Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện
tử
LỜI MỞ ĐẦU
Trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước điện năng có
vai trò rất quan trọng. Điện năng giúp chúng ta giảm đáng kể sức lao động của
con người trong các nhà máy, xưởng sản xuất, trong các cầu cảng… Điện năng
còn giúp chúng ta trong lĩnh vực chiếu sáng, thông tin, liên lạc…Để đạt được
tối đa các ứng dụng của điện năng và an toàn cho các thiết bị tiêu thụ điện thì
việc bảo vệ là hết sức quan trọng. Việc bảo vệ phải đảm bảo ngắt phần hư hỏng
ra khỏi lưới điện để không ảnh hưởng đến các thiết bị dùng điện khác hay phải
tách thiết bị ra khỏi lưới điện khi lưới điện gặp sự cố.
Trước kia, với các khí cụ điện các đặc tính bảo vệ đã được thỏa mãn.
Nhưng với cáckhí cụ điện thì việc bố trí tủ điện cồng kềnh, mất nhiều diện tích,
hơn nữa giá thành lại khá cao. Để khác phục những nhược điểm trên em xin
đưa ra một số phương pháp dùng các phần tử bảo vệ không tiếp điểm để thay
thế cho các khí cụ điện. Dùng các phần tử không tiếp điểm này đặc tính bảo vệ
của nó không khác gì so với các khí cụ điện, hơn nữa việc sử dụng các phần tử
không tiếp điểm này khiến cho các tủ điện trở nên gọn nhẹ đáng kể. Không
những thế dùng các phần tử không tiếp điểm còn đơn giản có thể tự chế tạo
được.
Khi nhận được đề tài: Nghiên cứu và thiết kế hệ thống bảo vệ tổng
hợp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha. Đề tài gồm có 4
chương:
Chương I: Các sự cố thường gặp
1
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện
tử
Chương II: Tìm hiểu biện pháp bảo vệ cổ điển
Chương III: Phương pháp bảo vệ dùng thiết bị bán dẫn
Chương IV: Tính chọn thiết bị
Ban đầu, khi nhận được đề tài em cảm thấy rất do dự, không biết khả
này theo dõi liên tục tình trạng và chế độ làm việc của tất cả các phần tử của hệ
thống điện. Khi xuất hiên sự cố các phần tử bảo vệ phát hiện và cắt phần tử
hỏng ra khỏi lưới điện.Khi xuất hiện chế độ làm việc không bình thường thiết
bị bảo vệ sẽ phát hiện và tùy thuộc vào yêu cầu có thể tác động để khôi phục lại
chế độ làm việc bình thường hoặc báo tin cho nhân viên trực tiếp.
3
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện
tử
Trong thực tế đối với hệ thống điện thường xảy ra các sự cố sau:
1.1. Sự cố ngắn mạch
1.1.1. Khái niệm sự cố ngắn mạch
Ngắn mạch là hiện tượng nguồn điện khép kín mạch tạo thành dòng điện
mà không đi qua phụ tải.
Ngắn mạch là một loại sự cố xảy ra trong hệ thống điện do hiện tượng
chạm
chập giữa các pha không thuộc chế độ làm việc bình thường.
- Trong hệ thống có trung tính nối đất (hay 4 dây) chạm chập một pha
hay nhiều pha với đất (hay với dây trung tính) cũng được gọi là ngắn mạch.
- Trong hệ thống có trung tính cách điện hay nối đất qua thiết bị bù, hiện
tượng
chạm chập một pha với đất được gọi là chạm đất. Dòng chạm đất chủ yếu là do
điện dung các pha với đất.
Ngắn mạch gián tiếp là ngắn mạch qua một điện trở trung gian, gồm
điện trở do hồ quang điện và điện trở của các phần tử khác trên đường đi của
dòng điện từ pha này đến pha khác hoặc từ pha đến đất.
Điện trở hồ quang điện thay đổi theo thời gian, thường rất phức tạp và
khó xác định chính xác. Theo thực nghiệm:
R= [Ω]
Trong đó: I - Dòng ngắn mạch [A]
4
1.1.2. Điện trở ngắn mạch phụ thuộc vào
- Khoảng cách từ điểm ngắn mạch tới bảo vệ
- Phụ thuộc vào dây dẫn
- Phụ thuộc vào tính chất tiếp xúc tại vị trí ngắn mạch.
Nhưng dù phụ thuộc gì thì điện trở ngắn mạch cũng rất nhỏ do vậy dòng
điện ngắn mạch sẽ rất lớn.
1.1.3. Tác hại của sự cố ngắn mạch
- Gây lực điện động rất lớn.
- Phá hỏng dây từ điểm ngắn mạch tới nguồn.
- Phát nóng: Dòng ngắn mạch rất lớn so với dòng định mức làm cho các
phần tử có dòng ngắn mạch đi qua nóng quá mức cho phép dù với một thời
gian rất ngắn.
- Tăng lực điện động: Ứng lực điện từ giữa các dây dẫn có giá trị lớn ở
thời gian đầu của ngắn mạch có thể phá hỏng thiết bị.
- Điện áp giảm và mất đối xứng: Làm ảnh hưởng đến phụ tải, điện áp
giảm 30 đến 40% trong vòng một giây làm động cơ điện có thể ngừng quay,
sản xuất đình trệ, có thể làm hỏng sản phẩm.
6
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện
tử
- Gây nhiễu đối với đường dây thông tin ở gần do dòng thứ tự không
sinh ra khi
ngắn mạch chạm đất.
- Gây mất ổn định: Khi không cách ly kịp thời phần tử bị ngắn mạch, hệ
thống có thể mất ổn định và tan rã, đây là hậu quả trầm trọng nhất.
1.1.4. Nguyên nhân dẫn đến ngắn mạch
Có nhiều nguyên nhân như: Già hóa cách điện do thao tác của người vận
hành, do đứt dây…Vì nguyên nhân gì thì cứ xảy ra sự cố ngắn mạch cần bảo vệ
hệ thống khi sự cố ngắn mạch còn chưa phát huy tác hại.
1.2. Sự cố quá tải
ư
.r
ư
E
đ
= K
e n
Khi bắt đầu khởi động Eđ=0
Suy ra I
ư
= I
kđ
= U
ư
/ r
ư
Do vậy dòng khởi động rất lớn
Đối với quá tải dài hạn
+ Do lưới điện bị tụt
+ Mất điện một pha
1.2.3. Tác hại của sự cố quá tải.
- Quá tải ngắn hạn có thể gây hư hỏng cho thiết bị về mặt cơ khí.
- Quá tải dài hạn làm hỏng các cách điện, hỏng do nhiệt.
- Làm già hóa cuộn dây.
- Do vậy phải tìm cách bảo vệ để sự cố chưa kịp gây ra tác hại.
1.3. Sự cố mất pha, đảo pha
8
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện
tử
1.3.1. Khái niệm
- Mất pha có thể phân biệt mất pha nguồn máy biến áp, mất pha sơ cấp
máy biến áp, mất pha thứ cấp máy biến áp, mất pha do hệ thống, mất pha do
riêng một thiết bị.
1.3.4. Tác hại của sự cố mất pha.
Vì một sự cố nào đó gây nên hiện tượng mất pha đảo pha cho toàn hệ
thống điện, điện áp pha thay đổi góc pha thay đổi, hệ thống làm việc không
bình thường rất nguy hiểm cho toàn bộ hệ thống.
Khi mất pha điện áp 3 pha không bằng nhau, góc lệch pha cũng không
bằng nhau vì thế khi đưa động cơ vào nó sẽ ko tạo ra từ trường quay mà tạo ra
từ trường đập mạch. Vì thế động cơ không khởi động được, dòng điện sẽ tăng
cao ở các pha không bị mất, pha bị mất dòng điện bằng 0. Còn khi động cơ
đang hoạt động bị mất pha thì công suất của các pha còn lại sẽ tăng lên, pha bị
mất sẽ giảm xuống. Nếu động cơ lớn các pha còn lại sẽ làm việc ở chế độ quá
tải sẽ gây hại rất lớn cho hệ thống, gây hư hại cho thiết bị điện.
Khi thứ tự các pha bị thay đổi tức là các pha không lần lượt đạt cực đại
sau 120 độ nó làm thay đổi từ trường của động cơ, làm cho động cơ quay
10
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện
tử
ngược lại so với chiều ban đầu. Nếu trong các hệ thống mà động cơ chỉ quay
một chiều thì việc đảo chiều quay là vô cùng nguy hiểm nó có thể phá hỏng hệ
thống cơ khí và các thiết bị điện gây thiệt hại nặng.
Tình trạng mất pha, đảo pha là rất nguy hiểm người ta đã thiết kế nhiều
cách bảo vệ cho hề thống. Một trong nhưng cách đó là sử dụng rơ le nhệt với
nguyên lý dựa vào dòng tải và điện áp.
1.3.5. Bảo vệ đối với sự cố mất pha, đảo pha.
Yêu cầu đối với sự cố mất pha là khi xảy ra sự cố mất pha cần phải ngắt
ngay nguồn cũng cấp bị mất pha ra khỏi phụ tải, tránh những hiện tượng làm
khi không đủ pha dẫn đến các sự cố khác.
Khi bị đảo pha hệ thống phải dừng làm việc.
cơ nói riêng và toàn bộ lưới điện nói chung là rất cần thiết. Phương pháp bảo
vệ kinh điển là phương pháp dùng cầu chì, aptomat, các loại rơle, công tắc tơ
12
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện
tử
bảo vệ các loại sự cố có thể xảy ra. Khi có sự cố, các thiết bị này sẽ tác động để
tách động cơ truyền động và hệ thống ra khỏi lưới điện. Đảm bảo anh toàn cho
máy móc thiết bị cũng như bảo đảm an toàn cho con người.
Để giải quyết vấn đề chọn loại bảo vệ nào, tác động của bảo vệ là cắt
nhanh hay duy trì thời gian rồi cắt hoặc chỉ báo tín hiệu. Trong từng trường hợp
cụ thể cần phải tuân thủ đúng các quy định trong tiêu chuẩn của khí cụ điện và
quy phạm vận hành của hệ thống. Ta cần tìm hiểu một số phương pháp bảo vệ
cho sự cố ngắn mạch, quá tải, sự cố cao- thấp điện áp.
2.1. Phương pháp bảo vệ ngắn mạch
2.1.1. Bảo vệ ngắn mạch bằng cầu chì.
Cầu chì là khí cụ điện đơn giản nhất, kích thước nhỏ, khả năng đóng cắt
lớn.
a. Cấu tạo của cầu chì:
Cầu chì nói chung gồm ba bộ phận:
- Vỏ: Được dùng làm bằng vật liệu cách điện, chịu nhiệt và có nhiều
thành vách.
- Dây chảy: Được làm bằng kim loại (chì…) là bộ phận chính, tỏa nhiệt
và dẫn điện tốt.
- Hệ thống tiếp diểm: Dùng để nối dây chảy với mạch điện cần bảo vệ.
thường liên kết ốc vít hay kiểu cầu dao.
b. Trạng thái làm việc của cầu chì:
- Giai đoạn 1: Kể từ khi xảy ra sự cố cho đến khí nhiệt độ bằng nhiệt độ
nóng chảy.
- Giai đoạn 2: Dây chảy bắt đầu chảy.
- Giai đoạn 3: Hồ quang xuất hiện và dập tắt hồ quang.
Lựa chọn cầu chì phải đảm bảo các yêu cầu sau:
+ Quan hệ giữa điên áp trên cầu chì và điện áp lưới
U
cc
>U
l
Trong đó:
U
cc
: Điện áp của cầu chì
U
l
: Điện áp lưới
+ Quan hệ giữa dòng điện dây chảy và dòng điện làm việc:
T
cc
= k.I
max
Trong đó:
I
cc
: Dòng điện cầu chì
K: Hệ số an toàn, phụ thuộc đặc tính của tải
I
max
: Dòng tải lớn nhất
+ Thời gian chảy ngắn nhất của dây chảy có thể đạt được nếu thỏa mãn
Trong đó:
I
nm
2: Nam châm điện
3: Lò xo
4: Phần ứng
5: Cần răng
6: Lò xo
Nguyên lý làm việc:
Ở trạng thái bình thường sau khi đóng điện aptomat được giữ ở trạng
thái đóng nhờ móc răng (1) ăn khớp với cần rang (5), cùng với tiếp điểm khởi
động. Khi mạch điện có sự cố, dòng điện qua nam châm điện (2) sẽ hút phần
ứng (4) xuống làm nhả móc rang (1), cần rang (5) được tự do, aptomat được
mớ ra dưới tác dụng của lực lò xo (6) mạch điện được ngắt ra khỏi lưới điện.
Aptomat có 3 yêu cầu:
- Chế độ làm việc định mức của aptomat phải là chế độ làm việc dài hạn.
Nghĩa là, trị số dòng điện định mức chạy trong aptomat lâu bao nhiêu cũng
được. Mặt khác dòng điện qua aptomat phải chịu dòng lớn (khi có ngắn mạch)
lúc tiếp điểm của nó đã đóng hay đang đóng.
- Aptomat phải ngắt được trị số dòng điện ngắn mạch lớn (vài chục
KA). Sau khi ngắt dòng ngắn mạch, aptomat phải đảm bảo vẫn làm việc tốt ở
trị số dòng điện định mức.
- Để nâng cao tính ổn định nhiệt và điện động của thiết bị điện, hạn chế
sự phá hoại của dòng ngắn mạch gây ra aptomat phải có thời gian cắt nhỏ do
vậy phải kết hợp lực thao tác cơ học với dập hồ quang bên trong aptomat.
16
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện
tử
- Dựa theo tham số bảo vệ và dựa theo tính chất dòng điện bảo vệ mà
aptomat được chia làm những loại sau:
+ Aptomat một chiều
+ Aptomat xoay chiều
+ Aptomat dòng điện cực đại, cực tiểu
Rơ le nhiệt, làm việc trên nguyên lý sự giãn nở của kim loại dự trên tác
động của nhiệt độ.
Đặc tính cơ bản của rơ le:
Rơ le có đường đặc tính cơ bản là dặc tính vào- ra.
Đối với rơ le có tiếp xúc:
Quá trình tác động của rơ le:
O -> Xtác dộng : Y = 0
X = Xtác động : Ytăng = Ymax
X tăng, Y = Ymax
18
X
trở về
Y
max
X
X
tác động
Hình 2.2: Đặc tính cơ bản
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện
tử
Quá trình trở về của rơ le nhiệt
X > X tác động: giẳm dần xuống
X tác động, Y = Y max
X = X trở về , Y giảm về 0
Một vài tham số cơ bản của rơ le
+ Hệ số trở về của rơ le (hệ số nhả)
Ktv = knh
Gọi ktv =
Với từng loại role khác nhau thì hệ số trở về khác nhau
Với rơ le cực đại: ktv<1
có điện áp bình thường thì đứng yên. Khi điện áp tăng quá mức quy định thì
lực điện động thắng lực cẳn rơ le tác động.
Rơ le dòng điện cực đại kiểu điện từ, được dùng để bảo vệ quá tải ngắn
hạn, ngắn mạch và bảo vệ những thiết bị có công suất lớn.
Cấu tạo:
1: Mạch từ
2: Cuộn dây
3: Trục
4: Nắp cực từ
5: Vít điều khiển nghiêng của nắp
6: Cơ cấu chấp hành
7: Lò xo nhả
8: Kim chỉnh định xoắn
20
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện
tử
Hình 2.3: Cấu tạo của rơ le
Nguyên lý làm việc:
Mạch từ C đặt ngược, mõm cực từ nhọn, cuộn dây 2 mắc nối tiếp vào
dòng điện, khi làm việc bình thường từ thông sinh ra lực từ hút điện từ nhỏ hơn
lực lò xo ≥ nắp cực từ không tác động, cơ cấu đang làm việc.
Khi có sự cố từ thông tăng ≥ lực điện từ lớn hơn lực lò xo ≥ nắp cực từ
quay, trục quay mở tiếp điểm làm việc.
Đặc điểm: Không được sử dụng ở những nơi không được va đập, rung
động, tránh gây tác động nhầm.
21
1
3
2
4
Dg
Dg
3RM
ĐC
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện
tử
Hình 2.4: Sơ đồ đấu nối
Nguyên lý bảo vệ:
Ba rơ le dòng điện cực đại lắp trên ba pha cấp điện cho động cơ. Các
tiếp điểm của rơ le được mắc trong mạch điều khiển.khi có sự cố, dòng điện
cấp cho động cơ tăng lên, rơ le đạt tới giá trị hút sẽ tác đọng mở các tiếp điểm
trên mạch điều khiển. Các tiếp điểm mở sẽ ngắt nguồn cung cấp cho cuộn dây,
công tắc tơ, tiếp điểm trên mạch lực nhả động cơ được bảo vệ.
2.3. Bảo vệ quá tải dài hạn
2.3.1. Bảo vệ quá tải dài hạn dùng rơ le nhiệt
22
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện
tử
Rơ le nhiệt là khí cụ điện dựa trên nguyên lý sự dãn nở của kim loại
dươi tác dụng của nhiệt độ.
Dựa vào cấu tạo và chức năng rơ le nhiệt được chia làm 2 loại:
- Rơ le nhiệt bảo vệ: rơ le nhiệt bảo vệ quá tải và ngắn mạch có thời gian
- Dùng 2 tấm kim loại có hệ số giãn nở khác nhau (
Tấm 1 có hệ số giãn nở rất nhỏ gọi là thanh bị động
Tấm 2 có có hệ số giãn nở vì nhiệt lớn gọi là thanh chủ động
Bằng công nghệ ép chặt 2 tấm kim loại vào nhau gọi là một chi tiết. Gọi
là tấm kim loại kép.
Khi nhiệt độ tấm kim loại tăng nó bị cong về phía tấm kim loại có hệ số
giãn nở nhỏ hơn.
Nếu ngắn mạch không có thời gian thì rơ le nhiệt không bảo vệ được.
O
Đ
D
C
D
D
g
M
D
Dg
2RN
2
RN
D
g
C
A
BA
2RN
ĐC
CD
Dg
Dg
A
M
1RN
KC
1
RA
A
2RN
O
RA
Copyright: Tài liệu đại học ©