Chọn tiết diện cáp và tính sụt áp từ máy phát đến tủ phân phối: ví dụ tổ máy 250kVA và 500kVA

Tuyến cáp từ tổ máy đến tủ phân phối thường chỉ vài chục mét, nhưng nó mang dòng lớn nhất của cả công trình. Cáp nhỏ hơn yêu cầu sẽ nóng lên khi tổ máy chạy đầy tải. Cáp đủ dòng nhưng tuyến dài vẫn làm điện áp đầu tủ ATS tụt và khiến động cơ khó khởi động.

Bài này đưa quy trình bốn kiểm tra và bảng số liệu cho tổ máy 250kVA, 500kVA. Cuối bài có một ví dụ tính trọn vẹn cho tuyến 60m. Mọi phép tính ghi rõ giả định. Kỹ sư dự án có thể đối chiếu lại bằng catalog cáp và datasheet đầu phát.

1/ Chọn tiết diện cáp từ máy phát đến tủ phân phối theo trình tự nào?

Chọn theo bốn kiểm tra nối tiếp, và tiết diện cuối cùng là giá trị lớn nhất trong bốn kết quả. Kiểm tra phát nóng cho biết cáp có chịu được dòng liên tục hay không. Kiểm tra sụt áp cho biết điện áp đầu tủ còn đủ hay không. Kiểm tra bảo vệ cho biết MCCB có cắt được sự cố chạm đất hay không.

Bài này phân biệt ba loại căn cứ. Quy định bắt buộc là văn bản mà hồ sơ dự án viện dẫn. Thông lệ là cách đa số công trình đang làm. Khuyến nghị chuyên môn là phán đoán của người thiết kế, và ngưỡng 3% trong bài thuộc loại này.

2/ Dòng định mức của tổ máy 250kVA và 500kVA là bao nhiêu ampe?

Dòng định mức tính theo Ib = S × 1000 / (√3 × U). Trong đó S là công suất biểu kiến (kVA) và U là điện áp dây. Ở 380 V, tổ máy 250kVA cho Ib = 379,8 A và tổ máy 500kVA cho Ib = 759,7 A. Ở 400 V, hai giá trị giảm còn 360,8 A và 721,7 A.

Chênh lệch 5% này đủ làm một cấu hình cáp sát ngưỡng đổi kết luận. Vì vậy phải lấy đúng điện áp ghi trên nhãn tổ máy.

In của MCCB lấy bằng cấp chuẩn gần nhất không nhỏ hơn Ib. Dãy cấp dòng thay đổi theo hãng, nên bảng trên chỉ là dải thông dụng. Nếu MCCB chỉnh được dòng đặt Ir, cáp chỉ cần Iz ≥ Ir. Đặt Ir sát Ib đôi khi giúp giảm một cấp tiết diện, nhưng tải mở rộng sau này sẽ hết dư địa.

Cần đối chiếu cấu hình tổ máy theo công suất và thương hiệu trước khi khóa bản vẽ tuyến cáp? Xem trang tổng hợp máy phát điện công nghiệp của Makawa.

3/ Cáp đồng XLPE chịu được bao nhiêu ampe sau khi hiệu chỉnh nhiệt độ và nhóm cáp?

Dòng cho phép thực tế tính theo Iz = n × I_bảng × k_nhiệt × k_nhóm. Trong đó n là số cáp song song trên mỗi pha. I_bảng là dòng trong bảng IEC 60364-5-52 ở 30 °C cho cáp đồng, cách điện XLPE, ba dây mang tải. Bài này lấy phương pháp lắp đặt C (cáp đặt trực tiếp trên bề mặt), bảo thủ hơn so với thang cáp hở.

Nhiệt độ cần dùng là nhiệt độ không khí quanh cáp, không phải nhiệt độ ngoài trời. Phòng đặt tổ máy nóng hơn bên ngoài. Với tuyến đi trong phòng máy, hãy tính từ 45 °C đến 50 °C (khuyến nghị chuyên môn). Tuyến cáp cũng phải tránh ống xả theo yêu cầu thiết kế phòng máy.

Hàng 2 × 240 mm² là bẫy hay gặp ở tuyến 800 A. Xét riêng, hai cáp cho Iz = 979 A, dư 22% so với MCCB. Khi hai mạch nằm sát nhau trên cùng thang cáp, Iz tụt xuống 783 A và thiếu 17 A.

Hệ số 0,80 và 0,70 áp dụng cho cáp xếp sát nhau. Đặt một lớp có khoảng hở bằng đường kính cáp thường cho hệ số cao hơn. Hãy tra đúng bảng IEC 60364-5-52 trước khi dựa vào lợi thế đó.

Lưu ý về dữ liệu: các giá trị I_bảng trích từ tài liệu thứ cấp dẫn bảng C.52.1. Hai nguồn thứ cấp lệch nhau 1–2% ở cỡ 150 và 185 mm², và bài lấy giá trị thấp hơn cho an toàn. Dự án thật phải tra bảng IEC gốc hoặc catalog nhà sản xuất cáp.

4/ Sụt áp trên cáp tính thế nào và giới hạn bao nhiêu phần trăm?

Công thức ba pha là ΔU = √3 × I × L × (R × cosφ + X × sinφ). Trong đó L tính bằng km, R và X tính bằng Ω/km. Phần trăm sụt áp là ΔU / U × 100. Bài này dùng cosφ = 0,8 theo hệ số công suất định mức của tổ máy và I = Ib.

R lấy ở nhiệt độ làm việc 90 °C của cáp XLPE, bằng R20 × 1,275. Hệ số nhiệt của đồng là 0,00393 trên mỗi °C. X lấy 0,08 Ω/km làm giá trị giả định cho cáp một lõi xếp tam giác; giá trị thật theo catalog hãng cáp. Khi có n cáp song song trên mỗi pha, chia R và X cho n.

Ví dụ: tổ máy 250kVA, một cáp 240 mm² mỗi pha, tuyến 60 m. ΔU = 1,732 × 379,8 × 0,06 × (0,0961 × 0,8 + 0,08 × 0,6) = 4,93 V, tức 1,30% của 380 V. Nếu lấy R ở 20 °C, kết quả chỉ còn 4,28 V (1,13%). Con số thấp hơn 13% đó đủ để một tuyến sát ngưỡng bị chấp nhận nhầm.

IEC 60364-5-52 (Phụ lục G, nội dung tham khảo) nêu mức sụt áp tối đa từ điểm đầu hệ thống lắp đặt đến tải. Nếu cấp từ lưới công cộng, mức này là 3% cho chiếu sáng và 5% cho tải khác. Nếu cấp từ nguồn riêng, mức này là 6% và 8%. Các giới hạn không áp dụng lúc khởi động động cơ.

Văn bản tương ứng ở Việt Nam là TCVN 7447-5-52:2010. Hồ sơ dự án viện dẫn văn bản nào thì áp dụng văn bản đó. Đoạn từ tổ máy đến tủ phân phối chỉ là một phần của đường đi từ nguồn đến tải. Khuyến nghị chuyên môn: giữ đoạn này ở mức 3% trở xuống để còn dư địa cho các mạch nhánh phía sau.

5/ Tuyến cáp dài bao nhiêu mét thì phải tăng tiết diện?

Các bảng dưới tính sụt áp đầy tải ở 90 °C, cosφ = 0,8, X = 0,08 Ω/km (giả định). Mỗi ô ghi sụt áp bằng volt và phần trăm của 380 V. Bảng đầu áp dụng cho dải công suất 250kVA, Ib = 379,8 A.

Bảng sau áp dụng cho tuyến 500kVA, Ib = 759,7 A, với nhiều cáp song song mỗi pha.

Chiều dài tối đa để sụt áp không vượt ngưỡng được tính ngược từ cùng công thức.

Với tổ máy 250kVA dùng một cáp 185 mm², tuyến vượt 116 m là chạm ngưỡng 3%. Đổi sang 240 mm² kéo giới hạn lên 139 m. Chia thành hai cáp 120 mm² cho 170 m với cùng tổng tiết diện đồng.

Phần lớn lợi thế của phương án 2 × 120 mm² đến từ giả định điện kháng giảm một nửa khi song song. Cần đối chiếu catalog trước khi dựa vào.

Tuyến dài còn kéo chi phí lên nhanh. Khi phòng máy cách tủ chính hơn 50–80 m, chi phí cáp lực trong lắp đặt tổ máy có thể ngang hoặc vượt các hạng mục khác. Cách rẻ nhất để giảm sụt áp thường là đặt tủ ATS gần tổ máy hơn, không phải tăng tiết diện.

6/ Có nên dùng cáp song song, và đấu thế nào để dòng chia đều?

Nên dùng khi dòng vượt khả năng của một cáp, hoặc khi cáp đơn quá cứng để uốn trong phòng máy. IEC 60364-5-52 yêu cầu cáp song song có tiết diện tối thiểu 50 mm² với đồng. Các sợi trong cùng một pha phải cùng vật liệu, cùng tiết diện, cùng chiều dài và cùng kiểu đi cáp.

Dòng chia đều chỉ khi tổng trở các nhánh gần bằng nhau. Một sợi dài hơn các sợi còn lại vài mét đã đủ làm lệch dòng, và sợi ngắn nhất gánh nhiều nhất. Vì vậy hãy cắt cáp cùng chiều dài, đấu cùng loại đầu cos và không rẽ nhánh giữa tuyến.

Với cáp một lõi, thông lệ thi công là xếp mỗi bộ ba pha thành một tam giác (trefoil). Thứ tự pha được lặp lại giống nhau ở các bộ. Cách xếp này giảm từ trường lệch giữa các bộ.

Tấm bắt cáp xuyên vách tủ nên dùng vật liệu không từ tính. Một cáp một lõi đi qua tấm thép liền sẽ sinh nhiệt do dòng xoáy.

Cuối cùng, kiểm tra cực của MCCB có nhận đủ số đầu cos hay không. Nhiều thiết kế đạt về dòng nhưng không đấu được ba hoặc bốn sợi vào cực MCCB 800 A, và phải thêm thanh nối. Thông tin này nằm trong catalog của hãng MCCB.

7/ Sụt áp khi khởi động động cơ có tính chung với sụt áp ổn định không?

Không. Giới hạn 3%, 5%, 6% hay 8% ở phần trên chỉ áp dụng cho chế độ làm việc ổn định. Lúc khởi động, dòng gấp nhiều lần định mức và hệ số công suất xuống rất thấp. Vì vậy phải tính riêng.

Ví dụ giả định: một động cơ khởi động trực tiếp có dòng khởi động 600 A, cosφ khởi động 0,35. Động cơ cấp qua tuyến 60 m, cáp 240 mm² một sợi mỗi pha. Sụt áp trên cáp là 6,77 V, tức 1,78% của 380 V. Phần sụt này nhỏ so với mức tụt điện áp ở đầu phát lúc đóng tải.

Kết luận thực tế: khi động cơ lớn khởi động mà điện áp tụt sâu, nguyên nhân thường nằm ở đầu phát, không ở cáp. Phân tích đó nằm trong bài về tụt áp khi đóng tải lớn. Tăng tiết diện cáp để cứu sự cố này thường tốn tiền mà không hiệu quả.

8/ Dây trung tính và dây PE trên tuyến từ tổ máy chọn thế nào?

Với dây trung tính, tải ba pha cân bằng và ít hài cho phép N nhỏ hơn pha khi pha lớn hơn 16 mm² đồng. Điều kiện này phải thỏa các yêu cầu của IEC 60364-5-52. Nếu tuyến cấp UPS, biến tần hoặc nhiều đèn LED, hài bậc ba làm dòng N tăng. Khuyến nghị chuyên môn là chọn N bằng pha.

Với dây PE, IEC 60364-5-54 quy định khi pha lớn hơn 35 mm² thì PE tối thiểu bằng một nửa tiết diện pha. Pha 240 mm² cho PE từ 120 mm² trở lên. Bảng đầy đủ nằm trong bài về nối đất trung tính và chọn hệ TN/TT/IT, nên bài này không lặp lại.

9/ Cáp lớn hơn có giúp MCCB cắt sự cố tốt hơn không?

Hầu như không, vì dòng sự cố của tổ máy bị chặn bởi đầu phát chứ không bởi cáp. Ví dụ dưới đây giả định đầu phát có PMG hoặc AREP. Dòng ngắn mạch duy trì lấy bằng 3 × Ib, số thật lấy từ datasheet. Giả định này trùng với bài tiếp địa của Makawa.

Bài đó tính ở 400/230 V còn bài này tính ở 380/219 V, nên kết quả chênh khoảng 5%.

Nếu nâng pha lên 300 mm² và PE lên 150 mm², dòng chạm đất chỉ tăng lên khoảng 1.062 A, tức thêm 17 A. Cáp lớn hơn gần như không đổi được dòng sự cố, vì 91,7% trở kháng nằm ở đầu phát.

Giả sử ngưỡng tức thời của MCCB 400 A đặt 10 × In, tức 4.000 A. Mức đó quá xa 1.045 A. MCCB chỉ cắt được ở nhánh trễ nhiệt, với thời gian tùy đường cong của hãng.

Vì vậy tuyến từ tổ máy cần bảo vệ chạm đất riêng, như GFP hoặc ELR đặt ngưỡng thấp. Độ bền nhiệt của cáp không phải điểm nghẽn. Với k = 143 cho đồng và XLPE, dòng 1.045 A trong 5 giây chỉ cần khoảng 16 mm². Hệ số k cần đối chiếu bản gốc IEC 60364-4-43 của dự án.

10/ Chọn cáp thế nào cho tuyến 60 m từ tổ máy 500kVA đến tủ ATS?

Dữ kiện: tổ máy 500kVA tại 380 V, cosφ = 0,8, tuyến 60 m. Cáp một lõi Cu/XLPE xếp bó sát nhau, phòng máy 45 °C. MCCB đầu ra chọn theo kết quả bước 1.

Kết luận: 3 × 185 mm² mỗi pha đạt cả điều kiện nhiệt lẫn sụt áp, nhưng dư địa chỉ 22 A. Nếu nhiệt độ phòng lên 50 °C, 3 × 185 mm² chỉ còn 775 A và trượt. Dự án có phòng máy nóng hoặc tải sẽ mở rộng nên chọn 3 × 240 mm² ngay từ đầu. Tiết diện N và PE chọn theo mục trên.

11/ Sáu lỗi nào hay gặp khi chọn và đi cáp từ tổ máy?

• Bỏ qua hệ số hiệu chỉnh. Cáp chọn thẳng từ bảng 30 °C, nên Iz thực tế thấp hơn In trong phòng máy nóng.
• Cáp song song không đều. Các sợi khác chiều dài hoặc tiết diện làm dòng chia lệch, và một sợi nóng trước.
• Tính sụt áp ở 20 °C. Sai số khoảng 13% theo ví dụ trên, đủ để duyệt nhầm một tuyến sát ngưỡng.
• Lấy 5% làm mục tiêu cho riêng đoạn tổ máy. Đoạn này chỉ là một phần đường đi, nên mạch nhánh phía sau hết dư địa.
• Xuyên cáp một lõi qua tấm thép liền. Dòng xoáy sinh nhiệt tại tấm bắt; hãy dùng tấm không từ tính.
• Không kiểm tra cực MCCB. Thiết kế đạt dòng nhưng không đủ chỗ đấu cos, phải sửa tại công trường.

12/ Gửi dữ liệu tuyến cáp để kỹ sư Makawa đối chiếu

Gói lắp đặt của Makawa Power gồm thi công bệ móng, cáp điện, ATS và tiếp địa. Với tuyến cáp, kỹ sư cần sáu dữ liệu. Đó là kVA và điện áp trên nhãn tổ máy, chiều dài thực, cách đi cáp, nhiệt độ phòng máy, số mạch chung thang, dòng đặt MCCB.

Tủ ATS đi kèm xem dịch vụ sản xuất tủ ATS 100A–1250A do Makawa thực hiện. Cách chọn khí cụ đóng cắt nằm trong bài chọn MCCB hay contactor cho tủ ATS.

Gọi hotline 0985 898 950 hoặc gửi sáu dữ liệu trên cho kỹ sư Makawa. Bạn nhận lại đối chiếu tiết diện, sụt áp và cấu hình đấu cực MCCB cho tuyến của mình trước khi đặt cáp

13/ Câu hỏi thường gặp (FAQ)