Cách chọn MCCB theo tiết diện dây dẫn

Vì vậy, trình tự đúng là đi từ tiết diện và điều kiện lắp đặt → dòng cho phép thực tế của dây Iz → dòng định mức hoặc dòng chỉnh định của MCCB → kiểm tra ngắn mạch. Cách tiếp cận này phù hợp với nguyên tắc bảo vệ quá dòng của IEC 60364; các tài liệu hiện hành liên quan gồm IEC 60364-4-43:2023 về bảo vệ quá dòng, IEC 60364-5-52:2009 A1:2024 về hệ thống dây dẫn và IEC 60947-2:2024 đối với circuit breaker hạ áp.

Nguyên tắc phối hợp MCCB với khả năng chịu dòng của dây

Để MCCB vừa cấp điện bình thường cho tải vừa bảo vệ dây khỏi quá tải, ba đại lượng cơ bản cần được phối hợp là:

· Ib: Dòng làm việc tính toán của tải

· Iz: Dòng điện lớn nhất dây dẫn có thể mang liên tục trong điều kiện lắp đặt thực tế

· In hoặc Ir: Dòng định mức của MCCB hoặc dòng chỉnh định bảo vệ quá tải

Với MCCB có đặc tính cố định, điều kiện cơ bản là:

Ib ≤ In ≤ Iz

Với MCCB có bộ bảo vệ quá tải chỉnh được, có thể áp dụng theo dòng chỉnh định dài hạn:

Ib ≤ Ir ≤ Iz

Ngoài ra, dòng tác động quy ước I2 của thiết bị bảo vệ phải thỏa:

I2 ≤ 1,45 × Iz

Nguyên tắc IEC được Electrical Installation Guide diễn giải theo ba vùng bảo vệ: dòng định mức hoặc dòng chỉnh định phải nằm giữa Ib và Iz; dòng tác động quy ước không vượt 1,45 Iz; đồng thời khả năng cắt của circuit breaker phải không nhỏ hơn dòng ngắn mạch dự kiến tại vị trí lắp đặt.

Điều này giải thích vì sao không nên áp dụng quy tắc kiểu “dây 25 mm² thì luôn dùng MCCB 100 A”. Nếu Iz thực tế của tuyến cáp chỉ còn 88 A sau khi hiệu chỉnh nhiệt độ và đi chung nhiều mạch, MCCB cố định 100 A không còn bảo vệ quá tải đúng cho dây.

Xác định Iz từ tiết diện và điều kiện lắp đặt

Tiết diện S chỉ là một trong các biến quyết định Iz. Khi tra bảng dòng tải của cáp, tối thiểu phải xác định vật liệu ruột dẫn, vật liệu cách điện, số dây mang tải và phương pháp lắp đặt.

Sau đó, dòng cho phép trong điều kiện thực tế có thể biểu diễn theo dạng:

Iz,thực = Iz,bảng × kT × kG × kρ × …

Trong đó kT là hệ số nhiệt độ, kG là hệ số do nhiều mạch hoặc nhiều cáp đi chung, kρ liên quan đến điện trở nhiệt của đất khi chôn cáp; các hệ số khác được áp dụng khi điều kiện thiết kế yêu cầu. IEC 60364-5-52 sử dụng các bảng dòng tải và hệ số hiệu chỉnh để đưa điều kiện tham chiếu về điều kiện lắp đặt thực tế.

Ví dụ dòng tải theo tiết diện trong một điều kiện xác định

Bảng dưới đây chỉ minh họa cho cáp đồng, chôn theo phương pháp D1/D2, ba dây mang tải. Giá trị thay đổi khi điều kiện lắp đặt thay đổi.

Các giá trị trên được tổng hợp trong Electrical Installation Guide từ các bảng của IEC 60364-5-52. Chúng không phải bảng quy đổi trực tiếp từ tiết diện sang MCCB.

Phải hiệu chỉnh Iz trước khi chọn MCCB

Chẳng hạn, dòng tải tham chiếu của cáp XLPE trong không khí thường được xác định tại nhiệt độ môi trường 30°C. Khi nhiệt độ không khí tăng lên 40°C, hệ số hiệu chỉnh cho XLPE trong bảng IEC được hướng dẫn là khoảng 0,91. Với cáp chôn đất, điều kiện nhiệt độ tham chiếu khác; ở nhiệt độ đất 30°C, hệ số cho XLPE là khoảng 0,93.

Ảnh hưởng của việc đi chung nhiều mạch cũng có thể lớn. Ví dụ, đối với một số cấu hình cáp bó hoặc đặt kín, hai mạch có thể phải áp dụng hệ số khoảng 0,80 và ba mạch khoảng 0,70. Vì thế, sử dụng Iz tra từ tiết diện mà bỏ qua hệ số hiệu chỉnh có thể dẫn tới chọn MCCB lớn hơn khả năng chịu tải thực tế của dây.

Chọn dòng định mức hoặc dòng chỉnh định của MCCB

Sau khi có Iz thực tế, việc chọn cấp dòng MCCB trở nên trực tiếp hơn.

Với MCCB có bảo vệ cố định, chọn cấp In sao cho:

Ib ≤ In ≤ Iz

Ví dụ tải yêu cầu 72 A và Iz thực tế của dây là 94 A thì MCCB 80 A thỏa điều kiện về dòng. MCCB cố định 100 A không thỏa vì 100 A > 94 A.

Với MCCB chỉnh định được, cần phân biệt dòng khung với dòng tác động bảo vệ quá tải. Một MCCB có khung 100 A không nhất thiết phải bảo vệ dây ở đúng 100 A. Nếu bộ trip cho phép đặt Ir = 90 A thì tiêu chí cần kiểm tra là:

72 A ≤ 90 A ≤ 94 A

Do đó, không nên loại một MCCB chỉ vì dòng khung lớn hơn Iz; nhưng cũng không được xem dòng khung lớn là an toàn nếu chưa kiểm tra dải chỉnh định và giá trị Ir thực tế. Electrical Installation Guide cũng mô tả trường hợp circuit breaker có dòng danh định 50 A nhưng được chỉnh đặc tính bảo vệ tương đương mức 30 A.

Khi chọn thiết bị thực tế, còn phải kiểm tra dung sai bảo vệ và đường cong thời gian–dòng do nhà sản xuất công bố. Giá trị Ir phù hợp về mặt số học nhưng nằm ngoài dải chỉnh định của trip unit thì không thể sử dụng.

Kiểm tra khả năng cắt ngắn mạch của MCCB

Phối hợp In hoặc Ir với Iz mới giải quyết phần bảo vệ quá tải. MCCB còn phải có khả năng ngắt được dòng ngắn mạch tại điểm lắp.

Nếu dòng ngắn mạch cực đại dự kiến tại tủ là Isc thì cần thỏa điều kiện:

Khả năng cắt của MCCB ≥ Isc

Với MCCB theo IEC 60947-2, các thông số quan trọng gồm Icu — khả năng cắt ngắn mạch cực hạn — và Ics — khả năng cắt ngắn mạch làm việc. Hai giá trị được nhà sản xuất công bố tại điện áp làm việc tương ứng và không nên lấy khả năng cắt ở một cấp điện áp khác để áp dụng trực tiếp. IEC 60947-2:2024 là phiên bản hiện hành của tiêu chuẩn IEC dành cho circuit breaker thuộc phạm vi điện áp mà tiêu chuẩn quy định.

Ví dụ, nếu tính toán cho thấy Isc tại tủ là 18 kA thì một MCCB chỉ có Icu = 10 kA tại điện áp hệ thống là không đủ. Một thiết bị có Icu = 25 kA tại đúng điện áp vận hành sẽ đáp ứng tiêu chí khả năng cắt 18 kA; sau đó vẫn phải kiểm tra các yêu cầu còn lại của mạch.

Icu lớn cũng không đồng nghĩa MCCB có thể bảo vệ mọi tiết diện dây. Icu mô tả khả năng ngắt dòng sự cố của thiết bị, còn bảo vệ dây còn liên quan đến thời gian cắt và năng lượng nhiệt mà MCCB cho đi qua.

Kiểm tra khả năng chịu nhiệt của dây khi ngắn mạch

Trong thời gian ngắn, khả năng chịu nhiệt của dây có thể kiểm tra bằng quan hệ đoạn nhiệt:

I²t ≤ k²S²

hay:

t ≤ (kS/I)²

Trong đó S là tiết diện dây, I là dòng ngắn mạch, t là thời gian tồn tại sự cố và k phụ thuộc vật liệu ruột dẫn, vật liệu cách điện cùng nhiệt độ ban đầu và cuối cho phép. Quan hệ này được dùng cho khoảng thời gian ngắn mạch đến khoảng 5 giây trong phạm vi áp dụng của phương pháp đoạn nhiệt.

Ví dụ, đối với dây đồng cách điện XLPE với điều kiện tương ứng, tài liệu kỹ thuật dựa trên IEC 60364-4-43 sử dụng k = 143. Điều đó cho thấy tăng tiết diện không chỉ làm tăng khả năng tải dòng liên tục mà còn tăng năng lượng ngắn mạch dây có thể chịu được.

Đối với MCCB hạn dòng, cách kiểm tra chính xác hơn thường là so sánh I²t cho phép của dây với I²t let-through của MCCB trong tài liệu nhà sản xuất. Một MCCB có Icu đủ lớn nhưng để năng lượng đi qua quá cao vẫn có thể không bảo vệ được tiết diện dây đang xét.

Ở đầu xa của tuyến cáp cũng cần quan tâm đến dòng ngắn mạch tối thiểu. Nếu Isc,min quá thấp so với ngưỡng tác động tức thời Im, MCCB có thể chuyển sang vùng tác động chậm hơn. Khi đó phải kiểm tra thời gian cắt vẫn nằm trong giới hạn nhiệt của dây.

Ví dụ chọn MCCB cho cáp đồng XLPE 25 mm²

Giả sử một mạch ba pha có các dữ liệu thiết kế:

Theo bảng tham chiếu, cáp đồng XLPE 25 mm², ba dây mang tải, lắp D1/D2 có Iz,bảng khoảng 101 A. Với nhiệt độ đất 30°C, hệ số nhiệt độ đối với XLPE khoảng 0,93.

Dòng cho phép sau hiệu chỉnh:

Iz,thực = 101 × 0,93 ≈ 93,9 A

MCCB cố định 80 A thỏa:

72 ≤ 80 ≤ 93,9 A

Ngược lại, MCCB cố định 100 A không thỏa điều kiện bảo vệ quá tải vì:

100 A > 93,9 A

Nếu sử dụng MCCB khung 100 A có bộ trip cho phép chỉnh Ir = 90 A thì:

72 ≤ 90 ≤ 93,9 A

nên về tiêu chí phối hợp dòng tải–MCCB–dây, giá trị chỉnh định này phù hợp.

Với Isc cực đại giả định là 18 kA, MCCB còn phải có khả năng cắt tại điện áp làm việc không thấp hơn 18 kA. Nếu model được chọn có Icu = 25 kA tại đúng điện áp của hệ thống thì tiêu chí này được đáp ứng.

Cuối cùng vẫn phải kiểm tra năng lượng ngắn mạch. Nếu dùng k = 143 cho cáp đồng XLPE và giả sử toàn bộ dòng 18 kA chạy qua dây trong phép tính đoạn nhiệt thì:

tmax = (143 × 25 / 18.000)² ≈ 0,039 s

Kết quả khoảng 39 ms cho thấy không thể dừng việc chọn thiết bị ở phép so sánh 80 A hay 90 A với Iz. Đường cong tác động hoặc I²t let-through của chính MCCB phải được kiểm tra để xác nhận dây 25 mm² chịu được sự cố trong điều kiện thực tế.

Chọn MCCB theo tiết diện dây thực chất là bài toán phối hợp bảo vệ, không phải phép quy đổi cố định từ mm² sang ampe. Trước hết phải xác định Iz của dây trong đúng điều kiện lắp đặt, sau đó chọn In hoặc Ir sao cho Ib ≤ In/Ir ≤ Iz. Tiếp theo cần kiểm tra khả năng cắt so với dòng ngắn mạch tại điểm lắp và khả năng chịu nhiệt ngắn mạch của dây.

Vì vậy, bảng tiết diện chỉ nên dùng để tìm Iz ban đầu. Quyết định cuối cùng phải dựa trên loại cáp, phương pháp lắp, các hệ số hiệu chỉnh, thông số trip của MCCB, dòng ngắn mạch tính toán và dữ liệu kỹ thuật của nhà sản xuất. Với hệ thống điện thực tế, các bước tính toán và kiểm tra bảo vệ nên được thực hiện theo tiêu chuẩn áp dụng của công trình bởi người có chuyên môn phù hợp.