Cách chọn tiết diện dây cáp điện cho công trình: dòng điện, sụt áp, điều kiện lắp đặt và hệ số hiệu chỉnh

Chọn tiết diện cáp: không chỉ là tra một bảng

Phía sau một ký hiệu như CXV 4x35 là bốn điều kiện phải thỏa mãn đồng thời: cáp mang được dòng làm việc lâu dài mà không vượt nhiệt độ cho phép của cách điện; cáp được thiết bị bảo vệ bảo vệ đúng; sụt áp nằm trong giới hạn; và cáp chịu được ứng suất nhiệt khi ngắn mạch. Chọn thiếu tiết diện khiến cáp quá nhiệt, lão hóa nhanh; chọn thừa làm đội chi phí đồng, khay cáp và nhân công. Bài viết trình bày quy trình chọn tiết diện theo IEC 60364-5-52 (hệ TCVN 7447 tương ứng), kèm ví dụ tính toán và bảng tra tham khảo.

Bước 1: Xác định dòng điện làm việc lớn nhất Ib

Dòng làm việc Ib được tính từ công suất phụ tải sau khi đã xét hệ số sử dụng và hệ số đồng thời:

• Ba pha cân bằng: Ib = P / (√3 × U × cosφ), với U là điện áp dây, thường 400 V.
• Một pha: Ib = P / (U × cosφ), với U là điện áp pha, thường 230 V.
• Động cơ: ưu tiên dòng định mức trên nhãn máy; nếu tính từ công suất trên trục thì chia thêm hiệu suất η.

Với tủ phân phối nhiều phụ tải, không cộng thẳng công suất đặt mà áp dụng hệ số đồng thời và phần dự phòng phát triển theo yêu cầu chủ đầu tư.

Bước 2: Phối hợp với thiết bị bảo vệ

Theo nguyên tắc bảo vệ quá tải của IEC 60364-4-43, cáp và thiết bị bảo vệ phải thỏa hai điều kiện:

• Ib ≤ In ≤ Iz: dòng định mức hoặc dòng chỉnh định In của aptomat nằm giữa dòng làm việc Ib và khả năng mang tải đã hiệu chỉnh Iz của cáp.
• I2 ≤ 1,45 × Iz: dòng tác động chắc chắn của thiết bị bảo vệ không vượt 1,45 lần Iz. Với aptomat theo IEC 60898 hoặc IEC 60947-2, điều kiện này thường tự thỏa khi đã có In ≤ Iz; với cầu chì cần kiểm tra riêng.

Sai sót hay gặp ngoài công trường là chọn cáp theo Ib nhưng lại lắp aptomat lớn hơn Iz “cho khỏi nhảy”, khiến cáp không còn được bảo vệ quá tải.

Bước 3: Xác định phương pháp lắp đặt

Khả năng mang tải phụ thuộc điều kiện tản nhiệt. IEC 60364-5-52 quy định các phương pháp lắp đặt tham chiếu: A1, A2 – trong ống đặt trong tường cách nhiệt (tản nhiệt kém nhất); B1, B2 – trong ống, máng kín trên tường; C – gắn trực tiếp lên tường, trần; D1, D2 – chôn đất trong ống hoặc trực tiếp; E, F, G – trong không khí, trên khay đục lỗ, thang cáp (E cho cáp nhiều lõi, F và G cho cáp một lõi).

Bảng mang tải được lập cho điều kiện chuẩn: không khí 30 °C (đất 20 °C), nhiệt trở suất đất 2,5 K·m/W, một mạch đơn lẻ. Điều kiện khác phải hiệu chỉnh.

Bước 4: Áp dụng hệ số hiệu chỉnh

Khả năng mang tải thực tế: Iz = Iz0 × k1 × k2 × k3 × …, trong đó Iz0 là giá trị tra bảng. Các hệ số phổ biến:

• k1 – nhiệt độ môi trường: phòng kỹ thuật, mái tôn, hầm cáp ở Việt Nam thường nóng hơn 30 °C; XLPE (90 °C) ít nhạy hơn PVC (70 °C).
• k2 – ghép nhóm: nhiều mạch chung khay, chung ống nung nóng lẫn nhau; thường là hệ số giảm mạnh nhất.
• k3 – nhiệt trở suất đất, độ sâu chôn với cáp ngầm.
• Sóng hài: hài bậc 3 vượt khoảng 15% thì trung tính mang tải đáng kể, xét theo phụ lục IEC 60364-5-52.

Bước 5: Kiểm tra sụt áp

Sau khi chọn theo dòng điện, cần kiểm tra sụt áp từ nguồn đến phụ tải xa nhất. Công thức gần đúng:

• Ba pha: ΔU = √3 × Ib × L × (R·cosφ + X·sinφ)
• Một pha: ΔU = 2 × Ib × L × (R·cosφ + X·sinφ)

L là chiều dài (km), R là điện trở ruột ở nhiệt độ làm việc (Ω/km) – lấy giá trị 20 °C theo IEC 60228 rồi quy đổi với hệ số nhiệt của đồng 0,00393/°C, X là cảm kháng, với cáp hạ thế nhiều lõi khoảng 0,08 Ω/km.

Phụ lục tham khảo của IEC 60364-5-52 gợi ý sụt áp từ điểm đấu nối lưới hạ áp công cộng không quá 3% cho chiếu sáng và 5% cho phụ tải khác; cấp từ trạm biến áp riêng là 6% và 8%. Nếu chỉ dẫn kỹ thuật dự án quy định chặt hơn, ưu tiên con số của dự án. Với động cơ, xét thêm sụt áp lúc khởi động.

Bước 6: Kiểm tra ổn định nhiệt khi ngắn mạch

Nhiệt lượng sinh ra trong thời gian cắt của thiết bị bảo vệ phải nằm trong khả năng chịu đựng của cách điện: S ≥ √(I²t) / k, với k = 143 cho ruột đồng cách điện XLPE và k = 115 cho ruột đồng cách điện PVC (tiết diện đến 300 mm²). Với hệ thống TN, kiểm tra thêm trở kháng mạch vòng sự cố.

Ví dụ tính toán

Tuyến cáp cấp cho một tủ động lực ba pha 400 V trong nhà xưởng: công suất tính toán 55 kW, cosφ = 0,85, chiều dài 80 m. Cáp Cu/XLPE/PVC nhiều lõi đi trên khay đục lỗ chung với 3 mạch khác (tổng 4 mạch, một lớp, chạm nhau), nhiệt độ không khí dưới mái khoảng 40 °C.

1. Dòng làm việc: Ib = 55.000 / (1,732 × 400 × 0,85) ≈ 93,4 A.
2. Thiết bị bảo vệ: chọn MCCB In = 100 A.
3. Hệ số hiệu chỉnh: k1 = 0,91 (XLPE, 40 °C); k2 = 0,77 (4 mạch trên khay đục lỗ); tích k ≈ 0,70.
4. Dòng tra bảng yêu cầu: Iz0 ≥ In / k = 100 / 0,70 ≈ 143 A. Theo phương pháp E, cáp 35 mm² có Iz0 tham khảo 158 A, đạt. Kiểm tra lại: Iz = 158 × 0,70 ≈ 111 A ≥ In = 100 A.
5. Sụt áp: R20 của ruột 35 mm² là 0,524 Ω/km; quy về 90 °C: 0,524 × (1 + 0,00393 × 70) ≈ 0,668 Ω/km; X ≈ 0,08 Ω/km; sinφ ≈ 0,527. ΔU = 1,732 × 93,4 × 0,08 × (0,668 × 0,85 + 0,08 × 0,527) ≈ 7,9 V, tức khoảng 2,0%, đạt so với giới hạn 5%.
6. Ngắn mạch: giả sử dòng ngắn mạch đầu tuyến 10 kA, thời gian cắt 0,02 s: I²t = 2 × 10⁶ A²s; S tối thiểu = √(2 × 10⁶) / 143 ≈ 9,9 mm², nhỏ hơn 35 mm², đạt.

Kết quả: chọn cáp CXV 3x35+1x16 hoặc CXV 4x35 – 0,6/1 kV (dùng R ở 90 °C là cách tính thận trọng). Việc giảm tiết diện trung tính chỉ nên xét khi tải cân bằng, ít sóng hài và tiết diện pha lớn hơn 16 mm² đồng, theo đúng điều kiện của IEC 60364-5-52; với tủ cấp cho nhiều biến tần, thiết bị điện tử, nên giữ trung tính bằng tiết diện pha.

Bảng tra tham khảo cáp Cu/XLPE nhiều lõi

Bảng dưới đây là giá trị tham khảo cho cáp ruột đồng cấp 2, cách điện XLPE, ba ruột mang tải, không khí 30 °C, tổng hợp từ các bảng của IEC 60364-5-52 và IEC 60228. Chỉ dùng cho tính toán sơ bộ; khi thiết kế chính thức cần đối chiếu tiêu chuẩn hiện hành và catalogue của nhà sản xuất.

Sai lầm thường gặp và kết luận

• Tra bảng ở 30 °C nhưng lắp cáp dưới mái tôn, hầm cáp nóng; bỏ qua hệ số ghép nhóm.
• Dùng bảng của cáp PVC để chọn cáp XLPE hoặc ngược lại.
• Không kiểm tra sụt áp cho tuyến dài như chiếu sáng nội bộ, trạm bơm.
• Tiết diện đúng trên nhãn nhưng điện trở ruột không đạt IEC 60228 – rủi ro khi mua cáp không rõ nguồn gốc.

Hãy đi đủ sáu bước và đảm bảo ruột dẫn thực tế đúng tiêu chuẩn thì kết quả tính toán mới có ý nghĩa. CTI COM, đơn vị ủy quyền phân phối dây và cáp điện Z43 – Bộ Quốc phòng từ năm 2019, sẵn sàng hỗ trợ đối chiếu mã cáp, quy cách và tiêu chuẩn với hồ sơ thiết kế.