Khí cụ điện là gì? Đặc điểm nổi bật và phân loại

Khí cụ điện là gì? Đây là một khái niệm quan trọng trong lĩnh vực điện công nghiệp và dân dụng, dùng để chỉ các thiết bị điện có chức năng điều khiển, bảo vệ và phân phối điện năng trong hệ thống. Khí cụ điện đóng vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động của các hệ thống điện, giúp ngăn ngừa sự cố, bảo vệ thiết bị và duy trì ổn định cho hệ thống điện. Vậy, khí cụ điện hoạt động như thế nào và tại sao chúng lại quan trọng đến vậy? Hãy cùng tìm hiểu chi tiết hơn về loại thiết bị này.

Khí cụ điện là gì?

Khí cụ điện là các thiết bị được sử dụng trong quá trình lắp đặt, bảo trì và sửa chữa hệ thống điện. Chúng được chia thành nhiều loại với nguyên lý hoạt động, chức năng và kích thước khác nhau, phù hợp sử dụng rộng rãi trong gia đình, nhà máy, xí nghiệp và công xưởng.

Các thiết bị này hoạt động liên tục trong các mạch điện. Khi nhiệt độ của khí cụ tăng, có thể xảy ra tổn thất điện năng dưới dạng nhiệt và làm nóng các bộ phận dẫn điện cũng như cách điện. Vì vậy, để đảm bảo an toàn và hoạt động bền bỉ, các thiết bị cần duy trì nhiệt độ của các bộ phận không vượt quá mức cho phép.

Đặc điểm của khí cụ điện là gì?

Khí cụ điện ngày càng phổ biến, hỗ trợ việc đóng ngắt, kiểm tra, điều khiển và tự động điều chỉnh các thiết bị điện và phi điện, đặc biệt hữu ích trong các tình huống xảy ra sự cố. So với các sản phẩm truyền thống, khí cụ điện có nhiều ưu điểm vượt trội, bao gồm:

Sự phát nóng của khí cụ điện

Dòng điện trong mạch chính là nguyên nhân gây phát nhiệt cho khí cụ điện. Khi nhiệt độ vượt quá mức cho phép, khí cụ có nguy cơ bị cháy, làm giảm độ bền cơ học và khiến các kim loại bị lão hóa nhanh chóng.

Khí cụ điện phát nhiệt khác nhau tùy thuộc vào chế độ làm việc, môi trường và thời gian hoạt động. Các chế độ làm việc cụ thể bao gồm:

• Chế độ làm việc lâu dài: Khi khí cụ hoạt động liên tục, nhiệt độ sẽ tăng dần đến mức ổn định và sau đó sẽ tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh.
• Chế độ làm việc ngắn hạn: Nhiệt độ của khí cụ sẽ không đạt đến mức ổn định trước khi giảm xuống sau thời gian làm nóng ngắn.
• Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại: Nhiệt độ tăng lên khi khí cụ hoạt động và giảm xuống trong thời gian nghỉ. Khi nhiệt độ cao nhất gần bằng nhiệt độ thấp nhất, khí cụ đạt trạng thái ổn định.

Tiếp xúc điện

Tiếp xúc điện là phần quan trọng của khí cụ điện, cho phép dòng điện truyền từ một vật dẫn sang vật dẫn khác. Trong quá trình đóng/mở, tiếp điểm tiếp xúc dễ bị phát nóng và mài mòn do va chạm và ma sát.

Tiếp xúc điện là gì?

Tiếp xúc điện là khu vực nơi hai hay nhiều vật dẫn tiếp xúc với nhau để dòng điện có thể đi qua. Để đảm bảo an toàn cho khí cụ điện, tiếp điểm cần đáp ứng các yêu cầu:

• Tiếp điểm phải chắc chắn.
• Mối nối bền, không phát nóng vượt ngưỡng cho phép.
• Khả năng chịu tác động môi trường tốt, không bị ăn mòn.
• Vật liệu tiếp điểm có độ bền cao, chống rỉ sét.

Các loại tiếp xúc điện

Dựa vào kết cấu tiếp điểm, tiếp xúc điện được chia thành ba loại:

• Tiếp xúc cố định: Tiếp điểm không di chuyển, được nối cố định bằng bu-lông hoặc đinh tán.
• Tiếp xúc đóng mở: Sử dụng trong khí cụ điện để đóng/ngắt mạch. Khoảng cách giữa tiếp điểm động và tĩnh phải phù hợp với dòng điện, điện áp định mức và chế độ hoạt động.
• Tiếp xúc trượt: Gặp trong các thiết bị như chổi than, nơi tiếp điểm trượt trên cổ góp hoặc vành trượt của động cơ. Lực ép lên bề mặt tiếp xúc có thể được duy trì bằng lò xo hoặc bu-lông.

Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc

Điện trở tiếp xúc là kết quả của việc dòng điện bị kéo dài tại điểm tiếp xúc. Một số yếu tố ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc bao gồm:

• Vật liệu tiếp điểm: Vật liệu mềm sẽ tạo độ tiếp xúc tốt hơn.
• Kim loại tiếp điểm: Nên sử dụng kim loại chống oxy hóa.
• Diện tích tiếp xúc: Diện tích càng lớn, điện trở càng nhỏ.
• Nhiệt độ tiếp điểm: Nhiệt độ càng cao, điện trở càng lớn, thường khoảng 200°C.

Công cụ khí cụ điện

Khí cụ điện có nhiệm vụ chính là thực hiện việc đóng cắt lưới điện. Bên cạnh đó, thiết bị này còn mang đến nhiều công dụng khác như:

• Cung cấp nguồn điện
• Điều khiển và điều chỉnh mạng lưới điện
• Bảo vệ lưới điện và các thiết bị điện
• Đo lường điện năng tiêu thụ

Phân loại khí cụ điện thường gặp hiện nay

Các loại khí cụ điện được phân loại dựa trên chức năng hoạt động của chúng như sau:

• Nhóm khí cụ điện đóng cắt: Có nhiệm vụ đóng và cắt điện thủ công, bao gồm: cầu dao, aptomat, máy cắt, dao cách ly, bộ chuyển đổi nguồn,…
• Nhóm khí cụ điện hạn chế dòng điện và điện áp: Giúp giới hạn dòng điện và điện áp trong mạch để tránh tình trạng quá tải như: relay bảo vệ quá dòng, quá áp, relay nhiệt, bộ chống sét,…
• Nhóm khí cụ điện khởi động và điều khiển: Được dùng để khởi động và điều khiển hệ thống, bao gồm: nút nhấn, contactor, bộ điều khiển,…
• Nhóm khí cụ điện kiểm tra và theo dõi: Được sử dụng để kiểm tra và giám sát hoạt động của các thiết bị, cũng như chuyển đổi các tín hiệu không điện thành tín hiệu điện, bao gồm: các loại relay, cảm biến,…
• Khí cụ điện tự động điều chỉnh: Tự động điều chỉnh và duy trì các tham số hoạt động của hệ thống, bao gồm: bộ ổn định điện áp, ổn định tốc độ, ổn định nhiệt độ,…
• Nhóm khí cụ điện biến đổi dòng điện và điện áp cho các thiết bị đo, bao gồm các máy biến áp đo lường, biến dòng đo lường,…

Aptomat – Thiết bị cầu dao tự động

Aptomat hay còn gọi là cầu dao tự động, là thiết bị điện dùng để ngắt mạch điện khi xảy ra các sự cố như quá tải, ngắn mạch, sụt áp hoặc hiện tượng bất thường trong mạch.

Cầu dao tự động một pha

Cầu dao tự động một pha có thiết kế nhỏ gọn, đơn giản, dễ dàng lắp đặt và đảm bảo tính thẩm mỹ. Thiết bị này có chức năng phát hiện sự cố và nhanh chóng ngắt mạch để đảm bảo an toàn. Sau khi khắc phục sự cố, cầu dao tự động có thể đóng lại để mạch điện hoạt động bình thường.

Cầu dao chính

Cầu dao chính đóng vai trò trung tâm trong hệ thống điện, cho phép ngắt điện toàn bộ hệ thống bảng điện. Thiết bị này được thiết kế để chịu tải cao từ các dây dẫn chính, cung cấp nguồn điện cho toàn bộ ngôi nhà.

Cầu chì điện

Cầu chì điện là thiết bị bảo vệ các thiết bị và hệ thống điện khi gặp tình trạng ngắn mạch. Khi dòng điện vượt quá mức an toàn, cầu chì sẽ ngắt mạch để tránh hư hỏng các thiết bị do quá tải.

Công tắc tơ

Công tắc tơ là một loại khí cụ điện hạ áp, dùng để đóng cắt các mạch điện động lực một cách thường xuyên. Thiết bị này giúp điều khiển các thiết bị như động cơ, tụ bù, hệ thống chiếu sáng thông qua nút nhấn, điều khiển từ xa hoặc chế độ tự động.

Rơle Nhiệt

Rơle nhiệt là thiết bị bảo vệ động cơ và mạch điện công nghiệp khỏi sự cố quá tải, thường được sử dụng kết hợp với công tắc tơ. Nó hoạt động bằng cách đóng cắt mạch điện dựa trên sự thay đổi nhiệt của các thanh kim loại bên trong.

Điện trở – Biến trở

Điện trở và biến trở là thiết bị điều chỉnh và hạn chế dòng điện trong mạch. Khi thay thế, bạn cần lưu ý đến giá trị điện trở và công suất của thiết bị.

Biến dòng, biến áp đo lường

Biến dòng và biến áp đo lường được dùng để chuyển đổi dòng điện lớn (có thể từ vài chục đến hàng nghìn ampe) thành dòng điện nhỏ hơn, thường là 5A, để cung cấp tín hiệu cho các thiết bị đo lường và điều khiển.

Nguyên nhân dẫn đến khí cụ điện bị hỏng

Khí cụ điện là loại thiết bị có độ bền cao, ít khi gặp hư hỏng. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, hư hỏng vẫn có thể xảy ra do các nguyên nhân sau:

Hiện tượng ăn mòn kim loại của khí cụ điện

Trong quá trình sản xuất và gia công, dù kỹ thuật có chính xác đến đâu, bề mặt tiếp xúc của các tiếp điểm vẫn có thể xuất hiện những lỗ nhỏ li ti, chỉ có thể nhìn thấy bằng kính hiển vi. Trong quá trình vận hành, hơi nước và các chất hóa học dễ dàng thấm vào những lỗ nhỏ này, tạo ra các phản ứng hóa học hình thành màng mỏng giòn. Khi có va chạm, màng này dễ bong tróc, làm bề mặt tiếp xúc bị ăn mòn dần, hiện tượng này gọi là ăn mòn kim loại.

Hiện tượng oxy hóa khí cụ điện

Môi trường xung quanh có thể làm bề mặt tiếp xúc bị oxy hóa, tạo ra lớp oxit mỏng với điện trở cao (RTX), làm tăng nhiệt độ tại điểm tiếp xúc. Mức độ tăng RTX phụ thuộc vào nhiệt độ, ở khoảng 20-30°C, lớp oxit dày khoảng 25.10⁻⁶ mm sẽ hình thành trên bề mặt tiếp xúc.

Điện thế hóa của kim loại trong khí cụ điện

Mỗi kim loại có một điện thế hóa học riêng. Khi hai kim loại với điện thế hóa học khác nhau tiếp xúc, sẽ tạo ra một hiệu điện thế. Nếu có sự thâm nhập của nước, dòng điện sẽ chạy qua và kim loại có điện thế âm hơn sẽ bị ăn mòn trước, làm giảm tuổi thọ của tiếp điểm.

Tác động từ nguồn điện

Khi khí cụ điện vận hành lâu ngày hoặc không được bảo quản đúng cách, lò xo của tiếp điểm có thể bị rỉ sét hoặc suy yếu, không đủ lực ép vào tiếp điểm. Khi dòng điện chạy qua, tiếp điểm dễ bị nóng, dẫn đến nóng chảy hoặc hàn dính vào nhau. Nếu lực ép quá yếu, tia lửa sẽ phát sinh và làm cháy tiếp điểm. Ngoài ra, bụi bẩn và rỉ sét làm tăng điện trở tiếp xúc, gây nóng và khiến tiếp điểm bị hao mòn nhanh chóng.

Cách khắc phục hư hỏng khí cụ điện

Khi gặp các trường hợp hư hỏng do cháy hoặc chập, ta nên tiến hành thay mới thiết bị. Để ngăn ngừa rủi ro có thể xảy ra, cần thực hiện các biện pháp sau:

• Với các điểm tiếp xúc cố định, nên bôi một lớp mỡ chống rỉ hoặc quét sơn chống ẩm.
• Lựa chọn vật liệu có điện thế tương tự hoặc gần giống nhau trong quá trình thiết kế.
• Mạ thiếc, bạc, hoặc kẽm cho các tiếp điểm bằng đồng và đồng thau; với tiếp điểm bằng thép thường dùng mạ cadini hoặc kẽm.
• Thay thế lò xo bị gỉ sét, lau sạch các tiếp điểm mềm và thay thế lò xo nén nếu lực nén quá yếu.
• Thường xuyên kiểm tra, bảo dưỡng định kỳ và cải tiến thiết bị dập hồ quang nhằm giảm thiểu nguy cơ cháy nổ và rút ngắn thời gian dập hồ quang.

>>>Xem thêm: Hệ thống điện động lực là gì? Tìm hiểu vai trò và ứng dụng

Các yêu cầu cơ bản đối với khí cụ điện hiện nay

Khi thiết kế và sử dụng khí cụ điện trong các hệ thống điện, việc đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật là vô cùng quan trọng để duy trì sự an toàn và ổn định trong quá trình vận hành, cụ thể: 

• Khí cụ điện cần đảm bảo hoạt động ổn định theo các thông số kỹ thuật định mức trong thời gian dài. Nói cách khác, khi dòng điện qua các phần dẫn điện không vượt quá giới hạn cho phép, khí cụ có thể vận hành liên tục mà không bị hỏng hóc.
• Khí cụ điện phải có khả năng ổn định cả về nhiệt và điện động. Vật liệu sử dụng cần chịu nhiệt tốt và có độ bền cơ học cao, để đảm bảo không bị hư hỏng khi xảy ra sự cố ngắn mạch hoặc quá tải do dòng điện lớn.
• Vật liệu cách điện phải đạt chất lượng cao, giúp ngăn chặn hiện tượng chọc thủng cách điện trong trường hợp có sự cố quá áp trong phạm vi cho phép.
• Khí cụ điện phải hoạt động chính xác và an toàn, đồng thời cần có thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, dễ gia công, lắp đặt và bảo trì, sửa chữa.

Bên cạnh đó, khí cụ điện cần hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện môi trường và khí hậu khác nhau.

Khí cụ điện là gì? Đó là những thiết bị quan trọng không thể thiếu trong hệ thống điện, đóng vai trò bảo vệ, điều khiển và giám sát dòng điện. DMD giúp bạn hiểu được với các yêu cầu về độ bền, tính ổn định và khả năng chịu đựng trong nhiều điều kiện khác nhau, khí cụ điện đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và hiệu quả. Việc lựa chọn và sử dụng đúng loại khí cụ điện sẽ giúp tăng tuổi thọ của thiết bị và nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện trong quá trình vận hành.
>>>Khám phá các bài viết liên quan:

• 7+ Các loại hệ thống điện thông minh trong nhà hiện nay
• Ưu điểm của hệ thống m&e
• Hệ thống điện trung thế là gì? Định nghĩa, vai trò và ứng dụng