Máy cắt không khí là gì và làm thế nào để bạn chọn đúng?

Máy cắt không khí là gì và nó hoạt động như thế nào

Một máy cắt không khí (ACB) là một loại thiết bị bảo vệ điện được thiết kế để mang, chuyển mạch và bảo vệ các mạch điện khỏi quá tải, đoản mạch và sự cố chạm đất trong hệ thống phân phối điện hạ áp - điển hình là các hệ thống hoạt động ở điện áp lên đến 1000V AC hoặc 1500V DC. Không giống như các cầu dao vỏ đúc (MCCB), là các bộ phận kín có khả năng điều chỉnh hạn chế, ACB là thiết bị khung mở được chế tạo cho các ứng dụng có dòng điện cao từ 630A đến 6300A, cung cấp một loạt các chức năng bảo vệ có thể điều chỉnh được và khả năng bảo dưỡng, bảo trì tại hiện trường mà không cần thay thế.

Nguyên lý hoạt động của máy cắt không khí dựa vào không khí làm môi trường dập tắt hồ quang. Khi máy cắt hoạt động trong điều kiện có sự cố, các tiếp điểm của nó tách ra và tạo thành hồ quang điện giữa chúng. Máng hồ quang của ACB - một loạt các tấm kim loại được bố trí để phân chia, làm mát và dập tắt hồ quang - dập tắt hồ quang này một cách nhanh chóng bằng cách kéo dài hồ quang, tăng điện áp rơi và tiêu tán năng lượng nhiệt cho đến khi dòng điện ngừng chạy. Sự gián đoạn hồ quang trong không khí này giúp phân biệt ACB với máy cắt chân không (làm gián đoạn hồ quang trong máy cắt chân không) và máy cắt SF₆ (sử dụng khí lưu huỳnh hexafluoride), khiến ACB trở thành công nghệ ưa thích cho các ứng dụng phân phối chính điện áp thấp, có thể bảo trì, dễ tiếp cận.

Máy cắt không khí hiện đại được trang bị một đơn vị chuyến đi điện tử (ETU) — một rơle bảo vệ dựa trên bộ vi xử lý được tích hợp trong máy cắt — liên tục theo dõi dòng điện trên tất cả các pha và trung tính, đồng thời thực hiện các quyết định cắt dựa trên các đường cong bảo vệ được lập trình chính xác. ETU thay thế các cơ chế ngắt nhiệt-từ cũ hơn bằng độ chính xác kỹ thuật số, cung cấp các đường cong dòng thời gian có thể được điều chỉnh mà không cần thay thế các bộ phận, đo và ghi dòng điện theo thời gian thực cũng như các giao diện truyền thông để tích hợp vào hệ thống SCADA và quản lý tòa nhà.

Các thành phần chính bên trong máy cắt không khí

Hiểu được cấu trúc bên trong của ACB giúp các kỹ sư chỉ định, vận hành và bảo trì các thiết bị này một cách chính xác. Các bộ phận chức năng chính trong một máy cắt không khí điển hình là:

• Liên hệ chính: Đầu tiếp xúc bằng hợp kim bạc hoặc đồng-vonfram mang dòng điện đầy tải liên tục. Hình dạng tiếp xúc được thiết kế để chịu được lực điện động được tạo ra bởi dòng điện ngắn mạch cao mà không cần hàn hoặc xói mòn quá mức.
• Tiếp điểm hồ quang: Một bộ tiếp điểm riêng biệt tạo ra trước và ngắt sau các tiếp điểm chính, đảm bảo rằng hiện tượng ăn mòn hồ quang xảy ra trên các đầu hồ quang hy sinh thay vì trên các bề mặt mang dòng điện chính. Thiết kế này kéo dài đáng kể tuổi thọ hoạt động của máy cắt.
• Lắp ráp máng hồ quang: Các tấm Deion - thường là hợp kim thép hoặc đồng - được sắp xếp thành chồng phía trên mỗi cặp tiếp điểm. Hồ quang được dẫn vào máng bằng lực thổi từ, được chia thành nhiều hồ quang ngắn nối tiếp, làm lạnh nhanh và dập tắt. Thiết kế máng hồ quang là yếu tố chính quyết định khả năng phá vỡ của ACB.
• Cơ chế vận hành: Một cơ cấu lò xo năng lượng dự trữ sạc bằng tay hoặc thông qua động cơ điện, sau đó giải phóng năng lượng ngay lập tức để mở hoặc đóng các tiếp điểm. Thiết kế năng lượng lưu trữ đảm bảo tốc độ tách tiếp điểm không phụ thuộc vào nỗ lực của người vận hành hoặc điện áp điều khiển, mang lại hiệu suất ngắt hồ quang ổn định.
• Đơn vị chuyến đi điện tử (ETU): Mô-đun bảo vệ kỹ thuật số chứa máy biến dòng, mạch xử lý tín hiệu và các chức năng bảo vệ có thể lập trình. ETU trong ACB hiện đại đo dòng điện RMS thực, phát hiện chính xác các dạng sóng hài và cung cấp khả năng bảo vệ sự cố chạm đất trong thời gian dài, ngắn, tức thời và chạm đất theo tiêu chuẩn, với rò rỉ đất tùy chọn, khóa liên động chọn vùng (ZSI) và mô-đun phát hiện hồ quang điện.
• Cơ chế rút tiền (đối với loại rút tiền): Một cụm giá đỡ cho phép ACB được rút khỏi giá đỡ đến các vị trí cách ly, kiểm tra hoặc tháo ra mà không ngắt điện thanh cái, cho phép bảo trì và kiểm tra trực tiếp máy cắt mà không cần tắt bảng phân phối.

Các loại máy cắt không khí và cấu hình lắp đặt của chúng

Bộ ngắt mạch không khí có hai cấu hình lắp đặt chính - cố định và có thể rút ra - mỗi cấu hình phù hợp với các yêu cầu vận hành và bảo trì khác nhau.

Máy cắt không khí cố định

Các ACB cố định được bắt vít trực tiếp vào thanh cái của tổng đài và không thể tháo ra khỏi vị trí lắp đặt nếu không ngắt điện và ngắt nguồn điện. Chúng là lựa chọn có chi phí thấp hơn và thích hợp cho việc lắp đặt ở những nơi mà cầu dao ít có khả năng yêu cầu bảo trì hoặc thay thế thường xuyên hoặc ở những nơi có thể ngừng cung cấp điện để bảo trì mà không ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động. ACB cố định thường được sử dụng làm bộ ngắt nguồn chính trong các cơ sở lắp đặt công nghiệp và thương mại nhỏ hơn cũng như làm bộ cấp nguồn ra trong các bảng phân phối có độ phức tạp trung bình.

Máy cắt không khí có thể rút ra (Drawout)

Các ACB có thể rút ra được gắn trong một giá đỡ kết nối với các thanh cái thông qua các tiếp điểm cách ly. Bộ ngắt có thể được đặt ở một vị trí cách ly — ngắt kết nối nó khỏi thanh cái trong khi vẫn để thanh cái có điện — hoặc tháo hoàn toàn khỏi bảng điều khiển để kiểm tra, thử nghiệm hoặc thay thế. Cấu hình này rất cần thiết cho cơ sở hạ tầng điện quan trọng, nơi việc cung cấp liên tục là tối quan trọng, bao gồm hệ thống phân phối điện chính của bệnh viện, hệ thống điện trung tâm dữ liệu, nhà máy xử lý công nghiệp và trạm biến áp tiện ích. Khả năng thực hiện bảo trì định kỳ, kiểm tra bộ ngắt và thay thế cầu dao mà không bị gián đoạn nguồn cung cấp mang lại những lợi thế vận hành đáng kể giúp chứng minh chi phí vốn cao hơn của thiết kế có thể rút ra được.

Định hướng gắn ngang và dọc

Hầu hết các ACB được thiết kế để lắp ngang với dòng điện chạy từ dưới lên trên (hướng tiêu chuẩn), nhưng có sẵn các biến thể lắp dọc để lắp đặt ở những nơi hạn chế về không gian bảng điều khiển yêu cầu đặt cầu dao ở vị trí khác. Điều quan trọng là phải xác định và lắp đặt ACB theo hướng mà chúng được xếp hạng - việc lắp ACB lộn ngược hoặc ở một góc không xác định sẽ làm thay đổi khả năng dẫn hồ quang lên trên các tấm deion của máng hồ quang, có khả năng làm giảm khả năng cắt và tăng thời gian hồ quang.

Tìm hiểu xếp hạng của ACB: Dòng điện, điện áp và công suất cắt

Việc giải thích và áp dụng chính xác xếp hạng của ACB là nền tảng để lắp đặt an toàn và tuân thủ. Bảng sau đây tóm tắt các thông số đánh giá chính và ý nghĩa thực tế của chúng:

các dòng chịu đựng ngắn hạn (Icw) là một đánh giá đặc biệt quan trọng đối với các ACB thu nhập chính trong các hệ thống sử dụng khóa liên động chọn lọc vùng. Trong sơ đồ ZSI, ACB thu nhập cố tình trì hoãn phản hồi chuyến đi của mình để cho phép ACB phân tuyến hạ lưu khắc phục lỗi trước, giúp hệ thống phân phối tiếp tục hoạt động. Độ trễ này có nghĩa là thiết bị thu phải chịu được toàn bộ dòng điện sự cố trong suốt thời gian ngắt của thiết bị hạ lưu - thường là 100–400 mili giây - mà không bị hỏng. Do đó, các ACB có xếp hạng Icw cao rất cần thiết cho việc phân biệt đối xử trong các hệ thống phân phối đa tầng phức tạp.

Chức năng bảo vệ được cung cấp bởi Bộ chuyến đi điện tử

các electronic trip unit is the intelligence of a modern air circuit breaker, and understanding its protection functions is essential to commissioning an ACB correctly for the load and system it protects.

Bảo vệ thời gian dài (Quá tải)

các long-time protection function (designated tôi cho cài đặt hiện tại và tr đối với độ trễ thời gian) cung cấp khả năng bảo vệ quá dòng ngược thời gian chống lại tình trạng quá tải kéo dài. Ngưỡng dòng điện ngắt Ir được đặt bằng bội số của dòng điện định mức của ETU (thường có thể điều chỉnh từ 0,4×In đến 1,0×In) và thời gian trễ tr xác định thời gian quá tải phải tồn tại trước khi ngắt. Chức năng này được mô hình hóa về mặt nhiệt — có thể chịu được tình trạng quá tải ngắn hạn đến 1,2×Ir trong vài phút, trong khi tình trạng quá tải nặng ở mức 6×Ir sẽ xảy ra trong vài giây, phản ánh chặt chẽ đường cong hư hỏng do nhiệt của cáp và thiết bị được kết nối.

Bảo vệ thời gian ngắn

Bảo vệ trong thời gian ngắn ( Isd và tsd ) cung cấp ngắt quá dòng theo thời gian xác định đối với dòng điện sự cố trên ngưỡng quá tải nhưng dưới ngưỡng tức thời. Thời gian trễ có chủ ý tsd (thường là 0,1–0,4 giây, có thể lựa chọn) cho phép các thiết bị bảo vệ hạ lưu hoạt động trước, duy trì nguồn cung cấp cho các mạch khỏe mạnh trong khi mạch bị lỗi được cách ly. Chức năng này là cơ sở của sự phân biệt (chọn lọc) trong các hệ thống phân phối theo tầng.

Bảo vệ tức thời

các instantaneous function ( tôi ) ngắt ACB mà không có độ trễ có chủ ý khi dòng điện vượt quá ngưỡng rất cao — thường là 2×In đến 15×In — cho biết lỗi bắt vít cần được khắc phục ngay lập tức để bảo vệ thanh cái và thiết bị được kết nối khỏi hư hỏng điện động và nhiệt. Trên các thiết bị thu chính trong sơ đồ ZSI, chức năng tức thời có thể bị vô hiệu hóa để tất cả việc loại bỏ dòng điện lỗi cao được xử lý bằng bộ ngắt nguồn; trên ACB trung chuyển, tính năng bảo vệ tức thời cung cấp biện pháp dừng cuối cùng nếu chức năng thời gian ngắn không khắc phục được lỗi.

Bảo vệ sự cố chạm đất và rò rỉ đất

Bảo vệ lỗi nối đất giám sát dòng điện dư (tổng vectơ của tất cả các dòng pha và dòng trung tính) và ngắt khi phát hiện dòng điện chạm đất trên ngưỡng đã đặt. Trong hệ thống 3 dây, phương pháp cân bằng lõi sử dụng CT ba pha cung cấp khả năng phát hiện lỗi chạm đất cơ bản. Trong hệ thống 4 dây có CT trung tính, có thể đo dòng dư nhạy hơn. Các mô-đun rò rỉ đất tùy chọn mở rộng độ nhạy lỗi chạm đất xuống 300 mA hoặc thấp hơn để bảo vệ nhân viên trong môi trường có rủi ro cao, đáp ứng các yêu cầu của IEC 60947-2 và các quy định nối dây địa phương.

Cách chọn máy cắt khí phù hợp cho hệ thống của bạn

Việc lựa chọn máy cắt không khí đòi hỏi phải đánh giá một cách có hệ thống các thông số của hệ thống điện, yêu cầu bảo vệ và các hạn chế vận hành. Thực hiện theo các bước sau để tạo ra một thông số kỹ thuật ACB hoàn chỉnh và có thể bảo vệ được:

• Xác định dòng điện định mức (In): Tính dòng điện đầy tải của mạch mà ACB sẽ bảo vệ. Chọn một ACB có dòng điện định mức bằng hoặc lớn hơn dòng điện đầy tải, sau đó đặt ngưỡng dòng điện dài hạn Ir của ETU để phù hợp với dòng điện thiết kế của mạch. Không chỉ chọn ACB lớn nhất hiện có — dòng điện định mức quá lớn sẽ làm giảm độ nhạy bảo vệ cho cáp và thiết bị được kết nối.
• Xác minh dòng ngắn mạch kỳ vọng (PSCC): Tính toán hoặc đo dòng điện sự cố tối đa hiện có tại điểm lắp đặt của ACB. Dung lượng ngắt dịch vụ (Ics) của ACB phải bằng hoặc vượt quá giá trị này. Đối với các ứng dụng thu nhập chính, cũng xác nhận rằng xếp hạng Icw của ACB vượt quá PSCC trong khoảng thời gian mà chương trình ZSI yêu cầu.
• Xác nhận điện áp hệ thống: Xác minh rằng điện áp định mức (Ue) của ACB bằng hoặc vượt quá điện áp danh định của hệ thống, bao gồm mọi dung sai điện áp do cơ quan cung cấp điện quy định.
• Chọn cấu hình cố định hoặc có thể rút: Đánh giá mức độ quan trọng của mạch và chiến lược bảo trì. Các ACB có thể rút được được khuyến nghị cho tất cả người nhập cảnh và người ghép nối xe buýt tại các cơ sở quan trọng. ACB cố định có thể được chấp nhận đối với các vị trí trung chuyển đi trong các ứng dụng có mức độ quan trọng thấp hơn.
• Chỉ định chức năng ETU và giao diện truyền thông: Xác nhận các chức năng bảo vệ nào được yêu cầu — đặc biệt là độ nhạy lỗi chạm đất, rò rỉ đất và khả năng tương thích ZSI — và liệu ETU có phải giao tiếp qua Modbus, Profibus, PROFINET hoặc giao thức fieldbus khác để tích hợp vào hệ thống quản lý tòa nhà hoặc nhà máy hay không.
• Xác minh sự phân biệt đối xử với các thiết bị ngược dòng và hạ lưu: Sử dụng phần mềm đường cong thời gian-dòng điện của nhà sản xuất để xác nhận rằng ACB đã chọn phối hợp chính xác với các thiết bị bên trên và bên dưới nó trong hệ thống phân cấp bảo vệ, cung cấp khả năng chọn lọc trên toàn bộ các mức dòng điện sự cố từ PSCC tối thiểu đến tối đa.

Cầu dao không khí đại diện cho cấp cao nhất của công nghệ bảo vệ mạch điện áp thấp, kết hợp thiết kế cơ khí mạnh mẽ, bảo vệ kỹ thuật số tinh vi và khả năng giao tiếp tiên tiến trong một thiết bị duy nhất. Việc chỉ định chúng một cách chính xác — với định mức dòng điện, công suất ngắt, cấu hình ETU và định dạng cài đặt phù hợp — đảm bảo rằng hệ thống phân phối mà chúng bảo vệ mang lại sự an toàn, độ tin cậy và khả năng bảo trì mà cơ sở hạ tầng điện quan trọng yêu cầu trong suốt thời gian hoạt động của nó.