Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các cơ sở sản xuất công nghiệp, đặc biệt là các phân xưởng cơ khí sửa chữa, hệ thống điện đóng vai trò là cơ sở hạ tầng cung cấp năng lượng cho toàn bộ máy móc gia công, thiết bị động lực và hệ thống chiếu sáng công nghiệp. Đặc thù của xưởng cơ khí sửa chữa là tập trung nhiều loại thiết bị tiêu thụ điện công suất từ nhỏ đến lớn (máy tiện, máy phay, máy mài, máy khoan, máy bào, máy hàn, cầu trục, v.v.), phân bố trên một mặt bằng rộng với mật độ làm việc cao của công nhân và kỹ thuật viên. Do đó, việc thiết kế một hệ thống cung cấp điện khoa học, an toàn, ổn định và tối ưu chi phí đầu tư là một yêu cầu kỹ thuật tất yếu.

Đề tài "Thiết kế cung cấp điện cho xưởng cơ khí sửa chữa" được nhóm sinh viên Trần Anh Hào (MSSV: 22142113) và Lê Thành Huy (MSSV: 22143015) thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Ngọc Âu tại TP. Hồ Chí Minh (hoàn thành tháng 5 năm 2025). Đồ án tập trung giải quyết toàn diện bài toán thiết kế kỹ thuật cung cấp điện hạ áp cho một nhà xưởng cơ khí có quy mô công nghiệp nhẹ.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật của đồ án bao gồm 8 nội dung chính:

  1. Phân nhóm phụ tải cơ khí và tính toán công suất tính toán tác dụng ($P_{tt}$), công suất phản kháng ($Q_{tt}$), công suất biểu kiến ($S_{tt}$), dòng điện tính toán ($I_{tt}$) cho từng nhóm và toàn phân xưởng; xác định tọa độ tâm phụ tải.
  2. Vạch phương án cung cấp điện tối ưu, lựa chọn cấu trúc sơ đồ mạng điện phân phối và xây dựng sơ đồ nguyên lý cung cấp điện.
  3. Thiết kế hệ thống chiếu sáng công nghiệp đạt chuẩn độ rọi, tính toán số lượng bộ đèn LED, vạch tuyến đi dây và chọn thiết bị đóng cắt bảo vệ cho mạng chiếu sáng.
  4. Lựa chọn vị trí, số lượng, chủng loại và dung lượng định mức máy biến áp cấp nguồn cho phân xưởng có xét đến dự phòng phát triển tải trong tương lai.
  5. Lựa chọn chủng loại và tiết diện dây dẫn, cáp điện hạ áp theo điều kiện phát nóng cho phép ($I_{cp}$) và kiểm tra độ sụt áp ($\Delta U%$).
  6. Tính toán dòng ngắn mạch tại các nút trọng yếu trong mạng điện hạ áp và lựa chọn hệ thống thiết bị đóng cắt bảo vệ (MCCB, MCB).
  7. Thiết kế hệ thống nối đất an toàn công tác dạng mạch vòng và hệ thống chống sét trực tiếp sử dụng kim thu sét Franklin bảo vệ toàn diện nhà xưởng.
  8. Tính toán các giải pháp nâng cao hệ số công suất $\cos\varphi$, xác định dung lượng tụ bù công suất phản kháng và lập bảng dự trù khối lượng vật tư thiết bị.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phân phối điện hạ áp 380/220 V cho phân xưởng cơ khí sửa chữa.
  • Phạm vi không gian: Nhà xưởng công nghiệp một tầng có kích thước hình học gồm chiều dài $a = 60\text{ m}$, chiều rộng $b = 20\text{ m}$ (diện tích sàn $S = 1200\text{ m}^2$) và chiều cao $h = 5\text{ m}$.
  • Phạm vi kỹ thuật: Thiết kế từ trạm biến áp hạ áp 22/0.4 kV, tủ phân phối chính (MDB), các tủ động lực phân xưởng (DB1 – DB4), tủ chiếu sáng (LP) đến từng cụm thiết bị và hệ thống nối đất, chống sét bảo vệ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng các giải pháp kỹ thuật dựa trên hệ thống cơ sở lý thuyết cung cấp điện, các tiêu chuẩn kỹ thuật điện hiện hành và tài liệu học thuật chuyên ngành:

  • Khung lý thuyết và mô hình tính toán:

    • Phương pháp xác định phụ tải tính toán: Sử dụng phương pháp hệ số sử dụng ($K_u$), hệ số nhu cầu ($K_s$) và công suất định mức ($P_{đm}$) của từng thiết bị máy công cụ để phân nhóm phụ tải; áp dụng phương pháp xác định tâm phụ tải theo mômen công suất tĩnh $\sum(P_i \cdot X_i)/\sum P_i$ và $\sum(P_i \cdot Y_i)/\sum P_i$.
    • Phương pháp thiết kế chiếu sáng: Sử dụng phương pháp hệ số sử dụng quang thông ($CU$ - Utilization Factor Method), chỉ số phòng ($i$), hệ số mất ánh sáng ($LLF$) và tiêu chuẩn độ rọi tối thiểu ($E_{min}$) theo quy chuẩn nhà xưởng công nghiệp.
    • Lý thuyết chọn dây cáp và thiết bị bảo vệ: Chọn tiết diện ruột dẫn theo dòng điện phát nóng cho phép lâu dài ($I_{cp} \ge I_{lvmax}/K$), kết hợp các hệ số hiệu chỉnh điều kiện môi trường, phương pháp lắp đặt ($K_1, K_2, K_3$) và kiểm tra tổn thất điện áp $\Delta U \le \Delta U_{cp} = 5%$.
    • Lý thuyết tính ngắn mạch hạ áp: Phương pháp tổng trở quy đổi từ hệ thống nguồn có công suất ngắn mạch $S_{sc} = 500\text{ MVA}$, xét trở kháng máy biến áp, trở kháng đường cáp và điện trở tiếp xúc của thiết bị đóng cắt theo tiêu chuẩn IEC 60947-2.
    • Lý thuyết nối đất và chống sét: Tính toán điện trở tản của hệ thống nối đất mạch vòng điện cực cọc kết hợp thanh/dây chôn sâu; tính toán bán kính và phạm vi bảo vệ của cụm kim thu sét Franklin theo hình học hình nón và chiều cao giả tưởng $h_0$.

  • Tài liệu và giáo trình tham khảo chính:

    • Giáo trình Cung cấp điện – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (Tác giả: PGS. TS. Quyền Huy Ánh).
    • Giáo trình An toàn điện – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (Tác giả: PGS. TS. Quyền Huy Ánh).
    • Tiêu chuẩn quốc tế về thiết bị đóng cắt hạ thế IEC 60947-2.
    • Catalog thông số kỹ thuật của các nhà sản xuất: Cáp điện CADIVI, Máy biến áp THIBIDI, Khí cụ đóng cắt Schneider Electric, Đèn công nghiệp Highbay LED.

  • Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật hệ thống (Engineering System Design), sử dụng công cụ giải tích toán học kết hợp tra cứu bảng thông số chuẩn và đối chiếu tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật điện.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống cung cấp điện cho phân xưởng cơ khí sửa chữa được thiết kế theo cấu trúc mạng hình tia phân cấp, đảm bảo tính chọn lọc và độ tin cậy vận hành:

  1. Cấu trúc nguồn và mạng phân phối chính:

    • Cấp nguồn từ 01 máy biến áp 3 pha ngâm dầu THIBIDI công suất định mức $400\text{ kVA}$, cấp điện áp hạ thế $380/220\text{ V}$, đặt ngoài trời sát cạnh phân xưởng.
    • Tuyến cáp trục từ máy biến áp về Tủ phân phối chính (MDB) sử dụng 4 sợi cáp đồng đơn CADIVI CV $400\text{ mm}^2$ luồn trong ống nhựa cứng PVC chịu lực chôn ngầm trong đất ở độ sâu $0.5\text{ m}$.
    • Tủ MDB cấp điện cho 4 tủ phân phối động lực (DB1, DB2, DB3, DB4) và 01 tủ chiếu sáng riêng biệt (LP) thông qua các tuyến cáp CV đi nổi trên máng cáp (cáp 5 sợi gồm 3 dây pha, 1 dây trung tính N và 1 dây nối đất bảo vệ PE).
    • Từ các tủ DB, cáp điện lực CADIVI CCV 4 ruột ($4 \times 4\text{ mm}^2$) đi trên máng cáp dẫn đến từng cụm động cơ máy công cụ.

  2. Cấu trúc hệ thống bảo vệ và an toàn:

    • Đầu vào tủ MDB trang bị aptomat khối vỏ đúc MCCB 4 cực Schneider EasyPact CVS-S630F ($I_n = 630\text{ A}$, dòng cắt $I_{cu} = 36\text{ kA}$).
    • Các lộ ra tại tủ MDB và đầu vào các tủ DB trang bị MCCB Schneider EZC250F3150 ($I_n = 150\text{ A}$, $I_{cu} = 18\text{ kA}$).
    • Các lộ ra cấp điện cho từng động cơ máy công cụ trang bị aptomat tép MCB Schneider EZC100B3030 ($I_n = 30\text{ A}$).
    • Hệ thống nối đất mạch vòng sử dụng 30 cọc thép bọc đồng ($L = 3\text{ m}$, đường kính $d = 16\text{ mm}$) liên kết bằng cáp đồng trần $50\text{ mm}^2$ chôn sâu $0.8\text{ m}$.
    • Hệ thống chống sét trực tiếp gồm 15 kim thu sét Franklin đặt trên các cột đỡ cao tổng cộng $h = 11\text{ m}$ bao phủ toàn bộ diện tích nhà xưởng $60\text{ m} \times 20\text{ m}$.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TÍNH TOÁN PHỤ TẢI

Chương 1 tiến hành khảo sát các máy móc thiết bị trong xưởng cơ khí sửa chữa và tổ chức phân chia thành 4 nhóm phụ tải theo nguyên tắc: các thiết bị cùng nhóm có vị trí gần nhau, dòng định mức phù hợp với dòng chuẩn của khí cụ bảo vệ và tổng số nhóm không vượt quá 5.

  • Xác định công suất tính toán tác dụng, phản kháng và biểu kiến cho từng tủ phân phối động lực và tổng tủ chính ($S_{TT\text{ tủ điện}} = 221.8\text{ kVA}$).
  • Tính toán phụ tải chiếu sáng phân xưởng: Mặt bằng xưởng có diện tích $S = 20\text{ m} \times 60\text{ m} = 1200\text{ m}^2$. Chọn suất phụ tải chiếu sáng $P_0 = 10\text{ W/m}^2$, tính được công suất tác dụng chiếu sáng $P_{ttcs} = 1200 \times 10 = 12000\text{ W} = 12\text{ kW}$. Với hệ số công suất $\cos\varphi = 0.96$, công suất phản kháng chiếu sáng là $Q_{ttcs} = P_{ttcs} \cdot \tan\varphi = 3.5\text{ kVAr}$.
  • Xác định tọa độ tâm phụ tải của từng nhóm: Nhóm 1 (gồm các thiết bị 1A, 1B, 1C, 2A, 2B, 3A, 3B, 3C có công suất từ $4.25\text{ kW}$ đến $16\text{ kW}$), Nhóm 2 ($X_2 = 16.5\text{ m}$), Nhóm 3 ($X_3 = 45.5\text{ m}$), Nhóm 4 ($X_4 = 49.2\text{ m}$); từ đó xác định tọa độ tâm phụ tải tổng thể của toàn nhà xưởng để làm căn cứ định vị tủ MDB và trạm biến áp.

CHƯƠNG 2: VẠCH PHƯƠNG ÁN CUNG CẤP ĐIỆN

Chương 2 phân tích các phương án cấp nguồn và lựa chọn phương án xây dựng trạm biến áp phân xưởng riêng biệt do mật độ tải trong xưởng cao và yêu cầu cấp điện độc lập.

  • Thiết lập nguyên tắc phân phối: Sử dụng sơ đồ hình tia từ tủ phân phối chính (MDB) đến các tủ phân phối động lực (DB) và tủ chiếu sáng; từ tủ DB đến các thiết bị sử dụng sơ đồ hình tia cho thiết bị công suất lớn và sơ đồ phân nhánh cho thiết bị công suất nhỏ (số nhánh không quá 10, công suất giữa các nhánh tương đối đồng đều).
  • Xây dựng sơ đồ nguyên lý hệ thống cấp điện toàn diện cho phân xưởng từ cấp điện áp hạ thế $380/220\text{ V}$.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG

Chương 3 triển khai quy trình thiết kế chiếu sáng 10 bước cho mặt bằng $60\text{ m} \times 20\text{ m} \times 5\text{ m}$:

  • Hệ số phản xạ: Công trình công nghiệp nhẹ có hệ số phản xạ tường $\rho_t = 0.5$, trần $\rho_{tr} = 0.3$, sàn $\rho_s = 0.1$.
  • Lựa chọn bộ đèn: Đèn LED Highbay công suất $100\text{ W}$ (tương đương đèn HID $150\text{ W}$), hiệu suất phát quang $145\text{ lm/W}$, tổng quang thông $\Phi = 100 \times 145 = 14500\text{ lm}$.
  • Độ cao treo đèn và chỉ số phòng: Độ cao treo đèn $H_đ = 3.5\text{ m}$. Chỉ số phòng tính toán: $$i = \frac{a \cdot b}{H_p \cdot (a + b)} = \frac{60 \cdot 20}{3.5 \cdot (60 + 20)} = 3.3$$
  • Hệ số sử dụng và suy giảm: Hệ số sử dụng $CU = 0.8$ ($80%$), hệ số mất ánh sáng $LLF = 0.95$ (môi trường ít bụi, bảo trì 2 lần/tháng).
  • Độ rọi tiêu chuẩn và số lượng bộ đèn: Độ rọi yêu cầu cho xưởng cơ khí $E_{min} = 300\text{ lux}$. Số lượng bộ đèn xác định: $$N_{bđ} = \frac{E_{min} \cdot S}{\Phi_{bđ} \cdot CU \cdot LLF} = \frac{300 \cdot 1200}{14500 \cdot 0.8 \cdot 0.95} = 32.6 \Rightarrow \text{chọn } 32\text{ bộ đèn}$$
  • Bố trí đèn: Sắp xếp 8 bộ đèn theo chiều dài (khoảng cách $L = 8\text{ m}$, cách tường $D_t = 2.4\text{ m}$) và 4 bộ đèn theo chiều rộng (khoảng cách hàng $r = 5.3\text{ m}$, cách tường $2.0\text{ m}$).
  • Thiết kế mạng điện chiếu sáng: Thiết kế mạng cấp nguồn riêng biệt, tủ chiếu sáng đặt gần cửa ra vào gồm 01 CB tổng 3 pha và các CB nhánh 1 pha; lựa chọn dây dẫn đồng đơn cách điện PVC mã hiệu CADIVI VC $1.0\text{ mm}^2$ và VC $1.3\text{ mm}^2$ treo trên trần, độ sụt áp cực đại đạt $\Delta U = 4.79\text{ V}$, kiểm tra dòng ngắn mạch chọn MCB bảo vệ ($I_{n1} = 731\text{ A}$).

CHƯƠNG 4: CHỌN MÁY BIẾN ÁP CHO PHÂN XƯỞNG

Chương 4 thực hiện lựa chọn vị trí, số lượng và dung lượng định mức máy biến áp:

  • Vị trí: Do thiết bị công nghệ bố trí mật độ dày đặc trong nhà xưởng, trạm biến áp được bố trí đặt ngoài trời sát tường bao nhà xưởng, đảm bảo khoảng cách gần tâm phụ tải, an toàn cháy nổ, thông thoáng và thuận tiện kéo cáp.
  • Số lượng và chủng loại: Chọn 01 máy biến áp 3 pha ngâm dầu do công ty THIBIDI (Việt Nam) sản xuất, phù hợp với dải nhiệt độ môi trường vận hành tại Việt Nam.
  • Tính toán dung lượng máy biến áp: $$S_{đmMBA} \ge S_{TT\text{ phân xưởng}} = S_{TT\text{ tủ điện}} + S_{ttCS} + S_{dự phòng}$$ Với $S_{TT\text{ tủ điện}} = 221.8\text{ kVA}$, $S_{ttCS} = 4.32\text{ kVA}$, công suất dự phòng tính cho thời gian phát triển 3 – 10 năm ($20%$): $$S_{dự phòng} = 20% \times (221.8 + 4.32) = 44.5\text{ kVA}$$ Tổng dung lượng tính toán yêu cầu: $S_{đmMBA} \ge 226.344\text{ kVA}$. Lựa chọn máy biến áp tiêu chuẩn THIBIDI có $S_{đmMBA} = 400\text{ kVA}$.

CHƯƠNG 5: CHỌN DÂY DẪN

Chương 5 tính chọn tiết diện cáp và kiểm tra tổn thất điện áp cho toàn mạng điện hạ áp:

  • Tuyến nguồn từ MBA đến MDB ($l = 50\text{ m}$): Dòng điện cực đại $I_{lvmax} = \frac{400}{\sqrt{3} \times 0.38} = 607.74\text{ A}$. Đi cáp ngầm trong ống nhựa PVC (sâu $50\text{ cm}$), nhiệt độ $30^\circ\text{C}$, hệ số hiệu chỉnh $K = 0.73 \Rightarrow I_{cpđm} \ge 639.95\text{ A}$. Chọn 4 sợi cáp đồng 1 lõi CADIVI CV $400\text{ mm}^2$ cách điện PVC 660V.
  • Tuyến từ MDB đến các tủ DB1 – DB4: Đi cáp 5 sợi (3 pha + N + PE) nổi trên máng cáp, hệ số $K = K_1 \cdot K_2 = 1.0 \times 0.75 = 0.75$.
    • Nhóm 1 ($S_{tt1} = 43.75\text{ kVA}$): Chọn cáp CADIVI CV $50\text{ mm}^2$.
    • Nhóm 2 ($S_{tt2} = 72.75\text{ kVA}$): Chọn cáp CADIVI CV $50\text{ mm}^2$.
    • Nhóm 3 ($S_{tt3} = 80.75\text{ kVA}$): Chọn cáp CADIVI CV $50\text{ mm}^2$.
    • Nhóm 4 ($S_{tt4} = 49.75\text{ kVA}$): Chọn cáp CADIVI CV $50\text{ mm}^2$.
  • Tuyến từ tủ DB đến các động cơ: Cáp 4 sợi đi trên máng cáp, hệ số $K = 1.0 \times 0.77 = 0.77$. Chọn cáp điện lực CADIVI CCV $4 \times 4\text{ mm}^2$.
  • Kiểm tra tổn thất điện áp ($\Delta U%$):
    • Đoạn MBA $\rightarrow$ MDB ($l = 50\text{ m}$, cáp CV $400\text{ mm}^2$, $R = 4\text{ m}\Omega$, $P_{tt\text{ tủ}} = 166.95\text{ kW}$, $Q_{tt\text{ tủ}} = 145.6\text{ kVAr}$).
    • Đoạn MDB $\rightarrow$ DB1 ($l = 59.3\text{ m}$, cáp CV $50\text{ mm}^2$).
    • Đoạn DB1 $\rightarrow$ thiết bị xa nhất ($l = 15\text{ m}$, cáp CCV $4 \times 4\text{ mm}^2$).
    • Kết quả kiểm tra: Tổng độ sụt áp trên tất cả các tuyến cáp đều nhỏ hơn giới hạn cho phép $\Delta U < 5%$, thỏa mãn điều kiện vận hành.

CHƯƠNG 6: TÍNH NGẮN MẠCH VÀ CHỌN PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ

Chương 6 lập sơ đồ thay thế tính toán ngắn mạch 3 pha từ nguồn cấp:

  • Thông số nguồn: Công suất ngắn mạch $S_{sc} = 500\text{ MVA}$, điện áp $U = 380\text{ V}$. Điện kháng nguồn $Z_{up} = X_{up} = \frac{U^2}{S_{sc}} = 0.27\text{ m}\Omega$.
  • Điện kháng máy biến áp $400\text{ kVA}$: $X_t = U_N% \times \frac{U_{đm}^2}{S_{đm}} \times 10^3 = 4% \times \frac{380^2}{400} \times 10^3 = 14.89\text{ m}\Omega$.
  • Trở kháng đường dây và khí cụ: Điện trở đường dây từ MBA đến MDB ($l = 50\text{ m}$) là $R_{0DB} = 4\text{ m}\Omega$, điện kháng tiếp điểm CB $X_{CB} = 0.15\text{ m}\Omega$.
  • Lựa chọn thiết bị đóng cắt bảo vệ của hãng Schneider Electric:
    • MCCB1 tổng tủ MDB: Model EasyPact CVS-S630F (mã LV563309), 4 cực, $I_n = 630\text{ A}$ (ở $40^\circ\text{C}$), $U_{đm} = 415\text{ V}$, dòng cắt định mức $I_{cu} = 36\text{ kA}$, $I_{cs} = 36\text{ kA}$ (tại 380/415 VAC), dải chỉnh dòng $(0.7 \div 1.0)I_n$.
    • MCCB nhánh tủ MDB (MCCB2 – MCCB5): Model EZC250F3150, 3 cực, $I_n = 150\text{ A}$, $U_{đm} = 415\text{ V}$, $I_{cu} = 18\text{ kA}$.
    • MCCB tổng tại các tủ động lực DB (MCCB6 – MCCB9): Model EZC250F3150, $I_n = 150\text{ A}$, $I_{cu} = 18\text{ kA}$.
    • MCB bảo vệ động cơ: Model EZC100B3030, $I_n = 30\text{ A}$, $I_{cu} = 7.5\text{ kA}$.

CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHỐNG SÉT CHO CÔNG TRÌNH

Chương 7 thiết kế hai phân hệ an toàn độc lập nhưng phối hợp đồng bộ:

  • Hệ thống nối đất an toàn:
    • Cấu hình nối đất mạch vòng bao gồm 30 cọc thép bọc đồng ($L = 3\text{ m}$, đường kính $d = 16\text{ mm}$, chôn sâu $h = 0.8\text{ m}$), bố trí tại 4 góc và chu vi phân xưởng (khoảng cách cọc $5.63\text{ m}$ theo chiều dài và $5.5\text{ m}$ theo chiều rộng, cách tường $1\text{ m}$).
    • Cáp liên kết cọc: Cáp đồng trần tiết diện $50\text{ mm}^2$ (đường kính $d = 8\text{ mm}$), tổng chiều dài chôn ngầm $L_1 = 62 \times 2 + 22 \times 2 = 168\text{ m}$ ở độ sâu $0.8\text{ m}$.
    • Cáp nối vỏ thiết bị về thanh đồng tiếp địa trung gian có tiết diện $35\text{ mm}^2$.
    • Tính toán điện trở nối đất: Điện trở suất của đất đo mùa mưa $\rho_d = 200\ \Omega\text{m}$, hệ số mùa $K_m = 1.3 \Rightarrow \rho_{tt} = 260\ \Omega\text{m}$. Điện trở cọc đơn $r_c = 64.6\ \Omega$. Tổng trở hệ thống nối đất phối hợp cọc và thanh đạt tiêu chuẩn an toàn ($R_đ \le 4\ \Omega$).
  • Hệ thống chống sét phân xưởng:
    • Sử dụng hệ thống kim thu sét Franklin cổ điển hoạt động theo nguyên lý mũi nhọn. Chiều cao bảo vệ công trình $h_{x1} = 7\text{ m}$, $h_{x2} = 5\text{ m}$. Sử dụng kim thu sét $h_{kim} = 4\text{ m}$, lắp đặt trên cột đỡ đạt tổng chiều cao đỉnh kim $h = 11\text{ m}$ ($h_a = 11 - 7 = 4\text{ m}$).
    • Bố trí lưới 15 kim thu sét: 5 kim dọc theo chiều dài $60\text{ m}$ (khoảng cách $a = 15\text{ m}$) và 3 kim dọc theo chiều rộng $20\text{ m}$ (khoảng cách $b = 10\text{ m}$).
    • Chiều cao bảo vệ giả tưởng $h_0 = h - \frac{a}{7\rho} = 11 - \frac{15}{7 \times 1} = 11.36\text{ m} > h_x = 7\text{ m}$, thỏa mãn điều kiện che phủ an toàn toàn bộ nhà xưởng.

CHƯƠNG 8: NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN BÙ

Chương 8 phân tích ý nghĩa kinh tế - kỹ thuật của việc nâng cao hệ số $\cos\varphi$: Giảm tổn thất công suất ($\Delta P$) và tổn thất điện áp ($\Delta U$) trên đường dây, nâng cao khả năng mang tải của máy biến áp $400\text{ kVA}$, giảm chi phí mua điện phạt công suất phản kháng.

  • Phân tích biện pháp bù tự nhiên (vận hành động cơ đúng tải, tránh non tải) kết hợp bù nhân tạo bằng dàn tụ điện hạ thế tĩnh.
  • Xác định dung lượng bù $Q_{bù}$ cần thiết để nâng hệ số công suất của xưởng lên mức quy định ($\cos\varphi \ge 0.90 \div 0.95$) và lựa chọn phương án bù tập trung tại thanh cái tủ phân phối chính MDB.

DỰ TRÙ VẬT LIỆU

Phần cuối đồ án lập bảng tổng hợp khối lượng vật tư, thiết bị chủ yếu phục vụ công tác bóc tách khối lượng và dự toán thi công: Máy biến áp THIBIDI $400\text{ kVA}$, Tủ điện MDB/DB/LP, cáp điện lực CADIVI CV $400\text{ mm}^2$, CV $50\text{ mm}^2$, CCV $4 \times 4\text{ mm}^2$, dây đơn VC $1.0\text{ mm}^2$, VC $1.3\text{ mm}^2$, thiết bị đóng cắt Schneider Electric (CVS-S630F, EZC250F, EZC100B), 32 bộ đèn LED Highbay $100\text{ W}$, 30 cọc tiếp địa thép bọc đồng D16 L3m, $168\text{ m}$ cáp đồng trần $50\text{ mm}^2$ và 15 bộ kim thu sét Franklin kèm phụ kiện cột đỡ.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành toàn diện nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật cung cấp điện cho phân xưởng cơ khí sửa chữa với các kết quả cụ thể:

Hạng mục thiết kế Thông số / Quy cách kỹ thuật đã lựa chọn Căn cứ tính toán & Tiêu chuẩn
Công suất tính toán $S_{TT\text{ tủ điện}} = 221.8\text{ kVA}$; $P_{ttcs} = 12\text{ kW}$ Phương pháp hệ số sử dụng và suất phụ tải diện tích
Máy biến áp nguồn 01 MBA 3 pha THIBIDI $400\text{ kVA}$, $22/0.4\text{ kV}$ $S_{đmMBA} \ge 226.344\text{ kVA}$ (đã tính $20%$ dự phòng)
Chiếu sáng nhà xưởng 32 bộ đèn LED Highbay $100\text{ W}$ ($14.500\text{ lm}$) Độ rọi $E_{min} = 300\text{ lux}$, $CU = 0.8$, $LLF = 0.95$
Cáp xuất tuyến MBA $\rightarrow$ MDB 4 sợi CADIVI CV $400\text{ mm}^2$ trong ống PVC ngầm $I_{lvmax} = 607.74\text{ A}$, $K = 0.73$, $\Delta U < 5%$
Cáp phân phối MDB $\rightarrow$ DB Cáp CADIVI CV $50\text{ mm}^2$ trên máng cáp Dòng tải nhóm, $K = 0.75$, kiểm tra sụt áp
Cáp động lực DB $\rightarrow$ Motor Cáp CADIVI CCV $4 \times 4\text{ mm}^2$ trên máng cáp $K = 0.77$, kiểm tra điều kiện phát nóng và sụt áp
Aptomat tổng tủ MDB Schneider EasyPact CVS-S630F ($630\text{ A}, 36\text{ kA}$) Ngắn mạch nguồn $S_{sc} = 500\text{ MVA}$, IEC 60947-2
Aptomat tủ DB & Động cơ Schneider EZC250F3150 ($150\text{ A}$), MCB EZC100B ($30\text{ A}$) Phối hợp bảo vệ chọn lọc theo dòng làm việc
Hệ thống nối đất an toàn Mạch vòng 30 cọc thép bọc đồng D16 L3m + cáp trần $50\text{ mm}^2$ $\rho_{tt} = 260\ \Omega\text{m}$, điện trở nối đất $R_đ \le 4\ \Omega$
Hệ thống chống sét 15 kim Franklin đỉnh cao $11\text{ m}$ (lưới $5 \times 3$ kim) Bán kính bảo vệ hình nón, $h_0 = 11.36\text{ m} > 7\text{ m}$

Đóng góp thực tiễn của đồ án:

  • Cung cấp giải pháp thiết kế đồng bộ, liên kết chặt chẽ từ phụ tải cơ khí, chiếu sáng công nghiệp, máy biến áp nguồn, đường cáp, khí cụ bảo vệ đến nối đất chống sét.
  • Áp dụng các thiết bị công nghệ hiện đại, phổ biến trên thị trường Việt Nam (đèn LED Highbay tiết kiệm điện, MBA THIBIDI, cáp CADIVI, thiết bị Schneider Electric), đảm bảo tính khả thi cao trong thi công lắp đặt thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Do đề tài không có dữ liệu đo đạc đồ thị phụ tải thực tế 24 giờ của phân xưởng theo từng mùa, dung lượng máy biến áp được chọn dựa trên công thức công suất tính toán cực đại kết hợp hệ số dự phòng mở rộng 20%, chưa thể so sánh tối ưu hóa chi phí vận hành bằng các phương pháp đồ thị phụ tải chuyên sâu (phương pháp công suất đẳng trị, phương pháp tổn thất 3% hay phương pháp quá tải sự cố).
    • Chưa đi sâu phân tích ảnh hưởng của sóng hài bậc cao phát sinh từ các bộ biến tần, thiết bị hàn điện tử hoặc tải phi tuyến trong phân xưởng cơ khí đối với tuổi thọ tụ bù và độ méo điện áp của mạng hạ áp.
  • Hướng mở rộng:
    • Bổ sung hệ thống giám sát năng lượng và tự động điều khiển đóng cắt dàn tụ bù tự động (APFC - Automatic Power Factor Controller) dựa trên vi điều khiển.
    • Khảo sát sóng hài và tích hợp các cuộn kháng lọc sóng hài bảo vệ tụ bù khi xưởng bổ sung các dòng máy công cụ CNC hiện đại.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống Điện, Điện Công nghiệp và Tự động hóa khi thực hiện đồ án môn học Cung cấp điện, Thiết kế mạng điện hạ áp hoặc Đồ án tốt nghiệp.
  • Kỹ sư thiết kế cơ điện (M&E), kỹ thuật viên bảo trì tại các nhà máy, xí nghiệp cơ khí tham khảo các bước tính toán chiếu sáng LED Highbay, chọn tiết diện cáp máng/cáp ngầm, kiểm tra ngắn mạch chọn thiết bị đóng cắt và thiết kế hệ thống tiếp địa mạch vòng chuẩn kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

1. Phân xưởng cơ khí sửa chữa trong đồ án có quy mô mặt bằng và công suất tính toán như thế nào?
Phân xưởng có chiều dài $60\text{ m}$, chiều rộng $20\text{ m}$ (diện tích sàn $1200\text{ m}^2$) và chiều cao $5\text{ m}$. Tổng công suất tính toán của các tủ điện động lực là $S_{TT\text{ tủ điện}} = 221.8\text{ kVA}$, công suất tác dụng chiếu sáng là $P_{ttcs} = 12\text{ kW}$ ($S_{ttCS} = 4.32\text{ kVA}$).

2. Máy biến áp cấp nguồn cho phân xưởng được chọn loại nào và dung lượng bao nhiêu?
Đồ án chọn 01 máy biến áp 3 pha THIBIDI ngâm dầu sản xuất tại Việt Nam, công suất định mức $S_{đmMBA} = 400\text{ kVA}$, đặt ngoài trời gần xưởng. Dung lượng này được chọn nhằm đáp ứng tổng công suất tính toán $226.344\text{ kVA}$ (bao gồm cả $20%$ công suất dự phòng phát triển tải trong 3 – 10 năm).

3. Hệ thống chiếu sáng xưởng sử dụng bao nhiêu bộ đèn và bố trí như thế nào?
Hệ thống sử dụng 32 bộ đèn LED Highbay công suất $100\text{ W}$ (quang thông $14.500\text{ lm}$), treo ở độ cao $3.5\text{ m}$ để đạt độ rọi tiêu chuẩn $E_{min} = 300\text{ lux}$. Các bộ đèn được bố trí thành lưới gồm 8 hàng theo chiều dài (khoảng cách $8\text{ m}$) và 4 hàng theo chiều rộng (khoảng cách $5.3\text{ m}$).

4. Thiết bị đóng cắt chính tại tủ phân phối MDB có thông số kỹ thuật ra sao?
Aptomat tổng MCCB1 tại tủ MDB là loại vỏ đúc 4 cực Schneider EasyPact CVS-S630F (mã LV563309), dòng điện định mức $I_n = 630\text{ A}$ (ở $40^\circ\text{C}$), điện áp $415\text{ V}$, dòng cắt ngắn mạch cực đại $I_{cu} = 36\text{ kA}$ và dòng cắt thực tế $I_{cs} = 36\text{ kA}$ tại lưới $380/415\text{ VAC}$.

5. Hệ thống tiếp địa an toàn và chống sét của nhà xưởng được thiết kế với thông số nào?
Hệ thống nối đất sử dụng mạch vòng 30 cọc thép bọc đồng ($L = 3\text{ m}$, $d = 16\text{ mm}$, chôn sâu $0.8\text{ m}$) liên kết bằng $168\text{ m}$ cáp đồng trần $50\text{ mm}^2$, tính toán theo điện trở suất đất $\rho_{tt} = 260\ \Omega\text{m}$ đạt $R_đ \le 4\ \Omega$. Hệ thống chống sét gồm 15 kim Franklin đỉnh cao $11\text{ m}$ (lưới $5 \times 3$ kim) với chiều cao bảo vệ giả tưởng $h_0 = 11.36\text{ m} > 7\text{ m}$, che phủ toàn bộ xưởng.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế cung cấp điện cho xưởng cơ khí sửa chữa" của nhóm sinh viên Trần Anh Hào và Lê Thành Huy đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật hệ thống điện công nghiệp hạ áp $380/220\text{ V}$ cho nhà xưởng $1200\text{ m}^2$. Toàn bộ các khâu từ tính toán phụ tải, thiết kế chiếu sáng LED Highbay, chọn máy biến áp THIBIDI $400\text{ kVA}$, chọn cáp CADIVI, tính toán ngắn mạch chọn thiết bị bảo vệ Schneider Electric đến thiết kế tiếp địa và chống sét Franklin đều được thực hiện theo đúng quy trình giải tích và quy chuẩn kỹ thuật chuyên ngành. Kết quả của đồ án đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện, an toàn vận hành và có giá trị ứng dụng thực tiễn cao trong lĩnh vực kỹ thuật cơ điện.