Với điện áp đến 550kV và dòng điện cắt 63kA thì máy ngắt có hai buồng. Với điện áp và dung lượng lớn hơn số lượng buồng tăng thành bốn.

Với các điện áp thấp hơn và tự đóng lại ba pha, ba cực thường được lắp trên khung chung. Máy ngắt có bố trí một cực và có cơ cấu tác động được điều khiển riêng cho mỗi cực thường được sử dụng đối với điện áp 245kV và cao hơn. Máy ngắt cao áp có thể được lắp trên xe bánh xích hoặc bánh đặc.

Quá trình dập tắt hồ quang có thể theo hai dạng cơ bản sau:

Hình 2

Hồ quang một chiều chỉ có thể dập tắt được bằng cách cưỡng bức dòng điện qua không. Điều đó có nghĩa là điện áp hồ quang Us phải cao hơn điện áp hiện diện ở máy ngắt (hình 11-5a). Có thể tạo nên điện áp hồ quang đủ lớn bằng các phương tiện hợp lí, chỉ có trong các mạch một chiều hạ áp và trung áp (máy ngắt thổi từ). Để dập tắt hồ quang một chiều trong mạch cao áp một chiều, điện áp phải được hạ thấp một cách tương ứng hoặc phải tạo nên dòng điện về "không" nhân tạo bằng cách thêm mạch cộng hưởng vào.

Hình 3

Hồ quang xoay chiều có thể dập tắt mỗi khi dòng điện qua không. Ở mạch cao áp nếu không có các biện pháp bổ xung, hồ quang cháy lại sau khi dòng điện qua không.

Ở các máy ngắt cao áp, plasma của hồ quang được làm mát tăng cường trong buồng dập hồ quang và do đó làm giảm điện dẫn của chúng ở dòng điện không, nhờ vậy điện áp phục hồi không đủ để cháy lại.Hình 11-7 minh họa các điện áp trên máy ngắt.

Khi ngắt tải điện cảm (hình 11-7a), điện áp máy ngắt dao động đến giá trị đỉnh của điện áp phục hồi. Máy ngắt phải có khả năng chịu đựng tốc độ tăng của điện áp phục hồi và giá trị đỉnh của nó. Một khi hồ quang bị dập tắt, cường độ điện môi giữa các tiếp điểm phải lớn hơn độ tăng điện áp phục hồi để đề phòng hồ quang cháy lại. Khi ngắt tải thuần trở (hình 11-7b) thì dòng điện bằng không và điện áp bằng không trở về đồng thời. Điện áp phục hồi ở máy ngắt tăng theo hình sin với tần số làm việc. Khe hở giữa các tiếp điểm có đủ thời gian để phục hồi cách điện. Khi đóng cắt tải điện dung (hình 11-7c), sau khi ngắt dòng điện thì điện áp nguồn (đầu cuối máy ngắt) dao động theo tần số hệ thống giữa  Um, trong khi ở đầu máy ngắt phía tụ điện vẫn được nạp ở +Um.

Hình 4

Hình 5

Tùy theo vị trí đặt, máy ngắt phải chịu đựng hàng loạt các điều kiện khác nhau, do vậy cần đặt ra những yêu cầu khác nhau đối với máy ngắt.

a) Ngắn mạch đầu cực (dòng ngắn mạch đối xứng) hình 11-8.

Ngắn mạch đầu cực là ngắn mạch ở phía tải ngay sát đầu cực máy ngắt. Dòng ngắn mạch là đối xứng nếu sự cố xảy ra ở thời điểm điện áp cực đại.

Điện áp phục hồi trở lại giá trị điện áp điều khiển. Độ tăng và biên độ điện áp quá độ được xác định bằng các thông số lưới. Các trị số sử dụng để thử nghiệm được cho trong IEC 56/VDE 0670.

b) Ngắn mạch đầu cực (dòng ngắn mạch không đối xứng)

Cộng thêm vào dòng ngắn mạch đối xứng có thành phần một chiều cũng bị ngắt. Độ lớn của nó phụ thuộc vào thời gian mở cơ cấu của máy ngắt. Thành phần một chiều của dòng ngắn mạch phụ thuộc vào thời điểm bắt đầu ngắn mạch (cực đại ở điện áp không) và hằng số thời gian của các thành phần phía nguồn cung cấp như máy phát, máy biến áp, cáp và đường dây cao áp (IEC và DIN VDE qui định hằng số thời gian là 45ms. Điều đó có nghĩa là thành phần một chiều bằng khoảng chừng 40% ¸¸ size 12{¸} {}50% đối với thời gian mở thông thường của máy ngắt ngoài trời loại hiện đại SF6).

c) Ngắn mạch gần (hình 11-9)

Hình 11-10:Đóng mở không trùng phaa) Mạch tương đương đơn giản hóa

d) Đóng mở không trùng pha (hình 11-10)

Ứng suất điện áp (tần số nguồn) rất lớn nếu góc pha của các hệ thống ở phía máy ngắt khác nhau (các thành phần hệ thống tách rời hoặc các máy ngắt của máy phát điện hòa đồng bộ không chính xác).

e) Ngắt dòng điện điện cảm nhỏ (hình 11-11)

Tùy theo cấu hình lưới, việc ngắt mạch dòng điện cảm nhỏ như các cuộn kháng điện hoặc dòng từ hóa máy biến áp có thể làm điện áp phục hồi tăng nhanh và gây quá điện áp do kết quả của dòng điện băm (dập tắt cưỡng bức) trước khi chuyển mạch qua điểm không tự nhiên (các mạch thử nghiệm vẫn còn đang được thảo luận trong IEC và DIN VDE bởi vì quá điện áp phụ thuộc rất nhiều vào các tính chất riêng của tải điện cảm).

f) Đóng cắt dòng điện dung (hình 11-12)

Tình huống này tuy không tạo nên ứng suất nghiêm trọng nhưng nói chung máy ngắt cho phép tránh bị hồ quang cháy lại. Tuy nhiên về lí thuyết sự cháy lặp lại có thể làm tăng ứng suất tạo nên nhiều giá trị đỉnh của điện áp.

Điện dung trên một đơn vị chiều dài đường dây hoặc cáp tạo nên các điều kiện tương tự như đóng cắt tụ điện.

Hình 11-12: Đóng cắt dòng điện điện dung Hình 11-13: Ứng suất tiếp điểm khi nối a)Mạch tương đương đơn giản hóa. mạch điện cảm.b)Các đường cong dòng điện và điện áp a) Có hồ quang trướcc)Các đường cong dòng điện và điện áp khi b)Không có hồ quang trướcxảy ra cháy lại hồ quang

Các ứng suất trên tiếp điểm khi nối mạch điện cảm (hình 11-13).

Việc đóng mạch điện cảm và điện dung có thể tạo nên quá điện áp đến 100%. Do vậy, máy ngắt với điện áp cao và đường dây dài (khoảng trên 300 km) thường mắc thêm vào các điện trở khi đóng.

a) Quá trình dập hồ quang khi không khí thổi dọc

Làm lạnh thân hồ quang trong buồng không khí nén có cường độ cao là một trong những phương tiện dập hồ quang hiệu dụng ở các máy ngắt cao áp điện xoay chiều. Quá trình dập hồ quang phụ thuộc vào hình dáng và vị trí tương hỗ của các tiếp điểm và của miệng ống:

a.1) Khi thổi một phía - qua miệng ống kim loại (hình 11-14a).

a.2) Khi thổi một phía - qua miệng ống cách điện (hình 11-14b).

a.3) Khi thổi hai phía đối xứng - qua tiếp điểm kiểu miệng ống (hình 11-14c).

a.4) Khi thổi hai phía không đối xứng - qua tiếp điểm kiểu miệng ống (hình11-14d).

Các công trình nghiên cứu về lí thuyết và về thực nghiệm chỉ ra rằng, ở các thiết bị như thế có thể dập tắt hồ quang một cách kết quả nhất với các điều kiện chủ yếu sau:

+ Tốc độ của luồng không khí nén tại biên độ dòng điện khi trong miệng ống có hồ quang tắt không được nhỏ hơn giới hạn cho phép.

+ Ở ngay cuối nửa chu kì của dòng điện hồ quang, trong khoảng thời gian tương đối ngắn tốc độ của luồng khí nén miệng ống phải đạt tới giá trị tới hạn, còn trị số áp suất trong vùng thân dư phải lớn nhất.

Với các điều kiện trên quá trình nứt vỡ thân dư do ion đã xảy ra mãnh liệt và sự phục hồi độ bền về điện của khoảng trống giữa các tiếp điểm có quan hệ với quá trình đó.

Hình 11-14: Các cách thổi dọc trong bình của máy ngắt không khía) Thổi một phía qua miệng ống kim loạib) Thổi một phía qua miệng ống cách điệnc) Thổi hai phía đối xứng qua tiếp điểm kiểu miệng ốngd) Thổi hai phía không đối xứng qua tiếp điểm kiểu miệng ống

b) Dập hồ quang có thổi không khí dọc với shun bằng điện trở nhỏ

Shun hồ quang bằng điện trở nhỏ (dập hồ quang) là một trong các phương thức tăng khả năng ngắt của máy ngắt. Các sơ đồ nguyên lí có tính điển hình về sun hồ quang bằng điện trở nhỏ nêu ở hình 11-15. Khi ngắt các tiếp điểm tách rời ra và ở trong buồng dập hồ quang xuất hiện hai dòng hồ quang 1 và 2, một trong những đoạn đó được nối shun bằng điện trở nhỏ RS. Ở cuối nửa chu kì hồ quang thứ nhất sẽ tắt và hồ quang thứ hai (điện trở shun mắc nối tiếp với đoạn 1) sẽ tắt ở nửa chu kì sau.

Nhờ shun đó, sau khi hồ quang tắt tốc độ phục hồi điện áp và biên độ của điện áp phục hồi ở khoảng trống thứ nhất giảm xuống rất nhiều. Mắc tiếp điện trở vào mạch của đoạn hồ quang thứ hai tạo ra điều kiện thuận lợi để dập tắt, nhưng do trị số dòng điện ngắt giảm rất nhiều và trị số điện áp phục hồi cũng giảm. Như vậy, trong các thiết bị như thế quá trình dập hồ quang thuận lợi hơn trong các thiết bị không được shun bằng điện trở nhỏ.

Khi trị số điện trở chọn đúng thì ở các máy ngắt công suất ngắt không phụ thuộc vào tần số dao động tự do của điện áp phục hồi. Với máy ngắt không khí đặc điểm này rất quan trọng, vì nhờ đó có thể tạo ra được những máy ngắt công suất ngắt rất lớn ở điện áp máy phát, mà khi các phương pháp không dùng shun điện trở nhỏ khó thực hiện được, vì tần số dao động tự do ở điện áp máy phát tương đối lớn.

Ta sẽ xét quá trình dập hồ quang trong buồng dập hồ quang của máy ngắt không khí có hai khoảng ngắt, một trong hai khoảng ngắt đó được shun bằng điện trở nhỏ. Các sơ đồ tính toán điện của hai giai đoạn dập hồ quang và đặc tuyến ở hình 11-15 và 11-16.

Giai đoạn dập hồ quang thứ nhất có các đẳng thức:

i = i hq + i S i S R S = U S = U hq } i = i hq + i S i S R S = U S = U hq } size 12{ left none matrix { i=i rSub { size 8{ ital "hq"} } +i rSub { size 8{S} } {} ## i rSub { size 8{S} } R rSub { size 8{S} } =U rSub { size 8{S} } =U rSub { size 8{ ital "hq"} } } right rbrace } {}

Uhq : điện áp trên thân hồ quang thứ nhất

Hình 11-15a) Sơ đồ để tính quá trình dập hồ quang trong buồng hồ quang có shun điện trở nhỏb) Các phương pháp shun hồ quang bằng điện trở nhỏ trong máy ngắt không khíUS : điện áp trên điện trở shun

ihq : dòng điện hồ quang

iS : dòng điện qua điện trở shun

RS: trị số điện trở shun

i : dòng điện của mạch ngắt.

Nếu lấy gần đúng theo đặc tuyến tĩnh của hồ quang, thì với trường hợp thổi dọc rất mạnh có điện áp trên thân hồ quang:

U hq = A i hq m l hq U hq = A i hq m l hq size 12{U rSub { size 8{ ital "hq"} } = { {A} over {i rSub { size 8{ ital "hq"} } rSup { size 8{m} } } } l rSub { size 8{ ital "hq"} } } {}

A =1400 : hệ số không đổi biểu thị cường độ làm lạnh thân hồ quang.

m :số mũ biểu thị phương pháp làm lạnh thân hồ quang. Trong trường hợp này có thể lấy m = 0,25.

lhq : chiều dài hồ quang, cm.

ihq : dòng điện hồ quang, A.

iS : dòng điện qua điện trở shun

RS : trị số điện trở sun, i: dòng điện của mạch ngắt.

Đặc tuyến V-A của hồ quang và đặc tuyến dập tắt hồ quang của shun ở hình 11-16. Ở gía trị i0=ihq0+iS0i0=ihq0+iS0 size 12{i rSub { size 8{0} } =i rSub { size 8{ ital "hq"0} } +i rSub { size 8{S0} } } {} xuất hiện điều kiện rơi tức thời của dòng điện hồ quang đến trị số không, do quá độ chuyển dòng điện đó vào shun. Điều đó tương ứng với thời điểm xác định theo phương trình:

i 0 = i hq 0 + i S0 = I m sin wt 0 i 0 = i hq 0 + i S0 = I m sin wt 0 size 12{i rSub { size 8{0} } =i rSub { size 8{ ital "hq"0} } +i rSub { size 8{S0} } =I rSub { size 8{m} } "sin"wt rSub { size 8{0} } } {}

Dập hồ quang của máy ngắt dầu được thực hiện bằng cách làm lạnh thân hồ quang trong luồng của môi trường khí (hỗn hợp khí hơi) do sự phân li và bốc hơi của dầu do chính hồ quang tạo ra.

So sánh với quá trình dập tắt hồ quang trong luồng không khí lạnh, trong trường hợp này các điều kiện trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh có đặc điểm:

- Trong thành phần hỗn hợp khí hơi chứa rất nhiều H2 (đến 90%) có tính dẫn nhiệt cao hơn so với không khí nhưng độ bền điện kém hơn.

- Luồng hỗn hợp khí ở vùng hồ quang cháy có nhiệt độ cao (800 ¸¸ size 12{¸} {} 25000K). Khi dòng điện hồ quang không lớn (thường tới 100A) thì điều kiện làm lạnh thân hồ quang khác nhau. Khi dòng điện lớn sự làm lạnh thân hồ quang xảy ra chủ yếu là do đối lưu cưỡng bức trong luồng hỗn hợp khí hơi ở áp suất lớn.

Dòng điện tăng cường độ làm lạnh đối lưu và trị số áp suất ở vùng dập hồ quang cũng tăng. Nhờ đó tạo ra được điều kiện rất tốt để phục hồi độ bền điện của khoảng trống giữa các tiếp điểm khi dòng điện qua trị số không.

Khi dòng điện nhỏ sự đối lưu và áp suất của khí ở vùng dập hồ quang sẽ giảm, như vậy điều kiện dập hồ quang xấu, thời gian hồ quang cháy sẽ tăng lên rõ rệt. Sự tăng áp suất trong vùng dập hồ quang do truyền dầu cưỡng bức dưới tác động của nguồn năng lượng cơ khí bên ngoài có thể cải tiến điều kiện dập hồ quang, thời gian hồ quang cháy sẽ giảm khi ngắt dòng điện nhỏ.

Trong tính toán gần đúng cho rằng các điều kiện dập tắt hồ quang đạt kết quả tốt nhất trong các thiết bị dập hồ quang của máy ngắt dầu là:

* Sự thổi của hỗn hợp khí hơi ở vùng hồ quang mãnh liệt (đặc biệt ở gần cuối nửa sóng dòng điện).

* Áp suất cao của hỗn hợp khí hơi ở vùng hồ quang vào cuối nửa chu kì của dòng điện.

* Khoảng cách nhỏ giữa bề mặt thân hồ quang và thành rãnh hình thành hồ quang bằng dầu xung quanh hay giữa bề mặt của chất cách điện cũng được tẩm dầu.

Do đó cần tạo được điều kiện thuận lợi nhất để làm bốc hơi mãnh liệt và hình thành các luồng hơi dầu bão hòa trực tiếp ở gần bề mặt thân hồ quang.

Một số hay tất cả các điều kiện kể trên trong các kết cấu về thiết bị dập hồ quang của máy ngắt dầu có mức độ khác nhau do cách chọn nguyên tắc tác động của thiết bị và hình dáng kết cấu kích thước của từng chi tiết. Theo nguyên tắc tác động thiết bị dập hồ quang của các máy ngắt dầu hiện đại có thể chia ra làm ba nhóm chính:

+ Thiết bị dập hồ quang thổi tự động. Điều kiện để dập tắt hồ quang của thiết bị này là: áp suất cao và tốc độ luồng khí ở vùng dập tắt hồ quang lớn - tạo nên do năng lượng tách ra từ hồ quang.

+ Thiết bị dập hồ quang thổi dầu cưỡng bức, ở thiết bị này nhờ bộ phận đặc biệt đẩy dầu đến khoảng ngắt.

+ Thiết bị dập hồ quang có bộ phận dập hồ quang bằng từ trong dầu. Dưới ảnh hưởng của từ trường ngang thân hồ quang chuyển dịch vào rãnh và khe hẹp tạo bởi các thành cách điện chứa đầy dầu, do đó tạo được điều kiện thuận lợi để dập hồ quang.

Do hiệu suất cao và tương đối đơn giản nên thiết bị dập hồ quang thổi tự động được áp dụng rộng rãi nhất.

Thiết bị của nhóm thứ hai ít được áp dụng vì khi ngắt dòng điện lớn thì thổi dầu cưỡng bức ít hiệu lực, kết cấu của buồng dập hồ quang và thiết bị bơm dầu rất phức tạp, cồng kềnh. Khi ngắt dòng điện bé thổi dầu cưỡng bức tác động tốt trong trường hợp riêng để dập tắt hồ quang chắc chắn hơn không cháy lặp lại khi ngắt dòng điện điện dung bé của đường dây. Thổi dầu cưỡng bức được áp dụng trong một số bình chứa thổi tự động như công cụ bổ sung. Thiết bị dập hồ quang có bộ phận dập bằng từ trường cũng không được áp dụng rộng rãi vì phương pháp này hiệu quả kém hơn phương pháp thổi tự động trong dầu.

Hình 11-17: Sơ đồ kết cấu của một số buồng dập hồ quang thổi tự động trong dầu1. Tiếp điểm cố định ; 2. Các chi tiết của buồng dập hồ quang3. Tiếp điểm di động; 4. Tiếp điểm trung gianChúng ta sẽ chỉ nghiên cứu các vấn đề kết cấu của các thiết bị dập hồ quang có thổi tự động trong dầu. Sơ đồ kết cấu của các thiết bị dập hồ quang hiện đại kiểu này ở hình 11-17 và 11-18.

Các thiết bị dập hồ quang có thổi tự động thường có dạng bình chứa cứng (hình 11-17) thân của nó được tạo thành bởi chi tiết nối cứng với nhau, hay là bình chứa đàn hồi (hình 11-18) được tạo thành bởi các chi tiết nối với nhau một cách đàn hồi nhờ các lò xo hay các miếng đệm đàn hồi.

Trong quá trình ngắt khi áp suất trong bình chứa tăng các chi tiết của bình chứa đàn hồi có thể bị ngăn cách tạo thành rãnh làm việc bổ sung trong vùng hồ quang cháy, nhờ đó tạo được các điều kiện thuận lợi hơn để dập tắt hồ quang.

Hình 11-18: Sơ đồ kết cấu của bình chứa đàn hồi có thổi tự động trong dầu1. Tiếp điểm cố định; 2. Bộ lò xo; 3. Chi tiết làm việc của bộ phận dập hồ quang; 4. Ống đệm5. Tiếp điểm di động; 6. Vòng đàn hồi

Tùy thuộc vào số lượng, vị trí tương hỗ của các tiếp điểm có trong bình chứa và vào trình tự lúc ngắt, buồng dập hồ quang có thể có nhiều phương án kết cấu khác nhau, thí dụ:

- Bình chứa có một khoảng ngắt chính của các tiếp điểm.

- Bình chứa có nhiều khoảng ngắt, có cùng điều kiện dập tắt hồ quang.

- Bình chứa có một khoảng ngắt chính và một khoảng ngắt phụ.

- Bình chứa có nhiều khoảng ngắt chính và nhiều khoảng ngắt phụ.

Khi trong bình chứa có khoảng ngắt phụ tạo được điều kiện phát sinh hơi ổn định trong vùng xác định của buồng dập hồ quang, một số trường hợp dập tắt hồ quang được đẩy mạnh ở khoảng ngắt chính.

Nhiều khoảng ngắt được áp dụng trong trường hợp điện áp làm việc rất cao và mục đích hạn chế của điện áp sinh ra trong lúc ngắt dòng điện cảm ứng nhỏ, một phần của các khoảng ngắt đó được nối shun bằng điện trở.

Với các điều kiện khác giống nhau khả năng dập hồ quang của các thiết bị đang xét ở mức độ cao được xác định bằng các kích thước, hình dạng và bố trí tương hỗ các rãnh làm việc của bình chứa.

Hướng của luồng khí dọc trục hay vuông góc với trục thân hồ quang tùy thuộc cách bố trí các rãnh. Trong các bình chứa hướng áp dụng các dạng thổi sau: thổi dọc (hình 11-17a, c), thổi ngang (hình 11-17e, b, g), thổi hỗn hợp (hình 11-17d) và thổi ngang ngược chiều (hình 11-17đ). Dựa vào điện áp định mức công suất ngắt so sánh kinh tế để chọn kiểu thổi. Một số bình chứa có thổi tự động có bổ sung thổi dầu cưỡng bức phải có thêm một bộ phận cơ khí.

Chúng ta sẽ qui định một số qui tắc ban đầu để tính toán các bình chứa có thổi tự động trong dầu. Trong trường hợp chung khi ngắt chu trình làm việc của bình chứa có thể chia ra làm ba giai đoạn chính.

Hình 11-19Sơ đồ các giai đoạn chính chu trình làm việc của thiết bị dập hồ quang thổi tự động trong dầua) Hồ quang cháy trong bong bóng khí hơi khép kínb) Hỗn hợp khí hơi cháy qua vùng dập hồ quangc) Để dầu vào bình chứa sau khi dập tắt hồ quangGiai đoạn thứ 1: sau khi các tiếp điểm tách rời nhau hồ quang cháy trong buồng khí (hình 11-19a). Trong giai đoạn này nhờ năng lượng tỏa ra từ hồ quang mà trữ lượng hỗn hợp khí hơi nén trong bình chứa tăng đến áp suất có thể dập tắt hồ quang ở các rãnh.

Giai đoạn thứ 2: (hình 11-19b) kể từ thời điểm hỗn hợp khí hơi bắt đầu chảy từ vùng bong bóng khí hơi qua các rãnh ra khỏi bình chứa. Giai đoạn này biểu hiện sự thay đổi áp suất khí trong bình chứa ở các rãnh và cường độ cháy của hỗn hợp. Giai đoạn này kết thúc bằng sự phục hồi độ bền điện của khoảng trống giữa các tiếp điểm, như vậy giai đoạn thứ hai là giai đoạn chủ yếu.

Giai đoạn thứ 3: (hình 11-19c) từ bình chứa khí nóng và hơi dầu dư được đẩy ra ngoài và dầu sạch được đổ vào bình chứa. Giai đoạn này chuẩn bị bình chứa cho lần ngắt tiếp sau. Trong các buồng dập hồ quang có A PP size 12{P} {}B giai đoạn này rất quan trọng.

Hai giai đoạn đầu có đặc điểm tổng hợp rất phức tạp về quá trình thủy động và nhiệt động liên quan lẫn nhau, khả năng dập hồ quang của thiết bị toàn bộ phụ thuộc vào hành trình của quá trình đó.

Trong các thiết bị dập hồ quang của máy ngắt tự sản khí dập tắt hồ quang ở trong luồng khí do vật liệu rắn sản khí ra dưới tác dụng của hồ quang.

Các thiết bị dập hồ quang gọi là dập tắt bằng từ là do dùng ảnh hưởng của từ trường ngang hồ quang tạo chuyển dịch và được làm lạnh theo nhiều kiểu khác nhau hay phản ion hóa. Trong các thiết bị có các kiểu dập hồ quang sau:

a) Phân chia hồ quang ra thành nhiều hồ quang ngắn, sau đó dập tắt ở các điện cực lạnh.

b) Do kết quả của sự kéo dài và chuyển dịch với tốc độ lớn trong không khí, thân hồ quang được làm lạnh một cách đối lưu ngang.

Hình 11-21: Sơ đồ dập tắt hồ quang trong bình kiểu rãnh1. Hồ quang điện; 2. Vùng kéo dài sơ bộ; 3. Vùng dập hồ quang

c) Làm lạnh thân hồ quang trong rãnh phẳng hẹp do các thành của bình chứa tạo nên, hồ quang bị đẩy qua đó bằng từ trường ngang. Như vậy, trong các thiết bị này từ trường ngang thường được tạo ra bằng dòng điện hồ quang là phương tiện nâng cao hiệu quả của phương pháp làm lạnh kiểu khác nhau trong không khí ở áp suất bình thường.

Ngày nay thường sử dụng các buồng dập hồ quang kiểu rãnh là kinh tế và hiệu quả hơn cả, cho nên sau này ta sẽ chỉ nghiên cứu cách tính và kết cấu các thiết bị như thế. Sơ đồ của buồng dập hồ quang kiểu rãnh ở hình 11-21.

Sau khi các tiếp điểm tách rời dưới ảnh hưởng của từ trường ngang (thường được tạo bằng dòng điện hồ quang) thân hồ quang nhanh chóng bị kéo dài và sau đó chuyển dịch vào vùng dập tắt, ở đấy các thành cách điện chịu nhiệt của bình chứa tạo thành rãnh hẹp. Khi đó, nếu chiều rộng của rãnh nhỏ hơn đường kính của thân hồ quang (d>) thì thân hồ quang bị biến dạng, tiết diện của nó thành hình chữ nhật bị kéo dài và diện tích tiếp xúc với bề mặt của các thành được tăng lên. Nhờ đó, giữa hồ quang và bề mặt của các thành tạo ra được sự tiếp xúc về nhiệt đảm bảo tản nhiệt tốt. Trong trường hợp này sự đối lưu và làm lạnh thân hồ quang bằng luồng không khí ngược chiều đóng vai trò không đáng kể.

Trong trường hợp đang xét, các tiết diện trong vùng thân hồ quang giảm là do sự tái hợp một cách mạnh mẽ trên bề mặt các thành lạnh.

Các công trình nghiên cứu đã chỉ ra, đối với phương pháp làm lạnh như vậy tỉ lệ giữa dòng điện hồ quang Ihq, građien điện áp trên thân hồ quang Ehq và đạo hàm của chúng theo thời gian có thể đặt trong dạng đặc tuyến V-A động.

Máy ngắt sử dụng khí SF6 (Sunfua hexaflo) làm môi trường cách điện và dập hồ quang đã vận hành có kết quả trên toàn thế giới từ hơn 25 năm qua.

Khí này đặc biệt thích hợp làm môi trường dập hồ quang do nó có độ bền điện môi và suất dẫn nhiệt cao.

Máy ngắt kiểu pittông được sử dụng cho các khả năng cắt cao, trong khi máy ngắt sử dụng kĩ thuật tự thổi được sử dụng cho khả năng cắt trung bình.

a) Nguyên lí pittông

Hình 11-22: Phương pháp tác động pít tông đưa ra 4 giai đoạn của quá trình mởa)Vị trí đóng; b) Hành trình mở bắt đầu; c) Các tiếp điểm hồ quang phân tách; d)Vị trí mở:1.Tiếp điểm một chiều tĩnh; 2.Tiếp điểm hồ quang tĩnh; 3.Tiếp điểm hồ quang động;4.Tiếp điểm một chiều động; 5.Xilanh nén; 6.Pittông nén; 7.Cần tác động; 8.Lỗ dập hồ quangHình 11-22 đưa ra bố trí và nguyên lí tác động của buồng dập hồ quang kiểu pittông. Bộ dập gồm tiếp điểm tĩnh và tiếp điểm động với xilanh thổi. Trong hành trình mở, thể tích của xilanh thổi giảm đi đều đặn và do đó áp suất khí trong buồng tăng cho đến khi tiếp điểm tĩnh và tiếp điểm động tách rời.

Hình 11-23: Kĩ thuật tự thổi với máy ngắt cao ápa)Vị trí đóng; b)Vị trí mở; c)Ngắt dòng điện nhỏ (nguyên lí pittông); d)Cắt dòng ngắn mạch(nguyên lí tự thổi): 1.Tiếp điểm dòng một chiều tĩnh, 2.Tiếp điểm hồ quang tĩnh, 3.Tiếp điểm hồ quang động, 4.Tiếp điểm dòng một chiều động, 5.Thể tích nén, 6.thể tích đốt nóng, 7.Cần tác động, 8. Lỗ dập hồ quangUd[kV]300250200150100500102030S[mm]12345Hình 11-25: Tính chất điện môi - điện áp với khoảng cách phóng điện1.Dầu biến áp; 2. Không khí 1bar; 3. Chân không;4.Khí SF6 1bar; 5. Khí SF6 5bar.inSự tách của các tiếp điểm gây nên hồ quang làm tăng áp suất của khí SF6 bên trong xi lanh. Khi áp suất đủ lớn để khí nén thoát ra và thổi hồ quang, giải phóng năng lượng của hồ quang và làm cho hồ quang bị dập tắt.

Hình dạng lỗ của cả hai tiếp điểm tạo nên đặc tính thổi và dập tắt tối ưu.

b) Phương pháp cắt tự thổi

Kĩ thuật tự thổi của ABB (xem hình 11-23) được thử nghiệm thành công nhiều năm trong máy ngắt khí SF6 trung áp, đã được dùng dưới dạng biến đổi cho máy ngắt cao áp vào năm 1935 và do vậy không cần cuộn nam châm quay hồ quang.

Hình 11-23 cho cách bố trí và nguyên lí hoạt động của buồng dập hồ quang tự thổi dùng cho điện áp tới 170kV và dòng 40kA.

P[bar]cbaSF6U[kV]654321050100150U[kV]1600400200020100IK[kA]80040608024Buồng dập hồ quang /cựcHình 11-24: Tính chất điện môi của các môi trường cách điện khác nhau. Cường độ đánh thủng U với khoảng cách điện cực 38mm theo Hình 11-26: Khả năng cắt của buồng dập hồ quangáp suất p: a)Dầu biến áp, b)Không khí nén, U-Điện áp định mức c)Đường không khí chuẩn ở áp suất khí quyển Ik-Dòng cắt ngắn mạch định mứcCũng giống như nguyên lí pittông, khi dòng điện nhỏ, áp suất đòi hỏi để thổi hồ quang được tạo nên trong hành trình mở bằng nén khí trong thể tích 5 (hình 11-23c). Khi xảy ra ngắn mạch, năng lượng của hồ quang do dòng điện lớn sinh ra đốt nóng và nâng áp suất khí trong thể tích 6 (hình 11-23d). Áp suất tăng này không đặt ra yêu cầu nào cho cơ cấu thao tác, kết quả là cơ cấu thao tác chỉ để có năng lượng cho hành trình đóng cắt dòng điện làm việc. So với nguyên lí pittông, phương pháp tự thổi chỉ đòi hỏi khoảng 20% năng lượng tác động đối với máy ngắt cùng tính năng kĩ thuật. Ưu điểm vận hành là cơ cấu truyền động chắc chắn, ứng suất cơ lên hệ thống nhỏ, tải động trên nền nhỏ hơn, mức ồn nhỏ hơn và nói chung độ tin cậy được nâng cao.

Tính chất điện môi nói chung của môi trường cách điện khí SF6, dầu biến áp (a), không khí nén (b) và áp không khí ở suất khí quyển (c) được minh họa trên hình 11-24. Cường độ điện môi ngoài của buồng dập hồ quang phụ thuộc vào áp suất của không khí xung quanh mà không phụ thuộc vào áp suất khí SF6 bên trong buồng. Cường độ điện môi bên trong buồng được xác định bằng áp suất khí SF6 và khoảng cách giữa các tiếp điểm. Biểu đồ nêu lên quan hệ cơ bản giữa cường độ bên trong và bên ngoài (đường cong SF6 đến đường cong c). Hình 11-26 cho khả năng đóng cắt thực tế của buồng dập hồ quang được sử dụng trong loạt máy ngắt SF6 ngoài trời.

Cơ cấu tác động lò xo là hệ thống cơ khí ở đó năng lượng được tích trong lò xo. Lò xo được nén bằng động cơ điện và được giải phóng bằng chốt.

Hình 11-27: Cơ cấu tác động lò xo(ABB)

Cơ cấu tác động máy ngắt gồm bộ trữ năng lượng, bộ điều khiển và bộ truyền năng lượng. Bộ trữ phải có khả năng cung cấp năng lượng tối thiểu đủ để thực hiện chu trình tự đóng lại.

Khi máy ngắt nhảy, nam châm nhả chốt, lực của lò xo được sử dụng để chuyển tiếp điểm ra khỏi bộ truyền lực cơ khí.

Hình 11-27 trình bày mặt trước và mặt bên của cơ cấu tác động lò xo các máy ngắt SF6 ngoài trời của ABB. Hình 11-28 là cơ cấu tác động lò xo trong máy ngắt của hãng AEG.

Cơ cấu khí nén sử dụng khí nén chứa trong thùng chứa đặt trực tiếp trên máy ngắt. Van hình xuyến cho phép khí nén qua xilanh tác động (khi đóng) hoặc tới áp suất khí quyển (khi cắt). Thùng chứa không khí được nạp đầy bằng máy nén.

Cơ cấu thủy lực có bình chứa nitơ để tích năng lượng cần thiết. Bộ đệm khí nitơ bị nén truyền áp lực lên dầu thủy lực. Năng lượng cần để tác động các tiếp điểm được truyền bằng pittông thủy lực.

Hệ thống làm việc theo nguyên lí pittông vi sai. Phía "MỞ" (thanh pittông) diện tích tiết diện của thanh pittông nhỏ hơn phía "ĐÓNG" (mặt pittông). Thanh pittông thường xuyên chịu áp suất. Mặt khác, phía bề mặt pittông chịu áp suất hệ thống khi đóng và khi mở.

Hệ thống được nạp lại bằng truyền động động cơ bơm thủy lực, nó truyền dầu từ khối áp suất thấp đến bộ chứa nitơ.

Hình 11-29: Mặt cắt cơ cấu tác động lò xo thủy lực dùng cho máy ngắt tự thổi SF61.Lò xo, 2.Pittông lò xo, 3.Xilanh tác động, 4.Cần pittông, 5. Điểm nối đo lường, 6. nối đổ dầu,7.Khối bơm, 8. Trục truyền động bơm, 9. Máy bơm

Cơ cấu lò xo thủy lực là phối hợp của hệ thống thủy lực và lò xo. Năng lượng được tích lũy trong lò xo và được kéo căng bằng thủy lực. Năng lượng được truyền bằng thủy lực, khi các tiếp điểm máy ngắt đóng hay mở bằng pittông vi sai, cơ cấu làm việc hoàn toàn như ở hệ thống thủy lực.

Cơ cấu lò xo thủy lực của ABB có nhiều kích cỡ. Tất cả được thiết kế sao cho không có ống nối ngoài. Mọi điểm làm kín áp suất động lớn bố trí giữa dầu áp suất cao và dầu áp suất thấp, như vậy dầu không có thể thoát ra ngoài khi có rò rỉ nhẹ. Mặt cắt cơ cấu lò xo thủy lực của máy ngắt tự thổi có thể xem hình 11-29.

Các máy ngắt cao áp hiện đại thường được trang bị bằng cơ cấu tác động lò xo thủy lực hoặc cơ cấu lò xo.

Bộ chỉ thị lệch pha dùng cho máy ngắt có tác động một cực. Nếu mạch "NHẢY" của cực máy ngắt bị hư hỏng, cực này không đáp ứng với lệnh "NHẢY" và ba cực máy ngắt ở các vị trí khác nhau. Hệ thống chỉ thị lệch pha phát hiện sai lệch này và sau khi đặt lại thời gian chờ đợi 2 giây, nó tác động thao tác "MỞ" của ba cực máy ngắt. Máy ngắt ba cực tự đóng lại không cần đến giám sát lệch pha, bởi vì ba cực có liên hệ về cơ khí và do vậy không có các vị trí khác nhau.

Điều khiển chống bơm đề phòng thao tác lặp lại không mong muốn của một hoặc nhiều máy ngắt nếu lệnh "MỞ" tiếp theo là lệnh "ĐÓNG" bị lặp lại. Do đó máy ngắt phải đóng không quá một lần sau đó bị khóa, nghĩa là nó cần nằm ở vị trí "MƠ"̉ bất chấp các lệnh điều khiển nào được áp dụng hoặc kéo dài bao lâu.

Tùy theo thiết kế hệ thống và thực hiện chu trình đóng cắt, máy bơm hoặc máy nén đòi hỏi một khoảng thời gian để khôi phục năng lượng đã mất. Nếu có rò trên hệ thống nén, động cơ khởi động lại hoặc chạy liên tục. Chạy không dừng được thể hiện như rối loạn và sẽ đưa ra tín hiệu.

Khả năng cắt của máy ngắt phụ thuộc vào mật độ khí trong buồng cắt và được đo bằng đồng hồ đo áp suất có bù nhiệt. Sẽ có báo động nếu mật độ khí giảm tới giá trị đặt trước và nếu như mật độ giảm tiếp đến giới hạn quy định tối thiểu thì máy ngắt sẽ bị khóa lại.

Cho phép công việc được tiến hành trên máy ngắt, thường có thể được điều khiển tại chỗ ở tủ điện, cũng có thể chuyển từ điều khiển từ xa sang điều khiển tại chỗ bằng công tắc chọn.

Với các cơ cấu tác động bằng khí nén và thủy lực, áp suất không khí hoặc dầu được chỉ thị và điều khiển bằng công tắc áp suất nhiều cực. Nó thực hiện các chức năng sau đây:

- Điều khiển máy nén hoặc động cơ bơm.

- Khoá liên động "MƠ"̉, khóa liên động "ĐÓNG", khóa liên động "TỰ ĐÓNG LẠI" tùy theo áp suất có trong hệ thống.

Cơ cấu lò xo thủy lực không đòi hỏi điều khiển áp suất. Thay vào đó là các bộ chỉ thị hệ thống cửa và điều khiển ứng suất lò xo (hành trình lò xo) được xem như là năng lượng để tác động.

Bộ tự đóng lại một cực hoặc ba cực được chọn tùy theo kiểu nối đất hệ thống, phạm vi của lưới liên lạc, chiều dài đường dây và đầu nguồn cung cấp từ các nhà máy điện lớn.

Các lệnh nhảy từ hệ thống bảo vệ lưới (quá dòng điện và bảo vệ đường dây) được đánh giá một cách khác nhau đối với các máy ngắt tương ứng.

Trong các máy ngắt có tự đóng lại một pha, mỗi cực có cơ cấu tác động được điều khiển riêng rẽ, do vậy bất cứ cực nào cũng có thể được nhảy một cách độc lập. Tuy nhiên, cả ba cực được đóng đồng thời và hệ thống năng lượng phụ dùng cho ba cực được cung cấp từ một nguồn duy nhất. Khoảng sự cố quá độ có thể được giới hạn về thời gian và địa điểm mà không làm ảnh hưởng đến các bộ phận lớn hơn của hệ thống. Sự nhảy một pha cải thiện mức ổn định của hệ thống lưới vẫn duy trì đồng bộ. Ba cực của các máy ngắt một pha tự đóng lại có thể được điều khiển sao cho chúng có thể mở hoặc đóng đồng thời.

Các máy ngắt ba pha tự đóng lại có trụ tác động duy nhất cho cả ba cực. Ba cực được liên hệ cơ khí với nhau và với cơ cấu thao tác. Do vậy chỉ có thể được đóng hoặc mở đồng thời. Trong các lưới ổn định (nơi sự mất đồng bộ ít xảy ra), các máy ngắt ba pha tự đóng lại rút ngắn thời gian ngừng có thể.

a) Cấu tạo (hình 11-30)

Thùng dầu chứa dầu biến áp, với điện áp 10kV thì ba pha được đặt trong một thùng còn 35kV trở lên mỗi pha trong một thùng riêng, thùng cấu tạo bằng thép, mặt trong lót cách điện 4 để ngăn hồ quang 5 lan ra vỏ. Khi ba pha đặt trong một thùng thì giữa các pha có tấm cách điện để tăng khả năng cách điện các pha và ngăn hồ quang các pha không tràn sang nhau.

Để an toàn, nắp và thùng thường nối đất, nắp thùng bằng gang đúc không từ tính với điện áp 35kV trở lại, 110kV trở lên làm bằng thép. Sứ xuyên đặt nghiêng để tăng khoảng cách hai phần mang điện trong không khí.

Hình 11-30: Máy ngắt nhiều dầuHình 1.2: Máy ngắt BM 612435 Với điện áp 10kV trở lại sứ xuyên bằng vật liệu sứ với điện áp 35kV sứ xuyên dọc chiều dài thanh dẫn còn lót cách điện ba kê lit còn với 110kV trong sứ có dầu cách điện.

Lõi sứ xuyên chính là thanh tiếp xúc cố định 2, đầu tiếp xúc động 1 gắn với bộ truyền động, máy ngắt đóng/ cắt nhờ lò xo 6 và trục truyền.

b) Nguyên lí

Khi đóng tác động vào trục truyền kéo đầu tiếp xúc di động lên lò xo 6 bị nén khi máy ngắt đóng, quá trình cắt được thực hiện bằng tay hay tự động. Khi chốt thả lỏng dưới tác dụng của lực nén lò xo 6, đầu tiếp xúc 1 nhanh chóng hạ xuống khi hồ quang xuất hiện bọt khí và hơi dầu áp suất cao dập tắt.

c) Đặc điểm

Vít giữ nắp vào thùng, với máy ngắt dầu yêu cầu lưu ý mức dầu, nếu dầu thấp quá khí bay lên khoảng trên do chưa làm mát đủ có thể gây nổ, nhưng dầu quá cao áp lực lớn cũng gây nổ, thích hợp là khoảng trống (20 ¸¸ size 12{¸} {} 30)% thể tích thùng.

Máy ngắt nhiều dầu  35kV đặt máy biến dòng trong sứ xuyên mà dây sơ cấp chính là thanh dẫn trong sứ, cách điện sơ- thứ là sứ xuyên.

Máy ngắt nhiều dầu ở trên có nhược là kích thước to nên chỉ dùng ở điện áp 10kV, để khắc phục nhược này tại chỗ cắt bố trí thêm buồng dập hồ quang ngăn thành ngăn mỗi ngăn có một chỗ cắt. Thời gian cắt vẫn dài (0,150,2)0s, máy ngắt nhiều dầu có buồng dập hồ quang có thể chế tạo tới điện áp (35220)kV.

Liên xô (cũ) chế tạo loại không buồng dập nhiều dầu BM, BM, BC loại có buồng MK ∏∏ size 12{ Prod {} } {}.

4123

Cấu tạo - Nguyên lí (hình 11-31).

Hình 11-31: Cấu trúc máy ngắt ít dầu1.đầu tiếp xúc;2.buồng dập hồ quang;3.đầu tiếp xúc cố định;4.đầu tiếp xúc làm việcDầu chỉ làm việc dập hồ quang nên số lượng ít, loại này gọn, nhẹ, nhất thiết phải có buồng dập thổi ngang.

Thân máy kiểu treo gắn trên sứ cách điện cả ba pha trên cùng một khung đỡ, mỗi pha (cực) có một chỗ cắt với buồng dập tắt hồ quang riêng.

Có loại có thêm đầu tiếp xúc làm việc ở ngoài dùng cho máy có dòng định mức lớn.

Với máy ngắt ít dầu từ 35kV tới 110kV có một chỗ cắt trên một pha, máy ngắt điện áp cao hơn có nhiều chỗ ngắt hơn.

Liên xô cũ chế tạo BM-133; BM-10. Máy BM ∏∏ size 12{ Prod {} } {}-10kV; BM ∏∏ size 12{ Prod {} } {}∏∏ size 12{ Prod {} } {}, BM ∏∏ size 12{ Prod {} } {} có dòng đến 3200A/10 dòng cắt tới 31,2kA. Thời gian dập hồ quang (0,015  0,025)s, tương ứng có loại M, M cải tiến thành BM20-90/11200 dùng cho máy phát điện có dòng tới Iđm=11200A.

Máy ngắt ít dầu thường dùng cho TBPP trong nhà có điện áp 6, 10, 20, 35 đến 110kV. TBPP ngoài trời 35, 110, 220kV có công suất lớn.

Trong loại này hồ quang được dập tắt nhờ khí thổi của không khí được nén ở áp suất từ (8 20)at, cách điện bằng sứ hoặc vật liệu rắn.

Cấu trúc loại máy ngắt không khí rất khác nhau tùy điện áp định mức và khoảng cách các đầu tiếp xúc vào vị trí cắt và cách truyền không khí nén vào buồng dập hồ quang ví dụ hình 11-32.

Với máy ngắt không khí dòng định mức lớn có 2 phần:

+ mạch chính (dao cách li)

+ mạch dập hồ quang (buồng dập, điện trở shun)

Khí nén 200 N/cm2có thời gian dập 0,01s và toàn bộ thời gian tác động khoảng 0,17s.

Đặc điểm việc đóng cắt nhờ khí nén, máy ngắt hình 11-32 không tự đóng lại được, thường dùng cho máy phát điện công suất lớn.

Với TBPP ngoài trời loại máy ngắt không khí có buồng dập hồ quang từ 110kV có 2 hoặc nhiều chỗ cắt (220kV có 5 chỗ cắt, 330kV có 8 chỗ cắt, 500kV có 9 chỗ cắt). Máy 220kV trở lên còn thêm bộ phân áp bằng tụ và điện trở nhằm cân bằng áp giữa các đầu tiếp xúc của bộ cách li khi máy ngắt cắt.

Hình 11-32: Cấu trúc máy ngắt không khí1.bình chứa khí; 2.buồng dập hồ quang; 3.điện trở shun;4.đầu tiếp xúc chính; 5.bộ cách li; 6.bộ phân áp bằng tụCác yếu tố ảnh hưởng đến quá trình dập hồ quang gồm: trị số áp suất, tốc độ chảy khí nén, tần số riêng của lưới, khoảng cách giữa các tiếp điểm, diện tích lỗ thải khí cũng như hướng tác động của luồng khí nén vào thân hồ quang.

+ Đặc điểm: trên bình khí nén đặt tủ điều khiển gồm các van đóng mở khí nén, các nam châm điều khiển, các bộ tiếp điểm truyền động bằng khí nén, các hộp đấu nối mạch nhị thứ, các tín hiệu chỉ vị trí đóng mở, áp kế khí nén, công tơ đếm số lần đóng cắt,... Mỗi pha có bộ truyền động riêng nên máy ngắt không khí có thể đóng lại theo từng pha.

Các đầu tiếp xúc có thể đặt ngoài bình khí nén (lúc muốn đóng lại máy ngắt phải tháo khí bằng van để áp suất bình giảm còn khoảng 100N/cm2 lò xo mới đóng được) loại đặt trong bình khí nén thì tốc độ dập hồ quang nhanh hơn loại này chỗ cắt tùy thuộc Uđm (110kV - 1chỗ, 220kV - 2 chỗ, 330kV - 4 chỗ, 500kV - 6 chỗ, 750kV - 8 chỗ cắt).

Để phân bố điện áp trên các chỗ ngắt thì đều dùng bộ phân áp điện dung và điện trở. Loại BB - Uđm = 750kV thời gian cắt (0,02  0,025)s.

So với máy ngắt dầu máy ngắt không khí ưu điểm an toàn về nổ, cháy, tác động nhanh và có thể tự đóng lại, khả năng cắt lớn, độ mòn tiếp xúc ít dùng cả cho thiết bị ngoài trời và trong nhà. Tuy vậy đòi hỏi trạm khí nén, ống dẫn khí và cấu tạo các chi tiết phức tạp hơn.

Đặc điểm: hồ quang được dập tắt bằng khí do vật liệu rắn tự sinh khí dưới tác dụng nhiệt độ cao của hồ quang còn cách điện cũng là vật liệu rắn hình 11-33 máy ngắt BH10 gọi là máy ngắt phụ tải.

Có hai tiếp xúc, tiếp xúc chính không nằm trong buồng dập hồ quang sẽ mở trước, tiếp xúc hồ quang mở sau (có cố định và di động) nằm trong buồng dập hồ quang, lúc hồ quang xuất hiện vật liệu sinh khí dưới tác dụng nhiệt độ cao bị đốt cháy sinh khí tạo áp suất lớn để dập hồ quang. Điều khiển máy ngắt bằng tay hoặc truyền động điện từ.

Loại máy ngắt phụ tải thường dùng cho mạng cung cấp xí nghiệp hoặc thành phố.

a) b)Hình 11-33: Máy ngắt phụ tải kiểu BH-10: a) hình dạng chung;b) buồng dập hồ quang

Chế tạo với điện áp 6 tới 10kV dòng Iđm = 3200A dòng cắt tới 40kA. Không cần dầu hay khí nén để dập hồ quang, các tiếp xúc chính và dập hồ quang đều nằm trong không khí, khi mở thì tiếp xúc hồ quang mở sau, hồ quang xuất hiện dưới tác dụng lực điện động hồ quang bị kéo vào khe dập, hồ quang làm đóng cuộn dây từ trường, từ trường tạo thành càng đẩy nhanh hồ quang (tới 30m/s) vào trong buồng dập để dập tắt sau khoảng (0,01  0,02)s.

Máy ngắt điện từ ưu điểm là an toàn về nổ cháy, hao mòn tiếp xúc it thuận lợi cho đóng mở thường xuyên. Nhược điểm là cấu tạo phức tạp chỉ chế tạo tới điện áp 15 tới 20kV, ít dùng ngoài trời.

Do đặc điểm độ bền điện của chân không (áp suất 10-5  10-6 mmHg), cao hơn nhiều không khí thường, nên người ta dùng máy ngắt chân không.

Nguyên lí

Khi mở tiếp xúc, diện tích tiếp xúc giảm nhanh kim loại bị nóng chảy thành cầu nối, sau thời gian ngắn cầu nối kim loại hóa hơi ở giữa hồ quang, trong chân không các phân tử bị khuếch tán vào nhanh. Để giảm mức hóa hơi các tiếp xúc làm bằng kim loại khó nóng chảy.

Hình 11-34 cơ cấu buồng dập hồ quang cho phép điện áp 10kV thì đóng mở ở dòng 600A là 500 lần, với dòng 200A tới 30000 lần.

Loại này có nhược điểm dòng cắt không lớn, thường dùng cho các lò hồ quang. Hình 11-23 là mặt cắt của buồng đóng cắt chân không 12kV, 1250 A, dòng cắt 25kA.

a) Khái niệm chung

Khí SF6 có khả năng dập tắt hồ quang rất cao nên được dùng để dập hồ quang trong máy ngắt khí. Trong loại máy ngắt này hồ quang được dịch chuyển trong khí SF6 khi máy ngắt mở. Trên các tiếp xúc cố định và di động gắn các nam châm tạo từ trường có hướng ngược nhau để làm dịch chuyển hồ quang thành hình xuyến trong SF6. Buồng dập làm bằng sứ chứa khí SF6.

Các máy 135, 110kV có một buồng dập trên một pha, 220kV có hai buồng dập trên một pha. Đặc biệt chế tạo máy ngắt nhiều hướng để thay cho nhiều máy ngắt một hướng. Trên máy ngắt có gắn áp kế chỉ áp suất SF6, hiện nay loại này chế tạo tới điện áp 750kV, công suất cắt Scđm tới (40000  50000)MVA. Tuy nhiên, chúng có nhược điểm là phải có thiết bị làm sạch khí SF6 nên giá thành còn cao. Máy ngắt khí cách điện SF6 được sử dụng từ khoảng năm 1969. Khoảng điện áp định mức từ 7,2 đến 800 kV, dòng điện cắt tới 63kA, trong trường hợp đặc biệt tới 80 kA.

Các ưu điểm của máy ngắt khí SF6 là: chắc chắn, trọng lượng thấp, độ tin cậy cao, an toàn chống điện áp tiếp xúc, bảo dưỡng dễ dàng và tuổi thọ cao. Thời gian lắp đặt tại chỗ ngắn vì sử dụng cấu kiện lắp sẵn và thử nghiệm tại nhà máy từng tổ lớn hoặc các gian hoàn chỉnh. Thiết bị GIS thường có cấu trúc môđun. Tất cả các bộ phận như thanh góp, dao cách li, máy ngắt, máy biến áp đo lường, đầu nối cáp đều nằm trong vỏ kín nối đất và chứa đầy khí SF6 .

Điện áp dưới 170 kV thì ba pha của máy ngắt thường có vỏ chung, khi có điện áp cao hơn các pha được tách riêng. Dưới điện áp 72,5 kV môi trường cách điện khí SF6 có thể được sử dụng ở áp suất thường. Khi ở điện áp cao hơn, áp suất khí làm việc từ 3,5 đến 4,5 bar, trong một số trường hợp tới 6 bar. Máy có điện áp nhỏ hơn 72,5 kV do áp suất khí thấp nên vỏ có thể làm bằng thép lá hàn kín. Máy ngắt điện áp cao hơn dùng vỏ bằng nhôm đúc không sắt từ, chống rỉ và chịu ăn mòn.

b) Môi trường khí SF6

Hình 11-36: Biểu đồ áp suất/ nhiệt độ của khí SF6 sạchP[bar]SF6[g/l]t[độ]020 40 60-60 -40 -20 10203040506012345678910Khí SF6 được sử dụng vừa làm môi trường cách điện vừa làm môi trường dập hồ quang. SF6 được sử dụng làm chất cách điện trong tất cả các bộ phận thiết bị và trong máy ngắt. Dùng để dập hồ quang vì do khí SF6 là khí mang điện tử âm, có độ bền điện môi ở áp suất khí quyển gấp khoảng ba lần không khí. SF6 là loại khí không độc, không mùi, trơ về hóa và có tính chất dập hồ quang tốt hơn không khí từ 3 đến 4 lần khi ở cùng một áp suất. Khí SF6 hiện nay không nằm trong danh mục các chất nguy hiểm. Bảo quản và sử dụng khí SF6 phải tuân theo các quy định (như theo IEC 376). Áp suất khí dập hồ quang từ 6 đến 7 bar. Quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ của khí SF6 sạch cho trên hình 11-36. Áp suất khí được theo dõi trong buồng kín riêng và cả trong buồng máy ngắt. Cần tính đến tổn thất khí (dưới 1 trong một năm). Không cần đặt các thiết bị tự động đóng. Khi hồ quang xuất hiện sẽ làm phân giải một lượng nhỏ khí SF6, nhưng sau đó nó lại được kết hợp gần như hoàn toàn thành lại SF6. Các sản phẩm phân giải phản ứng với nước trong khí ẩm được kiểm soát bằng các bộ lọc khô đặt trong máy ngắt. Trước khi bơm khí SF6 cần làm thoát hàm lượng ẩm ban đầu.

c) Máy ngắt SF6 dùng cho điện áp 52 đến 72,5 kV

Loại này các ngăn thanh góp máy ngắt và buồng nhánh được phân cách với nhau và kín khí. Áp suất khí cách điện là 1 bar, khi nạp khí tạo nên áp suất dương 0,2 bar. Ngăn truyền động và điều khiển chứa không khí ở áp suất thường. Ở đây đặt cơ cấu vận hành điều khiển điện và hệ thống theo dõi khí cho tất cả các ngăn có chứa khí của gian. Cửa trước có sơ đồ nhánh và các nút ấn có điều khiển cần thiết. Không đòi hỏi các tủ có điều khiển riêng. Các dao cách li điều khiển bằng động cơ là loại quay ba vị trí. Máy ngắt có cơ cấu thao tác lò xo tích năng lượng và làm việc theo nguyên lí tự thổi. Các ngăn khí dập hồ quang của máy ngắt ba cực được nối liên động và phân cách với ngăn khí cách điện. Áp suất định mức 6 bar được theo dõi bằng rơle tỉ trọng. Các máy biến dòng là máy kiểu trụ đỡ đổ nhựa có hai đến bốn lõi.

Các máy biến điện áp cảm ứng cũng đổ nhựa êpôxy, thường có dây quấn đo lường ở phía thứ cấp, dây quấn tam giác hở dùng cho bảo vệ sự cố chạm đất. Để thử nghiệm cáp bằng điện áp một chiều, phía sơ cấp của máy biến điện áp được ngắt từ bên ngoài. Bộ nối ngoài có thể phù hợp với cáp dầu hoặc cáp XLPE, các ống thanh góp dẫn SF6 cùng nối ra ngoài và các thanh góp có cách điện bằng chất rắn. Các kích thước nhỏ cho phép lắp ráp sẵn ( hãng ABB có máy ngắt loại ENK - 2 có thể đáp ứng cấu hình cho loại trạm bất kì.

d) Máy ngắt SF6 dùng ở điện áp 72,5 đến 800 kV

Máy ngắt SF6 kiểu ELK của ABB, dùng cho điện áp từ 72,5 cho đến 800 kV. ABB sử dụng năm kích thước theo môđun có cùng thiết kế cơ sở. Cấu trúc theo môđun có ưu điểm là sản xuất được số lượng lớn, các cấu kiện tiêu chuẩn, bảo quản dự phòng đơn giản và tính năng đồng nhất. Bằng cách phối hợp các cấu kiện môđun kích thước khác nhau có thể tập hợp lại thành các thiết bị đóng cắt cho các cấu hình mạch cơ bản. Do vậy chúng có thể đáp ứng yêu cầu của mọi sơ đồ. Như chỉ dẫn chung, điểm đặt cho thiết bị hoàn toàn kín phải tuân theo các yêu cầu của DIN VDE 0101 dùng cho các trạm máy ngắt trong nhà. Gian xưởng cấu trúc gọn nhẹ, có một số thiết bị bảo vệ chống các sự cố bên ngoài. Máy ngắt SF6 cũng có thể đặt ngoài trời.

Các linh kiện

Các thanh góp được phân cách bằng sứ cách điện ở mỗi gian và tạo nên một bộ gồm các dao cách li thanh góp và cầu dao nối đất. Máy ngắt hoạt động theo nguyên lí tự thổi hay nén. Máy ngắt có từ một đến bốn chỗ ngắt trong một cực, phụ thuộc vào kích thước modul. Trong khi thao tác mở, pittông của mỗi buồng dập hồ quang phát khí SF6 có áp suất cần thiết để dập hồ quang. Cơ cấu lò xo thủy lực tác động lên một hoặc cả ba cực. Trong máy ngắt dùng nguyên lí nén, cơ năng của cơ cấu tác động được sử dụng để phát sinh dòng khí. Trái lại, máy ngắt tự động thổi sử dụng nhiệt năng của bản thân hồ quang, nó tiết kiệm tới 80% năng lượng tác động đòi hỏi. Cầu dao phụ tải được sử dụng trong các trạm phân phối nhỏ hơn.

Hình 11-37: Mặt cắt gian máy ngắt SF6 điện áp 420 đến 500kV của ABB1.thanh góp;2.dao cách li thanh góp;3.máy ngắt;4.dao cách li đường dây cung cấp;5.máy biến dòng;6.máy biến điện áp;7.ống nối ngoài;8.cầu dao nối đất bảo dưỡng;9.cầu dao nối đất tốc độ cao Chúng có khả năng cắt dòng điện tải, cắt và đóng máy biến áp cũng như cắt đường dây và cáp không tải.

Chúng có khả năng đóng dòng điện ngắn mạch và dẫn dòng điện ngắn mạch trong thời gian ngắn. Chúng cũng làm việc theo nguyên lí thổi áp lực và có cơ cấu tác động lò xo truyền động bằng động cơ. Các máy biến dòng dùng để đo lường và bảo vệ là kiểu lõi hình xuyến, có thể bố trí trước hoặc sau máy ngắt tùy theo quan niệm bảo vệ. Cách điện sơ cấp do khí SF6 đảm nhiệm. Các máy biến điện áp đo lường và bảo vệ có thể được nối ở phía thứ cấp, hai dây quấn đo và dây quấn nối tam giác hở để phát hiện sự cố chạm đất.

Các máy biến điện áp cảm ứng đặt trong vỏ chứa khí SF6 cũng sử dụng máy biến điện áp cách điện lá với SF6 làm chất cách điện chính. Cũng có thể sử dụng các máy biến điện áp điện dung, thường đối với điện áp trên 300 kV. Tụ điện cao áp loại cách điện dầu và chứa khí SF6 trong vỏ. Các tụ hạ áp và các thiết bị hòa hợp điện cảm được đặt trong tủ riêng có vỏ nối đất. Cũng cho phép các đầu điện dung phối hợp với các bộ khếch đại đo lường điện tử. Hộp đầu cáp có thể thích hợp với mọi loại cáp cao áp có tiết diện đến 2000 mm2. Các tiếp điểm cách li và phương tiện nối được sử dụng để thử nghiệm cáp ở điện áp một chiều.

Nếu là dao cách li nhánh phải mở đủ rộng trong quá trình thử nghiệm. Cầu dao nối đất tốc độ cao có khả năng đóng dòng ngắn mạch hoàn toàn. Đạt được tốc độ đóng cao nhờ cơ cấu tác động lò xo truyền động bằng động cơ, có thể thao tác bằng tay. Cầu dao nối đất bảo dưỡng (đáp ứng yêu cầu có thể có trong quá trình sản xuất) thường được đặt trước hoặc sau máy ngắt. Bình thường chúng được lắp trên vỏ cách điện và được thao tác bằng tay hoặc chỉ bằng động cơ khi phía cao áp không có điện. Có thể bỏ cầu dao nối đất bảo dưỡng sau máy ngắt, nếu đã có cầu dao nối đất tốc độ cao ở phía đường dây. Ống nối SF6 ngoài trời cho phép máy ngắt kiểu vỏ kín được nối tới đường dây trên không hoặc các đầu cuối của máy biến áp.

Ống nối đầu SF 6 của máy biến điện áp được nối trực tiếp với máy ngắt không qua ghép nối ngoài trời. Ống nối được bắt bulông trực tiếp vào thùng máy biến áp.

Hình 11-38: Máy ngắt của hãng E.I.BLoại điện áp tới 52kV, dòng cắt 12,5 kACác ống mềm phải chịu dãn nở nhiệt và dung sai lắp đặt. Mỗi gian có tủ điều khiển chứa tất cả thiết bị cần thiết cho điều khiển, tín hiệu hóa, giám sát và cấp nguồn tự dùng (bố trí gian máy ngắt xem hình 11 -37). Loại vỏ nhôm kín khí có trọng lượng thấp và chỉ yêu cầu nền móng nhẹ.

Vỏ bọc quanh phần có điện dựa trên cách điện nhựa và được cách điện với vỏ bằng khí SF6 có áp suất 3,5 đến 4,5 bar.

Rào cách điện chia gian thành các ngăn khí được hàn kín với nhau.

Điều đó làm giảm tối thiểu các ảnh hưởng của các linh kiện khác(ví dụ khi mở rộng trạm hoặc trong trường hợp sự cố), như vậy làm đơn giản việc kiểm tra và bảo dưỡng. Mặt bích nối có vòng đệm không lão hóa. Lượng khí rò chỉ có thể thoát ra ngoài mà không nằm ở giữa các ngăn.

Máy ngắt hình 11-37 trên có 3 buồng dập hồ quang trên một pha. Phụ thuộc vào khả năng cắt, một cực có thể có đến 4 buồng dập nối tiếp nhau. Các máy ngắt có thể làm việc với dòng điện cắt đến 63 kA.

Trong các nhánh nơi chỉ phải cắt dòng điện tải, có điện áp định mức 362 kV, có thể sử dụng cầu dao phụ tải thay cho máy ngắt vì lí do kinh tế. Mỗi bộ cầu dao có cơ cấu thao tác dễ dàng, vận hành bằng tay trong trường hợp khẩn cấp (bố trí ngoài vỏ).

e) Giới thiệu máy ngắt của các hãng AEG và E.I.B

Hình 11-40 là sơ đồ các quá trình tác động cắt của máy ngắt khí SF6 kiểu pitông do AEG sản xuất, hình 11-38 một loại máy ngắt của E.I.B.

Hình 11-39 là sơ đồ mặt cắt máy ngắt AR 12 của ABB.

Hình 11-39. Máy ngắt AR 12(sơ đồ cắt dọc một cực)1.trụ đỡ cách điện2.bộ lọc3.vòng tiếp xúc4.xy lanh dẫn điện chính5.ống tiếp xúc cố định6.vỏ bao quanh7.mũi cách li8.ống tiếp xúc di chuyển9.xilanh nén10-píttông cố định11.thanh truyền động12.đồng hồ áp kế13.các bulông chống14.tấm lót15.bảng nối điện16.xy lanh dẫn động17.hộp van18.thùng khí nén19.ổ cắm nối điện20-công tắc bổ trợ(phụ)21.kết cấu phía dưới

Hình 11-40: Sơ đồ quá trình cắt tiếp điểm máy ngắt kiểu píttông của ABBa)Vị trí píttông đóng, b) Cắt dòng điện ngắn mạch, c)Cắt các dòng điện nhỏ, d)Píttông mở1.tiếp điểm hồ quang;2.mũi cách li;3.tiếp điểm làm việc;4.tiếp điểm hồ quang;5.tiếp điểm làm việc;6.buồng áp suất lớn;7.tiếp điểm làm việc;8.van;9.xilanh nén áp lực lớn; 10.xilanh ; 11.van