Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong nền kinh tế quốc dân, điện năng giữ vai trò nền tảng cho sự vận hành của toàn bộ các ngành sản xuất. Theo số liệu thống kê được tác giả nêu trong văn bản, khoảng 70% tổng sản lượng điện năng sản xuất ra được tiêu thụ tại các xí nghiệp, nhà máy công nghiệp. Đảm bảo cấp điện an toàn, liên tục và kinh tế cho khu vực này là điều kiện then chốt để duy trì tăng trưởng kinh tế, đồng thời nâng cao hiệu quả khai thác công suất của các nhà máy phát điện.
Đề tài tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống cung cấp điện cho nhà máy chế tạo máy kéo" do sinh viên Lưu Xuân Bắc thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Đoàn Phong tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng (ngành Điện Tự động công nghiệp, năm 2016). Nhà máy sản xuất máy kéo giữ vai trò cung cấp công cụ, phụ tùng cho nông nghiệp, công nghiệp và giao thông vận tải. Quy trình công nghệ tập trung vào sản xuất, sửa chữa các chi tiết cơ khí và thiết bị máy kéo. Khi xảy ra sự cố gián đoạn cung cấp điện, quy trình dây chuyền bị đình trệ, gây lãng phí nhân công, hư hỏng sản phẩm và tổn hại kinh tế; do đó nhà máy được xếp vào hộ tiêu thụ điện loại I.
Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đề tài bao gồm 7 nội dung chính:
- Nghiên cứu tổng quan về nhà máy, phân tích quy trình công nghệ, phân loại hộ tiêu thụ và xác định các yêu cầu kỹ thuật cấp điện.
- Xác định phụ tải tính toán động lực và chiếu sáng cho từng phân xưởng và toàn bộ nhà máy; xác định tâm phụ tải và lập biểu đồ phụ tải.
- Thiết kế mạng cao áp cho nhà máy: lựa chọn cấp điện áp nguồn, xây dựng các phương án cung cấp điện, so sánh kinh tế - kỹ thuật để lựa chọn phương án tối ưu, lựa chọn số lượng và dung lượng trạm biến áp.
- Thiết kế chi tiết mạng điện hạ áp cho phân xưởng sửa chữa cơ khí: lựa chọn cáp, áptômát, tủ phân phối, tủ động lực và tính toán dòng điện ngắn mạch kiểm tra thiết bị.
- Thiết kế hệ thống chiếu sáng chung cho nhà máy.
- Tính toán bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất cho hệ thống.
- Thiết kế kết cấu trạm biến áp phân xưởng và tính toán hệ thống nối đất an toàn.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống mạng lưới phân phối điện trung áp, trạm biến áp phân xưởng, mạng điện hạ áp động lực và mạng điện chiếu sáng phục vụ nhà máy chế tạo máy kéo.
- Phạm vi không gian: Mặt bằng quy hoạch gồm 12 phân xưởng/khu vực chức năng của nhà máy sản xuất máy kéo, nhận nguồn điện truyền tải từ trạm biến áp trung gian khu vực cách nhà máy 15 km.
- Phạm vi kỹ thuật và thời gian: Chế độ làm việc dài hạn ở tần số công nghiệp 50 Hz, điện áp hạ áp 380/220 V; độ lệch điện áp lưới trung áp và hạ áp cho phép dao động trong phạm vi ±5% điện áp định mức.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý kỹ thuật cung cấp điện công nghiệp, lý thuyết về phụ tải tính toán (phụ tải giả thiết lâu dài không đổi, tương đương với phụ tải thực tế biến đổi về mặt phát nhiệt và mức độ hủy hoại cách điện), quy chuẩn độ tin cậy cung cấp điện theo phân loại hộ phụ tải (loại I, II, III) và tiêu chuẩn an toàn điện.
Các phương pháp tính toán và thiết kế cụ thể được sử dụng gồm:
- Phương pháp xác định phụ tải tính toán theo công suất đặt ($P_{\text{đặt}}$) và hệ số nhu cầu ($k_{\text{nc}}$): Áp dụng cho các phân xưởng chưa có bố trí chi tiết máy móc trên mặt bằng. Công suất động lực tính theo $P_{\text{đl}} = k_{\text{nc}} \cdot P_{\text{đặt}}$, $Q_{\text{đl}} = P_{\text{đl}} \cdot \tan\varphi$; phụ tải chiếu sáng tính theo suất chiếu sáng trên đơn vị diện tích $P_{\text{cs}} = p_0 \cdot F$.
- Phương pháp xác định phụ tải tính toán theo công suất trung bình ($P_{\text{tb}}$) và hệ số cực đại ($k_{\text{max}}$): Áp dụng cho phân xưởng đã có thiết kế bố trí công nghệ chi tiết (phân xưởng sửa chữa cơ khí). Phương pháp sử dụng công thức $P_{\text{tt}} = k_{\text{max}} \cdot k_{\text{sd}} \cdot \sum P_{\text{đm}}$, xác định số thiết bị dùng điện hiệu quả ($n_{\text{hq}}$) thông qua tỉ số số lượng ($n^$) và tỉ số công suất ($P^$), tra bảng hệ số $k_{\text{max}}$ theo $k_{\text{sd}}$ và $n_{\text{hq}}$.
- Phương pháp quy đổi công suất thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại: Áp dụng cho máy biến áp hàn một pha theo hệ số đóng điện phần trăm $k_{\text{d}}% = 25%$, quy đổi về chế độ dài hạn $P_{\text{đm}} = 2{,}2 \cdot \sqrt{0{,}25} = 3{,}3\text{ kW}$ (có xét đến tính chất phụ tải 1 pha).
- Phương pháp mômen xác định tâm phụ tải điện: Xác định tọa độ trọng tâm phụ tải $(x_0, y_0)$ nhằm tối thiểu hóa mômen phụ tải $\sum (S_i \cdot l_i) \to \min$, giúp giảm chiều dài đường dây, tiết kiệm chi phí kim loại màu và giảm tổn thất điện áp.
- Công thức kinh nghiệm xác định cấp điện áp truyền tải tối ưu: Sử dụng công thức $U = 4{,}34 \cdot \sqrt{L + 16 \cdot P}$ với $L$ tính bằng km và $P$ tính bằng MW.
- Phương pháp kiểm tra điều kiện vận hành sự cố máy biến áp: Kiểm tra theo hệ số quá tải sự cố cho phép $k_{\text{qt}} = 1{,}4$ (vận hành quá tải không quá 5 ngày đêm, mỗi ngày không quá 6 giờ với hệ số tải trước đó $\le 0{,}75$), hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ $k_{\text{hc}} = 1$ cho máy biến áp chế tạo tại Việt Nam (Nhà máy Thiết bị điện Đông Anh).
Nguồn dữ liệu đầu vào bao gồm: Sơ đồ mặt bằng nhà máy, bảng danh mục công suất đặt và diện tích 12 phân xưởng, danh mục thông số kỹ thuật của 50 thiết bị trong phân xưởng sửa chữa cơ khí, cùng các bảng tra cứu hệ số kỹ thuật ($k_{\text{nc}}$, $k_{\text{sd}}$, $\cos\varphi$, $p_0$, $k_{\text{max}}$) từ sổ tay thiết kế cung cấp điện.
Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật
Đồ án triển khai thiết kế hệ thống kỹ thuật cung cấp điện qua các khâu tính toán giải tích và lựa chọn thiết bị:
- Cấp điện áp truyền tải: Từ khoảng cách nguồn $L = 15\text{ km}$ và công suất tính toán toàn nhà máy $P = 8452{,}44\text{ kW}$, cấp điện áp kinh tế được xác định qua công thức giải tích đạt giá trị tính toán $52{,}30\text{ kV}$. Tác giả lựa chọn cấp điện áp tiêu chuẩn thực tế của lưới điện khu vực là $35\text{ kV}$ để cấp điện từ trạm biến áp trung gian về nhà máy.
- Xác định tâm phụ tải và mặt bằng cấp điện: Tọa độ tâm phụ tải toàn nhà máy được tính toán tại điểm $M (x_0 = 52{,}87\text{ mm}; y_0 = 46{,}52\text{ mm})$ trên hệ trục tọa độ mặt bằng nhà máy, làm căn cứ bố trí tối ưu vị trí các trạm biến áp phân xưởng. Biểu đồ phụ tải được xây dựng theo tỷ lệ xích diện tích $m = 6\text{ kVA/mm}^2$.
- Phân nhóm phụ tải hạ áp phân xưởng sửa chữa cơ khí: 50 thiết bị của phân xưởng (diện tích $819\text{ m}^2$) được phân chia thành 6 nhóm phụ tải động lực theo nguyên tắc bố trí gần nhau trên mặt bằng, tương đồng về chế độ công nghệ và cân bằng công suất giữa các tủ động lực:
- Nhóm 1 (Bộ phận rèn): 8 thiết bị, tổng công suất đặt $63{,}20\text{ kW}$.
- Nhóm 2 (Bộ phận rèn): 7 thiết bị, tổng công suất đặt $73{,}80\text{ kW}$.
- Nhóm 3 (Bộ phận nhiệt luyện): 7 thiết bị, tổng công suất đặt $131{,}00\text{ kW}$.
- Nhóm 4 (Bộ phận nhiệt luyện): 5 thiết bị, tổng công suất đặt $122{,}15\text{ kW}$.
- Nhóm 5 (Thiết bị cao tần & đo bi): 2 thiết bị công suất lớn, tổng công suất đặt $103{,}00\text{ kW}$.
- Nhóm 6 (Bộ phận mộc và quạt gió): 9 thiết bị, tổng công suất đặt $109{,}30\text{ kW}$.
- Cấu hình trạm biến áp và mạng phân phối hạ áp: Do tính chất hộ loại I, các trạm biến áp phân xưởng chính được thiết kế đặt 2 máy biến áp, cho phép sa thải 30% phụ tải loại III khi xảy ra sự cố 1 máy ($S_{\text{sc}} = 0{,}7 \cdot S_{\text{tt}}$). Lựa chọn cáp hạ áp, áptômát tổng, tủ phân phối (TPP), tủ động lực (TĐL) và tính toán kiểm tra ngắn mạch hạ áp đảm bảo độ ổn định nhiệt và lực điện động.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Giới thiệu chung về nhà máy
Chương này mô tả loại ngành nghề sản xuất, sửa chữa phụ tùng cơ khí cho máy kéo, đánh giá mức độ tin cậy và xếp hạng nhà máy vào hộ tiêu thụ loại I. Quy mô nhà máy bao gồm 12 phân xưởng/hạng mục được bố trí trên mặt bằng tổng thể:
- Khu nhà ban quản lý và xưởng thiết kế ($200\text{ kW}$).
- Phân xưởng đúc ($1500\text{ kW}$).
- Phân xưởng gia công cơ khí ($3600\text{ kW}$).
- Phân xưởng cơ lắp ráp ($3200\text{ kW}$).
- Phân xưởng luyện kim màu ($1800\text{ kW}$).
- Phân xưởng luyện kim đen ($2500\text{ kW}$).
- Phân xưởng sửa chữa cơ khí (xác định theo tính toán chi tiết).
- Phân xưởng rèn dập ($2100\text{ kW}$).
- Phân xưởng nhiệt luyện ($3500\text{ kW}$).
- Bộ phận nén khí ($1700\text{ kW}$).
- Trạm bơm ($800\text{ kW}$).
- Kho vật liệu ($60\text{ kW}$).
Văn bản đưa ra danh mục chi tiết 50 thiết bị của phân xưởng sửa chữa cơ khí (công suất từ $0{,}25\text{ kW}$ đến $90\text{ kW}$) và thiết lập các yêu cầu kỹ thuật vận hành: tần số $50\text{ Hz}$, cấp điện áp hạ áp $380/220\text{ V}$, độ dao động điện áp lưới trong giới hạn $\pm 5%$.
Chương 2: Xác định phụ tải tính toán
Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết hai phương pháp xác định phụ tải và tiến hành tính toán cho toàn bộ nhà máy:
- Phân xưởng sửa chữa cơ khí: Tính toán chi tiết cho 6 nhóm máy với $k_{\text{sd}} = 0{,}15$, $\cos\varphi = 0{,}6$. Kết quả tổng hợp 6 nhóm đạt công suất tính toán tác dụng động lực $\sum P_{\text{tti}} = 318{,}35\text{ kW}$, phản kháng $\sum Q_{\text{tti}} = 422{,}55\text{ kVAr}$. Với hệ số đồng thời nội bộ $k_{\text{đt}} = 0{,}85$ và phụ tải chiếu sáng $P_{\text{cs}} = 11{,}47\text{ kW}$ ($p_0 = 14\text{ W/m}^2$, diện tích $819\text{ m}^2$), toàn phân xưởng có: $P_{\text{tt}} = 282{,}07\text{ kW}$, $Q_{\text{tt}} = 359{,}17\text{ kVAr}$, $S_{\text{tt}} = 456{,}69\text{ kVA}$, dòng điện tính toán $I_{\text{tt}} = 693{,}87\text{ A}$, hệ số công suất $\cos\varphi_{\text{tt}} = 0{,}62$.
- Tính toán cho 11 phân xưởng còn lại bằng phương pháp $k_{\text{nc}}$ và $p_0$, tổng hợp toàn bộ các phân xưởng có $\sum P_{\text{tt}} = 9944{,}05\text{ kW}$ và $\sum Q_{\text{tt}} = 8961{,}24\text{ kVAr}$.
- Phụ tải toàn nhà máy (áp dụng hệ số đồng thời $k_{\text{đt}} = 0{,}85$ cho 10 phân xưởng sản xuất chính):
- Công suất tác dụng tính toán: $P_{\text{ttNM}} = 8452{,}44\text{ kW}$.
- Công suất phản kháng tính toán: $Q_{\text{ttNM}} = 7617{,}05\text{ kVAr}$.
- Công suất toàn phần tính toán: $S_{\text{ttNM}} = 11378{,}19\text{ kVA}$.
- Hệ số công suất tính toán toàn nhà máy: $\cos\varphi_{\text{ttNM}} = 0{,}74$.
- Xác định tâm phụ tải toàn nhà máy tại tọa độ $M (52{,}87; 46{,}52)\text{ mm}$ và lập bảng thông số bán kính biểu đồ phụ tải $R_i$, góc quạt chiếu sáng $\alpha_{\text{cs}}$ cho từng phân xưởng.
| Nhóm |
Số thiết bị |
$P_{\text{đm}}$ (kW) |
$n_{\text{hq}}$ |
$k_{\text{max}}$ |
$P_{\text{tt}}$ (kW) |
$Q_{\text{tt}}$ (kVAr) |
$S_{\text{tt}}$ (kVA) |
$I_{\text{tt}}$ (A) |
| Nhóm 1 |
8 |
63,20 |
4 |
3,11 |
29,48 |
39,21 |
49,06 |
74,54 |
| Nhóm 2 |
7 |
73,80 |
5 |
2,87 |
31,80 |
41,63 |
52,08 |
79,13 |
| Nhóm 3 |
7 |
131,00 |
5 |
2,87 |
56,40 |
75,01 |
93,84 |
142,58 |
| Nhóm 4 |
5 |
122,15 |
4 |
3,22 |
56,98 |
75,59 |
94,82 |
144,06 |
| Nhóm 5 |
2 |
103,00 |
2 |
- |
103,00 |
123,30 |
154,25 |
234,36 |
| Nhóm 6 |
9 |
109,30 |
4 |
3,11 |
50,99 |
67,81 |
84,84 |
128,91 |
Chương 3: Thiết kế mạng cao áp cho nhà máy
Chương này giải quyết bài toán lựa chọn cấp điện áp nguồn và cấu trúc mạng cao áp:
- Tính chọn điện áp truyền tải theo công thức Still/công thức kinh nghiệm cho kết quả $52{,}30\text{ kV}$, từ đó lựa chọn cấp điện áp vận hành thực tế $35\text{ kV}$.
- Đề xuất các phương án đi dây và bố trí trạm biến áp phân xưởng dựa trên tâm phụ tải. Thiết lập nguyên tắc chọn máy biến áp: trạm cấp điện cho hộ loại I đặt 2 máy biến áp, kiểm tra theo điều kiện quá tải sự cố $k_{\text{qt}} = 1{,}4$, không cần hiệu chỉnh nhiệt độ ($k_{\text{hc}} = 1$) do sử dụng máy biến áp Đông Anh. Khi sự cố 1 máy, hệ thống cho phép sa thải 30% phụ tải loại III ($S_{\text{sc}} = 0{,}7 \cdot S_{\text{tt}}$).
- So sánh các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật (vốn đầu tư, tổn thất công suất, chi phí vận hành hàng năm) giữa các phương án và xây dựng sơ đồ nối dây chi tiết mạng cao áp $35\text{ kV}$.
Chương 4: Thiết kế mạng điện hạ áp phân xưởng sửa chữa cơ khí
Nội dung chương tập trung thiết kế mạng phân phối động lực hạ áp:
- Lựa chọn cáp tổng hạ áp và áptômát tổng bảo vệ cho trạm biến áp cấp nguồn cho phân xưởng (TBA B4).
- Tính chọn tiết diện cáp dẫn và áptômát đầu nguồn từ TBA B4 về tủ phân phối chính (TPP).
- Lựa chọn thiết bị đóng cắt, thanh cái và khí cụ bảo vệ trong tủ phân phối (TPP) và các tủ động lực (TĐL).
- Tính toán dòng điện ngắn mạch hạ áp tại các điểm xung yếu trên lưới để kiểm tra độ bền điện động, độ bền nhiệt của cáp điện và khả năng cắt của áptômát.
- Lựa chọn chủng loại dây dẫn, cáp điện cấp nguồn trực tiếp từ tủ động lực đến từng động cơ và máy công cụ.
Chương 5: Thiết kế hệ thống chiếu sáng chung
Chương này thực hiện thiết kế mạng chiếu sáng cho toàn bộ các phân xưởng và khu vực làm việc:
- Phân tích yêu cầu thị giác và tính chất công việc tại từng phân xưởng để lựa chọn nguồn sáng phù hợp (đèn sợi đốt có $\cos\varphi = 1$ cho các phân xưởng sản xuất cơ khí, luyện kim; đèn huỳnh quang có $\cos\varphi = 0{,}8$ cho khu nhà ban quản lý và xưởng thiết kế).
- Tính toán xác định số lượng bóng đèn, công suất từng bộ đèn theo phương pháp hệ số sử dụng hoặc suất phụ tải chiếu sáng nhằm đảm bảo độ rọi tiêu chuẩn trên bề mặt làm việc.
- Thiết kế sơ đồ mạng điện chiếu sáng chung, phân chia pha cân bằng tải và lựa chọn thiết bị đóng cắt bảo vệ mạng chiếu sáng.
Chương 6: Tính toán bù công suất phản kháng
Chương 6 giải quyết bài toán nâng cao hiệu quả truyền tải và chất lượng điện năng:
- Đánh giá hệ số công suất tự nhiên của toàn nhà máy ($\cos\varphi_{\text{ttNM}} = 0{,}74$), chưa đạt tiêu chuẩn quy định của ngành điện lực.
- Lựa chọn loại thiết bị bù (tụ điện tĩnh hạ áp) và xác định vị trí đặt tụ bù tối ưu (bù tập trung tại thanh cái hạ áp của các trạm biến áp hoặc bù phân tán tại các tủ phân phối).
- Tính toán tổng dung lượng bù cần thiết để nâng hệ số công suất toàn nhà máy lên giá trị yêu cầu, đồng thời phân bố dung lượng bù hợp lý cho từng trạm biến áp nhằm giảm tổn thất công suất và tổn thất điện áp trên đường dây.
Chương 7: Thiết kế trạm biến áp phân xưởng
Chương cuối cùng hoàn thiện giải pháp xây dựng trạm biến áp:
- Giới thiệu tổng quan cấu trúc và vị trí lắp đặt trạm biến áp phân xưởng gần tâm phụ tải.
- Lựa chọn các phần tử trong sơ đồ cấp điện: dao cách ly, cầu chì tự rơi/máy cắt phía cao áp $35\text{ kV}$, máy biến dòng (BI), máy biến điện áp (BU), thiết bị đo lường và áptômát phía hạ áp $0{,}4\text{ kV}$.
- Xác định kết cấu xây dựng của trạm biến áp (kích thước buồng máy, khoảng cách an toàn điện, bố trí thông gió làm mát).
- Tính toán hệ thống tiếp địa an toàn và tiếp địa làm việc: xác định số lượng cọc tiếp địa, chiều dài thanh liên kết, điện trở tản của hệ thống nối đất đảm bảo đạt trị số điện trở nối đất cho phép theo quy phạm an toàn điện ($R_{\text{đ}} \le 4\ \Omega$).
Kết quả và đóng góp
Đồ án hoàn thành trọn vẹn quy trình tính toán và thiết kế kỹ thuật cho toàn bộ hệ thống cấp điện của nhà máy chế tạo máy kéo với các kết quả định lượng cụ thể:
| Hạng mục / Phân xưởng |
Diện tích ($m^2$) |
$P_{\text{đặt}}$ (kW) |
$P_{\text{tt}}$ (kW) |
$Q_{\text{tt}}$ (kVAr) |
$S_{\text{tt}}$ (kVA) |
$I_{\text{tt}}$ (A) |
$\cos\varphi_{\text{tt}}$ |
| Khu BQL & Xưởng thiết kế |
1560 |
200 |
171,20 |
128,40 |
214,00 |
325,14 |
0,80 |
| PX Đúc |
2800 |
1500 |
939,20 |
675,00 |
1156,60 |
1757,27 |
0,81 |
| PX Gia công cơ khí |
4250 |
3600 |
1139,50 |
1101,60 |
1584,92 |
2408,04 |
0,72 |
| PX Cơ lắp ráp |
3780 |
3200 |
1012,92 |
1276,80 |
1629,79 |
2476,21 |
0,62 |
| PX Luyện kim màu |
3400 |
1800 |
1131,00 |
1101,60 |
1578,82 |
2398,77 |
0,72 |
| PX Luyện kim đen |
2570 |
2500 |
1538,55 |
1125,00 |
1905,98 |
2895,84 |
0,81 |
| PX Sửa chữa cơ khí |
819 |
- |
282,07 |
359,17 |
456,69 |
693,87 |
0,62 |
| PX Rèn dập |
2900 |
2100 |
1093,50 |
1396,50 |
1773,68 |
2694,83 |
0,62 |
| PX Nhiệt luyện |
1820 |
3500 |
1425,48 |
1050,00 |
1770,45 |
2689,92 |
0,81 |
| Bộ phận nén khí |
2260 |
1700 |
1051,64 |
765,00 |
1300,45 |
1975,83 |
0,81 |
| Trạm bơm |
730 |
800 |
250,22 |
180,00 |
308,24 |
468,32 |
0,81 |
| Kho vật liệu |
3540 |
60 |
77,40 |
31,50 |
83,56 |
126,96 |
0,93 |
| Toàn bộ nhà máy ($k_{\text{đt}} = 0{,}85$) |
- |
- |
8452,44 |
7617,05 |
11378,19 |
- |
0,74 |
Các giải pháp kỹ thuật do tác giả đề xuất:
- Xác lập cấp điện áp $35\text{ kV}$ cho tuyến đường dây truyền tải dài $15\text{ km}$ nối từ trạm biến áp trung gian về nhà máy, đảm bảo dung lượng tải $11378{,}19\text{ kVA}$.
- Đề xuất giải pháp phân nhóm phụ tải khoa học cho phân xưởng sửa chữa cơ khí gồm 6 nhóm, giúp cân đối công suất tủ động lực và hạn chế sụt áp trên mạng hạ áp.
- Sử dụng máy biến áp do Nhà máy Thiết bị điện Đông Anh sản xuất trong nước, phù hợp điều kiện khí hậu nóng ẩm tại Việt Nam mà không phải suy giảm công suất do nhiệt độ môi trường ($k_{\text{hc}} = 1$).
- Đề xuất cấu hình vận hành trạm biến áp cho hộ loại I: đặt 2 máy biến áp hoạt động song song hoặc dự phòng, kết hợp phương án sa thải tải loại III ($30%$) khi có sự cố đơn máy.
- Bù công suất phản kháng nhằm nâng hệ số công suất từ mức tự nhiên $\cos\varphi = 0{,}74$ lên mức tiêu chuẩn, giảm tổn thất công suất tác dụng và điện áp.
Đóng góp của đồ án:
Đề tài cung cấp bộ hồ sơ tính toán thiết kế đồng bộ, liên tục từ cấp điện áp truyền tải trung áp $35\text{ kV}$, trạm biến áp phân xưởng, mạng phân phối động lực hạ áp chi tiết, mạng chiếu sáng, đến hệ thống bù phản kháng và nối đất an toàn theo đúng các quy phạm kỹ thuật điện công nghiệp.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế:
- Đồ án chỉ tiến hành thiết kế chi tiết mạng điện hạ áp (đến từng máy công cụ, tủ động lực, dây dẫn và thiết bị bảo vệ) cho 01 phân xưởng duy nhất là Phân xưởng sửa chữa cơ khí (phân xưởng số 7).
- Đối với 11 phân xưởng và khu vực chức năng còn lại, do chưa có bản vẽ mặt bằng bố trí chi tiết công nghệ của từng máy móc, việc tính toán phụ tải mới dừng lại ở phương pháp gần đúng (dựa vào công suất đặt $P_{\text{đặt}}$, hệ số nhu cầu $k_{\text{nc}}$ và suất chiếu sáng $p_0$).
Hướng nghiên cứu mở rộng:
- Mở rộng khảo sát và lập thiết kế chi tiết mạng hạ áp cho các phân xưởng có tỷ trọng phụ tải lớn như Phân xưởng gia công cơ khí ($3600\text{ kW}$), Phân xưởng nhiệt luyện ($3500\text{ kW}$) và Phân xưởng luyện kim đen ($2500\text{ kW}$).
- Áp dụng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng ngành điện để kiểm chứng lại các kết quả tính toán giải tích dòng ngắn mạch, phân bố trào lưu công suất và thiết kế chiếu sáng không gian 3D.
- Nghiên cứu tích hợp hệ thống giám sát năng lượng và tự động hóa điều khiển trạm biến áp phân xưởng (SCADA/EMS) nhằm tối ưu hóa chi phí vận hành điện năng.
Giá trị tham khảo
Tài liệu đồ án này có giá trị tham khảo thiết thực cho:
- Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện, Điện Tự động công nghiệp, Hệ thống điện trong quá trình làm đồ án môn học Cung cấp điện và đồ án tốt nghiệp đại học.
- Kỹ sư thiết kế điện công nghiệp tham khảo phương pháp luận, các bước tuần tự và các công thức giải tích chuẩn mực khi thiết kế hệ thống cấp điện cho một xí nghiệp công nghiệp nặng.
Các nội dung có giá trị tham khảo cao nhất trong đồ án gồm:
- Quy trình phân nhóm phụ tải và các bước xác định số thiết bị dùng điện hiệu quả ($n_{\text{hq}}$) qua tỷ số số lượng ($n^$) và tỷ số công suất ($P^$) để tra bảng hệ số cực đại $k_{\text{max}}$.
- Phương pháp tính toán quy đổi công suất thiết bị một pha làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại (máy biến áp hàn) về chế độ dài hạn.
- Bộ thông số tính toán phụ tải đầy đủ của 12 phân xưởng công nghiệp và thuật toán xác định tọa độ tâm phụ tải điện phục vụ bố trí trạm biến áp.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao nhà máy sản xuất máy kéo lại được xếp vào hộ tiêu thụ điện loại I?
Theo phân tích quy trình công nghệ của tác giả ở Chương 1, nhà máy chế tạo máy kéo giữ vị trí quan trọng trong nền kinh tế. Khi xảy ra sự cố ngừng cung cấp điện, dây chuyền sản xuất bị đình trệ đột ngột, gây lãng phí lao động, hư hỏng sản phẩm gia công và gây thiệt hại kinh tế lớn. Do đó, nhà máy được xếp vào hộ loại I, đòi hỏi hệ thống điện phải có nguồn dự phòng, các trạm biến áp chính phải đặt 2 máy biến áp để đảm bảo độ tin cậy cấp điện liên tục cao nhất.
2. Cấp điện áp truyền tải nào được lựa chọn để cấp điện cho nhà máy và dựa trên căn cứ nào?
Cấp điện áp được lựa chọn là $35\text{ kV}$. Căn cứ lựa chọn dựa trên khoảng cách truyền tải từ trạm biến áp trung gian về nhà máy là $L = 15\text{ km}$ và công suất tác dụng tính toán toàn nhà máy là $P = 8452{,}44\text{ kW}$ ($8{,}452\text{ MW}$). Áp dụng công thức kinh nghiệm:
$$U = 4{,}34 \cdot \sqrt{L + 16 \cdot P} = 4{,}34 \cdot \sqrt{15 + 16 \cdot 8{,}452} = 52{,}30\text{ kV}$$
Từ giá trị giải tích $52{,}30\text{ kV}$, tác giả lựa chọn cấp điện áp tiêu chuẩn thực tế sẵn có của lưới điện khu vực là $35\text{ kV}$.
3. Phụ tải tính toán toàn phần và hệ số công suất tự nhiên của toàn nhà máy là bao nhiêu?
Sau khi tính toán phụ tải cho từng phân xưởng và áp dụng hệ số đồng thời $k_{\text{đt}} = 0{,}85$ cho toàn bộ nhà máy, các giá trị phụ tải tổng hợp thu được gồm:
- Công suất tác dụng tính toán: $P_{\text{ttNM}} = 8452{,}44\text{ kW}$.
- Công suất phản kháng tính toán: $Q_{\text{ttNM}} = 7617{,}05\text{ kVAr}$.
- Công suất toàn phần tính toán: $S_{\text{ttNM}} = 11378{,}19\text{ kVA}$.
- Hệ số công suất tự nhiên: $\cos\varphi_{\text{ttNM}} = 0{,}74$.
4. Phương pháp xác định phụ tải tính toán của Phân xưởng sửa chữa cơ khí khác với các phân xưởng còn lại như thế nào?
- Phân xưởng sửa chữa cơ khí đã có thiết kế mặt bằng công nghệ và danh mục công suất cụ thể của 50 thiết bị, nên được tính toán theo phương pháp công suất trung bình và hệ số cực đại ($P_{\text{tb}}$ và $k_{\text{max}}$). Phương pháp này chia các thiết bị thành 6 nhóm, xác định hệ số sử dụng $k_{\text{sd}} = 0{,}15$, tính số thiết bị hiệu quả $n_{\text{hq}}$ để tra $k_{\text{max}}$.
- 11 phân xưởng còn lại mới chỉ có số liệu công suất đặt và diện tích nhà xưởng, nên bắt buộc phải tính theo phương pháp công suất đặt và hệ số nhu cầu ($P_{\text{đặt}}$ và $k_{\text{nc}}$) kết hợp suất phụ tải chiếu sáng trên một đơn vị diện tích ($p_0$).
5. Thiết bị máy biến áp hàn trong phân xưởng sửa chữa cơ khí được xử lý tính toán như thế nào?
Máy biến áp hàn là thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại và dùng điện một pha. Để xác định phụ tải tính toán chính xác, công suất của máy biến áp hàn phải được quy đổi về công suất định mức ở chế độ dài hạn theo hệ số tiếp điện phần trăm $k_{\text{d}}% = 25%$ qua công thức:
$$P_{\text{đm}} = P \cdot \sqrt{k_{\text{d}}%} = 2{,}2 \cdot \sqrt{0{,}25} = 1{,}1\text{ kW (sau đó nhân hệ số quy đổi 1 pha thành 3{,}3 kW)}$$
Giá trị $3{,}3\text{ kW}$ này sau đó mới được đưa vào bảng phân nhóm phụ tải để tính toán số thiết bị hiệu quả $n_{\text{hq}}$ và công suất của nhóm.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Lưu Xuân Bắc đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế cung cấp điện cho nhà máy chế tạo máy kéo có quy mô công suất tính toán $11378{,}19\text{ kVA}$ từ nguồn điện trung áp $35\text{ kV}$. Tác giả đã kết hợp linh hoạt hai phương pháp tính toán phụ tải theo hệ số nhu cầu và hệ số cực đại, xác định chính xác tâm phụ tải và cấu hình mạng điện cao - hạ áp cho các phân xưởng sản xuất. Các giải pháp kỹ thuật về bù công suất phản kháng, lựa chọn máy biến áp phân xưởng hai máy có xét đến quá tải sự cố và hệ thống tiếp địa an toàn đều tuân thủ chặt chẽ các tiêu chuẩn quy phạm ngành điện. Đây là công trình kỹ thuật có phương pháp luận rõ ràng, số liệu tính toán chi tiết và mang giá trị tham khảo học thuật cao trong lĩnh vực thiết kế cung cấp điện công nghiệp.
