trọng trong lưới điện. Ví dụ như để duy trì điện áp ổn đình thì ta sử dụng thiết bị ổn áp . Các thiết bị cung cấp nguồn liên tục như UPS hay ATS như hình 7 có thể được xem như thuộc loại này. Uninterruptible Power Supply Hình 7: Các khí cụ điện duy trì ổn định các tham số điện
7. Nhóm KCĐ làm nhiệm vụ đo lường và bảo vệ: ngoài các thiết bị như ampe kế, vôn kế để đo dòng điện, điện áp, thì ta còn thường gặp các thiết bị biến dòng điện, và biến áp đo lườn g trong các trạm điện như trên hình 8. Những thiết bị này được chế tạo để biến dòng điện và điện áp lớn về các giá trị tiêu chuẩn để cấp cho các thiết bị đo lường, bảo vệ và điều khiển. Hình 8: Các khí cụ điện làm nhiệm vụ đo lường và bảo vệ 2.2 Phân loại theo cấp điện áp Đôi khi các KCĐ được phân loại theo cấp điện áp mà chúng làm việc. Đơn giản thì ta có hai loại KCĐ , đó là KCĐ hạ áp tức là những thiết bị làm việc với điện áp nhỏ hơn 1000V. Ngược lại, KCĐ cao áp là thiết bị làm việc với điện áp lớn hơn 1000V. Trong nhiều tài liệu, việc phân loại theo cấp điện áp còn được phân ra thành các cấp điện áp nhỏ hơn như dưới đây: Khí cụ điện hạ áp có điện áp dưới 1 kV Khí cụ điện trung áp có điện áp từ 1 kV đến 36 kV Khí cụ điện cao áp có điện áp từ 36 kV đến nhỏ hơn 400 kV Khí cụ đ i ện siêu cao áp có đ i ện áp từ 400 kV trở lên Lưu ý, cấp điện áp được sử dụng trong hệ thống điện không phải là các giá trị liên tục mà chỉ là các giá trị rời rạc. Hiện nay, cấp điện áp sử dụng phổ biến trong hệ thống truyền tải và phân phối ở việt nam là: 0.4 kV - 22kV - 35 kV - 110kV - 220 kV - 500kV. Một số cấp điện áp trước đây như 6 kV, 10 kV và 15 kV gần như đã bị loại bỏ khỏi lưới điện và hiện nay cấp điện áp 35 kV mặc dù vẫn còn nhưng cũng không còn được khuyến khích sử dụng nữa.
8. 3 Các Yêu Cầu Đối Với Khí Cụ Điện Giống như các thiết bị điện nói chung, KCĐ cần đảm bảo các yêu cầu chung như sau: Phải đảm bảo sử dụng được lâu dài đúng tuổi thọ thiết kế khi làm việc với các thông số kỹ thuật ở chế độ định mức. Thiết bị điện phải đảm bảo ổn định lực điện động và ổn định nhiệt khi làm việc ở chế độ bình th ường, và đặc biệt khi có sự cố về d òng điện và điện áp trong giới hạn cho phép . Vật liệu cách điện chịu được quá điện áp cho phép. Thi ết bị điện phải đảm bảo làm việc tin cậy, chính xác an toàn, gọn nhẹ, dễ lắp ráp, dễ kiểm tra sửa chữa. 4 Hiểu Các Thuật Ngữ Kỹ Thuật Trong giáo trình này và trong các tài liệu hướng dẫn kỹ thuật về các thiết bị điện, chúng ta sẽ thường bắt gặp một số thuật ngữ như giá trị định mức, giá trị danh định hay dòng điện đóng định mức, Trong quá trình học, nắm bắt và hiểu bản chất của những thuật ngữ này là rất quan trọng, giúp người đọc hiểu và lựa chọn thiết bị đúng trong thiết kế và lắp đặt điện. Ví dụ như, Giá trị định mức (rated values): ta thường bắt gặp là các giá trị dòng điện định mức (rated current) hoặc điện áp định mức (rated voltage). Những thông số này thường được ghi rõ trên thiết bị để cho người sử dụng biết. Thiết bị điện được thiết kế để làm việc ở ‘chế độ bình thường’ đối với các thông số này. Và nói chung, hầu hết các thiết bị cũng đều làm việc bình thường khi dòng điện hay điện áp dao động trong khoảng ± 5% hoặc ± 10% giá trị định mức. Giá trị danh định (normal values): khái niệm này thì chỉ áp dụng cho điện áp. Điện áp danh định được hiểu là giá trị điện áp được gán (hay là dùng để đặt tên) cho một đường dây truyền tải nào đó trong hệ thống điện. Ví dụ như các cấp điện áp danh định trong hệ thống điện phân phối bao gồm 110kV, 35kV, 22kV, 15kV, 10kV, 6kV và 0,4kV.
9. 5 Nội Dung Môn Học Khí Cụ Điện Phần 1 Phần 2 Phần 3 Cơ Sở Lý Thuyết Khí cụ điện hạ áp Khí cụ điện cao áp Hình 9: Nội dung môn học khí cụ điện Nội dung chương trình học nhằm cung cấp cho người học các kiến thức cơ bản về cơ sở lý thuyết KCĐ và giới thiệu các KCĐ cũng như ứng dụng của chúng trong các hệ thống truyền tải, phân phối và điều khiển điện. Cụ thể môn học được chia làm 3 phần lớn như được thể hiện trên hình vẽ Phần 1 cơ sở lý thuyết: trình bày những cơ sở lý thuyết về những vấn đề liên quan đến thiết kế và cấu tạo của các KCĐ nói chung. Bao gồm những vấn đề về nam châm điện, lực điện động, phát nóng do tổn hao trong KCĐ , hồ quang điện, tiếp xúc điện. Để giúp các bạn sinh viên tiếp xúc với môn học lần đầu hiểu, nên các vấn đề trong phần này sẽ được trình bày dưới dạng đơn giản hóa, cùng với các ví dụ giải sẵn để người học dễ tiếp thu hơn. Toàn bộ các lý thuyết này sẽ là cơ sở giúp cho người đọc hiểu bản chất thiết kế và nguyên lý làm việc của các khí cụ điện đề cập đến ở phần sau. Phần 2 KCĐ hạ áp: giới thiệu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, và ứng dụng của các KCĐ hạ áp, tức là các thiết bị làm việc với điện áp nhỏ hơn 1000V. Các thiết bị sẽ được trình bày như: công tắc tơ, áp tô mát, rơ le điện, Ngoài việc nắm bắt từng thiết bị riêng lẻ, người học còn được yêu cầu đọc và trình bày lại cách tính toán và lựa chọn các KCĐ để bảo vệ, điều khiển hệ thống động cơ trong một tòa nhà. Điều này sẽ giúp người học hiểu hơn về việc thiết kế mạch điều khiển, lựa chọn và tác dụng của các khí cụ điện. Phần 3 KCĐ cao áp: nội dung thì giống với phần hai nhưng áp dụng cho các
10. KCĐ cao áp, tức là các thiết bị làm việc với điện áp lớn hơn 1000V. Các thiết bị sẽ được trình bày như: máy cắt, dao cách lý, dao ngắn mạch, chống sét, Phần này sẽ được so sánh với phần hai trong quá trình tìm hiểu để giúp cho người học nhận ra sự khác biệt giữa các KCĐ cao áp và các KCĐ hạ áp. Ví dụ như, cùng làm nhiệm vụ bảo vệ mạch điện nhưng máy cắt cao áp và máy cắt hạ áp (áp tô mát) phải được thiết kế khác nhau và tư duy điều khiển, vận hành cũng hoàn toàn khác nhau. 6 Tài Liệu Tham Khảo Phạm Văn Chới, Bùi Tín Hữu, Nguyễn Tiến Tôn, Khí Cụ Điện, In lần thứ 6, 2010, NXBKHKT
11. Thomas Alva Edison Sinh 11 tháng 2, 1847 Bạn có biết? Milan, Ohio, Hoa Kỳ Mất 18 tháng 10, 1931 (84 tuổi) West Orange, New Jersey, Hoa Kỳ Thomas Alva Edison (11 tháng 2 năm 1847 – 18 tháng 10 năm 1931) là một nhà phát minh và thương nhân đã phát triển rất nhiều thiết bị có ảnh hưởng lớn tới cuộc sống trong thế kỷ 20. Ông được một nhà báo đặt danh hiệu "Thầy phù thủy ở Menlo Park", ông là một trong những nhà phát minh đầu tiên ứng dụng các nguyên tắc sản xuất hàng loạt vào quy trình sáng tạo, và vì thế có thể coi là đã sáng tạo ra phòng nghiên cứu công nghiệp đầu tiên. Một số phát minh được gán cho ông tuy ông không hoàn toàn là người đầu tiên có ý tưởng đó, nhưng sau khi bằng sáng chế đầu tiên được thay đổi nó trở thành của ông (nổi tiếng nhất là bóng đèn), trên thực tế là công việc của rất nhiều người bên trong công ty của ông. Tuy nhiên, Edison được coi là một trong những nhà phát minh giàu ý tưởng nhất trong lịch sử, ông giữ 1.093 bằng sáng chế tại Hoa Kỳ dưới tên ông, cũng như các bằng sáng chế ở Anh Quốc, Pháp, và Đức (tổng cộng 1.500 bằng phát minh trên toàn thế giới) Không học ở trường, Edison tự học ở sách theo cách riêng của mình. Dần dần, với sự suy nghĩ, tìm tòi, thực hiện không chú trọng lí thuyết suông, từng bước Edison đã chinh phục những gì mà người thời bấy giờ cho là không tưởng. Phát minh đầu tiên của ông là một chiếc máy điện báo tải hai có khả năng cùng một lúc phát đi hai tin. Ít lâu sau, ông cải tiến thành máy tải ba, tải tư rồi đa tải. Tải tư được bán cho Western Union với giá 10.000 USD . Một thời gian sau, chán nản với công việc của một điện báo viên, Edison đến New York, trung tâm tài chính bậc nhất lúc bấy giờ, với hy vọng sẽ kiếm thêm chi phí cho các cuộc thí nghiệm của mình. Tại đây, ông đã hợp tác với vài người
12. bạn thành lập một công ty nhỏ chuyên về điện và điện báo. Phát minh thứ hai của ông là cải tiến chiếc máy điện báo đa tải thành Hệ thống điện báo nhận các tin tức hối đoái ngân hàng. Chiếc máy đầu tiên đã đem về cho ông một số tiền lớn. Toàn bộ số tiến kiếm được lúc này, ông trút hết vào các thí nghiệm của mình về sau. Phát minh đầu tiên mang lại nổi tiếng cho Edison là máy quay đĩa năm 1877. Công chúng không thể ngờ được về phát minh này và coi nó là điều ma thuật. Edison bắt đầu được gọi là "Thầy phù thủy ở Menlo Park, New Jersey", nơi ông sống. Chiếc máy quay đĩa đầu tiên của ông ghi lại âm thanh trên các trụ bọc thiếc cho chất lượng âm thanh thấp và nó phá hủy luôn đường rãnh ghi âm khi nghe lại nên chỉ có thể nghe được một lần. Trong thập kỷ 1880, một model được thiết kế lại sử dụng các trụ bìa giấy các tông tráng sáp ong được chế tạo bởi Alexander Graham Bell, Chichester Bell, và Charles Tainter. Đây là một lý do khiến Thomas Edison tiếp tục làm việc để tạo ra chiếc "Máy hát hoàn thiện" của riêng ông. Ông cũng từng phát minh ra máy Kiểm phiếu điện tử và đã xin cấp bằng sáng chế, nhưng đã bị từ chối. Nguồn: Wikipedia