Chọn và Đặt Cầu Chì: Hướng dẫn Hoàn chỉnh từ Các Tham số Cơ bản đến Bảo vệ Tính chọn lọc

Phân loại aptomat

(1) Aptomat không khí (ACB)
Aptomat không khí, còn được gọi là aptomat khung đúc hoặc aptomat đa năng, chứa tất cả các thành phần bên trong một khung kim loại cách điện. Thông thường nó có kiểu mở, cho phép lắp đặt các phụ kiện khác nhau và dễ dàng thay thế tiếp điểm và các bộ phận. Nó thường được sử dụng làm công tắc nguồn chính. Các đơn vị ngắt quá dòng bao gồm loại điện từ, điện tử và thông minh. Aptomat cung cấp bốn giai đoạn bảo vệ: trì hoãn dài hạn, trì hoãn ngắn hạn, tức thì và bảo vệ sự cố đất. Mỗi cài đặt bảo vệ có thể điều chỉnh trong phạm vi dựa trên kích thước khung.

Aptomat không khí phù hợp cho mạng phân phối với tần số 50Hz, điện áp định mức 380V hoặc 660V, và dòng điện định mức từ 200A đến 6300A. Chúng chủ yếu được sử dụng để phân phối năng lượng điện và bảo vệ mạch điện và thiết bị điện khỏi quá tải, hạ áp, ngắn mạch, chạm đất một pha và các lỗi khác. Những aptomat này cung cấp nhiều chức năng bảo vệ thông minh và cho phép bảo vệ chọn lọc. Trong điều kiện bình thường, chúng có thể được sử dụng để đóng cắt mạch ít lần. ACB có định mức lên đến 1250A có thể được sử dụng trong mạng 50Hz, 380V để bảo vệ động cơ khỏi quá tải và ngắn mạch.

Aptomat không khí cũng thường được sử dụng như công tắc chính ở phía 400V của biến áp, công tắc liên kết bus, công tắc cấp điện lớn và công tắc kiểm soát động cơ lớn.

(2) Aptomat vỏ nhựa (MCCB)
Còn được gọi là aptomat cắm, aptomat vỏ nhựa chứa các đầu nối, tiếp điểm, buồng dập hồ quang, đơn vị ngắt và cơ cấu hoạt động bên trong một vỏ nhựa. Các tiếp điểm phụ, đơn vị ngắt hạ áp và đơn vị ngắt song song thường là mô-đun. Cấu trúc nhỏ gọn và thường không cần bảo dưỡng. Phù hợp cho bảo vệ mạch nhánh. Aptomat vỏ nhựa thường bao gồm đơn vị ngắt nhiệt-magnetic, trong khi các mẫu lớn hơn có thể được trang bị cảm biến ngắt rắn.

Đơn vị ngắt quá dòng cho MCCB có sẵn ở dạng điện từ và điện tử. Thông thường, MCCB điện từ không chọn lọc và chỉ cung cấp bảo vệ trì hoãn dài hạn và tức thì. MCCB điện tử cung cấp bốn chức năng bảo vệ: trì hoãn dài hạn, trì hoãn ngắn hạn, tức thì và bảo vệ sự cố đất. Một số MCCB điện tử mới được giới thiệu cũng có tính năng khóa chọn lọc vùng.

Aptomat vỏ nhựa thường được sử dụng để kiểm soát và bảo vệ mạch cấp điện, công tắc chính ở phía hạ áp của biến áp phân phối nhỏ, kiểm soát phân phối điện cuối cùng và làm công tắc nguồn cho các máy móc sản xuất khác nhau.

(3) Aptomat nhỏ (MCB)
Aptomat nhỏ là thiết bị bảo vệ cuối cùng được sử dụng rộng rãi nhất trong hệ thống phân phối điện cuối cùng của tòa nhà. Nó được sử dụng để bảo vệ chống lại ngắn mạch, quá tải và quá áp trong các mạch một pha và ba pha lên đến 125A, và có các cấu hình một cực (1P), hai cực (2P), ba cực (3P) và bốn cực (4P).

MCB bao gồm cơ cấu hoạt động, tiếp điểm, thiết bị bảo vệ (các đơn vị ngắt khác nhau) và hệ thống dập hồ quang. Các tiếp điểm chính được đóng bằng tay hoặc bằng điện. Sau khi đóng, cơ cấu tự do sẽ khóa các tiếp điểm ở vị trí đóng. Cuộn dây của đơn vị ngắt quá dòng và phần tử nhiệt của đơn vị ngắt nhiệt được nối tiếp với mạch chính, trong khi cuộn dây của đơn vị ngắt hạ áp được nối song song với nguồn điện.

Trong thiết kế điện dân dụng, aptomat nhỏ chủ yếu được sử dụng để bảo vệ và vận hành như quá tải, ngắn mạch, quá dòng, mất điện, hạ áp, chạm đất, rò rỉ, chuyển đổi tự động nguồn điện kép và khởi động động cơ ít lần.

Các tham số đặc trưng cơ bản của aptomat

(1) Điện áp định mức hoạt động (Ue)
Điện áp định mức hoạt động là điện áp danh nghĩa của aptomat, dưới đó aptomat có thể hoạt động liên tục theo các điều kiện dịch vụ và hiệu suất bình thường được chỉ định.

Ở Trung Quốc, cho các cấp điện áp lên đến 220kV, điện áp hoạt động tối đa là 1,15 lần điện áp định mức của hệ thống; cho 330kV và cao hơn, điện áp hoạt động tối đa là 1,1 lần điện áp định mức. Aptomat phải duy trì cách điện và có khả năng đóng và ngắt dưới điện áp hoạt động tối đa của hệ thống.

(2) Dòng điện định mức (In)
Dòng điện định mức là dòng điện mà đơn vị ngắt có thể mang liên tục ở nhiệt độ môi trường dưới 40°C. Đối với các aptomat có đơn vị ngắt điều chỉnh được, nó đề cập đến dòng điện tối đa mà đơn vị ngắt có thể mang liên tục.

Khi sử dụng ở nhiệt độ môi trường trên 40°C nhưng không vượt quá 60°C, aptomat có thể hoạt động ở tải giảm cho việc sử dụng lâu dài.

(3) Cài đặt dòng điện ngắt quá tải (Ir)
Khi dòng điện vượt quá cài đặt Ir của đơn vị ngắt, aptomat sẽ ngắt sau một thời gian trì hoãn. Nó cũng đại diện cho dòng điện tối đa mà aptomat có thể mang mà không ngắt. Giá trị này phải lớn hơn dòng điện tải tối đa Ib nhưng nhỏ hơn dòng điện cho phép tối đa Iz của mạch.

Đối với đơn vị ngắt nhiệt-magnetic, Ir thường có thể điều chỉnh trong khoảng 0,7–1,0In. Đối với đơn vị ngắt điện tử, phạm vi điều chỉnh thường rộng hơn, thường là 0,4–1,0In. Đối với các aptomat có đơn vị ngắt quá dòng không điều chỉnh được, Ir = In.

(4) Cài đặt dòng điện ngắt ngắn mạch (Im)
Đơn vị ngắt ngắn mạch (tức thì hoặc trì hoãn ngắn) khiến aptomat ngắt nhanh chóng khi có dòng điện lỗi cao. Ngưỡng ngắt của nó là Im.

(5) Dòng điện chịu đựng ngắn mạch định mức (Icw)
Đây là giá trị dòng điện được phép đi qua dây dẫn trong một thời gian quy định mà không gây hư hỏng do quá nhiệt.

(6) Khả năng ngắt
Khả năng ngắt của aptomat đề cập đến khả năng ngắt an toàn dòng điện lỗi, không nhất thiết liên quan đến dòng điện định mức. Các định mức phổ biến bao gồm 36kA và 50kA. Nó thường được chia thành khả năng ngắt ngắn mạch tối đa (Icu) và khả năng ngắt ngắn mạch dịch vụ (Ics).

Nguyên tắc chung để lựa chọn aptomat

Đầu tiên, chọn loại và số cực dựa trên ứng dụng; sau đó chọn dòng điện định mức dựa trên dòng điện hoạt động tối đa; cuối cùng, chọn loại đơn vị ngắt và phụ kiện. Yêu cầu cụ thể như sau:

• Điện áp định mức hoạt động của aptomat ≥ điện áp định mức của đường dây.

• Khả năng đóng/ngắt ngắn mạch định mức của aptomat ≥ dòng điện tải tính toán của đường dây.

• Khả năng đóng/ngắt ngắn mạch định mức của aptomat ≥ dòng điện ngắn mạch tối đa có thể xảy ra trong đường dây (thường được tính theo giá trị RMS).

• Dòng điện ngắn mạch một pha đối đất ở cuối đường dây ≥ 1,25 lần cài đặt ngắt tức thì (hoặc trì hoãn ngắn) của aptomat.

• Điện áp định mức của đơn vị ngắt hạ áp = điện áp định mức của đường dây.

• Điện áp định mức của đơn vị ngắt song song = điện áp nguồn điều khiển.

• Điện áp hoạt động định mức của cơ cấu hoạt động điện = điện áp nguồn điều khiển.

• Khi sử dụng trong các mạch chiếu sáng, cài đặt ngắt tức thì của đơn vị ngắt điện từ thường là 6 lần dòng điện tải.

• Khi sử dụng aptomat để bảo vệ ngắn mạch cho một động cơ, cài đặt ngắt tức thì là 1,35 lần dòng điện khởi động của động cơ (cho loạt DW) hoặc 1,7 lần (cho loạt DZ).

• Khi sử dụng aptomat để bảo vệ ngắn mạch cho nhiều động cơ, cài đặt ngắt tức thì là 1,3 lần dòng điện khởi động của động cơ lớn nhất cộng với dòng điện hoạt động của các động cơ còn lại.

• Khi sử dụng aptomat làm công tắc chính ở phía hạ áp của biến áp phân phối, khả năng ngắt của nó nên vượt quá dòng điện ngắn mạch ở phía hạ áp của biến áp. Dòng điện định mức của đơn vị ngắt không nên nhỏ hơn dòng điện định mức của biến áp. Cài đặt bảo vệ ngắn mạch thường là 6–10 lần dòng điện định mức của biến áp; cài đặt bảo vệ quá tải bằng dòng điện định mức của biến áp.

• Sau khi chọn sơ bộ loại và định mức của aptomat, cần phối hợp với các thiết bị bảo vệ thượng lưu và hạ lưu để tránh tình trạng ngắt chuỗi và giảm thiểu phạm vi tai nạn.

Chọn lọc của aptomat

Trong các hệ thống phân phối, aptomat được phân loại là chọn lọc hoặc không chọn lọc dựa trên hiệu suất bảo vệ. Aptomat chọn lọc thấp có hai giai đoạn hoặc ba giai đoạn bảo vệ. Đặc tính tức thì và trì hoãn ngắn được sử dụng cho bảo vệ ngắn mạch, trong khi đặc tính trì hoãn dài được sử dụng cho bảo vệ quá tải. Aptomat không chọn lọc thường là tức thì, chỉ được sử dụng cho bảo vệ ngắn mạch, hoặc trì hoãn dài, chỉ được sử dụng cho bảo vệ quá tải.

Trong các hệ thống phân phối, nếu aptomat thượng lưu là chọn lọc và aptomat hạ lưu là không chọn lọc hoặc chọn lọc, tính chọn lọc được đạt được bằng cách sử dụng thời gian trì hoãn của đơn vị ngắt trì hoãn ngắn hoặc sự khác biệt trong cài đặt thời gian trì hoãn. Khi aptomat thượng lưu hoạt động với thời gian trì hoãn, hãy xem xét các điểm sau:

• Bất kể aptomat hạ lưu là chọn lọc hay không chọn lọc, cài đặt ngắt tức thì quá dòng của aptomat thượng lưu thường không nhỏ hơn 1,1 lần dòng điện ngắn mạch ba pha tối đa tại đầu ra của aptomat hạ lưu.

• Nếu aptomat hạ lưu không chọn lọc, để ngăn chặn đơn vị ngắt quá dòng trì hoãn ngắn của aptomat thượng lưu hoạt động trước do độ nhạy không đủ của đơn vị ngắt tức thì của aptomat hạ lưu trong trường hợp ngắn mạch, cài đặt ngắt quá dòng trì hoãn ngắn của aptomat thượng lưu thường không nhỏ hơn 1,2 lần cài đặt ngắt tức thì của aptomat hạ lưu.

• Nếu aptomat hạ lưu cũng là chọn lọc, để đảm bảo tính chọn lọc, thời gian hoạt động trì hoãn ngắn của aptomat thượng lưu nên ít nhất 0,1 giây dài hơn so với thời gian hoạt động của aptomat hạ lưu.

Nhìn chung, để đảm bảo hoạt động chọn lọc giữa aptomat thượng lưu và hạ lưu, aptomat thượng lưu nên có đơn vị ngắt quá dòng trì hoãn ngắn, và dòng điện hoạt động của nó nên ít nhất một cấp cao hơn so với đơn vị ngắt hạ lưu. Ít nhất, dòng điện hoạt động Iop.1 của aptomat thượng lưu không nên nhỏ hơn 1,2 lần dòng điện hoạt động Iop.2 của aptomat hạ lưu, tức là Iop.1 ≥ 1,2Iop.2.

Bảo vệ tầng lớp của aptomat

Trong thiết kế hệ thống phân phối, sự phối hợp giữa aptomat thượng lưu và hạ lưu phải đạt được "chọn lọc, tốc độ và độ nhạy." Chọn lọc liên quan đến sự phối hợp giữa các aptomat, trong khi tốc độ và độ nhạy liên quan đến đặc tính của thiết bị bảo vệ và chế độ hoạt động của mạch.

Sự phối hợp đúng đắn giữa aptomat thượng lưu và hạ lưu cho phép cô lập mạch lỗi một cách chọn lọc, đảm bảo các mạch không lỗi khác tiếp tục hoạt động bình thường. Sự phối hợp kém ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống.

Bảo vệ tầng lớp là một ứng dụng thực tế của đặc tính hạn chế dòng của aptomat. Nguyên tắc chính của nó là tận dụng hiệu ứng hạn chế dòng của aptomat thượng lưu (QF1), cho phép chọn aptomat hạ lưu (QF2) có khả năng ngắt thấp hơn, do đó giảm chi phí. Aptomat thượng lưu QF1 có thể ngắt dòng ngắn mạch tối đa có thể tại điểm lắp đặt của nó. Do aptomat thượng lưu và hạ lưu được nối tiếp, khi có ngắn mạch tại đầu ra của aptomat hạ lưu QF2, dòng ngắn mạch thực tế được giảm đáng kể bởi hiệu ứng hạn chế dòng của QF1, thấp hơn nhiều so với dòng ngắn mạch có thể tại điểm đó. Do đó, khả năng ngắt của QF2 được tăng cường hiệu quả bởi QF1, vượt quá khả năng ngắt định mức của nó.

Bảo vệ tầng lớp có một số điều kiện: ví dụ, các mạch liền kề không nên có tải quan trọng (vì việc ngắt QF1 cũng sẽ ngắt điện mạch của QF3), và cài đặt tức thì của QF1 và QF2 phải được khớp đúng. Dữ liệu tầng lớp chỉ có thể xác định bằng thí nghiệm, và sự phối hợp giữa aptomat thượng lưu và hạ lưu phải được cung cấp bởi nhà sản xuất.

Độ nhạy của aptomat

Để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy của đơn vị ngắt quá dòng tức thì hoặc trì hoãn ngắn dưới điều kiện vận hành hệ thống tối thiểu và trong trường hợp ngắn mạch nhẹ nhất trong phạm vi bảo vệ, độ nhạy của aptomat phải đáp ứng yêu cầu của "Quy chuẩn thiết kế hệ thống điện phân phối hạ áp" (GB50054-95), quy định độ nhạy không nhỏ hơn 1,3, tức là Sp = Ik.min / Iop ≥ 1,3. Ở đây, Iop là dòng điện hoạt động của đơn vị ngắt quá dòng tức thì hoặc trì hoãn ngắn, Ik.min là dòng điện ngắn mạch một pha hoặc hai pha ở cuối mạch bảo vệ dưới điều kiện vận hành hệ thống tối thiểu, và Sp là độ nhạy của aptomat.

Khi chọn aptomat, độ nhạy của nó cũng cần được kiểm tra. Đối với aptomat chọn lọc có cả đơn vị ngắt quá dòng trì hoãn ngắn và tức thì, chỉ cần kiểm tra độ nhạy của đơn vị ngắt trì hoãn ngắn; độ nhạy của đơn vị ngắt tức thì không cần kiểm tra.

Lựa chọn và cài đặt đơn vị ngắt của aptomat

(1) Cài đặt dòng điện hoạt động của đơn vị ngắt quá dòng tức thì
Một số thiết bị điện được bảo vệ bởi aptomat có dòng đỉnh cao trong quá trình khởi động, nhiều lần dòng định mức, khiến aptomat trải qua dòng đỉnh cao trong thời gian ngắn. Dòng điện hoạt động Iop(o) của đơn vị ngắt quá dòng tức thì phải vượt quá dòng đỉnh Ipk của mạch, tức là Iop(o) ≥ Krel·Ipk, trong đó Krel là hệ số tin cậy. Khi chọn aptomat, hãy đảm bảo cài đặt ngắt tức thì của nó vượt quá dòng đỉnh để tránh ngắt phiền phức.

(2) Cài đặt dòng điện hoạt động và thời gian của đơn vị ngắt quá dòng trì hoãn ngắn
Dòng điện hoạt động Iop(s) của đơn vị ngắt quá dòng trì hoãn ngắn cũng phải vượt quá dòng đỉnh Ipk của mạch, tức là Iop(s) ≥ Krel·Ipk, trong đó Krel là hệ số tin cậy. Thời gian trì hoãn ngắn thường là 0,2s, 0,4s hoặc 0,6s, được xác định dựa trên sự chọn lọc với các thiết bị bảo vệ thượng lưu và hạ lưu, đảm bảo thiết bị thượng lưu hoạt động muộn hơn thiết bị hạ lưu một bước thời gian.

(3) Cài đặt dòng điện hoạt động và thời gian của đơn vị ngắt quá dòng trì hoãn dài
Đơn vị ngắt quá dòng trì hoãn dài chủ yếu được sử dụng cho bảo vệ quá tải. Dòng điện hoạt động Iop(l) chỉ cần vượt quá dòng tải tối đa của mạch (dòng điện tính toán I30), tức là Iop(l) ≥ Krel·I30, trong đó Krel là hệ số tin cậy. Thời gian hoạt động nên vượt quá thời gian cho phép của quá tải ngắn hạn để tránh ngắt phiền phức.

(4) Yêu cầu phối hợp giữa dòng điện hoạt động của đơn vị ngắt quá dòng và mạch được bảo vệ
Để ngăn ngừa hư hỏng cách điện hoặc cháy do quá tải hoặc ngắn mạch mà không có aptomat ngắt, dòng điện hoạt động Iop của đơn vị ngắt quá dòng phải thỏa mãn điều kiện: Iop ≤ Kol·Ial. Ở đây, Ial là dòng điện cho phép của cáp cách điện; Kol là hệ số quá tải ngắn hạn cho phép—thường là 4,5 cho đơn vị ngắt tức thì và trì hoãn ngắn, 1,1 cho đơn vị ngắt trì hoãn dài dùng cho bảo vệ ngắn mạch, và 1,0 khi chỉ dùng cho bảo vệ quá tải. Nếu yêu cầu phối hợp này không được đáp ứng, cài đặt đơn vị ngắt cần được điều chỉnh, hoặc tiết diện dây dẫn hoặc cáp cần được tăng lên một cách thích hợp.