Tài liệu kỹ thuật

VT Techlogy

...

Ngắn mạch do hồ quang điện sẽ phá hủy thiết bị đóng cắt và gây nguy hiểm cho con người. Để bảo vệ chống tia lửa hồ quang, dưới đây sẽ miêu tả cách sử dụng sợi quang trong thiết bị phát hiện tia lửa hồ quang để phản ứng nhanh.

Trong thiết bị đóng cắt, sự cố có thể xảy ra ở thanh chuyển mạch, cầu chì hoặc mạch bảo vệ trong quá trình điều khiển, bảo vệ hoặc cô lập thiết bị điện. Sự cố xảy ra sẽ gây nguy hiểm cho toàn bộ hệ thống điện, thiết bị sử dụng điện và nhân viên ở gần thiết bị. Đây gọi là sự cố ngắn mạch.

Có hai loại ngắn mạch điển hình hay gặp: ngắn mạch do chập kim loại và ngắn mạch do hồ quang điện, trong đó loại sau nguy hiểm hơn. Nếu không được phát hiện và phản ứng kịp thời, tia lửa hồ quang điện sẽ gây hỏa hoạn, hư hỏng thiết bị và phá vở vỏ vật lý. Thiệt hại điển hình gồm quá nhiệt dây đồng, nóng chảy thanh nhôm, thoát khí độc hại. Quá nóng cũng gây ra nguy hiểm gia tăng áp lực có thể gây nổ thiết bị đóng cắt.

Máy cắt có nhiều phương pháp bảo vệ khác nhau như  fast bus protection, backup over current protection, backup over current protection và bảo vệ hồ quang điện.  Fast bus protection chỉ dùng cho máy cắt cao thế,  backup over current protection thì có độ trễ để đóng máy cắt. Vì thế máy cắt trung và hạ thế cần phương pháp bảo vệ phản ứng nhanh thích hợp hơn.

Thời gian đáp ứng là mấu chốt 

Hồ quang xuất hiện và phá hủy thiết bị trong thời gian mili giây. Việc chậm ngắt thiết bị đóng cắt trong thời gian quy định sẽ gây hậu quả lớn (Hình 1). Thiệt hại xảy ra do sự cố hồ quang phụ thuộc cường độ dòng điện và thời gian ngắn mạch. Trong hai tham số, thời gian ngắn mạch ảnh hưởng nhiều hơn. Do đó, để bảo vệ tốt nhất thì cả thiết bị phát hiện hồ quang và máy cắt phải đáp ứng nhanh nhất.

Hình 1. Biểu đồ thiệt hại xảy ra theo thời gian xuất hiện hồ quang.

Phương pháp phát hiện hồ quang

 Tia lửa hồ quang giải phóng lượng lớn năng lượng bức xạ, bao gồm cả năng lượng ánh sáng và nhiệt. Cường độ ánh sáng tạo ra từ hồ quang cao hơn hàng nghìn lần so với ánh sáng môi trường thông thường. Rơ le ngắn mạch hồ quang lợi dụng hiện tượng này để phát hiện nhanh hơn so với rơ le thông thường, do đó bảo vệ thiết bị tốt hơn. Thiết bị phát hiện tia lửa hồ quang là thiết bị bắt buộc lắp cho thiết bị đóng cắt. Tuy nhiên, ánh sáng chỉ là một trong nhiều dấu hiệu cho thấy xuất hiện tia lửa hồ quang.

Hình 2. Hệ thống phát hiện hồ quang bao gồm cả cảm biến ánh sáng và cảm biến dòng.

Tia lửa hồ quang gây ra ánh sáng, áp suất, nhiệt độ, dòng điện và âm thanh trong thiết bị đóng cắt mà có thể theo dõi và phát hiện. Mặc dù ánh sáng dễ và nhanh nhất để phát hiện nhưng các hệ thống đều là sự kết hợp của hai, ba hoặc nhiều thông số (ánh sáng, dòng điện, và âm thanh). Phát hiện âm thanh mặc dù đảm bảo độ chín xác kỹ hơn nhưng do chi phí và sự phức tạp nên không được sử dụng. Phương pháp hiệu quả nhất, tiết kiệm chi phí, và do đó phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là kết hợp việc phát hiện ánh sáng và dòng điện. Phương pháp này đã nhanh chóng trở thành giải pháp được lựa chọn cho hệ thống phát hiện hồ quang đáng tin cậy.

Hệ thống phát hiện hồ quang

Các thành phần chính của hệ thống phát hiện hồ quang (kiểu dùng cảm biến ánh sáng và dòng điện) gồm bộ theo dõi hồ quang, bộ điều khiển, cảm biến quang, cảm biến dòng và máy biến dòng. Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ cả cảm biến ánh sáng có độ nhạy cao và biến dòng điện, cho phép nó xác định xem có quyết định kích hoạt quá trình ngắt mạch không. Rõ ràng, quá trình báo hiệu này phải vừa nhanh vừa tin cậy để giảm thiểu nguy cơ và thiệt hại. Sợi quang, với tốc độ siêu nhanh và khả năng miễn nhiễm điện từ trường EMI, là môi trường hoàn hảo cho hệ thống phát hiện tia lửa hồ quang.

Bộ phát hiện quan bao gồm đầu phát và thu quang học, cảm biến quang dưới dạng một sợi quang trần, và dây cáp quang. Bộ cảm biến quang học thu nhận ánh sáng tia lửa điện và truyền qua cáp quang đến bộ thu tín hiệu quang, chuyển đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện báo hiệu cho hệ thống điều khiển khi có tai lửa hồ quang xảy ra. Có hai loại cảm biến quang học thường được sử dụng: bộ cảm biến điểm và cảm biến vòng. Cảm biến điểm sử dụng cảm biến ánh sáng và bộ thu quang học để phát hiện ánh sáng trong khu vực nhất định, trong khi cảm biến vòng (Hình 3) sử dụng một vòng sợi quang bố trị tại các vị trí quan trọng trong thiết bị.

Hình 3. Cảm biến vòng sử dụng sợi quang trần đặt tại các vị trí quang trọng trong thiết bị.

Công nghệ cảm biến vòng có một số lợi thế khi so với cảm biến điểm. Thứ nhất, nó làm giảm đáng kể chi phí lắp đặt. Một cảm biến sợi quang duy nhất có thể dài tới 60m, thường bao phủ khu vực bảo vệ của thanh cái so lệch thông thường nhưng với chi phí thấp hơn nhiều so với cảm biến điểm. Thứ hai, cảm biến vòng tránh được hạn chế do bóng tối của các cấu trúc bên trong thiết bị cản trở ánh sáng phát ra từ tia lửa hồ quang. Thứ ba, do cảm biến sợi cấu tạo dạng vòng nên có thể tự kiểm tra thường xuyên tính toàn vẹn và liên tục của cảm biến, phát ra cảnh báo nếu có vấn đề.

Bước sóng và độ chiếu sáng 

Thông thường, dải bước sóng của tia lửa hồ quang là 300-1500 nm. Vì thế bộ thu quang 650nm hoặc 820nm có thể sử dụng để phát hiện ánh sáng tia lửa hồ quang. Hai loại sợi quang có thể sử dụng trong phạm vi bước sóng này là plastic optical fiber (POF) hoặc sợi quang đa mode.

Sợi quang POF thích hợp nhất cho bước sóng 650 nm vì độ suy hao thấp nhất ở bước sóng này. POF cũng rẻ hơn và lắp đặt hơn so với các loại sợi quang khác. Sợi quang đa mode có độ suy giảm thấp hơn tại bước sóng 820 nm so với sợi quang POF ở bước sóng 650 nm.

Bảng 1 cho thấy ánh sáng điển hình từ các nguồn chiếu sáng khác nhau. Độ sáng của tia lửa hồ quang từ 5K đến 50K Lux, nên rất dễ phát hiện so với các nguồn sáng thông thường.

Kết luận

Ngắn mạch là lỗi phổ biến nhất xảy ra trong máy cắt. Nếu máy cắt không có khả năng phát hiện và bảo vệ, chi phí có thể vượt ngoài tổn thất về tiền, gây tổn thất con người. Do đó, thiết bị bắt buộc phải có khả năng phát hiện ngay ra sự cố  khi nó xảy ra để ngăn ngừa thảm hoạ. Hệ thống phát hiện tia lửa hồ quang là một trong những phương pháp phát hiện hiệu quả nhất, cả về chi phí và hiệu suất.