ELCB Là Gì? Nguyên Lý hoạt động của ELCB

Thiệt bị ngắt mạch chống rò điện – ELCB là gì?

Thiệt bị ngắt mạch chống rò điện (ELCB – Earth Leakage Circuit Breaker) là thiết bị an toàn được sử dụng trong hệ thống điện nhằm ngăn ngừa nguy cơ điện giật. Thiết bị này có thể hoạt động dựa trên nguyên lý cảm biến dòng điện hoặc cảm biến điện áp.

Cơ chế bảo vệ này thường được tích hợp trong module của tủ điện phân phối, thiết bị độc lập, hoặc ổ cắm chuyên dụng có chức năng chống rò điện.

Các ELCB loại cảm biến điện áp (Voltage-operated ELCB) vẫn còn xuất hiện trong một số hệ thống cũ, tuy nhiên đã dần bị thay thế bởi công nghệ RCD (Residual Current Device) hay còn gọi là GFCI (Ground Fault Circuit Interrupter) – hoạt động dựa trên nguyên lý cảm biến dòng điện rò hiện đại và an toàn hơn.

Lịch sử phát triển

Các thiết bị này sau đó đã được thay thế bằng loại cảm biến dòng điện khoảng bốn mươi năm trước. Trong một thời gian, cả hai loại (cảm biến điện áp và cảm biến dòng điện) đều được gọi chung là ELCB, dẫn đến sự nhầm lẫn trong thuật ngữ.Để khắc phục điều này, IEC (Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế) đã giới thiệu khái niệm Residual Current Device (RCD) – thiết bị chống rò dòng dư.

“Residual current” được hiểu là phần chênh lệch dòng điện giữa dòng đi (pha) và dòng về (trung tính) trong mạch điện.Trong mạch một pha, dòng dư đơn giản là dòng pha trừ đi dòng trung tính.Trong mạch ba pha, tất cả các dây dẫn mang dòng điện đều phải được cảm biến đồng thời để phát hiện chính xác dòng rò.

Nguyên lý hoạt động

ELCB (Earth Leakage Circuit Breaker) là một loại rơ-le chốt chuyên dụng, trong đó nguồn điện chính đầu vào của tòa nhà được đấu nối thông qua các tiếp điểm đóng – ngắt của thiết bị. Khi xảy ra hiện tượng rò điện xuống đất, ELCB sẽ tự động ngắt nguồn điện để bảo vệ an toàn.

ELCB phát hiện dòng điện lỗi giữa dây pha và dây tiếp đất trong phạm vi mạch điện mà nó bảo vệ.

Khi đặc tính của dòng lỗi xuất hiện tại cơ cấu cảm biến của ELCB, thiết bị sẽ lập tức ngắt nguồn điện và giữ ở trạng thái ngắt cho đến khi được khởi động lại bằng thao tác thủ công.

Thiết bị cảm biến điện áp

ELCB loại cảm biến điện áp hoạt động bằng cách phát hiện sự tăng điện thế giữa phần kim loại được nối đất của hệ thống được bảo vệ và điện cực đất tham chiếu được đặt tách biệt và cách ly.

Khi điện áp chênh lệch đạt khoảng 50 V, thiết bị sẽ kích hoạt bộ ngắt chính để cắt nguồn cấp, cô lập hệ thống điện của khu vực được bảo vệ nhằm đảm bảo an toàn.

ELCB loại cảm biến điện áp có một cọc đấu dây thứ hai dùng để kết nối với điểm đất tham chiếu ở xa.

Khi sử dụng ELCB loại này, mạch nối đất sẽ được thay đổi cấu trúc:

• Dây nối từ thanh tiếp địa hoặc cọc tiếp địa được đấu đi qua ELCB, bằng cách kết nối với hai cực Earth trên thiết bị.
• Một cực nối với dây Earth của hệ thống 
• Cực còn lại nối với cọc tiếp địa hoặc hệ thống nối đất khác.

Thiết bị cảm biến dòng điện

RCD có nhiều phiên bản khác nhau, tuy nhiên dạng cơ bản nhất được cấu tạo từ một biến dòng, trong đó dây pha và dây trung tính của mạch điện được quấn quanh lõi biến dòng hình xuyến.

Khi xảy ra hiện tượng rò điện giữa dây pha và dây tiếp đất mà không đi qua dây trung tính, sẽ xuất hiện sự mất cân bằng dòng điện giữa pha và trung tính.

Sự chênh lệch dòng điện này tạo ra từ thông trong lõi biến dòng; nếu độ lớn của từ thông đủ lớn, nó sẽ kích hoạt rơ-le bên trong thiết bị, làm ngắt công tắc để ngắt nguồn cấp điện, đảm bảo an toàn cho người và thiết bị.

So sánh thiết bị cảm biến điện áp so với thiết bị cảm biến dòng

Ưu điểm của thiết bị cảm biến điện áp so với thiết bị cảm biến dòng

Các thiết bị này ít nhạy hơn với các điều kiện sự cố, do đó giảm hiện tượng ngắt mạch giả.

(Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là chúng hoàn toàn loại bỏ hiện tượng này, vì hiệu suất thực tế còn phụ thuộc vào chi tiết lắp đặt và mức độ lọc nhiễu, phân biệt tín hiệu được tích hợp trong thiết bị.)

Do đó, bằng cách tách biệt điện học giữa lớp giáp cáp và dây dẫn bảo vệ mạch, có thể thiết lập thiết bị bảo vệ chỉ chống hư hại cáp, không bị tác động bởi các sự cố ở các tải hoặc nhánh mạch phía sau.

Các thiết bị cảm biến điện áp cũng có khả năng ngắt khi phát hiện dòng rò DC xuống đất, điều mà RCD/RCCB dạng biến dòng không thể phát hiện được.

Tuy nhiên, chúng cũng gặp hạn chế tương tự khi tần số dòng rò cao hơn nhiều so với tần số điện lưới.

Điều này có thể dẫn đến các sự cố rò đất trên biến tần, giữa khối điện tử điều khiển và động cơ, không được phát hiện bởi thiết bị bảo vệ thông thường.

Nhược điểm của thiết bị cảm biến điện áp so với thiết bị cảm biến dòng

Đứt dây ở phần mạch lỗi đến tải hoặc phần nối đất đến cọc tiếp địa sẽ làm vô hiệu hóa hoạt động của thiết bị.

Yêu cầu phải có thêm dây thứ ba nối từ tải đến thiết bị bảo vệ.

Không thể nối đất riêng lẻ từng thiết bị khi dùng loại này.

Bất kỳ điểm nối đất bổ sung nào được thêm vào hệ thống đang được bảo vệ đều có thể làm vô hiệu hóa khả năng phát hiện lỗi của thiết bị.

Làm tăng điện trở tổng và thêm một điểm hư hỏng tiềm ẩn vào hệ thống nối đất.

Thiết bị chỉ phát hiện lỗi của thiết bị điện, không thể phát hiện khi con người vô tình chạm vào phần đang mang điện.

Hiện tượng bỏ qua ELCB qua đường đất phụ

Trong các hệ thống điện được bảo vệ bằng ELCB, việc tồn tại thêm một điểm nối đất ngoài ý muốn là điều không hiếm gặp — điểm này không đi qua cuộn cảm biến của ELCB.

Hiện tượng này có thể xảy ra khi:

• Đường ống kim loại của hệ thống nước hoặc khí tiếp xúc trực tiếp với đất.
• Kết cấu khung kim loại của công trình nối đất tự nhiên qua nền.
• Hoặc các thiết bị điện đặt ngoài trời có phần kim loại tiếp xúc với đất.

Hiện tượng ngắt giả

Mặc dù điện áp hoặc dòng điện xuất hiện trên dây nối đất bảo vệ (Protective Earth Conductor) thường là dòng rò lỗi từ dây pha, nhưng không phải lúc nào cũng như vậy.

Khi hệ thống điện có hai điểm nối đất, nếu có tia sét đánh gần tạo ra dòng điện lớn lan truyền trong đất, sự chênh lệch điện áp trong khu vực này có thể đủ để kích hoạt cuộn cảm biến của ELCB, khiến thiết bị ngắt mạch dù không có lỗi thực sự.

Nếu cọc tiếp địa của hệ thống đặt gần cọc tiếp địa của tòa nhà lân cận, dòng rò lớn từ tòa nhà kia có thể làm tăng điện thế cục bộ của đất, gây chênh lệch điện áp giữa hai điểm nối đất, và ELCB sẽ ngắt mạch dù hệ thống của mình không có lỗi.

Cả RCD và ELCB đều có thể gặp hiện tượng ngắt giả ở một mức độ nhất định, do dòng rò nhỏ tự nhiên xuống đất vốn vô hại trong vận hành bình thường.

Một nguyên nhân khác gây ngắt giả là dòng rò tích lũy hoặc dòng rò nền phát sinh từ thiết bị có điện trở cách điện bị suy giảm theo thời gian.

Phần tử gia nhiệt dạng ống thường được nhồi bột cách điện mịn bên trong, và loại bột này có thể hút ẩm nếu thiết bị không được sử dụng trong thời gian dài, dẫn đến tăng dòng rò và gây ngắt giả khi khởi động lại.

Mất khả năng tác động khi có lỗi

Một số ELCB không phản ứng với dòng lỗi đã được chỉnh lưu. Về nguyên lý, vấn đề này tương tự ở cả ELCB loại cảm biến điện áp và RCD, tuy nhiên VO-ELCB thường là thiết bị đời cũ hơn, trong khi các tiêu chuẩn kỹ thuật đã được cải tiến đáng kể qua nhiều năm. Vì vậy, các ELCB loại cũ có khả năng không phát hiện được một số dạng sóng dòng lỗi nhất định, khiến thiết bị không kích hoạt ngắt khi có rò điện.

Giống như mọi thiết bị cơ điện khác, ELCB có thể bị hỏng hoặc sai lệch theo thời gian, do đó nên được kiểm tra định kỳ để đảm bảo vẫn hoạt động đúng chức năng bảo vệ.

Nếu một trong hai dây nối đất bị đứt hoặc tuột khỏi ELCB loại cảm biến điện áp, thiết bị sẽ mất khả năng ngắt mạch khi có rò điện, và hệ thống điện sẽ không còn được nối đất đúng cách, dẫn đến mất an toàn cho người và thiết bị.