I. Hướng dẫn tổng quan đồ án cấp điện xưởng thực hành cơ khí
Đồ án mạng cung cấp điện cho một cơ sở sản xuất, đặc biệt là một môi trường đào tạo như xưởng thực hành cơ khí, là một bài toán kỹ thuật phức tạp đòi hỏi sự chính xác và tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn. Mục tiêu cốt lõi của đồ án mạng cung cấp điện tính toán cấp điện cho xưởng thực hành cơ khí Trường Đại học Trà Vinh là xây dựng một hệ thống điện an toàn, ổn định và hiệu quả. Hệ thống này phải đáp ứng đầy đủ nhu cầu vận hành của toàn bộ máy móc, thiết bị phục vụ công tác giảng dạy và thực hành. Việc thiết kế mạng điện không chỉ dừng lại ở việc cung cấp đủ công suất mà còn phải tối ưu hóa chi phí đầu tư, đảm bảo an toàn điện trong nhà xưởng và dễ dàng cho việc bảo trì, mở rộng trong tương lai. Đồ án tập trung vào các khâu chính: khảo sát thực trạng, xác định phụ tải tính toán, lựa chọn phương án đi dây và chọn lựa các thiết bị bảo vệ phù hợp. Mỗi bước đều phải dựa trên cơ sở lý thuyết vững chắc và các tiêu chuẩn thiết kế điện công nghiệp hiện hành, điển hình là các bộ TCVN liên quan. Kết quả của đồ án là một bộ hồ sơ thiết kế hoàn chỉnh, bao gồm thuyết minh đồ án cung cấp điện và các bản vẽ Autocad điện chi tiết, sẵn sàng cho việc triển khai thi công. Thành công của dự án góp phần tạo ra một môi trường học tập và làm việc an toàn, nâng cao chất lượng đào tạo kỹ sư ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử.
1.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đồ án cấp điện
Mục tiêu chính của đồ án là cung cấp nguồn điện đầy đủ, ổn định và an toàn cho mọi hoạt động tại xưởng thực hành cơ khí C41. Hệ thống phải được thiết kế một cách khoa học, đảm bảo tiết kiệm điện năng và tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật. Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào việc tính toán chi tiết phụ tải điện cho xưởng, từ đó thiết kế toàn diện hệ thống điện hạ áp. Các hạng mục trong phạm vi bao gồm: thiết kế hệ thống dây dẫn, tủ điện phân phối tổng (MSB) và tủ nhánh, hệ thống nối đất, và hệ thống chống sét. Việc lựa chọn nguồn điện phù hợp, cụ thể là chọn công suất máy biến áp và phương án đấu nối vào lưới điện khu vực, cũng là một phần quan trọng trong phạm vi nghiên cứu này.
1.2. Ý nghĩa thực tiễn của việc thiết kế mạng điện an toàn
Ý nghĩa thực tiễn của đồ án là rất lớn. Kết quả nghiên cứu cung cấp một cơ sở khoa học vững chắc để thi công một hệ thống điện chất lượng cao cho xưởng thực hành cơ khí C41. Một hệ thống được tính toán kỹ lưỡng sẽ đảm bảo cấp điện cho máy móc cơ khí một cách liên tục, tránh các sự cố gián đoạn ảnh hưởng đến quá trình học tập. Quan trọng hơn, nó trực tiếp góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và đảm bảo an toàn điện trong nhà xưởng, bảo vệ con người và tài sản trước các nguy cơ cháy nổ, điện giật. Đồ án còn là tài liệu tham khảo giá trị cho sinh viên các khóa sau trong việc học tập và thực hiện các đề tài tương tự.
II. Phương pháp xác định phụ tải tính toán cho xưởng cơ khí
Xác định chính xác phụ tải tính toán là bước nền tảng và quan trọng nhất trong bất kỳ dự án thiết kế cung cấp điện nào. Nếu tính toán thiếu, hệ thống sẽ bị quá tải, gây sụt áp, giảm tuổi thọ thiết bị và tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ. Ngược lại, nếu tính toán thừa quá nhiều sẽ gây lãng phí vốn đầu tư vào dây dẫn, máy biến áp và các thiết bị đóng cắt có công suất lớn không cần thiết. Tài liệu gốc 'Tính toán cấp điện cho xưởng thực hành cơ khí C41' đã áp dụng phương pháp xác định phụ tải tính toán theo hệ số cực đại (kmax) và công suất trung bình (Ptb). Phương pháp này được đánh giá cao về độ chính xác vì nó xét đến nhiều yếu tố ảnh hưởng như số lượng thiết bị, chế độ làm việc và sự khác biệt về công suất. Quá trình tính toán bắt đầu bằng việc thống kê và phân nhóm toàn bộ thiết bị điện. Sau đó, các hệ số quan trọng như hệ số sử dụng (ksd), hệ số cực đại (kmax), và số thiết bị hiệu quả (nhq) được xác định dựa trên các bảng tra tiêu chuẩn và công thức tính toán chuyên ngành. Từ đó, công suất tác dụng (Ptt), công suất phản kháng (Qtt) và công suất biểu kiến (Stt) của từng nhóm và toàn xưởng được làm rõ, làm cơ sở cho các bước thiết kế tiếp theo.
2.1. Phân nhóm phụ tải và các hệ số tính toán quan trọng
Để tính toán chính xác, các thiết bị điện trong xưởng C41 được phân thành 3 nhóm động lực chính (N1, N2, N3) và một nhóm chiếu sáng. Nguyên tắc phân nhóm dựa trên vị trí địa lý và chế độ làm việc tương đồng. Các hệ số tính toán cốt lõi được áp dụng bao gồm: Hệ số sử dụng (ksd), phản ánh mức độ khai thác công suất của thiết bị; và Hệ số cực đại (kmax), là tỷ số giữa phụ tải tính toán và phụ tải trung bình. Các giá trị này được tra cứu từ bảng 'Bảng tra trị số ksd và cosφ' và 'Bảng tra trị số kmax theo ksd và nhq', đảm bảo tính khoa học và phù hợp với thực tiễn vận hành nhà xưởng.
2.2. Tính toán công suất cho nhóm động lực và chiếu sáng
Đối với mỗi nhóm phụ tải động lực, phụ tải tính toán được xác định bằng công thức Ptt = Kmax × Ksd × ΣPđm. Ví dụ, với Nhóm 1, sau khi xác định được ksd=0.2 và kmax=2.87, công suất tính toán là Ptt1 = 20.9 (kW). Tương tự, quy trình này được áp dụng cho các nhóm còn lại. Đối với hệ thống chiếu sáng nhà xưởng, phụ tải được tính theo phương pháp suất phụ tải trên một đơn vị diện tích (W/m²). Theo tài liệu, với suất chiếu sáng p0=15 W/m² và diện tích 660 m², công suất tính toán cho chiếu sáng là Pttcs = 9.9 kW. Đây là những con số nền tảng để lựa chọn thiết bị bảo vệ và dây dẫn cho từng nhánh.
III. Hướng dẫn thiết kế mạng điện hạ áp cho xưởng sản xuất
Sau khi đã có số liệu phụ tải tính toán, bước tiếp theo là thiết kế mạng điện hạ áp. Quá trình này bao gồm việc lựa chọn sơ đồ cung cấp điện, xác định công suất và vị trí đặt máy biến áp, và thiết kế chi tiết hệ thống tủ điện. Đối với xưởng thực hành cơ khí C41, phương án được chọn là sử dụng một máy biến áp duy nhất cấp điện cho toàn bộ xưởng, phù hợp với hộ tiêu thụ loại 2. Vị trí đặt trạm biến áp được ưu tiên ở bên ngoài, sát phân xưởng để đảm bảo an toàn, thuận tiện cho việc đấu nối và thông gió. Sơ đồ nguyên lý cấp điện được vạch ra một cách rõ ràng, thể hiện dòng năng lượng từ trạm biến áp, qua tủ phân phối tổng (MSB), rồi chia đến các tủ động lực (TĐL) và tủ chiếu sáng (TCS). Cấu trúc mạng điện được thiết kế theo hệ thống ba pha bốn dây với trung tính nối đất, một tiêu chuẩn phổ biến trong các mạng điện công nghiệp hiện nay. Việc thiết kế tuân thủ các yêu cầu về độ tin cậy, an toàn vận hành, tính kinh tế và thẩm mỹ, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả.
3.1. Lựa chọn sơ đồ đơn tuyến và phương án đi dây tối ưu
Việc lựa chọn phương án đi dây ảnh hưởng lớn đến chi phí, độ an toàn và khả năng bảo trì. Đồ án đã áp dụng một sơ đồ đơn tuyến kết hợp linh hoạt: Sơ đồ hình tia được sử dụng cho các tuyến cáp chính từ máy biến áp đến Tủ phân phối tổng và từ Tủ tổng đến các tủ động lực. Sơ đồ này đảm bảo độ tin cậy cao, khi sự cố trên một nhánh không ảnh hưởng đến các nhánh khác. Từ các tủ động lực đến từng máy móc, sơ đồ phân nhánh được áp dụng cho các thiết bị công suất nhỏ để tiết kiệm dây dẫn và chi phí lắp đặt. Cáp từ trạm biến áp được đi ngầm trong ống PVC, trong khi cáp trong xưởng được đi trên thang cáp sát tường, đảm bảo thẩm mỹ và an toàn.
3.2. Tiêu chuẩn chọn máy biến áp và hệ thống nối đất
Dựa trên tổng công suất tính toán toàn phân xưởng là Sttpx = 100.9 (kVA), đồ án đã lựa chọn một máy biến áp 3 pha của THIBIDI có công suất định mức 120 kVA, cấp điện áp 22/0.4kV. Việc chọn công suất lớn hơn phụ tải tính toán đảm bảo máy biến áp không hoạt động quá tải và có khả năng dự phòng cho việc mở rộng trong tương lai. Song song với đó, việc thiết kế hệ thống nối đất và chống sét lan truyền là bắt buộc để đảm bảo an toàn. Hệ thống nối đất an toàn giúp bảo vệ con người khỏi nguy cơ điện giật khi có sự cố rò rỉ điện ra vỏ thiết bị, là một yêu cầu không thể thiếu theo tiêu chuẩn thiết kế điện công nghiệp.
IV. Bí quyết tính toán chọn dây dẫn và thiết bị đóng cắt
Lựa chọn chính xác tiết diện dây dẫn và thiết bị bảo vệ là khâu quyết định đến sự an toàn và ổn định của toàn bộ hệ thống trong đồ án mạng cung cấp điện. Việc tính toán chọn dây dẫn phải dựa trên hai điều kiện chính: phát nóng cho phép và tính toán sụt áp. Dây dẫn phải có tiết diện đủ lớn để dòng điện làm việc lâu dài không gây quá nhiệt, đồng thời đảm bảo sụt áp từ nguồn đến tải nằm trong giới hạn cho phép (thường là <5% đối với mạng động lực). Bên cạnh đó, việc chọn aptomat (CB) hay các thiết bị đóng cắt khác phải tuân thủ nguyên tắc: dòng định mức của CB phải lớn hơn dòng điện tính toán của phụ tải và nhỏ hơn dòng cho phép của dây dẫn. Đồng thời, khả năng cắt dòng ngắn mạch của CB phải lớn hơn dòng ngắn mạch lớn nhất tại điểm lắp đặt. Đây là những nguyên tắc cốt lõi để xây dựng một hệ thống cấp điện cho máy móc cơ khí vừa hiệu quả, vừa đảm bảo an toàn điện trong nhà xưởng một cách tối đa.
4.1. Quy trình tính toán và chọn aptomat CB phù hợp
Quy trình chọn aptomat (CB) được thực hiện một cách bài bản cho từng cấp. Dòng điện tính toán của từng nhánh được sử dụng làm cơ sở. Ví dụ, với dòng tính toán toàn phân xưởng là Ittpx = 152A, MCCB tổng được chọn có dòng định mức 200A sau khi nhân với hệ số an toàn (Kat=1.2). Tương tự, với Nhóm 3 có dòng tính toán 86.9A, MCCB nhánh được chọn là loại 125A. Việc lựa chọn này đảm bảo thiết bị hoạt động tin cậy và bảo vệ có chọn lọc, tức là khi có sự cố ở nhánh phụ, chỉ CB của nhánh đó tác động, không làm gián đoạn toàn bộ hệ thống.
4.2. Lựa chọn tiết diện dây dẫn theo dòng điện cho phép
Việc tính toán chọn dây dẫn được thực hiện dựa trên dòng điện làm việc lớn nhất và điều kiện lắp đặt. Dòng điện cho phép của cáp (Icp) được xác định bằng cách chia dòng làm việc cho các hệ số hiệu chỉnh (k). Ví dụ, tuyến cáp tổng từ trạm biến áp đến tủ phân phối chính có dòng làm việc 152A, đi ngầm trong đất (k=0.8), yêu cầu dòng cho phép của cáp là Icp = 152 / 0.8 = 190A. Dựa vào bảng thông số cáp CADIVI, loại cáp CVV 4x50mm² có dòng định mức 203A được chọn. Quá trình tương tự được áp dụng cho tất cả các tuyến dây khác trong xưởng, đảm bảo mỗi dây dẫn đều hoạt động trong giới hạn an toàn.
V. Kết quả thực tiễn đồ án cấp điện xưởng cơ khí Trà Vinh
Kết quả cuối cùng của đồ án mạng cung cấp điện tính toán cấp điện cho xưởng thực hành cơ khí Trường Đại học Trà Vinh là một bộ hồ sơ thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh và khả thi. Đồ án đã xác định thành công tổng phụ tải tính toán của xưởng là Sttpx = 100.9 kVA, làm cơ sở vững chắc cho việc lựa chọn các thiết bị chính. Một máy biến áp 120 kVA đã được chọn, đảm bảo cung cấp đủ công suất và có độ dự phòng hợp lý. Hệ thống dây dẫn và các thiết bị đóng cắt như MCCB cho từng nhánh đã được tính toán và lựa chọn cụ thể, chi tiết. Toàn bộ phương án thiết kế được thể hiện qua bộ bản vẽ Autocad điện, bao gồm sơ đồ đơn tuyến tổng thể, sơ đồ đi dây cho các nhóm phụ tải, và mặt bằng bố trí thiết bị. Các bản vẽ này cung cấp cái nhìn trực quan và đầy đủ thông tin kỹ thuật cần thiết cho quá trình thi công và lắp đặt. Đồ án không chỉ giải quyết bài toán kỹ thuật mà còn là một minh chứng cho quy trình làm việc khoa học, từ thu thập dữ liệu, phân tích lý thuyết đến ứng dụng vào thực tế, tuân thủ chặt chẽ các tiêu chuẩn thiết kế điện công nghiệp.
5.1. Bảng tổng hợp phụ tải và lựa chọn thiết bị chính
Kết quả tính toán tổng hợp cho thấy tổng công suất tác dụng của phân xưởng là Pttpx = 80.3 kW và công suất phản kháng là Qttpx = 60.563 kVAr. Dựa trên các số liệu này, các thiết bị chính được lựa chọn bao gồm: Máy biến áp THIBIDI 120kVA – 22/0.4kV; MCCB tổng 200A; Cáp nguồn chính CVV 4x50mm². Các MCCB nhánh cho nhóm N1, N2, N3 và nhánh chiếu sáng lần lượt là 65A, 25A, 125A và 60A. Sự lựa chọn này đảm bảo tính đồng bộ và phù hợp giữa các phần tử trong hệ thống.
5.2. Thuyết minh đồ án cung cấp điện và bộ bản vẽ CAD
Sản phẩm cuối cùng không chỉ là các con số tính toán mà còn là bộ tài liệu hoàn chỉnh. Phần thuyết minh đồ án cung cấp điện trình bày chi tiết từng bước tính toán, cơ sở lý thuyết, và lý do lựa chọn từng thiết bị, giúp người đọc hiểu rõ toàn bộ quá trình thiết kế. Đi kèm là bộ bản vẽ Autocad điện bao gồm sơ đồ nguyên lý, sơ đồ đi dây chi tiết cho từng nhóm phụ tải động lực và phụ tải khác. Các bản vẽ này là tài liệu kỹ thuật cốt lõi, là ngôn ngữ giao tiếp giữa kỹ sư thiết kế và đội ngũ thi công, đảm bảo hệ thống được lắp đặt đúng theo ý đồ thiết kế.
