Cách thiết kế tủ điện hạ thế và sơ đồ lắp đặt

Thiết kế tủ điện hạ thế không chỉ là chọn vỏ tủ rồi lắp aptomat, thanh cái và dây dẫn. Một thiết kế đúng phải bắt đầu từ phụ tải, nguồn điện, dòng ngắn mạch và điều kiện môi trường. Sau đó, kỹ sư mới xác định cấu hình tủ, thiết bị bảo vệ, tiết diện dây, thanh cái và phương án phân khoang. IEC 61439-1 quy định các yêu cầu chung về kết cấu, đặc tính kỹ thuật và phương pháp kiểm tra xác nhận đối với cụm tủ điện hạ áp

Tiêu chuẩn nào được áp dụng khi thiết kế tủ điện hạ thế?

Với tủ phân phối điện hạ áp, IEC 61439-1:2020 là tiêu chuẩn quy định các yêu cầu chung. Tiêu chuẩn này đề cập đến điều kiện làm việc, yêu cầu kết cấu, đặc tính kỹ thuật và các phương pháp verification của cụm tủ. Đối với tủ đóng cắt và điều khiển công suất, IEC 61439-2:2020 quy định các yêu cầu riêng cho cụm PSC-assembly. Phạm vi tiêu chuẩn bao gồm hệ thống AC đến 1.000 V hoặc DC đến 1.500 V.

Một số tiêu chuẩn liên quan thường cần xem xét gồm:

• IEC 60947-2:2024: áp dụng cho circuit-breaker trong hệ thống hạ áp. Tiêu chuẩn này bao phủ thiết bị có điện áp định mức đến 1.000 V AC hoặc 1.500 V DC.
• IEC 60529: quy định hệ thống phân cấp cấp bảo vệ IP của vỏ thiết bị điện.
• IEC TS 61641:2026: đề cập đến khả năng bảo vệ trước sự cố hồ quang bên trong cụm tủ hạ áp. Tài liệu xem xét áp suất, nhiệt và khí nóng sinh ra từ hồ quang.

Quy trình thiết kế tủ điện hạ thế từ đầu đến cuối

Một bản thiết kế tốt phải biến yêu cầu vận hành thành các thông số điện cụ thể. Quy trình dưới đây giúp hạn chế tình trạng tủ đủ thiết bị nhưng không phù hợp với tải thực tế.

Xác định nguồn điện và phụ tải

Trước tiên, cần thu thập điện áp, số pha, tần số, công suất tải và chế độ vận hành. Với hệ thống 3 pha, có thể xác định dòng điện gần đúng theo công thức:

I = P / (√3 × U × cosφ × η)

Trong đó, P là công suất tác dụng, U là điện áp dây, cosφ là hệ số công suất và η là hiệu suất nếu tải là động cơ.

Không nên lấy tổng công suất danh định rồi chọn aptomat ngay. Cần xác định dòng làm việc, hệ số đồng thời, loại tải và đặc tính khởi động. Động cơ có dòng khởi động cao sẽ yêu cầu phương án bảo vệ khác tải điện trở.

Xác định dòng ngắn mạch

Dòng ngắn mạch tại điểm lắp đặt ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng cắt của thiết bị bảo vệ và khả năng chịu đựng của cụm tủ.

Thông số này cần được tính từ nguồn, máy biến áp, chiều dài cáp và trở kháng của mạng điện. Khi chọn máy cắt, khả năng cắt phải phù hợp với dòng sự cố dự kiến tại vị trí lắp đặt.

Đây là lý do không nên chọn MCCB chỉ dựa trên dòng định mức. Một MCCB 400 A vẫn có thể không phù hợp nếu khả năng cắt ngắn mạch thấp hơn mức sự cố của hệ thống.

Lập sơ đồ nguyên lý

Sau khi có dữ liệu tải, kỹ sư xây dựng sơ đồ một sợi và sơ đồ điều khiển nếu tủ có chức năng tự động.

Sơ đồ cần thể hiện nguồn vào, máy cắt tổng, thanh cái, các nhánh tải, thiết bị đo lường và thiết bị bảo vệ. Với tủ ATS, sơ đồ còn phải thể hiện logic chuyển nguồn và liên động giữa các thiết bị đóng cắt.

Với tủ điều khiển động cơ, cần bổ sung contactor, relay bảo vệ, biến tần hoặc PLC tùy cấu hình. Mỗi thiết bị phải có mã định danh thống nhất giữa sơ đồ, bản vẽ bố trí và bảng đấu dây.

Bố trí thiết bị và kết cấu tủ điện hạ thế

Khi sơ đồ điện đã được chốt, bước tiếp theo là chuyển thiết kế thành bố trí cơ khí. Đây là phần quyết định khả năng tản nhiệt, đấu nối và bảo trì sau này.

Thiết bị công suất lớn nên được bố trí theo nhóm chức năng. Máy cắt tổng thường đặt ở khu vực dễ thao tác. Thanh cái cần có khoảng cách điện phù hợp với thiết kế và điều kiện làm việc.

Dây động lực và dây điều khiển nên được tổ chức thành các tuyến riêng khi cần thiết. Cách bố trí này giúp giảm giao cắt không cần thiết và hỗ trợ kiểm tra khi bảo trì.

Kích thước tủ cũng không nên chỉ tính theo diện tích thiết bị. Cần dành không gian cho bán kính uốn cáp, đầu cốt, thanh đấu dây, khe thông gió và khả năng mở rộng.

Lựa chọn thanh cái

Thanh cái thường sử dụng đồng hoặc nhôm tùy thiết kế. Tiết diện không được chọn đơn thuần theo dòng tải.

Thiết kế cần xem xét dòng định mức, điều kiện nhiệt, phương pháp lắp đặt, mật độ thiết bị và khả năng chịu dòng ngắn mạch. IEC 61439 yêu cầu cụm tủ phải đáp ứng các yêu cầu verification liên quan đến đặc tính và kết cấu.

Xác định cấp bảo vệ IP

Cấp IP phải được lựa chọn theo môi trường thực tế. IEC 60529 quy định hệ thống phân loại mức bảo vệ của vỏ thiết bị trước sự xâm nhập của vật rắn và nước.

Ví dụ, tủ đặt trong phòng điện sạch sẽ có yêu cầu khác tủ ngoài trời hoặc khu vực nhiều bụi, hơi ẩm. Nếu tăng mức kín của tủ, cần đồng thời xem xét giải pháp tản nhiệt để tránh nhiệt độ bên trong tăng quá mức.

Sơ đồ lắp đặt tủ điện phân phối hạ áp

Sơ đồ lắp đặt phải cho thấy mối quan hệ giữa nguồn, thiết bị đóng cắt, thanh cái và các nhánh phụ tải. Với một tủ phân phối thông thường, cấu trúc có thể bắt đầu từ nguồn vào → máy cắt tổng → thanh cái → máy cắt nhánh → tải.

Với hệ thống có hai nguồn, sơ đồ có thể bố trí hai ngõ vào và thiết bị liên lạc giữa hai thanh cái. Tuy nhiên, việc chuyển tải chỉ được thực hiện khi phương án liên động và điều kiện vận hành đã được thiết kế phù hợp.

Không nên mặc định rằng mọi tủ hai nguồn đều có thể đóng song song. Việc đóng song song hai nguồn phải xét đến đồng bộ, cấu hình hệ thống và yêu cầu của thiết bị.

Kiểm tra tủ điện trước khi cấp nguồn

Thiết kế chưa kết thúc khi bản vẽ hoàn thành. IEC 61439 đặt ra yêu cầu verification đối với cụm tủ, trong đó việc kiểm tra phải phù hợp với cấu hình và yêu cầu của assembly.

Trước khi đóng điện, cần kiểm tra sự phù hợp giữa tủ thực tế và hồ sơ thiết kế. Nội dung gồm thiết bị, dây dẫn, đầu nối, nhãn mạch, khoảng cách điện, liên kết bảo vệ và đấu nối.

Tiếp đó, thực hiện các phép kiểm tra phù hợp với thiết kế và tiêu chuẩn áp dụng. Đặc biệt, cần kiểm tra mạch bảo vệ, độ chắc chắn của các đầu nối và tình trạng cách điện trước khi đưa tủ vào vận hành.

Không nên áp dụng một giá trị điện trở cách điện cố định cho mọi tủ rồi kết luận đạt hoặc không đạt. Giá trị thử phải căn cứ vào điện áp thử, cấu hình mạch, tiêu chuẩn áp dụng và hướng dẫn của nhà sản xuất thiết bị.

Những sai sót thường gặp khi thiết kế tủ điện hạ thế

Một số lỗi xuất phát từ việc chỉ quan tâm đến dòng định mức mà bỏ qua điều kiện vận hành.

• Chọn aptomat theo dòng tải nhưng bỏ qua dòng ngắn mạch khiến khả năng bảo vệ không phù hợp với điểm lắp đặt. Ngược lại, chọn thiết bị quá lớn có thể làm giảm hiệu quả bảo vệ dây dẫn.
• Bố trí thiết bị quá sát nhau có thể làm tăng nhiệt độ cục bộ. Khi đó, khả năng mang tải của thiết bị phải được xem xét lại theo điều kiện thực tế.
• Không dự phòng không gian và đầu cáp khiến việc mở rộng hoặc thay thế thiết bị sau này khó thực hiện.
• Không thống nhất mã thiết bị giữa sơ đồ và tủ thực tế làm tăng thời gian xác định mạch khi xử lý sự cố.

Thiết kế tủ điện hạ thế cần được thực hiện từ dữ liệu phụ tải đến tính toán ngắn mạch, lựa chọn thiết bị, thiết kế thanh cái, bố trí cơ khí và kiểm tra hoàn thiện. IEC 61439 hiện là nền tảng quan trọng đối với cụm tủ hạ áp, trong khi IEC 61439-2 đưa ra yêu cầu riêng cho tủ đóng cắt và điều khiển công suất.