Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong hệ thống công nghiệp chế tạo, điện năng đóng vai trò là nguồn động lực chủ yếu chi phối toàn bộ dây chuyền sản xuất cơ khí. Việc tính toán và thiết kế hệ thống cung cấp điện cho một phân xưởng sản xuất đòi hỏi tính chuẩn xác cao nhằm giải quyết bài toán cân bằng giữa độ an toàn, độ tin cậy vận hành và hiệu quả vốn đầu tư ban đầu. Nếu tính toán phụ tải quá lớn so với nhu cầu thực tế, hệ thống sẽ rơi vào tình trạng thừa công suất, chọn thiết bị có định mức quá cao gây lãng phí vốn đầu tư; ngược lại, nếu tính toán phụ tải quá nhỏ sẽ dẫn đến tình trạng quá tải thường xuyên, suy giảm tuổi thọ cách điện, nguy cơ phát hỏa và làm gián đoạn dây chuyền công nghệ.
Đề tài "Thiết kế cấp điện cho phân xưởng cơ khí" được thực hiện bởi nhóm tác giả Đỗ Hữu Minh, Nguyễn Văn Lượng và Nguyễn Xuân Minh thuộc Khoa Điện - Tự Động Hóa, Lớp ĐH KTĐ–K5, Trường Đại học Thành Đô, dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Khắc Tiến. Đối tượng nghiên cứu là hệ thống cấp điện hạ áp cho một phân xưởng cơ khí có quy mô 70 máy công tác, diện tích chiếm chỗ trung bình của một máy là $3 \times 3 = 9\text{ m}^2$, tổng diện tích mặt bằng sản xuất là $630\text{ m}^2$. Các động cơ máy công tác đều sử dụng lưới điện 3 pha, trạm biến áp phân phối hạ áp $22/0,4\text{ kV}$ được thiết kế đặt trong nhà và đặt tại vị trí trung tâm phụ tải của phân xưởng. Phân xưởng được xếp vào nhóm hộ tiêu thụ loại 3 có quy mô vừa và nhỏ, cho phép mất điện trong khoảng thời gian ngắn để khắc phục sự cố hoặc sửa chữa.
Theo văn bản nhiệm vụ đồ án, mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể qua 5 nội dung chính:
- Xác định phụ tải tính toán (bao gồm phụ tải động lực và phụ tải chiếu sáng) cho toàn bộ phân xưởng cơ khí.
- Lập sơ đồ nguyên lý và thiết kế mạng điện phân phối cung cấp cho toàn phân xưởng.
- Thiết kế trạm biến áp phân phối $22/0,4\text{ kV}$ cấp nguồn trực tiếp cho phân xưởng.
- Kiểm tra tổn thất điện áp lớn nhất, xác định tổn thất công suất và tính toán chi phí tổn thất điện năng hàng năm của phân xưởng với thời gian sử dụng công suất lớn nhất $T_{max} = 4500\text{ giờ/năm}$.
- Thiết kế và tính toán hệ thống chiếu sáng phân xưởng đảm bảo tiêu chuẩn độ rọi $E = 80\text{ lx}$.
Hồ sơ sản phẩm hoàn thành gồm 01 quyển thuyết minh tính toán kỹ thuật cùng các bản vẽ: phương án cấp điện, sơ đồ mạng điện động lực và chiếu sáng, sơ đồ nguyên lý và sơ đồ kết cấu trạm biến áp phân xưởng.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế
Hệ thống cơ sở lý thuyết và tiêu chuẩn thiết kế của đồ án được xây dựng dựa trên các tài liệu chuyên ngành cung cấp điện tiêu chuẩn tại Việt Nam:
- Giáo trình Cung cấp điện của tác giả Ninh Văn Nam: được sử dụng làm cơ sở lý thuyết cho việc phân loại hộ tiêu thụ, xác định các hệ số sử dụng ($k_{sd}$), hệ số công suất ($\cos\varphi$), tra cứu hệ số cực đại ($k_{max}$) và thuật toán xác định số thiết bị dùng điện hiệu quả ($n_{hq}$).
- Sách Thiết kế cấp điện và Sổ tay lựa chọn và tra cứu thiết bị điện từ 0,4 đến 500 kV của nhóm tác giả Ngô Hồng Quang và Vũ Văn Tẩm: cung cấp các công thức tính toán ngắn mạch, phương pháp chọn tiết diện dây dẫn, thanh cái, cáp ngầm, các bảng tra cứu thông số kỹ thuật của khí cụ điện cao áp, hạ áp và tụ bù.
- Tiêu chuẩn nhà nước TCVN 1983-1994 áp dụng cho cấp điện áp phân phối $15\text{ kV}; 22\text{ kV} \pm 2 \times 2,5% / 0,4\text{ kV}$.
Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật trong đồ án bao gồm:
- Phương pháp xác định phụ tải tính toán: Sử dụng phương pháp tính theo công suất trung bình ($P_{tb}$) và hệ số cực đại ($k_{max}$). Phương pháp này áp dụng thuật toán tính số thiết bị hiệu quả $n_{hq}$ dựa trên đại lượng $n_1$ (số động cơ có công suất $P \ge 0,5 P_{max}$) và tổng công suất $P_{n1}$, tính các tỷ số $n^* = n_1/n$ và $P^* = P_{n1}/P_{nhom}$, sau đó tra bảng để xác định hệ số thiết bị hiệu quả tương đối $n_{hq}^$ và $n_{hq} = n \cdot n_{hq}^$.
- Phương pháp tính toán phụ tải chiếu sáng: Dùng phương pháp suất phụ tải trên một đơn vị diện tích sản xuất với $P_0 = 15\text{ W/m}^2$, kết hợp với bố trí bổ sung bóng đèn cục bộ 100 W tại từng máy công tác.
- Phương pháp lựa chọn tiết diện dây dẫn và cáp: Áp dụng phương pháp mật độ dòng kinh tế $J_{kt}$ tương ứng với $T_{max} = 4500\text{ giờ/năm}$, kết hợp kiểm tra điều kiện phát nóng dài hạn ($K_1 K_2 I_{cp} \ge I_{tt}$) có xét đến nhiệt độ môi trường hiệu chỉnh và khoảng cách cáp đặt chung rãnh, đồng thời kiểm tra độ sụt áp cho phép ($\Delta U \le \Delta U_{cp}$).
- Phương pháp tính toán bù công suất phản kháng: Sử dụng giải thuật phân phối dung lượng bù phân tán tại các tủ động lực hạ áp nhằm cực tiểu hóa tổn thất công suất toàn mạng hình tia: $Q_{bi} = Q_i - \frac{R_{td}}{R_i}(Q_\Sigma - Q_b)$.
Thiết kế và triển khai kỹ thuật
Hệ thống cung cấp điện cho phân xưởng cơ khí được thiết kế theo cấu trúc phân phối hình tia (radial network) từ thanh cái trạm biến áp hạ áp đến các tủ động lực và tủ chiếu sáng:
- Cấu trúc phía cao áp và trạm biến áp: Nguồn điện trung áp $22\text{ kV}$ được dẫn bằng cáp ngầm đưa thẳng vào trạm biến áp kiểu kín xây trong nhà. Thiết bị bảo vệ và đóng cắt đầu vào cao áp gồm cầu dao cách ly 3 pha thao tác không tải, cầu chì cao áp SIEMENS kiểu 3GD1 403-4B bảo vệ ngắn mạch và bộ chống sét van Cooper kiểu AZLP cấp điện áp $24\text{ kV}$ nhằm triệt tiêu sóng quá điện áp lan truyền từ đường dây trung áp. Máy biến áp hạ áp đấu dây theo tổ đấu dây $Y/Y_0$.
- Cấu trúc phía hạ áp: Từ cuộn thứ cấp trạm biến áp, thanh dẫn đồng đưa nguồn đến tủ phân phối tổng của phân xưởng. Tủ phân phối tổng đặt 1 áptômát tổng A3143 và 7 áptômát nhánh A3133. Mạng hạ thế nội bộ phân xưởng sử dụng cáp ngầm lõi đồng cách điện PVC của hãng LENS đi trong rãnh ngầm, kéo đến 6 tủ động lực (đặt rải rác áp sát tường phân xưởng) và 1 tủ chiếu sáng.
- Hệ thống điều khiển và bảo vệ máy công cụ: Tại từng tủ động lực (sử dụng loại tủ СП62-7/1 của Liên Xô trang bị cầu dao - cầu chì tổng 400 A và 9 lộ ra 100 A), các đường dây nhánh cấp điện đến từng máy công tác được bảo vệ ngắn mạch bằng dây chảy cầu chì. Mỗi động cơ máy công cụ được đóng cắt độc lập bằng khởi động từ tích hợp rơle nhiệt gắn trực tiếp trên thân máy để bảo vệ quá tải.
- Hệ thống bù công suất phản kháng: Lắp đặt các bộ tụ bù hạ áp kiểu kín của Liên Xô phân tán tại các tủ động lực để nâng hệ số công suất phân xưởng từ $\cos\varphi = 0,66$ lên $\cos\varphi = 0,95$. Hệ thống tụ bù được trang bị mạch điện trở xả điện dư sử dụng các bóng đèn sợi đốt 40 W - 220 V đấu song song giữa các pha để tiêu tán năng lượng tích lũy trong tụ sau khi ngắt khỏi lưới điện.
- Nguồn cấp dự phòng: Thiết kế bổ sung 1 máy phát điện dự phòng hạ thế đấu nối vào hệ thống thông qua khóa liên động tại trạm để duy trì nguồn cho các phụ tải trọng yếu khi xảy ra sự cố gián đoạn nguồn lưới.
Nội dung chính theo từng chương
Chương I: Xác định phụ tải tính toán cho phân xưởng
Chương I tập trung thiết lập bảng thống kê phụ tải và tính toán chi tiết nhu cầu công suất cho 70 thiết bị của phân xưởng cơ khí, chia thành 6 nhóm phụ tải động lực và 1 hệ thống chiếu sáng:
| Nhóm thiết bị |
Số lượng máy ($n$) |
Tổng $P_{dm}$ (kW) |
Tổng $I_{dm}$ (A) |
Thiết bị $P \ge 0,5 P_{max}$ ($n_1$) |
$n_{hq}$ |
$k_{sd}$ |
$\cos\varphi$ |
$k_{max}$ |
| Nhóm I (Máy tiện, phay, cưa) |
16 |
99,05 |
250,79 |
7 |
11,04 |
0,30 |
0,55 |
1,60 |
| Nhóm II (Phay, bào, xọc, mài) |
15 |
92,50 |
235,79 |
7 |
12,15 |
0,30 |
0,55 |
1,52 |
| Nhóm III (Khoan, mài, cưa tay) |
9 |
20,60 |
52,17 |
4 |
6,75 |
0,30 |
0,55 |
1,88 |
| Nhóm IV (Lò điện, bể điện phân) |
4 |
95,00 |
151,93 |
3 |
3,60 |
0,70 |
0,90 |
1,29 |
| Nhóm V (Tiện, phay, hàn, quạt) |
18 |
87,17 |
234,01 |
5 |
12,78 |
0,50 |
0,50 |
1,28 |
| Nhóm VI (Sửa chữa, tẩm sấy) |
8 |
22,50 |
54,44 |
1 |
1,76 |
0,30 |
0,55 |
2,14 |
Các bước tính toán cho thấy nhóm IV có đặc tính tải điện trở và hồ quang hoạt động liên tục ($k_{sd} = 0,7$; $\cos\varphi = 0,9$), trong khi các nhóm máy gia công cơ khí còn lại mang tính chất chu kỳ với hệ số công suất thấp ($\cos\varphi = 0,5 - 0,55$).
Về phụ tải chiếu sáng, tác giả xác định diện tích phân xưởng $S = 630\text{ m}^2$, suất phụ tải chiếu sáng chung $P_0 = 15\text{ W/m}^2$, kết hợp với 69 bóng đèn sợi đốt 100 W chiếu sáng cục bộ tại từng máy công tác (trừ vị trí quạt thông gió). Công suất tính toán của tuyến chiếu sáng đạt $S_{cs} = 16,35\text{ kVA}$.
Tổng hợp phụ tải toàn phân xưởng áp dụng hệ số đồng thời $K_{dt} = 0,8$ cho 6 nhóm máy:
- Công suất biểu kiến tính toán toàn phân xưởng: $S_{tt} = 334,62\text{ kVA}$.
- Dòng điện tính toán tổng: $I_{tt} = 482,98\text{ A}$.
- Hệ số công suất tự nhiên của phân xưởng trước khi bù: $\cos\varphi = 0,66$.
Chương II: Lập sơ đồ và thiết kế mạng điện cung cấp cho toàn bộ phân xưởng
Chương II phân tích và so sánh các mô hình mạng điện hạ áp (hình tia và phân nhánh). Tác giả lựa chọn mô hình mạng hình tia do phụ tải phân xưởng phân bố tương đối đồng đều trên diện tích $630\text{ m}^2$, mạng hình tia bảo đảm sơ đồ đi dây mạch lạc, tin cậy cao, dễ thao tác và thuận tiện trong vận hành sửa chữa.
Trạm biến áp được xác định đặt tại trung tâm phụ tải nhằm cực tiểu hóa bán kính cấp điện hạ áp và giảm tổn thất điện áp. Về số lượng và dung lượng máy biến áp, tác giả lập phương án so sánh kinh tế - kỹ thuật giữa hai giải pháp sử dụng máy biến áp do hãng ABB sản xuất:
| Chỉ tiêu so sánh |
Phương án 1 (1 MBA 400 kVA) |
Phương án 2 (2 MBA 180 kVA) |
| Hãng sản xuất |
ABB |
ABB |
| Cấp điện áp |
$22/0,4\text{ kV}$ |
$22/0,4\text{ kV}$ |
| Công suất định mức ($S_{dm}$) |
$400\text{ kVA}$ |
$2 \times 180\text{ kVA}$ |
| Tổn hao không tải ($\Delta P_0$) |
$840\text{ W}$ |
$2 \times 530 = 1060\text{ W}$ |
| Dòng điện không tải ($I_0%$) |
$2,0%$ |
$2,5%$ |
| Tổn hao ngắn mạch ở $75^\circ\text{C}$ ($\Delta P_N$) |
$5,75\text{ kW}$ |
$2 \times 3,15 = 6,30\text{ kW}$ |
| Điện áp ngắn mạch ($U_N%$) |
$4,0%$ |
$4,0%$ |
| Điện năng tổn thất trong năm ($\Delta A$) |
$22.951,85\text{ kWh}$ |
$24.587,48\text{ kWh}$ |
| Chi phí tổn thất điện năng (giá 1325 đ/kWh) |
$30.411.201\text{ VNĐ}$ |
$32.578.411\text{ VNĐ}$ |
Kết quả tính toán khẳng định Phương án 1 (dùng 1 máy biến áp 400 kVA) có mức tổn thất điện năng hàng năm thấp hơn $1.635,63\text{ kWh}$, tiết kiệm chi phí vận hành hơn so với Phương án 2, đồng thời trạm 1 máy có kích thước nhỏ gọn ($1620 \times 1055 \times 1500\text{ mm}$, trọng lượng $1440\text{ kg}$), giảm vốn đầu tư xây dựng trạm.
Chương IV: Tính chọn các thiết bị, dây dẫn, dây cáp trong hệ thống cung cấp điện
Nội dung chương IV thực hiện tính chọn toàn bộ hệ thống dẫn điện và khí cụ đóng cắt, bảo vệ:
- Dây dẫn và cáp phân phối: Lựa chọn theo mật độ dòng kinh tế $J_{kt} = 2,1\text{ A/mm}^2$ (cáp lõi đồng, cách điện PVC, $T_{max} = 4500\text{ giờ/năm}$). Các hệ số hiệu chỉnh môi trường gồm $K_1 = 0,93$ (nhiệt độ môi trường $30^\circ\text{C}$) và $K_2 = 0,80$ (4 cáp đặt chung rãnh).
- Tuyến cáp tổng từ MBA về tủ phân phối xưởng: Cáp đồng 3 lõi cách điện cao su PVC LENS tiết diện pha $3 \times 240\text{ mm}^2$ ($d = 17,9\text{ mm}$; $r_0 = 0,0754\ \Omega/\text{km}$; $I_{cp} = 501\text{ A}$), dây trung tính $1 \times 120\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 343\text{ A}$). Tổn thất điện áp trên đoạn $10\text{ m}$ thỏa mãn điều kiện kỹ thuật.
- Cáp từ tủ phân phối đến 6 tủ động lực và tủ chiếu sáng (chiều dài trung bình $20\text{ m}$): Tuyến ĐL1, ĐL2, ĐL4 dùng cáp $3 \times 50\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 206\text{ A}$); tuyến ĐL3 dùng cáp $3 \times 10\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 87\text{ A}$); tuyến ĐL5 dùng cáp $3 \times 70\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 254\text{ A}$); tuyến ĐL6 dùng cáp $3 \times 16\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 113\text{ A}$); tuyến chiếu sáng dùng cáp $3 \times 10\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 87\text{ A}$). Tất cả các phân đoạn cáp đều được kiểm tra sụt áp và thỏa mãn $\Delta U \le \Delta U_{cp}$.
- Thanh cái tủ phân phối tổng: Chọn thanh đồng chữ nhật kích thước $30 \times 4\text{ mm}$, tiết diện $160\text{ mm}^2$, trọng lượng $1,424\text{ kg/m}$, dòng cho phép $I_{cp} = 625\text{ A}$.
- Khí cụ điện cao áp: Cầu dao cách ly có $U_{dm} \ge 22\text{ kV}$, $I_{dm} \ge 10,5\text{ A}$; Cầu chì cao áp SIEMENS 3GD1 403-4B ($24\text{ kV}$, $16\text{ A}$, dòng cắt $40\text{ kA}$, trọng lượng $3,8\text{ kg}$); Chống sét van Cooper AZLP ($24\text{ kV}$); Máy biến dòng đo lường SIEMENS 4MA74 ($24\text{ kV}$, dòng sơ cấp định mức $20 - 2500\text{ A}$, thứ cấp $1\text{ A}$ hoặc $5\text{ A}$, trọng lượng $25\text{ kg}$).
- Khí cụ điện hạ áp và tụ bù:
- Aptomat đầu vào tủ phân phối: Kiểu A3143 ($I_{dm} = 600\text{ A}$, $U_{dm} = 220\text{ V}$, dòng móc bảo vệ $300\text{ A}$, tác động tức thời $2100\text{ A}$).
- 7 Aptomat đầu ra tủ phân phối: Kiểu A3133 ($I_{dm} = 200\text{ A}$, $U_{dm} = 220\text{ V}$, dòng móc bảo vệ $200\text{ A}$, tác động tức thời $840\text{ A}$).
- Tủ động lực: Kiểu СП62-7/1 do Liên Xô chế tạo, đầu vào cầu dao - cầu chì $400\text{ A}$, 9 ngõ ra $100\text{ A}$.
- Tụ bù nâng cao hệ số công suất: Tổng công suất phản kháng cần bù là $Q_b = 179,93\text{ kVAr}$ để đưa $\cos\varphi$ từ 0,66 lên 0,95. Bù phân tán tại các nhóm: ĐL I lắp 1 bộ KC2-1,05-75-2У3 ($75\text{ kVAr}$); ĐL II lắp 1 bộ KC2-1,05-60-2У1 ($60\text{ kVAr}$); ĐL III lắp 1 bộ KC1-0,38-20-У1 ($20\text{ kVAr}$); ĐL IV có giá trị tính toán $Q_{b4} < 0$ nên không cần lắp tụ bù; ĐL V lắp bộ KC0-0,66-12,5-3У3 ($92\text{ kVAr}$); ĐL VI lắp 2 bộ KC2-0,22-12-3У1 ($12\text{ kVAr}$).
- Tính chọn cầu chì bảo vệ động cơ tại các tủ động lực: Tính toán dòng khởi động và dòng định mức của từng máy để chọn dòng dây chảy cầu chì phù hợp ($I_{dc} = 30\text{ A}$ đến $200\text{ A}$).
(Ghi chú: Theo danh mục phụ lục đồ án, Chương V trình bày cấu trúc trạm biến áp kiểu kín trong nhà gồm 1 máy biến áp và 1 máy phát dự phòng; Chương VII trình bày sơ đồ nguyên lý chiếu sáng phân xưởng).
Kết quả và thông số kỹ thuật đạt được
Đồ án đã giải quyết đầy đủ các yêu cầu tính toán thiết kế cho mạng điện phân xưởng cơ khí, đưa ra các chỉ số kỹ thuật cụ thể:
| Hạng mục kỹ thuật |
Giá trị tính toán / Thiết bị lựa chọn |
Đơn vị / Xuất xứ |
| Tổng diện tích phân xưởng |
630 |
$\text{m}^2$ |
| Tổng số máy công tác |
70 |
Máy |
| Phụ tải tính toán toàn phân xưởng ($S_{tt}$) |
334,62 |
kVA |
| Dòng điện tính toán tổng ($I_{tt}$) |
482,98 |
A |
| Hệ số công suất trước bù / sau bù |
0,66 / 0,95 |
- |
| Tổng công suất phản kháng bù ($Q_b$) |
179,93 |
kVAr |
| Máy biến áp lựa chọn |
ABB 400 kVA, 22/0,4 kV, tổ đấu dây $Y/Y_0$ |
ABB |
| Điện năng tổn thất MBA hàng năm ($\Delta A$) |
22.951,85 |
kWh/năm |
| Cáp nguồn tổng từ trạm về xưởng |
Cáp đồng PVC LENS $3 \times 240 + 1 \times 120$ |
LENS |
| Aptomat tổng tủ phân phối |
A3143 ($I_{dm} = 600\text{ A}$, móc bảo vệ $300\text{ A}$) |
Liên Xô |
| Aptomat nhánh tủ phân phối (7 bộ) |
A3133 ($I_{dm} = 200\text{ A}$, móc bảo vệ $200\text{ A}$) |
Liên Xô |
| Cầu chì cao áp |
SIEMENS 3GD1 403-4B ($24\text{ kV}$, $16\text{ A}$, $I_{cat} = 40\text{ kA}$) |
SIEMENS |
| Thiết bị chống sét van |
Cooper AZLP ($24\text{ kV}$) |
Mỹ |
| Biến dòng đo lường |
SIEMENS 4MA74 ($24\text{ kV}$) |
SIEMENS |
| Tủ động lực nhánh |
Tủ СП62-7/1 ($400\text{ A} / 9 \times 100\text{ A}$) |
Liên Xô |
Về mặt đóng góp kỹ thuật, đồ án đã chứng minh tính ưu việt của giải pháp bù công suất phản kháng phân tán kết hợp xả điện dư bằng bóng đèn sợi đốt, giúp giảm tải trực tiếp trên các tuyến cáp hạ áp nhánh, giảm đáng kể sụt áp ở các máy công cụ xa nguồn và nâng cao hệ số công suất phân xưởng đạt mốc 0,95. Đồng thời, việc tính toán so sánh tổn hao kỹ thuật giữa hai phương án MBA đã đưa ra căn cứ khoa học rõ ràng trong việc lựa chọn cấu hình trạm 1 máy 400 kVA nhằm tối ưu hóa chi phí mua sắm thiết bị và giảm tổn thất điện năng hàng năm.
Hạn chế và phạm vi áp dụng
- Hạn chế kỹ thuật của đề tài:
- Mô hình thiết kế cấp điện chỉ áp dụng cấu hình nguồn 1 máy biến áp duy nhất, phù hợp với đặc thù hộ tiêu thụ điện loại 3 (cho phép mất điện trong khoảng 4 đến 5 giờ khi xảy ra sự cố trên lưới). Mặc dù có đề cập máy phát điện dự phòng, đồ án chưa trình bày chi tiết thuật toán chuyển nguồn tự động (ATS) giữa lưới điện và máy phát.
- Nhóm phụ tải IV gồm các lò điện công suất lớn ($95\text{ kW}$) có hệ số công suất tự nhiên cao ($\cos\varphi = 0,9$) nên thuật toán phân phối công suất bù cho ra giá trị âm ($Q_{b4} < 0$), tác giả xử lý bằng cách bỏ qua không bù cho nhóm này mà chưa phân tích sâu ảnh hưởng sóng hài bậc cao sinh ra từ các lò luyện và biến áp hàn đến tụ bù các nhóm lân cận.
- Hệ thống chiếu sáng hoàn toàn dựa trên đèn sợi đốt thông thường (suất tiêu hao $15\text{ W/m}^2$ kèm đèn sợi đốt $100\text{ W}$ tại từng máy) theo quan điểm đèn tuýp huỳnh quang nhạy cảm với điện áp khi $U < 180\text{ V}$, do đó chưa tiếp cận các giải pháp chiếu sáng công nghiệp tiết kiệm năng lượng hiện đại.
- Phạm vi áp dụng: Toàn bộ quy trình tính toán, phương pháp phân nhóm máy công cụ, chọn cáp ngầm và chọn khí cụ điện trong đồ án có khả năng áp dụng trực tiếp cho các phân xưởng cơ khí, nhà máy chế tạo máy hoặc các cơ sở sửa chữa công nghiệp có quy mô từ 50 đến 100 thiết bị gia công kim loại dùng điện áp $380/220\text{ V}$.
Giá trị tham khảo
Bản đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành phù hợp cho sinh viên, giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện, Hệ thống Điện và Kỹ thuật Tự động hóa khi thực hiện đồ án môn học Cung cấp điện hoặc đồ án tốt nghiệp thiết kế trạm và lưới hạ áp công nghiệp.
Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng thực tế cao gồm:
- Quy trình chuẩn hóa thuật toán xác định phụ tải tính toán bằng phương pháp số thiết bị hiệu quả ($n_{hq}$) và hệ số cực đại ($k_{max}$) cho các nhóm máy công cụ có công suất lệch nhau lớn.
- Bảng biểu tính toán so sánh kinh tế - kỹ thuật tổn thất điện năng giữa các phương án máy biến áp (tính toán cụ thể số tiền tổn thất điện theo giá bán điện thực tế).
- Phương pháp phối hợp tính chọn bảo vệ liên động nhiều cấp: cầu dao cách ly, cầu chì cao thế, máy biến dòng, áptômát tổng, áptômát nhánh, cầu chì tủ động lực và rơle nhiệt bảo vệ động cơ.
- Bảng tính dung lượng bù phân tán và cách thiết kế điện trở xả điện tích cho tụ hạ áp bằng đèn sợi đốt.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đồ án quyết định lựa chọn phương án 1 máy biến áp 400 kVA thay vì phương án 2 máy biến áp 180 kVA?
Dựa trên kết quả tính toán phụ tải toàn phân xưởng là $S_{tt} = 334,62\text{ kVA}$, tác giả so sánh hai phương án: Phương án 1 dùng 1 MBA ABB 400 kVA có tổn thất điện năng trong 1 năm là $22.951,85\text{ kWh}$ (chi phí tổn thất $30.411.201\text{ VNĐ}$ với giá $1325\text{ đ/kWh}$); Phương án 2 dùng 2 MBA ABB 180 kVA có tổn thất điện năng là $24.587,48\text{ kWh}$ (chi phí tổn thất $32.578.411\text{ VNĐ}$). Phương án 1 vừa tiết kiệm hơn về chi phí tổn thất điện năng vận hành, vừa giảm chi phí thiết bị và diện tích phòng trạm ($1620 \times 1055 \times 1500\text{ mm}$, nặng $1440\text{ kg}$).
2. Phương pháp xác định phụ tải tính toán nào được sử dụng cho các nhóm máy công cụ của xưởng?
Tác giả sử dụng phương pháp công suất trung bình và hệ số cực đại ($P_{tt} = k_{max} \cdot P_{tb}$). Trình tự gồm việc xác định số thiết bị $n_1$ có công suất lớn hơn hoặc bằng một nửa máy lớn nhất ($P \ge 0,5 P_{max}$), tính $n^$ và $P^$, tra bảng tìm hệ số thiết bị hiệu quả $n_{hq}^$ để suy ra $n_{hq} = n \cdot n_{hq}^$. Kết hợp với hệ số sử dụng $k_{sd}$ tra được, tác giả tìm hệ số cực đại $k_{max}$ để tính $P_{tt}$, $Q_{tt}$ và $I_{tt}$ cho từng nhóm.
3. Tuyến cáp ngầm nối từ trạm biến áp về tủ phân phối của phân xưởng sử dụng loại cáp nào và tiết diện bao nhiêu?
Với dòng điện tính toán $I_{tt} = 482,98\text{ A}$, tác giả chọn cáp đồng 3 lõi cách điện cao su PVC do hãng LENS chế tạo, tiết diện dây pha là $3 \times 240\text{ mm}^2$ (đường kính ruột $17,9\text{ mm}$, điện trở $r_0 = 0,0754\ \Omega/\text{km}$, dòng cho phép đặt trong nhà $I_{cp} = 501\text{ A}$), dây trung tính lấy bằng nửa tiết diện pha là $1 \times 120\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 343\text{ A}$). Tuyến cáp có chiều dài $10\text{ m}$ và thỏa mãn điều kiện tổn thất điện áp cho phép.
4. Vì sao nhóm phụ tải động lực IV không phải lắp đặt tụ bù phản kháng?
Khi áp dụng công thức phân phối công suất bù cho mạng hình tia $Q_{bi} = Q_i - \frac{R_{td}}{R_i}(Q_\Sigma - Q_b)$, nhóm IV gồm các thiết bị nhiệt điện (lò buồng, lò đứng, lò bể và bể điện phân) có hệ số công suất tự nhiên rất cao ($\cos\varphi = 0,9$; $\tan\varphi = 0,48$). Kết quả giải tích cho ra giá trị công suất bù tính toán của nhóm IV bị âm ($Q_{b4} < 0$), do đó không cần bố trí tụ bù tại tủ động lực nhóm IV.
5. Mạch điện trở phóng điện cho các bộ tụ bù hạ áp trong đồ án được thiết kế như thế nào?
Để xả điện tích dư trong tụ bù sau khi cắt khỏi nguồn điện đảm bảo an toàn thao tác, tác giả thiết kế mạch điện trở phóng điện sử dụng các bóng đèn sợi đốt $40\text{ W} - 220\text{ V}$ đấu song song theo từng pha. Số lượng bóng đèn được tính toán chính xác cho từng bộ tụ: nhóm ĐL I dùng 9 bóng (mỗi pha 3 bóng); nhóm ĐL II dùng 9 bóng (mỗi pha 3 bóng); nhóm ĐL III dùng 30 bóng (mỗi pha 10 bóng); nhóm ĐL V dùng 9 bóng (mỗi pha 3 bóng); nhóm ĐL VI do đặt 2 bộ tụ bù nên dùng 114 bóng (57 bóng $\times 2$, mỗi pha 19 bóng).
Kết luận
Đồ án môn học "Thiết kế cấp điện cho phân xưởng cơ khí" của nhóm sinh viên Trường Đại học Thành Đô là một công trình tính toán kỹ thuật hoàn chỉnh, thể hiện đầy đủ các bước thiết kế hệ thống cung cấp điện hạ thế từ khâu thống kê phụ tải, lựa chọn cấu hình trạm biến áp $22/0,4\text{ kV}$ đến phân phối mạng điện hình tia và tính chọn khí cụ đóng cắt bảo vệ. Việc giải quyết bài toán so sánh tổn hao kỹ thuật của máy biến áp kết hợp thiết kế hệ thống bù phân tán công suất phản kháng đã giúp nâng hệ số công suất xưởng lên 0,95, bảo đảm tối ưu hóa vận hành kinh tế và an toàn lưới điện. Tài liệu cung cấp cơ sở dữ liệu tính toán và tra cứu kỹ thuật chuẩn xác, có giá trị ứng dụng cao cho sinh viên ngành kỹ thuật điện và kỹ sư thiết kế mạng điện xí nghiệp công nghiệp.
