Khí cụ điện - Cầu chì hạ áp

KHÍ CỤ ĐIỆN 
Cầu Chì Hạ Áp 
1 
2 
NỘI DUNG BÀI GIẢNG 
1. CẤU TẠO CẦU CHÌ 
2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 
3. PHÂN LOẠI CẦU CHÌ 
4. ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC 
 4.1. ỨNG SUẤT NHIỆT. 
 4.2. ĐẶC TÍNH AMPERE GIÂY – DÒNG TIỀM NĂNG 
 4.3. VÙNG NGẮT MẠCH KHÔNG CHẮC CHẮN 
 4.4. CỔNG GIỚI HẠN XÁC ĐỊNH VÙNG TRÊN ĐẶC 
 TÍNH AMPERE GIÂY. 
 4.5. ĐẶC TUYẾN DÒNG NGẮT MẠCH 
 (CUT-OFF CURRENT CHARACTERISTIC) 
5. ỨNG DỤNG CỦA CÂU CHÌ 
 5.1. CHỌN CẦU CHÌ BẢO VỆ QUÁ TẢI. 
 5.2. CHỌN CẦU CHÌ BẢO VỆ NGẮN MẠCH 
1. CẤU TẠO CỦA CẦU CHÌ 
 Cầu chì hạ thế bao gồm 4 thành phần chính : 
 Phần Tử Ngắt Mạch . 
Vật liệu lấp đầy. 
 Thân cầu chì. 
Các đầu nối . 
3 
Phần tử ngắt mạch 
Vật liệu lấp đầy 
Thân cầu chì 
Đầu nối 
Điểm nóng chảy 
t hấp nhất 
Eo làm nhỏ tiết diện dùng điều khiển hồ quang 
PHẦN TỬ NGẮT MẠCH: là thành phần chính của cầu chì, có các đặc tính như sau: 
 Có khả năng cảm nhận độ lớn dòng hiệu dụng đi qua 
 Có điện trở suất rất bé (thường bằng bạc, đồng, hay các vật liệu dẫn có giá trị điện trở suất nhỏ lân cận) . 
 Phần tử có hình dạng dây tiết diện tròn hay dạng băng mỏng . 
4 
VẬT LIỆU LẮP ĐẦY bao bọc quanh phần tử ngắt mạch trong thân cầu chì, thường bằng vật liệu silicat ở dạng hạt. 
 Vật liệu lắp đầy phải: 
 Có khả năng hấp thu được năng lượng sinh ra do hồ quang. 
 Đảm bảo tính cách điện khi xảy ra hiện tượng ngắt mạch . 
5 
THÂN CỦA CẦU CHÌ: thường bằng thủy tinh, ceramic (sứ gốm ) hay các vật liệu khác tương đương. 
	Vật liệu tạo thành thân của cầu chì phải đảm bảo được hai tính chất: 
 Có độ bền cơ khí. 
Có độ bền về điều kiện dẫn nhiệt, và chịu đựng được các sự thay đổi nhiệt độ đột ngột mà không hư hỏng. 
6 
CÁC ĐẦU NỐI: dùng định vị cố định cầu chì trên các thiết bị đóng ngắt mạch, đồng thời phải đảm bảo tính tiếp xúc điện tốt. 
7 
CẦU CHÌ 
DÙNG TRONG MẠCH ĐIỆN Ô TÔ 
8 
9 
10 
VỎ HỘP (HOLDER) CỦA CẦU CHÌ 
 Cầu chì dùng trong mạch nạp điện Accu 
11 
VỎ HỘP (HOLDER) CỦA CẦU CHÌ 
12 
VỎ HỘP (HOLDER) CỦA CẦU CHÌ 
13 
ĐẾ CHÂN (SOCKET) CỦA CẦU CHÌ DẠNG XOAY 
14 
 Vỏ hộp Cầu chì dùng trong tủ phân phối cung cấp điện 
FUSE SWITCH 
15 
FUSE SWITCH 
 3 PHA 
FUSE SWITCH 
 1 PHA 
16 
HÌNH 1 : Maët caét cuûa loaïi caàu chì duøng moät phaàn töû ngaét maïch. 
HÌNH 2 : döoùi taùc duïng cuûa doøng quaù taûi. Moät phaàn tieát dieän cuûa phaàn töû ngaét maïch noùng chaûy sinh ra hoà quang ñieän. 
HÌNH 3 : phaàn töû ngaét maïch ñôn cuûa caàu chì taïo ngaét maïch, sau khi xaûy ra söï coá quaù taûi. 
HÌNH 4 : Khi xaûy ra söï coá ngaén maïch , vaøi tieát dieän cuûa phaàn töû ngaét maïch bò ñoát noùng chaûy töùc thì. 
HÌNH 5 : phaàn töû ngaét maïch ñôn cuûa caàu chì taïo ngaét maïch, sau khi xaûy ra söï coá ngaén maïch . 
17 
2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CẦU CHÌ 
CẦU CHÌ DÙNG PHẦN TỬ NGẮT MẠCH KÉP 
18 
Phần tử ngắt mạch bảo vệ quá tải 
Phần tử ngắt mạch bảo vệ ngắn mạch 
3. PHÂN LỌAI CẦU CHÌ THEO TÍNH NĂNG LÀM VIỆC 
19 
Phân loại theo tiêu chuẩn UL /CSA 
20 
Loại 
Công dụng 
Dảy giá trị 
ngắt mạch 
aM 
Bảo vệ ngắn mạch cho mạch động cơ 
Cục bộ 
aR 
Bảo vệ ngắn mạch cho linh kiện bán dẫn. 
gG 
Mục tiêu tổng quát: bảo vệ chủ yếu dây dẫn 
Toàn phần 
gM 
Bảo vệ mạch động cơ 
gN 
Mục tiêu tổng quát: bảo vệ chủ yếu dây dẫn 
 Theo tiêu chuẩn Bắc Mỹ (North American) 
gD 
Mục tiêu tổng quát ngắt mạch có thời gian trễ 
 Theo tiêu chuẩn Bắc Mỹ (North American) 
gR, gS 
Bảo vệ linh kiện bán dẫn 
gTr 
Bảo vệ máy biến áp 
gL, gF, gl 
Các mẫu cầu chì được thay thế bằng gG 
Phân loại cầu chì theo tiêu chuẩn IEC 60269 
21 
4. ĐẶC TÍNH CỦA CẦU CHÌ 
Trường hợp dòng định mức qua cầu chì ( I n ): 
  Dòng định mức I n của cầu chì là giá trị qui định của nhà sản xuất ghi trên thân cầu chì. 
 Nhiệt lượng sinh ra bởi điện trở của cầu chì không làm hư hỏng cầu chì . 
 Nhiệt độ trên cầu chì cân bằng tại một giá trị nào đó , nhưng không làm lảo hóa cầu chì . 
Trường hợp dòng điện ngắn mạch qua cầu chì : 
 Sự cân bằng trên cầu chì bị phá hủy , nhiệt lượng trên cầu chì tăng cao và dẫn đến sự phá hủy cầu chì . 
  Quá trình phá hủy cầu chì được phân thành hai giai đọan : 
  Quá trình tiền hồ quang diễn ra trong thời gian t p . 
Quá trình sinh ra hồ quang trong khoảng thời gian t a . 
QUÁ TRÌNH NGẮT MẠCH KHI XÃY RA SỰ CỐ QUÁ DÒNG 
22 
23 
4.1. ỨNG SUẤT NHIỆT 
Thời gian ngắt của cầu chì phụ thuộc vào tổng nhiệt lượng tích lũy và duy trì trong cầu chì . Nhiệt lượng này phụ thuộc năng lượng phân bố trên một đơn vị điện trở nội của cầu chì. 
Xác định tổng giá trị nhiệt lượng để tìm ra dòng hiệu dụng trung bình dùng bảo vệ dây cable và thiết bị được lắp đặt phía sau cầu chì. 
Năng lượng tạo ra trong quá trình tiền hồ quang ( Melting I 2 t ) là năng lượng dùng đốt nóng chảy phần tử ngắt mạch . 
 Khi giai đoạn hồ quang diễn ra , năng lượng thu nhận trên cầu chì trong quá trình này được goị là năng lượng hồ quang (Arcing (I 2 t)). 
24 
 Năng lượng nhiệt tổng xác định trong hai giai đoạn trên được gọi là ứng suất nhiệt hay năng lượng toàn phần trong suốt quá trình ngắt mạch của cầu chì . Ứng suất nhiệt còn được gọi là Clearing (I 2 t). 
25 
	 Đặc tính ampère giây là đồ thị hay đường biểu diễn mô tả mối quan hệ giữa dòng hiệu dụng sự cố qua cầu chì và giá trị trung bình của thời gian ngắt mạch. 
 ( Dòng sự cố có giá trị lớn gấp dòng định mức nhiều lần) 
4.2. ĐẶC TÍNH AMPERE GIÂY 
26 
ĐẶC TÍNH AMPERE GIÂY CỦA CẦU CHÌ LỌAI aM VÀ gG 
27 
28 
Đặc tính ampère giây cầu chì gG - 500V - ABB 
29 
Đặc tính 
Ampère giây cầu chì gG NEOZED. 
(Siemens) 
30 
Đặc tính ampère giây cầu chì aM - 500V - ABB 
31 
Đặc tính 
Ampère giây cầu chì ống aM (Siemens) 
32 
CHÚ Ý: 
	 Dòng tiềm năng (prospective current) được định nghĩa trong mục 8.5.7 trong tiêu chuẩn IEC 60269 - 1, đề mục thực hiện các thí nghiệm xác định đặc tính ampere giây như sau: 
Với mạch xoay chiều, dòng tiềm năng là giá trị hiệu dụng của thành phần xoay chiều trong đường cong định chuẩn tại lúc bắt đầu xảy ra hồ quang. 
Nếu khoảng thời gian từ lúc xảy ra ngắn mạch đến lúc hồ quang bắt đầu sinh ra ngắn hơn một nửa chu kỳ thì dòng tiềm năng được đo trong nửa chu kỳ 
Khi quá trình ngắt mạch xảy ra, dòng tiềm năng là giá trị cực đại luôn luôn đạt được trong biểu đồ định chuẩn. Khi dòng tồn tại các nhấp nhô (ripple), đường cong dòng hiệu dụng được vẽ ra và giá trị dòng cực đại được xem là dòng tiềm năng. 
33 
 a./ Giản đồ dòng và áp tức thời qua mạch khi có sự cố ngắn mạch (dùng định chuẩn) 
b./ Giản đồ quá trình ngắt mạch, hồ quang sinh ra chậm hơn 180 o điện sau khi sự cố xảy ra. 
 (đo trong lúc thử nghiệm) 
c./ Giản đồ quá trình ngắt mạch, hồ quang sinh ra sớm hơn 180 o điện sau khi sự cố xảy ra . 
 (đo trong lúc thử nghiệm) 
34 
 4.3. VÙNG NGẮT MẠCH KHÔNG CHẮC CHẮN: 
	 Vùng ngắt mạch không chắc chắn của cầu chì được xác định theo tiêu chuẩn. 
	Trong khỏang thời gian chọn trước , giá trị giới hạn ngắt mạch hay không ngắt mạch của cầu chì được qui định bởi nhà sản xuất. 
. 
DÒNG ĐIỆN KHÔNG NGẮT MẠCH (I nf ): là giá trị dòng hiệu dụng qua cầu chì trong khỏang thời gian định trước nhưng cầu chì không ngắt mạch . Giá trị này lớn hơn dòng định mức I n của cầu chì. 
DÒNG ĐIỆN NGẮT MẠCH (I f ) : là giá trị dòng hiệu dụng qua cầu chì tạo ra sự ngắt mạch được thí nghiệm trong khỏang thời gian chọn trước theo tiêu chuẩn. Dòng ngắt mạch có giá trị lớn hơn dòng định mức I n của cầu chì . 
 . 
35 
Dòng định mức I n của cầu chì gG 
Dòng đặc tính I ch của cầu chì gM 
[A] 
Thời gian qui ước 
[giờ] 
I nf 
I f 
I n 16 
1 
1 
2 
1,25 I n 
1,6 I n 
3 
4 
 Đối với cầu chì loại aM dùng bảo vệ ngắn mạch , thời gian khảo sát qui ước được thực hiện trong 60s với các giá trị dòng qui ước I nf = 4.I n và I f = 6,3.In 
. 
36 
 4.4. GIÁ TRỊ CỔNG - VÙNG TRÊN ĐẶC TUYẾN AMPERE GIÂY 
 Các đặc tính ampere giây được cung cấp từ các nhà sản xuất thường có sai số trong phạm vi 30% . 
 Đường đặc tuyến này cần phải được chú ý đến các qui chuẩn sau . 
 dùng xác định 
đường đặc tính bên dưới. 
 dùng xác định đường đặc tính bên trên 
CẦU CHÌ gG 
37 
Giá trị cổng xác định vùng cho đặc tính Ampere giây 
của cầu chì gG và gM 
38 
CẦU CHÌ aM 
 Cầu chì a M Có 6 giá trị cổng được xác định dựa vào các giá trị dòng I p , I f và thời gian ngắt mạch. Trong đó : 
I p : giá trị dòng hiệu dụng tạo ra giai đoạn tiền hồ quang hay đủ làm chảy phần tử ngắt mạch cầu chì. Có thể xem giá trị này là dòng hiệu dụng tối thiểu ngắt mạch . 
I f : giá trị dòng hiệu dụng tối đa đảm bảo ngắt mạch. 
Thời gian ngắt mạch [s] 
I p 
I f 
60 
4 
6.3 
0,5 
8 
12 
0,2 
10 
0,1 
19 
39 
40 
41 
So sánh Đ ặc Tính Ampere giây của cầu chì gG và aM 
42 
 4.5. ĐẶC TÍNH DÒNG NGẮT MẠCH (CUT-OFF CURRENT) 
 Đặc tính dòng ngắt mạch là đồ thị mô tả quan hệ giữa dòng ngắt mạch (cut-off current) với dòng tiềm năng của cầu chì. Dòng ngắt mạch (cut-off current) là giá trị dòng tức thời cực đại đạt được trong suốt quá trình ngắt mạch của cầu chì. 
43 
Phương pháp đọc Đ ặc Tính “cut-off current” 
44 
Đặc Tính Dòng Ngắt Mạch cầu chì T cắt nhanh (Cooper Busman ) 
45 
5. ỨNG DỤNG CỦA CẦU CHÌ 
 5.1. CÁC THÔNG SỐ ĐỊNH MỨC CỦA CẦU CHÌ 
Áp định mức (U n ): là áp hiệu dụng xoay chiều tối đa cho phép xuất hiện ở 2 đầu cầu chì khi xảy ra quá trình ngắt mạch . Tần số nguồn điện trong phạm vi 18Hz đến 62 Hz . 
NHÓM 1 [V] 
NHÓM 2 [V] 
AC 
DC 
AC 
DC 
120 
120 
208 
230 
230 
240 
277 
277 
400 
400 
415 
500 
480 
480 
690 
690 
600 
Dòng định mức (In): là giá trị dòng hiệu dụng ghi trên cầu chì có thể tải liên tục thường xuyên. 
46 
Đặc tính của mạch điện 
Đặc tính của cầu chì 
Theo tiêu chuẩn IEC 60364-4-43 (Electrical installation of buildings – Protection against overcurrent) để xác định phối hợp giữa dây dẫn và khí cụ bảo vệ quá tả i (thường được đặt tại đầu đoạn dây dẫn đến tải) cần thỏa các điều kiện sau : 
I b là dòng hiệu dụng thực sự qua mạch Tải . 
I Z là dòng hiệu dụng dùng xác định tiết diện dây dẫn theo điều kiện lắp đặt. 
I 2 là dòng bảo đảm ngắt mạch có hiệu quả trong thời gian qui ước của khí cụ bảo vệ. 
 5.2. CHỌN KHÍ CỤ BẢO VỆ QUÁ TẢI 
47 
Với khí cụ bảo vệ quá tải là cầu chì , dòng bảo đ ảm ngắt mạch có hiệu quả của cầu chì chính là dòng I 2 = I f . 
Như vậy các điều kiện cần thỏa đã nêu được viết lại như sau: 
 Riêng đối với điều kiện được viết lại như sau 
 Vì nên suy ra 
 Tóm lại 
Điều kiện chọn cầu chì quá tải : 
Đặc tính của mạch điện 
Đặc tính của cầu chì 
 0,9.Iz 
48 
THÍ DỤ 1: 
	 Cho Tải 3 pha cân bằng tiêu thụ công suất tác dụng 120 kW , hệ số công suất của Tải là 0,85 trễ. Biết Áp D ây nguồn là V d = 380 V, 
 Nếu dòng hiệu dụng dùng tính toán dây dẫn cấp đến Tải là I Z = 250 A, thì nên chọn cầu chì bảo vệ cho Tải có đặc tính như thế nào ? 
GIẢI 
Dòng hiệu dụng thực sự cấp đến Tải : 
Giá trị dòng giới hạn 0,9.I Z là : 
Giá trị dòng giới hạn 1,45.I Z là : 
49 
 Dòng định mức I n của cầu chì loại gG được xác định như sau: 
Tóm lại 
Giả sử chọn cầu chì loại gG mã số 3NA3142 của nhà sản xuất Siemens, với dòng định mức I n = 224 A. 
Kiểm tra giá trị I f của cầu chì gG 
Đặc tính của mạch điện 
Đặc tính của cầu chì 
 0,9.Iz 
214,5 A 
225 A 
362,5 A 
224 A 
358,4 A 
50 
51 
 5.3. CHỌN KHÍ CỤ BẢO VỆ NGẮN MẠCH 
	 Khi cần bảo vệ cho đoạn dây dẫn cấp nguồn từ cầu chì đếnTải , lúc có sự cố ngắn mạch trên đầu Tải, dòng ngắn mạch sẽ qua đoạn dây dẫn và cầu chì. 
	 Trong trường hợp này cầu chì cần tác động nhanh để tránh tình trạng phát nóng dây dẫn quá mức cho phép . 
 	Theo tiêu chuẩn IEC trong trường hợp cần so sánh hai giá trị ứng suất nhiệt của cầu chì và ứng suất nhiệt cho phép của dây dẫn. Gọi: 
 là ứng suất nhiệt của cầu chì trong toàn bộ thời 
 gian ngắt mạch . 
 là ứng suất nhiệt của dây dẫn sinh ra trong toàn 
 bộ thời gian cầu chì ngắt mạch . 
Điều kiện cần thỏa là : 
52 
 Theo tiêu chuẩn IEC 60724 ứng suất nhiệt của dây dẫn thỏa quan hệ sau: 
	 A là tiết diện của dây dẫn tính theo đơn vị [mm 2 ]. 
	 K là hệ số của dây dẫn phụ thuôc vào vật liệu dây dẫn và vật cách điện bọc quanh dây dẫn . Giá trị K theo chuẩn IEC 60724 cho trong bảng sau: 
53 
THÍ DỤ 2 
	Với số liệu tìm được trong thí dụ 1, kiểm chứng khả năng bảo vệ dây dẫn khi có sự cố ngắn mạch bằng cầu chì gG 224 A mã số 3NA3142 của Siemens. Biết dây dẫn là PVC có tiết diện 100 mm 2 và dây dẫn làm bằng đồng . 
GIẢI 
	 Xác định ứng suất nhiệt cho phép của dây dẫn : 
 K = 115 và A = 100 mm 2 
 Muốn xác định ứng suất nhiệt của cầu chì cần dùng đến đặc tính ứng suất nhiệt làm chảy phần tử ngắt mạch trong cầu chì cho bởi nhà sản xuất. Trên đặc tuyến Ampere giây tương ứng với thời gian ngắt mạch là 0,1 s định điểm ngắt mạch. 
54 
Dòng ngắn mạch khoảng 1800 A , ứng với thời gian ngắt mạch là 1s 
Dòng ngắn mạch khoảng 2800 A, ứng với thời gian ngắt mạch là 0,1s 
55 
Ứng suất nhiệt cầu chì khoảng 3,5 (kA) 2 s với thời gian ngắt mạch là 1s 
Ứng suất nhiệt cầu chì khoảng 0,8 (kA) 2 s với thời gian ngắt mạch là 0,1s 
56 
Thời gian ngắt mạch 
Ứng suất nhiệt cầu chì 
Ứng suất nhiệt dây dẫn 
0,1 s 
3,5 (kA) 2 s 
132,25 (kA) 2 s 
1s 
0,8 (kA) 2 s 
 Tóm lại cầu chì gG 224 A mã số 3NA3142 của Siemens có khả năng bảo vệ dây dẫn khi có sự cố ngắn mạch trên đầu Tải.