Nguyên lý hoạt động MCB khi quá tải và ngắn mạch

Quá tải và ngắn mạch tác động lên MCB khác nhau ra sao?

Điểm cốt lõi của nguyên lý hoạt động MCB là thiết bị không xử lý mọi trường hợp quá dòng theo cùng một cách. MCB phải cho phép một số quá dòng ngắn hạn tồn tại mà không cắt điện nhầm, nhưng đồng thời phải phản ứng rất nhanh khi dòng tăng đến mức đặc trưng của ngắn mạch.

Hai cơ cấu nhả nhiệt và điện từ làm việc độc lập về cách phát hiện quá dòng nhưng cùng tác động lên cơ cấu trip của MCB. Vì vậy, khác biệt chủ yếu nằm ở cách MCB nhận biết tình trạng bất thường và thời gian phản ứng trước khi tiếp điểm được mở.

Khi quá tải, thanh lưỡng kim làm MCB ngắt có độ trễ

Trong chế độ bình thường, dòng tải đi qua phần tử dẫn điện bên trong MCB, trong đó có cơ cấu nhả nhiệt. Khi dòng tăng, tổn hao nhiệt tăng theo hiệu ứng Joule. Nếu mức quá dòng tồn tại đủ lâu, thanh lưỡng kim nóng lên và uốn cong do hai lớp kim loại có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau.

Độ cong tăng dần cho đến khi thanh lưỡng kim tác động vào thanh nhả hoặc cơ cấu chốt. Chốt được giải phóng, lò xo của cơ cấu đóng cắt kéo tiếp điểm động ra khỏi tiếp điểm tĩnh và mạch điện bị ngắt. Vì thanh lưỡng kim cần thời gian để tích nhiệt nên bảo vệ quá tải có đặc tính thời gian nghịch: dòng quá tải càng lớn thì MCB thường cắt càng nhanh.

Điều này cũng giải thích vì sao MCB không nhất thiết ngắt ngay khi dòng vừa cao hơn giá trị In ghi trên thiết bị. Với nhóm MCB dân dụng B/C/D thông dụng, ở điều kiện thử tham chiếu 30°C, 1,13 × In được sử dụng làm mức dòng quy ước không tác động trong khoảng thời gian thử, còn 1,45 × In là mức dòng quy ước phải tác động trong khoảng một giờ đối với dải thông dụng đến 63 A.

Ví dụ, với MCB 16 A, 1,45 × In tương đương khoảng 23,2 A. Điều đó không có nghĩa MCB sẽ ngắt ngay khi dòng đạt 23,2 A; đây là vùng kiểm tra khả năng tác động nhiệt trong một khoảng thời gian xác định. Thời gian thực tế còn phụ thuộc mức dòng, nhiệt độ ban đầu của MCB và nhiệt độ môi trường.

Cơ chế này có ý nghĩa thực tế quan trọng. Một động cơ hoặc thiết bị có dòng khởi động cao trong thời gian ngắn không nhất thiết làm MCB nhảy chỉ vì dòng tức thời vượt In. Ngược lại, một mức quá tải không quá lớn nhưng kéo dài vẫn có thể làm thanh lưỡng kim tích nhiệt đủ để ngắt mạch.

Khi ngắn mạch, bộ nhả điện từ tác động gần như tức thời

Ngắn mạch khác quá tải ở tốc độ và biên độ tăng dòng. Khi trở kháng của đường sự cố giảm rất thấp, dòng có thể tăng lên nhiều lần dòng định mức gần như ngay lập tức. Chờ thanh lưỡng kim nóng lên trong trường hợp này sẽ quá chậm, vì vậy MCB sử dụng thêm một bộ nhả điện từ.

Dòng điện lớn chạy qua cuộn dây tạo ra từ trường mạnh. Khi lực điện từ vượt ngưỡng thiết kế, phần ứng hoặc lõi chuyển động bị hút nhanh, tác động trực tiếp vào cơ cấu nhả. Chốt cơ khí được giải phóng và tiếp điểm bắt đầu mở. Cơ cấu này nhạy với độ lớn của dòng điện thay vì sự tích lũy nhiệt, nên phản ứng với ngắn mạch nhanh hơn rất nhiều so với bộ nhả nhiệt.

Ngưỡng nhả điện từ không giống nhau giữa các đặc tính MCB. Với các đặc tính B, C và D phổ biến, vùng tác động điện từ điển hình lần lượt là khoảng 3–5 × In, 5–10 × In và 10–20 × In. Ở biên thử phía trên của các vùng này, thời gian tác động điện từ được quy định ở mức dưới 0,1 giây trong các đặc tính tương ứng.

Chẳng hạn, một MCB C16 có vùng nhả điện từ khoảng 80–160 A. Con số này không nên được hiểu là một ngưỡng duy nhất tại đó MCB chắc chắn chuyển trạng thái tức thời. Đó là một vùng đặc tính: ở phía thấp của vùng, thời gian tác động có thể dài hơn; khi dòng đạt vùng bảo đảm nhả từ, cơ cấu điện từ phải cắt rất nhanh.

Sự khác nhau giữa B, C và D vì thế chủ yếu liên quan đến khả năng chịu dòng xung hoặc dòng khởi động trước khi bộ nhả điện từ tác động. Đặc tính D có ngưỡng nhả từ cao hơn C, còn C cao hơn B. Tuy nhiên, phần bảo vệ quá tải bằng nhiệt vẫn hoạt động song song; chọn đường cong có ngưỡng từ cao không đồng nghĩa với việc bỏ bảo vệ quá tải.

Sau khi nhả, MCB mở tiếp điểm và dập hồ quang như thế nào?

Bộ nhả nhiệt hoặc bộ nhả điện từ chỉ là bước khởi đầu. Muốn thực sự ngắt dòng, MCB phải tách hai tiếp điểm đủ nhanh và xử lý hồ quang xuất hiện trong quá trình đó.

Ngay khi chốt trip được giải phóng, năng lượng tích trong cơ cấu lò xo làm tiếp điểm động tách khỏi tiếp điểm tĩnh. Tuy nhiên, dòng điện không biến mất ngay tại thời điểm hai bề mặt kim loại vừa rời nhau. Điện trường giữa các tiếp điểm có thể ion hóa môi trường xung quanh và hình thành hồ quang, cho phép dòng tiếp tục chạy trong một khoảng thời gian rất ngắn.

MCB sử dụng hình dạng đường dẫn dòng, lực điện từ và kết cấu buồng dập để đưa hồ quang ra khỏi vùng tiếp điểm. Hồ quang đi vào các lá kim loại của buồng dập, bị chia thành nhiều đoạn nhỏ, kéo dài và làm nguội nhanh hơn. Với dòng xoay chiều, thời điểm dòng đi qua điểm zero cũng hỗ trợ quá trình mất ion và ngăn hồ quang tái lập. Ở các MCB có khả năng hạn chế dòng, toàn bộ quá trình xử lý sự cố ngắn mạch có thể diễn ra trong phạm vi vài mili giây.

Buồng dập hồ quang vì vậy không phải bộ phận “phát hiện” ngắn mạch. Nhiệm vụ phát hiện thuộc về cơ cấu điện từ; buồng dập có nhiệm vụ làm gián đoạn dòng một cách kiểm soát sau khi tiếp điểm đã bắt đầu tách.

Vì sao MCB không ngắt ngay khi dòng vừa vượt In?

In ghi trên MCB là dòng điện định mức, không phải một điểm cắt tuyệt đối. Nếu MCB 16 A luôn ngắt tức thì ở 16,1 A thì các tải có dòng khởi động hoặc dao động ngắn hạn rất dễ gây cắt nhầm. Vì vậy, vùng quá tải nhẹ được xử lý bằng đặc tính nhiệt có thời gian, còn vùng dòng rất lớn được xử lý bằng đặc tính điện từ.

Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến cơ cấu nhả nhiệt. Thanh lưỡng kim đã nóng sẵn sẽ cần ít năng lượng bổ sung hơn để đạt độ cong gây trip. Bởi vậy, một MCB đang mang tải lâu hoặc làm việc trong môi trường nóng có thể phản ứng với quá tải khác so với MCB bắt đầu ở trạng thái nguội. Các đặc tính nhiệt B/C/D thông dụng thường được hiệu chuẩn quanh nhiệt độ tham chiếu 30°C.

Một điểm khác thường gây nhầm lẫn là thông số khả năng cắt, chẳng hạn 4,5 kA hoặc 6 kA trên nhiều MCB. Đây không phải ngưỡng khiến bộ nhả từ bắt đầu hoạt động. Khả năng cắt biểu thị mức dòng ngắn mạch dự kiến lớn nhất mà thiết bị được thiết kế để ngắt an toàn trong điều kiện quy định. Khả năng cắt của MCB tại vị trí lắp đặt phải bằng hoặc lớn hơn dòng ngắn mạch dự kiến tại điểm đó, trừ trường hợp có phối hợp bảo vệ thích hợp với thiết bị phía trước.

Do đó, với một ký hiệu như C16 6 kA, có thể hiểu ba thông tin khác nhau: C mô tả đặc tính nhả điện từ, 16 A là dòng định mức, còn 6 kA là khả năng cắt ngắn mạch. Ba thông số này có liên quan đến hoạt động bảo vệ nhưng không thể thay thế cho nhau.

Nguyên lý hoạt động MCB dựa trên việc kết hợp hai cơ chế bảo vệ trong cùng một thiết bị. Quá tải kéo dài làm nóng và uốn thanh lưỡng kim để tạo tác động có độ trễ; ngắn mạch tạo từ trường lớn trong cuộn điện từ để nhả cơ cấu rất nhanh. Sau khi cơ cấu trip hoạt động, tiếp điểm mở và hồ quang được xử lý trong buồng dập trước khi dòng bị cắt hoàn toàn.

Vì vậy, khi đánh giá một MCB có “nhảy đúng” hay không, không nên chỉ so dòng thực tế với giá trị In. Cần xét mức và thời gian của quá dòng, đặc tính B/C/D, trạng thái nhiệt của thiết bị và khả năng cắt so với dòng ngắn mạch có thể xuất hiện tại vị trí lắp đặt.