Quá trình ngắt mạch của các thiết bị đóng cắt rất dễ xảy ra hiện tượng hồ quang điện, gây hư hại cho thiết bị và hệ thống. Máy cắt khí SF6 được ưu tiên sử dụng trong các trường hợp này để dập tắt hồ quang một cách nhanh chóng. Vậy máy cắt khí SF6 là gì? Cùng Etinco tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý làm việc và ứng dụng của thiết bị đóng ngắt này trong bài viết dưới đây.
Khái niệm máy cắt khí SF6
Máy cắt khí SF6 hay máy cắt lưu huỳnh Hexafluoride là thiết bị đóng cắt mạch điện cao thế ở mọi chế độ vận hành: chế độ không tải, chế độ tải định mức và chế độ sự cố nhằm đảm bảo an toàn cho hệ thống truyền tải và phân phối điện trung thế đến cao thế trước tình trạng ngắn mạch và quá tải. Đặc biệt, thiết bị đóng cắt này được sử dụng để dập hồ quang một cách hiệu quả và triệt để trong các nhà máy điện, lưới điện.
Máy cắt SF6 sử dụng khí SF6 làm môi trường cách điện để dập hồ quang. So với các chất cách điện như không khí, dầu và chân không, SF6 có độ bền điện môi và độ ổn định nhiệt vượt trội. Ngoài ra, SF6 không bắt lửa, không độc hại và có khả năng dập tắt hồ quang nhanh chóng nhờ đặc tính truyền nhiệt hiệu quả và độ âm điện rất cao.
SF6 có xu hướng hấp thụ mạnh các electron tự do từ hồ quang khi xảy ra hiện tượng phóng điện giữa các tiếp điểm, sau đó tạo ra điện trở trên các tiếp điểm và cuối cùng là dập tắt hồ quang. Sau khi hồ quang bị dập tắt, khí SF6 tái sinh gần như ngay lập tức để tiếp tục khử ion cho tiếp điểm và thiết lập môi trường cách điện cần thiết nhằm ngăn chặn sự đánh lửa trở lại.
Thực tế, máy cắt kiểu dập hồ quang bằng dầu đã được sử dụng từ thế kỷ 20 cho hệ thống phân phối điện trung thế trong tủ điện trung thế. Tuy nhiên, dập hồ quang kiểu này có nhược điểm lớn là nguy cơ cháy và chi phí bảo trì cao. Sự ra đời của máy cắt khí SF6 không chỉ thay thế các thiết bị máy cắt lỗi thời trong ngành công nghiệp điện như máy cắt dập hồ quang bằng dầu, máy cắt không khí kết hợp lõi từ không khí mà còn đảm bảo tính an toàn, tăng hiệu suất hoạt động của thiết bị đóng cắt và thân thiện với môi trường.
Tính chất của máy cắt SF6
SF6 trở thành môi trường dập hồ quang tuyệt vời là do các tính chất vật lý và tính chất hóa học đặc thù sau đây.
Tính chất vật lý:
- Khí không cháy, không màu, không mùi.
- Độ bền điện môi cao, đặc tính cách điện cực tốt.
- Có mật độ cao và nặng hơn không khí, giúp bao bọc hồ quang trong quá trình vận hành.
- Hóa lỏng ở nhiệt độ thấp phụ thuộc vào áp suất.
Tính chất hóa học:
- Khí SF6 ổn định và trơ về mặt hóa học.
- Ở dạng tinh khiết, SF6 không độc hại và không gây nguy hiểm cho sức khỏe con người.
- Độ âm điện cao, tạo áp lực mạnh với các electron tự do.
- Dập tắt hồ quang nhanh chóng và dễ dàng tái sinh để tái sử dụng.
- Không có tính ăn mòn.
Tính chất điện:
- Chất cách điện tuyệt vời, cao hơn nhiều so với không khí, dầu hay chân không.
- Độ dẫn nhiệt cao
- Cần ít năng lượng để dập hồ quang, giúp giảm hao mòn.
- Tần số của điện áp không ảnh hưởng đến độ bền điện môi.
Ưu, nhược điểm của máy cắt SF6
Ưu điểm:
- Có đặc tính dập hồ quang vượt trội, hiệu quả hơn không khí gấp 100 lần.
- Có độ bền điện môi cao do độ âm điện. Độ bền này tăng khi áp suất tăng.
- Có thể ngắt dòng điện lớn.
- Thiết kế nhỏ gọn, cần ít không gian và chi phí lắp đặt.
- Có thể xử lý được mọi hiện tượng chuyển mạch.
- Có hệ thống khí khép kín không rò rỉ nên có thể được lắp đặt trong các môi trường khắc nghiệt.
- Độ bền điện môi không giảm vì không hình thành hạt cacbon.
- Không yêu cầu hệ thống nén khí đắt tiền và cồng kềnh, ngoại trừ loại áp suất kép hiện đã lỗi thời.
- Không gây tiếng ồn trong quá trình hoạt động.
- Không độc hại ở trạng thái tinh khiết.
- Không bắt lửa, nên không có nguy cơ gây hỏa hoạn.
- Ít cần bảo trì.
Nhược điểm:
- Sự rò rỉ các khí phụ phẩm được tạo ra bởi khí SF6 trong quá trình hồ quang gây độc hại cho môi trường.
- SF6 phân hủy rất độc hại.
- SF6 là một loại khí đắt tiền nên các dòng máy cắt SF6 rất tốn kém.
- Phải liên tục theo dõi tình trạng rò rỉ SF6 từ các mối nối.
- Cần được vận chuyển đặc biệt và phải đảm bảo chất lượng khí.
- SF6 nặng hơn oxy và có thể gây khó thở.
- Việc kết hợp và tái chế khí SF6 đòi hỏi phải có thiết bị bổ sung.
Cấu tạo máy cắt SF6
Máy cắt khí SF6 gồm 2 thành phần chính là đơn vị ngắt và hệ thống khí.
- Đơn vị ngắt: Bộ phận ngắt mạch gồm hai loại tiếp điểm mang dòng điện là tiếp điểm cố định và tiếp điểm chuyển động. Các tiếp điểm cố định không di chuyển, trong khi tiếp điểm động di chuyển qua lại trong khoảng một cánh tay. Bộ phận này có một lỗ thông hơi cho khí SF6 nén vào và ra để làm mát hồ quang cũng như dập tắt hồ quang.
- Hệ thống khí: SF6 là loại khí rất đắt tiền và việc phát thải khí sản phẩm có thể gây nguy hiểm cho môi trường. Vì vậy, SF6 đã qua sử dụng được kết hợp lại trong một hệ thống khí kín để tái sử dụng.
Về cấu tạo chi tiết, máy cắt khí SF6 thường gồm các bộ phận sau:
- Khoang cắt
- Sứ cách điện
- Trụ đơ
- Lò xo cắt
- Ống khí SF6
- Đồng hồ và bộ giám sát áp suất SF6
- Điểm nối tiếp địa
- Thanh truyền động
- Cờ chỉ thị trạng thái máy cắt
Nguyên lý làm việc của máy cắt SF6
Khí SF6 được nén và lưu trữ bên trong một bình chứa. Khi máy cắt thực hiện ngắt mạch trong trường hợp có sự cố điện, SF6 sẽ được phân tán cùng lúc thông qua các vòng cung bên trong máy tới các tiếp điểm xảy ra hiện tượng hồ quang điện.
Về bản chất, hồ quang là chuyển động của các điện tích chứa các electron tự do. SF6 có độ âm điện cao, hấp thụ các electron tự do tạo thành các ion âm. Các ion này nặng hơn và có độ linh động thấp so với các electron tự do.
Do khối lượng lớn của các ion âm được hình thành, chuyển động của các điện tích giảm giữa các tiếp điểm. Từ đó làm tăng cường độ điện môi của môi trường để dập tắt hồ quang ở dòng điện bằng không.
Hướng chuyển động của dòng SF6 trong máy cắt khí
Sau khi dập hồ quang, SF6 bị phân hủy nhanh chóng kết hợp trở lại trạng thái ban đầu trong hệ thống khí. Sau đó được nén trở lại phần bình chứa áp lực cao để tái sử dụng.
Khí sulfur Hexafluoride chỉ dùng để cách điện và dập hồ quang. Nếu áp lực của SF6 trong buồng chứa tiếp điểm không đạt yêu cầu quy định, khả năng dập hồ quang và cách điện cũng không đảm bảo. Khi đó cần yêu cầu nạp lại khí SF6 và kiểm tra việc rò rỉ.
Xem thêm một loại máy cắt sử dụng khí khác để dập hồ quang: Máy cắt không khí ACB là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Phân loại máy cắt khí SF6
Máy cắt khí SF6 được chia thành 3 loại phổ biến là loại không có Puffer, loại áp suất đơn và loại áp suất kép.
Máy cắt khí SF6 không có Puffer
Đây là loại máy cắt khí SF6 đầu tiên được phát minh không bao gồm xi lanh phun, tức là không phụ thuộc vào luồng khí áp suất cao để dập tắt hồ quang điện trong quá trình ngắt mạch. Loại máy cắt này hoạt động tương tự nguyên lý của máy thổi khí.
Cấu tạo
Máy cắt khí không có Puffer có cấu tạo cơ bản như các dòng máy cắt khí SF6 thông thường với 2 bộ phận chính là buồng khí và bộ phận ngắt.
Khí SF6 được nén và lưu trữ bên trong buồng khí. Buồng khí được kết nối với bộ phận ngắt thông qua một van. Van được liên kết với chuyển động của các tiếp điểm. Ngay khi các tiếp điểm tách ra, van được mở ra để giải phóng khí SF6.
Quá trình dập tắt hồ quang xảy ra bên trong bộ phận ngắt hoặc buồng hồ quang. Bộ phận ngắt gồm tiếp điểm động và tiếp điểm cố định đều là các xi lanh rỗng. Tiếp điểm cố định có 1 lớp sừng hồ quang bao quanh để kiểm soát hồ quang. Đầu sừng hồ quang được phủ bằng đồng-vonfram để tăng điện trở. Tiếp điểm động bao gồm một lỗ thông hơi. Lỗ thông hơi được sử dụng làm đầu ra cho khí SF6 từ buồng hồ quang.
Tiếp điểm động di chuyển qua lại được gắn với bộ truyền động thông qua thanh cách điện kích hoạt toàn bộ cụm tiếp điểm chuyển động. Bộ truyền động được đồng bộ hóa với van của buồng khí, giải phóng khí theo cùng chuyển động mà tiếp điểm tách ra.
Nguyên lý làm việc
Trong điều kiện bình thường, các tiếp điểm đóng, SF6 nén ở trong buồng khí. Khi xảy ra sự cố, tiếp điểm động bắt đầu di chuyển và tách khỏi tiếp điểm cố định. Môi trường xung quanh các tiếp điểm bị ion hóa và hồ quang được tạo ra giữa các tiếp điểm.
Lúc này, van của buồng khí sẽ mở và giải phóng SF6 vào buồng hồ quang. SF6 hấp thụ năng lượng và dập tắt hồ quang ngay lập tức. Khi hoàn thành nhiệm vụ, khí được nén lại và lưu trữ trong buồng để tái sử dụng.
Máy cắt khí SF6 áp suất đơn
Trong máy cắt SF6 áp suất đơn, khí SF6 được lưu trữ ở áp suất cao khoảng 20 BA trong bình chịu áp suất. Các tiếp điểm được mở và đóng bằng chuyển động của thanh vận hành.
Cấu tạo
Máy cắt loại này có cấu tạo phức tạp hơn so với máy cắt không có ống thổi, bao gồm một bình chứa SF6 áp suất cao, buồng phun và một vòi dập hồ quang. Các tiếp điểm cố định và chuyển động được đặt bên trong buồng phun.
Giữa 2 tiếp điểm cố định có một khoảng hở nhỏ. Một xi lanh phun sẽ đặt trên đỉnh, bên trong nạp đầy khí SF6. Khi xi lanh di chuyển, thể tích sẽ thay đổi do piston cố định. Bên trong xi lanh có các lỗ thông hơi để khí vào và ra. Các lỗ thông hơi này bị chặn bởi tiếp điểm cố định mở ra khi xi lanh di chuyển xuống dưới. Lỗ bên trong tiếp điểm cố định được sử dụng để khí vào khi xi lanh ở vị trí đóng.
Nguyên lý làm việc
Trong điều kiện bình thường, bình phun ở vị trí đóng, tương ứng các tiếp điểm cũng đóng lại. Bình được nạp khí SF6. Vì các lỗ thông hơi được đóng lại bởi tiếp điểm cố định nên khí SF6 vẫn nằm bên trong bình.
Khi có sự cố xảy ra, xi lanh di chuyển xuống dưới để phá vỡ kết nối giữa các tiếp điểm cố định. Môi trường ion hóa và hồ quang được tạo ra giữa các tiếp điểm.
Do chuyển động hướng xuống và piston đứng yên, thể tích bên trong xi lanh giảm đi, nén khí SF6 bên trong. Các lỗ thông hơi mở ra khi xi lanh di chuyển, giải phóng SF6 với tốc độ cao qua các lỗ thông hơi. Hồ quang được dập tắt và các tiếp điểm được mở hoàn toàn.
Máy cắt khí SF6 áp suất kép
Trong máy cắt SF6 áp suất kép, khí được lưu trữ ở hai mức áp suất khác nhau: áp suất cao (khoảng 20 BA) và áp suất thấp (khoảng 3-4 BA), giúp kiểm soát tốt hơn việc giải phóng khí SF6 trong quá trình vận hành máy cắt.
Cấu tạo
Máy cắt mạch SF6 loại phun áp suất kép có thiết kế tiên tiến hơn, bao gồm hai buồng áp suất, một buồng áp suất cao và một buồng áp suất thấp. Các tiếp điểm cố định và chuyển động được đặt bên trong buồng áp suất cao.
Tiếp điểm động rỗng từ bên trong có một xi lanh chứa khí SF6 nén. Đầu tiếp điểm động được thiết kế tạo thành một vòi phun làm tăng tốc độ của khí khi đi qua tiếp điểm.
Tiếp điểm cố định được thiết kế để chặn dòng khí SF6 khi ở vị trí đóng. Khi các tiếp điểm tách ra, đường dẫn khí sẽ mở ra, giải phóng luồng khí SF6.
Nguyên lý làm việc
Trong điều kiện bình thường, các tiếp điểm được kết nối chặn khí SF6 bên trong. Khi xảy ra sự cố, tiếp điểm di chuyển tách khỏi tiếp điểm cố định và tạo ra hồ quang. Lúc này, khí SF6 có áp suất cao được giải phóng.
Áp suất bên trong xi lanh cao hơn áp suất bên ngoài, do đó, khí chảy ra. Vòi phun giúp tăng tốc độ của khí để nhanh chóng dập tắt hồ quang. Khí SF6 sau đó sẽ được lọc và lưu trữ trong bình để tái sử dụng.
Ứng dụng máy cắt khí SF6
SF6 là chất cách điện ưu việt, thế nên máy cắt khí SF6 được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống điện cao thế và trung thế.
- Truyền tải và phân phối điện: Được sử dụng trong mạng lưới phân phối điện trung thế và cao thế để bảo vệ máy biến áp, đường dây mạch điện và các thiết bị quan trọng khác, đồng thời duy trì nguồn cung cấp điện ổn định trên toàn hệ thống.
- Nhà máy công nghiệp: Được sử dụng trong các cơ sở công nghiệp để bảo vệ thiết bị điện khỏi tình trạng đoản mạch và quá tải.
- Đường sắt: Được sử dụng trong hệ thống điện khí hóa đường sắt để đảm bảo phân phối điện đáng tin cậy.
- Máy biến áp: Cô lập các đơn vị bị lỗi khỏi lưới điện, giảm thiểu rủi ro hư hỏng và ngăn ngừa gián đoạn nguồn cung cấp điện cho máy biến áp.
- Hệ thống thiết bị chuyển mạch: Tính chất cách điện vượt trội và khả năng dập hồ quang nhanh của máy cắt SF6 giúp duy trì sự ổn định của lưới điện và ngăn ngừa tình trạng mất điện kéo dài.
- Năng lượng tái tạo: Được sử dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo như trang trại gió và nhà máy điện mặt trời.
So sánh máy cắt khí SF6 và máy cắt chân không
Máy cắt khí SF6 và máy cắt chân không VCB có cùng chức năng dập hồ quang điện, tuy nhiên, giữa 2 thiết bị này vẫn có nhiều điểm khác biệt rõ rệt.
| Tiêu chí | Máy cắt khí SF6 | Máy cắt chân không |
| Năng lượng hồ quang | Năng lượng hồ quang thấp (điện áp hồ quang là từ 150 đến 200V) | Năng lượng hồ quang rất thấp (điện áp hồ quang là từ 50 đến 100V) |
| Sự ăn mòn tiếp điểm | Do năng lượng thấp nên độ ăn mòn tiếp điểm không lớn | Do năng lượng hồ quang rất thấp nên sự ăn mòn tiếp điểm là rất nhỏ |
| Phương pháp dập hồ quang |
Sau khi dập tắt hồ quang, các phân tử khí SF6 bị phân rã dễ dàng tái sinh để tái sử dụng. Tức là thực tế không có mất mát/ tiêu thụ của môi trường làm nguội xảy ra. Áp lực khí có thể được giám sát rất đơn giản và thường xuyên. |
Một buồng chân không ở áp suất 10-7 bar hoặc thấp hơn là môi trường dập tắt hồ quang gần như lý tưởng. Các buồng dập hồ quang được đóng kín, giám sát áp suất chân không là không cần thiết. |
| Số lần cắt ngắn mạch | 10-50 dòng ngắn mạch | 30-100 dòng ngắn mạch |
| Số lần đóng cắt đầy tải | 5000-10000 | 10000-20000 |
| Số lần vận hành cơ khí | 5000-20000 chu trình | 10000-30000 chu trình |
| Thời gian sử dụng | 5-10 năm | 5-10 năm |
| Chi phí bảo trì | Chi phí nhân công cao, Chi phí nguyên liệu thấp | Chi phí nhân công thấp, Chi phí nguyên liệu cao |
| Độ tin cậy | Cao | Cao |
| Độ bền điện môi tiếp điểm | Cao | Rất cao |
Một số câu hỏi về máy cắt SF6
Câu hỏi 1: Khí SF6 có độc đối với con người không?
Trả lời: SF6 trơ về mặt hóa học nên không gây độc cho người và động vật. Trên thực tế, SF6 được sử dụng trong chẩn đoán y tế như chất cản quang siêu âm hoặc chất khí chèn ép (để bịt dòng chất lỏng) trong nhãn khoa.
Câu hỏi 2: Khí SF6 có gây hại cho môi trường không?
Trả lời: SF6 không làm suy giảm tầng ôzôn hay gây ô nhiễm không khí. Tuy nhiên, SF6 hiệu quả hơn gần 24.000 lần so với carbon dioxide (CO2) trong việc giữ nhiệt nên có thể trở thành một khí nhà kính rất mạnh. Vì vậy, cần phải theo dõi mức SF6 trong các công tắc điện để tránh trường hợp rò rỉ.
