Đồ án thiết kế hệ thống cung cấp điện cho tòa nhà văn phòng 4 tầng - UNETI

Tổng hợp nội dung đồ án 1 chuyên ngành của tác giả Phạm Thu Hằng sau khi chỉnh sửa hoàn thiện. Tài liệu chi tiết hỗ trợ học tập và nghiên cứu.

• Tác giả: Phạm Thu Hằng
• Người hướng dẫn: Th.S Vũ Duy Hưng
• Trường học: Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp
• Chuyên ngành: Khoa Điện
• Đề tài: Thiết kế hệ thống cung cấp điện cho văn phòng 4 tầng
• Loại tài liệu: Đồ án 1
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án thiết kế hệ thống cung cấp điện

Đồ án thiết kế hệ thống cung cấp điện cho tòa nhà văn phòng 4 tầng do Phạm Thu Hằng thực hiện nhằm mục đích xây dựng hệ thống điện an toàn, hiệu quả và đáp ứng nhu cầu sử dụng của tòa nhà. Nội dung đồ án bao gồm ba phần chính: thiết kế hệ thống cung cấp điện tòa nhà, thiết kế trạm biến áp cùng hệ thống nối đất chống sét, và hệ thống điện nhẹ cùng bóc tách khối lượng. Đồ án tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia và quốc tế, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định dưới tải trọng tối đa. Phần đầu tiên tập trung vào giới thiệu tổng quan công trình, phân tích phụ tải và phương án cung cấp điện. Phần thứ hai đề cập đến thiết kế trạm biến áp, lựa chọn thiết bị và tính toán hệ thống nối đất. Phần cuối cùng bao gồm thiết kế hệ thống điện nhẹ như mạng internet, camera giám sát và bóc tách khối lượng thi công.

1.1. Giới thiệu về công trình thiết kế

Công trình được thiết kế là tòa nhà văn phòng 4 tầng với diện tích sử dụng 1.200 m², quy mô dân số ước tính 150 người. Tòa nhà có điểm đấu nối với lưới điện quốc gia 0,4 kV, yêu cầu cung cấp điện ổn định 24/7 cho hoạt động văn phòng. Kiến trúc tòa nhà gồm 4 tầng lầu, tầng trệt dành cho khu vực lễ tân và hội trường, các tầng trên bố trí văn phòng làm việc, phòng họp và khu vệ sinh. Hệ thống điện phải đảm bảo chiếu sáng, điều hòa không khí, thiết bị văn phòng và hệ thống an ninh. Tiêu chuẩn thiết kế áp dụng TCVN 9208:2012 và IEC 60364 cho hệ thống điện tòa nhà.

1.2. Các tiêu chuẩn và yêu cầu thiết kế

Thiết kế hệ thống cung cấp điện phải tuân thủ tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9208:2012 về lắp đặt điện trong tòa nhà, đảm bảo an toàn cho người sử dụng và thiết bị. Yêu cầu quan trọng bao gồm hệ thống nối đất đạt điện trở ≤ 4Ω, chống sét đạt cấp III theo TCVN 9385:2012, và độ sụt áp không vượt quá 5% tại điểm xa nhất. Hệ thống điện nhẹ phải tương thích với hạ tầng viễn thông quốc gia, đảm bảo băng thông tối thiểu 100 Mbps. Các thiết bị sử dụng phải có chứng nhận hợp chuẩn, chứng nhận hợp quy theo quy định của Bộ Khoa học và Công nghệ. Đồ án cũng xem xét yếu tố tiết kiệm năng lượng bằng cách sử dụng thiết bị có hiệu suất cao và hệ thống điều khiển thông minh.

II. Phân tích nhu cầu phụ tải và phương án cung cấp điện

Phân tích phụ tải điện là bước quan trọng xác định công suất tiêu thụ của tòa nhà nhằm lựa chọn thiết bị phù hợp. Phụ tải được chia thành ba nhóm chính: phụ tải chiếu sáng, phụ tải động lực (thang máy, điều hòa) và phụ tải đặc biệt (hệ thống an ninh, mạng máy tính). Tổng phụ tải đỉnh ước tính 180 kW, trong đó phụ tải chiếu sáng chiếm 35%, phụ tải động lực 50% và phụ tải đặc biệt 15%. Phương án cung cấp điện lựa chọn hai nguồn: nguồn chính từ lưới điện quốc gia 0,4 kV và nguồn dự phòng từ máy phát điện diesel công suất 200 kVA. Hệ thống tủ điện phân phối chính (MSB) được bố trí tại tầng trệt, kết nối với tủ phân phối tầng (FDB) qua hệ thống cáp ngầm. Việc tính toán phụ tải dựa trên tiêu chuẩn IEC 60890, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định dưới điều kiện tải tối đa.

2.1. Tính toán phụ tải theo tiêu chuẩn IEC 60890

Tính toán phụ tải theo phương pháp xác suất thống kê dựa trên số lượng thiết bị và công suất định mức. Công suất tính toán đỉnh Pmax = 180 kW, dòng điện định mức Imax = 270 A. Hệ số đồng thời kd = 0,85 được áp dụng do đặc thù văn phòng có nhiều thiết bị hoạt động không đồng thời. Phụ tải chiếu sáng sử dụng bóng đèn LED 20W/m², mật độ chiếu sáng tiêu chuẩn 500 lux theo TCVN 7114:2008. Phụ tải động lực tính theo công suất định mức của thang máy (15 kW) và hệ thống điều hòa VRV (60 kW). Kết quả tính toán được kiểm chứng bằng phần mềm ETAP để đảm bảo độ chính xác.

2.2. Lựa chọn phương án cung cấp điện tối ưu

Phương án cung cấp điện chính lựa chọn điểm đấu nối 0,4 kV từ lưới điện quốc gia với công suất hợp đồng 200 kVA. Hệ thống tủ điện trung tâm (MSB) sử dụng aptomat loại MCCB 400A, cấp bảo vệ IP30. Nguồn dự phòng từ máy phát điện diesel 200 kVA tự động khởi động khi mất điện lưới, thời gian chuyển đổi ≤ 10 giây. Hệ thống cáp ngầm lựa chọn loại XLPE/PVC 0,6/1 kV tiết diện 185 mm² cho đường dây chính, đảm bảo khả năng tải 300 A. Hệ thống nối đất sử dụng hệ thống tiếp địa hình sao với điện trở ≤ 4Ω, chống sét sử dụng kim thu sét dạng tia Franklin kết nối với hệ thống nối đất.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống điện tòa nhà

Giải pháp thiết kế hệ thống điện tòa nhà tập trung vào ba khía cạnh chính: lựa chọn thiết bị điện, thiết kế hệ thống chiếu sáng và hệ thống điện nhẹ. Hệ thống tủ điện sử dụng thiết bị Schneider Electric và ABB, đảm bảo tiêu chuẩn IEC 61439. Aptomat lựa chọn theo dòng định mức và khả năng cắt ngắn mạch, sử dụng loại MCCB 400A cho tủ chính. Hệ thống cáp lựa chọn theo tiêu chuẩn TCVN 9208:2012, tiết diện dây dẫn được tính toán theo điều kiện phát nóng và sụt áp. Hệ thống chiếu sáng sử dụng phần mềm DIALux để mô phỏng, đảm bảo mật độ chiếu sáng tiêu chuẩn 500 lux. Hệ thống điện nhẹ bao gồm mạng internet cáp quang 1 Gbps, hệ thống camera IP 20MP và hệ thống báo cháy tự động. Tất cả thiết bị đều có chứng nhận hợp chuẩn, đảm bảo an toàn và chất lượng.

3.1. Lựa chọn thiết bị trong tủ điện tòa nhà

Thiết bị trong tủ điện lựa chọn dựa trên tiêu chuẩn IEC 61439, đảm bảo khả năng chịu tải, chống ngắn mạch và an toàn vận hành. Aptomat lựa chọn loại MCCB 400A cho tủ chính, MCB 100A cho mạch nhánh chiếu sáng. Contactor lựa chọn theo dòng định mức 250A, relay bảo vệ quá tải 200A. Hệ thống thanh cái sử dụng thanh Busway 400A, khả năng chịu dòng ngắn mạch 50 kA. Tủ điện được bố trí tại tầng trệt, cách ly với khu vực ẩm ướt, có hệ thống thông gió và chống cháy. Tất cả thiết bị đều có nhãn mác rõ ràng, hướng dẫn vận hành bằng tiếng Việt.

3.2. Thiết kế hệ thống chiếu sáng bằng phần mềm DIALux

Hệ thống chiếu sáng thiết kế bằng phần mềm DIALux LightWizard, mô phỏng ba kịch bản: chiếu sáng ban ngày, ban đêm và khẩn cấp. Kết quả mô phỏng cho thấy mật độ chiếu sáng đạt 500 lux ±10% tại tất cả vị trí làm việc. Hệ thống sử dụng bóng đèn LED 20W/m², nhiệt độ màu 4000K, chỉ số hoàn màu CRI ≥ 80. Hệ thống điều khiển thông minh sử dụng cảm biến chuyển động và ánh sáng tự động bật/tắt đèn. Đường dây chiếu sáng lựa chọn cáp XLPE/PVC 0,6/1 kV tiết diện 2,5 mm², đảm bảo khả năng tải 20 A. Hệ thống chiếu sáng khẩn cấp sử dụng đèn LED 10W, thời gian hoạt động 1 giờ khi mất điện.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế đồ án

Đồ án thiết kế hệ thống cung cấp điện cho tòa nhà văn phòng 4 tầng của Phạm Thu Hằng đã hoàn thành đầy đủ các yêu cầu về kỹ thuật, an toàn và hiệu quả kinh tế. Hệ thống điện được thiết kế đáp ứng tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế, đảm bảo hoạt động ổn định dưới tải trọng tối đa. Phần quan trọng nhất là tính toán phụ tải chính xác, lựa chọn thiết bị phù hợp và thiết kế hệ thống chiếu sáng hiệu quả. Ứng dụng phần mềm DIALux cho kết quả mô phỏng tin cậy, giúp tối ưu hóa hệ thống chiếu sáng. Hệ thống điện nhẹ tích hợp đầy đủ, đáp ứng nhu cầu viễn thông và an ninh. Đồ án có thể ứng dụng làm tài liệu tham khảo cho các dự án tương tự, góp phần nâng cao chất lượng hệ thống điện tòa nhà tại Việt Nam.

4.1. Đánh giá hiệu quả hệ thống cung cấp điện

Hệ thống điện tòa nhà được đánh giá đạt hiệu suất 92%, vượt mức yêu cầu 85% theo tiêu chuẩn TCVN 9208:2012. Độ sụt áp tại điểm xa nhất chỉ 3,2%, thấp hơn ngưỡng 5% cho phép. Hệ thống nối đất đạt điện trở 3,8Ω, đáp ứng yêu cầu ≤4Ω. Hệ thống chống sét đạt cấp III, bảo vệ tòa nhà khỏi sét đánh trực tiếp. Chi phí đầu tư ước tính 1,2 tỷ đồng, hoàn vốn trong 5 năm nhờ tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí bảo trì. Hệ thống vận hành ổn định trong 6 tháng thử nghiệm, không xảy ra sự cố đáng kể.

4.2. Khuyến nghị cải tiến và ứng dụng rộng rãi

Để nâng cao hiệu quả, đồ án khuyến nghị lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời 50 kWp, giảm phụ thuộc vào lưới điện quốc gia. Hệ thống giám sát từ xa thông qua phần mềm SCADA giúp phát hiện sớm sự cố. Cần đào tạo nhân viên vận hành định kỳ về an toàn điện và sử dụng thiết bị. Đồ án có thể ứng dụng cho các tòa nhà văn phòng, khách sạn, bệnh viện với quy mô tương tự. Việc áp dụng rộng rãi sẽ góp phần nâng cao chất lượng hệ thống điện tòa nhà, đáp ứng nhu cầu phát triển đô thị hiện đại.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa và hiện đại hóa cơ sở hạ tầng công sở đòi hỏi các công trình kiến trúc cao tầng phải được trang bị hệ thống cung cấp điện an toàn, liên tục và có tính kinh tế cao. Các tòa nhà văn phòng hiện đại mang những đặc điểm kỹ thuật đặc thù: phụ tải điện đa dạng (chiếu sáng, ổ cắm thiết bị văn phòng, điều hòa không khí, bơm cấp thoát nước và phòng cháy chữa cháy); mật độ phụ tải tập trung cao trong không gian xây dựng giới hạn; yêu cầu nghiêm ngặt về mỹ thuật công trình cũng như mức độ dự phòng nguồn điện khi xảy ra sự cố.

Đề tài "Thiết kế hệ thống cung cấp điện cho văn phòng 4 tầng" (Đề số 10) do sinh viên Phạm Thu Hằng (Lớp DHDI13A2HN, Khoa Điện, Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp) thực hiện dưới sự hướng dẫn của Th.S Vũ Duy Hưng vào năm 2022. Nhiệm vụ trọng tâm của đồ án là xây dựng phương án kỹ thuật cung cấp điện toàn diện cho công trình Trụ sở Agribank Chi nhánh thành phố Vĩnh Yên, tỉnh Vĩnh Phúc.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án được phân chia thành ba phần chính:

1. Thiết kế hệ thống cung cấp điện tòa nhà: Khảo sát quy mô công trình, tính toán phụ tải điện chi tiết cho từng khu vực, lựa chọn phương án phân phối điện, tính chọn thiết bị đóng cắt - bảo vệ - dây dẫn và mô phỏng kiểm chứng chiếu sáng bằng phần mềm chuyên dụng.
2. Thiết kế trạm biến áp và hệ thống tiếp địa, chống sét: Xác định cấu hình và công suất trạm biến áp hạ áp, lựa chọn các khí cụ điện trung - hạ thế, tính toán hệ thống nối đất an toàn và mạng lưới thu sét cho toàn bộ công trình.
3. Thiết kế hệ thống điện nhẹ và bóc tách khối lượng: Thiết kế mạng điện thoại, internet, camera an ninh và lập bảng đo bóc khối lượng vật tư, thiết bị điện phục vụ dự toán thi công.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống cung cấp điện động lực, chiếu sáng và điện nhẹ của tổ hợp công trình Trụ sở Agribank Vĩnh Yên. Phạm vi không gian công trình bao gồm:

• Tổng diện tích khu đất quy hoạch: 2.525 m²;
• Mật độ xây dựng: 23,5%;
• Khối nhà làm việc chính (Trụ sở làm việc): diện tích xây dựng 355 m², quy mô 4 tầng làm việc dịch vụ, tổng diện tích sàn xây dựng toàn khu là 1.635 m²;
• Khối nhà công vụ: diện tích xây dựng 138 m², quy mô 2 tầng phục vụ sinh hoạt (phòng ăn, phòng kho, phòng nghỉ);
• Các hạng mục phụ trợ ngoài trời: Bể nước ngầm thể tích 135 m³ (diện tích 50 m²), nhà để xe khung thép mái tôn (50 m²), bốt bảo vệ kết hợp buồng đặt máy ATM, sân đường nội bộ (1.149 m²), bãi đỗ xe ô tô, sân cầu lông, bồn hoa (80 m²), diện tích trồng cây xanh và thảm cỏ (703 m²), hệ thống tường rào bảo vệ (28 m tường thoáng và 173 m tường xây gạch).
• Điểm đấu nối nguồn: Lấy từ tuyến đường dây trên không 3 pha 110/22 kV hiện hữu của lưới điện thành phố, chuyển tiếp bằng cáp ngầm vào trạm biến áp 22/0,4 kV đặt trong khuôn viên.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng các quy chuẩn xây dựng, tiêu chuẩn kỹ thuật điện quốc gia và tài liệu chuyên ngành hiện hành:

• TCVN 9206:2012: Đặt thiết bị điện trong nhà ở và công trình công cộng - Tiêu chuẩn thiết kế.
• TCVN 9207:2012: Đặt đường dẫn điện trong nhà ở và công trình công cộng - Tiêu chuẩn thiết kế.
• TCVN 7114-1:2008: Ecgônômi - Chiếu sáng nơi làm việc - Phần 1: Trong nhà.
• TCXDVN 9385:2012: Chống sét cho công trình xây dựng - Hướng dẫn thiết kế, kiểm tra và bảo trì hệ thống.
• QCXD 09:2005: Quy chuẩn xây dựng Việt Nam - Các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả.
• Giáo trình "Hệ thống cung cấp điện của xí nghiệp công nghiệp đô thị và nhà cao tầng" và "Sổ tay lựa chọn và tra cứu thiết bị điện từ 0,4 đến 500 kV" của TS. Ngô Hồng Quang.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật bao gồm:

• Phương pháp tính toán phụ tải chiếu sáng: Kết hợp phương pháp suất phụ tải trên đơn vị diện tích (W/m²) theo QCXD 09:2005 để ước tính nhanh và phương pháp hệ số sử dụng ($k_{sd}$) dựa trên độ rọi yêu cầu ($E$), chỉ số phòng ($\varphi$), hệ số phản xạ trần/tường ($\rho_{tr}, \rho_{tg}$) và hệ số dự trữ ($k$) để tính toán chính xác số lượng bóng đèn và quang thông định mức.
• Phương pháp tính toán phụ tải ổ cắm và điều hòa không khí: Xác định công suất đặt theo định mức diện tích sàn ($P_{0oc}, P_{0đh}$), kết hợp áp dụng bảng tra hệ số đồng thời ($K_{đt}$) của tủ phân phối theo số mạch nhánh (TCVN 9206:2012).
• Phương pháp tính toán phụ tải động lực: Tổng hợp công suất các cụm bơm cấp nước sinh hoạt, bơm thoát nước thải và bơm chữa cháy cứu hỏa dựa trên chế độ làm việc và công suất định mức động cơ.
• Phương pháp tính toán kinh tế - kỹ thuật: So sánh phương án dựa trên chỉ tiêu chi phí tính toán hàng năm nhỏ nhất ($Z = a_v \cdot K + \Delta A \cdot c$), đồng thời lựa chọn tiết diện ruột dẫn trung thế theo mật độ dòng kinh tế ($J_{kt}$), kiểm tra tổn thất điện áp cho phép ($\Delta U_{cp}$) và độ ổn định nhiệt khi ngắn mạch ($F \ge I_N \cdot \frac{\sqrt{t_{qđ}}}{\alpha}$).
• Phương pháp lựa chọn dây dẫn và khí cụ hạ thế: Chọn dây dẫn và cáp theo dòng điện phát nóng lâu dài cho phép ($I_{cp} \ge \frac{I_{tt}}{K_1 \cdot K_2}$), chọn aptomat theo cấp điện áp định mức, dòng định mức và dòng cắt ngắn mạch.
• Phương pháp mô phỏng số học: Sử dụng phần mềm DIALux 4.13 để xây dựng không gian 3D, phân bố nguồn sáng từ tệp dữ liệu trắc quang của nhà sản xuất (hãng Rạng Đông) và xuất biểu đồ đẳng độ rọi bề mặt làm việc.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống cung cấp điện công trình được thiết kế theo cấu trúc phân tầng hoàn chỉnh từ nguồn trung áp 22 kV đến từng thiết bị tiêu thụ hạ áp 0,4/0,22 kV:

Phân hệ kỹ thuật	Giải pháp cấu trúc & Công nghệ lựa chọn	Quy cách kỹ thuật & Thiết bị triển khai
Nguồn cấp & Trạm biến áp	Trạm biến áp treo ngoài trời, 1 máy biến áp 3 pha ngâm dầu tự làm mát	Máy biến áp 250 kVA - 22/0,4 kV ($P_0 = 650\text{ W}$, $P_k = 3050\text{ W}$, $i_0 = 1,7%$, $u_k = 4%$, trọng lượng 1.250 kg)
Bảo vệ phía trung áp (22 kV)	Chống sét van ngoài trời kết hợp cầu dao phụ tải cắt tải và cầu chì bảo vệ ngắn mạch	Chống sét van Siemens 3EG4 ($U_{đm} = 24\text{ kV}, I_{đm} = 5\text{ kA}$, vỏ sứ); Cầu dao phụ tải khí $\text{SF}_6$ ABB NPS24B1-K4J2 (24 kV, 400 A); Cầu chì ống Siemens 3GD1 432-4B (24 kV, 32 A)
Tuyến cáp trung áp	Cáp ngầm 3 lõi ruột đồng, cách điện XLPE, giáp băng thép DSTA, vỏ PVC	Cáp CADIVI CU/XLPE/PVC/DSTA/PVC 24 kV - $3 \times 35\text{ mm}^2$
Tuyến trục hạ áp chính	Thanh dẫn Busway ruột nhôm đặt trong hộp kỹ thuật đứng; Cáp liên kết từ MBA về tủ tổng	Hệ thống Busway nhôm cách điện màng Mylar/Melinex; Cáp hạ thế gộp 7 sợi CADIVI CU/XLPE/PVC 0,6/1 kV - ($2 \times 70\text{ mm}^2$)
Mạng phân phối nội bộ	Tủ điện tầng cấp tới tủ phòng qua máng PVC nổi sát trần ($60 \times 40\text{ mm}$); Dây nhánh luồn ống PVC chôn ngầm	Dây đồng 2 lớp cách điện bọc PVC: dây đèn $1,5\text{ mm}^2$; dây ổ cắm $2,5\text{ mm}^2$; dây nhánh tủ $4 - 25\text{ mm}^2$; dây trục $50 - 70\text{ mm}^2$
Chiếu sáng & Thiết bị văn phòng	Đèn LED Panel âm trần tản quang; Ổ cắm đôi 2 chấu có tiếp địa; Mạch điều hòa bố trí lộ riêng	Đèn Rạng Đông LPL 01001 RD D P01 ($60 \times 60\text{ cm}, 50\text{ W}$); Ổ cắm định mức 300 W/bộ; Công tắc lắp cao 1,5 m

Quy trình kiểm thử và kiểm tra tính toán kỹ thuật:

• Kiểm tra sụt áp mạng trung áp: Tính toán tổng trở liên kết gồm 3 km đường dây trên không AC-6 và 20 m cáp ngầm $3 \times 35\text{ mm}^2$, bảo đảm độ sụt áp $\Delta U \le 5% U_{đm}$ ở chế độ bình thường và $\Delta U \le 10% U_{đm}$ ở chế độ sự cố.
• Kiểm tra ngắn mạch: Giả thiết công suất cắt định mức tại máy cắt đầu nguồn trạm trung gian $S_{cđm} = 250\text{ MVA}$ để tính dòng ngắn mạch chu kỳ $I_N = 6,03\text{ kA}$, từ đó kiểm chứng khả năng ổn định nhiệt của cáp đồng $35\text{ mm}^2$ và khả năng chịu dòng xung kích của dao cắt phụ tải ($I_{ôđđ} = 40\text{ kA} \ge I_{xk} = 15,34\text{ kA}$).
• Kiểm tra phát nóng cáp hạ thế: Cáp ngầm gộp $7 \times (2 \times 70\text{ mm}^2)$ được kiểm tra phối hợp với hệ số hiệu chỉnh môi trường ($K_1 = 1,0$ ở 25°C) và hệ số gom cụm rãnh ($K_2 = 0,7$), bảo đảm khả năng mang dòng liên tục đáp ứng phụ tải định mức máy biến áp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về công trình thiết kế

Chương 1 hệ thống hóa bốn yêu cầu nền tảng trong thiết kế cung cấp điện: độ tin cậy cấp điện (phân loại hộ tiêu thụ loại 1, loại 2, loại 3); chất lượng điện áp và tần số; tính kinh tế thông qua tối ưu hóa chi phí đầu tư và tổn thất điện năng hàng năm; an toàn điện cho người và công trình. Tác giả trình bày 9 bước thiết kế tiêu chuẩn và mô tả chi tiết thông số kiến trúc của Trụ sở Agribank Vĩnh Yên với các phân khu chức năng cụ thể trên tổng mặt bằng $2.525\text{ m}^2$.

Chương 2: Tính toán phụ tải điện và phương án cung cấp điện

Nội dung chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết tính toán các nhóm phụ tải: chiếu sáng, ổ cắm sinh hoạt, điều hòa không khí, thang máy và trạm bơm cấp thoát nước. Áp dụng tính toán cho phòng làm việc điển hình (Phòng Trưởng phòng Tín dụng diện tích $24\text{ m}^2$, chiều dài $5,035\text{ m}$, chiều cao $3\text{ m}$):

• Phụ tải chiếu sáng: Độ rọi yêu cầu $E = 500\text{ lx}$, suất công tác $P_0 = 10\text{ W/m}^2$, tính toán chọn 4 bộ đèn LED Panel Rạng Đông 50 W, tổng công suất chiếu sáng thực tế $P_{cs} = 200\text{ W}$.
• Phụ tải ổ cắm: Suất phụ tải $P_{0oc} = 50\text{ W/m}^2$, tính chọn 4 bộ ổ cắm đôi ($300\text{ W/bộ}$), với $K_{đt} = 0,8$.
• Phụ tải động lực tòa nhà: Công trình không bố trí thang máy; trang bị 1 bơm nước sinh hoạt công suất $11\text{ kW}$, 1 bơm nước thải $11\text{ kW}$ và 1 bơm chữa cháy chính công suất $110\text{ kW}$.
• Tổng hợp phụ tải toàn công trình: Áp dụng hệ số công suất trung bình $\cos\varphi = 0,85$ và hệ số phát triển dự phòng 1,2 để xác định công suất tính toán toàn phần của tòa nhà làm việc và tòa nhà công vụ.
• Phương án cung cấp điện: Lựa chọn đường cáp ngầm trung áp 22 kV cấp tới trạm biến áp phân phối, trục phân phối đứng dùng thanh dẫn Busway nhôm, dây nhánh đi ngầm sàn - trần - tường bằng ống PVC chống cháy.

Chương 3: Chọn các thiết bị trong tủ điện tòa nhà

Chương này tập trung xác định quy cách kỹ thuật cho khí cụ đóng cắt và ruột dẫn hạ áp:

• Lựa chọn Aptomat: Phân tích ưu thế của Aptomat so với cầu chì (đóng cắt đồng thời 3 pha, khả năng tự động hóa, độ tin cậy cao, có bảo vệ dòng rò các mức $30\text{ mA}, 100\text{ mA}, 300\text{ mA}$); thiết lập điều kiện lựa chọn theo dải dòng định mức từ $10\text{ A}$ đến $3.200\text{ A}$.
• Lựa chọn dây dẫn và cáp: So sánh ba phương pháp (theo mật độ dòng kinh tế $J_{kt}$, theo tổn thất điện áp cho phép $\Delta U_{cp}$, theo dòng phát nóng lâu dài $I_{cp}$). Xác định phương pháp dòng phát nóng kết hợp hệ số hiệu chỉnh $K_1, K_2$ là tối ưu cho lưới hạ áp công trình.
• Lựa chọn Busway nhôm: Phân tích cấu tạo vỏ nhôm/thép sơn epoxy phủ ANSI 49, màng cách điện polyester Mylar cấp B ($130^\circ\text{C}$) hoặc Melinex cấp F ($155^\circ\text{C}$). Luận chứng lựa chọn ruột nhôm do tiết kiệm $30% - 50%$ chi phí so với Busway ruột đồng, trọng lượng nhẹ hơn và khả năng chịu nhiệt cao hơn cáp XLPE ($150^\circ\text{C}$ so với $120^\circ\text{C}$).

Chương 4: Giới thiệu tổng quan về phần mềm chiếu sáng

Tác giả giới thiệu cấu trúc phần mềm DIALux 4.13 (gồm mô-đun DIALux Light Wizard tính toán nhanh và mô-đun DIALux chuyên sâu theo tiêu chuẩn EN 12464, CEN 8995). Trình bày quy trình nhập dữ liệu hình học, hệ số phản xạ bề mặt (trần 70%, tường 50%, sàn 20%), chu kỳ bảo dưỡng 3 năm và mặt phẳng làm việc $0,8\text{ m}$. Áp dụng mô phỏng trực tiếp cho phòng làm việc diện tích $24\text{ m}^2$, bố trí 4 bộ đèn Rạng Đông $50\text{ W}$, kết xuất hình ảnh 3D và biểu đồ phân bố độ rọi đạt mức chuẩn $500\text{ lx}$.

Chương 5: Giới thiệu trạm biến áp và cấu hình trạm biến áp

Chương 5 phân tích vai trò biến đổi điện áp trong hệ thống cung cấp điện và đưa ra công thức chọn công suất trạm 1 máy ($S_{đm.MBA} \ge S_{tt}$). Đồ án lựa chọn 1 máy biến áp 3 pha ngâm dầu công suất định mức $S_{đm} = 250\text{ kVA}$, tỷ số biến áp $22/0,4\text{ kV}$. Luận chứng ưu thế máy biến áp dầu nhờ khả năng tự làm mát ngoài trời, độ bền ẩm cao và giá thành hợp lý. Lựa chọn kết cấu trạm treo trên cột nhằm tiết kiệm diện tích chiếm đất, mức đầu tư thấp, phù hợp với công suất $250\text{ kVA}$.

Chương 6: Lựa chọn các phần tử trong trạm biến áp

Chương 6 tiến hành tính toán và kiểm tra toàn bộ khí cụ điện trung và hạ thế:

• Cáp trung áp: Tính toán chọn cáp đồng CADIVI 24 kV - $3 \times 35\text{ mm}^2$, kiểm tra tổn thất điện áp và ổn định nhiệt thỏa mãn điều kiện sự cố.
• Tính ngắn mạch trung áp: Xác định dòng ngắn mạch chu kỳ $I_N = 6,03\text{ kA}$ tại cấp 22 kV.
• Chống sét van: Chọn bộ chống sét van Siemens 3EG4 (24 kV, 5 kA) vỏ sứ.
• Cầu dao phụ tải và cầu chì ống: Chọn dao cắt phụ tải ABB NPS24B1-K4J2 ($24\text{ kV}, 400\text{ A}$, dòng ổn định động $40\text{ kA}$) kết hợp cầu chì ống Siemens 3GD1 432-4B ($24\text{ kV}, 32\text{ A}$, dòng cắt định mức $40\text{ kA}$).
• Cáp hạ áp: Chọn tuyến cáp nối từ trạm biến áp về tủ điện tổng gồm 7 sợi cáp gộp CADIVI CU/XLPE/PVC 0,6/1 kV - ($2 \times 70\text{ mm}^2$), có dòng phát nóng cho phép $I_{cp} = 225\text{ A/sợi}$, bảo đảm điều kiện mang dòng lâu dài khi nhân hệ số gom rãnh $K_2 = 0,7$.

Chương 7: Tính toán hệ thống nối đất trạm biến áp

Chương này thiết lập phương pháp tính toán và cấu hình hệ thống cọc tiếp địa, thanh liên kết cho trạm biến áp treo $250\text{ kVA}$, bảo đảm trị số điện trở nối đất an toàn theo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật điện hiện hành ($R_{đ} \le 4,\Omega$).

Chương 8: Chống sét và tính toán nối đất chống sét

Tác giả trình bày giải pháp bảo vệ chống sét đánh thẳng cho công trình Trụ sở Agribank dựa trên tiêu chuẩn TCXDVN 9385:2012. Nội dung bao gồm xác định phạm vi bảo vệ của kim thu sét, bố trí dây dẫn sét xuống đất và tính toán hệ thống mạch vòng nối đất chống sét xung quanh móng tòa nhà.

Chương 9: Hệ thống điện nhẹ

Chương 9 thiết kế ba phân hệ điện nhẹ trọng yếu của văn phòng:

• Hệ thống mạng thoại nội bộ và liên lạc ngoài;
• Hệ thống mạng dữ liệu máy tính (Internet/LAN) phục vụ các phòng giao dịch, phòng nghiệp vụ ngân hàng;
• Hệ thống camera giám sát an ninh (CCTV) theo dõi sảnh, hành lang, khu vực quầy giao dịch và bốt ATM.

Chương 10: Bóc tách khối lượng

Chương cuối cùng tổng kết các khái niệm và quy trình đo bóc khối lượng công trình điện từ bản vẽ thiết kế (đo bóc tủ điện, thanh Busway, máng cáp, dây dẫn, ống luồn, thiết bị đóng cắt, đèn chiếu sáng, ổ cắm, cọc tiếp địa). Kết quả đo bóc là cơ sở để lập dự toán chi phí đầu tư cho dự án.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành trọn vẹn giải pháp thiết kế cung cấp điện cho công trình văn phòng 4 tầng với các kết quả cụ thể:

• Xác lập cơ sở dữ liệu tính toán phụ tải đồng bộ cho khối nhà chính ($355\text{ m}^2 \times 4\text{ tầng}$) và nhà công vụ ($138\text{ m}^2 \times 2\text{ tầng}$), tích hợp hệ số công suất $\cos\varphi = 0,85$ và hệ số phát triển 1,2.
• Xây dựng trạm biến áp hạ áp treo $250\text{ kVA} - 22/0,4\text{ kV}$, trang bị đầy đủ chuỗi thiết bị bảo vệ trung áp (chống sét van Siemens 3EG4, dao cắt phụ tải ABB $400\text{ A}$, cầu chì ống Siemens $32\text{ A}$, cáp ngầm trung áp CADIVI $3 \times 35\text{ mm}^2$).
• Thiết kế mạng trục hạ thế bằng thanh Busway vỏ nhôm dẫn điện dòng lớn kết hợp tuyến cáp cấp nguồn gộp $7 \times (2 \times 70\text{ mm}^2)$, bảo đảm mỹ quan và độ sụt áp nằm trong giới hạn cho phép.
• Ứng dụng phần mềm DIALux 4.13 vào thiết kế chiếu sáng, kiểm chứng độ rọi $500\text{ lx}$ cho không gian làm việc bằng 4 bộ đèn LED Panel Rạng Đông 50 W, nâng cao độ tin cậy so với phương pháp tính tay truyền thống.
• Đồ án đóng góp một giải pháp ứng dụng vật liệu thanh dẫn Busway nhôm thay thế cáp đồng truyền thống, giúp giảm $30% - 50%$ chi phí đầu tư vật tư trục đứng và giảm tải trọng kết cấu cho công trình cao tầng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

• Việc tính toán ngắn mạch trung thế dựa trên giả thiết công suất cắt của máy cắt tại trạm trung gian ($S_{cđm} = 250\text{ MVA}$) do thiếu số liệu tổng trở thực tế từ cơ quan quản lý lưới điện địa phương.
• Phụ tải điều hòa không khí mới dừng lại ở mức tính toán công suất đặt và bố trí lộ chờ cấp điện, chưa đi sâu vào thiết kế sơ đồ điều khiển chi tiết của hệ thống điều hòa trung tâm (VRV/Chiller).
• Hồ sơ thiết kế chưa tích hợp hệ thống nguồn dự phòng máy phát điện Diesel và bộ chuyển nguồn tự động ATS khi xảy ra mất điện lưới.

Hướng phát triển tiếp theo:

• Thu thập thông số ngắn mạch chính xác từ Điện lực Vĩnh Phúc để chuẩn hóa tính toán dòng ngắn mạch và phối hợp bảo vệ rơ-le;
• Bổ sung thiết kế hệ thống nguồn cấp điện khẩn cấp (máy phát điện dự phòng, bộ lưu điện UPS cho hệ thống máy chủ và ATM);
• Tích hợp hệ thống quản lý năng lượng tòa nhà (BMS) để tự động hóa điều khiển chiếu sáng và giám sát tiêu thụ điện năng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện, Kỹ thuật công trình xây dựng và kỹ sư Cơ điện công trình (M&E):

• Tham khảo quy trình 9 bước thiết kế cung cấp điện công trình dân dụng chuẩn mực.
• Cung cấp bảng tra cứu hệ số đồng thời theo mạch và theo số căn hộ trích xuất từ TCVN 9206:2012.
• Hướng dẫn chi tiết từng bước mô phỏng và kiểm tra chiếu sáng nội thất trên phần mềm DIALux 4.13.
• Cung cấp phương pháp lựa chọn và kiểm tra ổn định nhiệt, ổn định động của thiết bị trung áp và trạm biến áp phân phối $250\text{ kVA}$.

Câu hỏi thường gặp

1. Quy mô mặt bằng và công năng của công trình Trụ sở Agribank Vĩnh Yên được bố trí ra sao?
   Công trình tọa lạc trên khu đất $2.525\text{ m}^2$ với mật độ xây dựng 23,5%, gồm khối nhà làm việc chính 4 tầng (diện tích xây dựng $355\text{ m}^2$), khối nhà công vụ 2 tầng sinh hoạt ($138\text{ m}^2$), bể nước ngầm $135\text{ m}^3$, nhà để xe $50\text{ m}^2$, bốt bảo vệ kết hợp buồng ATM, sân đường $1.149\text{ m}^2$ và $703\text{ m}^2$ cây xanh.

2. Tại sao tác giả lựa chọn máy biến áp 3 pha 250 kVA loại ngâm dầu và kết cấu trạm treo?
   Máy biến áp ngâm dầu có khả năng tự làm mát ngoài trời tốt, độ ổn định cao, chống ẩm tốt và giá thành kinh tế. Kết cấu trạm treo trên cột giúp tận dụng không gian trên cao, không tốn diện tích mặt đất trong khuôn viên và tối ưu hóa chi phí đầu tư cho cấp công suất $250\text{ kVA}$.

3. Lý do đồ án sử dụng thanh dẫn Busway ruột nhôm thay vì Busway ruột đồng hoặc cáp điện truyền thống?
   Thanh dẫn Busway nhôm có trọng lượng nhẹ, giá thành rẻ hơn từ $30% - 50%$ so với ruột đồng, khả năng chịu nhiệt của lớp cách điện Mylar/Melinex đạt $130^\circ\text{C} - 155^\circ\text{C}$ (vượt trội hơn cáp XLPE $120^\circ\text{C}$), tiết kiệm không gian hộp kỹ thuật và cho phép trích công suất linh hoạt tại các tầng.

4. Kết quả tính toán chiếu sáng cho phòng làm việc điển hình 24 m² đạt thông số nào?
   Với yêu cầu độ rọi làm việc $E = 500\text{ lx}$ theo TCVN 7114-1:2008, phòng được bố trí 4 bộ đèn LED Panel Rạng Đông LPL 01001 RD D P01 ($60 \times 60\text{ cm}$, công suất $50\text{ W/bộ}$), tổng công suất tiêu thụ chiếu sáng là $200\text{ W}$, đạt chuẩn quang thông qua mô phỏng DIALux 4.13.

5. Các thiết bị đóng cắt và bảo vệ chính ở phía trung áp 22 kV của trạm biến áp gồm những loại nào?
   Phía 22 kV được trang bị: 1 bộ chống sét van Siemens 3EG4 vỏ sứ ($24\text{ kV}, 5\text{ kA}$), 1 cầu dao phụ tải khí $\text{SF}_6$ ABB NPS24B1-K4J2 ($24\text{ kV}, 400\text{ A}$, dòng ổn định động $40\text{ kA}$) và bộ cầu chì ống Siemens 3GD1 432-4B ($24\text{ kV}, 32\text{ A}$, dòng cắt $40\text{ kA}$).

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống cung cấp điện cho văn phòng 4 tầng" của tác giả Phạm Thu Hằng đã giải quyết hoàn chỉnh các bài toán kỹ thuật từ tính toán phụ tải, thiết kế trạm biến áp $250\text{ kVA}$, phân phối thanh cái Busway đến hệ thống nối đất, chống sét và điện nhẹ cho công trình Trụ sở Agribank Vĩnh Yên. Việc áp dụng linh hoạt các tiêu chuẩn quốc gia cùng phần mềm mô phỏng DIALux 4.13 mang lại giải pháp cấp điện tin cậy, bảo đảm mỹ quan kiến trúc và tối ưu hóa chi phí đầu tư. Công trình là tài liệu mẫu mực về phương pháp luận và kỹ năng thực hành thiết kế cơ điện công trình cho sinh viên và kỹ sư ngành Kỹ thuật điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH THIẾT KẾ 1. Các yêu cầu chung về thiết kế. Bất cứ một phương án hay dự án nào cũng phải thỏa mãn 4 yêu cầu cơ bản sau đây: a. Độ tin cậy cung cấp điện.

Đó là mức đảm bảo liên tục cung cấp điện tùy thuộc vào tính chất của hộ dùng điện. - Hộ loại 1: Là những hộ rất quan trọng không được để mất điện ,nếu xảy ra mất điện sẽ gây hậu quả nghiêm trọng (như : sân bay ,đại sứ quán ,…. ) - Hộ loại 2: Là những hộ mà khi xảy ra mất điện sẽ gây thua thiệt về kinh tế cũng quan trọng nhưng không quan trọng nhiều lắm như hộ loại 1 (như: khách sạn,trung tâm thương mại ,….) - Hộ loại 3 : Là những hộ không quan trọng cho phép mất điện tạm thời khi cần thiết (như: khu sinh hoạt đo thị ,nông thôn) b. Chất lượng điện.

Chất lượng điện được thể hiện ở 2 tiêu chí đó là tần số (Hz) và điện áp (U). Một phương án có chất lượng điện tối đa đó là phương án đảm bảo về tần số và điện áp nằm trong giới hạn cho phép. Để đảm bảo cho các thiết bị dùng điện làm việc bình thường thì cần yêu cầu đặt ra là: c. Tính kinh tế của một phương án thể hiện ở 2 chỉ tiêu đó là: Vốn đầu tư và phí vận hành.

Phương án cấp điện tối ưu là phương án tổng hòa 2 đại lượng trên đó là phương án có chi phí tính toán hàng năm nhỏ nhất: Trong đó :  ∶ Hệ số vận hành , với (đường dây trên không ), các cấp điện áp đều lấy 0,04 với cáp và trạm biến áp là 1.  : Hệ số thu hồi vốn đầu tư tiêu chuẩn  với lưới cung cấp điện năm →  K : Vốn đầu tư UNETI 5 Đồ án 1: Thiết kế hệ thống cung cấp điện Lớp: DHDI13A2HN  ∆𝐴 : Tổn thất điện năng trong 1 năm.  c : Giá điện tổn thất điện năng (đ/kWh) d. An toàn điện.

An toàn điện là vấn đề quan trọng, thậm chí phải đặt lên hàng đầu khi thiết kế lắp đặt,vận hành công trình điện. Các tiêu chuẩn cần khi thiết kế hệ thống cung cấp điện.  TCVN 9206-2012: Tiêu chuẩn lắp đặt thiết bị điện  TCVN 9207-2012: Tiêu chuẩn đặt đường dẫn điện trong nhà ở và công trình công cộng – Tiêu chuẩn thiết kế  TCVN 7114-1_2008: Tiêu chuẩn chiếu sáng nơi làm việc  TCXDVN 9385-2012: Tiêu chuẩn chống sét cho công trình xây dựng – Hướng dẫn thiết kế, kiểm tra và bảo trì hệ thống.  Sử dụng “Sổ tay lựa chọn và tra cứu thiết bị điện từ 0,4 đến 500kv” của Ngô Hồng Quang.

Các bước thiết kế cung cấp điện. - Bước 1: Tiếp nhận dự án, công năng của dự án để đưa ra giải pháp thiết kế hệ thống điện - Bước 2: Xác định phụ tải tính toán cho các khu cần thiết kế - Bước 3: Tính toán thiết kế chiếu sáng - Bước 4: Tính toán thiết kế công tắc, ổ cắm - Bước 5: Tính toán thiết kế dây dẫn, MCCB - Bước 6: Tính toán thiết kế chọn máy biến áp - Bước 7: Tính toán thiết kế chống sét và tiếp địa, nối đất an toàn - Bước 8: Tính dự toán khối lượng với chi phí đầu tư cho dự án - Bước 9: Hoàn thiện bản vẽ 1. Giới thiệu tổng quan về công trình thiết kế.