Tìm hiểu cầu chì

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 sử dụng để bảo vệ đường dây dẫn, máy biến áp, động cơ điện, thiết bị điện, mạch điện điều khiển và mạch điện thắp sáng.

Cầu chì có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ lưới điện và các thiết bị truyền động điện trong hệ thống lạnh hoặc trong các dây chuyền công nghệ. Trong trường hợp hệ thống chạy ở chế độ quá tải, dòng điện tăng nhanh, hoặc lưới điện bị mất pha, cầu chì sẽ tự động ngắt mạch để bảo vệ thiết bị khỏi hư hỏng do dòng điện ngắn mạch.

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 thành phần chính của cầu chì, nhạy cảm với giá trị hiệu dụng của dòng điện. Đặc tính điện của cầu chì phụ thuộc vào phần tử này, được chế tạo từ các vật liệu có điện trở suất thấp như chì, nhôm, kẽm, bạc, đồng và hợp kim. Nó thường được tạo thành dạng dây hoặc dải băng dẹt với tiết diện nhỏ ở một số điểm, nhằm tạo ra vùng nóng chảy ưu tiên khi dòng điện vượt quá mức cho phép.

• 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 xảy ra ngắn mạch, dòng điện tăng đột ngột và rất lớn, dẫn đến sự sinh nhiệt mạnh (do nhiệt lượng tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện). Nhiệt lượng này đủ để làm phần tử nóng chảy của cầu chì tan chảy, từ đó ngắt mạch điện và dừng truyền động điện trong hệ thống. Điều này giúp bảo vệ máy móc, thiết bị và cả lưới điện khỏi các hư hỏng do sự cố ngắn mạch gây ra.

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 trong hệ thống bị phá vỡ, phần tử nóng chảy của cầu chì sẽ sinh ra một lượng lớn nhiệt mà tổ hợp cầu chì không thể kịp thời giải tỏa, khiến dây bị nóng chảy. Quá trình này được chia thành hai giai đoạn:

• Giai đoạn tiền hồ quang (tp): Giai đoạn này bắt đầu từ thời điểm t0, khi dòng điện sự cố xuất hiện, cho đến thời điểm tp, khi phần tử nóng chảy đạt đến nhiệt độ tan chảy và hình thành hồ quang điện. Thời gian của giai đoạn này phụ thuộc vào cường độ dòng điện sự cố và khả năng chịu tải của phần tử nóng chảy.
• Giai đoạn hồ quang (ta): Sau khi hồ quang hình thành (từ tp đến tt), quá trình dập tắt hồ quang diễn ra. Năng lượng phát sinh từ hồ quang sẽ làm nóng chảy vật liệu xung quanh phần tử nóng chảy, dập tắt hoàn toàn hồ quang điện. Khi hồ quang dập tắt, điện áp sẽ được thiết lập trở lại ở các cực của cầu chì, và mạch điện bị 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,…

Cầu chì loại g

Cầu chì loại g có khả năng cắt cả hai trường hợp: quá tải và ngắn mạch. Cụ thể, loại cầu chì này có thể chịu được dòng điện định mức và chỉ ngắt khi dòng vượt quá định mức cho phép.

• Khi có ngắn mạch: Cầu chì sẽ tác động tức thời, cắt mạch ngay lập tức để bảo vệ hệ thống điện khỏi hư hại nghiêm trọng.
• Khi có quá tải: Thời gian cắt sẽ tỉ lệ nghịch với mức độ quá tải. Nghĩa là, nếu dòng điện vượt quá định mức càng lớn, thời gian cắt sẽ càng ngắn.

Cầu chì loại a

Cầu chì loại a được thiết kế chuyên biệt để bảo vệ mạch điện khỏi sự cố ngắn mạch, không phải cho quá tải. Loại này cho phép cầu chì chịu đựng dòng quá tải thoáng qua mà không bị nóng chảy, nhưng không đảm bảo bảo vệ trước tình huống quá tải kéo dài hoặc bất thường.

Ký hiệu bảo vệ:

• L: Bảo vệ đường dây.
• M: Bảo vệ các thiết bị khí cụ.

Sử dụng cầu chì cho máy nén: Nên dùng cầu chì ký hiệu gL, vì nó bảo vệ cả ngắn mạch và quá tải.

Yêu cầu đối với cầu chì máy lạnh:

• Chịu được nhiệt do dòng điện dẫn qua trong một thời gian ngắn.
• Phải ngắt nhanh khi có ngắn mạch.
• Không ảnh hưởng đến khả năng khởi động nhiều lần của động cơ 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

Vật liệu	Điện trở suất ở 0°C, Ωmm2/m	Nhiệt độ, °c		Hệ số dãn nở, a, 1/°c
		tcp (cho phép)	tnc (nóng chảy)
Đồng	0,0153	250	1083	0,95.10-4
Bạc	147		961	1,02.10-4
Kẽm	0.06	200	419	0,76.10-4
Thiết	0,21	150	327	0,67.10-4

---

*Nguồn tham khảo: Tự động điều khiển các quá trình nhiệt lạnh – Nguyễn Tấn Dũng, Trịnh Văn Dũng