Nghiên cứu việc khai thác và ứng dụng của các loại khí cụ điện

Lời nói đầu Khí cụ điện đóng vai trò vô cùng quan trọng trong hệ thồng điện.Nó quyết định hệ thống làm việc có an toàn và ổn định hay không.Kỹ thuật ngày càng phát triển đã thúc đẩy việc cải tiến thiết bị điều khiển và bảo vệ, từ rơ le điện từ đến các rơ le điện tử.Cùng với đó là các nhà máy xí nghiệp đang áp dụng mạnh mẽ các kỹ thuật mới vào lĩnh vực điều khiển và bảo vệ.Đó là do những ưu điểm vượt trội về độ an toàn và chính xác.Nghiên cứu khí cụ điện đóng vai trò quan trọng , nó trang bị kiến thưc về nắp đặt sủa chữa và vận hành.Nhận thức được vấn đề này bộ môn đã cho chúng em được nghiên cứu lý thuyết và tìm hiểu thiết bị ở phòng điều khiển đã đem lại nhiều kiến thức bổ ích. Do thời gian thực tập của phần khí cụ là 2 tuần, và chỉ có một buổi lên phòng thí nghiệm của bộ môn mới được xây dựng với các thiết bị của hãng Schneider, cho nên việc tìm hiểu các khí cụ chủ yếu là dựa trên các catalog của hãng. Các thiết bị trên phòng thí nghiệm đều là những thiết bị có thể nói là rất hiện đại, với các tính năng ưu việt hơn hẳn các thiết bị cũ cùng chủng loại của thế hệ cũ. Với một lượng thời gian không nhiều, và do trình độ ngoại ngữ còn hạn chế, nên việc tìm hiểu các thiết bị mới này còn hạn chế. Tuy nhiên, với tinh thần học hỏi, em đã cố gắng để hoàn thành nhiệm vụ của công việc thực tập. Phần I : Nghiên cứu việc khai thác và ứng dụng của các loại khí cụ điện. I. Các loại khí cụ điện thường gặp, chức năng và ký hiệu ( theo tiêu chuẩn quốc tế): a. Cầu dao, dao cách ly: đây là các khí cụ điện được sử dụng để đóng cắt khi không có dòng điện (khi không tải) hoặc có dòng điện rất nhỏ để đảm bảo khoảng cách cách ly rõ ràng trong mạch điện, chính là khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh. Trong mạch điện hạ áp loại khí cụ này thường được gọi là “cầu dao”, còn trong mạch điện cao áp nó được gọi là “dao cách ly”.Cầu dao đôi khi còn được dùng để đóng cắt có tải ( thường là nhỏ). Dao cách ly còn có nhiệm vụ đổi nối trong mạng điện phân phối, đổi nối thanh góp phân đoạn, nối đất đường dây … Kí hiệu: Các thông số của cầu dao, dao cách ly: - Điện áp định mức: Uđm(kV) - Dòng điện định mức: Iđm(A) Quá dòng điện cho phép: Ieff (kA/s) Ngưỡng chịu điện áp với tần số f = 50Hz trong 1 phút là U (kV) b. Máy cắt phụ tải: đây là loại khí cụ điện dùng để đóng, cắt khi có tải (có dòng phụ tải). Kí hiệu: Các đặc điểm và thông số của máy cắt phụ tải: Điện áp định mức: Uđm(kV) Dòng điện định mức: Iđm (A) Quá dòng cho phép : Ieff (kA/s) Ngưỡng chịu điện áp với tần số f = 50Hz trong 1 phút là U (kV) Ngưỡng chịu sét đánh : U (kV) Khả năng cắt: 100 lần với dòng điện định mức và cosj = 0,7 3 lần với dòng bằng 7.Iđm và cosj = 0,3 Khả năng đóng mạch: chịu được dòng Icc ( dòng điện cho phép đóng) Điều khiển: thực hiện bằng tay hay bằng điện Độ bền cơ: + Tối thiểu 1000 lần + Khi được tăng cường 5000 lần Khi cắt: thấy được khoảng hở c. Công tắc tơ: là khí cụ điện dùng để đóng, cắt mạch điều chỉnh ở chế độ làm việc định mức nhiều lần với tần số đóng cắt khá cao: 150 đến 1500 lần/giờ và có thể điều khiển từ xa bằng điện. Loại cố định Công tắc tơ Loại có thể tháo lắp kép Kí hiệu: Đặc điểm và thông số của công tắc tơ: Điện áp định mức: Uđm (kV) Dòng điện định mức: Iđm (A) Quá dòng điện cho phép: Ieff (kA/s) Ngưỡng chịu điện áp với tần số f = 50Hz trong 1 phút là U (kV) Ngưỡng chịu sét đánh : U (kV) Với thiết bị cố định luôn luôn kết hợp với 1 dao cách ly. Với loại tháo lắp kép dùng dao cách ly kép. d. Cầu chì: là khí cụ điện để bảo vệ mạch điện hạ áp, nó sẽ tự động ngắt mạch điện khi mạch bị quá tải hay ngắn mạch ( tức là dòng tăng cao) Kí hiệu: Các đặc điểm và thông số của cầu chì: Điện áp định mức: Uđm (kV) Dòng điện định mức: Iđm (A) Ngưỡng chịu điện áp với tần số f = 50Hz trong 1 phút là U (kV) Ngưỡng chịu sét đánh kVeff Khả năng cắt: I1 (kAeff) t I Icc giới hạn Icc lý thuyết Dòng cắt mạch tối thiểu: I3 (Aeff) Dòng chảy: I2 (Aeff) Đường đặc tính làm việc: Thành phần cấu tạo của cầu chì gồm: các chốt gắn ở 2đầu, hộp cầu chì, lõi cầu chì, phần tử chảy, bột dập hồ quang. e. Một số loại áptômát, dòng sản phẩm của hãng Schneider: Multi 9: dòng điện định mức từ 0,5 đến 125 A Compact NS: dòng điện định mức từ 16 đến 630 A. Sử dụng để bảo vệ trong mạch phân phối theo tiêu chuẩn quốc tế, làm việc trong môi trường công nghiệp. Compact NS: dòng điện định mức từ 100 đến 1250 A Compact CM: dòng điện định mức từ 1250 đến 3200 A Masterpact: dòng điện định mức từ 800 đến 6300 A Một số kí hiệu trên thiết bị : Icu : dòng cắt định mức (kA) Ics : dòng làm việc của thiết bị, tuỳ theo thiết bị có thể chỉnh định Ics theo phần trăm của Icu. Có thể Ics = 100%.Icu Những ứng dụng của khí cụ điện trong hệ thống điện. Các chức năng cơ bản của khí cụ điện là cắt mạch, điều khiển( theo chức năng, cắt mạch khẩn cấp, dừng tức thời…), bảo vệ chống: dòng quá tải, dòng ngắn mạch, sự cố hỏng cách điện. Cắt mạch: với mục đích để cách ly, cô lập một phần tử hay thiết bị ra khỏi mạch. Khi thực hiện phải tuân theo các tiêu chuẩn, phải ngắt hết các pha (trừ trường hợp đó là dây bảo vệ PEN), có thể chốt hay khoá được, có thể kiểm tra trạng thái mở của tiếp điểm. Tuỳ vào mạch cụ thể mà vị trí lắp đặt thiết bị được xác định. Điều khiển: dùng để cấp hay cắt nguồn cho phần mạch để nó vận hành được bình thường. Bảo vệ: với chức năng khi có các sự cố xảy ra các thiết bị bảo vệ sẽ đảm bảo sự an toàn cho các thiết bị trong hệ thống, đảm bảo sự an toàn cho con người, làm giảm các rủi ro, tổn thất. Bảo vệ trong các khí cụ: gồm có 2 phần: Bảo vệ theo nguyên tắc từ, nhiệt: theo nguyên tắc từ để bảo vệ khi có sự cố ngắn mạch, theo nguyên tắc nhiệt để bảo vệ khi có sự cố quá tải. Đối với thiết bị điện tử, thường có kí hiệu STR, ví dụ STR55UE. Thiết bị điện tử có tính năng bảo vệ đa năng, tính tác động của nó nhanh hơn các thiết bị tử, nhiệt. Đối với các khí cụ điện, khi sử dụng chúng để thực hiện việc bảo vệ cần phải được tiến hành chọn lựa và chỉnh định chúng cho phù hợp với yêu cầu. Khi chọn lựa cần phải xác định rõ: điện áp sử dụng, dòng điện định mức, ngưỡng chịu nhiệt Icw, khả năng ngắt ( Icu tối đa, Ics làm việc), khả năng đóng (Icm). a. Rơ le nhiệt: cấu tạo chính gồm 1 thanh lưỡng kim, gồm 2 loại kim loại có tính giãn nở nhiệt khác nhau. Mục đích: để bảo vệ quá tải. I If Inf In 1h t Đường cong đặc tính tác động: b. Các thiết bị tác động từ: Mục đích: bảo vệ chống ngắn mạch. Nguyên tắc: khi có sự cố ngắn mạch, sẽ tạo ra từ trường trong cuộn dây tạo một lực hút làm các tiếp điểm được đóng lại, hay bị tách ra. Im1 Im2 I If Inf In 1h t Đường cong đặc tính tác động c. Bộ tác động điện tử: Mục đích:- bảo vệ chống quá tải ( tác động chậm) Ir Im I theo thang loga Ngưỡng bảo vệ nối đất Ngưỡng tác động tức thời Ngưỡng tác động nhanh (quá tải) Ngưỡng tác động chậm (quá tải) t(s) Theo thang loga Các ngưỡng hiệu chỉnh theo tải Bảo vệ chống ngắn mạch ( tác động nhanh hay tức thời). Im : tác động nhanh, Im = (1,5 á 10)Ir I : tức thời, I = (12á 15)In c. Cầu chì: có loại dùng trong thiết bị gia dụng, có loại dùng trong công nghiệp. 4. Bảo vệ mạch điện: Vấn đề bảo vệ mạch điện có nhiều cách khác nhau, việc này có thể tiến hành theo nhiều cách khác nhau. Có thể liệt kê một số phương pháp bảo vệ có chọn lọcnhư sau: Chọn lọc theo dòng Chọn lọc theo thời gian Chọn lọc theo mức độ logic Bảo vệ có định hướng Chọn lọc bằng phương pháp vi sai (so lệch). I I a. Chọn lọc theo dòng và theo thời gian: ở phương pháp này, hệ thống gồm nhiều thiết bị bảo vệ tác động theo mức dòng điện và theo thời gian khác nhau dọc theo chiều dài của mạng. Theo cách bảo vệ này, các thiết bị bảo vệ càng gần nguồn có thời gian trễ càng lâu, điều kiện để tác động cũng phức tạp và khó khăn hơn. Do đó nguyên tăc này được dùng trong các mạch phân nhánh. b. Chọn lọc theo logic: nguyên lý này được áp dụng khi yêu cầu thời loại bỏ sự cố ngắn mạch. Việc trao đổi thông tin( tín hiệu logic) giữa các thiết bị bảo vệ kế tiếp không có sự phân biệt về thời gian. Các thiết bị bảo vệ có thời gian tác động không đổi, thời gian trễ là hằng số không phụ thuộc vào dòng điện. Ưu điểm : Thời gian tác động không còn phụ thuộc vị trí của sự cố trong chuỗi phân biệt thời gian tác độngnhư ở phương pháp trên. I> I I> I c. Chọn lọc theo hướng: trong một hệ thống khép kín khi sự cố xuất hiện từ hai phía, cần thiết phải sử dụng một hệ thống bảo vệ nhạy với chiều của dòng điện sự cố để xác định và loại bỏ dòng điện này. Sử dụng phương pháp này để bảo vệ 2 đường dây song song. Ngăn ngừa có định hướng khi xảy ra sự cố ngắn mạch, khi đó nhánh bên có sự cố sẽ được tách ra, nhánh còn lại vẫn làm việc bình thường. d. Bảo vệ kiểu vi sai ( so lệch DI): các thiết bị bảo vệ kiểu này so sánh dòng điện tại các đầu của bộ phận được theo dõi trong hệ thống. Khi xảy ra bất kỳ sự sai lệch nào về biên độ hay pha giữa các dòng điện sẽ báo trạng thái bị sự cố. Đây là hệ thống bảo vệ tự phân biệt và xác định vị trí xảy ra sự cố trong phạm vi nó kiểm soát. Dùng bảo vệ kiểu sai lệch để chống ngắn mạch độc lập về thời gian và dùng cho mạch kín. II. Nghiên cứu hệ thống nối đất trong mạch điện hạ áp Trong hệ thống phân phối điện năng có 5 phương pháp về cách nối đất của điểm trung tính: Trung tính cách điện Trung tính nối đất trực tiếp Trung tính nối đất qua điện trở Trung tính nối đất dùng trở kháng phối hợp Trung tính nối đất dùng trở kháng bé. Theo đó các sơ đồ nối đất trong mạch hạ áp có 3 kiểu mắc: TT TN IT Trong đó chữ cái thứ nhất biểu diễn tình trạng của nguồn cấp đối với đất, T: điểm trung tính của nguồn được nối đất, I: điểm trung tính của nguồn được cách điện với đất, hoặc được nối thông qua trở kháng cao. Chữ cái thứ hai biểu diễn tình trạng của mạch điện( thiết bị tiêu thụ) đối với đất, T: điểm mát được nối trực tiếp với đất, N điểm mát được nối với điểm chung của nguồn cấp. Trong 3 kiểu trên, trong kiểu TN còn có 2 cách : TNS: dây bảo vệ(PE ) khác với dây trung tính của nguồn cấp TNC: dây bảo vệ PE trùng với dây trung tính của nguồn cấp Nối đất nguồn nuôi N C B A Sơ đồ TT Trong sơ đồ này : điểm chung của nguồn được nối đất, điểm mát của thiết bị cũng được nối đất thông qua phần tử nối đất khác với nguồn nuôi. Sơ đồ TN PE Nối đất nguồn nuôi N C B A Sơ đồ TNS: dây PE khác với dây trung tính. A PE N C B Nối đất nguồn nuôi Sơ đồ TNC: dây N và PE chung trên toàn mạch Z PE N C B A Sơ đồ IT: tất cả các bộ phận làm việc được cách ly với đất( hoặc chỉ nối qua trở kháng cao), trong khi đó điểm mát của các thiết bị được nối đất trực tiếp. Trong các sơ đồ trên việc nối đất phần mát của thiết bị làm việc sẽ đảm bảo tính an toàn cho thiết bị khi vận hành, đồng thời đảm bảo sự an toàn cho người vận hành và sử dụng. Mỗi sơ đồ trên có những ưu, nhược điểm . Ví dụ như trong sơ đồ TN: kiểu đấu TNS có dây PE và dây N khác nhau nên có tính an toàn cao nhưng tốn dây, còn kiểu TNC thì dây trung tính N và dây bảo vệ PE là chung nên khi có sự cố ( chẳng hạn bị đứt) như vậy thì nó gây nguy hiểm cho mạng và người vận hành thiết bị. Việc sử dụng các thiết bị bảo vệ trong các sơ đồ trên tuỳ thuộc vào tình trạng của điểm trung tính của nguồn cấp. Nguyên lý dùng để chọn lựa các thiết bị đã được trình bày ở phần trên. Các thiết bị bảo vệ phải tác động trong khoảng thời gian phù hợp. Trong sơ đồ TNC thì dây PEN không bao giờ được đứt, bởi nó sẽ gây nguy hiểm. Cần phân bố đều các điểm nối đất trên dây PE. Cho kéo dây PE (hay PEN) cặp bên các dây pha. Cần tiến hành nối dây PEN vào cọcnối mát của tải. Cách mắc TNC không được dùng phía sau kiểu đấu TNS. Trong sơ đồ IT, khi đã tiến hành nối đất các thiết bị thì nếu có xảy ra sự cố thứ nhất( sự cố hỏng một thiết bị) cũng không gây nguy hiểm cho người vận hành thiết bị. Tuy nhiên khi xuất hiện sự cố thứ 2 ( hỏng 2 thiết bị trên cùng một pha) nếu thiết bị bảo vệ không tác động thì sẽ rất nguy hiểm cho người vận hành và cho cả mạng điện này chính là hiện tượng ngắn mạch một pha. Trong đợt thực tập trên phòng thí nghiệm, chúng em đã được tiến hành kiểm tra tính bảo vệ trên sơ đồ IT. Khi tạo sự cố ngắn mạch giả trên một thiết bị đã được nối đất thì không gây nguy hiểm cho người, thiết bị bảo vệ không căt, chỉ có thiết bị quản lý cách điện hệ thống báo sự cố giảm điện trở cách điện. III. Giới thiệu rơle số đa năng- SEPAM 2000 Rơ le số là một thiết bị bảo vệ và điều khiển được chế tạo theo nguyên tắc làm việc của các thiết bị logic lập trình( PLC) và so sánh tương tự đa năng với một số chức năng sau: Điều khiển. Bảo vệ Theo dõi và chuẩn đoán Đo lường. Bên cạnh đó rơ le số đi kèm với các chương trình điều khiển và truyền thông theo tiêu chuẩn của Mỹ và Châu Âu để thực hiện các thao tác lập trình với các thiết bị lập trình bằng tay hay bằng máy tính cá nhân. Các dữ liệu có trong rơ le số cùng với khả năng điều khiển xa cho phép rơ le số có thể tổ hợp với các hệ thống quản lý điện năng. Rơ le số hay sepam là thiết bị đo, đưa ra các thông số như giá trị dòng điện các pha( trong mạch 3 pha), giá trị dòng điện trung bình của 3 pha, đo điện áp các pha và điện áp dây, đo công suất tác dụng, công suất phản kháng ở cả 3 pha trong trường hợp cân bằng hay không cân bằng, đo hiệu suất, tần số. Dòng điện tác động( để bảo vệ) được đặt bằng việc chọn lựa khi lập trình. Việc ra đời của rơ le số tạo ra khả năng ứng dụng trong điều khiển, đo lường, bảo vệ là rất lớn. Tính năng của nó vượt trội hơn hẳn các rơ le kiểu cũ, bởi được điều khiển bằng chương trình nên tính logic trong đó rất cao. Ví dụ: việc đóng cắt nguồn cấp cho một thiết bị là tổ hợp của rất nhiều thiết bị bảo vệ khác, việc xử lý các tín hiệu này trên các rơ le kiểu cũ là rất phức tạp. Tuy nhiêu với rơ le số việc này đơn giản hơn rất nhiều. Trong đợt thực tập vừa qua, chúng em đã được thầy giáo hướng dẫn cho làm quen với rơ le số cùng với tính năng bảo vệ quá dòng của nó. Các thông tin mà rơ le số lưu giữ trong quá trình hoạt động đã giúp đỡ người vận hành rất nhiều. Do còn hạn chế về trình độ và thời gian nên việc tìm hiểu về rơle số chưa được sâu sắc. Nếu có điều kiện em rất muốn tìm hiểu sâu về công nghệ rơle số. Em xin chân thành cảm ơn bộ môn, các thầy cô giáo đã tạo điều kiện cho chúng em trong đợt thực tập. c>Giới thiêu về tủ SM6: Tủ SM6 bao gồm cầu cao cách ly không tải và cầu chì .Kết hộp hai thiết bị này sẽ có chưc năng bảo vệ như một máy cắt như rẻ hơn máy cắt rất nhiều. Tiếp điểm của dao cách ly được làm việc trong môi trường khí SF6 , nên có khả năng dập hồ quang rất tốt. Cầu trì dùng loại cầu trì bắn .Khi có sự cố quá dòng tiếp điểm động của cầu trì được giải phóng