Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án môn học "Thiết kế cung cấp điện cho phân xưởng công nghiệp" (Mã nhiệm vụ: 3A) do sinh viên Mai Xuân Minh thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Phúc Huy, Khoa Kỹ thuật điện, Trường Đại học Điện lực. Đề tài tập trung giải quyết bài toán thiết kế hệ thống cung cấp điện hoàn chỉnh cho một phân xưởng sản xuất cơ khí, đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về kỹ thuật, an toàn vận hành và hiệu quả kinh tế. Phân xưởng cơ khí có quy mô phụ tải hỗn hợp gồm máy tiện, máy phay, máy bào, máy khoan, máy mài cùng các phụ tải công nghệ nặng như máy hàn hồ quang, máy hàn xung và máy biến áp công nghệ. Nguồn cấp điện lưới phân phối trung áp cách xa vị trí xưởng và yêu cầu nâng cao hệ số công suất theo quy định vận hành lưới điện là những thách thức thực tế mà đồ án giải quyết.

Văn bản xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được đánh số như sau:

  1. Tính phụ tải và bù công suất phản kháng cho phân xưởng.
  2. Lựa chọn nguồn và trạm biến áp phân phối (xác định vị trí, số lượng, dung lượng máy biến áp).
  3. Lựa chọn phương án cấp điện mạng phân xưởng (so sánh kỹ thuật - kinh tế các sơ đồ đi dây mạng hạ áp).
  4. Tính toán ngắn mạch và kiểm tra phần tử cho sơ đồ (kiểm tra dây dẫn, thiết bị đóng cắt và bảo vệ).
  5. Xây dựng lại sơ đồ nguyên lý mạng điện bằng phần mềm thiết kế cung cấp điện (Elec Calc / E-Design).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cung cấp điện phân xưởng cơ khí công nghiệp bao gồm 39 thiết bị động lực, hệ thống chiếu sáng công nghiệp, hệ thống thông gió làm mát và trạm biến áp phân phối 22/0,4 kV.
  • Phạm vi không gian: Mặt bằng nhà xưởng sản xuất có kích thước hình học dài $\times$ rộng $\times$ cao là $36 \times 24 \times 5,75\text{ m}$; khoảng cách từ điểm đấu nối lưới điện phân phối trung áp đến trạm biến áp phân xưởng là $L = 975\text{ m}$.
  • Phạm vi kỹ thuật và thông số vận hành: Cấp điện áp nguồn phân phối $22\text{ kV}$, công suất ngắn mạch tại điểm đấu $S_k = 168,75\text{ MVA}$, thời gian tồn tại dòng ngắn mạch $t_k = 0,25\text{ s}$; tỷ lệ phụ tải ưu tiên loại I là $60%$; thời gian sử dụng công suất cực đại $T_M = 4000\text{ h/năm}$; tổn thất điện áp cho phép mạng hạ áp $\Delta U_{cp} \le 3,5%$; hệ số công suất yêu cầu sau bù $\cos\varphi \ge 0,93$; giá điện tổn thất $c = 1800\text{ đ/kWh}$, suất thiệt hại mất điện $g_{th} = 18000\text{ đ/kWh}$, thời gian mất điện trung bình năm $t_f = 24\text{ h}$, hệ số thu hồi vốn tiêu chuẩn $a_{tc} = 0,125$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và quy chuẩn kỹ thuật được tác giả trích dẫn và sử dụng trực tiếp trong đồ án gồm:

  • Cơ sở lý thuyết tính toán cung cấp điện: Giáo trình Cung cấp điện và Giáo trình Bài tập Cung cấp điện của TS. Trần Quang Khánh; Sổ tay lựa chọn và tra cứu thiết bị điện của tác giả Ngô Hồng Quang.
  • Tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng: Tiêu chuẩn Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC) trong việc lựa chọn hệ số đồng thời $k_s$; tiêu chuẩn chiếu sáng phân xưởng với biểu đồ Kruithof về vùng nhiệt độ màu và độ rọi tiện nghi.
  • Dữ liệu thiết bị và bảng tra: Catalog máy biến áp phân phối chế tạo bởi hãng ABB; catalog cáp đồng hạ áp và trung áp bọc cách điện XLPE, đai thép, vỏ PVC của hãng CADIVI; bảng thông số kỹ thuật quạt hút công nghiệp dòng DLHC40-PG4S F; dữ liệu kỹ thuật đèn phóng điện thủy ngân cao áp (Mercury 100W).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai xuyên suốt đồ án:

  • Phương pháp xác định phụ tải tính toán: Sử dụng phương pháp hệ số sử dụng $k_u$ kết hợp hệ số đồng thời $k_s$ theo tiêu chuẩn IEC cho phụ tải động lực; phương pháp hệ số sử dụng quang thông tính toán phụ tải chiếu sáng; phương pháp bội số trao đổi không khí ($a_r = 6$) tính toán phụ tải thông gió làm mát.
  • Phương pháp xác định tâm phụ tải: Áp dụng phương pháp tọa độ trọng tâm hình học kết hợp công suất trên hệ trục tọa độ hai chiều Descartes $xOy$ để xác định tâm phụ tải từng nhóm và tâm phụ tải toàn phân xưởng, làm căn cứ tối ưu hóa vị trí đặt trạm biến áp và tủ phân phối.
  • Phương pháp so sánh kinh tế - kỹ thuật: Sử dụng hàm chi phí tính toán quy đổi hàng năm $Z = p \cdot V + C + Y_{th}$ (trong đó $p = a_{tc} + a_{kh}$ là hệ số tiêu chuẩn thu hồi vốn và khấu hao; $V$ là vốn đầu tư thiết bị, đường dây; $C$ là chi phí tổn thất điện năng hàng năm; $Y_{th}$ là chi phí thiệt hại do ngừng cung cấp điện) để lựa chọn cấu hình máy biến áp và sơ đồ mạng hạ áp.
  • Phương pháp giải tích tính toán ngắn mạch: Xây dựng sơ đồ thay thế mạng điện quy đổi tổng trở về cấp điện áp cơ sở $0,4\text{ kV}$, tính toán dòng ngắn mạch chu kỳ đầu $I^{(3)}$, dòng xung kích $i_{xk}$ và trị số hiệu dụng dòng xung kích $I_{xk}$ tại 5 vị trí nút trọng yếu.
  • Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm chuyên ngành Elec Calc và E-Design để kiểm chứng dòng ngắn mạch, tổn thất điện áp và lập sơ đồ nguyên lý cấp điện.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1 – Xác định phụ tải tính toán

Tác giả tiến hành tính toán phụ tải theo từng thành phần riêng biệt, sau đó tổng hợp phụ tải toàn phân xưởng:

  • Phụ tải chiếu sáng và ổ cắm: Diện tích phân xưởng $24 \times 36 = 864\text{ m}^2$, chiều cao $h = 5,75\text{ m}$. Với yêu cầu độ rọi $E_{yc} = 200\text{ lux}$, tác giả lựa chọn đèn Mercury 100W quang thông $F = 6000\text{ lm}$. Khoảng cách treo đèn so với mặt công tác là $H = 4,25\text{ m}$, bước bố trí đèn theo hai chiều $L_d = 4\text{ m}, L_n = 4\text{ m}$. Số lượng đèn tối thiểu xác định được là 54 bộ, tổng công suất chiếu sáng $P_{cs} = 5,4\text{ kW}$. Hệ thống ổ cắm gồm 5 mạch với công suất $P_{oc} = 15\text{ kW}$. Tổng công suất chiếu sáng và ổ cắm đạt $P_{csoc} = 20,4\text{ kW}$, $\cos\varphi_{csoc} = 0,85$, $S_{csoc} = 24\text{ kVA}$, $Q_{csoc} = 12,64\text{ kVAr}$.
  • Phụ tải thông gió và làm mát: Bội số trao đổi không khí $a_r = 6$, lưu lượng không khí cần trao đổi là $828\text{ m}^3/\text{phút}$. Tác giả chọn 17 quạt công nghiệp model DLHC40-PG4S F (điện áp $380\text{ V}$, công suất $300\text{ W}$, lưu lượng $4500\text{ m}^3/\text{h}$, tốc độ $1400\text{ rpm}$). Tổng công suất phụ tải làm mát là $P_{lm} = 5,1\text{ kW}$, $\cos\varphi_{lm} = 0,8$, $Q_{lm} = 3,83\text{ kVAr}$, $S_{lm} = 6,38\text{ kVA}$.
  • Phụ tải động lực: Toàn bộ 39 thiết bị cơ khí được chia thành 4 nhóm theo nguyên tắc gần nhau về mặt bằng và tương đồng về chế độ vận hành:
    • Nhóm 1 (8 thiết bị, gồm các máy tiện ngang số 1, 19, 26; máy tiện xoay 6, 7; máy khoan 13; máy hàn hồ quang 34; máy biến áp hàn 35): Tổng $P_{đm} = 155,05\text{ kW}$; chọn $k_s = 0,7$; tính được $P_{tt1} = 80,15\text{ kW}$, $\cos\varphi_{tb1} = 0,78$, $S_{tt1} = 102,76\text{ kVA}$, $Q_{tt1} = 64,31\text{ kVAr}$.
    • Nhóm 2 (11 thiết bị, gồm máy tiện ngang 2, 3; máy tiện xoay 4, 5, 8; máy khoan đứng 9, 10, 11, 12; máy tiện 17; máy mài 18): Tổng $P_{đm} = 95,55\text{ kW}$; chọn $k_s = 0,6$; tính được $P_{tt2} = 48,61\text{ kW}$, $\cos\varphi_{tb2} = 0,74$, $S_{tt2} = 65,29\text{ kVA}$, $Q_{tt2} = 43,60\text{ kVAr}$.
    • Nhóm 3 (11 thiết bị, gồm máy tiện bán tự động 14, 15, 16; máy tiện tự động 20, 27; máy tiện ren 21, 22, 28, 29, 36; máy hàn xung 37): Tổng $P_{đm} = 116,3\text{ kW}$; chọn $k_s = 0,6$; tính được $P_{tt3} = 56,43\text{ kW}$, $\cos\varphi_{tb3} = 0,73$, $S_{tt3} = 76,98\text{ kVA}$, $Q_{tt3} = 52,36\text{ kVAr}$.
    • Nhóm 4 (9 thiết bị, gồm máy tiện ren 23, 30, 31; máy tiện xoay 24; máy doa 25, 32, 33; máy chỉnh lưu hàn 38, 39): Tổng $P_{đm} = 102,55\text{ kW}$; chọn $k_s = 0,7$; tính được $P_{tt4} = 53,56\text{ kW}$, $\cos\varphi_{tb4} = 0,75$, $S_{tt4} = 71,17\text{ kVA}$, $Q_{tt4} = 46,87\text{ kVAr}$.
  • Tổng hợp phụ tải toàn phân xưởng: Khi chưa xét dự phòng, công suất tác dụng là $264,25\text{ kW}$, hệ số công suất trung bình toàn xưởng $\cos\varphi_{tbpx} = 0,76$. Sau khi tính thêm $10%$ tổn thất trong mạng điện và $10%$ dự phòng phát triển phụ tải trong 10 năm (nhân hệ số 1,2), các thông số tính toán phụ tải toàn xưởng gồm: $P_{ttpx} = 317,1\text{ kW}$; $S_{ttpx} = 416,32\text{ kVA}$; $Q_{ttpx} = 269,76\text{ kVAr}$.
Hạng mục phụ tải $P_{tt}\text{ (kW)}$ $Q_{tt}\text{ (kVAr)}$ $S_{tt}\text{ (kVA)}$ $k_s$ $\cos\varphi_{tb}$
Nhóm 1 80,15 64,31 102,76 0,7 0,78
Nhóm 2 48,61 43,60 65,29 0,6 0,74
Nhóm 3 56,43 52,36 76,98 0,6 0,73
Nhóm 4 53,56 46,87 71,17 0,7 0,75
Chiếu sáng & ổ cắm 20,40 12,64 24,00 1,0 0,85
Thông gió - làm mát 5,10 3,83 6,38 1,0 0,80
Tổng toàn xưởng (xét dự phòng 1,2) 317,10 269,76 416,32 — 0,76

Chương 2 – Lựa chọn phương án cung cấp điện

Tác giả xác định tọa độ tâm phụ tải dựa trên tọa độ mặt bằng $xOy$ của từng máy: Nhóm 1 ($X_1 = 14,026\text{ m}; Y_1 = 2,848\text{ m}$); Nhóm 2 ($X_2 = 4,725\text{ m}; Y_2 = 13,790\text{ m}$); Nhóm 3 ($X_3 = 15,395\text{ m}; Y_3 = 11,419\text{ m}$); Nhóm 4 ($X_4 = 17,301\text{ m}; Y_4 = 22,523\text{ m}$). Tọa độ tâm phụ tải toàn phân xưởng là $X_{px} = 13,174\text{ m}$ và $Y_{px} = 11,567\text{ m}$. Vị trí đặt trạm biến áp được quyết định đặt sát tường phía trong nhà xưởng ngay sau lối ra vào nhằm tiết kiệm đường dây và thuận tiện vận hành.

Lựa chọn đường cáp trung áp $22\text{ kV}$ cấp nguồn ($L = 975\text{ m}$): Dòng điện làm việc $I = 10,93\text{ A}$, mật độ dòng kinh tế $j_{kt} = 3,1\text{ A/mm}^2$ ứng với $T_{max} = 4000\text{ h}$. Tiết diện tính toán $F = 3,526\text{ mm}^2$. Tác giả chọn cáp đồng CADIVI XLPE/DSTA/PVC tiết diện định mức $35\text{ mm}^2$ ($r_0 = 0,524\ \Omega/\text{km}, x_0 = 0,16\ \Omega/\text{km}, I_{cp} = 160\text{ A}$). Tổn thất điện áp thực tế trên đường cáp là $\Delta U = 0,084% < 20%$.

So sánh lựa chọn phương án trạm biến áp (phụ tải loại I chiếm $60%$):

  • Phương án 1 (Dùng 2 máy biến áp $2 \times 250\text{ kVA}$ ABB vận hành song song): Vốn đầu tư máy biến áp $V = 2 \times 58,8 = 117,6 \times 10^6\text{ đ}$; tổn thất điện năng hàng năm $\Delta A_1 = 24.886,81\text{ kWh}$; chi phí tổn thất $C_1 = 44,796 \times 10^6\text{ đ}$. Khi hỏng 1 máy, máy còn lại quá tải $40%$ đảm bảo cấp điện cho $312,24\text{ kVA}$ phụ tải loại I nên chi phí thiệt hại mất điện $Y_{th} = 0\text{ đ}$. Tổng chi phí quy đổi: $Z_1 = 67,03 \times 10^6\text{ đ/năm}$.
  • Phương án 2 (Dùng 1 máy biến áp $1 \times 500\text{ kVA}$ ABB): Vốn đầu tư $V = 81,9 \times 10^6\text{ đ}$; tổn thất điện năng $\Delta A_2 = 20.432,93\text{ kWh}$; chi phí tổn thất $C_2 = 36,779 \times 10^6\text{ đ}$. Khi xảy ra sự cố máy biến áp, thời gian mất điện $24\text{ h}$ gây thiệt hại cho $237,825\text{ kW}$ phụ tải ưu tiên, chi phí thiệt hại mất điện $Y_{th} = 102,74 \times 10^6\text{ đ}$. Tổng chi phí quy đổi: $Z_2 = 155,0 \times 10^6\text{ đ/năm}$.
  • Kết luận: Chọn Phương án 1 dùng 2 máy biến áp $250\text{ kVA}$.
Chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật Phương án 1 ($2 \times 250\text{ kVA}$) Phương án 2 ($1 \times 500\text{ kVA}$)
Dung lượng định mức $S_{dmB}$ $2 \times 250\text{ kVA}$ $500\text{ kVA}$
Vốn đầu tư $V$ ($10^6\text{ đ}$) 117,6 81,9
Tổn thất điện năng $\Delta A$ ($\text{kWh/năm}$) 24.886,81 20.432,93
Chi phí thiệt hại mất điện $Y_{th}$ ($10^6\text{ đ}$) 0 102,74
Tổng chi phí quy đổi $Z$ ($10^6\text{ đ/năm}$) 67,03 155,00

So sánh sơ đồ cung cấp điện mạng hạ áp phân xưởng:

  • Phương án 1 (Sơ đồ hình tia): Tuyến cáp từ TBA đi đến tủ phân phối (TPP), từ TPP cấp điện riêng biệt hình tia đến 4 tủ động lực (TĐL1, TĐL2, TĐL3, TĐL4). Tổn thất điện áp lớn nhất xuất hiện tại tuyến TBA – TPP – TĐL2 – Máy 2 là $\Delta U_{max} = 4,21\text{ V}$ ($1,11% \le 3,5%$). Tổng chi phí quy đổi đường dây là $Z_{PA1} = 18,091 \times 10^6\text{ đ/năm}$.
  • Phương án 2 (Sơ đồ liên thông): TPP cấp điện cho TĐL1 rồi liên thông sang TĐL2; TPP cấp TĐL3 rồi liên thông sang TĐL4. Tổn thất điện áp lớn nhất tại tuyến TBA – TPP – TĐL3 – TĐL4 – Máy 33 là $\Delta U_{max} = 4,57\text{ V}$ ($1,2% \le 3,5%$). Tổng chi phí quy đổi đường dây là $Z_{PA2} = 18,141 \times 10^6\text{ đ/năm}$.
  • Kết luận: Chọn Phương án 1 có chi phí quy đổi thấp hơn và tính tin cậy vận hành từng cụm máy độc lập cao hơn.

Chương 3 – Lựa chọn và kiểm tra thiết bị điện

Tác giả thiết lập sơ đồ tính toán ngắn mạch gồm 5 điểm nút trọng yếu (tính toán quy đổi về điện áp hạ thế $0,4\text{ kV}$, hệ số điện áp $c = 1,05$):

  • Nút N1 (Thanh cái cao áp $22\text{ kV}$ của TBA): Tổng trở ngắn mạch $Z_{N1} = 3,255\ \Omega$ (tính ở cấp $22\text{ kV}$); dòng ngắn mạch $I^{(3)} = 4,097\text{ kA}$; dòng xung kích $i_{xk} = 10,429\text{ kA}$; giá trị hiệu dụng dòng xung kích $I_{xk} = 6,227\text{ kA}$.
  • Nút N2 (Thanh cái hạ áp $0,4\text{ kV}$ của TBA): $Z_{N2} = 0,013\ \Omega$; dòng ngắn mạch $I^{(3)} = 18,263\text{ kA}$; dòng xung kích $i_{xk} = 30,993\text{ kA}$; $I_{xk} = 19,906\text{ kA}$.
  • Nút N3 (Thanh cái tủ phân phối hạ áp TPP): $Z_{N3} = 0,0128\ \Omega$; dòng ngắn mạch $I^{(3)} = 18,042\text{ kA}$; dòng xung kích $i_{xk} = 30,618\text{ kA}$; $I_{xk} = 19,666\text{ kA}$.
  • Nút N4 (Thanh cái các tủ động lực TĐL): Dòng ngắn mạch tại TĐL1 đạt $I^{(3)} = 14,873\text{ kA}$ ($i_{xk} = 25,241\text{ kA}$); tại TĐL2 đạt $I^{(3)} = 7,129\text{ kA}$; tại TĐL3 đạt $I^{(3)} = 11,097\text{ kA}$; tại TĐL4 đạt $I^{(3)} = 9,008\text{ kA}$.
  • Nút N5 (Đầu cực 39 thiết bị tiêu thụ): Giá trị dòng ngắn mạch phân hóa từ $5,095\text{ kA}$ (tại máy 2 nhóm 2) đến $13,916\text{ kA}$ (tại máy hàn hồ quang 34 nhóm 1).
Điểm ngắn mạch Vị trí phản ánh Tổng trở $Z\ (\Omega)$ $I^{(3)}\text{ (kA)}$ $i_{xk}\text{ (kA)}$ $I_{xk}\text{ (kA)}$
N1 Thanh cái cao áp TBA ($22\text{ kV}$) 3,255 4,097 10,429 6,227
N2 Thanh cái hạ áp TBA ($0,4\text{ kV}$) 0,0130 18,263 30,993 19,906
N3 Thanh cái tủ phân phối TPP 0,0128 18,042 30,618 19,666
N4 (TĐL1) Thanh cái tủ động lực 1 0,0150 14,873 25,241 16,212
N4 (TĐL2) Thanh cái tủ động lực 2 0,0320 7,129 12,098 7,770
N4 (TĐL3) Thanh cái tủ động lực 3 0,0210 11,097 18,832 12,095
N4 (TĐL4) Thanh cái tủ động lực 4 0,0260 9,008 15,287 9,819
N5 (Máy 1) Đầu cực máy tiện ngang 1 0,0410 5,680 9,640 6,191
N5 (Máy 34) Đầu cực máy hàn hồ quang 34 0,0170 13,916 23,615 15,168

Dựa trên kết quả dòng ngắn mạch và dòng làm việc cực đại, tác giả lựa chọn và kiểm tra ổn định nhiệt, ổn định lực điện động cho cáp dẫn CADIVI ruột đồng XLPE và các khí cụ: Dao cách ly và cầu chì tự rơi trung áp $22\text{ kV}$; Aptomat tổng hạ áp (MCCB) tại tủ trạm biến áp có dòng cắt định mức lớn hơn $18,263\text{ kA}$; Aptomat phân phối tại TPP và các Aptomat nhánh cấp đến từng động cơ và thiết bị hàn.

Chương 4 – Tính toán bù công suất phản kháng

Hệ số công suất tự nhiên của phân xưởng tính toán được là $\cos\varphi_1 = 0,76$, thấp hơn mức quy chuẩn của ngành điện lực. Nhằm nâng hệ số công suất lên $\cos\varphi_2 = 0,93$, đồ án xác định dung lượng tụ bù cần thiết: $$Q_b = P_{ttpx} \cdot (\tan\varphi_1 - \tan\varphi_2)$$ Tác giả tính toán lựa chọn dàn tụ bù tĩnh hạ áp đấu vào thanh cái hạ áp của tủ phân phối chính trạm biến áp, chia thành các cấp tụ tự động đóng cắt theo phụ tải để chống phát ngược công suất phản kháng lên lưới vào giờ phụ tải thấp điểm, giúp giảm tổn thất công suất tác dụng và cải thiện điện áp vận hành.

Chương 5 – Sử dụng Elec Calc thiết kế cung cấp điện

Tác giả mô tả phần mềm chuyên ngành Elec Calc (kết hợp công cụ E-Design), tiến hành nhập cơ sở dữ liệu về sơ đồ mặt bằng, danh mục thông số động cơ, chiều dài và loại cáp CADIVI, các thông số trở kháng của 2 máy biến áp $250\text{ kVA}$. Kết quả mô phỏng mạng điện trên phần mềm cho thấy:

  • Các giá trị sụt áp nút tại từng đầu cực thiết bị đều nằm trong giới hạn cho phép ($\le 3,5%$).
  • Trị số dòng ngắn mạch ba pha và dòng ngắn mạch một pha tại các thanh cái TPP, TĐL phù hợp với kết quả tính toán giải tích lý thuyết ở Chương 3.
  • Kiểm tra tính bảo vệ phân đoạn và thời gian cắt của các cấp Aptomat đảm bảo tính chọn lọc khi xuất hiện sự cố.

Thiết kế và kiểm tra hệ thống kỹ thuật

Kiến trúc cung cấp điện được thiết lập theo cấu trúc phân cấp hình tia 3 tầng rõ rệt:

  • Tầng 1 (Trạm biến áp phân phối): Nhận nguồn $22\text{ kV}$ qua đường cáp ngầm $35\text{ mm}^2$ dài $975\text{ m}$. Trạm gồm 2 máy biến áp ABB $250\text{ kVA}$ ($22/0,4\text{ kV}$) làm việc song song, cung cấp cho thanh cái phân phối hạ áp $0,4\text{ kV}$.
  • Tầng 2 (Tủ phân phối trung tâm TPP): Đặt gần trạm biến áp, nhận điện từ trạm qua tuyến cáp đồng 4 lõi CADIVI XLPE $400\text{ mm}^2$ đi trong hào cáp ($L = 1,074\text{ m}, I_{cp} = 820\text{ A}$). Từ TPP, 4 tuyến cáp độc lập dẫn điện đến 4 tủ động lực phân xưởng: Tuyến TPP–TĐL1 dùng cáp $25\text{ mm}^2$ ($L = 5,98\text{ m}$); TPP–TĐL2 dùng cáp $25\text{ mm}^2$ ($L = 32,42\text{ m}$); TPP–TĐL3 dùng cáp $25\text{ mm}^2$ ($L = 15,07\text{ m}$); TPP–TĐL4 dùng cáp $25\text{ mm}^2$ ($L = 22,51\text{ m}$).
  • Tầng 3 (Tủ động lực đến thiết bị): Từ các tủ TĐL1–TĐL4, cáp hạ áp (tiết diện $10\text{ mm}^2$ cho các máy thông thường và $16\text{ mm}^2$ cho máy biến áp phụ tải số 35) đi trong rãnh cáp cấp điện đến từng thiết bị công nghệ.

Quy trình kiểm thử và kiểm tra kỹ thuật được thực hiện nghiêm ngặt qua 3 tiêu chí:

  1. Kiểm tra điều kiện phát nóng dài hạn: Mọi tiết diện dây dẫn đều thỏa mãn $k_{hc} \cdot I_{cp} \ge I_{lvmax}$ với hệ số hiệu chỉnh $k_{hc} = 1$.
  2. Kiểm tra sụt áp trong chế độ làm việc bình thường và sự cố: Tại chế độ bình thường, sụt áp mạng hạ áp lớn nhất chỉ đạt $4,21\text{ V}$ ($1,11%$), thấp hơn rất nhiều so với ngưỡng cho phép $13,3\text{ V}$ ($3,5%$). Khi có sự cố đứt 1 lộ cấp nguồn, tổn thất điện áp cực đại đạt $0,537% < 10%$, đảm bảo động cơ khởi động và làm việc an toàn.
  3. Kiểm tra khả năng chịu ngắn mạch: Thiết bị đóng cắt được chọn có dòng cắt định mức $I_{cdm} \ge I^{(3)}$ tại điểm đặt; cáp được kiểm tra ổn định nhiệt theo thời gian tồn tại ngắn mạch $t_k = 0,25\text{ s}$.

Kết quả và đóng góp

Các kết quả định lượng cụ thể của đồ án:

  • Xác định chính xác phụ tải toàn phân xưởng có xét hệ số phát triển 10 năm: Công suất tác dụng tính toán $P_{ttpx} = 317,1\text{ kW}$; công suất toàn phần $S_{ttpx} = 416,32\text{ kVA}$; công suất phản kháng $Q_{ttpx} = 269,76\text{ kVAr}$.
  • Thiết kế hệ sinh thái phụ trợ đồng bộ: 54 bộ đèn Mercury 100W đảm bảo độ rọi chuẩn $200\text{ lux}$ ($P_{cs} = 5,4\text{ kW}$); 17 quạt thông gió DLHC40-PG4S F đạt lưu lượng trao đổi $828\text{ m}^3/\text{phút}$ ($P_{lm} = 5,1\text{ kW}$).
  • Xác định cấu hình trạm biến áp tối ưu: Chọn trạm 2 máy biến áp $2 \times 250\text{ kVA}$ ABB với chi phí quy đổi hàng năm $67,03 \times 10^6\text{ đ}$, giúp tiết kiệm hơn $56%$ chi phí so với phương án dùng 1 máy biến áp $500\text{ kVA}$ ($155,0 \times 10^6\text{ đ}$) nhờ triệt tiêu hoàn toàn chi phí thiệt hại do ngừng trệ phụ tải loại I khi có sự cố.
  • Xác định cấu hình đi dây mạng hạ áp tối ưu: Chọn sơ đồ hình tia có chi phí quy đổi $18,091 \times 10^6\text{ đ/năm}$ và tổn thất điện áp cực đại $4,21\text{ V}$.
  • Bảng thông số ngắn mạch toàn diện: Xác định dòng ngắn mạch lớn nhất tại hạ áp trạm là $18,263\text{ kA}$ ($i_{xk} = 30,993\text{ kA}$) và chi tiết cho 39 lộ ra thiết bị.

Đóng góp của đồ án:

  • Tác giả đề xuất giải pháp bố trí mặt bằng trạm biến áp tại tọa độ sát tường gần lối ra vào dựa trên việc tính toán khoa học tọa độ trọng tâm phụ tải ($X_{px} = 13,174\text{ m}; Y_{px} = 11,567\text{ m}$), giúp rút ngắn chiều dài mạng cáp phân phối chính.
  • Phân nhóm phụ tải hợp lý (chia thành 4 nhóm độc lập), tách biệt các thiết bị hàn công suất lớn để cân bằng phụ tải giữa các pha.
  • Kết hợp song song giữa phương pháp giải tích truyền thống và công cụ mô phỏng phần mềm số (Elec Calc / E-Design), tạo ra sự đối sánh độc lập khẳng định độ tin cậy của phương án thiết kế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Mô hình cung cấp điện trung áp chỉ khảo sát nguồn cấp một lộ từ lưới $22\text{ kV}$ qua tuyến cáp $975\text{ m}$, chưa xét đến phương án cấp điện từ hai nguồn độc lập cho các phụ tải đặc biệt quan trọng.
  • Chưa đi sâu khảo sát ảnh hưởng của sóng hài điện áp và dòng điện sinh ra từ các thiết bị phi tuyến công suất lớn trong xưởng như máy biến áp hàn, máy hàn hồ quang, máy hàn xung và máy chỉnh lưu hàn, cũng như ảnh hưởng của sóng hài đến hiện tượng cộng hưởng tụ bù.
  • Các chỉ số đơn giá thiết bị và suất vốn đầu tư đường dây dựa trên các bảng tra giáo trình định mức cũ, chưa cập nhật biến động giá thực tế của thị trường vật tư thiết bị điện tại thời điểm hiện hành.

Hướng mở rộng đề tài:

  • Nghiên cứu giải pháp lọc sóng hài tích cực kết hợp cuộn kháng chống sóng hài cho hệ thống tụ bù công suất phản kháng nhằm bảo vệ chất lượng điện năng cho nhà máy.
  • Tích hợp hệ thống quản lý năng lượng phân xưởng (BMS/SCADA) để giám sát và tự động hóa đóng cắt phụ tải theo thời gian thực.
  • Khảo sát khả năng lắp đặt hệ thống điện mặt trời mái nhà công nghiệp tự dùng để hỗ trợ giảm bớt công suất đỉnh nhận từ lưới điện quốc gia.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành trực tiếp và thiết thực cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện, Thiết bị điện - Điện tử và Kỹ thuật điều khiển tại các trường đại học kỹ thuật khi làm Đồ án môn học Cung cấp điện hoặc Khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành thiết kế mạng điện công nghiệp.
  • Kỹ sư thiết kế cơ điện (M&E) nhà xưởng công nghiệp trong việc tham khảo phương pháp tính toán phụ tải động lực theo chuẩn IEC kết hợp hệ số sử dụng $k_u$, phương pháp tính toán chiếu sáng và thông gió phân xưởng.
  • Các nội dung có giá trị tham khảo nổi bật nhất trong tài liệu gồm: Trọn bộ bảng tính phụ tải 4 nhóm thiết bị cơ khí; thuật toán xác định tâm phụ tải trên tọa độ Descartes $xOy$; phương pháp lập hàm chi phí quy đổi kinh tế $Z$ so sánh máy biến áp; bảng thông số tính toán ngắn mạch 5 cấp nút từ nguồn đến đầu cực 39 thiết bị.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao tác giả lại chọn phương án đặt 2 máy biến áp $250\text{ kVA}$ làm việc song song thay vì dùng 1 máy biến áp $500\text{ kVA}$?
Do phân xưởng có tỷ lệ phụ tải loại I chiếm tới $60%$ ($S_{sc} = 312,24\text{ kVA}$). Nếu dùng 1 máy biến áp $500\text{ kVA}$, khi xảy ra sự cố bất khả kháng với thời gian khắc phục trung bình $24\text{ h}$, chi phí thiệt hại kinh tế do ngừng sản xuất lên tới $102,74 \times 10^6\text{ đ/năm}$, đẩy tổng hàm chi phí quy đổi lên $155,0 \times 10^6\text{ đ/năm}$. Trong khi đó, dùng 2 máy biến áp $250\text{ kVA}$, khi 1 máy gặp sự cố, máy còn lại được phép quá tải $40%$ trong thời gian ngắn và gánh toàn bộ $100%$ phụ tải ưu tiên loại I, đưa chi phí thiệt hại mất điện về bằng $0$, giúp tổng chi phí quy đổi chỉ còn $67,03 \times 10^6\text{ đ/năm}$.

Phương pháp xác định vị trí đặt trạm biến áp của phân xưởng được thực hiện như thế nào?
Tác giả thiết lập hệ trục tọa độ $xOy$ trên mặt bằng phân xưởng ($36 \times 24\text{ m}$), xác định tọa độ của từng máy trong số 39 thiết bị và công suất biểu kiến tương ứng. Dựa vào công thức mômen trọng tâm phụ tải $\sum (S_i \cdot x_i) / \sum S_i$ và $\sum (S_i \cdot y_i) / \sum S_i$, tác giả tính ra tọa độ tâm phụ tải toàn xưởng là $X_{px} = 13,174\text{ m}$ và $Y_{px} = 11,567\text{ m}$. Kết hợp điều kiện kiến trúc, trạm được đặt sát tường phía trong nhà xưởng ngay sau lối ra vào nhằm tối ưu bán kính cấp điện và giảm thiểu tổn thất điện áp.

Các phụ tải hàn công nghiệp nặng được tác giả phân bổ và tính toán như thế nào để tránh mất cân bằng hệ thống?
Phân xưởng có các thiết bị hàn công suất lớn như máy hàn hồ quang số 34 ($37,5\text{ kW}$), máy biến áp hàn số 35 ($41,25\text{ kW}$), máy hàn xung số 37 ($30\text{ kW}$) và hai máy chỉnh lưu hàn số 38, 39 ($37,5\text{ kW}$ và $20\text{ kW}$). Tác giả đã chủ động không gom các máy này vào một cụm mà chia đều ra: máy 34 và 35 thuộc Nhóm 1; máy hàn xung 37 thuộc Nhóm 3; hai máy chỉnh lưu hàn 38, 39 thuộc Nhóm 4. Đồng thời, các thiết bị này được áp dụng hệ số sử dụng $k_u$ riêng biệt ($0,63$ đến $0,72$) và $\cos\varphi$ đặc trưng để tính toán chính xác dòng phụ tải làm việc.

Cáp nguồn trung áp $22\text{ kV}$ cấp từ lưới về trạm biến áp được lựa chọn và kiểm tra dựa trên những chỉ tiêu nào?
Tuyến cáp dài $975\text{ m}$, mang dòng làm việc $I = 10,93\text{ A}$. Dựa vào thời gian sử dụng công suất cực đại $T_{max} = 4000\text{ h}$, tác giả tra được mật độ dòng kinh tế $j_{kt} = 3,1\text{ A/mm}^2$, từ đó tính ra tiết diện kinh tế $F_{kt} = 3,526\text{ mm}^2$. Để đảm bảo độ bền cơ học và khả năng chịu dòng ngắn mạch, tác giả chọn cáp đồng CADIVI XLPE $35\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 160\text{ A}$). Cáp được kiểm tra điều kiện phát nóng và tổn thất điện áp thực tế chỉ mất $\Delta U = 0,084%$, hoàn toàn thỏa mãn giới hạn cho phép $\le 20%$.

Giữa hai sơ đồ mạng hạ áp hình tia và liên thông, phương án nào được chọn và vì sao?
Phương án sơ đồ hình tia (Phương án 1) được chọn vì vừa thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật vừa tối ưu về kinh tế. Về mặt kỹ thuật, tổn thất điện áp cực đại của sơ đồ hình tia là $4,21\text{ V}$ ($1,11%$), thấp hơn mức $4,57\text{ V}$ ($1,2%$) của sơ đồ liên thông (đều nhỏ hơn mức cho phép $13,3\text{ V}$). Về mặt kinh tế, tổng chi phí quy đổi của phương án hình tia là $18,091 \times 10^6\text{ đ/năm}$, thấp hơn $18,141 \times 10^6\text{ đ/năm}$ của sơ đồ liên thông. Ngoài ra, sơ đồ hình tia giúp cô lập sự cố cục bộ độc lập tại từng tủ động lực, không làm gián đoạn dây chuyền của các nhóm máy khác.

Kết luận

Đồ án môn học "Thiết kế cung cấp điện cho phân xưởng công nghiệp" của sinh viên Mai Xuân Minh là một công trình thiết kế kỹ thuật điện hoàn chỉnh, giải quyết bài bản và chuẩn xác toàn bộ chu trình cung cấp điện từ lưới trung áp $22\text{ kV}$ đến từng thiết bị công nghệ hạ áp $0,4\text{ kV}$. Thông qua việc phân tích kỹ thuật kết hợp so sánh hàm chi phí kinh tế quy đổi, tác giả đã chứng minh tính ưu việt của giải pháp sử dụng 2 máy biến áp $250\text{ kVA}$ vận hành song song và sơ đồ mạng phân phối hình tia độc lập. Kết quả tính toán giải tích chi tiết về phụ tải, sụt áp và ngắn mạch được kiểm chứng tương thích thông qua phần mềm chuyên ngành Elec Calc / E-Design, mang lại giá trị thực tiễn cao cho công tác học tập, nghiên cứu và thiết kế hệ thống điện xí nghiệp công nghiệp.