Cầu chì: chức năng, cấu tạo, nguyên lí, phân loại, tính chọn dây

Hiện nay do công nghệ bán dẫn phát triển mạnh, một số nước tiên tiên đã ứng dụng công nghệ bán dẫn để chế tạo cầu chì. Cùng tìm hiểu chức năng, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cách tính toán tiết diện dây chảy cầu chì qua bài viết dưới đây nhé. 

Chức năng của cầu chì

Cầu chì là một loại khí cụ dùng để bảo vệ thiết bị và lưới điện khỏi dòng điện ngắn mạch. Nó thường được bảo vệ đường dây dẫn, máy biến áp, động cơ điện, thiết bị điện, mạch điện điều khiển, mạch điện thắp sáng,…

Cầu chì dùng để bảo vệ lưới điện và các thiết bị truyền động điện trong hệ thống lạnh hay trong một hệ thống dây chuyền công nghệ nào đó, trong trường hợp hệ thống chạy ở chế độ quá tải dòng điện tăng nhanh, hoặc lưới điện bị mất pha, dòng điện bị ngắn mạch…v.v.

Cấu tạo 

1- Vỏ cầu chì được làm bằng thuỷ tinh hoặc bằng sứ, 2- Dây chì (hoặc kim loại dẫn điện khác)
3- Khớp nối vào mạch điện bảo vệ.

Phần tử nóng chảy

Phần tử nóng chảy là phần cốt lõi của cầu chì. Nó nhạy cảm với giá trị hiệu dụng của dòng điện. Các đặc tính về điện phụ thuộc vào phần tử nóng chảy này. Nó được cấu tạo bằng những vật liệu có điện trở suất nhỏ (chì, nhôm, kẽm, bạc, đồng, hợp kim thích hợp,…). Nó được thể hiện dưới dạng dây hay dải băng dẹt có tiết diện giảm để tạo nên vùng nóng chảy ưu tiên.

• Khi lựa chọn kim loại làm dây chảy cần chú ý những điều kiện sau:
• Điểm nóng chảy phải thấp.
• Khối lượng vật liệu cần thiết phải ít, quán tính nhiệt phải nhỏ.
• Nhiệt độ ion hóa của hơi kim loại cần phải cao để dễ dập tắt hồ quang.

Thân làm vỏ cầu chì

Thân làm vỏ cầu chì thường bằng thủy tinh, bằng sứ hay bằng các vật liệu tương đương khác, nhưng chúng phải thỏa mãn các điều kiện sau:

• Sức bền cơ khí tốt.
• Dẫn nhiệt tốt.
• Khả năng chịu đựng được xung nhiệt

Bên trong thân cầu chì thường sử dụng chất liệu cơ bản của silic dạng hạt, vai trò của chất liệu này là hấp thụ năng lượng của hồ quang và đảm bảo sẽ ngăn cách điện sau khi cắt.

Ngoài ra, các chi tiết nối với nhau phải đảm bảo cố định chắc chắn dây chảy trên khí cụ điện để thực hiện chức năng cắt mạch điện, đảm bảo trạng thái tiếp xúc điện tốt, nhằm tránh đốt nóng cục bộ làm cầu chì tác động sai lệch.

Nguyên lý hoạt động

Khi dòng điện bị ngắn mạch, dòng điện tăng lên rất lớn và tức thời, do vậy nhiệt lượng sinh ra rất lớn ( vì nó tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện ), nhiệt lượng này đủ làm cầu chì chảy ra cắt mạch điện, ngừng quá trình truyền động điện cho hệ thống. Như vậy nó bảo vệ được máy móc và thiết bị trong hệ thống và cả lưới điện cung cấp.

Đối với dòng điện định mức

Khi có dòng điện định mức chạy qua, năng lượng nhiệt sinh ra trên cầu chì sẽ tỏa ra môi trường và không gây nên sự nóng chảy. Sự cân bằng nhiệt sẽ được thiết lập ở một giá trị nào đó mà không gây nên sự già hóa hay phá hỏng bất cứ phần tử nào của cầu chì.

Đối với dòng ngắn mạch

Khi xuất hiện ngắn mạch, sự cân bằng nhiệt sẽ bị phá vỡ, phần tử nóng chảy sẽ sinh rất nhiều nhiệt lượng mà tổ hợp của cầu chì không thể giải thoát hết nhiệt lượng này, do đó, dây bị nóng chảy. Người ta chia thành hai giai đoạn: (hình minh họa)

• Giai đoạn tiền hồ quang (t_p): Nó sẽ đi từ thời điểm t₀ lúc bắt đầu của dòng điện sự cố cho đến thời gian tp là thời điểm đã xảy ra sự nóng chảy và xuất hiện hồ quang điện. Khoảng thời gian của giai đoạn tiền hồ quang phụ thuộc vào giá trị của dòng điện sự cố và khả năng tiếp nhận của phần tử nóng chảy.
• Giai đoạn hồ quang (t_a): Nó sẽ đi từ thời điểm tp cho đến thời điểm t_t – là thời điểm dập tắt hoàn toàn hồ quang. Trong khoảng thời gian của quá trình này, năng lượng được phát sinh ra bởi hồ quang sẽ nấu chảy vật chất làm đầy xung quanh nhằm dập tắt hồ quang. Do đó, điện áp được thiết lập trở lại ở các cực của cầu chì và mạch điện được cắt hoàn toàn.

Trong đó:

• t₀ là thời điểm bắt đầu của sự cố ngắn mạch.
• t_p là thời điểm kết thúc của tiền hồ quang.
• t₁ là thời điểm kết thúc của giai đoạn hồ quang.
• I_p là dòng điện ngắn mạch giả định.
• (1) Dòng điện tiền hồ quang.
• (2) Dòng ngắn mạch giả định.
• (3) Dòng điện trong giai đoạn xuất hiện hồ quang.

Phân loại

Theo cấu tạo, ta có các loại như: cầu chì loại hở, cầu chì loại vặn, cầu chì hộp, cầu chì loại kín trong ông không có cát thạch anh, cầu chì loại kín trong ống có cát thạch anh,…

Theo đặc tính làm việc, cầu chì được phân làm hai loại: loại g và loại a.

Cầu chì loại g

Cầu chì này có khả năng cắt quá tải và ngắn mạch. Loại này có thể duy trì ở dòng định mức và ngắt khi vượt dòng định mức.

• • Với cường độ của dòng điện ngắn mạch, cầu chì sẽ tác động cắt tức thời.
  • Với dòng điện quá tải, thời gian cắt sẽ tỉ lệ nghịch với giá trị dòng quá tải.

Cầu chì loại a

Đây là loại cầu chì chỉ dùng để bảo vệ ngắn mạch. Loại này cho phép cầu chì chịu đựng được với các dòng quá tải thoáng qua mà không bị nóng chảy. Và như vậy, sự bảo vệ đối với việc quá tải không bình thường (quá tải sự cố) cũng không được đảm bảo.

Các đối tượng bảo vệ được ký hiệu bằng các chữ cái: L cho đường dây và M cho các khí cụ. Để bảo vệ máy nén nên sử dụng loại cầu chì ký hiệu “g_L” chống cả ngắn mạch và quá tải. Một cầu chì dùng cho máy lạnh cần đạt được các yêu cầu sau:

• • Chịu được sự đốt nóng dây dẫn trong một khoảng thời gian nhất định.
  • Cần ngắt thật nhanh trường hợp ngắn mạch.
  • Không cản trở động cơ khởi động nhiều lần với dòng khởi động cao.

Tính toán chọn tiết diện dây chảy của cầu chì

Khi dòng qua cầu chì I_tt = I_dc= I_th dòng tới hạn của cầu chì, có nghĩa khi dòng qua cầu chì đạt tới giá trị này thì cầu chì bắt đầu nóng chảy, ngắt mạch để bảo vệ phụ tải. Lúc đó phuong trình cân bằng nhiệt đuợc viết như sau:

R.I²_th= k_T.F_xq.(t_nc – t₀)   

Trong đó:       

• k_T: hệ số truyền nhiệt của dây chảy với môi trường xung quanh, W/(m².°C).
• F_xq= π .d.L : diện tích xung quanh của dây chảy, m².
• d: đường kính của dây chảy, m
• L: chiều dài của dây chảy, m.
• t_nc: nhiệt độ nóng chảy của vật liệu dây chảy, °c.
• t₀: nhiệt độ môi trường xung quanh, °c.                                           
• R =P₀.(1+ α.t_nc). (4.L)/π .d² : điện trở của dây chảy,Ω.
• p₀: điện trở suất của dây chảy ở 0°c, Ωmm²/m.
• α : hệ số dãn nở của dây chảy, 1/°c.

Các thông số vật lý của vật liệu làm dây chảy