Em hãy nếu khái niệm về dòng điện các dụng cụ điện hoạt động được khi nào lấy vài ví dụ

Khí cụ điện là thiết bị dùng để đóng cắt, bảo vệ, điều khiển, điều chỉnh các lưới điện, mạch điện, các loại máy điện và các máy trong quá trình sản xuất. Để hiểu rõ chi tiết hơn về Khái niệm Khí cụ điện, phân loại ra sao, Hôm nay, Điện Phan Khang mời các bạn cùng tìm hiểu vấn đề này nhé.

A. KHÁI NIỆM KHÍ CỤ ĐIỆN

1. Khái niệm Khí cụ điện là gì?

Khí cụ điện là thiết bị dùng để đóng cắt, bảo vệ, điều khiển, điều chỉnh các lưới điện, mạch điện, các loại máy điện và các máy trong quá trình sản xuất.

Khí cụ điện làm việc lâu dài trong các mạch dẫn điện, nhiệt độ của khí cụ điện tăng lên gây tổn thất điện năng dưới dạng nhiệt năng và đốt nóng các bộ phận dẫn điện và cách điện của khí cụ. Vì vậy khí cụ điện làm việc được trong mọi chế độ khi nhiệt độ của các bộ phận phải không quá những giá trị cho phép làm việc an toàn lâu dài.

Mời các bạn cùng tìm đọc sách KHÍ CỤ ĐIỆN - của Phạm Văn Chới, Bùi Hữu Tín, Nguyễn Tiến Tôn biên soạn, do Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật phát hành.

2. Đặc điểm của Khí cụ điện

2.1. Sự phát nóng của khí cụ điện 

Tuỳ theo chế độ làm việc khác nhau, mỗi khí cụ điện sẽ có sự phát nóng khác nhau:

A. Chế độ làm việc lâu dài của khí cụ điện

Khí cụ điện làm việc lâu dài, nhiệt độ trong khí cụ điện bắt đầu tăng và đến nhiệt độ ổn định thì không tăng nũa, lúc này sẽ toả nhiệt ra môi trường xung quanh.

B. Chế độ làm việc ngắn hạn của khí cụ điện

Chế độ làm việc ngắn hạn của khí cụ điện là chế độ khi đóng điện nhiệt độ của nó không đạt tới nhiệt độ ổn định, sau khi phát nóng ngắn hạn, khí cụ được ngắt nhiệt độ của nó sụt xuống tới mức không so sánh được với môi trường xung quanh.

C. Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại của khí cụ điện

Nhiệt độ của khí cụ điện tăng lên trong khoảng thời gian khí cụ làm việc, nhiệt độ giảm xuống trong khoảng thời gian khí cụ nghỉ, nhiệt độ giảm chưa đạt đến giá trị ban đầu thì khí cụ điện làm việc lặp lại. Sau khoảng thời gian, nhiệt độ tăng lên lớn nhất gần bằng nhiệt độ giảm nhỏ nhất thì khí cụ điện đạt được chế độ dừng.

2.2. Tiếp Xúc điện

2.2.1. Khái niệm Tiếp xúc điện

Tiếp xúc điện là nơi mà dòng điện đi từ vật dẫn này sang vật dẫn khác. Bề mặt tiếp xúc của hai vật dẫn được gọi là tiếp xúc điện. Các yêu cầu cơ bản của tiếp xúc điện:

• Nơi tiếp xúc điện phải chắc chắn, đảm bảo.
• Mối nơi tiếp xúc phải có độ bền cơ khí cao.
• Mối nối không được phát nóng quá gía trị cho phép.
• Ổn định nhiệt và ổn định động khi có dòng điện cực đại đi qua.
• Chịu được tác đông của môi trường [nhiệt độ, chất hoá học...]

Để đảm bảo các yêu cầu trên, vật liều dùng làm tiếp điểm có các yêu cầu:

• Điện dẫn và nhiệt dẫn cao.
• Độ bền chổng rỉ trong không khí và trong các khí khác.
• Độ bền chống tạo lớp màng có điện trở suất cao.
• Độ cứng bé để giảm lực nén.
• Độ cứng cao để giảm hao mòn ở các bộ phận đóng ngắt.
• Độ bền chịu hồ quang cao [nhiệt độ nóng chảy].
• Đơn giản gia công, giá thành hạ.

Một số vật liều dùng làm tiếp điểm: Đồng, Bạc, Nhôm, Vonfram...

2.2.2. Phân loại Tiếp xúc điện

Dựa vào kết cấu tiếp điểm, có các loại tiếp xúc điện sau:

a] Tiếp xúc cố định

Các tiếp điể được nối cố định với các chi tiết dẫn dòng điện như là: thanh cái, cáp điện, chỗ nối khí cụ vào mạch. Trong quá trình sử dụng, cả hai tiếp điểm được gắn chặt vào nhau nhờ các bu - lông, hàn nóng hay nguội.

b] Tiếp xúc đóng mở

Là tiếp xúc để đóng ngắt mạch điện. Trong trườnghợp này ơhát sinh hồ quang điện, cần xác định khoảng cách giữa tiếp điểm tĩnh và động dựa vào dòng điện định mức, điện áp định mức và chế độ làm việc của khí cụ điện.

c] Tiếp xúc trượt

Là tiếp xúc ở cổ góp và vành trượt, tiếp xúc này cũng dễ sinh ra hồ quang điện.

2.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc

• Vật liệu làm tiếp điểm: vật liệu mềm tiếp xúc tốt.
• Kim loại làm tiếp điểm không bị ôxy hóa.
• Lực ép tiếp điểm càng lớn thì sẽ tạo nên nhiều tiếp điểm tiếp xúc.
• Nhiệt độ tiếp điểm càng cao thì điện trở tiếp xúc càng lớn.
• Diện tích tiếp xúc.

Thông thường dùng hợp kim để làm tiếp điểm.

3. Nguyên nhân gây hư hỏng Khí cụ điện và cách khắc phục

3.1. Nguyên nhân gây ra sự hư hỏng của Khí cụ điện

3.1.1. Ăn mòn kim loại Khí cụ điện

Trong thực tế chế tạo dù gia công thế nào thì bề mặt tiếp xúc tiếp điểm vẫn còn những lỗ nhỏ li ti.

Trong vận hành hơi nước và các chất có hoạt tính hóa học cao thấm vào và đọng lại trong những lỗ nhỏ đó sẽ gây ra các phản ứng hóa học tạo ra một lớp màng mỏng rất giòn.

Khi va chạm trong quá trình đóng lớp màng này dễ bị bong ra. Do đó bề mặt tiếp xúc sẽ bị mòn dần, hiện tượng này gọi là hiện tượng ăn mòn kim loại.

3.1.2. Oxy hóa Khí cụ điện

Môi trường xung quanh làm bề mặt tiếp xúc bị oxy hóa tạo thành lớp oxit mỏng trên bề mặt tiếp xúc, điện trở suất của lớp oxit rất lớn nên làm tăng Rtx dẫn đến gây phát nóng tiếp điểm.

Mức độ gia tăng Rtx do bề mặt tiếp xúc bị oxy hóa còn tùy nhiệt độ. Ở 20 - 30oC có lớp oxít dày khoảng 25.10-6mm

3.1.3. Điện thế hóa kim loại Khí cụ điện

Mỗi chất có một điện thế hóa học nhất định. Lấy H làm gốc có điện thế âm [-] thì ta có bảng một số kim loại có điện thế hóa học như bảng sau:

Hai kim loại có điện thế hóa học khác nhau khi tiếp xúc sẽ tạo nên một cặp hiệu điện thế hóa học, giữa chúng có một hiệu điện thế.

Nếu bề mặt tiếp xúc có nước xâm nhập sẽ có dòng điện chạy qua, và kim loại có điện thế học âm hơn sẽ bị ăn mòn trước làm nhanh hỏng tiếp điểm.

3.1.4. Hư hỏng do nguồn điện

Thiết bị điện vận hành lâu ngày hoặc không được bảo quản tốt lò xo tiếp điểm bị hoen rỉ yếu đi sẽ không đủ lực ép vào tiếp điểm.

Khi có dòng điện chạy qua, tiếp điểm dễ bị phát nóng gây nóng chảy, thậm chí hàn dính vào nhau. Nếu lực ép tiếp điểm quá yếu có thể phát sinh tia lửa làm cháy tiếp điểm.

Ngoài ra, tiếp điểm bị bẩn, rỉ sẽ tăng điện trở tiếp xúc, gây phát nóng dẫn đến hao mòn nhanh tiếp điểm.

3.2. Cách khắc phục hư hỏng Khí cụ điện

• Đối với những tiếp xúc cố định : nên bôi một lớp mỡ chống rỉ hoặc quét sơn chống ẩm.
• Khi  thiết kế ta nên chọn những vật liệu : có điện thế hóa học giống nhau hoặc gần bằng nhau cho từng cặp.
• Nên sử dụng các vật liệu không bị oxy hóa làm tiếp điểm.
• Mạ điện các tiếp điểm: với tiếp điểm đồng, đồng thau thường được mạ
• thiếc,  mạ bạc, mạ kẽm còn tiếp điểm thép thường được mạ cađini, kẽm,...
• Thay lò xo tiếp điểm: những lò xo đã rỉ, đã yếu làm giảm lực ép sẽ làm tăng điện trở tiếp xúc, cần lau sạch tiếp điểm bằng vải mềm và thay thế lò xo nén khi lực nén còn quá yếu.
• Kiểm tra sửa chữa cải tiến: cải tiến thiết bị dập hồ quang để rút ngắn thời gian dập hồ quang nếu điều kiện cho phép.

4. Hồ quang và các phương pháp dập tắt hồ quang

4.1. Khái niệm Hồ quang điện

Trong các khí cụ điện dùng để đóng ngắt mạch điện [cầu dao, contactor, rơle...] khi chuyển mạch sẽ phát sinh hiện tượng phóng điện. Nếu dòng điện ngắt dưới 0,1A và điện áp tại các tiếp điểm khoảng 250 - 300V thì các tiếp điểm sẽ phóng điện âm ỉ. Trường hợp dòng điện và điện áp cao hơn trị số trong bảng sau sẽ sinh ra hồ quang điện.

4.2. Tính chất cơ bản của phóng điện hồ quang

• Phóng điện hồ quang chỉ xảy ra khi các dòng điện có trị số lớn.
• Nhiệt độ trung tâm hồ quang rất lớn và trong các khí cụ có thể đến 6000 đến 800000 K.
• Mật độ dòng điện tại Catốt lớn [104 đến 105]A/cm2.
• Sụt áp ở Catốt bằng 10 đến 20V và thực tế không phụ thuộc vào dòng điện.

4.3. Quá trình phát sinh và dập hồ quang

4.3.1. Quá trình phát sinh hồ quang điện

Đối với tiếp điểm có dòng điện bé, ban đầu khoảng cách giữa chúng nhỏ khi điện áp đặt có trị số nhất định, vì vậy trong khoảng không gian này sẽ sinh ra điện trường có cường độ rất lớn [3.107V/cm] có thể làm bật điện tử từ Catôt gọi là phát xạ tự động điện tử [gọi là phát xạ nguội điện tử]. Số điện tử càng nhiều, chuyển động dưới tác dụng của điện trường làm ion hoá không khí gây hồ quang điện.

Đối với tiếp điểm có dòng điện lớn, quá trình phát sinh hồ quang phức tạp hơn. Lúc đầu mở tiếp điểm, lực ép giữa chúng có trị số nhỏ nên số tiếp điểm tiếp xúc để dòng điện đi qua ít. Mật độ dòng điện tăng đáng kể đến hàng chục nghìn A/cm2, do đó tại các tiếp điểm sự phát nóng sẽ tăng đến mức làm cho ở đó, giọt kim loại được kéo căng ra trở thành cầu chất lỏng và nối liền hai tiếp điểm này, nhiệt độ của cầu chất lỏng tiếp tục tăng, lúc đó cầu chất lỏng bốc hơi và trong không gian giữa hai tiếp điểm xuất hiện hồ quang điện.

Vì quá trình phát nóng của cầu thực hiện rất nhanh nên sự bốc hới mang tính chất nổ. Khi cầu chất lỏng cắt kéo theo  sự mài mòn tiếp điểm, điều này rất quan trọng khi ngắt dòng điện quá lớn hay quá trình đóng mở xảy ra thường xuyên.

4.3.2. Quá trình dập tắt hồ quang điện

Điều kiện dập tắt hồ quang là quá trình ngược lại với quá trình phát sinh hồ quang:

• Hạ nhiệt độ hồ quang.
• Kéo dài hồ quang.
• Chia hồ quang thành nhiều đoạn nhỏ.
• Dùng năng lượng bên ngoài hoặc chính nó để thổi tắt hồ quang.
• Mắc điện trở Shunt để tiêu thụ năng lượng hồ quang

Thiết bị để dập tắt hồ quang.

• Hạ nhiệt độ hồ quang bằng cách dùng hơi khí hoặc dầu làm nguội, dùng vách ngăn để hồ quang cọ xát.
• Chia hồ quang thành nhiều cột nhỏ và kéo dài hồ quang bằng cách dùng vách ngăn chia thành nhiều phần nhỏ và thổi khí dập tắt.
• Dùng năng lương bên ngoài hoặc chính nó để thổi tắt hồ quang, năng lượng của nó tạo áp suất để thổi tắt hồ quang.
• Mắc điện trở Shunt để tiêu thụ năng lượng hồ quang [dùng điện trở mắc song song với hai tiếp điểm sinh hồ quang].

5. Lực điện động

• Lực điện động chính là lực tác dụng của điện trường và từ trường.
• Lực điện động trong KCĐ [được tạo ra từ dòng điện lớn, dòng điện ngắn mạch].

B. CÔNG DỤNG VÀ PHÂN LOẠI KHÍ CỤ ĐIỆN

1. Công dụng của Khí cụ điện

Khí cụ điện là những thiết bị điện, cơ cấu điện dùng để điều khiển các quá trình sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối năng lượng điện và các dạng năng lượng khác.

2. Phân loại Khí cụ điện

Các loại Khí cụ điện hãng Schneider Electric

Khái niệm điều khiển theo nghĩa rộng bao gồm : điều chỉnh bằng tay tự động, kiểm tra và bảo vệ.

Theo lĩnh vực sử dụng, các khí cụ điện được chia thành 5 nhóm, trong mỗi nhóm lại có rất nhiều chủng loại khác nhau. Các nhóm đó là :

1. Nhóm khí cụ điện phân phối năng lượng điện áp cao, gồm : Dao cách ly, máy ngắt dầu [nhiều dầu và ít dầu], máy ngắt không khí, máy ngắt tự sản khí, máy ngắt chân không cầu chuỷ [cầu chì] , dao ngắn mạch, điện kháng , biến dòng, biến điện áp …
2. Nhóm khí cụ điện phân phối năng lượng điện áp  thấp, gồm : Máy ngắt tự động , máy ngắt bằng tay, các bộ đổi nối [cầu dao, công tắc], cầu chì …
3. Nhóm khí cụ điện điều khiển : Công tắc tơ, khởi động từ, các bộ khống chế và điều khiển, nút ấn , công tắc hành trình , các bộ điện trở điều chỉnh và mở máy, các bộ khuếch đại điện tử, khuếch đại từ, tự áp…
4. Nhóm các rơle  bảo vệ : Rơle dòng điện rơle điện áp, rơle công suất, rơle tổng trở, rơle thời gian
5. Nhóm khí cụ điện dùng trong sinh hoạt và chiếu sáng: công tắc, ổ cắm, phích cắm, bàn là, bếp điện…

2.1. Phân loại Khí cụ điện theo công dụng

• Đóng ngắt mạch điện của lưới điện : cầu dao, CB, công tắc…
• Mở máy, điều chỉnh tốc độ , điều chỉnh điện áp, dòng điện: công tắc tơ, khởi động từ, bộ khống chế…
• Bảo vệ lưới điện, máy điện: cầu chì , Aptomat
• Duy trì tham số điện ở giá trị không đổi: ổn áp, thiết bị tự động   điều chỉnh điện áp, dòng điện, tần số, tốc độ, nhiệt độ…
• Đo lường :VOM , volt kế, ampe kế…

2.2. Phân loại Khí cục điện theo điện áp

• Khí cụ điện cao thế: Uđm ≥100KV
• Khí cụ điện trung thế : 1000V≤ Uđm