Cầu chì – Khi cụ điện – Công nghệ chế tạo

1/ Cầu chì là gì?

Cầu chì là một loại khí cụ điện dùng để bảo vệ thiết bị và lưới điện tránh sự cố ngắn mạch, thường dùng để bảo vệ cho đường dây dẫn, máy biến áp, động cơ điện, thiết bị điện, mạch điện điều khiển, mạch điện thắp sáng.Cầu chì có đặc điểm là đơn giản, kích thước bé, khả năng cắt lớn và giá thành hạ nên được ứng dụng rộng rãi.

Các tính chất và yêu cầu của cầu chì:

Cầu chì có đặc tính làm việc ổn định, không tác động khi có dòng điện mở máy và dòng điện định mức lâu dài đi qua.
Đặc tính A – s của cầu chì phải thấp hơn đặc tính của đối tượng bảo vệ.
Khi có sự cố ngắn mạch, cầu chì tác động phải có tính chọn lọc.
Việc thay thế cầu chì bị cháy phải dễ dàng và tốn ít thời gian.
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

2/ Cấu tạo

Cầu chì bao gồm các thành phần sau:

Phần tử ngắt mạch: Đây chính là thành phần chính của cầu chì, phần tử này phải có khả năng cảm nhận được giá trị hiệu dụng củ dòng điện qua nó. Phần tử này có giá trị điện trở suất bé (thường bằng bạc, đồng hay các vật liệu dẫn có giá trị điện trở suất nhỏ lân cận với các giá trị nêu trên…). Hình dạng của phần tử có thể ở dạng là một dây (tiết diện tròn), dạng băng mỏng.

Thân của cầu chì: Thường bằng thuỷ tính, 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 điệu kiện dẫn nhiệt và chịu đựng được các sự thay đôi nhiệt độ đột ngột mà không hư hỏng.

Vật liệu lấp đầy (bao bọc quanh phần tử ngắt mạch trong thân cầu chì): Thường bằng vật liệu Silicat ở dạng hạt, nó phải có khả ngăng hấp thụ được năng lượng sinh ra do hồ quang và phải đảm bảo tính cách điện khi xảy ra hiện tượng ngắt mạch.

Các đấu nối: Các thành phần này dùng định vị cố định cầu chì trên các thiết bị đóng ngắt mạch; đồng thởi phải đảm boả tính tiếp xúc điện tốt.

3/ Nguyên lý hoạt động

Đặc tính cơ bản của cầu chì là sự phụ thuộc của thời gian chảy đứt với dòng điẹn chạy qua (đặc tính Ampe – giây). Để có tác dụng bảo vệ, đường Ampe – giây của cầu chì tại mọi điểm phải thấp hơn đặc tính của đối tượng cần bảo vệ.+ Đối với dòng điện định mức của cầu chì: Năng lượng sinh ra do hiệu ứng Joule khi có dòng điện định mức chạy qua sẽ toả ra môi trường và không gây nên sự nóng chảy, sự cân bằng nhiệt sẽ được thiết lập ở một giá trị mà không gây sự già hoá hay phá hỏng bất cứ phần tử nào của cầu chì.

Đối với dòng điện ngắn mạch của cầu chì: Sự cân bằng trên cầu chì bị phá huỷ, nhiệt năng trên cầu chì tăng cao và dẫn đến sự phá huỷ cầu chì. Người ta phân thành hai giai đoạn khi xảy ra sự phá huỷ cầu chì:

Quá trình tiền hồ quang (tp).
Quá trình sinh ra hồ quang (ta).

Quá trình tiền hồ quang: Giả sử tại thời điểm t0 phát sinh sự quá dòng, trong khoảng thời gian tp làm nóng chảy cầu chì và phát sinh ra hồ quang điện. Khoảng thời gian này phụ thuộc vào giá trị dòng điện tạo nên do sự cố và sự cảm biến của cầu chì.

Quá trình phát sinh hồ quang: Tại thời điểm tp hồ quang sinh ra cho đến thời điểm t0 mới dập tắt toàn bộ hồ quang. Trong suốt quá trình này, năng lượngsinh ra do hồ quang làm nóng chảy các chất làm đầy tại môi trường hồ quang sinh ra; điện áp ở hai đầu cầu chì hồi phục lại, mạch điện được ngắt ra.

4/ Phân loại, ký hiệu, công dụng

Cầu chì dùng trong lưới điện hạ thế có nhiều hình dạng khác nhau, trong sơ đồ nguyên lý ta thường ký hiệu cho cầu chì theo một trong các dạng sau:

Cầu chì có thể chia thành hai dạng cơ bản, tùy thuộc vào nhiệm vụ:

Cầu chì loại g: Cầu chì dạng này chỉ có khả năng ngắt mạch, khi có sự
cố hay quá tải hay ngắn mạch xảy ra trên phụ tải.
Cầu chì loại a: Cầu chì dạng này chỉ có khả năng bảo vệ duy nhất trạng thái ngắn mạch trên tải.

Muốn phân biệt nhiệm vụ làm việc của cầu chì, ta cần căn cứ vào đặc tuyến Ampe – giây (là đường biểu diễn mô tả mối quan hẹ giữa dòng điện qua cầu chì và thời gian ngắt mạch của cầu chì). Gọi ICC: Giá trị dòng điện ngắn mạch | IS: Giá trị dòng điện quá tải.

Với cầu chì loại g: Khi có dòng ICC qua mạch nó phải ngắt mạch tức thì, và khi có dòng IS qua mạch cầu chì không ngắtm ạch tức thì mà duy trì một khoảng thời gian mới ngắt mạch (thời gian ngắt mạch và giá trị dòng IS tỉ lệ nghịch với nhau).

Do đó nếu quan sát hai đặc tính Ampe – giây của hai loại cầu chì a và g; ta nhận thấy đặc tính Ampe – giây của cầu chì loại a nằm xa trục thời gian (trục tung) và cao hơn đặc tính Ampe – giây của cầu chì loại g.

Đặc tính Ampe – giây của các loại cầu chì4. Các đặc tính điện áp của cầu chì

Điện áp định mức là giá trị điện áp hiệu dụng xoay chiều xuất hiện ở hai đầu cầu chì (khi cầu chì ngắt mạch), tần số của nguồn điện trong phạm vi 48Hz đến 62Hz..
Dòng điện định mức là giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều mà cầu chì có thể tải liên tục thường xuyên mà không làm thay đổi đặc tính của nó.
Dòng điện cắt cực tiểu là giá trị nhỏ nhất của dòng điện sự cố mà dây chì có khả năng ngắt mạch. Khả năng cắt định mức là giá trị cực đại của dodngf điện ngắn mạch mà cầu chì có thể cắt.

Sau đây là các vị trí trên biểu đồ của các dòng điện khác nhau:

5/ Lựa chọn cầu chỉ như thế nào?

Cầu chì là thiết bị bảo vệ ngắn mạch đơn giản nhất. Nó cũng có thể bảo vệ quá tải cho đường dây, nhưng không bảo vệ quá tải cho các động cơ có dòng điện mở máy quá lớn được (ví dụ động cơ không đồng bộ lồng sóc). Vì vậy, muốn bảo vệ ngắn mạch và quá tải cho các động cơ có dòng điện mở máy lớn, ta phải dùng phôi hợp cả cầu chì với aptômat dòng điện cực đại hoặc với khởi đồng từ có rơle nhiệt.

Phần tử bảo vệ của cầu chì là dây chảy, nó được đặc trưng bằng dòng điện định mức I_cc, nghĩa là dòng điện cực đại lâu dài đi qua dây chạy mà không làm dây bị cháy đứt.

Khi chọn cầu chì yêu cầu nó phải thỏa mãn ba điều kiện sau:

Dây chảy cầu chì không chảy khi có dòng điện mở máy động cơ chạy qua.
Cầu chì phải cắt có tính chất chọn lọc, nghĩa là thiết bị điện nào bị ngắn mạch, chỉ cầu chì bảo vệ thiết bị đó cháy, cầu chì bảo vệ đường dây chính, cung cấp cho nhiều thiết bị vẫn không bị cháy.

Để thỏa mạn điều kiện thứ nhất, dòng điện định mức dây chảy cầu chì I_cc phải chọn lớn hoặc bằng dòng điện làm việc lâu dài I_lv của thiết bị điện, hoặc đường dây mà cầu chì bảo vệ:

I_cc>I_lv

Kinh nghiệm thấy rằng, nếu dùng điện mở máy các động cơ không quá 2,5 lần dòng điện định mức, thì dây chảy cầu chì chỉ cần chọn theo điều kiện làm việc lâu dài theo (5.5) mà không cần kể đến dòng điện mở máy động cơ vì rằng dòng điện mở máy ở điều kiện đó chua-kip làm cháy dây chảy.

Nhưng nếu động cơ có đòng điện mở máy I_mở lớn hơn 2,5 lần dòng điện định mức, để cho cầu chì không cháy khi mở máy động cơ, thì dòng điện định mức dây chảy cầu chì phải chọn sao cho thỏa mãn điều kiện:

Như vậy khi chọn cầu chì bảo vệ các động cơ lồng sóc có dòng điện mở máy lớn, ta phải chọn dây chảy cầu chì có dòng điện định mức thỏa mãn hai điều kiện (5.5) và (5.6).

Nếu cầu chì bảo vệ đường dây cung cấp cho nhiều động cơ có dòng điện mở máy lớn. Dòng điện mở máy của đường dây sẽ mở tính trong trường hợp động cơ có hiệu số

lớn nhất đang mở máy, còn các động cơ khác đang làm việc. Lúc đó, dòng điện định mức dây chảy cầu chì ngoài việc thỏa mãn điều kiện (5.5) còn phải thỏa mãn điều kiện:

trong đó r_lv là dòng điện làm việc của đường dây khi tất cả các động cơ mà đường dây cung cấp đang làm việc, trừ động cơ mở máy; I_mởlà dòng điện mở máy của động cơ có

Để đảm bảo tính chất cắt chọn lọc của cầu chì, ta phải chọn cầu chì bảo vệ mạch đường dây chính có dòng điện định mức lớn hơn cầu chì bảo vệ mạch nhánh ít nhất là một cấp tính theo giá trị dòng điện định mức của cầu chì.

Dòng điện định mức của dây chảy cầu chì sản xuất theo tiêu chuẩn chế tạo của các nhà máy thông thường là: 4, 6, 10, 15, 20, 25, 35, 60, 80, 100, 125, 160, 190, 225, 260, 300, 350, 400 ampe và lớn hơn.