Máy Tính Sụt Áp Cáp | Công Cụ Kích Thước Dây Điện AWG & mm²

Bộ tính độ sụt điện áp trên cáp tính toán mức sụt điện áp khi dòng điện chạy qua một đoạn dây dẫn. Công cụ sử dụng điện trở, chiều dài dây và dòng điện để xác định độ sụt điện áp, công suất hao phí dưới dạng nhiệt và điện áp thực sự đến tải.

Mọi dây dẫn đều có một mức điện trở nhất định. Khi dòng điện đi qua điện trở đó, một phần điện áp nguồn bị tiêu hao trước khi đến thiết bị ở đầu kia. Dây ngắn, tiết diện lớn mất rất ít điện áp. Dây dài, tiết diện nhỏ có thể làm động cơ quá nhiệt, đèn bị mờ hoặc pin không được sạc đầy.

Cách tính độ sụt điện áp

Bộ tính cần sáu đầu vào: chiều dài cáp, đơn vị chiều dài (foot hoặc mét), cỡ dây, hệ thống cỡ dây (AWG hoặc mm²), dòng tải tính bằng ampe và điện áp nguồn tính bằng vôn. Sau đó, công cụ trả về độ sụt điện áp, phần trăm sụt áp, công suất hao phí dưới dạng nhiệt và điện áp đến tải.

Công thức

Đối với mạch hai dây tiêu chuẩn (một dây đi đến tải và một dây quay về), độ sụt điện áp là:

$V_{drop} = 2 \times I \times \frac{R}{1000} \times L$

• $I$ = dòng tải, tính bằng ampe
• $R$ = điện trở dây trên mỗi 1000 bộ (AWG) hoặc trên mỗi 1000 mét (mm²), vì vậy được chia cho 1000 để tính điện trở trên mỗi bộ hoặc mét
• $L$ = chiều dài cáp một chiều, tính bằng foot (AWG) hoặc mét (mm²)
• Hệ số 2 tính đến cả hai dây dẫn, vì dòng điện phải đi và quay về

Công suất hao phí dưới dạng nhiệt trong dây được tính theo:

$P_{loss} = I^2 \times R_{total}$

trong đó $R_{total}$ là tổng điện trở của cả hai dây dẫn ($R_{total} = 2 \times \frac{R}{1000} \times L$, với các đơn vị nhất quán).

Điện áp đến tải là:

$V_{delivered} = V_{supply} - V_{drop}$

Phần sụt áp so với điện áp nguồn là:

$\%_{drop} = \frac{V_{drop}}{V_{supply}} \times 100$

Giá trị điện trở của dây

Các cỡ dây theo American Wire Gauge (AWG) sử dụng các giá trị điện trở từ NEC Chương 9, Bảng 8, được cho theo đơn vị ohm trên mỗi 1000 bộ ở 75 °C, là nhiệt độ vận hành tiêu chuẩn của các loại dây dùng phổ biến trong công trình.

Các cỡ dây theo hệ mét (mm²) dựa trên giới hạn điện trở dây dẫn của IEC 60.228, được công bố ở 20 °C. Điện trở đồng tăng theo nhiệt độ, nên bộ tính điều chỉnh từng giá trị mm² về cùng cơ sở 75 °C trước khi so sánh với các giá trị AWG. Việc điều chỉnh sử dụng hệ số nhiệt điện trở của đồng, khoảng 0,00393 trên mỗi °C:

$R_{75°C} = R_{20°C} \times [1 + 0.00393 \times (75 - 20)]$

Điều này làm tăng mỗi giá trị IEC theo hệ số khoảng 1,216. Ví dụ, dây 6 mm² có điện trở định mức 3,08 ohm trên mỗi 1000 mét ở 20 °C, trở thành khoảng 3,75 ohm trên mỗi 1000 mét ở 75 °C. Nếu dùng giá trị chưa hiệu chỉnh ở 20 °C, độ sụt điện áp thực tế sẽ bị đánh giá thấp khoảng 18%.

Chiều dài được tự động chuyển đổi: dùng feet cho các cỡ AWG và mét cho các cỡ mm², bất kể người dùng nhập đơn vị nào. Việc chuyển đổi sử dụng đơn vị foot quốc tế đã được định nghĩa, trong đó 1 foot = chính xác 0,3048 mét.

Ví dụ minh họa

Mạch nhánh dân dụng

Một mạch 120 V chạy qua 100 bộ dây 12 AWG (1,93 ohm trên mỗi 1000 bộ), mang dòng 15 A.

• Độ sụt điện áp: 5,79 V (4,82% điện áp nguồn)
• Công suất hao phí: 86,85 W
• Điện áp đến tải: 114,21 V

Giá trị này vượt hướng dẫn thường dùng 3% cho mạch nhánh. Chuyển sang dây 10 AWG làm độ sụt giảm còn 3,63 V (3,02%), vẫn cao hơn một chút so với 3%. Chuyển sang dây 8 AWG đưa độ sụt xuống 2,292 V (1,91%), nằm trong giới hạn một cách an toàn.

Mạch điện một chiều năng lượng mặt trời

Một hệ thống điện một chiều 48 V chạy qua 50 mét dây 6 mm² (3,08 ohm trên mỗi 1000 mét ở 20 °C, khoảng 3,75 ohm trên mỗi 1000 mét sau khi hiệu chỉnh về 75 °C), mang dòng 20 A.

• Độ sụt điện áp: 7,491 V (15,61% điện áp nguồn)
• Công suất hao phí: 149,83 W
• Điện áp đến tải: 40,51 V

Mức sụt áp lớn như vậy làm thất thoát một phần đáng kể công suất hệ thống dưới dạng nhiệt và khiến bộ biến tần hoặc bộ pin không đủ điện áp. Chuyển sang dây 16 mm² giảm độ sụt còn 2,797 V (5,83%) và công suất hao phí còn khoảng 56 W.

Mạch 240 V công nghiệp

Một mạch 240 V chạy qua 200 bộ dây 6 AWG (0,491 ohm trên mỗi 1000 bộ), mang dòng 40 A.

• Độ sụt điện áp: 7,856 V (3,27% điện áp nguồn)
• Công suất hao phí: 314,24 W
• Điện áp đến tải: 232,14 V

Mức này chỉ cao hơn một chút so với hướng dẫn 3%. Nâng cỡ dây lên 4 AWG làm độ sụt giảm còn 4,928 V (2,05%).

Ảnh hưởng của cỡ dây đến công suất hao phí

Cỡ dây ảnh hưởng trực tiếp đến tổn hao nhiệt, vì công suất hao phí tăng theo bình phương dòng điện nhưng chỉ tăng tuyến tính theo điện trở. Trên đoạn dây dài 50 feet ở dòng 20 A, dây 10 AWG (1,21 ohm trên mỗi 1000 bộ) hao phí khoảng 48,4 W dưới dạng nhiệt, trong khi dây 6 AWG (0,491 ohm trên mỗi 1000 bộ) hao phí khoảng 19,6 W với cùng dòng điện. Dây lớn hơn tiết kiệm gần 29 W vốn sẽ bị hao phí thay vì truyền đến tải.

Giới hạn độ sụt điện áp khuyến nghị

NEC (National Electrical Code, tiêu chuẩn đi dây được sử dụng trên khắp Hoa Kỳ) đưa ra, dưới dạng ghi chú thông tin chứ không phải quy định bắt buộc, các giới hạn thường được trích dẫn là:

• 3% đối với riêng mạch nhánh
• 5% đối với tổng mạch cấp nguồn và mạch nhánh

Vượt các giới hạn này không tự động vi phạm pháp luật, nhưng có thể làm đèn bị mờ, động cơ chạy nóng và thiết bị điện tử hoạt động thất thường. IEEE Std 141 đưa ra hướng dẫn tương tự cho các hệ thống điện công nghiệp và thương mại.

AWG so với mm²

American Wire Gauge bắt đầu từ 1857 và sử dụng thang đo logarit đảo: số càng nhỏ thì dây càng dày. Giảm ba số cỡ dây làm diện tích tiết diện tăng khoảng gấp đôi. Đây là tiêu chuẩn trên toàn Bắc Mỹ.

Hệ thống mm² nêu trực tiếp diện tích tiết diện đồng bằng milimét vuông, vì vậy dây 2,5 mm² có 2,5 milimét vuông đồng. Hệ thống này được sử dụng ở phần lớn các khu vực còn lại trên thế giới.

Hạn chế

Bộ tính chỉ áp dụng cho mạch điện một chiều hai dây hoặc mạch xoay chiều một pha. Công cụ không áp dụng cho:

• Mạch ba pha, sử dụng công thức khác có hệ số √3 và thường có phần trăm sụt áp thấp hơn mạch một pha truyền cùng công suất.
• Dây dẫn điện xoay chiều cỡ lớn, lớn hơn khoảng 1/0 AWG, trong đó điện kháng cảm ứng được cộng thêm vào điện trở thuần. NEC Chương 9, Bảng 9 liệt kê các giá trị trở kháng cho trường hợp này.
• Mức lấp đầy ống luồn dây và nhiệt độ môi trường trên 75 °C, cả hai đều làm điện trở thực của dây tăng vượt các giá trị tiêu chuẩn trong bảng được sử dụng ở đây.

Nếu độ sụt điện áp tính được bằng hoặc lớn hơn điện áp nguồn, mạch không thể truyền dòng điện đã nhập; bộ tính sẽ đánh dấu trường hợp này thay vì hiển thị điện áp đến tải âm.

Các câu hỏi thường gặp

Độ sụt điện áp là gì? Độ sụt điện áp là phần điện áp bị mất khi dòng điện đi qua điện trở của dây, tương tự như áp lực nước giảm khi chảy qua một ống tưới vườn dài. Một phần điện áp nguồn không bao giờ đến được tải.

Phần trăm sụt áp bao nhiêu là chấp nhận được? Hướng dẫn thường được trích dẫn của NEC là 3% đối với mạch nhánh và 5% đối với tổng mạch cấp nguồn và mạch nhánh. Vượt mức đó, động cơ, đèn và thiết bị điện tử có thể hoạt động không tốt.

Có thể giảm độ sụt điện áp bằng cách nào? Dùng dây dày hơn, rút ngắn đoạn cáp, giảm dòng tải hoặc, khi phù hợp, tăng điện áp nguồn. Dùng dây dày hơn là cách khắc phục phổ biến nhất.

Tại sao công thức nhân với 2? Dòng điện đi đến tải qua một dây dẫn và quay về qua dây thứ hai. Cả hai dây dẫn đều góp phần tạo điện trở, nên đều được tính.

Độ sụt điện áp có gây hao phí năng lượng không? Có. Chính điện trở gây ra độ sụt áp cũng biến một phần dòng điện thành nhiệt, theo công thức $P = I^2 \times R$. Nhiệt đó là năng lượng đã tiêu thụ nhưng không truyền đến tải.

Các giá trị điện trở dựa trên nhiệt độ nào? 75 °C (167°F), là định mức tiêu chuẩn cho các loại dây dùng phổ biến trong công trình như THHN và THWN. Các giá trị AWG lấy trực tiếp từ Bảng 8 của NEC ở nhiệt độ đó. Các giá trị mm² được chuyển đổi từ các giá trị 20 °C công bố trong IEC 60.228.

Bộ tính này có dùng được cho điện ba pha không? Không. Công cụ được thiết kế cho mạch một pha hai dây. Độ sụt điện áp ba pha cần một công thức riêng có hệ số √3.

Tài liệu tham khảo

1. National Fire Protection Association, NFPA 70: National Electrical Code, Ấn bản 2023 — Điều 210,19(A) (độ sụt điện áp của mạch nhánh), Chương 9, Bảng 8 (điện trở dây dẫn), Bảng 9 (trở kháng xoay chiều).
2. Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE Std 141-1993 (Red Book), Thực hành khuyến nghị về phân phối điện cho nhà máy công nghiệp.
3. International Electrotechnical Commission, IEC 60.228: Conductors of Insulated Cables.