Quy trình 9 bước thiết kế tủ điện công nghiệp tiêu chuẩn

Chu Văn An

Thiết kế tủ điện công nghiệp là khâu quan trọng nhằm đảm bảo tủ điện hoạt động chính xác và an toàn trong thực tế. Quá trình này không chỉ đòi hỏi yêu cầu khắt khe về kỹ thuật, thẩm mỹ mà còn đòi hỏi người thực hiện phải có kiến ​​thức chuyên môn cao về kỹ thuật điện. Sau đây là 9 bước tiêu chuẩn trong quy trình thiết kế tủ điện công nghiệp.

Tiêu chuẩn thiết kế tủ điện công nghiệp

Tủ điện công nghiệp có dòng điện hoạt động lớn, điện áp cao, môi trường làm việc khắc nghiệt nên tiêu chuẩn thiết kế cũng khắt khe hơn tủ điện dân dụng. Vì vậy, việc thiết kế tủ điện công nghiệp phải đáp ứng những tiêu chuẩn cơ bản sau.

tiêu chuẩn quốc tế

• IEC 61439: Tiêu chuẩn chung về thiết kế và thử nghiệm thiết bị đóng cắt và tủ điều khiển điện áp thấp. Cập nhật lên phiên bản mới nhất năm 2025.
• IEC 60529: Tiêu chuẩn cấp bảo vệ tủ điện (IP).
• IEC 60947: Tiêu chuẩn về yêu cầu kỹ thuật và an toàn đối với thiết bị đóng cắt/điều khiển hạ áp lắp đặt trong tủ điện.

Tiêu chuẩn quốc gia

• TCVN 799-1:2009: Quy định về thiết bị đóng cắt và tủ điều khiển điện áp thấp. Tuy nhiên, hầu hết các tủ điện tại Việt Nam đều áp dụng trực tiếp tiêu chuẩn IEC 61439.
• ISO 4255:2008: Quy định cấp độ bảo vệ tủ điện công nghiệp.
• ISO 6223:2016: Yêu cầu kỹ thuật đối với tủ điều khiển và điều khiển tập trung.

Ngoài ra, việc thiết kế tủ điện cần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cụ thể như:

yêu cầu bảo mật

• Điện trở cách điện tối thiểu ≥1000 Ohms/V.
• Hệ thống nối đất được kết nối đúng cách.
• Chọn thiết bị bảo vệ phù hợp với dòng điện định mức và dòng điện cắt ngắn mạch.

Yêu cầu về thiết bị và hệ thống dây điện

• Các thiết bị phải được bố trí khoa học theo từng khối chức năng và phù hợp với mục đích sử dụng.
• Cáp phải được đặt trong hộp/máy phát điện gọn gàng, được đánh số và dán nhãn cụ thể.
• Tính toán khoảng cách an toàn để đảm bảo các dây không chồng lên nhau, đặc biệt các mạch điện và mạch điều khiển không dùng chung khay cáp.

Yêu cầu bọc tủ

• Kích thước tủ điện phù hợp với không gian lắp đặt.
• Xếp hạng IP phù hợp với chức năng của từng loại tủ điện. Ví dụ: IP44 phù hợp với tủ điện trong nhà, IP54 phù hợp với tủ điện ngoài trời có mái che và IP65 phù hợp với tủ điện lộ thiên. Đối với tủ điện lắp đặt trong môi trường khắc nghiệt, yêu cầu phải chống bụi hoàn toàn và chống được tia nước áp lực cao thì chỉ số IP phải đạt từ 66 trở lên.

Quy trình thiết kế tủ điện công nghiệp tiêu chuẩn

Quy trình thiết kế tủ điện công nghiệp là một chuỗi các bước logic liên kết chặt chẽ với nhau, dựa trên tiêu chuẩn quốc tế phổ biến nhất IEC 61439.

Sau đây là 9 bước cơ bản trong quy trình thiết kế tủ điện công nghiệp.

Bước 1: Tính toán kỹ thuật và lựa chọn thiết bị cần thiết

Để tiết kiệm thời gian trong quá trình thực hiện dự án và các giai đoạn thi công, việc tính toán và lựa chọn các thiết bị điện cần thiết là vô cùng quan trọng. Bước này đòi hỏi phải xác định một cách có kế hoạch và chính xác về chủng loại, số lượng, thông số kỹ thuật của từng nhóm thiết bị quan trọng, bao gồm: thiết bị đóng cắt (ACB/MCCB/MCB), thiết bị điều khiển (bộ biến tần, PLC, contactor, rơle) và mặt cắt thanh cái dẫn điện phù hợp dựa trên tiêu chuẩn dòng điện và điện áp, yêu cầu về tủ điện và đặc tính tải.

Bước 2: Thiết kế bản vẽ bên trong và bên ngoài tủ điện

Sau khi xác định số lượng, chủng loại thiết bị cần thiết cho một tủ điện, cần thiết kế bản vẽ chi tiết bên trong và bên ngoài tủ điện. Ba yếu tố quan trọng cần đảm bảo khi thiết kế sơ đồ tủ điện:

• Sơ đồ nguyên lý Công việc: Sơ đồ có nhiệm vụ mô tả chi tiết cách thức hoạt động và kết nối của các thiết bị với nhau cũng như cách thức hoạt động của hệ thống. Đặc biệt, mạch điện và mạch điều khiển phải được tách biệt và dán nhãn rõ ràng để đảm bảo sơ đồ mạch tuân thủ nguyên tắc an toàn và tiêu chuẩn ký hiệu điện.
• Hình ảnh thực tế: Sơ đồ vật lý cho phép các kỹ sư xác định chính xác vị trí và hoạt động của từng thiết bị cụ thể. Vì vậy, bản vẽ này cần được bố trí một cách khoa học để tối ưu hóa không gian, vật liệu và chi phí lắp đặt mà vẫn đảm bảo tính thẩm mỹ cho công trình.
• Khả năng mở rộng: Sơ đồ tủ điện cần tính đến kế hoạch mở rộng hoặc nâng cấp hệ thống trong tương lai để tránh phải thay thế vỏ tủ hoặc thay đổi cấu trúc các thiết bị bên trong.

Bước 3: Chọn vỏ tủ điện

Vỏ tủ điện có nhiều kích thước và kiểu dáng khác nhau, với hai loại chính là tủ nổi và tủ âm tường. Bạn có thể lựa chọn các loại vỏ tủ có sẵn trên thị trường hoặc yêu cầu thiết kế vỏ tủ theo yêu cầu để tối ưu hóa mục đích sử dụng.

Ngoài ra, khi lựa chọn tủ điện, bạn cũng cần chú ý đến cấp độ bảo vệ (IP) và hình thức tủ điện tuân thủ theo tiêu chuẩn IEC để đảm bảo tủ đáp ứng yêu cầu bảo vệ trong các môi trường hoạt động khác nhau.

Bước 4: Lắp ráp thiết bị theo bản vẽ

Bước này đòi hỏi sự chính xác, tỉ mỉ của người vận hành để đảm bảo các thiết bị, linh kiện được kết nối đúng vị trí, đúng chiều, đúng chiều dòng điện theo bản vẽ thiết kế ban đầu.

Vị trí lắp đặt điển hình của các thiết bị quan trọng có thể tham khảo như sau:

• Cầu dao chính nằm ở góc trái của tủ. Aptomat nhánh nằm ở dòng cuối cùng.
• Cầu chì và bộ bảo vệ pha nằm ở góc trên bên phải.
• Nút bấm, đèn, đồng hồ đo – Các đèn báo được bố trí ở vị trí cao trên bảng điều khiển hoặc bên ngoài tủ.
• Cầu nối được lắp ở phía dưới tủ.

Bước 5: Lắp đặt thanh cái

Thanh cái chính là “xương sống” truyền tải điện năng trong tủ điện. Vì vậy, đối với tủ có tổng dòng điện 100A thì thanh cái phải được xử lý và lắp đặt để hạn chế tình trạng quá tải hoặc mất điện đột ngột.

Quá trình xử lý và lắp đặt thanh cái bao gồm các bước sau:

• Cắt phôi đồng, đục lỗ trên thanh cái, sau đó uốn thanh cái theo kích thước và chiều dài phù hợp theo bản vẽ thiết kế.
• Mạ điện (thiếc hoặc niken) để tăng độ bền và độ dẫn điện của thanh cái.
• Phủ các thanh cái bằng sơn PVC hoặc epoxy co nhiệt với nhiều màu sắc khác nhau để dễ nhận biết từng loại hơn.
• Lắp thanh cái vào vị trí quy định trong tủ điện và siết chặt các bu lông vào giá đỡ.
• Kiểm tra tất cả các điểm bắt vít và lắp tấm chắn mica để bảo vệ các thanh cái và cách nhiệt với người vận hành.

Bước 6: Kết nối dây nguồn

Có một số nguyên tắc cần tuân theo khi kết nối mạch với thiết bị:

• Kết nối tiêu chuẩn kỹ thuật: Tất cả các dây cần phải được kết nối chính xác theo bản vẽ thiết kế.
• Phân biệt các giai đoạn: Các pha phải được phân biệt bằng màu sắc khác nhau và được đánh dấu rõ ràng trên cầu nối.
• Tách mạch điện và mạch điều khiển: Hai mạch này cần được đặt cách xa nhau và định tuyến theo chiều dọc để tránh nhiễu tín hiệu. Mạch động lực nên sử dụng cáp có tiết diện lớn và đầu cuối chắc chắn. Mạch điều khiển có thể sử dụng tiết diện dây nhỏ hơn và được đặt trong các khay cáp riêng biệt.
• Kết nối tuần tự: Mạch điện phải được kết nối trước và sau đó là mạch điều khiển.

Bước 7: Kiểm tra toàn diện

Sau khi tủ điện đã được lắp đặt và đấu nối, bước tiếp theo yêu cầu kiểm tra toàn diện bên trong và bên ngoài để đảm bảo:

• Tất cả các thiết bị đã được lắp đặt đúng vị trí theo bản vẽ.
• Các dây được kết nối chính xác và các kết nối chặt chẽ.
• Quá trình vận hành thử tủ điện an toàn, đạt yêu cầu kỹ thuật.

Nếu có sự cố, tai nạn về điện xảy ra trong thời gian này phải khắc phục ngay trước khi đưa tủ điện vào vận hành chính thức.

Bước 8: Chạy thử và nghiệm thu

Đây là bước khẳng định chất lượng tủ điện theo tiêu chuẩn IEC, bao gồm:

• Kiểm tra chất lượng bên ngoài: Đối chiếu số lượng, vị trí của thiết bị với bản vẽ kỹ thuật, kiểm tra nhãn mác, siết chặt vít, độ kín của các mối nối hay mức độ bảo vệ của tủ.
• Kiểm tra điện trở cách điện: Bằng cách đo điện trở giữa các pha hoặc giữa dây pha và đất.
• Kiểm tra tính liên tục: Kiểm tra hướng dòng điện và nối dây giữa các thiết bị.
• Chạy thử có tải và không tải: Kiểm tra hoạt động của thiết bị điều khiển và kiểm tra dòng điện thực tế. Nếu xảy ra sự cố, cần phải ngắt nguồn điện và kết nối lại.

Bước 9: Bàn giao và vận hành tủ trên môi trường thực tế

Sau khi vận hành thử, tủ điện được vệ sinh loại bỏ mạt sắt, bụi bẩn hoặc vật cản sau đó bàn giao hồ sơ kỹ thuật đầy đủ cho bộ phận vận hành và đưa vào vận hành thực tế.

• Tủ điện được khởi động và đấu nối vào lưới điện của các nhà xưởng, nhà máy, khu công nghiệp.
• Tủ điện phải có vị trí lắp đặt phù hợp và có biện pháp cố định chân tủ.
• Lắp đặt hàng rào bảo vệ và biển cảnh báo để đảm bảo tủ điện vận hành an toàn.

Một số vấn đề trong thiết kế tủ điện công nghiệp

Câu 1: Nguyên tắc lựa chọn thiết bị khi thiết kế tủ điện công nghiệp là gì?

hồi đáp: Khi lựa chọn thiết bị tủ điện cần cân bằng 2 yếu tố quan trọng: chất lượng và giá thành. Đối với các dự án trọng điểm, có mức đầu tư lớn như dự án chính phủ, khu đô thị cao cấp, cụm công nghiệp nên lựa chọn thiết bị của các thương hiệu nổi tiếng như ABB, Schneider, Siemens. Đối với các dự án quy mô vừa, có thể ưu tiên thiết bị của BTB Electric, LS, Hyundai hoặc Mitsubishi.

Câu 2: Người thiết kế tủ điện công nghiệp cần những yêu cầu gì?

hồi đáp: Người thiết kế tủ điện công nghiệp phải có trình độ chuyên môn kỹ thuật điện cao mới có thể tính toán được thiết bị phù hợp với tủ điện và hiểu được các sơ đồ phức tạp của tủ điện.

Ngoài ra, người thiết kế tủ điện công nghiệp phải thành thạo sử dụng các công cụ tính toán điện chuyên nghiệp và các phần mềm thiết kế chuyên nghiệp (như AutoCAD, EPLAN, SolidWorks) để tạo ra sơ đồ mạch động lực và điều khiển chính xác.