Ngắn Mạch Là Gì? Nguyên Nhân, Phân Loại Và Cách Bảo Vệ

Ngắn mạch (Short Circuit) là sự cố xảy ra khi các điểm có điện thế khác nhau trong mạch điện tạo thành đường dẫn có tổng trở rất thấp. Dòng điện sự cố khi đó có thể tăng lên rất lớn so với dòng tải bình thường, tạo ra ứng suất nhiệt và lực điện động lớn trên dây dẫn, thanh cái và thiết bị điện.

Trong thiết kế hệ thống điện, ngắn mạch là một trong những điều kiện quan trọng cần được tính toán để lựa chọn MCB, MCCB, ACB, cầu chì, relay bảo vệ và các thiết bị đóng cắt phù hợp. Khả năng cắt của thiết bị phải đáp ứng dòng ngắn mạch dự kiến tại vị trí lắp đặt.

Quick Review

• Ngắn mạch xảy ra khi tổng trở của đường dẫn sự cố giảm xuống rất thấp, làm dòng điện tăng mạnh.
• Các dạng thường gặp gồm ngắn mạch pha–pha, pha–đất, hai pha–đất và ba pha.
• Dòng ngắn mạch phụ thuộc vào nguồn, máy biến áp, dây dẫn, chiều dài tuyến cáp và tổng trở của hệ thống.
• Thiết bị bảo vệ phải có khả năng cắt phù hợp với dòng sự cố tại vị trí lắp đặt.
• MCB, MCCB và ACB có thể đảm nhiệm chức năng bảo vệ quá dòng và ngắn mạch tùy cấu hình.
• LS ELECTRIC có các nhóm thiết bị như Metasol/Susol MCCB, ACB và MCB/RCD phục vụ bảo vệ mạch điện hạ thế.
• ABB có các dòng như Tmax XT, Tmax T, Emax 2 và Emax 3 trong nhóm thiết bị đóng cắt hạ thế.

Ngắn mạch là gì?

Trong trạng thái vận hành bình thường, dòng điện đi qua tải theo đường dẫn được thiết kế với tổng trở xác định. Khi xảy ra sự cố ngắn mạch, dòng điện tạo thành một đường dẫn có tổng trở rất thấp giữa hai hoặc nhiều điểm có điện thế khác nhau.

Theo quan hệ tổng quát:

Trong đó I_k là dòng ngắn mạch, U là điện áp của hệ thống và Z_k là tổng trở nhìn từ điểm sự cố về phía nguồn.

Khi tổng trở tại đường sự cố giảm, dòng điện có xu hướng tăng rất mạnh. Giá trị dòng sự cố không chỉ phụ thuộc vào công suất phụ tải mà còn chịu ảnh hưởng bởi máy biến áp, nguồn điện, dây dẫn, chiều dài cáp và các thành phần trở kháng khác của mạng điện.

Điều gì xảy ra khi hệ thống bị ngắn mạch?

Dòng điện ngắn mạch lớn tạo ra hai nhóm tác động chính: tác động nhiệt và tác động điện động.

Tác động nhiệt

Nhiệt phát sinh trên dây dẫn và các điểm tiếp xúc tăng theo bình phương dòng điện theo quan hệ tổn hao P = I²R. Nếu thiết bị bảo vệ không cắt sự cố trong thời gian phù hợp, nhiệt độ có thể tăng nhanh, làm hỏng lớp cách điện, đầu nối và các bộ phận mang dòng.

Tác động điện động

Dòng sự cố lớn tạo ra lực điện từ tác động lên dây dẫn và thanh cái. Trong tủ điện công suất lớn, khả năng chịu lực động của thanh cái và kết cấu lắp đặt cần được tính toán theo điều kiện ngắn mạch của hệ thống.

Hồ quang điện

Trong quá trình sự cố và đóng cắt, hồ quang có thể hình thành giữa các phần dẫn điện. Hồ quang làm tăng nhiệt độ cục bộ và gây nguy hiểm cho thiết bị cũng như người vận hành. Vì vậy, thiết kế bảo vệ và khả năng cắt của thiết bị đóng cắt phải được xem xét đồng bộ.

Nguyên nhân gây ngắn mạch

Hỏng hoặc suy giảm cách điện

Cách điện bị lão hóa, nứt, cháy, nhiễm ẩm hoặc bị tác động bởi nhiệt có thể tạo điều kiện cho các phần mang điện tiếp xúc với nhau hoặc với đất.

• Cáp điện bị xuống cấp.
• Động cơ có cách điện cuộn dây bị suy giảm.
• Nước hoặc hơi ẩm xâm nhập tủ điện.
• Nhiệt độ vận hành vượt giới hạn thiết kế.

Sai sót trong quá trình đấu nối

Lắp đặt sai pha, khoảng cách cách điện không phù hợp, dây dẫn bị tuột khỏi vị trí đấu nối hoặc vật dẫn rơi vào vùng mang điện đều có thể tạo ra sự cố. Đối với các đầu nối công suất, lực siết và phương pháp đấu nối phải tuân theo yêu cầu của nhà sản xuất thiết bị. Một mối nối lỏng trước hết làm tăng điện trở tiếp xúc và phát nhiệt; nếu nhiệt làm suy giảm cách điện hoặc gây hư hỏng các bộ phận lân cận, sự cố ngắn mạch có thể phát sinh sau đó.

Tác động cơ học và môi trường

• Chuột hoặc động vật làm hư hỏng dây dẫn.
• Vật kim loại rơi vào tủ điện.
• Rung động làm ảnh hưởng đến kết nối.
• Nước, bụi hoặc hóa chất xâm nhập thiết bị.
• Thiết bị bị va đập hoặc biến dạng.

Các dạng ngắn mạch trong hệ thống điện

Ngắn mạch một pha chạm đất

Một dây pha tiếp xúc với đất hoặc phần kim loại nối đất. Dòng sự cố phụ thuộc vào phương thức nối đất của hệ thống và tổng trở của vòng sự cố.

Ngắn mạch hai pha

Hai dây pha tạo thành đường dẫn sự cố với nhau. Giá trị dòng sự cố phụ thuộc vào điện áp hệ thống và tổng trở của mạng điện tại điểm xảy ra sự cố.

Ngắn mạch hai pha chạm đất

Hai pha đồng thời tạo đường dẫn sự cố với đất. Đây là dạng sự cố cần được xét đến trong tính toán bảo vệ và phối hợp bảo vệ.

Ngắn mạch ba pha

Ba pha cùng tham gia vào sự cố. Ngắn mạch ba pha đối xứng thường được sử dụng trong nhiều bài toán tính dòng ngắn mạch ba pha và kiểm tra khả năng chịu/cắt của thiết bị. Tuy nhiên, không nên mặc định mọi sự cố ba pha đều tạo ra giá trị dòng lớn nhất trong mọi điều kiện; giá trị thực tế phải được xác định từ mô hình và thông số của hệ thống.

 

Vì sao phải tính dòng ngắn mạch?

Việc tính toán dòng ngắn mạch giúp xác định mức độ sự cố mà hệ thống có thể phải chịu và là cơ sở để lựa chọn thiết bị đóng cắt. Một số thông số quan trọng gồm:

• Dòng ngắn mạch dự kiến tại từng vị trí.
• Khả năng cắt của MCB, MCCB hoặc ACB.
• Khả năng chịu dòng ngắn hạn của thanh cái.
• Khả năng chịu nhiệt của dây dẫn.
• Điều kiện phối hợp và chọn lọc giữa các cấp bảo vệ.
• Thông số chỉnh định của relay bảo vệ.

ABB lưu ý rằng khi thiết kế tủ điện hoặc hệ thống phân phối, cần xem xét cả ứng suất nhiệt và ứng suất động do dòng ngắn mạch cực đại tại điểm đấu nối gây ra. Khả năng cắt của thiết bị phải phù hợp với dòng sự cố dự kiến.

Thiết bị nào bảo vệ hệ thống khỏi ngắn mạch?

MCB

MCB thường được sử dụng cho các mạch điện cuối và tải có dòng định mức nhỏ. Cơ cấu bảo vệ từ hoặc điện tử của thiết bị có thể tác động nhanh khi xuất hiện dòng sự cố lớn, tùy loại MCB.

MCCB

MCCB được sử dụng ở các cấp phân phối có dòng điện lớn hơn MCB và có nhiều lựa chọn về dòng định mức, khả năng cắt và bộ bảo vệ.

LS ELECTRIC hiện có các dòng Susol MCCB và Metasol MCCB/ELCB. Hệ thống Product Finder của LS cho phép lựa chọn theo series, frame, breaking capacity, trip unit và dòng định mức.

ABB có các dòng Tmax XT và Tmax T trong nhóm MCCB. Tmax XT có nhiều cấu hình bộ bảo vệ và khả năng phối hợp với các thiết bị khác trong hệ thống phân phối hạ thế.

ACB

ACB thường được sử dụng tại tủ điện tổng, tủ MSB và các cấp phân phối có dòng định mức lớn. Bộ trip điện tử có thể cung cấp nhiều chức năng bảo vệ và hỗ trợ phối hợp giữa các cấp thiết bị.

LS ELECTRIC có các dòng Metasol/Susol ACB. Danh mục LS hiện có ACB với các tùy chọn về dòng định mức, frame, trip unit và cấu hình lắp đặt.

ABB cung cấp SACE Emax 2 và thế hệ Emax 3 cho nhóm ACB hạ thế. Emax 2 có các chức năng bảo vệ, đo lường, điều khiển và truyền thông tùy cấu hình bộ trip.

Cầu chì

Cầu chì sử dụng phần tử nóng chảy để ngắt mạch khi dòng điện vượt quá giới hạn thiết kế trong khoảng thời gian tương ứng. Cầu chì vẫn được sử dụng trong nhiều hệ thống điện và có các đặc tính giới hạn dòng phù hợp với từng ứng dụng.

 

Khả năng cắt của MCCB và ACB có ý nghĩa gì?

Đây là thông số cần đặc biệt chú ý khi lựa chọn thiết bị bảo vệ ngắn mạch. Ví dụ, nếu dòng ngắn mạch dự kiến tại một tủ điện đạt mức cao, không thể chỉ chọn MCCB dựa trên dòng tải 250 A rồi bỏ qua khả năng cắt. Thiết bị phải có khả năng cắt phù hợp với dòng sự cố dự kiến tại vị trí đó.

Trong tài liệu kỹ thuật của thiết bị, các thông số như Icu, Ics, Icw có ý nghĩa khác nhau và không nên dùng thay thế cho nhau. Giá trị áp dụng phải được kiểm tra theo tiêu chuẩn, điện áp làm việc, cấu hình thiết bị và tài liệu kỹ thuật của đúng model.

ABB cũng sử dụng các thông số khả năng cắt và chịu dòng ngắn hạn trong việc xác định cấu hình bảo vệ. Việc phối hợp giữa các thiết bị cần dựa trên dữ liệu của nhà sản xuất thay vì chỉ so sánh dòng định mức.

Phối hợp bảo vệ ngắn mạch giữa các cấp

Một hệ thống điện có thể có nhiều cấp bảo vệ: ACB tại tủ tổng, MCCB tại tủ phân phối và MCB tại các mạch cuối. Khi xảy ra sự cố, mục tiêu của phối hợp bảo vệ là thiết bị gần điểm sự cố tác động phù hợp, hạn chế phạm vi mất điện. Đối với các hệ thống có yêu cầu cao về tính chọn lọc, cần kiểm tra đường cong thời gian–dòng điện, các ngưỡng bảo vệ và bảng phối hợp do nhà sản xuất cung cấp.

ABB có tài liệu về các phương pháp selectivity giữa Emax 2, Tmax XT và các thiết bị hạ thế khác; giá trị phối hợp cụ thể phụ thuộc tổ hợp thiết bị và cấu hình bộ bảo vệ.

LS và ABB trong hệ thống bảo vệ ngắn mạch

LS ELECTRIC và ABB đều có hệ thống thiết bị đóng cắt hạ thế phục vụ bảo vệ quá dòng và ngắn mạch, từ mạch cuối đến tủ phân phối công suất lớn.

• LS ELECTRIC: MCB/RCD, Metasol MCCB/ELCB, Susol MCCB và Metasol/Susol ACB.
• ABB: MCB, Tmax XT, Tmax T, Emax 2 và Emax 3.

Việc lựa chọn giữa các dòng thiết bị cần dựa trên điện áp hệ thống, dòng tải, dòng ngắn mạch dự kiến, yêu cầu cắt, phương thức lắp đặt và khả năng phối hợp bảo vệ. Không nên chọn MCCB hoặc ACB chỉ theo dòng định mức của tải.

Cách giảm nguy cơ sự cố ngắn mạch

• Kiểm tra tình trạng cách điện của dây dẫn và thiết bị.
• Kiểm tra tủ điện định kỳ.
• Siết và kiểm tra các điểm đấu nối theo yêu cầu kỹ thuật của thiết bị.
• Sử dụng đầu cos và phụ kiện đấu nối đúng loại, đúng tiết diện.
• Giữ khoảng cách cách điện phù hợp trong tủ điện.
• Ngăn nước, bụi, kim loại và vật lạ xâm nhập vào tủ.
• Kiểm tra nhiệt độ tại các điểm đấu nối bằng phương pháp phù hợp.
• Tính toán dòng ngắn mạch khi thiết kế hoặc cải tạo hệ thống.
• Kiểm tra khả năng cắt của MCCB, ACB, MCB và cầu chì trước khi lựa chọn.
• Thực hiện phối hợp bảo vệ khi hệ thống có nhiều cấp đóng cắt.

Điện Hạ Thế cung cấp thiết bị bảo vệ LS và ABB

Điện Hạ Thế cung cấp các sản phẩm thiết bị điện LS ELECTRIC và ABB, trong đó có các nhóm thiết bị phục vụ bảo vệ và phân phối điện như MCB, MCCB, ACB và các phụ kiện liên quan. Khi lựa chọn thiết bị chống ngắn mạch, khách hàng nên cung cấp ít nhất điện áp hệ thống, dòng tải, công suất nguồn hoặc máy biến áp, vị trí lắp đặt và thông tin về dòng ngắn mạch nếu đã được tính toán. Với hệ thống chưa có giá trị dòng ngắn mạch, cần xác định các thông số nguồn để thực hiện tính toán trước khi chọn khả năng cắt.

Liên hệ Ms Nhung – 0907 764 966 để trao đổi về MCCB LS, ACB LS, MCCB ABB, ACB ABB và các thiết bị điện công nghiệp khác tại Điện Hạ Thế.

 

FAQ – Câu hỏi thường gặp về ngắn mạch

Ngắn mạch khác quá tải như thế nào?

Quá tải xảy ra khi dòng điện vượt dòng định mức trong điều kiện mạch vẫn duy trì đường dẫn bình thường, thường do tải tăng cao hoặc thiết bị vận hành vượt công suất thiết kế. Ngắn mạch tạo ra một đường dẫn có tổng trở rất thấp giữa các điểm có điện thế khác nhau, khiến dòng sự cố có thể tăng rất nhanh lên mức cao hơn nhiều lần dòng tải.

Chọn MCCB chống ngắn mạch theo dòng tải có đủ không?

Không. Ngoài dòng định mức, cần kiểm tra khả năng cắt của MCCB và dòng ngắn mạch dự kiến tại vị trí lắp đặt. Điện áp hệ thống, cấu hình mạng điện và yêu cầu phối hợp bảo vệ cũng cần được xem xét. Hai MCCB cùng có dòng định mức 250 A nhưng có khả năng cắt khác nhau không nhất thiết phù hợp với cùng một vị trí trong hệ thống.

LS và ABB có những thiết bị nào dùng để bảo vệ ngắn mạch?

LS ELECTRIC có các nhóm MCB/RCD, Metasol MCCB/ELCB, Susol MCCB và Metasol/Susol ACB. ABB có các dòng Tmax XT, Tmax T, Emax 2 và Emax 3 cùng các thiết bị đóng cắt hạ thế khác. Việc chọn model phải dựa trên dòng tải, điện áp, dòng ngắn mạch dự kiến, khả năng cắt và yêu cầu phối hợp bảo vệ của hệ thống.
Bài viết liên quan

 

---