Máy cắt chân không VCB: Cấu tạo, nguyên lý làm việc, so sánh với ACB

Lê Hồng Phong

Máy cắt chân không VCB là loại thiết bị chuyển mạch điện hoạt động theo nguyên lý dập hồ quang trong môi trường chân không. Đây là một trong những giải pháp tối ưu cho hệ thống điện trung và cao thế. Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và so sánh nhanh các loại cầu dao ACB trong bài viết dưới đây của KTH ELECTRIC.

Máy cắt chân không VCB là gì?

Máy cắt chân không (VCB) là thiết bị ngắt mạch trong hệ thống điện. Thiết bị này được sử dụng cho các mạch điện trung thế và cao áp từ 12kV – 40kV trở lên hoặc trên dòng điện lớn đến 4000A. Đặc điểm của VCB là sử dụng nguyên lý tạo áp suất chân không trong ống dẫn điện bên trong để ngắt mạch, dập tắt hồ quang mà vẫn duy trì khả năng dẫn điện của ống. Trong thực tế, máy cắt chân không còn được sử dụng để điều khiển dòng điện ngắn mạch sự cố từ 6kA đến 63kA.

Cấu tạo của máy cắt chân không VCB

Cấu tạo của máy cắt chân không VCB bao gồm các bộ phận sau:

Mạch vòng dẫn điện là bộ phận dẫn điện vào – ra của VCB, gồm 3 thành phần:

• Thanh dẫn động và thanh cố định: hai thanh dẫn động bằng đồng, hình tròn hoặc hình chữ nhật.
• Connector: bộ phận tạo ra áp lực làm giảm điện trở tiếp điểm xuống nhỏ hơn giá trị cho phép.
• Tiếp điểm: thành phần hình nón cụt được làm từ đồng cadmium (một loại vật liệu cho phép dẫn điện cường độ cao).

Buồng dập hồ quang là bộ phận quan trọng và đặc trưng nhất của máy cắt chân không. Buồng dập được thiết kế kín, sử dụng môi trường chân không bên trong để dập tắt hồ quang. Bên trong buồng chứa các tiếp điểm tĩnh và các tiếp điểm chuyển động.

Cơ chế truyền dẫn Trên VCB có cơ cấu truyền lực, kết hợp với nam châm để hút các tiếp điểm và làm ngắt dòng điện.

Cấu tạo các bộ phận dẫn điện đặc trưng bởi mỗi pha của VCB đều có buồng dập hồ quang riêng. Cách điện giữa các chất cách điện pha được làm bằng gốm hình trụ và yêu cầu tính toán dòng điện đầu vào và đầu ra.

Nguyên lý làm việc của máy cắt chân không

Nguyên lý làm việc của máy cắt chân không xoay quanh việc sử dụng môi trường chân không để đóng mạch và dập tắt hồ quang điện, cụ thể như sau:

Tạo môi trường chân không

Khi nhận được tín hiệu máy cắt, máy cắt chân không sẽ đẩy không khí ra ngoài tạo môi trường chân không trong buồng cắt. Các tiếp điểm tĩnh và các tiếp điểm động hoàn toàn ở trong môi trường chân không. Môi trường này ngăn ngừa sự hình thành các cực tiếp xúc giữa các thiết bị, ngăn chặn ngay nguy cơ cháy, nổ, điện giật.

Độ bền của môi trường chân không cao hơn môi trường không khí tới 30 lần (ở điều kiện tiêu chuẩn). Mật độ không khí gần như bằng 0 nên việc ion hóa trong môi trường chân không là gần như không thể. Vì vậy, thời gian đốt hồ quang ở môi trường này rất thấp.

Dòng cắt hồ quang trong máy cắt chân không VCB là dòng điện tại đó hồ quang bị dập tắt trước khi dòng điện về 0. Dòng điện này phụ thuộc vào áp suất không khí và đặc tính phát xạ electron của tiếp điểm. Vật liệu lý tưởng để làm tiếp điểm cho VCB là 40%Cr (crom) và 60%Cu (đồng). Với thành phần vật liệu này, dòng hồ quang dao động từ 1A đến 5A và thời gian đốt hồ quang không quá 15ms.

Hoạt động của bộ ngắt mạch

Khi có tín hiệu từ rơle báo có lỗi, cầu dao sẽ tạo ra một khoảng cách đủ xa để chia đôi mạch điện, tức là tách các tiếp điểm ra. Môi trường chân không sẽ làm cho dòng điện chạy qua mạch bị cắt.

Đúng lúc này, một vòng cung xuất hiện khiến nhiệt độ tăng cao. Quá trình ion hóa xảy ra khiến bề mặt tiếp xúc của VCB bay hơi, tạo thành plasma, lấp đầy khoảng trống điện cực.

Tốc độ bay hơi của kim loại khỏi tiếp điểm phụ thuộc chiều dương của dòng điện hồ quang. Khi dòng điện = 0, hơi kim loại mất tính dẫn điện và nhanh chóng khuếch tán ra môi trường xung quanh (từ chân không ra không khí). Sau đó, cường độ điện trong không gian giữa hai tiếp điểm được phục hồi.

Hoạt động cách ly và bảo vệ

Cầu dao VCB giúp cách ly và bảo vệ các bộ phận trong hệ thống điện một cách hiệu quả. Sử dụng loại cầu dao này giúp ngăn ngừa các sự cố về điện như quá tải, ngắn mạch; đảm bảo an toàn cho hệ thống và người sử dụng điện.

Xem thêm: Máy cắt khí SF6 là gì? Nguyên lý làm việc và ứng dụng

Ưu nhược điểm của máy cắt VCB

Máy cắt chân không VCB là giải pháp tối ưu trong hệ thống điện trung và cao thế nhờ nhiều ưu điểm vượt trội. Thứ nhất, khả năng cắt chính xác và đáng tin cậy giúp VCB xử lý nhanh chóng các sự cố ngắn mạch, bảo vệ hệ thống hiệu quả. Tiếp theo, thiết kế VCB không yêu cầu bảo trì thường xuyên, tiết kiệm chi phí và công sức bảo trì cho người dùng.

Bên cạnh đó, độ bền điện của cầu dao trung thế này cao hơn 30 lần so với cầu dao không khí ACB, giúp VCB hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt. Thiết kế đơn giản và dễ sử dụng cũng là một điểm cộng lớn của loại máy cắt này.

Tuy nhiên, VCB cũng có một số nhược điểm. Mức giá cao lên tới hàng tỷ đồng là một trong những yếu tố khiến nhiều nhà đầu tư phải đắn đo khi lựa chọn. Ngoài ra, kích thước lớn của VCB đòi hỏi không gian lắp đặt rộng, thoáng mát. Ngoài ra, VCB yêu cầu nguồn điện ổn định, liên tục, thích hợp lắp đặt ở đầu nguồn phân phối, không nên đặt ở vị trí hạ nguồn.

Ứng dụng của máy cắt chân không

Máy cắt chân không chủ yếu được sử dụng cho hệ thống điện trung thế, cao thế hoặc một số hệ thống điện hạ thế có khả năng chịu tải rất lớn. Kể tên nhanh một số ứng dụng của cầu dao VCB:

• Trạm điện cao thế: Dùng để ngắt mạch và bảo vệ các bộ phận của hệ thống lưới điện.
• Nhà máy điện: Được sử dụng để ngắt mạch và bảo vệ máy phát điện, máy biến áp và các bộ phận truyền tải điện.
• Nhà máy công nghiệp: Được sử dụng trong các ngành công nghiệp nặng như đóng tàu, năng lượng, luyện kim, dầu khí.
• Các công trình xây dựng lớn: Dùng để bảo vệ hệ thống điện và ngăn ngừa sự cố cháy nổ.
• Hệ thống tàu hỏa: Dùng để ngắt mạch và bảo vệ hệ thống điện trên đường ray và tàu hỏa.

Máy cắt chân không có khả năng ngắt mạch với độ chính xác gần như tuyệt đối, độ bền vượt trội, khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt nên luôn được coi là giải pháp ngắt mạch hiệu quả và đáng tin cậy cho các hệ thống điện quy mô lớn.

Phân biệt máy cắt chân không VCB và máy cắt không khí ACB

Máy cắt chân không VCB và Máy cắt không khí ACB Cả hai đều là hai thiết bị ngắt mạch lớn, tuy nhiên có nhiều điểm khác biệt về nguyên lý hoạt động và ứng dụng.

Sự khác biệt giữa máy cắt chân không và máy cắt không khí

• Sự khác biệt về cấu trúc: VCB có cấu trúc phức tạp hơn, sử dụng môi trường chân không để cách ly dòng điện. ACB có cấu tạo đơn giản hơn, dùng không khí làm môi trường để cắt dòng điện.
• Phân biệt nguyên tắc hoạt động: Máy cắt chân không sử dụng cơ chế dập hồ quang để ngắt mạch trong môi trường chân không. Máy cắt không khí sử dụng kỹ thuật dập cách điện trong không khí để ngắt mạch. Sự khác biệt về nguyên tắc này dẫn đến hiệu suất, môi trường ứng dụng, mức điện áp – mức sử dụng dòng điện khác nhau của hai thiết bị này.
• Phân biệt ứng dụng: VCB được sử dụng trong các hệ thống truyền tải điện trung và cao thế, một số hệ thống điện tiêu thụ điện năng đặc biệt lớn. ACB chủ yếu được sử dụng cho hệ thống điện hạ thế công suất lớn và một số hệ thống điện trung áp.

Khi nào nên chọn VCB và chọn ACB?

Nên sử dụng máy cắt chân không VCB khi đáp ứng các điều kiện sau:

• Hệ thống truyền tải điện trung thế hoặc cao thế quy mô lớn
• Yêu cầu độ chính xác và kịp thời cao khi ngắt mạch, trong mọi điều kiện môi trường.
• Cần môi trường cách ly tốt để bảo vệ thiết bị như môi trường chân không.

Nên sử dụng máy cắt không khí ACB khi có các điều kiện sau:

• Hệ thống truyền tải điện trung thế và hạ thế quy mô vừa.
• Yêu cầu một giải pháp ngắt mạch đơn giản nhưng chính xác.
• Ưu tiên tiết kiệm chi phí trong khi vẫn đảm bảo hiệu suất máy cắt ổn định.

Đọc thêm: Phân biệt MCB, MCCB, RCCB, RCBO, ELCB, RCD và ACB với VCB

Trong các hệ thống điện, việc lựa chọn giữa máy cắt chân không (VCB) và máy cắt không khí (ACB) là một quyết định quan trọng. Điều này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về sự khác biệt cơ bản giữa hai loại cầu dao này, kết hợp với các yêu cầu từ phía hệ thống điện.

Cầu dao chân không VCB là giải pháp ngắt mạch và bảo vệ tối ưu cho hệ thống điện cao thế, đặc biệt ở những nơi cần độ tin cậy cao và khả năng ngắt dòng điện nhanh. Với những ưu điểm vượt trội so với các loại máy cắt khác, VCB ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện hiện đại tại địa phương.