ELCB – Cầu dao chống rò

ELCB là viết tắt của cụm từ Earth leakage circuit breaker, thường được gọi tên theo các thói quen khác nhau là “Rơ le bảo vệ chạm đất”, aptomat “chống giật”, “cầu dao chống rò điện”. ELCB là loại thiết bị làm việc trên nguyên tắc phát hiện sự chênh lệch dòng điện đi và về để có thể ngắt phía nguồn tiêu thụ nếu có sự chênh lệch giữa chúng. ELCB được dùng để bảo vệ an toàn cho lưới điện, quan trọng hơn là sự an toàn của con nguời đối với các nguy cơ bị “điện giật”.

Vì gia đình tôi có hai đứa con trai rất nghịch ngợm, lại đang ở trong lứa tuổi dễ bị tổn thương do điện (lứa tuổi từ 1 đến 5), nên ngay từ khi chúng bắt đầu biết nghịch ngợm thì tôi phải lắp đặt các ELCB vào mạng điện gia đình. Lắp đặt thiết bị này là điều mà tôi khuyên bạn thực hiện để an toàn hơn cho con người, thiết bị và tài sản để hạn chế các rủi ro do điện lưới gây ra.

Bị điện giật ?

Trước tiên thì tôi cũng giải thích một chút về tại sao lại có sự “giật” khi mỗi người chạm vào điện. Rất nhiều người chỉ hiểu rằng nếu sờ vào điện lưới dân dụng thì sẽ bị giật hoặc nguy hiểm đến tính mạng, nhưng không hiểu nguyên nhân gây ra sự giật này.

Khi một dòng điện với cường độ đủ lớn đi qua người thì sẽ tạo ra cảm giác bị “điện giật”. Tuỳ theo từng trường hợp, lứa tuổi mà mức độ ảnh hưởng của điện đối với cơ thể con người là khác nhau nhưng nói chung là đều gây ra có hại (tất nhiên cũng có các phương pháp điều trị bằng điện, ví dụ châm cứu điện ở các dòng điện cường độ thấp) hoặc có nhiều trường hợp dẫn đến tử vong.

Bảng bên dưới là mức độ ảnh hưởng của dòng điện lên cơ thể con người. Cũng trong bài viết này thì tác giả đã đánh giá rằng với tham số lưới điện 50 Hz ở Việt Nam thì dòng điện truyền qua người vào khoảng 40-50 mA là đã đủ gây nguy hiểm chết người.

ELCB-bị-điện-giật

Dòng điện di chuyển như thế nào trong mạch điện ?

Có hai loại dòng điện: Dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều mà chúng ta thường gặp hàng ngày.

  • Dòng điện một chiều là dòng điện có chiều chuyển động của các điện tích theo một hướng nhất định, không thay đổi theo thời gian. Các loại pin, ắc quy là các dòng điện một chiều.
  • Dòng điện xoay chiều là loại dòng điện mà chúng thay đổi chiều chuyển động của các điện tích một cách liên tục theo thời gian. Ví dụ lưới điện dân dụng ở Việt Nam thường sử dụng dòng điện xoay chiều có tần số 50 Hz, có nghĩa là trong một giây nó thay đổi chu kỳ 50 lần, chiều của nó đảo đi đảo lại 100 lần.

dòng-điện-di-chuyển-như-thế-nào-trong-mạch-điện

Bất kỳ một dòng điện nào cũng đều có một sự chuyển động khép kín theo một vòng tròn. Chúng không thể chạy ra khỏi cái vòng tròn đó. Ví dụ một quả pin mà ta thường thấy thì dòng điện xuất phát bên trong quả pin, chạy đến cực dương, rồi đi qua mạch tiêu thụ (bóng đèn, đài, điều khiển, điện thoại…bất kỳ cái gì dùng pin) rồi đi về cực âm, vào bên trong quả pin đó để hoàn thành một quá trình chuyển hoá thành điện năng. (Tất nhiên rằng đây là cách nói dễ hiểu chứ thực ra thì dòng điện đi trong các dây dẫn kim loại thì lại là sự chuyển dời của các điện tích (electron) và điện tích đi ra từ cực âm rồi di chuyển qua tải – về cực dương).

Đối với các loại điện được sử dụng trong dân dụng, bạn có thể nhận thấy dòng điện được xuất phát từ biến thế hạ áp ở các trạm phân phối điện, đi qua dây dẫn đến nhà bạn, qua các thiết bị điện mà bạn sử dụng rồi lại quay trở lại bằng dây dẫn thứ hai song song với nó, trở lại máy biến áp. Do tính chất xoay chiều nên nó đổi chiều liên tục.

Vậy thì có bao giờ dòng điện đi không khép kín hay không? Chưa bao giờ! Bởi vì nếu bạn có nhận ra ở một trường hợp nào đó ở trong dân dụng có dòng điện đi không theo trường hợp khép kín thì đó hoặc là các trường hợp rất đặc biệt (ví dụ như tụ điện sau quá trình tích điện được phóng điện khi có dây nối hoặc phóng thủng qua lớp điện môi, hoặc các trường hợp đặc biệt khác như sét…).

Vậy thì … tại sao lại bị điện giật ?

Ở trên bạn đã thấy rằng chỉ khi có một dòng điện chạy qua cơ thể người thì mới bị điện giật, mà dòng điện lại đi theo một mạch điện kín, như vậy thì tại sao người sờ vào một cực nào đó thì lại bị điện giật? Lúc này dòng điện chạy qua cơ thể người có tạo ra một mạch điện kín hay không? Có mâu thuẫn với điều trên không?

Bạn hãy nhìn vào hình minh hoạ bên sẽ nhận thấy rằng dòng điện được xuất phát từ nguồn đi đến thiết bị và nếu sự cách điện ở đâu đó bên trong thiết bị là không tốt thì sẽ xảy ra hiện tượng xuất hiện điện ở vỏ thiết bị. Khi người sử dụng sờ vào và sẽ bị giật. Điều này không cần chứng minh bởi vì nhiều người đã gặp rồi đối với các thiết bị điện bị rò rỉ điện, hoặc ngay như bạn sờ vào chiếc vỏ máy tính của bạn – tuy không giật mạnh nhưng có thể nó cũng tê tê.

tại-sao-lại-bị-điện-giật

Nhưng vì sao lại như thế. Đó là bởi vì hệ thống điện dân dụng luôn sử dụng một cực được nối với đất, do đó cực còn lại luôn luôn có một hiệu điện thế so với “đất”, và như vậy thì dòng điện đã truyền thông qua người để xuống “đất” để tạo ra một mạch điện khép kín.

Vậy bạn có thể thấy khó hiểu đối với một số trường hợp khác thường hay không?

Có bao giờ nhìn thấy các con chim đậu trên các dây điện (không được bọc vỏ bảo vệ) hay không? Có! Ai đó đã giải thích rằng vì chân nó có sừng nên cách điện, nên nó đã không bị giật. Chưa đúng! Con chim đã không bị giật bởi vì không có dòng điện đi qua nó vì nó không tạo thành một mạch điện khép kín – bởi điện đi vào con chim rồi nó đi đâu? thế nên không có dòng điện (thực tế có một dòng rất nhỏ bởi các yếu tố khác, nhưng giải thích điều đó thì rất phức tạp nên tôi coi không có dòng điện).

Không giống như con chim, một số người thán phục một người nào đó đứng trên thang khô, ghế đẩu bằng gỗ…rồi cứ dùng tay “nối sống” điện. Người này đã biết được nguyên lý của dòng điện nên đã khéo léo thao tác với sự sờ tay vào dây điện đang có điện mà không bị giật. Nhưng bạn đừng thực hiện điều này nếu không hiểu biết – bởi có thể bạn sẽ trở thành vật dẫn điện từ tay phải sang tay trái – và nó giật đấy!!!.

ELCB hoạt động như thế nào ?

Sự hoạt động của ELCB

Ta nhận thấy rằng dòng điện đi theo một mạch kín, do đó mà khi nào đó nó bị đi nhầm về một hướng khác với mong muốn theo thiết kế thì có thể dựa vào nó để chế tạo các thiết bị chống sự giật điện.

Nhìn vào hình minh hoạ trên thì ta nhận thấy rằng sự khép kín trong mạch điện này được phân thành hai nhánh: Dòng điện từ nguồn cung cấp đi đến ổ cắm vào thiết bị và quay trở lại ổ cắm, về nguồn phát – với một dây nối đất. Một phần còn lại đi qua tay người, xuống chân và đi xuống đất.

Như vậy tuy mạch điện ở phần tổng thể là một mạch kín, nhưng tại một số điểm nào đó trên sơ đồ thì chúng không còn là mạch kín nữa: Dòng điện đi và về là không bằng nhau, chúng đã bị “thất thoát”. Phần mất cân bằng này đã đi tắt xuống đất mà không theo đường dẫn về nơi chúng sinh ra theo dây dẫn.

Chính phần dòng điện đi tắt này đã đi qua các bộ phận cơ thể người để gây ra sự “giật điện”. Ở trên thì ta đã biết rằng điện giật nguy hại cho sức khoẻ của con người, chúng có nguy cơ gây tử vong rất cao.

Vậy thì nếu có một thiết bị nào đó có thể phát hiện ra dòng điện chạy trong dây dẫn bị lệch nhau giữa đi và về để kịp thời ngừng cung cấp điện thì chúng có thể hạn chế được tai nạn về điện giật. Có, thiết bị đó gọi là ELCB mà tôi đã tự định nghĩa lại chúng ngay ở đầu của entry này.

Qua những gì đã trình bày ở trên thì bạn thấy ngay rằng ELCB hoạt động dựa theo sự so sánh giữa dòng điện đi và dòng điện về để phát hiện sự chênh lệch dòng điện là bao nhiêu ở phía tải – tức là phía hộ tiêu thụ của bạn. Nếu sự chênh lệch này lớn hơn một giới hạn nào đó thì chúng sẽ ngắt điện. Thế thôi – cơ bản là như vậy – bạn là một người không chuyên về điện tử, thiết bị điện v.v.. hoặc các chuyên môn nào đó để hiểu cũng giống như tôi thì bạn chỉ cần biết đến đó để đến mục dưới: Mắc chúng như thế nào trong mạng điện.

Nhưng mà khoan đã, tôi lại phải giới thiệu một chút về các tham số của nó đã chứ nhỉ. ELCB thì có nhiều loại có các tham số khác nhau để phù hợp với từng cấp độ của mạng điện, chúng có một tham số cơ bản nhất là giới hạn của dòng điện rò để ngắt cầu dao. Các thông số còn lại là cường độ dòng điện chịu đựng, mức điện áp là việc. Bạn có thể nhận thấy một số tham số của các ELCB thông dụng:

  • Điện áp (xoay chiều): 230V
  • Dòng điện rò: 30 mA
  • Dòng điện chịu đựng: 30A

Lấy ngay ví dụ trên thì nhận thấy rằng tham số đó có nghĩa rằng chúng được sử dụng trong một mạng điện lưới có mức điện áp 220V, tổng dòng điện tải mà bạn có thể sử dụng khoảng 30A, nếu quá mức cường độ dòng điện này thì ELCB sẽ tự ngắt – nghĩa là lúc này nó hoạt động giống như một aptomat thông thường (chính vì vậy nhiều người đã quen gọi ELCB là “aptomat chống giật” theo thói quen). Tham số về dòng điện rò 30 mA sẽ là định mức để nếu có một sự chênh lệch dòng điện là 30 mA thì ELCB sẽ ngắt điện.

Vậy thì ELCB có công dụng gì?

Trong cả phần trên hoặc phần dưới tôi đều chú trọng nói đến ELCB cho mạng điện gia đình và văn phòng nhỏ với công dụng nổi bật là nhằm tránh sự giật điện cho con người. Điều này cũng có thể làm cho bạn nghĩ rằng ELCB chỉ có một công dụng như vậy.

Không chỉ có tác dụng đối với sự an toàn của con người, nhưng không phải là như thế ELCB còn có tác dụng đề phòng hoả hoạn xảy ra đối với mạng lưới điện. Bạn có thể sống trong một ngôi nhà được đổ bê tông và nghĩ rằng chúng không bao giờ bị cháy – nhưng thực tế là có các vụ cháy nhà, cháy chợ, cháy văn phòng mà chúng đều không phải xây dựng bằng vật liệu dễ cháy (chắc qua các thông tin đại chúng thì bạn cũng nhận ra điều đó).

Chập điện, rò điện cũng là một nguyên nhân gây ra cháy, hoặc chúng cũng có thể là tác nhân giúp cho đám cháy được bùng lên mạnh hơn. Ngày nay thì nguyên nhân cháy do điện có vẻ nhiều lên khi thống kê lại các vụ cháy lớn, còn các vụ cháy mang tính địa phương, gia đình do điện thì ít người thống kê nên tôi tin rằng chúng đã trở lên nhiều hơn so với các nguyên nhân khác (ví dụ: vứt tàn thuốc còn lửa, tàn lửa từ các động cơ, …)

Khi chập điện thì tại vị trí chập nhau sẽ sinh ra nhiệt đủ để phát cháy đối với chính dây dẫn với vỏ cách nhiệt bằng nhựa, và chủ yếu là nhiệt đó sẽ tạo ra bén lửa đối với các vật xung quanh. Dòng điện có thể tăng cao đến mức làm các aptomat (hoặc cầu chì bảo vệ) ngắt điện. Sự ngắt này sẽ làm cho dòng điện dân dụng sẽ không còn là tác nhân tiếp tục làm đám cháy mạnh thêm nữa.

Như vậy bạn có thể nghĩ rằng trong trường hợp chập cháy gây hoả hoạn thì chẳng cần các ELCB bởi vì các aptomat thông thường cũng đã đủ ngắt điện? Không hoàn toàn đúng, bởi vì nếu đối với các sự chập điện xảy ra với một dòng điện nhỏ hơn so với định mức của một aptomat, hoặc là trường hợp cháy các loại quạt điện, động cơ hoặc các thiết bị điện khác trong gia đình/văn phòng, chúng chỉ cần một dòng nhỏ mà vẫn gây phát nhiệt, trường hợp này thì aptomat không bảo vệ được.

Trong các trường hợp sự cố đối với các thiết bị điện gây phát nhiên, nhiều khả năng là chúng làm cháy dây dẫn được bọc cách điện, do đó sẽ xuất hiện dòng điện rò ra vỏ thiết bị, và có thể chúng được truyền xuống đất. Không chỉ thế, trong các trường hợp khác thì dòng điện có nhiều khả năng rò xuống đất và làm mất cân bằng giữa dòng điện đi và dòng điện về trong một mạng điện gia đình. Vậy là ELCB có mặt để ngắt điện.

Và ELCB có thể còn có nhiều công dụng khác nữa, nhưng mà tôi thì vẫn chú trọng về mặt bảo vệ sự an toàn của con người hơn nên không trình bày nhiều về các công dụng khác của ELCB.

Nguyên lý làm việc của ELCB

Phần này thì bạn có thể không cần đọc nó, bởi vì bạn là một người bình thường thì có thể khó hiểu, nhưng nếu như bạn đã học tập ở mức độ bình thường (nhớ được khoảng 50% kiến thức được học thời trung học là hiểu. Và ở đây thì đang là phần mở ngoặc để bạn thấy rằng chính bạn phê phán sự học giả, người giả, nhưng bạn lại không nhớ đến những kiến thức ấy – mà không phải các thầy cô đã không dạy bạn – mà chỉ do bạn không học và không nhớ đến chúng mà thôi. Vậy nên hãy hướng tới những thế hệ tiếp theo học tập được đều và tốt hơn nhé!)

Bạn có nhớ đến một thí nghiệm khá lý thú về một dòng điện đi xuyên qua một tờ giấy, trên tờ giấy rắc các mạt sắt nhỏ, kho gõ gõ tờ giấy để cho mạt sắt tự chuyển động thì nó sẽ sắp xếp nhau theo một hình tròn xung quay tâm dây dẫn dòng điện đi qua không nhỉ? Thí nghiệm này rất lý thú và nó làm bạn nhớ đến nó chứ? Nếu không thì cũng không sao, bởi vì tôi cũng thấy có rất nhiều người không nhớ đến nó.

Ở đây thì mỗi một dòng điện đều sinh ra xung quanh nó một từ trường, nếu như dòng điện là xoay chiều thì từ trường này sẽ biến thiên liên tục xung quanh dây dẫn đó. Đây là những hình dung thôi đấy nhé, bởi vì bạn sẽ không nhìn thấy được từ trường của chúng, từ trường vô hình mà. (Và bạn có biết rằng chính bạn cũng đang sống trong từ trường đó bởi vì trái đất chính là một nam châm khổng lồ mà cực bắc là Bắc cực, cực nam là Nam cực – chính đó đã làm cho các la bàn bằng nam châm mới có thể xoay hướng để chỉ ra phương Bắc, phương Nam)<