Ngắn mạch là sự cố điện xảy ra khi hai điểm có điện thế khác nhau trong mạch được nối trực tiếp bằng trở kháng rất nhỏ. Khi đó, dòng điện tức thời tăng vọt gấp hàng chục lần dòng định mức, tạo ra nhiệt độ cao và lực cơ học lớn trong một thời gian ngắn. Nếu thiết bị không chịu đựng được hiện tượng này, hậu quả sẽ là biến dạng thanh dẫn, hư hỏng tiếp điểm hoặc nổ hồ quang phá hủy toàn bộ tủ điện.
Để phản ánh khả năng chịu đựng ngắn mạch, ba thông số cơ bản luôn xuất hiện trong bảng dữ liệu của thiết bị trung thế là Ik (Rated short-time withstand current), tk (short-time duration) và Ip (Rated peak withstand current). Đây là bộ chỉ tiêu mà mọi kỹ sư thiết kế và vận hành phải nắm rõ để đảm bảo sự phù hợp và an toàn cho hệ thống.
Xem thêm:
Thiết bị đóng cắt trong hệ thống ≥1600kVA: 6 hạng mục kiểm tra không thể thiếu.
Yếu tố sống còn của thiết bị đóng cắt cho bảo vệ
Tủ RMU là gì và các loại tủ RMU phổ biến
Hiện tượng ngắn mạch và ý nghĩa của Ik
Khi ngắn mạch xảy ra, dòng điện đạt đến một giá trị rất lớn, gọi là dòng ngắn mạch hiệu dụng. Thông số Ik chính là giá trị dòng hiệu dụng mà thiết bị có thể chịu được trong một khoảng thời gian nhất định mà không bị hư hỏng không thể phục hồi.
Ik được xác định thông qua thử nghiệm theo tiêu chuẩn IEC 62271-200, nhằm chứng minh khả năng chịu đựng nhiệt và chịu đựng cơ học của thanh cái, dao cách ly và buồng cắt. Nếu dòng ngắn mạch tại điểm lắp đặt vượt quá Ik của thiết bị, tủ điện sẽ không đảm bảo an toàn.
Ví dụ, một tủ trung thế có Ik = 25 kA nghĩa là nó có thể chịu được dòng ngắn mạch hiệu dụng 25.000 A trong thời gian quy định.
Thời gian tk và giới hạn năng lượng nhiệt
Ngắn mạch không tồn tại mãi mãi mà sẽ được loại bỏ nhờ hệ thống bảo vệ. Tuy nhiên, vẫn có khoảng thời gian từ khi sự cố xảy ra đến khi máy cắt dập tắt hồ quang. Thông số tk, hay thời gian chịu đựng ngắn mạch, cho biết thiết bị có thể duy trì an toàn trong khoảng thời gian đó.
Theo IEC, giá trị chuẩn là 1 giây, mặc dù thực tế bảo vệ thường tác động nhanh hơn. Việc quy định tk = 1s giúp tạo biên độ dự phòng, đảm bảo thiết bị không hư hỏng ngay cả khi rơ-le hoặc máy cắt phản ứng chậm.
Dòng đỉnh Ip và tác động cơ học tức thời
Ngoài Ik và tk, còn một hiện tượng đặc trưng là dòng đỉnh tức thời ngay tại nửa chu kỳ đầu tiên của sự cố. Do có thành phần một chiều (DC offset) trong sóng dòng điện, giá trị đỉnh này lớn hơn nhiều so với Ik.
Thông số Ip, hay dòng đỉnh chịu đựng, phản ánh khả năng thiết bị chống lại lực điện động cực đại trong khoảnh khắc đầu tiên. Đây là thông số đánh giá độ bền cơ học tức thời của thanh cái và kết cấu kim loại.
IEC 62271-200 quy định mối quan hệ giữa Ip và Ik thường có dạng:
(1) 
Trong đó, hệ số k phụ thuộc tổng trở hệ thống điện, với Ik = 25 kA lớn nhất cho lưới trung áp.
Kết quả và ý nghĩa thực tiễn của bộ ba Ik, tk, Ip
Ik thể hiện khả năng chịu đựng nhiệt lâu dài trong thời gian ngắn, tk xác định khoảng thời gian chịu đựng, còn Ip phản ánh độ bền cơ học tức thời. Cả ba thông số kết hợp lại giúp kỹ sư thiết kế và người vận hành có cái nhìn toàn diện về độ an toàn của thiết bị trước sự cố ngắn mạch.
Trong thực tế, trước khi lựa chọn tủ điện hoặc máy cắt, kỹ sư phải tính toán dòng ngắn mạch cực đại tại điểm đấu nối. Giá trị này sau đó được so sánh với Ik và Ip công bố trên nhãn thiết bị. Nếu bất kỳ giá trị nào vượt quá khả năng chịu đựng, thiết bị sẽ không phù hợp và cần thay thế bằng loại có cấp cao hơn.
Ngoài ra, thông số tk còn cho phép kỹ sư phối hợp bảo vệ giữa các cấp rơ-le, máy cắt để đảm bảo loại trừ sự cố đúng vị trí và trong thời gian giới hạn an toàn.
Tại sao nhà sản xuất luôn ghi Ik, tk và Ip trên bảng thông số
Việc công bố Ik, tk và Ip không phải là lựa chọn tùy ý, mà là yêu cầu bắt buộc của tiêu chuẩn IEC 62271-200. Điều này đảm bảo tính minh bạch và đồng bộ giữa các nhà sản xuất, giúp kỹ sư có thể so sánh và lựa chọn dễ dàng.
Thứ hai, ba thông số này là bằng chứng thử nghiệm an toàn, chứng minh rằng thiết bị đã được kiểm tra trong điều kiện ngắn mạch khắc nghiệt và vẫn giữ nguyên khả năng vận hành.
Thứ ba, đây là cơ sở thiết kế và vận hành, giúp kỹ sư xác định sự phù hợp của thiết bị với lưới điện thực tế, đồng thời giúp nhà vận hành yên tâm hơn về độ tin cậy của hệ thống.