Các bộ ngắt mạch là thiết bị bảo vệ quan trọng trong hệ thống điện, được thiết kế để ngắt dòng điện sự cố và ngăn ngừa hư hỏng cho thiết bị và cơ sở hạ tầng. Mặc dù nhiều người cho rằng hồ quang điện là hiện tượng không mong muốn trong hoạt động của bộ ngắt mạch, nhưng thực tế lại khác. Trong hệ thống AC, hồ quang điện được kiểm soát đóng một vai trò thiết yếu trong việc ngắt dòng điện an toàn và hiệu quả. Hiểu được bốn quy trình chính của việc ngắt kết nối bộ ngắt mạch sẽ tiết lộ lý do tại sao việc quản lý hồ quang, thay vì loại bỏ hồ quang, là nền tảng cho bảo vệ điện hiện đại. Hình 1: Lắp đặt công nghiệp VIOX.
Nhiều kỹ sư trực giác tin rằng việc loại bỏ hồ quang điện sẽ cải thiện hiệu suất của bộ ngắt mạch. Tuy nhiên, trong hệ thống AC, việc cố gắng "cắt cứng" dòng điện mà không có hồ quang sẽ tạo ra những hậu quả nguy hiểm. Khi các tiếp điểm tách ra đột ngột mà không hình thành hồ quang, năng lượng từ trường được lưu trữ trong các tải cảm ứng sẽ không có nơi nào để tiêu tán. Năng lượng này ngay lập tức chuyển sang điện dung lạc, tạo ra quá điện áp nguy hiểm có thể gây ra hỏng cách điện và hiện tượng đánh lửa lại.
Một hồ quang điện được kiểm soát hoạt động như một công tắc có thể quản lý được, cho phép năng lượng tải quay trở lại nguồn điện một cách có trật tự. Hồ quang cung cấp một đường dẫn dẫn điện cho đến khi dòng điện AC tự nhiên đạt đến điểm không, tại thời điểm đó sự dập tắt xảy ra trong điều kiện thuận lợi. Bộ ngắt mạch sau đó phải chịu được điện áp phục hồi quá độ (TRV) để hoàn thành việc thiết lập lại hệ thống an toàn.
Hình 2: Mặt cắt cấu trúc bên trong của bộ ngắt mạch VIOX cho thấy buồng hồ quang và các tiếp điểm.
Quy trình 1: Tách tiếp điểm và thiết lập hồ quang
Khi các tiếp điểm của bộ ngắt mạch ban đầu tách ra, một cầu tiếp xúc siêu nhỏ vẫn còn giữa chúng. Tại điểm nối này, mật độ dòng điện trở nên cực kỳ cao, khiến vật liệu tiếp xúc trải qua quá trình nóng chảy, bốc hơi và ion hóa. Quá trình này tạo ra một kênh plasma—hồ quang điện—trong môi trường dập tắt hồ quang (không khí, dầu, khí SF₆ hoặc hơi kim loại trong chân không).
Giai đoạn thiết lập hồ quang không đại diện cho sự cố hệ thống; thay vào đó, nó dẫn năng lượng vào một đường dẫn dẫn điện có thể quản lý được, ngăn ngừa các đột biến điện áp tức thời. Trong giai đoạn này, bộ ngắt mạch tạo ra khoảng cách khe hở tiếp xúc đủ và thiết lập các điều kiện làm mát cần thiết cho việc dập tắt hồ quang tiếp theo. Nhiệt độ kênh plasma có thể đạt tới 20.000°C (36.000°F), khiến thiết kế buồng hồ quang phù hợp trở nên quan trọng để vận hành an toàn.
Quy trình 2: Duy trì hồ quang và trả lại năng lượng.
Trong giai đoạn duy trì hồ quang, dòng điện tiếp tục chạy qua plasma hồ quang trong khi năng lượng từ trường từ các tải cảm ứng dần dần quay trở lại nguồn điện. Các bộ ngắt mạch hiện đại sử dụng các kỹ thuật khác nhau để quản lý quy trình này:
Hệ thống thổi khí hoặc dầu
- tạo ra các luồng vận tốc cao làm mát và phân tán các hạt ion hóa Cơ chế thổi từ tính
- kéo dài và tách hồ quang bằng cách sử dụng lực điện từ Môi trường chân không
- cho phép khuếch tán và làm mát hơi kim loại nhanh chóng Ống dập hồ quang
- chia hồ quang thành nhiều đoạn nhỏ hơn để tăng cường làm mát Bộ ngắt mạch phải duy trì hồ quang trong thời gian tối thiểu trong khi đạt được khoảng cách tách tiếp xúc đủ. Thời gian hồ quang tối thiểu này thay đổi theo điện áp hệ thống và cường độ dòng điện, nhưng thường dao động từ 8-20 mili giây ở 50 Hz. Thời gian hồ quang không đủ hoặc khe hở tiếp xúc không đủ dẫn đến đánh lửa lại khi điện áp phục hồi xảy ra.
Hình 3: Sơ đồ kỹ thuật VIOX cho thấy bốn giai đoạn của quy trình ngắt hồ quang của bộ ngắt mạch.
Khi dòng điện AC tiến gần đến điểm cắt ngang điểm không tự nhiên của nó, các tiếp điểm được làm mát đúng cách với khoảng cách tách đủ cho phép khử ion hồ quang nhanh chóng. Độ bền điện môi giữa các tiếp điểm phục hồi nhanh chóng—lên đến 20 kV/μs trong bộ ngắt mạch chân không—cho phép dập tắt hồ quang tại điểm dòng điện bằng không.
Thời điểm quan trọng này quyết định sự thành công của việc ngắt. Hồ quang không tắt khi các tiếp điểm ban đầu tách ra; việc ngắt dòng điện thực sự chỉ xảy ra tại dòng điện bằng không với quá trình khử ion thành công. Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự thành công của việc dập tắt lần cắt ngang đầu tiên:.
Vận tốc mở và khoảng cách di chuyển của tiếp điểm
- Đặc tính môi trường dập tắt hồ quang và đặc tính dòng chảy
- Thành phần vật liệu tiếp xúc và đặc tính nhiệt
- Điện áp và cường độ dòng điện hệ thống
- Điều kiện nhiệt độ và áp suất bên trong buồng hồ quang
- Các bộ ngắt mạch được thiết kế cho dòng điện ngắn mạch cao kết hợp các công nghệ tách hồ quang tiên tiến và cơ chế làm mát tăng cường để đảm bảo dập tắt đáng tin cậy tại điểm cắt ngang dòng điện bằng không đầu tiên.
Quy trình 4: Chịu được TRV và phục hồi điện áp.
Ngay sau khi dập tắt hồ quang, điện áp phục hồi quá độ (TRV) xuất hiện trên các tiếp điểm hở. Điện áp này là kết quả của sự chồng chất của các thành phần phía nguồn và phía tải, thường thể hiện hành vi dao động đa tần số. Các đặc tính dạng sóng TRV bao gồm:
Tốc độ tăng điện áp phục hồi (RRRV)
- : Tốc độ tăng điện áp ban đầu, được đo bằng kV/μsBiên độ TRV đỉnh
- : Điện áp cực đại tác dụng lên các tiếp điểm hởThành phần tần số
- : Nhiều tần số dao động từ điện cảm và điện dung của hệ thốngCác bộ ngắt mạch phải chịu được TRV trong giới hạn tiêu chuẩn (IEC 62271-100, IEEE C37.04) để ngăn ngừa đánh lửa lại. Nếu quá trình phục hồi điện môi không hoàn tất khi TRV đạt đỉnh, hồ quang sẽ tái phát, có khả năng gây ra hỏng hóc nghiêm trọng. Khi các dao động quá độ suy giảm, điện áp ổn định ở điện áp phục hồi tần số nguồn (RV), hoàn thành trình tự ngắt và cho phép tái cấp điện ngay lập tức cho hệ thống.
Các loại bộ ngắt mạch và phương pháp dập tắt hồ quang.
Hình 4: Sơ đồ so sánh VIOX về các phương pháp dập tắt hồ quang khác nhau trong bộ ngắt mạch
| Ngắt Mạch Loại | Cơ chế dập tắt chính | Chân không cao (10⁻⁴ đến 10⁻⁷ Pa) | 典型电压范围 | Ưu điểm chính | Hạn chế |
|---|---|---|---|---|---|
| Chân không Ngắt Mạch (dịch vụ) | Khuếch tán và ngưng tụ hơi kim loại nhanh chóng | 3,6 kV đến 40,5 kV | Bảo trì tối thiểu, thiết kế nhỏ gọn, không gây lo ngại về môi trường | Giới hạn cho các ứng dụng điện áp trung bình | Bộ ngắt mạch SF₆ |
| Khí sulfur hexafluoride | Độ bền điện môi và độ dẫn nhiệt vượt trội | 72,5 kV đến 800 kV | Khả năng ngắt tuyệt vời, hiệu suất đáng tin cậy | Các vấn đề về môi trường (khí nhà kính), cần theo dõi khí | Bộ ngắt mạch thổi khí |
| Khí nén (20-30 bar) | Luồng khí vận tốc cao làm mát và phân tán hồ quang | 132 kV đến 400 kV | Công nghệ đã được chứng minh, không có khí độc | Yêu cầu cơ sở hạ tầng máy nén, tạo ra tiếng ồn | Requires compressor infrastructure, noise generation |
| Máy cắt mạch dầu | Dầu cách điện khoáng | Khí hydro sinh ra từ sự phân hủy dầu tạo hiệu ứng nổ | 11 kV đến 220 kV | Cấu trúc đơn giản, tiết kiệm | Nguy cơ cháy nổ, yêu cầu bảo trì dầu thường xuyên |
| Máy cắt không khí từ | Không khí trong khí quyển | Từ trường làm lệch hướng và kéo dài hồ quang vào buồng dập hồ quang | Lên đến 15 kV | Không yêu cầu môi trường đặc biệt, bảo trì đơn giản | Khả năng cắt hạn chế, thiết kế cồng kềnh |
Thông số kỹ thuật: Các thông số hồ quang trong máy cắt
| Tham số | Điển Hình Giá Trị | Ý nghĩa |
|---|---|---|
| Nhiệt độ hồ quang | 15.000°C đến 30.000°C | Xác định tốc độ ăn mòn vật liệu và yêu cầu làm mát |
| Điện áp hồ quang | 30V đến 500V (thay đổi theo loại) | Ảnh hưởng đến sự tiêu tán năng lượng và đặc tính TRV |
| Thời gian hồ quang tối thiểu (50 Hz) | 8-20 mili giây | Yêu cầu để tách tiếp điểm và làm mát đầy đủ |
| Tốc độ phục hồi điện môi | 5-20 kV/μs | Tốc độ phục hồi cường độ cách điện sau khi dập tắt |
| Hệ số đỉnh TRV | 1,4 đến 1,8 × điện áp hệ thống | Ứng suất điện áp tối đa trong giai đoạn phục hồi |
| RRRV (Tốc độ tăng) | 0,1-5 kV/μs | Xác định xác suất đánh lửa lại |
| Tốc độ ăn mòn tiếp điểm | 0,01-1 mm trên 1000 lần hoạt động | Ảnh hưởng đến khoảng thời gian bảo trì và tuổi thọ tiếp điểm |
Những Câu Hỏi Thường
H: Tại sao máy cắt không loại bỏ hoàn toàn hồ quang trong quá trình ngắt kết nối?
Đ: Trong hệ thống AC, hồ quang được kiểm soát là rất cần thiết để ngắt dòng điện an toàn. Loại bỏ hồ quang sẽ khiến năng lượng cảm ứng tạo ra quá điện áp nguy hiểm. Hồ quang cung cấp một đường dẫn dẫn điện được quản lý cho phép năng lượng quay trở lại nguồn một cách an toàn cho đến khi dòng điện tự nhiên đạt đến không, ngăn ngừa hư hỏng thiết bị và sự mất ổn định của hệ thống.
H: Sự khác biệt giữa TRV và RRRV trong hoạt động của máy cắt là gì?
Đ: TRV (Điện áp phục hồi quá độ) là tổng điện áp dao động xuất hiện trên các tiếp điểm của máy cắt sau khi dập tắt hồ quang. RRRV (Tốc độ tăng điện áp phục hồi) đặc biệt đo tốc độ điện áp này tăng lên ban đầu, được biểu thị bằng kV/μs. RRRV rất quan trọng vì nếu điện áp tăng nhanh hơn tốc độ phục hồi cường độ điện môi, thì sẽ xảy ra hiện tượng đánh lửa lại hồ quang.
H: Làm thế nào máy cắt chân không dập tắt hồ quang mà không cần khí hoặc dầu?
Đ: Máy cắt chân không sử dụng hơi kim loại từ sự ăn mòn tiếp điểm làm môi trường hồ quang. Trong chân không cao (10⁻⁴ đến 10⁻⁷ Pa), hơi kim loại khuếch tán và ngưng tụ nhanh chóng trên các bề mặt tiếp xúc và tấm chắn. Môi trường chân không cung cấp khả năng phục hồi cách điện tuyệt vời (lên đến 20 kV/μs), cho phép dập tắt hồ quang tại điểm dòng điện về không đầu tiên.
H: Những yếu tố nào xác định thời gian hồ quang tối thiểu trong máy cắt?
Đ: Thời gian hồ quang tối thiểu phụ thuộc vào vận tốc mở tiếp điểm, khoảng cách tách yêu cầu, đặc tính của môi trường dập hồ quang và mức điện áp hệ thống. Thời gian hồ quang không đủ dẫn đến khe hở tiếp điểm không đủ hoặc làm mát không hoàn toàn, gây ra hiện tượng đánh lửa lại khi điện áp phục hồi xuất hiện. Hệ thống ba pha yêu cầu xem xét sự khác biệt về góc pha để vận hành cơ học đồng thời.
H: Tại sao máy cắt điện áp cao yêu cầu các phương pháp dập hồ quang phức tạp hơn?
Đ: Điện áp cao hơn tạo ra hồ quang dài hơn, nhiều năng lượng hơn với sự ion hóa lớn hơn. Mật độ năng lượng tăng lên đòi hỏi các cơ chế làm mát được tăng cường, hành trình tiếp điểm dài hơn và môi trường dập hồ quang vượt trội. Hệ thống điện áp cao cũng tạo ra biên độ TRV và tốc độ RRRV cao hơn, đòi hỏi khả năng phục hồi điện môi nhanh hơn và khả năng chịu đựng lớn hơn để ngăn ngừa các lỗi đánh lửa lại thảm khốc.
Kết luận: Khoa học đằng sau bảo vệ mạch an toàn
Hiểu bốn quy trình chính của việc ngắt kết nối máy cắt—tách tiếp điểm và thiết lập hồ quang, duy trì hồ quang và trả lại năng lượng, dòng điện về không và dập tắt, và chịu được TRV—tiết lộ lý do tại sao hồ quang điện được kiểm soát là nền tảng cho việc bảo vệ hệ thống điện thay vì các sai sót thiết kế cần loại bỏ.
Thiết kế máy cắt tiên tiến của VIOX Electric kết hợp các công nghệ quản lý hồ quang hiện đại, vật liệu tiếp điểm được tối ưu hóa và buồng hồ quang được thiết kế chính xác để đảm bảo bảo vệ đáng tin cậy trong mọi điều kiện hoạt động. Bằng cách quản lý năng lượng hồ quang hiệu quả và chịu được TRV trong các tiêu chuẩn quốc tế, máy cắt VIOX mang lại sự an toàn, độ tin cậy và tuổi thọ mà các hệ thống điện hiện đại yêu cầu.
Để biết thông số kỹ thuật, hướng dẫn ứng dụng hoặc các giải pháp máy cắt tùy chỉnh, hãy liên hệ với VIOX Electric’s đội ngũ kỹ thuật để thảo luận về các yêu cầu bảo vệ cụ thể của bạn.
