Busbar (thanh cái) là thanh dẫn điện bằng đồng hoặc nhôm đặt trong tủ điện, đóng vai trò phân phối điện từ đầu vào (nguồn) đến các đầu ra (phụ tải). Chọn sai tiết diện busbar gây quá nhiệt, tổn thất điện năng và nguy cơ cháy nổ. Bài viết này trình bày quy trình tính chọn tiết diện busbar theo IEC 61439-1:2011.
Vật Liệu Và Phân Loại Busbar
Đồng (Copper) — ETP Cu-DHP C11000
Vật liệu phổ biến nhất trong tủ điện công nghiệp. Điện trở suất ρ = 0,0172 Ω·mm²/m ở 20°C, độ dẫn điện 100% IACS. Khả năng chịu ngắn mạch tốt, hàn và nối dễ. Giới hạn nhiệt độ busbar đồng theo IEC 61439: 105°C (nếu mạ thiếc) hoặc 90°C (không mạ, tiếp xúc với cách điện).
Nhôm (Aluminium) — EN AW-1350
Nhẹ hơn đồng 3 lần, giá thấp hơn 60–70%. Điện trở suất ρ = 0,0282 Ω·mm²/m — dẫn điện kém hơn đồng khoảng 61%. Để dẫn cùng dòng điện, tiết diện nhôm cần 1.63× tiết diện đồng. Phù hợp cho tủ MSB 3200A trở lên khi cần giảm trọng lượng.
IEC 61439-1:2011, Clause 10.10 — Tiêu chuẩn quy định nhiệt độ tối đa của busbar và mối nối trong ASSEMBLY (tủ điện). Nhiệt độ tăng ΔT ≤ 70°C so với nhiệt độ môi trường xung quanh (quy định 40°C), tức nhiệt độ busbar tối đa = 110°C trong điều kiện vận hành bình thường.
Công Thức Tính Dòng Điện Cho Phép (Ampacity)
Phương pháp đơn giản nhất sử dụng mật độ dòng điện cho phép theo vật liệu và điều kiện lắp đặt:
Mật độ dòng điện J (quy tắc thực tế — IEC 61439): Đồng, 1 thanh/pha, không mạ : J = 1.5 – 2.0 A/mm² Đồng, 1 thanh/pha, mạ thiếc : J = 1.6 – 2.2 A/mm² Đồng, 2 thanh/pha (ghép đôi) : J = 1.3 – 1.7 A/mm² (mỗi thanh) Nhôm, 1 thanh/pha : J = 0.9 – 1.2 A/mm²
Lưu ý quan trọng: Mật độ dòng điện J phụ thuộc nhiều vào điều kiện làm mát của tủ, tần suất phụ tải, và khoảng cách giữa các pha. Giá trị bảng trên là ước tính thực tế cho tủ điện kín (IP54) với thông gió thụ động. Để tính chính xác, cần dùng phương pháp nhiệt (thermal calculation) theo Annex BB của IEC 61439-1.
Bảng Dòng Điện Cho Phép — Thanh Cái Đồng Phổ Biến
| Kích thước (mm × mm) | Tiết diện (mm²) | Dòng 1 thanh/pha (A) | Dòng 2 thanh/pha (A) | Ứng dụng tiêu biểu |
|---|---|---|---|---|
| 30 × 5 | 150 | 280 – 330 | – | Tủ DB, nhánh phụ |
| 40 × 5 | 200 | 360 – 430 | – | Tủ DB, MDB nhánh |
| 50 × 5 | 250 | 440 – 530 | – | Tủ MDB nhỏ |
| 60 × 5 | 300 | 520 – 620 | – | Tủ MDB 400A |
| 80 × 8 | 640 | 960 – 1.150 | – | Tủ MDB 800A |
| 100 × 10 | 1.000 | 1.400 – 1.700 | 2.400 – 2.900 | Tủ MSB 1600A |
| 120 × 10 | 1.200 | 1.650 – 2.000 | 2.800 – 3.400 | Tủ MSB 2000A |
| 160 × 10 | 1.600 | 2.100 – 2.600 | 3.600 – 4.500 | Tủ MSB 2500–3200A |
Kiểm Tra Chịu Ngắn Mạch
Ngoài dòng điện làm việc bình thường, busbar phải chịu được dòng ngắn mạch trong thời gian CB cắt (thường 0.1 – 1 giây). Công thức Joule kiểm tra:
Ví Dụ Thực Tế — Tủ MSB 630A
Đã biết:
- Dòng định mức tủ: In = 630A
- Dòng ngắn mạch tại điểm đặt: Icc = 25 kA (rms)
- Thời gian cắt ngắn mạch (CB đầu nguồn): t = 0.2 giây
- Vật liệu: Đồng mạ thiếc, tủ IP54 thông gió thụ động
Bước 1 — Chọn theo dòng làm việc:
Dùng J = 1.8 A/mm² (đồng mạ thiếc trong tủ kín)
Ayc = In / J = 630 / 1.8 = 350 mm²
→ Chọn sơ bộ 60×6 = 360 mm² hoặc 70×5 = 350 mm²
Bước 2 — Kiểm tra ngắn mạch:
Amin = Icc × √t / K = 25.000 × √0.2 / 134 = 25.000 × 0.447 / 134 = 83,4 mm²
→ 360 mm² >> 83.4 mm² ✓ Đạt yêu cầu chịu ngắn mạch
Dòng cho phép ≈ 600–700A ✓ | Chịu ngắn mạch 25kA/0.2s ✓
Khoảng Cách Pha Và Lực Điện Động
Khi xảy ra ngắn mạch, dòng điện lớn tạo ra lực điện từ giữa các pha. Khoảng cách và hệ thống giá đỡ busbar phải đủ cứng để chịu lực này mà không biến dạng hay chạm pha.
- IEC 61439-1, Annex G — tính toán lực điện động: F = 2×10⁻⁷ × I² × L/a (N), trong đó L là chiều dài giá đỡ (m), a là khoảng cách tâm 2 pha (m).
- Khoảng cách giá đỡ busbar: Tiêu chuẩn thực tế tại Việt Nam — cứ 500–800mm lắp một bộ giá đỡ (busbar support). Với dòng ngắn mạch cao ≥ 50kA, rút xuống 300–400mm.
- Khoảng cách không khí giữa các pha: Theo IEC 60664-1, điện áp 690V AC yêu cầu creepage ≥ 10mm và clearance ≥ 8mm. Thực tế thường dùng khoảng cách 50–100mm để thuận tiện lắp đặt CB.
Lưu Ý Thi Công Mối Nối Busbar
Mối nối busbar là điểm yếu nhất. Điện trở tiếp xúc của mối nối kém có thể cao gấp 10× điện trở thanh cái, gây quá nhiệt cục bộ, hồ quang và cháy. Tiêu chuẩn IEC 61439-1 Clause 8.6 yêu cầu kiểm tra nhiệt độ tất cả mối nối trong quá trình thử nghiệm.
- Vệ sinh bề mặt: Đánh sạch oxide bằng giấy nhám hoặc bàn chải thép, sau đó bôi mỡ tiếp xúc điện (contact grease) trước khi siết.
- Bulông tiêu chuẩn: Dùng bulông class 8.8 M10 hoặc M12, siết moment đúng theo bảng nhà sản xuất (thường 25–40 Nm). Không siết quá lực làm biến dạng thanh cái.
- Vòng đệm lò xo: Bắt buộc dùng vòng đệm lò xo (spring washer) hoặc vòng đệm đàn hồi để chống nới lỏng do giãn nở nhiệt.
- Kiểm tra sau lắp: Đo điện trở tiếp xúc bằng micro-ohmmeter (loop resistance tester). Điện trở mối nối tốt < 10 µΩ. Nếu cao hơn, tháo ra và làm lại.
Tài Liệu Tham Khảo Kỹ Thuật
- IEC 61439-1:2011 — "Low-voltage switchgear and controlgear assemblies — Part 1: General rules", IEC (Annex BB — Thermal calculation; Clause 10.10; Annex G — Electromagnetic force)
- IEC 60865-1:2011 — "Short-circuit currents — Calculation of effects — Part 1: Definitions and calculation methods", IEC
- IEC 60664-1:2007 — "Insulation coordination — Rated voltages and clearances/creepage", IEC
- Copper Development Association — "Copper Busbar: Design, Installation and Maintenance", Publication TN22 (2014)
- ABB — "Technical Application Papers No. 16: Busbar Trunking Systems", ABB (2013)
