Phương án bảo vệ mạch FC cho hệ thống nguồn phụ 3~12kV: Thiết kế Lựa chọn và Các trường hợp ứng dụng

I. Tổng quan về giải pháp​
Giải pháp này nhằm cung cấp một hệ thống hoàn chỉnh dựa trên sự kết hợp giữa tiếp điểm chân không điện áp cao (Contactor) và cầu chì hạn chế dòng điện điện áp cao (Fuse), được gọi chung là mạch FC. Được thiết kế cho các hệ thống điện áp trung bình từ 3 đến 12 kV, nó đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu hoạt động thường xuyên, độ tin cậy cao và tiết kiệm chi phí. Trong mạch FC, tiếp điểm chân không xử lý việc đóng và ngắt dòng điện bình thường và quá tải, cũng như các hoạt động thường xuyên, trong khi cầu chì điện áp cao cung cấp bảo vệ ngắn mạch mạnh mẽ. Cùng nhau, chúng tạo thành một đơn vị bảo vệ và điều khiển đầy đủ chức năng, hiệu suất cao.

​II. Đặc điểm của các thành phần chính​
Lợi thế cốt lõi của mạch FC nằm ở hiệu suất xuất sắc và sự phối hợp chính xác của hai thành phần chính của nó.

​​(I) Tiếp điểm chân không điện áp cao (Thành phần vận hành và ngắt dòng quá tải)​​
Là lõi vận hành của mạch, tiếp điểm chân không có các đặc điểm sau:

1. ​Cấu trúc tiên tiến và nguyên tắc ngắt dòng:​​
• Có buồng ngắt dòng chân không (độ chân không lên đến 1,33×10⁻⁴ Pa) với các tiếp điểm chính được niêm phong trong vỏ gốm. Khi mở, các tiếp điểm di chuyển và cố định tách nhanh chóng, tận dụng sự ngưng tụ nhanh của hơi kim loại tại thời điểm dòng điện qua không để dập tắt hồ quang và khôi phục cường độ cách điện.
• Được trang bị cơ chế cắt liên kết đảm bảo cắt khi một pha cầu chì tan chảy, ngăn chặn hoạt động mất pha, và bao gồm chức năng ngăn chặn đóng sai khi cầu chì không được lắp đặt.
• Dòng cắt cực kỳ thấp (≤0,5A), hiệu quả trong việc giảm thiểu điện áp quá mức khi chuyển mạch và bảo vệ cách điện của các tải cảm như động cơ.
2. ​Cơ chế vận hành độ tin cậy cao:​​
• Sử dụng cơ chế vận hành điện từ có khả năng chuyển mạch tần số lên đến 2.000 lần mỗi giờ, đáp ứng yêu cầu hoạt động thường xuyên nhất.
• Các phương pháp giữ linh hoạt: Giữ điện tự động (giữ bằng cuộn dây sau khi đóng, tiêu thụ điện năng thấp) và giữ cơ học tự động (ví dụ: series LHJCZR, khóa cơ học sau khi đóng, không cần nguồn điện liên tục) đều có sẵn để phù hợp với các nhu cầu điều khiển khác nhau.
• Tương thích mạnh mẽ với nguồn điện điều khiển, hỗ trợ DC/AC 110V/220V.
3. ​Các thông số định mức và tuổi thọ tuyệt vời:​​
• Các thông số điện chính:

• Tuổi thọ kéo dài: Tuổi thọ điện lên đến 300.000 lần và tuổi thọ cơ khí lên đến 1.000.000 lần, giảm đáng kể công sức bảo trì và chi phí vòng đời.
• Buồng ngắt dòng chân không chuyên dụng: Như loại TJC 12/630, có tổn thất thấp, xung thấp, độ mài mòn cao, và điện trở tiếp xúc ≤60 μΩ.

​​(II) Cầu chì hạn chế dòng điện điện áp cao (Thành phần bảo vệ ngắn mạch)​​
Là lõi bảo vệ ngắn mạch trong mạch, việc lựa chọn và ứng dụng của nó rất quan trọng.

1. ​Nguyên tắc hoạt động:​​ Khi dòng điện vượt quá giá trị quy định trong một khoảng thời gian nhất định, phần tử cầu chì tan chảy ngay lập tức và ngắt dòng điện lỗi. Đặc điểm chính của nó là dòng ngắt càng lớn, thời gian hoạt động càng ngắn, cung cấp khả năng hạn chế dòng điện mạnh mẽ.
2. ​Nguyên tắc lựa chọn:​​
• Điện áp định mức: Phải không nhỏ hơn điện áp định mức của hệ thống; có thể cao hơn một chút nhưng không bao giờ được thấp hơn.
• Dòng điện định mức: Phải xem xét toàn diện dòng điện vận hành bình thường, dòng điện quá tải và đặc tính khởi động của thiết bị (ví dụ: dòng khởi động và thời gian của động cơ). Là bảo vệ dự phòng, nó chỉ hoạt động khi dòng điện lỗi vượt quá năng lực cắt của tiếp điểm hoặc nếu tiếp điểm không hoạt động.
3. ​Hợp tác bảo vệ với các thiết bị khác nhau:​​
• Động cơ điện áp cao (≤1200 kW): Cầu chì phải chịu được dòng khởi động của động cơ, trong khi bảo vệ quá tải được xử lý bởi rơle bảo vệ tổng hợp. Đảm bảo đường cong đặc tính dòng thời gian của cầu chì giao nhau đúng với đường cong của rơle để đạt được phân chia bảo vệ.
• Ví dụ: Đối với động cơ 250 kW, thời gian khởi động 6s và dòng khởi động 220A, phần tử cầu chì 100A là phù hợp (cho 2-3 lần khởi động mỗi giờ).
• Biến áp (≤1600 kVA): Cầu chì phải chịu được dòng xung kích khi cấp điện và dòng quá tải kéo dài. Việc lựa chọn được khớp trực tiếp dựa trên dung lượng định mức và cấp điện áp của biến áp.
• Ví dụ: Đối với biến áp 10 kV/800 kVA, cầu chì 80A là phù hợp.
• Mạng tụ (≤1200 kvar): Phải chịu được dòng xung kích khi chuyển mạch, và năng lượng đi qua phải nhỏ hơn khả năng chịu đựng của tụ. Dòng điện định mức thường là 1,5-2 lần dòng điện định mức của tụ. Đối với các ứng dụng có dòng xung kích quá mức hoặc chuyển mạch thường xuyên, khuyến nghị sử dụng cuộn kháng nối tiếp.

​III. Phạm vi ứng dụng và các trường hợp điển hình​

​​(I) Phạm vi ứng dụng​

• ​Các tình huống phù hợp:​​
• Mạch bảo vệ và điều khiển cho biến áp lên đến 1600 kVA trong các nhà máy công nghiệp.
• Mạch khởi động và bảo vệ thường xuyên cho động cơ điện áp cao lên đến 1200 kW.
• Mạch chuyển mạch cho mạng tụ lên đến 1200 kvar.
• ​Các tình huống không phù hợp:​​ Đối với tải vượt quá các công suất trên, phải sử dụng tủ cầu dao chân không.

​​(II) Các trường hợp thành công​
Giải pháp mạch FC đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều dự án nhà máy điện, với độ tin cậy đã được chứng minh:

1. ​Nhà máy nhiệt điện:​​ Sử dụng 8 tủ cầu dao chân không + 36 tủ FC. Trong đó, tiếp điểm LHJCZR với cầu chì WFNHO bảo vệ động cơ, trong khi cầu chì XRNT bảo vệ biến áp.
2. ​Nhà máy điện:​​ Sử dụng 10 tủ cầu dao chân không + 36 tủ FC (21 cho bảo vệ động cơ, 12 cho bảo vệ biến áp, và 3 cho bảo vệ tụ).

​IV. Ưu điểm của giải pháp và kết luận​
Giải pháp mạch FC tích hợp lợi ích kép của tiếp điểm chân không và cầu chì hạn chế dòng điện, cung cấp các lợi ích cốt lõi sau:

1. ​Hiệu quả về chi phí:​​ Chi phí đầu tư thấp hơn đáng kể so với tủ cầu dao chân không, mang lại hiệu suất chi phí cao.
2. ​Hiệu suất chuyên biệt:​​ Tiếp điểm xuất sắc trong hoạt động thường xuyên và ngắt dòng quá tải, trong khi cầu chì xuất sắc trong việc ngắt dòng ngắn mạch cao một cách nhanh chóng, đảm bảo phân chia lao động rõ ràng và bảo vệ vượt trội.
3. ​An toàn và tin cậy:​​ Thời gian ngắt dòng ngắn mạch cực kỳ ngắn (cấp mili giây), đặc tính hạn chế dòng điện xuất sắc, và bảo vệ hiệu quả cho thiết bị hệ thống. Cơ chế cắt liên kết ngăn chặn hoạt động mất pha.
4. ​Không cần bảo dưỡng và tuổi thọ dài:​​ Buồng ngắt dòng chân không không cần bảo dưỡng, với tuổi thọ điện và cơ khí lên đến một triệu lần, giảm đáng kể chi phí vòng đời.
5. ​Thiết kế nhỏ gọn và linh hoạt:​​ Cấu trúc nhỏ gọn tiết kiệm không gian lắp đặt. Độ đa dạng cao cho phép hoán đổi giữa các sản phẩm tương tự, thuận tiện cho bảo dưỡng và quản lý phụ tùng.

​Kết luận:​​ Mạch FC là lựa chọn lý tưởng cho bảo vệ biến áp, động cơ và tụ có công suất nhỏ đến trung bình trong các hệ thống điện công nghiệp như nhà máy điện, hóa dầu và luyện kim. Giải pháp này đã chín muồi về công nghệ, được kiểm chứng rộng rãi, và mang lại những ưu điểm nổi bật, làm cho nó trở thành thực hành tốt nhất để cân bằng giữa hiệu suất, chi phí và độ tin cậy. Đối với các ứng dụng vượt quá phạm vi công suất của nó, giải pháp cầu dao chân không được khuyến nghị.