Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành công nghiệp điện năng giữ vai trò hạ tầng then chốt, bảo đảm năng lượng cho các ngành sản xuất vận hành liên tục và ổn định. Khi xây dựng một nhà máy hay cơ sở công nghiệp mới, yêu cầu thiết kế hệ thống cung cấp điện luôn phải đi trước một bước nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu thụ hiện tại cũng như khả năng phát triển mở rộng trong tương lai từ 5 đến 10 năm. Đề tài "Thiết kế hệ thống cung cấp điện cho phân xưởng cơ khí 1 và toàn bộ nhà máy" do sinh viên Trần Huy Đức thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Võ Tiến Trung (Khoa Điện, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh, hoàn thành ngày 07/11/2016) xuất phát từ yêu cầu kỹ thuật thực tiễn này.

Nhà máy được khảo sát là một cơ sở cơ khí chuyên chế tạo các thiết bị cung cấp cho các nhà máy công nghiệp. Hoạt động sản xuất mang tính dây chuyền tự động hóa cao, gồm 12 hạng mục phụ tải chính (9 phân xưởng sản xuất, 2 kho và nhà điều hành hành chính). Nguồn điện cung cấp được lấy từ hệ thống điện quốc gia thông qua trạm biến áp trung gian ở cấp điện áp 22 kV.

Mục tiêu của đồ án là xây dựng phương án cung cấp điện toàn diện, tối ưu về mặt kỹ thuật và kinh tế, bảo đảm độ tin cậy, chất lượng điện áp và an toàn vận hành. Đồ án giải quyết bốn nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được đánh số theo văn bản:

  1. Khảo sát đặc điểm công nghệ các phân xưởng, phân loại hộ tiêu thụ và xác định các yêu cầu kỹ thuật về độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng điện áp và an toàn điện.
  2. Xác định phụ tải tính toán động lực và chiếu sáng cho từng phân xưởng, xác định phụ tải tính toán tổng thể toàn nhà máy và tính toán tọa độ tâm phụ tải điện.
  3. Đề xuất các phương án trạm biến áp hạ áp 22/0,4 kV, thực hiện so sánh kỹ thuật - kinh tế (về tổn thất công suất, tổn thất điện năng và chi phí vận hành hàng năm) để lựa chọn cấu hình trạm biến áp tối ưu.
  4. Thiết kế chi tiết mạng điện phân phối cho phân xưởng cơ khí số 1: lựa chọn sơ đồ nối dây, tính chọn tiết diện cáp dẫn cao áp và hạ áp, tính chọn khí cụ đóng cắt và bảo vệ (áptômát, cầu chì).

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống cung cấp điện cho toàn bộ nhà máy cơ khí và mạng điện hạ áp của phân xưởng cơ khí 1. Phạm vi không gian nghiên cứu bao gồm tổng mặt bằng khu đất nhà máy có diện tích 39.984 m² (trong đó diện tích xây dựng của 13 hạng mục công trình là 9.090 m², diện tích vùng trống là 30.894 m²) và mặt bằng phân xưởng cơ khí 1 có diện tích 544 m² (kích thước 34 m × 16 m) với 19 thiết bị công cụ. Phạm vi cấp điện áp giới hạn từ điểm nhận điện trung áp 22 kV của lưới điện quốc gia qua trạm biến áp phân xưởng xuống mạng phân phối hạ áp 0,38/0,22 kV (380/220 V).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp xác định phụ tải

Hệ thống cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật cung cấp điện công nghiệp. Phụ tải tính toán ($P_{tt}$) được định nghĩa theo điều kiện phát nóng: là phụ tải giả thiết không đổi lâu dài của các phần tử trong hệ thống, tương đương với phụ tải thực tế biến đổi theo điều kiện tác dụng nhiệt lớn nhất, bảo đảm dây dẫn và thiết bị điện vận hành an toàn trong chế độ bình thường.

Các đại lượng và hệ số kỹ thuật được tác giả sử dụng gồm:

  • Hệ số sử dụng ($K_{sd}$): tỷ số giữa phụ tải tính toán trung bình với công suất định mức trong thời gian khảo sát, biểu thị mức độ khai thác công suất thiết bị.
  • Hệ số cực đại ($K_{max}$): tỷ số giữa công suất tính toán cực đại với công suất trung bình, phụ thuộc vào số thiết bị hiệu quả ($n_{hq}$) và $K_{sd}$.
  • Số thiết bị hiệu quả ($n_{hq}$): số lượng thiết bị giả thiết có cùng công suất định mức và chế độ làm việc, tiêu thụ phụ tải bằng phụ tải tính toán của nhóm thiết bị thực tế.
  • Hệ số đồng thời ($K_{đt}$): tỷ số giữa công suất tác dụng tính toán cực đại tại điểm nút với tổng công suất tác dụng tính toán cực đại của các nhóm thành phần ($K_{đt} = 0,95$ khi $n = 2 \div 4$; $K_{đt} = 0,85$ khi $n = 5 \div 10$).
  • Hệ số nhu cầu ($K_{nc}$): tích số giữa hệ số cực đại và hệ số sử dụng ($K_{nc} = K_{max} \cdot K_{sd}$).

Về phương pháp luận tính toán, tác giả hệ thống hóa bốn phương pháp xác định phụ tải tính toán thường dùng trong công nghiệp:

  • Xác định theo suất tiêu hao điện năng trên đơn vị sản phẩm ($W_0$, $T_{max}$).
  • Xác định theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích sản xuất ($P_0$, $F$).
  • Xác định theo công suất đặt và hệ số nhu cầu ($K_{nc}$).
  • Xác định theo hệ số cực đại $K_{max}$ và công suất trung bình $P_{tb}$ (phương pháp số thiết bị hiệu quả $n_{hq}$).

Trong tính toán thực tế của đồ án:

  • Đối với phân xưởng cơ khí 1: Tác giả áp dụng phương pháp số thiết bị hiệu quả ($n_{hq}$) kết hợp tra bảng $K_{max} = f(K_{sd}, n_{hq})$ để tính toán phụ tải động lực cho từng nhóm máy. Phụ tải của thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại (cầu trục) được quy đổi về chế độ dài hạn theo biểu thức $P_{qđ} = P_{đm} \cdot \sqrt{\varepsilon}$. Phụ tải chiếu sáng được xác định theo suất chiếu sáng trên diện tích ($P_0 = 15\text{ W/m}^2$, sử dụng đèn sợi đốt có $\cos\varphi = 1$).
  • Đối với toàn nhà máy: Phụ tải động lực các phân xưởng được cho trước; phụ tải chiếu sáng từng phân xưởng và chiếu sáng vùng trống ($P_0 = 0,22\text{ W/m}^2$, đèn huỳnh quang $\cos\varphi = 0,85$) được tính theo diện tích; tổng hợp phụ tải toàn nhà máy được thực hiện tại thanh cái hạ áp trạm biến áp có xét hệ số đồng thời $K_{đt} = 0,85$.
  • Tâm phụ tải điện được xác định theo nguyên lý mô-men phụ tải đạt giá trị cực tiểu ($\sum P_i \cdot L_i \to \min$) dựa trên tọa độ mặt bằng $X_0 = \frac{\sum S_i \cdot X_i}{\sum S_i}$ và $Y_0 = \frac{\sum S_i \cdot Y_i}{\sum S_i}$.
  • Phương pháp lựa chọn dây dẫn và cáp: Cáp trung áp và hạ áp được chọn theo mật độ dòng điện kinh tế $J_{kt} = 3,1\text{ A/mm}^2$ (với thời gian sử dụng công suất lớn nhất $T_{max} = 4500\text{ h}$, cáp lõi đồng) và kiểm tra lại theo điều kiện phát nóng cho phép khi có sự cố đứt một sợi cáp ($I_{sc} \le I_{cp}$).
  • Phương pháp so sánh kinh tế: Đánh giá theo hàm chi phí vận hành quy đổi hàng năm $Z = (a_{vh} + a_{tc}) \cdot K + \Delta A \cdot C$, với hệ số vận hành $a_{vh} = 0,1$, hệ số tiêu chuẩn $a_{tc} = 0,2$, đơn giá điện $C = 1000\text{ đồng/kWh}$.

Nguồn dữ liệu tính toán bao gồm thông số công suất đặt và chế độ làm việc của 19 máy công cụ phân xưởng cơ khí 1, số liệu diện tích và công suất 12 phân xưởng trong mặt bằng nhà máy, cùng các bảng tra cứu kỹ thuật từ sổ tay tra cứu cung cấp điện (catalog máy biến áp THIBIDI, cáp ngầm Alcatel, cáp LENS, cầu chì ПР-2).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHÀ MÁY CƠ KHÍ VÀ YÊU CẦU CUNG CẤP ĐIỆN CHO HỘ PHỤ TẢI

Chương mở đầu tập trung mô tả cơ cấu công nghệ của nhà máy và xác lập các yêu cầu kỹ thuật nền tảng cho thiết kế. Nhà máy cơ khí gồm 12 hạng mục tiêu thụ điện chính:

TT Tên phân xưởng / hạng mục $P_{tt}$ (kW) $Q_{tt}$ (kVAr) Loại hộ tiêu thụ
1 Cơ điện 120 110 Loại 2
2 Cơ khí 1 Phụ tải tính toán chi tiết Phụ tải tính toán chi tiết Loại 2
3 Cơ khí 2 180 130 Loại 2
4 Rèn, dập 160 120 Loại 2
5 Đúc thép 190 150 Loại 1
6 Đúc gang 150 130 Loại 1
7 Mộc mẫu 90 70 Loại 1
8 Lắp ráp 85 65 Loại 2
9 Kiểm nghiệm 70 50 Loại 1
10 Kho 1 (Vật tư) 30 20 Loại 2
11 Kho 2 (Sản phẩm) 40 25 Loại 2
12 Nhà hành chính 50 40 Loại 1

Do nhà máy hoạt động theo dây chuyền tự động hóa cao, việc mất điện ở các phân xưởng đúc gang, đúc thép sẽ làm hỏng kim loại nóng chảy trong lò gây thiệt hại kinh tế đặc biệt nghiêm trọng; ngừng cấp điện phân xưởng kiểm nghiệm gây sai lệch thông số kỹ thuật; do đó toàn thể nhà máy được quy chuẩn thiết kế theo độ tin cậy của hộ loại 1, đòi hỏi nguồn cấp điện liên tục từ hệ thống điện quốc gia qua trạm biến áp trung gian.

Văn bản xác định ba yêu cầu kỹ thuật cơ bản khi thiết kế:

  1. Độ tin cậy: Duy trì cấp điện liên tục, hạn chế tối đa thời gian gián đoạn.
  2. Chất lượng điện: Điện áp ở lưới trung áp và hạ áp dao động trong phạm vi $\pm 5%$ điện áp định mức; đối với thiết bị gia công chính xác, dao động điện áp không vượt quá $\pm 2,5%$.
  3. An toàn điện: Sơ đồ nối dây mạch lạc, thiết bị chọn đúng công suất và chủng loại, tuân thủ nghiêm ngặt quy trình an toàn vận hành.

Phân xưởng cơ khí 1 có 19 thiết bị công cụ, công suất định mức từ 3,2 kW (máy mài tròn) đến 25 kW (tủ sấy 3 pha) và cầu trục 20 kVA làm việc với hệ số tiếp điện tương đối $\varepsilon = 30%$.

CHƯƠNG II: XÁC ĐỊNH PHỤ TẢI TÍNH TOÁN CỦA TOÀN NHÀ MÁY

Chương này trình bày các bước tính toán phụ tải cho phân xưởng cơ khí 1 và toàn bộ nhà máy. Tác giả chia 19 máy của phân xưởng cơ khí 1 thành 3 nhóm máy:

  • Nhóm 1: 7 thiết bị, tổng công suất đặt $P_{đm} = 58\text{ kW}$, tỷ số $m = \frac{P_{max}}{P_{min}} = \frac{15}{5} = 3$, $K_{sdtb} = 0,187 < 0,2$; xác định được $n_1 = 4$, $P_1 = 39\text{ kW}$, $n^* = 0,57$, $p^* = 0,69$, tra bảng được $n_{hq}^* = 0,87 \Rightarrow n_{hq} = 6$; hệ số $K_{max} = 2,24$; hệ số công suất trung bình $\cos\varphi_{tb} = 0,68$ ($\text{tg}\varphi = 1,078$).
  • Nhóm 2: 7 thiết bị, tổng công suất đặt $P_{đm} = 49,7\text{ kW}$, $K_{sdtb} = 0,184$, $n_{hq} = 5,6$, $K_{max} = 2,24$, $\cos\varphi_{tb} = 0,59$.
  • Nhóm 3: 6 thiết bị, tổng công suất đặt $P_{đm} = 75,45\text{ kW}$ (trong đó cầu trục $20\text{ kVA}$ quy đổi về dài hạn $P_{qđ} = 20 \cdot \sqrt{0,3} = 10,95\text{ kW}$), $K_{sdtb} = 0,186$, $n_{hq} = 4,86$, $K_{max} = 2,42$, $\cos\varphi_{tb} = 0,68$.

Kết quả tính toán phụ tải các nhóm máy phân xưởng cơ khí 1:

Nhóm $P_{đm}$ (kW) $n_{hq}$ $\cos\varphi_{tb}$ $K_{max}$ $P_{tt}$ (kW) $Q_{tt}$ (kVAr) $S_{tt}$ (kVA) $I_{tt}$ (A)
Nhóm 1 58,00 6,00 0,68 2,24 24,30 26,19 35,79 54,28
Nhóm 2 49,70 5,60 0,59 2,24 20,48 28,06 34,74 52,78
Nhóm 3 75,45 4,86 0,68 2,42 33,96 36,68 49,99 75,95

Phụ tải chiếu sáng phân xưởng cơ khí 1 có diện tích $F = 544\text{ m}^2$ với $P_0 = 15\text{ W/m}^2$ là $P_{ttcs} = 8,16\text{ kW}$ ($Q_{ttcs} = 0$). Tổng hợp phụ tải phân xưởng cơ khí 1 (với hệ số đồng thời $K_{đt} = 0,85$):

  • $P_{ttpx} = 0,85 \cdot (24,30 + 20,48 + 33,96) + 8,16 = 75,09\text{ kW}$
  • $Q_{ttpx} = 0,85 \cdot (26,19 + 28,06 + 36,68) = 77,29\text{ kVAr}$
  • $S_{ttpx} = \sqrt{75,09^2 + 77,29^2} = 107,76\text{ kVA}$
  • Dòng điện tính toán: $I_{ttpx} = 163,72\text{ A}$

Tổng hợp phụ tải toàn nhà máy (kể cả chiếu sáng các phân xưởng, ga ra, bảo vệ và chiếu sáng vùng trống $30.894\text{ m}^2$ với $P_{cs} = 6,797\text{ kW}$, $Q_{cs} = 4,21\text{ kVAr}$) với $K_{đt} = 0,85$:

  • Phụ tải tác dụng: $P_{ttnm} = 1152,28\text{ kW}$
  • Phụ tải phản kháng: $Q_{ttnm} = 849,55\text{ kVAr}$
  • Phụ tải toàn phần: $S_{ttnm} = 1431,6\text{ kVA}$
  • Dòng điện tính toán toàn nhà máy: $I_{ttnm} = 2175,09\text{ A}$
  • Hệ số công suất tự nhiên toàn nhà máy: $\cos\varphi = \frac{1152,28}{1431,6} = 0,804$

Tọa độ tâm phụ tải lý thuyết của nhà máy được xác định là $X_0 = 101,73$ và $Y_0 = 161,95$. Nhằm tránh cản trở giao thông nội bộ và bảo đảm mỹ quan quy hoạch, tác giả dịch chuyển vị trí đặt trạm biến áp sang tọa độ thực tế: $X_0 = 120$ và $Y_0 = 230$.

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN CHO PHÂN XƯỞNG CƠ KHÍ VÀ TOÀN NHÀ MÁY

Chương này trình bày giải pháp kỹ thuật thiết kế mạng điện phân phối, so sánh kinh tế - kỹ thuật các phương án trạm biến áp, tính chọn cáp ngầm và khí cụ bảo vệ. Tác giả khảo sát hai phương án cấp điện hạ áp từ cấp 22 kV:

  • Phương án 1: Trạm biến áp gồm 2 máy biến áp 800 kVA (22/0,4 kV) của THIBIDI. Máy biến áp B1 ($S_{tt} = 705,32\text{ kVA}$) cấp điện cho các phân xưởng mộc mẫu, cơ điện, đúc gang, cơ khí 1, cơ khí 2. Máy biến áp B2 ($S_{tt} = 727,36\text{ kVA}$) cấp điện cho rèn dập, kho vật tư, lắp ráp, đúc thép, kiểm nghiệm, kho sản phẩm, nhà hành chính. Khi sự cố 1 máy, máy còn lại quá tải sự cố cấp cho toàn bộ phụ tải loại 1 ($S_{sc} = 642,11\text{ kVA}$), điều kiện kiểm tra $S_{đmba} \ge \frac{642,11}{1,4} = 485,65\text{ kVA} \le 800\text{ kVA}$ thỏa mãn.
  • Phương án 2: Trạm biến áp gồm 3 máy biến áp 560 kVA (22/0,4 kV) của THIBIDI. B1 ($S_{tt} = 467,38\text{ kVA}$), B2 ($S_{tt} = 460,16\text{ kVA}$), B3 ($S_{tt} = 504,26\text{ kVA}$). Khi sự cố 1 máy, 2 máy còn lại làm việc song song gánh phụ tải loại 1, điều kiện kiểm tra $S_{đmba} \ge \frac{642,11}{2 \cdot 1,4} = 229,33\text{ kVA} \le 560\text{ kVA}$ thỏa mãn.

So sánh kỹ thuật và kinh tế giữa hai phương án:

  • Về tổn thất kỹ thuật: Phương án 1 có tổng tổn thất công suất $\Delta S_1 = 12,86 + j83,33\text{ kVA}$, tổn thất điện năng hàng năm $\Delta A_1 = 52.051,22\text{ kWh}$ (với $T_{max} = 4500\text{ h}$, thời gian tổn thất công suất lớn nhất $\tau = 3300\text{ h}$). Phương án 2 có tổn thất công suất $\Delta S_2 = 15,01 + j80,06\text{ kVA}$, tổn thất điện năng $\Delta A_2 = 65.899,79\text{ kWh}$.
  • Về kinh tế: Chi phí vận hành hàng năm của Phương án 1 là $311,503 \times 10^6\text{ đồng}$, trong khi Phương án 2 là $406,621 \times 10^6\text{ đồng}$.

Tác giả quyết định lựa chọn Phương án 1 (đặt 2 máy biến áp $2 \times 800\text{ kVA}$) làm phương án thiết kế cho nhà máy vì chi phí vận hành thấp hơn và tổn thất điện năng nhỏ hơn.

Thiết kế kỹ thuật và triển khai hệ thống

Hệ thống cung cấp điện được thiết kế đồng bộ từ lưới trung áp đến từng thiết bị công nghệ hạ áp:

Lựa chọn cáp nguồn trung áp và mạng cáp hạ áp

  • Cáp đầu vào máy biến áp (22 kV): Chọn cáp đồng 3 lõi cách điện XLPE có đai thép bọc vỏ PVC do hãng Alcatel chế tạo, tiết diện $F = 25\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 143\text{ A}$), đi lộ kép. Dòng làm việc lớn nhất $I_{lvmax} = 18,78\text{ A}$, tiết diện kinh tế $F_{kt} = \frac{18,78}{3,1} = 6,06\text{ mm}^2$. Kiểm tra dòng ngắn hạn sự cố đứt một dây: $I_{sc} = 2 \cdot 18,78 = 37,56\text{ A} < I_{cp} = 143\text{ A}$, bảo đảm điều kiện phát nóng.
  • Mạng cáp hạ áp (0,4 kV): Sử dụng cáp đồng 4 lõi (1 lõi trung tính) cách điện PVC do hãng LENS chế tạo. Các phân xưởng thuộc hộ loại 1 và loại 2 đi bằng lộ kép chôn ngầm trong đất (khoảng cách giữa 2 cáp 300 mm, hệ số hiệu chỉnh $k_2 = 0,93$). Riêng nhà bảo vệ và ga ra (hộ loại 3) đi bằng cáp đơn.

Bảng thông số đường dây cáp cao áp và hạ áp của hệ thống:

Tuyến cáp $I_{lvmax}$ (A) Tiết diện $F$ ($\text{mm}^2$) Đường kính lõi (mm) $r_0$ ($\Omega/\text{km}$) $I_{cp}$ (A)
Đường dây 22 kV - TBA 22,09 25 - 0,927 143
B1 - Cơ điện 127,99 95 11,1 0,193 298
B1 - Cơ khí 2 170,18 150 14,0 0,124 395
B1 - Cơ khí 1 81,86 50 8,4 0,387 192
B1 - Đúc gang 156,13 120 12,6 0,153 346
B1 - Mộc mẫu 91,25 70 10,0 0,268 246
B2 - Đúc thép 189,41 150 14,0 0,124 395
B2 - Lắp ráp 87,44 50 8,4 0,387 192
B2 - Kiểm nghiệm 71,36 35 7,1 0,524 158
B2 - Rèn, dập 156,18 120 12,6 0,153 346
B2 - Kho sản phẩm 37,62 16 4,8 1,150 100
B2 - Kho vật tư 43,26 16 4,8 1,150 100
B2 - Nhà hành chính 66,11 35 7,1 0,524 158

Thiết kế mạng điện và sơ đồ phân phối phân xưởng cơ khí 1

Tác giả lựa chọn sơ đồ nối dây hỗn hợp (kết hợp hình tia và phân nhánh) để cấp điện cho phân xưởng cơ khí 1:

  • Cấu trúc cấp điện: Đặt 1 tủ phân phối (TPP) trung gian nhận nguồn từ trạm biến áp qua đường cáp ngầm đặt trong hào cáp có nắp đậy bê tông. TPP trang bị 1 áptômát tổng đầu vào và 3 áptômát nhánh cấp cho 3 tủ động lực (TĐL 1, TĐL 2, TĐL 3).
  • Tuyến dẫn từ TPP đến các TĐL: Dùng cáp bọc cách điện đi trong rãnh cáp xây dọc chân tường có nắp đậy bê tông.
  • Tuyến dẫn từ TĐL đến từng máy: Sử dụng cáp đồng 3 pha 4 lõi bọc cách điện tăng cường luồn trong ống thép bảo vệ, chôn ngầm dưới nền xưởng ở độ sâu 50 cm. Mỗi nhánh đi dây uốn góc không quá 2 lần với góc uốn lớn hơn hoặc bằng $120^\circ$. Các máy công suất nhỏ được đấu nối rẽ nhánh tại hộp nối dây của máy thứ nhất, không trích ngang đường cáp.
  • Khí cụ bảo vệ: Lựa chọn cầu chì kiểu ống ПР-2 (do Liên Xô chế tạo) bảo vệ ngắn mạch cho từng máy công cụ, chọn theo dòng làm việc lớn nhất và dòng đỉnh nhọn mở máy ($I_{đn} = k_{mm} \cdot I_{lvmax}$ với hệ số mở máy $k_{mm} = 5 \div 7$ cho động cơ không đồng bộ, hệ số khởi động $\alpha = 2,5$). Điển hình cho máy tiện 11 ($P_{đm} = 9\text{ kW}$, $I_{lvmax} = 21,03\text{ A}$, $I_{đn}/\alpha = 42,06\text{ A}$): chọn cầu chì ПР-2 có $I_{dc} = 45\text{ A}$, $I_{đmCC} = 60\text{ A}$, dòng cắt định mức $I_{cắt} = 4,5\text{ kA}$.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành các kết quả tính toán kỹ thuật cụ thể:

  • Xác định chính xác phụ tải tính toán của 12 hạng mục tiêu thụ điện, đưa ra phụ tải tổng thể toàn nhà máy: $P_{ttnm} = 1152,28\text{ kW}$, $Q_{ttnm} = 849,55\text{ kVAr}$, $S_{ttnm} = 1431,6\text{ kVA}$, dòng điện tổng $I_{ttnm} = 2175,09\text{ A}$ và hệ số công suất tự nhiên $\cos\varphi = 0,804$.
  • Xác lập vị trí trạm biến áp dựa trên tọa độ tâm phụ tải tính toán ($X_0 = 101,73$; $Y_0 = 161,95$) và hiệu chỉnh về mặt quy hoạch kiến trúc mặt bằng tại ($X_0 = 120$; $Y_0 = 230$).
  • Chứng minh về mặt kinh tế - kỹ thuật tính ưu việt của phương án đặt 2 máy biến áp $2 \times 800\text{ kVA}$ (chi phí vận hành hàng năm $311,503 \times 10^6\text{ đồng}$, giảm được $95,118 \times 10^6\text{ đồng/năm}$ so với phương án dùng 3 máy biến áp 560 kVA).
  • Lựa chọn hoàn chỉnh chủng loại và tiết diện cáp ngầm trung áp 22 kV (Alcatel XLPE $25\text{ mm}^2$), 12 tuyến cáp hạ áp hạ thế (LENS PVC từ $16\text{ mm}^2$ đến $150\text{ mm}^2$) thỏa mãn các điều kiện mật độ dòng kinh tế và điều kiện sự cố quá nhiệt.
  • Thiết kế hoàn chỉnh cấu trúc mạng điện hạ áp phân xưởng cơ khí 1 theo sơ đồ hỗn hợp, hoàn thành bảng tính chọn khí cụ bảo vệ cầu chì ПР-2 cho 19 máy công cụ.

Về mặt đóng góp, đồ án đã áp dụng nhất quán phương pháp số thiết bị hiệu quả ($n_{hq}$) vào mạng phụ tải công nghiệp cơ khí có sự phân tán lớn về công suất máy, kết hợp xử lý quy đổi đúng quy chuẩn thiết bị ngắn hạn lặp lại (cầu trục) sang chế độ dài hạn, tạo nên bộ số liệu thiết kế logic và có căn cứ kỹ thuật rõ ràng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung và phạm vi nghiên cứu thực tế của văn bản, đồ án tồn tại một số điểm hạn chế:

  • Chưa tính toán chi tiết bài toán bù công suất phản kháng: Hệ số công suất tự nhiên của nhà máy chỉ đạt $\cos\varphi = 0,804$, thấp hơn mức tiêu chuẩn quy định của ngành điện lực ($\cos\varphi \ge 0,90$), song đồ án chưa đưa ra dung lượng tụ bù cần lắp đặt tại trạm biến áp hoặc bù phân tán tại các phân xưởng.
  • Phần tính toán dòng điện ngắn mạch hạ áp và kiểm tra độ bền điện động, độ bền nhiệt của thanh cái và thiết bị đóng cắt mới dừng lại ở việc liệt kê danh mục mục lục và chưa thể hiện các bước tính toán chi tiết trong phần văn bản.
  • Chưa triển khai phương án thiết kế hệ thống tiếp địa an toàn và chống sét chi tiết cho công trình nhà máy cơ khí.

Các hướng mở rộng cần tiếp tục nghiên cứu:

  • Tính toán lựa chọn dung lượng bộ tụ bù tĩnh tự động đóng cắt ở thanh cái hạ áp trạm biến áp nhằm nâng hệ số công suất từ $0,804$ lên trên $0,92$, giúp giảm tổn thất điện năng và chi phí mua công suất phản kháng.
  • Thực hiện đầy đủ bài toán tính toán ngắn mạch ba pha, hai pha và ngắn mạch một pha chạm đất trên các thanh cái 0,4 kV để kiểm tra khả năng cắt của áptômát tổng và độ ổn định nhiệt của hệ thống thanh dẫn.
  • Thiết kế hệ thống nối đất an toàn trạm biến áp và hệ thống kim thu sét bảo vệ toàn bộ khuôn viên nhà máy theo quy phạm kỹ thuật hiện hành.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các chuyên ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện, Thiết bị điện và Điện công nghiệp khi thực hiện đồ án môn học Cung cấp điện hoặc đồ án tốt nghiệp về thiết kế mạng điện xí nghiệp công nghiệp.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

  • Quy trình chuẩn xác định phụ tải tính toán theo phương pháp số thiết bị hiệu quả ($n_{hq}$): các bước nhóm thiết bị, quy đổi công suất ngắn hạn lặp lại của máy nâng chuyển, xác định các tỷ số $n^$ và $p^$ để tra bảng đường cong $K_{max}$.
  • Phương pháp tính toán tổn thất điện năng hàng năm ($\Delta A$) của trạm biến áp phân xưởng dựa trên thời gian tổn thất công suất cực đại ($\tau$) và thời gian sử dụng công suất lớn nhất ($T_{max} = 4500\text{ h}$).
  • Bảng tra cứu thông số kỹ thuật thực tế của máy biến áp phân phối THIBIDI 22/0,4 kV, cáp ngầm trung thế Alcatel, cáp hạ thế LENS và cầu chì công nghiệp ПР-2.

Câu hỏi thường gặp

1. Tổng phụ tải tính toán toàn phần của nhà máy cơ khí là bao nhiêu và hệ số công suất tự nhiên đạt mức nào?
Tổng phụ tải tính toán toàn phần toàn nhà máy (sau khi xét hệ số đồng thời $K_{đt} = 0,85$ và tính đủ phụ tải chiếu sáng phân xưởng lẫn vùng trống) là $S_{ttnm} = 1431,6\text{ kVA}$, phụ tải tác dụng $P_{ttnm} = 1152,28\text{ kW}$, phụ tải phản kháng $Q_{ttnm} = 849,55\text{ kVAr}$ và dòng điện tính toán là $I_{ttnm} = 2175,09\text{ A}$. Hệ số công suất tự nhiên đạt $\cos\varphi = 0,804$.

2. Tại sao tác giả chọn phương án 2 máy biến áp 800 kVA thay vì 3 máy biến áp 560 kVA?
Qua tính toán so sánh kỹ thuật và kinh tế: Phương án 1 (2 máy 800 kVA) có tổng tổn thất công suất nhỏ hơn ($12,86 + j83,33\text{ kVA}$ so với $15,01 + j80,06\text{ kVA}$), tổn thất điện năng hàng năm thấp hơn ($52.051,22\text{ kWh}$ so với $65.899,79\text{ kWh}$) và chi phí vận hành hàng năm thấp hơn rõ rệt ($311,503 \times 10^6\text{ đồng}$ so với $406,621 \times 10^6\text{ đồng}$), giúp tiết kiệm hơn 95 triệu đồng mỗi năm.

3. Thiết bị cầu trục 20 kVA trong phân xưởng cơ khí 1 được quy đổi công suất như thế nào khi tính toán phụ tải?
Cầu trục là thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại với hệ số tiếp điện tương đối định mức $\varepsilon = 30%$. Để tính toán phụ tải theo điều kiện phát nóng dài hạn, tác giả quy đổi công suất định mức về chế độ dài hạn theo công thức: $P_{qđ} = P_{đm} \cdot \sqrt{\varepsilon} = 20 \cdot \sqrt{0,3} = 10,95\text{ kW}$.

4. Vị trí đặt trạm biến áp phân xưởng được xác định trên cơ sở nào?
Tọa độ lý thuyết của tâm phụ tải điện được tính toán từ mô-men công suất của 12 phân xưởng là $X_0 = 101,73$ và $Y_0 = 161,95$. Tuy nhiên, để bảo đảm mặt bằng không cản trở giao thông nội bộ và phù hợp mỹ quan quy hoạch đất đai nhà máy, tác giả đã điều chỉnh tọa độ đặt trạm biến áp thực tế sang vị trí $X_0 = 120$ và $Y_0 = 230$.

5. Tuyến cáp ngầm trung áp 22 kV cấp điện cho trạm biến áp được lựa chọn theo những tiêu chuẩn nào?
Cáp 22 kV được chọn theo điều kiện mật độ dòng điện kinh tế ($J_{kt} = 3,1\text{ A/mm}^2$ với $T_{max} = 4500\text{ h}$), cho tiết diện tính toán $F_{kt} = 6,06\text{ mm}^2$. Tác giả chọn quy chuẩn cáp đồng 3 lõi XLPE đai thép vỏ PVC do Alcatel chế tạo có tiết diện tiêu chuẩn $F = 25\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 143\text{ A}$), đi lộ kép. Tuyến cáp đã được kiểm tra và thỏa mãn điều kiện phát nóng khi có sự cố đứt một dây ($I_{sc} = 37,56\text{ A} < I_{cp} = 143\text{ A}$).

Kết luận

Đồ án môn học "Thiết kế hệ thống cung cấp điện cho phân xưởng cơ khí 1 và toàn bộ nhà máy" của sinh viên Trần Huy Đức đã giải quyết hoàn chỉnh các nội dung kỹ thuật từ phân nhóm phụ tải, xác định công suất tính toán, định vị tâm phụ tải đến tính chọn trạm biến áp 22/0,4 kV. Bằng việc so sánh chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, tác giả đã chứng minh tính hợp lý của phương án trạm biến áp 2 máy $2 \times 800\text{ kVA}$ THIBIDI kết hợp mạng cáp ngầm bảo đảm độ tin cậy cấp điện cho hộ phụ tải loại 1. Mạng điện hạ áp phân xưởng cơ khí 1 được thiết kế chi tiết theo sơ đồ hỗn hợp với hệ thống cáp luồn ống thép chôn ngầm và khí cụ bảo vệ ПР-2 đồng bộ, tạo nên tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho công tác đào tạo chuyên ngành kỹ thuật điện.