Giáo trình Khí cụ điện - Chương I: Khái niệm chung về khí cụ điện

z
A
B
C
A
B
n
A
B
I.Zt là điện áp đầu cực phụ tải. 
 Utx = I.Rtx là điện áp tiếp xúc trên bề mặt tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh của công tắc 
K. 
 Giả sử công tắc K đang đóng ở vị trí 1 nếu bỏ qua điện trở kháng đờng dây thì U1 = Utx
+ U2. Khi mạch điện đang đóng, điện trở tiếp xúc rất bé (Utx = 0). Vì vậy U1 = U2. Khi cắt 
điện qua công tắc K, tiếp xúc động bắt đầu rời khỏi tiếp xúc tĩnh, làm cho điện trở tiếp xúc 
tăng dần lên, do đó Utx cũng tăng theo vì vậy U2 bị giảm dần (U1 = const). Khi tiếp xúc động 
của công tắc K di chuyển đến vị trí 2 thì có thể xem nh dòng điện trong mạch bị ngắt, do không 
khí giữa 2 đầu tiếp xúc rất nhỏ (d<<) vì vậy cờng độ điện trờng E rất lớn (E = U/d) có thể đạt 
tới 107 v/cm làm cho mật độ của dòng điện giữa hai đầu tiếp xúc động và tĩnh của công tắc K 
tăng lên hàng chục lần. Không khí giữa khe hẹp của hai đầu tiếp xúc động và tĩnh bị ion hoá rất 
mạnh, cho nên không khí trở nên dẫn điện, gây ra phóng điện giữa hai đầu tiếp xúc động và 
tĩnh, ta gọi đó là hồ quang điện. 
 Khi điện áp đặt vào giữa hai đầu tiếp xúc càng cao, hay dòng điện chạy qua mạch càng 
lớn thì hồ quang điện phát sinh càng mãnh liệt. Nếu dòng điện tải lớn, khi tiếp xúc động bắt 
đầu rời khỏi tiếp xúc tĩnh thì nhiệt độ tiếp xúc tăng lên đến mức làm nóng chảy lớp kim loại 
trên bề mặt tiếp xúc, tạo thành gọt kim loại lỏng. Khi tiếp xúc động bắt đầu rời khỏi tiếp xúc 
tĩnh ra xa thì gọt kim loại lỏng cũng bị kéo dài ra tạo thành một cần kim loại lỏng nối liền giữa 
tiếp xúc động và tiếp xúc tĩnh. Nếu nhiệt độ tăng quá cao làm cho cần kim loại bốc hơi xảy ra 
nhanh quá sẽ kèm theo tiếng nổ. 
 Vậy bản chất hồ quang điện là quá trình ion hoá lớp điện môi giữa hai đầu cực, gây ra 
hiện tợng phóng điện khi cờng độ điện trờng ở đó đạt tới giới hạn điện trờng ion hoá Ei. 
2.3. Tác hại của hồ quang: 
 Ngoài lợi ích hồ quang điện dùng để cắt kim loại, làm nóng chảy kim loại, hàn điện.. thì 
tai hại hồ quang điện gây ra cho thiết bị điện cũng không nhỏ. 
- Hồ quang điện phát sinh nhiệt cao vì vậy sau một số lần đóng cắt mạch điện thì bề mặt tiếp 
xúc của các tiếp điểm trong thiết bị điện đóng cắt điện thờng bị cháy, bị rỗ, làm tăng Rtx
của tiếp điểm. 
- Nếu để xảy ra hồ quang điện phóng chập chờn sẽ gây ra hiện tợng quá điện áp nội bộ làm 
hỏng cách điện của thiết bị điện hoặc cách điện của đờng dây tải điện. 
- Nếu thiết bị đóng cắt điện hỏng bộ phận dập hồ quang hoặc do thao tác đóng cắt sai quy 
trình, quy phạm thì hồ quang điện có thể phát sinh đan chéo giữa các pha gây ra ngắn mạch 
nhiều pha. 
- Hồ quang điện làm kéo dài thời gian đóng cắt điện, vì tai hồ quang dẫn điện, chỉ đến khi hồ 
quang tắt hẳn thì mạch điện mới đợc cắt hoàn toàn. 
- Hồ quang điện gây ra cháy nổ nếu nó phát sinh ở những nơi có vật liệu dễ cháy nổ. 
- Hồ quang điện có thể gây ra bỏng hoặc tử vong cho ngời. 
Ô3 các biện pháp dập tắt Hồ quang 
 Tác dụng nhiệt của hồ quang điện làm h hỏng các đầu tiếp xúc trong khí cụ điện đóng 
cắt mạch điện. Vì vậy khi hồ quang điện phát sinh cần phải đợc dập tắt càng nhanh càng tốt. 
Các phơng pháp dập tắt hồ quang thờng sử dụng là: 
3.1. Phơng pháp tăng nhanh khoảng cách: 
 Hồ quang bị kéo dài thì điện áp duy trì cần phải cao. Nếu điện áp giữa 2 đầu tiếp xúc 
nhỏ hơn điện áp duy trì thì hồ quang sẽ bị dập tắt. Do đó khi thao tác đóng cắt mạch điện, phải 
thực hiện nhanh và dứt khoát. E = U/d nếu tăng nhanh khoảng cách d thì E giảm nhanh khi E <
Ei thì hồ quang bị dập tắt. 
3.2. Phơng pháp chia nhỏ hồ quang: 
 Đặt giữa 2 đầu tiếp xúc động và tĩnh một buồng dập hồ quang trong buồng có tấm kim
loại chịu nhiệt đặt song song với nhau tạo thành cách tử chia nhỏ hồ quang nh hình vẽ: 
 Khi hồ quang phát sinh giữa hai đầu tiếp xúc động và tĩnh, do áp lực của không khí 
hoặc dầu cách điện bị giãn nở và do lực điện từ sẽ đẩy tia hồ quang vào sâu trong khe hở của 
các cách tử, vì vậy hồ quang bị chia nhỏ, nhanh chóng bị làm nguội và dập tắt. 
Phơng pháp này thờng đợc ứng dụng để dập tắt hồ quang trong các loại aptomat, dao 
phụ tải, máy cắt dầu .. 
3.3. Phơng pháp thổi bằng từ trờng: 
 Đặt cuộn dây thổi từ cạnh khe hở giữa hai đầu tiếp xúc động và tĩnh nh hình vẽ : Dòng 
điện chạy qua cuộn dây thổi từ nối tiếp với tiếp xúc tĩnh. 
 Từ trờng cuộn dây sinh ra nh hình vẽ. Khi tiếp xúc động rời khỏi tiếp xúc tĩnh hồ quang 
phát sinh bắt cầu giữa 2 đầu tiếp xúc, lực điện từ do cuộn dây thổi từ sinh ra sẽ đẩy tia hồ quang 
kéo dài lên phía trên, bị làm nguội và dập tắt. 
 Khi dòng điện đổi chiều thì từ trờng cuộn dây cũng đổi chiều, do đó lực điện từ F có ph-
ơng chiều không thay đổi. Phơng pháp này thờng đợc sử dụng để dập tắt hồ quang trong máy 
cắt điện hoặc dao phụ tải. 
3.4. Phơng pháp dập hồ quang bằng thổi sinh khí : 
 Vật liệu sinh khí thờng ở thể rắn, khi bị nhiệt phân do hồ quang nhiệt độ cao, sẽ chuyển 
sang thể hơi (thăng hoa) làm cho áp suất ở vùng phát sinh hồ quang tăng lên rất lớn, có thể đạt 
tới hàng chục at thổi dập tắt hồ quang. 
 Phơng pháp này đợc ứng dụng để dập tắt hồ quang trong chống sét ống, cầu chì tự rơi.. 
Ô4 tiếp xúc điện 
4.1. Khái niệm : 
 Tiếp xúc điện là chỗ tiếp xúc của hai hay nhiều vật dẫn, để truyền dẫn dòng điện đi từ 
cách tử
Tiếp xúc độngTiếp xúc tĩnh 
i i
f f
vật này sang vật khác. Bề mặt tiếp xúc giữa các vật dẫn đợc gọi là bề mặt tiếp xúc điện. 
 Tiếp xúc điện là phần rất quan trọng của khí cụ điện, trong quá trình đóng cắt mạch 
điện, chỗ tiếp xúc của tiếp điểm đóng cắt bị phát nóng cao, bị mài mòn do va đập và ma sát, đặt 
biệt là sự huỷ hoại của hồ quang điện. 
4.2. Phân loại tiếp xúc điện : đợc chia ra làm 3 loại chính sau : 
 a. Tiếp xúc cố định: Khi hai vật dẫn tiếp xúc không rời nhau bằng bu lông hoặc đinh 
tán. Ví dụ nh: Tiếp xúc của kẹp nối dây, tiếp xúc giữa dây dẫn và cốt bắt dây ở sứ xuyên.. 
 b. Tiếp xúc đóng mở: 
 Đó là tiếp xúc giữa tiếp điểm động và tĩnh của các loại khí cụ điện đóng cắt mạch điện. 
Ví dụ nh: Tiếp xúc của tiếp điểm cầu dao, công tắc, aptomat, máy cắt... 
c. Tiếp xúc trợt: 
Đó là dạng tiếp xúc vật dẫn này truợt trên vật dẫn kia. Ví dụ: Chổi than trợt trên cổ góp 
của máy phát điện hoặc động cơ. 
d. Các loại tiếp xúc thờng gặp: 
a)
c)
Tiếp xúc cố định
Tiếp xúc đóng mở
Tiếp xúc tr−ợt
b)
d)
e)
a. Tiếp điểm kiểu ngón. 
b. Tiếp điểm kiểu bắt cầu. 
c. Tiếp điểm kiểu vút má. 
d. Tiếp điểm kiểu thuỷ ngân. 
e. Tiếp điểm kiểu lỡi. 
4.3. Hình thức tiếp xúc: Có 3 hình thức tiếp xúc : 
- Tiếp xúc điểm : Là hình thức các vật dẫn tiếp xúc nhau ở diện tích rất nhỏ đợc xem là một 
điểm. Ví dụ: Tiếp xúc giữa mặt cầu với mặt cầu, tiếp xúc giữa mặt cầu với mặt phẳng trong một
số loại Rơle điện từ. 
- Tiếp xúc đờng: Là hình thức các vật dẫn tiếp xúc nhau trên đờng thẳng hoặc đờng cong. 
- Tiếp xúc mặt: là hình thức các vật dẫn tiếp xúc nhau trên nhiều điểm của mặt phẳng hoặc mặt 
cong. Ví dụ : Tiếp xúc giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh của máy cắt, cầu dao, áptomát... 
4.4. Các yêu cầu kỹ thuật cơ bản đối với tiếp xúc điện: 
- Thực hiện tiếp xúc phải đảm bảo chắc chắn, sức bền cơ khí phải cao. 
- Không đựơc phát nóng quá nhiệt độ cho phép khi dòng điện định mức chạy qua. 
- Phải ổn định nhiệt và ổn định động khi có dòng điện ngắn mạch cực đại chạy qua. 
4.5. Điện trở tiếp xúc và các yếu tố ảnh hởng đến điện trở tiếp xúc: 
a. Điện trở tiếp xúc: Rtx 
Tại vị trí tiếp xúc của vật dẫn, tồn tại một điện trở tiếp xúc đợc xác định theo công thức 
kinh nghiệm : 
Trong đó: ρ : là điện trở suất của vật dẫn làm tiếp điểm. 
 δb: ứng suất chống dập của vật liệu làm tiếp điểm. 
 F : Lực ép lên bề mặt tiếp xúc của tiếp điểm do bu lông, đinh tán hoặc lò xo tạo 
nên. 
 n : Là số điểm tiếp xúc trên bề mặt tiếp xúc của tiếp điểm. 
b. Các yếu tố ảnh hởng đến điện trở tiếp xúc: 
Từ công thức (4-1) ta thấy điện trở tiếp xúc phụ thuộc vào: Điện trở suất của vật liệu làm tiếp 
điểm, số điểm tiếp xúc, lực ép lên bề mặt tiếp xúc và ứng suất chống dập của vật liệu làm tiếp 
điểm. Ngoài ra điện trở tiếp xúc còn phụ thuộc vào tình trạng bề mặt tiếp xúc: Nếu bề mặt tiếp 
xúc bị bẩn, bị rỗ, bị cháy thì điện trở tiếp xúc tăng lên, làm tăng tổn thất điện áp, và tổn thất 
công suất trên mạng điện. Điện trở tiếp xúc còn phụ thuộc vào nhiệt độ điểm tiếp xúc. Khi 
nhiệt độ điểm tiếp xúc càng cao thì điện trở tiép xúc cũng tăng. 
Trong đó : a0 : hệ số điện trở nhiệt. 
 θ0 : nhiệt độ ban đầu của tiếp điểm. 
θ : nhiệt độ của tiếp điểm tại thời điểm đang xét. 
Ô5 mạch từ 
5.1. Khái niệm : 
 Các thiết bị nh Rơle, công tắc tơ, 
khởi động từ, áptomát... đều có bộ phận 
làm nhiệm vụ biến điện năng thành cơ 
fđt
πδ
ρ
.
..2
b
tx nF
R =
)2.4)((.
3
21).()( 00 Ω⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ += θθθ aRR txtx
(4.1) 
năng. Gồm có cuộn dây và mạch từ gọi là 
cơ cấu điện từ. 
1. Cuộn dây 
2. Mạch từ 
3. Nắp mạch từ 
4. Lò xo phản lực. 
 Mạch từ đợc chia làm các phần : 
- Nơi đặt cuộn dây gọi là lõi mạch từ. 
- Phần thân và gông từ. 
- Nắp mạch từ. 
- Khe hở không khí phụ δp và khe hở không khí chính δc. 
Khi cho dòng điện chạy trong cuộn dây thì sẽ có một 
 từ thông chạy trong mạch từ. 
ƒ Từ thông chính φc = φδ = φlv. 
ƒ Từ thông tản φt là từ thông đi ra ngoài khe hở không khí chính. 
ƒ Từ thông rò φR. 
5.2. Nam châm điện: 
Khi có dòng điện trong cuộn dây sẽ sinh ra từ trờng. Vật liệu sắt từ của cuộn dây sẽ bị từ hoá 
có cực tính ngợc với cực tính của cuộn dây do đó đợc hút về phía cuộn dây. 
f
đt 
n
s
s
n
Nếu đổi chiều dòng điện trong cuộn dây từ trờng đổi chiều. Vật liệu sắt từ sẽ bị từ hoá 
có đờng sức từ ngợc với cực của cuộn dây cho nên nó cũng đợc hút về phía cuộn dây. 
5.3. Phân loại : 
ƒ Phân theo nguồn điện : 
 Nam châm điện một chiều. 
 Nam châm điện xoay chiều. 
ƒ Theo cách nối cuộn dây vào nguồn : 
 Nối tiếp. 
 Song song. 
ƒ Theo các dạng mạch từ : Mạch từ nắp hút thẳng, chập. 
 Mạch từ nắp hút xoay. 
Trong quá trình làm việc nắp mạch từ chuyển động khe hở không khí giữa nắp và lõi sẽ thay 
đổi lực hút điện từ sẽ thay đổi.