Trong lĩnh vực kỹ thuật điện, ba yếu tố gồm thời gian, dòng điện và nhiệt độ đóng vai trò trung tâm trong việc quyết định tuổi thọ và độ an toàn của cáp điện. Việc hiểu rõ mối liên hệ này là nền tảng để lựa chọn cáp điện, thiết kế và vận hành hệ thống điện một cách an toàn, hiệu quả.

Các tiêu chuẩn quốc tế như IEC 60364-4-43 đã chỉ ra các nguyên tắc bảo vệ quá tải và ngắn mạch nhằm đảm bảo cáp điện không bị suy giảm chất lượng, mất an toàn trong suốt vòng đời vận hành.

Xem thêm

Cấu trúc cáp điện và các thành phần chính của một sợi cáp.Cáp càng dài có tăng dòng điện khi bắt đầu kết nối lưới không?

Khái niệm dòng điện làm nóng và tác động lên cáp điện

Cáp điện truyền tải dòng điện sinh ra nhiệt do hiệu ứng Joule. Hiện tượng này xảy ra khi dòng điện đi qua dây dẫn gặp điện trở, tạo ra nhiệt lượng làm tăng nhiệt độ dây. Nếu dòng điện duy trì trong giới hạn cho phép, nhiệt độ của cáp ổn định ở mức thiết kế, đảm bảo cách điện và tuổi thọ. Tuy nhiên, khi dòng điện vượt quá giá trị định mức, nhiệt độ tăng cao và gây ra nguy cơ lão hóa nhanh cách điện, thậm chí cháy nổ nếu không được kiểm soát.

Khái niệm dòng điện cho phép liên tục ký hiệu là I_z. Đây là dòng điện lớn nhất mà cáp có thể chịu lâu dài mà không làm quá nhiệt cáp. Giá trị này được xác định dựa trên cấu trúc cáp, môi trường lắp đặt và tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng. Việc xác định đúng I_z là tiền đề quan trọng để thiết lập các mức bảo vệ quá tải hợp lý.

Nhiệt độ vận hành của cáp là yếu tố then chốt quyết định độ bền, khả năng cách điện và an toàn cháy nổ. Với cáp cách điện PVC, tiêu chuẩn quy định nhiệt độ vận hành tối đa liên tục là 70°C. Nếu nhiệt độ vượt quá ngưỡng này, các phản ứng hóa học bên trong vật liệu cách điện diễn ra nhanh hơn, dẫn tới lão hóa, giảm tuổi thọ, thậm chí mất tính năng bảo vệ.

Biểu đồ trong hình minh họa rõ ràng mối quan hệ giữa thời gian chịu nhiệt và tuổi thọ của cáp. Nếu duy trì ở 70°C, tuổi thọ cáp có thể đạt tới 20 năm. Khi nhiệt độ tăng lên 90°C, tuổi thọ giảm còn 2,5 năm, và nếu lên tới 100°C thì chỉ còn 1 năm. Đây là lý do vì sao kiểm soát nhiệt độ là nhiệm vụ bắt buộc trong vận hành hệ thống điện.

Thời gian chịu đựng của cáp trước các chế độ dòng điện khác nhau

Thời gian cáp có thể chịu được một mức dòng điện nhất định phụ thuộc vào mức độ tăng dòng và khả năng tản nhiệt. Trong chế độ vận hành bình thường, cáp hoạt động ở I_z, nhiệt độ ổn định và có thể kéo dài hàng chục năm. Tuy nhiên, khi gặp quá tải nhẹ (dòng từ I_z đến 1,45 x I_z), thời gian cáp chịu đựng giảm đi đáng kể.

Nếu tình trạng quá tải kéo dài, nguy cơ lão hóa sớm và hư hỏng sẽ tăng lên. Khi xảy ra sự cố ngắn mạch, dòng điện tăng đột biến lên hàng chục, thậm chí hàng trăm lần dòng định mức, nhiệt độ cáp tăng cực nhanh. Ở đây, thời gian chịu đựng của cáp chỉ tính bằng giây, thậm chí phần nhỏ của giây.

Dòng điện vận hành Ib phải nhỏ hơn hoặc bằng dòng định mức thiết bị bảo vệ In và đồng thời phải nhỏ hơn hoặc bằng dòng cho phép của cáp Iz, ký hiệu là:Ib ≤ In ≤ Iz.

Tiếp theo, dòng tác động hiệu quả trong thời gian quy định I2 của thiết bị bảo vệ không được vượt quá 1,45 lần dòng cho phép của cáp, tức là: I2 ≤ 1,45 × Iz. Ở đây, I2 là dòng điện mà tại đó thiết bị bảo vệ phải thực hiện ngắt mạch trong thời gian quy chuẩn để đảm bảo cáp không bị quá nhiệt hoặc giảm tuổi thọ.

Trong thực tế ứng dụng, với các thiết bị như aptomat tép (MCB) loại B, các mức dòng kiểm soát được quy định rõ ràng:
Nếu dòng điện vượt quá 1,13 × In thì thiết bị không được phép tác động trong vòng 1 giờ; Nếu dòng điện đạt đến 1,45 × In thì thiết bị phải thực hiện tác động ngắt trong thời gian quy định. Các ngưỡng này giúp đảm bảo thiết bị bảo vệ không tác động sai khi xuất hiện các dòng quá tải ngắn hạn, nhưng vẫn bảo vệ an toàn tuyệt đối cho dây dẫn khi quá tải kéo dài.

Việc kiểm soát đồng thời ba yếu tố: thời gian chịu tải, dòng điện vận hành và nhiệt độ cáp là nền tảng để đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ cho hệ thống dây dẫn điện. Bất kỳ sự sai lệch nào trong các yếu tố này đều có thể dẫn đến hư hỏng hoặc mất an toàn cho công trình. Áp dụng đúng các nguyên tắc và công thức nêu trong tiêu chuẩn IEC 60364-4-43, đồng thời sử dụng các biểu đồ kỹ thuật như Hình 2, là cách tiếp cận khoa học và hiệu quả nhất để bảo vệ cáp điện trong thực tế.