Trip unit MCCB là gì và có những loại nào?

Xét theo nguyên lý bảo vệ, MCCB thường sử dụng hai nhóm trip unit chính là thermal-magnetic trip unit (nhiệt-từ) và electronic trip unit (điện tử). Ngoài ra còn có magnetic-only trip unit, chủ yếu dùng trong những ứng dụng mà bảo vệ quá tải đã được đảm nhiệm bởi một thiết bị khác. Loại trip unit quyết định cách MCCB nhận biết quá tải, ngắn mạch, khả năng chỉnh định và mức độ phối hợp bảo vệ với các thiết bị khác.

Trip unit nằm ở đâu trong cơ chế bảo vệ của MCCB?

Có thể hình dung quá trình bảo vệ của MCCB thành ba bước: phát hiện dòng điện bất thường → quyết định tác động → mở tiếp điểm. Trip unit thực hiện hai bước đầu hoặc tham gia trực tiếp vào chúng.

Khi tải hoạt động bình thường, trip unit theo dõi dòng điện nhưng không tác động. Khi xuất hiện quá tải hoặc ngắn mạch, nó đánh giá dòng điện theo đặc tính thời gian–dòng điện đã được thiết kế hoặc cài đặt. Nếu điều kiện tác động được thỏa mãn, trip unit kích hoạt cơ cấu trip. Cơ cấu này nhả hệ thống chốt, làm các tiếp điểm chính mở ra; hệ thống dập hồ quang của MCCB sau đó mới thực hiện quá trình ngắt dòng sự cố.

Vì vậy, trip unit không đồng nghĩa với toàn bộ MCCB. MCCB còn có tiếp điểm, cơ cấu truyền động, buồng dập hồ quang, vỏ cách điện và các bộ phận cơ khí khác. Trip unit chỉ là phần chịu trách nhiệm về logic bảo vệ và lệnh tác động.

Trong thiết bị hạ áp, các đặc tính bảo vệ của circuit-breaker được xây dựng trong khuôn khổ các yêu cầu kỹ thuật như IEC 60947-2. Tuy nhiên, tiêu chuẩn không có nghĩa mọi MCCB đều có cùng chức năng hoặc cùng dải chỉnh định; các thông số cụ thể vẫn phụ thuộc thiết kế, frame size và trip unit của từng sản phẩm.

Trip unit nhiệt-từ hoạt động như thế nào?

Thermal-magnetic trip unit kết hợp hai cơ chế vật lý: phần tử nhiệt để bảo vệ quá tải và phần tử điện từ để bảo vệ ngắn mạch.

Khi dòng điện vượt mức cho phép nhưng chưa phải ngắn mạch lớn, dòng điện làm nóng thanh lưỡng kim. Nhiệt độ tăng khiến thanh lưỡng kim biến dạng dần và cuối cùng tác động lên cơ cấu trip. Dòng quá tải càng lớn thì nhiệt sinh ra càng nhiều và thời gian tác động càng ngắn. Vì vậy, phần bảo vệ nhiệt có đặc tính thời gian nghịch: quá tải nhỏ có thể được duy trì trong một khoảng thời gian, trong khi quá tải lớn sẽ bị cắt nhanh hơn.

Khi xảy ra ngắn mạch với dòng điện lớn, lực điện từ của phần tử magnetic tăng nhanh và có thể kích hoạt cơ cấu trip gần như tức thời. Cơ chế này bỏ qua khoảng thời gian gia nhiệt cần thiết của thanh lưỡng kim, nhờ đó xử lý sự cố ngắn mạch nhanh hơn.

Trip unit nhiệt-từ có thể có thông số cố định hoặc cho phép chỉnh một phần. Chẳng hạn, ở một số MCCB, ngưỡng bảo vệ quá tải có thể chỉnh trong vùng khoảng 0,7–1,0 × In; ngưỡng magnetic có thể cố định hoặc điều chỉnh tùy thiết kế. Đây chỉ là ví dụ về dải chỉnh định của một số dòng thiết bị, không phải giá trị chung cho mọi MCCB.

Ưu điểm của thermal-magnetic trip unit là cấu tạo tương đối đơn giản và phù hợp với nhiều mạch phân phối thông thường. Giới hạn của nó nằm ở khả năng chỉnh định và phối hợp thời gian–dòng điện: khi hệ thống cần selectivity chi tiết hoặc nhiều cấp bảo vệ, trip unit điện tử thường cung cấp nhiều tham số hơn.

Ngoài ra, cơ chế nhiệt có thể chịu ảnh hưởng của điều kiện nhiệt độ môi trường tùy cấu tạo và khả năng bù nhiệt của thiết bị. Vì vậy, đường cong trip và hướng dẫn của đúng model MCCB vẫn là căn cứ cần dùng khi xác định đặc tính tác động thực tế.

Trip unit điện tử khác trip unit nhiệt-từ ở điểm nào?

Electronic trip unit thay phần lớn quá trình cảm nhận và xử lý bằng cảm biến dòng điện cùng mạch điện tử. Dòng điện được đo, tín hiệu được xử lý và so sánh với các ngưỡng pickup, thời gian trễ hoặc đường cong bảo vệ đã thiết lập. Khi điều kiện trip được đáp ứng, bộ điện tử điều khiển cơ cấu chấp hành để nhả breaker.

Điểm quan trọng là trip unit điện tử không đơn thuần là phiên bản “cắt nhanh hơn” của loại nhiệt-từ. Trong nhiều trường hợp, nó còn chủ động tạo thời gian trễ để phối hợp chọn lọc với breaker phía dưới. Giá trị chính nằm ở khả năng kiểm soát chính xác hơn đặc tính bảo vệ và cho phép điều chỉnh nhiều tham số hơn.

Tùy cấp trip unit, người vận hành có thể gặp các tham số như:

Không phải electronic trip unit nào cũng có đầy đủ các tham số này. Một model cơ bản có thể chỉ cung cấp bảo vệ quá tải và tức thời, trong khi model cao hơn có thể bổ sung short-time, ground fault, đo dòng, điện năng, nhật ký sự kiện hoặc giao tiếp truyền thông.

Một số electronic trip unit lấy năng lượng hoạt động từ chính dòng điện qua breaker, trong khi các chức năng đo lường, hiển thị hoặc truyền thông nâng cao có thể yêu cầu nguồn phụ tùy thiết kế. Do đó không nên suy luận khả năng của trip unit chỉ từ việc nó được gọi là “electronic”.

Magnetic-only trip unit dùng trong trường hợp nào?

Magnetic-only trip unit chỉ thực hiện chức năng bảo vệ ngắn mạch bằng cơ chế magnetic hoặc chức năng tương đương. Nó không cung cấp bảo vệ quá tải dài hạn như thermal-magnetic hoặc electronic trip unit có chức năng L.

Loại này thường xuất hiện trong mạch động cơ hoặc những cấu hình mà một relay quá tải riêng đã đảm nhiệm việc phát hiện quá tải. Khi đó, MCCB hoặc circuit protector tập trung vào việc cắt dòng ngắn mạch lớn, còn relay bảo vệ động cơ xử lý quá tải, kẹt rotor hoặc các điều kiện được thiết kế cho hệ thống motor protection.

Đây là điểm dễ gây hiểu nhầm. Một MCCB có magnetic-only trip unit vẫn có thể cắt ngắn mạch, nhưng điều đó không có nghĩa tải đã được bảo vệ đầy đủ trước quá tải. Nếu ứng dụng yêu cầu bảo vệ quá tải, chức năng này phải được cung cấp bởi thiết bị khác theo thiết kế bảo vệ của mạch.

Vì vậy magnetic-only không phải lựa chọn thay thế trực tiếp cho trip unit nhiệt-từ hoặc điện tử trong mọi feeder. Nó là cấu hình chuyên biệt, chỉ phù hợp khi hệ thống đã phân chia rõ chức năng bảo vệ giữa các thiết bị.

LI, LSI và LSIG trên trip unit điện tử có nghĩa gì?

Các ký hiệu L, S, I và G mô tả những chức năng bảo vệ mà electronic trip unit hỗ trợ.

Từ đó, LI cung cấp long-time và instantaneous; LSI bổ sung tầng short-time; còn LSIG có thêm chức năng ground-fault.

Sự khác nhau này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng phối hợp bảo vệ. Với LSI, kỹ sư có thể đặt ngưỡng và thời gian short-time để breaker phía dưới có cơ hội cắt sự cố trước, trong khi breaker phía trên chỉ tác động nếu sự cố không được loại trừ. LSIG bổ sung một lớp xử lý sự cố chạm đất khi hệ thống và phương án bảo vệ yêu cầu.

Cần phân biệt G – ground-fault overcurrent protection với bảo vệ dòng rò độ nhạy cao của RCD/RCCB hoặc chức năng earth-leakage chuyên dụng. Một trip unit có chữ G không mặc nhiên thay thế được mọi thiết bị bảo vệ chống dòng rò; phải kiểm tra nguyên lý đo, dải pickup và chức năng cụ thể của model.

So sánh các loại trip unit MCCB thường dùng

Sự khác nhau giữa các trip unit không chỉ nằm ở việc một loại dùng cơ khí còn loại kia dùng điện tử. Quan trọng hơn là những điều kiện sự cố mà trip unit có thể nhận biết và mức độ điều chỉnh đặc tính thời gian–dòng điện.

Khi đọc thông số MCCB, không nên chỉ nhìn dòng định mức của breaker. Hai MCCB có cùng dòng định mức vẫn có thể có đặc tính bảo vệ khác đáng kể nếu trip unit khác nhau. Cần kiểm tra đồng thời loại trip unit, các chức năng LI/LSI/LSIG, dải Ir, các ngưỡng short-circuit và đường cong time-current.

Trong ứng dụng chỉ cần bảo vệ quá tải và ngắn mạch với mức chỉnh định không phức tạp, thermal-magnetic có thể đáp ứng yêu cầu. Khi hệ thống cần điều chỉnh nhiều cấp, selectivity hoặc ground-fault protection, electronic trip unit tạo nhiều khả năng cấu hình hơn. Magnetic-only chỉ phù hợp khi kiến trúc bảo vệ đã có một phần tử khác chịu trách nhiệm bảo vệ quá tải.

Trip unit có thể xem là bộ phận quyết định khi nào MCCB phải trip. Thermal-magnetic thực hiện bảo vệ bằng phần tử nhiệt và từ; electronic trip unit sử dụng cảm biến cùng mạch xử lý để tạo các chức năng bảo vệ có khả năng chỉnh định cao hơn; magnetic-only tập trung vào ngắn mạch và không thay thế bảo vệ quá tải.

Do đó, khi phân biệt các MCCB, cần xem loại trip unit cùng các chức năng bảo vệ thực tế thay vì chỉ dựa vào dòng định mức. Các ký hiệu LI, LSI và LSIG cho biết rõ hơn breaker có thể xử lý quá tải, ngắn mạch có trễ, ngắn mạch tức thời và ground fault ở mức nào.