Máy cắt khí SF6 là gì​? Nguyên lý làm việc và ứng dụng

Quá trình ngắt mạch của các loại máy cắt rất dễ xảy ra hiện tượng hồ quang điện, gây hư hại cho thiết bị và hệ thống. Máy cắt khí SF6 được ưu tiên sử dụng trong các trường hợp như vậy để dập tắt hồ quang nhờ tính chất cách điện và khả năng làm lạnh nhanh. Vậy máy cắt khí SF6 là gì? Bài viết dưới đây, chúng tôi sẽ giới thiệu đến bạn cấu tạo, nguyên lý làm việc và tính ứng dụng của thiết bị này. 

Máy cắt khí SF6 là gì?

Máy cắt khí SF6 (máy cắt lưu huỳnh Hexafluoride) là thiết bị đóng cắt mạch điện cao thế ở mọi chế độ vận hành: chế độ không tải, chế độ tải định mức và chế độ sự cố nhằm đảm bảo an toàn cho hệ thống truyền tải và phân phối điện trung thế đến cao thế trước các sự cố ngắn mạch và quá tải. Đặc biệt, máy cắt SF6 có hiệu quả cao trong việc dập hồ quang điện một cách hiệu quả và triệt để tại các nhà máy điện, lưới điện.

Thực tế, máy cắt dập hồ quang bằng dầu đã được sử dụng từ thế kỷ 20 cho hệ thống phân phối điện trung thế trong tủ điện trung thế. Tuy nhiên, dập hồ quang kiểu này có nhược điểm lớn là nguy cơ cháy và chi phí bảo trì cao. Sự ra đời của máy cắt khí SF6 không chỉ thay thế các thiết bị máy cắt lỗi thời trong ngành công nghiệp điện mà còn đảm bảo tính an toàn, tăng hiệu suất hoạt động của thiết bị đóng cắt và giảm thiểu tác động với môi trường. 

Máy cắt khí SF6 sử dụng khí SF6 làm môi trường cách điện để làm mát và dập hồ quang. So với các chất cách điện như không khí, dầu và chân không, SF6 có độ bền điện môi và độ ổn định nhiệt vượt trội. Ngoài ra, dòng máy cắt trung thế này không bắt lửa, không độc hại, không phát thải khí nóng và có khả năng dập hồ quang nhanh chóng nhờ đặc tính truyền nhiệt hiệu quả và độ âm điện rất cao. 

Sau khi hồ quang bị dập tắt, khí SF6 tái sinh gần như ngay lập tức để tiếp tục khử ion cho tiếp điểm và thiết lập môi trường cách điện cần thiết nhằm ngăn chặn sự đánh lửa trở lại.

Tính chất của máy cắt SF6

Nhờ các tính chất vật lý, hóa học đặc trưng dưới đây mà SF6 trở thành môi trường dập hồ quang tốt hơn không khí, dầu và chân không. 

Tính chất vật lý

• Khí không cháy, không màu, không mùi.
• Độ bền điện môi cao, có đặc tính cách điện cực tốt. 
• Nặng hơn không khí, mật độ cũng cao hơn, giúp bao bọc hồ quang trong quá trình vận hành.
• Hóa lỏng ở nhiệt độ thấp phụ thuộc vào áp suất. 
• Không gây ồn trong quá trình hoạt động.

Tính chất hóa học

• Khí SF6 ổn định và trơ về mặt hóa học.
• Ở dạng tinh khiết, SF6 không độc hại và không gây nguy hiểm cho sức khỏe con người.
• Độ âm điện cao, tạo áp lực mạnh với các electron tự do.
• Dập tắt hồ quang nhanh chóng và dễ dàng tái sinh để tái sử dụng. 
• Không có tính ăn mòn.

Tính chất điện

• Chất cách điện tuyệt vời, cao hơn nhiều so với không khí, dầu hay chân không.
• Độ dẫn nhiệt cao.
• Cần ít năng lượng để dập hồ quang, giúp giảm hao mòn.
• Tần số của điện áp không ảnh hưởng đến độ bền điện môi.

Cấu tạo máy cắt khí SF6

2 thành phần chính cấu thành nên máy cắt SF6 là đơn vị ngắt và hệ thống khí.

• Đơn vị ngắt: Là bộ phận ngắt mạch gồm hai loại tiếp điểm mang dòng điện là tiếp điểm cố định và tiếp điểm động. Tiếp điểm cố định sẽ không di chuyển, tiếp điểm động di chuyển qua lại trong khoảng một cánh tay. Bộ phận này có một lỗ thông hơi cho khí SF6 nén vào và ra để làm mát và dập tắt hồ quang.
• Hệ thống khí: SF6 là loại khí rất đắt tiền và việc phát thải khí sản phẩm có thể gây nguy hiểm cho môi trường. Vì thế, SF6 đã qua sử dụng được kết hợp lại trong một hệ thống khí kín để tái sử dụng ngay khi dập hồ quang. 

Về cấu tạo chi tiết, máy cắt khí SF6 thường gồm các bộ phận sau:

• Khoang cắt
• Sứ cách điện
• Trụ đơ
• Lò xo cắt
• Ống khí SF6
• Đồng hồ và bộ giám sát áp suất SF6
• Điểm nối tiếp địa
• Thanh truyền động
• Cờ chỉ thị trạng thái máy cắt

Nguyên lý hoạt động của máy cắt khí SF6

Bản chất, nguyên lý hoạt động của máy cắt khí SF6 cũng tương đồng các loại máy đóng ngắt mạch điện thông thường, đi kèm công đoạn dập hồ quang bằng khí SF6. 

Khí SF6 được nén và lưu trữ bên trong một bình chứa. Trong trường hợp có sự cố điện khiến máy cắt ngắt mạch, SF6 sẽ được phân tán cùng lúc thông qua các vòng cung bên trong máy tới các tiếp điểm xảy ra hiện tượng hồ quang điện.

Hồ quang vốn là chuyển động của các điện tích chứa các electron tự do. SF6 có độ âm điện cao, hấp thụ các electron tự do tạo thành các ion âm. Các ion này nặng hơn và có độ linh động thấp so với các electron tự do.

Do khối lượng lớn của các ion âm được hình thành, chuyển động của các điện tích giảm giữa các tiếp điểm. Từ đó làm tăng cường độ điện môi của môi trường để dập tắt hồ quang ở dòng điện bằng không.

Hướng chuyển động của dòng SF6 trong máy cắt khí

Sau khi dập hồ quang, SF6 bị phân hủy nhanh chóng tái sinh lại trạng thái ban đầu trong hệ thống khí. Sau đó được nén trở lại phần bình chứa áp lực cao để tái sử dụng.

Khí sulfur Hexafluoride chỉ dùng để cách điện và dập hồ quang. Nếu áp lực của SF6 trong buồng chứa tiếp điểm không đạt yêu cầu quy định thì khả năng dập hồ quang và cách điện không đảm bảo. Khi đó cần yêu cầu nạp lại khí SF6 và kiểm tra việc rò rỉ để tránh gây ô nhiễm môi trường. 

Đọc thêm: Recloser là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Phân loại máy cắt khí SF6

Máy cắt SF6 được chia thành 3 loại phổ biến là loại không có Puffer, loại áp suất đơn và loại áp suất kép.

Máy cắt khí SF6 không có Puffer

Đây là loại máy cắt khí SF6 đầu tiên được phát minh không bao gồm xi lanh phun, tức là không phụ thuộc vào luồng khí áp suất cao để dập tắt hồ quang điện trong quá trình ngắt mạch. Loại này hoạt động tương tự nguyên lý làm việc của máy thổi khí. 

Cấu tạo

Máy cắt khí không có Puffer có cấu tạo tương đồng với các dòng máy cắt khí SF6 thông thường, gồm 2 bộ phận chính là buồng khí và bộ phận ngắt. 

Khí SF6 được nén và lưu trữ bên trong buồng khí. Buồng khí được kết nối với bộ phận ngắt thông qua một van. Van được liên kết với chuyển động của các tiếp điểm. Ngay khi các tiếp điểm tách ra, van được mở ra để giải phóng khí SF6.

Quá trình dập tắt hồ quang xảy ra bên trong bộ phận ngắt hoặc buồng hồ quang. Bộ phận ngắt gồm tiếp điểm động và tiếp điểm cố định, đều là các xi lanh rỗng. Tiếp điểm cố định có 1 lớp sừng hồ quang bao quanh để kiểm soát hồ quang. Đầu sừng hồ quang được phủ bằng đồng-vonfram để tăng điện trở. Tiếp điểm động bao gồm một lỗ thông hơi. Lỗ thông hơi được sử dụng làm đầu ra cho khí SF6 từ buồng hồ quang.

Tiếp điểm động di chuyển qua lại được gắn với bộ truyền động thông qua thanh cách điện kích hoạt toàn bộ cụm tiếp điểm chuyển động. Bộ truyền động được đồng bộ hóa với van của buồng khí, giải phóng khí theo cùng chuyển động mà tiếp điểm tách ra.

Nguyên lý làm việc

Ở điều kiện bình thường, các tiếp điểm đóng, SF6 được nén ở trong buồng khí. Khi xảy ra sự cố, tiếp điểm động bắt đầu di chuyển và tách khỏi tiếp điểm cố định. Môi trường xung quanh các tiếp điểm bị ion hóa và hồ quang được tạo ra giữa các tiếp điểm.

Lúc này, van của buồng khí sẽ mở và giải phóng SF6 vào buồng hồ quang. SF6 hấp thụ năng lượng và dập tắt hồ quang ngay lập tức. Khi hoàn thành nhiệm vụ, khí được nén lại và lưu trữ trong buồng để tái sử dụng. 

Máy cắt khí SF6 áp suất đơn

Trong máy cắt SF6 áp suất đơn, khí SF6 được lưu trữ ở áp suất cao khoảng 20 BA trong bình chịu áp suất. Các tiếp điểm được mở và đóng bằng chuyển động của thanh vận hành.

Cấu tạo

Máy cắt loại này có cấu tạo phức tạp hơn so với máy cắt không có ống thổi, bao gồm một bình chứa SF6 áp suất cao, buồng phun và một vòi dập hồ quang. Các tiếp điểm cố định và chuyển động được đặt bên trong buồng phun.

Giữa 2 tiếp điểm cố định có một khoảng hở nhỏ. Một xi lanh phun sẽ đặt trên đỉnh, bên trong nạp đầy khí SF6. Khi xi lanh di chuyển, thể tích sẽ thay đổi. Bên trong xi lanh có các lỗ thông hơi để khí vào và ra. Các lỗ thông hơi này bị chặn bởi tiếp điểm cố định mở ra khi xi lanh di chuyển xuống dưới. Lỗ bên trong tiếp điểm cố định được sử dụng để khí vào khi xi lanh ở vị trí đóng.

Nguyên lý làm việc

Trong điều kiện bình thường, bình phun ở vị trí đóng, các tiếp điểm và lỗ thông hơi cũng đóng lại. Bình được nạp khí SF6. 

Khi có sự cố xảy ra, xi lanh di chuyển xuống dưới để phá vỡ kết nối giữa các tiếp điểm cố định. Môi trường ion hóa và hồ quang được tạo ra giữa các tiếp điểm.

Do chuyển động hướng xuống và piston đứng yên, thể tích bên trong xi lanh giảm đi, nén khí SF6 bên trong. Các lỗ thông hơi mở ra khi xi lanh di chuyển, giải phóng SF6 với tốc độ cao qua các lỗ thông hơi. Hồ quang được dập tắt và các tiếp điểm được mở hoàn toàn.

Máy cắt khí SF6 áp suất kép

Trong máy cắt SF6 áp suất kép, khí được lưu trữ ở hai mức áp suất khác nhau: áp suất cao (khoảng 20 BA) và áp suất thấp (khoảng 3-4 BA), giúp kiểm soát tốt hơn việc giải phóng khí SF6 trong quá trình vận hành. Tuy nhiên, máy cắt khí SF6 loại này hiện đã lỗi thời nên ít được sử dụng. 

Cấu tạo

Máy cắt SF6 loại áp suất kép có thiết kế tiên tiến, bao gồm hai buồng áp suất, một buồng áp suất cao và một buồng áp suất thấp. Các tiếp điểm cố định và chuyển động được đặt bên trong buồng áp suất cao.

Tiếp điểm động rỗng từ bên trong có một xi lanh chứa khí SF6 nén. Đầu tiếp điểm động được thiết kế tạo thành một vòi phun làm tăng tốc độ của khí khi đi qua tiếp điểm.

Tiếp điểm cố định được thiết kế để chặn dòng khí SF6 khi ở vị trí đóng. Khi các tiếp điểm tách ra, đường dẫn khí sẽ mở ra, giải phóng luồng khí SF6.

Nguyên lý làm việc

Trong điều kiện bình thường, các tiếp điểm được kết nối và chặn khí SF6 bên trong. Khi xảy ra sự cố, tiếp điểm di chuyển tách khỏi tiếp điểm cố định và tạo ra hồ quang. Lúc này, khí SF6 có áp suất cao được giải phóng.

Áp suất bên trong xi lanh cao hơn áp suất bên ngoài, do đó, khí chảy ra. Vòi phun giúp tăng tốc độ của khí để nhanh chóng dập tắt hồ quang. Khí SF6 sau đó sẽ được lọc và lưu trữ trong bình để tái sử dụng. 

Ứng dụng của máy cắt khí SF6

SF6 là chất cách điện ưu việt, vì thế máy cắt khí SF6 được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống điện cao thế và trung thế. 

• Truyền tải và phân phối điện: Được sử dụng trong mạng lưới phân phối điện trung thế và cao thế để bảo vệ máy biến áp, đường dây mạch điện và các thiết bị quan trọng khác, đồng thời duy trì nguồn cung cấp điện ổn định trên toàn hệ thống. 
• Nhà máy công nghiệp: Được sử dụng trong các cơ sở công nghiệp để bảo vệ thiết bị điện khỏi tình trạng đoản mạch và quá tải.
• Duy trì dòng điện liên tục trong đường sắt: Được sử dụng trong hệ thống điện khí hóa đường sắt để đảm bảo phân phối điện đáng tin cậy.
• Bảo vệ máy biến áp: Cô lập các đơn vị bị lỗi khỏi lưới điện, giảm thiểu rủi ro hư hỏng và ngăn ngừa gián đoạn nguồn cung cấp điện cho máy biến áp.
• Hệ thống thiết bị chuyển mạch: Tính chất cách điện vượt trội và khả năng dập hồ quang nhanh của máy cắt SF6 giúp duy trì sự ổn định của lưới điện và ngăn ngừa tình trạng mất điện kéo dài.
• Năng lượng tái tạo: Được sử dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo như trang trại gió và nhà máy điện mặt trời.

So sánh máy cắt khí SF6 và máy cắt chân không

Máy cắt SF6 và máy cắt chân không VCB có cùng chức năng dập hồ quang khi ngắt dòng điện, tuy nhiên, giữa 2 thiết bị này vẫn tồn tại nhiều điểm khác biệt rõ rệt. 

Máy cắt chân không VCB

Tiêu chí	Máy cắt khí SF6	Máy cắt chân không VCB
Năng lượng hồ quang	Năng lượng hồ quang thấp (điện áp hồ quang là từ 150 đến 200V)	Năng lượng hồ quang rất thấp (điện áp hồ quang là từ 50 đến 100V)
Sự ăn mòn tiếp điểm	Do năng lượng thấp nên độ ăn mòn tiếp điểm không lớn	Do năng lượng hồ quang rất thấp nên sự ăn mòn tiếp điểm là rất nhỏ
Phương pháp dập hồ quang	Khí SF6 có tính chất điện môi và làm nguội tuyệt vời. Sau khi dập tắt hồ quang, các phân tử khí bị phân rã dễ dàng tái sinh để tái sử dụng. Tức là thực tế không có mất mát/ tiêu thụ của môi trường làm nguội xảy ra. Áp lực khí có thể được giám sát đơn giản và thường xuyên	Sử dụng môi trường chân không như chất cách điện để dập hồ quang. Một buồng chân không ở áp suất 10-7 bar hoặc thấp hơn là môi trường dập tắt hồ quang gần như lý tưởng. Các buồng dập hồ quang được đóng kín, giám sát áp suất chân không là không cần thiết
Số lần cắt ngắn mạch	10-50 dòng ngắn mạch	30-100 dòng ngắn mạch
Số lần đóng cắt đầy tải	5.000-10.000	10.000-20.000
Số lần vận hành cơ khí	5.000-20.000 chu trình	10.000-30.000 chu trình
Tuổi thọ trung bình	15-20 năm	20-30 năm
Chi phí bảo trì	Chi phí nhân công cao, Chi phí nguyên liệu thấp	Chi phí nhân công thấp, Chi phí nguyên liệu cao
Độ tin cậy	Cao	Cao
Độ bền điện môi giữa khoảng cách tiếp điểm	Cao	Rất cao

Một số câu hỏi thường gặp về máy cắt khí SF6 là gì?

Câu hỏi 1: Khí SF6 có gây độc với con người không?

Trả lời: SF6 có đặc tính trơ về mặt hóa học nên không gây độc cho người và động vật. Trong thực tế, SF6 được sử dụng trong chẩn đoán y tế như chất cản quang siêu âm hoặc chất khí chèn ép (để bịt dòng chất lỏng) trong nhãn khoa.

Câu hỏi 2: Khí SF6 có gây hại cho môi trường không?

Trả lời: SF6 không làm suy giảm tầng ôzôn hay gây ô nhiễm không khí. Tuy nhiên, SF6 hiệu quả hơn gần 24.000 lần so với carbon dioxide (CO2) trong việc giữ nhiệt nên có thể trở thành một khí nhà kính rất mạnh. Vì vậy, cần phải theo dõi mức SF6 trong các thiết bị đóng cắt để phát hiện rò rỉ.  

Câu hỏi 3: Khi nào cần bảo trì máy cắt SF6?

Trả lời: Nếu máy cắt SF6 có các dấu hiệu như: áp suất khí SF6 giảm (khi đo bằng đồng hồ), cơ chế đóng ngắt chậm hoặc bị kẹt, phát hiện tiếng ồn bất thường trong quá trình hoạt động, bạn cần bảo trì thiết bị. Công việc này cần có sự can thiệp của các kỹ thuật viên chuyên nghiệp, bạn không nên tự xử lý. 

Hy vọng với những thông tin chúng tôi tổng hợp, bạn đã có cái nhìn khái quát về máy cắt khí SF6 là gì. Kiến thức về các loại máy cắt khác, chúng tôi cập nhật tại: https://btb-electric.com/vi/tin-tuc/kien-thuc-nganh/kien-thuc-aptomat/. Mời bạn đón đọc.