Máy cắt điện là gì? Cấu tạo, nguyên lý và phân loại chi tiết

Máy cắt điện là một trong những thiết bị quan trọng bậc nhất trong hệ thống điện hiện đại. Từ các trạm biến áp 110 kV đến lưới phân phối trung áp, máy cắt điện đóng vai trò bảo vệ hệ thống khỏi các sự cố ngắn mạch, quá tải, đồng thời cho phép thao tác đóng – cắt mạch điện an toàn trong mọi chế độ vận hành.

Hiểu rõ cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các thông số kỹ thuật của máy cắt điện là yêu cầu bắt buộc đối với kỹ sư, công nhân vận hành trạm và đường dây. Bài viết này tổng hợp toàn diện kiến thức về máy cắt điện — từ định nghĩa, phân loại, nguyên lý hoạt động các loại máy cắt phổ biến, cấu tạo bộ truyền động, cho đến các thông số kỹ thuật quan trọng và cách xử lý hư hỏng thường gặp.

Máy cắt điện (hay máy ngắt điện) là thiết bị điện dùng để đóng và cắt mạch điện ở tất cả các chế độ vận hành, bao gồm:

• Chế độ không tải.
• Chế độ tải định mức.
• Chế độ sự cố (đặc biệt là đóng cắt dòng ngắn mạch — đây là chế độ nặng nề và khắc nghiệt nhất).

Điểm phân biệt cơ bản giữa máy cắt điện và dao cách ly là: máy cắt điện có khả năng cắt dòng ngắn mạch trong khi dao cách ly thì không. Chính vì vậy, máy cắt điện luôn được trang bị buồng dập hồ quang để triệt tiêu hồ quang sinh ra khi tiếp điểm mở ra dưới tải.

Dựa vào môi trường dập hồ quang, máy cắt điện được phân thành các loại chính sau đây.

Trong loại máy cắt này, dầu cách điện đảm nhận đồng thời hai chức năng: cách điện giữa các phần tử mang điện và dập hồ quang sinh ra khi tiếp điểm mở.

Ưu điểm:

• Nguyên lý cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo.
• Giá thành rẻ.

Nhược điểm:

• Thời gian cắt lớn, khoảng 0,15 – 0,2 giây.
• Kích thước và khối lượng lớn, chiếm nhiều không gian.
• Bảo dưỡng và sửa chữa phức tạp.
• Dầu cần được làm sạch sau một số lần cắt dòng điện lớn nhất định.
• Dễ gây cháy nổ, tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn cao.

Do những nhược điểm trên, ngày nay máy cắt nhiều dầu hầu như không còn được chế tạo mới.

Khác với loại nhiều dầu, trong máy cắt ít dầu, dầu chỉ có chức năng dập hồ quang, không đảm nhiệm vai trò cách điện chính.

Ưu điểm:

• Nguyên lý cấu tạo tương đối đơn giản, dễ chế tạo.
• Kích thước, khối lượng và thời gian đóng cắt nhỏ hơn so với máy cắt nhiều dầu.

Nhược điểm:

• Công suất cắt ngắn mạch thấp hơn máy cắt nhiều dầu.
• Do lượng dầu ít nên dầu bị bẩn nhanh, chất lượng dầu giảm nhanh chóng.
• Không có thiết bị hâm nóng dầu nên không thể sử dụng ở những nơi có nhiệt độ thấp.

Hiện nay, số lượng máy cắt ít dầu đang dần giảm do không cạnh tranh được với các thế hệ máy cắt tiên tiến hơn.

Loại máy cắt này sử dụng không khí được nén ở áp suất cao để thổi dập hồ quang.

Ưu điểm:

• Khả năng cắt lớn, có thể đạt tới 100 kA.
• Thời gian cắt bé, giúp tiếp điểm có tuổi thọ cao.
• Không dễ cháy nổ như máy cắt dầu, an toàn hơn.

Nhược điểm:

• Thiết bị nén khí đi kèm chiếm diện tích và đòi hỏi hệ thống ống dẫn áp lực cao.
• Thường chỉ phù hợp tại các trạm có số lượng máy cắt lớn.

Máy cắt khí SF6 là loại máy cắt hiện đại và phổ biến nhất hiện nay, trong đó khí SF6 (sulfur hexafluoride) vừa làm nhiệm vụ cách điện vừa dập hồ quang.

Ưu điểm:

• Khí SF6 có độ bền điện rất cao.
• Hệ số dẫn nhiệt của khí SF6 cao gấp 4 lần không khí, cho phép tăng mật độ dòng điện trong mạch. dẫn điện của máy cắt, giảm lượng đồng cần dùng.
• Khả năng dập hồ quang của buồng dập kiểu thổi dọc với khí SF6 cao gấp 6 lần máy cắt không khí, từ đó giảm thời gian cháy của hồ quang và tăng tuổi thọ tiếp điểm.
• Khí SF6 là loại khí trơ, khó cháy, không mùi, không độc hại trong điều kiện bình thường, khó bị thay đổi tính chất.
• Được chế tạo ở mọi cấp điện áp từ 3 kV đến 800 kV.
• Khả năng cắt lớn, kích thước nhỏ gọn.
• Độ an toàn và độ tin cậy cao, tuổi thọ cao.
• Chi phí bảo dưỡng thấp.

Nhược điểm:

• Khí SF6 có nhiệt độ hóa lỏng thấp, do đó chỉ dùng ở áp suất không quá cao để tránh phải dùng thiết bị hâm nóng.
• Chất lượng khí chỉ có thể đảm bảo khi không có tạp chất.
• Khí SF6 phân hủy khi có hồ quang tạo ra các sản phẩm độc hại, cần quy trình xử lý an toàn khi bảo dưỡng.

Máy cắt chân không là loại máy cắt trong đó hồ quang được dập tắt trong môi trường chân không.

Ưu điểm:

• Kích thước nhỏ gọn, không gây ra cháy nổ.
• Tuổi thọ cao khi đóng cắt dòng điện định mức.
• Gần như không cần bảo dưỡng định kỳ.
• Thời gian đóng cắt nhỏ.
• Dùng rộng rãi ở lưới điện trung áp với dòng định mức tới 5.000 A.

Nhược điểm:

• Giá thành cao.

Trong máy cắt SF6, hồ quang nhanh chóng bị dập tắt nếu có luồng khí thổi vào hồ quang. Có hai biện pháp thổi được áp dụng trong thực tế:

• Thổi từ: Sử dụng lực điện từ để thổi hồ quang.
• Tự thổi kiểu khí nén (pittông – xilanh): Nguyên lý này được sử dụng rộng rãi và hiệu quả hơn.

Với máy cắt kiểu pittông tự thổi, chỉ đòi hỏi khoảng 20% năng lượng của bộ truyền động so với cùng tính năng kỹ thuật, do đó chỉ cần bộ truyền động nhỏ gọn, làm việc chắc chắn, đỡ ồn và có độ tin cậy cao.

Khi nhận được tín hiệu cắt, quá trình diễn ra theo trình tự sau:

1. Trục truyền động quay, kéo theo toàn bộ hệ thống động của buồng cắt (gồm tiếp điểm động hồ quang, tiếp điểm động làm việc, xilanh và miệng thổi cách điện) chuyển động tịnh tiến xuống phía dưới.
2. Đồng thời, khí SF6 được nén trong xilanh.
3. Hệ tiếp điểm làm việc cắt trước, sau đó đến hệ tiếp điểm hồ quang.
4. Sau khi hồ quang phát sinh, miệng thổi được giải phóng khỏi tiếp điểm hồ quang.
5. Khí SF6 nén được thoát ra, thổi tắt hồ quang.

Thông thường, ở mỗi bình cắt đều có đồng hồ chỉ áp suất SF6 và van nạp khí bổ sung để duy trì áp suất khí theo quy định.

Máy cắt dầu (ít dầu) có các bộ phận chính sau:

• Thùng chứa dầu: Làm bằng thép, được đổ đầy khoảng 75 – 80% thể tích. Bên trong có lớp lót cách điện để ngăn hồ quang không lan ra vỏ thùng.
• Sứ xuyên: Hai sứ xuyên đặt nghiêng để tăng khoảng cách cách điện trong không khí. Tùy cấp điện áp mà sứ có cấu tạo khác nhau:
  • Dưới 15 kV: Cấu tạo đơn giản.
  • 35 kV: Bên trong sứ có thêm cách điện bakêlit.
  • 110 kV: Cấu tạo kiểu điện dung để điện áp phân bố đều.
• Tiếp điểm: Tiếp điểm tĩnh gắn trên lõi sứ xuyên; tiếp điểm động gắn với bộ truyền động và lò xo cắt.

Quá trình đóng:

• Mô men quay từ cơ cấu đóng (quay bằng tay, động cơ hoặc nam châm điện) quay trục truyền động.
• Qua cơ cấu đòn khớp, nâng tiếp điểm động lên tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh.
• Đồng thời tích năng lượng cho lò xo cắt.

Quá trình cắt:

• Khi có tín hiệu cắt, chốt giữ lò xo nhả ra.
• Năng lượng tích ở lò xo được giải phóng, đẩy hệ thống tiếp điểm động xuống dưới.
• Hồ quang xuất hiện trong dầu và bị dập tắt nhờ tác động của dầu cách điện.

Áp suất bên trong bình dập hồ quang của máy cắt chân không rất thấp, dưới 10⁻⁴ Pa. Do mật độ không khí rất thấp, độ bền điện trong chân không khá cao, hồ quang dễ bị dập tắt và khó có điều kiện cháy lặp lại sau khi cắt dòng điện qua trị số 0.

Bên trong buồng cách điện bằng vật liệu composit được đặt:

• Hệ thống tiếp điểm: Dạng tiếp xúc mặt, gồm thanh dẫn tĩnh và thanh dẫn động.
• Cơ cấu dẫn hướng: Cho phép tiếp điểm động chuyển động tịnh tiến.
• Ống xếp kim loại: Đầu trên hàn với thanh dẫn động, đầu dưới hàn với tấm đáy. Ống xếp đảm bảo duy trì chân không cho bình cắt dù tiếp điểm động chuyển động nhiều lần. Với công nghệ hiện đại, buồng chân không có tuổi thọ đến 30.000 lần thao tác.
• Ống kim loại bảo vệ: Ngăn không cho hơi kim loại bắn vào bề mặt bên trong ống cách điện, tránh làm giảm độ cách điện.

Khi cắt, tiếp điểm động tách khỏi tiếp điểm tĩnh, hồ quang xuất hiện trên bề mặt tiếp xúc, làm kim loại nóng chảy và bay hơi. Hồ quang sẽ bị dập tắt khi dòng điện đi qua trị số 0.

Để tăng khả năng cắt và giảm hao mòn tiếp điểm do hồ quang sinh ra, người ta sử dụng cấu tạo đặc biệt của tiếp điểm để tạo ra lực điện động thổi hồ quang ra phía ngoài mặt tiếp xúc. Có hai loại tiếp điểm chuyên dụng:

• Tiếp điểm có từ trường hướng tâm.
• Tiếp điểm có từ trường hướng trục.

Bộ truyền động được dùng để đóng, mở và duy trì máy cắt ở trạng thái đóng. Một bộ truyền động hoàn chỉnh gồm ba bộ phận chủ yếu:

1. Bộ tích trữ năng lượng: Cung cấp năng lượng không chỉ để đóng máy cắt mà còn đủ cho chu trình tự đóng lại.
2. Bộ điều khiển: Điều khiển quá trình đóng/cắt.
3. Bộ truyền năng lượng: Truyền năng lượng từ nơi tích trữ đến tiếp điểm.

Bộ truyền động lò xo là hệ thống cơ khí dùng để đóng cắt các máy cắt điện.

Nguyên lý hoạt động:

• Năng lượng được tích lũy trong lò xo. Để nén lò xo, người ta dùng động cơ điện và dùng chốt để hãm lò xo ở vị trí nén.
• Quá trình đóng: Khi đóng máy cắt, một nam châm điện sẽ tháo chốt, giải phóng năng lượng của lò xo để đóng máy cắt.
• Quá trình cắt: Dùng một lò xo cắt nhỏ hơn; khi máy cắt ở vị trí đóng, lò xo cắt ở trạng thái căng và được giữ bằng chốt riêng; khi cắt, nam châm cắt giải phóng chốt, tác động tách các đầu tiếp xúc của máy cắt.

Nguyên lý làm việc chi tiết của bộ truyền động CC-1000:

Quá trình đóng:

• Lò xo được nén, tích năng lượng bởi dây xích nối với trục khuỷu, do cụm động cơ điện – hộp số hoặc tay quay qua trục quay.
• Lò xo ở trạng thái chờ nhờ chốt hãm đóng.
• Việc giải phóng chốt hãm thực hiện bằng cách đưa xung điện vào cuộn đóng hoặc nút ấn.
• Khi chốt được giải phóng, năng lượng tích ở lò xo làm quay cam, tác động lên con lăn, hệ thống. đòn khớp và tay đòn, đóng tiếp điểm trong buồng cắt.
• Lò xo cắt được tích năng lượng cho quá trình cắt tiếp theo.
• Trạng thái đóng được chốt hãm cắt cố định.

Quá trình cắt:

• Được thực hiện nhờ giải phóng chốt hãm cắt.
• Lò xo cắt tác động lên thanh truyền động chính, tay đòn và buồng cắt.
• Bộ hoãn xung thủy lực hạn chế xung lực ở cuối hành trình cắt.
• Việc giải phóng chốt hãm cắt thực hiện bằng tay qua nút ấn (cắt bằng tay) hoặc bằng điện qua. cuộn cắt được kích hoạt bởi rơle bảo vệ.

Quá trình tự nạp năng lượng:

• Sau khi đóng, việc tích năng lượng để thực hiện lần đóng tiếp theo của lò xo được thực hiện tự động nhờ cụm động cơ điều khiển công tắc tiếp điểm cuối và chốt hãm đóng.

Rơle chống bơm:

• Không cho phép máy cắt đóng lại tùy tiện khi đóng nhầm như kéo dài thời gian lệnh.

Bộ truyền động thủy lực hoạt động tương tự bộ truyền động khí nén, với bộ phận chủ yếu là hệ thống xilanh – pittông thủy lực và bình chứa nitơ để tích trữ năng lượng cần thiết.

Bộ đệm khí nitơ bị nén truyền áp lực lên dầu thủy lực. Năng lượng để đóng mở các đầu tiếp xúc của máy cắt được truyền bằng pittông thủy lực — nguyên lý hoạt động tương tự bộ truyền động khí nén.

Bộ truyền động khí nén sử dụng năng lượng của khí nén chứa trong bình đặt trực tiếp trong máy cắt.

Cơ cấu chủ yếu gồm hệ thống xilanh – pittông, các van đóng cắt, các cuộn dây đóng cắt.

• Quá trình đóng: Nam châm đóng tác động mở van đóng; không khí nén đẩy pittông đi lên, làm cho các tiếp điểm tiếp xúc lại với nhau.
• Quá trình cắt: Nam châm cắt tác động mở van cắt; không khí nén đẩy pittông đi xuống, các đầu tiếp xúc mở ra.

Bộ truyền động kiểu khí nén yêu cầu phải có máy nén khí và hệ thống ống dẫn áp lực cao, vì vậy thường chỉ sử dụng cho máy cắt không khí và được chế tạo kèm theo máy cắt, hoặc trong trường hợp trạm có số lượng máy cắt lớn.

Bộ truyền động lò xo – thủy lực là cơ cấu kết hợp hệ thống thủy lực và lò xo. Năng lượng được tích lũy trong lò xo nhờ tác động của cơ cấu thủy lực, và cũng được truyền bằng hệ thống thủy lực để đóng mở máy cắt nhờ pittông thủy lực.

Cơ cấu truyền động lò xo – thủy lực được chế tạo theo nhiều kích cỡ khác nhau và đặc biệt phù hợp cho máy cắt khí SF6 kiểu tự thổi.

Khi lựa chọn và kiểm tra máy cắt điện, cần nắm vững các thông số kỹ thuật sau đây.

Điện áp định mức là điện áp cao nhất mà máy cắt có thể làm việc lâu dài. Nó quyết định không chỉ cách điện giữa các pha và giữa pha với đất, mà còn quyết định cấu tạo của buồng dập hồ quang và khoảng cách giữa các đầu tiếp xúc.

Điều kiện chọn:

Udm.MC≥UddU_ geq U_Udm.MC​≥Udd​

Trong đó:

• Udm.MCU_ Udm.MC​: Điện áp định mức của máy cắt (kV)
• UddU_ Udd​: Điện áp danh định của mạng điện (kV)

Dòng điện định mức là dòng điện lớn nhất (trị số hiệu dụng) có thể truyền qua máy cắt một cách liên tục trong các điều kiện làm việc cho trước.

Để máy cắt không bị phát nhiệt khi làm việc, dòng điện làm việc lớn nhất qua máy cắt không được vượt quá dòng điện định mức:

Idm.MC≥ICBI_ geq I_Idm.MC​≥ICB​

Trong đó:

• Idm.MCI_ Idm.MC​: Dòng điện định mức của máy cắt (A)
• ICBI_ ICB​: Dòng điện cưỡng bức – dòng điện làm việc lớn nhất qua máy cắt (A)

Dòng điện ổn định động định mức ioddi_ iodd​ (hay dòng điện đỉnh định mức) là giá trị tức thời lớn nhất đầu tiên của dòng điện trong giai đoạn quá độ có thể truyền qua máy cắt khi ở vị trí đóng, mà không làm cho máy cắt bị hư hỏng do tác động cơ học.

Điều kiện:

iodd≥iXKi_ geq i_iodd​≥iXK​

Trong đó iXKi_ iXK​ là dòng điện xung kích (trị số tức thời lớn nhất của dòng ngắn mạch).

Dòng điện cắt định mức là dòng điện lớn nhất IC.dmI_ IC.dm​ (trị số hiệu dụng) mà máy cắt có thể cắt mạch một cách an toàn khi ngắn mạch, nhiều lần trong giới hạn quy định.

Dòng điện đóng định mức là giá trị đỉnh lớn nhất của dòng điện mà máy cắt có thể đóng mạch một cách an toàn trong thao tác đóng mạch. Thông thường, dòng điện đóng định mức của máy cắt bằng dòng ổn định điện động định mức.

Trong quá trình vận hành, máy cắt điện có thể gặp một số dạng hư hỏng sau đây.

• Phát nóng bất thường tại đầu cực hoặc tiếp điểm: Nguyên nhân thường do tiếp xúc xấu, bề mặt tiếp điểm bị oxy hóa hoặc lực ép tiếp điểm giảm. Biện pháp: Kiểm tra, vệ sinh và điều chỉnh lực ép tiếp điểm.
• Cách điện buồng cắt bị hỏng hoặc già hóa: Cần kiểm tra điện trở cách điện định kỳ; nếu không đạt tiêu chuẩn phải đại tu hoặc thay buồng cắt.
• Hao mòn tiếp điểm quá mức: Xảy ra khi số lần cắt ngắn mạch vượt giới hạn quy định; cần đưa máy cắt ra kiểm tra, thay thế tiếp điểm.

• Máy cắt không đóng được: Nguyên nhân có thể do cuộn đóng bị đứt, nguồn điều khiển không đủ áp, lò xo đóng chưa được nén hoặc cơ cấu cơ khí bị kẹt.
• Máy cắt không cắt được: Nguyên nhân do cuộn cắt bị đứt, nguồn điều khiển sự cố, chốt hãm không nhả hoặc cơ cấu cơ khí bị kẹt.
• Máy cắt đóng cắt không dứt khoát: Do lò xo yếu, mòn, hoặc điều chỉnh sai hành trình.

• Rò rỉ khí SF6: Áp suất khí giảm, đồng hồ báo áp thấp. Cần kiểm tra các mặt bích nối, van nạp khí và các điểm kín. Bổ sung khí SF6 đạt tiêu chuẩn kỹ thuật theo quy định nhà chế tạo.
• Nhiễm bẩn khí SF6: Do hơi ẩm hoặc tạp chất xâm nhập. Cần xử lý làm khô khí hoặc nạp khí mới đạt tiêu chuẩn.

Máy cắt cần được đưa ra bảo dưỡng kịp thời trong các trường hợp sau:

• Đã cắt tổng dòng ngắn mạch tích lũy đến mức quy định.
• Số lần cắt ngắn mạch đạt đến mức quy định.
• Số lần thao tác đóng cắt tổng cộng đến mức quy định.
• Thời gian vận hành kể từ lần bảo dưỡng trước đã đến mức quy định.

Trước mỗi lần thao tác đóng hoặc cắt, nhân viên vận hành cần kiểm tra máy cắt theo các bước sau:

• Kiểm tra mạch điều khiển: Đảm bảo mạch điều khiển tốt, không có điểm chạm đất.
• Kiểm tra chỉ thị trạng thái của máy cắt (đèn báo, đồng hồ).
• Thực hiện đóng cắt thử nếu điều kiện cho phép:
  • Khi thử: Dao cách ly hai phía đã cắt, chỉ đóng dao tiếp địa phía máy cắt.
  • Nếu đóng dao cách ly một phía để thử, phải cắt tất cả các dao tiếp địa ở ngăn máy cắt trước.
• Cho phép kiểm tra trạng thái máy cắt bằng đèn hoặc đồng hồ đo (không cần kiểm tra tại chỗ) trong các trường hợp:
  • Thao tác máy cắt nhưng không thao. tác dao cách ly.
  • Sau khi thao tác cắt máy cắt, tiến hành thao tác dao cách ly bằng điều khiển xa.
  • Thực hiện thao tác điều khiển xa.

Bảng dưới đây tóm tắt so sánh các loại máy cắt điện phổ biến về các tiêu chí kỹ thuật và vận hành: