158 i Wk C ., n 3 2 3 2 0 2 10162 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = − δ γ ν δ , m/s (7-11) i Wk ., n 3 2 3 1058 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = − δ ν δ , m/s (7-12) Như vậy, tốc độ chuyển động của hồ quang trong trường hợp này ti lệ với dòng điện hồ quang. Trên cơ sở của các phương trình đã nêu dễ dàng tìm được khoảng cách đoạn thẳng bất kì của thân hồ quang trong thời gian (t) ở giới hạn một nửa chu kì của dòng điện xoay chiều với biên độ I m cho trước: )tco s ( I Wk .,tsinI Wk .,dtx m n t m n t ω ω δ ω δ ν δ δ − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ == − − ∫ ∫ 110 5 8 10 5 8 3 2 3 0 3 2 3 0 (7-13) Trong quá trình kéo dài thân hồ quang dạng đường cong của dòng điện bị sai lệch, do đó biên độ dòng điện giảm xuống phải tính đến điều đó trong lúc tính chuyển dịch ngang thân hồ quang của bình chứa. Tốc độ chuyển động của hồ quang trong bình chứa phụ thuộc rất nhiều vào chiều rộng của rãnh mà ở đó thân hồ quang chuyển dịch. Nếu chiều rộng rãnh lớn hơn hai lần chiều dày của lớp xáo động giới hạn, nhưng nhỏ hơn đường kính của hồ quang, tốc độ chuyển động của hồ quang tăng lên một cách rõ rệt. Trong trường hợp này tốc độ có thể vượt qua giá trị khi hồ quang chuyển động trong không gian không giới hạn. Nếu chiều rộng của rãnh lớn hơn đường kính của hồ quang tố c độ chuyển động ngang của nó có thể vượt ít hay bằng tốc độ chuyển dịch trong không gian không giới hạn. Trong trường hợp cuối cùng sẽ không có các điều kiện cần thiết làm lạnh cho bình kiểu rãnh ( δ < d) điều này đã nói ở trên. Để tính sơ bộ chiều rộng của rãnh bằng hai lần chiều dày của lớp bị xáo động ( δ min =2 Δ ) có thể sử dụng phương trình gần đúng. Hình 7-6. Tốc độ chuyển động hồ quang trong bình chứa rãnh dích dắc. δ Β δ i a α 159 2 1 9 11 2 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ == hq m min J I , ξ ν Δδ , cm (7-14) Trong đó: ν là tốc độ chảy không xáo động lấy bằng tốc độ chuyển dịch của hồ quang, cm/s. ξ : hệ số động về độ nhớt của khí, cm 2 /s. I m : biên độ dòng điện hồ quang, A. J hq : mật độ dòng điện hồ quang, A/cm 2 . Các tính toán chỉ ra rằng, thường khi ngắt các dòng điện lớn ở bình chứa có rãnh hẹp trong nửa chu kì lớp xáo động chiếm tất cả rãnh. Trong trường hợp này tốc độ chuyển động của hồ quang trong rãnh hẹp đối với điều kiện d, min < < δ δ 10 có thể tính theo kết quả của thực nghiệm: δδ δν Bi hq 370≈ , [m/s] (7-15) Trong đó: δ : chiều rộng rãnh, m. i hq : dòng điện hồ quang, A. B δ : mật độ từ trường ngang, Wb/m 2 . Trong trường hợp thành của bình chứa ở trong vùng dập tắt có các bề mặt có cạnh bên trong tạo thành rãnh dích dắc (hình 7-6), thành phần véctơ của mật độ từ trường B δ hướng vuông góc với dòng điện hồ quang (mặt phẳng rãnh) là: α δα sinBB = Trong đó: α là góc tạo thành bởi mạch phẳng rãnh với véctơ B trong khe hở làm việc. Khi đó phương trình tốc độ (7-15) có dạng: αδν δδ sinBi hq 370≈ (7-16) Nếu các cực của hệ thống thổi từ bao bọc hoàn toàn vùng dập tắt (thường rất ít có), các phương trình (7-15), (7-16) dẫn về dạng: Hình 7-7. Sơ đồ tính hệ thống thổi từ. W i d n B Vm=const A 0 = d n 2 p y 160 i. Wk n δ δμ ν δ 0 370≈ (7-17) Và i. sinWk n δ αδμ ν δ 0 370≈ (7-18) Trong vùng dập tắt hồ quang trong bình chứa một phần hay hoàn toàn nhô ra ngoài giới hạn các cực thổi từ (hinh 7-7). Trong trường hợp này mật độ từ trường ngang B x cho từng điểm x của vùng có thể tính theo phương trình gần đúng: a) Khi nn x, δδ <<50 n x x B B δ π212 0 + = b) Khi ∞<≤ x n δ n x x B B δ π2 0 = (7-19) c) Khi x n ≤ 05, δ n x iWk BB δ μ 00 0 == Tất cả các phương trình đã nêu cho trường hợp cuộn dây thổi từ mắc nối tiếp với mạch chính của dòng điện. Khi ngắt các dòng điện bé tốc độ chuyển động của hồ quang có thể giảm xuống rất nhiều, khi đó thời gian dập tắt hồ quang quá lớn. Để loại trừ nhược điểm này trong kế t cấu của máy ngắt kiểu đó sử dụng thổi không khí bổ sung bằng bộ phận cơ khí tự động riêng(giới thiệu phần sau). Hình 7-8. Sự phát nóng thành rãnh bình chứa. Sơ đồ chuyển động của hồ quang trong rãnh hẹp. b b-νt νt ν δ 161 7.4. TÍNH Sự PHÁT NÓNG CÁC BứC THÀNH CủA RÃNH BÌNH CHứA VÀ TÍNH DÒNG ĐIệN NGắT Khi hồ quang chuyển động trong rãnh khe hở hẹp (hình 7-8) mỗi điểm trên bề mặt phía trong của thành trong thời gian t 0 ở trực tiếp khu đẳng li phát nóng của thân hồ quang. Từ hình (7-8) ta thấy rằng, khi hồ quang chuyển dịch với tốc độ v, tiết diện của thân hồ quang F=b δ , với điểm bất kì tại thời gian t 0 có thể tìm được: ν b t = 0 (7-20) Thực nghiệm chỉ ra rằng, trong các thiết bị này hầu hết năng lượng tỏa ra trong hồ quang đều truyền cho các thành của bình chứa ở dạng nhiệt (vai trò làm lạnh đối lưu không lớn). Cho nên công suất riêng của hồ quang hq hq l N lớn, tốc độ chuyển dịch ν bé thì nhiệt độ phát nóng bề mặt thành có thể đạt tới giá trị cao, khi đó xảy ra sự phá hủy bề mặt các bức thành ở dạng nóng chảy và bay hơi vật liệu. Như vậy, kết cấu hợp li của bình chứa khi cho trước nhiệt độ phát nóng lớn nhất và công suất riêng của hồ quang, hồ quang phải đảm bảo chuyển dịch ngang với tốc độ t ối thiểu. Quá trình phát nóng có thể xem sự phát triển nhiệt trong tấm mỏng vô cực chiều dày bằng đơn vị (hình 7-9), khi không có tản nhiệt từ bề mặt và nguồn nhiệt rất lớn tác động nhanh. Trong trường hợp này nhiệt độ phát nóng lớn nhất θ m phụ thuộc vào công suất nguồn N 1 và vào tốc độ chuyển dịch hồ quang, xác định bằng phương trình: 0 1 4 tC N m m γπλν θ = , 0 C (7-21) Trong đó: mhqhqm IEN = 1 : công suất riêng lớn nhất của hồ quang ,W/cm. Hình 7-9. Sự phát nóng thành của rãnh bình chứa. Sơ đồ truyền nhiệt. δ 1 b K K y x ν 162 ν : vận tốc chuyển dịch ngang thân hồ quang, cm/s. λ : nhiệt dẫn xuất của vật liệu thành bình ,W/cm.độ. C : ti nhiệt thể tích của vật liệu, W.s/cm 3 .độ. t 0 : thời gian đốt nóng của điểm đang xét, s. I mhq : biên độ của dòng điện hồ quang, A. Chú ý đến phương trình phát nóng thành của rãnh bình chứa. Sơ đồ truyền nhiệt. phương trình (7-20) và: δ hq mhq max J I b = Trong đó: j hq là mật độ dòng điện hồ quang, A/cm 2 . δ : chiều rộng rãnh bình chứa, cm. Tìm được tốc độ tối thiểu: 2 2 4 m mhqhqhq min C IEJ γθπλ δ ν = (7-22) Hơn nữa, trên cơ sở phương trình (7-3) ta có: 2 22 4 m mhqhq min C IAJ γθπλ ν = (7-23) Ở đây A=19V/cm 1/2 . Mật độ dòng điện hồ quang, có thể lấy một cách gần đúng bằng 2 5000 cm/AJ hq ≈ . Phải xuất phát từ độ chịu nhiệt của vật liệu đã chọn để chọn trị số nhiệt độ phát nóng lớn nhất ( θ m ). Đối với đồ gốm chịu nhiệt chứa mylít và cương ngọc, có tính đến thời gian của quá trình và độ chảy bề mặt không lớn, nhiệt độ giới hạn lớn nhất có thể lấy bằng C m 0 3000=θ . Với đồ gốm có chứa zeckol thì nhiệt độ có thể cao hơn (vào khoảng dưới 4000 0 C). Như đã nói trên (phương trình 7-8), biên độ dòng điện hồ quang I mhq chỉ chiếm một phần biên độ dòng điện ngắt giới hạn, nghĩa là: mmhq I,I 4630 = cho nên công thức tính toán cuối cùng có dạng: 2 5 10660 m m min C I., γθλ ν = , cm/s (7-24) Nếu biết trước tốc độ và θ m , ta tìm được giá trị biên độ của dòng điện ngắt giới hạn: 5 2 10660 ., C I minm m νγθλ = ,A (7-25) Trên cơ sở của các quan hệ ở trên ta tiến hành xác định các kích thước chính và các đặc tuyến của bình chứa kiểu rãnh. 163 7.5. CHọN VÀ TÍNH CÁC KÍCH THƯớC CHÍNH VÀ ĐặC TUYếN CƠ BảN CủA BÌNH CHứA CÓ BUồNG DậP Hồ QUANG KIểU RÃNH DậP BằNG Từ Kích thước thích của buồng dập hồ quang kiểu rãnh dập tắt bằng từ (hình 7-10) có: 1) Chiều rộng rãnh. 2) Chiều dài rãnh l hq . 3) Chiều dài bình chứa L bc . 4) Chiều cao của vùng dập tắt h 1 . 5) khoảng cách giữa các thành ở trong vùng kéo dài δ 2 . 6) Chiều cao của vùng kéo dài h 2 . 7) Trị số khe hở làm việc của hệ thống thổi từ n δ . 8) Kích thước về các cực của hệ thống thổi từ và vị trí tương đối của nó với vùng dập tắt. Trình tự tính buồng dập hồ quang được tiến hành như sau: 1) Xác định chiều rộng rãnh δ trên cơ sở của quan hệ 01, min δ δ << d có tính đến khả năng sản xuất thực tế của bình chứa đồ gốm (hay từ các vật liệu khác) rãnh hẹp. 2) Với chiều rộng rãnh đã chọn và cho trước điện áp định mức theo phương trình (7-7) ta có thể tìm được chiều dài của hồ quang, nghĩa là chiều dài tối thiểu của rãnh: Hình 7-10. Sơ đồ tính toán về kết cấu bình chứa kiểu rãnh. Các tham số cho trước để tính toán gồm: a) Điện áp định mức. b) Công suất ngắt định mức. c) Dòng điện ngắt định mức. d) Thời gian dập tắt hồ quang. δ a δ n a h h n A B Màût càõt AB δ δ u δ 2 S 1 l hq S 2 d h 1 h 2 164 ddmaminhq U.,U, , Ukl δδ δ 3 104632870 190 5370 190 − === (7-26) Trong đó: δ là chiều rộng rãnh, cm. U d : điện áp dây của hồ quang, V. 3) Tìm chiều dài làm việc của rãnh theo công thức: minhqhq l,l 21 = 4) Từ kết cấu chọn hình dáng tạo thành rãnh dích dắc và góc α (hình 7-6). Theo kết cấu đã chọn và kích thước của các miếng đệm cách điện cần thiết ta xác định chiều rộng chung của bình chứa và trị số của khe hở làm việc δ lv của hệ thống thổi từ. 5) Trên cơ sở phương trình (7-24) tìm tốc độ tối thiểu chuyển động ngang của hồ quang trong vùng dập tắt. 2 5 210660 m ng min C I., γθλ ν = (7-27) Với I ng : dòng điện ngắt giới hạn, A. Giá trị tốc độ tính toán: mintt , ν ν 11 = 6) Xuất phát từ trị số nhận được ν tt , và trên cơ sở phương trình (7-16) xác định gía trị biên độ của mật độ B δ m trong khe hở làm việc và số vòng cuộn dây thổi từ. 7) Trên cơ sở phương trình (7-8), (7-16) và (7-19) xác định chiều dài của quãng đứt thân hồ quang điện trong thời gian một nửa chu kì cho trường hợp giới hạn, (,) ϕ 0 0 32 5= . 8) Xuất phát từ các điều kiện bố trí các tiếp điểm dập hồ quang và các điện cực thuận tiện nhất, chọn chiều cao của vùng hồ quang kéo dài h 2 . 9) Phù hợp với (7-13) xác định thời gian hồ quang cháy trong vùng kéo dài: ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −≈ − mhq n I Wk ., h arccost 3 2 3 2 2 1058 1 1 δ ω ω δ (7-28) Nói chung khi II mhq m = 05, khoảng thời gian này chỉ chiếm một phần của nửa chu kì. 10) Xác định thời gian đầy đủ của sự cháy hồ quang: ttt 012 = + 165 Trong trường hợp ngắt (dòng điện) giới hạn thời gian này không được qúa hai nửa chu kì. 7.6. KếT CấU CÁC THIếT Bị DậP Hồ QUANG BằNG Từ TRONG RÃNH HẹP Hiện nay kết cấu của các thiết bị dập hồ quang dập tắt bằng từ trong rãnh hẹp khác nhau về hình dạng các rãnh bình chứa, về kết cấu hệ thống thổi từ. Bình dập hồ quang có các phương án kết cấu sau: 1) Rãnh hẹp phẳng ở vùng dập tắt hồ quang (hình 7-11a). 2) Rãnh hẹp dích dắc do bề mặt bên trong các thành bình chứa có gờ tạo thành (hình 7-11,b) , gọi là bình chứa kiểu dích dắc. 3) Rãnh hẹp dích dắc do những tấm ngăn ngang lệch tâm tạo thành (hình 7-11,c). Về kết cấu bình chứa có rãnh phẳng là đơn giản hơn cả. Trong bình chứa này quá trình quá độ chuyển từ vùng kéo dài hồ quang rãnh rộng sang vùng dập hồ quang (chiều rộng rãnh phải nhỏ đến mức có th ể) được êm. Bình chứa kiểu này lớn hơn bình chứa kiểu rãnh dích dắc. Cho nên thường được áp dụng cho điện áp từ 3 đến 6kV. Các kích thước thực tế (theo chiều rộng) được bảo đảm khi chiều rộng tương đối bé. Như vậy, công suất ngắt của nó không lớn. Bình chứa như thế được áp dụng trong công tắc tơ cao áp điện xoay chiều. Bình chứa rãnh dích dắc khác ở chỗ: nh ững gờ phẳng trên bề mặt phía trong của các thành bình chứa tạo thành rãnh khe hẹp dích dắc cùng với quá độ chuyển tiếp êm từ rãnh rộng sang hẹp. Khi các kích thước tương đối không lớn trong bình chứa sự kéo dài hồ quang trong rãnh hẹp là dài nhất. Song trong bình chứa không phải tất cả các đoạn của thân hồ quang trong điều kiện bị tác động của từ trường ngang giống nhau. Những đoạn ngắn của thân h ồ quang nằm ở các góc của rãnh dích dắc bị tác động của từ trường ngang nhiều nhất ( 2 π α ≈ , hình 7-6) so với những đoạn khác 2 π α < . Tốc độ chuyển dịch của các đoạn không giống nhau, tạo được điều kiện để kéo dài hơn nữa thân hồ quang trong rãnh hẹp. 166 Trong các bình chứa kiểu rãnh có tấm ngăn ngang, rãnh hẹp được tạo bởi cách bố trí tương ứng của tấm ngăn ngang chịu hồ quang có rãnh lệch trục, ở hình 7-11,c. Trong một số kết cấu bình chứa kiểu này các khối của các tấm ngang được bố trí cách quãng với các khoảng trống dùng để làm rãnh thải khí. Nhờ vậy áp suất của không khí nóng đã bị ion hóa trong vùng thành bình hồ quang giảm xuống, điều kiện dậ p tắt hồ quang tốt hơn. Hiện nay thường sử dụng đồ gốm chịu nhiệt làm vật liệu để sản xuất các thành rãnh của bình và các tấm ngăn ngang. Đồ gốm có chứa zeckol là vật liệu đặc biệt chịu hồ quang. Ở phần thải khí của bình chứa đặt bộ phản ion hóa, bộ phận này thường là ghép nhiều tấm kim loại cách điện với nhau. Nhờ bộ phản ion hóa khí nóng đã bị ion hóa nhô ra khỏi bình chứa được làm lạnh, vùng ion hóa trên mặt cắt phía trên của bình chứa được hạn chế và hiệu ứng tiếng động giảm xuống trong thời gian làm việc của bình chứa. Kết cấu của hệ thống thổi từ của buồng dập hồ quang kiểu rãnh có đặc điểm khác nhau gồm: 1) Phương pháp mắc cuộn dây thổi từ trong sơ đồ hệ thống điện của máy ngắt. Hình 7-11. Các sơ đồ kết cấu của buồng dập hồ quang kiểu rãnh có hệ thống thổi từ. c) B A Màût càõt AB a) b) B A Màût càõt AB 167 2) Số lượng cuộn dây thổi từ. 3) Hình dáng mạch từ. Trong hình 7-11a, cuộn dây của hệ thống thổi từ mắc nối tiếp không đổi với mạch chính của máy ngắt. Trong trường hợp này tránh cho các phần dẫn từ bị ngắt phát nóng, vật dẫn từ phải làm bằng các lá tôn để sao cho khi đảo hướng từ bởi dòng điện xoay chiều dòng điện xoáy nhỏ nhất. Trong hình 7-5 và 7-11 sau khi các tiếp điể m chính tách rời nhau cuộn dây của hệ thống thổi từ được kích thích bằng dòng điện hồ quang. Trong trường hợp này tiết diện của dây quấn lấy nhỏ hơn nhiều, nghĩa là kích thước của cuộn dây giảm xuống khá nhiều. Dập tắt hồ quang có kết quả hơn, trong các thiết bị này tại thời điểm dòng điện đi qua trị số không, mật độ t ừ thông ngang không được bằng không. Muốn vậy trong một số kết cấu người ta đặt vòng ngắn mạch bằng đồng ở lõi của cuộn dây thổi từ thông ngang và dòng điện hồ quang được bảo đảm. Kích thước các cực và vị trí của nó tương đối với các sừng dập hồ quang và vùng dập tắt được xác lập trên cơ sở các lập luận đã miêu tả trên. [...]... hồ quang buồng dập hồ quang Ở hình 8- 7 giới thiệu sự thay đổi áp suất không khí trong buồng dập hồ quang của máy ngắt không khí (xem hình 8- 22) tính theo các phương trình (8- 8), (8- 15) và (8- 23), (8- 24) và đường cong thực nghiệm của máy ngắt đó với các điều kiện ban đầu giống nhau 8. 3 TÍNH KHÔNG KHÍ CHảY Từ BÌNH CHứA RA KHÍ QUYểN Trong buồng dập hồ quang của máy ngắt không khí sau khi dập tắt hồ quang...CHƯƠNG 8 PHƯƠNG PHÁP TÍNH CÁC ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC CƠ BẢN CỦA MÁY NGẮT KHÔNG KHÍ 8. 1 ĐạI CƯƠNG Máy ngắt không khí là thiết bị điều khiển bằng khí nén tác động tự động, trong đó tất cả các quá trình hoạt động đều liên quan đến khí nén Ví d : dập tắt hồ quang, chuyển dịch các tiếp điểm Các quá trình khí động học chính trong các máy ngắt không khí gồm c : 1) Sự chảy của không khí... (8- 22) Trong phương trình này: p β bâ = tbâ : áp suất tương đối trong buồng dập hồ quang ở thời điểm các mũ mở p0bâ 1 V nghĩa là t=0 Trong thực tế thường c : 2 β k F2 Trong trường hợp này để tính toán ta dùng sơ đồ hình 8- 8 Xuất phát từ chế độ cháy trên tới hạn khi sự thay đổi về tốc độ tiếng động C0t không lớn Để tính ta sử dụng phương trình tương tự (8- 4) ở trên: γ 0t = γ 0 e− α 2t (8- 26) Trong đ : α 2 = 0,57.F2 C0 V1 γ 0 : khối lượng... khí trong bình chứa lúc bắt đầu chảy V : γ 0 t ⎛ p0 t =⎜ γ 0 ⎜ p0 ⎝ 1 ⎞k ⎟ ⎟ ⎠ (8- 27) nên phương trình (8- 26) rút ra: − α 2kt − 0,57kF2C0 t V1 p0 t = p0 e = p0 e (8- 28) Giải phương trình (8- 28) đối với V1, ta nhận được thể tích yêu cầu của bình chứa khi cho trước ti số áp suất: p0 t , tiết diện tổng của các nắp mũ F2 và thời gian chảy t: p0 0,57.F2 C0 t V1 min = (8- 29) 1 ⎡ ⎤ ⎛ p ⎞k ln ⎢⎜ 0 ⎟ ⎥ ⎢⎜ p 0... thể trình bày như sau: -Áp suất tương đối: P β= 1 P0 t -Mật độ tương đối: 1 γ1 ρ1 k ε (β ) = = =β γ 0t ρ0t -Tốc độ tương đối của luồng: 171 ν ϕ(β) = 1 = C0 t k −1 ⎞ 2 ⎛ ⎜1 − β k ⎟ ⎟ k − 1⎜ ⎝ ⎠ -Tốc độ tương đối của tiếng động: k −1 C1 χ(β ) = = β 2k C0t Trong đ : k =1,4 : số mũ đẳng nhiệt ν 1 : tốc độ luồng khí ở chỗ thu hẹp C0t = kgRθ 0t : tốc độ tiếng động trong khí tĩnh tại θ 0t : nhiệt độ khí tĩnh... trình: dγ t G1 − G 2 = dt V2 Trong đ : G1 là lưu lượng của không khí qua lỗ van (F1) (8- 18) 176 G2 : lưu lượng của không khí qua nắp mũ buồng dập hồ quang Trong các điều kiện làm việc thực tế của buồng dập hồ quang máy ngắt không khí các lỗ mở (nghĩa là các tiếp điểm hoàn toàn tách rời nhau) ở thời điểm áp suất trong buồng dập hồ quang đạt tới giá trị tương xứng với áp suất trong bình chứa ( p t ≥ 0,53pot . của máy ngắt không khí (xem hình 8- 22) tính theo các phương trình (8- 8), (8- 15) và (8- 23), (8- 24) và đường cong thực nghiệm của máy ngắt đó với các điều kiện ban đầu giống nhau. 8. 3. TÍNH. miêu tả trên. 169 CHƯƠNG 8 PHƯƠNG PHÁP TÍNH CÁC ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG HỌC CƠ BẢN CỦA MÁY NGẮT KHÔNG KHÍ 8. 1. ĐạI CƯƠNG Máy ngắt không khí là thiết bị điều khiển bằng khí nén tác động. Hình 7-10. Sơ đồ tính toán về kết cấu bình chứa kiểu rãnh. Các tham số cho trước để tính toán gồm: a) Điện áp định mức. b) Công suất ngắt định mức. c) Dòng điện ngắt định mức. d) Thời gian