1. Dòng điện và nhiệt độ (Current and Temperature)
Dòng điện chạy qua dây dẫn luôn sinh ra nhiệt. Dòng điện càng lớn thì dây dẫn càng nóng.
Trạng thái dòng điện bình thường
Khi dòng điện nằm trong giới hạn cho phép, nhiệt lượng sinh ra ở mức an toàn và lớp cách điện của dây dẫn vẫn được bảo vệ.
Trạng thái dòng điện quá mức
Khi dòng điện tăng vượt mức thiết kế, nhiệt độ dây dẫn tăng mạnh gây ảnh hưởng đến hệ thống điện.
Nhiệt độ quá cao có thể làm hư hỏng các thiết bị điện. Nhiệt lớn làm lớp cách điện bị lão hóa, nứt vỡ và bong tróc, khiến phần dẫn điện bị lộ ra ngoài. Vì lý do đó, dây dẫn luôn được quy định một khả năng mang dòng liên tục gọi là:
• Ampacity: Khả năng tải dòng điện liên tục của dây dẫn mà không gây quá nhiệt.
2.Quá tải (Overloads)
Quá tải xảy ra khi quá nhiều thiết bị hoạt động trên cùng một mạch điện hoặc khi thiết bị điện phải làm việc vượt quá khả năng định mức của nó. Khi xảy ra quá tải, thiết bị được kết nối hoặc dây dẫn cấp nguồn cho thiết bị đó có thể bị hư hỏng nếu mạch điện không được ngắt bởi thiết bị bảo vệ quá dòng.
Một số trường hợp quá tải nhỏ có thể được phép tồn tại trong thời gian ngắn, nhưng khi cường độ dòng điện tăng lên, aptomat (circuit breaker) phải tự ngắt nhanh hơn.
3.Ngắn mạch (Short Circuits)
Ngắn mạch là đường dẫn có điện trở rất thấp cho dòng điện, được tạo ra khi các dây dẫn trần chạm vào nhau. Khi xảy ra ngắn mạch trong lúc có điện áp đặt vào, điện trở giảm xuống sẽ làm xuất hiện dòng điện ngắn mạch có thể lớn gấp hàng nghìn lần dòng điện hoạt động bình thường.
Nhiệt sinh ra bởi dòng điện này sẽ gây hư hỏng nghiêm trọng cho thiết bị và dây dẫn được kết nối nếu dòng điện không được ngắt ngay lập tức.
• Conductor → Dây dẫn
• Insulation → Lớp cách điện
Định luật Ohm (Ohm’s Law)
Định luật Ohm mô tả mối quan hệ giữa dòng điện, điện áp và điện trở.
Ví dụ:
Một mạch điện 240 V với điện trở 24 Ω sẽ có dòng điện 10 A.
Khi xảy ra ngắn mạch, điện trở giảm xuống. Nếu điện trở giảm còn 24 milliohm (0,024 Ω), dòng điện sẽ tăng lên tới 10.000 A.
Công thức:
I = E / R
Tính toán:
Bình thường:
I = 240 V / 24 Ω = 10 A
Khi ngắn mạch:
I = 240 V / 0.024 Ω = 10000 A
Để bảo vệ mạch điện khỏi tình trạng quá dòng, một thiết bị bảo vệ phải có khả năng phát hiện sự cố và tự động ngắt thiết bị điện khỏi nguồn điện áp.
Thiết bị bảo vệ quá dòng cần nhận biết được sự khác nhau giữa:
Quá tải (overloads)
Ngắn mạch (short circuits)
Và phản ứng phù hợp với từng trường hợp.
Các trường hợp quá tải nhỏ có thể được phép tồn tại trong thời gian ngắn.
Các trường hợp quá tải lớn cần được xử lý nhanh hơn.
Các trường hợp ngắn mạch phải được ngắt ngay lập tức.
Để bảo vệ mạch điện khỏi tình trạng quá dòng, thiết bị bảo vệ phải phát hiện sự cố và tự động ngắt thiết bị điện khỏi nguồn điện áp. Thiết bị bảo vệ quá dòng cần có khả năng nhận biết sự khác nhau giữa tình trạng quá tải và ngắn mạch để phản ứng phù hợp. • Quá tải nhỏ có thể được cho phép tồn tại trong thời gian ngắn.
• Quá tải lớn cần phản ứng nhanh hơn.
• Ngắn mạch phải được ngắt gần như tức thời.
4.Cầu chì (Fuse)
Cầu chì là thiết bị chỉ sử dụng một lần. Nhiệt sinh ra do quá dòng sẽ làm phần tử dẫn điện bên trong nóng chảy và đứt ra, từ đó ngắt tải khỏi nguồn điện.
• Good Element → Phần tử còn tốt
• Open Element → Phần tử đã đứt
5.Cầu chì không trễ (Non-Time-Delay Fuse)
Cầu chì không trễ cung cấp khả năng bảo vệ ngắn mạch rất tốt.
Khi xảy ra quá dòng, nhiệt sẽ tăng rất nhanh trong cầu chì. Loại cầu chì này thường chịu được khoảng 500% dòng định mức trong khoảng 1/4 giây, sau đó phần tử dẫn điện sẽ nóng chảy.
Điều này có nghĩa là các cầu chì này không thể dùng trong mạch động cơ, vì động cơ thường có dòng khởi động (inrush current) lớn hơn 500%.
6.Cầu chì có trễ (Time-Delay Fuses)
Cầu chì có trễ cung cấp cả khả năng bảo vệ quá tải và ngắn mạch.
Loại cầu chì này thường cho phép dòng điện gấp khoảng 5 lần dòng định mức tồn tại trong tối đa 10 giây để động cơ có thể khởi động.
7.Aptomat / Máy cắt mạch (Circuit Breaker)
Aptomat (Circuit breaker) cung cấp khả năng đóng và ngắt mạch bằng tay, đồng thời bảo vệ quá dòng tự động.
Khác với cầu chì phải thay mới sau khi bị đứt, aptomat có thể được đóng lại sau khi tình trạng quá dòng đã được khắc phục.
Khi gạt cần điều khiển sang vị trí “OFF” rồi trở lại vị trí “ON”, mạch điện sẽ được khôi phục.
Nếu aptomat tiếp tục tự ngắt ngay sau khi reset về vị trí “ON”, mạch điện cần được kiểm tra bởi thợ điện có chuyên môn.
Tất cả aptomat đều thực hiện các chức năng sau
• SENSE → Phát hiện khi xảy ra quá dòng
• MEASURE → Đo mức độ của dòng quá tải
• ACT → Tác động ngắt mạch kịp thời để ngăn hư hỏng cho aptomat và dây dẫn mà nó bảo vệ
8.Hoạt động của aptomat (Circuit Breaker Operation)
Trong hình minh họa sau, một động cơ AC được kết nối với nguồn điện thông qua aptomat.
Khi aptomat đóng:
• sẽ tồn tại đường dẫn hoàn chỉnh cho dòng điện giữa nguồn điện và động cơ,
• cho phép động cơ hoạt động.
Khi mở aptomat:
• đường dẫn dòng điện bị ngắt,
• động cơ dừng hoạt động.
Aptomat sẽ tự động mở khi phát hiện sự cố.
Sau khi sự cố được khắc phục, aptomat có thể được đóng lại để cho phép động cơ tiếp tục hoạt động.
• Circuit Breaker Closed → Aptomat đóng
• Circuit Breaker Open → Aptomat mở
Ghi chú
Tiêu chuẩn NEC® Điều 240 quy định về bảo vệ quá dòng. Người học được khuyến khích tìm hiểu kỹ nội dung này.
