Máy cắt trung thế: cấu tạo, chức năng và cách phân loại

Cầu dao trung thế là thiết bị chuyển mạch không thể thiếu trong hệ thống điện công nghiệp và thương mại nhằm bảo vệ hệ thống và con người. Vậy cầu dao trung thế là gì, cấu tạo, chức năng và phân loại của nó như thế nào? Chúng tôi đã tổng hợp chi tiết trong bài viết dưới đây.

Máy cắt trung thế là gì?

Thiết bị đóng cắt trung thế là thiết bị đóng cắt trung thế đặc biệt có chức năng phân phối năng lượng điện và điện áp chuyển mạch để bảo vệ hệ thống khỏi các tai nạn quá tải, ngắn mạch.

Thiết bị được thiết kế, sản xuất và thử nghiệm theo tiêu chuẩn IEC 62271-200 cho mục đích chuyển mạch, bảo vệ và điều khiển trong hệ thống xoay chiều từ 1kV đến 52kV và do đó được sử dụng trong các mạng phân phối thứ cấp như: trạm biến áp thứ cấp, công nghiệp nhẹ hoặc nhà máy điện gió. Ngoài ra, cầu dao trung thế còn được sử dụng trong khách sạn, trung tâm mua sắm và các tòa nhà cao tầng.

Máy cắt trung thế có những đặc điểm điển hình sau:

• Nguồn điện áp hoạt động lớn: từ 1kV đến 52kV theo tiêu chuẩn IEC 62271-200, 1kV đến 35kV tại Việt Nam.
• Dòng xả liên tục: từ 600A – 4000A.
• Xuất hiện trong nhiều trạm biến áp, hoặc kết hợp với các thiết bị khác như: máy cắt dầu tối thiểu, máy cắt dầu khối, cách điện khí SF6…
• Có thể lắp đặt trong nhà hoặc ngoài trời, kể cả trong môi trường khắc nghiệt như: chân không, môi trường dầu, cách nhiệt…
• Tuổi thọ cao, vận hành dễ dàng, không gây tiếng ồn khi mất điện.

Cấu tạo máy cắt trung thế

Cầu dao trung thế hiện nay được thiết kế như một tủ điện trung thế, bao gồm các bộ phận chính như vỏ tủ, vật liệu cách điện, cầu dao và thiết bị chuyển mạch thông minh.

Vỏ tủ là lớp bảo vệ của cầu dao trung thế. Nó thường được làm bằng tôn, dày khoảng 2 mm, cách nhiệt nên rất an toàn và chắc chắn. Môi trường cách nhiệt là môi trường bên trong tủ máy cắt trung thế, được dùng để bảo vệ các thiết bị điện như thanh cái, ống lót khỏi sự cố hồ quang. Một số vật liệu cách điện dùng trong máy cắt trung thế:

• Không khí: Chất cách điện phổ biến nhất và rẻ nhất nhưng có đặc tính điện môi yếu nhất, khiến các thiết bị điện bên trong dễ bị phóng điện.
• khí: Khí thường được sử dụng làm môi chất cách điện trong máy cắt trung thế là lưu huỳnh hexafluoride (SF6). Các tiếp điểm điện sẽ được bịt kín trong bình chứa khí SF6 nén.
• Công nghệ điện môi rắn trong không khí: Sự kết hợp của vật liệu không dẫn điện và khe hở không khí có độ ẩm thấp mang lại tổn thất điện môi thấp, độ bền cơ học cao và khả năng chống suy thoái nhiệt và hóa học.
• chất lỏng: Dầu cách điện có khả năng chống cháy nói chung bao gồm 3 loại phổ biến: dầu khoáng (gốc dầu mỏ); Chất lỏng E200 là chất chống cháy có độ nhớt thấp, không độc hại, dựa trên polyol ester, có tính chất điện môi, nhiệt và vật lý tốt; Chất lỏng FR3 được pha chế từ dầu thực vật và các chất phụ gia tăng cường.

Cầu dao bao gồm cầu dao chính (cầu chì, cầu dao) và công tắc, thông thường:

• Công tắc không khí: Thiết bị đóng cắt sử dụng không khí làm chất điện môi thường có mức độ gián đoạn thấp hơn so với thiết bị đóng cắt dầu hoặc chân không nhưng tiết kiệm hơn.
• cầu chì: Thiết bị này cắt dòng điện quá tải bằng cách làm tan chảy ở nhiệt độ/thời gian xác định. Trong máy cắt trung thế, cầu chì được nối với công tắc để tăng khả năng đóng/mở mạch và bảo vệ quá tải.
• Công tắc dầu: Thiết bị chuyển mạch được nhúng trong vỏ chứa đầy dầu. Thiết bị này thường được tìm thấy trong các máy cắt trung thế gắn trên bệ.
• Bộ ngắt mạch chân không: Loại máy cắt này thực hiện quá trình dập hồ quang trong bình chứa chân không kín. Khả năng cắt của máy cắt chân không khi xảy ra sự cố quá áp cao hơn nhiều so với máy cắt không khí.
• Bộ ngắt hồ quang lỗi chân không: Là một thiết bị bảo vệ quá dòng, nó có thể thay thế cầu chì và công tắc.
• Công tắc chân không: Một loại công tắc điện có khả năng làm gián đoạn dòng điện trong bình chân không kín. Công tắc chân không cần ít không gian hơn công tắc không khí hoặc dầu và có thể được sử dụng ở điện áp cao hơn.

Thiết bị đo có chức năng đo các giá trị chính:

• Dòng cắt không đối xứng: Dòng điện sự cố tối đa mà cầu dao và cầu chì có thể cắt một cách an toàn, được đo bằng ampe RMS đối xứng. Ví dụ, dòng điện cắt của máy cắt chân không trung thế là khoảng 25 kAIC – 63 kAIC.
• Đánh giá ngắn mạch (SCR): Là chỉ số đánh giá khả năng ngắt mạch và chịu đựng dòng điện ngắn mạch của máy cắt trung thế khi xảy ra sự cố.
• Dòng định mức liên tục: Giá trị dòng điện mà máy cắt chính và thanh cái chính trong máy cắt trung thế có thể mang liên tục mà không làm hỏng thiết bị. Máy cắt trung thế thường có định mức dòng điện liên tục từ 600A đến 4000A.
• Điện áp định mức tối đa: Điện áp mà thiết bị đóng cắt trung thế có thể hoạt động. Ví dụ, máy cắt trung thế 15kV có thể ứng dụng cho nhiều cấp điện áp thực tế khác nhau, bao gồm: 12,47kV, 13,2kV, 13,8kV và 14,4kV.

Sự kết hợp của các thiết bị điện tử thông minh (IED) như cầu dao thông minh, cảm biến và thiết bị dựa trên bộ vi xử lý giúp nâng cao hiệu suất của cầu dao trung thế. Ngoài ra, khi các thiết bị đóng cắt trung thế được kết nối vào mạng, các nhà điều hành sẽ được phép áp dụng giải pháp điện toán đám mây để phân tích dữ liệu chi tiết về hệ thống phân phối.

Xem thêm: Cầu dao điện: Chức năng và phân loại

Phân loại máy cắt trung thế

Máy cắt trung thế được phân loại theo một số tiêu chí.

Tuân thủ tiêu chuẩn IEC 62271-200

• Vật liệu cách điện: Có những loại cầu dao sử dụng vật liệu cách điện bằng khí, không khí, chất lỏng…
• Vật liệu ngăn cách giữa các ngăn: PM/PI
• Lỗi hồ quang bên trong (phân loại IAC): AFL/AFLR
• Tính liên tục của dịch vụ: LSC-1/LSC 2-A/LSC 2-B

Phân loại theo chức năng

• Máy cắt chân không (Bộ ngắt mạch chân không): Thiết bị chuyển mạch chân không có dòng ngắn mạch lớn dao động từ 15kA – 50kA hoặc dòng điện lớn 100A – 4000A.

• VCS (công tắc contactor chân không): Máy khởi động chân không có công suất chuyển mạch rất lớn. Số lần chuyển mạch của VCS có thể lên tới 2.500.000 lần. Loại này được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống băng tải, thang máy, trạm bơm, trạm biến áp,..

• hệ thống giao thông ảo: Thiết bị chuyển mạch chân không được sử dụng để chuyển đổi nguồn điện từ nguồn điện lưới sang nguồn điện lưới hoặc từ nguồn điện lưới sang máy phát điện. Định mức hiện tại của VTS là 400A – 600A. Dòng điện ngắt mạch ngắn mạch thường được sử dụng là 12,5kA và điện áp điều khiển là 100/110VDC.

• máy đóng lại: Cầu dao tự động đóng khi phát hiện sự cố trong thời gian ngắn nhằm đảm bảo duy trì nguồn điện trong hệ thống. Các máy cắt dòng điện chủ yếu là dòng điện ba pha và được trang bị thêm các vị trí chống sét.

• dịch vụ định vị: Máy cắt tải có chức năng tương tự như máy cắt khóa liên động. Không chỉ là công tắc, LBS còn có khả năng bảo vệ hệ thống điện.

Theo cấu trúc

• Máy cắt trung thế nhỏ gọn: Được thiết kế cho cấu hình ba pha hoặc một pha bể đơn, thích hợp để lắp đặt ở những khu vực có không gian nhỏ. Loại này được thiết kế, sản xuất và thử nghiệm theo tiêu chuẩn IEEE C37.20.9 và tiêu chuẩn hoạt động của Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC) 62271.

• Máy cắt trung thế bọc kim loại: Tất cả các bộ phận điện như thanh cái, thiết bị đo lường, cầu dao và công tắc chính đều được đặt trong các ngăn kim loại riêng biệt. Loại máy cắt này có dải điện áp định mức từ 5kV-38kV và được sử dụng trong các nhà máy, cơ sở phát điện và truyền tải điện.

• Bộ ngắt mạch trung thế vỏ kim loại: So với dao bọc kim loại, bộ dụng cụ bọc kim loại có thể được lắp đặt trong các ngăn chung mà không cần phải phân chia bắt buộc.

• Máy cắt trung thế có đế: Được thiết kế để sử dụng trong hệ thống phân phối điện ngầm có điện áp định mức từ 5 đến 38kV. Hệ số dạng nhỏ của thiết bị giúp nó phù hợp cho các ứng dụng phân đoạn đường dây và bảo vệ mạch.

• Máy cắt trung thế ngầm: Được thiết kế cho hệ thống phân phối điện có cấp điện áp từ 15 – 38kV yêu cầu công tắc và phụ kiện có thể hoạt động ở vị trí ngầm hoặc dưới lòng đất. Thiết bị cho phép người dùng vận hành công tắc thủ công từ mặt đất hoặc sử dụng rơle và sử dụng bộ ngắt mạch chân không để bảo vệ tải và cách ly sự cố.

• Máy cắt trung thế chống hồ quang: Khả năng chuyển hướng hồ quang đến nơi chứa và sau đó giải phóng nó ở khu vực không gây nguy hiểm cho người vận hành hoặc thiết bị.

Các thương hiệu máy cắt trung thế nổi tiếng

Máy cắt trung thế ABB

Máy cắt trung thế ABB dựa trên tiêu chuẩn IEC và có điện áp hoạt động từ 1kV đến 52kV, bao gồm máy cắt trung thế cách điện bằng không khí và cách điện bằng khí. Các sản phẩm của thương hiệu được trang bị các tính năng giám sát, chẩn đoán, tự động hóa và điều khiển giúp người vận hành tối ưu hóa quy trình kiểm tra và xử lý.

ABB cung cấp các loại máy cắt trung thế phổ biến bao gồm: máy cắt tự động ABB, máy cắt khí SF6 ABB HD4 và máy cắt chân không ABB VD4.

Máy cắt trung thế Siemens

Cầu dao trung thế VCB Siemens mã 3AF01 thiết kế nhỏ gọn, tiết kiệm không gian, sử dụng hệ thống cách điện SF6 kín hạn chế tối đa rò rỉ khí SF6, chống ẩm, chống cháy, chịu được môi trường khắc nghiệt. Thiết bị có thể được lắp đặt trong nhà hoặc trong một trạm ngoài trời nhỏ gọn.

Máy cắt trung thế Mitsubishi

Mitsubishi cung cấp máy cắt chân không (VCB) dòng VF-D và dòng 10-VPR-D với thiết kế van chân không cung cấp khả năng kiểm soát hồ quang và công nghệ cách nhiệt tiên tiến. VCB của Mitsubishi sử dụng thép và công nghệ chống ăn mòn và hoàn toàn không chứa crom (chất có hại cho môi trường đất) nên hoàn toàn thân thiện với môi trường.

Xem thêm: Máy cắt khí SF6 là gì? Cấu tạo, nguyên lý làm việc và ứng dụng

Các câu hỏi thường gặp về máy cắt trung thế

Câu hỏi 1: Sự khác biệt giữa bộ ngắt mạch và bộ cách ly là gì?

hồi đáp: Bộ ngắt mạch được sử dụng để chuyển mạch khi có tải và không tải và để cắt khi xảy ra sự cố, trong khi công tắc cách ly được sử dụng để chuyển mạch không tải nhằm tạo thành khoảng cách an toàn có thể nhìn thấy trong quá trình bảo trì và vận hành hệ thống điện.

Câu 2: Máy cắt trung thế có chức năng gì?

hồi đáp: Hiện nay, nhiệm vụ chính của máy cắt trung thế là đóng cắt, bảo vệ mạch điện khỏi các tai nạn quá tải, ngắn mạch. Ngoài ra, thiết bị còn có khả năng biến đổi dòng điện điện dung; thực hiện chuyển đổi BẬT/TẮT hoặc cảm nhận chuyển đổi hiện tại…

Câu 3: Máy cắt trung thế thường gặp những sự cố gì?

hồi đáp: Máy cắt trung thế có thể bị hư hỏng cơ khí do thiếu chất bôi trơn, điều kiện làm việc không an toàn, linh kiện hư hỏng làm gián đoạn quá trình cắt. Đồng thời, loại thiết bị chuyển mạch này còn có thể gây phóng điện cục bộ và ảnh hưởng đến hệ thống cách điện bên trong máy.