Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống công nghiệp hiện đại, năng lượng điện đóng vai trò huyết mạch đối với toàn bộ chu trình sản xuất. Lĩnh vực công nghiệp luôn là đối tượng tiêu thụ điện năng lớn nhất và đòi hỏi khắt khe nhất về độ ổn định điện áp cũng như độ tin cậy cung cấp điện. Bất kỳ sự cố gián đoạn nguồn điện nào trong các nhà máy có dây chuyền liên tục đều dẫn đến đình trệ sản xuất, hư hỏng sản phẩm dở dang và tổn thất kinh tế nghiêm trọng. Đảm bảo cấp điện liên tục, an toàn và nâng cao chất lượng điện năng là bài toán kỹ thuật cốt lõi trong thiết kế hệ thống cung cấp điện cho các xí nghiệp công nghiệp.

Nhà máy CT20 (Nhà máy Tuyển than Cửa Ông thuộc Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam TKV, đóng tại tỉnh Quảng Ninh) là đơn vị vận tải, sàng tuyển và chế biến than có quy mô lớn, thành lập ngày 20-8-1960. Doanh nghiệp giữ vị trí yết hầu trong ngành than, quyết định chất lượng than thành phẩm trước khi tiêu thụ. Hàng năm, đơn vị đảm nhận trên 30% sản lượng than chất lượng cao của Tập đoàn TKV, với năng lực kéo mỏ đạt trên 11 triệu tấn than và sàng tuyển, tiêu thụ trên 10 triệu tấn than/năm. Cơ sở hạ tầng gồm 3 nhà máy sàng tuyển, hệ thống máy đánh đống, bốc rót than tại cảng, cùng dàn đầu máy CK1E công suất 1.300 mã lực và các toa xe trọng tải 20–30 tấn. Toàn bộ dây chuyền sản xuất mang tính liên hoàn chặt chẽ.

Đồ án tốt nghiệp xác định mục tiêu và 4 nhiệm vụ nghiên cứu chính:

  1. Giới thiệu công nghệ, phân loại các hộ tiêu thụ điện và xác định phụ tải tính toán cho phân xưởng cơ khí cùng 15 hạng mục trong toàn bộ nhà máy.
  2. Thiết kế sơ đồ mạng điện phân xưởng cơ khí và mạng điện toàn nhà máy; so sánh chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật để lựa chọn số lượng, dung lượng máy biến áp; xác định vị trí trạm biến áp theo tâm phụ tải.
  3. Tính toán dòng ngắn mạch ba pha, hai pha; tính chọn và kiểm tra độ bền điện động, ổn định nhiệt của các thiết bị điện cao áp và hạ áp (máy cắt, dao cách ly, aptomat, thanh cái, sứ đỡ, cáp dẫn).
  4. Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh thẳng, chống sét van và tính toán dung lượng bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất $\cos\varphi$.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống cung cấp điện động lực và chiếu sáng cho phân xưởng cơ khí và toàn bộ mặt bằng nhà máy CT20. Phạm vi không gian nghiên cứu bao gồm khu vực sản xuất có tổng diện tích $62.519,04\text{ m}^2$ tại Quảng Ninh. Phạm vi thời gian và cơ sở dữ liệu kỹ thuật được thu thập, xử lý và thiết kế vào năm 2020.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về cơ sở lý thuyết, đồ án phân loại các hộ tiêu thụ điện theo quy chuẩn kỹ thuật:

  • Hộ loại I: Phụ tải mà sự cố mất điện sẽ gây nguy hiểm đến tính mạng con người, làm hư hỏng thiết bị, gây thiệt hại lớn về kinh tế hoặc gián đoạn quy trình sản xuất dây chuyền không thể phục hồi ngay. Tại nhà máy CT20, hộ loại I gồm 4 phân xưởng tuyển than (1, 2, 3, 4) và phân xưởng dụng cụ. Do tính chất dây chuyền ảnh hưởng lẫn nhau, toàn bộ nhà máy được xếp vào hộ tiêu thụ loại I.
  • Hộ loại II: Phụ tải mà sự cố mất điện gây lãng phí lao động, đình trệ gia công, gồm phân xưởng cơ điện, phân xưởng cơ khí và phân xưởng vận tải.
  • Hộ loại III: Các phụ tải phụ trợ, hành chính và sinh hoạt.

Về phương pháp xác định phụ tải tính toán, tác giả hệ thống hóa 4 phương pháp lý thuyết:

  • Phương pháp xác định phụ tải theo công suất đặt và hệ số nhu cầu: $P_{tt} = K_{nc} \cdot \sum P_{đi}$.
  • Phương pháp xác định theo suất tiêu hao điện năng trên một đơn vị sản phẩm: $P_{tt} = (M \cdot W_0) / T_{max}$.
  • Phương pháp xác định theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích sản xuất: $P_{tt} = P_0 \cdot F$, áp dụng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ và tính phụ tải chiếu sáng ($P_{cs} = p_0 \cdot F$).
  • Phương pháp xác định theo hệ số cực đại $K_{max}$ và công suất trung bình $P_{tb}$ (phương pháp số thiết bị dùng điện hiệu quả $n_{hq}$). Đây là phương pháp chính được tác giả lựa chọn để tính toán phụ tải động lực phân xưởng cơ khí do tính đến số lượng thiết bị và chế độ vận hành thực tế.

Khung so sánh kinh tế - kỹ thuật lựa chọn máy biến áp dựa trên hàm chi phí tính toán quy đổi hàng năm: $$Z = (a_{vh} + a_{tc}) \cdot K + C$$ Trong đó: $a_{vh} = 0,1$ (hệ số khấu hao vận hành); $a_{tc} = 0,2$ (hệ số tiêu chuẩn thu hồi vốn, tương ứng thời gian thu hồi $K_T = 5$ năm); $K$ là vốn đầu tư thiết bị; $C$ là chi phí tổn thất điện năng hàng năm ($C = g \cdot \Delta A$).

Nguồn tài liệu tra cứu quy chuẩn và thông số kỹ thuật được trích từ: Giáo trình Thiết kế cấp điện (Vũ Văn Tẩm, Ngô Hồng Quang); Sổ tay lựa chọn và tra cứu thiết bị điện 0,4 đến 500 kV (Ngô Hồng Quang); Giáo trình Cung cấp điện (Nguyễn Xuân Phú).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu sơ lược về nhà máy và xác định phụ tải tính toán

Tác giả phân tích đặc điểm công nghệ của nhà máy sàng tuyển than CT20 và phân chia 12 máy công cụ trong phân xưởng cơ khí thành 4 nhóm để xác định phụ tải theo phương pháp số thiết bị hiệu quả $n_{hq}$:

  • Nhóm 1: Gồm 7 thiết bị, công suất lớn nhất $P_{max} = 21\text{ kW}$ (máy hàn 1 pha/máy mài), $n_1 = 1$, tổng công suất $P = 91,3\text{ kW}$. Số thiết bị hiệu quả $n_{hq} = 4,62$, hệ số sử dụng $k_{sd} = 0,31$, $\cos\varphi = 0,67$, $\tan\varphi = 1,1$, hệ số cực đại $k_{max} = 2$. Công suất tác dụng tính toán $P_{tt1} = 54,78\text{ kW}$.
  • Nhóm 2: Gồm 6 thiết bị, $P_{max} = 13\text{ kW}$ (máy khoan), $n_1 = 5$, tổng công suất $P = 92,05\text{ kW}$. Số thiết bị hiệu quả $n_{hq} = 4,83$, $k_{sd} = 0,62$, $\cos\varphi = 0,80$, $\tan\varphi = 0,75$, $k_{max} = 1,41$. Công suất tác dụng $P_{tt2} = 80,47\text{ kW}$.
  • Nhóm 3: Gồm 7 thiết bị, $P_{max} = 13\text{ kW}$ (máy khoan), $n_1 = 6$, tổng công suất $P = 119\text{ kW}$. Số thiết bị hiệu quả $n_{hq} = 3,8$, $k_{sd} = 0,64$, $\cos\varphi = 0,47$, $\tan\varphi = 1,87$, $k_{max} = 1,46$. Công suất tác dụng $P_{tt3} = 111,2\text{ kW}$.
  • Nhóm 4: Gồm 7 thiết bị, $P_{max} = 10\text{ kW}$ (máy chuột), $n_1 = 5$, tổng công suất $P = 119\text{ kW}$. Số thiết bị hiệu quả $n_{hq} = 0,99$, $k_{sd} = 0,69$, $\cos\varphi = 0,79$, $\tan\varphi = 0,75$, $k_{max} = 1,04$. Công suất tác dụng $P_{tt4} = 357\text{ kW}$.

Hệ thống chiếu sáng phân xưởng cơ khí sử dụng đèn sợi đốt với suất chiếu sáng $p_0 = 14\text{ W/m}^2$, diện tích $F = 1.347,84\text{ m}^2$. Tổng hợp phụ tải phân xưởng cơ khí đạt $P_{ttpx} = 273,86\text{ kW}$, $Q_{ttpx} = 250\text{ kVAr}$, $S_{ttpx} = 370,79\text{ kVA}$.

Đối với toàn nhà máy, tác giả tổng hợp phụ tải từ 15 hạng mục phân xưởng và khu chức năng:

Ký hiệu Tên phân xưởng / hạng mục Phụ tải P (kW) Phụ tải Q (kVAr) Loại phụ tải
1 Cơ điện 0 0 2
2 Dụng cụ 120 100 1
3 Cơ khí 1 160 140 2
4 Rèn, dập 170 150 1
5 Đúc thép 230 220 2
6 Đúc gang 240 220 1
7 Cơ khí 2 180 170 1
8 Mộc mẫu 150 130 2
9 Lắp ráp 140 120 1
10 Nhiệt luyện 200 180 2
11 Kiểm nghiệm 80 40 2
12 Kho tư vật 40 30 2
13 Kho sản phẩm 50 25 2
14 Nhà hành chính 60 55 3
15 Trạm bơm 22 19 3

Tổng diện tích mặt bằng nhà máy là $62.519,04\text{ m}^2$ (kích thước tính toán quy đổi theo tỷ lệ $\alpha = 1000$: chiều dài $a = 38,6\text{ m}$, chiều rộng $b = 16,2\text{ m}$). Phụ tải chiếu sáng ngoài phân xưởng (đất trống, đường đi) tính theo suất $p_0 = 0,2\text{ W/m}^2$ là $9,363\text{ kW}$; chiếu sáng nhà bảo vệ là $5,875\text{ kW}$. Áp dụng hệ số phát triển $k_{pt} = 1,05$ và hệ số đồng thời $k_{đt} = 0,85$, các chỉ tiêu phụ tải tính toán toàn nhà máy được xác định:

  • Công suất tác dụng: $P_{ttnm} = 1985,822\text{ kW}$
  • Công suất phản kháng: $Q_{ttnm} = 1570,8\text{ kVAr}$
  • Công suất toàn phần: $S_{ttnm} = 2531,976\text{ kVA}$
  • Hệ số công suất tự nhiên: $\cos\varphi_{nm} = 0,784$

Chương 2: Thiết kế mạng điện cho phân xưởng cơ khí và nhà máy

Tác giả phân tích ưu nhược điểm của các sơ đồ nối dây mạng điện hạ áp (sơ đồ hình tia, sơ đồ phân nhánh và sơ đồ hỗn hợp). Sơ đồ hình tia được lựa chọn cho phân xưởng cơ khí vì đáp ứng yêu cầu cung cấp điện độ tin cậy cao cho hộ loại I và II. Cấu trúc mạng điện gồm 1 tủ phân phối tiếp nhận điện áp $380\text{ V}$ từ trạm biến áp, cấp nguồn cho 5 tủ động lực (4 tủ cấp cho 4 nhóm máy công cụ, 1 tủ cấp điện chiếu sáng). Dây dẫn từ tủ động lực đến các máy sử dụng cáp đồng 4 lõi chôn ngầm trong nền xưởng sâu $30\text{ cm}$ qua ống thép bảo vệ.

Nguồn điện lưới cấp vào nhà máy có điện áp $10\text{ kV}$. Tác giả đề xuất và so sánh 2 phương án trạm biến áp hạ áp $10/0,4\text{ kV}$:

  • Phương án I: Sử dụng 2 máy biến áp $1600\text{ kVA} - 10/0,4\text{ kV}$ chế tạo tại Việt Nam, đặt trong 1 trạm, vận hành độc lập.
  • Phương án II: Sử dụng 3 máy biến áp $1000\text{ kVA} - 10/0,4\text{ kV}$ chế tạo tại Việt Nam, đặt trong 2 trạm.

Kiểm tra kỹ thuật ở chế độ bình thường và chế độ quá tải sự cố khi hỏng 1 máy biến áp (hệ số quá tải cho phép $k_{qt} = 1,4$):

  • Phương án I: Công suất dự phòng sự cố $S_{qt} = (2 - 1) \cdot 1600 \cdot 1,4 = 2240\text{ kVA}$, lớn hơn phụ tải loại I cần ưu tiên cấp điện ($S_{ttI} = 1826,117\text{ kVA}$).
  • Phương án II: Công suất dự phòng sự cố $S_{qt} = (3 - 1) \cdot 1000 \cdot 1,4 = 2800\text{ kVA} > S_{ttI} = 1826,117\text{ kVA}$.

So sánh kinh tế qua hàm chi phí tính toán $Z$ thể hiện trong bảng sau:

Phương án Tổn thất điện năng $\Delta A$ (kWh/năm) Vốn đầu tư MBA (đồng) Chi phí vận hành / tổn thất $C$ (đồng/năm) Chi phí tính toán $Z$ (đồng/năm)
I (2 x 1600 kVA) 113.142,213 $995,2 \cdot 10^6$ 240.565.170 452.785.170
II (3 x 1000 kVA) 120.281,585 $960,0 \cdot 10^6$ Chi phí cao hơn do tổn thất lớn Lớn hơn phương án I

Phương án I có chỉ tiêu kinh tế tối ưu ($Z$ nhỏ nhất) nên được lựa chọn chính thức. Tổn thất công suất trong 2 máy biến áp $1600\text{ kVA}$ là $\Delta P_{BA} = 23,621\text{ kW}$ và tổn thất toàn phần $\Delta S_{BA} = 144,208\text{ kVA}$.

Vị trí trạm biến áp được xác định theo phương pháp tọa độ trung tâm phụ tải trên mặt bằng hình học: $$X = \frac{\sum (X_i \cdot P_{tti})}{\sum P_{tti}} = \frac{38269,151}{2215,648} = 17,273\text{ cm}$$ $$Y = \frac{\sum (Y_i \cdot P_{tti})}{\sum P_{tti}} = \frac{15582,14}{2215,648} = 7,033\text{ cm}$$ Trạm biến áp được bố trí tại tọa độ tối ưu $(17,273\text{ cm}; 7,033\text{ cm})$ trên bản vẽ mặt bằng để cực tiểu hóa bán kính cấp điện và tổn thất điện áp.

Về thiết bị hạ áp phân xưởng, tác giả chọn khí cụ đóng cắt và cáp dẫn:

  • Aptomat bảo vệ động cơ: Sử dụng MCCB hãng Mitsubishi (Nhật Bản) dòng EA53-G ($380\text{ V}$, dòng $10\text{ A}$, $20\text{ A}$, $30\text{ A}$, $40\text{ A}$), EA103-G ($60\text{ A}$, $75\text{ A}$), EA203-G ($160\text{ A}$), SA403-H ($400\text{ A}$).
  • Aptomat bảo vệ tủ động lực nhóm: Nhóm 1 dùng EA203-G ($160\text{ A}$), Nhóm 2 dùng EA53-G ($40\text{ A}$), Nhóm 3 dùng SA403-H ($300\text{ A}$), Nhóm 4 dùng SA403-H ($300\text{ A}$).
  • Aptomat tổng phân xưởng: Dòng SA1003-G Mitsubishi (3 cực, $U_{đm} = 380\text{ V}$, $I_{đm} = 1000\text{ A}$, dòng cắt định mức $I_N = 50\text{ kA}$).
  • Aptomat chiếu sáng phân xưởng: Loại NF30-CS Mitsubishi (3 cực, $380\text{ V}$, $20\text{ A}$).
  • Cáp điện hạ áp: Dùng cáp đồng CADIVI chôn ngầm loại CVV/DTA 4 lõi cách điện PVC, chọn theo dòng điện phát nóng cho phép lâu dài có xét hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ môi trường đất $k_1 = 0,96$ và hệ số ghép cáp $k_2 = 1$. Tiết diện lõi cáp chọn từ $4 \times 1,5\text{ mm}^2$ đến $4 \times 35\text{ mm}^2$.
  • Nguồn điện dự phòng toàn nhà máy: Trang bị máy phát điện diesel Mitsubishi công suất $2100\text{ kVA}$.

Chương 3: Chọn và kiểm tra thiết bị điện cho phân xưởng và nhà máy

Nội dung chương tập trung vào tính toán lựa chọn và kiểm tra khí cụ điện cao áp ($10\text{ kV}$) và hạ áp ($0,4\text{ kV}$):

  • Thiết bị cao áp: Dao cách ly đầu vào nhà máy, dao cách ly đầu vào trạm biến áp, dao cách ly cho máy cắt liên lạc, máy cắt đầu vào trạm biến áp, máy cắt liên lạc trên thanh cái cao áp.
  • Thiết bị hạ áp: Thanh cái cao áp và hạ áp, sứ đỡ thanh cái, aptomat tổng đầu ra máy biến áp, aptomat liên lạc trên thanh cái hạ áp, tuyến cáp cấp điện từ trạm biến áp đến từng phân xưởng.
  • Tính toán ngắn mạch: Xác định các điểm ngắn mạch trên hệ thống phân phối để tính dòng ngắn mạch ba pha và dòng ngắn mạch hai pha. Các thông số dòng ngắn mạch chu kỳ, dòng ngắn mạch xung kích ($i_{xk}$) và công suất ngắn mạch được sử dụng làm căn cứ kiểm tra khả năng ổn định nhiệt và ổn định lực điện động của dao cách ly, máy cắt liên lạc, thanh dẫn đồng và sứ đỡ cách điện.

Chương 4: Thiết kế bảo vệ chống sét và tính toán bù công suất

Chương 4 hoàn thiện phương án an toàn và tối ưu hóa vận hành hệ thống cấp điện:

  • Bảo vệ chống sét: Phân tích nguy cơ gián đoạn do sét đối với các công trình công nghiệp ngành than; lựa chọn giải pháp phòng chống sét cho toàn bộ diện tích nhà xưởng; tính toán phạm vi bán kính và độ cao bảo vệ của hệ thống kim thu sét đánh thẳng; bố trí chống sét van bảo vệ trạm biến áp nhằm ngăn ngừa sóng sét lan truyền từ lưới điện trên không $10\text{ kV}$.
  • Bù công suất phản kháng: Phân tích hệ số công suất tự nhiên của toàn nhà máy ($\cos\varphi_{nm} = 0,784$), thấp hơn tiêu chuẩn quy định của ngành điện ($\ge 0,9$). Tác giả trình bày các giải pháp nâng cao hệ số công suất tự nhiên và tính toán dung lượng tụ bù hạ áp lắp đặt tại tủ phân phối trạm biến áp, giúp giảm tổn thất điện áp, giảm tổn thất công suất tác dụng trong máy biến áp và nâng cao hiệu quả kinh tế khi vận hành.

Thiết kế và triển khai kỹ thuật

Hệ thống phân phối điện nhà máy CT20 được thiết kế đồng bộ theo cấu trúc kỹ thuật phân tầng:

  • Cấu trúc tiếp nhận và phân phối trung thế: Nguồn điện $10\text{ kV}$ dẫn vào thanh cái cao áp trạm biến áp trung tâm, phân đoạn bằng máy cắt và dao cách ly liên lạc. Trạm biến áp gồm 2 máy biến áp $1600\text{ kVA} - 10/0,4\text{ kV}$ vận hành độc lập, thứ cấp nối vào hai phân đoạn thanh cái hạ áp $380/220\text{ V}$ có aptomat liên lạc.
  • Cấu trúc mạng hạ áp: Tuyến cáp từ trạm biến áp đến các phân xưởng đi bằng cáp ngầm đặt trong hào cáp có nắp đậy bê tông. Mạng điện phân xưởng cơ khí bố trí theo sơ đồ hình tia: từ tủ phân phối qua 5 tủ động lực, phân nhánh đến từng động cơ bằng cáp CADIVI CVV/DTA luồn ống thép chôn ngầm sâu $30\text{ cm}$. Góc lượn uốn của ống thép khống chế không nhỏ hơn $120^\circ$ và không uốn quá 2 lần trên một tuyến để thuận tiện luồn và thay thế cáp.
  • Thông số kỹ thuật thiết bị:
    • Máy biến áp: Loại $1600\text{ kVA} - 10/0,4\text{ kV}$, tổn thất không tải $P_0 = 2,1\text{ kW}$, tổn thất ngắn mạch $P_N = 15,5\text{ kW}$, điện áp ngắn mạch $U_N% = 5,5%$, dòng điện không tải $i_0% = 1%$.
    • Khí cụ đóng cắt: MCCB Mitsubishi các dòng SA1003-G ($I_{đm} = 1000\text{ A}$, $I_N = 50\text{ kA}$), SA403-H ($300\text{ A} - 400\text{ A}$), EA203-G ($160\text{ A}$), EA103-G ($60\text{ A} - 75\text{ A}$), EA53-G ($10\text{ A} - 40\text{ A}$), NF30-CS ($20\text{ A}$).
    • Máy phát điện dự phòng: Mitsubishi công suất $2100\text{ kVA}$ đáp ứng cấp điện cho các phụ tải loại I khi mất nguồn lưới $10\text{ kV}$.
  • Tiêu chuẩn kiểm tra: Toàn bộ dây dẫn và khí cụ đóng cắt được kiểm tra đồng thời theo điều kiện dòng điện làm việc lâu dài cho phép ($I_{cp} \ge I_{lvmax}$), điều kiện mở máy động cơ và kiểm tra ổn định điện động, ổn định nhiệt theo dòng ngắn mạch.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể có số liệu kiểm chứng:

  • Xác định chính xác tổng phụ tải tính toán của toàn bộ nhà máy CT20: $P_{ttnm} = 1985,822\text{ kW}$; $Q_{ttnm} = 1570,8\text{ kVAr}$; $S_{ttnm} = 2531,976\text{ kVA}$; $\cos\varphi_{nm} = 0,784$.
  • Xác lập phương án cấp nguồn tối ưu bằng 2 máy biến áp $1600\text{ kVA} - 10/0,4\text{ kV}$, đạt mức chi phí tính toán quy đổi hàng năm thấp nhất $Z = 452.785.170\text{ đồng/năm}$, thấp hơn phương án dùng 3 máy biến áp $1000\text{ kVA}$.
  • Định vị chính xác tọa độ trạm biến áp tại trung tâm phụ tải $(17,273\text{ cm}; 7,033\text{ cm})$ trên bản vẽ mặt bằng nhà máy, giúp giảm thiểu chiều dài đường dây và tổn thất công suất.
  • Hoàn thành thiết kế chi tiết mạng điện phân xưởng cơ khí với phụ tải $P_{ttpx} = 273,86\text{ kW}$, cấu hình sơ đồ hình tia an toàn, lựa chọn đầy đủ chủng loại aptomat MCCB Mitsubishi và cáp CADIVI bảo vệ ngầm.
  • Xây dựng giải pháp kỹ thuật tích hợp bảo vệ chống sét van trên thanh cái $10\text{ kV}$ và tủ tụ bù hạ áp nhằm nâng hệ số $\cos\varphi$ đạt chuẩn vận hành công nghiệp.

Về mặt đóng góp chuyên môn, đồ án cung cấp một bộ hồ sơ tính toán hoàn chỉnh, kết hợp phương pháp lý thuyết số thiết bị hiệu quả với các quy chuẩn tra cứu thực tế, giải quyết trọn vẹn bài toán cung cấp điện cho một tổ hợp sàng tuyển khoáng sản công suất lớn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về mặt hạn chế, văn bản đồ án bộc lộ một số điểm giới hạn:

  • Số liệu phụ tải của các phân xưởng trong toàn nhà máy (Bảng 1.6) được tính toán dựa trên bảng tổng hợp công suất định trước, chưa phân tích chi tiết từng nhóm máy công tác cụ thể như đã thực hiện đối với phân xưởng cơ khí.
  • Thiết kế mạng điện dừng lại ở cấp độ sơ đồ nguyên lý tĩnh và tính chọn thiết bị theo sổ tay tra cứu, chưa tích hợp mô phỏng động học quá trình khởi động các động cơ công suất lớn hoặc phân tích ảnh hưởng của sóng hài do các thiết bị biến tần, thiết bị tôi cao tần ($80\text{ kW}$) gây ra cho lưới điện.
  • Đồ án chưa thiết kế chi tiết mạch điều khiển tự động chuyển đổi nguồn (ATS) giữa trạm biến áp và máy phát điện dự phòng Mitsubishi $2100\text{ kVA}$.

Hướng nghiên cứu mở rộng được đề xuất:

  • Nghiên cứu tích hợp hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu tự động (SCADA/EMS) để giám sát trực tuyến thông số vận hành của 2 máy biến áp và các tủ phân phối hạ áp.
  • Thiết kế hệ thống tự động điều khiển đóng cắt các dàn tụ bù theo nhiều cấp dung lượng thực tế để ổn định hệ số công suất khi phụ tải nhà máy dao động.
  • Tính toán lắp đặt bộ lọc sóng hài chủ động tại các xuất tuyến cấp nguồn cho thiết bị nhiệt luyện, hàn và cao tần.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các chuyên ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện, Thiết bị điện và Tự động hóa công nghiệp khi thực hiện đồ án môn học Cung cấp điện hoặc đồ án tốt nghiệp kỹ sư. Tài liệu cũng có giá trị tham khảo đối với kỹ sư cơ điện đang công tác tại các nhà máy tuyển khoáng, chế biến than hoặc các xí nghiệp cơ khí chế tạo có quy mô phụ tải loại I và loại II.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu gồm:

  • Quy trình từng bước tính toán phụ tải theo phương pháp số thiết bị hiệu quả ($n_{hq}$), bao gồm công thức quy đổi $n^$, $p^$, cách tra bảng tìm $n^*{hp}$, $k{max}$ và tính giá trị trung bình có trọng số của $k_{sd}$ và $\cos\varphi$.
  • Phương pháp luận so sánh kinh tế - kỹ thuật các phương án trạm biến áp sử dụng hàm chi phí tính toán quy đổi $Z$.
  • Bảng danh mục tra chọn thiết bị bảo vệ MCCB Mitsubishi và cáp đồng lực CADIVI CVV/DTA tương thích với từng cấp công suất máy công cụ.

Câu hỏi thường gặp

1. Phụ tải tính toán toàn bộ nhà máy CT20 được xác định với các thông số cụ thể nào?
Phụ tải tính toán toàn nhà máy gồm công suất tác dụng $P_{ttnm} = 1985,822\text{ kW}$, công suất phản kháng $Q_{ttnm} = 1570,8\text{ kVAr}$, công suất toàn phần $S_{ttnm} = 2531,976\text{ kVA}$, với hệ số công suất tự nhiên $\cos\varphi_{nm} = 0,784$ (tính toán với hệ số phát triển $k_{pt} = 1,05$ và hệ số đồng thời $k_{đt} = 0,85$).

2. Vì sao phương án 2 máy biến áp 1600 kVA được lựa chọn thay vì phương án 3 máy biến áp 1000 kVA?
Về kỹ thuật, cả hai phương án đều đáp ứng cấp điện cho phụ tải loại I khi gặp sự cố 1 máy biến áp ($S_{qt} \ge S_{ttI} = 1826,117\text{ kVA}$). Tuy nhiên, phương án 2 máy biến áp $1600\text{ kVA}$ có tổn thất điện năng thấp hơn ($113.142,213\text{ kWh/năm}$ so với $120.281,585\text{ kWh/năm}$) và tổng chi phí tính toán quy đổi hàng năm tối ưu hơn ($Z = 452.785.170\text{ đồng/năm}$), đồng thời bố trí gọn trong 1 trạm biến áp giúp tiết kiệm chi phí xây dựng và quản lý vận hành.

3. Tọa độ trung tâm phụ tải của nhà máy CT20 được xác định ở vị trí nào?
Dựa trên tọa độ hình học và công suất tính toán của 15 phân xưởng trên mặt bằng, trạm biến áp được xác định đặt tại tọa độ trọng tâm phụ tải là $X = 17,273\text{ cm}$ và $Y = 7,033\text{ cm}$ trên bản vẽ quy hoạch mặt bằng nhà máy.

4. Mạng điện hạ áp phân xưởng cơ khí được thiết kế theo cấu trúc nào và bảo vệ bằng thiết bị gì?
Mạng điện phân xưởng cơ khí sử dụng sơ đồ hình tia gồm 1 tủ phân phối cấp nguồn cho 5 tủ động lực qua cáp ngầm luồn ống thép chôn sâu $30\text{ cm}$. Thiết bị đóng cắt bảo vệ sử dụng MCCB của hãng Mitsubishi: aptomat tổng phân xưởng loại SA1003-G ($1000\text{ A}$, dòng cắt $50\text{ kA}$), các aptomat nhóm và máy công tác dùng các dòng SA403-H, EA203-G, EA103-G và EA53-G.

5. Nguồn điện dự phòng của nhà máy được trang bị loại máy phát nào?
Toàn bộ hệ thống được trang bị 1 máy phát điện dự phòng diesel Mitsubishi công suất định mức $2100\text{ kVA}$ để sẵn sàng cấp điện cho các dây chuyền tuyển than trọng yếu thuộc hộ phụ tải loại I khi nguồn lưới $10\text{ kV}$ gặp sự cố.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Tạ Đình Hảo đã hoàn thành đầy đủ các nội dung thiết kế kỹ thuật hệ thống cung cấp điện cho phân xưởng cơ khí và toàn bộ nhà máy tuyển than CT20. Bằng việc kết hợp chặt chẽ phương pháp tính toán phụ tải theo số thiết bị hiệu quả với bài toán so sánh chi phí kinh tế quy đổi, tác giả đã lựa chọn giải pháp trạm biến áp 2 máy $1600\text{ kVA} - 10/0,4\text{ kV}$ đặt tại tâm phụ tải, đi kèm hệ thống phân phối hình tia, bảo vệ chống sét van và bù công suất phản kháng tối ưu. Kết quả thiết kế đảm bảo độ tin cậy cấp điện liên tục cho dây chuyền sàng tuyển than quy mô lớn, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật an toàn và hiệu quả vận hành công nghiệp.