Cách chọn khả năng cắt MCCB theo dòng ngắn mạch

Icu(Ue) ≥ Isc,max tại điểm lắp MCCB

Trong đó, Icu phải được lấy tại đúng điện áp làm việc của hệ thống, còn Isc là dòng ngắn mạch dự kiến lớn nhất có thể xuất hiện tại chính vị trí lắp thiết bị. Nếu yêu cầu MCCB vẫn có khả năng tiếp tục phục vụ sau khi cắt một sự cố lớn, cần đánh giá thêm Ics. Trường hợp MCCB phía hạ lưu có Icu riêng nhỏ hơn Isc chỉ được chấp nhận khi có phối hợp back-up/cascading đã được kiểm chứng cho đúng tổ hợp thiết bị.

Nguyên tắc chọn khả năng cắt MCCB theo Isc

Khả năng cắt không được chọn theo dòng tải định mức của MCCB mà theo mức dòng ngắn mạch dự kiến tại điểm lắp đặt. Một MCCB 100 A và một MCCB 400 A có thể cùng cần Icu 50 kA nếu chúng được lắp tại những điểm có mức sự cố tương đương.

Với MCCB làm việc độc lập, điều kiện cơ bản là:

Icu ≥ Isc,max

Ví dụ, nếu tính toán cho thấy tại thanh cái có thể xuất hiện dòng ngắn mạch ba pha lớn nhất 32 kA thì MCCB có Icu 25 kA không đáp ứng. MCCB 36 kA có thể đáp ứng về khả năng cắt nếu giá trị 36 kA được nhà sản xuất công bố tại đúng điện áp của hệ thống.

Điểm quan trọng là Icu luôn gắn với điện áp làm việc Ue. Không thể thấy trên catalogue ghi Icu = 50 kA rồi mặc định sử dụng giá trị đó ở mọi điện áp. Khả năng cắt của cùng một MCCB có thể giảm khi điện áp làm việc tăng; vì vậy phải đọc đúng cột 380/400/415 V, 440 V, 500 V hoặc mức điện áp tương ứng trong catalogue. Theo định nghĩa của IEC 60947-2, Icu được nhà sản xuất quy định ứng với điện áp làm việc định mức cụ thể.

Dòng dùng để so sánh là dòng ngắn mạch dự kiến lớn nhất, vì mục tiêu ở đây là bảo đảm MCCB có thể cắt được tình huống sự cố nghiêm trọng nhất. Dòng ngắn mạch tối thiểu có vai trò khác, chủ yếu liên quan đến việc kiểm tra thiết bị bảo vệ có tác động đủ nhanh hay không.

Icu và Ics: dùng thông số nào để chọn?

Icu và Ics đều có đơn vị kA nhưng thể hiện hai mức khả năng khác nhau.

Theo IEC/EN 60947-2, phép thử Ics bao gồm các kiểm tra về khả năng vận hành ở dòng định mức, độ tăng nhiệt và bộ bảo vệ sau chuỗi cắt ngắn mạch; vì vậy Ics phản ánh tốt hơn yêu cầu tiếp tục phục vụ sau sự cố. Ics thường được nhà sản xuất công bố dưới dạng một tỷ lệ của Icu và không mặc định bằng Icu đối với mọi MCCB.

Do đó, với yêu cầu cơ bản về khả năng cắt, trước hết kiểm tra Icu ≥ Isc. Nếu hệ thống có yêu cầu cao về tính liên tục, chẳng hạn dây chuyền sản xuất hoặc phụ tải khó chấp nhận việc thay MCCB sau sự cố, nên ưu tiên thiết bị có Ics cao. Nếu yêu cầu thiết kế là MCCB vẫn phải đủ điều kiện phục vụ sau khi cắt một sự cố tới mức Isc tính toán, có thể đặt mục tiêu Ics ≥ Isc thay vì chỉ thỏa Icu.

Cách xác định dòng ngắn mạch tại điểm lắp

Isc không phải một giá trị cố định cho toàn bộ hệ thống. Nó thay đổi theo vị trí vì từ nguồn đến điểm sự cố luôn tồn tại tổng trở của lưới, máy biến áp, cáp, thanh dẫn và các phần tử khác.

Ở gần nguồn, tổng trở thường nhỏ nên Isc lớn. Càng đi xa qua cáp hoặc busduct có tổng trở đáng kể, mức ngắn mạch thường giảm. Vì vậy, MCCB tổng gần máy biến áp có thể cần Icu 50 kA, trong khi MCCB ở một tủ phân phối xa hơn chỉ cần 25 kA sau khi đã tính đúng Isc tại vị trí đó.

Ước tính Isc tại đầu cực máy biến áp

Đối với một máy biến áp ba pha và giả thiết tổng trở phía nguồn trung áp không đáng kể, có thể ước tính:

In = Sn / (√3 × U)

và:

Isc ≈ In × 100 / uk%

Trong đó:

· Sn là công suất biểu kiến máy biến áp

· U là điện áp dây phía hạ áp

· In là dòng định mức phía hạ áp

· uk% là điện áp ngắn mạch của máy biến áp

Đây là phương pháp ước tính nhanh tại đầu cực máy biến áp. ABB cũng sử dụng quan hệ Ik = In × 100 / Uk% khi xác định dòng ngắn mạch ba pha tại phía hạ áp với giả thiết công suất ngắn mạch phía nguồn là rất lớn.

Tính Isc ở phía hạ lưu

Khi MCCB nằm cách máy biến áp một đoạn đáng kể, phải đưa tổng trở của đường dẫn vào phép tính. Về nguyên lý:

Isc ≈ U / (√3 × |Ztotal|)

với Ztotal là tổng trở tương đương nhìn từ điểm sự cố về các nguồn cấp.

Điện trở và điện kháng của cáp hoặc busduct làm Ztotal tăng nên Isc phía cuối tuyến thường thấp hơn tại đầu cực máy biến áp. Các hệ thống có nhiều máy biến áp vận hành song song, máy phát hoặc nguồn khác phải tính cả các nguồn đóng góp vào sự cố; không nên áp dụng máy móc công thức một máy biến áp cho những trường hợp này.

Chọn cấp kA thực tế và mức dự phòng

Sau khi có Isc,max tại điểm lắp, bước tiếp theo không phải nhân Isc với một hệ số cố định mà là chọn cấp khả năng cắt trong catalogue không nhỏ hơn Isc.

Ví dụ, nếu:

Isc,max = 22 kA

và một dòng MCCB có các phiên bản 18 kA, 25 kA, 36 kA và 50 kA tại điện áp đang xét thì:

· 18 kA không đạt

· 25 kA là cấp nhỏ nhất đáp ứng điều kiện Icu ≥ Isc

· 36 kA hoặc 50 kA tạo thêm khoảng dự phòng nhưng không bắt buộc chỉ vì Isc bằng 22 kA

Không bỏ qua điện áp Ue

Việc lựa chọn phải được viết đầy đủ thành:

Icu tại Ue thực tế ≥ Isc,max tại điểm lắp

Ví dụ, một MCCB có Icu 50 kA ở 415 V nhưng chỉ còn 30 kA tại một điện áp cao hơn không thể được xem là MCCB 50 kA trong ứng dụng điện áp đó. Catalogue thiết bị thực tế cho thấy Icu của cùng một frame MCCB có thể thay đổi đáng kể theo Ue.

Không dùng hệ số dự phòng cố định

Không có một quy tắc chung kiểu “luôn lấy Icu = 1,25 × Isc” áp dụng cho mọi hệ thống. Khoảng dự phòng nên xuất phát từ mức độ không chắc chắn và khả năng thay đổi của hệ thống.

Có thể cân nhắc chọn cấp kA cao hơn khi:

· Số liệu công suất ngắn mạch của lưới cấp chưa chắc chắn

· Có khả năng thay máy biến áp bằng công suất lớn hơn hoặc uk% nhỏ hơn

· Có kế hoạch vận hành song song thêm máy biến áp

· Có nguồn máy phát hoặc nguồn quay đóng góp dòng sự cố

· Cấu hình cáp, busduct hoặc điểm đấu nối có thể thay đổi

Khoảng dự phòng là quyết định kỹ thuật để xử lý bất định hoặc mở rộng tương lai; nó không thay thế việc tính Isc. Ngược lại, chọn Icu rất lớn mà không dựa trên mức sự cố thực tế có thể làm tăng chi phí thiết bị mà không tạo thêm giá trị cần thiết.

Khi nào được dùng cascading hoặc back-up?

Có một ngoại lệ quan trọng đối với quy tắc MCCB phía hạ lưu phải tự có Icu ≥ Isc: phối hợp cascading hoặc back-up protection.

Trong cấu hình này, thiết bị bảo vệ phía nguồn có khả năng hạn chế dòng và năng lượng đi qua khi xảy ra ngắn mạch. Nhờ đó, MCCB phía hạ lưu có thể được sử dụng ở nơi Isc lớn hơn Icu riêng của nó, với điều kiện tổ hợp hai thiết bị đã được kiểm chứng cho mức dòng ngắn mạch tương ứng. IEC 60947-2 có cơ sở cho việc phối hợp này và tài liệu lựa chọn của nhà sản xuất phải xác định tổ hợp được phép.

Không được tự kết luận rằng MCCB phía trên “sẽ hạn dòng đủ” rồi chọn thiết bị phía dưới có Icu thấp hơn Isc. Phải tra bảng cascading/back-up của đúng nhà sản xuất, đúng model, điện áp và cấu hình. Khả năng chịu ngắn mạch có điều kiện của tổ hợp phải bằng hoặc lớn hơn Isc tại điểm lắp thiết bị phía dưới.

Cascading có thể giảm chi phí cho thiết bị hạ lưu nhưng đổi lại thiết kế phụ thuộc vào một tổ hợp đã được thử nghiệm. Nếu thay model hoặc thay thiết bị phía nguồn, giá trị phối hợp phải được kiểm tra lại. Việc phối hợp chọn lọc giữa các MCCB cũng là một bài toán riêng và không nên suy ra chỉ từ khả năng cascading.

Ví dụ chọn MCCB cho lưới 400 V

Giả sử hệ thống có máy biến áp:

· Công suất Sn = 1.600 kVA

· Điện áp hạ áp U = 400 V

· Điện áp ngắn mạch uk = 6%

· MCCB đặt gần đầu cực hạ áp

· Tạm bỏ qua tổng trở của lưới trung áp để thực hiện phép tính sơ bộ

Dòng định mức phía hạ áp:

In = 1.600.000 / (√3 × 400) ≈ 2.309 A

Dòng ngắn mạch ba pha sơ bộ tại đầu cực:

Isc ≈ 2.309 × 100 / 6 ≈ 38,5 kA

Với kết quả này, MCCB có Icu 36 kA tại 400/415 V không đủ. Nếu dãy thiết bị đang xét có cấp tiếp theo là 50 kA tại điện áp này thì MCCB 50 kA đáp ứng điều kiện về khả năng cắt. Công thức và cách xác định dòng ngắn mạch từ Sn, U và uk% phù hợp với phương pháp kỹ thuật được dùng cho máy biến áp hạ áp.

Tiếp theo phải kiểm tra Ics. Giả sử MCCB được chọn có Icu = 50 kA nhưng Ics chỉ bằng 25 kA. Thiết bị vẫn thỏa tiêu chí khả năng cắt tới hạn vì 50 kA > 38,5 kA, nhưng nếu yêu cầu thiết kế là MCCB phải tiếp tục phục vụ sau khi cắt sự cố gần 38,5 kA thì Ics = 25 kA không đáp ứng mục tiêu đó. Khi tính liên tục vận hành quan trọng, nên chọn phiên bản có Ics không thấp hơn mức sự cố mà thiết bị dự kiến phải cắt và tiếp tục làm việc.

Nếu một tủ phân phối nằm xa máy biến áp và sau khi tính tổng trở cáp, Isc tại tủ chỉ còn 18 kA thì MCCB tại tủ không nhất thiết phải giữ Icu 50 kA. Một MCCB có Icu 25 kA tại đúng điện áp có thể đáp ứng về khả năng cắt độc lập. Đây chính là lý do phải xác định Isc theo từng điểm lắp đặt, thay vì dùng duy nhất mức ngắn mạch tại đầu cực máy biến áp cho toàn bộ hệ thống.

Tóm lại, cách chọn khả năng cắt MCCB có thể quy về một chuỗi quyết định: xác định Isc,max tại điểm lắp → tra Icu tại đúng Ue → chọn Icu ≥ Isc → kiểm tra Ics theo yêu cầu duy trì dịch vụ → chỉ dùng Icu thấp hơn Isc khi có cascading/back-up được kiểm chứng. Cách làm này vừa bảo đảm MCCB có đủ khả năng cắt sự cố dự kiến, vừa tránh chọn cấp kA quá thấp hoặc nâng khả năng cắt quá mức cần thiết.