Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình phát triển kinh tế - xã hội, hiện đại hóa đô thị và hội nhập quốc tế, nhu cầu tiêu thụ điện năng tại các khu vực dân cư, thương mại và dịch vụ gia tăng nhanh chóng. Đối với các công trình kiến trúc nhiều tầng kết hợp đa chức năng như văn phòng cho thuê, siêu thị và trung tâm hội nghị, hệ thống cung cấp điện đóng vai trò huyết mạch trong việc duy trì hoạt động liên tục của toàn bộ trang thiết bị kỹ thuật. Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cung cấp điện cho tòa nhà 7 tầng" được sinh viên Lê Quang Minh thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Đoàn Phong tại Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng (ngành Điện Tự động Công nghiệp, năm 2021) nhằm giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật cung cấp điện hoàn chỉnh cho một công trình cao tầng cụ thể.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu, tính toán được xác định trong văn bản bao gồm:

  1. Khảo sát công năng kiến trúc và mặt bằng của tòa nhà 7 tầng, phân loại các nhóm phụ tải tiêu thụ điện theo đặc thù không gian.
  2. Thống kê và tính toán phụ tải điện chi tiết cho từng hạng mục công năng: khu vực gara tầng hầm, siêu thị thương mại tầng 1, khối văn phòng làm việc từ tầng 2 đến tầng 5, khu phòng họp - hội thảo tầng 6, không gian dịch vụ tầng 7, cùng các phụ tải động lực (thang máy, trạm bơm nước sinh hoạt, trạm bơm phòng cháy chữa cháy).
  3. Xác định phụ tải tính toán tổng thể của toàn bộ công trình có xét đến hệ số sử dụng, hệ số đồng thời và dự phòng phát triển tải trong tương lai.
  4. Lựa chọn phương án cung cấp điện tối ưu; tính chọn số lượng, vị trí và dung lượng máy biến áp phân phối hạ áp từ lưới điện 22 kV (lộ 24 kV) xuống lưới hạ áp 0,4 kV; tính chọn công suất máy phát điện diesel dự phòng nhằm đảm bảo độ tin cậy cấp điện loại 1.
  5. Tính toán, kiểm tra và lựa chọn danh mục khí cụ điện đóng cắt, bảo vệ, đo lường phía cao áp 22 kV và hạ áp 0,4 kV; xác định tiết diện cáp dẫn điện, thanh cái dẫn điện và kiểm tra độ sụt áp của mạng phân phối.
  6. Thiết lập các giải pháp kỹ thuật mở rộng về mạng chiếu sáng và hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho công trình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cung cấp điện tổng thể bao gồm trạm biến áp, máy phát điện dự phòng, mạng phân phối động lực, mạng chiếu sáng và hệ thống chống sét cho tòa nhà cao tầng.
  • Phạm vi không gian: Tòa nhà văn phòng 7 tầng được xây dựng trên khu đất có diện tích mặt bằng 310 m², bao gồm 1 tầng hầm (gara 250 m², phòng kỹ thuật điện nước 20 m², phòng máy phát và trạm biến áp), tầng 1 bố trí siêu thị thương mại (310 m²), các tầng 2 đến 5 chia thành 7 phòng làm việc/tầng (16 m²/phòng), tầng 6 gồm 1 phòng hội nghị (120 m²) và 2 phòng họp (32 m²/phòng), tầng 7 gồm sảnh, kho và phòng kỹ thuật thang máy.
  • Phạm vi thời gian và kỹ thuật: Dữ liệu tính toán kỹ thuật hoàn thành năm 2021, căn cứ vào quy chuẩn thiết kế cung cấp điện công trình và thông số thiết bị công nghiệp sẵn có trên thị trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán

Để giải quyết bài toán thiết kế cung cấp điện cho công trình, đồ án đã vận dụng các khái niệm nền tảng trong kỹ thuật điện và lý thuyết tính toán phụ tải:

  • Phụ tải tính toán ($P_{tt}, Q_{tt}, S_{tt}$): Là phụ tải giả thiết lâu dài không đổi, tương đương với phụ tải thực tế biến đổi về mặt hiệu ứng nhiệt lớn nhất, dùng làm căn cứ chọn tiết diện dây dẫn, công suất máy biến áp và thiết bị đóng cắt.
  • Hệ số sử dụng ($K_{sd}$): Đại lượng phản ánh mức độ khai thác công suất của thiết bị hoặc nhóm thiết bị trong một chu kỳ khảo sát, biểu diễn bằng tỷ số giữa phụ tải tính toán trung bình với công suất định mức ($K_{sd} = P_{tb} / P_{đm}$).
  • Hệ số đồng thời ($K_{đt}$): Tỷ số giữa công suất tác dụng tính toán cực đại tại nút khảo sát với tổng công suất tác dụng cực đại của các phân nhóm tải nhánh. Giá trị $K_{đt}$ được xác định theo số lượng phần tử $n$ trong nhóm ($K_{đt} = 0,9 \div 0,95$ khi $n = 2 \div 4$; $K_{đt} = 0,8 \div 0,85$ khi $n = 5 \div 10$).
  • Tiêu chuẩn suất phụ tải trên đơn vị diện tích: Áp dụng suất chiếu sáng văn phòng $p_0 = 24\text{ W/m}²$, suất chiếu sáng siêu thị $p_0 = 20\text{ W/m}²$, suất ổ cắm văn phòng $p_0 = 110 \div 120\text{ W/m}²$, suất điều hòa không khí $p_0 = 700\text{ BTU/m}²$ đối với văn phòng/siêu thị và $p_0 = 800\text{ BTU/m}²$ đối với phòng hội thảo.
  • Bốn tiêu chí kỹ thuật vận hành: Độ tin cậy cung cấp điện (thuộc hộ phụ tải loại 1 đòi hỏi nguồn điện liên tục kết hợp máy phát dự phòng), chất lượng điện áp (độ lệch điện áp trung và hạ áp cho phép trong phạm vi $\pm 5%$), an toàn điện cho người và thiết bị, và tính hiệu quả kinh tế trong đầu tư.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán cụ thể gồm:

  • Phương pháp xác định phụ tải tính toán theo hệ số sử dụng $K_{sd}$ và hệ số đồng thời $K_{đt}$: Tiến hành tính toán ngược từ các phụ tải bậc thấp (thiết bị đơn lẻ) lên các nút bậc cao (tủ điện tầng, tủ điện phân phối chính hạ áp MBS, trạm biến áp) qua các công thức: $P_{tt} = K_{đt} \sum (K_{sd,i} \cdot P_{đm,i})$ $Q_{tt} = P_{tt} \cdot \tan\varphi$ $S_{tt} = \sqrt{P_{tt}^2 + Q_{tt}^2}$ $\cos\varphi_{tb} = \cos(\arctan(Q_{tt} / P_{tt}))$ Dòng điện tính toán: $I_b = I_{đm} \cdot K_{sd}$ và $I_{b(tổng)} = K_{đt} \cdot I_b$.
  • Phương pháp chọn cáp trung thế: 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 $T_{max} = 3000 \div 5000\text{ h}$) kết hợp kiểm tra điều kiện phát nóng.
  • Phương pháp chọn cáp và thanh cái hạ áp: Dựa trên dòng điện phát nóng cho phép lâu dài có xét các hệ số hiệu chỉnh môi trường lắp đặt ($I_{cp} \ge I_{lvmax} / K$, với $K = K_1 \cdot K_2 \cdot K_3$).
  • Phương pháp kiểm tra độ sụt áp ($\Delta U%$): Tính toán theo các thông số điện trở đơn vị $R_0$, điện kháng đơn vị $X_0$, chiều dài tuyến cáp $L$ và hệ số công suất tải: $\Delta U = \sqrt{3} \cdot I \cdot (R_0 \cos\varphi + X_0 \sin\varphi) \cdot L$ $\Delta U% = (\Delta U / U_đm) \cdot 100%$ (yêu cầu $\Delta U% < 5%$).
  • Nguồn dữ liệu: Bản vẽ mặt bằng kiến trúc tòa nhà 7 tầng; catalogue kỹ thuật của các nhà chế tạo (Đông Anh, Mitsubishi, Siemens, Merlin Gerin, Hyundai, Furukawa, Lens, Cadivi, Rạng Đông, Daikin); các bảng tra tiêu chuẩn cung cấp điện công nghiệp.

Thiết kế và triển khai hệ thống cung cấp điện

Hệ thống cung cấp điện của công trình được thiết kế theo kiến trúc trung tâm phân phối tích hợp nguồn dự phòng:

  • Sơ đồ cấu trúc mạng điện: Tuyến trung thế cấp điện từ lưới điện phân phối 22 kV hạ áp qua 01 máy biến áp đặt trong nhà tại tầng hầm xuống cấp điện áp hạ thế 0,4 kV (380/220 V). Từ phía hạ thế của máy biến áp, dòng điện được dẫn qua hệ thống thanh cái và cáp điện vào tủ phân phối hạ áp tổng (MBS). Tủ MBS cấp điện cho tủ điện phân phối trung gian và các tuyến cáp riêng biệt đi đến từng tủ điện phân phối tầng (TĐ-TH, TĐ-T1 đến TĐ-T7) cùng các tủ điện phụ tải động lực chuyên trách.
  • Cấu hình nguồn và thiết bị cao áp (22 kV):
    • Máy biến áp: 01 máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây do Công ty Thiết bị điện Đông Anh chế tạo, công suất định mức 400 kVA, cấp điện áp 22/0,4 kV, điện áp ngắn mạch $U_N% = 4%$, tổn hao không tải 450 W, tổn hao ngắn mạch 4200 W, dòng điện không tải 577,4 A, khối lượng 3310 kg.
    • Máy phát điện diesel dự phòng: 01 tổ máy phát Mitsubishi (Nhật Bản), công suất định mức 400 kVA, điện áp 380/220 V, tần số 50 Hz, $\cos\varphi = 0,8$, 3 pha 4 cực 4 dây, kích thước $1 \times 2,6 \times 2,8\text{ m}$, khối lượng 1530 kg, vận hành khi nguồn lưới 22 kV mất điện.
    • Cáp trung thế: Cáp đồng 3 lõi 24 kV, cách điện XLPE, bọc đai thép, vỏ ngoài PVC do hãng Furukawa chế tạo, tiết diện chọn tối thiểu $35\text{ mm}²$ ($I_{lvmax} = 14,2\text{ A}$, tiết diện tính theo mật độ kinh tế $F_{kt} = 4,58\text{ mm}²$).
    • Khí cụ đóng cắt và bảo vệ 22 kV: Dao cách ly 3DC của Siemens ($U_{lvmax} = 24\text{ kV}, I_{đm} = 630\text{ A}, I_{Nmax} = 40\text{ kA}$); Cầu chì cao áp 3GD1408-4B của Siemens ($U_{lvmax} = 24\text{ kV}, I_{đm} = 40\text{ A}, I_N = 31,5\text{ kA}$); Chống sét van AZLP501B24 của Cooper (Mỹ), điện áp định mức 24 kV; Thanh cái đồng cao áp $25 \times 3\text{ mm}²$ ($75\text{ mm}²$, $I_{cp} = 340\text{ A}$); Máy biến điện áp đo lường HK-220 (24 kV, cấp chính xác 0,5); Máy biến dòng điện 4MA74 của Siemens (24 kV, 50/5 A).
  • Cấu hình mạng hạ áp (0,4 kV):
    • Tuyến cáp từ máy biến áp vào tủ điện chính MBS: Dòng điện làm việc lớn nhất $I_{lvmax} = 780\text{ A}$. Sử dụng cáp đồng đơn 1 lõi bọc cách điện PVC của Lens, mỗi pha đi 2 sợi đơn tiết diện $240\text{ mm}²$ ($I_{cp} = 439\text{ A}$/sợi), dây trung tính gồm 2 sợi $240\text{ mm}²$, cấu hình ký hiệu $[(240\text{ mm}² \times 2) \times 3] + N(240\text{ mm}² \times 2)$. Chiều dài tuyến $L = 20\text{ m}$, độ sụt áp tính toán $\Delta U% = 0,87% < 5%$.
    • Tủ phân phối hạ áp tổng MBS: Áptômát tổng loại M32 do Merlin Gerin chế tạo, 4 cực, $I_{đm} = 800\text{ A}, U_{đm} = 690\text{ V}, I_N = 25\text{ kA}$; Biến dòng hạ áp TKM-05 (800/5 A, dung lượng 10 VA, cấp chính xác 0,5); Thanh cái hạ áp bằng đồng kích thước $50 \times 5\text{ mm}²$ ($250\text{ mm}²$, dòng cho phép $I_{cp} = 860\text{ A}$).
    • Các tuyến cáp nhánh phân phối chính từ MBS:
      • Tuyến cấp tủ điện tầng hầm (TĐ-TH): Áptômát Hyundai HiBE33 ($I_{đm} = 20\text{ A}$), cáp đồng Cadivi $3C \times 4\text{ mm}² + 1C \times 2,5\text{ mm}²$, $L = 25\text{ m}$, sụt áp $\Delta U% = 0,88%$.
      • Tuyến cấp tủ bơm nước sinh hoạt và nước thải (TĐ-BN): Áptômát Hyundai HiBE53 ($I_{đm} = 50\text{ A}$), cáp đồng Cadivi $3 \times 16\text{ mm}² + 1 \times 10\text{ mm}²$, $L = 25\text{ m}$, sụt áp $\Delta U% = 0,63%$.
      • Tuyến cấp tủ bơm chữa cháy (TĐ-BCC): Áptômát Hyundai HiBE63 ($I_{đm} = 60\text{ A}$), cáp đồng Cadivi $3 \times 16\text{ mm}² + 1 \times 10\text{ mm}²$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Xác định phụ tải tính toán cho tòa nhà 7 tầng

Chương này thực hiện thống kê mặt bằng, thiết lập công thức và xác định phụ tải tính toán chi tiết cho từng khu vực công năng cũng như toàn bộ công trình:

  • Tầng hầm: Gara ô tô (250 m²), phòng kỹ thuật (20 m²), phòng trạm biến áp và máy phát. Chiếu sáng gồm 7 bộ đèn LED tuýp $2 \times 36\text{ W}$ cho gara, 4 bóng tuýp $36\text{ W}$ cho phòng kỹ thuật và máy phát, 2 quạt thông gió 25 W; tổng công suất chiếu sáng 0,842 kW ($S_{tt} = 1,87\text{ kVA}$). Ổ cắm kỹ thuật bố trí 2 ổ đôi 1 kW ($S_{tt} = 2\text{ kVA}$). Điều hòa phòng kỹ thuật sử dụng 1 máy Daikin 18000 BTU 1 pha ($S_{tt} = 5,89\text{ kVA}$). Chiếu sáng sự cố và cầu thang gồm đèn LED âm trần, LED búp và đèn Exit ($S_{tt} = 1,36\text{ kVA}$). Tổng công suất tính toán tủ TĐ-TH sau khi áp dụng hệ số đồng thời $K_{đt} = 0,75$ được chọn là $S_{tt} = 12\text{ kVA}$.
  • Tầng 1 (Khu siêu thị 310 m²): Chiếu sáng tính theo suất $20\text{ W/m}²$ chọn 44 bộ đèn LED tuýp 4 bóng 36 W ($P_{đặt} = 6,34\text{ kW}$). Hệ thống ổ cắm bố trí 28 ổ (14 ổ 1 kW và 14 ổ 0,5 kW). Điều hòa không khí gồm 12 máy Daikin 18000 BTU 1 pha, tổng công suất $P_{ttĐH} = 63,6\text{ kW}$. Chiếu sáng thang và khu vệ sinh dùng 6 bóng 18 W (0,108 kW). Tổng công suất tầng 1 là 86,988 kW, dòng điện tính toán 165,2 A, công suất tính toán sau hệ số đồng thời $K_{đt} = 0,75$ là $S_{tt} = 65,241\text{ kVA}$ (chọn 66 kVA, trong bảng phụ tải toàn nhà lấy công suất đặt 65,3 kVA và công suất tính toán 48,9 kVA).
  • Tầng 2 đến tầng 5 (Khối văn phòng): Mỗi tầng gồm 7 phòng làm việc (16 m²/phòng). Mỗi phòng bố trí 6 bộ đèn LED tuýp $2 \times 36\text{ W}$ kết hợp 2 đèn WC 18 W ($P_{tt} = 0,468\text{ kW}$); 2 ổ cắm đôi 1 kW ($P_{đặt} = 2\text{ kW}, K_{đt} = 0,8 \Rightarrow P_{tt} = 1,6\text{ kW}$); 1 điều hòa Daikin 12000 BTU ($P_{tt} = 3,52\text{ kW}$). Chiếu sáng hành lang và sảnh mỗi tầng là 0,77 kW. Tổng công suất tính toán một tầng là 39,886 kW. Tổng công suất tính toán của cả 4 tầng (tủ TĐ-T2 đến TĐ-T5) lấy trong bảng tổng hợp là 157,5 kVA ($K_{đt} = 0,75$).
  • Tầng 6: Không gian hội thảo 120 m² sử dụng 20 bộ đèn LED tuýp $4 \times 36\text{ W}$ ($P_{tt} = 2,97\text{ kW}$), 14 ổ cắm đôi 1 kW ($P_{tt} = 11,2\text{ kW}$), 6 điều hòa âm trần Daikin 18000 BTU ($P_{tt} = 31,8\text{ kW}$). Hai phòng họp 32 m² mỗi phòng sử dụng 6 bộ đèn $4 \times 36\text{ W}$ ($P_{tt} = 0,864\text{ kW}$), 4 ổ cắm đôi 1 kW ($P_{tt} = 3,2\text{ kW}$), 2 điều hòa Daikin 12000 BTU ($P_{tt} = 11,16\text{ kW}$). Chiếu sáng hành lang 0,97 kW. Tổng công suất tính toán tầng 6 (tủ TĐ-T6) là 99,2 kVA ($K_{đt} = 1$).
  • Tầng 7: Bố trí chiếu sáng kho, phòng máy thang máy và sảnh bằng đèn tuýp LED, đèn ốp trần cùng 5 ổ cắm đôi 500 W; tổng công suất tính toán $P_{tt} = 2,8\text{ kW}$ ($S_{tt} = 2,8\text{ kVA}$).
  • Phụ tải trạm bơm và thang máy:
    • Tủ bơm nước sinh hoạt và nước thải (TĐ-BN): Gồm 2 máy bơm nước sinh hoạt 11 kW, 2 máy bơm tăng áp 4 kW, 2 máy bơm nước thải 1,5 kW. Tổng công suất biểu kiến tính toán sau hệ số $K_{đt} = 0,75$ là $S_{tt} = 34,5\text{ kVA}$ ($\cos\varphi_{tb} = 0,73$).
    • Tủ bơm chữa cháy (TĐ-BCC): Gồm 2 máy bơm chữa cháy 15 kW, 2 máy bơm bù áp 4 kW. Tổng công suất tính toán sau hệ số $K_{đt} = 0,75$ là $S_{tt} = 34,7\text{ kVA}$ ($\cos\varphi_{tb} = 0,8$).
    • Phụ tải thang máy: Gồm 2 thang máy sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc công suất 22 kW/chiếc ($K_{đt} = 1$), tổng công suất tính toán $S_{tt} = 58,6\text{ kVA}$.

Dưới đây là bảng tổng hợp phụ tải tính toán toàn bộ tòa nhà theo Bảng 1.5 trong văn bản:

Khu vực Tên phụ tải Số lượng $\cos\varphi_{tb}$ Công suất đặt (kVA) Hệ số đồng thời ($K_{đt}$) Công suất tính toán tổng (kVA)
Tầng hầm TĐ-TH 1 0,75 12,0 1,00 12,0
Tầng hầm TĐ-BN 1 0,73 46,0 0,75 34,5
Tầng hầm TĐ-BCC 1 0,80 46,2 0,75 34,7
Tầng 1 TĐ-T1 1 0,77 65,3 0,75 48,9
Tầng 2 - 5 TĐ-T2 đến TĐ-T5 4 0,76 52,5 0,75 157,5
Tầng 6 TĐ-T6 1 0,74 99,2 1,00 99,2
Tầng 7 TĐ-T7 1 0,75 3,64 0,75 2,8
Toàn nhà TĐ-TM (Thang máy) 1 0,75 58,6 1,00 58,6
Tổng cộng Tủ điện chính (TĐC) 0,73 448,2

Tổng công suất tính toán biểu kiến ở chế độ làm việc bình thường là 448,2 kVA. Tính thêm dự phòng tải phát triển 15% (nhân hệ số 1,2), công suất biểu kiến toàn tòa nhà được xác định là: $S_{tt} = 448,2 \times 1,2 = 537,84\text{ kVA} \approx 540\text{ kVA}$.

Chương 2: Tính toán lựa chọn thiết bị cao áp, hạ áp cho tòa nhà 7 tầng

Nội dung chương 2 tập trung vào việc tính toán, kiểm tra và lựa chọn toàn bộ thiết bị trạm biến áp, máy phát và các phần tử mạng điện:

  • Lựa chọn dung lượng và số lượng máy biến áp: Công trình là văn phòng cao cấp thuộc hộ loại 1, tác giả lựa chọn giải pháp sử dụng 01 máy biến áp đặt trong tầng hầm để tiết kiệm chi phí đầu tư. Công suất định mức máy biến áp được chọn theo điều kiện quá tải cho phép (hệ số 1,4 trong thời hạn quá tải 5 ngày, mỗi ngày không quá 6 giờ): $S_{đmB} \ge S_{tt} / 1,4 = 540 / 1,4 \approx 385,7\text{ kVA} \approx 400\text{ kVA}$. Lựa chọn máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây Đông Anh công suất định mức 400 kVA, cấp điện áp 22/0,4 kV.
  • Lựa chọn nguồn dự phòng: Chọn 01 máy phát điện diesel Mitsubishi công suất định mức 400 kVA ($\cos\varphi = 0,8; 380/220\text{ V}$) đảm bảo cấp điện liên tục cho các phụ tải ưu tiên khi mất lưới.
  • Thiết bị và cáp phía cao áp 22 kV:
    • Cáp trung thế: Dòng làm việc lớn nhất $I_{lvmax} = 14,2\text{ A}$. Tiết diện kinh tế tính được $F_{kt} = 14,2 / 3,1 = 4,58\text{ mm}²$; chọn cáp Furukawa cách điện XLPE, bọc đai thép, vỏ PVC, tiết diện tối thiểu quy chuẩn $35\text{ mm}²$.
    • Dao cách ly: Chọn dao cách ly 3DC của Siemens ($U_{đm} = 24\text{ kV}, I_{đm} = 630\text{ A}, I_{Nmax} = 40\text{ kA}$).
    • Cầu chì cao áp: Dòng cưỡng bức phía 22 kV là 14,2 A; dòng chảy cầu chì yêu cầu $I_{cp} = 14,2 \times 2,5 = 35,5\text{ A}$; chọn cầu chì Siemens 3GD1408-4B ($24\text{ kV}, 40\text{ A}, I_N = 31,5\text{ kA}$, nặng 3,8 kg).
    • Chống sét van: Chọn van chống sét phi tuyến Cooper AZLP501B24 ($U_{đm} = 24\text{ kV}$).
    • Thanh cái cao áp: Thanh đồng $25 \times 3\text{ mm}²$ ($75\text{ mm}²$, $I_{cp} = 340\text{ A} > 14,2\text{ A}$).
    • Máy biến điện áp và biến dòng: BU mã hiệu HK-220 ($24\text{ kV} / 380\text{ V}$, cấp chính xác 0,5); BI mã hiệu 4MA74 Siemens ($24\text{ kV}, 50/5\text{ A}, I_{dn1s} = 80\text{ kA}, I_{odd} = 120\text{ kA}$).
  • Tuyến dẫn và thiết bị phân phối hạ áp:
    • Dòng làm việc lớn nhất phía hạ thế: $I_{lvmax} = 540 / (\sqrt{3} \times 0,4) = 780\text{ A}$.
    • Tuyến cáp từ máy biến áp về tủ phân phối chính MBS: Chiều dài $20\text{ m}$, chọn cáp đồng Lens 1 lõi bọc PVC gồm 2 sợi đơn $240\text{ mm}²$ cho mỗi pha ($I_{cp} = 439 \times 2 = 878\text{ A} > 780\text{ A}$) và dây trung tính gồm 2 sợi $240\text{ mm}²$. Độ sụt áp $\Delta U = 3,3\text{ V} \Rightarrow \Delta U% = 0,87% < 5%$.
    • Áptômát tổng hạ áp: Merlin Gerin M32 ($I_{đm} = 800\text{ A}, U_{đm} = 690\text{ V}, I_N = 25\text{ kA}$).
    • Thanh cái tủ MBS: Thanh đồng $50 \times 5\text{ mm}²$ ($250\text{ mm}²$, $I_{cp} = 860\text{ A} > 780\text{ A}$).
    • Máy biến dòng hạ thế: Loại TKM-05 (800/5 A, 1 vòng sơ cấp, 10 VA, cấp 0,5).
    • Dây dẫn và khí cụ đóng cắt tủ nhánh: Tính chọn chi tiết áptômát Hyundai (HiBE33 20 A, HiBE53 50 A, HiBE63 60 A) và cáp đồng Cadivi (cáp $4\text{ mm}²$ và $16\text{ mm}²$) cho tủ tầng hầm, trạm bơm nước, trạm bơm chữa cháy với sụt áp đều dưới $1%$.

Thiết kế hệ thống chiếu sáng và chống sét công trình

Phần mục lục đồ án thể hiện các nội dung thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh khác được triển khai:

  • Thiết kế chiếu sáng: Tổng quan về các dạng chiếu sáng; tính toán chiếu sáng cho khu vực văn phòng làm việc; tính toán chiếu sáng khu vực hội trường; thiết kế chiếu sáng hệ thống đường nội bộ xung quanh tòa nhà.
  • Sơ đồ nguyên lý phân phối điện tòa nhà 7 tầng: Thể hiện liên kết điện từ lộ trung thế vào trạm biến áp, tủ hạ áp chính, tủ chuyển nguồn tự động máy phát và các tủ phân phối nhánh.
  • Hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp: Phân tích cơ chế phóng điện sét và hậu quả đối với công trình cao tầng; so sánh phương pháp kim thu sét cổ điển và giải pháp kim thu sét phát tia tiên đạo sớm ESE (Early Streamer Emission); tính toán nối đất chống sét; lựa chọn thiết bị đầu thu sét ESE; chọn quy cách dây dẫn thoát dòng sét từ đầu ESE xuống bãi tiếp địa ngầm.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Lê Quang Minh đã hoàn thành toàn diện các yêu cầu kỹ thuật đề ra, đem lại các kết quả định lượng cụ thể:

  • Xác lập bảng thống kê phụ tải và tính toán công suất phụ tải toàn diện cho công trình cao 7 tầng: Tổng công suất biểu kiến tính toán danh định đạt 448,2 kVA (với hệ số công suất trung bình toàn hệ thống $\cos\varphi_{tb} = 0,73$), và công suất tính toán có xét hệ số dự phòng 1,2 là $S_{tt} \approx 540\text{ kVA}$.
  • Đưa ra cấu hình lựa chọn trạm biến áp và nguồn dự phòng đồng bộ: Lựa chọn 01 máy biến áp Đông Anh $400\text{ kVA} - 22/0,4\text{ kV}$ khai thác khả năng quá tải cho phép, phối hợp cùng tổ máy phát điện diesel Mitsubishi 400 kVA vận hành độc lập khi mất điện lưới.
  • Thiết lập bảng đặc tính kỹ thuật đồng bộ cho hệ thống khí cụ điện cao áp 22 kV (dao cách ly Siemens 3DC, cầu chì Siemens 3GD1408-4B, chống sét van Cooper AZLP501B24, cáp trung thế Furukawa $35\text{ mm}²$, biến điện áp HK-220, biến dòng 4MA74) và hạ áp 0,4 kV (áptômát Merlin Gerin M32 800 A, thanh cái đồng $50 \times 5\text{ mm}²$, cáp Lens $[(240\text{ mm}² \times 2) \times 3] + N(240\text{ mm}² \times 2)$, áptômát nhánh Hyundai HiBE).
  • Kiểm nghiệm toàn diện chỉ tiêu chất lượng điện áp: Độ sụt áp trên toàn bộ các tuyến cáp trọng yếu đều nằm sâu dưới ngưỡng quy định ($\Delta U% = 0,87%$ trên tuyến cáp chính từ MBA về MBS; $0,88%$ đến tủ tầng hầm; $0,63%$ đến tủ bơm nước so với mức cho phép $\le 5%$).

Các giải pháp kỹ thuật do tác giả đề xuất:

  • Bố trí trạm biến áp và phòng máy phát điện dự phòng tại tầng hầm của tòa nhà nhằm tiết kiệm tối đa diện tích mặt bằng xây dựng và bảo đảm mỹ quan công trình đô thị.
  • Ứng dụng công nghệ đèn LED (tuýp LED, LED âm trần, LED ốp trần Rạng Đông) trên toàn bộ các tầng chức năng nhằm tối ưu hóa mật độ công suất chiếu sáng và tiết kiệm điện năng vận hành.
  • Đề xuất áp dụng giải pháp chống sét hiện đại sử dụng đầu thu sét phát tia tiên đạo sớm ESE nhằm mở rộng bán kính bảo vệ cho toàn bộ công trình cao tầng.

Đóng góp kỹ thuật mà tác giả tự nêu: Đồ án hoàn thiện một quy trình tính toán thiết kế cấp điện mẫu cho công trình dân dụng cao tầng, giải quyết bài toán cân bằng giữa yêu cầu độ tin cậy cung cấp điện ở mức cao của phụ tải loại 1 với bài toán tối ưu hóa chi phí đầu tư thiết bị.

Hạn chế và phạm vi nghiên cứu

Căn cứ vào nội dung và phạm vi trình bày trong đồ án, một số hạn chế kỹ thuật được ghi nhận:

  • Lựa chọn phương án 1 máy biến áp 400 kVA dựa trên giả thiết quá tải ngắn hạn ($S_{đmB} \approx S_{tt} / 1,4$) cho phụ tải loại 1 khiến công trình phụ thuộc hoàn toàn vào máy phát điện diesel dự phòng trong các kịch bản sự cố máy biến áp hoặc sửa chữa định kỳ; độ dự phòng nguồn điện tĩnh qua lưới không cao bằng giải pháp vận hành 2 máy biến áp song song.
  • Các hệ số đồng thời ($K_{đt}$) và hệ số sử dụng ($K_{sd}$) chủ yếu lựa chọn theo số liệu thống kê kinh nghiệm thiết kế quy chuẩn, chưa có dữ liệu đo đạc thực nghiệm từ đồ thị phụ tải thực tế 24 giờ của các tòa nhà văn phòng có cùng quy mô vận hành.
  • Hệ số công suất tính toán trung bình của toàn công trình ở mức tương đối thấp ($\cos\varphi_{tb} = 0,73$), song văn bản chưa trình bày chi tiết chương mục tính toán bù công suất phản kháng (lựa chọn dung lượng và các cấp điều khiển của giàn tụ bù tự động) để nâng hệ số công suất lên mức quy định ngành điện ($\cos\varphi \ge 0,9$).
  • Hướng nghiên cứu tiếp nối từ phạm vi đề tài: Bổ sung tính toán chi tiết dòng ngắn mạch tại các thanh cái hạ áp; thiết kế hệ thống tủ bù công suất phản kháng hạ thế tự động; tích hợp hệ thống quản lý năng lượng tòa nhà (BMS) và phân tích các giải pháp tiết kiệm năng lượng nâng cao.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Điện Tự động Công nghiệp, Hệ thống điện và Cơ điện công trình (MEP) làm tài liệu mẫu phục vụ đồ án môn học Thiết kế cung cấp điện hoặc đồ án tốt nghiệp đại học.
  • Kỹ sư thiết kế điện công trình tham khảo phương pháp xác định phụ tải cho công trình đa chức năng (siêu thị kết hợp văn phòng cho thuê và trung tâm hội nghị).

Các phần nội dung đáng tham khảo chuyên sâu:

  • Quy trình bóc tách và tính toán công suất phụ tải theo từng mét vuông sàn chức năng (chiếu sáng, ổ cắm, điều hòa Daikin 12000 BTU và 18000 BTU).
  • Phương pháp phối hợp tính toán phụ tải các cụm động lực chuyên biệt: trạm bơm nước sinh hoạt, trạm bơm chữa cháy và hệ thống thang máy 22 kW.
  • Các bước tính chọn, kiểm tra độ ổn định nhiệt, ổn định động và kiểm tra sụt áp tuyến cáp hạ áp mang dòng lớn (780 A).
  • Danh mục tra cứu thông số kỹ thuật thực tế của các thiết bị điện từ các hãng sản xuất phổ biến trên thị trường Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tổng phụ tải tính toán biểu kiến của tòa nhà 7 tầng được xác định là bao nhiêu và căn cứ theo tỷ lệ dự phòng nào? Tổng phụ tải tính toán biểu kiến của công trình ở chế độ vận hành bình thường là 448,2 kVA (với hệ số công suất trung bình $\cos\varphi_{tb} = 0,73$). Nhằm đáp ứng khả năng phát triển phụ tải trong tương lai, tác giả áp dụng tỷ lệ dự phòng 15% (nhân hệ số 1,2), đưa tổng công suất biểu kiến tính toán toàn tòa nhà lên $S_{tt} = 448,2 \times 1,2 = 537,84\text{ kVA} \approx 540\text{ kVA}$.

  2. Tại sao đồ án lựa chọn máy biến áp công suất định mức 400 kVA khi tổng phụ tải tính toán lên đến 540 kVA? Tác giả áp dụng công thức chọn máy biến áp cho trạm 1 máy có xét đến khả năng quá tải cho phép của máy biến áp trong thời hạn 5 ngày liên tục (mỗi ngày quá tải không quá 6 giờ) với hệ số quá tải là 1,4: $S_{đmB} \ge S_{tt} / 1,4 = 540 / 1,4 \approx 385,7\text{ kVA}$. Do đó, máy biến áp 400 kVA của Công ty Thiết bị điện Đông Anh được chọn là hoàn toàn thỏa mãn điều kiện kỹ thuật và tối ưu chi phí đầu tư.

  3. Quy cách tuyến cáp cấp nguồn từ máy biến áp đến tủ phân phối chính hạ áp MBS được lựa chọn như thế nào? Với dòng làm việc lớn nhất phía hạ thế là $I_{lvmax} = 780\text{ A}$, tác giả lựa chọn cáp đồng hạ áp 1 lõi cách điện PVC do hãng Lens chế tạo. Mỗi pha sử dụng 2 sợi cáp đơn tiết diện $240\text{ mm}²$ ($I_{cp} = 439\text{ A}$/sợi, tổng dòng cho phép mỗi pha đạt 878 A). Dây trung tính cũng gồm 2 sợi $240\text{ mm}²$, tạo thành cấu hình $[(240\text{ mm}² \times 2) \times 3] + N(240\text{ mm}² \times 2)$, với độ sụt áp tính toán trên tuyến dài 20 m là $0,87%$ (thỏa mãn tiêu chuẩn $< 5%$).

  4. Giải pháp bảo đảm cấp điện liên tục khi có sự cố lưới điện trung thế 22 kV là gì? Do tòa nhà văn phòng cao cấp được xếp vào nhóm phụ tải loại 1, tác giả bố trí 01 tổ máy phát điện diesel dự phòng của hãng Mitsubishi (Nhật Bản) có công suất định mức 400 kVA, điện áp 380/220 V, $\cos\varphi = 0,8$. Khi xảy ra sự cố mất điện lưới 22 kV, tổ máy phát sẽ tự động khởi động và cung cấp điện cho các phụ tải thiết yếu của toàn tòa nhà.

  5. Hệ thống chống sét đánh trực tiếp cho tòa nhà được định hướng theo công nghệ nào? Theo đề cương và mục lục đồ án, công trình định hướng bảo vệ chống sét đánh trực tiếp bằng công nghệ đầu thu sét phát tia tiên đạo sớm ESE (Early Streamer Emission) kết hợp hệ thống dây dẫn thoát sét chuyên dụng và bãi cọc tiếp địa ngầm, thay thế cho giải pháp kim thu sét Franklin truyền thống nhằm gia tăng bán kính bảo vệ công trình cao tầng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cung cấp điện cho tòa nhà 7 tầng" của tác giả Lê Quang Minh đã hoàn thành việc xây dựng phương án cung cấp điện chi tiết cho một công trình cao tầng đa chức năng với diện tích mặt bằng 310 m². Bằng việc áp dụng phương pháp tính toán phụ tải theo hệ số sử dụng và hệ số đồng thời, đề tài đã xác định được công suất tính toán toàn tòa nhà đạt 540 kVA và thiết lập cấu hình thiết bị đồng bộ gồm trạm biến áp 400 kVA, máy phát điện dự phòng 400 kVA cùng hệ thống khí cụ đóng cắt trung - hạ áp tin cậy. Các kết quả tính toán độ sụt áp, kiểm tra phát nóng và lựa chọn khí cụ điện đều đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành, tạo nên một tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho sinh viên và kỹ sư ngành kỹ thuật điện công trình.