Cung cấp điện

KHÍ CỤ BẢO VỆ Khí cụ bảo vệ gồm Cầu chì, CB, khí cụ bảo vệ dòng dư (RCB) và khí cụ bảo vệ quá áp SPD. Không có khí cụ bảo vệ, hệ thống điện sẽ hư hỏng (chạm, chập mạch, cháy....nổ) khi gặp phải các sự cố quá tải, ngắn mạch, chạm đất, quá áp do xung sét. Biết cấu tạo, công dụng và lựa chọn áp dụng các khí cụ bảo vệ điện là kỹ năng căn bản của một kỹ sư ngành điện và các nghành liên quan nhiều đến điện như điện tử, tự động hóa, viễn thông và công nghệ thông tin. BỘ NGẮT MẠCH (CB): Bộ ngắt mạch, (circuit breaker) thường được gọi tắt là CB, ngày nay CB là khí cụ bảo vệ thông dụng nhất trong hệ thống điện. CB có nhiều loại, thông thường được chế tạo theo tiêu chuẩn IEC 60898 cho mạch cung cấp điện gia dụng, hoặc cao hơn là tiêu chuẩn IEC 60947-2 cho hệ thống điện thương mại và công nghiệp. Cấu tạo của CB: Một CB gồm những bộ phận chính: Hệ thống tiếp điểm. Hệ thống dập hồ quang. Cơ cấu truyền động. Cơ cấu bảo vệ. Cần gạt bằng tay. Cơ cấu bảo vệ trong một CB có thể gồm một hoặc cả hai loại sau: Rơ-le nhiệt: theo nguyên lý bộ lưỡng kim nhiệt, tác động chậm, dùng để bảo vệ quá tải. Lưỡng kim nhiệt gồm hai dãy kim loại khác nhau được ghép hàn với nhau. Vì hai loại kim loại khác nhau có hệ số dãn nở khác nhau, nên khi nhiệt độ tăng, lưỡng kim nhiệt sẽ bị uống cong. Do đó khi dòng tăng, cần một thời gian đủ cho lưỡng kim nhiệt bị cong, khi đó rơle nhiệt bật chốt, và tác động. Rơ le điện từ: theo nguyên lý rơle dòng điện, tác động nhanh, dùng để bảo vệ ngắn mạch. Rơle dòng trong CB là một nam châm điện ghép nối tiếp với mạch điện bên ngoài. Bình thường, dòng điện không đủ để nam châm điện hút thanh tác động, nên rơle dòng không tác động. Khi dòng điện tăng đủ để nam châm điện của rơle dòng tác động, mạch bị ngắt, và dòng điện ngoài cũng ngắt. Phân loại: CB có các loại sau: CB cỡ nhỏ ( Miniature Circuit Breaker): có kích thước nhỏ lắp đặt trên ray, với các dãy định mức sau: 6 10 13 16 20 25 32 40 50 63 CB vỏ đúc ( MCCB): có kích thước lớn có các dãy định mức (A) 15 20 25 30 40 50 60 75 80 100 125 150 160 175 200 225 250 300 400 500 630 800 1000 1250 1600 Ngoài ra các hãng còn chế tạo Motor CB dùng để bảo vệ quá tải động cơ điện, có dòng chỉnh định được. CB nhiệt rẻ tiền phi chuẩn, chỉ có cơ cấu nhiệt, định mức dưới 30A, thường được dùng thay cầu chì trong các mạch điện dân dụng và mạch điện tạm, để thay cho công tắc 2 cực, không nên sử dụng cho những hệ thống quan trọng, mà không có bảo vệ trên thượng nguồn. Tiêu chuẩn của CB Trên thị trường thế giới, các CB đạt chuẩn hiện nay được chế tạo với hai tiêu chuẩn thống nhất là IEC 60898 và IEC 60947-2. CB theo tiêu chuẩn IEC 60898: gồm có 3 loại CB type B được dùng cho những ứng dụng gia dụng và những lắp đặt thương mại không có dòng xung chuyển mạch. CB type C dùng cho những ứng dụng thương mại, công nghiệp có nhiều đèn quỳnh quang, động cơ nhỏ, tải điện cảm.....có dòng xung chuyển mạch. CB type D dùng cho những ứng dụng có dòng khởi động cao: đèn phóng điện, máy biến áp, máy X quang, máy hàn công nghiệp.... CB theo tiêu chuẩn IEC 60947-2: được chia làm hai loại: Category A: là CB không được chế tạo với các chủ định phối hợp ngắt chọn lọc với những khí cụ hạ nguồn. Category B: là CB được chế tạo với chủ ý có thể dùng phối hợp ngắt chọn lọc với các khí cụ khác ở hạ nguồn (phía tải). Những CB này có bao gồm đặc tính thời gian trễ (ngắt trì hoãn) Thông số kỹ thuật của CB: Mỗi hãng sản xuất CB thì khi nhìn vào mã sản phẩm sẽ biểu thị những thông tin cần biết về thiết bị. Trong luận văn tốt nghiệp này, tôi có khai thác tính năng của phần mềm DOC và sản phầm được sử dụng trong phần mềm là của ABB. Giới thiệu về thông số kỹ thuật CB của ABB: Ví dụ CB ABB: Tmax T2L 160: Size T2, N với điện áp 380/415V thì Icu = 36kA. In = 160A Điện áp vận hành định mức Ue (V): Là cấp điện áp mà ở đó CB có thể vận hành bình thường. CB thường có những cấp điện áp 400 đến 690V tùy theo loại. Dòng điện định mức In (A): Là dòng tải tối đa mà một CB có thể tải trong một thời gian dài vô hạn, tại một nhiệt độ môi trường quy định bởi nhà sản xuất và không quá giới hạn nhiệt độ của các thành phần mang điện. Ví dụ: Một CB với dòng định mức là In = 125A ở nhiệt độ môi trường 400C, được lắp rơle quá dòng đã được chỉnh định (đặt ở 125A). Cùng một CB này, có thể dùng được ở nhiệt độ môi trường cao hơn, tuy nhiên phải giảm định mức một cách thích hợp. Như vậy ở môi trường 500C, CB này có định mức là 117A, ở 600C nó có định mức là 109A. (xem ở bảng nhiệt độ môi trường ảnh hướng đến dòng định mức của CB) Người ta giảm định mức bằng cách chỉnh Ir cho rơle bảo vệ quá tải và phải ghi nhãn cho CB Kích thước khung (frame-size): Một kích thước khung của CB trong sản xuất có thể lắp với các bộ rơ-le quá dòng khác nhau, cho vài cỡ định mức In khác nhau trong dãy sản phẩm. Do đó người ta có thể tiết kiệm chi phí sản xuất và hạ giá thành sản phẩm. Ví dụ: dùng một frame-size NS630N của hãng Schneider có thể dùng cho các MCCB có dòng định mức In từ 150 đến 630A. Tất cả các MCB cùng số cực đều có kích thước khung như nhau. Ngưỡng dòng tác động của rơ-le quá tải: Ngưỡng dòng tác động quá tải Ir là dòng tối đa mà CB có thể hoạt động mà không ngắt. Đó chính là dòng chỉnh định của rơ-le nhiệt trong CB. Với CB thiết kế theo tiêu chuẩn IEC 60898 Ir là dòng cố định và Ir=In. Với CB thiết kế theo tiêu chuẩn IEC 60947-2 Ir có thể chỉnh định được: Có thể chỉnh Ir từ 0.7÷1 In với rơ-le nhiệt của CB thông thường Có thể chỉnh định Ir từ 0.4÷ 1 In với CB có rơ-le điện từ. Ví dụ: Cho một MCCB với In = 400A, có khả năng chỉnh dòng. Ta có thể chỉnh được Ir ở 0.9 (90%) để có Ir = 0.9 * 400 = 360A. Một MCB 20A, không có chỉnh dòng, thì luôn luôn Ir = In = 20A. Ngưỡng dòng tác động của rơ-le ngắn mạch Im (I3): Ngưỡng dòng tác động ngắn mạch Im là dòng tác động ngắt dòng ngắn mạch, làm ngắt CB rất nhanh khỏi dòng sự cố ngắn mạch. Đó chính là dòng chỉnh định của rơ-le điện từ trong CB. Trong CB dân dụng IEC 60898: Type B: Im = 3 ÷ 5 In Type C: Im = 5 ÷ 10 In Type D: Im = 10 ÷ 20 In Trong CB công nghiệp IEC 60947-2: Cat A: Cố định 7÷ 10 In Điều chỉnh được, ngưỡng thấp: 2 đến 5 lần In Điều chỉnh được, ngưỡng cao: 5 đến 10 lần In Trong khoảng ngưỡng tác động, mức thấp được gọi là dòng duy trì (hold current), mức cao được gọi là dòng tác động (trip current). Ví dụ với CB theo tiêu chuẩn IEC 60898 type C, dòng duy trì là 5 In, dòng tác động là 10 In. Cat B: gọi là Icw không còn gọi là Im điều chỉnh được và có thời gian trì hoãn. Với nhiều loại CB, người ta có thể lựa chọn rộng rãi để áp dụng cho phù hợp với nhu cầu cá biệt của phụ tải. Xem trong bảng sau đây là thang dòng tác động bảo vệ quá tải và ngắn mạch của CB hạ thế thông dụng. Loại rơ-le bảo vệ Bảo vệ quá tải Bảo vệ ngắn mạch CB dân dụng, chuẩn IEC 60898 Từ nhiệt Ir = In Ngưỡng thấp loại B 3In < Im < 5 In Ngưỡng chuẩn loại C 5 In < Im < 10In Ngưỡng cao loại D 10 In < Im < 20 In CB công nghiệp IEC 60947-2 Từ nhiệt Ir = In cố định Cố định: Im = 7 đến 10 In Điều chỉnh được 0.7 In < Ir < In Điều chỉnh được: Ngưỡng thấp: 2 đến 5 In Ngưỡng chuẩn: 5 đến 10 In Điện từ Trì hoãn dài (LTD) 0.4 In < Ir < In Trì hoãn ngắn (STD), điều chỉnh được: Ir < Im < 10 Ir Tức thời, cố định: I = 12 đến 15 In Khả năng cắt dòng ngắn mạch định mức hay khả năng cắt dòng ngắn mạch cực đại Icn và Icu. Icn: khả năng cắt dòng ngắn mạch định mức của CB dân dụng IEC 60898. Do nhà sản xuất CB công bố, khả năng cắt dòng ngắn mạch định mức là khả năng cắt dòng ngắn mạch được xác định ở hệ số công suất của mạch thử nghiệm. Icn có trị số trong dãy: 1.5 3 6 10 15 25 kA. Icu: khả năng cắt dòng ngắn mạch cực đại của CB công nghiệp IEC 60947-2: Khả năng cắt dòng ngắn mạch cực đại là trị số dòng sự cố kỳ vọng theo tính toán. Dòng điện đi qua CB không nên vượt qua trị số này. Icu có trị số trong dãy: 16 25 35 50 kA. Trong chế tạo, để xác định Icu với thử nghiệm, người ta test CB với chuỗi thử nghiệm sau: Icu = O – T – Co Với: O: tác động mở mạch dưới điều kiện sự cố. t: khoảng thời gian trước khi đóng lại (không hơn 3 phút) C: vận hành đóng mạch khi mạch đang còn sự cố. Sau chuỗi thử nghiệm này, người ta thử nghiệm điện môi và quá dòng của CB. Khả năng cắt dòng ngắn mạch làm việc Ics (kA): Khả năng dòng cắt ngắn mạch làm việc Ics là mức dòng cắt tác động lớn nhất, sau đó CB có thể tiếp tục làm việc mà không mất các đặt tính vận hành. Trong chế tạo, để xác định Ics với thử nghiệm, người ta test CB với chuỗi thử nghiệm sau: Ics = o-t-co-t-co Với: O: tác động mở mạch dưới điều kiện sự cố. T: khoảng thời gian trước khi đóng lại (không hơn 3 phút) C: vận hàng đóng mạch khi mạch đang còn sự cố. Sau chuỗi thử nghiệm này, người ta thử nghiệm điện môi, nhiệu độ đầu cực, khả năng quá dòng. CB phải đạt một số những thông số thử nghiệm, để chắc rằng nó chưa bị phá hỏng, và có thể đưa vào tiếp tục làm việc. Khả năng cắt dòng ngắn mạch làm việc Ics được áp dụng cho những sự cố ngắn mạch có thể xảy ra trong thực tế. Khả năng dòng cắt ngắn mạch cực đại Icu là trị số dòng sự cố tối đa trên lý thuyết. Với CB dân dụng IEC60898: Tỷ số Ics/ Icn tùy thuộc vào Icn: Khả năng cắt dòng ngắn mạch định mức Icn Tỷ số Ics / Icn Icn≤6kA 1 6kA < Icn ≤ 10kA 0.75 (1) Icn>10kA 0.5 (2) (1): Giá trị tối thiểu cho Ics: 6000 A (2): Giá trị tối thiểu cho Ics: 7.500 A Với CB công nghiệp IEC 60947-2 Theo tiêu chuẩn ta có tỷ số giữa Ics và Icu cho các CB theo Cat A là 25, 50, 75 và 100%; cho các CB theo cat B là 50, 75, và 100% Hiện nay tại châu âu, các hãng chế tạo CB công nghiệp với: Ics = 100% Icu Nếu một CB gặp phải sự cố ngắn mạch với dòng nhỏ hơn Ics, ta có thể cho nó tiếp tục hoạt động trở lại. Nếu CB gặp phải sự cố ngắn mạch với Ics < Ik < Icu ta phải mang CB đi kiểm tra lại trước khi cho hoạt động trở lại. Dòng kháng ngắn hạn định mức Icw (kA) của CB theo IEC 60947-2, Cat B: CB công nghiệp sản xuất theo IEC 60947-2, Cat B có một chỉ tiêu quan trong là dòng kháng ngắn mạch định mức Icw, là dòng tối đa CB chịu đựng được trong thời gian trì hoãn ngắn hạn STD (short time delay). Thời gian trì hoãn ngắn hạn thường được dùng: 0.05 0.1 0.25 0.5 1 giây Icw chỉ áp dụng cho loại CB IEC 60947-2, Cat B Icw không nhỏ hơn trong các trị số sau đây theo bảng 3, Mục 4.3.5.4, IEC 60947-2 Khi In < 2500A: Icw = 12In hay 5kA Khi In > 2500A: Icw = 30 kA Khả năng tạo dòng ngắn mạch định mức Icm (kA) của CB IEC 60947-2: Khả năng tạo dòng ngắn mạch định mức Icm của CB công nghiệp chế tạo theo tiêu chuẩn IEC 60947-2, là dòng tính bằng trị số đỉnh của dòng kỳ vọng ngắn mạch, cho bởi nhà sản xuất, dưới điều kiện thử nghiệm với điện áp làm việc, tần số làm việc, và hscs định rõ. Bảng 2, Mục 4.3.5.3 IEC 60947-2 Khả năng cắt dòng ngắn mạch cực đại Icu (kA) Hệ số công suất cosφ Tỷ số Icm/ Icu ≤ Icu ≤ 6.0 6.0 < Icu ≤ 10 10 < Icu ≤ 20 20 < Icu ≤ 50 50 < Icu 0.7 0.5 0.3 0.25 0.2 1.5 1.7 2.0 2.1 2.2 Tác động của CB Tác động ngắt bảo vệ quá tải: CB theo tiêu chuẩn IEC 60947-2: - Khi dòng điện qua CB nhỏ hơn hay bằng dòng không tác động quy ước Int = 1.05Ir, thì CB sẽ không tác động trong thời gian quy ước (2 giờ đối với CB có In > 63A; 1 giờ đối với CB có In < 63A) - Khi dòng điện qua CB lớn hơn hay bằng dòng điện tác động quy ước It = 1.3 Ir, thì CB sẽ tác động trong thời gian nhỏ hơn thời gian quy ước ( 2 giờ đối với CB có In > 63; 1 giờ đối với CB có In < 63A) CB theo tiêu chuẩn IEC 60898 - Khi dòng điện qua CB lớn hơn hay bằng dòng điện tác động quy ước Int = 1.13 Ir, thì CB sẽ không tác động trong thời gian quy ước (1 giờ) - Khi dòng điện qua CB lớn hơn hay bằng dòng điện tác động quy ước It = 1.45 Ir, thì CB sẽ tác động trong thời gian nhỏ hơn thời gian quy ước (1 giờ ) Khi dòng điện qua CB lớn hơn dòng tác động quy ước It, và nhỏ hơn dòng ngưỡng tác động của role bảo vệ ngắn mạch Im (3In đối với CB IEC 60898, type B, 7 In đối với CB IEC 60947-2), CB sẽ tác động với thời gian tác động phụ thuộc vào đặc tuyến dòng điện. Thời gian này được gọi là thời gian trễ dài hạn LTD (long time delay) Xem ví dụ trong phụ lục I3: khi dòng điện qua CB là I3 = 2.55 In, thì CB theo chuẩn IEC 60898 sẽ tác động ngắt trong thời gian LTD từ 1 đến 60 giây đối với CB có In 32A Tác động bảo vệ quá tải có sai số dòng điện là 10% Tác động ngắt bảo vệ ngắn mạch: Khi dòng điện qua CB đến trị số dòng ngưỡng role bảo vệ ngắn mạch Im ( 5In đối với CB chuẩn IEC 60898, type B, 10 In đối với CB chuẩn IEC 60947-2, CB sẽ tác động trong một thời gian gọi là thời gian trễ ngắn hạn. Thời gian này nhỏ hơn 0.1 giây, xác định được trên đặc tuyến dòng điện – thời gian của CB, ở vùng cận của dòng Im. Khảo sát vi mô hơn, xem ví dụ trong phụ lục I3, khi dòng điện qua CB bằng dòng duy trì (ví dụ 3In đối với CB chuẩn IEC 60898) thì CB sẽ tác động trong thời gian ≥ 0.1 giây. Khi dòng điện qua CB bằng dòng tác động, thì CB sẽ tác động trong thời gian nhỏ hơn 0.1 giây. Lựa chọn CB: Người ta thường lựa chọn dòng định mức của CB theo cách thực hành sau: Với mạch thông thường: In = 1.1 Ib Với mạch động cơ: In= 1.7 Ib Với Ib: dòng đầy tải. Nguyên tắc lựa chọn CB: Người ta lựa chọn CB cho một áp dụng cụ thể dựa trên: Các đặt tính điện cần thiết cho mạch mà nó bảo vệ; Môi trường: nhiệt độ môi trường, nơi lắp đặt; Những yêu cầu về dòng cắt ngắn mạch; Những chỉ tiêu vận hành: ngắt chọn lọc, điều khiển từ xa, chỉ thị, tiếp điểm phụ, cuộn cắt phụ, đấu nối,..... Quy phạm lắp đặt cụ thể: bảo vệ con người; Đặt tính của phụ tải: động cơ, đèn huỳnh quang..... Lựa chọn dòng định mức theo môi trường: Nhiệt độ chuẩn cho CB dân dụng là 300C, cho CB công nghiệp là 400C, Khi nhiệt độ tăng, In của CB bị giảm. Bảng In theo nhiệt độ của CB dân dụng và công nghiệp CB dân dụng loại B và C In 200C 250C 300C 350C 400C 450C 500C 550C 600C 10 10.6 10.3 10 9.7 9.3 9.0 8.6 8.2 7.8 16 16.8 16.5 16 15.5 15.2 14.7 14.2 13.8 13.5 20 21 20.6 20 19.4 19 18.4 17.8 17.4 16.8 25 26.2 25.7 25 24.2 23.7 23 22.2 21.5 20.7 32 33.5 32.9 32 31.4 30.4 29.8 28.4 28.2 27.5 40 42 41.2 40 38.8 38.0 36.8 35.6 34.4 33.2 50 52.2 51.5 50 48.5 47.4 45.5 44 42.5 40.5 63 66.2 64.9 63 61.1 58.0 56.7 54.2 51.7 49.2 CB công nghiệp In (A) 400C 450C 500C 550C 600C 160 160 156 152 147 144 200 200 195 190 185 180 250 250 244 238 231 225 Ví dụ: Một MCB 40A chỉ còn làm việc ở In = 35.6A khi nhiệt độ môi trường là 500C Nhưng theo khuyến nghị của IEC thì việc tính toán lựa chọn CB tuân thủ theo quy tắc sau: Chọn dòng định mức của thiết bị bảo vệ: Ib ≤ In ≤ Iz Với Ib (A): dòng đầy tải. In (A): dòng định mức của thiết bị bảo vệ Iz (A) : khả năng mang dòng của dây dẫn. I2 ≤ 1.45 Iz I2 (A): dòng hoạt động hiệu quả của thiết bị bảo vệ. Bộ ngắt từ nhiệt có bù: Các cơ cấu ngắt từ nhiệt có bù cho phép điều chỉnh dòng cắt quá tải, trong giới hạn chỉ định, bất kể nhiệt đô xung quanh. Các CB hạ thế đến 630A thường được trang bị bộ ngắt kiểu này với phạm vi bù từ -50C đến 400C Bộ ngắt điện từ đặt biệt có tính ổn định nhiệt có thể lên đến 600C. Lựa chọn theo ngưỡng cắt tức thời, hoặc trì hoãn ngắn: CB loại ngưỡng thấp loại B: dùng cho mạch có mức dòng ngắn mạch thấp ( MP Đ dự phòng); dùng cho đường dây cáp dài. Cb ngưỡng chuẩn loại C: bảo vệ mạch thông dụng. CB ngưỡng cao loại D hoặc K: bảo vệ mạch có mức dòng tức thời ban đầu cao (động cơ, biến áp, tải trở)