Máy cắt chân không VCB là gì? Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng

Máy cắt chân không (VCB) là thiết bị điện quan trọng, thường được sử dụng trong các trạm biến áp và hệ thống phân phối điện trung thế. Với ưu điểm dập tắt hồ quang bằng môi trường chân không, thiết bị này giúp tăng độ an toàn, giảm hao mòn tiếp điểm và nâng cao độ tin cậy vận hành. Vậy máy cắt chân không hoạt động như thế nào và có những ứng dụng nổi bật gì? Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu trong bài viết dưới đây.

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.

➣ Xem thêm: Máy cắt chân không VCB

Cấu tạo

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.

Xem thêm: Phân biệt CB: MCB, MCCB, RCCB, RCBO, ELCB, MPCB, ACB, VCB là gì?

Nguyên lý làm việc

Nguyên lý làm việc của máy cắt VCB 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.

Ứng dụng thực tế

Máy cắt chân không (VCB) thường được triển khai trong các hệ thống điện trung và cao áp, nơi yêu cầu khả năng ngắt mạch chính xác và độ tin cậy cao. Thiết bị này phù hợp với những môi trường làm việc có tải lớn hoặc tính chất liên tục, điển hình như:

• Trạm biến áp và lưới điện cao thế: VCB được dùng để đóng ngắt các mạch điện chính, giúp bảo vệ thiết bị khỏi các sự cố như ngắn mạch hoặc quá tải.
• Nhà máy phát điện, trạm trung chuyển: Bảo vệ an toàn cho máy phát, máy biến áp và các đường dây truyền tải quan trọng.
• Ngành công nghiệp nặng: VCB được sử dụng trong các nhà máy luyện kim, hóa chất, đóng tàu, dầu khí… nơi dòng điện tải thường lớn và liên tục.
• Hệ thống giao thông điện: Áp dụng trong hệ thống điện tàu điện hoặc metro để bảo vệ đường ray và thiết bị điện trên tàu.
• Công trình quy mô lớn: Tòa nhà cao tầng, trung tâm dữ liệu, khu công nghiệp… sử dụng VCB để đảm bảo an toàn cho toàn bộ hệ thống điện.

Với khả năng dập hồ quang hiệu quả, độ bền cơ điện cao và hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt, VCB là lựa chọn đáng tin cậy cho các hệ thống điện đòi hỏi độ an toàn và tính liên tục cao.

So sánh máy cắt VCB và máy cắt ACB

Máy cắt VCB và máy cắt ACB cả hai đều là thiết bị đóng cắt điện công suất lớn, nhưng khác nhau về môi trường cách ly, ứng dụng và khả năng xử lý sự cố.

Dưới đây là bảng so sánh giữa máy cắt chân không (VCB) và máy cắt không khí (ACB):

Tiêu chí	Máy cắt chân không (VCB)	Máy cắt không khí (ACB)
Môi trường dập hồ quang	Chân không	Không khí
Cấu tạo	Phức tạp hơn, yêu cầu buồng chân không kín	Đơn giản hơn, dễ lắp đặt và bảo trì
Nguyên lý hoạt động	Ngắt mạch bằng cách dập hồ quang trong môi trường chân không	Ngắt mạch bằng cách dập hồ quang trong không khí
Khả năng dập hồ quang	Rất hiệu quả, hồ quang dập tắt nhanh, tổn hao thấp	Kém hơn VCB, hồ quang dập tắt lâu hơn và phát sinh nhiệt nhiều hơn
Ứng dụng phổ biến	Hệ thống điện trung áp đến cao áp, trạm biến áp công nghiệp lớn, nơi có tải tiêu thụ lớn	Hệ thống điện hạ áp công suất lớn, tòa nhà, nhà máy, trung tâm dữ liệu
Cấp điện áp sử dụng	Thường dùng cho điện áp từ 6.6kV đến 33kV trở lên	Thường dùng cho điện áp đến 1kV (hạ thế)
Tuổi thọ thiết bị	Cao, số lần đóng cắt lớn, ít phải bảo trì	Tuổi thọ thấp hơn VCB, cần bảo trì định kỳ
Chi phí đầu tư ban đầu	Cao	Thấp hơn VCB
Khả năng chịu tải và ngắt mạch	Cao, đáp ứng tải công nghiệp nặng	Phù hợp cho tải thương mại và công nghiệp vừa

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.

Tham khảo: Máy cắt không khí ACB là gì? Cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng

Qua bài viết, hi vọng bạn có thêm những thông tin cơ bản về máy cắt chân không VCB và vai trò quan trọng của nó trong hệ thống điện. Nếu cần hỗ trợ chọn mua thiết bị phù hợp, hãy liên hệ với chúng tôi để được tư vấn chi tiết.