Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án môn học Cung cấp điện với đề tài "Thiết kế hệ thống cấp điện nhà xưởng cơ khí" do sinh viên Võ Minh Thiện thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Trọng Nghĩa tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (tháng 02/2024). Đề tài giải quyết bài toán thiết kế mạng điện hạ thế và trạm biến áp chuyên dùng cho một phân xưởng công nghiệp phục vụ công ty sản xuất hàng tiêu dùng nhanh.

Bối cảnh thực tế của công trình

Công trình là một phân xưởng cơ khí sửa chữa, lắp ráp và gia công nguội (rèn, hàn nguội) có mặt bằng hình chữ nhật với các thông số vật lý và vận hành cụ thể:

  • Kích thước hình học: Chiều dài 50 m, chiều rộng 20 m, chiều cao 11,5 m; tổng diện tích mặt bằng là 1.000 m².
  • Kiến trúc xây dựng: Kết cấu mái tôn, khung dầm thép chịu lực, tường xây bằng gạch không nung sơn màu vàng, nền nhà xưởng được xử lý đổ sơn Epoxy. Không gian bố trí gồm 1 lối ra vào chính và 2 lối ra vào phụ.
  • Quy mô phụ tải: Tổng cộng 40 thiết bị máy móc công nghiệp, bao gồm 8 thiết bị sử dụng nguồn điện 1 pha 230 V và 32 thiết bị sử dụng nguồn 3 pha 400 V.
  • Chế độ làm việc: Nhà xưởng hoạt động liên tục 3 ca/ngày, mỗi ca bố trí 16 nhân viên kỹ thuật làm việc đồng thời; môi trường sản xuất không bụi, mức độ ồn duy trì dưới ngưỡng 60 dB.
  • Nguồn cấp điện: Nhận nguồn trung áp 22 kV từ lưới điện phân phối khu vực qua 1 trạm máy biến áp 3 pha hạ áp công suất 630 kVA.

Mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật

Mục tiêu cốt lõi của đồ án là xây dựng phương án cung ứng điện liên tục, an toàn, đảm bảo chất lượng điện năng và tối ưu hóa chi phí đầu tư - vận hành cho toàn bộ phân xưởng. Các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể được triển khai theo 6 nhóm nội dung chính:

  1. Tính toán thiết kế hệ thống chiếu sáng nhân tạo trong nhà xưởng đảm bảo tiêu chuẩn Ecgônômi với độ rọi yêu cầu $E_{yc} \ge 300\text{ Lux}$.
  2. Phân chia nhóm phụ tải theo mặt bằng công nghệ, xác định phụ tải tính toán của từng tủ động lực và tủ phân phối tổng (MSB), từ đó lựa chọn vị trí, chủng loại và dung lượng máy biến áp.
  3. Nghiên cứu, so sánh các giải pháp đi dây (thanh dẫn Busway, thang máng cáp, cáp ngầm) và lựa chọn phương án dẫn điện tối ưu cho phân xưởng.
  4. Xây dựng sơ đồ đơn tuyến mạng điện phân phối từ đầu nguồn trung thế đến các tủ phụ tải.
  5. Tính toán bù công suất phản kháng, nâng cao hệ số công suất $\cos\varphi$ từ 0,825 lên 0,93; lựa chọn vị trí bù, cấu hình bộ tụ bù ứng động, thiết bị bảo vệ đóng cắt và giải pháp lọc sóng hài bậc cao.
  6. Lựa chọn các thiết bị bảo vệ, đo lường và dây dẫn phía trung áp 22 kV (cầu chì tự rơi FCO, chống sét van LA, biến dòng CT, biến áp đo lường PT) và phía hạ áp 0,4 kV (máy cắt không khí ACB, khối ngắt mạch MCCB, khởi động từ contactor, thanh cái đồng).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng: Hệ thống cung cấp điện động lực và chiếu sáng công nghiệp cho phân xưởng gia công cơ khí.
  • Phạm vi không gian: Điểm đấu nối trung thế 22 kV, trạm biến áp phân xưởng 22/0,4 kV, tủ phân phối tổng MSB, 4 tủ động lực phân xưởng (MDB1 - MDB4), tủ chiếu sáng và mạng lưới dây dẫn phân phối nội bộ diện tích 1.000 m².
  • Phạm vi thời gian: Chế độ làm việc 3 ca/ngày, 340 ngày làm việc/năm (đã trừ 11 ngày lễ và 14 ngày bảo trì tổng thể nhà máy).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung tiêu chuẩn và quy chuẩn áp dụng

Đồ án xây dựng các thuật toán tính toán dựa trên hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia và quốc tế:

  • TCVN 7114-1:2008 (ISO 8995-1:2002): Ecgônômi - Chiếu sáng nơi làm việc - Phần 1: Trong nhà (quy định chỉ tiêu độ rọi, chỉ số hoàn màu và hạn chế chói lóa).
  • TCVN 9206: Quy chuẩn thiết kế lắp đặt thiết bị điện trong nhà ở và công trình công cộng (Điều 3.17 về hệ số sử dụng cực đại $K_u$, Điều 5.16 về tính toán chiếu sáng với $K_u = K_s = 1$).
  • IEC 60439-1:2004 / TCVN 7994-1:2009: Tiêu chuẩn về tủ đóng cắt và điều khiển hạ áp (xác định hệ số đồng thời $K_s$ theo số lượng mạch phân phối).
  • Quyết định 2608/QĐ-EVN SPC: Tiêu chuẩn kỹ thuật máy biến áp phân phối hạ áp 22/0,4 kV của Tổng công ty Điện lực Miền Nam.
  • IEC 2018 (L26) & IEC 61439-1: Tiêu chuẩn tính chọn tiết diện dây dẫn đấu nối tụ điện và kích thước thanh cái đồng trong tủ điện hạ thế.
  • IEC 60099-4: Tiêu chuẩn chống sét van oxit kim loại không khe hở cho hệ thống điện xoay chiều.
  • Tài liệu tham khảo học thuật: Giáo trình Cung cấp điện của PGS. TS. Quyền Huy Ánh.

Phương pháp tính toán kỹ thuật

Tác giả áp dụng các phương pháp kỹ thuật điện chuyên ngành:

  • Phương pháp hệ số sử dụng (Room Index / Lumen Method): Tính toán số lượng bộ đèn dựa trên diện tích $S_p$, độ cao treo đèn hữu dụng $H_c$, hệ số phản xạ trần/tường/sàn, hệ số sử dụng quang thông ($CU$) và hệ số bảo trì thiết bị ($MF = LLMF \times LSF \times LMF \times RSMF$).
  • Phương pháp xác định phụ tải tính toán: Xác định công suất định mức đầu vào ($P_{đm} = P_{đầu\ ra} / \text{Hiệu suất}$), công suất phản kháng ($Q_{đm} = P_{đm} \times \tan(\arccos\varphi)$), tính toán phụ tải đỉnh nhọn từng tủ thông qua tích số $K_u \times K_s$.
  • Phương pháp phân tích kinh tế - kỹ thuật đa tiêu chí: Đánh giá định tính và định lượng 3 phương án dẫn điện dựa trên 7 tiêu chí kỹ thuật (thời gian thi công, bảo trì, sửa chữa sự cố, tổn thất điện áp/công suất, an toàn phòng chống cháy, thẩm mỹ, khả năng mở rộng) và 3 tiêu chí chi phí (vật tư, nhân công, bảo dưỡng).
  • Phương pháp cân bằng công suất phản kháng: Tính dung lượng tụ bù yêu cầu $Q_{bù} = P_{tt_Total} \times (\tan\varphi_1 - \tan\varphi_2)$ để nâng cao hệ số công suất của toàn trạm.
  • Phương pháp kiểm tra điều kiện làm việc cực hạn: Kiểm tra khả năng chịu dòng liên tục, khả năng chịu điện áp quá độ ($U_{TOV}$), điện áp làm việc liên tục lớn nhất ($U_{MCOV}$), dòng tản xung sét ($I_s$) và dòng cắt ngắn mạch định mức ($I_{cu}$, $I_{sc}$).

Nguồn dữ liệu

  • Dữ liệu catalogue đèn LED công nghiệp công ty Philips (dòng Highbay BY121P).
  • Thông số kỹ thuật thiết bị trạm biến áp của Công ty Cổ phần Thiết bị điện THIBIDI.
  • Thông số kỹ thuật tụ bù hạ thế và rơ-le điều khiển của hãng Mikro (Malaysia).
  • Catalogue thiết bị đóng cắt hạ áp, aptomat, contactor của tập đoàn Schneider Electric.
  • Catalogue thiết bị chống sét van UltraSIL VariSTAR UHS của Cooper Power Systems (Hoa Kỳ) và thiết bị đo lường TU/TI của EMIC.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống cung cấp điện được thiết kế theo cấu trúc hình cây phân cấp hoàn chỉnh từ cấp điện áp 22 kV xuống cấp phụ tải hạ thế 400/230 V:

Hạng mục cấu phần Thông số và giải pháp thiết kế được lựa chọn Tiêu chuẩn / Hãng sản xuất
Bảo vệ trung áp 22 kV Cầu chì tự rơi FCO 22 kV - 50 A, dòng cắt 31,5 kA; Chống sét van oxit kim loại $U_{đm} = 18\text{ kV}$, dòng xả sét $I_s = 10\text{ kA}$ (8/20 $\mu\text{s}$). Cooper Power Systems / Tiêu chuẩn IEC 60099-4
Đo lường trung áp Biến dòng đo lường CT22 (tỷ số 20/5 A, 24 kV) và Biến điện áp đo lường PT22. Thiết bị đo điện EMIC
Trạm biến áp phân xưởng 01 máy biến áp 3 pha ngâm dầu kiểu kín, công suất 630 kVA, cấp điện áp 22 ± 2x2,5% / 0,4 kV, tổ đấu dây Dyn 11. THIBIDI / QĐ 2608/QĐ-EVN SPC
Đóng cắt tổng hạ thế Máy cắt không khí ACB 3 cực, điện áp định mức 400 V, dòng định mức $I_n = 1250\text{ A}$, dòng cắt $I_{cu} = 50\text{ kA}$ (Mã: NS125N3M2); Biến dòng hạ áp CT 1000/5 A. Schneider Electric
Tủ tụ bù công suất phản kháng Bù ứng động tập trung tại thanh cái hạ thế MSB, dung lượng 150 kVAr (10 cấp $\times$ 15 kVAr, mã MKC-445150KT); Bộ lọc sóng hài thụ động LC thông thấp. Mikro / Schneider Electric
Phương thức dẫn điện hạ áp Hệ thống thang cáp kim loại (Cable Ladder) đi nổi trên cao cấp nguồn từ tủ MSB đến 4 tủ MDB. Tiêu chuẩn lắp đặt công nghiệp
Tủ động lực phân xưởng 04 tủ MDB cấp nguồn cho 40 cụm máy móc và 01 tủ điều khiển hệ thống chiếu sáng nhà xưởng. Phân nhóm tải đối xứng

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Thiết kế chiếu sáng

Chương 1 tiến hành khảo sát đặc điểm hình học nhà xưởng và yêu cầu thị giác gia công cơ khí. Tác giả lựa chọn chủng loại đèn LED PHILIPS HIGHBAY (mã BY121P G4 LED200S/865 PSU WB) công suất 138 W, hiệu suất phát quang 145 lm/W, quang thông 20.000 lm, nhiệt độ màu 6.500 K, chỉ số hoàn màu CRI > 80, tuổi thọ 70.000 giờ.

  • Khoảng cách treo đèn từ đỉnh trần $h' = 1,5\text{ m}$, mặt phẳng làm việc $h'' = 0,8\text{ m}$, độ cao treo đèn tính toán $H_c = 11,5 - 1,5 - 0,8 = 9,2\text{ m}$.
  • Chỉ số phòng xác định đạt $i = 1,2$; hệ số sử dụng quang thông tra bảng đạt $CU = 0,4$.
  • Với thời gian làm việc 8.160 giờ/năm và chu kỳ bảo trì 5 năm (40.800 giờ vận hành), thông số bảo trì của đèn LED xác định theo chuẩn L80 ($LLMF \times LSF \times LMF = 0,6$), hệ số bảo trì phòng $RMF = 0,93$, suy ra hệ số bảo trì tổng hợp $MF = 0,73$.
  • Tính toán tổng số bộ đèn cần thiết: $$N_{bđ} = \frac{E_{yc} \times S_p}{F \times CU \times MF} = \frac{300 \times (50 \times 20)}{20.000 \times 0,4 \times 0,73} = 23,73 \approx 24\text{ bộ đèn}$$
  • Bố trí 24 bộ đèn phân bố đều trên diện tích 1.000 m². Tổng công suất tính toán của tủ chiếu sáng: $P_{tt} = 4,14\text{ kW}$, $Q_{tt} = 1,36\text{ kVAr}$, $S_{tt} = 4,36\text{ kVA}$.

Chương 2: Phân nhóm và tính chọn máy biến áp

Chương 2 phân chia 40 thiết bị máy móc thành 4 nhóm phụ tải tương ứng 4 tủ động lực phụ (MDB1 - MDB4), đảm bảo tính đồng đều công suất và vị trí hình học:

  • Tủ MDB1 (PX1): Gồm 3 nhóm phụ tải nhánh (PX1-1, PX1-2, PX1-3), áp dụng hệ số sử dụng $K_u = 0,8$, hệ số đồng thời nhánh $K_s = 0,8$ và hệ số đồng thời tủ $K_s = 0,7$; công suất tính toán toàn tủ đạt $S_{ttPX1} = 188,2\text{ kVA}$.
  • Tủ MDB2 (PX2): Gồm 3 nhóm phụ tải nhánh, hệ số $K_s = 0,6$; công suất tính toán toàn tủ đạt $S_{ttPX2} = 188,0\text{ kVA}$.
  • Tủ MDB3 (PX3): Gồm các máy gia công C1 - C8 và cụm bơm nước, hệ số $K_s = 0,9$; công suất tính toán đạt $S_{ttPX3} = 188,9\text{ kVA}$.
  • Tủ MDB4 (PX4): Gồm các máy gia công D1 - D8 và cụm bơm, hệ số $K_s = 0,3$; công suất tính toán đạt $S_{ttPX4} = 189,0\text{ kVA}$.
  • Tủ chiếu sáng: Áp dụng $K_u = K_s = 1$, phụ tải $S_{ttLighting} = 4,3\text{ kVA}$.
  • Tủ phân phối tổng MSB: Áp dụng hệ số đồng thời $K_s = 0,8$, tổng công suất tác dụng và biểu kiến tính toán toàn xưởng: $$P_{tt_Total} = 0,8 \times (P_{ttPX1} + P_{ttPX2} + P_{ttPX3} + P_{ttPX4} + P_{ttLighting}) = 501,1\text{ kW}$$ $$S_{tt_Total} = \sqrt{P_{tt_Total}^2 + Q_{tt_Total}^2} = 607,6\text{ kVA}$$
  • Chọn máy biến áp: Lựa chọn 01 máy biến áp 3 pha ngâm dầu kiểu kín THIBIDI công suất định mức 630 kVA (thỏa mãn $S_{mba} = 630\text{ kVA} > S_{tt_Total} = 607,6\text{ kVA}$), cấp điện áp 22 ± 2x2,5% / 0,4 kV, tổ đấu dây Dyn 11 theo Quyết định 2608/QĐ-EVN SPC.

Chương 3: Phương án cung cấp điện

Chương 3 tổng quan lý thuyết về 3 giải pháp truyền tải điện động lực: hệ thống thanh dẫn Busway, hệ thống thang máng cáp và hệ thống cáp ngầm đặt dưới rãnh đất/bê tông. Tác giả lập bảng so sánh chi tiết giữa 3 phương án thiết kế cho nhà xưởng:

  1. Phương án 1: Đi dây hoàn toàn trên thang cáp (Cable Ladder).
  2. Phương án 2: Đi dây cáp ngầm chôn sâu dưới sàn xưởng.
  3. Phương án 3: Đi dây hỗn hợp kết hợp thang cáp và cáp ngầm.

Đánh giá kỹ thuật và kinh tế cho thấy: Phương án cáp ngầm và hỗn hợp có chi phí đầu tư xây dựng ban đầu rất cao, quy trình đào rãnh luồn cáp phức tạp, khó khăn khi xử lý sự cố đứt gãy hoặc mở rộng nâng công suất tải sau này. Do đó, tác giả lựa chọn Phương án đi dây trên thang cáp làm giải pháp tối ưu cho nhà xưởng cơ khí, đáp ứng tốt tiêu chí tản nhiệt tự nhiên cho cáp động lực, thời gian thi công nhanh, thuận tiện kiểm tra định kỳ và tiết kiệm chi phí lắp đặt.

Chương 4: Sơ đồ đơn tuyến mạng điện phân xưởng

Chương 4 thiết lập bản vẽ sơ đồ đơn tuyến tổng thể mạng điện phân xưởng, thể hiện vị trí điểm đấu nối 22 kV, trạm biến áp, tủ MSB, tủ tụ bù, hệ thống đo đếm điện năng và các tuyến cáp cấp nguồn đến 4 tủ MDB cùng hệ thống chiếu sáng.

Chương 5: Bù công suất phản kháng

Chương 5 phân tích ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất đối với doanh nghiệp (giảm tổn thất điện áp, giảm dòng điện tải vô công, giảm tổn hao nhiệt trên dây dẫn và tránh tiền phạt công suất phản kháng theo quy định ngành điện).

  • Tính toán dung lượng bù:
    • Trước khi bù: Tổng công suất tác dụng $P_{tt} = 501,5\text{ kW}$, hệ số công suất tự nhiên $\cos\varphi_1 = 0,825 \Rightarrow \tan\varphi_1 \approx 0,68$.
    • Sau khi bù: Yêu cầu nâng lên $\cos\varphi_2 = 0,93 \Rightarrow \tan\varphi_2 \approx 0,40$.
    • Dung lượng phản kháng cần bù: $$Q_{bù} = 501,5 \times (0,68 - 0,40) = 140,42\text{ kVAr} \Rightarrow \text{Chọn dung lượng chuẩn } Q_{bộ\ tụ} = 150\text{ kVAr}$$
  • Phương thức bù: Bù ứng động tập trung tại thanh cái hạ áp MSB, chia thành 10 cấp tụ độc lập (mỗi tụ $15\text{ kVAr}$, mã hiệu Mikro MKC-445150KT).
  • Giải pháp xử lý sóng hài: Đánh giá công suất nguồn gây hài $G_H$ so với dung lượng trạm biến áp ($G_H \le 0,6 \times S_n = 378\text{ kVA}$), lựa chọn lắp đặt mạch lọc thụ động LC thông thấp mắc nối tiếp cuộn kháng nhằm bảo vệ tụ điện không bị quá nhiệt và nổ tụ.
  • Tính chọn thiết bị đóng cắt tủ tụ bù:
    • ACB tổng tủ hạ áp: Schneider 3P - 400 V, $I_n = 1250\text{ A}$, $I_{cu} = 50\text{ kA}$ (Mã: NS125N3M2).
    • MCCB tổng tủ tụ bù: Schneider 3P - 400 V, $I_n = 400\text{ A}$, $I_{cu} = 50\text{ kA}$ (Mã: G40N3A400) (thỏa mãn $I_n \ge 1,5 \times Q_{bộ\ tụ}$).
    • Thiết bị nhánh cho từng cấp tụ 15 kVAr: MCCB Schneider 3P 40 A, $I_{cu} = 25\text{ kA}$ (EZS100E3040); Khởi động từ Contactor Schneider 3P 40 A (LC1D40AM7).
    • Cáp đấu nối tụ: Cáp đồng tiết diện $3 \times 10\text{ mm}^2$ (theo tiêu chuẩn IEC 2018_L26).
    • Thanh cái đồng tủ tụ bù: Tiết diện $3 \times (20 \times 10\text{ mm})$ thỏa mãn tiêu chuẩn IEC 61439-1.

Chương 6: Lựa chọn thiết bị, dây dẫn phía trung và hạ áp

Chương 6 trình bày các thuật toán và bảng tra tính chọn thiết bị bảo vệ, đo lường:

  • Cầu chì tự rơi (FCO): Lắp đặt bảo vệ phía sơ cấp 22 kV của MBA. Dòng điện sơ cấp định mức: $$I_b = \frac{S_{mba}}{\sqrt{3} \times U_n} = \frac{630}{\sqrt{3} \times 22} = 16,5\text{ A}$$ Dải dòng định mức dây chảy thỏa mãn điều kiện $1,4 I_b \le I_{FCO} \le \frac{I_{sc}}{6 K}$ tương đương $23,1\text{ A} \le I_{FCO} \le 72\text{ A}$. Tác giả chọn FCO cấp điện áp 22 kV, dòng định mức $I_n = 50\text{ A}$, tần số 50 Hz, dung lượng cắt dòng ngắn mạch 31,5 kA loại K.
  • Chống sét van (LA): Lắp đặt bảo vệ quá điện áp khí quyển. Điện áp làm việc liên tục lớn nhất yêu cầu $U_{MCOV} \ge 13,3\text{ kV}$, điện áp quá độ tạm thời $U_{TOV} \ge 18,7\text{ kV}$. Lựa chọn chống sét van UltraSIL Housed VariSTAR UHS (hãng Cooper Power Systems), điện áp định mức 18 kV, dòng phóng định mức $I_s = 10\text{ kA}$ (dạng sóng 8/20 $\mu\text{s}$) thỏa tiêu chuẩn IEC 60099-4.
  • Thiết bị đo lường trung thế: Biến dòng đo lường EMIC CT22-EM5E04 (tỷ số 20/5 A, cấp điện áp 24 kV) và biến điện áp EMIC PT22 cấp chính xác đo lường công nghiệp.
  • Tính chọn thiết bị hạ áp: Cơ sở lý thuyết tính chọn dây dẫn và thiết bị đóng cắt theo điều kiện phát nóng liên tục ($I_{cp} \ge I_{tt}$), điều kiện sụt áp cho phép ($\Delta U \le \Delta U_{cp}$) và khả năng cắt dòng ngắn mạch.

Các chương còn lại theo đề mục thiết kế

  • Chương 7: Lựa chọn thiết bị điều khiển khởi động: Phân tích đặc tính kỹ thuật và phạm vi áp dụng của 4 phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ: Khởi động trực tiếp (DOL), Khởi động đổi nối Sao/Tam giác (Y/$\Delta$), Khởi động bằng biến tần (Inverter) và Khởi động mềm (Soft Starter).
  • Chương 8: Thiết kế bố trí sơ bộ thiết bị vào tủ MSB: Trình bày nguyên tắc sắp xếp không gian thanh cái chính, ngăn ACB tổng, ngăn MCCB nhánh phân phối, ngăn tủ tụ bù và vị trí đồng hồ đo lường hiển thị mặt tủ.
  • Chương 9: Sơ đồ chi tiết cho bộ điều khiển sao/tam giác: Trình bày nguyên lý mạch động lực và điều khiển đổi nối cuộn dây động cơ nhằm giảm dòng điện khởi động xuống còn 1/3 so với khởi động trực tiếp.
  • Chương 10: Lập dự toán khối lượng thiết bị tủ MSB và tủ tụ bù: Thống kê bảng danh mục vật tư thiết bị, số lượng aptomat, contactor, rơ-le, thanh cái đồng và phụ kiện tủ bảng điện.

Kết quả và đóng góp

Tổng hợp các thông số kỹ thuật cốt lõi

Đại lượng / Thiết bị Giá trị thiết kế được xác lập Căn cứ kỹ thuật / Mã hiệu
Độ rọi thiết kế mặt bằng $E \ge 300\text{ Lux}$ (Đạt $N_{bđ} = 24\text{ bộ}$) TCVN 7114-1:2008 / Đèn LED Philips Highbay 138 W
Tổng phụ tải tính toán xưởng $P_{tt} = 501,1\text{ kW}$; $S_{tt} = 607,6\text{ kVA}$ Hệ số đồng thời trạm $K_s = 0,8$
Máy biến áp nguồn 01 MBA 3 pha ngâm dầu 630 kVA 22/0,4 kV THIBIDI / QĐ 2608/QĐ-EVN SPC
Phương thức dẫn điện hạ áp Thang cáp kim loại (Cable Ladder) đi nổi Đánh giá tối ưu kỹ thuật - kinh tế
Hệ số công suất trạm Nâng từ $\cos\varphi_1 = 0,825$ lên $\cos\varphi_2 = 0,93$ Tiêu chuẩn vận hành lưới điện
Bộ tụ bù công suất phản kháng $Q_{bù} = 150\text{ kVAr}$ (10 cấp $\times$ 15 kVAr ứng động) Mikro MKC-445150KT + Bộ lọc LC
Thiết bị đóng cắt tổng MSB ACB 3P - 400 V - 1250 A - 50 kA Schneider Electric (NS125N3M2)
Thiết bị bảo vệ trung áp FCO 22 kV - 50 A (31,5 kA); LA 18 kV - 10 kA Tiêu chuẩn IEC 60099-4 / Cooper UHS

Đóng góp kỹ thuật của đồ án

  • Xây dựng hoàn chỉnh quy trình thiết kế hệ thống cung cấp điện cho nhà xưởng cơ khí quy mô 1.000 m² theo đúng các quy chuẩn hiện hành (TCVN và IEC).
  • Cung cấp phương pháp phân nhóm phụ tải khoa học, cân bằng tải 3 pha và xác định công suất đỉnh thực tế thông qua các hệ số $K_u$, $K_s$ phân cấp từ cấp tủ nhánh đến tủ tổng MSB.
  • Đưa ra giải pháp bù ứng động 10 cấp kết hợp lọc sóng hài thụ động, tối ưu hóa hệ số công suất và bảo vệ an toàn cho thiết bị tụ điện trong môi trường vận hành công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án

  • Phụ tải tính toán dựa trên các hệ số đồng thời ($K_s$) và hệ số sử dụng ($K_u$) tra cứu theo bảng tiêu chuẩn lý thuyết, chưa có dữ liệu biểu đồ phụ tải đo đạc thực tế theo thời gian thực (Load Profile) của các ca sản xuất.
  • Giải pháp xử lý sóng hài dừng lại ở mức tính toán sơ bộ và đề xuất mạch lọc thụ động LC thông thấp cơ bản, chưa đi sâu mô phỏng phân tích phổ sóng hài chi tiết (tần số bậc 5, 7, 11) do các phụ tải phi tuyến sinh ra.
  • Chưa đi sâu vào bài toán tính toán chi tiết dòng ngắn mạch xung kích và độ sụt áp động học trên thanh cái khi khởi động đồng thời các động cơ công suất lớn.

Hướng mở rộng nghiên cứu

  • Ứng dụng các phần mềm chuyên ngành (như ETAP, AutoCAD Electrical hoặc DIALux) để mô phỏng chính xác phân bố độ rọi và tính toán ngắn mạch toàn diện trên mạng điện hạ áp.
  • Nghiên cứu tích hợp hệ thống giám sát năng lượng PMS/SCADA tại tủ MSB để theo dõi các thông số điện năng thời gian thực và tự động tối ưu hóa các bước đóng cắt tụ bù.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tư liệu học thuật và thực tiễn hữu ích đối với:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống điện, Kỹ thuật công trình điện: Tham khảo làm mẫu chuẩn cho đồ án môn học Cung cấp điện, đồ án thiết kế trạm biến áp và đồ án tốt nghiệp kỹ sư điện.
  • Kỹ sư thiết kế Cơ điện (M&E): Tham khảo quy trình phân nhóm phụ tải, bảng tính công suất biểu kiến, phương pháp chọn thiết bị bảo vệ trung - hạ thế và các tiêu chuẩn viện dẫn khi lập hồ sơ thiết kế kỹ thuật cho nhà xưởng sản xuất.

Các phần có giá trị tham khảo cao nhất trong tài liệu gồm:

  1. Quy trình tính toán chiếu sáng chi tiết bằng phương pháp hệ số sử dụng kết hợp dữ liệu catalogue đèn LED công nghiệp thực tế.
  2. Phương pháp luận so sánh, đánh giá kinh tế - kỹ thuật giữa 3 phương án dẫn điện (Busway, Thang máng cáp, Cáp ngầm).
  3. Các công thức xác định dải dòng chọn dây chảy FCO và thông số chống sét van LA phía trung áp 22 kV.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án chọn 24 bộ đèn LED Philips Highbay 138 W cho nhà xưởng?

Độ rọi yêu cầu cho xưởng cơ khí gia công nguội theo TCVN 7114-1:2008 là $E_{yc} \ge 300\text{ Lux}$. Với diện tích 1.000 m², độ cao treo đèn hữu dụng 9,2 m, chỉ số phòng $i = 1,2$, hệ số sử dụng $CU = 0,4$ và hệ số bảo trì tổng hợp $MF = 0,73$ (tính theo chế độ vận hành 8.160 giờ/năm theo chuẩn L80), công thức quang thông xác định số lượng đèn cần thiết là 23,73 bộ. Do đó, tác giả chọn 24 bộ đèn để bố trí đối xứng trên trần xưởng, đáp ứng chính xác tiêu chuẩn kỹ thuật chiếu sáng.

2. Căn cứ nào để lựa chọn máy biến áp THIBIDI công suất 630 kVA?

Tổng công suất tác dụng tính toán của 4 tủ động lực và tủ chiếu sáng khi tính đến hệ số đồng thời của tủ tổng MSB ($K_s = 0,8$) là $P_{tt_Total} = 501,1\text{ kW}$. Tổng công suất biểu kiến tính toán là $S_{tt_Total} = 607,6\text{ kVA}$. Căn cứ điều kiện $S_{mba} \ge S_{tt_Total}$ và bảng công suất định mức tiêu chuẩn theo Quyết định 2608/QĐ-EVN SPC, tác giả lựa chọn 01 máy biến áp 3 pha ngâm dầu kiểu kín THIBIDI công suất định mức 630 kVA (22/0,4 kV, Dyn 11).

3. Vì sao phương án đi dây trên thang cáp được chọn thay vì Busway hoặc cáp ngầm?

Dù Busway có tính thẩm mỹ cao và dẫn dòng lớn, chi phí đầu tư với mức tải dưới 630 A là quá đắt đỏ và không gian xưởng không đòi hỏi thanh dẫn cứng. Phương án cáp ngầm có chi phí xây dựng cao, thời gian thi công kéo dài, khả năng thoát nhiệt phụ thuộc môi trường đất và rất khó sửa chữa khi gặp sự cố đứt cáp. Phương án đi dây trên thang cáp (Cable Ladder) đảm bảo cân bằng tối ưu: chi phí nguyên vật liệu và nhân công hợp lý, thi công nhanh, tản nhiệt tốt, dễ bảo trì định kỳ và linh hoạt mở rộng tuyến cáp trong tương lai.

4. Hệ số công suất được cải thiện như thế nào và cấu hình tủ tụ bù ra sao?

Trước khi bù, hệ số công suất tự nhiên của xưởng chỉ đạt $\cos\varphi_1 = 0,825$. Để nâng lên $\cos\varphi_2 = 0,93$ (nhằm giảm tổn thất điện áp, giảm dòng tải phản kháng và tránh bị phạt tiền điện), dung lượng bù cần thiết được tính ra là 140,42 kVAr. Tác giả chọn bộ tụ tổng công suất 150 kVAr của hãng Mikro, cấu hình thành 10 cấp bù ứng động (mỗi cấp 15 kVAr) điều khiển tự động, đi kèm mạch lọc thụ động LC thông thấp để triệt tiêu sóng hài bậc cao.

5. Thiết bị bảo vệ phía trung áp 22 kV của trạm biến áp được tính chọn theo thông số nào?

  • Cầu chì tự rơi (FCO): Dòng điện sơ cấp MBA là $I_b = 16,5\text{ A}$, dải chọn dòng định mức dây chảy từ $23,1\text{ A}$ đến $72\text{ A}$. Tác giả chọn FCO 22 kV, dòng định mức $I_n = 50\text{ A}$, dòng cắt ngắn mạch 31,5 kA loại K.
  • Chống sét van (LA): Thỏa mãn điện áp làm việc liên tục $U_{MCOV} \ge 13,3\text{ kV}$ và quá điện áp tạm thời $U_{TOV} \ge 18,7\text{ kV}$. Tác giả chọn chống sét van UltraSIL Housed VariSTAR UHS (Cooper) có điện áp định mức 18 kV, dòng phóng định mức 10 kA theo tiêu chuẩn IEC 60099-4.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống cấp điện nhà xưởng cơ khí" của sinh viên Võ Minh Thiện là một công trình thiết kế kỹ thuật điện công nghiệp hoàn chỉnh, giải quyết bài bản các bài toán từ cấp nguồn trung thế 22 kV, tính chọn trạm biến áp 630 kVA, phân nhóm phụ tải động lực đến hệ thống chiếu sáng và bù công suất phản kháng 150 kVAr. Toàn bộ các thông số kỹ thuật, thiết bị đóng cắt bảo vệ (ACB, MCCB, FCO, LA) và sơ đồ phân phối được tính toán chặt chẽ dựa trên hệ thống tiêu chuẩn TCVN và IEC hiện hành. Bản đồ án thể hiện tính thực tiễn cao, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu khắt khe về độ tin cậy cung cấp điện, tính an toàn vận hành và hiệu quả kinh tế cho nhà máy sản xuất.