Để tính toán thiết kế điện, trước hết cần xác định nhu cầu tải thực tế lớn nhất.

Chỉ dựa trên việc cộng số học của tổng tải có trên lưới sẽ dẫn tới kết quả không kinh tế và kém về mặt kỹ thuật.

Mục đích của bài viết này là chi ra cách gán các giá trị hệ số không đồng thời và hệ số sử dụng trong việc tính phụ tải hiện hữu và thiết kế. Các hệ số không đồng thời tính đến sự vận hành không đồng thời của các thiết bị trong nhóm. Còn hệ số sử dụng thể hiện sự vận hành thường không đầy tải. Các giá trị của các hệ số này có được dựa trên kinh nghiệm và thông kê từ các lưới hiện có. Ngoài việc cung cấp thông số thiết kế mạng cơ bản cho các mạch riêng, các kết quả sẽ cho giá trị chung của mạng, từ đó ta có thể xác định các yêu cầu của hệ thống cung cấp (lưới, biến áp HV/LV, máy phát).

Từ “công suất” ở đây có nghĩa chung, bao gồm công suất tác dụng (kW), biểu kiến (kVa), phản kháng (kVAr). Khi từ “công suất” được dùng mà không có ghi chú, sẽ hiểu là chỉ công suất tác dụng (kW). Tải được xác định qua hai đại lượng:

  • Công suất
  • Công suất biểu kiến

Công suất đặt (kW)

Công suất đặt là tổng công suất định mức của các thiết bị tiêu thụ điện trong mạng. Đây không phải là công suất thực cần được cung cấp.

Hầu hết các thiết bị đều có nhãn ghi công suất định mức của mình (Pn)

Công suất đặt là tổng của các công suất định mức của tất cả các thiết bị tiêu thụ điện trong mạng. Đây không phải là công suất tiêu thụ thực tế.

Với động cơ, công suất định mức là công suất đầu ra trên trực động cơ. Công suất tiêu thụ đầu vào rõ ràng sẽ lớn hơn.

Các đèn huỳnh quang và phòng điện có ballast có công suất định mức ghi trên đèn. Công suất này nhỏ hơn công suất tiêu thụ bởi đền và ballast

Phương pháp xác định công suất tiêu thụ thực của động cơ và đèn được tình bày ở 1 bài viết khác.

Công suất yêu cầu (kW) là đại lượng cần thiết để chọn công suất định mức của máy phát hoặc acwqui hoặc cho những lưới có các động cơ sơ cấp.

Với mạng hạ áp công cộng hoặc qua biến áp trung/hạ (biến áp phân phối), đại lượng quan trọng là công suất biểu kiến (kVA)

Công suất đặt biểu kiến (kVA)

Công suất đặt biểu kiến thường là tổng số học (kVA) của các tải riêng biệt. Phụ tải tính toán (kVA) sẽ không bằng tổng công suất đặt.

Công suất biểu kiến yêu cầu của một tải (có thể là một thiết bị) được tính từ công suất định mức của nó (nếu cần, có thể phải hiệu chỉnh như đã nói ở trên đối với các động cơ) và sử dụng các hệ số sau:

η = hiệu suất = kW đầu ra / kW đầu vào

Cosφ = hệ số công suất = kW/kVA

Công suất biểu kiến yêu cầu của tải:

Pa = Pn / (η . Cosφ )

Từ giá trị này, dòng đầy tải Ia(A) sẽ là

Ia = (Pa.103)/V cho tải một pha

Ia = (Pa.103)/√(3.U) cho tải 3 pha cân bằng

Trong đó:

  • V – điện áp pha – trung tính (V)
  • U – điện áp dây (V)

Thực ra thì tổng số kVA không phải là tổng số học các công suất biểu kiến của từng tải (trừ khi có cùng hệ số công suất). Kết quả thu được do đó, sẽ lớn hơn giá trị thật 1 khoảng “sai số thiết kế”. Nhưng trong thiết kế, điều này là chấp nhận được

Khi không biết được đặc tính của tải, các giá trị ở bảng dưới có thể cho phép đánh giá gần đúng số VA yêu cầu (từng tải là rất nhỏ nên không thể biểu diễn ở kVA hoặc kW). Các suất phụ tải chiếu sáng được dựa trên sàn 500m2

Suất phụ tải biểu kiến

Mạch động lực

Ví dụ: Đèn ống 65W (không kể ballast), quảng thông 5100 Im, hiệu suất chiếu sáng 78,5 Im/W

Tính toán công suất kVA lớn nhất yêu cầu thực

Tất cả các tải riêng biệt thường không vận hành hết công suất định mức ở cùng một thời điểm. Hệ số ku và ks cho phép xác định công suất và công suất biểu kiến lớn nhất dùng để định kích cỡ của mạng.

Hệ số sử dụng lớn nhất (ku)

Trong điều kiện vận hành bình thường, công suất tiêu thụ thực của thiết bị thường bé hơn trị định mức của nó. Do đó hệ số sử dựng ku được dùng để dánh giá trị công suất tiêu thụ thực. Hệ số này cần được áp dụng cho từng tải riêng biệt (nhất là cho các động cơ vì chúng hiếm khi chạy đầy tải)

Trong mạng công nghiệp, hệ số này ước chừng là 0,75 cho động cơ. Với đến dây tóc, nó bằng 1. Với ổ cắm, hệ số này phụ thuộc hoàn toàn dạng thiết bị cắm vào ổ.

Hệ số đồng thời (ks)

Thông thường thị sự vận hành đồng thời của tất cả các tải có trong một lưới điện là không bao giờ xảy ra. Hệ số đồng thời (ks) sẽ được dùng để đánh giá phụ tải.

Hệ số ks thường được dùng cho một nhóm tải (được nối cùng tủ phân phối hoặc tủ phân phối phụ)

Việc xác định ks đòi hỏi sự hiểu biết chi tiết của người thiết kế về mạng và điều kiện vận hành của từng tải riêng biệt trong mạng. Do vậy, khó mà có thể cho giá trị chính xác cho mọi trường hợp

Hệ số ks cho chung cư

Một vài giá trị điển hình ks trong trường hợp này được cho trong bảng “Hệ số đồng thời trong chung cư” và được áp dụng cho tải dân dụng 230/400 V (3 pha 4 dây). Trong trường hợp có dùng thiết bị sưởi ấm bằng điện, hệ số ks sẽ bằng 0,8 và không phụ thuộc và số hộ tiêu thụ.

Ví dụ: Tòa nhà 5 tầng, có 25 hộ, mỗi hộ có công suất đặt là 6kVA. Tổng công suất đặt của tòa nhà là:

36+24+30+36+24 = 150 kVA

Công suất biểu kiến yêu cầu của tòa nhà: 150 . 0,46 = 69 kVA

Từ bảng “Hệ số đồng thời trong chung cư” , có thể xác định được dòng trong từng phân đoạn khác nhau trên cùng một đường cung cấp chính cho các tầng. Tiết diện dây dẫn chính đi từ mặt đất lên cao sẽ bị giảm dần.

Ít nhất cứ cách 3 tầng lại có sự thay đổi kích cỡ dây.

Trong ví dụ, dòng đầu vào ở tầng trệt là:

(150 . 0,46 . 103)/ (400 . √3) = 100A

Dòng tới tầng 3 là:

[(36+24) . 0,63 . 103] / (400 . √3) = 55A

Hệ số đồng thời trong chung cư

ks cho một trung cư 5 tầng

Hệ số đồng thời cho tủ phân phối

Bảng dưới cho các giá trị giả thiết ks của tủ phân phối cung cấp điện cho một số mạch (mà không có thêm thông tin về cách phân chia tải giữa chúng)

Hệ số đồng thời cho tủ phân phối

Hệ số đồng thời theo chức năng của mạch

Hệ số ks dùng cho các mạch cung cấp điện cho các tải thông dụng được cho trong bảng dưới

Hệ số ks theo các chức năng của mạch

  1. Trong vài trường hợp, nhất là trong lưới công nghiệp, hệ số này có giá trị lớn hơn
  2. Dòng được lưu ý bằng dòng định mức của động cơ và tăng thêm một trị bằng 1/3 dòng khởi động của nó.

Ví dụ sử dụng các hệ số ku và ks

Ví dụ tính toán nhu cầu kVA thực cực đại ở mọi mức của mạng, từ mỗi vị trí tải tới nguồn cung cấp.

Trong ví dụ này, tổng công suất đặt là 126,6 kVA còn phụ tải thực là 65kVA (tại thanh cái hạ áp của biến áp trung/hạ)

Lưu ý: để chọn kích cỡ dây của mạch phân phối, dòng (A) sẽ được xác định theo công thức:

I = kVA . 103 / U√3

Trong đó:

  • kVA là tải thực (3 pha)
  • U – điện áp dây (V)

Tính tải dự kiến lớn nhất của mạng

Hệ số không đồng thời

Hệ số này giống như hệ số ks. Theo một vài quốc gia nói tiếng Anh thị hệ số không đồng thời bằng nghịch đảo của ks (nghĩa là ≥ 1)

Chọn lựa công suất định mức máy biến áp

Nếu lưới được cung cấp trực tiếp từ biến áp trung/hạ và tải biểu kiến lớn nhất đã được xác định, khi chọn máy biến áp cần lưu ý tới:

  • Khả năng cải thiện hệ số công suất của mạng
    Tiêu chuẩn IEC về gam máy biến áp 3 pha trung/hạ (biến áp phân phối) và dòng định mức dây tải tương ứng của chúng.
  • Khả năng mở rộng của lưới
  • Các điều kiện ràng buộc (nhiệt độ v.v…) các định mức tiêu chuẩn của biến áp được lựa chọn

Dòng định mức đầy tải phía hạ áp của biến áp 3 pha là:

In = Pa . 103 / U√3

Trong đó:

  • Pa – Công suất định mức của biến áp (kVA)
  • U – Điện áp dây khi không tải (V)
  • In (A)

Với biến áp một pha:

In = Pa . 103 / V

Trong đó: V – Điện áp thanh cái hạ áp khi không tải

Phương trình được đơn giản hóa cho điện áp 400V (tải 3 pha)

In = Pa(kVA) . 1,4

Xem thêm: Thông số của máy biến áp

Chọn lựa nguồn cung cấp điện

Trên thực tế, lấy điện phía trung áp có thể là cần thiết nếu tải vượt quá (hoặc dự định sẽ vượt quá) ngưỡng 250 kVA, hoặc nếu chất lượng phục vụ đòi hỏi cao hơn so với chất lượng có từ lưới hạ áp. Hơn nữa, nếu lấy điện từ phía hạ áp mà gây xáo trộn cho khách hàng lân cận thì ngành điện có thể yêu cầu dùng điện từ phía trung áp.

Cung cấp từ phía trung áp có thể lợi cho khách hàng trung áp như sau:

  • Không bị ảnh hưởng bởi các phụ tải khác
  • Có thể tự do chọn hệ thống nối đất phía hạ áp
  • Có nhiều lựa chọn hơn về hệ thống giá điện kinh tế
  • Có thể cho phép sự tăng tải lớn

Tuy nhiên cần lưu ý là:

  • Khác hàng là chủ của trạm trung/hạ, do đó trong một vài quốc gia, họ cần tự bỏ tiền để lắp đặt trạm. Ngành điện sẽ có thể tham gia vào đầu tư, ví dụ như đi dây trung áp.
  • Một phần của giá thành kết lưới có thể được hoàn vốn nếu có một khách hàng thứ hai cùng nối vào dây trung áp trong một khoảng thời gian sau khi khách hàng thứ nhất kết lưới.
  • Khác hàng chỉ có quyền tiếp cận phần hạ áp. Tiếp cận phần trung áp chỉ được dành cho ngành điện (đọc công tơ, thao tác,v.v..) Tuy vậy, trong một vài quốc gia, máy cắt bảo vệ trung áp (hoặc cầu chì – dao cắt tải) có thể do khách hàng vận hành
  • Dạng và vị trí của trạm sẽ được chọn theo thỏa thuận giữa khách hàng và ngành điện

Trích: Hướng dẫn thiết kế lắp đặt điện theo tiêu chuẩn quốc tế IEC