Trong kỹ thuật điện, khả năng mang tải của cáp (ampacity) là đại lượng biểu thị giá trị dòng điện lớn nhất mà cáp điện có thể dẫn liên tục trong điều kiện nhất định mà không làm vượt quá nhiệt độ tối đa cho phép của lớp cách điện. Hiện tượng tăng nhiệt độ xảy ra khi dòng điện đi qua dây dẫn, tạo ra nhiệt lượng do tổn hao điện trở. Nhiệt lượng này tích tụ sẽ làm tăng nhiệt độ lõi cáp và vỏ cách điện. Nếu dòng điện truyền tải vượt quá khả năng cho phép, nhiệt độ cáp tăng cao có thể dẫn đến lão hóa, phá hủy cách điện và nguy cơ cháy nổ.

Khái niệm ampacity do đó là tham số nền tảng trong thiết kế hệ thống điện lực. Mỗi loại cáp đều được quy định một giá trị ampacity, phụ thuộc vào vật liệu dẫn điện, cấu trúc cách điện, điều kiện lắp đặt (chôn ngầm, trong ống, trên không) và môi trường xung quanh (nhiệt độ đất, không khí, độ ẩm…). Theo IEEE Std 835-1994, khả năng mang tải của cáp phải được xác định theo điều kiện vận hành thực tế và giới hạn nhiệt độ cho phép của vật liệu cách điện.

Xem thêm

Cáp điện: Ba yếu tố quyết định sự sống còn của cáp

Hiện tượng “Tracking” ảnh hưởng như thế nào trong cách điện

Cách điện: Những Điều Mà Kỹ Sư Điện Cần Biết

Ý nghĩa của ampacity đối với an toàn và tuổi thọ hệ thống

Ampacity giữ vai trò then chốt đảm bảo an toàn cho hệ thống điện. Khi lựa chọn cáp không đúng ampacity, nguy cơ quá nhiệt có thể dẫn tới sự cố nghiêm trọng, làm cháy hỏng lớp cách điện hoặc thậm chí gây cháy nổ công trình. Việc vượt quá khả năng mang tải làm tăng tốc độ lão hóa của cách điện, giảm đáng kể tuổi thọ vận hành của cáp. Vì vậy, ampacity không chỉ là một giá trị kỹ thuật mà còn là điều kiện bắt buộc để duy trì tính ổn định và độ tin cậy của toàn bộ mạng lưới điện.

Trong thực tế, các tiêu chuẩn quốc tế như IEEE Std 835-1994, IEC 60287 đều yêu cầu kỹ sư phải xác định ampacity cáp dựa trên điều kiện thực tế và các tham số ảnh hưởng như nhiệt độ môi trường, trở nhiệt của đất, mật độ cáp, cũng như đặc tính làm việc của tải. Đây là yêu cầu cơ bản để đảm bảo hệ thống không vượt quá ngưỡng nhiệt độ cho phép và phòng tránh sự cố ngắn mạch, quá tải kéo dài.

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng mang tải của cáp

Khả năng mang tải của cáp chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố kỹ thuật và môi trường. Vật liệu lõi dẫn điện (đồng hoặc nhôm) quyết định khả năng truyền dẫn dòng điện và tốc độ sinh nhiệt. Lớp cách điện quy định giới hạn nhiệt độ làm việc tối đa, thông thường đối với cáp cách điện PVC là 70°C và cáp XLPE là 90°C. Điều kiện lắp đặt cũng đóng vai trò lớn, bởi cáp chôn ngầm sẽ tản nhiệt kém hơn so với cáp đi trên không.

Hệ số trở nhiệt của đất hoặc không khí xung quanh sẽ quyết định tốc độ truyền nhiệt từ cáp ra môi trường. Ngoài ra, các yếu tố khác như cách bố trí nhiều cáp song song, khoảng cách giữa các cáp, sự có mặt của nước ngầm hay độ sâu chôn lắp đều ảnh hưởng đến khả năng tản nhiệt tổng thể và giá trị ampacity cuối cùng.

Ampacity được xác định cho nhiều trường hợp thực tế, bao gồm cáp đi ngầm trong đất, trong ống, trong ống ngầm bê tông (duct bank), đi nổi trên giá hoặc trong không khí. Mỗi tình huống lắp đặt đều đi kèm các bảng tra giá trị ampacity khác nhau để kỹ sư lựa chọn phù hợp với thực tế công trình.

Theo tài liệu IEEE Std 835-1994, ampacity được xác định dựa trên khả năng tản nhiệt của cáp và giới hạn nhiệt độ tối đa của vật liệu cách điện. Mối quan hệ nhiệt lượng sinh ra do dòng điện chạy qua và nhiệt lượng thoát ra môi trường quyết định giá trị ampacity cuối cùng. Trong điều kiện ổn định, nhiệt lượng phát sinh trong lõi cáp bằng tổng nhiệt lượng mà cáp tản ra môi trường xung quanh. Nếu tốc độ sinh nhiệt vượt quá tốc độ tản nhiệt, nhiệt độ lõi cáp sẽ tăng dần và dẫn đến quá nhiệt.

Ampacity thường được xác định thông qua các bảng tra trong IEEE Std 835-1994, mỗi bảng tương ứng với một điều kiện lắp đặt, tiết diện, vật liệu và loại cách điện cụ thể. Để hiệu chỉnh ampacity cho điều kiện thực tế khác với tiêu chuẩn bảng tra, IEEE Std 835-1994 cung cấp công thức hiệu chỉnh theo nhiệt độ môi trường:

I’ = I × √[(Tc’ – Ta’) / (Tc – Ta)]

Trong đó:
I’ là ampacity hiệu chỉnh;
I là ampacity tra bảng;
Tc’, Ta’ lần lượt là nhiệt độ lõi cáp và môi trường mong muốn;
Tc, Ta là nhiệt độ lõi cáp và môi trường tiêu chuẩn của bảng tra.

Việc sử dụng đúng bảng ampacity và áp dụng công thức hiệu chỉnh sẽ giúp kỹ sư xác định giá trị mang tải tối ưu, đảm bảo an toàn, hiệu quả cho hệ thống. Trong quá trình thiết kế, ampacity là tiêu chí cơ bản để chọn tiết diện cáp phù hợp cho từng mạch điện. Đảm bảo dòng tải dự kiến nhỏ hơn hoặc bằng ampacity của cáp là điều kiện tiên quyết để ngăn ngừa hiện tượng quá nhiệt.

Ngoài ra, ampacity còn được sử dụng để xác định số lượng cáp cần thiết khi phải truyền tải dòng lớn trong các hệ thống điện công nghiệp, nhà máy điện, trạm biến áp. Việc kiểm tra ampacity định kỳ cũng giúp phát hiện sớm các nguy cơ quá tải hoặc thay đổi môi trường làm việc, từ đó đưa ra biện pháp bảo trì, nâng cấp kịp thời, duy trì sự ổn định của lưới điện.

Ampacity còn là căn cứ pháp lý và kỹ thuật trong kiểm định, nghiệm thu hệ thống điện theo tiêu chuẩn quốc tế và quy định địa phương. Việc tuân thủ ampacity không chỉ bảo vệ an toàn cho thiết bị mà còn bảo vệ con người và công trình.