Quick Overview: Tủ điện hạ thế là cụm thiết bị điện được sử dụng ở cấp hạ thế để phân phối, đóng cắt, bảo vệ, đo lường và điều khiển nguồn điện. Trong hệ thống công nghiệp, tủ hạ thế không chỉ gồm tủ MSB mà còn có DB, ATS, tủ tụ bù, MCC, tủ điều khiển và nhiều cấu hình chuyên dụng khác. Các tủ được liên kết theo sơ đồ cung cấp điện, tạo thành nhiều cấp từ nguồn sau máy biến áp đến từng nhóm phụ tải.
Tủ điện hạ thế là gì?
Tủ điện hạ thế là cụm thiết bị điện được bố trí trong một kết cấu tủ nhằm thực hiện các chức năng phân phối, đóng cắt, bảo vệ, đo lường, điều khiển hoặc chuyển đổi nguồn điện ở cấp hạ thế. Trong một công trình công nghiệp, tủ điện hạ thế thường xuất hiện sau máy biến áp và nằm giữa nguồn điện hạ thế với các nhóm phụ tải. Từ một tủ phân phối tổng, nguồn điện có thể được chia thành nhiều nhánh để cấp cho nhà xưởng, dây chuyền sản xuất, hệ thống động lực, chiếu sáng, HVAC, máy bơm hoặc các thiết bị chuyên dụng.
Do có nhiều chức năng khác nhau, thuật ngữ tủ điện hạ thế không đại diện cho một kiểu tủ duy nhất. MSB, DB, ATS, MCC, tủ tụ bù và tủ điều khiển đều có thể xuất hiện trong một hệ thống hạ thế, nhưng vị trí và nhiệm vụ của từng loại không giống nhau.
Từ hệ thống truyền tải đến mạng điện hạ thế
Điện năng từ nhà máy phát điện được truyền tải qua các cấp điện áp khác nhau trước khi đến khu vực tiêu thụ. Tại các trạm biến áp, điện áp được biến đổi xuống cấp phù hợp với mạng phân phối và phụ tải. Trong hệ thống điện của công trình, sau máy biến áp thường là cấp phân phối hạ thế. Từ đây, nguồn điện được đưa đến tủ phân phối tổng rồi tiếp tục phân chia thành các nhánh.
Một cấu trúc điển hình có thể được hình dung theo trình tự:
Không phải mọi công trình đều sử dụng đúng cấu trúc này. Các hệ thống có nguồn dự phòng, yêu cầu chuyển nguồn, bù công suất phản kháng hoặc điều khiển nhiều động cơ có thể bổ sung ATS, tủ tụ bù, MCC và các tủ chuyên dụng khác.
Ba nhóm tủ điện trong hệ thống hạ thế
Xét theo chức năng trong hệ thống, các tủ điện hạ thế thường được phân thành ba nhóm lớn: tủ điện phân phối, tủ điện điều khiển và tủ điện động lực. Cách phân nhóm này mang tính chức năng. Trong một số dự án, một tủ có thể kết hợp nhiều chức năng và được thiết kế theo yêu cầu riêng của hệ thống.
Nhóm tủ điện phân phối
Tủ điện phân phối là bộ phận kết nối giữa nguồn điện và các nhánh phụ tải. Các thiết bị đóng cắt, bảo vệ, đo lường và phân phối được bố trí theo sơ đồ điện của công trình.
Tủ điện phân phối tổng MSB
MSB (Main Distribution Switchboard) là tủ phân phối tổng trong mạng điện hạ thế. Tủ thường được bố trí sau máy biến áp và trước các tủ phân phối nhánh. Trong nhà máy, MSB có thể tiếp nhận nguồn từ máy biến áp rồi phân phối đến nhiều khu vực như xưởng sản xuất, khu văn phòng, hệ thống phụ trợ, tủ động lực hoặc các hệ thống kỹ thuật của công trình.
Cấu hình MSB phụ thuộc vào công suất của hệ thống, dòng điện thiết kế, số lượng xuất tuyến, phương án nguồn và yêu cầu bảo vệ. Các thiết bị thường gặp gồm ACB, MCCB, thiết bị đo lường, thanh cái và các thiết bị bảo vệ liên quan. Với các công trình có nhiều nguồn hoặc yêu cầu cấp điện đặc biệt, cấu trúc MSB có thể phức tạp hơn, bao gồm các ngăn nguồn, ngăn liên lạc và các thiết bị phục vụ quản lý, giám sát hệ thống.
Tủ điện phân phối DB
DB (Distribution Board) là tủ phân phối ở cấp nhánh. DB nhận điện từ MSB hoặc một tủ phân phối phía trước rồi chia thành các mạch cấp điện cho khu vực hoặc nhóm phụ tải. Trong nhà máy, DB có thể được bố trí theo từng khu vực sản xuất. Trong các công trình nhiều tầng, DB thường xuất hiện ở từng tầng hoặc từng khu chức năng. Quy mô DB nhỏ hơn MSB và thường có số lượng mạch xuất tuyến phù hợp với phạm vi phụ tải mà tủ đảm nhận.
Cấu trúc MSB – DB tạo thành mô hình phân phối nhiều cấp, trong đó mỗi cấp phụ trách một phạm vi nhất định của hệ thống điện.
Tủ điện ATS
ATS (Automatic Transfer Switch) là hệ thống chuyển nguồn tự động giữa các nguồn điện được cấu hình trong hệ thống. Một cấu hình thường gặp là nguồn điện lưới kết hợp với máy phát điện dự phòng. ATS theo dõi trạng thái nguồn theo các điều kiện được thiết lập. Khi nguồn chính thay đổi trạng thái, hệ thống thực hiện trình tự chuyển đổi sang nguồn dự phòng hoặc chuyển trở lại nguồn chính khi điều kiện phù hợp.
ATS thường xuất hiện trong các công trình có nhóm phụ tải yêu cầu nguồn điện dự phòng như bệnh viện, trung tâm thương mại, nhà máy, tòa nhà, hệ thống bơm và nhiều công trình kỹ thuật khác.
Tủ tụ bù công suất phản kháng
Tủ tụ bù là tủ điện chứa các cấp tụ điện và thiết bị liên quan nhằm bù công suất phản kháng trong hệ thống điện. Các phụ tải cảm như động cơ không đồng bộ và máy biến áp có thể tạo ra thành phần công suất phản kháng trong quá trình vận hành. Tủ tụ bù sử dụng các cấp tụ được đóng cắt theo cấu hình của hệ thống để thay đổi lượng công suất phản kháng được bù.
Một tủ tụ bù thường có tụ điện, thiết bị đóng cắt, bộ điều khiển và thiết bị bảo vệ. Với hệ thống có nhiều cấp tụ, bộ điều khiển có thể thực hiện việc đóng hoặc cắt từng cấp theo điều kiện vận hành và giá trị hệ số công suất được thiết lập.
Nhóm tủ điện điều khiển
Khác với tủ phân phối tập trung vào đường đi của nguồn điện, tủ điều khiển tập trung vào tín hiệu, logic và trình tự vận hành của thiết bị. Bên trong tủ điều khiển có thể xuất hiện PLC, relay, contactor, biến tần, nguồn điều khiển, thiết bị giao tiếp, module I/O và các thành phần phục vụ giám sát. Tùy hệ thống, tủ có thể kết nối với thiết bị hiện trường thông qua tín hiệu số, tín hiệu analog hoặc mạng truyền thông công nghiệp.
Tủ điều khiển động cơ MCC
MCC (Motor Control Center) là hệ thống tủ tập trung các mạch cấp nguồn và điều khiển động cơ. MCC được sử dụng nhiều trong nhà máy, trạm bơm, hệ thống xử lý nước, dây chuyền sản xuất và các công trình có số lượng động cơ lớn.Một ngăn MCC có thể sử dụng contactor và relay bảo vệ động cơ đối với các mạch khởi động trực tiếp. Với những động cơ cần điều chỉnh tốc độ, biến tần có thể được tích hợp vào hệ thống. Các mạch điều khiển cũng có thể kết nối với PLC để hình thành quy trình vận hành tự động.
Do tập trung nhiều mạch động cơ trong cùng một hệ thống tủ, MCC thường được thiết kế thành nhiều ngăn hoặc nhiều khoang chức năng, tương ứng với từng nhóm thiết bị.
Tủ điều khiển chiếu sáng
Tủ điều khiển chiếu sáng được sử dụng để quản lý các mạch đèn trong công trình dân dụng và công nghiệp. Phạm vi ứng dụng có thể bao gồm nhà xưởng, đường phố, khu đô thị, công viên, trường học, bệnh viện, trung tâm thương mại, sân vận động và các khu vực công cộng.
Tùy quy mô, hệ thống có thể điều khiển từng nhóm đèn theo khu vực hoặc kết hợp với thiết bị điều khiển thời gian, cảm biến và hệ thống quản lý tập trung.
Nhóm tủ điện động lực
Tủ điện động lực tập trung vào việc cấp nguồn và đóng cắt các phụ tải có công suất lớn. Đây là nhóm tủ gắn trực tiếp với các thiết bị như động cơ, máy bơm, quạt công nghiệp, máy nén, hệ thống gia nhiệt và các máy móc trong dây chuyền sản xuất. Trong hệ thống công nghiệp, mạch động lực và mạch điều khiển thường được thiết kế thành hai phần chức năng có liên hệ với nhau. Mạch động lực đảm nhận việc truyền năng lượng điện đến phụ tải, trong khi mạch điều khiển xử lý tín hiệu và trình tự vận hành.
Tín hiệu điều khiển có thể xuất phát từ PLC, bộ điều khiển chuyên dụng, vi xử lý hoặc hệ thống máy tính. Khi hai phần được kết hợp, tủ điện trở thành một bộ phận của hệ thống tự động hóa thay vì chỉ đơn thuần là thiết bị đóng cắt nguồn.
Cấu trúc tủ điện hạ thế trong nhà máy
Trong một nhà máy có nhiều dây chuyền sản xuất, hệ thống tủ điện thường được tổ chức theo nhiều cấp. MSB nằm ở cấp phân phối tổng; các DB đảm nhận những khu vực hoặc nhóm phụ tải cụ thể; MCC tập trung các mạch động cơ; tủ điều khiển thực hiện chức năng điều khiển và giao tiếp với hệ thống tự động hóa. Ở những công trình có máy phát điện, ATS tạo thành một cấp chức năng riêng cho việc chuyển đổi nguồn. Trong khi đó, tủ tụ bù được bố trí trong hệ thống phân phối nhằm phục vụ yêu cầu bù công suất phản kháng.
Cấu trúc này cho thấy một hệ thống tủ điện hạ thế không phải tập hợp những thiết bị độc lập. Các tủ được liên kết thông qua sơ đồ một sợi, hệ thống cáp, thanh cái, mạch điều khiển và các giao thức truyền thông tùy theo thiết kế.
Tiêu chuẩn liên quan đến tủ điện hạ thế
IEC 60439-1 từng là tiêu chuẩn quan trọng đối với các cụm thiết bị đóng cắt và điều khiển hạ áp. Tuy nhiên, bộ tiêu chuẩn IEC 60439 đã được thay thế bằng bộ IEC 61439 đối với các cụm thiết bị đóng cắt và điều khiển hạ áp.
Do đó, việc sử dụng IEC 60439-1 như tiêu chuẩn hiện hành cho mọi tủ điện hạ thế là không còn phù hợp với hệ thống tiêu chuẩn mới. Hồ sơ kỹ thuật của từng dự án cần xác định phiên bản và phần tiêu chuẩn IEC 61439 áp dụng tương ứng với loại cụm tủ.
Các yêu cầu kỹ thuật của tủ không chỉ nằm ở tên gọi MSB, DB hay MCC mà còn liên quan đến dòng điện, đặc tính mạch điện, khả năng chịu tác động nhiệt và điện động, điều kiện lắp đặt, thiết bị bảo vệ, kết cấu tủ và các yêu cầu kiểm tra của cụm tủ.
Điện áp hạ thế và vị trí của tủ điện
Trong hệ thống phân phối điện, cấp hạ thế nằm sau quá trình biến đổi điện áp tại máy biến áp phân phối. Tại Việt Nam, hệ thống điện hạ thế phổ biến trong công trình sử dụng nguồn xoay chiều ba pha 4 dây với điện áp danh định 380/220 V và tần số 50 Hz, tùy hệ thống và quy định áp dụng.Vì vậy, cụm từ tủ điện hạ thế chủ yếu mô tả cấp điện áp và vị trí của thiết bị trong hệ thống, chứ không phải một cấu hình tủ duy nhất.
Một MSB, DB, MCC hoặc tủ điều khiển đều có thể thuộc hệ thống hạ thế nếu được thiết kế cho cấp điện áp tương ứng. Sự khác biệt nằm ở chức năng, vị trí và mối quan hệ của chúng với nguồn điện và phụ tải.
Tủ điện hạ thế trong kiến trúc điện công nghiệp
Nhìn từ toàn bộ hệ thống, tủ điện hạ thế là điểm kết nối giữa nguồn cung cấp và phụ tải. Từ nguồn sau máy biến áp, điện năng đi qua các cấp phân phối trước khi đến từng thiết bị. Song song với dòng năng lượng là hệ thống tín hiệu điều khiển, đo lường và giám sát.
MSB đại diện cho cấp phân phối tổng; DB chia nguồn theo khu vực; MCC tập trung các mạch động cơ; ATS xử lý bài toán chuyển đổi nguồn; tủ tụ bù liên quan đến công suất phản kháng; còn các tủ điều khiển đảm nhiệm logic vận hành và trao đổi tín hiệu.
Chính sự phân tầng này tạo nên kiến trúc của hệ thống điện công nghiệp. Từ một tủ điện riêng lẻ đến toàn bộ mạng phân phối, mỗi cấu hình đều được xác định bởi vị trí của nó trong chuỗi cung cấp, phân phối, điều khiển và sử dụng điện.
Câu hỏi thường gặp về tủ điện hạ thế
Tủ điện hạ thế là gì?
Tủ điện hạ thế là cụm thiết bị điện làm việc ở cấp điện áp hạ thế, được sử dụng cho các chức năng như phân phối, đóng cắt, bảo vệ, đo lường và điều khiển nguồn điện.
MSB và DB khác nhau như thế nào?
MSB là tủ phân phối tổng ở cấp đầu của mạng điện hạ thế, còn DB thường đảm nhận phân phối ở cấp nhánh hoặc khu vực. Quy mô và vị trí của từng tủ phụ thuộc vào sơ đồ điện của công trình.
MCC có thuộc hệ thống tủ điện hạ thế không?
MCC có thể thuộc hệ thống tủ điện hạ thế khi được thiết kế cho cấp điện áp hạ thế. Chức năng đặc trưng của MCC là tập trung các mạch cấp nguồn và điều khiển động cơ.
ATS có phải là tủ phân phối không?
ATS là hệ thống chuyển nguồn tự động. Tủ ATS có thể nằm trong kiến trúc phân phối điện nhưng chức năng đặc trưng của nó là quản lý quá trình chuyển đổi giữa các nguồn điện theo cấu hình của hệ thống.
IEC 60439-1 và IEC 61439 liên quan như thế nào?
IEC 60439-1 thuộc bộ tiêu chuẩn cũ về các cụm thiết bị đóng cắt và điều khiển hạ áp. Bộ tiêu chuẩn IEC 61439 được phát triển để thay thế hệ thống IEC 60439. Khi lập hồ sơ kỹ thuật, tiêu chuẩn áp dụng cần được xác định theo loại cụm tủ và yêu cầu của dự án.
