MCCB (Moulded Case Circuit Breaker)

MCCB là khí cụ điện đóng cắt và bảo vệ quá tải trong mạng điện công nghiệp, dân dụng. Được đóng hộp thành dạng khối, với dải công suất rộng từ vài trăm đến hàng ngàn ampe.

Thiết bị này được lắp trong các tủ điều khiển, tủ phân phối tổng, hoặc nơi đầu tổng mạng điện của nhà máy.

Hình 1. Moulded Case Circuit Breaker.

1. Nguyên lý bảo vệ quá tải và ngắn mạch

MCCB (Moulded case circuit breaker): là khí cụ điện dùng để đóng ngắt mạch điện trong điều kiện bình thường ở dạng khối, bảo vệ quá tải hay ngắn mạch của mạch điện khi có sự cố xảy ra.

Sau đây ta đi phân tích nguyên lý bảo vệ của MCCB.

1.1. Nguyên lý bảo vệ quá tải ở MCCB

Ở chế độ làm việc bình thường: khi có dòng điện chạy qua làm cho nhiệt độ và chiều dài thanh lưỡng kim tăng. Nhưng tốc độ dãn nở không đủ để sinh ra chuyển động uốn của thanh, tiếp điểm của MCCB vẫn đóng.

Hình 2. Bảo vệ quá tải của MCCB.

Ở chế độ quá tải: Nhiệt sinh ra đủ lớn thanh lưỡng kim bị uốn cong về phía thanh kim loại có hệ số dãn nở nhỏ hơn. Chuyển động uốn đẩy trip bar kéo theo chốt được giải phóng làm tiếp điểm mở ra, bảo vệ quá tải tác động, MCCB mở tiếp điểm.

1.2. Nguyên lý bảo vệ ngắn mạch của MCCB

Ở chế độ làm việc bình thường: Từ trường tạo ra bởi cuộn dây không đủ lớn để hút trip bar và tiếp điểm của MCCB vẫn đóng.

Hình 3. Bảo vệ ngắn mạch của MCCB.

Khi xảy ra ngắn mạch: Từ trường tạo ra bởi cuộn dây đủ lớn hút trip bar, giải phóng chốt và tiếp điểm được mở ra, bảo vệ ngắn mạch tác động, MCCB mở tiếp điểm.

Với bảo vệ quá tải và ngắn mạch, mạch điện sẽ làm việc ổn định tin cậy, bảo vệ thiết bị và giảm thiểu thiệt hại ở mức thấp nhất có thể.

2. Một số định nghĩa về các thông số cơ bản trên MCCB

Nhiều bạn làm kỹ thuật thường thắc mắc các thông số ghi trên MCCB mà không hiểu hết ý nghĩa của chúng, sau đây chúng ta sẽ cùng tìm một một vài thông số quan trọng.

I_n: là chỉ số dòng định mức (2, 3, 6, 10, 16, 20, 25,…) của MCCB; dòng định mức đi kèm với các máy biến áp điện lực với công suất tương ứng.

Ví dụ: Trạm 200 kVA tương ứng với 315A, trạm 250 kVA tương ứng với 400A, trạm 315 kVA tương ứng với 500A,…

I_cu (Ultimate breaking capacity – kA): Là tên viết tắt của cụm từ ultimated current, đây là khả năng chịu đựng dòng điện lớn nhất của tiếp điểm CB trong khoảng thời gian là 1 giây.

Ví dụ: I_cu = 10kA thì tiếp điểm MCCB sẽ chịu đựng được dòng điện 10kA trong thời gian 1 giây.

I_cs (Service breaking capacity – %I_cu): là dòng điện lớn nhất tải qua tiếp điểm MCCB 3 lần với chìều dài thời gian mỗi lần là 1 giấy mà MCCB không bị hư hỏng. Có hãng khác cũng định nghĩa là I_cs là dòng điện lớn nhất tải qua tiếp điểm CB trong thời gian 3 giây mà MCCB không bị hư hỏng. Thông số của I_cs còn cho thấy khả năng cắt thực tế khi xảy ra sự cố của thiết bị và điều này hoàn toàn phụ thuộc vào từng hãng sản xuất.

Ví dụ: Cùng là hãng LS có hai loai MCCB, loại có I_cs = 50%I_cu, nhưng cũng có loại I_cs = 100%I_cu, đó là do công nghệ của từng hãng có thể làm được đến mức độ nào.

Characteristic cuver (còn gọi là đường cong chọn lọc của CB) chính là thông số quan trọng nhất mà quý khách hàng cần phải quan tâm để nghiên cứu cho việc chọn cb nằm ở vị trí nào trong hệ thống điện.
Mechanical/electrical endurance là số lần đóng cắt cơ khí cho phép. Chẳng hạn bạn ngắt CB rồi bật CB lên thì đó là 1 lần đóng ngắt. Trong khi aptomat MCB có quy định là từ 7500 đến 10000 lần, ACB khoảng 8000 lần thì aptomat MCCB là hơn 10000 lần.
I_cw là khả năng chịu dòng ngắn mạch của máy cắt do nhà chế tạo đưa ra ứng với một khoảng thời gian là 1 giây.
I_r là dòng điều chỉnh bảo vệ quá tải.
I_o: Giá trị dòng điện làm việc thực sự qua tải (ký tự O dùng trong chỉ số dòng điện viết tắt từ danh từ OPERATION).
I_z: Giá trị dòng điện tính toán dùng chọn tiết diện dây dẫn cung cấp đến tải. Theo tiêu chuẩn IEC, chúng ta luôn có quan hệ sau: I_o < I_z < I_n.
I_m: Giá trị dòng điện ngắt mạch trong thời gian ngắn, công dụng bảo vệ quá tải với dòng quá tải có giá trị lớn khoảng 10 lần dòng điện In (I_m = 10.I_n) (Short Time Protection – ký hiệu tắt là ST).
I_inst: Giá trị dòng điện ngắt mạch tức thời, công dụng bảo vệ sự cố ngắn mạch với biên độ dòng ngắn mạch rất lớn.

3. Cài đặt MCCB bảo vệ quá tải và ngắn mạch

Để tiến hành việc bảo vệ quá tải và ngắn mạch ta phải làm như thế nào? Chúng ta sẽ đi vào phân tích cài đặt MCCB để nó có thể làm việc ổn định, tin cậy khi có sự cố quá tải và ngắn mạch.

Hình 4. Cài đặt MCCB bảo vệ quá tải và ngắn mạch.

3.1. Cài đặt MCCB với giá trị I_r

I_r = dòng định mức của tải.
I_r = xI_n (Với I_n là dòng định mức MCCB).

Ví dụ:

MCCB có I_n = 2000A trong khi đó dòng tải tối đa chỉ có 1000A.
Vậy ta có thể thay đổi từ 2000A đến 1000A bằng cài đặt I_r = 0,5.I_n = 0,5.2000 = 1000A.

Tại sao ta không dùng luôn MCCB có dòng định mức 1000A?

Do họ đã tính toán đến việc mở rộng tải sau này, chẳng hạn dòng tải tăng từ 1000A đến 1800A ta chỉ việc điều chỉnh dòng cài đặt I_r = 0,9.I_n = 0,9.2000 = 1800A.
Vì vậy sẽ đơn giản hơn khi ta phải thay mới một MCCB khác và các phụ kiện đi kèm đồng thời chi phí cũng giảm đi rất nhiều.

3.2. Cài đặt MCCB bảo vệ quá tải

– Kí hiệu chức năng bởi chữ L.

– Đặc tính bảo vệ quá tải:

Nếu I > I_r thì MCCB sẽ cắt với thời gian trễ đã cài đặt.
Đặc tính phụ thuộc với thời gian ngược (I²t = K).
Ứng với bảo vệ quá nhiệt là thời gian long time pickup.

– Ta sẽ đi phân tích vùng bảo vệ quá tải từ ví dụ trên:

I_r = 1000A, t_r = 1 Sec (tại 6.I_r). Tức khi ta bơm dòng 6.I_r = 6000 A thì MCCB sẽ cắt quá tải với thời gian 1s.
Nếu ta bơm dòng 5.I_r mà vẫn cài đặt t_r = 1s thì thời gian cắt quá tải thực tế là bao nhiêu? Lúc này phải xem đường đặc tính trong catalog, ta dóng giá trị 5.I_r lên đường đặc tính t_r = 1s thì sẽ ra thời gian cắt quá tải cần tìm.

3.3. Cài đặt MCCB bảo vệ ngắn mạch

– Kí hiệu chức năng bởi chữ S.

– Cài đặt dòng cắt ngắn mạch.

Đầu tiên ta phải biết giá trị dòng ngắn mạch – I_nm, từ đó mới cài đặt I_sd.
Ở ví dụ trên I_nm = 2000 A > I_sd = 2.1000 = 2000 A.

– Cài đặt thời gian: Ta có thể cài đặt đặc tính thời gian độc lập hay phụ thuộc tùy theo I²t Off hay On.

Hình 5. Ta có thể cài đặt đặc tính thời gian độc lập hay phụ thuộc tùy theo I²t Off hay On.

– Ở ví dụ trên ta cài đặt I_sd = 2000 A, t_sd = 0,2 Sec (I²t On) tức khi dòng sự cố đạt 2000A thì thời gian cắt ngắn mạch là 0,2 Sec. Còn nếu ta cài đặt I_sd = 3000 A thì theo đường đặc tính phụ thuộc thời gian cắt sẽ nhỏ hơn so với I_sd = 2000 A.

– Còn đặc tính thời gian độc lập, thì với mọi dòng I_sd thời gian cắt ngắn mạch luôn không đổi.

3.4. Cài đặt MCCB bảo vệ cắt nhanh Instantaneous

Kí hiệu chức năng bởi chữ I.
Dùng đặc tính thời gian độc lập.
t_i < t_sd.

4. Một số dòng MCCB Schneider

Aptomat loại lớn, dòng định mức 15A đến 3200A, dòng cắt định mức 7.5kA đến 85kA

MCCB Easypact EZC: Ứng với mỗi mã thiết bị ta có dòng định mức I_n và dòng cắt định mức I_cu khác nhau, từ đó ta chọn được thiết bị phù hợp về mặt kỹ thuật và kinh tế cho hệ thống.

Ví dụ:

MCCB Easypact EZC100 có I_n từ 15A đến 100A; I_cu = 7,5kA; 10kA; 15kA; 30kA.
MCCB Easypact EZC630 có I_n từ 400A đến 630A; I_cu = 36kA; 50kA.

Hình 6. Từ catalogue ta chọn mã sản phẩm phù hợp cho hệ thống

MCCB Easypact CVS: I_n từ 16A đến 600A, I_cu = 25kA, 36kA, 50kA. Sử dụng cho 3P hoặc 4P. Tuân theo tiêu chuẩn IEC 60947-2.
Ngoài việc sử dụng số liệu trên catalogue ta còn có thể lựa chọn thiết bị dựa vào số liệu được in trên sản phẩm.

Hình 7. Lựa chọn MCCB dựa vào số liệu in trên sản phẩm.

Trong đó cần chú ý một số thông số chính sau:

1. Loại thiết bị: kích thước khung và lớp khả năng phá vỡ.
2. U_i: điện áp cách điện định mức.
3. U_imp: xung điện áp định mức chịu được điện áp.
4. I_cs: khả năng phá vỡ thực tế.
5. I_cu: khả năng chịu đựng dòng điện lớn nhất của tiếp điểm MCCB trong điện áp hoạt động U_e
6. U_e: điện áp hoạt động.
9. Tiêu chuẩn thiết bị.

Ngoài ra còn có một số dòng như MCCB Compact NSX: I_n từ 16A đến 630A, I_cu= 25kA, 36kA, 50kA, 70kA. Tuân theo tiêu chuẩn IEC 60947-2 và MCCB Compact NS: I_n= 630A đến 3200A, I_cu= 50kA, 70kA, 85kA. Tuân theo tiêu chuẩn IEC 60947-2

Hình 8. Một số sản phẩm MCCB Compact NSX

Hình 9. Một số sản phẩm MCCB Compact NS