giáo trình cung cấp điện

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

KHÍ CU BẢO VẼ

« *

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 cấ 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

A 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

1 Cấu tao của CB:

Hệ thống tiếp điểm

4- ^—

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,

SV: Nguyễn Thành Công DHDI2A 2

CB có các loại sau:

a) CB cỡ nhỏ ( Miniature Circuit Breaker): có kích thuớc nhỏ lắp đặt trên ray, với các dãy

định mức sau:

c) CB vỏ đức ( MCCB): có kích thước lớn có các dãy định mức (A)

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 3 0A, 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 họng, mà không có bảo vệ trên thượng nguồn

3 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

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:

những khí cụ hạ nguồn

• Category B: là CB được chế tạo với chủ ý có thể dùng phối họp 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)

4 Thông số kỹ thuât của CB:

SV: Nguyễn Thành Công DHDI2A 4

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 AĐĐ

Gỉới thiệu về thông số kỹ thuật CB của ABB:

Moưlded-case Gircuil-bneaker: Tmai

1 &;

1

í

1

PaíeP uHxaíE síiorl <drait braamgcapacttyal 41 & Vac

B "• 1 & KA

c - 25 HA N 3GfcA 3-50 CA K • 70 kA L

- Bi KA^cr 72)

.

oirerẺ 16QA 250 A

331 ử *0a A

& 30 A 90Ũ

A 1000 A 1250A 1600 A

Ratsd unlríErruplEc cuirơit lu

p- apơstcrcii wntege u-e

r Ralecl irsựapsri

KKageur I.e PHỊ

maiimi.m f.m 5

V3LB áí VDttage whlch the ■dncưl tíea&HTis ạpsble of oấtstarctigat tíie aippiy ir&qiiiry ndũr

saecned íest

aandUorvs.

Rateữ ưtlmate 5 lwn Cfri.r Meatư-g capaaty Ểlcui and ratắl sẻn.'có sfmn-drcdl GfEaMng capacíí (lcs>

aí dỉĩiGrsrA

TCfcage va Les.

AEB craíi"brẸaWErs 10 mdcals CĐtTipearce vvltti líne 'CiluiVriig c L

PTKV.U'-■Lũitì^Aílaqe -Oírectlve’

|1VẼ; Ẽio 73/23 EEC

■ElKinsT-agnỉHic Ccmpalitsiy Dlecthe’

iivq.no asrai&EẼc.

Rateri impiiisrr

^nnsisiẻ vaiagg' ULmp Le ttie peak vsluá ơ 1

ÌTPLÍHỈ vBítane wricỉi Sie tiram-braater can

vrtirislHKl undtt

SpeailM Dỡ 51 canamHis.

Accarcang ta ỉlíe

ircaTEEsPai ãtanc&a

Tc 605477

íltédiặlt iTEH tos

c en PedMded inca CateạayA I*

VYthouta gpếcileri snort

ranng, cr CaleũPỊY & e

AlIIi đ aẹdKổ 5 fWft :n-Ễ!

■iVir^tsic onert raittg

Gampiance iMtn Itie irtstẺauanai

5 ‘jrxiard ÍEC 609*7-2 ■LON Vtìtaga svkdCigear and corttolgaar crcưt

ạ r

:

*

■

-ế

Tmax T2L 160: Size T2, N với điện áp 380/415V thì Icu = 36kA In = 160A

a) Điên áp vân hảnh đinh mức Ue (V):

Là cấp điện áp mà ở đó CĐ có thể vận hành bình thường CĐ thường có những cấp điện áp 400 đến 690V tùy theo loại

b) Dòng điên đính mức In (AI:

Là dòng tải tối đa mà một CB cổ thể tải trong một thời gian dài vô hạn, tại một nhiệt độ môi trường quy định bởỉ nhà sản xuất và không quá giới hạn nhiệt độ của các thành phần mang điện

SV: Nguyễn Thành Công DHDI2A 6

Ví du: Một CB với dòng định mức là In = 125A ở nhiệt độ môi trường 40°c, 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 hon, tuy nhiên phải giảm định mức một cách thích họp Như vậy ở môi trường 50°c, CB này có định mức là 117A, ở 60°c 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

c) Kích thưức khung (frame-sizeh

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 &ame-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

d) Ngưỡng dòng tác đông của rữ-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 Lr tù 0.7^ í 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 du: 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 1 400 = 360A

Một MCB 20A, không có chỉnh dòng, thì luôn luôn Ir = In = 20A

e) Ngưỡng dòng tác đông của rơ-le ngắn mach Im (13):

1Trong CB dân dung IEC 60898:

o TypeC:Im=5-^ 10 In o

Trong CB công nghiệp IEC 60947-2:

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

o 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

o 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 họp 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

CB dân dụng,

chuẩn ẼC

60898

B Ngưỡng chuẩn loạic 5 In < Im <

10In

Ngưỡng cao loại D

10 In< Im <

CB công nghiệp

IEC 60947-2

Điều chỉnh được

Điện từTrì hoãn dài (LTD)

0.4 In < Ir < In 1.5Ir < Im< 10 Ir Tức thời, cố định:Trì hoãn ngắn (STD), điều chỉnh được:

SV: Nguyễn Thành Công DHDI2A 8

f) Khả năng cắt dòng ngắn mach đính mức hay khả năng cắt dòng ngắn mach cưc đai Icn vả 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:

❖ 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:

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

g) Khả năng cắt dòng ngắn mach lảm viêc 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)

SV: Nguyễn Thành Công DHDI2A 10

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 Tỷ số Ics / Icn

(1) : Giá trị tối thiểu cho Ics: 6000 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

° t I -1 -ỹ -1 H

dòng nhỏ hom 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 truớc khi cho hoạt động trở lại

h) Dòng kháng ngắn hạn định mức Icvv (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 đuợc trong thời gian trì hoãn ngắn hạn STD

(short time delay) Thời gian trì hoãn ngắn hạn thường được dùng:

Icw chỉ áp dụng cho loại CB IEC 60947-2, Cat B

SV: Nguyễn Thành Công DHDI2A 12

i) 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 mạchHệ số công suất cos<P Tỷ số Icm/ Icu

5 Tác động của CB

a) Tác đông ngắt bảo vê quá tải:

• CB theo tiêu chuẩn IEC 60947-2:

- Khi dòng điện qua CB nhỏ hơn hay bằng dòng không tác động quy uớc Int = 1,05Lr, 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 hon 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)

SV: Nguyễn Thành Công DHDI2A 14

Xem ví dụ trong phụ lục 13: khi dòng điện qua CB là 13 = 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 < 32 A, và từ 1 đến 120

giây đối với CB có In > 32A

b) Tác đông ngắt bảo vê ngắn mach:

Tác động bảo vệ quá tải có sai số dòng điện là 10%

Hũld current Tripcurrent

60898 TypeB

• 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 13, 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

6 Lưa chon CB:

Người ta thường lựa chọn dòng định mức của CB theo cách thực hành sau:

*l* Với mạch thông thường:

In= 1.1 Ib

♦♦♦ Với mạch động cơ:

In= 1.7 Ib Với Ib: dòng đầy tải

a) Nguyên tắc lưa chon CB:

Người ta lựa chọn CB cho một áp dụng cụ thể dựa trên:

• Các đặt tính điện càn thiết cho mạch mà nó bảo vệ;

• Môi trường: nhiệt độ môi trường, nơi lắp đặt;

• Những yêu cầu về dòng cắt ngắn mạch;

SV: Nguyễn Thành Công DHDI2A 16

• Quy phạm lắp đặt cụ thể: bảo vệ con người;

• Đặt tính của phụ tải: động cơ, đèn huỳnh quang

b) Lưa chon dòng đinh mức theo môi trường:

Nhiệt độ chuẩn cho CB dân dụng là 30°c, cho CB công nghiệp là 40°c, Khi nhiệt độ tăng, In của CB

bị giảm

Bảng In theo nhiệt độ của CB dân dụng và công nghiệp

Ví

du: Một MCB 40A chỉ còn làm việc ở In = 35.6A khi nhiệt độ môi trường là 50°c 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

VớiIb (A): dòng đầy tải

In (A): dòng định mức của thiết bị bảo vệ

Iz (A) : khả năng mang dòng của dây dẫn

12 ^ 1.45 Iz

12 (A): dòng hoạt động hiệu quả cùa thiết bị bảo vệ

SV: Nguyễn Thành Công DHDI2A 18

Bộ ngắt đỉện từ đặt biệt có tính ổn định nhiệt có thể lên đến 60°c

e) Lưa chon theo ngưỡng cắt tức thời, hoăc trì hoãn ngắn:

• CĐ 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)