Cầu Chì Tự Rơi FCO: Cấu Tạo, Thông Số và Cách Chọn Dây Chì

Cầu chì tự rơi FCO có mặt ở gần như mọi trạm biến áp phân phối và nhánh rẽ của lưới trung thế 22 kV, 35 kV. Thiết bị này làm hai việc: cắt mạch khi có quá dòng, ngắn mạch để bảo vệ máy biến áp và đường dây, đồng thời tạo khoảng hở nhìn thấy được để cô lập thiết bị khi sửa chữa.

Chọn đúng FCO mới là một nửa. Dây chì bên trong mới quyết định bảo vệ có hiệu quả hay không: dây chì quá nhỏ sẽ chảy vô cớ khi đóng điện máy biến áp, quá lớn thì không kịp bảo vệ khi có sự cố. Bài này tổng hợp cấu tạo, nguyên lý, cách phân biệt FCO với LBFCO, các thông số theo tiêu chuẩn TCCS 09:2021/EVN và phương pháp chọn dây chì cho máy biến áp phân phối.

1. Cầu chì tự rơi FCO là gì?

Cầu chì tự rơi (FCO, viết tắt của Fuse Cut Out) là thiết bị bảo vệ trung thế lắp ngoài trời, gồm một ống chì chứa dây chì đặt giữa hai tiếp điểm trên thân cách điện. Khi dây chì chảy do quá dòng hoặc ngắn mạch, ống chì tự bật khỏi tiếp điểm trên và rơi xuống, vừa cắt mạch vừa báo hiệu sự cố mà người đứng dưới đất nhìn thấy được.

FCO thường được dùng ở các vị trí:

• Đầu vào máy biến áp phân phối: trạm treo, trạm giàn, trạm nền, mỗi pha một bộ.
• Nhánh rẽ đường dây trung thế: cô lập sự cố trên nhánh để không ảnh hưởng cả tuyến.
• Giàn tụ bù trung thế: dùng loại ống chì chuyên cho tụ bù.
• Điểm cách ly khi sửa chữa: mở FCO để tạo khoảng hở nhìn thấy trước khi thi công phía sau.

Hình 1: Cầu chì tự rơi cách điện sứ lắp trên đầu cột, cấp điện cho một nhánh rẽ 1 pha. Ống chì màu trắng nằm phía trước thân sứ. Ảnh: Greensburger, Wikimedia Commons, Public domain

2. Cấu tạo cầu chì tự rơi

Dù cách điện bằng sứ hay polymer, một bộ cầu chì tự rơi đều gồm các bộ phận chính sau:

Hình 2: Các bộ phận chính của cầu chì tự rơi, minh họa trên FCO cách điện polymer Green Power Sài Gòn cung cấp

• Thân cách điện: sứ hoặc polymer (cao su silicone), có các tán để kéo dài chiều dài đường rò. Giữa thân có chân gá để bắt FCO lên xà hoặc giá lắp.
• Tiếp điểm trên và đầu cực trên: giữ đầu trên của ống chì bằng lực lò xo; đầu cực kẹp dây dẫn từ lưới vào.
• Tiếp điểm dưới, bản lề và đầu cực dưới: đỡ ống chì, là trục để ống chì xoay và rơi xuống khi dây chì chảy.
• Ống chì (ống cầu chì): ống sợi thủy tinh tẩm epoxy, bên trong lót lớp vật liệu sinh khí để dập hồ quang. Đầu trên có khoen để móc sào thao tác.
• Dây chì (fuse link): phần tử chảy nằm trong ống chì, nối với dây đuôi mềm luồn ra đáy ống và siết vào bản lề dưới. Dây đuôi được kéo căng giữ cho ống chì ở vị trí đóng.
• Móc dùng cho dụng cụ cắt tải (có ở một số mẫu): cho phép dùng sào cắt tải chuyên dụng để mở FCO khi đang có dòng tải.

Nên chọn FCO sứ hay FCO polymer?

FCO sứ có thân cứng, chịu tia UV và nhiệt tốt, vết nứt vỡ dễ nhận ra bằng mắt. FCO polymer nhẹ hơn, không vỡ khi va đập hay vận chuyển, bề mặt silicone kỵ nước nên hạn chế phóng điện bề mặt khi trời ẩm, bụi bẩn; loại này thường được ưu tiên ở vùng ven biển và khu công nghiệp nhiều bụi. TCCS 09:2021/EVN quy định cách điện polymer của FCO là cao su silicone hoặc hỗn hợp silicone.

3. Nguyên lý hoạt động: vì sao ống chì tự rơi?

1. Khi làm việc bình thường: dây đuôi của dây chì được kéo căng và siết vào bản lề dưới. Lực căng này giữ cơ cấu bản lề ở vị trí khóa, ép đầu trên ống chì vào tiếp điểm trên.
2. Khi có quá dòng, ngắn mạch: phần tử chảy nóng lên và đứt, hồ quang xuất hiện trong ống. Nhiệt hồ quang làm lớp lót sinh khí phân hủy, khí áp suất cao đẩy hồ quang và sản phẩm cháy ra đáy ống. Hồ quang bị làm lạnh, khử ion và tắt khi dòng điện đi qua điểm 0. Vì vậy FCO thuộc loại cầu chì kiểu phụt (expulsion fuse) theo IEC 60282-2 và thường phát ra tiếng nổ khi tác động.
3. Ống chì rơi xuống: dây chì đứt nên mất lực căng, cơ cấu bản lề nhả khóa, ống chì xoay khỏi tiếp điểm trên và treo trên bản lề dưới. Khoảng hở này nhìn thấy rõ từ dưới đất.

Hình 3: Máy biến áp treo cột được bảo vệ bằng 3 cầu chì tự rơi; ống chì của một pha đã rơi xuống sau khi dây chì chảy (chú thích trên ảnh: Fuse Blown). Ảnh: Wtshymanski, Wikimedia Commons, Public domain

Nhờ cơ chế này, thợ vận hành xác định ngay pha nào bị sự cố mà không cần trèo cột. Ngược lại, dây chì đã chảy nhưng ống chì không rơi là tình trạng nguy hiểm, vì mạch không có khoảng hở chắc chắn và dễ phóng điện dọc ống; nguyên nhân và cách phòng tránh có ở mục 8.

4. Phân biệt FCO và LBFCO

LBFCO (Load Break Fuse Cut Out, cầu chì cắt có tải) có cấu tạo giống FCO nhưng được bổ sung buồng dập hồ quang ở phía tiếp điểm trên. Khi kéo ống chì ra lúc đang có tải, hồ quang được kéo vào buồng và dập tắt, nhờ đó LBFCO đóng cắt được dòng tải. TCCS 09:2021/EVN yêu cầu LBFCO thao tác đóng cắt được ít nhất 100 lần ở dòng tải định mức.

Hình 4: Cầu chì cắt có tải LBFCO cách điện polymer, khối hộp phía trên là buồng dập hồ quang. Sản phẩm Green Power Sài Gòn cung cấp

5. Thông số kỹ thuật cần xem khi chọn cầu chì tự rơi

Yêu cầu kỹ thuật với FCO, LBFCO và dây chì dùng trên lưới của EVN được quy định trong tiêu chuẩn cơ sở TCCS 09:2021/EVN, ban hành kèm Quyết định 106/QĐ-HĐTV ngày 21/9/2021 của Hội đồng thành viên Tập đoàn Điện lực Việt Nam. Bảng dưới tóm tắt thông số chính của FCO sứ cho lưới 22 kV theo tiêu chuẩn này; cột lưới 35 kV là giá trị tham khảo từ catalogue FCO sứ của Tuấn Ân.

Ba điểm cần đối chiếu khi chọn:

• Điện áp: lưới 22 kV dùng FCO có điện áp định mức từ 24 kV trở lên, lưới 35 kV dùng loại 38,5 kV.
• Dòng định mức và khả năng cắt: dòng định mức của FCO phải lớn hơn dòng tải và cỡ dây chì lớn nhất sẽ dùng; khả năng cắt phải lớn hơn dòng ngắn mạch tại điểm lắp, lấy theo số liệu của đơn vị quản lý lưới.
• Đường rò: vùng ven biển, gần khu công nghiệp hoặc nhiều bụi nên chọn đường rò 20 mm/kV, hoặc dùng FCO polymer.

6. Dây chì FCO: loại K, T và H khác nhau thế nào?

Dây chì mới là phần tử bảo vệ thực sự của cầu chì tự rơi. Theo tiêu chuẩn IEEE/ANSI mà phần lớn dây chì trên thị trường áp dụng, dây chì được phân loại theo tốc độ chảy, thể hiện qua tỷ số tốc độ: dòng điện làm chảy dây chì trong 0,1 giây chia cho dòng điện làm chảy trong 300 giây (600 giây với dây chì trên 100 A).

Một số điểm cần biết khi chọn cỡ dây chì:

• Dãy dòng định mức: tiêu chuẩn ANSI C37.42 có dãy ưu tiên 6, 10, 15, 25, 40, 65, 100, 140, 200 A và dãy trung gian 8, 12, 20, 30, 50, 80 A. Dùng các cỡ trong cùng một dãy cho các cấp nối tiếp nhau sẽ dễ phối hợp chọn lọc hơn.
• Khả năng mang tải: theo catalogue dây chì của Eaton, dây chì K, T bằng thiếc mang được liên tục khoảng 150% dòng định mức, loại bằng bạc khoảng 100%. Vì vậy cỡ dây chì không phải là dòng làm chảy dây chì.
• Khả năng cắt: dây chì không có khả năng cắt riêng; khả năng cắt ngắn mạch là của cả bộ FCO và dây chì.
• Không lẫn hãng khi thay thế: đặc tính thời gian–dòng điện của cùng một cỡ có thể khác nhau giữa các hãng, nên khi thay cần dùng đúng loại, đúng cỡ, đúng hãng theo hồ sơ trạm.

Hình 5: Dây chì trung thế (fuselink) dùng cho FCO và LBFCO, gồm phần tử chảy trong ống bảo vệ, nắp đầu và dây đuôi mềm. Sản phẩm Green Power Sài Gòn cung cấp

7. Cách chọn dây chì FCO cho máy biến áp phân phối

Không có một hệ số nhân chung cho mọi trường hợp. Mỗi Công ty Điện lực có bảng quy định cỡ dây chì cho từng gam công suất máy biến áp và cấp điện áp; trạm đấu nối vào lưới Điện lực phải chọn theo bảng này và theo hồ sơ thiết kế được duyệt. Phần dưới giúp hiểu cách các bảng đó được xây dựng và tự kiểm tra lại khi cần.

7.1. Tính dòng định mức phía trung thế

Máy biến áp 3 pha: I = S / (√3 × U). Máy biến áp 1 pha: I = S / U. Trên lưới 22 kV, U = 22 kV với máy 3 pha và U = 12,7 kV (điện áp pha) với máy 1 pha.

7.2. Ba điều kiện dây chì phải thỏa mãn

1. Không chảy khi làm việc bình thường và khi quá tải cho phép: dây chì phải mang được dòng lớn nhất mà máy biến áp được phép vận hành, kể cả quá tải ngắn hạn theo quy định vận hành.
2. Không chảy khi đóng điện máy biến áp: dòng từ hóa xung kích lúc đóng điện rất lớn trong vài chu kỳ đầu. Tiêu chí hay dùng là đường cong chảy tối thiểu của dây chì phải nằm phía trên hai điểm: 12 lần dòng định mức tại 0,1 giây và 25 lần dòng định mức tại 0,01 giây.
3. Chảy đủ nhanh khi có sự cố: dây chì phải cắt trước khi máy biến áp bị hư hỏng do ngắn mạch trong máy hoặc phía hạ thế, đồng thời phối hợp chọn lọc: aptomat tổng hạ thế phải tác động trước dây chì, còn dây chì phối hợp với recloser hoặc máy cắt phía nguồn theo sơ đồ bảo vệ của lưới.

7.3. Ví dụ kiểm tra với máy biến áp 3 pha 400 kVA – 22/0,4 kV

Dòng định mức phía 22 kV: I = 400 / (1,732 × 22) ≈ 10,5 A. Hai điểm kiểm tra dòng xung kích là 12 × 10,5 ≈ 126 A tại 0,1 giây và 25 × 10,5 ≈ 262 A tại 0,01 giây.

Giả sử đang cân nhắc dây chì 15K bằng thiếc: dây chì mang liên tục được khoảng 1,5 × 15 = 22,5 A, lớn hơn nhiều so với dòng định mức 10,5 A, đạt điều kiện 1. Tiếp theo, mở đường đặc tính thời gian–dòng điện của đúng hãng dây chì đó để kiểm tra điều kiện 2 (đường chảy tối thiểu nằm trên hai điểm 126 A–0,1 s và 262 A–0,01 s) và điều kiện 3 (đường cắt tổng nằm dưới đường giới hạn hư hỏng của máy biến áp và phối hợp được với aptomat tổng hạ thế). Nếu không đạt, đổi sang loại T hoặc cỡ khác rồi kiểm tra lại. Cỡ dây chì cuối cùng vẫn phải khớp với bảng quy định của Điện lực nơi đấu nối.

Mẹo vận hành: ghi loại và cỡ dây chì vào hồ sơ trạm và dán nhãn tại trạm. Khi dây chì chảy, tìm và xử lý nguyên nhân trước khi thay, rồi thay đúng loại, đúng cỡ đã được duyệt. Không tăng cỡ dây chì chỉ vì dây chì hay bị chảy.

8. Lắp đặt, thao tác và bảo trì FCO an toàn

8.1. Lắp đặt

• Lắp FCO lên giá lắp FCO-LA bằng thép mạ kẽm nhúng nóng, đúng chiều và góc nghiêng theo hướng dẫn của nhà sản xuất để ống chì rơi tự do, không vướng xà hay dây dẫn khi tác động.
• Giữ đủ khoảng cách pha–pha, pha–đất theo thiết kế; đầu phụt khí của ống chì không hướng vào thiết bị khác hay lối đi.
• Đấu dây vào đầu cực bằng kẹp phù hợp vật liệu dây dẫn. Nối dây đồng với dây nhôm phải dùng phụ kiện lưỡng kim như kẹp hotline đồng-nhôm; nguyên tắc chọn vật liệu giống như với đầu cos, xem bài cosse đồng, cosse nhôm và cosse đồng-nhôm.
• Lắp dây chì: luồn dây chì từ đầu trên xuống, kéo căng dây đuôi ở đáy ống rồi mới siết chặt vào bản lề. Dây đuôi bị chùng là nguyên nhân hay gặp khiến ống chì không rơi.
• FCO thường lắp cùng chống sét van LA trên một giá; chống sét van và máy biến áp cần hệ thống nối đất đạt yêu cầu, tham khảo bài cọc tiếp địa.

8.2. Thao tác đóng, cắt

• Chỉ thao tác khi có lệnh, phiếu thao tác theo quy trình của đơn vị quản lý vận hành; dùng sào cách điện đúng cấp điện áp, găng và ủng cách điện.
• Không mở FCO khi đang mang tải. Hồ quang kéo ra có thể gây bỏng và hỏng tiếp điểm. Muốn cắt dưới tải phải dùng LBFCO hoặc dụng cụ cắt tải chuyên dụng được nhà sản xuất cho phép; với trạm biến áp, cắt tải phía hạ thế trước.
• Khi đóng, móc sào vào khoen, đưa ống chì tới gần vị trí đóng rồi đóng dứt khoát một lần; không nhìn thẳng vào FCO lúc đóng.

8.3. Kiểm tra, bảo trì định kỳ

• Thân sứ nứt, mẻ; thân polymer có vết phóng điện bề mặt, bị phấn hóa hoặc rách tán.
• Ống chì cong, nứt, lớp lót bên trong cháy mòn sau nhiều lần tác động: thay ống chì theo khuyến cáo của nhà sản xuất.
• Tiếp điểm rỗ, oxy hóa, lò xo yếu. Đo nhiệt độ tiếp điểm bằng camera nhiệt khi đang mang tải, pha nào nóng hơn hẳn thì xử lý sớm.
• Dây đuôi dây chì ở đáy ống bị ăn mòn, đứt sợi thì thay dây chì mới.

Tuyệt đối không thay dây chì bằng dây đồng, dây nhôm hay dây thép (câu tắt). Khi đó FCO mất chức năng bảo vệ, sự cố sẽ lan lên đường dây và làm hỏng máy biến áp.

9. Chọn mua FCO, LBFCO và dây chì tại Green Power Sài Gòn

Green Power Sài Gòn cung cấp đủ nhóm thiết bị bảo vệ trung thế cho trạm biến áp và nhánh rẽ:

• Cầu chì tự rơi FCO cách điện sứ và FCO cách điện polymer: cấp 12–38 kV tùy phiên bản, 100 A hoặc 200 A, tiếp điểm đồng hoặc hợp kim đồng mạ chống oxy hóa, giá đỡ thép mạ kẽm nhúng nóng, theo IEC 60282-2.
• Cầu chì cắt có tải LBFCO cách điện sứ và LBFCO cách điện polymer: có buồng dập hồ quang, theo IEC 60282-2 và IEC 62271.
• Dây chì trung thế (fuselink) từ 1 A đến 200 A dùng cho cả FCO và LBFCO; ống chì tụ bù 100 A 24 kV cho giàn tụ trung thế.
• Phụ kiện đi kèm: giá lắp FCO-LA, chống sét van LA 12–48 kV, kẹp hotline đồng-nhôm.

Khi hỏi báo giá, gửi kèm các thông tin: cấp điện áp lưới (22 kV hay 35 kV), cần FCO hay LBFCO, dòng định mức 100 A hay 200 A, cách điện sứ hay polymer, môi trường lắp đặt (ven biển, nhiều bụi), cùng công suất và số pha máy biến áp nếu cần tư vấn dây chì.

10. Câu hỏi thường gặp về cầu chì tự rơi

FCO và LBFCO khác nhau thế nào?

LBFCO có thêm buồng dập hồ quang nên đóng cắt được dòng tải, còn FCO thì không. Cả hai đều bảo vệ ngắn mạch bằng dây chì và có ống chì tự rơi khi dây chì chảy. TCCS 09:2021/EVN yêu cầu LBFCO đóng cắt được tối thiểu 100 lần ở dòng tải định mức.

Có được đóng cắt FCO khi đang có tải không?

Không được mở FCO để cắt dòng tải, trừ khi dùng dụng cụ cắt tải chuyên dụng được nhà sản xuất cho phép. Với trạm biến áp, phải cắt tải phía hạ thế trước rồi mới thao tác FCO, hoặc dùng LBFCO nếu cần đóng cắt phía trung thế khi đang mang tải.

Dây chì K và dây chì T khác nhau thế nào?

Dây chì K chảy nhanh, tỷ số tốc độ từ 6 đến 8,1; dây chì T chảy chậm, tỷ số từ 10 đến 13,1. Ở vùng quá tải kéo dài hai loại gần giống nhau, nhưng ở vùng dòng lớn và thời gian ngắn, dây chì T chậm hơn nên chịu dòng xung đóng điện tốt hơn. Loại và cỡ cụ thể cho từng máy biến áp chọn theo quy định của Điện lực.

Máy biến áp 3 pha 250 kVA lưới 22 kV có dòng định mức bao nhiêu?

I = 250 / (1,732 × 22) ≈ 6,56 A. Cỡ dây chì được chọn sao cho mang được dòng tải và quá tải cho phép, không chảy khi đóng điện và phối hợp được với aptomat tổng hạ thế, theo bảng quy định của Điện lực nơi đấu nối.

FCO 24 kV dùng cho lưới 22 kV được không?

Được, đó là cấp đúng. Lưới 22 kV có điện áp làm việc lớn nhất 24 kV, nên TCCS 09:2021/EVN lấy 24 kV làm cơ sở cho FCO dùng trên lưới 22 kV. Lưới 35 kV dùng FCO cấp 38,5 kV.

Vì sao dây chì hay bị chảy khi có giông sét?

Dòng sét, quá điện áp làm chống sét van phóng điện, hoặc sự cố thoáng qua trên đường dây có thể làm dây chì cỡ nhỏ chảy. Cần kiểm tra lại chống sét van, điện trở nối đất của trạm và loại, cỡ dây chì đang dùng theo quy định; không xử lý bằng cách tăng cỡ dây chì tùy tiện.

Tài liệu tham khảo:

• TCCS 09:2021/EVN, Tiêu chuẩn kỹ thuật FCO, LBFCO và dây chì 22/35 kV (Quyết định 106/QĐ-HĐTV ngày 21/9/2021).
• IEC 60282-2, High-voltage fuses – Part 2: Expulsion fuses.
• IEEE C37.41, C37.42: thử nghiệm và yêu cầu kỹ thuật với cầu chì trung thế kiểu phụt và dây chì.
• Catalogue dây chì Eaton, hướng dẫn lắp đặt cầu chì tự rơi Hubbell, tài liệu ứng dụng bảo vệ máy biến áp trung thế Mersen, catalogue FCO Tuấn Ân.