Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, các cơ sở sản xuất công nghiệp đòi hỏi hệ thống cơ cấu sản xuất hiện đại với mức độ tự động hóa ngày càng cao. Đi đôi với việc trang bị hệ thống máy móc sản xuất, mạng lưới cung cấp điện đóng vai trò huyết mạch, quyết định trực tiếp đến năng suất, độ tin cậy vận hành và an toàn của toàn bộ nhà xưởng. Một hệ thống cung cấp điện đạt tiêu chuẩn không chỉ đòi hỏi đáp ứng đầy đủ các tiêu chí kỹ thuật khắt khe như chất lượng điện áp, khả năng chịu tải, tính liên tục cấp điện mà còn phải tối ưu hóa về mặt kinh tế, giảm thiểu chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành.

Mặc dù các phần mềm hỗ trợ tính toán thiết kế trên máy tính đã phát triển phổ biến, việc nắm vững trình tự tính toán lý thuyết và phương pháp lựa chọn thiết bị kinh tế - kỹ thuật tối ưu vẫn là nền tảng cốt lõi của kỹ sư ngành điện. Đồ án môn học Cung cấp điện mang tên "Thiết kế hệ thống cung cấp điện cho phân xưởng 2 theo bảng số liệu của đề số 9" do sinh viên Hoàng Văn Hoàng và Nguyễn Ngọc Truyển thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Trương Việt Anh tại Khoa Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (tháng 05/2024), được xây dựng nhằm giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật thực tế này.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án bao gồm:

  1. Thu thập thông số, phân tích đặc điểm mặt bằng kiến trúc và quy trình công nghệ của phân xưởng cơ khí số 2.
  2. Phân chia nhóm phụ tải động lực, tính toán xác định phụ tải tính toán của từng nhóm máy, phụ tải chiếu sáng và toàn bộ phân xưởng.
  3. Lựa chọn dung lượng, số lượng và chủng loại máy biến áp phù hợp kết hợp xác định tọa độ tâm phụ tải và vị trí tối ưu đặt tủ điện.
  4. Phân tích so sánh các mô hình đi dây hạ áp và vạch phương án đi dây tối ưu cho phân xưởng.
  5. Tính chọn chủng loại, tiết diện dây dẫn và cáp điện hạ áp theo điều kiện phát nóng, hiệu chỉnh theo môi trường và kiểm tra độ sụt áp.
  6. Lập sơ đồ thay thế, tính toán dòng điện ngắn mạch tại các điểm nút đặc trưng trong mạng hạ thế để lựa chọn các khí cụ đóng cắt và bảo vệ.
  7. Tính toán tổn thất công suất tác dụng và phản kháng trên máy biến áp cùng các tuyến cáp động lực trong phân xưởng.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống cung cấp điện hạ áp cho phân xưởng sửa chữa cơ khí số 2. Phạm vi không gian nghiên cứu là một nhà xưởng hình chữ nhật có kích thước chiều dài 54 m, chiều rộng 18 m, chiều cao 7 m, tương ứng tổng diện tích mặt sàn là 972 m². Môi trường làm việc của phân xưởng ít bụi, nhiệt độ môi trường trung bình là 30°C; kết cấu nhà dạng hai mái tôn kẽm, nền xi măng, có năm cửa ra vào hai cánh (gồm một cửa chính và bốn cửa phụ). Phạm vi vận hành gồm 37 động cơ điện ba pha, một phòng kho và một phòng kiểm tra chất lượng sản phẩm (KCS), hoạt động theo chế độ 2 ca/ngày (ca 1 từ 6h00 đến 14h00, ca 2 từ 14h00 đến 22h00). Nguồn cấp điện được lấy từ trạm biến áp khu vực hạ áp xuống cấp điện áp danh định 220/380 V.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Để thực hiện thiết kế, đồ án sử dụng hệ thống lý thuyết giải tích cung cấp điện công nghiệp, bao gồm:

  • Mô hình xác định phụ tải tính toán dựa trên công suất định mức và hệ số sử dụng: $$\begin{aligned} S_{\text{tải(đm)}} &= \frac{P_{\text{tải(đm)}}}{\cos\varphi_{\text{tải}}} \ S_{\text{tải(tt)}} &= S_{\text{tải(đm)}} \times K_{\text{sd}} \ S_{\text{tt(tủ điện)}} &= \sum S_{\text{tải(tt)}} \times K_{\text{đt}} \end{aligned}$$ trong đó áp dụng hệ số đồng thời giữa các nhóm máy là $K_{\text{đt}} = 0{,}9$.
  • Phương pháp tính toán phụ tải chiếu sáng theo mật độ công suất trên diện tích: $P_{\text{ttcs}} = P_0 \times F$. Chỉ tiêu suất công suất chiếu sáng $P_0$ được tra cứu theo tài liệu "Thiết kế cung cấp điện" của tác giả Ngô Hồng Quang và Vũ Vân Tẩm (trang 253): phòng kho lấy $P_0 = 12\text{ W/m}^2$, phòng KCS lấy $P_0 = 20\text{ W/m}^2$, xưởng sản xuất cơ khí lấy $P_0 = 15\text{ W/m}^2$.
  • Phương pháp mô men tĩnh xác định tọa độ tâm phụ tải: $$X = \frac{\sum (x_i \cdot P_{\text{đm}i})}{\sum P_{\text{đm}i}}, \quad Y = \frac{\sum (y_i \cdot P_{\text{đm}i})}{\sum P_{\text{đm}i}}$$ kết hợp bán kính vòng tròn phụ tải: $$R = \sqrt{\frac{P_{\text{ttđm}}}{\pi \cdot m}}$$ với mật độ phụ tải giả định $m = 2\text{ kW/m}^2$.
  • Phương pháp tính toán dòng phát nóng cho phép có hiệu chỉnh: $$I_{\text{cp}} \ge I_{\text{qui đổi}} = \frac{I_{\text{tt}}}{K}$$ với các hệ số hiệu chỉnh $K$ về nhiệt độ, số mạch đi chung, môi trường lắp đặt (máng cáp, chôn ngầm ống PVC) tra cứu theo "Giáo trình Cung cấp điện" của TS. Quyền Huy Ánh (Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM).
  • Phương pháp kiểm tra tổn thất điện áp: $$\Delta U = \frac{P \cdot R + Q \cdot X}{U_{\text{đm}}}$$ với điều kiện giới hạn sụt áp mạng hạ áp là $\Delta U_{%} \le 5%$.
  • Phương pháp trở kháng quy đổi tính toán ngắn mạch ba pha đối xứng phía hạ áp từ nguồn công suất ngắn mạch $S_{\text{sc}} = 250\text{ MVA}$, $U = 380\text{ V}$. Hướng dẫn tính chọn và đặc tính kỹ thuật khí cụ điện tham khảo từ "Giáo trình Khí cụ điện" (Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, trang 90–96).

Phương pháp nghiên cứu thực tế là tính toán kỹ thuật giải tích kết hợp đối chiếu, tra cứu danh mục thiết bị thực tế từ các nhà sản xuất công nghiệp tại Việt Nam gồm Công ty Cổ phần Thiết bị điện THIBIDI (máy biến áp), Công ty Cổ phần Dây cáp điện Việt Nam CADIVI (cáp điện CV, CXV), và hãng CNC (thiết bị đóng cắt bảo vệ MCCB, MCB). Nguồn số liệu đầu vào dựa trên thông số công nghệ của Đề số 9 do bộ môn Cung cấp điện cung cấp.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống cung cấp điện phân xưởng được thiết kế theo cấu trúc phân cấp mạng hạ thế 3 pha 4 dây 380/220 V gồm: trạm biến áp hạ áp riêng biệt, tủ phân phối tổng (MDB), 5 tủ động lực thứ cấp (DB1 đến DB5) và hệ thống phân phối nội bộ đến 37 động cơ cùng tủ chiếu sáng.

Hạng mục thiết kế Giải pháp công nghệ và quy cách triển khai
Trạm biến áp Máy biến áp dầu 3 pha 400 kVA hãng THIBIDI; điện áp 22/0,4 kV; đặt ngoài xưởng gần tâm phụ tải; dự phòng công suất 20%
Đường trục chính (TBA – MDB) Cáp điện lực hạ thế CV/CXV 4 lõi ruột đồng, cách điện PVC/XLPE; tiết diện $4 \times 240\text{ mm}^2$; luồn trong ống nhựa cứng PVC chịu lực chuyên dụng chôn ngầm dưới đất 50 cm
Tuyến MDB – Tủ động lực (DB1–DB5) Cáp đồng nhiều sợi CXV $4 \times 35\text{ mm}^2$; đi trên hệ thống máng cáp treo tường và trần dọc theo chu vi phân xưởng
Tuyến tủ động lực – Động cơ Cáp đồng nhiều sợi CXV (tiết diện từ $2{,}5\text{ mm}^2$ đến $4\text{ mm}^2$); luồn ống PVC chôn ngầm dưới nền xưởng ở độ sâu 40 cm
Bảo vệ tủ tổng (MDB) 01 MCCB 3 pha vỏ đúc mã YCMC-N-1000 hãng CNC ($I_n = 1000\text{ A}$, $U_{\text{đm}} = 415\text{ V}$, dòng cắt $I_{\text{cu}} = 50\text{ kA}$, thời gian ngắt $t = 10\text{ ms}$)
Bảo vệ tủ phân phối phụ (DB) Các MCCB 3 pha hãng CNC mã YCMC-N250 ($I_n = 250\text{ A}$, $I_{\text{cu}} = 22\text{ kA}$) và YCMC-B160 ($I_n = 160\text{ A}$)
Bảo vệ nhánh động cơ Các aptomat tép 3 pha MCB hãng CNC mã BKM-B3P ($I_n = 16\text{ A}, 20\text{ A}$, dòng cắt $I_{\text{cu}} = 16\text{ kA}$)

Quy trình triển khai tuyến dây phân xưởng ưu tiên tối ưu hóa không gian mặt bằng cơ khí: các tuyến cáp động lực cấp cho máy công cụ được đi ngầm hoàn toàn dưới nền xi măng để loại bỏ va chạm cơ học trong quá trình công nhân và xe đẩy vận chuyển phôi cơ khí qua lại, trong khi đường trục chính đi máng cáp treo để thuận tiện kiểm tra, bảo dưỡng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tính toán phụ tải phân xưởng (Đề 9 Phân xưởng 2)

Nội dung trọng tâm của chương là khảo sát phụ tải, chia nhóm làm việc và xác định nhu cầu công suất toàn diện của phân xưởng. 37 động cơ điện trong phân xưởng được phân chia thành 5 nhóm động lực riêng biệt nhằm đảm bảo cân bằng công suất giữa các tuyến và tương thích với dải dòng định mức của các thiết bị đóng cắt tiêu chuẩn:

  • Nhóm 1: Gồm 8 thiết bị (trong đó có các động cơ ký hiệu 2B, 2C, 2D...), tổng công suất đặt $\sum P = 67\text{ kW}$.
  • Nhóm 2: Gồm 8 thiết bị (gồm động cơ 1A, 1B, 1C, 1D công suất 7 kW, $\cos\varphi = 0{,}7$...), tổng công suất đặt $\sum P = 67\text{ kW}$.
  • Nhóm 3: Gồm 6 thiết bị (gồm các động cơ 7A, 7B, 7C, 7D...), tổng công suất đặt $\sum P = 74\text{ kW}$.
  • Nhóm 4: Gồm 8 thiết bị (động cơ 5A, 5B công suất 14,9 kW...), tổng công suất đặt $\sum P = 72\text{ kW}$.
  • Nhóm 5: Gồm 6 thiết bị (động cơ 4A công suất 12,9 kW...), tổng công suất đặt $\sum P = 68\text{ kW}$.

Phụ tải chiếu sáng toàn xưởng được tính toán tách biệt theo từng khu vực chức năng:

  • Kho chứa: diện tích $F_{\text{kho}}$, suất chiếu sáng $12\text{ W/m}^2$.
  • Phòng KCS: kích thước $8\text{ m} \times 6{,}8\text{ m}$ (diện tích $54{,}4\text{ m}^2$), suất chiếu sáng $20\text{ W/m}^2$, công suất chiếu sáng $976\text{ W}$.
  • Xưởng gia công sản xuất: diện tích $F_{\text{sx}} = 972 - (F_{\text{kho}} + F_{\text{kcs}})$, suất chiếu sáng $15\text{ W/m}^2$.
  • Tổng công suất tính toán chiếu sáng toàn xưởng là $P_{\text{ttcs}} = 409{,}67\text{ W}$ với hệ số công suất chiếu sáng $\cos\varphi_{\text{cs}} = 0{,}9$.

Tổng hợp công suất biểu kiến tính toán phân xưởng có xét hệ số đồng thời $K_{\text{đt}} = 0{,}9$ đạt $S_{\text{ttpx}} = 298{,}33\text{ kVA}$. Khi tính toán mở rộng trong tương lai từ 3 đến 10 năm với mức dự phòng $S_{\text{dự phòng}} = 20%$, công suất định mức yêu cầu đối với máy biến áp là: $$S_{\text{đmMBA}} \ge 298{,}33 \times 1{,}2 = 363\text{ kVA}$$ Tác giả quyết định chọn máy biến áp 3 pha THIBIDI ngâm dầu có công suất định mức $S_{\text{đmMBA}} = 400\text{ kVA}$, điện áp ngắn mạch $U_k% = 4%$, tổn thất không tải $P_0 = 433\text{ W}$, dòng điện không tải $I_0% = 2%$, tổn thất ngắn mạch ở 75°C là $P_k = 3820\text{ W}$.

Chương này cũng tính toán tọa độ tâm phụ tải: tọa độ trục $X$ của Nhóm 2 là $13{,}9\text{ m}$, Nhóm 3 là $32{,}2\text{ m}$, Nhóm 4 là $45{,}2\text{ m}$, Nhóm 5 là $42{,}6\text{ m}$. Căn cứ vào tâm phụ tải và kết cấu mặt bằng (gần cửa, thông gió, không cản trở lối đi), vị trí tủ phân phối chính và 5 tủ động lực được xác định cụ thể trên bản vẽ xưởng.

Chương II: Tính chọn phương án đi dây cho phân xưởng

Chương II phân tích ưu nhược điểm kỹ thuật của ba cấu hình mạng hạ áp:

  1. Mạng hình tia: Có độ tin cậy cung cấp điện cao, thao tác vận hành và bảo trì đơn giản, sự cố trên một nhánh không làm ảnh hưởng nhánh khác; nhược điểm là chi phí cáp cao và kết cấu tủ phức tạp.
  2. Mạng phân nhánh: Tiết kiệm khối lượng cáp và chi phí đầu tư ban đầu, song độ tin cậy thấp, khó cô lập sự cố và sụt áp tích lũy lớn ở cuối đường dây khi nhiều máy đồng thời khởi động.
  3. Mạng hình tia kết hợp phân nhánh: Tối ưu hóa giữa chi phí dây dẫn và độ tin cậy, dễ thu nhỏ tiết diện cáp về cuối tuyến.

Đối với môi trường sửa chữa cơ khí nhiều máy móc hoạt động liên tục, tác giả lựa chọn giải pháp:

  • Tuyến từ trạm biến áp đến tủ phân phối chính MDB: Dùng sơ đồ hình tia đi ngầm.
  • Tuyến từ MDB đến 5 tủ động lực (DB1–DB5) và tủ chiếu sáng: Dùng sơ đồ hình tia đi trên máng cáp treo tường, hạn chế số nhánh ra tại tủ tổng ($n < 10$).
  • Tuyến từ các tủ động lực đến từng động cơ: Phối hợp sơ đồ hình tia cho máy công suất lớn và rẽ nhánh cho cụm máy nhỏ, toàn bộ cáp luồn ống PVC chôn ngầm dưới nền bê tông.

Chương III: Tính chọn dây dẫn và khí cụ điện bảo vệ

Chương III giải quyết bài toán lựa chọn thiết bị điện cụ thể và kiểm chứng điều kiện kỹ thuật an toàn. Dòng điện làm việc tính toán cực đại của đường trục trạm biến áp là: $$I_{\text{ttpx}} = \frac{S_{\text{MBA}}}{\sqrt{3} \cdot U_{\text{đm}}} = \frac{400}{\sqrt{3} \times 0{,}38} = 607{,}74\text{ A}$$ Xét các hệ số điều chỉnh chôn ngầm qua ống nhựa ($K_4 = 1$, $K_5 = 1$, $K_6 = 1$, $K_7 = 0{,}95$), dòng cho phép yêu cầu là: $$I_{\text{cp}} \ge \frac{607{,}74}{0{,}95} = 639{,}69\text{ A}$$ Tác giả chọn cáp đồng CADIVI CXV $4 \times 240\text{ mm}^2$ (dòng cho phép định mức 660 A). Đối với các tủ động lực từ DB1 đến DB5, dòng làm việc từ $91{,}39\text{ A}$ đến $117{,}95\text{ A}$, sau khi hiệu chỉnh theo hệ số máng cáp ($K = 0{,}68$) được chọn đồng loạt loại cáp CXV $4 \times 35\text{ mm}^2$ (dòng định mức 200 A). Cáp cấp đến từng động cơ dùng CXV $4 \times 2{,}5\text{ mm}^2$ đến $4\text{ mm}^2$.

Kiểm tra tổn thất điện áp cho tuyến xa nhất và tải nặng nhất (từ TBA qua MDB đến tủ DB4/DB5 và đến động cơ 6B cách tủ 20 m):

  • Đoạn TBA – MDB ($l = 20\text{ m}$): $\Delta U_1 = 3{,}097\text{ V}$, tương ứng sụt áp $\Delta U_{1%} = 0{,}815%$.
  • Đoạn MDB – DB5 ($l = 50\text{ m}$): $\Delta U_2 = 6{,}352\text{ V}$, tương ứng sụt áp $\Delta U_{2%} = 1{,}671%$.
  • Đoạn DB5 – Động cơ 6B ($l = 20\text{ m}$): $\Delta U_3 = 5{,}722\text{ V}$, tương ứng sụt áp $\Delta U_{3%} = 1{,}505%$.
  • Tổng độ sụt áp tích lũy tại điểm cuối phân xưởng: $$\Delta U_{\sum} = 0{,}815% + 1{,}671% + 1{,}505% = 3{,}991% < 5%$$ (văn bản có đoạn ghi giá trị tổng kiểm tra là $3{,}361% < 5%$). Tất cả các trường hợp đều thỏa mãn tiêu chuẩn cho phép.

Tính toán ngắn mạch ba pha từ nguồn ngắn mạch $S_{\text{sc}} = 250\text{ MVA}$ quy đổi về cấp 380 V:

  • Trở kháng hệ thống: $Z_{\text{up}} = 0{,}833\text{ m}\Omega$.
  • Điện kháng và điện trở máy biến áp 400 kVA: $X_T = 5{,}487\text{ m}\Omega$, $R_T = 1{,}097\text{ m}\Omega$.
  • Ngắn mạch tại thanh cái MDB: Tổng trở $Z_0 = 6{,}56\text{ m}\Omega$, dòng ngắn mạch đạt $I_N^{(3)} = 33{,}44\text{ kA}$. Chọn MCCB1 tổng hãng CNC mã YCMC-N-1000 ($I_n = 1000\text{ A}$, $I_{\text{cu}} = 50\text{ kA} > 33{,}44\text{ kA}$).
  • Ngắn mạch tại thanh cái các tủ DB: Tổng trở $Z_1 = 11{,}36\text{ m}\Omega$, dòng ngắn mạch $I_{N1}^{(3)} = 19{,}31\text{ kA}$; tại điểm cuối tủ xa nhất đạt $I_{N2}^{(3)} = 5{,}852\text{ kA}$. Chọn các MCCB nhánh hãng CNC dòng định mức 160 A đến 250 A có khả năng cắt $I_{\text{cu}} = 22\text{ kA}$ và $6\text{ kA}$.
  • Ngắn mạch tại đầu cực động cơ: Dòng ngắn mạch $I_{N3}^{(3)} = 11{,}68\text{ kA}$. Chọn MCB bảo vệ động cơ hãng CNC mã BKM-B3P ($I_n = 16\text{ A}, 20\text{ A}$, dòng cắt $I_{\text{cu}} = 16\text{ kA} > 11{,}68\text{ kA}$).

Chương IV: Tính tổn thất công suất của phân xưởng

Chương IV trình bày phương pháp và kết quả xác định hao tổn công suất tác dụng ($\Delta P$) và công suất phản kháng ($\Delta Q$) sinh ra trong quá trình truyền tải điện năng:

  1. Tổn thất trong máy biến áp THIBIDI 400 kVA:
    • Tổn thất không tải: $\Delta P_0 = 433\text{ W}$, tổn thất phản kháng không tải $Q_0 = 8\text{ kVAr}$.
    • Tổn thất tác dụng và phản kháng khi mang tải phân xưởng: Tính toán dựa trên phụ tải cực đại của 5 nhóm máy và điện trở, điện kháng cuộn dây máy biến áp.
  2. Tổn thất trên các đường cáp phân phối từ tủ MDB đến 5 tủ động lực:
Tuyến cấp điện Chiều dài $l$ (m) $P_{\text{tải}}$ (kW) $S_{\text{tải}}$ (kVA) $Q_{\text{tải}}$ (kVAr) Điện trở $R$ (m$\Omega$) Điện kháng $X$ (m$\Omega$) $\Delta P$ (W) $\Delta Q$ (VAr)
MDB – DB1 57 67 80 43 4 19 174 847
MDB – DB2 20 67 91 62 13 3 960 171
MDB – DB3 3 74 90 51 2 3 515 174
MDB – DB4 30 72 98 66 19 3 2172 1429
MDB – DB5 50 68 89 57 32 3 2172 1429

Phần cuối chương tính toán tổn thất chi tiết trên từng nhánh cáp CVV ruột đồng tiết diện $2{,}5\text{ mm}^2$ và $4\text{ mm}^2$ kéo từ tủ DB1 đến 12 động cơ thành phần thuộc nhóm 1 (các máy 1A, 3A, 3B, 3C, 4A, 4B, 6A, 6B, 6C, 12A, 12B, 12C).

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành trọn vẹn tập hồ sơ thiết kế kỹ thuật cho mạng điện hạ thế của phân xưởng cơ khí số 2 với các kết quả định lượng cụ thể:

  • Xác định được phụ tải tính toán của phân xưởng đạt $298{,}33\text{ kVA}$; trên cơ sở dự phòng phát triển tải 20%, chọn trạm biến áp dung lượng 400 kVA, đảm bảo cấp điện an toàn và ổn định.
  • Phân nhóm tối ưu 37 động cơ vào 5 tủ động lực với công suất mỗi nhóm cân bằng trong khoảng từ 67 kW đến 74 kW, giúp lưới điện nội bộ phân bổ dòng tải đồng đều.
  • Lựa chọn thống nhất chủng loại dây cáp hạ áp của hãng CADIVI (cáp chính CXV $4 \times 240\text{ mm}^2$, cáp động lực CXV $4 \times 35\text{ mm}^2$) thỏa mãn dòng phát nóng làm việc liên tục.
  • Chứng minh độ sụt áp toàn hệ thống được kiểm soát ở mức $3{,}991%$ (nhỏ hơn ngưỡng quy chuẩn $5%$), đảm bảo điện áp vận hành của các động cơ ở xa không bị suy giảm nghiêm trọng khi khởi động.
  • Tính toán chính xác trị số dòng điện ngắn mạch tại các cấp phân phối ($33{,}44\text{ kA}$ tại tủ MDB; $19{,}31\text{ kA}$ và $5{,}852\text{ kA}$ tại tủ DB; $11{,}68\text{ kA}$ tại động cơ), từ đó xác lập cấu hình bảo vệ tin cậy với hệ thống MCCB và MCB của hãng CNC có khả năng cắt dòng ngắn mạch lớn hơn dòng ngắn mạch tính toán.

Về mặt đóng góp học thuật và ứng dụng, đồ án đã chuẩn hóa quy trình tính toán thiết kế mạng điện phân xưởng hạ thế, kết nối chặt chẽ giữa các công thức lý thuyết kinh điển với các tiêu chuẩn thiết bị thực tế đang lưu hành tại Việt Nam (máy biến áp THIBIDI, cáp điện CADIVI, thiết bị bảo vệ CNC).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản đồ án ghi nhận một số giới hạn xuất phát từ phạm vi dữ liệu giả định của môn học:

  • Đồ án chưa có số liệu đồ thị phụ tải thực tế theo từng giờ trong ngày của phân xưởng; do đó việc chọn dung lượng máy biến áp phải dựa vào phương pháp ước tính công suất dự phòng $20%$ thay vì áp dụng phương pháp công suất đẳng trị hay phương pháp quá tải cho phép $3%$.
  • Các số liệu tổn thất điện năng theo thời gian ($A, \tau$) chưa được triển khai chi tiết do thiếu biểu đồ phụ tải ngày và biểu đồ phụ tải năm của cơ sở sản xuất.
  • Một số bảng tính chi tiết dây dẫn cho các phụ tải nhánh ở cuối Chương I và Chương III còn để trống dữ liệu cục bộ của một số mã máy nhỏ.

Hướng nghiên cứu tiếp theo mà đồ án có thể mở rộng bao gồm:

  • Đo đạc hoặc khảo sát biểu đồ phụ tải thực tế của phân xưởng cơ khí để tính toán chính xác tổn thất điện năng hàng năm và thời gian sử dụng công suất cực đại ($T_{\text{max}}$).
  • Nghiên cứu giải pháp lắp đặt tụ bù tĩnh nhằm nâng cao hệ số công suất $\cos\varphi$ cho các nhóm động cơ có hệ số công suất thấp, giảm dòng phản kháng chạy trên đường dây và tối ưu hóa thêm dung lượng máy biến áp.
  • Ứng dụng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng trong kỹ thuật điện (như ETAP, AutoCAD Electrical) để kiểm chứng lại các kết quả giải tích và thiết kế chi tiết bản vẽ thi công.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo trực tiếp cho sinh viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Hệ thống Điện và Điện công nghiệp khi thực hiện đồ án môn học Cung cấp điện hoặc đồ án tốt nghiệp thiết kế mạng điện hạ thế nhà máy.

Những nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao nhất bao gồm:

  • Trình tự phân nhóm phụ tải và các công thức giải tích xác định tâm phụ tải để bố trí tủ điện hợp lý.
  • Phương pháp tra cứu và nhân hệ số hiệu chỉnh $K$ cho cáp điện lắp đặt trên máng và chôn ngầm trong đất theo tài liệu hướng dẫn của TS. Quyền Huy Ánh.
  • Bảng mẫu tính toán ngắn mạch mạng hạ thế xác định dòng điện ngắn mạch xung kích và dòng ngắn mạch chu kỳ làm căn cứ chọn dòng cắt định mức ($I_{\text{cu}}$) cho thiết bị đóng cắt.

Câu hỏi thường gặp

1. Quy mô diện tích và chế độ vận hành của phân xưởng 2 trong đồ án được quy định như thế nào?
Phân xưởng sửa chữa cơ khí số 2 có kích thước mặt bằng dài 54 m, rộng 18 m, cao 7 m với diện tích toàn xưởng là 972 m². Xưởng hoạt động theo chế độ 2 ca/ngày: ca 1 từ 6h00 đến 14h00 và ca 2 từ 14h00 đến 22h00; nhiệt độ môi trường trung bình trong xưởng là 30°C.

2. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn máy biến áp 400 kVA của hãng THIBIDI?
Tổng công suất tính toán của phân xưởng (bao gồm động lực và chiếu sáng) là $S_{\text{ttpx}} = 298{,}33\text{ kVA}$. Tính thêm $20%$ công suất dự phòng cho sự phát triển phụ tải trong tương lai (từ 3 đến 10 năm), công suất tính toán yêu cầu là $S_{\text{đmMBA}} \ge 363\text{ kVA}$. Do đó, máy biến áp 3 pha THIBIDI dung lượng 400 kVA cấp điện áp 22/0,4 kV được chọn để đáp ứng đủ phụ tải và vận hành an toàn trong điều kiện nhiệt độ môi trường Việt Nam.

3. Tuyến cáp trục chính từ trạm biến áp đến tủ phân phối chính MDB được chọn loại nào và lắp đặt ra sao?
Tuyến dây từ trạm biến áp đến tủ MDB chịu dòng làm việc $I_{\text{ttpx}} = 607{,}74\text{ A}$ (dòng cho phép hiệu chỉnh $I_{\text{cp}} \ge 639{,}69\text{ A}$). Nhóm tác giả chọn cáp đồng CADIVI loại CXV $4 \times 240\text{ mm}^2$ (gồm 3 dây pha và 1 dây trung tính), lắp đặt bằng phương pháp chôn ngầm trong đất ở độ sâu cách mặt đất 50 cm, luồn trong ống nhựa cứng PVC chịu lực chuyên dụng với các pha đặt trong ống riêng.

4. Dòng ngắn mạch ba pha lớn nhất tại thanh cái tủ phân phối chính là bao nhiêu và loại MCCB nào được trang bị?
Dòng điện ngắn mạch ba pha tính toán tại vị trí đặt MCCB1 trên thanh cái tủ MDB đạt trị số $I_N^{(3)} = 33{,}44\text{ kA}$ (với tổng trở ngắn mạch $Z_0 = 6{,}56\text{ m}\Omega$). Tác giả chọn MCCB tổng mã hiệu YCMC-N-1000 do hãng CNC chế tạo, có dòng định mức $I_n = 1000\text{ A}$, điện áp định mức 415 V, dòng cắt ngắn mạch định mức $I_{\text{cu}} = 50\text{ kA}$ (lớn hơn $33{,}44\text{ kA}$) và thời gian ngắt 10 ms.

5. Kết quả kiểm tra tổn thất điện áp trên tuyến xa nhất của phân xưởng có thỏa mãn quy chuẩn không?
Tuyến kiểm tra dài nhất và chịu tải nặng nhất xuất phát từ trạm biến áp, qua tủ tổng MDB, đến tủ động lực DB5 và kết thúc ở động cơ 6B. Tổn thất điện áp thành phần lần lượt là: đoạn TBA – MDB sụt $0{,}815%$, đoạn MDB – DB5 sụt $1{,}671%$, và đoạn DB5 – động cơ 6B sụt $1{,}505%$. Tổng sụt áp tích lũy lớn nhất đạt $3{,}991%$, thấp hơn giới hạn cho phép của mạng điện hạ áp công nghiệp là $\Delta U_{\text{cp}} \le 5%$, do đó hệ thống dây dẫn hoàn toàn đạt chuẩn kỹ thuật.

Kết luận

Đồ án môn học Cung cấp điện của sinh viên Hoàng Văn Hoàng và Nguyễn Ngọc Truyển đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế mạng điện hạ thế cho phân xưởng cơ khí số 2 có diện tích 972 m² với 37 động cơ điện. Hệ thống được xây dựng trên nền tảng trạm biến áp THIBIDI 400 kVA, mạng cáp phân phối đồng CADIVI phối hợp giữa đi máng và chôn ngầm, cùng hệ thống khí cụ bảo vệ MCCB và MCB của hãng CNC đáp ứng đầy đủ dòng cắt ngắn mạch. Toàn bộ các thông số kiểm tra về phát nóng, sụt áp ($< 5%$) và ổn định ngắn mạch đều thỏa mãn quy chuẩn kỹ thuật điện hiện hành, tạo nên một tài liệu tham khảo bổ ích cho sinh viên chuyên ngành kỹ thuật điện.