Cầu dao là gì? Cấu tạo, nguyên lý làm việc và công dụng

Cầu dao điện là thiết bị bảo vệ hệ thống điện tự động khi trường hợp quá tải hoặc ngắn mạch xảy ra. Thiết bị này có thể đóng mở, tái sử dụng nhiều lần chứ không chỉ 1 lần như cầu chì. Trong bài viết sau đây, BTB Electric sẽ giúp bạn tìm hiểu lịch sử phát triển của cầu dao, nguyên lý làm việc và công dụng của loại thiết bị này.

Mục lục

Cầu dao điện và lịch sử phát triển

Cầu dao lần đầu được mô tả trong một đơn xin cấp bằng sáng chế của Thomas Edison vào năm 1879. Khi đó hệ thống điện trên thế giới, bao gồm cả của ông đang sử dụng cầu chì. Mục đích phát minh cầu dao nhằm bảo vệ hệ thống dây điện chiếu sáng trước sự cố ngắn mạch và quá tải. Sau đó, vào năm 1924, một thiết bị ngắt mạch thu nhỏ tương tự đã được Brown, Boveri & Cie cấp bằng sáng chế.

DRP (Deutsches Reichspatent) 458392 là tiền thân của máy cắt nhiệt – từ hiện đại sử dụng cho các trung tâm phụ tải gia đình ngày nay, được Hugo Stotz (người Đức) phát minh vào đầu thế kỉ XX.

Hệ thống điện ngày càng phát triển đòi hỏi thiết bị ngắt điện phải có định mức ngày càng cao và tính an toàn luôn tăng. Công tắc thủ công ngắt khí đơn giản trong giai đoạn này tạo ra các vòng cung nguy hiểm trong trường hợp điện áp cao. Những thiết bị này nhường chỗ cho các tiếp điểm có dầu và các dạng cầu dao sử dụng dòng không khí có điều áp hoặc dầu có điều áp để làm mát và ngắt hồ quang.

Tới năm 1935, các thiết bị ngắt mạch đặc biệt được chế tạo cho dự án đập Boulder (đập Hoover ngày nay) sử dụng 8 lần ngắt nối tiếp và dòng dầu điều áp để ngăn sự cố lên đến 2.500 MW trong 3 chu kỳ của tần số nguồn AC.

Tới hiện nay, cầu dao được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Người sử dụng không còn lo lắng về việc mất điện do đoản mạch như trước đây.

=>> Đọc thêm: CB là gì? Phân loại và ứng dụng trong cuộc sống

Đặc điểm cấu tạo của cầu dao

Cầu dao điện thường bao gồm các phần sau:

Vỏ cầu dao: Được sản xuất từ nhựa có khả năng chịu nhiệt và va đập tốt, đồng thời có tính cách điện cao để bảo vệ các thành phần bên trong và ngăn cách các phần tiếp xúc điện.
Tiếp điểm: Gồm hai tiếp điểm (1 chính – 1 hồ quang) hoặc ba tiếp điểm (1 chính – 1 phụ – 1 hồ quang) làm từ hợp kim đồng. Khi đóng cầu dao, các tiếp điểm hồ quang – phụ – chính sẽ lần lượt đóng lại. Khi ngắt cầu dao, các tiếp điểm chính – phụ – hồ quang lần lượt được mở. Tiếp điểm phụ được bổ sung nhằm ngăn hồ quang không cháy lan sang tiếp điểm chính.
Cầu chì: Đây là một thành phần quan trọng của cầu dao truyền thống, có nhiệm vụ bảo vệ mạch và thiết bị điện khỏi quá tải hoặc ngắn mạch. Cầu chì thường là một dây dẫn kim loại nhỏ có độ dẫn điện cao. Khi dòng điện vượt quá mức cho phép, cầu chì sẽ nóng chảy và đứt, ngắt dòng điện.
Thân cầu dao: Đây là nơi chứa các thành phần bên trong như tiếp điểm, lò xo và cầu chì. Thường được làm từ sứ hoặc nhựa kỹ thuật, đảm bảo độ bền và khả năng cách điện.
Lò xo: Giúp duy trì lực đóng và mở tiếp điểm, đảm bảo cầu dao hoạt động chính xác và ổn định.
Tay nắm: Phần dễ nhìn nhất của cầu dao, giúp người dùng thao tác đóng/mở cầu dao một cách dễ dàng.
Chốt khóa: Một số cầu dao có chốt khóa, ngăn chặn việc vô tình đóng cầu dao khi đang trong trạng thái mở.

So sánh cầu dao và aptomat

Cầu dao điện và aptomat đều là các thiết bị bảo vệ mạch điện khi quá tải hoặc ngắn mạch. Ngày nay aptomat được coi như một dòng cầu dao điện với nhiều đặc điểm riêng. Nhưng giữa aptomat và cầu dao truyền thống vẫn có nhiều điểm riêng biệt!

So sánh về thiết kế

Cầu dao có thiết kế truyền thống, đơn giản hơn aptomat với tay gạt khá lớn giúp người dùng dễ sử dụng. Tuy nhiên thông số thể hiện trên cầu dao khá hạn chế, thường chỉ gồm điện áp định mức và dòng điện định mức, khiến người dùng khó phân biệt.

Aptomat là phiên bản cải tiến của cầu dao, có thêm thiết kế về số pha, số cực được thể hiện qua cấu tạo bên ngoài và thông số ghi trên aptomat. Bên cạnh đó chức năng của aptomat khá đa dạng, ví dụ như dòng chống rò chống giật, dòng chống sét có thêm nút test điện ở trên mặt.

So sánh về tính năng

Cầu dao điện truyền thống được lắp tại hệ thống điện, đi dây dẫn và lắp những thiết bị điện ở gia đình. Loại cầu dao này không có khả năng tự ngắt dòng điện hệ thống khi gặp sự cố.

Chức năng của aptomat hữu ích hơn cầu dao, bao gồm khả năng chống giật, chống sét,… Thiết bị này có thể lắp ở nhiều công trình khác nhau và tự động đóng ngắt khi xảy ra trục trặc trên thiết bị điện hoặc đường dây. Aptomat còn ngăn ngừa được những tình trạng cháy nổ ở thiết bị.

Nguyên lý làm việc của cầu dao điện

Khi dòng điện qua cầu dao bình thường, các tiếp điểm sẽ đóng với 2 móc tương ứng cùng móc thứ 3 trên tiếp điểm thụ động. Cầu dao bình thường ở trạng thái bật, không sinh ra từ trường khiến nam châm mở tiếp điểm không hút.

Khi dòng điện bị ngắn mạch hoặc quá tải dẫn đến chênh lệch dòng, sản sinh từ trường dẫn đến nam châm hút mở tiếp điểm. Khi đó phần lưỡi dao chốt tiếp điểm bật mở khỏi hệ thống kẹp khiến tiếp điểm bị hở và mạch điện bị ngắt. Trong khi quá trình này diễn ra, có thể xuất hiện hiện tượng hồ quang điện ảnh hưởng tới cầu dao.

Các loại cầu dao điện phổ biến

Cầu dao điện khá đa dạng về chủng loại, được sử dụng trong toàn bộ hệ thống điện công nghiệp và điện dân dụng. Có hai tiêu chí phổ biến để phân loại cầu dao là theo đặc điểm và theo ứng dụng thực tế.

Phân loại theo đặc điểm

Chỉ cần quan sát đặc điểm hình dạng bên ngoài, bạn có thể nhận biết được dòng cầu dao truyền thống và tự động.

Cầu dao thông thường hay cầu dao truyền thống là dòng thiết bị đóng cắt mạch điện thủ công. Cầu dao truyền thống trang bị cần gạt lớn, có thể ngắt kết nối dây pha và dây trung tính cùng lúc. Bên trong thiết bị có cầu chì rời để ngắt mạch khi hệ thống điện gặp sự cố. Để khôi phục hoạt động, bạn cần thay cầu chì mới cho loại cầu dao này và đóng lại mạch.

Cầu dao tự động CB hay aptomat là phiên bản nâng cấp của cầu dao truyền thống. Ngoài khả năng đóng ngắt mạch bằng tay, loại cầu dao này sẽ tự động ngắt mạch khi phát hiện sự cố về điện là quá tải và ngắn mạch. Một số dòng cầu dao tự động có chức năng nâng cao như chống giật hay chống sét như dòng RCCB, RCBO và ELCB,…

Phân loại theo ứng dụng thực tế

Trong thực tế, cầu dao được sử dụng cho cả hệ thống điện 3 pha và 1 pha nên sẽ có 2 loại tương ứng:

Loại cầu dao 1 pha dùng cho lưới điện dân dụng 220V và các thiết bị có công suất thấp như điều hòa, bình nóng lạnh, bếp từ,….
Loại cầu dao 3 pha dùng cho lưới điện công nghiệp và các thiết bị điện có công suất cao như hệ thống dây chuyền sản xuất, máy cắt CNC, máy dập,…

=>> Đọc thêm: Phân loại các dòng aptomat phổ biến trên thị trường

Công dụng của cầu dao trong thực tế

Cầu dao hiện nay đã trở thành thiết bị không thể thiếu trong nhiều không gian sống và làm việc. Cầu dao đóng ngắt bằng tay thường được ưu tiên cho quy mô gia đình, chuồng trại. Trong khi đó, cầu dao tự động lại được sử dụng rộng rãi hơn trong các mô hình nhà hiện đại và thông minh như chung cư, biệt thự,…

Cầu dao tự động có nhiều loại cụ thể như MCCB, MCB, RCBO, RCCB,… Mỗi loại đều có công dụng riêng biệt phù hợp với chức năng của nó và được ứng dụng cho nhiều môi trường cụ thể:

MCB loại B thích hợp cho hệ thống chiếu sáng của gia đình, văn phòng nhỏ, chung cư,… MCB loại C phù hợp với môi trường công nghiệp và các khu vực có dòng cảm điện cao. Còn MCB loại D thì phù hợp với các motor công suất lớn, máy hàn, máy biến áp, các trạm tích điện UPS…
MCCB thường được dùng để bảo vệ tụ điện, máy phát điện, chủ yếu được sử dụng trong hệ thống điện thương mại hoặc công nghiệp.
RCBO không chỉ tự động ngắt mạch điện khi bị quá tải mà còn giúp ngăn ngừa các sự cố cháy nổ điện do rò rỉ, nên được ứng dụng rộng rãi trong các công trình quy mô lớn như khu công nghiệp, công ty, văn phòng,…
RCCB được lắp đặt để bảo vệ điện, chống giật cho từng tầng của các tòa nhà dân dụng như trường học, siêu thị, bệnh viện, chung cư, khách sạn,… hoặc bảo vệ cho hệ thống điện tổng .
ELCB được ứng dụng trong nhiều hệ thống điện từ nhỏ đến lớn, gồm cả 1 pha và 3 pha. ELCB được ưu tiên lắp đặt cho các thiết bị dễ xảy ra rò điện như bình nước nóng, tủ lạnh,….

=>> Tham khảo: 6 thương hiệu cầu dao điện tốt nhất hiện nay

Vị trí lắp đặt cầu dao trong hệ thống điện

Trong sơ đồ lắp đặt aptomat, cầu dao đóng vai trò trung tâm kết nối giữa điện đầu vào và điện tải tới các thiết bị. Một sơ đồ mạng điện có thể có 1 cầu dao hoặc có nhiều cầu dao. Các cầu dao có thể đồng cấp hoặc phân chia vai trò rõ ràng. Phổ biến nhất trong mạng điện gia đình là 1 cầu dao tổng tại trung tâm sơ đồ mạng điện, phía dưới là các cầu dao nhánh và cầu dao riêng lẻ.

Trên thực tế, cầu dao lại không được lắp tại trung tâm ngôi nhà. Vị trí lắp đặt cầu dao là gần cửa ra vào, nơi có nguồn điện lưới đi qua nhà. Điện từ đây được truyền tới cầu dao tổng và tới các cầu dao khác, cuối cùng là các thiết bị điện.

Thông thường có một hộp điện lớn có nắp đậy chứa nhiều loại cầu dao trong nhà, tương ứng là cầu dao tổng và cầu dao các phòng. Cầu dao dành riêng cho thiết bị công suất lớn như điều hòa, bình nóng lạnh, bếp điện, máy sấy,.. thường được lắp gần đó để thuận tiện sử dụng và kiểm tra.

Khi bố trí vị trí lắp đặt cầu dao, bạn cần đảm bảo không đặt tại các vị trí ẩm ướt, có ánh nắng trực tiếp và tránh xa tầm tay trẻ em.

Cầu dao tuy rằng là thiết bị đóng ngắt điện cơ bản nhưng vô cùng quan trọng trong hệ thống điện, là thiết bị quyết định tính an toàn của hệ thống. Khi đã nắm bắt được đặc điểm, nguyên lý làm việc và phân biệt các loại cầu dao, bạn sẽ dễ dàng chọn thiết bị phù hợp với nhu cầu của mình. Hãy tìm hiểu thêm kiến thức về cầu dao – aptomat và các sản phẩm aptomat hiện tại tại website BTB Electric nhé!