Giáo trình Khí cụ điện - Phần 1, Chương 4: Mạnh vòng dẫn điện - Nguyễn Bích Liên

Nội dung text: Giáo trình Khí cụ điện - Phần 1, Chương 4: Mạnh vòng dẫn điện - Nguyễn Bích Liên

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. PHẦN 1 LÝ THUYẾT CƠ SỞ
3. “The ultimate tragedy is not the oppression and cruelty by the bad people but the silence over that by the good people” Martin Luther King, Jr. CHƯƠNG 4 MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN Khái niệm chung về mạch vòng dẫn điện? Nguyên nhân và xác định lực điện động giữa các dây dẫn điện? Tiếp xúc điện và đặc điểm của điện trở tiếp xúc? Các chế độ làm việc của tiếp điểm và vật liệu làm tiếp điểm? 4.1 Khái Niệm Chung Mạch vòng dẫn điện trong các thiết bị điện được thiết kế để liên kết các chi tiết dẫn điện có kích thước khác nhau, hình dáng khác nhau, với các vị trí tương hỗ Mạch vòng dẫn điện khác nhau. trong thiết bị điện là gi? Hình 4.1 mô tả cấu tạo của thiết bị dùng để đóng cắt và tự động bảo vệ mạch điện (áp tô mát). Đầu vào Đầu ra Mạch vòng dẫn điện trong thiết bị này được hiểu là bao gồm tất cả các đầu nối, thanh dẫn, cuộn dây, tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh từ đầu nối điện vào tới đầu lấy điện ra.
4. Khi thiết kế mạch vòng dẫn điện, các kỹ sư phải luôn quan tâm đến một số yếu cầu bắt buộc như: Tính dẫn điện của vật liệu phải đảm bảo phát nóng khi thiết bị làm việc ở chế độ định mức nằm trong giới hạn cho phép. Yêu cầu đối với mạch vòng đẫn điện Hệ thống phải chịu được lực điện động do các dây dẫn sinh ra khi thiết bị là gi? làm việc ở chế độ sự cố ‘lớn nhất’. Các tiếp điểm động và tĩnh phải có tính dẫn điện thật tốt (đảm bảo điện trở tiếp xúc) nhưng phải chịu được va đập và hồ quang sinh ra trong quá trình đóng cắt. Việc tính toán nhiệt và hồ quang điện chúng ta đã xem xét ở chương 2 và chương 3. Trong chương này, chúng ta sẽ đi tìm hiểu về lực điện động giữa các phần dẫn điện trong mạch vòng dẫn điện cũng như ý nghĩa của khái niệm độ bền điện động đối với các khí cụ điện. Phần quan trọng thứ 2 của chương này đó là chúng ta sẽ đi tìm hiểu về tiếp xúc điện giữa các tiếp điểm động và tĩnh cùng với các yếu tố ảnh hưởng đến nó trong quá trình tính toán thiết kế. 4.2 Lực Điện Động Để có thể hiểu được nguyên nhân phát sinh ra lực điện sinh ra giữa hai dây dẫn dòng điện đặt gần nhau, chúng ta sẽ xuất phát từ khái niệm đơn giản hơn đó là: Nếu có một điện tích q chuyển động với vận tốc v trong từ trường B thì sẽ có một lực sinh ra tác động nên hạt điện tích này, tính bởi: r ur q q F = q v´ B (4.1) B v F α F α v B Vì là tích vô hướng nên: Lực điện từ và cách xác định chiều - độ Độ lớn: F = q v B sinα lớn? Chiều của F được xác định theo quy tắc bàn tay phải như trên hình vẽ 4.2, lực điện từ sẽ có chiều ngược nhau nếu vị trí tương đối của v và B ngược nhau.
5. Bây giờ, ta xét lực tác dụng lên một đoạn dây dẫn thẳng mang dòng điện I đặt trong từ trường B. Thực chất, trong dây dẫn có rất nhiều hạt điện tích đang chuyển động. Mỗi một hạt điện tích sẽ chịu một lực tác dụng theo (4.1), và lực tác dụng vào dây dẫn vì thế chính bằng tổng của những lực này. Giả sử dây dẫn có diện tích mặt cắt A v q và chiều dài l. Mật độ điện tích của Trong mạch vòng, B A F dòng điện là n.q (n: số hạt điện tích). v do đâu mà có để sinh q v B ra lực F? Vận tốc chuyển động của điện tích q q là v. Lực tổng tác dụng lên đoạn dây l dẫn này sẽ được tính bởi: r ur F =(Al nq) v´ B (4.2) r r Vì véc tơ dòng điện I = ( A n q ) v nên r ur F =l I ´ B (4.3) Như vậy, lực điện từ tác động lên dây dẫn tỷ lệ thuận với chiều dài dây dẫn, dòng điện trong dây dẫn, và mật độ tư trường B. Ví dụ 1 Tính lực tác dụng vào một electron chuyển động trong từ trường B như hình vẽ dưới đây. Nếu B = 2 T, v = 4 104 m/s và α = 30 0 Lời giải B Trước tiên ta tính độ lớn của lực: α q v F = q v B sinα = 1.6 10-19 ··· 4 10 4 2 sin 30 0 = 6.4 10 -15 N Xác định chiều của F: chiều của tích vô hướng giữa v và B sẽ vuông góc với mặt trang giấy và đi ra phía ngoài. Tuy nhiên, vì electron mang điện tích âm q < 0, nên chiều của lực F sẽ vuông góc và đi vào phía trong
6. Ví dụ 2 Một dây dẫn có mật độ khối lượng theo chiều dài là 20g/m được đặt trong từ trường đều B = 3T như hình vẽ dưới. Tính trị số dòng điện chạy trong dây dẫn để nó có thể được treo lơ lửng trong không khí. Dây điện tự treo lơ B B I lửng trong không Lời giải khí!? B B Ta thấy rằng, lực điện từ sinh ra sẽ nâng dây dẫn lên, trong khi trọng lực thì kéo dây dẫn xuống. Để dây dẫn có thể nằm lơ lửng trong không khí, thì phân bố của hai lực này theo chiều dài phải bằng nhau về trị số. F m g = l l Do từ trường vuông góc với dây dẫn nên α = 900 F l IB m g = = I B = l l l m g 0.02 9.8 ̃ I = = = 0.065 A l B 3 Như vậy, để dây dẫn treo lơ lửng nó cần phải dẫn dòng điện trị số là 0.065A 4.2.1 Từ trường trong mạch vòng dẫn điện Đến đây bạn tự hỏi, bên trong các khí cụ điện từ trường B ở đâu ra? câu trả lời nằm ở cấu tạo của mạch vòng dẫn điện. Chúng ta biết rằng, mạch vòng dẫn điện bao gồm rất nhiều chi tiết dẫn điện đặt gần nhau. Khi các chi tiết này dẫn điện, nó sẽ tạo ra xung quanh nó một từ trường B tuân theo định luật Biot–Savart. Sử dụng định luật Biot - Savart để tính toán từ trường sinh ra từ các vật dẫn điện được trình bày rất cụ thể trong nhiều tài liệu, điển hình trong số đó các bạn có thể tham khảo thêm trong hai tài liệu [1, 2]. Tuy nhiên, bài giảng này không có ý định đề cập chi tiết cách tính toán, thay vào đó là kết quả trong một số trường hợp ta thường gặp trong mạch vòng dẫn điện của các khí cụ điện đóng cắt.
7. Dây dẫn dài vô hạn: I Nếu ta có một dây dẫn có chiều dài vô hạn dẫn dòng điện I như hình vẽ 4.4, thì nó sẽ tạo ra xung quanh nó một từ trường có độ lớn là: r B μ0 I B B = (4.4) 2π r -7 Trong đó μ0 = 4 π 10 (Tm/A) độ từ thẩm không khí. Khái niệm ‘dài vô hạn’ trong thực tế được hiểu theo nghĩa chiều dài l của dân dẫn lớn hơn rất nhiều so với khoảng cách r từ dây dẫn đến điểm tính mật độ từ cảm B. Ví dụ, dây dẫn dài l = 3cm có thể được coi là ‘dài vô hạn’ khi tính từ trường tại điểm cách dây dẫn đó r = 0.3cm! Trên hình 4.5 thể hiện lực điện từ sinh ra giữa hai dây dẫn đặt gần nhau. Lực tác động vào dây dẫn (1) là kết quả tương tác giữa dòng điện I1 và từ trường sinh ra do dòng điện I2 . Do vậy, nếu I 1 và I 2 cùng chiều, lực điện từ sẽ đẩy hai dây lại gần nhau. Nếu chúng ngược chiều, thì lực sẽ đẩy hai dây xa nhau. Từ trường B2 tạo bởi dòng điện I2 F F21 21 B2 I B2 (1) 1 I1 B2 (1) B2 F21 F21 F12 F12 B1 B I2 1 I2 (2) (2) B B1 1 F12 F12 Từ trường B1 tạo bởi dòng điện I1
8. Về độ lớn: μ0 I2 I1 F12 = F21 = L (4.4) 2π r Lực điện động giữa Trong đó: L là chiều dài dây dẫn, r là khoảng cách giữa hai dây dẫn (Lưu ý, hai dây dẫn điện phụ công thức này chỉ đúng khi L >> r). thuộc vào gi? Tương tự, ta có thể tìm được hướng của lực điện động ở một số trường hợp thường gặp như hình 4.6 I1 F I1 F F I F 1 I2 I2 I2 F F Quy tắc xác định I1 chiều của các lực này F F F thế nào? I1 I1 I F I2 F F 2 F I2 Ví dụ 3 Một dây dẫn dài mang dòng điện I1 = 50A đặt cách d = 0.1m so với một mạch vòng dẫn điện hình chữ nhật (a x b = 0.3m x 0.4m) mang dòng điện I2 = 100A. Xác định lực điện động do dây dẫn tác dụng lên mạch vòng dẫn điện? Giả sử khi sự cố, cả hai dòng điện này tăng lên 100 lần, khi ấy lực điện động tăng lên mấy lần? Lời giải Ta thấy rằng, dây dẫn dòng điện I1 sẽ tạo ra xung quanh nó một từ trường. Từ trường này sẽ tương tác với dòng điện I2 sinh ra lực tác động vào khung của mạch vòng dẫn điện hình chữ nhật.
9. Ta thấy rằng, lực tác dụng lên phần trên và phần I2 dưới của mạch vòng bằng nhau, nhưng ngược dấu nên chúng triệt tiêu nhau. Như vậy, chỉ còn lực tác dụng lên thanh dẫn bên trái và bên phải F FR L b của mạch vòng như hình vẽ. I1 Lực FL có chiều hướng sang trái và độ lớn là: b I2 μ0 I1 d FL = 2π d a 0.4´10´ 4π ´10-7 ´50 = = 410-3 N 2π ´0.1 Lực FR có chiều hướng sang phải và có độ lớn: b I μ I F = 2 0 1 R 2π (a + d) 0.4´10´ 4π ´10-7 ´50 = =10-3 N 2π ´(0.3+ 0.1) Vì hai lực có chiều ngược nhau nên lực tổng tác dụng lên mạch vòng dẫn điện là -3 F = FFLR - = 3 10 N, có chiều hướng sang trái Khi sự cố Vì lực điện từ tỷ lệ với tích số giữa I1 và I 2 , nên khi dòng điện gặp sự cố tăng lên 50 (tương ứng với khi mạch điện ngắn mạch!), lực điện từ sẽ tăng lên 10000 lần. Nghĩa là F = 30 N ! Ví dụ tự giải Trong nhiều thiết bị đóng cắt, cuộn dây được thiết kế để có thể tác động cắt mạch khi có sự cố. Khi dòng điện chạy qua, chiều của lực điện từ tác động vào các vòng dây trong cuộn dây bên như thế nào?
10. 4.2.2 Độ bền điện động của thiết bị điện Trong mạch vòng dẫn điện của thiết bị điện, các chi tiết dẫn điện tương tác lực đẩy, lực hút lên nhau tùy thuộc vào chiều dòng điện. Ở chế độ định mức, trị số những lực này nhỏ và thường không gây ra tác hại gì đối với các thiết bị điện. Tuy nhiên, khi mạch điện ở trạng thái quá độ hoặc trạng thái sự cố ngắn mạch thì giá trị dòng điện tăng lên rất lớn. Dòng xung kích là Nếu gọi Inm là dòng điện ngắn mạch thông thường của mạch điện. Thì giá trị lớn gì? nhất mà dòng điện có thể đạt được ở trạng thái này gọi là dòng điện xung kích iXK và tính bởi: KXK iXK = K XK 2 Inm (4.5) Trong đó: KXK là hệ số xung kích phụ thuộc vào đặc tính của mạch (điện cảm L và điện trở R). Nguyên nhân dẫn đến dòng điện xung R/L kích lớn hơn rất nhiều dòng điện ngắn mạch thông thường vì khi quá độ có thành phần một chiều làm cho dòng điện không còn sin nữa. Khi dòng xung kích xuất hiện, lực điện động trong hệ thống mạch vòng của thiết bị có thể tăng lên hàng nghìn lần trong một thời gian cực ngắn (xung lực). Hơn nữa, khi dòng điện đạt trị số lớn trong thời gian ngắn, các vật dẫn điện sẽ bị phát nóng nhanh chóng làm cho độ bền cơ của vật liệu giảm nhanh. Do vậy, nếu như không được tính toàn và thiết kế cho những trường hợp này, thiết bị điện có thể bị phá hủy trong tích tắc. Để đặc trưng cho sức chịu đựng của các thiết bị điện đối với các xung lực điện Độ bền điện động của thiết bị điện là từ sinh ra, người ta đưa ra khái niệm về độ bền điện động. Độ bền đi ện đ ộng gi? của thiết bị điện đ ược hiểu là khả n ăng chịu đ ược lực đi ện đ ộng lớn nhất mà không bị hỏng. Thường đ ộ bền đi ện đ ộng đ ược cho dưới dạng dòng đi ện xung kích. Khi chọn thiết bị đóng cắt, ta phải chọn thiết bị có độ bền điện động lớn hơn dòng điện ngắn mạch lớn nhất có thể xảy ra trong mạch.
11. 4.3 Tiếp Xúc Điện Dòng điện đi từ vật dẫn này qua vật dẫn khác phải đi qua chỗ tiếp xúc . Bề mặt tiếp xúc cho dòng điện đi qua gọi là bề mặt tiếp xúc điện và vật dẫn có bề mặt tiếp xúc điện gọi là tiếp điểm như hình 4.8 Tiếp xúc điện là gì và Bề mặt tiếp xúc các dạng tiếp xúc? Tiếp điểm 4.3.1 Các dạng 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 là tiếp xúc không tháo lắp giữa hai vật dẫn, được liên kết bằng ốc, vít, bulông, đinh tán. Ví dụ tiếp xúc giữa các thanh cái với nhau như hình 4.9 a). Tiếp xúc loại này thường có điện trở tiếp xúc rất nhỏ, chịu được lực, mômen lớn. Tiếp xúc trượt là tiếp xúc giữa vật dẫn chuyển động và vật dẫn tĩnh. Loại tiếp xúc này thường thấy ở cầu trục, tàu điện như trên hình vẽ 4.9 b). Do các tiếp điển trượt nên thường có hiện tượng phóng tia lửa điện với loại tiếp xúc này.
12. Tiếp xúc đóng cắt là tiếp xúc giữa tiếp điểm tĩnh và tiếp điểm động của các thiết bị điện đóng cắt như hình 4.9 c). Ở chế độ đóng, hai tiếp điểm đóng vào nhau, còn ở chế độ cắt, chúng tách rời nhau để cắt dòng điện. Dựa vào hình dạng chỗ tiếp xúc người ta chia tiếp xúc thành ba loại: Tiếp xúc điểm, tiếp xúc đường và tiếp xúc mặt. Tiếp xúc điểm như hình 4.10 a), là tiếp xúc giữa tiếp điểm hình cầu với tiếp điểm mặt phẳng, hoặc là cả hai tiếp điểm là hình cầu. Loại này thường thấy trong các thiết bị đóng cắt có dòng điện bé (<10A). Tiếp điểm đường như hình 4.10 b), là do tiếp xúc của tiếp điểm hình trụ với tiếp điểm mặt phẳng, hoặc giữa hai tiếp điểm hình trụ, loại này chịu dòng cao hơn so với tiếp xúc điểm, cỡ vài chục ampe. Tiếp xúc mặt như hình 4.10 c) là tiếp xúc của hai tiếp điểm mặt phẳng, thường dùng cho trường hợp dòng điện lớn và rất lớn. Do các hình dạng tiếp xúc khác nhau đều có những ưu - nhược điểm khác nhau, nên tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể, các kỹ sư sẽ thiết kế hệ thống tiếp xúc phù hợp. Tuy nhiên, dù bất kỳ dạng tiếp xúc nào, các thiết kế đều phải có tiếp xúc điện tốt, tức là điện trở tiếp xúc nhỏ. Phần tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu xem điện trở tiếp xúc là gì, do đâu mà có điện trở tiếp xúc, và làm thế nào để có điện trở tiếp xúc nhỏ.
13. 4.3.2 Điện trở tiếp xúc Khi hai vật dẫn tiếp xúc với nhau, ở góc nhìn hiển vi, ta thấy rằng bề mặt tiếp xúc của các tiếp điểm là không phẳng, mà thực chất là chỗ lồi, chỗ lõm, dẫn đến chỉ có một số điểm của chúng tiếp xúc với nhau như hình 4.11. Điều này làm cho đường đi của dòng điện bị cong và kéo dài ra tại khu vực tiếp xúc gây ra điện trở ở khu vực này tăng lên. Điện trở gây ra do hiện tượng này có thể gọi là điện trở thắt nút (Constriction resistance).Một yếu tố khác tạo nên điện trở Nguyên nhân sinh ra điện trở tiếp xúc là tiếp xúc đó là lớp ngăn giữa hai bề mặt tiếp xúc được tạo thành bởi lớp ôxýt gì? kim loại của bề mặt tiếp xúc và bui bẩn của môi trường làm việc - gọi là điện trở lớp ngăn (Film resistance). Điện trở suất của lớp ngăn này lớn hơn rất nhiều so với điện trở suất của vật liệu dẫn điện thông thường. Như vậy, điện trở tiếp xúc là điện trở do hiện tượng dòng điện bị thắt nút và lớp cách điện giữa hai bề mặt tiếp xúc gây nên. Dòng điện Lớp ôxít kim loại và bụi bẩn 4.3.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc Các yếu tố ảnh hưởng tới điện trở tiếp xúc gồm: độ cứng của vật liệu, điện trở suất của vật liệu, tình trạng bề mặt tiếp xúc, dạng bề mặt, lực ép lên tiếp điểm và nhiệt độ của tiếp điểm. Điện trở tiếp xúc mặc dù lớn hơn điện trở dẫn của vật liệu nhưng thường rất nhỏ so với các thiết bị đo thông thường. Để đo và nghiên cứu về điện trở tiếp xúc, các nhà nghiên cứu cần phải có các dụng cụ đo đặc biệt cho việc này như trình bày trên hình 4.12.
14. hệ thống nén cảm biến lực tiếp điểm Dùng đồng hồ đo điện trở thường để đo điện trở tiếp xúc? cảm biến nhiệt độ đồng hồ micro ohm Sơ đồ đo thực tế Sơ đồ đấu dây Đồng hồ đo chuyên dụng sẽ dựa vào mối quan hệ giữa điện áp - dòng điện (phương pháp 4 - điểm Kelvin) để xác định điện trở của mối tiếp xúc. Cụ thể về phương pháp này sinh viên quan tâm có thể tham khảo ở tài liệu [4]. A Lực ép tiếp điểm Nguyên nhân của điện trở tiếp xúc là vì diện tích tiếp xúc giữa hai mặt tiếp xúc của các tiếp điểm bị thu hẹp. Do vậy, nếu ta tăng lực ép giữa hai tiếp điểm, thì diện tích tiếp xúc sẽ tăng lên, kéo theo điện trở tiếp xúc giảm. Kết quả thực nghiệm trên hình 4.13 thể hiện, khi lực ép tiếp điểm tăng thì giá trị điện trở tiếp xúc giảm theo hàm mũ. Vùng không ổn định được hiểu là khi lực ép thay đổi, thì điện trở cũng biến thiên đáng kể. Ngược lại, điện trở tiếp xúc ở vùng ổn định thường thay đổi rất nhỏ cho dù lực ép tiếp điểm thay đổi lớn. giá trị điện trở tiếp xúc xu hướng vùng không vùng ổn định Quan hệ giữa lực ép ổn định tiếp điểm và điện trở tiếp xúc? Điện trở tiếp xúc nhỏ nhất Điện trở vật liệu
15. Từ hình 4.13, điện trở tiếp xúc có thể được mô tả bằng biểu thức kinh nghiệm : K R = (4.6) tx F m Trong đó : K là hệ số phụ thuộc vào vật liệu, trạng thái bề mặt của tiếp điểm m là hệ số phụ thuộc vào kiểu tiếp xúc. Tiếp xúc điểm m = 0.5, tiếp xúc đường m = 0.5 ÷ 0.8, và m = 1 với tiếp xúc mặt. F là lực ép lên tiếp điểm . Rtx là điện trở tiếp xúc . Thực tế, do tính đàn hồi của vật liệu nên các hệ số K và m trong biểu thức (4.6) thường thay đổi, khi tăng giảm lực ép như hình 4.14 a). Khi lực ép tăng, điện trở giảm, nhưng khi giảm lực ép, điện trở tăng nhưng không theo đường cũ. R R tx tx tiếp xúc mặt tiếp xúc đường Vì sao tiếp xúc điểm được sử dụng khi tiếp xúc điểm dòng điện nhỏ? F a) F b) Điện trở tiếp xúc phụ thuộc vào dạng tiếp xúc như 4.14 b). Khi lực ép tiếp điểm nhỏ, tiếp xúc điểm có điện trở nhỏ nhất. Ngược lại, khi lực ép tiếp điểm lớn, tiếp xúc mặt có điện trở nhỏ nhất rồi đến tiếp xúc đường và cuối cùng mới đến tiếp xúc điểm. Vì vậy tiếp xúc điểm chỉ dùng cho những tiếp điểm có dòng điện bé. Nếu vật liệu làm tiếp điểm mềm thì dù lực ép lên tiếp điểm nhỏ điện trở tiếp xúc cũng nhỏ.Vì vậy ở các tiếp xúc cố định có dòng điện lớn người ta thường phủ lên bề mặt tiếp xúc một lớp vật liệu mềm trước khi cố định chúng bằng bulông hay xà ép.
16. B Nhiệt độ của tiếp điểm Khi nhiệt độ tiếp điểm tăng điện trở tiếp xúc cũng tăng theo quan hệ: æ 2 ö Rtx = Rtx0 .ç1+ αTθtx ÷ (4.7) è 3 ø 0 Trong đó : Rtx0 là điện trở tiếp xúc ở 0 C; αT là hệ số nhiệt điện trở của vật liệu . Lớp ôxýt cũng có ảnh hưởng tới điện trở tiếp xúc, lớp ôxýt làm điện trở tăng cao. Khi nhiệt độ tăng tiếp điểm càng dễ bị ôxy hóa nên càng làm tăng điện trở tiếp xúc, làm tiếp điểm càng nóng thêm dẫn đến dễ hỏng tiếp điểm. Độ bẩn, độ ẩm của môi trường xung quanh cũng làm điện trở tiếp xúc tăng. 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 của các thiết bị đóng cắt (độ kín, độ che chắn),
17. 4.3.2.2 Các chế độ làm việc của tiếp điểm Trong các thiết bị đóng cắt, có thể nói tiếp điểm là một trong những bộ phận quan trọng nhất, quyết định tính tin cậy của cả thiết bị. Các quá trình đóng cắt, quá trình ôxy hóa, phát sinh hồ quang, xảy ra tại vùng tiếp điểm, do các quá trình này mà khi thiết bị đóng cắt bị hỏng hóc thì thường xảy ra ở tiếp điểm. Trước khi xem xét về kết cấu, vật liệu làm tiếp điểm, ta sẽ xem xét quá trình đóng cắt tác động như thế nào đến tuổi thọ của tiếp điểm. Tiếp điểm có bốn chế độ làm việc: đóng, cắt, quá độ đóng và quá độ cắt. Ta lần lượt xem xét các chế độ này như sau. A Chế độ đóng Ở chế độ đóng ổn định như hình 4.4 a), điện trở tiếp xúc tương đối bé. Nếu dòng điện đi qua điểm tiếp xúc là dòng điện định mức, nhiệt độ tiếp điểm bé, chỉ cao hơn nhiệt độ thanh dẫn khoảng 5 đến 100 C, và đây là chế độ làm việc dài hạn Chế độ đóng, tiếp điểm thường bị hàn của tiếp điểm. dính khi nào? Khi tiếp điểm làm việc ở chế độ đóng cần phải lưu ý khi mạch điện bị ngắn mạch. Khi đó, dòng điện trong mạch là rất lớn, dẫn đến nhiệt độ tăng cao. Hơn nữa, nếu như lực điện động do dòng ngắn mạch sinh ra ngược chiều với lực ép tiếp điểm, thì điện trở tiếp xúc tăng lên, dẫn đến nhiệt lượng tỏa ra ở tiếp điểm càng lớn. Điều này có thể làm cho tiếp điểm bị nóng chảy và gây ra hiện tượng hàn dính tiếp điểm. Tải Tải
18. B Chế độ cắt Ở trạng thái này, dòng điện không đi qua tiếp điểm. Tuy nhiên, khi thiết kế thì khoảng cách giữa các tiếp điểm hay còn gọi là độ mở phải đủ lớn để đảm bảo Lựa chọn độ mở tiếp khoảng cách không phóng điện an toàn, và dập hồ quang đủ nhanh. Ngược lại, điểm phụ thuộc vào nếu độ mở tiếp điểm lớn có thể an toàn hơn cho cách điện và dập hồ quang, gì? nhưng lại dẫn đến kích thước của thiết bị tăng lên. C Chế độ quá độ đóng Quá trình này gắn liền với hiện tượng vật lý khá phức tạp. Bắt đầu quá trình đóng, tiếp điểm động chuyển động về phía tiếp điểm tĩnh với vận tốc tăng dần, đồng thời khoảng cách giữa hai tiếp điểm giảm dần. Khi cường độ từ trường giữa hai tiếp điểm đủ lớn, sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện. Nếu dòng điện phóng này lớn với thời gian dài thì tiếp điểm sẽ bị ăn mòn điện tích càng lớn. Khi tiếp điểm động đập vào tiếp điểm tĩnh, sẽ xuất hiện phản lực của tiếp điểm tĩnh đẩy tiếp điểm động bật trở lại gây ra hiện tượng rung trong quá trình đóng căt. Nếu như biên độ dung lớn hơn độ lún của tiếp điểm nghĩa là tiếp điểm động bị tách ra khỏi tiếp điểm tĩnh thì hồ quang phát sinh. Hơn nữa, điện trở tiếp xúc trong thời gian rung bị biến động và thường lớn hơn điện trở tiếp xúc ở trạng thái đóng ổn định, nên nếu đóng dòng điện lớn thì tiếp điểm rất dễ bị hàn dính. Để giảm rung trong khi đóng ta phải làm Để có thể giảm quá trình rung trong quá trình đóng ta phải giảm khối lượng gì? phần động của thiết bị đến mức tối đa cho phép và phải tăng lực ép tiếp điểm ban đầu. Tuy nhiên, không thể giảm vận tốc của tiếp điểm động vì nếu chuyển động chậm lại, nghĩa là thời gian phóng điện sẽ dài dẫn đến tiếp điểm bị ăn mòn và hỏng hóc. D Chế độ quá độ cắt Quá trình này ngược với quá trình đóng tiếp điểm. Bắt đầu quá trình cắt, tiếp điểm động chuyển động theo chiều tách khỏi tiếp điểm tĩnh nên điện trở tiếp xúc tăng dần, nhiệt lượng tỏa ra lớn. Khi giữa hai tiếp điểm có khe hở nhỏ, điện trường lớn, hồ quang phát sinh và sau một thời gian nhất định hồ quang bị dập
19. tắt. Dưới tác dụng của hồ quang, tiếp điểm kim loại bị nóng chảy, bay hơi nên tiếp điểm bị mòn nhiều và bề mặt tiếp điểm bị rỗ. Độ mòn của tiếp điểm trong quá trình cắt phụ thuộc vào trị số dòng điện cắt, thời gian cháy hô quang và vật Độ mòn tiếp điểm liệu làm tiếp điểm. phụ thuộc vào yếu tố nào? Như vậy, quá trình đóng cắt dòng điện sẽ làm giảm tuổi thọ của tiếp điểm. Đặc biệt là với các thiết bị đóng cắt dòng điện lớn, điện áp cao và tải dạng điện cảm. Nhằm nâng cao tuổi thọ cho tiếp điểm, người ta thường dùng các giải pháp về vật liệu, kết cấu tiếp điểm, trang bị dập hồ quang và nối thêm phần tử phụ vào mạch cắt. 4.3.2.3 Vật liệu làm tiếp điểm Do phải làm việc ở điều kiện khắc nhiệt, các tiếp điểm vừa chiu va đập, chịu hồ quang, chịu nhiệt, trong khi đó lại phải đảm bảo tiếp xúc điện tốt. Do đó vật liệu chế tạo tiếp điểm phải đặc biệt để đáp ứng những yêu cầu này.Ví dụ như dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, ít bị tác động của môi trường như ôxy hoá, ăn mòn điện hoá, điện trở tiếp xúc bé , ít bị mòn về cơ và điện, chịu được nhiệt độ cao. A Kim loại thường Đặc điểm của các kim loại thường hay sử dụng để dẫn điện như đồng hay bạc là dẫn điện tốt, dẫn nhiệt tốt, điện trở tiếp xúc của bé, ổn định nên không cần lực Đồng và bạc sử dụng ép lên tiếp điểm lớn , dễ gia công , giá thành rẻ. Tuy nhiên, nhược điểm của làm tiếp điểm đóng những kim loại này là nhiệt độ nóng chảy thấp, không chịu được va đập lớn, và cắt dòng lớn? khả năng chịu hồ quang điện rất kém. Vì những ưu nhược điểm này nên chúng chỉ được sử dụng để đóng cắt dòng điện rất nhỏ hoặc dùng cho những tiếp xúc cố định. Volfram (còn gọi là Tungsten - ký hiệu W) có mầu từ xám đến trắng, rất nặng và cứng. Nó khó hàn, ít bị ôxy hoá , có độ cứng cao , ít mòn và có nhiệt độ nóng chảy khá cao nên chịu được hồ quang. Tuy nhiên kim loại này có điện trở suất cao nên không thể sử dụng để làm tiếp điểm dẫn điện được. Để có thể vừa dẫn điện tốt lại chịu được va đập và hồ quang, các nhà nghiên cứu thường kết hợp các kim loại dẫn điện tốt như đồng hay bạc với tungsten, kim
20. loại chịu hồ quang, để tạo thành hợp kim có đặc tính dẫn điện và chịu hồ quang, va dập như mong muốn cho các tiếp điểm đóng cắt. B Kim loại gốm Kim loại gốm được chế tạo từ các bột kim loại thành phần, gia công theo Ưu điểm của kim phương pháp đặc biệt .Tuỳ thuộc vào yêu cầu của tiếp điểm mà thành phần vật loại gốm so với kim liệu được pha trộn theo tỷ lệ thích hợp. Dưới dây là một số ví dụ: loại thường? Hợp kim volfram - đồng (W 70-85%; Cu 15 - 30%), thường được sử dụng để chế tạo các tiếp điểm chịu hồ quang trong các máy cắt SF 6 cao áp và trung áp. Hợp kim WC u có thể chịu va đập và nhiệt độ rất cao (20.000K) giống với volfram, nhưng lại dẫn điện tốt giống như Cu. Hợp kim đồng - crôm (Cu 57% - 98%; Cr 2-43%), được sử dụng để chế tạo các tiếp điểm trong các máy cắt chân không trung áp (1kV - 72,5 kV), dòng điện lên tới 63 kA. Crôm giúp cho hợp kim này chống lại sự ăn mòn điện cực khi hồ quang phát sinh. Hợp kim Cacbua volfram - bạc (WC 40-60%; Ag 40-60%), được sử dụng để chế tạo các tiếp điểm trong các thiết bị đóng cắt trung và hạ áp. Ví dụ như tiếp điểm đóng cắt dòng ngắn mạch của các công tắc tơ chân không điện áp từ 7,2 - 24kV
21. 4.4 Tài Liệu Tham Khảo 1. Phạm Văn Chới, Bùi Tín Hữu, Nguyễn Tiến Tôn, Khí Cụ Điện, In lần thứ 6, 2010, NXBKHKT 2. TS Hồ Xuân Thanh, Th.S Phạm Xuân Hổ, Giáo Trình Khí Cụ Điện, 2010, ĐHQGHCM 3. 00110000 000000000000 4. Youcef Zeroukhi, Dependence of the Contact Resistance on the Design of Stranded Conductors, Sensors 2014, 14, 13925-13942; doi:10.3390/s140813925 5. copper-WC u-58.htm
22. Câu hỏi tự kiểm tra kiến thức Câu 1: Mạch vòng dẫn điện trong thiết bị được hiểu là a) dây dẫn điện b) tiếp điểm và buồng dập hồ quang c) phần đầu nối và dây dẫn điện d) tất cả các phần dẫn điện từ đầu vào cho đến đầu ra Câu 2: Hồ quang điện phát sinh khi tiếp điểm làm việc ở chế độ quá độ đóng do a) tự phát xạ điện tử đầu tiên b) phát xạ nhiệt điện tử đầu tiên c) ion hóa do nhiệt độ cao đầu tiên d) không ý nào ở trên đúng Câu 3: Lực điện động giữa hai dây dẫn, câu sai a) bản chất do từ trường do dây dẫn này lên các điện tích của dây dẫn kia b) bản chất do các điện tích khác dấu hút nhau, cùng dấu đẩy nhau c) hai dây dẫn dòng điện cùng chiều hút nhau d) giá trị lực tỉ lệ thuận với độ lớn các dòng điện Câu 4: Ở chế độ cắt, độ mở tối ưu của tiếp điểm được xác định dựa vào a) dòng điện cắt và khoảng cách cách điện b) dòng điện cắt và điều kiện dập hồ quang c) điều kiện dập hồ quang và khoảng cách cách điện d) dòng điện cắt, điều kiện dập hồ quang, và khoảng cách cách điện Câu 5: Lực điện từ của hai dây dẫn điện đặt gần nhau tỉ lệ thuận với, chọn câu sai a) chiều dài dây dẫn điện b) với khoảng cách giữa hai dây dẫn c) với các dòng điện trong dây dẫn d) với độ từ thẩm của môi trường
23. Câu 6: Xác định chiều lực điện động (1 điểm-đúng hết; 0 điểm-ít nhất 1 hình sai ) I1 I1 I1 I2 I2 I2 Câu 7: Phân loại tiếp xúc điện theo mối liên kết, câu nào sai a) tiếp xúc cố định b) tiếp xúc mặt c) tiếp xúc trượt d) tiếp xúc đóng cắt Câu 8: Vật liệu tiếp điểm mềm thì điện trở tiếp xúc nhỏ vì a) vật liệu mềm dẫn điện tốt hơn b) với cùng lực ép tiếp điểm, diện tích tiếp xúc lớn hơn c) bề mặt vật liệu mềm sạch hơn d) ít bị ôxy hóa hơn Câu 9: Nguyên nhân gây ra điện trở tiếp xúc a) tính chất cản trở hạt mang điện của kim loại tiếp xúc b) đường đi của dòng điện bị kéo dài tại chỗ tiếp xúc c) do chỗ tiếp xúc bị ôxy hóa d) cả b và c Câu 10: Xác định chiều lực điện động tác động vào các vòng dây Gợi ý:lực có hai phương, dọc trục cuộn dây và ngang trục cuộn dây i
24. Câu 11: Lực điện từ giữa hai dây dẫn điện đặt gần nhau tỉ lệ thuận với, chọn câu sai a) chiều dài dây dẫn điện b) với dòng điện của dây dẫn c) từ cảm của từ trường do dây dẫn đó tạo ra d) với dòng điện của dây dẫn kia Câu 12: Điện trở tiếp xúc phụ thuộc vào, chọn câu sai a) lực ép tiếp xúc b) dạng bề mặt tiếp xúc c) độ cứng vật liệu d) chiều dài đoạn tiếp xúc Câu 13: Phát biểu về dòng điện xung kích, chọn câu sai a) là dòng điện lớn nhất mà trong mạch điện có thể có b) thường xảy ra ở chế độ quá độ c) bằng , với Kxk là hệ số xung kích K XK 2 I nm d) hệ số xung kích là một hằng số với tất cả các mạch điện Câu 14: Khi lực ép tiếp xúc tăng, điện trở tiếp xúc sẽ a) tăng đến một giá trị nào đó rồi dừng lại b) giảm đến một giá trị nào đó rồi dừng lại c) giảm đến một giá trị nào đó rồi tăng lên d) tăng đến một giá trị nào đó rồi giảm Câu 15: Hiện tượng rung xảy ra khi tiếp điểm làm việc ở chế độ a) chế độ đóng b) chế độ cắt c) chế độ quá độ cắt d) chế độ quá độ đóng
25. Câu 16: Khi lực tiếp xúc nhỏ, dạng tiếp xúc nào cho điện trở tiếp xúc nhỏ nhất a) tiếp xúc điểm b) tiếp xúc đường c) tiếp xúc mặt d) tiếp xúc mặt và tiếp xúc đường Câu 17: Độ mòn tiếp điểm trong quá trình cắt mạch phụ thuộc vào? câu sai a) trị số dòng điện cắt b) thời gian cháy của hồ quang c) vật liệu làm tiếp điểm d) độ rung của tiếp điểm Câu 18: Để giảm rung trong quá trình đóng tiếp điểm, người ta thường a) giảm lực ép tiếp điểm b) giảm vận tốc tiếp điểm c) giảm khối lượng tiếp điểm d) giảm dòng điện đóng Câu 19: Kim loại gốm dùng làm tiếp điểm có tính chất? chọn câu sai a) dẫn điện tốt b) được chế tạo từ bột của các kim loại khác nhau c) tất cả các kim loại thành phần phải dẫn điện tốt d) chịu được hồ quang, và nhiệt độ cao
26. Tự luận 1. Một dây dẫn dài mang dòng điện I1 = 500A đặt cách d = 0.1m so với một dây dẫn khác mang dòng điện I2 = 1000A. Xác định lực điện động giữa các dây dẫn? Giả sử khi sự cố, cả hai dòng điện này tăng lên 50 lần, khi ấy lực điện động tăng lên mấy lần? 2) Một động cơ điện có thể chịu được dòng điện ngắn mạch 200A trong vòng 1s. Nếu động cơ đó được bảo vệ bởi một áp tô mát, để có thể bảo vệ động cơ khỏi bị hỏng hóc, thời gian tác động chậm nhất của áp tô mát là bao nhiêu với dòng điện ngắn mạch sự cố là 120A? 3) Một dây dẫn có mật độ khối lượng theo chiều dài là 20g/m được đặt trong từ trường đều B = 3T như hình vẽ dưới. Tính trị số dòng điện chạy trong dây dẫn để nó có thể được treo lơ lửng trong không khí. B B I B B
27. Stephen Hawking Sinh 8 tháng 1, 1942 Oxford, Oxfordshire, Anh Bạn có biết? Stephen William Hawking là một nhà lý thuyết vũ trụ học, được xem là một trong những nhà vật lý lý thuyết tài năng nhất kể từ Albert Einstein, tác giả viết sách khoa học thường thức người Anh, hiện là Giám đốc Nghiên cứu tại Trung tâm Vũ trụ học lý thuyết thuộc Đại học Cambridge. Trong số những công trình khoa học quan trọng của ông, nổi bật nhất là sự hợp tác với Roger Penrose về lý thuyết kỳ dị hấp dẫn trong khuôn khổ thuyết tương đối tổng quát, và tiên đoán lý thuyết hố đen phát ra bức xạ (tức bức xạ Hawking). Hawking là người đầu tiên khởi đầu một nền vũ trụ học dựa trên sự thống nhất giữa thuyết tương đối tổng quát và cơ học lượng tử. Ông là người ủng hộ mạnh mẽ cách diễn giải đa vũ trụ về cơ học lượng tử. Ông nhận nhiều vinh dự khác nhau, trong đó có Huân chương Tự do Tổng thống, Giải Wolf, là thành viên của Hội Nghệ thuật Hoàng gia và Viện Hàn lâm Khoa học Giáo hoàng. Hawking đảm nhiệm vị trí Giáo sư Toán học Lucas tại Đại học Cambridge từ năm 1979 đến năm 2009. Hawking cũng nổi tiếng với việc viết những cuốn sách phổ biến khoa học trong đó ông thảo luận lý thuyết của ông cũng như vũ trụ học nói chung; cuốn Lược sử thời gian đứng trong danh sách bán chạy nhất của Sunday Times trong thời gian kỷ lục 237 tuần.Hawking mắc một căn bệnh về thần kinh vận động liên quan tới hội chứng teo cơ bên, khiến cho ông hầu như liệt toàn thân và phải giao tiếp qua một thiết bị hỗ trợ phát giọng nói. Ông đã kết hôn hai lần và có ba người con. Nguồn: Wikipedia