Máy cắt trung thế là gì? Cấu tạo và cách phân loại

Máy cắt trung thế đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì, vận hành và bảo vệ hệ thống điện trung thế. Trong bài viết sau đây, BTB Electric sẽ cùng bạn tìm hiểu về cấu tạo, chức năng và cách phân loại thiết bị đóng ngắt đặc thù này. 

Tìm hiểu về máy cắt trung thế

Máy cắt trung thế (Medium Voltage Switchgear) là thiết bị đóng ngắt chuyên dụng cho hệ thống điện áp trung thế (điện áp từ 1kV đến 35kV theo quy chuẩn của EVN tại Việt Nam), có chức năng phân phối năng lượng điện và đóng ngắt điện áp để bảo vệ hệ thống trước các sự cố quá tải, ngắn mạch.

Theo tiêu chuẩn IEC 62271-200, thiết bị này được thiết kế, sản xuất và thử nghiệm cho mục đích đóng cắt, bảo vệ và điều khiển trong dòng điện xoay chiều từ 1kV đến 52kV. Ứng dụng phổ biến của máy cắt trung thế có thể tìm thấy trong các mạng lưới phân phối thứ cấp như: trạm biến áp thứ cấp, công nghiệp nhẹ hoặc nhà máy phát điện bằng năng lượng gió. Ngoài ra, máy cắt này cũng được sử dụng cho các khách sạn, trung tâm mua sắm và tòa nhà cao ốc. 

Đặc điểm điển hình của máy cắt trung thế:

• Nguồn điện áp hoạt động lớn: từ 1kV đến 52kV theo tiêu chuẩn IEC 62271-200, từ 1kV đến 35kV theo tiêu chuẩn ở Việt Nam.
• Dòng điện xả liên tục: từ 600A – 4000A.
• Xuất hiện ở nhiều trạm biến áp, hoặc kết hợp với các thiết bị khác như: máy cắt dầu tối thiểu, máy cắt dầu số lượng lớn, cách điện khí SF6…
• Vị trí lắp đặt: trong nhà hoặc ngoài trời, trong môi trường khắc nghiệt như chân không, môi trường dầu, cách điện… 
• Tuổi thọ cao, thao tác dễ dàng, không gây tiếng ồn khi ngắt dòng điện.
• Không sử dụng vật liệu phá hủy môi trường.

Cấu tạo của máy cắt trung thế

Máy cắt trung thế hiện nay đa phần được thiết kế thành dạng tủ điện trung thế, gồm các bộ phận chính như: vỏ tủ, vật liệu cách điện, thiết bị ngắt mạch và thiết bị chuyển mạch thông minh. 

Vỏ tủ

Là lớp bảo vệ linh kiện bên trong máy cắt trung thế, thường được làm bằng tôn, dày khoảng 2mm và được mạ cách điện nên rất an toàn và chắc chắn. 

Môi trường cách điện

Môi trường cách điện là môi trường bên trong tủ bọc máy cắt trung thế để bảo vệ các thiết bị mang điện như thanh cái, ống lót… khỏi hồ quang điện. Một số vật liệu cách điện được sử dụng cho máy cắt trung thế:

• Không khí: Chất cách điện phổ biến nhất và cũng rẻ nhất, tuy nhiên đặc tính điện môi lại yếu nhất nên các thiết bị mang điện bên trong dễ bị ảnh hưởng bởi hồ quang điện. 
• Khí: Khí thường được sử dụng làm môi trường cách điện cho máy cắt trung thế là lưu huỳnh Hexafluoride (SF6). Các tiếp điểm điện sẽ được bịt kín bên trong một bình chứa khí SF6 nén. Khí này có đặc tính trơ và ổn định về mặt hóa học nên không độc hại với con người. 
• Công nghệ điện môi rắn trong không khí: Là sự kết hợp của vật liệu không dẫn điện với các khe hở không khí có độ ẩm thấp, cung cấp tổn thất điện môi thấp, độ bền cơ học cao, có khả năng chống lại sự xuống cấp do nhiệt và hóa học. 
• Chất lỏng: Thường là dầu cách điện có khả năng chống cháy, gồm 3 loại phổ biến là dầu khoáng (gốc dầu mỏ); chất lỏng E200 có độ nhớt thấp, không độc hại, gốc polyol este, chống cháy, có đặc tính điện môi, nhiệt và vật lý tốt; chất lỏng FR3 được pha chế từ dầu thực vật và các chất phụ gia tăng cường.

Thiết bị ngắt mạch

Bộ phận này bao gồm các thiết bị ngắt mạch chính (cầu chì, máy cắt mạch) và công tắc, điển hình như:

• Công tắc khí: Thiết bị chuyển mạch sử dụng không khí làm chất điện môi, thường có mức ngắt thấp hơn công tắc dầu hoặc chân không nhưng lại tiết kiệm hơn. 
• Cầu chì: Thiết bị đóng ngắt dòng điện quá tải bằng cách nóng chảy ở thời gian/nhiệt độ quy định. Trong máy cắt trung thế, cầu chì được ghép 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 xuất hiện trong máy cắt trung thế gắn trên bệ. 
• Máy cắt chân không: Loại máy cắt diễn ra quá trình dập tắt hồ quang bên trong bình chân không kín. Máy cắt chân không có thể ngắt lỗi quá áp cao hơn nhiều so với máy cắt không khí.
• Bộ ngắt lỗi chân không: Hoạt động như một thiết bị bảo vệ quá dòng, có thể thay thế cầu chì và công tắc.
• Công tắc chân không: Loại công tắc điện có khả năng ngắt dòng bên trong các 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 lường

Thiết bị này có chức năng đo lường 3 giá trị chính:

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

Thiết bị chuyển mạch thông minh

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

Nguyên lý hoạt động của máy cắt trung thế

Về bản chất, máy cắt trung thế có nguyên lý làm việc của các thiết bị đóng ngắt thông thường, dựa trên việc kiểm soát luồng điện và ngăn chặn sự cố bằng cách đóng, mở mạch điện. Quá trình máy cắt này bảo vệ hệ thống và thiết bị trước quá tải, ngắn mạch như sau: 

Đóng, mở mạch

• Đóng mạch: Ở trạng thái bình thường, tiếp điểm di động sẽ tiếp xúc với tiếp điểm cố định để tạo thành mạch điện, cho phép dòng điện lưu thông. 
• Mở mạch: Khi có sự cố về điện, tiếp điểm di động sẽ tách khỏi tiếp điểm cố định, làm gián đoạn dòng điện. 

Dập tắt hồ quang

Khi mở mạch, dòng điện có khả năng tạo hồ quang điện giữa các tiếp điểm. Máy cắt trung thế sử dụng các phương pháp khác nhau để dập tắt hồ quang. Ví dụ máy cắt không khí sẽ sử dụng không khí, máy cắt chân không sử dụng môi trường chân không để dập hồ quang điện. 

Bảo vệ mạch điện

Các máy cắt trung thế được trang bị rơ le bảo vệ để phát hiện các sự cố như quá tải, ngắn mạch và các sự cố khác. Khi có sự cố, rơ le bảo vệ sẽ kích hoạt máy cắt để đóng ngắt mạch điện, ngăn chặn sự cố lan rộng và bảo vệ hệ thống.

Phân loại thiết bị cắt trung thế

Máy cắt trung thế được phân loại theo nhiều tiêu chí.

Theo tiêu chuẩn IEC 62271-200

• Vật liệu cách nhiệt: Gồm máy cắt sử dụng vật liệu cách điện khí, không khí và chất lỏng…
• Vật liệu phân chia 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.

Theo chức năng

• VCB (Vacuum Circuit Breaker): Thiết bị đóng ngắt chân không có dòng cắt ngắn mạch lớn, dao động từ 15kA – 50kA hoặc các dòng điện lớn từ 100A – 4000A.

• VCS (Vacuum Contactor Switch): Một loại khởi động từ chân không có khả năng đóng cắt rất lớn. Số lần đóng cắt của VCS có thể đạt từ 250.000 đến 2.500.000 lần. Loại này được sử dụng rộng rãi trong hệ thống băng tải, thang máy hay trạm bơm, trạm biến áp,…

• VTS: Thiết bị chuyển nguồn chân không được sử dụng để đổi nguồn từ nguồn lưới với lưới hoặc từ nguồn lưới với máy phát điện. VTS có dòng định mức từ 400A – 600A. Dòng cắt ngắn mạch phổ biến là 12.5kA và điện áp điều khiển là 100/110VDC.

• Recloser: Là máy cắt tự động đóng lại khi phát hiện sự cố tạm thời nhằm đảm bảo tính liên tục của dòng điện trên hệ thống. Recloser phổ biến nhất hiện nay là dòng 3 pha, có lắp thêm các vị trí chống sét. 

• LBS: Máy cắt phụ tải với công dụng tương tự như một cầu dao liên động, dùng để đóng ngắt mạch điện 3 pha trên không. Không chỉ đóng cắt mà LBS còn có khả năng bảo vệ hệ thống điện. 

Theo cấu trúc

• Dạng nhỏ gọn: Máy cắt loại này được thiết kế thành 3 pha trong một bình chứa duy nhất hoặc trong cấu hình pha cách ly, phù hợp lắp đặt ở khu vực có không gian nhỏ hẹp. Máy cắt dạng nhỏ gọn được sản xuất và thử nghiệm theo tiêu chuẩn IEEE C37.20.9 và tiêu chuẩn hiệu suất 62271 của Ủy ban Kỹ thuật Điện quốc tế (IEC).

• Bọc kim loại: Tất cả các thành phần mang điện như thanh cái, thiết bị đo lường và máy cắt mạch chính, công tắc được bao bọc trong các ngăn kim loại riêng biệt. Mức điện áp định mức cho máy cắt loại này khoảng từ 5kV – 38kV và được ứng dụng trong các nhà máy, các cơ sở phát điện và truyền tải điện.

• Vỏ bằng kim loại: So với máy cắt bọc kim loại, thành phần của máy cắt vỏ kim loại có thể được lắp trong các ngăn chung và không yêu cầu phân ngăn bắt buộc. 

• Có gắn đế: Được thiết kế cho hệ thống phân phối ngầm có điện áp định mức từ 5 đến 38kV. Thiết bị này có cấu trúc thấp nên phù hợp cho các ứng dụng phân đoạn đường dây và bảo vệ mạch. 

• Dạng ngầm: Được thiết kế cho hệ thống phân phối điện có định mức từ 15 – 38kV, yêu cầu công tắc và các phụ kiện có thể vận hành ở vị trí hầm hoặc dưới mặt đất. Thiết bị này cho phép người dùng vận hành công tắc từ trên mặt đất theo cách thủ công hoặc sử dụng rơ le và bộ ngắt chân không để bảo vệ tải và cô lập sự cố.

• Dạng chống hồ quang: Có khả năng chuyển hướng hồ quang điện sang một khoang chứa, sau đó được giải phóng tại một 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 có điện áp hoạt động 1kV đến 52kV theo Tiêu chuẩn IEC, bao gồm máy cắt trung thế cách điện bằng không khí và cách điện bằng khí. Sản phẩm của thương hiệu này trang bị các tính năng giám sát, chẩn đoán, tự động hóa và điều khiển, giúp người vận hành tối ưu quá trình kiểm tra, xử lý. 

ABB cung cấp các dòng máy cắt trung thế phổ biến gồm: Recloser ABB, ABB HD4 khí SF6 và ABB VD4 chân không. 

Máy cắt trung thế Siemens

Máy cắt trung thế VCB Siemens mã 3AF01 có kích thước nhỏ gọn, tiết kiệm diện tích, với hệ thống cách điện SF6 hàn kín giảm tối đa sự rò rỉ khí SF6, đồng thời có khả năng chống ẩm, chống cháy, chịu được môi trường khắc nghiệt,.. Thiết bị này có thể lắp đặt trong nhà hoặc các trạm compact ngoài trời. 

Máy cắt trung thế Schneider

Schneider cung cấp 2 dòng máy cắt trung thế mã EvoPact SF1 và EvoPact SFset với các đặc tính:

• Máy cắt lên đến 40.5kV
• 3 cực liên kết cơ học riêng biệt, được lắp vào một “hệ thống áp lực niêm phong” loại vỏ cách điện có chứa khí SF6 áp suất thấp.
• Cơ chế vận hành năng lượng lưu trữ bằng tay.
• Dòng điện định mức từ 400 – 3150 A
• Dòng điện ngắn mạch từ 12.5 – 40kA
• SFset: máy cắt có chuỗi bảo vệ khép kín kết hợp với bộ điều khiển VIP hoạt động mà không cần nguồn cấp điện phụ.

Máy cắt trung thế Mitsubishi

Mitsubishi cung cấp dòng máy cắt trung thế chân không (VCB) VF-D Series và 10-VPR-D Series với thiết kế van chân không mang lại khả năng kiểm soát hồ quang và công nghệ cách nhiệt hiện đại. VCB của Mitsubishi sử dụng vật liệu thép và công nghệ chống ăn mòn hoàn toàn không chứa Crom (chất gây hại đến môi trường đất) nên hoàn toàn thân thiện với môi trường. 

Câu hỏi thường gặp về máy cắt trung thế

Câu hỏi 1: Máy cắt và dao cách ly khác nhau như thế nào?

Trả lời: Máy cắt dùng để đóng cắt có tải, không tải, cắt khi có sự cố, trong khi dao cách ly dùng để đóng cắt không tải, tạo khoảng cách an toàn nhìn thấy trong quá trình sửa chữa và vận hành hệ thống điện.

Câu hỏi 2: Vấn đề thường gặp của thiết bị đóng ngắt trung thế là gì?

Trả lời: Máy cắt trung thế có thể bị hỏng hóc cơ học khi thiếu chất bôi trơn, môi trường làm việc không đảm bảo, hư hỏng linh kiện dẫn đến gián đoạn quá trình ngắt mạch. Đồng thời thiết bị đóng cắt này cũng gây ra hiện tượng phóng điện 1 phần ảnh hưởng đến hệ thống cách điện trong máy. 

Câu hỏi 3: Tuổi thọ trung bình của máy cắt trung thế là bao nhiêu?

Trả lời: Thiết bị này có tuổi thọ trung bình từ 20-30 năm tùy từng loại, tuy nhiên, dòng máy cắt khí SF6 lại có tuổi thọ thấp hơn từ 10-15 năm. 

Trên đây là thông tin chi tiết về máy cắt trung thế chúng tôi tổng hợp được. Lưu ý, máy cắt trung thế không được tự ý sửa chữa khi xảy ra hỏng hóc mà cần có sự can thiệp của các kỹ thuật viên có chứng chỉ. 

Thông tin về các loại máy cắt khác, bạn có thể tìm hiểu tại: https://btb-electric.com/vi/tin-tuc/kien-thuc-nganh/kien-thuc-aptomat/