Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và lựa chọn cầu chì cho lưới điện hạ thế

Khái niệm cầu chì

Cầu chì là một loại khí cụ điện dùng để bảo vệ thiết bị và lưới điện tránh sự cố ngắn mạch và quá tải, thường dùng để bảo vệ cho đường dây dẫn, máy biến áp, động cơ điện, thiết bị điện, mạch điện điều khiển, mạch điện thắp sáng.Cầu chì có đặc điểm là đơn giản, kích thước bé, khả năng cắt lớn và giá thành hạ nên được ứng dụng rộng rãi.

Các tính chất và yêu cầu của cầu chì:

1.Cầu chì có đặc tính làm việc ổn định, không tác động khi có dòng điện mở máy và dòng điện định mức lâu dài đi qua.
2.Đặc tính A – s của cầu chì phải thấp hơn đặc tính của đối tượng bảo vệ.
3.Khi có sự cố ngắn mạch, cầu chì tác động phải có tính chọn lọc.
4.Việc thay thế cầu chì bị cháy phải dễ dàng và tốn ít thời gian.

Cấu tạo của cầu chì

Cầu chì bao gồm các thành phần sau:

Phần tử ngắt mạch: Đây chính là thành phần chính của cầu chì, phần tử này phải có khả năng cảm nhận được giá trị hiệu dụng của dòng điện qua nó. Phần tử này có giá trị điện trở suất bé (thường bằng bạc, đồng hay các vật liệu dẫn có giá trị điện trở suất nhỏ lân cận với các giá trị nêu trên…). Hình dạng của phần tử có thể ở dạng là một dây (tiết diện tròn), dạng băng mỏng, tiếp xúc điện tốt.

Thân của cầu chì: Thường bằng thuỷ tính, ceramic (sứ gốm) hay các vật liệu khác tương đương. Vật liệu tạo thành thân của cầu chì phải đảm bảo được hai tính chất:
1.Có độ bền cơ khí.
2.Có độ bền về điệu kiện dẫn nhiệt và chịu đựng được các sự thay đổi nhiệt độ đột ngột mà không hư hỏng.

Vật liệu lấp đầy (bao bọc quanh phần tử ngắt mạch trong thân cầu chì): Thường bằng vật liệu Silicat ở dạng hạt, nó phải có khả ngăng hấp thụ được năng lượng sinh ra do hồ quang và phải đảm bảo tính cách điện khi xảy ra hiện tượng ngắt mạch. Các đấu nối: Các thành phần này dùng định vị cố định cầu chì trên các thiết bị đóng ngắt mạch; đồng thởi phải đảm bảo tính tiếp xúc điện tốt.

Nguyên lý hoạt động của cầu chì

Đặc tính cơ bản của cầu chì là sự phụ thuộc của thời gian chảy đứt với dòng điện chạy qua (đặc tính Ampe – giây). Để có tác dụng bảo vệ, đường Ampe – giây của cầu chì tại mọi điểm phải thấp hơn đặc tính của đối tượng cần bảo vệ.
• Đối với dòng điện định mức của cầu chì: Năng lượng sinh ra do hiệu ứng Joule khi có dòng điện định mức chạy qua sẽ toả ra môi trường và không gây nên sự nóng chảy, sự cân bằng nhiệt sẽ được thiết lập ở một giá trị mà không gây sự già hoá hay phá hỏng bất cứ phần tử nào của cầu chì.
• Đối với dòng điện ngắn mạch của cầu chì: Sự cân bằng trên cầu chì bị phá huỷ, nhiệt năng trên cầu chì tăng cao và dẫn đến sự phá huỷ cầu chì.

Người ta phân thành hai giai đoạn khi xảy ra sự phá huỷ cầu chì:

1.Quá trình tiền hồ quang (tp).
2.Quá trình sinh ra hồ quang (ta).

Quá trình tiền hồ quang: Giả sử tại thời điểm t0 phát sinh sự quá dòng, trong khoảng thời gian tp làm nóng chảy cầu chì và phát sinh ra hồ quang điện. Khoảng thời gian này phụ thuộc vào giá trị dòng điện tạo nên do sự cố và sự cảm biến của cầu chì.

Quá trình phát sinh hồ quang: Tại thời điểm tp hồ quang sinh ra cho đến thời điểm t0 mới dập tắt toàn bộ hồ quang. Trong suốt quá trình này, năng lượng sinh ra do hồ quang làm nóng chảy các chất làm đầy tại môi trường hồ quang sinh ra; điện áp ở hai đầu cầu chì hồi phục lại, mạch điện được ngắt ra.

Phân loại, ký hiệu, công dụng

Ký hiệu:
Cầu chì dùng trong lưới điện hạ thế có nhiều hình dạng khác nhau, trong sơ đồ nguyên lý ta thường ký hiệu cho cầu chì theo một trong các dạng sau:

Phân loại và công dụng:
Cầu chì có thể chia thành hai dạng cơ bản, tùy thuộc vào nhiệm vụ:
•Cầu chì loại g: Cầu chì dạng này có khả năng ngắt mạch khi có sự cố quá tải hay ngắn mạch xảy ra trên phụ tải.
•Cầu chì loại a: Cầu chì dạng này chỉ có khả năng bảo vệ duy nhất trạng thái ngắn mạch trên tải.

Muốn phân biệt nhiệm vụ làm việc của cầu chì, ta cần căn cứ vào đặc tuyến Ampe – giây (là đường biểu diễn mô tả mối quan hệ giữa dòng điện qua cầu chì và thời gian ngắt mạch của cầu chì). Gọi
• Icc: Giá trị dòng điện ngắn mạch
• Is: Giá trị dòng điện quá tải.

Với cầu chì loại g: Khi có dòng ICC qua mạch nó phải ngắt mạch tức thì, và khi có dòng IS qua mạch cầu chì không ngắt mạch tức thì mà duy trì một khoảng thời gian mới ngắt mạch (thời gian ngắt mạch và giá trị dòng IS tỉ lệ nghịch với nhau). Do đó nếu quan sát hai đặc tính Ampe – giây của hai loại cầu chì a và g; ta nhận thấy đặc tính Ampe – giây của cầu chì loại a nằm xa trục thời gian (trục tung) và cao hơn đặc tính Ampe – giây của cầu chì loại g.

Các thông số của cầu chì

• Điện áp định mức là giá trị điện áp hiệu dụng xoay chiều xuất hiện ở hai đầu cầu chì (khi cầu chì ngắt mạch), tần số của nguồn điện trong phạm vi 48Hz đến 62Hz..
• Dòng điện định mức là giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều mà cầu chì có thể tải liên tục thường xuyên mà không làm thay đổi đặc tính của nó.
• Dòng điện cắt cực tiểu là giá trị nhỏ nhất của dòng điện sự cố mà dây chì có khả năng ngắt mạch.
• Khả năng cắt định mức là giá trị cực đại của dòng điện ngắn mạch mà cầu chì có thể cắt.

Ứng dụng

Hệ thống cầu chì - sử dụng linh hoạt
Cầu chì ngắt mạch điện an toàn ngay khi xảy ra quá tải hoặc đoản mạch. Điều này ngăn ngừa hư hỏng thiết bị điện và giảm thời gian ngừng hoạt động. Các biến thể cụ thể của hệ thống cầu chì được sử dụng cho các ứng dụng khác nhau.

Bảo vệ cáp và đường dây (gG)

Một trong những lĩnh vực ứng dụng phổ biến nhất cho hệ thống cầu chì là bảo vệ cáp và đường dây chống quá nhiệt. Danh mục sử dụng gG đã được tiêu chuẩn hóa cho việc này. Cầu chì có loại sử dụng gG phù hợp với đặc tính thời gian / dòng điện của chúng với tải trọng tối đa cho phép của cáp cách điện. Cầu chì gG cũng bảo vệ các hệ thống và thiết bị điện và có thể được sử dụng để bảo vệ dự phòng cho RCCB, MCB, MCCB

Bảo vệ thiết bị đóng cắt trong mạch động cơ (aM)

Cầu chì đã tự chứng minh là thiết bị bảo vệ ngắn mạch đặc biệt kinh tế và đáng tin cậy trong mạch động cơ. So với các thiết bị bảo vệ khác, cầu chì có dòng và giá trị cắt thấp hơn đáng kể. Do đó, khó có phương pháp cung cấp bảo vệ ngắn mạch hợp lý hơn phù hợp với phối

hợp loại 2.

Bảo vệ chất bán dẫn (gR, aR, gS)

Cầu chì thuộc các loại sử dụng khác nhau và các thông số kỹ thuật được sử dụng để bảo vệ chất bán dẫn, tùy thuộc vào vị trí lắp đặt và mức độ bảo vệ cần thiết cho chất bán dẫn công suất được sử dụng (điốt, thyristor, GTO, IGBT, v.v.): Cầu chì sử dụng một phần phạm vi danh mục aR cung cấp khả năng bảo vệ chống đoản mạch, đồng thời cầu chì toàn dải gR và gS cũng chống quá tải. Cầu chì của loại sử dụng gS cũng đáp ứng các yêu cầu bảo vệ dây dẫn và cáp trong trường hợp quá tải, nói cách khác, chúng kết hợp bảo vệ chất bán dẫn và cáp.

Bảo vệ hệ thống năng lượng tái tạo (gPV)

Rủi ro đặc biệt đối với các hệ thống quang điện được gọi là dòng điện ngược, có thể xảy ra trong trường hợp mô-đun năng lượng mặt trời bị lỗi. Trong số các biện pháp khác, cầu chì đặc biệt với gPV đặc tính toàn dải được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu đặc trưng của hệ thống quang điện là cần thiết để bảo vệ các hệ thống đó. Điều tương tự cũng áp dụng cho các nhà máy điện gió. Trong trường hợp này, cầu chì gG thường được sử dụng, tuy nhiên, các thử nghiệm riêng biệt phải được tiến hành để xác minh sự phù hợp với các yêu cầu
đặc biệt (ví dụ: khả năng chịu điện áp mạng cao hơn)

Các loại cầu chì của Siemens

Hệ thống cầu chì Siemens hiện được phân loại theo thiết kế như sau:
• Hệ thống MINIZED
• Hệ thống NEOZED
• Hệ thống DIAZED
• Hệ thống LV HRC
• Hệ thống cầu chì hình trụ (Cylindrical fuse system)
• Hệ thống cầu chì Class J & Class CC (UL)

Hệ thống cầu chì cho thị trường IEC

NEOZED:
• Hệ thống cầu chì NEOZED được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống phân phối và điều khiển công nghiệp. Hệ thống có thể được vận hành bởi những người không phải là chuyên gia và cũng được chấp thuận để lắp đặt trong nước.
• Kết nối với các thiết bị chuyển mạch MINIZED hoặc đế cầu chì hiện đại làm bằng nhựa đúc, nó được thiết kế với bảo vệ cảm ứng và nó phù hợp cho việc chuyển đổi dòng điện không thường xuyên.
DIAZED:
• Hệ thống cầu chì DIAZED là một trong những hệ thống cầu chì lâu đời nhất trên thế giới và được phân phối rộng rãi trên thế giới IEC. Chỉ hệ thống cầu chì tiêu chuẩn lên đến 63 A có thể sử dụng bởi những người không phải chuyên gia
• Nhiều dòng sản phẩm với điện áp danh định 500 V, 690 V và 750 V lên đến 100 A có sẵn. Ngoài ra, cầu chì có điện áp DC định mức tương đối cao.
Hệ thống cầu chì cho thị trường UL
• Sử dụng cầu chì Class CC và Class J cho "bảo vệ mạch nhánh", Class: J cũng trong "mạch phân phối". Trong lĩnh vực IEC, nó chủ yếu được sử dụng trong kỹ thuật cơ khí và xây dựng nhà máy. Khi được sử dụng trong các cơ sở lắp đặt của Châu Âu, các quy định xây dựng của quốc gia tương ứng mà nhà máy sẽ được vận hành phải được tuân thủ.
• Loại khác nhau tương ứng với ứng dụng tương ứng: đặc tính trễ thời gian và đặc tính phản hồi nhanh
• Giá đỡ cầu chì Class CC và Class J lên đến 60 A để lắp trên thanh ray tiêu chuẩn, Class: J 100/200 / 400A để lắp trên tấm lắp
• Các biến thể Class CC và Class J 100/200 / 400A cho hệ thống thanh cái 60 mm

Hệ thống cầu chì hình trụ (Cylindrical fuse system):

• Cầu chì hình trụ theo tiêu chuẩn Châu Âu và thích hợp để sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp.
• Đặc tính phân bố rộng rãi (lớp hoạt động) gG bao gồm bảo vệ cáp và đường dây cũng như các ứng dụng bảo vệ chung.
• Đối với mạch động cơ, nên sử dụng cầu chì cấp hoạt động aM, vì chúng có thể dễ dàng xử lý dòng khởi động động cơ.
• Các quy định xây dựng của quốc gia tương ứng mà nhà máy được vận hành phải được tuân thủ.
• Các biến thể có bộ dò tín hiệu báo hiệu cầu chì bị lỗi. Quan trọng để khắc phục sự cố nhanh chóng

Hệ thống cầu chì LV HRC:

• Cầu chì LV HRC được tiêu chuẩn hóa trên khắp thế giới và do đó được phổ biến rộng rãi.
• Chúng được sử dụng trong các hệ thống công nghiệp, phân phối điện, thương mại và thậm chí xây dựng.
• Đặc tính phân bố rộng rãi (lớp hoạt động) gG bao gồm bảo vệ cáp và đường dây cũng như các ứng dụng bảo vệ chung.
• Đối với mạch động cơ, nên sử dụng cầu chì cấp hoạt động aM, vì chúng có thể dễ dàng xử lý dòng khởi động động cơ.
• Các cầu chì có thể hoạt động ở 400 V, 500 V hoặc 690 V, tương ứng với điện áp đường dây.
• Có các biến thể với các thiết bị chỉ thị khác nhau để phát hiện trạng thái chuyển đổi của cầu chì và với các vấu kẹp có điện áp và không có điện áp.
• Cầu chì SENTRON LV HRC có thể được sử dụng trong tất cả các bộ công tắc cầu chì SENTRON và thiết bị ngắt mạch có chứa chì

Cầu chì và các thiết bị ngắt tải

Các dòng cầu chì 3NW, 3NP và thiết bị ngắt mạch có chứa chì 3KF