EN
Một kỹ sư điện tại một nhà máy chế biến thực phẩm phát hiện ra rằng một lần ngắt mạch do quá tải trên bộ ngắt mạch cấp điện đã lan truyền lên các thiết bị bảo vệ ở cấp cao hơn, dẫn đến việc toàn bộ dây chuyền đóng gói phải ngừng hoạt động — không phải vì sự cố nghiêm trọng, mà do nghiên cứu phối hợp bảo vệ đã bị bỏ qua trong giai đoạn thiết kế ban đầu của hệ thống phân phối điện áp thấp. Thiệt hại về sản xuất do việc ngừng hoạt động kéo dài bốn giờ này gây ra cao hơn chi phí cho một nghiên cứu phối hợp bảo vệ đúng chuẩn tới hai mươi lần. Thiết kế hệ thống phân phối điện áp thấp có thể không dễ nhận thấy đối với người sử dụng tòa nhà hay quản lý sản xuất, nhưng khi xảy ra sự cố, hậu quả sẽ lan rộng tới mọi hệ thống phụ thuộc vào nguồn điện.
Nguyên tắc Thiết kế Cơ bản
Tính toán tải và hệ số đa dạng
Mọi thiết kế hệ thống phân phối điện áp thấp đều bắt đầu bằng bảng tải chính xác — một danh sách được ghi chép đầy đủ gồm toàn bộ mạch điện, công suất tải kết nối tính theo kilowatt hoặc kilovolt-ampe, và các đặc tính vận hành dự kiến. Các tải ba pha như động cơ, máy nén HVAC và các phần tử gia nhiệt công nghiệp được cân bằng trên ba pha nhằm giảm thiểu dòng điện trung tính và sự mất cân bằng điện áp. Các tải một pha — như mạch chiếu sáng, ổ cắm tiện ích và thiết bị văn phòng — được phân bổ đều trên ba pha với mục tiêu đạt mức mất cân bằng nhỏ hơn 15 phần trăm giữa pha có tải cao nhất và pha có tải thấp nhất. Hệ số đa dạng (diversity factor) phản ánh thực tế là không phải toàn bộ tải kết nối đều hoạt động đồng thời ở công suất định mức. Hệ số đa dạng cho tải chiếu sáng trong tòa nhà thương mại có thể là 0,9, trong khi hệ số đa dạng cho các mạch ổ cắm tại khu vực văn phòng thường nằm trong khoảng 0,3–0,5, phù hợp với thực tế chỉ một tỷ lệ nhỏ các ổ cắm đang cấp điện cho thiết bị đang hoạt động tại bất kỳ thời điểm nào. Việc áp dụng đúng các hệ số đa dạng giúp tránh tình trạng chọn oversized cho máy biến áp, thanh cái chính và thiết bị đóng cắt cấp nguồn phía trên — điều này vừa làm tăng chi phí, vừa làm tăng diện tích chiếm chỗ và thậm chí còn làm giảm hiệu suất năng lượng do máy biến áp vận hành kém hiệu quả hơn khi tải nhẹ.
Phối hợp Bảo vệ và Tính chọn lọc
Hợp tác chọn lọc có nghĩa là khi xảy ra sự cố, chỉ thiết bị bảo vệ ngay phía trên vị trí sự cố hoạt động — cầu dao cấp điện cho mạch bị sự cố sẽ nhảy, trong khi tất cả các cầu dao ở cấp cao hơn vẫn đóng. Để đạt được điều này, cần thực hiện một nghiên cứu phối hợp, trong đó vẽ biểu đồ đặc tính thời gian-dòng điện của mọi thiết bị bảo vệ trong hệ thống phân phối, từ cầu dao đầu vào chính xuống đến các cầu dao cuối cùng. Đối với cầu dao kiểu vỏ đúc trong tủ điện hạ áp, việc phối hợp thường được thực hiện bằng cách chọn các cầu dao có giá trị đặt ngắt tức thời khác nhau hoặc bằng cách thêm độ trễ thời gian vào các thiết bị ở cấp cao hơn. Trong các thiết kế tủ điện rút ra được như tủ MNS hoặc tủ loại GCS, các cầu dao có thể được cấu hình với bộ ngắt điện tử cung cấp các giá trị đặt bảo vệ điều chỉnh được cho chế độ dài hạn, ngắn hạn và tức thời — tính linh hoạt này giúp đơn giản hóa việc phối hợp so với các bộ ngắt nhiệt-từ cố định. Bảo vệ chống chạm đất cần được đặc biệt chú ý trong thiết kế phân phối hạ áp. Một sự cố chạm đất trên đường dây cấp điện 400 A có thể không tạo ra dòng đủ lớn để kích hoạt bảo vệ quá dòng pha, do đó sự cố có thể kéo dài mà không được phát hiện. Các rơ-le chống chạm đất chuyên dụng hoặc các cầu dao tích hợp chức năng bảo vệ chống chạm đất cung cấp độ nhạy cần thiết để phát hiện và loại bỏ những tình huống nguy hiểm này.
Busbar và quản lý nhiệt
Hệ thống thanh cái chính trong bộ tủ điện hạ thế mang dòng tải tổng của tất cả các đường dây cấp điện được nối vào. Diện tích mặt cắt ngang của thanh cái được chọn dựa trên định mức dòng liên tục, khả năng chịu ngắn mạch và giới hạn tăng nhiệt được quy định trong tiêu chuẩn IEC 61439 hoặc tiêu chuẩn tương đương. Thanh cái bằng đồng là tiêu chuẩn cho hầu hết các ứng dụng; còn thanh cái nhôm được sử dụng khi trọng lượng và chi phí là ưu tiên hàng đầu, miễn là các mối nối kim loại khác loại được thực hiện đúng cách nhằm ngăn ngừa ăn mòn điện hóa tại các điểm chuyển tiếp. Quản lý nhiệt bên trong vỏ tủ điện ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của thanh cái và cầu dao. Làm mát đối lưu tự nhiên qua các khe thông gió thường đủ cho phần lớn các lắp đặt; tuy nhiên, các bộ tủ được lắp đặt trong môi trường có nhiệt độ xung quanh cao hoặc vận hành liên tục gần định mức dòng danh định có thể cần hệ thống thông gió cưỡng bức. Giới hạn tăng nhiệt tiêu chuẩn đối với các mối nối thanh cái là 70 Kelvin so với nhiệt độ môi trường đối với thanh cái đồng trần và 65 Kelvin đối với các mối nối đã mạ thiếc — việc vượt quá các giới hạn này sẽ làm gia tốc quá trình oxy hóa, làm tăng điện trở tiếp xúc và tạo thành một chu kỳ suy giảm tự khuếch đại.
Các câu hỏi thường gặp
Sự khác biệt giữa thiết bị chuyển mạch điện áp thấp cố định và có thể tháo ra là gì?
Thiết bị chuyển mạch cố định có bộ ngắt mạch gắn vĩnh viễn trên hệ thống thanh bus đòi hỏi phải khử năng lượng để thay thế. Các thiết kế có thể tháo ra gắn các bộ ngắt trên xe có thể được đặt ra để bảo trì mà không làm mất năng lượng toàn bộ bảng điều khiển, giảm thời gian ngừng hoạt động trong khi thay thế bộ ngắt hoặc thử nghiệm.
Làm thế nào để xác định chỉ số mạch ngắn của một tấm phân phối điện áp thấp?
Độ chịu mạch ngắn của tấm phải vượt quá dòng lỗi tiềm năng tối đa tại điểm lắp đặt. Các chỉ số tiêu chuẩn dao động từ 25 kA đến 100 kA trong một giây, được tính dựa trên trở kháng biến áp, trở kháng cáp từ nguồn cung cấp và sự đóng góp của động cơ từ tải quay được kết nối.
Những tiêu chuẩn nào áp dụng cho thiết kế thiết bị chuyển mạch điện áp thấp?
IEC 61439 quy định về các cụm thiết bị đóng cắt và điều khiển điện áp thấp, bao gồm thử nghiệm kiểu và kiểm tra định kỳ. Các phần riêng biệt đề cập đến bảng phân phối dành cho người vận hành, thiết bị đóng cắt điện lực dành cho người có chuyên môn, và các hệ thống thanh cái dạng máng. IEC 60947 quy định về các thiết bị đóng cắt và bảo vệ riêng lẻ.
Nguy cơ chấn thương do hồ quang điện ảnh hưởng như thế nào đến việc thiết kế hệ thống phân phối điện áp thấp?
Các nghiên cứu về hồ quang điện tính toán năng lượng chiếu tới tại từng điểm trong hệ thống phân phối, từ đó xác định loại thiết bị bảo hộ cá nhân cần sử dụng và ảnh hưởng đến các quyết định thiết kế như thao tác rút – đẩy bộ ngắt mạch từ xa, cấu tạo tủ đóng cắt chịu được hồ quang điện, cũng như liên động chọn vùng nhằm giảm thời gian dập hồ quang điện.
Dây dẫn trung tính và dây dẫn nối đất đảm nhận vai trò gì trong thiết kế hệ thống?
Dây dẫn trung tính mang dòng điện trở về không cân bằng của hệ ba pha và phải được chọn kích thước phù hợp — trong các hệ thống có tải hài đáng kể từ thiết bị điện tử, dây dẫn trung tính có thể mang dòng điện vượt quá dòng điện trên dây pha, do đó cần chọn kích thước lớn hơn. Dây dẫn nối đất bảo vệ cung cấp đường dẫn trở về cho dòng sự cố và phải được chọn kích thước sao cho chịu được dòng sự cố dự kiến trong khoảng thời gian cần thiết để thiết bị bảo vệ hoạt động.
Các nghiên cứu phối hợp bảo vệ nên được xem xét lại bao lâu một lần?
Các nghiên cứu phối hợp nên được xem xét lại mỗi khi có tải lớn được thêm vào hoặc loại bỏ, khi đặc tính nguồn cung cấp từ công ty điện lực thay đổi, hoặc theo chu kỳ không quá năm năm. Việc thay đổi cài đặt bảo vệ phía đầu nguồn do công ty điện lực thực hiện, suy giảm cách điện cáp theo thời gian và thay thế thiết bị bằng thiết bị có đặc tính khác đều ảnh hưởng đến độ chính xác của phân tích phối hợp ban đầu.