MCCB là gì? Nguyên lý hoạt động, cấu tạo, cách chọn MCCB đúng kỹ thuật

1. MCCB là gì?

MCCB – Molded Case Circuit Breaker (Aptomat kiểu hộp đúc) là thiết bị bảo vệ và đóng, cắt điện phía hạ thế được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống điện dân dụng và công nghiệp. MCCB là thiết bị dùng để điều khiển mạch điện theo nhóm tủ, tải hoặc toàn hệ thống một cách tự động (có kết hợp với các thiết bị khác như contactor, BMS …) và thủ công bằng tay gạt. Nó có khả năng tự động cắt điện khi xảy ra sự cố ngắn mạch, quá tải hoặc mất cân bằng pha trong hệ thống điện nhằm bảo vệ mạch điện trong trường hợp sự cố.

Đồng thời, aptomat kiểu hộp đúc này cũng được sử dụng để tạo điểm hở mạch không nhìn thấy, giúp phục vụ công tác bảo trì bảo dưỡng hệ thống điện một cách an toàn.

Theo TCVN 6592-2:2009, Điều 2.1, Điều 2.6 định nghĩa MCCB là:

Aptomat kiểu hộp đúc (moulded-case circuit-breaker), Aptomat có các ngăn để chứa và đỡ được ép bằng vật liệu cách điện tạo nên các bộ phận cấu thành của aptomat. [IEV 441-14-24]. MCCB được thiết kế để đóng, mang và cắt dòng điện trong các điều kiện mạch điện bình thường, cũng như trong điều kiện bất thường được quy định như ngắn mạch.

2. Cấu tạo MCCB

MCCB là thiết bị có khả năng đóng, cắt mạch điện có công suất đa dạng 6A~3200A. Khả năng chịu ngắn mạch của tiếp điểm đến 150kA. Tất cả các chức năng đó được chế tạo và lắp đặt gói gọn trong 1 khối thiết bị vì vậy cấu tạo của MCCB rất phức tạp với các thành phần chính như sau:

• Vỏ ngoài bảo vệ: Được làm từ vật liệu cách điện và có khả năng chịu nhiệt độ cao, là bộ phận chứa các cơ cấu bên trong của MCCB đồng thời giúp bảo vệ tránh tiếp xúc cũng như các tác động bên ngoài.
• Hệ thống các cụm tiếp điểm: Bao gồm các tiếp điểm tĩnh và tiếp điểm động, có nhiệm vụ đóng/ ngắt dòng điện khi xảy ra sự cố. Tiếp điểm được chế tạo từ hợp kim để tăng độ bền và giảm điện trở tiếp xúc.
• Buồng dập hồ quang: Khi đóng, ngắt mạch điện, hồ quang điện được tạo ra tại tiếp điểm. Buồng dập hồ quang sẽ chia nhỏ hồ quang ra các khoang nhỏ làm giảm cường độ cũng như sự liên tục của mạch hồ quang, làm cho tia hồ quang điện bị triệt tiêu.
• Cơ cấu truyền động: Cơ cấu truyền động của MCCB bao gồm tay gạt hoặc nút ấn đóng/ ngắt (Nút test) MCCB bằng tay. Bên cạnh đó có thể bao gồm lò xo hỗ trợ thao tác đóng/ ngắt nhanh và chính xác.
• Bộ phận bảo vệ quá dòng: Bộ phận dùng để phát điện quá tải hoặc ngắn mạch trong 1 khoảng thời gian quy ước, từ đó kích ngắt MCCB bảo vệ mạch điện khi có sự cố.
• Cụm đấu nối mạch điện: MCCB với nguồn điện tại phía đầu vào và đấu nối bảo vệ mạch điện ở phía đầu ra.

Cấu tạo MCCB (Molded Case Circuit Breaker components)

3. Nguyên lý hoạt động của MCCB

a) Hoạt động theo nguyên lý nhiệt

Các MCCB hoạt động dựa trên bộ phận cảm biến nhiệt độ cao. Thành phần chính là thanh lưỡng kim – gồm hai kim loại có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau. Trong điều kiện bình thường, thanh lưỡng kim cho phép dòng điện đi qua mà không bị ảnh hưởng.

Tuy nhiên, khi dòng điện vượt quá giới hạn cho phép, thanh lưỡng kim sẽ nóng lên, cong lại do sự giãn nở không đều của hai kim loại, thanh kim loại này sẽ bị uốn cong đến điểm đẩy cơ học vào thanh ngắt, từ đó tách rời các tiếp điểm và khiến mạch điện bị gián đoạn. Quá trình này cần một khoảng thời gian nhất định và nhiệt độ đủ lớn để xảy ra hiện tượng uốn cong, do đó không thể tác động tức thì.

Cơ chế nhiệt thường được áp dụng trong các tình huống quá tải kéo dài, như trường hợp khởi động động cơ có dòng khởi động cao.
Ví dụ: CB theo tiêu chuẩn IEC 60898 có khả năng chịu quá tải từ 113% đến 145% trong một khoảng thời gian quy ước.

b) Hoạt động theo nguyên lý điện từ

Ngoài cơ chế nhiệt, MCCB còn có cơ chế điện từ để bảo vệ khi xảy ra sự cố ngắn mạch.

Trong điều kiện bình thường, từ trường của cuộn dây rất nhỏ, không đủ để kích hoạt cơ cấu ngắt. Nhưng khi có sự cố quá tải hoặc ngắn mạch, dòng điện tăng vọt tạo ra lực hút đủ lớn để tách rời các tiếp điểm, cách ly mạch điện khỏi sự cố.
Ví dụ: CB theo tiêu chuẩn IEC 60947 có khả năng chịu quá tải từ 105% đến 130% trong khoảng thời gian quy ước.

Sơ đồ nguyên lý tủ điện với MCCB

4. Phân loại MCCB

MCCB (Molded Case Circuit Breaker) có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau như sau:

a) Phân loại theo hình dạng vật lý

• MCB (Miniature Circuit Breaker): thường được gọi là CB tép, kích thước nhỏ, dùng cho dòng điện thấp.
• MCCB (Molded Case Circuit Breaker): thường gọi là CB khối, có dòng định mức và khả năng chịu ngắn mạch lớn hơn.

b) Phân loại theo dòng định mức In (A) và dòng khả năng chịu ngắn mạch Ic

• MCB: Có dòng định mức (In) từ 6A đến 125A, với dòng cắt ngắn mạch (Icu/Ics) khoảng 4.5kA đến 15kA.
• MCCB: Có dòng định mức (In) từ 6A đến 3200A, với dòng cắt ngắn mạch từ 10kA đến 150kA.

c) Phân loại theo số cực bảo vệ

• Tải một pha: các loại có số cực là 1 hoặc 2 cực (1P hoặc 1P+N)
• Tải ba pha: các loại có số cực bảo vệ là 3P , 3P+N (4P) ,3P+1/2N (4P)

d) Phân loại theo đặc tính ngắt dòng (Type)

Bao gồm các kiểu đặc tính như: Type B, C, D, Z, H, F… (đặc trưng bởi thời gian phản ứng và dòng khởi động). Chúng được xem xét lựa chọn theo công năng sử dụng

e) Phân loại theo nguyên lý hoạt động

• Nguyên lý nhiệt: dùng thanh lưỡng kim để ngắt khi quá nhiệt.
• Nguyên lý điện từ: dùng cuộn dây để ngắt khi có dòng ngắn mạch lớn.

f) Phân loại theo khả năng chỉnh định dòng

• Loại có khả năng chỉnh định dòng: người dùng có thể điều chỉnh dòng ngắt.
• Loại không có khả năng chỉnh định dòng: giá trị dòng ngắt cố định theo nhà sản xuất.

TCVN 6592-2:2009, Điều 3 phân loại MCCB theo phương pháp thao tác (thủ công, động cơ, năng lượng dự trữ), khả năng cách ly, và loại bảo vệ (nhiệt-từ, điện tử, hoặc tích hợp dòng rò). MCCB có thể là loại cắm (plug-in), ngăn kéo (withdrawable), hoặc tích hợp cầu chì (integrally fused) tùy ứng dụng.

5. So sánh MCCB và MCB

6. Ứng dụng của MCCB

• Thiết bị bảo vệ dân dụng
• Tủ điện tổng và phân phối
• Hệ thống HVAC, thang máy
• Trung tâm dữ liệu, máy phát
• Hệ thống PCCC, chiếu sáng công nghiệp
• Hệ thống năng lượng tái tạo (điện mặt trời, điện gió)

7. Cách chọn MCCB đúng kỹ thuật

Để chọn MCCB đúng theo tiêu chuẩn thiết kế hệ thống điện công trình, cần thực hiện theo các bước sau:

7.1. Tính toán dòng tải

• Công suất tải 3 pha: P = √3 × U × I × cosφ

→ Dòng điện tải 3 pha: I = P / (√3 × U × cosφ)

• • P: Công suất điện (W)
  • U: điện áp 380V
  • Cosφ = 0.8
• Công suất tải 1 pha: P = U × I × cosφ

→ Dòng điện tải 1 pha: I = P / (U × cosφ)

• • P: Công suất điện (W)
  • U: điện áp 220V
  • Cosφ = 0.8

Ví dụ: Tính dòng tải cho thiết bị 3 pha có công suất điện tiêu thụ là 15kW.

→ I = 15000 / (√3 × 380 × 0.8) =  28.5 A

7.2. Xác định dòng định mức MCCB (In)

• Chọn In ≥ dòng tải tính toán và phải theo các mức cấp In tiêu chuẩn của nhà cung cấp MCCB
• MCCB thường có các cấp In tiêu chuẩn: 15A,20A,25A,30A,32A,40A,50A,60A,63A,75A,80A, 100A, 125A, 160A, 250A, 400A, 630A, 800A, 1000A, 1250A, 1600A, 2000A, 2500A…
  Ví dụ: dòng tính toán là 28.5A. Ta kiểm tra MCCB đáp ứng theo chuẩn là 30A( hoặc 32A)

7.3. Kiểm tra khả năng chịu dòng ngắn mạch (Icu, Ics)

• Icu, Ics là dòng điện bảo vệ ngắn mạch (chạm chập) cho đường dây hoặc thiết bị mà MCCB bảo vệ.
• Icu – Dòng cắt tối đa (Ultimate breaking capacity) tính bằng KA. Chúng cho phép MCCB ngắt một cách an toàn mà không gây hư hỏng và chỉ ngắt được 1 lần không yêu cầu tái sử dụng.
• Ics – Dòng cắt vận hành (Service breaking capacity) tính bằng KA là dòng ngắn mạch mà MCCB có thể ngắt nhiều lần và vẫn còn sử dụng được bình thường sau khi cắt.Chúng ta cần kiểm tra các thông số sau:
  • Tính toán dòng ngắn mạch tại điểm lắp đặt MCCB: Isc = U / Z, trong đó Z là tổng trở hệ thống (bao gồm trở kháng nguồn, dây dẫn, và tải). 
  • Chọn MCCB có Icu ≥ Isc thực tế tại điểm lắp đặt.
  • Ưu tiên MCCB có Ics ≥ 50% Icu theo IEC 60947-2.

7.4. Phối hợp bảo vệ và chọn đặc tính trip

• Với tải có dòng khởi động lớn (động cơ, máy lạnh, thang máy): Chọn đặc tính Loại D hoặc điều chỉnh Isd, tsd trên MCCB điện tử.
• Với tải thông thường (đèn, ổ cắm): Chọn đặc tính Loại C hoặc Loại B.

7.5. Kiểm tra độ tương thích với dây dẫn

• MCCB phải bảo vệ đúng tiết diện dây dẫn theo IEC 60364-4-43 và IEC 60364-5-52:
  • Dòng MCCB không vượt quá dòng cho phép lâu dài của dây (Iz)
  • In ≤ Iz và I2 ≤ 1.45 × Iz (I2 là dòng cắt tác động MCCB)

Cách tính theo QCVN 12:2014/BXD, Điều 2.6.3.1 có ghi:

Kiểm tra độ tương thích dây dẫn MCCB

Giải thích thêm:

• I_n là dòng điện danh định của MCCB (rated current) hay là dòng điện định mức được cài đặt cho MCCB hoạt động và nằm trong dải dòng của dòng điện khung (frame size)
• I₂ là dòng điện tác động cắt ( Tripping Current at Overload) nói một cách khác đó là MCCB sẽ không ngắt ngay khi dòng điện vượt quá dòng định mức I_n. Chúng chỉ ngắt khi dòng điện lớn hơn I2 trong khoảng thời gian theo đặc tính bảo vệ của MCCB (từ 5 đến 10 giây tùy loại). Đặc tính này của MCCB nhằm đảm bảo không cắt nhầm khi có dòng khởi động cao tạm thời hoặc dao động ngắn.

Ví dụ: Dòng tính toán 28.5A ta chọn MCCB 30A, CB này có khả năng quá tải với dòng điện là 30×1.13=33.9A trong 1 giờ. Như vậy khi dòng điện trong mạch quá tải liên tục từ trên 28.5A đến 33.9A thì MCCB sẽ vẫn duy trì và không ngắt mạch trong 1 giờ. Tuy nhiên khi dòng điện trong mạch quá tải ở mức 30×1.45=43.5A trở lên thì CB này sẽ tắc động ngắt mạch điện. Bên cạnh đó cần đảm bảo dòng điện lâu dài cho phép của dây dẫn đảm bảo theo quy định.

Đồ thị đặc tuyến của CB ngắt theo thời gian hoạt động

7.6. Xác nhận thông số thiết bị

• Điều chỉnh Ir, tr, Isd, tsd nếu MCCB loại điện tử (Electronic trip)
• Ghi rõ trong bản vẽ thiết kế: Loại MCCB, In, Icu, số cực, đặc tính bảo vệ, hãng

7.7. Tuân thủ tiêu chuẩn thiết kế

• Áp dụng tiêu chuẩn:
• IEC 60947-2: Chọn MCCB phù hợp dòng, đặc tính, kiểm tra selectivity
• IEC 60364-4-43: Bảo vệ chống quá tải, ngắn mạch
• IEC 60364-6: Kiểm tra hệ thống điện
• TCVN 6592-2:2009 tương đương IEC 60947-2:2009, quy định về: Thiết bị đóng cắt và điều khiển hạ áp – Phần 2: Aptomat
• QCVN 12:2014/BXD: Quy chuẩn quốc gia về hệ thống điện cả nhà ở và nhà công cộng
• QCVN QTĐ 8:2010/BCT: Quy định bắt buộc tại Việt Nam

7.8. Một số nhà cung cấp MCCB thông dụng và uy tín

• Schneider, Mitsubishi, ABB, LS…

8 . Tiêu chuẩn liên quan đến MCCB

8.1 Tiêu chuẩn quốc tế

• IEC 60947-1 – Low-voltage switchgear and controlgear – Part 1: General rules: Tiêu chuẩn cơ sở quy định các yêu cầu chung cho thiết bị đóng cắt và điều khiển hạ áp, bao gồm: điều kiện làm việc, đặc điểm thiết kế, thử nghiệm (loại, thường quy), cách đánh dấu, khả năng chịu điện và phối hợp bảo vệ. Đây là phần nền tảng áp dụng cho toàn bộ loạt tiêu chuẩn IEC 60947.
• IEC 60947-2 – Low-voltage switchgear and controlgear – Part 2: Circuit-breakers: Quy định chi tiết về các loại máy cắt (circuit-breakers) hạ áp, bao gồm định nghĩa, phân loại, thông số kỹ thuật (In, Icu, Ics, Ir, tr…), đặc tính EMC, yêu cầu thiết kế, và các phương pháp thử nghiệm (type, routine, special). Tiêu chuẩn này cũng bao gồm yêu cầu phối hợp bảo vệ (selectivity, back-up) giữa MCCB với các thiết bị bảo vệ ngắn mạch khác.
• IEC 60364-4-43 – Low-voltage electrical installations – Part 4-43: Protection for safety – Protection against overcurrent: Tiêu chuẩn Đưa ra yêu cầu và phương pháp lựa chọn thiết bị bảo vệ chống quá dòng (quá tải và ngắn mạch), nhằm tránh hư hỏng vật liệu cách điện và rủi ro cháy nổ. Tiêu chuẩn này đặc biệt quan trọng trong thiết kế hệ thống điện công trình dân dụng và công nghiệp theo tiêu chuẩn IEC.
• IEC 60364-5-53 – Electrical installations of buildings – Part 5-53: Selection and erection of electrical equipment – Isolation, switching and control:Tiêu chuẩn Hướng dẫn lựa chọn và lắp đặt thiết bị cách ly, đóng cắt, điều khiển như MCCB, RCCB, công tắc, contactor…, đảm bảo chức năng an toàn, bảo trì thuận tiện và vận hành hiệu quả trong hệ thống điện công trình. Áp dụng cho tất cả hệ thống điện trong nhà ở, building và cơ sở công nghiệp.
• IEC 60364-6 – Low voltage electrical installations – Part 6: Verification: Quy định nội dung và trình tự kiểm tra, thử nghiệm hệ thống điện sau khi lắp đặt (initial verification) và kiểm tra định kỳ (periodic verification). Mục tiêu là xác nhận toàn hệ thống (bao gồm MCCB) đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và vận hành an toàn theo chuẩn IEC.

8.2 Tiêu chuẩn Việt Nam

• Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6592-1:2009 tương đương IEC 60947-1:2007, quy định về: Thiết bị đóng cắt và điều khiển hạ áp – Phần 1: Quy tắc chung
• Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6592-2:2009 tương đương IEC 60947-2:2009, quy định về: Thiết bị đóng cắt và điều khiển hạ áp – Phần 2: Aptomat
• Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6434-1:2018 tương đương IEC 60898-1:2015, quy định về – Khí cụ điện – Aptomat bảo vệ quá dòng dùng trong gia đình và các hệ thống lắp đặt tương tự – Phần 1: Aptomat dung cho điện xoay chiều
• Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9206:2012 – Đặt thiết bị điện trong nhà ở và công trình công cộng – Tiêu chuẩn thiết kế
• Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về kỹ thuật điện QCVN QTĐ 8:2010/BCT – Tập 8: Quy chuẩn kỹ thuật điện hạ áp

9. Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Câu hỏi 1: MCCB bảo vệ được những gì?

Trả lời: MCCB bảo vệ chống quá tải (overload), ngắn mạch (short-circuit), và một số loại MCCB hiện đại tích hợp bảo vệ chống dòng rò (earth fault) thông qua modul bổ sung.

TCVN 6592-2:2009 quy định MCCB có thể tích hợp bảo vệ dòng dư (residual current protection) theo Phụ lục M, đảm bảo bảo vệ hiệu quả cho hệ thống điện công nghiệp và công trình [TCVN 6592-2:2009, Phụ lục M]. Lưu ý, để bảo vệ chống dòng rò trong các công trình thông thường, cần sử dụng thêm RCD hoặc RCCB theo TCVN 9206:2012.

Câu hỏi 2: MCCB có thể tái sử dụng được sau khi ngắt?

Trả lời: Có. Sau khi MCCB nhảy, bạn chỉ cần đặt về trạng thái ON thủ công. Tuy nhiên, cần kiểm tra nguyên nhân sự cố trước khi đóng trở lại .

TCVN 6592-2:2009 yêu cầu kiểm tra thời gian đạt lại (resetting time) sau khi MCCB tác động để đảm bảo thiết bị sẵn sàng hoạt động [TCVN 6592-2:2009, Điều 2.19]

Câu hỏi 3: MCCB có chống giật điện cho người được không?

Trả lời: Không. MCCB chỉ bảo vệ hệ thống điện khỏi hư hỏng và cháy nổ; để bảo vệ người khỏi giật, cần dùng thêm RCD/RCCB hoặc RCBO 

TCVN 6592-2:2009 xác nhận MCCB không được thiết kế để bảo vệ chống giật điện, mà cần kết hợp với thiết bị bảo vệ dòng dư (RCCB/RCBO) theo TCVN 6950-1 hoặc TCVN 6951-1 [TCVN 6592-2:2009, Điều 1.1]

Câu hỏi 4: MCCB có tuổi thọ bao lâu?

Trả lời: MCCB thường có tuổi thọ cơ–điện từ 15 đến 30 năm, tùy thuộc vào tần suất đóng/ngắt, điều kiện môi trường, bảo trì định kỳ, và thông số kỹ thuật của nhà sản xuất.

TCVN 6592-2:2009 yêu cầu MCCB phải được thử nghiệm độ bền cơ khí và điện trong các điều kiện vận hành để đảm bảo tuổi thọ dài lâu [TCVN 6592-2:2009, Điều 8].

Câu hỏi 5: Bao lâu nên bảo trì MCCB một lần?

Trả lời: Theo tiêu chuẩn IEC 60364‑6, nên kiểm tra và bảo trì MCCB 6–12 tháng/lần. Việc bảo trì bao gồm: kiểm tra chặt đầu cọc, làm sạch bụi, đo điện trở tiếp xúc, kiểm tra nhiệt độ hoạt động và thử ngắt .

Theo khuyến nghị của IEC 60364-6– Phần Kiểm tra xác nhận hệ thống điện sau lắp đặt và tiêu chuẩn bảo trì của nhà sản xuất. TCVN 6592-2:2009 khuyến nghị kiểm tra định kỳ MCCB để đảm bảo hoạt động ổn định, đặc biệt trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao hoặc độ ẩm lớn [TCVN 6592-2:2009, Điều 6]

10. Kết luận

MCCB – Molded Case Circuit Breaker (Aptomat kiểu hộp đúc) không chỉ là thiết bị đóng cắt, mà còn là thiết bị bảo vệ trung tâm của hệ thống điện rất phổ biến.

Chúng được ứng dụng rộng rãi từ nhà ở dân dụng đến công trình thương mại, công nghiệp. Đặc biệt đối với các công trình thương mại, công nghiệp việc lựa chọn MCCB đúng kỹ thuật, đúng theo tiêu chuẩn khuyến cáo là điều kiện tiên quyết để đảm bảo an toàn, hiệu quả và ổn định lâu dài cho hệ thống điện công trình.

Bạn muốn hiểu rõ cách tính chọn các thiết bị điện đóng cắt bảo vệ như MCB, MCCB, ACB, các loại dây cáp điện trong hệ thống điện công trình thực tế? Tham gia ngay khóa học Thiết kế hệ thống điện, điện nhẹ công trình và nhà cao tầng, hướng dẫn theo quy chuẩn và tiêu chuẩn hiện hành tại đây!