1. BỘ LAO ĐỘNG ­ THƯƠNG BINH VÀ XàHỘI TỔNG CỤC DẠY NGHỀ GIÁO TRÌNH Tên mô đun: Khí cụ điện NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG NGHỀ (Ban hành kèm theo Quyết định số: 120/QĐ­TCDN ngày 25.tháng 02 năm   2013 của Tổng cục trưởng Tổng cục Dạy nghề) 1
  2. Hà Nội, năm 2013 2
  3. TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN: Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được   phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về  đào tạo và tham   khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử  dụng với mục đích kinh  doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. 3
  4. LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình Khí cụ điện là kết quả của Dự án “Thí điểm xây dựng chương   trình và giáo trình dạy nghề năm 2011­2012”.Được thực hiện bởi sự tham gia  của các giảng viên của trường Cao đẳng nghề  công nghiệp Hải Phòng thực   hiện Trên cơ  sở  chương trình khung đào tạo, trường Cao  đẳng nghề  công   nghiệp Hải phòng, cùng với các trường  trong điểm trên toàn quốc, các giáo  viên có nhiều kinh nghiệm thực hiện biên soạn giáo trình Khí cụ  điện phục  vụ cho công tác dạy nghề Chúng   tôi   xin   chân   thành   cám   ơn   Trường   Cao   nghề   Bách   nghệ   Hải  Phòng, trường Cao đẳng nghề giao thông vận tải Trung  ương II, trường Đại  học Sư phạm Nam Định  đã góp nhiều công sức để  nội dung giáo trình được  hoàn thành Giáo trình này được thiết kế  theo mô đun thuộc hệ  thống mô đun/ môn  học của chương trình đào tạo nghề  Điện công nghiệp  ở  cấp trình độ  Cao  đẳng nghề và được dùng làm giáo trình cho học viên trong các khóa đào tạo,  sau khi học tập xong mô đun này, học viên có đủ  kiến thức để  học tập tiếp  các môn học, mô đun đun khác của nghề.  Mặc dù đã hết sức cố gắng, song sai sót là khó tránh. Tác giả rất mong   nhận được các ý kiến phê bình, nhận xét của bạn đọc để giáo trình được hoàn  thiện hơn.                                                            Hà Nội, ngày    tháng   năm 2013                                                          Tham gia biên soạn                                                                        1. Ngô Kim Xoạn : Chủ biên                                                        2. Phạm Thúy Hòe                                                          3. Đoàn Năng Trình 4
  5. MỤC LỤC TRANG 1. Lời giới thiệu 2 2. Mục lục 3 3. Mô đun khí cụ điện 4 4. Yêu cầu về đánh giá và hoàn thành môn học 5 5. Bài 1 KHÁI NIỆM VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN 6 6. 1. Khái niệm về khí cụ điện 6 7. 2. Phân loại và công dụng của khí cụ điện 22 8. Bài 2: KHÍ CỤ ĐIỆN ĐÓNG CẮT 25 9. 2.1. Câu dao 25 10. 2.2. Công tắc và Nút nhấn 29 11. 2.4. Dao cách ly 35 12. 2.5. Máy cắt điện 38 13. 2.6. Áptômát 43 14. Bài 3: KHÍ CỤ ĐIỆN BẢO VỆ 48 15. 3.1. Nam châm điện 48 16. 3.2. Rơle điện từ 53 17. 3.3. Rơle nhiệt 58 18. 3.4. Cầu chì 63 19. 3.5. Thiết bị chống dòng điện rò 70 20. 3.6. Máy biến áp đo lường. 74 21. Bài 4: KHÍ CỤ ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN 78 22. 4.1. Contactor 78 23. 4.2. Khởi động từ 82 24. 4.3. Rơle trung gian và rơ le tốc độ 83 25. 4.4. Rơle thời gian 86 26. 4.5. Bộ khống chế 89 27. Các thuật ngữ chuyên môn 95 28. Tài liệu tham khảo 96 5
  6. MÔN ĐUN:  KHÍ CỤ ĐIỆN Mã mô đun: MĐ12 Vị trí, ý nghĩa, vai trò mô đun: Mô đun này học sau các môn học: An toàn lao động; Mạch điện, có thể học   song song với môn học Vật liệu điện. Nội dung môn học này nhằm trang bị cho học viên những kiến thức cơ bản  và những kỹ năng cần thiết về cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tính kỹ thuật   và  ứng dụng, nắm được các hiện tượng, nguyên nhân hư  hỏng và cách sữa   chữa một số  khí cụ  điện cơ  bản nhằm  ứng dụng có hiệu quả  trong ngành  nghề của mình. Mục tiêu của mô đun.  Sau khi học xong mô đun này, học viên có năng lực: ­ Nhận dạng và phân loại được khí cụ điện. ­ Trình bày được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các loại khí cụ điện. ­ Sử dụng thành thạo các loại khí cụ điện. ­ Tính, chọn được các loại khí cụ điện. ­ Tháo lắp được các loại khí cụ điện. ­ Sửa chữa được các loại khí cụ điện. Nội dung chính của môn học/mô đun: Nội dung tổng quát và phân bố thời  gian : Thời gian (giờ)  Số  Tổn Lý  Thực  Kiểm Tên các bài trong mô đun TT g số thuyết hành   tra*  1 Bài mở đầu 3 3 2 Bài 1. Khí cụ điện đóng cắt 17 6 10 1 3 Bài 2. Khí cụ điện bảo vệ 12 6 5 1 4 Bài 3. Khí cụ điện điều khiển 13 5 7 1 Cộng: 45 20 22 3 6
  7. YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ HOÀN THÀNH MÔN HỌC Về kiến thức: Các lọai khí cụ điện đóng cắt, bảo vệ, đo lường... dùng trong mạng hạ thế  và trong doanh nghiệp công nghiệp. Về  kỹ năng: ­ Lựa chọn, sử dụng đúng chức năng các loại khí cụ điện hạ thế. ­ Tháo lắp, sửa chữa được một số  hư  hỏng  ở  các loại khí cụ  điện thông  dụng. Về  thái độ: BÀI KIỂM TRA 1: 30 phút; Kiểm tra viết. Đánh giá kết quả tiếp thu về  bài Khí cụ điện đóng cắt, bài Khí cụ điện bảo vệ. BÀI KIỂM TRA 2: 30 phút; Kiểm tra viết. Đánh giá kết quả tiếp thu về  bài Khí cụ điện điều khiển. BÀI KIỂM TRA 3: (Thực hành): 60 phút; Tiến hành thường xuyên trong  các buổi thực hành. Nội dung trọng tâm phải đánh giá được kỹ năng của học   viên về : ­ Lắp đặt, sử dụng các khí cụ điện. ­ Tính chọn khí cụ điện. ­ Tháo lắp, kiểm tra thông số của các khí cụ điện. ­ Xác định các hư hỏng, nguyên nhân gây ra hư hỏng. Học viên phải phát   hiện được từ hai đến ba sai lỗi và sửa chữa/thay thế các bộ  phận bị hư hỏng  của các khí cụ điện. BÀI KIỂM TRA 4: KIỂM TRA KẾT THÚC MÔN HỌC; 90 PHÚT: Gồm  2 phần: ­ Lý thuyết: Kiểm tra viết; Đánh giá kết quả  tiếp thu của cả  môn học  bao gồm tất cả các ý trọng tâm. ­ Thực hành: Nhằm đánh giá các kỹ  năng của học viên về  lắp ráp/lắp  đặt, phát hiện sai lỗi và sửa chữa các loại khí cụ  điện trong các trường hợp  xác định.   Bài kiểm tra này có thể  thực hiện tại xưởng, giáo viên giao cho học  viên các loại khí cụ  điện hoặc mạch điện có lỗi. Học viên tìm nguyên nhân  gây ra lỗi, xác định và sửa chữa lỗi.   Hoặc giáo viên giao cho học viên thiết bị của  doanh nghiệp (hoặc đến  doanh nghiệp) để bảo dưỡng, sửa chữa. Qua việc sửa chữa thực tế giáo viên  đánh giá trình độ của học viên. 7
  8. BÀI 1: KHÁI NIỆM VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN Khái niệm về khí cụ điện: M12­01. Giới thiệu : Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp điện năng các thiết bị điện  dân dụng, điện công nghiệp cũng như  các khí cụ  điện được sử  dụng ngày  càng   tăng   lên   không   ngừng.   Chất   lượng   của   các   khí   cụ   điện   cũng   không  ngừng được cải tiến và nâng cao cùng với sự  phát triển của công nghệ  mới .  Vì vậy đòi hỏi người công nhân làm việc trong các ngành, nghề  và đặc biệt  trong các  nghề điện phải hiểu rõ về các yêu cầu, nắm vững cơ sở lý thuyết  khí cụ  điện. Làm cơ  sở  để  nắm vững cấu tạo, nguyên lý làm việc và  ứng  dụng của từng loại khí cụ điện để không ngừng nâng cao hiệu quả kinh tế và  tiết kiệm điện năng trong sử dụng.  Nội dung môn học này nhằm trang bị  cho học viên những kiến thức cơ  bản và cần thiết về cơ sở lý thuyết  khí cụ điện nhằm ứng dụng có hiệu quả  trong ngành nghề của mình.   Mục tiêu: ­ Nêu được khái niệm, công dụng của các loại khí cụ điện ­ Hiểu được cách tiếp xúc điện, cách tạo hồ quang điện và dập tắt hồ quang   điện. ­ Rèn luyện tinh nghiêm túc trong h ́ ọc tập và trong thực hiện công việc. Nội dung chính: 1.1. Khái niệm  1.1.1.  Định nghĩa  Khí cụ điện là những thiết bị dùng để  đóng, cắt, điều khiển, điều chỉnh  và bảo vệ  các lưới điện, mạch điện, máy điện và các máy móc sản xuất.  Ngoài ra nó còn được dùng để  kiểm tra và điều chỉnh các quá trình không   điện khác. 1.1.2. Các yêu cầu cơ bản đối với khí cụ điện. Khí cụ điện phải thỏa mãn các yêu cầu sau: +  Khí cụ điện phải đảm bảo sử dụng lâu dài với các thông số kỹ thuật  ở định mức. Nói cách khác dòng điện qua vật dẫn không được vượt quá trị số  cho phép vì nếu không sẽ làm nóng khí cụ điện và nhanh hỏng. +  Khí cụ  điện  ổn định nhiệt và  ổn định điện động. Vật liệu phải chịu   nóng tốt và có cường độ cơ khí cao vì khi quá tải hay ngắn mạch, dòng điện   lớn có thể làm khí cụ điện hư hỏng  hoặc biến dạng. +  Vật liệu cách điện phải tốt để  khi xẩy ra quá điện áp trong phạm vi  cho phép khí cụ điện không bị chọc thủng. +   Khí cụ  điện phải đảm bảo làm việc được chính xác, an toàn song   phải gọn nhẹ, rẻ tiền, dễ gia công, dễ lắp ráp, kiểm tra và sữa chữa. 8
  9. +  Ngoài ra khí cụ  điện phải làm việc  ổn định  ở  các điều kiện và môi  trường yêu cầu. 1.2. Sự phát nóng của khí cụ điện. 1.2.1.  Khái niệm. Dòng điện chạy trong vật dẫn làm khí cụ  điện nóng lên (theo định luật  Jun­Lenxơ). Nếu nhiệt độ  vợt quá giá trị  cho phép, khí cụ  điện sẽ  nhanh   hỏng, vật liệu cách điện sẽ nhanh hoá già và độ bền cơ khí sẽ giảm đi nhanh   chóng. Nhiệt độ cho phép của các bộ phận trong khí cụ điện đ ược cho trong  bảng sau:(bảng 1.1) 9
  10. Bảng 1­1: Cấp cách  Nhiệt độ  điện cho phép  Các vật liệu cách điện chủ yếu (0C) 110 Vật liệu không bọc cách điện hay để xa vật cách điện. 75 Dây nối tiếp xúc cố định. 75 Tiếp xúc hình ngón của đồng và hợp kim đồng. 110 Tiếp xúc trượt của đồng và hợp kim đồng. 120 Tiếp xúc má bạc. 110 Vật không dẫn điện không bọc cách điện. Y 90 Giấy, vải sợi, lụa, phíp, cao su, gỗ  và các vật liệu t ­ ương tự, không tẩm nhựa. Các loại nhựa như: nhựa  polietilen, nhựa polistirol, vinyl clorua, anilin... A 105 Giấy,  vải  sợi,   lụa  tẩm  dầu,   cao   su   nhân  tạo,   nhựa  polieste, các loại sơn cách điện có dầu làm khô. E 120 Nhựa tráng polivinylphocman, poliamit, eboxi. Giấy ép  hoặc vải có tẩm nha phenolfocmandehit (gọi chung là  bakelit giấy). Nhựa melaminfocmandehit có chất độn  xenlulo.   Vải   có   tẩm   poliamit.   Nhựa   poliamit,   nhựa  phênol ­ phurol có độn xenlulo. B 130 Nhựa polieste, amiăng, mica, thủy tinh có chất độn.  Sơn cách điện có dầu làm khô, dùng  ở  các bộ  phận  không tiếp xúc với không khí. Sơn cách điện alkit, sơn   cách   điện  từ   nhựa  phenol.   Các  loại  sản  phẩm  mica  (micanit,   mica   màng   mỏng).   Nhựa   phênol­phurol   có  chất   độn   khoáng.   Nhựa   eboxi,   sợi   thủy   tinh,   nhựa   melamin focmandehit, amiăng, mica,hoặc thủy tinh có  chất độn. F 155 Sợi amiăng, sợi thủy tinh không có chất kết dính. H 180 Xilicon, sợi thủy tinh, mica có chất kết dính. C Trên 180 Mica   không   có   chất   kết   dính,   thủy   tinh,   sứ.  Politetraflotilen, polimonoclortrifloetilen. Tùy theo chế độ làm việc mà khí cụ điện phát nóng khác nhau. Có ba chế  độ làm việc: làm việc dài hạn, làm việc ngắn hạn và làm việc ngắn hạn lặp  lại. 1.2.2.Chế độ ngắn hạn lặp lại:  10
  11. Ở  chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại thường dùng hệ số thông dòng điện  ĐL%. Theo định nghĩa: t lv t lv Đ L% t t 100 T 100 lv ng Trong đó:  ­  tlv  là thời gian làm việc. ­   tng  là thời gian nghỉ. ­  T chu kỳ làm việc. Độ  chênh nhiệt  (còn gọi là độ  tăng nhiệt) là hiệu nhiệt độ  khí cụ  điện   và môi    trường xung quanh:    0                    Trong đó:   ­    : nhiệt độ khí cụ điện.  ­   o: nhiệt độ môi trường xung quanh. Các nước miền ôn đới quy định  o   = 35oC.  ở  Việt Nam quy định  o   =  40oC Sự  phát nóng do tổn hao nhiệt quyết định. Đối với KCĐ một chiều đó là  tổn hao đồng, đối với KCĐ xoay chiều đó là tổn hao đồng và sắt. Ngoài ra  còn có tổn hao phụ. Nguồn phát nóng chính ở KCĐ là: dây dẫn có dòng điện   chạy qua, lõi thép có từ thông biến thiên theo thời gian. Cầu chì, chống sét và   một số  KCĐ khác có thể  phát nóng do hồ  quang. Ngoài ra còn phát nóng do   tổn thất dòng điện xoáy. Bên cạnh quá trình phát nóng có quá trình tỏa nhiệt   theo ba hình thức: truyền nhiệt, bức xạ và đối lưu. 1.2.3.  Phát nóng của vật thể đồng chất ở chế độ làm việc dài hạn. t tođ o 0 t1 t t t1 Hình 1­1. Đường đặc tính phát nóng theo thời gian của khí cụ  điện ở chế độ dài hạn. Chế độ làm việc dài hạn là chế độ khí cụ làm việc trong thời gian t > t 1,  t1 là thời gian phát nóng của khí cụ điện từ nhiệt độ  môi trường xung quanh  đến nhiệt độ ổn định (hình 1­1) với phụ tải không đổi hay thay đổi ít. Khi đó  độ chênh lệch nhiệt độ đạt tới trị số nhất định tôđ. Một vật dẫn đồng chất, tiết diện đều đặn có nhiệt độ  ban đầu là nhiệt   độ  môi trường xung quanh. Giả thiết dòng điện có giá trị  không đổi bắt đầu  qua vật dẫn: Từ  lúc này vật dẫn tiêu tốn năng lượng điện để  chuyển thành  nhiệt năng làm nóng vật dẫn. Lúc đầu, nhiệt năng tỏa ra môi trường xung  11
  12. quanh ít mà chủ  yếu tích lũy trong vật dẫn, nhiệt độ  vật dẫn bắt đầu tăng  dần lên và sau một thời gian đạt tới giá trị   ổn định  tôđ   và giữ   ở  giá trị  này.  Như  vậy là nhiệt độ  vật dẫn tăng nhanh theo thời gian đến một lúc nào đó  chậm dần và đi đến ổn định. Nhiệt lượng tiêu tốn trong khoảng thời gian dt theo định luật Jun­Lenxơ: Pdt I 2 Rdt ,  Ws Với:  P ­ công suất tác dụng, W. I  ­ giá trị dòng điện hiệu dụng, A. R ­ điện trở vật dẫn, W     * Phương trình cân bằng nhiệt là: Pdt CMd S .dt Trong đó:  CMd : phần tích lũy đốt nóng vật dẫn.  aS dt: phần toả ra môi trường xung quanh. C: tỉ nhiệt vật dẫn. M: khối lượng vật dẫn, kg. : độ chênh nhiệt độ (0C) so với môi trường xung quanh. : hệ số toả nhiệt W/m2, oC S: diện tích toả nhiệt của vật dẫn, m2. 1.3. Tiếp xúc điện Theo cách hiểu thông thường, chỗ tiếp xúc điện là nơi gặp gỡ chung của   hai hay nhiều vật dẫn để dòng điện đi từ vật dẫn này sang vật dẫn khác. Bề  mặt tiếp xúc giữa các vật dẫn gọi là bề mặt tiếp xúc điện. Tiếp xúc điện là một phần rất quan trọng của khí cụ điện. Trong thời gian   hoạt động đóng mở, chỗ tiếp xúc sẽ phát nóng cao, mài mòn lớn do va đập và  ma sát, đặc biệt sự hoạt động có tính chất hủy hoại của hồ quang.  Tiếp xúc điện phải thỏa mãn các yêu cầu sau: ­ Thực hiện tiếp xúc chắc chắn, đảm bảo. ­  Sức bền cơ khí cao. ­  Không phát nóng quá giá trị cho phép đối với dòng điện định mức. ­  Ổn định nhiệt và điện động khi có dòng ngắn mạch đi qua.  ­  Chịu được tác dụng của môi trường xung quanh, ở nhiệt độ cao ít bị oxy   hoá. Có ba loại tiếp xúc: ­  Tiếp xúc cố định: hai vật tiếp xúc không rời nhau bằng bulông, đinh tán. ­  Tiếp xúc đóng mở: tiếp điểm của các khí cụ điện đóng mở mạch điện. ­  Tiếp xúc trượt: Chổi than trượt trên cổ góp, vành trượt của máy điện. Lực ép lên mặt tiếp xúc có thể là bulông hay lò xo. Theo bề mặt tiếp xúc có ba dạng: ­  Tiếp xúc điểm (giữa hai mặt cầu, mặt cầu ­ mặt phẳng, hình nón ­ mặt  phẳng). 12
  13. ­  Tiếp xúc đường (giữa hình trụ ­ mặt phẳng). ­  Tiếp xúc mặt (mặt phẳng ­ mặt phẳng). Bề  mặt tiếp xúc theo dạng nào cũng có mặt phẳng lồi lõm rất nhỏ  mà  mắt thường không thể thấy được. Tiếp xúc giữa hai vật dẫn không thực hiện   được trên toàn bộ  bề  mặt mà chỉ  có một vài điểm tiếp xúc thôi. Đó chính là  các đỉnh có bề mặt cực bé để dẫn dòng điện đi qua. Muốn tiếp xúc tốt phải làm sạch mối tiếp xúc. Sau một thời gian nhất   định, bất kỳ  một bề mặt nào đã được làm sạch trong không khí cũng đều bị  phủ một lớp oxy. ở những mối tiếp xúc bằng vàng hay bằng bạc, lớp oxy này   chậm phát triển. Thông thường, bề  mặt tiếp xúc được làm sạch bằng giấy nhám mịn và  sau đó lau lại bằng vải. Nếu bề mặt tiếp điểm có dính mỡ hoặc dầu phải làm  sạch bằng axêtôn. 1.3.1. Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm: Có hai vật tiếp xúc nhau, diện tích tiếp xúc S, điện trở suất   chiều dài l  như (hình 1­2,a). Lúc đó điện trở hai vật dẫn tính bằng: l Rl S                                                      R( ) S I Vật dẫn 1 Vật dẫn 2 1              l/2 l/2 2 F(N) Khi dòng điện đi qua hai vật dẫn đó, điện trở tổng R sẽ lớn hơn R1  vì hai  a ­ Hình dạng và kích thước b ­ Đường đặc tính quan hệ điện trở  mặt vật dẫn dù có được làm sạch đtiếến th ế  nào cũng đ p xúc v ới lực ép lên tiếềp đi u xuểmất hiện lớp oxy  làm tăng điện trở. nếu gọi Rtx là điện trở tiếp xúc của hai vật dẫn thì Rtx được  Hình 1­2. Cách tính điện trở tiếp xúc       tính:               Đường 1 ­ khi lực ép tăng k  Đường 2 ­ khi lực ép giảm Rtx R R1 Fm Trong đó:  + k ­ hệ số phụ thuộc vào r và s (với s là ứng suất biến dạng của vật liệu   hay còn gọi là hệ số chống dập nát) đồng thời trạng thái mặt tiếp xúc. + m ­ phụ thuộc vào dạng tiếp điểm và số lượng điểm tiếp xúc. 13
  14. + F­ Lực ép lên tiếp điểm. 14
  15. Bảng 1­2: ứng suất của vật liệu Bảng 1­3: Trị số tham khảo k Bảng 1­4: Trị số tham khảo m 1.3.2. Một số yếu tố ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc: a. Vật liệu làm tiếp điểm: Nếu vật liệu mềm thì dù áp suất có bé điện trở tiếp xúc cũng bé. Nói một  cách khác, nếu khả năng chống dập nát được đặc trưng bằng S bé thì Rtx cũng  bé. Do đó thường dùng vật liệu mềm để  làm tiếp điểm hoặc dùng kim loại   cứng mạ ngoài bằng kim loại mềm như: đồng thau mạ thiếc, thép mạ thiếc.   Từ đó cũng đã phát triển tiếp điểm lưỡng kim loại: tiếp điểm loại cứng tiếp   xúc với kim loại lỏng như thủy ngân.  15
  16. b. Lực ép lên tiếp điểm F: Lực F tiếp điểm càng lớn thì điện trở tiếp xúc càng bé, có thể xem đường  cong (hình 1­2, b). Tuy nhiên lực ép tăng đến một giá trị  nhất định nào đó thì  điện trở tiếp xúc sẽ không giảm nữa. c. Hình dạng tiếp điểm: k Vì:  m khác nhau nên  Rtx R R1  cũng khác nhau (bảng 1­4). Fm d. Diện tích tiếp xúc:  Có  ảnh hưởng đến điện trở  tiếp xúc, diện tích tiếp xúc càng lớn thi Rtx  càng nhỏ.  e. Mật độ dòng điện:  Diện tích tiếp xúc được xác định tuỳ  theo mật độ  dòng điện cho phép.   Đối với thanh dẫn bằng đồng tiếp xúc nhau  ở  tần số  50Hz thì mật độ  dòng   điện cho phép là: Trong đó: +  I ­ giá trị dòng điện hiệu dụng, A. +   S ­ diện tích mặt tiếp xúc, mm2. Biểu thức tính toán trên chỉ đúng với dòng điện từ . Nếu I ngoài giá trị đó: I  2000A thì Jcp =  0,12A/mm2 Khi vật liệu tiếp xúc không phải là đồng (Cu) thì mật độ  dòng điện cho   phép đối  với chất ấy có thể tính theo công thức sau: Rtx ( p ) Cu J cp.vat .lieu . x J cpCu R( p ).vat .lieu . x Đối với mật độ dòng điện đã cho trước, muốn giảm phát nóng tiếp điểm   thì vật liệu phải có điện trở  suất nhỏ, đồng thời phải có khả  năng tỏa nhiệt  cao qua mặt ngoài. Do đó những vật dẫn có bề mặt xù xì (vật đúc) hay những  vật dẫn được quét sơn sẽ  tỏa nhiệt có hiệu quả  hơn. Có thể  kiểm tra nhiệt   độ tiếp xúc bằng sự biến màu của sơn. Như  vậy muốn giảm điện trở  tiếp xúc có thể  tăng lực F, tăng số  điểm   tiếp xúc, chọn vật dẫn có điện trở  suất bé và hệ  số  truyền nhiệt lớn, tăng  diện tích truyền nhiệt và chọn tiếp điểm có dạng toả nhiệt dễ nhất. 1.3.3. Cấu tạo của tiếp xúc: a. Tiếp xúc cố định:      Có các dạng như Hình1­3. ở đây ta cần chú ý tới tiếp xúc cố định dùng các  bulông thép để  ghép, những bulông này thực tế  không dẫn điện khi ngắn   mạch. Lúc  đó vật dẫn không phải là thép sẽ  phát nóng và nở  nhiều hơn vật  liệu bulông thép nên  những bulông này chịu  ứng suất khá lớn, đến khi phát  nóng giảm hay bị  nguội lạnh thì mối tiếp xúc sẽ  yếu. Để  tránh hiện tượng   này nên đệm vòng đệm lò xo dưới đai ốc.  16
  17. b. Tiếp xúc đóng mở và tiếp xúc trượt:  Đối với rơle thường dùng bạc, platin tán hoặc hàn vào giá tiếp điểm. Kích  thước viên tiếp điểm rơle  ứng với dòng điện cho phép có thể  tham khảo  ở  bảng 1­5. Bảng 1­5: Tiếp điểm rơle thường dùng hình thức tiếp xúc điểm. ­ Tiếp điểm của các khí cụ  có dòng điện trung bình và lớn hơn như: bộ  khống chế, Contactor, khí cụ  điện cao áp... Thường tiếp điểm làm việc mắc  song song với tiếp điểm hồ  quang. Khi tiếp điểm đang  ở  vị  trí đóng, dòng  điện sẽ  qua tiếp điểm làm việc. Khi mở  hoặc đóng, hồ  quang phát sinh sẽ  cháy trên tiếp điểm hồ  quang. Tiếp điểm hồ  quang được chế  tạo bằng kim   loại tốt. Như vậy tiếp điểm làm việc luôn luôn được bảo vệ tốt không bị hồ  quang phá hoại bề mặt tiếp xúc. Hình 1­3 Hình dạng của một số tiếp xúc cố định. Tiếp điểm thường có nhiều dạng khác nhau: hình ngón, bắc cầu, chổi,  cắm.... ­ Tiếp điểm hình ngón: dùng nhiều ở Contactor. Khi đóng, tiếp điểm động  vừa lăn vừa trượt trên tiếp điểm tĩnh và tự làm tróc lớp oxyt trên bề mặt tiếp   điểm. ­ Tiếp điểm bắc cầu: dùng như rơle. ­ Tiếp điểm chổi: gồm những lá đồng mỏng từ   0,1 ­ 0,2 mm  dạng hình   chổi xếp lại trượt trên tiếp điểm tĩnh. ­ Tiếp điểm kẹp (cắm): dùng ở cầu dao, cầu chì, dao cách ly... ­ Tiếp điểm đối diện (tiếp điểm dầu): dùng ở máy ngắt điện áp cao. 17
  18. c. Các yếu tố   ảnh hưởng đến độ  tin cậy làm việc và độ  phát nóng  của tiếp xúc điện: Là điện trở  tiếp xúc. điện trở  tiếp xúc càng nhỏ  càng tốt. Điện trở  tiếp   xúc lớn làm tiếp điểm phát nóng dẫn đến gây hư hỏng các chất cách điện gắn   tiếp điểm, nóng chảy tiếp điểm. Hình 1­4. Dạng của một số tiếp xúc đóng mở: a) Tiếp điểm ngón;  b) Tiếp điểm bắc cầu;  c) Tiếp điểm cắm (kẹp);  d) Tiếp điểm đối diện;  e) Tiếp điểm lưỡi;  h) Tiếp điểm thủy ngân. d. Một số yêu cầu đối với vật liệu làm tiếp điểm: Những vật liệu được dùng làm tiếp điểm phải thỏa mãn các điều kiện   sau: ­  Có độ dẫn điện cao, dẫn nhiệt tốt ­  Có đủ độ dẻo độ mềm để giảm điện trở tiếp xúc ­  Có độ bền cơ khí cao, để giảm mài mòn, biến dạng bề mặt tiếp điểm ­  Không bị ô xy hóa làm giảm điện trở tiếp xúc ­  Có độ nóng chảy cao để tránh tiếp điểm bị cháy ­  Nhiệt độ bốc hơi và nóng chảy cao. ­  Rẻ và dễ gia công cơ khí. ­  Chống ăn mòn và mài mòn tốt 18
  19. Đồng, thép được dùng rộng rãi để  làm các tiếp điểm cố  định. Đồng có   điện trở suất bé và có đủ sức bền cơ khí, được dùng trong mạch có dòng điện  lớn. Thép chỉ dùng ở điện áp cao và công suất bé, về sức bền cơ khí và điện   trở suất thì lớn hơn đồng và đặc biệt phát sinh tổn thất lớn đối với dòng xoay   chiều. Đối với tiếp xúc đóng mở mạch điện có dòng điện bé, tiếp điểm thường  dùng bằng bạc, đồng, platin, vonfram, niken và hạn hữu mới dùng vàng. Bạc  có tính chất dẫn điện và truyền nhiệt tốt. Platin (bạch kim) không có lớp oxýt,  điện trở  tiếp xúc bé. Vonfram có nhiệt độ  nóng chảy cao và chống mài mòn  tốt đồng thời có độ cứng cao. Trường hợp dòng điện vừa và lớn thường dùng đồng, đồng thau và những   kim loại hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao. Khi dòng điện lớn, dùng hợp kim có độ mài mòn bé, độ cứng lớn song có  nhược điểm là tính dẫn điện giảm, do đó để  tăng khả  năng dẫn điện, người   ta chế  tạo thành những tấm mỏng dán hoặc hàn vào bề  mặt tiếp xúc. Hợp  kim thường dùng: bạc ­ vonfram, bạc ­ niken, đồng ­ vonfram.    e. Các nguyên nhân gây hư  hỏng tiếp điểm và các biện pháp khắc  phục * Nguyên nhân gây hư hỏng tiếp điểm ­  Ăn mòn kim loại: do trên bề mặt tiếp điểm có những lỗ nhỏ. Trong vận  hành hơi nước và các chất đọng lại gây phản ứng hóa học, bề mặt tiếp xúc bị  ăn mòn  làm hư hỏng tiếp điểm. ­  Ô xy hóa: do môi trường tác dụng lên bề  mặt tiếp xúc tạo thành lớp ô  xýt mỏng có điện trở  suất lớn dẫn tới điện trở  tiếp xúc lớn, phát nóng hỏng  tiếp điểm. ­   Điện thế hóa học của vật liệu làm tiếp điểm. ­  Hư hỏng tiếp điểm do điện: Khi vận hành khí cụ điện không được bảo  quản tốt tiếp điểm bị rỉ, lò xo bị han rỉ không duy trì đủ lực làm điện trở tiếp   xúc tăng khi có dòng điện các tiếp điểm sẽ  phát nóng có thể  nóng chảy tiếp   điểm. * Các biện pháp khắc phục ­ Với những mối tiếp xúc cố định nên bôi một lớp bảo vệ. ­ Khi thiết kế nên chọn vật liệu có điện thế hóa học giống nhau. ­ Sử dụng các vật liệu không bị ô xy hóa làm tiếp điểm hoặc mạ các tiếp  điểm. ­ Thường xuyên kiểm tra, thay thế lò xo hư hỏng, lau sạch các tiếp điểm. 1.4. Hồ quang và các phương pháp dập tắt hồ quang. 1.4.1. Quá trình hình thành hồ quang. A B A B I H1 H2 d 19 Hình 1.5: Quá trình hình thành hồ quang
  20. Trong khí cụ điện, hồ  quang thường xẩy ra  ở các tiếp điểm khi cắt dòng  điện. Trước đó khi các tiếp điểm đóng điện trong mạch có dòng điện, điện áp  trên phụ  tải là U còn điện áp trên 2 tiếp điểm A, B bằng 0. Khi cắt điện 2  tiếp điểm A, B rời nhau (H2) lúc này dòng điện giảm nhỏ. Toàn bộ điện áp U   đặt lên 2 cực A, B do khoảng cách d giữa 2 tiếp  điểm rất nhỏ  nên điện   trường giữa chúng rất lớn (Vì điện trường U/d   ). Do nhiệt độ và điện trường ở các tiếp điểm lớn nên trong khoảng không  khí giữa 2 tiếp điểm bị ion hóa rất mạnh nên khối khí trở thành dẫn điện (Gọi  là plasma) sẽ xuất hiện phóng điện hồ quang có mật độ dòng điện lớn (104 ­   105 A /cm2), nhiệt độ  rất cao (4000 ­ 50000C). Điện áp càng cao dòng điện  càng lớn thì hồ quang càng mãnh liệt. 1.4.2. Tác hại của hồ quang ­  Kéo dài thời gian đóng cắt: do có hồ quang nên sau khi các tiếp điểm rời  nhau nhưng dòng điện vẫn còn tồn tại. Chỉ  khi hồ  quang được dập tắt hẳn  mạch điện mới được cắt. ­   Làm hỏng các mặt tiếp xúc: nhiệt độ  hồ  quang rất cao nên làm cháy,  làm rỗ bề mặt tiếp xúc. Làm tăng điện trở tiếp xúc. ­ Gây ngắn mạch giữa các pha: do hồ quang xuất hiện nên vùng khí giữa   các tiếp điểm trở  thành dẫn điện, vùng khí này có thể  lan rộng ra làm phóng  điện giữa các pha. ­  Hồ quang có thể gây cháy và gây tai nạn khác. 1.4.3. Các phương pháp dập hồ quang  Yêu cầu hồ quang cần phải được dập tắt trong khu vực hạn chế với thời   gian ngắn nhất, tốc độ mở tiếp điểm phải lớn mà không làm hư hỏng các bộ  phận của khí cụ. Đồng thời năng lượng hồ  quang phải đạt đến giá trị  bé   nhất, điện trở  hồ  quang phải tăng nhanh và việc dập tắt hồ  quang không  được kéo theo quá điện áp nguy hiểm, tiếng kêu phải nhỏ và ánh sáng không  quá mạnh. Để dập tắt hồ quang ta dùng các biện pháp sau:  ­  Kéo dài hồ quang. ­  Dùng từ trường để tạo lực thổi hồ quang chuyển động nhanh. ­  Dùng dòng khí hay dầu để thổi dập tắt hồ quang. ­  Dùng khe hở hẹp để hồ quang cọ sát vào vách hẹp này. ­  Dùng phương pháp thổi bằng cách sinh khí. ­  Phân chia hồ quang ra nhiều đoạn ngắn nhờ các vách ngăn. ­  Dập hồ quang trong dầu  mỏ. 1.5. Lực điện động 1.5.1.  Khái niệm: 20