Một vòng cung trong một ngắt mạch là một sự phóng điện phát sáng—một kênh plasma đạt đến nhiệt độ 20.000°C (36.000°F)—hình thành giữa các tiếp điểm tách rời khi bộ ngắt mạch ngắt dòng điện dưới tải. Hồ quang này đại diện cho một trong những hiện tượng dữ dội và tiêu tốn nhiều năng lượng nhất trong kỹ thuật điện, có khả năng phá hủy các tiếp điểm, gây cháy và gây ra sự cố thiết bị nghiêm trọng nếu không được kiểm soát đúng cách thông qua các tiếp điểm hồ quang và hệ thống dập tắt hồ quang.
Tại VIOX Electric, đội ngũ kỹ sư của chúng tôi thiết kế và thử nghiệm các bộ ngắt mạch hàng ngày, tận mắt chứng kiến cách hồ quang hoạt động trên các loại bộ ngắt mạch khác nhau—từ bộ ngắt mạch thu nhỏ (MCB) dân dụng đến bộ ngắt mạch vỏ đúc (MCCB) công nghiệp và bộ ngắt mạch không khí (ACB) công suất cao. Hiểu được sự hình thành hồ quang, vai trò quan trọng của các tiếp điểm hồ quang trong việc bảo vệ các tiếp điểm chính và vật lý chi phối việc dập tắt hồ quang là điều cần thiết đối với các kỹ sư điện, người quản lý cơ sở và bất kỳ ai chịu trách nhiệm chỉ định hoặc bảo trì thiết bị bảo vệ mạch.
Hướng dẫn toàn diện này giải thích hiện tượng hồ quang từ góc độ sản xuất của VIOX, bao gồm vật lý hồ quang (điểm catốt, hiện tượng anốt, động lực học plasma), cách các tiếp điểm hồ quang hy sinh để bảo vệ các tiếp điểm chính, đặc tính điện áp hồ quang, phương pháp dập tắt trên các loại bộ ngắt mạch và tiêu chí lựa chọn thực tế để bảo vệ chống hồ quang.
Hồ quang trong máy cắt mạch là gì?
Định nghĩa kỹ thuật về hồ quang điện
Hồ quang điện trong bộ ngắt mạch là một sự phóng điện liên tục qua không khí ion hóa (plasma) xảy ra khi các tiếp điểm tách ra dưới tải. Không giống như tia lửa điện ngắn ngủi, hồ quang là một kênh plasma tự duy trì liên tục, mang dòng điện toàn mạch qua khoảng không khí cách điện.
Hồ quang hình thành vì dòng điện tìm cách duy trì đường đi của nó ngay cả khi các lực cơ học kéo các tiếp điểm ra xa. Khi sự tách tiếp điểm tạo ra một khe hở không khí, điện trường mạnh (thường vượt quá 3 triệu vôn trên mét khi tách ban đầu) ion hóa các phân tử không khí, phá vỡ chúng thành các electron tự do và các ion dương. Khí ion hóa này—plasma—trở nên dẫn điện, cho phép dòng điện tiếp tục chạy qua khe hở dưới dạng hồ quang màu trắng xanh rực rỡ.
Theo dữ liệu thử nghiệm của VIOX, một hồ quang điển hình trong MCCB 600V ngắt 10.000 ampe đạt đến:
- Nhiệt độ lõi: 15.000-20.000°C (nóng hơn bề mặt mặt trời ở 5.500°C)
- Điện áp hồ quang: 20-60 vôn (thay đổi theo chiều dài hồ quang và cường độ dòng điện)
- Mật độ dòng điện: Lên đến 10^6 A/cm² tại các điểm catốt
- Vận tốc plasma: 100-1.000 mét trên giây khi được điều khiển bằng từ trường
- Tiêu tán năng lượng: 200-600 joules trên mili giây đối với các sự cố dòng điện cao
Sự tập trung năng lượng cực cao này khiến việc kiểm soát hồ quang trở thành thách thức xác định trong kỹ thuật bộ ngắt mạch.
Tại sao hồ quang hình thành: Vật lý đằng sau sự tách tiếp điểm
Hồ quang là hậu quả không thể tránh khỏi của việc mở một mạch mang dòng điện. Quá trình hình thành hồ quang tuân theo các nguyên tắc vật lý cơ bản sau:
1. Nguyên tắc liên tục dòng điện: Dòng điện chạy qua một mạch điện cảm (bao gồm hầu như tất cả các hệ thống điện trong thế giới thực) không thể giảm xuống 0 ngay lập tức. Khi các tiếp điểm bắt đầu tách ra, dòng điện phải tìm một đường đi—hồ quang cung cấp đường đi đó.
2. Sự co thắt tiếp điểm và gia nhiệt cục bộ: Ngay cả khi các tiếp điểm dường như chạm vào toàn bộ diện tích bề mặt của chúng, thì sự dẫn điện thực tế xảy ra thông qua các điểm tiếp xúc vi mô (độ nhám) nơi các điểm không đều trên bề mặt tiếp xúc. Mật độ dòng điện tại các điểm này cực kỳ cao, gây ra hiện tượng gia nhiệt cục bộ và vi hàn.
3. Phát xạ trường và ion hóa ban đầu: Khi các tiếp điểm tách ra (thường ở tốc độ 0,5-2 mét trên giây trong bộ ngắt mạch), diện tích tiếp xúc giảm gây ra sự tăng đột biến mật độ dòng điện. Điều này làm nóng các điểm tiếp xúc còn lại đến 2.000-4.000°C, làm bay hơi vật liệu tiếp xúc. Đồng thời, khe hở ngày càng rộng tạo ra các điện trường mạnh ion hóa hơi kim loại và không khí xung quanh.
4. Hình thành kênh plasma: Khi một kênh plasma dẫn điện hình thành, nó sẽ tự duy trì thông qua quá trình ion hóa nhiệt. Dòng điện chạy qua plasma làm nóng nó hơn nữa (gia nhiệt Joule: I²R), làm tăng quá trình ion hóa, làm tăng độ dẫn điện, duy trì dòng điện. Vòng phản hồi tích cực này duy trì hồ quang cho đến khi làm mát và kéo dài bên ngoài dập tắt nó.
Trong các nghiên cứu về hồ quang bằng camera tốc độ cao của VIOX trong bộ ngắt mạch vỏ đúc, chúng tôi quan sát thấy sự hình thành hồ quang xảy ra trong vòng 0,1-0,5 mili giây sau khi tách tiếp điểm, với hồ quang ngay lập tức bắt đầu di chuyển dưới các lực điện từ về phía máng hồ quang và buồng dập tắt.
Hồ quang so với tia lửa điện: Hiểu sự khác biệt
Các chuyên gia điện đôi khi nhầm lẫn giữa hồ quang và tia lửa điện, nhưng chúng là những hiện tượng khác nhau về cơ bản:
| Đặc trưng | Tia lửa điện | Hồ quang |
| Thời gian | Thoáng qua (micrô giây đến mili giây) | Duy trì (mili giây đến giây hoặc lâu hơn) |
| Năng lượng | Phóng điện năng lượng thấp | Năng lượng liên tục cao |
| Dòng chảy hiện tại | Xung ngắn, thường <1 ampe | Liên tục, mang dòng điện toàn mạch (hàng trăm đến hàng nghìn ampe) |
| Nhiệt độ | Nóng nhưng ngắn ngủi | Cực kỳ nóng (15.000-20.000°C) |
| Tự duy trì | Không—sụp đổ ngay lập tức | Có—tiếp tục cho đến khi ngắt bên ngoài |
| Tiềm năng thiệt hại | Xói mòn bề mặt tối thiểu | Xói mòn tiếp điểm nghiêm trọng, hư hỏng thiết bị, nguy cơ hỏa hoạn |
| Ví dụ | Phóng điện tĩnh, công tắc mở tải nhẹ | Bộ ngắt mạch ngắt dòng điện sự cố |
Sự khác biệt rất quan trọng vì triệt tiêu tia lửa điện (chẳng hạn như bộ triệt xung RC trên các tiếp điểm rơle) và sự dập tắt hồ quang (như trong bộ ngắt mạch) đòi hỏi các phương pháp kỹ thuật hoàn toàn khác nhau.
Tiếp điểm hồ quang so với tiếp điểm chính: Cơ chế bảo vệ
Một trong những thành phần quan trọng nhất nhưng ít được hiểu nhất trong bộ ngắt mạch hiện đại là Tiếp điểm hồ quang—một tiếp điểm chuyên dụng được thiết kế để bảo vệ các tiếp điểm dẫn điện chính (dòng điện chính) của bộ ngắt mạch khỏi hư hại do hồ quang.
Tiếp Điểm Hồ Quang Là Gì?
Tiếp điểm hồ quang (còn được gọi là sừng hồ quang hoặc rãnh dẫn hồ quang trong các bộ ngắt mạch lớn hơn) là các tiếp điểm điện thứ cấp được thiết kế đặc biệt để:
- Chịu hồ quang trước khi các tiếp điểm mở khi có tải
- Kéo hồ quang ra xa khỏi các tiếp điểm chính bằng các phương tiện cơ học và điện từ
- Chịu được sự ăn mòn từ hồ quang lặp đi lặp lại thông qua các vật liệu chịu lửa chuyên dụng
- Dẫn hướng hồ quang về phía buồng dập hồ quang và máng hồ quang
Trong hệ thống tiếp điểm của bộ ngắt mạch, bạn có hai cặp tiếp điểm riêng biệt:
Tiếp Điểm Chính (Tiếp Điểm Sơ Cấp):
- Diện tích bề mặt tiếp xúc lớn được tối ưu hóa để có điện trở thấp trong quá trình dẫn dòng điện bình thường
- Vật liệu được chọn để có độ dẫn điện và độ bền cơ học (thường là oxit bạc-cadmium, vonfram-bạc hoặc hợp kim bạc-niken)
- Được thiết kế để mang dòng điện định mức liên tục mà không bị quá nóng
- Đóng trước khi bộ ngắt mạch đóng; mở sau cùng khi bộ ngắt mạch mở trong điều kiện không tải hoặc dòng điện thấp
- Đắt tiền và khó thay thế nếu bị hỏng
Tiếp Điểm Hồ Quang (Tiếp Điểm Thứ Cấp):
- Diện tích tiếp xúc nhỏ hơn đủ cho nhiệm vụ mang hồ quang trong thời gian ngắn
- Vật liệu được chọn để có khả năng chịu nhiệt độ cao và chống xói mòn do hồ quang (đồng-vonfram, vonfram-cacbua hoặc hợp kim chống hồ quang chuyên dụng)
- Được thiết kế để chịu được hồ quang cường độ cao, thời gian ngắn
- Mở trước khi bộ ngắt mạch tác động khi có tải, khởi tạo hồ quang ra khỏi các tiếp điểm chính
- Thường được tích hợp với các rãnh dẫn hồ quang để di chuyển vật lý hồ quang về phía vùng dập tắt
- Được coi là vật hi sinh—được thiết kế để xói mòn dần dần và được thay thế trong quá trình bảo trì lớn
Cách Tiếp Điểm Hồ Quang Bảo Vệ Bộ Ngắt Mạch
Cơ chế bảo vệ hoạt động thông qua hoạt động tuần tự được định thời cẩn thận. Trong các thiết kế MCCB VIOX, trình tự tiếp điểm tuân theo mô hình này:
Trình Tự Đóng (Cấp Điện Cho Mạch):
- Các tiếp điểm chính đóng trước, thiết lập đường dẫn dòng điện
- Các tiếp điểm hồ quang đóng sau (chúng đóng sau cùng)
- Trong quá trình hoạt động bình thường, cả hai bộ tiếp điểm đều mang dòng điện, nhưng các tiếp điểm chính mang phần lớn do điện trở của chúng thấp hơn
Trình Tự Mở Khi Có Tải (Ngắt Dòng Điện):
- Cơ chế tác động được kích hoạt
- Các tiếp điểm hồ quang bắt đầu tách ra trước (chúng ngắt trước), trong khi các tiếp điểm chính vẫn đóng
- Khi khoảng cách tiếp điểm hồ quang mở rộng, một hồ quang hình thành giữa chúng—nhưng các tiếp điểm chính vẫn đóng, mang dòng điện qua đường dẫn kim loại
- Các tiếp điểm chính mở ngay sau đó, nhưng vào thời điểm này, hồ quang đã được thiết lập trên các tiếp điểm hồ quang, không phải các tiếp điểm chính
- Các tiếp điểm hồ quang tiếp tục tách ra, kéo dài hồ quang
- Lực điện từ (lực Lorentz từ từ trường riêng của hồ quang) đẩy hồ quang lên các rãnh dẫn hồ quang
- Hồ quang di chuyển vào máng hồ quang hoặc buồng dập tắt, nơi nó được làm mát, kéo dài và dập tắt
- Các tiếp điểm chính vẫn không bị hư hại vì chúng không bao giờ trải qua hồ quang
Hoạt động ngắt trước/đóng sau này có nghĩa là các tiếp điểm chính chỉ xử lý dòng điện tải bình thường và mở trong điều kiện không có hồ quang, trong khi các tiếp điểm hồ quang hấp thụ tất cả năng lượng phá hủy của sự hình thành và ngắt hồ quang.
Tác Động Thực Tế: Kinh Nghiệm Thực Tế Của VIOX
Trong phân tích của VIOX về các bộ ngắt mạch bị trả lại do không ngắt được sự cố đúng cách, chúng tôi thấy rằng khoảng 60% các lỗi nghiêm trọng liên quan đến một trong hai điều sau:
- Tiếp điểm hồ quang bị thiếu hoặc bị xói mòn nghiêm trọng cho phép hồ quang đánh trực tiếp vào các tiếp điểm chính
- Cơ chế tiếp điểm hồ quang bị lệch khiến các tiếp điểm chính tách ra trước các tiếp điểm hồ quang
- Thông số kỹ thuật vật liệu sai nơi các tiếp điểm hồ quang sử dụng hợp kim bạc tiêu chuẩn thay vì thành phần vonfram chống hồ quang
Thiết kế và bảo trì tiếp điểm hồ quang đúng cách kéo dài tuổi thọ hoạt động của bộ ngắt mạch từ 3-5 lần trong các ứng dụng có công suất cao. Trong các cơ sở quan trọng như trung tâm dữ liệu và bệnh viện, nơi bộ ngắt mạch của chúng tôi bảo vệ các mạch an toàn cho cuộc sống, chúng tôi chỉ định các hệ thống tiếp điểm hồ quang nâng cao với các lớp vonfram dày hơn và chu kỳ kiểm tra thường xuyên hơn (hàng năm thay vì 3-5 năm một lần).
Vật Lý Hình Thành Hồ Quang: Điểm Cathode, Hiện Tượng Anode và Động Lực Học Plasma
Để thực sự hiểu cách bộ ngắt mạch kiểm soát hồ quang, chúng ta phải xem xét vật lý cơ bản chi phối hành vi của hồ quang. Phần này khám phá vật lý hồ quang ở mức độ vượt xa những gì các đối thủ cạnh tranh thường đề cập—cung cấp cho các kỹ sư điện kiến thức kỹ thuật chuyên sâu để chỉ định và khắc phục sự cố liên quan đến hồ quang.
Hiện Tượng Cathode: Nguồn Cung Cấp Năng Lượng Của Hồ Quang
Những cathode (điện cực âm) là nơi các electron bắt nguồn trong một hồ quang điện. Không giống như dẫn điện ở trạng thái ổn định, nơi dòng điện chạy đồng đều, cathode hồ quang tập trung mật độ dòng điện cực lớn vào các vùng hoạt động nhỏ bé được gọi là điểm cathode.
Đặc Điểm Của Điểm Cathode (từ các phép đo trong phòng thí nghiệm VIOX):
- Kích cỡ: Đường kính 10-100 micromet
- Mật độ dòng điện: 10^6 đến 10^9 A/cm² (triệu đến tỷ ampe trên centimet vuông)
- Nhiệt độ: 3.000-4.000°C tại bề mặt cathode
- Tuổi thọ: Micro giây—các điểm dập tắt và tái hình thành nhanh chóng, tạo cho hồ quang vẻ ngoài nhấp nháy đặc trưng
- Phát xạ vật liệu: Các điểm cathode làm bay hơi vật liệu điện cực, đẩy hơi kim loại, ion và các giọt siêu nhỏ vào cột hồ quang
Điểm cathode hoạt động thông qua phát xạ nhiệt điện và phát xạ trường:
- Phát xạ nhiệt điện: Gia nhiệt mạnh tại các điểm tiếp xúc vi mô cung cấp năng lượng nhiệt để giải phóng electron khỏi bề mặt kim loại, vượt qua hàm công (năng lượng liên kết). Đối với tiếp điểm đồng, hàm công ≈ 4,5 eV, đòi hỏi nhiệt độ >2.000 K để phát xạ đáng kể.
- Phát xạ trường: Điện trường mạnh tại bề mặt cathode (10^8 đến 10^9 V/m) thực sự kéo các electron ra khỏi kim loại thông qua hiệu ứng đường hầm lượng tử, ngay cả ở nhiệt độ thấp hơn. Phát xạ trường chiếm ưu thế trong chân không và máy cắt SF6, nơi có thể duy trì cường độ trường cao.
Tác động của việc lựa chọn vật liệu: Xói mòn cathode là cơ chế hao mòn chính đối với các tiếp điểm hồ quang. VIOX chỉ định vật liệu composite vonfram-đồng (thường là 75% vonfram, 25% đồng) cho các tiếp điểm hồ quang vì:
- Điểm nóng chảy cao của vonfram (3.422°C) làm giảm tốc độ bay hơi
- Hàm công cao của vonfram (4,5 eV) làm giảm phát xạ nhiệt điện, ổn định điểm cathode
- Đồng cung cấp độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt để tản nhiệt
- Vật liệu composite chống xói mòn tốt hơn 3-5 lần so với tiếp điểm đồng hoặc bạc nguyên chất
Hiện tượng Anode: Tản nhiệt và chuyển vật liệu
Những anode (điện cực dương) nhận dòng electron từ cathode. Hành vi của anode khác về cơ bản so với hành vi của cathode:
Đặc điểm Anode:
- Cơ chế gia nhiệt: Bắn phá bởi các electron vận tốc cao từ cathode, chuyển đổi động năng thành nhiệt khi va chạm
- Nhiệt độ: Các điểm anode thường mát hơn các điểm cathode 500-1.000°C
- Mật độ dòng điện: Khuếch tán hơn cathode—lan rộng trên diện tích lớn hơn
- Chuyển vật liệu: Trong hồ quang DC, vật liệu bị xói mòn từ cathode và lắng đọng trên anode, tạo ra “kim loại chuyển” đặc trưng được quan sát thấy trong các tiếp điểm bị hư hỏng do hồ quang
TRONG Mạch AC (phần lớn các ứng dụng của bộ ngắt mạch), cực tính đảo ngược 50-60 lần mỗi giây, do đó mỗi tiếp điểm luân phiên giữa cathode và anode. Sự phân cực luân phiên này giải thích tại sao các tiếp điểm của bộ ngắt mạch AC cho thấy các kiểu xói mòn đồng đều hơn so với các bộ ngắt mạch DC, nơi xói mòn cathode chiếm ưu thế.
Cột hồ quang: Vật lý plasma trong hoạt động
Những cột hồ quang là kênh plasma phát sáng kết nối cathode và anode. Đây là nơi phần lớn năng lượng hồ quang tiêu tan.
Thuộc tính Plasma:
- Thành phần: Hơi kim loại ion hóa từ xói mòn điện cực + không khí ion hóa (nitơ, oxy trở thành ion N+, O+ cộng với các electron tự do)
- Cấu hình nhiệt độ: 15.000-20.000°C ở lõi, giảm dần theo hướng tâm ra các cạnh
- Độ dẫn điện: 10^3 đến 10^4 siemens/mét—độ dẫn điện cao, tương đương với kim loại kém
- Độ dẫn nhiệt: Cao—plasma truyền nhiệt hiệu quả sang không khí xung quanh
- Phát xạ quang học: Ánh sáng trắng xanh cường độ cao từ kích thích và tái tổ hợp điện tử (electron trở về trạng thái cơ bản phát ra photon)
Cân bằng năng lượng trong cột hồ quang:
Cột hồ quang phải duy trì trạng thái cân bằng nhiệt giữa năng lượng đầu vào (Gia nhiệt Joule: V_arc × I) và năng lượng mất đi (bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt):
- Năng lượng đầu vào: P_in = V_arc × I (thường là 20-60V × 1.000-50.000A = 20 kW đến 3 MW)
- Tổn thất bức xạ: Plasma nhiệt độ cao bức xạ tia UV và ánh sáng nhìn thấy (Stefan-Boltzmann: P ∝ T^4)
- Tổn thất đối lưu: Plasma tăng lên do lực nổi (khí nóng) và bị thổi bởi lực từ
- Tổn thất dẫn nhiệt: Nhiệt được dẫn đến điện cực, thành buồng hồ quang và khí xung quanh
Khi năng lượng mất đi vượt quá năng lượng đầu vào (chẳng hạn như khi hồ quang bị kéo dài hoặc làm mát nhanh chóng), nhiệt độ plasma giảm, quá trình ion hóa giảm, điện trở tăng và hồ quang tắt.
Đặc tính điện áp hồ quang: Chìa khóa để giới hạn dòng điện
Một trong những thông số hồ quang quan trọng nhất đối với hiệu suất của bộ ngắt mạch là điện áp hồ quang—sụt áp trên hồ quang từ cathode đến anode.
Thành phần Điện áp Hồ quang:
V_arc = V_cathode + V_column + V_anode
Nơi:
- V_cathode: Sụt áp cathode (thường 10-20V)—năng lượng cần thiết để tách electron khỏi cathode
- V_column: Sụt áp cột hồ quang (thay đổi theo chiều dài hồ quang: ~10-50V trên mỗi cm chiều dài hồ quang)
- V_anode: Sụt áp anode (thường 5-10V)—năng lượng tiêu tán khi electron tác động vào anode
Tổng điện áp hồ quang trong các bộ ngắt mạch VIOX trong quá trình ngắt sự cố:
| Loại máy cắt | Khoảng cách Hồ quang Ban đầu | Chiều dài Hồ quang Sau Khi Thổi Tắt | Điện áp Hồ quang Điển hình |
| MCB (thu nhỏ) | 2-4 mm | 20-40 mm (trong máng dập hồ quang) | 30-80V |
| MCCB (dạng khối) | 5-10 mm | 50-120 mm (trong máng dập hồ quang) | 60-150V |
| ACB (máy cắt không khí) | 10-20 mm | 150-300 mm (sừng hồ quang mở rộng) | 100-200V |
| VCB (chân không) | 5-15 mm | Không kéo dài (chân không) | 20-50V (thấp do thời gian ngắn) |
Điện áp Hồ quang và Giới hạn Dòng điện:
Điện áp hồ quang là cơ chế mà bộ ngắt mạch giới hạn dòng điện giảm dòng điện sự cố xuống dưới mức dự kiến. Hệ thống có thể được mô hình hóa như sau:
V_system = I × Z_system + V_arc
Sắp xếp lại:
I = (V_system – V_arc) / Z_system
Bằng cách nhanh chóng phát triển điện áp hồ quang cao (thông qua kéo dài hồ quang, làm mát và tương tác tấm chia), bộ ngắt mạch làm giảm điện áp điều khiển thực, do đó giới hạn dòng điện. MCCB giới hạn dòng điện của VIOX phát triển điện áp hồ quang 120-180V trong vòng 2-3 mili giây, giảm dòng điện sự cố đỉnh xuống 30-40% giá trị dự kiến.
Đo Điện áp Hồ quang: Trong quá trình thử nghiệm ngắn mạch trong phòng thí nghiệm 65 kA của VIOX, chúng tôi đo điện áp hồ quang bằng cách sử dụng đầu dò vi sai điện áp cao và thu thập dữ liệu tốc độ cao (tốc độ lấy mẫu 1 MHz). Dạng sóng điện áp hồ quang cho thấy sự tăng nhanh khi các tiếp điểm tách ra, sau đó là các dao động đặc trưng khi hồ quang di chuyển qua máng dập hồ quang, sau đó đột ngột giảm xuống không khi dòng điện về không khi hồ quang tắt.
Phương pháp Dập Hồ quang trên các Loại Bộ ngắt Mạch
Các công nghệ bộ ngắt mạch khác nhau sử dụng các chiến lược dập hồ quang riêng biệt, mỗi chiến lược được tối ưu hóa cho các cấp điện áp, định mức dòng điện và yêu cầu ứng dụng cụ thể.
Máy cắt Không khí (ACB): Thổi Từ và Máng Dập Hồ quang
Máy cắt không khí là thiết bị truyền thống cho các ứng dụng công nghiệp lớn (kích thước khung 800-6300A, khả năng cắt lên đến 100 kA). Chúng dập hồ quang trong không khí bằng lực cơ học và điện từ.
Cơ chế Dập Hồ quang:
- Thổi từ tính: Nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn dây điện từ tạo ra một từ trường vuông góc với đường đi của hồ quang. Dòng điện hồ quang tương tác với từ trường này, tạo ra lực Lorentz: F = I × L × B
- Hướng lực: Vuông góc với cả dòng điện và từ trường (quy tắc bàn tay phải)
- Độ lớn: Tỷ lệ với dòng điện hồ quang—dòng điện sự cố cao hơn bị thổi nhanh hơn
- Hiệu ứng: Đẩy hồ quang lên trên và ra khỏi các tiếp điểm với vận tốc 50-200 m/s
- Thanh Dẫn Hồ quang: Hồ quang được đẩy lên các thanh dẫn bằng đồng hoặc thép kéo dài, làm tăng chiều dài đường đi của hồ quang, tăng điện áp và điện trở hồ quang.
- Máng Dập Hồ quang (Tấm Chia Hồ quang): Hồ quang đi vào một buồng chứa nhiều tấm kim loại song song (thường là 10-30 tấm cách nhau 2-8mm). Hồ quang được:
- Chia thành nhiều hồ quang nối tiếp (một giữa mỗi cặp tấm)
- Làm mát bằng tiếp xúc nhiệt với các tấm kim loại
- Kéo dài khi nó lan rộng trên bề mặt tấm
- Mỗi khe hở thêm ~20-40V vào điện áp hồ quang, vì vậy 20 tấm = tổng điện áp hồ quang 400-800V
- Khử Ion hóa: Sự kết hợp giữa làm mát và cắt dòng điện về không (trong hệ thống AC) cho phép không khí khử ion hóa, ngăn chặn hồ quang đánh lửa lại.
Thiết kế ACB VIOX: ACB dòng VAB của chúng tôi sử dụng hình học máng dập hồ quang được tối ưu hóa với các tấm chia được đặt gần nhau (3-5mm) và nam châm vĩnh cửu cường độ cao tạo ra cường độ trường 0,3-0,8 Tesla. Thiết kế này dập hồ quang một cách đáng tin cậy lên đến 100 kA trong vòng 12-18 mili giây.
Aptomat vỏ đúc (MCCB): Rãnh dập hồ quang nhỏ gọn
MCCBs là loại aptomat công nghiệp phổ biến nhất (16-1600A), đòi hỏi hệ thống dập hồ quang nhỏ gọn phù hợp với vỏ đúc kín.
Chiến lược dập hồ quang:
MCCB sử dụng các nguyên tắc tương tự như ACB nhưng trong các buồng dập hồ quang được thu nhỏ và tối ưu hóa:
- Thiết kế buồng dập hồ quang: Vỏ đúc nguyên khối chịu hồ quang (thường là vật liệu composite thủy tinh-polyester) chứa hồ quang và dẫn hướng khí
- Thổi từ tính: Nam châm vĩnh cửu nhỏ hoặc cuộn dây thổi hồ quang mang dòng điện
- Rãnh dập hồ quang nhỏ gọn: 8-20 tấm chia trong một thể tích hạn chế
- Thoát khí áp suất: Thoát khí có kiểm soát cho phép giảm áp suất đồng thời ngăn chặn ngọn lửa bên ngoài
MCCB giới hạn dòng điện: Dòng CLM của VIOX sử dụng thiết kế buồng dập hồ quang nâng cao:
- Khoảng cách hẹp: Các tấm chia được đặt cách nhau 2-3mm (so với 4-6mm trong MCCB tiêu chuẩn)
- Đường dẫn kéo dài: Hồ quang bị ép di chuyển 80-120mm qua rãnh dập hồ quang hình zíc zắc
- Phát triển điện áp nhanh chóng: Điện áp hồ quang đạt 120-180V trong vòng 2ms
- Năng lượng cho phép đi qua: Giảm xuống 20-30% I²t tiềm năng
Các thiết kế giới hạn dòng điện này bảo vệ thiết bị điện tử nhạy cảm, giảm nguy cơ hồ quang điện và giảm thiểu ứng suất cơ học trên thanh cái và tủ điện.
Aptomat thu nhỏ (MCB): Kiểm soát hồ quang bằng nhiệt và từ tính
Công (aptomat dân dụng/thương mại 6-125A) sử dụng phương pháp dập hồ quang đơn giản phù hợp với dòng sự cố thấp hơn và cấu trúc đơn cực nhỏ gọn.
Tính năng dập hồ quang:
- máng trượt hình vòng cung: 6-12 tấm chia trong buồng đúc nhỏ gọn
- Thổi từ tính: Nam châm vĩnh cửu nhỏ hoặc thanh dẫn hồ quang bằng vật liệu sắt từ
- Giải phóng khí: Nhiệt hồ quang làm bay hơi các thành phần rãnh dập hồ quang bằng sợi hoặc polyme, tạo ra các khí khử ion (hydro từ quá trình phân hủy polyme) giúp làm mát và dập tắt hồ quang
Thiết kế MCB VIOX (Dòng VOB4/VOB5):
- Rãnh dập hồ quang được kiểm tra với 10.000 thao tác ngắt theo tiêu chuẩn IEC 60898-1
- Hồ quang được dập tắt trong vòng 8-15 ms đối với dòng sự cố định mức (6 kA hoặc 10 kA)
- Khả năng chứa hồ quang bên trong được xác nhận để ngăn chặn ngọn lửa bên ngoài
Aptomat chân không (VCB): Dập hồ quang nhanh chóng trong chân không
Aptomat chân không sử dụng một phương pháp hoàn toàn khác: loại bỏ hoàn toàn môi trường. Các tiếp điểm hoạt động trong bình chân không kín (áp suất 10^-6 đến 10^-7 Torr).
Cơ chế Dập Hồ quang:
Trong chân không, không có khí để ion hóa. Khi các tiếp điểm tách ra:
- Hồ quang hơi kim loại: Hồ quang ban đầu chỉ bao gồm hơi kim loại ion hóa từ bề mặt tiếp xúc
- Mở rộng nhanh chóng: Hơi kim loại mở rộng vào chân không và ngưng tụ trên các bề mặt lạnh (tấm chắn và tiếp điểm)
- Khử ion nhanh chóng: Tại điểm dòng điện bằng không, các ion và electron còn lại tái hợp hoặc lắng đọng trong vòng micro giây
- Phục hồi điện môi cao: Khe hở chân không phục hồi hoàn toàn độ bền điện môi gần như ngay lập tức
- Arc tuyệt chủng: Thông thường trong vòng 3-8 mili giây (1/2 đến 1 chu kỳ ở 50/60 Hz)
Ưu điểm của VCB:
- Xói mòn tiếp điểm tối thiểu (chỉ hơi kim loại, không có phản ứng khí)
- Ngắt rất nhanh (3-8 ms)
- Tuổi thọ tiếp điểm dài (hơn 100.000 thao tác)
- Không cần bảo trì (niêm phong trọn đời)
- Kích thước nhỏ gọn
Hạn chế:
- Đắt hơn aptomat khí
- Giới hạn điện áp (thường là 1-38 kV; không phù hợp cho các ứng dụng điện áp thấp)
- Tiềm năng quá điện áp (dòng điện bị cắt) trong một số ứng dụng
VIOX sản xuất VCB (khởi động từ chân không dòng VVB) cho điều khiển động cơ trung thế và các ứng dụng chuyển mạch tụ điện, nơi tuổi thọ cao và bảo trì tối thiểu của chúng biện minh cho chi phí cao.
Aptomat SF6: Dập hồ quang áp suất cao
Aptomat SF6 sử dụng khí sulfur hexafluoride, có đặc tính dập hồ quang đặc biệt:
- Điện sức mạnh: 2-3 lần không khí ở cùng áp suất
- Độ âm điện: SF6 bắt giữ các electron tự do, nhanh chóng khử ion hồ quang
- Độ dẫn nhiệt: Làm mát hiệu quả plasma hồ quang
Arc Tuyệt Chủng:
Hồ quang hình thành trong SF6 được điều áp (2-6 bar). Tại điểm dòng điện bằng không, SF6 nhanh chóng loại bỏ nhiệt và bắt giữ các electron, cho phép phục hồi điện môi trong vòng micro giây. Được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng điện áp cao (>72 kV) và một số aptomat trung thế.
Vấn Đề Môi Trường: SF6 là một loại khí nhà kính mạnh (23.500 × CO2 trong hơn 100 năm), dẫn đến sự chuyển đổi của ngành công nghiệp sang các giải pháp thay thế chân không và cách điện bằng không khí. VIOX không sản xuất aptomat SF6, thay vào đó tập trung vào các công nghệ chân không và không khí thân thiện với môi trường.
Xếp hạng và Tiêu chuẩn Hồ quang của Bộ ngắt mạch
Việc lựa chọn bộ ngắt mạch đòi hỏi phải hiểu các xếp hạng liên quan đến hồ quang được tiêu chuẩn hóa, xác định khả năng của bộ ngắt mạch trong việc ngắt dòng điện sự cố một cách an toàn. Các xếp hạng này khác nhau giữa các khu vực và tổ chức tiêu chuẩn, nhưng tất cả đều giải quyết cùng một câu hỏi cơ bản: bộ ngắt mạch này có thể dập tắt hồ quang một cách an toàn khi ngắt dòng điện sự cố tối đa có thể xảy ra không?
Khả năng ngắt (Breaking Capacity)
Khả năng ngắt là dòng điện sự cố tối đa mà bộ ngắt mạch có thể ngắt một cách an toàn mà không bị hư hỏng hoặc hỏng hóc. Xếp hạng này thể hiện tình huống xấu nhất: ngắn mạch hoàn toàn (sự cố trở kháng bằng không) xảy ra tại các đầu cực của bộ ngắt mạch.
Tiêu chuẩn IEC (IEC 60947-2 cho MCCB):
- Icu (Khả năng cắt ngắn mạch cuối cùng): Dòng điện sự cố tối đa mà bộ ngắt mạch có thể ngắt một lần. Sau khi ngắt Icu, bộ ngắt mạch có thể cần kiểm tra hoặc thay thế. Được biểu thị bằng kA (kiloampe).
- Ics (Khả năng cắt ngắn mạch khi vận hành): Dòng điện sự cố mà bộ ngắt mạch có thể ngắt nhiều lần (thường là 3 lần hoạt động) và tiếp tục hoạt động bình thường. Thường là 25%, 50%, 75% hoặc 100% của Icu.
Tiêu chuẩn UL/ANSI (UL 489 cho MCCB):
- Xếp hạng ngắt (IR hoặc AIC): Xếp hạng đơn được biểu thị bằng ampe (ví dụ: 65.000 A hoặc “65kA”). Bộ ngắt mạch phải ngắt mức dòng điện này và vượt qua các thử nghiệm tiếp theo mà không bị hỏng hóc. Thường có thể so sánh với IEC Icu.
Dòng sản phẩm VIOX:
| Loại máy cắt | Kích thước khung điển hình | Phạm vi khả năng ngắt của VIOX | Tuân thủ tiêu chuẩn |
| MCB | 6-63A | 6 kA, 10 kA | IEC 60898-1, EN 60898-1 |
| MCCB | 16-1600A | 35 kA, 50 kA, 65 kA, 85 kA | IEC 60947-2, UL 489 |
| Ngân hàng | 800-6300A | 50 kA, 65 kA, 80 kA, 100 kA | IEC 60947-2, UL 857 |
Hướng dẫn lựa chọn: Khả năng ngắt của bộ ngắt mạch phải vượt quá dòng điện sự cố có sẵn (còn gọi là dòng điện ngắn mạch dự kiến) tại điểm lắp đặt. Dòng điện sự cố này được tính toán dựa trên công suất máy biến áp của tiện ích, trở kháng cáp và trở kháng nguồn. Lắp đặt bộ ngắt mạch có khả năng ngắt không đủ dẫn đến hỏng hóc nghiêm trọng trong quá trình xảy ra sự cố—hồ quang không thể dập tắt, bộ ngắt mạch phát nổ và gây ra hỏa hoạn/thương tích.
VIOX khuyến nghị hệ số an toàn: chỉ định bộ ngắt mạch có định mức ít nhất 125% dòng điện sự cố có sẵn đã tính toán để tính đến những thay đổi của hệ thống tiện ích và sự không chắc chắn trong tính toán.
Xếp hạng dòng điện chịu đựng ngắn hạn
Vì phối hợp chọn lọc trong các hệ thống bảo vệ xếp tầng, một số bộ ngắt mạch (đặc biệt là ACB và MCCB có bộ ngắt điện tử) bao gồm các cài đặt trễ ngắn hạn, cố ý chịu được dòng điện sự cố trong khoảng thời gian ngắn (0,1-1,0 giây) để cho phép các bộ ngắt mạch hạ nguồn tác động trước.
Icw (IEC 60947-2): Xếp hạng dòng điện chịu đựng ngắn hạn. Bộ ngắt mạch có thể mang dòng điện sự cố này trong một khoảng thời gian xác định (ví dụ: 1 giây) mà không bị tác động hoặc hư hỏng, cho phép phối hợp với các thiết bị hạ nguồn.
Các mẫu ACB VIOX có bộ ngắt LSI (Dài hạn, Ngắn hạn, Tức thời) cung cấp các cài đặt ngắn hạn có thể điều chỉnh (0,1-0,4 giây) và xếp hạng Icw từ 30-85 kA, cho phép phối hợp chọn lọc trong các hệ thống phân phối công nghiệp.
Năng lượng sự cố hồ quang điện và Nhãn
Ngoài xếp hạng của chính bộ ngắt mạch, mối nguy hiểm hồ quang điện các yêu cầu về ghi nhãn (theo NEC 110.16, NFPA 70E và IEEE 1584) quy định rằng thiết bị điện phải hiển thị dòng điện sự cố có sẵn và thời gian dọn dẹp để cho phép tính toán ranh giới hồ quang điện và năng lượng sự cố.
VIOX vận chuyển tất cả các bộ ngắt mạch kèm theo tài liệu để hỗ trợ ghi nhãn hồ quang điện:
- Xếp hạng dòng điện sự cố tối đa có sẵn
- Thời gian tác động điển hình ở các mức dòng điện sự cố khác nhau (từ đường cong thời gian-dòng điện)
- Giá trị I²t cho phép đối với các bộ ngắt mạch giới hạn dòng điện
Các nhà thầu và kỹ sư điện sử dụng dữ liệu này với phần mềm tính toán hồ quang điện để xác định năng lượng sự cố (cal/cm²) và thiết lập khoảng cách làm việc an toàn và các yêu cầu về PPE.
Kiểm tra và chứng nhận
Tất cả các bộ ngắt mạch VIOX đều trải qua quá trình thử nghiệm và chứng nhận của bên thứ ba để xác minh hiệu suất ngắt hồ quang:
Thử nghiệm kiểu (theo IEC 60947-2 và UL 489):
- Trình tự thử nghiệm ngắn mạch: Bộ ngắt mạch ngắt dòng điện sự cố định mức nhiều lần (trình tự “O-t-CO”: Mở, trễ thời gian, Đóng-Mở) để xác minh độ bền của tiếp điểm hồ quang và buồng hồ quang
- Thử nghiệm tăng nhiệt độ: Xác nhận rằng các tiếp điểm hồ quang và buồng hồ quang không bị quá nóng trong quá trình hoạt động bình thường
- Thử nghiệm độ bền: 4.000-10.000 thao tác cơ học cộng với các thao tác điện được định mức xác minh tuổi thọ tiếp điểm
- Thử nghiệm điện môi: Thử nghiệm điện áp cao xác nhận rằng lớp cách điện bị hư hỏng do hồ quang vẫn duy trì khoảng hở
Thử nghiệm thường xuyên (mỗi đơn vị sản xuất):
- Xác minh dòng điện tác động
- Liên lạc với kháng đo
- Kiểm tra trực quan các tiếp điểm hồ quang và máng hồ quang
- Thử nghiệm điện môi Hi-pot
Hệ thống quản lý chất lượng của VIOX (chứng nhận ISO 9001:2015) yêu cầu lấy mẫu và thử nghiệm theo lô theo IEC 60947-2 Phụ lục B, với khả năng truy xuất nguồn gốc đầy đủ từ các thành phần buồng hồ quang đến lắp ráp cuối cùng.
Lựa chọn Bộ ngắt mạch cho Hiệu suất Hồ quang và Ứng dụng
Việc lựa chọn bộ ngắt mạch phù hợp có xem xét đến hành vi hồ quang đảm bảo ngắt an toàn, đáng tin cậy trong suốt vòng đời của hệ thống lắp đặt. Hãy làm theo phương pháp có hệ thống này:
Bước 1: Xác định Dòng điện Sự cố Có sẵn
Tính toán hoặc đo dòng điện ngắn mạch dự kiến tại điểm lắp đặt bộ ngắt mạch. Các phương pháp:
Phương pháp tính toán:
- Lấy thông số kVA và trở kháng của máy biến áp (thường là 4-8%)
- Tính dòng ngắn mạch thứ cấp của máy biến áp: I_fault = kVA / (√3 × V × Z%)
- Cộng thêm trở kháng cáp từ máy biến áp đến vị trí đặt bộ ngắt mạch
- Tính đến các nguồn song song (máy phát điện, các đường dây khác)
Phương pháp đo lường:
Sử dụng máy phân tích dòng ngắn mạch hoặc thiết bị kiểm tra dòng ngắn mạch dự kiến tại điểm lắp đặt (yêu cầu kiểm tra khi không có điện hoặc thiết bị chuyên dụng đang hoạt động).
Phương pháp dữ liệu từ công ty điện lực:
Yêu cầu dữ liệu dòng ngắn mạch có sẵn từ công ty điện lực cho đầu vào dịch vụ.
Đối với các ứng dụng khách hàng VIOX điển hình:
- Dân cư: 10-22 kA điển hình
- Tòa nhà thương mại: 25-42 kA điển hình
- Cơ sở công nghiệp: 35-100 kA (lên đến 200 kA gần các máy biến áp lớn)
Bước 2: Chọn khả năng cắt với hệ số an toàn
Chọn định mức Icu/AIC của bộ ngắt mạch ≥ 1.25 × dòng ngắn mạch có sẵn.
Ví dụ: Dòng ngắn mạch có sẵn = 38 kA → chỉ định bộ ngắt mạch có định mức ≥ 48 kA → MCCB dòng VIOX VPM1 có định mức 50 kA là phù hợp.
Bước 3: Đánh giá năng lượng hồ quang và giới hạn dòng điện
Để bảo vệ thiết bị nhạy cảm (điện tử, biến tần, hệ thống điều khiển), hãy xem xét bộ ngắt mạch giới hạn dòng điện giúp giảm năng lượng thông qua:
Hiệu suất giới hạn dòng điện: MCCB dòng VIOX CLM với rãnh dập hồ quang giới hạn dòng điện đạt được:
- Dòng điện đỉnh thông qua: 30-45% dòng ngắn mạch dự kiến
- I²t thông qua: 15-25% năng lượng I²t dự kiến
- Giới hạn xảy ra trong vòng 2-5 ms đầu tiên (ít hơn 1/4 chu kỳ ở 60 Hz)
Việc giảm năng lượng đáng kể này bảo vệ cáp, thanh cái và thiết bị hạ nguồn khỏi ứng suất nhiệt và cơ học.
Bước 4: Xem xét an toàn hồ quang điện và khả năng tiếp cận
Ở những nơi công nhân phải tiếp cận thiết bị đang có điện:
- Chỉ định bộ ngắt mạch có vỏ chống hồ quang điện hoặc cơ cấu kéo từ xa
- Sử dụng bộ phận ngắt điện tử với khóa liên động chọn vùng (ZSI) để ngắt sự cố nhanh hơn
- Xem xét rơle hồ quang điện với phát hiện quang học để ngắt cực nhanh (2-5 ms)
- Lắp đặt nhãn cảnh báo hồ quang điện và thiết lập quy trình an toàn theo NFPA 70E
Các mẫu VIOX ACB với cơ cấu rút cho phép tháo bộ ngắt mạch trong khi vẫn duy trì sự căn chỉnh và an toàn của buồng hồ quang—điều quan trọng đối với việc bảo trì trong các hệ thống năng lượng cao.
Bước 5: Chỉ định vật liệu tiếp điểm hồ quang và khoảng thời gian bảo trì
Đối với các ứng dụng có tải cao (chuyển mạch thường xuyên, môi trường dòng ngắn mạch cao):
Tiếp điểm hồ quang nâng cao: Chỉ định thành phần vonfram-đồng với khối lượng tăng lên
Khoảng thời gian kiểm tra: Các khuyến nghị của VIOX dựa trên ứng dụng:
| Chu kỳ hoạt động | Số lần kiểm tra mỗi năm | Tuổi thọ dự kiến của tiếp điểm hồ quang |
| Nhẹ (khu dân cư, văn phòng thương mại) | 0 (chỉ kiểm tra bằng mắt) | 20-30 năm |
| Trung bình (bán lẻ, công nghiệp nhẹ) | Mỗi 3-5 năm | 10-20 năm |
| Nặng (sản xuất, khởi động lặp đi lặp lại) | Hàng năm | Từ 5 đến 10 năm |
| Nghiêm trọng (thiết bị đóng cắt sơ cấp, tiếp xúc với dòng ngắn mạch cao) | 6 tháng một lần | 2-5 năm hoặc sau sự cố lớn |
Bước 6: Xác minh sự phối hợp và chọn lọc
Vẽ đường cong thời gian-dòng điện để đảm bảo phối hợp hồ quang điện thích hợp:
- Bộ ngắt mạch phía trên không được ngắt trước bộ ngắt mạch phía dưới trong quá trình xảy ra sự cố
- Khoảng thời gian thích hợp (thường là 0.2-0.4 giây) giữa các đường cong
- Tính đến thời gian hồ quang và các hiệu ứng giới hạn dòng điện của bộ ngắt mạch
VIOX cung cấp dữ liệu TCC (đường cong thời gian-dòng điện) và phần mềm phối hợp để tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tích tính chọn lọc.
Bảo trì, kiểm tra và khắc phục sự cố liên quan đến hồ quang điện
Bảo trì đúng cách kéo dài tuổi thọ tiếp điểm hồ quang, duy trì khả năng cắt và ngăn ngừa các sự cố liên quan đến hồ quang điện.
Kiểm tra trực quan tiếp điểm hồ quang
Thực hiện kiểm tra trực quan trong quá trình bảo trì theo lịch trình (bộ ngắt mạch đã ngắt điện và rút ra):
Cần tìm gì:
- Xói mòn tiếp điểm: Mất vật liệu từ đầu tiếp điểm hồ quang—có thể chấp nhận được nếu <30% vật liệu ban đầu còn lại
- Rỗ và lở: Vết lở sâu cho thấy hồ quang nghiêm trọng; thay thế nếu độ sâu vết lở >2mm
- Sự đổi màu: Oxy hóa xanh/đen là bình thường; cặn trắng/xám cho thấy quá nhiệt
- Dấu vết carbon: Đường dẫn carbon dẫn điện trên vật liệu cách điện từ plasma hồ quang—làm sạch hoặc thay thế các bộ phận bị ảnh hưởng
- Cong vênh hoặc nóng chảy: Cho thấy năng lượng hồ quang quá mức hoặc dập tắt hồ quang không thành công—thay thế bộ ngắt mạch
- Hư hỏng buồng dập hồ quang: Tấm chia bị vỡ, rào chắn bị nóng chảy hoặc tích tụ muội than—làm sạch hoặc thay thế buồng hồ quang
Công cụ kiểm tra VIOX: Có sẵn thước đo độ dày tiếp điểm và khuôn giới hạn mài mòn cho tất cả các kiểu MCCB/ACB để định lượng sự ăn mòn.
Đo điện trở tiếp xúc
Đo điện trở trên mỗi cực bằng micro-ohm kế (đồng hồ đo điện trở thấp kỹ thuật số):
Giá trị chấp nhận được (Bộ ngắt mạch VIOX, theo IEC 60947-2):
| Kích thước khung bộ ngắt mạch | Điện trở tiếp xúc mới | Cho phép tối đa |
| MCB (6-63A) | 0,5-2 mΩ | 4 mΩ |
| MCCB (100-250A) | 0,1-0,5 mΩ | 1,5 mΩ |
| MCCB (400-800A) | 0,05-0,2 mΩ | 0,8 mΩ |
| MCCB (1000-1600A) | 0,02-0,1 mΩ | 0,4 mΩ |
| ACB (1600-3200A) | 0,01-0,05 mΩ | 0,2 mΩ |
Điện trở tiếp xúc tăng cho thấy:
- Ăn mòn tiếp điểm hồ quang
- Ô nhiễm hoặc oxy hóa tiếp điểm chính
- Giảm áp suất tiếp xúc (lò xo bị mòn)
- Lệch lạc
Nếu điện trở vượt quá mức cho phép tối đa, hãy thay thế tiếp điểm hồ quang hoặc toàn bộ bộ ngắt mạch tùy thuộc vào kiểu máy và khả năng sửa chữa.
Khắc phục sự cố liên quan đến hồ quang
Vấn đề: Bộ ngắt mạch tác động ngay lập tức khi đóng vào tải
- Có Thể Gây Ra: Ngắn mạch ở hạ nguồn (xác minh bằng kiểm tra megohmmeter), Cài đặt tác động tức thời quá thấp, Tiếp điểm hồ quang bị mòn gây ra điện trở ban đầu cao và dòng điện khởi động
- Giải pháp: Cách ly tải hạ nguồn, kiểm tra tính liên tục của mạch, kiểm tra tiếp điểm hồ quang
Vấn đề: Hồ quang nhìn thấy được trong quá trình hoạt động bình thường
- Có Thể Gây Ra: Tiếp điểm chính không đóng đúng cách (tiếp điểm hồ quang mang dòng điện liên tục), Kết nối lỏng lẻo tại các đầu nối bộ ngắt mạch, Ô nhiễm tiếp điểm làm giảm độ dẫn điện, Lệch cơ học
- Giải pháp: Ngay lập tức ngắt điện và kiểm tra. Hồ quang trong quá trình hoạt động bình thường cho thấy sự cố sắp xảy ra—thay thế bộ ngắt mạch.
Vấn đề: Bộ ngắt mạch không ngắt được sự cố
- Có Thể Gây Ra: Dòng điện sự cố vượt quá định mức ngắt (hồ quang không thể dập tắt), Ăn mòn tiếp điểm hồ quang nghiêm trọng, Hư hỏng hoặc tắc nghẽn buồng hồ quang, Ô nhiễm trong buồng dập hồ quang (các hạt kim loại làm ngắn mạch các tấm chia)
- Giải pháp: Thay thế bộ ngắt mạch ngay lập tức. Không ngắt được chỉ ra mối nguy hiểm an toàn nghiêm trọng.
Vấn đề: Mùi khét hoặc khói từ bộ ngắt mạch trong quá trình ngắt sự cố
- Có Thể Gây Ra: Các sản phẩm phụ hồ quang bình thường (ozone, NOx) nếu xảy ra một lần trong quá trình loại bỏ sự cố, Nhiệt phân cách điện hữu cơ nếu năng lượng hồ quang quá mức, Quá nhiệt linh kiện bên trong
- Giải pháp: Nếu sự kiện đơn lẻ trong quá trình loại bỏ sự cố, hãy thực hiện kiểm tra sau khi ngắt theo IEC 60947-2 (kiểm tra trực quan, điện trở, điện môi). Nếu lặp lại hoặc trong quá trình hoạt động bình thường, hãy thay thế bộ ngắt mạch.
Khi nào nên thay thế bộ ngắt mạch sau khi tiếp xúc với hồ quang
VIOX khuyến nghị thay thế bộ ngắt mạch trong các điều kiện sau:
- Ngắt ≥80% Icu định mức: Ngắt đơn gần công suất gây ra ăn mòn tiếp điểm hồ quang nghiêm trọng
- Nhiều lần ngắt ≥50% Icu: Hư hỏng tích lũy vượt quá tuổi thọ thiết kế
- Ăn mòn tiếp điểm nhìn thấy được >30%: Không đủ vật liệu còn lại để ngắt đáng tin cậy trong tương lai
- Điện trở tiếp xúc vượt quá mức tối đa: Cho thấy đường dẫn dòng điện bị suy giảm
- Hư hỏng buồng hồ quang: Tấm chia bị vỡ, các bộ phận bị nóng chảy
- Tuổi thọ >20 năm sử dụng: Ngay cả khi không có lỗi, sự lão hóa vật liệu ảnh hưởng đến khả năng dập hồ quang
Hầu hết khách hàng thương mại/công nghiệp của VIOX đều triển khai Chu kỳ thay thế 25 năm cho các MCCB quan trọng bất kể tình trạng bên ngoài, đảm bảo ngắt hồ quang đáng tin cậy khi cần thiết.
Các câu hỏi thường gặp: Hồ quang trong bộ ngắt mạch
Điều gì khiến hồ quang trong bộ ngắt mạch trở nên nguy hiểm?
Hồ quang trong bộ ngắt mạch rất nguy hiểm vì chúng đạt đến nhiệt độ 20.000°C—nóng hơn bề mặt mặt trời—tạo ra các mối nguy hiểm cực độ về cháy nổ và điện giật. Plasma hồ quang có thể ngay lập tức đốt cháy các vật liệu dễ cháy gần đó, làm bay hơi các thành phần kim loại và tạo ra sóng áp suất vượt quá 10 bar (145 psi) làm vỡ vỏ bọc. Các sự cố hồ quang gây ra bỏng nặng, mù vĩnh viễn do ánh sáng tia cực tím mạnh và tổn thương thính giác do âm thanh nổ (140+ dB). Ngoài ra, hồ quang tạo ra các khí độc hại bao gồm ozone, oxit nitơ và carbon monoxide. Nếu không có các tiếp điểm hồ quang và hệ thống dập hồ quang thích hợp, hồ quang không được kiểm soát có thể lan truyền qua các hệ thống điện, gây ra các lỗi liên tiếp và thiệt hại trên toàn bộ cơ sở.
Hồ quang điện tồn tại trong bao lâu trong một bộ ngắt mạch trong quá trình ngắt sự cố?
Các bộ ngắt mạch hiện đại dập tắt hồ quang trong vòng 8-20 mili giây trong hệ thống AC (thường là ở điểm cắt dòng điện bằng không đầu tiên hoặc thứ hai). MCCB VIOX với máng dập hồ quang được tối ưu hóa đạt được khả năng ngắt trong 10-16 ms ở dòng điện sự cố định mức. Bộ ngắt mạch chân không nhanh hơn (3-8 ms) do dập hồ quang nhanh chóng trong môi trường chân không. Tuy nhiên, nếu khả năng cắt của bộ ngắt mạch bị vượt quá hoặc buồng dập hồ quang bị hỏng, hồ quang có thể tồn tại hàng trăm mili giây hoặc lâu hơn, giải phóng năng lượng lớn và gây ra hỏng hóc nghiêm trọng. Thời gian hồ quang tỷ lệ thuận với năng lượng giải phóng: E = V × I × t, vì vậy việc dập tắt nhanh hơn sẽ giảm đáng kể thiệt hại và nguy hiểm.
Sự khác biệt giữa tiếp điểm hồ quang và tiếp điểm chính trong một bộ ngắt mạch là gì?
Tiếp điểm hồ quang và tiếp điểm chính có vai trò khác nhau trong bộ ngắt mạch. Tiếp điểm chính là các tiếp điểm diện tích lớn, điện trở thấp được tối ưu hóa để mang dòng điện định mức liên tục với nhiệt tối thiểu. Chúng sử dụng các vật liệu đắt tiền (hợp kim bạc) để dẫn điện và độ bền. Tiếp điểm hồ quang là các tiếp điểm thứ cấp nhỏ hơn, được làm từ vật liệu chịu hồ quang (vonfram-đồng) được thiết kế để xử lý hồ quang phá hủy trong quá trình ngắt. Sự khác biệt quan trọng là thời gian: tiếp điểm hồ quang mở trước (ngắt trước) khi bộ ngắt mạch tác động, kéo hồ quang ra khỏi tiếp điểm chính. Hoạt động ngắt trước/đóng sau này bảo vệ tiếp điểm chính khỏi hư hỏng do hồ quang, kéo dài tuổi thọ bộ ngắt mạch từ 3-5 lần so với thiết kế tiếp điểm đơn. Thử nghiệm VIOX cho thấy 60-70% lỗi bộ ngắt mạch sớm là do thiếu hoặc xói mòn tiếp điểm hồ quang cho phép hồ quang làm hỏng tiếp điểm chính.
Bạn có thể nhìn thấy hồ quang điện hình thành bên trong một bộ ngắt mạch không?
Bạn không bao giờ nên cố ý quan sát sự hình thành hồ quang vì tia cực tím và ánh sáng nhìn thấy được cường độ cao (tương đương với độ sáng của hồ quang hàn) có thể gây tổn thương võng mạc vĩnh viễn trong vòng vài mili giây—một tình trạng gọi là “mắt hồ quang” hoặc viêm giác mạc do ánh sáng. Trong quá trình hoạt động bình thường, bộ ngắt mạch được bao kín và hồ quang xảy ra bên trong buồng dập hồ quang, không nhìn thấy được đối với người vận hành. VIOX sử dụng camera tốc độ cao với bộ lọc thích hợp trong phòng thí nghiệm thử nghiệm 65 kA của chúng tôi để nghiên cứu hành vi hồ quang một cách an toàn. Trong thực tế, nếu bạn thấy hồ quang hoặc ánh sáng nhấp nháy từ bộ ngắt mạch trong quá trình hoạt động bình thường (không phải trong quá trình xóa lỗi), hãy ngay lập tức ngắt điện thiết bị—hồ quang nhìn thấy được cho thấy sự cố nghiêm trọng sắp xảy ra. Trong quá trình xóa lỗi, ánh sáng nhấp nháy bên trong ngắn gọn có thể nhìn thấy qua cửa sổ chỉ báo là bình thường đối với việc ngắt dòng điện cao.
Điện áp hồ quang ảnh hưởng đến khả năng hạn chế dòng điện của bộ ngắt mạch như thế nào?
Điện áp hồ quang là cơ chế chính cho phép bộ ngắt mạch giới hạn dòng điện giảm dòng điện sự cố xuống dưới mức dự kiến. Khi hồ quang kéo dài thông qua thổi từ tính và di chuyển qua máng dập hồ quang, điện áp hồ quang tăng nhanh (thường là 80-200V trong buồng dập hồ quang MCCB VIOX). Điện áp này chống lại điện áp hệ thống, làm giảm điện áp thực có sẵn để điều khiển dòng điện sự cố: I_actual = (V_system – V_arc) / Z_system. Bằng cách phát triển nhanh chóng điện áp hồ quang cao trong vòng 2-5 mili giây, bộ ngắt mạch giới hạn dòng điện đạt được dòng điện thông đỉnh chỉ 30-40% mức sự cố dự kiến. MCCB dòng VIOX CLM sử dụng các tấm chia khoảng cách hẹp (2mm) và đường dẫn máng dập hồ quang kéo dài (80-120mm) để tối đa hóa điện áp hồ quang, bảo vệ thiết bị hạ nguồn khỏi ứng suất nhiệt (I²t) và cơ học (I_peak²) trong quá trình xảy ra sự cố.
Nguyên nhân nào khiến hồ quang điện ở máy cắt điện trở nên nghiêm trọng hơn?
Mức độ nghiêm trọng của hồ quang tăng lên với nhiều yếu tố: dòng điện sự cố cao hơn (nhiều năng lượng đầu vào hơn), thời gian hồ quang dài hơn (dập tắt chậm trễ), khả năng cắt không đủ (bộ ngắt mạch có kích thước không phù hợp với dòng điện sự cố có sẵn), tiếp điểm hồ quang bị ô nhiễm hoặc xói mòn (hình thành hồ quang không đều), các thành phần bị mòn (giảm áp suất tiếp xúc, máng dập hồ quang bị hỏng), lắp đặt không đúng cách (đầu nối lỏng lẻo gây ra hồ quang bên ngoài) và điều kiện môi trường (độ ẩm cao làm giảm độ bền điện môi, độ cao làm giảm mật độ không khí ảnh hưởng đến làm mát hồ quang). Trong phân tích của VIOX về các sự cố hồ quang nghiêm trọng, nguyên nhân phổ biến nhất là lắp đặt bộ ngắt mạch có khả năng cắt không đủ cho dòng điện sự cố có sẵn—khi sự cố dự kiến vượt quá định mức Icu của bộ ngắt mạch, hồ quang không thể dập tắt và sự cố nghiêm trọng xảy ra sau đó. Luôn xác minh dòng điện sự cố có sẵn và chỉ định bộ ngắt mạch có định mức ≥125% trên giá trị đó.
Aptomat chống hồ quang (AFCI) khác biệt như thế nào so với aptomat tiêu chuẩn trong việc phát hiện hồ quang điện?
Bộ ngắt mạch do hồ quang (AFCIs) phát hiện các hồ quang song song nguy hiểm (hồ quang từ dây pha đến dây trung tính hoặc dây pha đến đất do dây bị hỏng, kết nối lỏng lẻo hoặc dây bị sờn) mà các bộ ngắt mạch tiêu chuẩn không thể phát hiện được vì các hồ quang này hút dòng điện không đủ để kích hoạt bảo vệ quá dòng. AFCIs sử dụng thiết bị điện tử tiên tiến để phân tích dạng sóng dòng điện cho các dấu hiệu tần số cao đặc trưng (thường là 20-100 kHz) được tạo ra bởi hồ quang - các mẫu không đều, hỗn loạn khác biệt với dòng điện tải thông thường. Khi AFCI phát hiện các dấu hiệu hồ quang vượt quá mức ngưỡng và thời gian, nó sẽ ngắt để ngăn ngừa hỏa hoạn do điện. Bộ ngắt mạch tiêu chuẩn chỉ phát hiện hồ quang nối tiếp (hồ quang trong đường dẫn dòng điện có chủ ý trong quá trình ngắt) khi chúng ngắt để xóa lỗi; chúng không thể phát hiện hồ quang song song trong hệ thống dây nhánh. Bộ ngắt mạch công nghiệp/thương mại VIOX tập trung vào việc ngắt hồ quang nối tiếp năng lượng cao, trong khi bộ ngắt mạch AFCI dân dụng (ngoài phạm vi sản phẩm của chúng tôi) chuyên phát hiện hồ quang song song năng lượng thấp gây ra hỏa hoạn.
Điều gì xảy ra nếu một bộ ngắt mạch không thể dập tắt hồ quang điện?
Nếu bộ ngắt mạch không dập tắt được hồ quang, sự cố nghiêm trọng sẽ xảy ra trong vòng vài giây. Hồ quang duy trì tiếp tục hút dòng điện sự cố (có khả năng hàng chục nghìn ampe), giải phóng năng lượng lớn (megajoule mỗi giây) mà: 1) Làm bay hơi và làm tan chảy các thành phần bên trong của bộ ngắt mạch, tạo ra hơi kim loại dẫn điện lan truyền hồ quang khắp vỏ bọc; 2) Tạo ra áp suất cực lớn (20+ bar) làm vỡ vỏ bộ ngắt mạch, bắn kim loại nóng chảy và plasma ra bên ngoài; 3) Đốt cháy các vật liệu xung quanh—cáp, vỏ bọc, cấu trúc tòa nhà—gây ra hỏa hoạn điện; 4) Tạo ra hồ quang pha-pha hoặc pha-đất trong thiết bị thượng nguồn, làm tăng thêm sự cố; và 5) Gây ra nguy cơ hồ quang cực lớn cho nhân viên gần đó với năng lượng sự cố vượt quá 100 cal/cm². Đây là lý do tại sao việc chỉ định khả năng cắt phù hợp là rất quan trọng. Thử nghiệm nghiêm ngặt của VIOX theo tiêu chuẩn IEC 60947-2 xác minh mọi kiểu bộ ngắt mạch đều dập tắt hồ quang một cách đáng tin cậy lên đến định mức Icu trong điều kiện xấu nhất.
Kết luận
Hồ quang là một lực phá hủy, nhưng với các tiếp điểm hồ quang và hệ thống dập hồ quang được thiết kế chính xác, chúng có thể được kiểm soát. Hiểu vật lý của hồ quang—từ các điểm cathode đến động lực học plasma—cho phép các kỹ sư chọn thiết bị bảo vệ phù hợp và bảo trì nó để đảm bảo an toàn và độ tin cậy. VIOX Electric tiếp tục nâng cao công nghệ kiểm soát hồ quang, đảm bảo bộ ngắt mạch của chúng tôi cung cấp khả năng bảo vệ vượt trội cho cơ sở hạ tầng điện quan trọng của bạn.
