Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành công nghiệp Điện đóng vai trò hạ tầng kỹ thuật mũi nhọn, tạo nền tảng cho sự vận hành và phát triển của toàn bộ các ngành kinh tế quốc dân. Khi xây dựng một nhà máy, khu công nghiệp hay phân xưởng sản xuất mới, công tác tiên quyết là tính toán, thiết kế và xây dựng một hệ thống cung cấp điện hoàn chỉnh, đáp ứng kịp thời nhu cầu tiêu thụ điện năng cho dây chuyền công nghệ và sinh hoạt nội bộ. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, đồ án môn học "Thiết kế hệ thống cung cấp điện cho xưởng cơ khí" được thực hiện tại Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của T.S Trần Thanh Ngọc, nhằm giải quyết bài toán thiết kế mạng điện phân phối hạ áp và trạm biến áp cho một cơ sở sản xuất công nghiệp hoàn chỉnh.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định qua 4 nội dung trọng tâm:

  1. Vạch sơ đồ cấp điện; lựa chọn các phần tử trong sơ đồ bao gồm hệ thống tủ động lực, tủ phân phối, tiết diện cáp truyền tải và hệ thống đèn cao áp.
  2. Lựa chọn các thiết bị trong trạm phân phối: máy biến áp, thiết bị bảo vệ trung - hạ áp, cáp xuất tuyến và hệ thống đo đếm.
  3. Xác định các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật: tổn thất công suất, tổn thất điện áp, tổn thất điện năng; tính toán dung lượng bù công suất phản kháng cho xí nghiệp và so sánh mức độ tổn thất trước và sau khi bù.
  4. Mô phỏng hệ thống trong môi trường Matlab, tiến hành so sánh, đối chiếu các chỉ số tổn thất giữa mô hình mô phỏng Matlab và kết quả tính toán lý thuyết.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài là một xưởng cơ khí có tổng diện tích mặt bằng hình vuông kích thước $40\text{m} \times 40\text{m}$. Không gian xưởng được phân chia thành 4 khu vực chức năng chính:

  • Khu I: Bộ phận máy (gồm các máy công cụ: máy cưa, máy khoan bàn, máy mài thô, máy sọc, máy phay răng, máy tiện ren, máy khoan đứng, máy bào ngang).
  • Khu II: Bộ phận sửa chữa (gồm cầu trục, bể tăng nhiệt, bể ngâm nước nóng, tủ sấy, lò điện, bàn thử nghiệm).
  • Khu III: Nhà xưởng (trang bị hệ thống máy bơm phục vụ sản xuất).
  • Khu IV: Khu văn phòng (gồm hệ thống máy vi tính và máy điều hòa nhiệt độ).

Phạm vi kỹ thuật giới hạn ở phương án đi dây ngầm bên trong toàn bộ nhà máy, sử dụng các chủng loại thiết bị đóng cắt, bảo vệ và dây dẫn hiện hành trên thị trường, đấu nối nhận điện từ lưới phân phối trung áp 22 kV.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết cung cấp điện công nghiệp, tập trung vào các nguyên lý cốt lõi:

  • Lý thuyết phụ tải tính toán (PTTT): PTTT được định nghĩa là phụ tải giả thiết lâu dài không đổi, tương đương với phụ tải thực tế (thay đổi theo thời gian) về mặt hiệu quả phát nhiệt hoặc mức độ hủy hoại cách điện của thiết bị. Việc tính toán chuẩn xác PTTT giữ vai trò quyết định, giúp tránh tình trạng non tải gây ứ đọng vốn đầu tư hoặc quá tải dẫn đến suy giảm tuổi thọ thiết bị, nguy cơ chập cháy.
  • Lý thuyết xác định tâm phụ tải điện: Tâm phụ tải điện là điểm quy ước trên mặt bằng tọa độ $(x_0, y_0, z_0)$ sao cho mômen phụ tải đạt giá trị cực tiểu. Vị trí này là điểm tối ưu để đặt trạm biến áp, tủ phân phối và tủ động lực nhằm giảm thiểu chiều dài đường dây, hạn chế tổn thất điện năng và sụt áp.
  • Tiêu chuẩn lựa chọn và kiểm tra dây dẫn: Áp dụng tiêu chuẩn quốc tế IEC 60364-5-52 để tính toán khả năng mang tải của dây dẫn và cáp ngầm, kết hợp việc hiệu chỉnh dòng điện cho phép thông qua các hệ số môi trường $K_1$ (ảnh hưởng nhiệt độ đất/không khí) và hệ số $K_2$ (ảnh hưởng ghép nhóm nhiều mạch đi chung).
  • Tiêu chuẩn thiết bị đóng cắt và bảo vệ: Áp dụng tiêu chuẩn ANSI C37.42 và IEC 282-2 cho cầu chì tự rơi trung áp (FCO), cùng các quy tắc lựa chọn Aptomat (Aptomat khối CB) theo điều kiện điện áp định mức ($U_{CB} \ge U_{đm}$), dòng định mức ($I_{load} \le I_{CB} \le I_Z$), và khả năng cắt dòng ngắn mạch ($I_{cắt} \ge I_{nm}$).

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Tác giả tổng hợp 7 phương pháp xác định phụ tải tính toán trong lý thuyết và lựa chọn các phương pháp thích hợp với đặc thù từng nhóm phụ tải:

  1. Phương pháp xác định PTTT theo công suất đặt và hệ số nhu cầu ($k_{nc}$): Áp dụng khi phụ tải đã xác định công suất đặt sơ bộ.
  2. Phương pháp theo hình dáng đồ thị phụ tải và công suất trung bình ($P_{tb}$).
  3. Phương pháp theo công suất trung bình và độ lệch đồ thị phụ tải khỏi giá trị trung bình.
  4. Phương pháp theo suất tiêu hao điện năng cho một đơn vị sản phẩm ($p_0, M, T_{max}$): Thường áp dụng cho các công trình dân dụng, bệnh viện, khách sạn.
  5. Phương pháp theo suất trang bị điện trên một đơn vị diện tích ($p_0 \text{ W/m}^2$): Dùng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ và tính toán phụ tải chiếu sáng phân xưởng ($p_0 = 15 \text{ W/m}^2$).
  6. Phương pháp theo công suất trung bình và hệ số cực đại ($k_{max}, n_{hq}, k_{sd}$): Phương pháp có độ chính xác cao, được lựa chọn để tính toán phụ tải động lực cho Bộ phận máy và Bộ phận sửa chữa do đã nắm rõ vị trí, công suất và chế độ làm việc từng thiết bị.
  7. Phương pháp tính toán phụ tải đặc biệt (thiết bị 1 pha): Quy đổi phụ tải 1 pha về 3 pha tương đương dựa trên việc so sánh tổng công suất 1 pha với ngưỡng 15% tổng công suất 3 pha.

Phương pháp tính toán giải tích kết hợp tra cứu sổ tay kỹ thuật được vận dụng xuyên suốt đồ án, sau đó kiểm chứng bằng công cụ mô phỏng số trên phần mềm Matlab.

Nguồn dữ liệu

  • Dữ liệu mặt bằng, danh mục thiết bị và công suất đặt của xưởng cơ khí do đề tài cung cấp.
  • Tài liệu chuyên môn: "Thiết kế cấp điện" của PGS.TS. Ngô Hồng Quang và "Hệ thống Cung cấp điện (Tập 2)" của PGS.TS. Trần Quang Khánh.
  • Thông số kỹ thuật thiết bị từ catalog thương mại: Máy biến áp hãng ABB, máy biến điện áp BU hãng SIEMENS, cáp điện hạ thế hãng LENS, khí cụ đóng cắt Aptomat hãng MITSUBISHI.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống cung cấp điện cho xưởng cơ khí được thiết kế đồng bộ từ cấp điện áp trung thế 22 kV xuống cấp hạ thế $380/220\text{V}$, với cấu trúc phân phối hình tia đi cáp ngầm hoàn toàn trong lòng đất.

Lưới trung thế 22 kV 
 [FCO 24 kV] 
 [BU 22/0.1 kV & BI 400/5A]
 [Trạm biến áp ABB 250 kVA - 22/0.4 kV]
 [Tủ Phân Phối Tổng - CB NF400-CW 350A]

1. Trạm biến áp và thiết bị trung thế

  • Máy biến áp lực: Căn cứ vào công suất tính toán toàn phân xưởng $S_{tt} = 223,79\text{ kVA}$, đồ án chọn 1 máy biến áp 3 pha kiểu trạm nền do hãng ABB chế tạo. Các thông số định mức gồm: $S_{đm} = 250\text{ kVA}$; điện áp sơ cấp/thứ cấp $U_{SC}/U_{TC} = 22/0,4\text{ kV}$; tổn hao không tải $\Delta P_0 = 640\text{ W}$; tổn hao ngắn mạch $\Delta P_N = 4100\text{ W}$; điện áp ngắn mạch $U_N% = 4%$; tổng trọng lượng $1130\text{ kg}$. Trạm nền được bố trí ngoài trời có tường rào bảo vệ, phần hạ áp đưa vào nhà.
  • Biến dòng điện (BI): Với dòng điện tính toán $I_{tt} = 340\text{ A}$, chọn bộ biến dòng kiểu khô lõi tôn silic định hướng, tỷ số biến dòng $400/5\text{ A}$, dung lượng định mức $10\text{ VA}$, cấp chính xác $0,5$.
  • Biến điện áp (BU): Đặt tại thanh góp 22 kV nhằm mục đích đo lường và bảo vệ rơ-le, chọn loại 4MS34 do SIEMENS sản xuất, điện áp sơ cấp $22/\sqrt{3}\text{ kV}$, điện áp thứ cấp $100/\sqrt{3}\text{ V}$, công suất định mức $S_{đm} = 400\text{ VA}$, cấp chính xác $0,5$.
  • Cầu chì tự rơi (FCO): Lắp đặt bảo vệ đầu trạm, cấp điện áp định mức $24\text{ kV}$, dòng định mức $100\text{ A}$, khả năng cắt dòng ngắn mạch $12\text{ kA}$, mức cách điện xung (BIL) đạt $150\text{ kV}$, chiều dài dòng rò $600\text{ mm}$, vỏ cách điện polymer và ống chì bằng sợi thủy tinh (fiberglass) kháng tia cực tím.

2. Mạng cáp hạ áp và hệ số hiệu chỉnh lắp đặt

Dây dẫn hạ thế sử dụng cáp đồng nhiều lõi bọc cách điện PVC của hãng LENS, đặt trong ống dẫn đơn chôn ngầm trong đất. Quá trình chọn tiết diện tuân thủ tiêu chuẩn IEC 60364-5-52 với các hệ số hiệu chỉnh:

  • Nhiệt độ đất tính toán $30^\circ\text{C}$ đối với cách điện PVC $\rightarrow K_1 = 0,89$.
  • Hệ số ghép chung mạch đi ngầm: $K_2 = 1,0$ (cho 1 mạch từ TBA về Tủ phân phối), $K_2 = 0,65$ (cho 5 mạch từ Tủ phân phối đi các tủ động lực), $K_2 = 0,6$ (cho 6–8 mạch từ tủ động lực ra thiết bị), $K_2 = 0,85$ (cho 2 mạch tại khu nhà xưởng/văn phòng).
Tuyến cấp điện Dòng tính toán $I_{tt}$ (A) Tiết diện cáp đồng LENS ($S$) Dòng cho phép sau hiệu chỉnh $I_Z$ (A)
TBA $\rightarrow$ Tủ Phân phối tổng $340,00$ $(3 \times 150 + 70)\text{ mm}^2$ $397$
Tủ PP $\rightarrow$ Tủ ĐL Bộ phận máy $60,36$ $16\text{ mm}^2$ $113$
Tủ PP $\rightarrow$ Tủ ĐL Sửa chữa $103,00$ $50\text{ mm}^2$ $206$
Tủ PP $\rightarrow$ Tủ ĐL Nhà xưởng $36,00$ $6\text{ mm}^2$ $66$
Tủ PP $\rightarrow$ Tủ ĐL Văn phòng $151,00$ $95\text{ mm}^2$ $301$
Tủ PP $\rightarrow$ Tủ Chiếu sáng $109,00$ $50\text{ mm}^2$ $206$

3. Hệ thống khí cụ đóng cắt và bảo vệ hạ áp (CB)

Toàn bộ Aptomat hạ áp được chọn từ dòng sản phẩm tiêu chuẩn và kinh tế của hãng Mitsubishi, đáp ứng các tiêu chí điện áp cách điện $U_{CB} \ge 400\text{ V}$, dòng định mức lớn hơn dòng phụ tải và dòng cắt ngắn mạch lớn hơn dòng ngắn mạch tính toán tại điểm đặt.

Vị trí lắp đặt Chủng loại CB Số cực & Dòng định mức $I_n$ Dòng cắt định mức $I_{cu}$ Dòng ngắn mạch tính toán $I_{nm}$
CB Tổng (sau TBA) Mitsubishi NF400-CW 3P, 350 A 36 kA 8,046 kA
Tủ ĐL Bộ phận máy Mitsubishi NF63-SW 3P, 63 A 7,5 kA 5,285 kA
Tủ ĐL Sửa chữa Mitsubishi NF125-CW 3P, 125 A 10 kA 7,378 kA
Tủ ĐL Nhà xưởng Mitsubishi NF63-SW 3P, 40 A 7,5 kA 6,460 kA
Tủ ĐL Văn phòng Mitsubishi NF250-CW 3P, 175 A 18 kA 7,647 kA
Tủ Chiếu sáng Mitsubishi NF250-CW 3P, 125 A 18 kA 6,713 kA

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Xác định phụ tải tính toán của các phân xưởng

Chương này tập trung xác định phụ tải tính toán cơ sở cho toàn bộ các thiết bị tiêu thụ điện và tổng hợp cho từng khu vực:

  • Bộ phận máy: Gồm 8 thiết bị chính ($n = 8$), công suất cực đại $P_{max} = 18\text{ kW}$ (máy tiện ren). Số thiết bị có công suất $P \ge 0,5 P_{max}$ là $n_1 = 3$. Tra bảng xác định số thiết bị hiệu quả $n_{hq} = 6$. Với hệ số sử dụng $k_{sd} = 0,15$, hệ số cực đại tương ứng là $k_{max} = 2,64$.
  • Bộ phận sửa chữa: Gồm 6 thiết bị ($n = 6$), $P_{max} = 32\text{ kW}$ (cầu trục), $n_1 = 2$. Tính được số thiết bị hiệu quả $n_{hq} = 5$, hệ số cực đại $k_{max} = 2,87$. Phụ tải tính toán tác dụng đạt $P_{tt} = 2,87 \times 0,15 \times 95 = 40,9\text{ kW}$.
  • Khu nhà xưởng: Gồm 2 máy bơm ($n < 3$), công suất lần lượt là $4,8\text{ kW}$ và $9,7\text{ kW}$, được tính toán trực tiếp theo hệ số phụ tải chế độ dài hạn.
  • Khu văn phòng: Gồm dàn 20 máy vi tính ($20\text{ kW}$) và 2 máy điều hòa ($3\text{ kW}$). Do là phụ tải 1 pha, tác giả thực hiện thuật toán so sánh với $15%$ tổng công suất 3 pha của xưởng để quy đổi chính xác về công suất 3 pha tương đương.
  • Phụ tải chiếu sáng toàn xưởng: Sử dụng nguồn đèn sợi đốt, hệ số công suất $\cos\varphi = 1$ ($Q_{cs} = 0$), suất chiếu sáng tra sổ tay $p_0 = 15\text{ W/m}^2$.
  • Dòng định mức thiết bị: Với hệ số $\cos\varphi = 0,6$ đặc trưng cho xưởng cơ khí, chương 1 đã thiết lập bảng dòng định mức chi tiết: Cầu trục ($81,03\text{ A}$), Máy tiện ren ($45,58\text{ A}$), Tủ sấy ($50,64\text{ A}$), Bể ngâm nước nóng ($37,98\text{ A}$), Bàn thử nghiệm và Bể tăng nhiệt ($25,32\text{ A}$), Máy vi tính văn phòng ($91\text{ A}$)...
  • Xác định tâm phụ tải: Dựa trên bảng tọa độ $(X, Y)$ của từng thiết bị, tác giả tính toán tọa độ tâm phụ tải $M(x_0, y_0)$ cho từng bộ phận và tâm phụ tải tổng thể toàn phân xưởng để định vị tối ưu tủ phân phối tổng, các tủ động lực nhánh và cửa ra vào.
Tên thiết bị tiêu thụ Công suất đặt (kW) Tọa độ X (m) Tọa độ Y (m) Dòng định mức $I_{đm}$ (A)
Máy cưa kiểu đại (A1) $7,6$ ($3,0$) $3,0$ $18,0$ $7,60$
Máy khoan bàn (A2) $3,3$ ($3,5$) $3,0$ $9,0$ $8,36$
Máy tiện ren (A6) $18,0$ $9,0$ $9,0$ $45,58$
Máy khoan đứng (A7) $12,0$ $3,0$ $3,5$ $30,39$
Máy bào ngang (A8) $10,0$ $9,0$ $3,0$ $25,32$
Cầu trục (B1) $32,0$ $16,5$ $30,0$ $81,03$
Bể tăng nhiệt (B2) $10,0$ $22,5$ $30,0$ $25,32$
Bể ngâm nước nóng (B3) $15,0$ $28,5$ $30,0$ $37,98$
Tủ sấy (B4) $20,0$ — — $50,64$
Lò điện (B5) $8,0$ $10,0$ $24,0$ $20,26$
Bàn thử nghiệm (B6) $10,0$ $31,0$ — $25,32$
Máy bơm nước 1 $4,8$ — — $12,15$
Máy bơm nước 2 $9,7$ — — $24,56$
Hệ thống máy vi tính $20,0$ — — $91,00$
Máy điều hòa nhiệt độ $3,0$ — — $13,60$

Chương 2: Chọn thiết bị cho phân xưởng

Chương 2 trình bày toàn bộ quy trình tính toán, tra cứu và lựa chọn thiết bị điện công nghiệp trên cơ sở số liệu ở Chương 1:

  • Chọn máy biến áp ABB $250\text{ kVA} - 22/0,4\text{ kV}$ trên tổng phụ tải tính toán $S_{tt} = 223,79\text{ kVA}$.
  • Chọn khí cụ đo lường và bảo vệ trung thế: Biến dòng BI $400/5\text{ A}$, Biến điện áp BU SIEMENS 4MS34 $22/\sqrt{3}\text{ kV}$, Cầu chì tự rơi FCO $24\text{ kV} - 100\text{ A}$.
  • Tính chọn tiết diện cáp ngầm ruột đồng bọc PVC hãng LENS cho từng lộ phân phối và các nhánh phụ tải máy lẻ (cáp máy cưa $1,5\text{ mm}^2$, cầu trục $35\text{ mm}^2$, máy bơm $1,5 - 2,5\text{ mm}^2$, dàn vi tính $25\text{ mm}^2$, điều hòa $1,5\text{ mm}^2$).
  • Lựa chọn hệ thống Aptomat khối (CB) Mitsubishi 3 pha đóng cắt và bảo vệ cho tủ phân phối tổng ($350\text{ A}$) cùng các tủ động lực thành phần ($40\text{ A} - 175\text{ A}$).

Chương 3: Tính toán ngắn mạch

Chương này thực hiện mô hình hóa mạng điện để tính toán các giá trị dòng ngắn mạch duy trì và xung kích tại các điểm nút nguy hiểm trên thanh cái hạ áp:

  • Dòng ngắn mạch tại đầu cực hạ áp sau máy biến áp / tủ phân phối tổng: $I_{nm} = 8,046\text{ kA}$.
  • Dòng ngắn mạch tại các thanh cái tủ động lực nhánh: dao động từ $5,285\text{ kA}$ đến $7,647\text{ kA}$ (Bộ phận máy: $5,285\text{ kA}$; Bộ phận sửa chữa: $7,378\text{ kA}$; Nhà xưởng: $6,460\text{ kA}$; Văn phòng: $7,647\text{ kA}$; Chiếu sáng: $6,713\text{ kA}$).
  • Toàn bộ kết quả dòng ngắn mạch được sử dụng làm mốc đối chiếu, xác nhận khả năng chịu đựng và cắt ngắn mạch an toàn của các CB Mitsubishi đã lựa chọn ở Chương 2.

Chương 4: Tính toán tổn thất và bù nâng cao hệ số công suất

Chương 4 hoàn thiện phương án vận hành kinh tế cho xí nghiệp:

  • Tính toán chi tiết các thành phần tổn thất công suất tác dụng ($\Delta P$), tổn thất công suất phản kháng ($\Delta Q$), tổn thất điện áp ($\Delta U$) và tổn thất điện năng hàng năm ($\Delta A$) trên đường cáp truyền tải và trong máy biến áp.
  • Đề xuất và tính toán dung lượng bù công suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số công suất $\cos\varphi$ của xưởng từ mức $0,6$ lên mức tiêu chuẩn theo quy định của ngành điện.
  • Đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật thông qua việc so sánh mức độ sụt giảm tổn thất công suất và điện áp trước và sau khi lắp đặt tụ bù.
  • Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống cấp điện trên phần mềm Matlab để kiểm nghiệm và so sánh với các biểu thức giải tích.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Xác định chính xác tổng phụ tải tính toán toàn phân xưởng là $S_{tt} = 223,79\text{ kVA}$ và dòng điện tính toán tổng $I_{tt} = 340\text{ A}$.
  • Thiết lập hoàn chỉnh cấu hình trạm biến áp phân phối kiểu trạm nền 1 máy biến áp ABB $250\text{ kVA} - 22/0,4\text{ kV}$, phối hợp nhịp nhàng với hệ thống đo lường (BI $400/5\text{ A}$, BU SIEMENS 4MS34) và thiết bị bảo vệ FCO $24\text{ kV} - 12\text{ kA}$.
  • Xác lập được mạng lưới phân phối cáp ngầm hạ áp an toàn theo tiêu chuẩn IEC 60364-5-52 với tiết diện trục chính là cáp đồng LENS $(3 \times 150 + 70)\text{ mm}^2$ và các tuyến nhánh từ $6\text{ mm}^2$ đến $95\text{ mm}^2$.
  • Tính toán đầy đủ phổ dòng ngắn mạch hạ thế (cực đại $8,046\text{ kA}$), làm cơ sở chuẩn hóa hệ thống đóng cắt bảo vệ bằng các dòng CB Mitsubishi (dòng cắt định mức từ $7,5\text{ kA}$ đến $36\text{ kA}$).
  • Thiết lập bảng tọa độ hình học và xác định vị trí đặt tủ phân phối, tủ động lực dựa trên tâm phụ tải.

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

  • Ứng dụng phương án đi cáp ngầm: Đảm bảo triệt để mỹ quan công nghiệp, độ tin cậy cung cấp điện cao và hạn chế tối đa nguy cơ va chạm cơ học trong không gian sản xuất cơ khí có cầu trục hoạt động.
  • Tối ưu hóa vị trí tủ điện bằng tâm phụ tải: Giảm thiểu mômen phụ tải, giúp tiết kiệm chiều dài dây cáp và giảm tổn thất điện áp trên các tuyến phân phối.
  • Nâng cao chất lượng điện năng bằng tụ bù: Đề xuất lắp đặt dung lượng bù công suất phản kháng thích hợp để cải thiện hệ số công suất xí nghiệp, giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng trên toàn mạng điện.
  • Tích hợp mô phỏng Matlab: Bổ sung phương pháp mô phỏng số trên Matlab để đối sánh với tính toán lý thuyết, tăng cường độ tin cậy cho thiết kế kỹ thuật.

Đóng góp của đề tài

Đồ án đã chuẩn hóa một quy trình thiết kế hệ thống cung cấp điện công nghiệp bài bản cho xưởng cơ khí, kết hợp đồng bộ giữa lý thuyết tính toán phân tích phụ tải chuyên sâu (hệ số cực đại, số thiết bị hiệu quả) với việc tra cứu, áp dụng các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế (IEC, ANSI) và thiết bị công nghiệp thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Các thông số tính toán phụ tải (hệ số sử dụng $k_{sd} = 0,15$, hệ số công suất $\cos\varphi = 0,6$, suất chiếu sáng $p_0 = 15\text{ W/m}^2$) được lấy theo số liệu tra cứu sổ tay kinh nghiệm thiết kế, chưa xét đến biến động phụ tải thực tế theo từng ca sản xuất động.
    • Phạm vi tính toán trong văn bản tập trung vào các chế độ xác lập và ngắn mạch cơ bản, chưa đi sâu phân tích ảnh hưởng của sóng hài bậc cao do các phụ tải phi tuyến (như bộ biến tần, lò điện) sinh ra đối với tuổi thọ tụ bù và máy biến áp.
  • Hướng nghiên cứu mở rộng:
    • Phát triển mô hình mô phỏng chi tiết hơn trên Matlab/Simulink cho các chế độ quá độ khi khởi động các động cơ công suất lớn (như động cơ cầu trục $32\text{ kW}$).
    • Nghiên cứu tích hợp hệ thống giám sát và quản lý năng lượng tự động (SCADA/EMS) nhằm giám sát trực tuyến thông số vận hành và tự động điều khiển các cấp tụ bù theo thời gian thực.

Giá trị tham khảo

Tài liệu này là tài liệu mẫu hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Điện Công nghiệp, Hệ thống Điện tại các trường đại học, cao đẳng kỹ thuật khi thực hiện đồ án môn học Cung cấp điện hoặc Đồ án tốt nghiệp.
  • Kỹ sư thiết kế điện công trình công nghiệp cần tài liệu tham khảo thực tế về các bước tính toán và quy cách lựa chọn thiết bị trạm biến áp, cáp điện ngầm và Aptomat hạ thế.

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

  • Trình tự xác định phụ tải tính toán bằng phương pháp công suất trung bình và hệ số cực đại ($n_{hq}, k_{max}, k_{sd}$).
  • Phương pháp xác định tâm phụ tải điện $M(x_0, y_0)$ trên mặt bằng phân xưởng.
  • Quy trình tra cứu và áp dụng các hệ số hiệu chỉnh $K_1, K_2$ theo tiêu chuẩn IEC 60364-5-52 để chọn tiết diện cáp ngầm chôn đất.
  • Phương pháp lựa chọn và phối hợp chọn lọc dòng cắt ngắn mạch cho hệ thống khí cụ đóng cắt CB hãng Mitsubishi.

Câu hỏi thường gặp

1. Tổng công suất tính toán của xưởng cơ khí là bao nhiêu và máy biến áp được chọn có thông số như thế nào?
Tổng công suất tính toán toàn phân xưởng là $S_{tt} = 223,79\text{ kVA}$. Tác giả đã chọn 1 máy biến áp 3 pha ngâm dầu kiểu trạm nền do hãng ABB sản xuất, công suất định mức $S_{đm} = 250\text{ kVA}$, cấp điện áp $22/0,4\text{ kV}$, tổn thất không tải $\Delta P_0 = 640\text{ W}$, tổn thất ngắn mạch $\Delta P_N = 4100\text{ W}$, $U_N% = 4%$, tổng trọng lượng $1130\text{ kg}$.

2. Cáp ngầm cấp nguồn từ trạm biến áp đến Tủ phân phối tổng sử dụng loại nào và có tiết diện bao nhiêu?
Tuyến cáp này sử dụng cáp đồng hạ áp bọc cách điện PVC do hãng LENS chế tạo, đặt trong ống dẫn đơn chôn ngầm trong đất ($1\text{ mạch} \rightarrow K_2 = 1,0; K_1 = 0,89$). Tiết diện cáp được lựa chọn là $(3 \times 150 + 70)\text{ mm}^2$, có dòng điện mang tải cho phép sau hiệu chỉnh là $I_Z = 397\text{ A}$, đáp ứng dòng tính toán $I_{tt} = 340\text{ A}$.

3. Tác giả đã sử dụng phương pháp nào để tính toán phụ tải động lực cho Bộ phận máy và Bộ phận sửa chữa?
Tác giả sử dụng Phương pháp xác định phụ tải tính toán theo công suất trung bình và hệ số cực đại ($k_{max}, n_{hq}, k_{sd}$). Cụ thể: Bộ phận máy có $n=8, k_{sd}=0,15, n_{hq}=6 \rightarrow k_{max}=2,64$; Bộ phận sửa chữa có $n=6, k_{sd}=0,15, n_{hq}=5 \rightarrow k_{max}=2,87$, cho ra phụ tải tính toán tác dụng $P_{tt} = 40,9\text{ kW}$.

4. Khí cụ đóng cắt bảo vệ (CB) cho Tủ phân phối tổng và các tủ động lực nhánh được chọn từ hãng nào, với thông số dòng cắt ra sao?
Toàn bộ CB được chọn từ hãng Mitsubishi. CB tổng bảo vệ sau trạm biến áp dùng loại NF400-CW (3P, $350\text{ A}$, dòng cắt $I_{cu} = 36\text{ kA}$, dòng ngắn mạch tính toán $8,046\text{ kA}$). Các CB tủ nhánh gồm: Tủ máy dùng NF63-SW ($63\text{ A}, 7,5\text{ kA}$), Tủ sửa chữa dùng NF125-CW ($125\text{ A}, 10\text{ kA}$), Tủ nhà xưởng dùng NF63-SW ($40\text{ A}, 7,5\text{ kA}$), Tủ văn phòng dùng NF250-CW ($175\text{ A}, 18\text{ kA}$), Tủ chiếu sáng dùng NF250-CW ($125\text{ A}, 18\text{ kA}$).

5. Tiêu chuẩn quốc tế nào được áp dụng để tính toán chọn cáp điện và những hệ số hiệu chỉnh nào đã được đưa vào tính toán?
Tác giả áp dụng tiêu chuẩn quốc tế IEC 60364-5-52 để lựa chọn khả năng mang tải của dây dẫn và cáp. Các hệ số hiệu chỉnh được áp dụng gồm: hệ số hiệu chỉnh theo nhiệt độ môi trường đất $30^\circ\text{C}$ đối với cách điện PVC ($K_1 = 0,89$) và hệ số hiệu chỉnh theo số lượng mạch cáp đi chung đặt sát nhau trong đất ($K_2$ từ $0,6$ đến $1,0$).

Kết luận

Đồ án môn học "Thiết kế hệ thống cung cấp điện cho xưởng cơ khí" của sinh viên lớp DHDI6A dưới sự hướng dẫn của T.S Trần Thanh Ngọc đã giải quyết trọn vẹn và khoa học bài toán thiết kế mạng điện phân phối công nghiệp hạ thế. Bản thuyết minh cung cấp hệ thống số liệu tính toán chi tiết từ khâu dự báo phụ tải, định vị tâm phụ tải, lựa chọn trạm biến áp ABB 250 kVA, cáp ngầm LENS theo tiêu chuẩn IEC 60364-5-52, cho đến kiểm tra khả năng cắt ngắn mạch của hệ thống khí cụ Mitsubishi. Đây là một tài liệu học thuật có cấu trúc mẫu mực, giàu tính ứng dụng thực tế cho việc nghiên cứu và học tập trong khối ngành Kỹ thuật Điện.