Máy cắt không khí: Cách chúng hoạt động, loại và hướng dẫn lựa chọn

Máy cắt không khí là thiết bị chuyển mạch tự động làm gián đoạn dòng điện sự cố trong hệ thống điện hạ thế sử dụng không khí làm môi trường dập tắt hồ quang. Chúng là lựa chọn ưu tiên cho các ứng dụng dòng điện cao trong phân phối điện công nghiệp và thương mại, thường có định mức từ 630A đến 6300A trở lên, trong đó khả năng bảo vệ lỗi đáng tin cậy và tính linh hoạt trong vận hành là rất cần thiết. Không giống như các cầu dao kiểu vỏ đúc, cầu dao không khí có cấu hình bộ ngắt tiên tiến, khả năng lắp kéo và khả năng bảo trì trong quá trình sử dụng khiến chúng không thể thiếu trong các tổng đài chính và vị trí bộ ghép nối xe buýt.

Máy cắt không khí hoạt động như thế nào

Khi xảy ra lỗi hoặc quá tải, bộ ngắt sẽ phát tín hiệu cho cơ cấu vận hành để tách các tiếp điểm. Vòng cung kết quả giữa các tiếp điểm được kéo vào một cụm máng hồ quang, tại đó nó được chia thành các vòng cung nhỏ hơn bằng một loạt các tấm chia kim loại. Quá trình này làm tăng nhanh điện áp hồ quang cho đến khi vượt quá điện áp hệ thống, dập tắt hồ quang trong vòng một phần nghìn giây.

Toàn bộ sự gián đoạn xảy ra ngoài trời, đó là lý do tại sao các thiết bị này được gọi là cầu dao không khí. Các thiết bị hiện đại có thể ngắt dòng điện sự cố từ 85 kA trở lên ở điện áp xoay chiều 690V, khiến chúng phù hợp với các môi trường phân phối điện áp thấp đòi hỏi khắt khe nhất.

Các thành phần chính bên trong máy cắt không khí

• Các tiếp điểm chính và các tiếp điểm hồ quang tách ra trong điều kiện lỗi
• Máng hồ quang với các tấm deion hoặc cuộn dây thổi từ để dập hồ quang
• Cơ chế vận hành lò xo tích trữ năng lượng cho tốc độ đóng mở ổn định
• Bộ ngắt điện dựa trên rơle điện tử hoặc điện tử để phát hiện quá tải và ngắn mạch
• Bàn trượt có thể kéo ra để cách ly và bảo trì an toàn mà không cần ngắt điện thanh cái

Máy cắt không khí và các loại máy cắt điện áp thấp khác

Hiểu được vị trí phù hợp của máy cắt không khí so với các công nghệ khác giúp các kỹ sư lựa chọn thiết bị phù hợp cho từng vị trí trong hệ thống phân phối.

Đối với bộ cấp nguồn đầu vào 2000A trong trung tâm dữ liệu lớn hoặc nhà máy sản xuất, bộ ngắt mạch không khí hầu như luôn là lựa chọn chính xác. Đối với mạch chiếu sáng cấp nguồn cho bảng phân phối phụ 250A, cầu dao vỏ đúc sẽ phù hợp và tiết kiệm hơn.

Chức năng của đơn vị chuyến đi và cài đặt bảo vệ

Bộ ngắt mạch là bộ phận thông minh của máy cắt không khí. Bộ ngắt điện tử hiện đại kết hợp tối đa bảy chức năng bảo vệ độc lập trong một mô-đun lập trình duy nhất , giúp các kỹ sư kiểm soát chính xác tính chọn lọc của hệ thống và phân biệt lỗi.

Chức năng bảo vệ tiêu chuẩn

• Lâu dài (L): Bảo vệ quá tải bằng bộ thu dòng điện có thể điều chỉnh (thường từ 0,4 đến 1,0 lần dòng định mức) và độ trễ nghịch đảo thời gian để cho phép khởi động động cơ đột ngột.
• Thời gian ngắn (S): Bảo vệ ngắn mạch trễ được sử dụng để đạt được sự phối hợp có chọn lọc với các thiết bị hạ lưu. Dải trễ dao động từ 100ms đến 500ms.
• Tức thời (I): Ngắt không trễ đối với dòng điện sự cố rất cao, bảo vệ thanh cái và hệ thống cáp khỏi hư hỏng về nhiệt và cơ học trong vòng nửa chu kỳ.
• Lỗi chạm đất (G): Phát hiện dòng rò xuống đất, bảo vệ thiết bị và con người. Pickup thường được đặt ở mức 20% đến 100% dòng điện định mức.
• Bảo vệ trung tính (N): Đảm bảo dây trung tính được bảo vệ tương xứng trong cấu hình bốn cực.

Chức năng đo sáng và báo động nâng cao

Các thiết bị chuyến đi có thông số kỹ thuật cao hơn vượt xa khả năng bảo vệ. Chúng đo dòng điện theo thời gian thực trên mỗi pha, điện áp, hệ số công suất, mức tiêu thụ năng lượng và độ méo sóng hài. Một số thiết bị ghi lại các sự kiện ngắt điện bằng dấu thời gian và cường độ dòng điện sự cố, cho phép phân tích nguyên nhân gốc rễ sau khi xảy ra lỗi. Dữ liệu này có thể được truyền đến hệ thống quản lý tòa nhà hoặc nền tảng SCADA thông qua các giao thức truyền thông kỹ thuật số như Modbus RTU hoặc IEC 61850.

Phối hợp chọn lọc với máy cắt không khí

Phối hợp có chọn lọc có nghĩa là chỉ có thiết bị bảo vệ ngay phía trước sự cố hoạt động, khiến phần còn lại của hệ thống được cấp điện. Đạt được tính chọn lọc hoàn toàn trong hệ thống phân phối theo cấp độ là một trong những lý do chính khiến các kỹ sư chỉ định cầu dao không khí ở đầu hệ thống phân cấp bảo vệ.

Hãy xem xét một hệ thống ba cấp độ: bộ ngắt mạch không khí đầu vào ở 4000A, bộ ngắt mạch không khí phân phối phụ ở 1600A và bộ ngắt mạch vỏ đúc ở 400A. Bằng cách đặt thiết bị 4000A có độ trễ thời gian ngắn 400ms, thiết bị 1600A có độ trễ 200ms và thiết bị 400A có độ trễ 100ms hoặc ngắt tức thời, lỗi trên mạch cuối cùng sẽ được thiết bị 400A xóa mà không làm ảnh hưởng đến mức 1600A hoặc 4000A. Đây là sự chọn lọc thời điểm hiện tại trong thực tế.

Để phương pháp này hoạt động, mỗi máy cắt không khí phải có định mức dòng điện chịu được trong thời gian ngắn bằng hoặc lớn hơn dòng điện sự cố dự kiến ​​tại vị trí của nó. Xếp hạng của 50 kA trong 200ms hoặc 85 kA trong 100ms là các thông số kỹ thuật chung cho các bảng phân phối chính được cấp điện từ các máy biến áp lớn.

Rút ra và gắn cố định

Máy cắt không khí có hai cấu hình lắp đặt cơ bản, mỗi cấu hình có những ưu điểm vận hành riêng biệt.

Cấu hình rút tiền (Có thể rút tiền)

Máy cắt được lắp trên giá đỡ với ba vị trí: đã nối, kiểm tra và ngắt kết nối. Ở vị trí kiểm tra, các mạch điều khiển vẫn được cấp điện nhưng các tiếp điểm nguồn chính bị cô lập. Điều này cho phép kiểm tra rơle và kiểm tra chức năng mà không cần ngắt điện thanh cái phía trên. Ở vị trí ngắt kết nối, thiết bị có thể được tháo ra khỏi tủ để kiểm tra hoặc thay thế tiếp điểm. Việc lắp đặt bằng dây rút là phương pháp tiêu chuẩn dành cho các máy cắt đầu vào cung cấp tải trọng tới hạn khi thời gian ngừng hoạt động là không thể chấp nhận được.

Cấu hình cố định

Máy cắt được bắt vít trực tiếp vào thanh cái của tổng đài. Sự sắp xếp này đơn giản và gọn hơn nhưng yêu cầu phải cách ly nguồn cung cấp ngược dòng trước khi bắt đầu bất kỳ công việc bảo trì nào. Việc lắp cố định có thể chấp nhận được đối với các bộ cấp nguồn ra có mức độ quan trọng thấp hơn hoặc trong các ứng dụng mà việc giảm chi phí vốn là ưu tiên hàng đầu.

Ứng dụng điển hình theo ngành

Máy cắt không khí xuất hiện ở hầu hết mọi lĩnh vực phụ thuộc vào phân phối điện áp thấp dòng điện cao. Dưới đây là các trường hợp sử dụng phổ biến với các yêu cầu cụ thể dẫn đến lựa chọn của họ.

Trung tâm dữ liệu

Các cầu dao chính ở phía hạ lưu của bảng điện hạ thế của máy biến áp 2000 kVA hoặc lớn hơn thường hoạt động ở mức 3200A đến 4000A. Gắn rút ra và phối hợp chọn lọc đầy đủ là bắt buộc. Đo năng lượng thông qua bộ phận chuyến đi hỗ trợ báo cáo hiệu quả sử dụng năng lượng.

Sản xuất công nghiệp

Các trung tâm điều khiển động cơ và bảng phân phối máy công cụ sử dụng bộ ngắt mạch không khí ở vị trí đầu vào để bảo vệ khỏi các lỗi ở đầu nguồn và cung cấp điểm cách ly thủ công. Ví dụ: một thiết bị 1600A cấp điện cho một phần của dây chuyền sản xuất phải chịu được dòng khởi động động cơ lặp đi lặp lại từ sáu đến mười lần tải đầy đủ mà không bị vấp ngã, điều mà các cài đặt thu và trễ trong thời gian dài đáp ứng chính xác.

Bệnh viện và cơ sở chăm sóc sức khỏe

Sự liên tục của nguồn điện trong các khu vực chăm sóc quan trọng là một yêu cầu an toàn cho bệnh nhân. Bộ ngắt mạch không khí với khóa liên động chọn lọc vùng cho phép các thiết bị đầu nguồn và hạ nguồn giao tiếp trực tiếp. Khi cầu dao hạ nguồn phát hiện ra lỗi, nó sẽ báo hiệu cho cầu dao không khí phía thượng lưu trì hoãn chuyến đi, đảm bảo lỗi được loại bỏ càng gần nguồn càng tốt trong khi vẫn duy trì nguồn cung cấp cho các phần khác của bảng mạch. Điều này làm giảm sự mất điện không cần thiết của các mạch an toàn cuộc sống.

Trạm biến áp năng lượng tái tạo và tiện ích

Các trang trại năng lượng mặt trời và hệ thống thu gom tuabin gió quy mô lớn sử dụng bộ ngắt mạch không khí ở đầu ra điện áp thấp của máy biến áp biến tần. Phiên bản bốn cực bảo vệ cả dây pha và dây trung tính, điều này rất quan trọng trong các hệ thống cách ly máy biến áp nơi mà sự dịch chuyển trung tính có thể xảy ra khi có sự cố chạm đất.

Xếp hạng và tiêu chuẩn chính cần kiểm tra trước khi chỉ định

Việc chọn một bộ ngắt mạch không khí yêu cầu phải xác minh một số giá trị định mức so với yêu cầu của hệ thống. Việc bỏ qua bất kỳ điều nào trong số này có thể dẫn đến hư hỏng thiết bị hoặc không thể khắc phục lỗi.

1. Khả năng cắt ngắn mạch tối đa định mức (Icu): Dòng điện sự cố tối đa mà máy cắt có thể ngắt một lần. Phải vượt quá dòng ngắn mạch dự kiến ​​tại điểm lắp đặt.
2. Công suất cắt ngắn mạch định mức của dịch vụ (Ics): Dòng điện sự cố của cầu dao có thể bị gián đoạn nhiều lần. Thường được biểu thị bằng phần trăm Icu, thường là 100% đối với máy cắt không khí dành cho hoạt động lặp lại.
3. Dòng chịu đựng ngắn hạn định mức (Icw): Dòng điện sự cố mà máy cắt có thể mang trong một khoảng thời gian xác định mà không bị vấp hoặc hư hỏng, rất quan trọng đối với các tính toán phối hợp có chọn lọc.
4. Điện áp định mức: Phải bằng hoặc vượt quá điện áp danh định của hệ thống, thường là 400V, 415V, 440V hoặc 690V AC.
5. Tần số định mức: 50 Hz hoặc 60 Hz; xác nhận xem hệ thống lắp đặt có nằm trong mạch đầu ra dẫn động tần số thay đổi hay không, nơi có thể áp dụng giảm công suất.
6. Tiêu chuẩn áp dụng: IEC 60947-2 quản lý các bộ ngắt mạch điện áp thấp và xác định quy trình thử nghiệm cho tất cả các xếp hạng trên. Một số thị trường cũng yêu cầu tuân thủ UL 1066 đối với cầu dao không khí được sử dụng trong các tấm pin ở Bắc Mỹ.

Khoảng thời gian bảo trì và các chỉ số hao mòn tiếp xúc

Máy cắt không khí yêu cầu bảo trì định kỳ để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy trong suốt thời gian sử dụng có thể kéo dài từ 20 đến 30 năm. Hầu hết các nhà sản xuất đều khuyến nghị kiểm tra bảo trì 12 tháng một lần hoặc sau một số chu kỳ vận hành được chỉ định, tùy theo điều kiện nào đến trước. Xếp hạng bảo trì phổ biến là 10.000 hoạt động cơ học và 2.000 hoạt động điện ở dòng điện định mức.

Nội dung kiểm tra bảo trì định kỳ bao gồm những gì

• Kiểm tra trực quan các điểm tiếp xúc chính xem có vết rỗ, xói mòn hoặc cặn cacbon; thay thế tiếp điểm khi chỉ báo độ mòn đạt đến độ dày tối thiểu được đánh dấu trên cụm tiếp điểm
• Làm sạch và bôi trơn cơ cấu vận hành và ray xe kéo bằng mỡ điện môi thích hợp
• Kiểm tra bộ ngắt bằng cách phun sơ cấp hoặc phun thứ cấp để xác minh cài đặt lấy hàng và thời gian trễ nằm trong phạm vi dung sai, thường cộng hoặc trừ 10%
• Kiểm tra máng hồ quang xem có tích tụ cacbon không và thay thế các tấm deion nếu bị xói mòn nặng
• Kiểm tra mô-men xoắn trên tất cả các đầu thanh cái và cáp để ngăn chặn các mối nối có điện trở cao gây ra quá nhiệt

Quét nhiệt độ hồng ngoại trong quá trình hoạt động bình thường là một kỹ thuật bổ sung có giá trị. Nhiệt độ tăng hơn 10 độ C so với các thiết bị đầu cuối lân cận cùng pha cho thấy lỗi đang phát triển ở kết nối, cho phép hành động khắc phục trước khi xảy ra lỗi.

Khóa liên động chọn lọc vùng để giải quyết lỗi nhanh hơn

Khóa liên động chọn lọc vùng, thường được viết tắt là ZSI, là sơ đồ liên lạc nối dây cứng giữa các máy cắt không khí trong cùng một bảng phân phối hoặc giữa máy cắt chính và các bộ cấp nguồn của nó. Khi xảy ra lỗi, máy cắt gần lỗi nhất sẽ gửi tín hiệu hạn chế đến thiết bị phía nguồn. Máy cắt ngược dòng, nhận được tín hiệu hạn chế, biết rằng nó không phải là thiết bị gần nhất với sự cố và giữ độ trễ trong thời gian ngắn. Bộ ngắt hạ lưu sẽ xóa lỗi ở cài đặt nhanh nhất mà không cần chờ đến độ trễ hoàn toàn. Nếu bộ ngắt dòng hạ lưu không giải quyết được lỗi trong khoảng thời gian đặt trước, thường là 80ms đến 100ms, thì bộ ngắt dòng ngược dòng sẽ ghi đè hạn chế và ngắt.

ZSI kết hợp tốc độ ngắt tức thời với tính chọn lọc của phối hợp trễ thời gian , giảm năng lượng phóng điện hồ quang ở các tấm phía sau trong khi vẫn đảm bảo tính liên tục của nguồn cung cấp ở bo mạch chính. Điều này làm cho nó đặc biệt có giá trị trong các bệnh viện, nhà máy bán dẫn và các cơ sở khác, nơi cả sự an toàn và tính liên tục đều không thể thương lượng được.

Những sai lầm về kích thước phổ biến và cách tránh chúng

Ngay cả những kỹ sư giàu kinh nghiệm đôi khi cũng mắc lỗi trong việc lựa chọn máy cắt không khí. Sau đây là những vấn đề về kích thước thường gặp nhất.

Đánh giá thấp dòng điện ngắn mạch tiềm năng

Dòng điện sự cố dự kiến tại bảng điện chính được cấp điện bằng máy biến áp 2500 kVA ở điện áp 400V với trở kháng 6% là xấp xỉ 60 kA . Việc chỉ định một cầu dao có Icu chỉ 50 kA sẽ là một sự đánh giá thấp nguy hiểm. Luôn tính toán mức đóng góp lỗi tối đa bao gồm mọi máy phát điện được kết nối hoặc dàn tụ điện lớn.

Bỏ qua việc giảm công suất cho nhiệt độ môi trường xung quanh

Bộ ngắt mạch không khí được đánh giá ở nhiệt độ xung quanh 40 độ C bên trong vỏ bọc. Trong các phòng chuyển mạch ngoài trời hoặc vùng khí hậu nhiệt đới nơi nhiệt độ vỏ bọc thường xuyên đạt tới 55 độ C, định mức dòng điện liên tục phải được giảm xuống, thường từ 8% đến 12% tùy thuộc vào kiểu máy. Việc không áp dụng mức giảm này sẽ dẫn đến hao mòn tiếp điểm nhanh hơn và các chuyến đi dài ngày giả mạo.

Chọn cách lắp cố định cho bộ nạp quan trọng

Việc chỉ định cầu dao gắn cố định để tiết kiệm chi phí cho thiết bị thu nhập quan trọng có nghĩa là bất kỳ hoạt động bảo trì hoặc thay thế nào đều yêu cầu tắt hoàn toàn bảng phân phối hạ lưu. Đối với một máy cấp liệu phục vụ một dây chuyền sản xuất hoạt động suốt ngày đêm, chi phí cho một lần ngừng hoạt động ngoài kế hoạch sẽ vượt xa mức chênh lệch giá giữa lắp cố định và lắp kéo.