Có thể hình dung nguyên lý cấu tạo theo chuỗi: phát hiện trạng thái bất thường → kích hoạt cơ cấu nhả → mở tiếp điểm → dập hồ quang và cách ly mạch. Tuy nhiên, cách hiện thực phần bảo vệ dòng rò có thể khác nhau giữa RCBO điện cơ và RCBO điện tử, nên không phải mọi sản phẩm đều có cấu trúc bên trong hoàn toàn giống nhau.
Xét theo chức năng, một RCBO điển hình có các nhóm bộ phận chính sau:
· Biến dòng hình xuyến dùng để phát hiện dòng điện dư
· Relay nhạy hoặc mạch xử lý tín hiệu dòng rò tùy thiết kế
· Thanh lưỡng kim dùng cho bảo vệ quá tải
· Cuộn điện từ dùng cho bảo vệ ngắn mạch
· Cơ cấu nhả, tay gạt và hệ thống tiếp điểm
· Buồng dập hồ quang để kiểm soát hồ quang khi ngắt dòng
· Nút TEST, mạch thử, đầu nối dây và vỏ cách điện
Điểm quan trọng là các bộ phận này không hoạt động độc lập. Ba nguyên nhân khác nhau — dòng rò, quá tải và ngắn mạch — cuối cùng đều phải tác động đến cơ cấu ngắt để làm các tiếp điểm chuyển sang trạng thái mở.
Trên mặt RCBO, các thông số cũng phản ánh những nhóm chức năng khác nhau. Chẳng hạn, In = 16 A liên quan đến phần bảo vệ quá dòng, trong khi IΔn = 30 mA biểu thị ngưỡng dòng dư danh định của phần bảo vệ dòng rò. Các giá trị cụ thể thay đổi tùy model.
Biến dòng hình xuyến, thường gọi là toroid hoặc biến dòng vi sai, là bộ phận trung tâm của chức năng chống dòng rò. Các dây dẫn mang dòng cần giám sát đi qua lõi từ này.
Khi mạch hoạt động bình thường, dòng đi ra qua dây pha và dòng quay về qua dây trung tính cân bằng với nhau. Tổng dòng theo vectơ qua lõi gần bằng 0 nên từ thông dư không đủ để kích hoạt bộ nhả. Nếu một phần dòng điện đi theo đường khác, chẳng hạn rò xuống đất, sự cân bằng bị phá vỡ. Biến dòng phát hiện phần chênh lệch đó và tạo tín hiệu cho bộ phận nhả.
Phần xử lý sau biến dòng phụ thuộc thiết kế RCBO. Loại điện cơ có thể sử dụng relay điện từ nhạy để tác động trực tiếp vào cơ cấu nhả. Loại điện tử có thể đưa tín hiệu qua mạch điện tử để xử lý trước khi kích hoạt bộ nhả. Vì vậy, nói rằng mọi RCBO đều phải có một bo mạch điện tử là không chính xác.
Ý nghĩa của cụm này là RCBO không cần chờ dòng tải tăng rất lớn mới ngắt. Một dòng rò chỉ ở mức miliampe vẫn có thể được nhận biết nếu đạt điều kiện tác động của phần bảo vệ dòng dư.
Bảo vệ quá dòng của RCBO thường được xây dựng theo nguyên lý tương tự bộ ngắt mạch thu nhỏ: một cơ cấu đáp ứng với quá tải kéo dài và một cơ cấu đáp ứng nhanh với ngắn mạch.
Thanh lưỡng kim nằm trên đường dẫn dòng và phản ứng với nhiệt do dòng điện tạo ra. Khi dòng vượt mức cho phép trong một khoảng thời gian, nhiệt độ tăng làm thanh lưỡng kim biến dạng. Độ biến dạng đạt ngưỡng sẽ tác động vào cơ cấu nhả và mở tiếp điểm.
Cơ chế nhiệt tạo ra đặc tính có thời gian: quá tải càng lớn thì thanh lưỡng kim càng nóng nhanh và thời gian tác động thường càng ngắn. Điều này phù hợp với bản chất của quá tải, vốn không nhất thiết cần ngắt tức thời như ngắn mạch.
Khi xảy ra ngắn mạch, dòng điện có thể tăng rất nhanh. Cụm điện từ sử dụng tác động từ trường để kích hoạt cơ cấu nhả nhanh hơn cơ chế nhiệt. Trong cấu tạo truyền thống, phần này thường gồm cuộn dây hoặc solenoid cùng lõi/phần ứng chuyển động.
Như vậy, thanh lưỡng kim và cuộn điện từ không phải hai tên gọi cho cùng một bộ phận. Chúng xử lý hai trạng thái quá dòng khác nhau: thanh lưỡng kim thiên về quá tải có thời gian, còn cơ cấu điện từ xử lý sự tăng dòng đột ngột do ngắn mạch.
Các bộ phận cảm biến chỉ phát hiện sự cố; để thực sự cắt điện, RCBO cần một cơ cấu cơ khí liên kết với các tiếp điểm.
Trong trạng thái đóng, tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh tạo đường dẫn điện qua thiết bị. Khi bộ bảo vệ dòng rò, thanh lưỡng kim hoặc cơ cấu điện từ phát lệnh ngắt, chốt giữ được giải phóng. Năng lượng của cơ cấu lò xo làm tiếp điểm động tách khỏi tiếp điểm tĩnh, từ đó ngắt đường dẫn dòng. Một số thiết kế sử dụng cơ cấu trip-free để việc bảo vệ vẫn có thể làm tiếp điểm mở ngay cả khi tay gạt bị giữ ở vị trí đóng.
Tay gạt chủ yếu phục vụ thao tác đóng, mở và đặt lại thiết bị sau khi xử lý nguyên nhân sự cố. Vì tay gạt liên kết với cơ cấu truyền động bên trong nên vị trí của nó thường giúp nhận biết trạng thái thiết bị, nhưng một số RCBO còn có chỉ thị trạng thái tiếp điểm hoặc chỉ thị loại sự cố riêng.
Cấu trúc các cực cũng cần được phân biệt với chức năng bảo vệ. RCBO 1P N, 2P hay nhiều cực có thể có cách đóng cắt dây trung tính khác nhau. Do đó không nên mặc định mọi RCBO đều ngắt và bảo vệ quá dòng trên tất cả các cực theo cùng một cách.
Khi hai tiếp điểm đang mang dòng tách nhau, dòng điện không phải lúc nào cũng biến mất ngay lập tức. Hồ quang điện có thể hình thành trong khe hở giữa hai tiếp điểm. Vì vậy RCBO cần buồng dập hồ quang để kéo dài, chia nhỏ và làm nguội hồ quang, giúp quá trình cắt dòng kết thúc an toàn hơn.
Khả năng xử lý dòng sự cố không chỉ phụ thuộc vào riêng buồng dập hồ quang mà còn liên quan đến tiếp điểm, đường dẫn dòng và toàn bộ thiết kế giới hạn dòng của thiết bị. Đây là lý do RCBO có thông số khả năng cắt ngắn mạch. Trên các sản phẩm thực tế có thể gặp mức như 4,5 kA, 6 kA hoặc 10 kA tùy dòng thiết bị; những con số này không phải giá trị chung cho mọi RCBO.
Đầu nối có nhiệm vụ tạo liên kết điện chắc chắn giữa RCBO với dây nguồn và dây tải. Vỏ cách điện giữ khoảng cách cách điện giữa các bộ phận mang điện, bảo vệ cơ cấu bên trong và tạo kết cấu lắp đặt. Kẹp DIN ở phía sau là bộ phận cơ khí giúp cố định RCBO lên thanh ray trong tủ điện.
Những chi tiết này ít được nhắc đến khi giải thích nguyên lý bảo vệ, nhưng chúng là phần không thể tách rời của cấu tạo vì RCBO phải vừa phát hiện sự cố, vừa dẫn dòng bình thường và vừa cắt được dòng sự cố trong một kích thước rất nhỏ.
Nút TEST thuộc phần kiểm tra chức năng bảo vệ dòng rò. Khi được kích hoạt đúng điều kiện vận hành, thiết bị phải chuyển sang trạng thái ngắt; nếu không ngắt thì chức năng bảo vệ cần được kiểm tra theo hướng dẫn áp dụng cho thiết bị đó.
Bên trong, mạch thử tạo một đường dòng điện có chủ đích làm xuất hiện trạng thái mất cân bằng tương tự tín hiệu dòng dư. Khi bộ cảm biến và cơ cấu nhả hoạt động bình thường, tín hiệu này làm RCBO trip và mở tiếp điểm.
Điều cần phân biệt là nút TEST chủ yếu kiểm tra chuỗi phát hiện và tác động của phần bảo vệ dòng rò. Nó không phải phép thử đầy đủ cho đặc tính quá tải của thanh lưỡng kim, ngưỡng tác động từ của bộ bảo vệ ngắn mạch hay khả năng cắt dòng ngắn mạch của thiết bị. Vì vậy, việc RCBO ngắt khi bấm TEST không đồng nghĩa mọi đặc tính bảo vệ khác đã được kiểm chứng.
Tóm lại, cấu tạo RCBO có thể được chia thành ba lớp chức năng chính: cụm phát hiện sự cố gồm biến dòng, thanh lưỡng kim và cơ cấu điện từ; cụm thực hiện ngắt gồm bộ nhả, cơ cấu truyền động và tiếp điểm; cùng các bộ phận hỗ trợ như buồng dập hồ quang, nút TEST, đầu nối và vỏ cách điện. Sự phối hợp của các bộ phận này cho phép một RCBO xử lý cả dòng rò, quá tải và ngắn mạch trong cùng một thiết bị, dù cách bố trí và công nghệ thực hiện cụ thể có thể khác giữa các dòng sản phẩm.
