Lựa chọn thiết bị đóng cắt và dây/cáp dẫn điện theo tiêu chuẩn IEC

Khi còn làm việc ở vị trí quản lý tại một số tập đoàn lớn, một trong những câu hỏi tôi hay hỏi các ứng viên ứng tuyển cho vị trí kỹ sư thiết kế hệ thống điện, đó là: “Cách để bạn lựa chọn thiết bị đóng cắt và dây/cáp dẫn điện?”

Đây là một câu hỏi rất cơ bản, nhưng hầu hết câu trả lời tôi nhận được đều không thực sự chính xác, phần lớn các câu trả lời sai đều do dựa trên kinh nghiệm, cảm tính, khiến cho phương pháp lựa chọn không thực sự chính xác về mặt lý thuyết, từ đó khiến các kỹ sư không hiểu được bản chất của phương pháp, để có thể áp dụng và biện chứng cho các trường hợp khác của phụ tải.

Tải về với định dạng PDF tại đây

Khi còn làm việc ở vị trí quản lý tại một số tập đoàn lớn, một trong những câu hỏi tôi hay hỏi các ứng viên ứng tuyển cho vị trí kỹ sư thiết kế hệ thống điện, đó là: “Cách để bạn lựa chọn thiết bị đóng cắt và dây/cáp dẫn điện?”

Một câu hỏi rất cơ bản, nhưng hầu hết câu trả lời tôi nhận được đều không thực sự chính xác, phần lớn các câu trả lời sai đều do dựa trên kinh nghiệm, cảm tính, hoặc không hiểu rõ bản chất của vấn đề, khiến cho phương pháp lựa chọn không thực sự chính xác về mặt lý thuyết, từ đó khiến các kỹ sư không hiểu được bản chất, để có thể áp dụng và biện chứng cho các trường hợp khác của phụ tải.

Một điều tôi học được trong quá trình làm việc tại một tập đoàn lớn, rất vinh dự cho tôi khi đó, có cơ hội được làm việc với lãnh đạo thực sự xuất sắc trong lĩnh vực, đó là “Kỹ sư thì không bao giờ được làm việc chỉ dựa trên kinh nghiệm cả”. Điều này hết sức đúng đắn, phần lớn quan niệm trong lĩnh vực kỹ thuật cơ bản hiện nay, là các kỹ sư đều làm việc trên kinh nghiệm của người đi trước, rất ít ai, đặt câu hỏi lật lại vấn đề “tại sao chúng lại được tạo ra như vậy cả? hoặc tại sao họ làm như vậy cả?”.

Quay trở lại vấn đề, về phương pháp lựa chọn thiết bị đóng cắt và dây/cáp dẫn điện, thực ra, có rất nhiều phương pháp để xác định thông số của 2 thiết bị này, tuy nhiên, đề cập trong bài viết và tài liệu này, tôi chỉ đề cập tới phương pháp đã được hợp chuẩn của IEC (một tổ chức uy tín và phổ biến trên thế giới), cũng như tài liệu viện dẫn từ cuốn sách “Electrical Installation Guide” của Schneider Electric phát hành, phiên bản 2018.

Chi tiết các bạn có thể tài về từ link đính kèm trong bài viết. Ở phạm vi bài viết, tôi chỉ nhắc tới phương pháp – nguyên tắc – trình tự tính toán và lựa chọn mà thôi, để có thể đem tới một cái nhìn khái quát nhất.

Mục tiêu: Các thông số cần xác định

Trước tiên bạn cần biết được mục tiêu của mình, Để lựa chọn thiết bị đóng cắt và dây/cáp dẫn bạn cần biết được các thông số nào là các thông số cần được tính toán lựa chọn.

• Với thiết bị đóng cắt, các thông số chính bạn cần phải lựa chọn:
  • Chủng loại thiết bị đóng cắt (ACB, MCCB, MCB, RCBO…)
  • Dòng điện định mức của thiết bị đóng cắt (Ir [A])
  • Dòng điện ngắn mạch định mức của thiết bị đóng cắt (Isc [A])
  • Kiểu ngưỡng tác động của thiết bị đóng cắt (Category A/B, Type B/C/MA)
• Với dây/cáp dẫn điện, các thông số chính bạn cần phải lựa chọn:
  • Chủng loại dây/cáp dẫn điện (lõi Cu/Al, cách điện _XLPE/PVC, PVC, PVC/PVC…)
  • Tiết diện lõi vật dẫn của dây/cáp dẫn điện
  • Điện áp cách điện của lớp cách điện

Phương pháp tính toán và lựa chọn

Có hai phương pháp để tính tóa và lựa chọn thiết bị đóng cắt và dây, cáp dẫn điện:

• Phương pháp 1: Tính toán theo mật độ dòng kinh tế Jkt
  • Phương pháp này thường được áp dụng cho các hệ thống điện trên 1kV
  • Điều kiện cần (tính toán): Theo mật độ dòng kinh tế (đầu tư hiệu quả, kinh tế)
  • Điều kiện đủ (kiểm tra):
    • Điều kiện ổn định nhiệt lâu dài (phát nóng dây và cáp dẫn)
    • Điều kiện sụt áp
    • Điệu kiện ngắn mạch
• Phương pháp 2: Tính toán theo ổn định nhiệt lâu dài (phát nóng)
  • Điều kiện cần (tính toán): Theo khả năng mang dòng điện của dây, cáp dẫn điện để không bị phát nóng, hoạt động lâu dài, không ảnh hưởng tới tuổi thọ của dây dẫy (cách điện, dẫn điện)
  • Điều kiện đủ (kiểm tra):
    • Điều kiện sụt áp
    • Điều kiện ngắn mạch

Đối với mạng điện hạ thế, bạn chỉ cần quan tâm tới phương pháp thứ 2: Ổn định nhiệt lâu dài.

Phương pháp ổn định nhiệt lâu dài

Nguyên lý phương pháp ổn định nhiệt lâu dài

Hãy xem đường đặc tính bảo vệ dưới đây của thiết bị đóng cắt và khả năng chịu đựng của dây dẫn để bạn hiểu hơn về nguyên lý của việc lựa chọn.

Mạch bảo vệ bằng thiết bị đóng cắt (Breaker) (đặc tính It)

Circuit protection by circuit breaker (Eletrical Installation – 2018)

Các khái niệm bạn cần nắm rõ:

• Ib: Dòng điện lớn nhất của phụ tải (được tính toán từ công suất của phụ tải)
• Ir: Dòng điện định mức của thiết bị đóng cắt (thông số của thiết bị đóng cắt)
• Iz: Dòng diện mang tải lớn nhất của dây và cáp dẫn điện (thông số của dây và cáp)
• I2: Dòng quy ước ngắt quá tải của thiết bị đóng cắt (thông số của thiết bị đóng cắt)
• Với thiết bị đóng cắt: I2 luôn đáp ứng do có độ chính xác cao (không cần quan tâm trong quá trình lựa chọn thiết bị đóng cắt)
• Với cầu chảy (cầu chì): I2=k2 × Ir (k2≈1.6 – 1.9)
• Isc: Dòng ngắn mạch tính toán (thông số của mạch điện được tính toán)
• Iscb: Dòng ngắn mạch định mức của thiết bị đóng cắt (thông số của thiết bị đóng cắt)

Các mức dòng điện để lựa chọn thiết bị đóng cắt và cầu chì

Current levels for determining circuir breaker or fuse characteristics (Eletrical Installation – 2018)

Việc tính toán lựa chọn nhằm đáp ứng điều kiện sau:

• Đối với thiết bị đóng cắt: Ib ≤ Ir ≤ Iz và Iscb ≥ Isc
• Đối với cầu chảy: Ib ≤ Ir ≤ Iz/k3 và Iscf ≥ Isc

Điều kiện trên nhằm đáp ứng đường đặc tính dòng điện của phụ tải luôn nằm bên trái đường đặc tính của thiết bị đóng cắt, và đường đặc tính của thiết bị đóng cắt luôn nằm bên trái đường đặc tính chịu đựng của dây và cáp dẫn điện.

Trong tài liệu này, chỉ đề cập tới việc lựa chọn thiết bị đóng cắt, việc lựa chọn cầu chảy, bạn đọc có thể tham khảo thêm ở cuốn “Electrical installation guide according to IEC International standards” chương G.

Điều kiện cần và đủ

• Điều kiện cần (tính toán):
  • Công suất của phụ tải (P) ⟶ Tính toán: Dòng điện làm việc lớn nhất (Ib) của phụ tải ⟶ Lựa chọn dòng định mức của thiết bị đóng cắt (Ir) ⟶ Tính toán dòng làm việc lớn nhất (Iz) của dây, cáp dẫn điện ⟶ Lựa chọn tiết diện của dây, cáp điện
• Điều kiện đủ (kiểm ra):
  • Sụt áp: Khi dây, cáp dẫn điện quá dài, khiến tổng trở trên dây, cáp dẫn lớn, điều đó làm điện áp “rơi” trên dây dẫn, và làm điện áp ở cuối tuyến dây, cáp thấp hơn điện áp cho phép. Khi xảy ra sụt áp, biện pháp bạn cần làm là tăng tiết diện dây dẫn lên 1 cấp, kiểm tra lại sụt áp cho tới khi đáp ứng (lưu ý: tăng tiết diện của dây và cáp dẫn điện, nhưng không tăng dòng điện định mức của thiết bị bảo vệ)
  • Ngắn mạch: Khác với sụt áp là một hiện tượng chắc chắn sẽ xảy ra khi dòng điện lớn (quá trình khởi động), dây và cáp dẫn quá dài, hiện tượng ngắn mạch là “một giả định” sẽ xảy ra khi xảy ra ngắn mạch ở một điểm nào đó trên hệ thống (thanh cái, thiết bị đóng cắt, dây và cáp dẫn điện). Khi đó, thiết bị đóng cắt phải có khả năng “chịu đựng” được dòng ngắn mạch này trong một khoảng thời gian nhất định (ngắn) nào đó. Vì vậy, kiểm tra ngắn mạch, tức là bạn phải tính toán được dòng ngắn mạch trên mạch, và chọn lựa thiết bị đóng cắt có thông số dòng ngắn mạch (Ik) lớn hơn dòng ngắn mạch của hệ thống.