32

Nếu trong kết cấu máy ngắt không có các thiết bị đặc biệt để làm điều hòa điện áp,
thì sự phân bố điện áp không điều hòa theo các khoảng ngắt có thể rất lớn.

Bảng 2-5: Các công thức về quan hệ giữa điện áp phóng điện ở tần số công nghiệp và
khoảng cách giữa các điện cực

Loại môi trường, hình dáng các điện cực và kích thước giới
hạn của các khoảng ngắt.
Các công thức tính toán. Tác giả
Phóng điện khi trong không khí điện cực kim-kim không
nối đất, S>8 cm
Phóng điện khô trong không khí, kim-kim nối đất, S>8 cm
Phóng điện khô trong không khí, thanh -thanh nối đất,
S>10 cm
Phóng điện khô trong không khí, sứ trụ kiểu khác nhau
Phóng điện khô trong không khí theo bề mặt của sứ trụ mặt
phẳng l<15cm
Đánh thủng trong dầu, kim - mặt phẳng S≥10 cm
Đánh thủng trong dầu, kim -kim, S>1 cm
Phóng điện khô trong không khí nén giữa các hình xuyến
ống đồng trục d=3,2 cm với các đầ
u mút tròn, ở áp suất p
[at]

]kV[S,u
K
36314
+

=


]kV[S,u
K
16314
+
=


]kV[S,u
K
754
=


]kV[J,u
,
K
930
953=

]kV[l,u
,
K
70
410=
]kV[Su
,
âth

70
30=
]kV[Su
,
âth
70
39=
450
42
,
K
)S.p(u = [kV]

(chọn sơ bộ)
A.Po
T



Các tác
giả khác
nhau.




Maĩ
Hep

"

Âepô và
Âỉịị






















Hình 2-4. Điện áp phóng điện khô của các kết cấu cách điện trụ có vòng điều hòa điện áp.
1 2 3
4
5 6 S[ m]
U
c

[ kV]
0
500
100
0
150
0
200
0
S
d =0,5S

33

Ví dụ, trong máy ngắt kiểu nhiều dầu có hai khoảng ngắt cho mỗi cực, khi nối đất
một phía của một cực, điện áp của một trong các khoảng ngắt có thể đạt tới 85% điện áp sử
dụng.
Trong máy ngắt không khí và máy ngắt ít dầu có nhiều khoảng ngắt, sự phân bố
điện áp cũng không điều hòa, từ hình 2-7 ta thấy rõ điều này.
Trong các máy ngắt việc dập t
ắt hồ quang sẽ bị hạn chế khi không có các điện trở shun đặc
biệt.
Sự phân bố điện áp theo các khoảng ngắt có thể tính bằng cách phân bố điện áp tĩnh
trên tất cả các khoảng ngắt, khoảng ngắt được tạo ra giữa các phần dẫn điện kể cả tương
đối với nhau và với đất.
Trong trường hợp này phải xem kết cấu máy ngắt giống như hệ thống điện cực ( tất
cả các phần kim loại của máy ngắt có điện cực, hệ thống điện cực) cách li với đất.
Ảnh hưởng của đất có thể thay thế bằng sự có mặt của một hệ thống khác dạng soi
gương.













































Hình 2-5. Điện áp phóng điện trong không khí ở chế độ xung 1,2/40 μs.

20 40 60 80 100

120 140 160 180 S[ cm]

U
Pi
[
kV]
0
200
400

600

800
100

0
S
S
1; 4
{

2;
3
{

120
0
140
0
1
2 3
4
(-)
(-)
(+)
(+)

34

Sự tính toán dẫn đến xác
định hiệu điện thế giữa các điện
cực dựa trên cơ sở của phương
pháp chung giải hệ thống
phương trình tĩnh điện. Dạng
điện cực phức tạp, có thể có

trong kết cấu, cần phải dựa về
hình dạng thông thường và
thuận tiện hơn để tính toán là
dạng elípxoít quay cho phương
trình bề m
ặt đã biết.
Các giá trị của hệ thống
là: các tham số hình học của hệ
thống (kích thước và hình dáng
của điện cực, cách bố trí tương
hỗ của chúng với nhau và đối
với đất, hệ số điện môi của môi
trường và trị số tương đối của
điện áp đối với các điện cực
riêng biệt). Phân tích chính xác
bài toán cụ thể trong d
ạng chung thường gặp phải khó khăn là do không đưa ra dạng giải
tích được. Cho nên trong thực tế chúng ta có thể sử dụng các phương pháp tính đơn giản,
gần đúng, sẽ được đề cập dưới đây.
Các kết cấu có nhiều khoảng ngắt cho mỗi cực (thường ở điện áp 110kV và cao
hơn) được biểu hiện bằng các thông số đặc trưng, là kích thước hình học của các phần dẫn
điện và các loại sứ cách điện tạo thành các khoảng ngắt, khoảng cách đối với đất tương đối
bé hơn.
Trong các trường hợp này sự phân bố điện áp rất đơn giản, các điều kiện khi tính
gần đúng sơ bộ gồm:
1) Thay đổi khoảng cách từng đôi bất kì cạnh nhau của các điện cực nằm ngang ảnh
hưởng ít đến
điện dung của thanh cái trong các điện cực đối với đất.
2) Khi các điện cực nằm theo chiều thẳng đứng (cái nọ trên cái kia) thay đổi vị trí
của một điện cực không ảnh hưởng đến điện dung của điện cực khác đối với đất.

Sự đơn giản hóa như thế cho phép coi rằng, điện dung tương hỗ của từng điện cực
đối với đất là độc lập và khi tính sự ảnh hưởng lực điện động của các điện cực khác nằm
trong từ trường, ngoài các điện cực đang xét.

















Hình 2-6. Điện áp đánh thủng giữa các tham số trong dầu.
10 20 30 40
50 S[ cm]

U
âth
[
kV]

0

400
600
800
100
0

200
100
300
500
700
900
s
1/2100μs ,
50Hz

}1/50μ
s

}1/10μ
s


35

Khi đó cách tính sự
phân bố điện áp tiến hành theo
thứ tự như sau:
1) Tính điện dung của
từng khoảng ngắt giữa các tiếp

điểm và tính điện dung đối với
đất.
2) Lập và biến đổi sơ đồ
điện dung tương đương.
3) Tính điện áp phân bố
theo các khoảng ngắt.
Máy ngắt có kết cấu
miêu tả ở hình 2-8a có thể
tượng trưng bằng hệ thống các
điện cực (hình 2-8b) sơ đồ tính
điện dung tương đương hình 2-
8c.
Xác định giá trị các điện
dung C, C
1
và áp dụng các
phương pháp tính toán chung
cho các mạch điện áp xoay chiều, có thể tìm được điện áp phân bố theo các điện dung của
từng khoảng ngắt. Tính toán thường được tiến hành cho trường hợp đặc trưng và bất lợi
nhất: khi một trong các đầu ngoài cùng của cực máy ngắt nối đất, còn điện áp toàn phần đặt
vào đầu khác. Để đơn giản và thuận tiện trong tính toán các điện dung nên biến đổi tương
đương hình dáng các điện cực phức tạp. Ví dụ: hình trụ tương đối không cao có thể thay thế
bằng hình cầu tương đương có bán kính:

1
2
1
2
+
⎟

⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−+
=
b
R
b
R
R
b
arsh
b
r
tâ
(2-3)
Trong đó b và R : tương đương với chiều cao và bán kính hình trụ.
Điện dung tương hỗ giữa hai quả cầu với bán kính r
1
, r
2
và khoảng cách giữa tâm
của chúng có thể tìm theo phương trình:

⎟
⎠
⎞
⎜

⎝
⎛
+
−−
+=
mn
mnr
nrC
22
1
112
1
4
πε (2-4)
m
r
h
n
r
h
==
12
;

Điện dung tương hỗ giữa hai quả cầu bán kính với mặt phẳng nối đất có thể tính
một cách gần đúng theo công thức:

















Hình 2-7. Phân bố điện áp theo các khoảng ngắt của máy ngắt
không khí khi không có thiết bị điều hành.

1 2 3 4

5 6 N

ΔU
N
%
0
10
20
30
40
50
60
70


1 2 3
4 5 6
U

36

C
8
h
≈
π
εr
(2-5)
Trong đó h : là khoảng cách từ tâm quả cầu đến mặt phẳng.

Trong một số trường hợp thậm chí khi hình dáng của các điện cực đã đơn giản hóa,
tính điện dung của từng khoảng ngắt cũng còn gặp nhiều khó khăn. Ví dụ: khi khoảng ngắt
được tạo bởi các hình xuyến của ống đồng trục (của các tiếp điểm nằm ở phía trong s
ứ cách
điện chứa dầu hay chứa không khí, hoặc khi sứ cách điện có kích thước tương đối lớn nằm
trong khoảng ngắt giữa các điện cực).
Điện dung của các hệ thống như thế được xác định trên cơ sở của những số liệu thí
nghiệm bằng mô hình hay tính gần đúng.
Thực nghiệm cho thấy rằng, điện dung giữa các thiết bị
ngoài cùng của trụ sứ dập
hồ quang máy ngắt ít dầu điện áp 110kV với một khoảng ngắt có thể sơ bộ lấy bằng hai lần
trị số điện dung tương hỗ tính cho hệ thống điện cực này, không tính đến sứ cách điện và
dầu.


Trong các kết cấu máy ngắt cao áp hiện đại có nhiều khoảng ngắt trong mỗi cực,
điều hòa sự phân bố điện áp cơ bản được thực hiện bằng hai biện pháp:
1) Shun tất cả các khoảng ngắt bằng điện trở thuần trị số lớn giống nhau (thường
bằng điện trở trị số 0,5 - 1M
Ω đối với máy ngắt điện áp 400kV).
2) Shun các khoảng ngắt ngoài rìa của cực bằng các điện dung.
Trong khi sử dụng biện pháp thứ hai không cần phải ngắt dòng điện còn lại đi qua
điện trở shun sau khi dập tắt hồ quang như cần thiết phải làm trong biện pháp thứ nhất.
















Hình 2-8. Để tính điện áp phân bố theo các khoảng ngắt của máy ngắt.

a)
b)
c)
C


C
2
C
1
C

C
2

37

Trong một số trường hợp cần thiết shun các khoảng ngắt dập hồ quang bằng điện
trở trị số trung bình (khoảng 200 -2500
Ω
đối với máy ngắt điện áp 400kV) để giảm bớt
quá điện áp nội bộ xuất hiện trong quá trình ngắt.
Trong những trường hợp như thế shun các khoảng ngắt bằng điện trở trị số lớn hay
bằng điện dung là không thích hợp.


2.4. VÍ Dụ Về TÍNH CÁCH ĐIệN CHUNG

Chúng ta sẽ tiến hành tính cách điện chung của máy ngắt dầu điện áp 110kV. Dạng
chung và sơ đồ kết cấu một cực của máy ngắt như thế ở hình 2-9a,b. Đối với kết cấu này
các khoảng ngắt cách điện tính toán gồm có:
S
1
: là khoảng ngắt không khí giữa để nối đất giữa I và vỏ kim loại của bộ phận dập
hồ quang II.

Trong khi không có các điện cực qui chiếu phu, khoảng ngắt này sẽ tương ứng với
chiều cao sứ trụ.
S
2
: là chiều cao sứ cách điện của buồng dập hồ quang.
S
3
: là khoảng ngắt giữa các tiếp điểm dập hồ quang mở rời hoàn toàn trong dầu.
S
4
: là khoảng ngắt giữa đế tiếp điểm cố định IV của dao cách li và rìa ngoài phía
trên màn che nắp trung gian của trụ xoay V.
Chiều cao sứ cách điện của máy biến dòng được sử dụng sứ trụ của dao phân li, và
chiều cao sứ cách điện phía đi của trụ xoay lấy bằng trị số khoảng ngắt chính S
1
. Chiều sứ
cách điện phía trên của trụ xoay nhận bằng trị số S
2
.
Theo các yêu cầu của tiêu chuẩn
ΓOCT 1516 -42 để chọn điện áp phóng điện.

Chúng ta tìm giá trị điện áp phóng điện cho dao cách li hợp với bảng 2-1, đối với
thang cách điện 110kV:
1) Điện áp thử ở tần số công nghiệp đối với khoảng ngoài không khí.
kVu
th
260
1
=


2) Điện áp phóng điện khô cũng đối với khoảng ngắt đó:
kVu
K
315
1
=

3) Nếu đối với dao cách li của máy ngắt cũng đòi hỏi như dao cách li thông thường
thì điện áp phóng điện khô của khoảng ngắt.
kVu
K
345
4
=
(cực đại là 485kV).
4) Điện áp phóng điện tính toán theo bề mặt ngoài sứ cách điện của buồng dập hồ
quang (khoảng ngắt S
2
), do đó có dao cách li, tìm theo phương trình (2-2).
âmap
U,kku 2870
0
2
=
.11
0
2871,5.1,6.0,=
kV230
=

(cực đại 325kV).


38

Nhận xét : Với máy ngắt không có dao cách li, điện áp: phóng điện tính toán của S
2

cũng lấy bằng điện áp phóng điện khô:
kVu
K
315
2
=

5) Điện áp phóng điện tính toán đối với cách điện bên trong buồng dập hồ quang
của máy ngắt (khoảng ngắt S
3
trong dầu) từ phương trình (2-3) và bảng 2-4:
kV.,U.ku
ppp
264230151
23
=
=
=
(cực đại là 1,15.325
kV375
=
).

Theo các giá trị điện áp phóng điện, tìm trị số nhỏ nhất của các khoảng ngắt S
1
và
S
2
, S
3
và S
4
tương ứng với các đường cong ở hình 2-3 (đường cong 2), hình 2-6 và hình 2-
2.
S cmS cmS cmS cm
1234
98 70 16 100=
=
=
=
;;;
Phương pháp tính độ bền vững của cách điện đối với điện áp xung tương tự như
trên. Trong trường hợp này phải qui định các tiêu chuẩn điện áp phóng điện xung đối với
từng thang cách điện cụ thể và các đường cong thí nghiệm tương ứng hay những công thức
tính các trị số các khoảng ngắt phóng điện. Nguyên tắc phối hợp cách điện từng b
ộ phận
riêng biệt của kết cấu cũng tính ở tần số công nghiệp.
























Hình 2-9. Cách điện chung của máy ngắt ít dầu.

II
I

I
I

I

I

b)


IV

S

1

S

4

S

1

S

2

S

3

S

1

II
I
II


I

a)

V
I

IV

S

2

S
3

S

4

S
1

S

1

S


1


39










40

CHƯƠNG 3
TÍNH TOÁN MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN CỦA MÁY NGẮT

3.1. KHÁI NIệM CHUNG

Mạch vòng dẫn điện của máy ngắt về cơ cấu là tổng hợp phần dẫn điện liên hệ giữa
điện và cơ (thanh dẫn điện, lõi dẫn điện, dao, xà, ). Sự liên hệ điện giữa các phần với nhau
được thực hiện bằng hệ thống tiếp điểm.
Trong quá trình làm việc bình thường của máy ngắt các tác động nhiệt, tác động
điện động, của dòng điện lớn đi qua mạch vòng dẫn điện sinh ra phát nóng từng bộ phận
và sinh ra phụ tải điện động có thể lớn quá khả năng cho phép. Tác động nhiệt và tác động
điện động quá lớn là nguyên nhân phá hoại sự làm việc bình thường của máy ngắt.
Luôn luôn cần phải đảm bảo tính ổn định của máy ngắt trong các chế độ làm việc.
Muốn vậy phải chọn hình dáng, kích thước, đặc tính của các bộ phận dẫn điện mạch vòng

và chọn cách liên kết chúng với nhau thật phù hợp, cho nên trong thiết kế các phần dẫn
điện và các tiếp điểm, ta cần phải tiến hành tính toán đến tác động nhiệt và điện động.

3.2. TÍNH TOÁN ĐIệN ĐộNG MạCH VÒNG DẫN ĐIệN

Tính điện động là xác định trị số và hướng của lực điện động tác động lẫn nhau giữa
các bộ phận dẫn điện. Các tham số lấy được trên cơ sở tính độ bền vững về cơ khí của các
phần dẫn điện và cơ cấu sứ trụ liên kết với nó. Phải kể đến tác động của lực điện động vào
một số bộ phận chuyển động của mạch vòng dẫn điện.
Các tham số cho trước để tính lực điện động gồm:
1) Kích thước của hệ thống dẫn điện (là các kích thước của từng bộ phận và cách bố
trí tương hỗ của chúng trong mạch vòng của cực bất kì và của các bộ phận khác).
2) Trị số biên độ của dòng điện ngắn mạch tính toán lớn nhất.
Các kích thước và cách bố trí tương đối của các phần dẫn điện trong sơ đồ kết cấu,
sơ bộ được xác định từ kết quả tính cách điện chung của máy ngắt có kể đến các kích thước
cơ cấu của thiết bị dập hồ quang và của truyền động cơ khí,
Khi khoảng cách giữa các cực của máy ngắt tương đối lớn (đặc biệt ở điện áp từ
110kV trở nên) ảnh hưởng điện động của hệ thống dẫn điện cực bên cạnh nhỏ và có thể bỏ
qua. Cho nên khi tính điện động của máy này chỉ tính tác động lẫn nhau giữa các bộ phận
dẫn điện của mạch vòng một cực.
Với máy ngắt 35kV cần chú ý đến tác động điện động tương h
ỗ của các bộ phận
dẫn điện của điện cực còn lại khi ngắn mạch hai cực. Giá trị biên độ giới hạn của dòng điện
ngắn mạch được lấy làm trị số dòng điện tính toán lớn nhất.
Để tính lực điện động có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, được giới thiệu
trong các sách và công trình nghiên cứu về thiết bị điện cao áp, phương pháp phân tích đồ
thị là phù hợp và dễ tính hơn cả, các phương pháp này dựa trên cơ sở của phương trình
Bioxava. Chúng ta sẽ nghiên cứu một trong các phương pháp để rút ra các phương trình cơ

41


bản. Trong mặt phẳng có hai dây dẫn (hình 3-1) l
1
, l
2
tương ứng với các dòng điện i
1
, i
2
, từ
trường cảm ứng ở điểm M
x
được tạo do thành phần dòng điện i
1
dy, tính theo:
dB H
i
xox
==μ
μ
π
01
4
.
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡

22
m
Wb
,
r
sin.dy α
(3-1)
Trong đó:

α : là góc giữa hướng dòng điện trong dy và bán kính véc tơ r.
r : laì mä âun veïc tå tæì dy âãún âiãøm M
x
(m). Hãû säú tæì tháøm
]/[. mH
7
0
104
−
π=μ .

















Hnh 3-1. Sơ đồ để tính tác động điện động tương hỗ giữa hai đoạn dây thẳng dẫn điện.
x
B
D
r
1

r
r
2

h
l
1

y
i
1

A
dy
α
1

α

2

α

C
M
x
dl
2
l
2
i
2

42

Lực tác động tương hỗ của hai thành phần dòng điện i
1
dy và i
2
dl
2
ở điểm M
x
xác
định bằng biểu thức:
dF idldB
xx
2
22

= α
π
μ
sin
r
dy
dlii
2
221
0
4
=
αα
π
μ
d.sindl
x
ii
2
210
4
=
(3-2)
Với: x là khoảng cách từ M
x
đến đoạn tác động (đoạn AB).
Tác động điện của dây dẫn l
1
có dòng điện i
1

lên đoạn dl
2
có i
2
bằng cách lấy tích
phân (3-2) ta có:
α
π
μ
α
α
∫
=
2
1
2
210
4
dsindl
x
ii
.dF
X

()
21
21
2
0
4

αα
π
μ
coscos
x
ii
dl −=
(3-3)
Khi các dòng điện bằng nhau và bằng I thì:
μ
π
μ
π
0
12
0
227
44
10ii I I A== =
−
.
()
[]
Ndlcoscos
x
A
dF
x 221
αα −= (3-4)
Cường độ phụ tải điện động ở điểm M

x
bất kì:
A
x
coscos
A
dl
dF
f
x
x
=
−
==
21
2
1
αα
K
kh
(3-5)
+
x
coscos
K
kh
21
αα −
=
:là hệ số mạch vòng, chỉ phụ thuộc vào các tham số hình

học của nó.
+
[]
kgI.,A
28
10021
−
=
+ Khoảng cách x đo bằng cm.
Véc tơ f
1x
vuông góc với hướng dòng điện tại điểm M
x
.