Sụt áp trên đường dây dài: nguyên nhân và cách tính sơ bộ

Bạn đã từng thấy đèn ở cuối xưởng tối hơn đèn gần tủ điện, hay máy bơm ở cuối tuyến khó khởi động dù tủ tổng vẫn đủ áp? Đó là biểu hiện của sụt áp trên đường dây dài. Sụt áp không chỉ làm giảm hiệu suất thiết bị mà còn khiến động cơ nóng, tuổi thọ giảm và đôi khi làm thiết bị bảo vệ tác động sai. Bài viết trình bày nguyên nhân, cách tính sơ bộ dễ áp dụng và các biện pháp giảm sụt áp để bạn kiểm soát ngay từ giai đoạn thiết kế.

Sụt áp là gì

Mọi dây dẫn đều có điện trở và điện kháng. Khi dòng điện chạy qua, một phần điện áp bị tiêu hao trên đường dây, nên điện áp tại đầu tải thấp hơn điện áp tại nguồn. Hiệu giữa hai giá trị đó gọi là sụt áp (hay độ sụt điện áp), thường được biểu diễn bằng vôn hoặc phần trăm so với điện áp danh định.

Sụt áp nhỏ thì khó nhận ra, nhưng khi vượt giới hạn cho phép sẽ gây hậu quả rõ rệt. Động cơ chạy với điện áp thấp phải tăng dòng để giữ công suất, dẫn đến quá nhiệt cuộn dây. Đèn LED hoặc đèn huỳnh quang giảm độ sáng, một số bộ nguồn không khởi động. Thiết bị điện tử, PLC, biến tần có thể báo lỗi thấp áp. Lò điện, máy hàn mất công suất.

Nguyên nhân gây sụt áp lớn trên đường dây dài

Chiều dài tuyến lớn

Điện trở dây tỷ lệ thuận với chiều dài. Tuyến dài gấp đôi thì sụt áp gấp đôi nếu giữ nguyên tiết diện và dòng điện. Đây là nguyên nhân chính trong nhà xưởng rộng, khu công nghiệp, đường chiếu sáng dài, trạm bơm xa nguồn.

Tiết diện dây quá nhỏ

Điện trở dây tỷ lệ nghịch với tiết diện. Khi chọn dây chỉ đủ chịu dòng mà không xét sụt áp, tuyến dài rất dễ vượt giới hạn.

Dòng tải lớn và dòng khởi động

Sụt áp tỷ lệ với dòng điện. Động cơ khi khởi động trực tiếp kéo dòng lớn gấp nhiều lần dòng định mức, tạo ra sụt áp tạm thời rất sâu. Đây là lý do nhiều động cơ chạy ổn định nhưng khó khởi động.

Hệ số công suất thấp

Với cùng công suất tác dụng, hệ số công suất thấp làm dòng điện tăng, kéo theo sụt áp tăng. Tủ bù công suất phản kháng giúp cải thiện điều này. NEWSUN cung cấp tủ bù hạ thế nâng cosφ và giảm tổn thất cho lưới 3 pha 400V.

Mối nối kém, tiếp xúc xấu

Đầu cốt ép lỏng, bu lông không siết chặt, oxy hóa đầu nối tạo thêm điện trở tiếp xúc, góp phần sụt áp và sinh nhiệt cục bộ. Đây là nguyên nhân hay bị bỏ qua khi tính toán trên lý thuyết.

Nhiệt độ cao

Điện trở của đồng tăng theo nhiệt độ. Tuyến cáp đặt nơi nóng hoặc gần nguồn nhiệt có điện trở lớn hơn giá trị tính ở điều kiện chuẩn, làm sụt áp thực tế cao hơn dự tính.

Cách tính sụt áp sơ bộ

Dưới đây là công thức đơn giản thường dùng để ước tính ở giai đoạn thiết kế sơ bộ. Giá trị chính xác cần dùng số liệu điện trở và điện kháng trong catalogue của dòng cáp cụ thể.

Mạch một pha

Sụt áp trên cả đường đi và về của mạch một pha gần đúng bằng hai nhân dòng điện, nhân chiều dài một chiều, nhân điện trở suất, chia tiết diện, khi bỏ qua điện kháng và coi tải thuần trở. Có thể viết gọn: ΔU ≈ 2 × I × L × ρ / S. Trong đó I là dòng tải (A), L là chiều dài một chiều (m), S là tiết diện (mm²), ρ là điện trở suất của vật liệu dẫn tính bằng Ω·mm²/m.

Mạch ba pha

Với mạch ba pha cân bằng, sụt áp dây gần đúng bằng căn bậc hai của ba nhân dòng điện, nhân chiều dài, nhân điện trở suất, chia tiết diện: ΔU ≈ √3 × I × L × ρ / S, khi tải thuần trở. Nếu tải có hệ số công suất cosφ, dùng công thức đầy đủ hơn: ΔU ≈ √3 × I × L × (R·cosφ + X·sinφ), với R và X là điện trở và điện kháng trên đơn vị chiều dài của cáp.

Điện trở suất tham khảo

Đồng ở 20°C có điện trở suất vào khoảng 0,0175 Ω·mm²/m, nhôm vào khoảng 0,028 Ω·mm²/m (giá trị tham khảo phổ thông). Ở nhiệt độ làm việc cao hơn, điện trở tăng thêm, do đó nên lấy hệ số an toàn khi ước tính.

Quy đổi sang phần trăm

Sụt áp phần trăm bằng ΔU chia điện áp danh định, nhân một trăm. Với hệ thống ba pha 380V, ΔU tính theo điện áp dây. Sau đó so với giới hạn cho phép trong tiêu chuẩn thiết kế của công trình.

Ví dụ cách làm (số minh họa để thấy trình tự)

Giả sử mạch ba pha cấp cho một tải dài, bạn xác định dòng tải, chiều dài một chiều và tiết diện dự kiến. Thay vào công thức, tính ΔU bằng vôn, chia điện áp danh định để ra phần trăm. Nếu kết quả vượt giới hạn, tăng tiết diện lên cấp kế tiếp và tính lại cho đến khi đạt. Khi tải là động cơ, tính thêm trường hợp khởi động với dòng khởi động để chắc chắn động cơ vẫn khởi động được.

Các biện pháp giảm sụt áp

Tăng tiết diện dây

Là cách trực tiếp và phổ biến nhất. Tuy chi phí vật tư tăng nhưng bù lại giảm tổn thất điện năng trong suốt vòng đời. Nên so sánh tổng chi phí chứ không chỉ giá mua ban đầu.

Chuyển nguồn đến gần tải

Đặt tủ phân phối phụ gần cụm tải, kéo cáp trục điện áp cao hoặc cáp lớn đến đó, rồi chia nhánh ngắn đến thiết bị. Với tuyến rất dài, có thể đặt trạm biến áp riêng gần khu vực tải.

Nâng điện áp truyền tải

Với cùng công suất, điện áp cao hơn làm dòng nhỏ hơn và sụt áp tương đối nhỏ hơn. Đây là lý do truyền tải đường dài dùng trung thế rồi hạ áp tại điểm tiêu thụ.

Bù công suất phản kháng

Nâng hệ số công suất bằng tụ bù làm giảm dòng điện trên đường dây, giảm sụt áp và tổn thất. Cần thiết kế tủ bù đúng, tránh bù thừa gây quá áp hoặc cộng hưởng với tải phi tuyến.

Dùng phương pháp khởi động mềm cho động cơ

Khởi động sao-tam giác, khởi động mềm hoặc biến tần giảm dòng khởi động, từ đó giảm sụt áp tạm thời. NEWSUN sản xuất các tủ khởi động sao/tam giác và tủ biến tần, khởi động mềm cho nhiều dải công suất.

Chia tải, tăng số mạch song song

Có thể kéo hai hoặc nhiều cáp song song để chia dòng, giảm điện trở tương đương. Cần tính hệ số hiệu chỉnh do đặt gần nhau và dùng cáp cùng chiều dài, cùng tiết diện, cùng cách đi dây.

Kiểm soát chất lượng mối nối

Dùng đầu cốt đúng cỡ, ép đúng lực, siết bu lông đúng mô-men và kiểm tra nhiệt định kỳ. Mối nối tốt là điều kiện để tính toán lý thuyết phù hợp với thực tế.

Sụt áp khi khởi động động cơ: trường hợp đặc biệt

Nhiều tuyến cáp vẫn đạt yêu cầu sụt áp ở chế độ làm việc bình thường nhưng gặp sự cố khi động cơ khởi động. Lúc này dòng khởi động của động cơ khởi động trực tiếp có thể lớn gấp nhiều lần dòng định mức, đồng thời hệ số công suất thấp, nên sụt áp tạm thời rất lớn. Nếu điện áp tại đầu động cơ tụt quá sâu, mô-men khởi động giảm, động cơ khó quay hoặc rơ le nhiệt tác động. Cách kiểm tra là tính sụt áp bằng dòng khởi động với hệ số công suất khởi động thấp, rồi so với mức điện áp tối thiểu mà nhà sản xuất động cơ yêu cầu. Nếu không đạt, bạn có thể tăng tiết diện cáp, chuyển sang khởi động sao-tam giác, khởi động mềm hoặc biến tần, hoặc đặt tủ điều khiển gần động cơ hơn để rút ngắn đoạn cáp mang dòng khởi động.

Gợi ý quy trình áp dụng cho dự án

• Lập bảng tuyến cáp có cột chiều dài, dòng tải, tiết diện, sụt áp tính toán.
• Ưu tiên kiểm tra các tuyến dài nhất và các tuyến cấp cho động cơ lớn.
• Kiểm tra sụt áp ở cả điều kiện làm việc bình thường và điều kiện khởi động.
• Đo điện áp thực tế tại đầu tải khi nghiệm thu để so với tính toán.

Liên hệ NEWSUN để được hỗ trợ

NEWSUN Group Vina phân phối cáp Cadisun, Goldcup, LS Vina, Cadivi, sản xuất tủ bảng điện, thang máng cáp và thi công điện công nghiệp. Nếu bạn có tuyến cáp dài cần kiểm tra sụt áp hoặc chọn tiết diện, hãy gửi thông tin công suất, chiều dài, điện áp và cách lắp đặt. Liên hệ hotline hoặc Zalo 0924.625.688 để được kỹ sư tư vấn và báo giá.