BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Nguyễn Duy Hưng

NGHIÊN CỨU CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN,
VẬN HÀNH, THÍ NGHIỆM MÁY CẮT SF6

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
PGS.TS. Nguyễn Đình Thắng

Hà Nội, Năm 2014


----------------------------------------------------------------------------------------------

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu của cá
nhân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Đình Thắng
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Học viên

Nguyễn Duy Hưng

-------------------------------------------------------------------------------------------1-


----------------------------------------------------------------------------------------------

Hình 4.1 : Cấu tạo mạch vòng dẫn điện.
Hình 4.2 : Tiếp điểm dập hồ quang.

-------------------------------------------------------------------------------------------2-


---------------------------------------------------------------------------------------------Hình 4.3 : Khoảng cách giữa các tiếp điểm.
Hình 4.4 : Chiều dài thanh dẫn mang tiếp điểm.
CHƯƠNG 5
Hình 5.1 : Buồng dập hồ quang tương ứng với các trạng thái của máy cắt.

-------------------------------------------------------------------------------------------3-


----------------------------------------------------------------------------------------------

MỤC LỤC
Trang
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN

1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

2

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

11


20

II. TÍNH TOÁN CÁCH ĐIỆN CỦA MÁY CẮT 110 kV
SIEMENS (3AP1FG).
1. Khoảng cách giữa các pha (S1).

20

2. Khoảng cách giữa các tiếp điểm dập hồ quang khi mở hoàn toàn (S2).

21

3. Chiều cao sứ cách điện của buồng dập hồ quang (S3).

22

4. Chiều cao sứ đỡ trụ (S4).

22

III. KẾT LUẬN CHƯƠNG I.

22

CHƯƠNG 2 : CẤU TẠO CHUNG CỦA MÁY CẮT 110 kV
SIEMENS (3AP1FG).
I. TRỤ CỰC.

23



---------------------------------------------------------------------------------------------2.Tay đòn.

24

3.Thanh kéo.

24

4.Tủ bộ truyền động.

24

III. MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN.

24

1.Tiếp điểm tĩnh hồ quang.

24

2.Tiếp điểm động hồ quang.

24

3.Tiếp điểm động làm việc.

25


26

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN ĐỘNG.

27

I. KHÁI NIỆM CHUNG.

27

II. CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN ĐỘNG.

27

III. KÍCH THƯỚC CỦA MỘT SỐ THIẾT BỊ CHÍNH
TRONG BỘ TRUYỀN ĐỘNG.

27

1. Thanh kéo cách điện.

27

2. Tay đòn.

27

3. Thanh nối

27



---------------------------------------------------------------------------------------------1. Tổng quan về mạch điều khiển điện trong máy cắt SF6.
2. Các mạch điều khiển chính trong sơ đồ điều khiển.

46

2.1. Phần mạch điện điều khiển máy cắt '' Tại chỗ '' (Local).

46

2.2. Phần mạch điện điều khiển máy cắt '' từ xa'' (Remote).

47

2.3. Mạch điện động cơ nạp lò xo (Spring - charging motor).

48

2.4. Mạch điện máy nén không khí.

48

3. Mạch diện điều khiển máy cắt SF6, nhà chế tạo: SIEMENS, kiểu

49

3AP1FG dùng bộ truyền động lò xo.
3.1. Mạch điện đóng tại chỗ máy cắt bằng nút ấn S9.


3.9. Mạch điện bộ đếm số P1.

54

3.10. Mạch điện trở sấy.

54

VIII. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

54

CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN.

55

I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN.

55

1. Khái niệm chung.

55

2. Cấu tạo mạch vòng dẫn điện.

55

II. TÍNH TOÁN MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN.



62

3.2. Xác định kích thước tiếp điểm động hồ quang.

63

3.3. Xác định kích thước tiếp điểm động làm việc.

63

3.4. Xác định kích thước tiếp điểm tĩnh làm việc.

63

3.5. Xác định lực ép tiếp điểm.

65

3.6. Tính ổn định nhiệt của tiếp điểm khi bị dòng ngắn mạch tác động.

66

3.7. Tính toán lò xo tiếp điểm.

70

3.8. Xác định độ mòn của tiếp điểm sau N lần đóng cắt cho
Tiếp điểm dập hồ quang.



77

3. Chọn buồng dập hồ quang.

78

II. TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN BUỒNG DẬP HỒ QUANG.

79

1. Tính toán buồng dập hồ quang.

79

2. Kiểm tra buồng dập hồ quang.

81

III. QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM SAU LẮP ĐẶT MÁY CẮT SF6

83

1. An toàn.

83

2. Kiểm tra tổng thể bên ngoài.

84

9. Kiểm tra áp lực khí.

86

10. Kiểm tra rơ le khí (trong quá trình nạp khí).

86

11. Kiểm tra rò khí.

87

12. Đo thời gian.

87

13. Đo điện trở tiếp xúc và các tiếp điểm chính bằng đo điện trở 1 chiều.

89

14. Các thí nghiệm khác tùy theo từng loại máy cắt và yêu cầu của nhà

90

chế tạo.
15. Kết quả thí nghiệm máy cắt Siemens 3APGF1.

90

KẾT LUẬN CHUNG.

2. Mục đích, ý nghĩa thực tiễn.
Nghiên cứu cấu tạo, sơ đồ điều khiển, quy trình thí nghiệm từ đó đưa ra công
nghệ chế tạo máy cắt. Xây dựng thành tài liệu hoàn chỉnh, hỗ trợ các nhà sản xuất
trong nước tham khảo để có thể chế tạo máy cắt SF6 tại Việt Nam trong tương lai
gần.
3. Nội dung chính của đề tài cần giải quyết.
Nghiên cứu, tính toán các thông số, lựa chọn vật liệu để thiết kế máy cắt SF6,
thí nghiệm trước vận hành của máy cắt (các kết quả thí nghiệm từ đó kết luận máy
cắt có đủ điều kiện đưa vào vận hành hay không). Liên hệ các kết quả nghiên cứu
được với điều kiện sản xuất trong nước.
Từ đó đưa ra các phương án thiết kế.
Nội dung của luận văn được bố trí như sau:

-------------------------------------------------------------------------------------------9-


---------------------------------------------------------------------------------------------Chương mở đầu.
Chương 1: Phân tích chọn phương án thiết kế, tính toán cách điện.
Chương 2: Cấu tạo chung của máy cắt SF6 (Siemens 3AGP1FG).
Chương 3: Thiết kế bộ truyền động, điều khiển của máy cắt SF6.
Chương 4: Tính toán mạch vòng dẫn điện.
Chương 5: Lựa chọn và tính toán buồng dập hồ quang, quy trình và các
bước thí nghiệm máy cắt SF6.
Kết luận chung.

------------------------------------------------------------------------------------------- 10 -


---------------------------------------------------------------------------------------------CHƯƠNG 1:
PHÂN TÍCH CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ



---------------------------------------------------------------------------------------------Trong đó:
Udm - Điện áp định mức của lưới điện.
Icdm – Dòng cắt định mức.
Thời gian đóng là quãng thời gian từ khi có tín hiệu “đóng” được đưa vào máy
cắt đến khi máy cắt đóng hoàn toàn. Thời gian này phụ thuộc vào đặc tính cơ cấu
truyền động và hành trình của tiếp điểm động.
Thời gian cắt của máy cắt là quãng thời gian từ khi có tín hiệu cắt đến khi hồ
quang bị dập tắt hoàn toàn. Thời gian này phụ thuộc vào đặc tính của cơ cấu cắt
(thường là lò xo cắt được tích năng lượng trong quá trình đóng) và thời gian cháy
của hồ quang, được tính toán cho hồ quang của dòng cắt định mức.
Các yêu cầu chính đối với máy cắt là: độ tin cậy cao cho mọi chế độ làm việc,
quá điện áp khi cắt thấp, thời gian đóng và thời gian cắt nhanh, không gây ảnh
hưởng tới môi trường, dễ bảo quản, kiểm tra, thay thế, kích thước nhỏ gọn, tuổi thọ
cao.
Dựa theo môi trường dập hồ quang, máy cắt được chia ra các loại: máy cắt dầu,
máy cắt khí nén, máy cắt chân không, máy cắt tự sinh khí, máy cắt khí SF 6.
Nhược điểm chính của máy cắt dầu là kích thước, khối lượng lớn, cần phải làm
sạch dầu, bảo dưỡng, sửa chữa phức tạp và dễ gây ra cháy nổ. Ngày nay máy cắt
dầu loại thùng không còn chế tạo nữa.
Ưu điểm chính của máy cắt không khí nén là khả năng cắt lớn, có thể đạt đến
dòng cắt 100kA, thời gian cắt bé nên tiếp điểm có tuổi thọ cao. Mặt khác loại máy
cắt này không sợ cháy nổ như ở máy cắt dầu. Nhược điểm của loại máy cắt này là
có thiết bị khí nén đi kèm. Vì vậy chỉ nên dùng cho những trạm có số lượng máy
cắt lớn. Cho đến những năm 90 của thế kỷ 20, máy cắt không khí nén hầu như
không còn được chế tạo nữa bởi nó không cạnh tranh được với loại chân không và
khí SF6.
Ưu điểm chính của máy cắt chân không là kích thước nhỏ gọn, không gây ra
cháy nổ, tuổi thọ cao khi cắt dòng định mức (đến 10000 lần đóng cắt), gần như


---------------------------------------------------------------------------------------------Nguyên lý dập hồ quang:

1.2.1
1.2.2
1.2.4
1.2.3
1.2.5
1.2.6
1.2.7

1.2.8

Hình 1.2: Quá trình dập hồ quang của máy cắt SIEMENS
Trong đó: 1.2.1: Tiếp điểm tĩnh

1.2.5: Xy lanh nhiệt

1.2.2: Ống thổi dập hồ quang

1.2.6: Van

1.2.3: Tiếp điểm động

1.2.7: Pittong

1.2.4: Tiếp điểm ngón

1.2.8: Van



tiếp điểm tĩnh hồ quang
ống thổi hồ quang

tiếp điểm động hồ quang

tiếp điểm động
xy lanh phụt khí

Pittong
g
Hình 1.3: Quá trình dập hồ quang của máy cắt Crompton Greaves.
Hoạt động cơ khí là một dạng của lò xo – khí nén tức là hoạt động nhả được
thực hiện bởi năng lượng của khí nén và hoạt động đóng được thực hiện bởi năng
lượng lò xo mà không cần đến một lò xo được tích năng bằng động cơ. Đây là sự
khác biệt lớn với động cơ chạy bằng khí nén thông thường mà sử dụng năng lượng
khí nén cho cả hai quá trình nhả và đóng. Trong suốt quá trình nhả năng lượng khí
nén được cung cấp bởi nguồn khí mà được nạp trong khoang cơ khí. Một khoang

------------------------------------------------------------------------------------------- 15 -


---------------------------------------------------------------------------------------------nén khí trong khoang cơ khí bảo vệ áp suất khí trong nguồn khí hoạt động ở áp suất
15kg/cm2. Ở cuối quá trình nhả lò xo đóng tích năng một cách tự động. Mỗi một
máy cắt được lắp máy nén khí độc lập của riêng nó, bởi thế tránh được hệ thống ống
dẫn phức tạp và hệ thống máy nén khí cần cho máy nén trung tâm. Thêm một điểm
thuận lợi về mặt cơ khí của loại máy này là năng lượng khí chỉ đòi hỏi trong quá
trình nhả, toàn bộ hệ thống khí nén làm việc với một áp suất khí đơn và một nguồn
,bởi thế gia tăng sự chắc chắn và sự tin cậy của máy cắt.


------------------------------------------------------------------------------------------- 17 -


----------------------------------------------------------------------------------------------

Hình 1.6: Quá trình dập hồ quang của máy cắt ABB
3. Chọn phương án thiết kế.
Từ các kết cấu trên, xét thấy kết cấu máy cắt của hãng Siemens có nhiều ưu
điểm nổi trội kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, phù hợp với điều kiện nước ta. Vì vậy trong
nội dung này tác giả sẽ chọn phương án thiết kế máy cắt SF6 theo kết cấu của hãng
Siemens với cấp điện áp 110kV.
Nguyên lý dập hồ quang: kiểu tự động điều chỉnh áp lực thổi, buồng dập hồ
quang có hai ngăn, ngăn trên pittong và ngăn dưới pittong.
Máy cắt sử dụng một bộ truyền động chung cho cả ba pha, bộ truyền động loại
lò xo. Để đóng máy cắt cần tích năng lượng cho lò xo đóng bằng tay hoặc bằng
động cơ, qua bộ giảm tốc bánh răng, trục chính, thanh nối tới lò xo đóng. Lò xo cắt
được tích năng lượng trong quá trình đóng.
II. TÍNH TOÁN CÁCH ĐIỆN.
Tính toán cách điện bao gồm giải quyết các vấn đề:
- Chọn các bộ phận có khoảng cách cách địên và chọn sơ bộ hình dáng kích
thước các điện cực tạo thành các khoảng cách đã chọn.
- Xác định các giá trị điện áp phóng điện tính toán cho từng khoảng cách đã
chọn.

------------------------------------------------------------------------------------------- 18 -


---------------------------------------------------------------------------------------------- Tính kích thước nhỏ nhất cho phép của các khoảng cách cách địên.
Sơ đồ kết cấu máy ngắt:


quang. Theo phương quang theo phương trình 1-17 [3]: Upđt = Kdt.Upđ
Trong đó: Kdt - hệ số dự trữ. Kdt = 1,2
Upđ - trị số tiêu chuẩn của điện áp phóng. Tra theo bảng 1-9 [3] đối với thang
cách điện 110 kV, được:

Upđ = 260 (kV).

------------------------------------------------------------------------------------------- 19 -


---------------------------------------------------------------------------------------------Updt = 1,2.260 = 312 (kV).
Chọn áp suất khí SF6 trong buồng dập hồ quang ở trạng thái ổn định khi đóng
hoặc mở hoàn toàn là 3at. (Theo IEC60694)
Ở áp suất bình thường, độ bền điện của SF6 gấp 3 lần so với không khí. Vì vậy
tính toán khoảng cách giữa các tiếp điểm dập hồ quang trong máy ngắt SF 6 với áp
suất khí quyển gần đúng lấy bằng khoảng cách cách điện trong không khí ở điện áp
phóng điện Upđt = 312 kV là 79 cm chia cho 3.
S’2 = 79/3 = 26,3 (cm).
Ở áp suất 2at, độ bền điện của khí SF6 tương đương với dầu biến áp. Vì vậy
khoảng cách giữa các tiếp điểm dập hồ quang trong máy cắt SF6 ở áp suất 2at được
tính toán bằng với khoảng cách cách điện trong môi trường dầu.
Suy ra: Upd = 312 kV được: S”2 = 19,5 (cm).
Từ các kết quả trên ngoại suy gần đúng lấy khoảng cách giữa các tiếp điểm dập
hồ quang trong máy ngắt SF6 ở áp suất 3at là: S2 = 14 (cm).
3. Chiều cao sứ cách điện của buồng dập hồ quang (S3).
Giá trị điện áp phóng điện tính toán xác định theo công thức 1-17 [3]:
Upđt = Kdt.Upđ
Trong đó:
Kdt - hệ số dự trữ lấy theo 1-11[3]. Kdt = 1.
Upđ - trị số tiêu chuẩn của điện áp phóng. Điện áp phóng điện khô đối với sứ trụ

---------------------------------------------------------------------------------------------CHƯƠNG 2:
CẤU TẠO CHUNG CỦA MÁY CẮT 110 kV SIEMENS 3AP1FG
Máy cắt gồm 3 trụ cực ứng với 3 pha, khi lắp 3 trụ cực nằm trên 1 giá đỡ
chung, bộ truyền động của máy cắt nằm ở pha B.

2.1.5

2.1.3

2.1.1
2.1.2

2.1.4

Hình 2.1: Cấu tạo tổng thể bên ngoài của máy cắt
2.1.1 Giá đỡ máy cắt.
2.1.2

Đồng hồ hiển thị trạng thái đóng, ngắt của máy ngắt.

2.1.3 Trụ sứ đỡ.
2.1.4 Bộ truyền động.
2.1.5 Buồng cắt.
I. TRỤ CỰC.
1. Khoảng cách giữa các pha.
S1 = 150 (cm).
2. Chiều cao sứ cách điện.
S3 = 120 (cm).
3. Chiều cao sứ trụ.
S4 = 120 (cm).

2. Tiếp điểm động hồ quang.
Vật liệu làm tiếp điểm là đồng, kim loại gốm.
Đường kính ngoài của tiếp điểm động hồ quang: D = 35 (mm).
Đường kính trong của tiếp điểm khi đóng vào tiếp điểm động hồ quang:

------------------------------------------------------------------------------------------- 23 -


---------------------------------------------------------------------------------------------d = 24 (mm).
Chiều dài tiếp điểm động hồ quang (phần tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh hồ quang
theo hướng dọc trục) là: H = 10 (mm).
3. Tiếp điểm động làm việc.
Tiếp điểm động làm việc gắn liền với xy lanh nhiệt, vì vậy có dạng trụ rỗng và
kích thước bằng kích thước xy lanh.
Chọn vật liệu làm tiếp điểm là bạc, niken, than chì.
Đường kính ngoài tiếp điểm: D = 156 (mm).
Đường kính trong tiếp điểm: d = 150 (mm).
4. Tiếp điểm tĩnh làm việc.
Tiếp điểm tĩnh làm việc dạng ngón, và số tiếp điểm ngón là 10. Các tiếp điểm
ngón được sắp xếp thành một vòng tròn trên giá đỡ tiếp điểm .
Khoảng cách giữa các tiếp điểm tĩnh khi đóng xuống tiếp điểm động làm việc
là 19 (mm).
Chiều rộng mỗi tiếp điểm ngón là: c = 40 (mm).
Chiều dài khoảng tiếp xúc của tiếp điểm ngón với tiếp điểm động theo hướng
trục khi đóng hoàn toàn là: b = 3 (mm).
Độ lún l của tiếp điểm là: l = 4 (mm).
Chiều dài tiếp điểm ngón là: h = 70 (mm).
Chiều dày tiếp điểm ngón: d = 6 (mm).
5. Lò xo tiếp điểm.
Kiểu lò xo xoắn hình trụ, làm việc chịu nén, được quấn bằng dây tròn.