Hãy tưởng tượng dây chuyền sản xuất của một nhà máy lớn đột ngột dừng lại, một trung tâm dữ liệu bị tê liệt do mất điện hoặc thiết bị bệnh viện quan trọng không hoạt động được. Đằng sau những tình huống này thường ẩn chứa những rủi ro tiềm ẩn trong hệ thống điện. Tủ điện hạ thế đóng vai trò là biện pháp bảo vệ quan trọng, bảo vệ đường dây điện quan trọng của các cơ sở quan trọng này. Việc hiểu các công nghệ cốt lõi và tiêu chí lựa chọn của nó là điều cần thiết để đảm bảo vận hành hệ thống điện an toàn, đáng tin cậy và hiệu quả.
Hoạt động như "trung tâm điều khiển" của hệ thống điện, tủ điện hạ thế hợp nhất các thiết bị bảo vệ mạch như bộ ngắt mạch, cầu chì và công tắc để bảo vệ, điều khiển và cách ly thiết bị điện. Các thành phần này được đặt trong các cấu trúc kim loại, với nhiều cấu trúc như vậy tạo thành một bộ hoặc cụm tủ điện. Được sử dụng rộng rãi trong hệ thống truyền tải và phân phối điện, cũng như trong các cơ sở thương mại và công nghiệp vừa và lớn, các hệ thống này tuân theo các tiêu chuẩn IEEE ở Bắc Mỹ và các tiêu chuẩn IEC ở những nơi khác.
Tủ điện hạ thế bao bọc kim loại đại diện cho một sản phẩm phân phối ba pha được thiết kế để cấp nguồn an toàn, hiệu quả và đáng tin cậy cho thiết bị điện hoạt động ở điện áp lên đến 1000 volt và dòng điện đạt 6000 ampe. Xếp hạng tủ điện ANSI/NEMA điển hình mở rộng đến 635 volt với xếp hạng bus dòng điện liên tục lên đến 10.000 ampe cho các cấu hình cấp nguồn song song.
Được đặt ở phía hạ thế của máy biến áp phân phối (với đơn vị kết hợp được gọi là trạm biến áp), thiết bị này cấp nguồn cho các trung tâm điều khiển động cơ hạ thế, bảng phân phối và các mạch nhánh khác nhau. Nó phục vụ các ứng dụng quan trọng trong các ngành công nghiệp nặng, sản xuất, khai thác, hóa dầu, tiện ích, xử lý nước, trung tâm dữ liệu và cơ sở chăm sóc sức khỏe.
Một cấu hình tủ điện hạ thế tiêu chuẩn có ba ngăn cách ly, tạo ra một cấu trúc phòng thủ mạnh mẽ:
- Ngăn chứa bộ ngắt: Chứa theo chiều dọc tối đa bốn bộ ngắt điện với khả năng cách ly riêng lẻ để ngăn chặn sự lan truyền lỗi
- Ngăn chứa bus: Được đặt phía sau các bộ ngắt với các rào cản cách điện giữa các phần bus liền kề
- Ngăn chứa cáp: Nằm ở phía sau với các vách ngăn thông gió tùy chọn và các bảng điều khiển có thể truy cập để kết nối cáp
Thiết kế truy cập phía sau này tăng cường an toàn bằng cách ngăn ngừa tiếp xúc ngẫu nhiên với các dây dẫn có điện và chứa thiệt hại do hồ quang. Các cấu hình truy cập phía trước thay thế cho phép lắp đặt trên tường tương tự như các bảng phân phối.
Thanh cái bằng đồng mạ bạc hoặc thiếc tạo thành các "đường cao tốc" điện bên trong tủ điện. Các ống đứng thẳng đứng kết nối với các tiếp điểm của bộ ngắt, trong khi các bus chính nằm ngang liên kết các phần liền kề. Cách điện giữa các pha được duy trì thông qua các khoảng trống không khí thích hợp hoặc các vật liệu được sử dụng ở những nơi không gian không đủ.
Bộ ngắt mạch điện hạ thế (LV-PCB) với các bộ phận ngắt tích hợp cung cấp khả năng bảo vệ ngắn mạch và quá tải quan trọng. Các thiết bị có thể rút ra, gắn trên cửa này có thể ngắt lỗi thông qua các tiếp điểm cách ly không khí (không giống như các bộ ngắt chân không trung thế), giúp chúng có tên gọi là "bộ ngắt mạch không khí".
Các thông số lựa chọn quan trọng bao gồm:
- Điện áp tối đa (thường là 635V)
- Tần số nguồn (50/60Hz)
- Cấp cách điện (2.2kV)
- Dòng điện liên tục (lên đến 10.000A)
- Khả năng chịu ngắn mạch (lên đến 200kA)
- Khả năng chịu thời gian ngắn (lên đến 100kA trong 30 chu kỳ)
Tủ điện hiện đại kết hợp các hệ thống giảm thiểu hồ quang tinh vi:
- Vỏ dập hồ quang
- Kết cấu chống hồ quang
- Khóa liên động chọn vùng (ZSI)
- Hệ thống bảo trì giảm hồ quang
- Rơ le phát hiện chuyên dụng
- Bảo vệ vi sai bus
Các tiêu chuẩn quản lý chính bao gồm:
- ANSI/IEEE C37.20.1 (tủ điện hạ thế bao bọc kim loại)
- ANSI/IEEE C37.20.7 (thử nghiệm lỗi hồ quang)
- UL 1558/UL 1066 (tiêu chuẩn bộ ngắt)
Xếp hạng quan trọng này (SCCR) xác định dòng điện lỗi tối đa mà cụm có thể chịu đựng an toàn trong ≥4 chu kỳ ở điện áp định mức. Xếp hạng của toàn bộ tủ điện phù hợp với khả năng của bộ ngắt có xếp hạng thấp nhất của nó.
Xác định dòng điện tối đa mà một thiết bị bảo vệ có thể ngắt an toàn, xếp hạng này phải vượt quá cả xếp hạng chịu đựng của bộ ngắt và dòng điện lỗi khả dụng của hệ thống.
Xếp hạng hai thành phần này (thường là thời lượng 30 chu kỳ) cho biết khả năng của cụm để chịu đựng dòng điện lỗi được chỉ định mà không bị hư hỏng, rất quan trọng để phối hợp chọn lọc.
Phối hợp thích hợp đảm bảo chỉ có bộ ngắt ở phía trên gần nhất bị ngắt trong khi xảy ra lỗi, duy trì độ tin cậy của hệ thống. Mặc dù độ trễ có thể lập trình của LV-PCB (lên đến 30 chu kỳ) cho phép phối hợp hiệu quả, nhưng phương pháp này có thể làm tăng năng lượng sự cố—yêu cầu tuân thủ NEC 240.87 cẩn thận để giảm thiểu hồ quang.
Mặc dù cả hai đều phân phối điện, tủ điện cung cấp các tính năng vượt trội:
- Bộ ngắt có thể rút ra, có thể bảo dưỡng so với MCCB cố định
- Khả năng chịu đựng 30 chu kỳ so với xếp hạng 3 chu kỳ
- Bảo vệ hồ quang tiên tiến
- Khả năng phối hợp nâng cao
Hiện đại hóa thông qua các thiết bị điện tử thông minh (IED)—bao gồm bộ ngắt thông minh, cảm biến và rơ le dựa trên bộ vi xử lý—cho phép giám sát, phân tích và tối ưu hóa hệ thống dựa trên đám mây tiên tiến để cải thiện an toàn và hiệu suất.