MCB hoạt động như thế nào? Bên trong quá trình ngắt và hồ quang

MCB sử dụng một dải lưỡng kim để phát hiện tình trạng quá tải kéo dài và một bộ nhả điện từ để phát hiện dòng điện quá mức cao trong phạm vi tác động tức thời. Cả hai bộ nhả đều có thể mở khóa cơ cấu lò xo để tách các tiếp điểm. Hồ quang hình thành khi các tiếp điểm tách rời, và hệ thống kiểm soát hồ quang phải dập tắt nó trước khi khe hở tiếp điểm có thể chịu được điện áp phục hồi một cách an toàn.

Bài viết này chủ yếu mô tả các MCB từ nhiệt giới hạn dòng điện cho mạch xoay chiều (AC) trong bối cảnh tiêu chuẩn IEC 60898-1. Cấu tạo, cách bố trí cực, yêu cầu về cực tính, kiểm soát hồ quang và đặc tính ngắt của MCB định mức cho dòng điện một chiều (DC) phải được xác minh riêng biệt dựa trên tài liệu kỹ thuật của sản phẩm.

Một MCB không ngắt lỗi chỉ đơn thuần vì cơ cấu của nó đã nhả hoặc các tiếp điểm đã bắt đầu mở. Toàn bộ quá trình phụ thuộc vào sự kiện:

Quá tải duy trì: nhả nhiệt → nhả chốt → tách tiếp điểm → dập hồ quang → dòng điện xoay chiều về không tự nhiên → phục hồi điện môi.
Dòng ngắn mạch cao: nhả từ tính → tách tiếp điểm nhanh → tăng áp hồ quang → dòng điện đỉnh và Tôi²t giới hạn → dòng điện về không → phục hồi điện môi.

Hai bộ phận phát hiện này bao phủ các thang thời gian rất khác nhau, nhưng cả hai đều tác động lên cùng một cơ cấu ngắt. Việc mở các tiếp điểm chỉ là bước khởi đầu: sau đó thiết bị đóng cắt phải kiểm soát hồ quang và ngắt dòng điện trong phạm vi định mức đã công bố.

Bài viết này xem xét quá trình nội bộ đó. Để biết định nghĩa rộng hơn, công dụng, thông số định mức và so sánh thiết bị, hãy bắt đầu với Bộ Ngắt Mạch Thu Nhỏ (MCB) Là Gì?. Để đưa ra quyết định về kích thước mạch thực tế, hãy sử dụng Hướng dẫn chọn MCB chuyên dụng.

Trình tự vận hành hoàn chỉnh

Hoạt động của một MCB từ nhiệt AC điển hình có thể được chia thành bảy giai đoạn chức năng.

Sân khấu	Sự kiện vật lý	Các thành phần chính	Thang thời gian chủ đạo
1. Truyền dẫn	Dòng điện định mức chạy qua đường dẫn dòng điện chính đang đóng	Các đầu nối, đường dẫn điện, cuộn dây, lưỡng kim, các tiếp điểm	Liên tục
2. Phát hiện	Quá tải kéo dài làm nóng thanh lưỡng kim, hoặc dòng quá tải cao tạo ra lực từ	Bộ nhả nhiệt và điện từ	Từ vài giây đến vài giờ đối với quá tải thấp; vài mili giây trong vùng tác động tức thời
3. Nhả (Trip)	Bộ phận phát hiện tác động vào thanh nhả hoặc chốt cài	Lưỡng kim hoặc phần ứng, thanh nhả, chốt cài	Phụ thuộc vào cơ cấu
4. Tách rời	Năng lượng cơ học được tích trữ giúp đẩy tiếp điểm động ra xa khỏi tiếp điểm tĩnh	Cần gạt, lò xo, tay đòn tiếp điểm động	Dưới một chu kỳ; phụ thuộc vào sản phẩm
5. Định hình và kiểm soát hồ quang	Dòng điện chuyển từ cầu tiếp điểm kim loại cuối cùng sang đường dẫn khí ion hóa; hồ quang di chuyển ra xa khỏi các tiếp điểm chính	Tiếp điểm, đường dẫn hồ quang, từ trường, dòng áp suất	Phụ thuộc vào sự kiện và sản phẩm
6. Ngắt	Trong quá trình ngắt quá tải thông thường, hồ quang được kiểm soát cho đến khi dòng điện xoay chiều về không. Trong trường hợp ngắn mạch cao, sự gia tăng nhanh chóng của điện áp hồ quang cũng có thể giới hạn dòng điện đỉnh và Tôi²t	Thanh dẫn hồ quang, tấm dập hồ quang, vách ngăn cách điện, đường thoát khí	Thường ở quy mô mili giây trong các ví dụ về dòng điện cao và hạn chế dòng điện
7. Phục hồi	Khe hở khử ion và lấy lại độ bền điện môi sau khi dòng điện đạt giá trị bằng không	Khe hở tiếp điểm, buồng dập hồ quang, hệ thống cách điện	Ngay sau khi ngắt mạch

Điểm khác biệt quan trọng về mặt kỹ thuật là quá trình kích hoạt ngắt, mở tiếp điểm và ngắt hoàn toàn không phải là cùng một sự kiện. Bộ nhả từ tính có thể bắt đầu quá trình rất nhanh, nhưng dòng điện vẫn có thể tiếp tục chạy qua hồ quang sau khi các tiếp điểm tách rời. Việc dập tắt hoàn toàn chỉ kết thúc khi dòng điện đã bị ngắt và khe hở cách điện có thể chịu được điện áp phục hồi mà không bị đánh thủng trở lại.

Bên trong đường dẫn dòng điện chính

Một MCB đơn cực tiêu biểu bao gồm các thành phần chức năng sau:

các đầu nối nguồn và tải;
một đường dẫn dòng điện chính liên tục;
bộ nhả nhiệt lưỡng kim;
cuộn dây điện từ với phần ứng hoặc pít-tông;
thanh tác động và chốt khóa;
cơ cấu lò xo và đòn bẩy vượt tâm;
tiếp điểm tĩnh và tiếp điểm động;
thanh dẫn hồ quang và buồng dập hồ quang;
vỏ cách điện đúc và hệ thống lắp đặt trên thanh ray DIN.

Thứ tự và hình học của các linh kiện thay đổi tùy theo nhà sản xuất và dòng sản phẩm. Một số thiết kế làm nóng lưỡng kim trực tiếp thông qua điện trở của chính nó; số khác sử dụng bộ gia nhiệt đi kèm hoặc cách bố trí dẫn điện khác. Một số bộ nhả từ tính chủ yếu tác động vào chốt khóa, trong khi các thiết kế tốc độ cao có thể sử dụng thêm pít-tông hoặc búa để đẩy nhanh quá trình mở tiếp điểm trực tiếp. Do đó, sơ đồ chức năng không được nhầm lẫn với bản vẽ chế tạo của mọi loại MCB.

Trong thiết kế từ nhiệt, dòng điện được bảo vệ phải tác động lên cả hai hệ thống cảm biến. Phần tử nhiệt phản ứng với nhiệt Joule, tỷ lệ thuận với Tôi²R. Phần tử từ phản ứng với từ trường do dòng điện chạy qua cuộn dây của nó tạo ra. Đây không phải là hai rơ-le bên ngoài được kết nối với một công tắc; chúng được tích hợp vào cùng một hệ thống dẫn dòng và ngắt cơ học.

Vận hành bình thường: Truyền dẫn dòng điện mà không nhảy (trip)

Khi MCB ở trạng thái đóng và hoạt động trong các điều kiện quy định, dòng điện chạy qua các cực, các phần tử dẫn điện, các tiếp điểm đóng, phần tử nhiệt và cuộn dây từ. Thứ tự chính xác phụ thuộc vào cấu tạo, nhưng đường dẫn dòng điện phải duy trì điện trở thấp và ổn định về nhiệt.

Các tiếp điểm không dẫn điện trên toàn bộ bề mặt nhìn thấy được của chúng. Ở cấp độ vi mô, dòng điện tập trung qua nhiều điểm tiếp xúc nhỏ. Do đó, áp lực tiếp xúc là yếu tố thiết yếu: áp lực không đủ sẽ làm tăng điện trở co thắt và nhiệt độ, trong khi tải cơ học quá mức hoặc được kiểm soát kém có thể ảnh hưởng đến độ mòn và năng lượng cần thiết để mở các tiếp điểm.

Cần gạt đặt cơ cấu vào trạng thái BẬT (ON), nhưng nó không giữ chặt các tiếp điểm với nhau một cách cứng nhắc. Các tiếp điểm được duy trì bởi một chốt, lò xo và cơ cấu khớp nối được thiết kế để cung cấp áp lực tiếp xúc ổn định trong quá trình vận hành bình thường và tách rời nhanh chóng sau lệnh nhảy (trip).

Vận hành quá tải nhiệt: Lưỡng kim như một bộ tích phân nhiệt

Quá tải không nhất thiết là một sự tăng vọt dòng điện đột ngột. Đó là dòng điện vượt quá khả năng liên tục dự kiến của mạch điện và kéo dài đủ lâu để tạo ra sự gia nhiệt không thể chấp nhận được. MCB phải chịu được các xung quá độ ngắn hạn bình thường trong khi vẫn phản ứng với tình trạng quá dòng kéo dài.

Tại sao thanh lưỡng kim lại bị uốn cong

Một thanh lưỡng kim kết hợp hai lớp kim loại được liên kết với nhau có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau. Nếu các lớp này tách rời, sự gia tăng nhiệt độ sẽ tạo ra các biến dạng nhiệt khác nhau:

ε_T,1 = α_1ΔT và ε_T,2 = α_2ΔT

Vì các lớp được liên kết với nhau và không thể giãn nở độc lập, sự chênh lệch biến dạng tạo ra độ cong. Ở cấp độ khái niệm đơn giản hóa:

κ ∝ (α_1 − α_2)ΔT

Khi thanh lưỡng kim uốn cong, độ dịch chuyển ở đầu tự do của nó cuối cùng sẽ tác động vào cần gạt ngắt hoặc giải phóng chốt giữ. Thanh lưỡng kim không cần cung cấp toàn bộ năng lượng cần thiết để mở các tiếp điểm. Vai trò của nó là giải phóng cơ cấu tích năng.

Một mô hình nhiệt hữu ích

Thanh lưỡng kim có thể được hiểu là một bộ tích phân nhiệt. Một mô hình tập trung đơn giản hóa là:

C_θ · dT/dt = I²R(T) − (T − T_a)/R_θ

ở những nơi:

C_θ là điện dung nhiệt tương đương;
R_θ là điện trở nhiệt tương đương với môi trường xung quanh và các dây dẫn được kết nối;
T_Một là nhiệt độ môi trường;
R(T) biểu thị điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ trong đường dẫn nhiệt.

Nếu điện trở được coi là hằng số để minh họa, độ tăng nhiệt sau một bước dòng điện xấp xỉ là:

ΔT(t) = I²RR_θ(1 − e^(−t/τ_θ)), trong đó τ_θ = R_θC_θ

Nếu sự tác động (nhả) xảy ra tại một ngưỡng độ tăng nhiệt đơn giản hóa, thì:

t_trip = −τ_θ ln[1 − ΔT_trip/(I²RR_θ)]

Mô hình này giải thích xu hướng thời gian nghịch đảo: dòng điện càng lớn thì nhiệt độ sinh ra càng nhanh, do đó cơ cấu tác động đạt đến điều kiện ngắt sớm hơn.

Nó thì không một sự thay thế cho đường cong đặc tính thời gian - dòng điện của nhà sản xuất. Một thiết bị MCB thực tế bao gồm các gradient nhiệt độ phân bố, sự thay đổi điện trở, sự dẫn nhiệt vào các đầu nối và dây dẫn, nhiệt lượng từ các cực lân cận, nhiệt độ vỏ thiết bị, hình dạng thanh lưỡng kim, dung sai hiệu chuẩn, ma sát của cơ cấu chốt và lực nén lò xo. Đặc tính được chứng nhận được thể hiện bằng một dải đặc tính cho phép, chứ không phải bằng một phương trình lý tưởng duy nhất.

Tại sao nhiệt độ môi trường và tải trọng trước đó lại quan trọng

Bộ phận ngắt nhiệt không hoạt động tách biệt khỏi tủ điện. Nhiệt thoát ra khỏi MCB thông qua các dây dẫn, đầu nối, không khí xung quanh, các cực lân cận và vỏ tủ. Do đó, một bảng phân phối điện đông đúc và ấm áp tạo ra điều kiện khởi đầu khác biệt so với một thiết bị đơn lẻ, nguội lạnh trong không khí thoáng.

Nguyên lý tương tự giải thích cho việc khởi động lại khi thiết bị đang nóng. Sau khi ngắt do quá tải, thanh lưỡng kim, cuộn dây, đầu nối và các dây dẫn bên trong vẫn còn nóng. Nếu bộ ngắt được đóng lại trước khi nguội hẳn, hệ thống nhiệt sẽ bắt đầu ở trạng thái gần với điều kiện ngắt hơn và có thể ngắt sớm hơn dưới cùng một mức dòng điện. Các đường cong thời gian - dòng điện của nhà sản xuất cần được đọc cùng với các giả định đã nêu về trạng thái nguội, nhiệt độ môi trường và điều kiện lắp đặt.

Thời gian ngắt nhiệt không có một giá trị duy nhất

Đối với các đặc tính B, C và D theo tiêu chuẩn IEC 60898-1, dữ liệu của nhà sản xuất thường hiển thị các điểm kiểm tra nhiệt thông thường như 1,13 × dòng điện định mức và 1,45 × dòng điện định mức, với kết quả được đánh giá trên thang đo giờ cho các mức định mức tương ứng. Bản tóm tắt tiêu chuẩn IEC 60898-1 do Schneider Electric công bố xác định 1,13 × Tôi_n là dòng điện không tác động quy ước và 1,45 × Tôi_n là dòng điện tác động quy ước, với thời gian quy ước là một giờ đối với dòng sản phẩm Acti9 được tham chiếu. Các bội số quá tải cao hơn sẽ đi sâu hơn vào vùng thời gian nghịch đảo và hoạt động nhanh hơn.

Trạng thái dòng điện	Điều gì chiếm ưu thế	Giải thích chính xác
Ngay trên dòng điện định mức	Sự gia nhiệt và sự tản nhiệt tiến dần đến trạng thái cân bằng	Aptomat có thể mang dòng điện trong một khoảng thời gian dài nằm trong dải đặc tính của nó
Quá tải vừa phải kéo dài	Nhiệt độ và độ dịch chuyển của lưỡng kim tích tụ	Thời gian tác động giảm khi dòng điện tăng
Dòng điện cao gần dải tác động từ	Đặc tính nhiệt và từ có thể chồng lấn	Đường đặc tính vận hành thực tế phụ thuộc vào dải đặc tính và thiết kế của thiết bị
Tại hoặc trên ngưỡng tác động tức thời được đảm bảo	Giải phóng điện từ	Aptomat vận hành trong vùng tác động tức thời theo các điều kiện thử nghiệm đã nêu

Đây là lý do tại sao câu hỏi “MCB ngắt nhanh đến mức nào?” không thể được trả lời bằng một con số chung duy nhất.

Hoạt động từ tính: Chuyển đổi dòng quá tải cao thành lực cơ học

Phần tử nhiệt được thiết kế cố ý có độ trễ để không thể phản ứng nhanh nhất với sự cố ngắn mạch nghiêm trọng. Bộ nhả điện từ cung cấp một đường dẫn thứ hai.

Dòng điện chạy qua cuộn dây tạo ra từ thông. Biểu diễn mạch từ đơn giản hóa là:

Φ ≈ NI/ℜ_m và B ≈ Φ/A

vị trí N là số vòng dây, Tôi là dòng điện, ℜ_tôi là từ trở, và Một là diện tích mặt cắt ngang từ tính hiệu dụng.

Nếu từ trở chủ đạo tập trung ở khe hở không khí, lực hút lý tưởng có thể được viết là:

F_m ≈ B²A/(2μ_0)

Điều này minh họa lý do tại sao lực từ tăng mạnh theo dòng điện trước khi hiện tượng bão hòa từ trở nên đáng kể. Điểm tác động thực tế còn phụ thuộc vào hình học cuộn dây, khe hở không khí, vật liệu từ tính, khối lượng phần ứng, lực lò xo hồi vị, ma sát, dung sai và cơ cấu liên động ngắt.

Khi đạt đến ngưỡng tác động, phần ứng hoặc lõi thép di động sẽ chuyển động. Tùy thuộc vào thiết kế, nó sẽ tác động vào thanh ngắt, đập vào hệ thống tiếp điểm động, hoặc thực hiện cả hai. Chốt khóa được giải phóng và năng lượng lò xo tích lũy sẽ đẩy các tiếp điểm tách ra nhanh chóng.

Do đó, bộ nhả từ tính phản ứng với dòng điện quá tải đạt đến phạm vi tác động tức thời của nó, chứ không chỉ riêng khái niệm trừu tượng về “ngắn mạch”. Ngắn mạch là nguyên nhân phổ biến, nhưng khởi động động cơ, cấp điện cho máy biến áp, nạp điện dung hoặc dòng điện khởi động của bộ nguồn cũng có thể rơi vào dải tác động nếu dòng điện đủ cao.

Sự khác biệt vật lý giữa các đường cong B, C và D

Trong bối cảnh tiêu chuẩn IEC 60898-1, các đặc tính B, C và D chủ yếu thay đổi phạm vi tác động từ tính tức thời. Đây không phải là các cấp chất lượng và không có nghĩa là “aptomat nhanh, trung bình và chậm” trên toàn bộ đường cong thời gian - dòng điện.

Đặc trưng	Phạm vi từ tính tức thời	Ý nghĩa vật lý
B	3–5 × Tôi_n	Dải tác động từ tính thấp hơn
C	5–10 × Tôi_n	Khả năng chịu đựng dòng khởi động lớn hơn trước khi tác động từ tính xảy ra
D	10–20 × Tôi_n	Dải tác động cao hơn; yêu cầu dòng sự cố đầy đủ và xác minh bảo vệ

Đối với thiết bị 16 A, các dải tương ứng là:

B16: 48–80 A | C16: 80–160 A | D16: 160–320 A

Đây là các dải đặc tính, không phải dòng cắt đơn lẻ chính xác. Ví dụ, giới hạn dưới của dải C16 không được coi là điểm cắt tức thời đảm bảo. Quyết định lựa chọn hoàn chỉnh cũng phải xác minh bảo vệ dây dẫn, dòng khởi động, dòng sự cố tối thiểu, đặc tính ngắt yêu cầu và đường cong của nhà sản xuất. Xem Các loại MCB: Đường cong B, C, D, K, Z, Định mức, Số cực và Ứng dụng và Giải thích về đường cong tác động của aptomat cho quyết định riêng biệt đó.

Cơ chế tự do tác động (Trip-Free): Tại sao việc giữ cần gạt không thể vô hiệu hóa bảo vệ

Một cơ chế bảo vệ hiệu quả giúp tách biệt việc điều khiển bằng tay khỏi cơ cấu nhả bảo vệ. Tay gạt di chuyển hệ thống đòn bẩy và lò xo giữa các trạng thái ổn định, nhưng thanh tác động (trip bar) có thể giải phóng chốt khóa một cách độc lập.

Logic cơ học như sau:

Sự dịch chuyển hoặc lực tác động của bộ phận cảm biến → chuyển động của thanh tác động → giải phóng chốt khóa → giải phóng năng lượng lò xo → tăng tốc tiếp điểm động.

Điều này tạo ra cơ chế "trip-free" (tự do nhả): cơ cấu bảo vệ có thể mở các tiếp điểm ngay cả khi tay gạt đang bị giữ ở vị trí BẬT (ON). Hình học chính xác có thể sử dụng các đòn bẩy, rãnh, vấu, tay đòn hoặc nhiều tầng liên kết, nhưng yêu cầu về chức năng là như nhau.

Cơ cấu này cũng giải quyết một xung đột trong thiết kế. Các tiếp điểm đóng cần áp lực và độ ổn định cơ học đầy đủ. Việc ngắt sự cố cần sự tách rời nhanh chóng. Hệ thống tích trữ năng lượng duy trì áp lực tiếp điểm trong quá trình vận hành bình thường, sau đó giải phóng năng lượng cơ học nhanh chóng sau khi bộ phận cảm biến nhỏ mở khóa chốt.

Sau khi nhảy (trip), nhiều cơ cấu phải được đưa hoàn toàn về vị trí TẮT (OFF) để cài lại chốt trước khi có thể đóng lại. Việc đặt lại cơ cấu không chứng minh rằng lỗi điện ban đầu đã biến mất hoặc cầu dao không bị quá tải.

Sự tách rời tiếp điểm không đồng nghĩa với việc ngắt dòng điện.

Khi tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh bắt đầu tách rời, diện tích tiếp xúc thực tế của chúng thu hẹp lại về các điểm dẫn điện siêu nhỏ cuối cùng. Mật độ dòng điện tăng mạnh. Cầu kim loại cuối cùng bị nung nóng, tan chảy và đứt gãy. Hơi kim loại nóng và khí ion hóa tạo ra một đường dẫn plasma dẫn điện giữa các tiếp điểm.

Đường dẫn đó chính là hồ quang đóng cắt.

Hồ quang có nghĩa là dòng điện vẫn có thể tiếp tục chạy sau khi các tiếp điểm rắn đã tách rời nhau về mặt vật lý. Bộ ngắt mạch phải di chuyển hồ quang ra xa khỏi bề mặt tiếp điểm chính, tăng điện áp cần thiết để duy trì hồ quang, loại bỏ năng lượng khỏi plasma, ép dòng điện về mức không và khôi phục khả năng cách điện sau đó.

Sự phân biệt này tạo ra ba đại lượng thời gian riêng biệt:

Thời gian nhả hoặc thời gian mở chốt: hệ thống cảm biến di chuyển cơ cấu cắt.
Thời gian mở tiếp điểm: tiếp điểm động tách khỏi tiếp điểm tĩnh.
Tổng thời gian ngắt: dòng điện cuối cùng ngừng lại và quá trình ngắt hoàn tất.

Tài liệu ứng dụng công nghệ MCB do ABB công bố cung cấp một ví dụ trong đó các tiếp điểm bắt đầu mở trong vòng chưa đầy 0,5 ms và quá trình ngắt giới hạn dòng điện được mô tả ở thang đo 2,3–2,5 ms. Cùng tài liệu này báo cáo một ví dụ thử nghiệm S200 20 A ngắt sự cố 28 kA trong 1,7 ms. Những số liệu này minh họa cho một dòng sản phẩm cụ thể và bối cảnh thử nghiệm; chúng không phải là yêu cầu về thời gian tác động theo tiêu chuẩn IEC áp dụng chung cho mọi MCB.

Hồ quang di chuyển vào buồng dập hồ quang như thế nào

Hồ quang là một plasma dẫn điện mang mật độ dòng điện J. Trong từ trường B, hồ quang chịu tác động của lực điện từ:

f = J × B

Hình học đường dẫn dòng điện, bộ nhả từ tính, các cấu trúc sắt từ và trong một số thiết kế là các phần tử từ tính chuyên dụng sẽ ảnh hưởng đến từ trường xung quanh hồ quang. Đồng thời, hồ quang làm nóng khí xung quanh, tạo ra sự giãn nở, chênh lệch áp suất và dòng chảy tốc độ cao.

Do đó, sự di chuyển của hồ quang không được mô tả chính xác là một tia lửa điện bị “hút bởi nam châm”. Đây là một quá trình kết hợp giữa điện từ, nhiệt, chất lưu, bề mặt và plasma. Các chân hồ quang di chuyển dọc theo các thanh dẫn điện trong khi cột hồ quang kéo dài về phía buồng dập hồ quang. Vật liệu vách ngăn, hình học lỗ thông hơi, hơi kim loại, hình dạng tiếp điểm, vị trí tấm chia hồ quang và dạng sóng dòng điện tức thời đều ảnh hưởng đến kết quả.

Chức năng thực tế của buồng dập hồ quang

Buồng dập hồ quang thường chứa nhiều tấm chia hồ quang bằng kim loại được cách điện với nhau. Khi hồ quang đi vào chồng tấm chia, nó hình thành các vùng chân hồ quang mới tại các tấm liên tiếp và bị chia thành nhiều đoạn hồ quang nối tiếp.

Điều này tạo ra một số hiệu ứng liên kết:

tổng đường dẫn hồ quang được kéo dài;
nhiều sụt áp tại vùng điện cực góp phần vào tổng điện áp hồ quang;
các tấm kim loại hấp thụ nhiệt từ hồ quang và khí xung quanh;
plasma được làm mát và khử ion;
sự gia tăng dòng điện bị cản trở bởi điện áp hồ quang ngày càng tăng;
vùng tiếp điểm được giảm bớt tình trạng bị nung nóng kéo dài tại chân hồ quang.

Nhận định đơn giản hóa “mỗi tấm luôn cộng thêm một điện áp cố định” là không chính xác. Điện áp phân đoạn phụ thuộc vào dòng điện, vật liệu và hình dạng tấm, khoảng cách, tình trạng chân hồ quang, nhiệt độ, thành phần khí, hơi kim loại và dòng chảy. Số lượng tấm cũng không thể được tối ưu hóa một cách riêng biệt: việc thêm các tấm sẽ làm thay đổi hình dạng lối vào, áp suất, lực cản dòng chảy, sự phân bố điện trường, diện tích bề mặt và khoảng cách cách điện.

Một nghiên cứu năm 2020 của Kolimas và các cộng sự đã so sánh các buồng dập hồ quang của MCB B16/1 chứa 13 và 9 tấm trong một thiết lập thử nghiệm phòng thí nghiệm xác định ở mức 230 V, 6 kA. Thiết kế 13 tấm đã hoàn thành các lần lặp thử nghiệm được báo cáo, với thời gian ngắt ví dụ từ 1,5–2,1 ms. Biến thể 9 tấm đã không hoàn thành các lần lặp một cách thành công; các ví dụ được báo cáo kéo dài đến 4,5 ms và 11 ms, với hư hỏng tiếp điểm trong trường hợp 11 ms. Kết quả này không phải là quy tắc phổ quát rằng mọi MCB đều cần 13 tấm. Nó chứng minh rằng những thay đổi nhỏ trong buồng dập hồ quang có thể làm thay đổi sự di chuyển của hồ quang, thời gian ngắt, hư hỏng tiếp điểm và hiệu suất cách điện sau sự cố.

Giới hạn dòng điện: Điện áp hồ quang chống lại dòng điện sự cố

Nếu không có giới hạn dòng điện, dòng điện ngắn mạch dự kiến được xác định bởi điện áp nguồn và trở kháng hệ thống. Một aptomat (MCB) tốc độ cao sẽ cố gắng thiết lập điện áp hồ quang lớn trước khi dòng sự cố đạt đến đỉnh dự kiến tự nhiên của nó.

Một vòng lặp ngắt ngắn mạch cao đơn giản hóa có thể được viết như sau:

L · di/dt = u_s(t) − Ri − u_arc(t)

Khi điện áp hồ quang u_{hồ quang} tăng lên, tốc độ tăng dòng điện sẽ giảm xuống. Nếu điện áp hồ quang trở nên đủ cao so với điện áp nguồn tức thời và sụt áp trên mạch, dòng điện sẽ bị cưỡng bức giảm xuống. Do đó, buồng dập hồ quang không chỉ đơn thuần là hấp thụ nhiệt: nó còn giúp tạo ra điện áp ngược giúp cho việc giới hạn dòng ngắn mạch trở nên khả thi.

Có hai thông số đầu ra quan trọng khi đánh giá ứng suất truyền đến phía hạ nguồn:

I_peak, dòng điện đi qua (let-through)

và

I²t = ∫i²(t)dt

Dòng điện đỉnh cho phép đi qua có liên quan chặt chẽ đến ứng suất điện động. Tích phân Joule Tôi²t là một thước đo hữu ích về ứng suất năng lượng nhiệt đi qua trong suốt sự kiện. Trong trường hợp ngắn mạch cao, một aptomat giới hạn dòng điện có thể làm giảm các đại lượng này so với dạng sóng sự cố dự kiến, nhưng các giá trị thực tế phải được lấy từ dữ liệu thử nghiệm của nhà sản xuất cho thiết bị và điều kiện ứng dụng. Các thuật ngữ giới hạn đỉnh này thường không được sử dụng để mô tả việc ngắt do quá tải nhiệt mức thấp thông thường.

Khả năng cắt và giới hạn dòng điện có liên quan với nhau nhưng không thể thay thế cho nhau. Định mức ngắn mạch được công bố xác định liệu aptomat có thể ngắt an toàn tải sự cố được chỉ định theo tiêu chuẩn áp dụng hay không. Các đường cong cho phép đi qua và Tôi²t dữ liệu mô tả mức độ giới hạn sự cố mạnh mẽ của một thiết bị cụ thể trong phạm vi thử nghiệm của nó. Để lựa chọn định mức, xem Khả năng cắt của MCB: 6kA so với 10kA.

Dòng điện bằng không không phải là kết thúc: Phục hồi điện môi

Đối với việc ngắt dòng điện xoay chiều, việc đạt đến điểm dòng điện bằng không tạo cơ hội để dập tắt hồ quang, nhưng aptomat vẫn phải ngăn chặn hiện tượng đánh lửa lại. Ngay sau khi dòng điện bằng không, khe hở tiếp điểm và buồng dập hồ quang có thể chứa khí nóng, khí bị ion hóa một phần và hơi kim loại. Đồng thời, điện áp bắt đầu phục hồi trên aptomat đã mở.

Việc ngắt thành công đòi hỏi độ bền điện môi của khe hở phải phục hồi nhanh hơn ứng suất điện đặt lên nó. Về mặt chức năng:

Kiểm soát hồ quang → đạt dòng điện bằng không → làm mát và khử ion hóa khí → khôi phục độ bền điện môi → tránh hiện tượng đánh lửa lại

Đây là lý do tại sao thiết kế buồng dập hồ quang, lưu lượng khí, bề mặt cách điện, sự nhiễm bẩn, sự lắng đọng kim loại và khoảng cách tiếp điểm vẫn rất quan trọng sau lần đi qua điểm không đầu tiên. Một bộ ngắt mạch có thể được đặt lại về mặt cơ học sau một sự cố nghiêm trọng không có nghĩa là các tiếp điểm, buồng dập hồ quang và lớp cách điện của nó vẫn giữ được tình trạng ban đầu.

Một MCB, ba thang đo thời gian rất khác nhau

Cụm từ “thời gian tác động của MCB” thường trộn lẫn các hiện tượng không liên quan.

Thang đo thời gian	Quá trình	Ý nghĩa của con số
Từ vài giây đến hơn một giờ	Sự gia nhiệt của lưỡng kim dưới tình trạng quá tải thấp hoặc trung bình	Đặc tính thời gian nghịch đảo nhiệt trong các điều kiện khởi động và môi trường quy định
Lên đến giới hạn đặc tính tức thời	Tác động từ tính và vận hành cơ cấu	Tuân thủ dải đặc tính, không phải thời gian cơ học cố định phổ quát
Đơn vị mili giây trong các ví dụ về giới hạn dòng điện tốc độ cao	Tách tiếp điểm, dịch chuyển hồ quang, tăng áp hồ quang và dập tắt	Hiệu suất ngắt ngắn mạch cụ thể theo sản phẩm và thử nghiệm

Ví dụ, Dữ liệu đặc tính ABB S300P xác định các giới hạn từ tính thông thường theo tiêu chuẩn IEC/EN 60898-1 loại B, C và D bằng các thử nghiệm 0,1 giây, trong khi hướng dẫn ứng dụng MCB giới hạn dòng điện riêng của ABB trình bày các ví dụ sản phẩm với thời gian mở tiếp điểm và dập hồ quang ở thang đo mili giây ngắn hơn nhiều. Những tuyên bố này không mâu thuẫn nhau: một bên mô tả đặc tính cho phép và giới hạn kiểm chứng, trong khi bên kia mô tả hành vi ngắt tốc độ cao cụ thể.

Tại sao hai MCB tương tự nhau có thể hoạt động khác nhau

Các thông số ghi trên mặt trước không thể hiện hết mọi biến số bên trong. Hai aptomat có cùng dòng điện định mức và đường cong danh định có thể khác nhau về:

hình học lưỡng kim, đường dẫn nhiệt và hiệu chuẩn;
hình học cuộn dây, khe hở không khí, vật liệu từ tính và khối lượng phần ứng;
ma sát chốt, năng lượng lò xo, hành trình tiếp điểm và tốc độ mở;
vật liệu tiếp điểm, áp lực tiếp điểm và khả năng chống hàn dính;
hình dạng thanh dẫn hồ quang và hình học cửa vào buồng dập hồ quang;
số lượng, hình dạng, khoảng cách và vật liệu của các tấm dập hồ quang;
đường dẫn khí nội bộ và đường thoát khí;
vật liệu vỏ và đặc tính cách điện sau hồ quang;
cấp hạn chế dòng điện và hiệu suất dòng điện đi qua;
kiểm soát dung sai sản xuất và xác minh.

Đây là lý do tại sao chỉ riêng B, C hoặc D không thể mô tả chất lượng sản phẩm. Các chữ cái đó xác định đặc tính thời gian - dòng điện, chủ yếu là dải tác động từ trong bối cảnh tiêu chuẩn IEC 60898-1. Chúng không tiết lộ về luyện kim tiếp điểm, hiệu suất buồng dập hồ quang, độ bền cơ học, khả năng cắt hoặc tính nhất quán trong sản xuất.

Các giới hạn kỹ thuật và những hiểu lầm phổ biến

“Một MCB sẽ nhảy ngay khi dòng điện vượt quá định mức ampe của nó”

Không chính xác. Tình trạng quá tải nhỏ thường được xử lý thông qua cơ chế nhiệt thời gian nghịch đảo. Aptomat có thể mang dòng điện vượt mức Tôi_n trong một khoảng thời gian được xác định bởi đặc tính và các điều kiện thử nghiệm của nó.

“Bộ nhả từ tính chỉ phát hiện ngắn mạch”

Không hẳn vậy. Nó phản ứng khi dòng điện quá tải đạt đến phạm vi tác động tức thời. Ngắn mạch thường tạo ra điều kiện đó, nhưng dòng khởi động cao cũng có thể vượt ngưỡng này.

“Các tiếp điểm mở ra, vì vậy dòng điện dừng lại ngay lập tức”

Không chính xác. Việc tách tiếp điểm thường tạo ra hồ quang. Việc ngắt hoàn toàn chỉ kết thúc sau khi hồ quang được kiểm soát và dòng điện ngừng hẳn.

“MCB đường cong D là loại MCB đường cong C chậm hơn và do đó mạnh hơn”

Không chính xác. Đường cong D có dải tác động từ tính cao hơn. Điều đó có thể chịu được dòng khởi động cao hơn, nhưng nó cũng đòi hỏi dòng sự cố phù hợp và phải được kiểm chứng bảo vệ đầy đủ. Nó không tự động an toàn hơn hay có chất lượng cao hơn.

“Càng nhiều tấm dập hồ quang thì MCB càng tốt”

Quá đơn giản. Số lượng tấm dập chỉ là một biến số trong hệ thống buồng dập hồ quang kết hợp. Hình học, khoảng cách, sự phân bố từ trường, áp suất, hệ thống thoát khí, thiết kế đường dẫn hồ quang, vật liệu và khả năng phục hồi cách điện phải được thiết kế đồng bộ với nhau.

“MCB có thể đóng lại được là không bị hư hại sau bất kỳ sự cố ngắn mạch nào”

Không chính xác. Khả năng đóng lại không phải là bằng chứng cho thấy hiệu suất ngắt vẫn được duy trì. Sự cố phải nằm trong phạm vi định mức đã công bố của aptomat và thiết bị phải được đánh giá theo hướng dẫn của nhà sản xuất cũng như các tình tiết của sự kiện đó.

Bối cảnh tiêu chuẩn

IEC 60898-1 bao gồm các thiết bị đóng cắt bảo vệ quá dòng trong các hệ thống lắp đặt điện xoay chiều gia dụng và tương tự trong phạm vi quy định. IEC Webstore liệt kê ấn phẩm hợp nhất IEC 60898-1:2015+A1:2019 và bản đính chính năm 2020. Trong bối cảnh này, các dải đặc tính B, C, D quen thuộc và các dòng điện thử nghiệm nhiệt quy ước phải được hiểu theo tiêu chuẩn và tài liệu của nhà sản xuất.

IEC 60947-2:2024 áp dụng cho các thiết bị đóng cắt được thiết kế để lắp đặt và vận hành bởi những người đã được hướng dẫn hoặc có chuyên môn, với các tiếp điểm chính được kết nối với các mạch điện không vượt quá 1.000 V AC hoặc 1.500 V DC trong phạm vi quy định của tiêu chuẩn. Nó sử dụng thuật ngữ và định mức của thiết bị đóng cắt hạ thế công nghiệp. Các sản phẩm tại Bắc Mỹ có thể được đánh giá và dán nhãn theo tiêu chuẩn UL 489 hoặc các khuôn khổ áp dụng khác. Một thiết bị có hình dáng giống MCB không có nghĩa là các nhãn đặc tính, định mức ngắt hoặc các giả định ứng dụng của IEC và UL có thể thay thế cho nhau.

Bài viết này mô tả vật lý của một MCB loại ngắt bằng không khí kết hợp từ nhiệt tiêu biểu. Cấu tạo chính xác, trình tự thử nghiệm, dải tác động, đặc tính dòng điện một chiều (DC), định mức công bố và tình trạng chứng nhận phải được xác nhận từ tài liệu sản phẩm cụ thể.

Nguyên lý hoạt động trong một mô hình kỹ thuật

Một MCB từ nhiệt chứa hai đường dẫn cảm biến hội tụ tại cùng một chốt, hệ thống tiếp điểm và phần cứng dập hồ quang. Hành vi ngắt của chúng vẫn phải được mô tả riêng biệt vì tình trạng quá tải kéo dài thông thường không giống với sự kiện ngắn mạch giới hạn dòng điện cao.

Đối với quá tải kéo dài:

Tôi²R gia nhiệt → nhiệt độ tăng theo thời gian → độ cong lưỡng kim → thanh ngắt → giải phóng chốt

Đối với quá dòng cao trong vùng tác động tức thời:

Dòng điện → số vòng dây (NI) → mật độ từ thông (B) → lực từ (F_tôi) → phần ứng hoặc lõi từ → thanh tác động/hệ thống tiếp điểm

Sau khi nhả quá tải duy trì, chuỗi ngắt mạch là:

Nhả chốt → năng lượng cơ học dự trữ dẫn động tách tiếp điểm → dập hồ quang → dòng điện xoay chiều về không tự nhiên → phục hồi cách điện

Trong trường hợp ngắn mạch cao nằm trong khả năng công bố của aptomat giới hạn dòng điện, chuỗi này trở thành:

Nhả từ tính → tách tiếp điểm nhanh → di chuyển và phân tách hồ quang → tăng nhanh điện áp hồ quang → giảm dòng điện đỉnh cho phép và Tôi²t → dòng điện về không → phục hồi cách điện

Các đường dẫn cảm biến dùng chung phần cứng, nhưng chỉ đường dẫn ngắn mạch cao mới được mô tả là quá trình giới hạn dòng điện đỉnh có ý nghĩa. Tôi²t Trong cả hai trường hợp, chỉ riêng việc nhả cơ cấu không phải là ngắt mạch; các tiếp điểm, hệ thống dập hồ quang và khả năng phục hồi cách điện phải hoàn thành công việc trong các giới hạn thiết kế và công bố của MCB.

Những Câu Hỏi Thường

MCB phát hiện quá tải như thế nào?

Dòng điện làm nóng một phần tử lưỡng kim nằm trên đường dẫn dòng của aptomat. Quá dòng kéo dài tạo ra sự gia tăng nhiệt độ và độ cong đủ để vận hành cơ cấu ngắt. Do nhiệt tích tụ theo thời gian, phản ứng này là thời gian nghịch đảo thay vì tức thời.

MCB phát hiện ngắn mạch như thế nào?

Dòng quá tải lớn chạy qua cuộn dây từ tính tạo ra đủ lực để di chuyển phần ứng hoặc pít-tông khi đạt đến phạm vi tác động tức thời. Điều này giải phóng chốt khóa và cũng có thể trực tiếp đẩy nhanh quá trình mở tiếp điểm, tùy thuộc vào thiết kế.

Tại sao MCB sử dụng cả bộ nhả nhiệt và bộ nhả từ?

Hai cơ cấu này bao phủ các thang thời gian sự cố khác nhau. Phần tử lưỡng kim có thể phân biệt giữa nhiệt quá tải kéo dài và các xung quá dòng ngắn vô hại. Bộ nhả từ phản ứng nhanh hơn nhiều khi dòng điện đạt đến phạm vi tác động tức thời.

Dòng điện có dừng lại ngay khi các tiếp điểm MCB mở ra không?

Không. Một hồ quang thường hình thành giữa các tiếp điểm đang tách rời. MCB phải di chuyển hồ quang vào buồng dập hồ quang, tăng điện áp hồ quang, làm mát và khử ion hóa plasma, ngắt dòng điện và phục hồi độ bền điện môi.

MCB ngắt nhanh như thế nào?

Không có một khoảng thời gian chung duy nhất. Các trường hợp quá tải thấp có thể mất nhiều giây hoặc lâu hơn thông qua cơ chế nhiệt. Hoạt động trong vùng tức thời được xác định bởi dải đặc tính áp dụng. Các sản phẩm giới hạn dòng điện cụ thể có thể hoàn tất việc ngắt sự cố cao trong vài mili giây dưới các điều kiện thử nghiệm xác định.

Tại sao một MCB đang nóng lại có thể ngắt nhanh hơn khi nguội?

Hệ thống nhiệt bắt đầu ở trạng thái gần với nhiệt độ giải phóng của nó hơn. Do đó, nhiệt độ môi trường, các thiết bị mang tải lân cận, nhiệt độ tại đầu cực và lịch sử tải gần đây có thể làm giảm biên độ nhiệt còn lại. Hãy sử dụng dữ liệu hiệu chỉnh của nhà sản xuất thay vì quy tắc nhiệt độ chung.

Mục đích của buồng dập hồ quang là gì?

Nó tiếp nhận hồ quang đóng cắt, chia nhỏ hồ quang thành các đoạn nối tiếp, tăng tổng điện áp hồ quang, hấp thụ nhiệt, hỗ trợ quá trình khử ion và giúp khe hở tiếp điểm phục hồi khả năng cách điện. Trong trường hợp ngắn mạch cao, sự gia tăng nhanh chóng của điện áp hồ quang cũng có thể giới hạn dòng điện đỉnh đi qua và Tôi²t.

Có thể đặt lại MCB ngay lập tức sau khi xảy ra ngắn mạch không?

Sự cố phải được xác định và khắc phục trước. Việc đặt lại cơ học không đảm bảo rằng hệ thống lắp đặt an toàn hoặc thiết bị đóng cắt không bị vượt quá định mức. Hãy tuân thủ hướng dẫn của nhà sản xuất thiết bị và các quy trình điện áp dụng.

Các nguồn tài liệu đã tham khảo

Về tác giả

Đội ngũ VIOX

Đội ngũ VIOX là nhóm biên tập chịu trách nhiệm về thông tin sản phẩm và nội dung đào tạo kỹ thuật điện của VIOX. Dưới sự dẫn dắt của Joe, đội ngũ sử dụng tài liệu sản phẩm, dữ liệu ứng dụng và các tài liệu tham khảo về điện đã được thiết lập để tạo ra các hướng dẫn thực tế bao gồm các sản phẩm điện hạ thế, lựa chọn sản phẩm, lắp đặt, xử lý sự cố và các nguyên lý cơ bản của ngành. Mục tiêu của đội ngũ là giúp các kỹ sư, nhà phân phối, nhà lắp ráp tủ điện, người mua hàng và các chuyên gia điện hiểu rõ về sản phẩm VIOX và đưa ra các quyết định kỹ thuật cũng như mua hàng sáng suốt.

VIOX Electric trên LinkedIn