Máy cắt chân không VCB: Cấu tạo, nguyên lý làm việc, so sánh với ACB

Máy cắt chân không VCB là một loại thiết bị đóng cắt mạch điện hoạt động dựa trên nguyên lý dập hồ quang trong môi trường chân không. Đây là một trong những giải pháp tối ưu cho các hệ thống điện trung – cao áp. Tìm hiểu về cấu tạo VCB, nguyên lý hoạt động và so sánh nhanh với máy cắt ACB trong bài viết dưới đây từ BTB Electric.

Máy cắt chân không VCB là gì?

Máy cắt chân không (Vacuum Circuit Breaker – VCB) là thiết bị ngắt mạch trong hệ thống điện. Thiết bị này được dùng cho mạch điện trung thế, cao thế 12kV – 40kV trở lên hoặc trên các dòng điện lớn lên tới 4000A. Đặc trưng của VCB là sử dụng nguyên lý tạo áp suất chân không trong ống dẫn điện bên trong để ngắt mạch, dập tắt hồ quang mà vẫn giữ được khả năng dẫn điện của ống. Trong thực tế, máy cắt chân không còn được sử dụng để kiểm soát các dòng ngắn mạch sự cố từ 6kA đến 63kA.

Cấu tạo của máy cắt chân không VCB

Cấu tạo máy cắt chân không VCB bao gồm các bộ phận:

Mạch vòng dẫn điện là bộ phận dẫn điện vào – ra của VCB, gồm 3 thành phần:

• Thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh: hai thanh dẫn động bằng đồng, có hình tròn hoặc hình chữ nhật.
• Đầu nối: thành phần tạo lực ép để giảm điện trở tiếp xúc nhỏ hơn giá trị cho phép.
• Tiếp điểm: thành phần có hình nón cụt làm từ đồng cadimi (chất liệu cho phép dẫn điện cường độ lớn).

Buồng dập hồ quang là bộ phận đặc trưng, quan trọng nhất của máy cắt chân không. Buồng dập được thiết kế kín, sử dụng môi trường chân không bên trong để dập tắt hồ quang. Bên trong buồng chứa tiếp điểm tĩnh và tiếp điểm động.

Cơ cấu truyền động trên VCB là cơ cấu truyền động lực, kết hợp nam châm từ để hút tiếp điểm, ngắt dòng điện.

Kết cấu bộ phận dẫn điện có đặc trưng bởi mỗi pha của VCB bố trí buồng dập hồ quang riêng. Cách điện giữa cách pha bằng sứ trụ và yêu cầu tính toán dòng điện vào ra.

Nguyên lý làm việc của máy cắt chân không

Nguyên lý làm việc của máy cắt chân không xoay quanh việc sử dụng môi trường chân không để đóng ngắt mạch và dập hồ quang điện, cụ thể như sau:

Tạo môi trường chân không

Khi nhận tín hiệu ngắt mạch, máy cắt chân không đẩy không khí ra ngoài để tạo môi trường chân không trong khoang cắt. Tiếp điểm tĩnh và tiếp điểm động nằm hoàn toàn trong môi trường chân không. Môi trường này ngăn chặn việc hình thành cực tiếp xúc giữa các thiết bị, ngăn chặn lập tức rủi ro cháy nổ, chập điện. 

Độ bên của môi trường chân không cao hơn môi trường không khí tới 30 lần (trong điều kiện tiêu chuẩn). Mật độ không khí gần như bằng 0 nên khả năng ion hóa trong môi trường chân không hầu như không thể xảy ra. Do đó thời gian cháy hồ quang trong môi trường này rất thấp.

Dòng điện băm hồ quang trong máy cắt chân không VCB là dòng điện mà tại cường độ đó hồ quang bị dập tắt trước khi dòng điện về 0. Dòng điện này phụ thuộc vào áp suất không khí và đặc tính phát xạ điện tử của tiếp điểm. Vật liệu lý tưởng làm tiếp điểm cho VCB là 40%Cr (crom) và 60%Cu (đồng). Với thành phần vật liệu này, dòng băm hồ quang dao động 1A đến 5A, thời gian cháy hồ quang không quá 15ms.

Hoạt động ngắt mạch

Khi có tín hiệu từ rơ le về sự cố, các bộ phận ngắt mạch sẽ tạo khoảng cách đủ xa để chia đôi mạch điện, tức tách rời các tiếp điểm. Môi trường chân không sẽ khiến dòng điện chạy qua mạch bị cắt đứt.

Ngay trong lúc này, hồ quang xuất hiện khiến nhiệt độ tăng cao. Quá trình ion hóa xảy ra khiến bề mặt tiếp xúc tiếp điểm của VCB bị bay hơi, tạo thành plasma, lấp đầy khoảng không điện cực. 

Tốc độ bay hơi kim loại từ tiếp điểm phụ thuộc theo chiều thuận vào dòng hồ quang. Khi dòng điện = 0, hơi kim loại mất tính dẫn điện và nhanh chóng khuếch tán ra môi trường xung quanh (từ chân không ra không khí). Sau đó, độ bền điện tại khoảng không giữa 2 tiếp điểm được phục hồi.

Hoạt động cách ly và bảo vệ

Máy cắt VCB giúp cách ly và bảo vệ các thành phần trong hệ thống điện một cách hiệu quả. Sử dụng loại máy cắt này giúp ngăn chặn các sự cố điện như quá tải, ngắn mạch; bảo đảm an toàn cho hệ thống và người sử dụng điện.

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

Ưu nhược điểm của máy cắt VCB

Máy cắt chân không VCB là một giải pháp tối ưu trong các hệ thống điện trung – cao áp nhờ nhiều ưu điểm nổi bật. Đầu tiên, khả năng cắt chính xác và đáng tin cậy giúp VCB nhanh chóng xử lý các sự cố ngắn mạch, bảo vệ hệ thống hiệu quả. Tiếp theo, thiết kế VCB không cần bảo trì thường xuyên giúp tiết kiệm chi phí và công sức bảo trì cho người sử dụng. 

Bên cạnh đó, độ bền điện của máy cắt trung thế này cao gấp 30 lần so với loại máy cắt không khí ACB giúp VCB hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt. Thiết kế đơn giản và dễ sử dụng cũng là một điểm cộng lớn của loại máy cắt này.

Tuy nhiên, VCB cũng tồn tại một số nhược điểm. Giá thành cao lên tới cả tỷ đồng là một trong những yếu tố khiến nhiều chủ đầu tư e ngại khi lựa chọn. Ngoài ra, kích thước lớn của VCB đòi hỏi không gian lắp đặt rộng và thoáng. Ngoài ra VCB yêu cầu phải có nguồn cấp điện ổn định liên tục, phù hợp lắp tại đầu nguồn phân phối, không nên đặt tại vị trí cuối nguồn.

Ứng dụng của máy cắt chân không

Máy cắt chân không chủ yếu được sử dụng cho các hệ thống điện trung áp, cao áp hoặc một số hệ thống điện hạ áp có công suất tải rất lớn. Điểm tên nhanh một vài ứng dụng của máy cắt VCB:

• Trạm điện cao thế: Dùng để ngắt mạch, bảo vệ các thành phần của hệ thống lưới điện.
• Nhà máy phát điện: Dùng để ngắt mạch, bảo vệ máy phát điện, máy biến áp, thành phần truyền tải điện.
• Nhà máy công nghiệp: Dùng trong các ngành công nghiệp nặng như đóng tàu, năng lượng, luyện kim, dầu khí.
• Công trình xây dựng lớn: Dùng để bảo vệ hệ thống điện và ngăn chặn sự cố cháy nổ.
• Hệ thống tàu điện: Dùng để ngắt mạch, bảo vệ hệ thống điện trên ray và trên tàu.

Máy cắt chân không có khả năng ngắt mạch chính xác gần như tuyệt đối, độ bền vượt trội, khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt nên luôn được xem là giải pháp ngắt mạch hiệu quả, đáng tin cậy cho hệ thống điện quy mô lớn.

Phân biệt máy cắt chân không VCB và máy cắt không khí ACB

Máy cắt chân không VCB và máy cắt không khí ACB đều là hai thiết bị đóng ngắt mạch kích thước lớn, tuy nhiên lại có nhiều điểm khác biệt về nguyên lý hoạt động và ứng dụng.

Những điểm khác biệt của máy cắt chân không và máy cắt không khí

• Phân biệt cấu tạo: VCB có cấu trúc phức tạp hơn, sử dụng môi trường chân không để cách ly dòng điện. ACB có cấu trúc đơn giản hơn, sử dụng không khí làm môi trường ngắt dòng điện.
• Phân biệt nguyên lý hoạt động: Máy cắt chân không dùng cơ chế dập hồ quang để ngắt mạch trong môi trường chân không. Máy cắt không khí dùng kỹ thuật dập cách điện trong không khí để ngắt mạch. Sự khác biệt về nguyên lý này dẫn tới độ hiệu quả, môi trường ứng dụng, cấp điện áp – dòng điện sử dụng của hai thiết bị này khác nhau.
• Phân biệt ứng dụng: VCB được sử dụng trong hệ thống truyền tải điện trung áp vào cao áp, một số hệ thống điện tiêu thụ công suất đặc biệt lớn. ACB được sử dụng chủ yếu cho hệ thống điện hạ áp công suất lớn và một số hệ thống điện trung áp.

Khi nào nên chọn VCB và chọn ACB?

Nên sử dụng máy cắt chân không VCB khi đáp ứng các điều kiện sau:

• Hệ thống truyền tải điện trung áp trở lên, quy mô lớn
• Yêu cầu độ chính xác và kịp thời khi ngắt mạch cao, trong mọi điều kiện môi trường.
• Cần môi trường cách ly tốt để bảo vệ thiết bị như môi trường chân không.

Nên sử dụng máy cắt không khí ACB khi có các điều kiện sau:

• Hệ thống truyền tải điện trung áp, hạ áp với quy mô trung bình.
• Yêu cầu giải pháp ngắt mạch đơn giản mà vẫn chính xác.
• Ưu tiên tiết kiệm chi phí mà vẫn đảm bảo hiệu suất ngắt mạch ổn định.

Đọc thêm: Phân biệt MCB, MCCB, RCCB, RCBO, ELCB, RCD và ACB với VCB

Trong hệ thống điện, việc lựa chọn giữa máy cắt chân không (VCB) và máy cắt không khí (ACB) là quyết định quan trọng. Điều này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về những điểm khác biệt cơ bản giữa hai loại thiết bị ngắt mạch này, kết hợp với những yêu cầu từ phía hệ thống điện.

Máy cắt chân không VCB là một giải pháp bảo vệ, cắt mạch tối ưu cho các hệ thống điện cao áp, đặc biệt là những nơi yêu cầu độ tin cậy cao và khả năng ngắt dòng nhanh chóng. Với những ưu điểm vượt trội so với các loại máy cắt khác, VCB đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện hiện đại quy mô địa phương.