Với AC, dòng điện đổi chiều liên tục và đi qua giá trị 0 hai lần trong mỗi chu kỳ. Ở hệ 50 Hz, một điểm dòng bằng 0 xuất hiện khoảng mỗi 10 ms; ở 60 Hz là khoảng 8,33 ms. Khoảnh khắc này tạo điều kiện tự nhiên để hồ quang suy giảm và tắt. Với DC, dòng không tự đi qua 0, nên MCCB phải làm cho hồ quang tăng điện áp, bị kéo dài, chia nhỏ và làm nguội đủ mạnh để dòng giảm về 0. Vì vậy, một MCCB có cùng dòng định mức nhưng chỉ được công bố cho AC không mặc nhiên có thể dùng cho DC.
Khi tiếp điểm MCCB mở dưới tải hoặc trong ngắn mạch, khoảng không khí giữa hai tiếp điểm chưa trở thành chất cách điện ngay lập tức. Nhiệt độ cao ion hóa môi trường, tạo thành một kênh dẫn điện gọi là hồ quang. Muốn ngắt mạch thành công, MCCB phải vừa tách tiếp điểm vừa làm mất khả năng duy trì của kênh dẫn này.
Ở mạch AC, dòng điện hình sin liên tục giảm về 0 rồi đổi chiều. Tại thời điểm dòng bằng 0, năng lượng cấp cho hồ quang tạm thời mất đi. Nếu khe hở tiếp điểm đã đủ lớn và môi trường giữa hai tiếp điểm phục hồi độ bền điện môi đủ nhanh, hồ quang không tái cháy ở nửa chu kỳ tiếp theo. Vì thế quá trình dập hồ quang AC có một “điểm hỗ trợ” tự nhiên từ chính dạng sóng dòng điện.
Ở mạch DC, nguồn vẫn duy trì cùng chiều điện áp trong suốt quá trình mở mạch. Không có điểm dòng bằng 0 tự nhiên để hồ quang tự suy tắt. MCCB DC phải tạo điều kiện để dòng thực sự giảm về 0 bằng chính đặc tính của hồ quang và cấu trúc buồng cắt. Đây là lý do cùng một kích thước khung hoặc cùng dòng định mức, yêu cầu cắt DC có thể khắt khe hơn đáng kể so với AC.
Khi tiếp điểm tách ra, hồ quang được dẫn vào buồng dập, kéo dài và chia thành nhiều đoạn qua các tấm kim loại. Quá trình này làm tăng điện áp hồ quang, giảm nhiệt độ plasma và giúp khe hở nhanh phục hồi khả năng cách điện. Khi dòng AC đi tới 0, hồ quang có cơ hội tắt; nhiệm vụ tiếp theo là ngăn nó tái lập khi điện áp nguồn xuất hiện lại ở nửa chu kỳ kế tiếp.
Do đó, thiết kế AC tập trung vào việc kiểm soát năng lượng hồ quang cho đến điểm dòng bằng 0 và phục hồi điện môi đủ nhanh sau đó. Điều này không có nghĩa hồ quang AC luôn “dễ” dập: tải có tính cảm cao, dòng sự cố lớn hoặc điện áp cao vẫn làm quá trình ngắt khó hơn. Tuy vậy, sự tồn tại của điểm dòng bằng 0 vẫn là lợi thế vật lý quan trọng.
Trong mạch DC có điện cảm, quan hệ điện áp trong quá trình cắt có thể biểu diễn giản lược:
V = L × di/dt R × i Va
Trong đó V là điện áp nguồn, L là điện cảm của mạch, R là điện trở, i là dòng điện và Va là điện áp hồ quang. Muốn dòng giảm, cần có di/dt < 0. Vì vậy, điện áp hồ quang phải tăng đủ để chống lại tác dụng duy trì dòng của nguồn và năng lượng tích trữ trong điện cảm.
MCCB DC thực hiện việc này bằng cách mở tiếp điểm nhanh, kéo hồ quang vào buồng dập, kéo dài đường hồ quang, chia hồ quang thành nhiều đoạn và làm nguội nó. Một số thiết kế còn sử dụng lực điện từ hoặc cấu trúc dẫn hồ quang chuyên dụng để đưa hồ quang vào vùng dập hiệu quả hơn. Cấu tạo cụ thể khác nhau theo dòng sản phẩm, nên không nên mặc định mọi MCCB DC đều dùng cùng một cơ chế hỗ trợ.
Điện cảm càng lớn thì năng lượng tích trữ càng cao và dòng càng khó giảm nhanh. Bởi vậy, khả năng cắt DC thường được công bố kèm điều kiện hằng số thời gian L/R. Các mức như 5 ms hoặc 15 ms thường xuất hiện trong bảng đặc tính kỹ thuật; chúng mô tả mức độ “cảm” của mạch khi thử khả năng cắt, chứ không phải một thông số phụ có thể bỏ qua.
Một cực MCCB chỉ tạo được một mức điện áp hồ quang và một khoảng cách cách ly nhất định. Khi nhiều cực được nối tiếp trên cùng đường dòng điện, tổng điện áp hồ quang của các cực tăng lên và điện áp hệ thống được phân bố qua nhiều khe hở tiếp điểm. Đây là một cách quan trọng để nâng khả năng ngắt ở điện áp DC cao.
Vì vậy, cùng một MCCB DC có thể yêu cầu số cực nối tiếp khác nhau tùy điện áp sử dụng. Ví dụ, một bảng đặc tính có thể cho phép hai cực nối tiếp ở 250 VDC nhưng yêu cầu ba cực nối tiếp ở 750 VDC. Con số cụ thể không phải quy tắc chung cho mọi MCCB; nó phụ thuộc thiết kế và phải lấy đúng từ tài liệu của model đang dùng.
Nối cực nối tiếp cũng giải thích vì sao không thể chỉ nhìn số cực cơ khí rồi đấu tùy ý. Cách phân bố cực giữa cực dương, cực âm và phía nối đất phụ thuộc cấu trúc hệ DC và hướng dẫn của thiết bị. Với MCCB có cơ cấu dập hồ quang phụ thuộc chiều dòng hoặc từ trường định hướng, cực tính đấu nối có thể là điều kiện bắt buộc. Ngược lại, một số thiết kế không phân cực. Vì thế, ký hiệu cực tính trên thân máy và sơ đồ đấu nối của nhà sản xuất phải được xem là điều kiện kỹ thuật, không phải khuyến nghị tùy chọn.
Dòng định mức In cho biết khả năng mang dòng liên tục, nhưng không quyết định một MCCB có thể cắt an toàn ở mọi loại nguồn. Khi so sánh MCCB AC và DC, cần đọc đồng thời điện áp làm việc định mức Ue, khả năng cắt ngắn mạch cực đại Icu, khả năng cắt ngắn mạch làm việc Ics, số cực phải nối tiếp và điều kiện thử tương ứng.
Một MCCB có Icu cao ở 400 hoặc 415 VAC không được suy ra rằng nó có Icu tương đương ở 400 VDC. Quá trình dập hồ quang khác nhau nên khả năng cắt phải được công bố riêng cho từng điện áp và loại dòng điện. Ngay trong miền DC, Icu cũng có thể thay đổi khi điện áp tăng hoặc khi số cực nối tiếp thay đổi.
Hằng số thời gian L/R cần được đọc cùng khả năng cắt của DC. Hai hệ DC có cùng điện áp và cùng dòng ngắn mạch dự kiến nhưng khác điện cảm có thể gây mức độ khó cắt khác nhau. Mạch có L/R lớn duy trì dòng lâu hơn, làm hồ quang tồn tại lâu hơn và tăng yêu cầu đối với buồng cắt. Vì vậy, lựa chọn MCCB DC chỉ theo “bao nhiêu ampere” là chưa đủ.
Khác biệt này cũng cho thấy bộ trip và bộ phận dập hồ quang là hai vấn đề liên quan nhưng không đồng nhất. Nhiều MCCB DC sử dụng bộ bảo vệ nhiệt-từ, trong khi một số MCCB dùng bộ trip điện tử riêng theo ứng dụng. Dù bộ trip có thể phát hiện quá dòng đúng, thiết bị vẫn phải có phần cắt và khả năng dập hồ quang được định mức cho điện áp DC thực tế.
Có thể trong một số trường hợp, nhưng chỉ khi chính model đó được công bố có định mức DC và có sơ đồ đấu cực phù hợp. Nhãn “MCCB AC” theo cách gọi thông thường không đủ để kết luận thiết bị dùng được hay không dùng được với DC.
Một số MCCB vốn được dùng phổ biến trong hệ AC vẫn có bảng định mức riêng cho DC ở mức điện áp thấp hơn hoặc yêu cầu nối nhiều cực nối tiếp. Ngược lại, nếu tài liệu chỉ công bố Ue, Icu hoặc Ics cho AC mà không có thông số DC, không nên tự suy đổi dựa trên dòng định mức, số cực hoặc kích thước khung.
Rủi ro của việc dùng sai không chỉ là MCCB “không nhảy”. Thiết bị có thể trip và mở cơ cấu cơ khí nhưng hồ quang vẫn duy trì, gây cháy mòn tiếp điểm, quá nhiệt buồng dập hoặc không cô lập được dòng sự cố. Vì thế, điều cần xác nhận không chỉ là khả năng phát hiện quá dòng mà là khả năng cắt được dòng DC ở đúng điện áp, dòng ngắn mạch và cấu hình cực của hệ thống.
Với hệ AC, cần đối chiếu điện áp làm việc, dòng định mức, Icu/Ics và các yêu cầu phối hợp bảo vệ của mạch. Với hệ DC, ngoài các thông số đó còn phải xem kỹ số cực nối tiếp, cực tính nếu có, sơ đồ nối đất của hệ và điều kiện L/R dùng để xác lập khả năng cắt.
Trình tự kiểm tra thực tế nên đi từ nguồn điện đến khả năng cắt, thay vì bắt đầu từ dòng định mức:
1. Xác định loại nguồn và điện áp lớn nhất: AC hay DC, điện áp danh định và điện áp có thể xuất hiện trong trạng thái bất lợi
2. Xác định dòng tải và dòng ngắn mạch dự kiến: In phải đáp ứng tải, còn Icu/Ics phải phù hợp mức sự cố tại điểm lắp
3. Kiểm tra đúng định mức theo loại dòng điện: Không dùng thông số AC để thay cho DC hoặc ngược lại
4. Kiểm tra cấu hình cực: Số cực nối tiếp, vị trí cực dương/âm và yêu cầu phân cực phải đúng sơ đồ của model
5. Kiểm tra điều kiện mạch DC: Đặc biệt là L/R khi tài liệu khả năng cắt có nêu điều kiện này
6. Giữ dự phòng theo thiết kế hệ thống: Không vận hành ngoài điện áp hoặc khả năng cắt đã công bố chỉ vì thiết bị có cùng dòng định mức
Điểm cốt lõi là MCCB phải được chọn theo khả năng ngắt năng lượng sự cố, không chỉ theo khả năng mang dòng. Với AC, điểm dòng bằng 0 hỗ trợ quá trình dập hồ quang; với DC, thiết bị phải chủ động tạo điều kiện để dòng giảm về 0. Chính khác biệt vật lý này dẫn đến khác biệt về buồng dập hồ quang, tốc độ mở tiếp điểm, cách dùng các cực và thông số khả năng cắt.
MCCB AC và MCCB DC không khác nhau đơn thuần ở ký hiệu nguồn điện trên nhãn. Khác biệt nền tảng nằm ở quá trình dập hồ quang: AC có điểm dòng bằng 0 tự nhiên, còn DC không có nên hồ quang phải được kéo dài, làm nguội và tạo điện áp đủ lớn để ép dòng về 0. Vì vậy, MCCB DC thường có yêu cầu chặt hơn về buồng cắt, cấu hình cực, điện áp làm việc và khả năng cắt.
Khi xem một MCCB có phù hợp hay không, cần kiểm tra đúng bộ thông số cho AC hoặc DC của chính model đó. Không nên suy từ In, số cực hoặc khả năng cắt AC sang khả năng cắt DC nếu thiết bị không có định mức tương ứng.
