Cầu chì nổ khí: Nguyên lý hoạt động, Ưu điểm và Các loại

Cầu chì nổ khí sử dụng không khí hoặc khí nén làm môi trường ngắt hồ quang. Không khí nén được lưu trữ trong một bình và khi cần thiết, được phun qua một vòi để tạo ra dòng khí có tốc độ cao. Dòng khí này đóng vai trò quan trọng trong việc dập tắt hồ quang hình thành khi cầu chì ngắt dòng điện.

Cầu chì nổ khí thường được sử dụng cho các ứng dụng trong nhà ở dải điện áp trung bình đến cao với khả năng ngắt mạch trung bình. Chúng thường phù hợp với điện áp lên đến 15 kV và khả năng ngắt mạch 2500 MVA. Ngoài ra, chúng hiện đang được sử dụng trong các trạm chuyển mạch ngoài trời ở điện áp cao cho các đường dây 220 kV.

Trong khi các loại khí như dioxide cacbon, nitơ, freon hoặc hiđrô có thể được sử dụng làm môi trường ngắt hồ quang, không khí nén đã trở thành lựa chọn ưu tiên cho các cầu chì nổ khí. Có nhiều lý do thuyết phục cho điều này:

• Nitơ: Khả năng ngắt mạch của nó tương đương với không khí nén, không mang lại lợi ích đáng kể về hiệu suất.

• Dioxide cacbon: Một trong những nhược điểm lớn nhất là khó kiểm soát dòng chảy. Nó có xu hướng đông lạnh tại các van và các đoạn hẹp, có thể làm gián đoạn chức năng của cầu chì.

• Freon: Mặc dù có độ bền điện cao và tính năng dập tắt hồ quang tốt, nhưng nó có giá thành cao. Hơn nữa, khi tiếp xúc với hồ quang, nó phân hủy thành các phần tử tạo axit, gây rủi ro cho thiết bị và môi trường xung quanh.

Cầu chì nổ khí mang lại nhiều đặc điểm mong muốn:

• Hoạt động Tốc độ Cao: Trong các mạng lưới điện liên kết lớn, việc duy trì ổn định hệ thống là rất quan trọng. Cầu chì nổ khí vượt trội về mặt này do khoảng thời gian cực ngắn giữa sự phóng thích xung kích hoạt và tách rời các tiếp điểm. Phản ứng nhanh chóng này giúp giảm thiểu tác động của sự cố đối với lưới điện tổng thể.

• Phù hợp cho Hoạt động Thường xuyên: Không giống như các cầu chì sử dụng dầu, có thể carbon hóa và suy giảm nhanh chóng khi chuyển mạch lặp đi lặp lại, cầu chì nổ khí có thể chịu được hoạt động thường xuyên. Việc không có dầu cũng có nghĩa là mòn mòn bề mặt tiếp xúc dẫn điện là tối thiểu. Tuy nhiên, cần đảm bảo cung cấp liên tục và đủ lượng không khí nén khi dự kiến chuyển mạch thường xuyên.

• Bảo dưỡng Ít: Khả năng xử lý chuyển mạch lặp đi lặp lại dễ dàng dẫn đến nhu cầu bảo dưỡng ít hơn. Điều này không chỉ tiết kiệm chi phí bảo dưỡng mà còn tăng cường độ tin cậy và khả năng sẵn sàng của cầu chì.

• Loại bỏ Nguy cơ Cháy: Do cầu chì nổ khí không chứa dầu, nguy cơ cháy liên quan đến các cầu chì chứa dầu được loại bỏ hoàn toàn, khiến chúng trở thành lựa chọn an toàn hơn cho các lắp đặt điện.

• Kích thước Nhỏ gọn: Sự tăng trưởng nhanh chóng của độ bền điện trong các cầu chì nổ khí cho phép khoảng cách cuối cùng cần thiết để dập tắt hồ quang nhỏ hơn nhiều. Thiết kế nhỏ gọn này dẫn đến các thiết bị có kích thước nhỏ hơn, có thể tích hợp dễ dàng hơn vào các hệ thống điện và chiếm ít không gian hơn.

Nguyên lý Dập tắt Hồ quang

Một cầu chì nổ khí phụ thuộc vào hệ thống không khí nén bổ sung để cung cấp không khí cho bình chứa không khí. Khi cầu chì cần mở, không khí nén được hướng vào buồng dập tắt hồ quang. Không khí áp suất cao này tạo lực lên các tiếp điểm di chuyển, khiến chúng tách rời. Khi các tiếp điểm tách ra, luồng không khí nén quét đi khí ion hóa được tạo ra bởi hồ quang, hiệu quả dập tắt nó.

Hồ quang thường được dập tắt trong một hoặc nhiều chu kỳ. Sau khi dập tắt hồ quang, buồng hồ quang được lấp đầy bằng không khí áp suất cao, giúp ngăn chặn sự tái phát sinh. Cầu chì nổ khí thuộc loại năng lượng dập tắt bên ngoài. Năng lượng được sử dụng để dập tắt hồ quang được lấy từ không khí áp suất cao, độc lập với dòng điện đang bị ngắt.

Các Loại Cầu chì Nổ Khí

Tất cả các cầu chì nổ khí hoạt động theo nguyên lý tách rời các tiếp điểm trong dòng khí tạo hồ quang do mở van nổ. Hồ quang hình thành được nhanh chóng tập trung qua một vòi, nơi nó được duy trì ở độ dài cố định và chịu tác động của luồng khí mạnh nhất. Dựa trên hướng của luồng khí nén xung quanh các tiếp điểm, các cầu chì nổ khí có thể được phân loại thành ba loại:

• Cầu chì nổ khí Axial Blast: Trong loại này, dòng khí song song với hồ quang, chảy dọc theo chiều dài của nó. Cầu chì nổ khí axial blast có thể được phân loại thêm thành single-blast hoặc double-blast. Một số bố trí double-blast, nơi luồng khí nén chảy theo hướng kính vào vòi hoặc không gian giữa các tiếp điểm, đôi khi được gọi là cầu chì nổ khí radial blast, mặc dù khái niệm thiết kế chính là axial-flow.

Cấu trúc và nguyên lý hoạt động cơ bản của cầu chì nổ khí được minh họa trong sơ đồ trên. Trong điều kiện hoạt động bình thường, các tiếp điểm cố định và di chuyển vẫn ở trạng thái đóng, được giữ bởi lực của lò xo. Một bình chứa không khí được kết nối với buồng hồ quang thông qua van không khí. Van này được kích hoạt bởi cơ chế xung ba lần, kích hoạt mở van khi xảy ra sự cố hoặc cần ngắt dòng điện.

Khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện, xung kích hoạt là chất xúc tác cho hành động. Xung này kích hoạt van không khí kết nối bình chứa không khí với buồng hồ quang, khiến nó mở ra. Khi không khí áp suất cao từ bình chứa đổ vào buồng hồ quang, nó tạo ra một lực đáng kể lên các tiếp điểm di chuyển. Một khi áp suất không khí vượt quá sức kháng do lực lò xo thường giữ các tiếp điểm đóng, các tiếp điểm di chuyển bắt đầu tách rời, khởi động quá trình ngắt dòng điện và dập tắt hồ quang.

Khi các tiếp điểm tách ra do áp lực của không khí tốc độ cao, một hồ quang hình thành giữa chúng. Không khí, chảy dọc theo chiều dài hồ quang với tốc độ cao, hiệu quả loại bỏ nhiệt từ ngoại vi hồ quang. Khi dòng điện tiến gần đến không, việc loại bỏ nhiệt liên tục này khiến đường kính hồ quang thu nhỏ đáng kể. Tại thời điểm dòng điện đạt đến không, hồ quang được ngắt thành công. Sau đó, không khí mới, chảy qua vòi, lấp đầy khoảng cách giữa các tiếp điểm. Dòng không khí mới này làm sạch các khí ion hóa nóng tồn tại trong không gian tiếp điểm, nhanh chóng khôi phục độ bền điện giữa các tiếp điểm và ngăn ngừa khả năng tái phát sinh hồ quang.

Cầu chì nổ khí Cross Blast

Trong cầu chì nổ khí cross blast, cơ chế dập tắt hồ quang hoạt động khác biệt. Ở đây, luồng khí nổ được hướng vuông góc với hồ quang. Hình dưới đây cung cấp một sơ đồ minh họa nguyên lý cross blast được sử dụng trong loại cầu chì này. Khi cánh tay tiếp điểm di chuyển được kích hoạt trong một không gian hạn chế, một hồ quang được tạo ra. Ngay lập tức, một luồng khí ngang đẩy hồ quang về phía các tấm phân chia. Các tấm phân chia phân chia hồ quang thành các đoạn nhỏ, tiêu tán năng lượng của nó. Quá trình này hiệu quả làm yếu hồ quang đến mức, sau khi dòng điện qua không, nó không có đủ năng lượng để tái phát sinh, đảm bảo ngắt thành công mạch điện.

Chuyển mạch Động lực và Nhược điểm của Cầu chì Nổ Khí

Chuyển mạch Động lực

Thông thường, chuyển mạch động lực không phải là yêu cầu tuyệt đối trong các cầu chì nổ khí. Khi hồ quang được dập tắt, nó tự nhiên tạo ra một số độ kháng, giúp điều chỉnh điện áp hồi phục tạm thời. Tuy nhiên, nếu cần thêm độ kháng cho các ứng dụng cụ thể, nó có thể được kết nối bằng cách gắn một điện trở qua phần phân chia hồ quang. Độ kháng bổ sung này cung cấp một lớp kiểm soát bổ sung đối với điện áp tạm thời, nâng cao hiệu suất của cầu chì trong một số điều kiện.

Nhược điểm của Cầu chì Nổ Khí

Một trong những hạn chế lớn của các cầu chì nổ khí là yêu cầu nghiêm ngặt về nguồn cung cấp không khí nén liên tục ở áp suất chính xác. Để đảm bảo tính sẵn có này, thường cần các thiết lập quy mô lớn, thường bao gồm hai hoặc nhiều máy nén. Bảo dưỡng hệ thống nén phức tạp này không phải là nhiệm vụ nhỏ; nó đòi hỏi bảo dưỡng thường xuyên để giữ cho các máy nén hoạt động hiệu quả và giải quyết các vấn đề cơ khí có thể phát sinh.

Ngoài ra, rò rỉ không khí ở các khớp nối ống là một vấn đề dai dẳng. Ngay cả các rò rỉ nhỏ cũng có thể dần làm giảm áp suất không khí, làm suy giảm hiệu suất của cầu chì. Phát hiện và khắc phục các rò rỉ có thể mất nhiều thời gian và lao động. Những thách thức bảo dưỡng này, kết hợp với nhu cầu về hệ thống cung cấp không khí phức tạp, góp phần tăng chi phí vận hành.

So với các cầu chì dùng dầu hoặc các loại cầu chì ngắt khí khác, các cầu chì nổ khí đặc biệt đắt đỏ cho các ứng dụng điện áp thấp. Cơ sở hạ tầng rộng lớn cần thiết cho việc tạo ra không khí nén và chi phí bảo dưỡng liên quan khiến chúng kém hiệu quả về chi phí trong các tình huống liên quan đến điện áp thấp, hạn chế việc sử dụng rộng rãi trong các ngữ cảnh như vậy.