Cầu dao là gì? Cấu tạo, nguyên lý làm việc của cầu dao điện

Lê Hồng Phong

Cầu dao là thiết bị có chức năng tự động bảo vệ hệ thống điện khi xảy ra hiện tượng quá tải, ngắn mạch. Thiết bị này có thể đóng mở và tái sử dụng nhiều lần chứ không chỉ một lần như cầu chì. Trong bài viết dưới đây, KTH ELECTRIC sẽ giúp bạn tìm hiểu về lịch sử phát triển của máy cắt, nguyên lý làm việc và công dụng của loại thiết bị này.

Bộ ngắt mạch là gì?

Cầu dao là loại công tắc điện có chức năng bật tắt để bảo vệ mạch điện khi xảy ra sự cố như quá tải điện, đoản mạch hoặc rò rỉ điện. Cầu dao truyền thống được điều khiển bằng tay, trong khi cầu dao hiện đại có khả năng bật tắt tự động thông qua cơ chế cảm biến. Dù là loại nào thì loại thiết bị này đều được sử dụng rộng rãi trong tất cả các hệ thống điện trên toàn thế giới.

Lịch sử phát triển của máy cắt điện

Cầu dao được mô tả lần đầu tiên trong đơn xin cấp bằng sáng chế của Thomas Edison vào năm 1879. Vào thời điểm đó, các hệ thống điện trên khắp thế giới, bao gồm cả hệ thống của ông, đều sử dụng cầu chì. Mục đích của việc phát minh ra cầu dao là để bảo vệ hệ thống dây điện chiếu sáng khỏi hiện tượng đoản mạch và quá tải. Sau đó, vào năm 1924, một cầu dao thu nhỏ tương tự đã được cấp bằng sáng chế cho Brown, Boveri & Cie.

DRP (Deutsches Reichspatent) 458392 là tiền thân của máy cắt nhiệt hiện đại – từ dùng để chỉ các trung tâm tải trọng gia đình ngày nay, được phát minh bởi Hugo Stotz (người Đức) vào đầu thế kỷ XX.

Hệ thống điện ngày càng phát triển đòi hỏi thiết bị ngắt mạch phải có chỉ số định mức ngày càng cao hơn và độ an toàn ngày càng tăng. Một công tắc ngắt gas thủ công đơn giản trong giai đoạn này sẽ tạo ra hồ quang nguy hiểm trong trường hợp điện áp cao. Các thiết bị này đã nhường chỗ cho các tiếp điểm được bôi dầu và cầu dao sử dụng khí nén hoặc dầu có áp suất để làm mát và ngắt hồ quang.

Đến năm 1935, các máy cắt đặc biệt đã được chế tạo cho dự án Đập Boulder (Đập Hoover ngày nay) sử dụng tám chuỗi ngắt và dòng dầu điều áp để ngăn chặn sự cố lên tới 2.500 MW trong ba chu kỳ tần số nguồn điện xoay chiều.

Cho đến ngày nay, cầu dao ở cả dạng truyền thống và dạng tự động đều được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Người dùng không còn lo lắng về việc mất điện do chập điện như trước nữa.

Đọc thêm: CB là gì? Phân loại và ứng dụng trong đời sống

Đặc điểm cấu tạo của máy cắt

Cầu dao điện thường bao gồm các bộ phận sau:

• Vỏ cầu dao: Được sản xuất từ ​​nhựa có khả năng chịu nhiệt, chịu va đập tốt, có tính chất cách điện cao giúp bảo vệ các bộ phận bên trong và các tiếp điểm điện riêng biệt.
• Liên hệ: Gồm 2 tiếp điểm (1 chính – 1 hồ quang) hoặc 3 tiếp điểm (1 chính – 1 phụ – 1 hồ quang) được làm từ hợp kim đồng. Khi cầu dao đóng, các tiếp điểm hồ quang – phụ – chính sẽ lần lượt đóng lại. Khi ngắt cầu dao, các tiếp điểm chính – phụ – hồ quang lần lượt được mở. Một tiếp điểm phụ được thêm vào để ngăn hồ quang lan sang tiếp điểm chính.
• Cầu chì: Đây là bộ phận quan trọng của cầu dao truyền thống, có nhiệm vụ bảo vệ mạch điện và các thiết bị điện khỏi tình trạng quá tải điện hoặc đoản mạch. Cầu chì thường là một dây kim loại nhỏ có độ dẫn điện cao. Khi dòng điện vượt quá mức cho phép, cầu chì sẽ nóng chảy và đứt, cắt đứt dòng điện.
• Thân cầu dao: Đây là nơi đặt các bộ phận bên trong như tiếp điểm, lò xo và cầu chì. Thường được làm từ sứ hoặc nhựa kỹ thuật, đảm bảo độ bền và cách điện.
• Mùa xuân: Giúp duy trì lực đóng mở tiếp điểm, đảm bảo cầu dao hoạt động chính xác và ổn định.
• Xử lý: Phần dễ thấy nhất của cầu dao, giúp người dùng dễ dàng đóng/mở cầu dao.
• Chốt khóa: Một số cầu dao có chốt khóa, ngăn cầu dao vô tình đóng khi ở trạng thái mở.

Nguyên lý hoạt động của máy cắt điện

Khi dòng điện đi qua cầu dao bình thường thì các tiếp điểm sẽ đóng lại bằng 2 móc tương ứng và móc thứ 3 trên tiếp điểm thụ động. Cầu dao thường ở trạng thái bật, không tạo ra từ trường khiến nam châm mở tiếp điểm không hút được.

Khi dòng điện bị đoản mạch hoặc quá tải, sự chênh lệch dòng điện sẽ tạo ra từ trường làm cho nam châm mở tiếp điểm. Khi đó, phần lưỡi chốt tiếp điểm sẽ bung ra khỏi hệ thống kẹp khiến tiếp điểm bị hở và mạch điện bị đứt. Trong khi quá trình này đang diễn ra, hồ quang điện có thể xảy ra ảnh hưởng đến cầu dao.

Các loại ngắt mạch thông dụng

Cầu dao điện khá đa dạng về chủng loại, được sử dụng trong tất cả các hệ thống điện công nghiệp và dân dụng. Có hai tiêu chí chung để phân loại cầu dao: theo đặc điểm và theo ứng dụng thực tế.

Phân loại theo đặc điểm

Chỉ cần quan sát đặc điểm hình dáng bên ngoài, bạn có thể nhận biết máy cắt truyền thống và máy cắt tự động.

Cầu dao thông thường hay cầu dao truyền thống là một loại thiết bị chuyển mạch thủ công. Cầu dao truyền thống được trang bị đòn bẩy lớn có thể ngắt kết nối dây pha và dây trung tính cùng một lúc. Bên trong thiết bị có cầu chì riêng để ngắt mạch điện khi hệ thống điện có sự cố. Để khôi phục hoạt động, bạn cần thay cầu chì mới cho loại cầu dao này và đóng mạch lại.

Cầu dao tự động CB hay aptomat là phiên bản nâng cấp của cầu dao truyền thống. Ngoài khả năng đóng mạch bằng tay, loại cầu dao này sẽ tự động ngắt mạch điện khi phát hiện các sự cố về điện như quá tải, ngắn mạch. Một số dòng máy cắt tự động có chức năng tiên tiến như chống sốc hay chống sét như các dòng RCCB, RCBO, ELCB,…

Phân loại theo ứng dụng thực tế

Trên thực tế, cầu dao được sử dụng cho cả hệ thống điện 3 pha và 1 pha nên sẽ có 2 loại tương ứng:

• Cầu dao 1 pha dùng cho lưới điện dân dụng 220V và các thiết bị tiêu thụ điện năng thấp như điều hòa, máy nước nóng, bếp từ, v.v.
• Máy cắt 3 pha dùng cho lưới điện công nghiệp và các thiết bị điện công suất lớn như hệ thống dây chuyền sản xuất, máy cắt CNC, máy dập,…

Đọc thêm: Phân loại các dòng aptomat phổ biến trên thị trường

So sánh cầu dao thông thường và cầu dao

Cầu dao thông thường và cầu dao đều là những thiết bị bảo vệ mạch điện khỏi quá tải hoặc ngắn mạch. Ngày nay, cầu dao được coi là dòng cầu dao hiện đại với nhiều đặc điểm độc đáo. Nhưng vẫn có nhiều điểm khác biệt giữa cầu dao và cầu dao truyền thống!

So sánh thiết kế

Cầu dao có thiết kế truyền thống, đơn giản hơn cầu dao có cần gạt khá lớn giúp người dùng dễ dàng sử dụng. Tuy nhiên, các thông số hiển thị trên cầu dao khá hạn chế, thường chỉ bao gồm điện áp định mức và dòng điện định mức khiến người dùng khó phân biệt.

Cầu dao là phiên bản cải tiến của cầu dao, có thiết kế bổ sung số pha, cực được thể hiện qua kết cấu bên ngoài và các thông số ghi trên cầu dao. Bên cạnh đó, chức năng của cầu dao khá đa dạng như dòng chống rò rỉ và chống giật, dòng chống sét có thêm nút kiểm tra điện trên mặt.

So sánh các tính năng

Cầu dao truyền thống được lắp đặt trong hệ thống điện, đi dây và lắp đặt cùng các thiết bị điện tại nhà. Loại cầu dao này không có khả năng tự động cắt dòng điện hệ thống khi xảy ra sự cố.

Chức năng của cầu dao có nhiều chức năng hơn so với cầu dao, bao gồm chống sốc, chống sét,… Thiết bị này có thể lắp đặt ở nhiều công trình khác nhau và tự động bật, tắt khi xảy ra sự cố trên thiết bị điện hoặc đường dây. Aptomat còn ngăn ngừa cháy nổ trong thiết bị.

Ứng dụng của bộ ngắt mạch trong thực tế

Cầu dao hiện nay đã trở thành thiết bị không thể thiếu trong nhiều không gian sống và làm việc. Bộ ngắt mạch đóng bằng tay thường được ưa thích cho quy mô gia đình và chuồng trại. Trong khi đó, cầu dao tự động được sử dụng rộng rãi hơn trong các mẫu nhà hiện đại, thông minh như chung cư, biệt thự,…

Cầu dao tự động có nhiều loại cụ thể như MCCB, MCB, RCBO, RCCB,… Mỗi loại đều có những công dụng riêng phù hợp với chức năng của nó và được áp dụng cho nhiều môi trường cụ thể:

• MCB loại B phù hợp với hệ thống chiếu sáng gia đình, văn phòng nhỏ, chung cư,… MCB loại C phù hợp với môi trường công nghiệp, khu vực có dòng điện cảm cao. MCB loại D thích hợp cho các động cơ công suất lớn, máy hàn, máy biến áp, trạm lưu trữ UPS…
• MCCB thường được sử dụng để bảo vệ tụ điện và máy phát điện, chủ yếu được sử dụng trong hệ thống điện thương mại hoặc công nghiệp.
• RCBO không chỉ tự động ngắt mạch điện khi quá tải mà còn giúp ngăn ngừa cháy nổ điện do rò rỉ nên được sử dụng rộng rãi trong các công trình có quy mô lớn như khu công nghiệp, công ty, văn phòng,…
• RCCB được lắp đặt để bảo vệ chống điện, chống giật cho từng tầng của các công trình dân dụng như trường học, siêu thị, bệnh viện, chung cư, khách sạn,… hoặc bảo vệ hệ thống điện chung.
• ELCB được sử dụng trong nhiều hệ thống điện từ nhỏ đến lớn, bao gồm 1 pha và 3 pha. ELCB được ưu tiên lắp đặt trong các thiết bị dễ bị rò rỉ điện như máy nước nóng, tủ lạnh,..

Tham khảo: 6 thương hiệu cầu dao tốt nhất hiện nay

Vị trí lắp đặt cầu dao trong hệ thống điện

Trong sơ đồ lắp đặt cầu dao, cầu dao đóng vai trò trung tâm kết nối nguồn điện đầu vào và nguồn tải tới các thiết bị. Sơ đồ mạng điện có thể có 1 cầu dao hoặc nhiều cầu dao. Các cầu dao có thể ở cùng cấp độ hoặc có vai trò được phân chia rõ ràng. Thông dụng nhất trong mạng điện gia đình là cầu dao chính ở trung tâm sơ đồ mạng điện, bên dưới là cầu dao nhánh và cầu dao riêng lẻ.

Trên thực tế, cầu dao không được lắp đặt ở giữa nhà. Vị trí lắp đặt cầu dao là gần cửa ra vào, nơi nguồn điện lưới đi qua nhà. Điện từ đây được truyền đến cầu dao chính và các cầu dao khác, cuối cùng đến thiết bị điện.

Thông thường trong nhà có một hộp điện lớn có nắp đậy chứa nhiều loại cầu dao, lần lượt là cầu dao chính và cầu dao phòng. Cầu dao chuyên dụng cho các thiết bị có công suất lớn như điều hòa, máy nước nóng, bếp điện, máy sấy,… thường được lắp đặt gần đó để thuận tiện cho việc sử dụng và kiểm tra.

Khi bố trí vị trí lắp đặt cầu dao, bạn cần đảm bảo không đặt ở những nơi ẩm ướt, dưới ánh nắng trực tiếp và xa tầm tay trẻ em.

Mặc dù cầu dao là thiết bị chuyển mạch điện cơ bản nhưng nó lại vô cùng quan trọng trong hệ thống điện và là thiết bị quyết định sự an toàn của hệ thống. Khi đã nắm được đặc điểm, nguyên lý làm việc và phân biệt các loại cầu dao, bạn sẽ dễ dàng lựa chọn được thiết bị phù hợp với nhu cầu của mình. Tìm hiểu thêm về cầu dao – cầu dao và các sản phẩm cầu dao hiện tại tại website Điện BTB được rồi!