Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đồ án tốt nghiệp đại học hệ chính quy ngành Điện Tự động công nghiệp của sinh viên Phạm Công Thành (Trường Đại học Dân lập Hải Phòng, năm 2017, người hướng dẫn: Th.S Đỗ Thị Hồng Lý) tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hệ thống chiếu sáng giao thông đô thị trên tuyến đường Lê Hồng Phong, thành phố Hải Phòng.
Về bối cảnh thực tiễn, chiếu sáng đô thị giữ vai trò trọng yếu trong việc bảo đảm an toàn giao thông, hạn chế tối đa tai nạn khi lưu lượng phương tiện gia tăng, đồng thời tôn tạo mỹ quan cảnh quan đô thị. Tuyến đường Lê Hồng Phong (đoạn từ Ngã 5 Cát Bi đến Sân bay Cát Bi) là trục giao thông huyết mạch với chiều dài 5.290 m, quy mô 4 làn đường chính và phụ, cùng 3 dải phân cách. Mật độ phương tiện dự kiến đạt trên 3.000 xe/h. Trước sự già hóa của các thiết bị chiếu sáng truyền thống phóng điện cao áp (chủ yếu là đèn Sodium công suất lớn), việc tiêu hao điện năng và chi phí vận hành đặt ra yêu cầu cấp thiết phải đánh giá hiện trạng và đề xuất giải pháp kỹ thuật chiếu sáng hiện đại, tiết kiệm năng lượng bằng nguồn sáng bán dẫn công nghệ cao.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định gồm các nội dung chính:
- Tổng hợp các nguyên lý kỹ thuật, đại lượng đo ánh sáng và tiêu chuẩn cấp điện chiếu sáng ngoài trời.
- Khảo sát hiện trạng, phân tích các chỉ tiêu kỹ thuật và sơ đồ cấp điện của hệ thống chiếu sáng đường Lê Hồng Phong đang vận hành.
- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ chiếu sáng bán dẫn (đèn LED), phân tích hiệu năng và khả năng ứng dụng thực tế tại Việt Nam.
- Tính toán, thiết kế phương án thay thế hệ thống đèn chiếu sáng đường Lê Hồng Phong bằng đèn LED với các cấp công suất khác nhau (75W, 100W, 150W) và kiểm tra lưới điện cấp nguồn.
Đối tượng nghiên cứu là hệ thống chiếu sáng nhân tạo ngoài trời bao gồm nguồn sáng, chóa đèn, cột đèn, trạm biến áp, tủ điều khiển đóng cắt và mạng cáp ngầm phân phối điện. Phạm vi không gian nghiên cứu giới hạn trên tuyến đường Lê Hồng Phong dài 5.290 m nối từ nút giao Ngã 5 Cát Bi tới Sân bay Cát Bi, thuộc địa bàn thành phố Hải Phòng; phạm vi thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp năm 2017 dựa trên số liệu khảo sát thực tế và các quy chuẩn kỹ thuật hiện hành.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán
Đồ án dựa trên nền tảng lý thuyết kỹ thuật chiếu sáng và kỹ thuật cung cấp điện công nghiệp, kết hợp các công cụ tính toán mô phỏng chuyên ngành:
- Các đại lượng đo ánh sáng và định luật quang học:
- Góc khối ($\Omega$): Xác định theo công thức $\Omega = S / R^2$ (đơn vị steradian - sr), với giá trị cực đại khi chắn toàn bộ mặt cầu là $4\pi$.
- Cường độ ánh sáng ($I$): Đo bằng candela (cd), đặc trưng cho khả năng phát quang theo phương xác định với tần số bức xạ đơn sắc $540 \cdot 10^{12}\text{ Hz}$ ($\lambda = 555\text{ nm}$).
- Quang thông ($\Phi$): Đo bằng lumen (lm), xác định qua tích phân $\Phi = \int_\Omega I , d\Omega$.
- Độ rọi ($E$): Mật độ quang thông rơi trên bề mặt, $E = \Phi / S$ (lux, lx).
- Độ chói ($L$): Tỷ số giữa cường độ sáng và diện tích biểu kiến ($cd/m^2$), đóng vai trò then chốt trong tiện nghi thị giác đường bộ.
- Định luật Lambert: Ứng dụng cho bề mặt phản xạ khuếch tán hoàn toàn, liên hệ giữa độ rọi và độ chói qua hệ số phản xạ $\rho$ ($L = \rho \cdot E / \pi$ hoặc $M = \pi L$). Chỉ số chói lóa $G$ (glare index) theo thang 1 đến 9, yêu cầu duy trì ở mức chấp nhận được ($G = 5$).
- Hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật:
- Quy phạm trang bị điện số 11-TCN 19-84.
- Tiêu chuẩn TCVN 5828:1994 về đèn điện chiếu sáng thành phố.
- Tiêu chuẩn 20TCN 95-83 và TCXD 95-1093 đối với đường giao thông chính (độ chói trung bình $\ge 1{,}6\text{ cd/m}^2$, độ đồng đều ngang $> 40%$, độ đồng đều dọc $> 70%$).
- Nghị định 54/CP về hành lang an toàn lưới điện; Tiêu chuẩn quốc tế IEC, khuyến cáo CIE và tài liệu thiết kế BC.
- Phương pháp tính toán điện lực:
- Biểu thức tính toán tổn thất điện áp: $\Delta U = R I \cos\varphi + L \omega I \sin\varphi$. Với hệ thống chiếu sáng được bù hệ số công suất $\cos\varphi \approx 0{,}85$, tính gần đúng theo $\Delta U \approx R I$. Điện trở suất ruột dẫn ở nhiệt độ tính toán $65^\circ\text{C}$: cáp đồng $\rho = 22\ \Omega\cdot\text{mm}^2/\text{km}$, cáp nhôm $\rho = 23\ \Omega\cdot\text{mm}^2/\text{km}$. Yêu cầu điện áp rơi cuối đường dây không vượt quá $3%$ ($6{,}6\text{ V}$).
- Sử dụng phần mềm chuyên dụng tính toán chiếu sáng của hãng Schreder (áp dụng kiểm chứng với chóa đèn ONYX2 bóng cao áp 250W).
Dưới đây là bảng phân cấp chiếu sáng đường bộ theo khuyến cáo của Ủy ban Chiếu sáng Quốc tế (CIE) được tổng hợp trong đồ án:
| Cấp | Loại đường | Mốc chiếu | Độ chói trung bình ($cd/m^2$) | Độ đồng đều chung $U_0$ | Độ đồng đều dọc $U_1$ | Chỉ số tiện nghi $G$ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A | Xa lộ, xa lộ cao tốc | - | 2 | 0,4 | 0,7 | 6 |
| B | Đường cái, đường hình tia | Sáng Tối |
2 1 đến 2 |
0,4 0,4 |
0,7 0,7 |
5 6 |
| C | Thành phố hoặc đường ít người đi bộ | Sáng Tối |
2 1 |
0,4 0,4 |
0,7 0,7 |
5 6 |
| D | Các phố chính, phố buôn bán | Sáng | 2 | 0,4 | 0,7 | 4 |
| E | Đường vắng | Sáng | 1 | 0,4 | - | - |
Đồng thời, đồ án phân tích lợi ích kinh tế - kỹ thuật của mạng lưới điện 3 pha so với mạng 1 pha:
| Các thông số kỹ thuật | Một pha 220V | Ba pha $Y_n$ (220/380V) | Tam giác $D$ (220V) |
|---|---|---|---|
| Số lượng dây dẫn | 2 | 3 + 1 | 3 |
| Dòng điện trên dây dẫn | $I$ | $I / 3$ | $I / \sqrt{3}$ |
| Tiết diện dây dẫn tỷ lệ | $2$ | $S_m / 3$ | $S_m / \sqrt{3}$ |
| Trọng lượng kim loại dẫn điện | $2 S_m$ | $0{,}5 S_m$ | $1{,}5 S_m$ |
Thiết kế và triển khai kỹ thuật hệ thống
Đối với công trình đường Lê Hồng Phong, hệ thống cung cấp và điều khiển chiếu sáng được thiết kế với các cấu phần kỹ thuật cụ thể:
- Quy mô hình học tuyến đường: Tổng chiều dài 5.290 m, bố trí 4 làn xe và 3 dải phân cách. Hai làn đường chính ở giữa có bề rộng mỗi bên $l_2 = 10{,}5\text{ m}$; hai làn đường gom bên ngoài có bề rộng $l_1 = 7\text{ m}$. Bề rộng dải phân cách giữa lắp cột đèn trang trí là $4\text{ m}$; bề rộng 2 dải phân cách bên lắp cột đèn chiếu sáng là $4{,}5\text{ m}$.
- Trạm biến áp cung cấp điện: Không dùng trạm biến áp chuyên dùng riêng dọc tuyến mà khai thác nguồn từ thanh cái hạ thế của 5 trạm biến áp phân phối khu vực (T14, T7, T5, T3, T1) để cấp cho 10 tủ điện chiếu sáng (ký hiệu từ T1 đến T10). Mỗi tủ chiếu sáng phụ trách cấp điện 2 tia với bán kính cấp nguồn khoảng 1.000 m.
- Thiết kế trạm biến áp treo điển hình (50kVA - 22/0,4kV):
- Toàn bộ thiết bị trạm đặt trên 01 cột bê tông ly tâm cao 12 m; máy biến áp 3 pha ngâm dầu tuần hoàn tự nhiên 50kVA - 22/0,4kV tổ đấu dây Y/$Y_0$-12 treo ở độ cao 3 đến 4 m.
- Phía cao thế (22kV): Dây dẫn trên không AC-35; chống sét van loại FCO 22kV-5A; cầu chì tự rơi loại C710-213 PB ($U_{đm} = 22\text{ kV}$, $I_{đm} = 100\text{ A}$) do hãng CHANGE chế tạo. Dòng điện tính toán $I_{tt} = 1{,}3\text{ A}$, tổn thất điện áp cho phép cao áp $\Delta U_{cp} = 660\text{ V}$.
- Phía hạ thế (0,4kV): Aptomat tổng loại NS400N ($I_{đm} = 400\text{ A}$) do MERLIN GERIN chế tạo; aptomat nhánh loại C100E ($I_{đm} = 100\text{ A}$).
- Hệ thống nối đất: Gồm 6 cọc tiếp địa bằng thép góc L75x75x7 mm dài 2,5 m, chôn cách nhau tối thiểu 2,5 m, liên kết bằng thanh sắt dẹt 40x4 mm; dây xuống đất bằng sắt tròn $\Phi 12$. Yêu cầu điện trở tiếp đất trạm biến áp $R_{đ} \le 4\ \Omega$. Nối đất lặp lại dọc tuyến sử dụng cọc L63x63x6 mm dài 0,8 m, cự ly 300 m/điểm, đảm bảo $R_{nđ} < 10\ \Omega$.
- Cột đèn và chóa đèn chiếu sáng:
- Đoạn đường thông thường: Dùng cột thép bát giác mạ kẽm nhúng nóng cao 11 m, độ vươn cần đèn $s = 1{,}8\text{ m}$, góc nghiêng cần $15^\circ$; các vị trí cột đôi dùng cần kép cao 10 m. Chóa đèn cao áp có cấp bảo vệ chống bụi và nước đạt chuẩn IP66, sử dụng bóng Sodium công suất 400W hoặc 250W.
- Các nút giao thông lớn (vòng xuyến, ngã tư): Lắp đặt cụm đèn pha. Tại KM0 và KM2+387 dùng cột thép cao 25 m lắp 8 đèn pha Sodium 1.000W (móng bê tông thương phẩm mác 200 đá 1x2). Tại KM1+193, KM4+147, KM4+448 và KM5+290 dùng cột thép cao 17 m lắp 6 đến 8 đèn pha Sodium 400W (móng bê tông mác 50 đá 1x2).
- Tủ điều khiển và dây dẫn: Vỏ tủ chế tạo bằng thép tấm sơn tĩnh điện, lắp trên dải phân cách. Trang bị hệ thống điều khiển tự động 3 chế độ (ban ngày tắt toàn bộ, chập tối bật $100%$ số đèn, đêm khuya sau giờ cao điểm cắt giảm $50%$ số đèn thông qua rơ le thời gian và 2 khởi động từ; có công tắc chuyển mạch MAN để đóng cắt thủ công qua 6 aptomat 1 pha). Tuyến cáp trục dùng cáp Cu/XLPE/PVC (3x25+1x16) luồn trong ống gân xoắn FEP D80 rải trong rãnh cáp (đoạn qua đường dùng ống thép D90); cáp lên đèn dùng Cu/XLPE/PVC (2x2,5).
- Phương án cấp điện tạm thời: Do tiến độ thi công tuyến cáp ngầm 22kV và các trạm biến áp chưa đồng bộ, tác giả đề xuất lấy nguồn tạm từ nút ngã 5 Cát Bi cấp cho đoạn KM0 đến KM1+193; lấy nguồn từ trạm T7 cấp cho đoạn KM1+193 đến KM5+290, đồng thời bổ sung 2 cột đèn cao áp 10m và 4 cột đèn trang trí 4,5m tại nút xoay ngã 5 chưa giải phóng xong mặt bằng.
Bảng kiểm tra tổn thất điện áp trên các nhánh tuyến điển hình cấp từ các tủ điện chiếu sáng (TD):
| Tủ điện nguồn | Nhánh cấp điện | Tiết diện cáp | Chiều dài (m) | Công suất tiêu thụ $P$ (kW) | Tổn thất $\Delta U$ (V) | Tổn thất $\Delta U$ (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| TBAT14 | TD T1 | 3x50+25 | 350 | 36 | 13,12 | 3,45 |
| TD T1 | Nhánh 2 | 3x25+16 | 821 | 16 | 19,80 | 5,21 |
| TD T2 | Nhánh 2 | 3x25+16 | 730 | 8 | 5,13 | 1,35 |
| TD T3 | Nhánh 2 | 3x25+16 | 942 | 14 | 13,06 | 3,43 |
| TD T4 | Nhánh 2 | 3x25+16 | 866 | 10 | 8,13 | 2,13 |
| TD T5 | Nhánh 2 | 3x25+16 | 436 | 12 | 5,10 | 1,34 |
| TD T6 | Nhánh 2 | 4x10 | 255 | 8 | 9,90 | 2,60 |
| TD T7 | Nhánh 2 | 3x25+16 | 1.009 | 14 | 13,80 | 3,63 |
| TD T8 | Nhánh 2 | 3x25+16 | 842 | 10 | 9,15 | 2,40 |
| TD T9 | Nhánh 2 | 3x25+16 | 1.010 | 14 | 13,20 | 3,47 |
| TD T10 | Nhánh 2 | 3x25+16 | 1.065 | 14 | 14,00 | 3,68 |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Giới thiệu chung về chiếu sáng đô thị
Chương 1 khái quát vai trò của kỹ thuật chiếu sáng công cộng đối với đời sống kinh tế - xã hội và giao thông đô thị; điểm lại các bước tiến trong việc hiện đại hóa lưới chiếu sáng tại Việt Nam và thành phố Hải Phòng (chuyển đổi từ vận hành thủ công sang tủ điều khiển tự động). Tác giả hệ thống hóa toàn bộ các nguyên lý chiếu sáng đường sá ngoài trời: sự phụ thuộc của độ chói mặt đường vào góc quan sát của lái xe ở cự ly 100 m, độ đồng đều phân bố ánh sáng ngang và dọc để tránh mệt mỏi thị giác, khống chế chỉ số chói lóa $G$. Nội dung chương định nghĩa chi tiết các đại lượng quang học cơ bản (góc khối, cường độ sáng, quang thông, độ rọi, độ chói, định luật phản xạ Lambert), phân cấp chiếu sáng theo tiêu chuẩn CIE, và thiết lập công thức tính toán sụt áp trên trục đường dây điện cấp cho các cụm đèn cách đều nhau. Chương 1 khép lại bằng việc tính toán chi tiết một trạm biến áp treo 50kVA - 22/0,4kV cung cấp điện điển hình.
Chương 2: Thiết kế chiếu sáng đường Lê Hồng Phong – Hải Phòng
Chương 2 trình bày hồ sơ kỹ thuật hiện trạng của tuyến đường Lê Hồng Phong. Tác giả phân tích các điều kiện khí hậu tự nhiên tại khu vực ven biển Hải Phòng (nhiệt độ không khí cực đại $41^\circ\text{C}$, cực tiểu $5^\circ\text{C}$, độ ẩm tương đối $100%$ tại $40^\circ\text{C}$, yêu cầu chống ăn mòn do hơi nước mặn). Hệ thống chiếu sáng hiện trạng vận hành tổng cộng 574 bộ đèn phóng điện cao áp gồm:
- 16 bộ đèn pha công suất 1.000W đặt trên cột cao 25 m tại nút giao.
- 24 bộ đèn pha công suất 400W đặt trên các cột thép cao 17 m.
- 534 bộ đèn chiếu sáng đường công suất 250W lắp đặt trên cột thép bát giác cao 11 m (cần vươn 1,8 m, góc nghiêng $15^\circ$, khoảng cách giữa các cột từ 35 m đến 40 m).
Kết quả tính toán quang học của hệ thống hiện trạng đạt được: Độ rọi trung bình $E_{av} = 27{,}8\text{ lx}$, độ rọi cực tiểu $E_{min} = 13{,}5\text{ lx}$, độ rọi cực đại $E_{max} = 57{,}5\text{ lx}$, hệ số đồng đều chung $u_0 = 48{,}5%$, tỷ số $E_{min}/E_{max} = 0{,}235$. Mặc dù đáp ứng yêu cầu độ rọi, hệ thống này tiêu thụ công suất điện rất lớn, thúc đẩy việc nghiên cứu giải pháp thay thế công nghệ ở các chương sau.
Chương 3: Đề xuất phương án sử dụng đèn LED
Chương 3 khảo cứu sự phát triển của công nghệ điốt phát quang (LED) từ phát minh LED đơn sắc đầu tiên của Nick Holonyak Jr (1962) đến đột phá tạo ra ánh sáng trắng của Giáo sư Shuji Nakamura (đạt Giải thưởng Công nghệ Thiên niên kỷ). Chương này phân tích cơ cấu thị trường LED toàn cầu năm 2008 đạt 5,1 tỷ USD (trong đó chiếu sáng và thiết bị cầm tay chiếm $43%$, đèn màn hình/tín hiệu chiếm $17%$, đèn ô tô xe máy chiếm $15%$). Tại Việt Nam, Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano (LNT) thuộc Đại học Quốc gia TP.HCM đã chế tạo thử nghiệm thành công 150 đèn sạc ứng dụng LED nano trắng với 4 model ký hiệu SLL01, SLL02, SLL03, SLL04 tuổi thọ 100.000 giờ. Bên cạnh đó, các công trình chiếu sáng nghệ thuật và đô thị quy mô lớn đã ứng dụng thành công đèn LED điều khiển DMX như cầu Sông Hàn và cầu Thuận Phước (Đà Nẵng) với các bộ đèn 25W góc mở chùm sáng $20^\circ - 45^\circ$, vỏ nhôm bảo vệ IP65 chịu gió mặn. Tác giả luận chứng các ưu điểm vượt trội của đèn LED: hiệu suất phát quang đạt 47 - 64 lm/W đối với ánh sáng trắng lạnh (so với 10 - 18 lm/W của đèn huỳnh quang), tuổi thọ đạt 100.000 giờ (so với 2.000 giờ của bóng sợi đốt), không phát thải tia cực tím/hồng ngoại, không chứa thủy ngân và cắt giảm lượng phát thải khí $CO_2$.
Chương 4: Tính toán thiết kế chiếu sáng đường Lê Hồng Phong sử dụng đèn LED
Chương 4 triển khai tính toán chi tiết việc thay thế đồng loạt hệ thống đèn Sodium cũ trên đường Lê Hồng Phong bằng đèn LED chuyên dụng ngoài trời. Tác giả xây dựng mô hình tính toán hình học với thông số tuyến: chiều cao cột treo đèn $h = 10{,}7\text{ m}$ (chiều cao quy chuẩn 11 m), độ vươn cần đèn $s = 1{,}7\text{ m}$, góc nghiêng $10^\circ$, độ vươn nhô ra mép đường $a = -0{,}533\text{ m}$, khoảng cách bước cột $e = 35\text{ m}$ (tối đa $e_{max} = 40\text{ m}$). Hai phương án thiết kế kỹ thuật chính được tính toán và mô phỏng phân bố trắc quang gồm:
- Phương án đèn LED 75W (Model A-1-75-CCIM): Kiểm tra phân bố độ rọi trên lưới 12x9 điểm đối với làn đường chính rộng 10,5 m và làn phụ rộng 7 m.
- Phương án đèn LED 100W (Model A-1-100-CCIM): Kiểm tra phân bố trắc quang trên lưới 12x6 điểm và khảo sát độ rọi theo các độ cao treo đèn khác nhau từ 7 m đến 12 m. Chương này cũng đặt ra phương án thay thế bằng đèn LED 150W và nội dung tính toán kiểm tra tiết diện dây dẫn tương ứng với phụ tải mới.
Kết quả và đóng góp kỹ thuật
Đồ án đưa ra các kết quả định lượng cụ thể từ các thông số kỹ thuật của thiết bị đèn LED và kết quả mô phỏng độ rọi trên mặt đường:
Bảng thông số kỹ thuật của 2 bộ đèn LED được lựa chọn tính toán:
| Thông số kỹ thuật | Đèn LED 75W (A-1-75-CCIM) | Đèn LED 100W (A-1-100-CCIM) |
|---|---|---|
| Điện áp làm việc | AC $85 \sim 256\text{ V}$ | AC $85 \sim 256\text{ V}$ |
| Tần số định mức | $47 - 63\text{ Hz}$ | $47 - 63\text{ Hz}$ |
| Công suất tiêu thụ | $75\text{ W}$ | $100\text{ W}$ |
| Quang thông tổng | $> 6.000\text{ lm}$ | $> 8.000\text{ lm}$ |
| Hiệu suất phát quang | $80\text{ lm/W}$ | $80\text{ lm/W}$ |
| Độ rọi tâm tại độ cao $H = 8\text{ m}$ | $\ge 21{,}85\text{ lx}$ | $\ge 29{,}68\text{ lx}$ |
| Độ rọi tâm tại độ cao $H = 10\text{ m}$ | $\ge 14{,}25\text{ lx}$ | $\ge 19{,}08\text{ lx}$ |
| Độ rọi trung bình (vùng $40 \times 20\text{ m}$, $H=8\text{ m}$) | $\ge 4{,}87\text{ lx}$ | $\ge 6{,}14\text{ lx}$ |
| Hệ số đồng đều độ rọi ($H=8\text{ m}$) | $\ge 0{,}4$ | $\ge 0{,}4$ |
| Hệ số đồng đều ngang ($H=8\text{ m}$) | $\ge 0{,}6$ | $\ge 0{,}6$ |
| Cường độ sáng cực đại tại góc $70^\circ$ | $305\text{ cd/klm}$ | $405\text{ cd/klm}$ |
| Cường độ sáng cực đại tại góc $80^\circ$ | $80\text{ cd/klm}$ | $91\text{ cd/klm}$ |
| Cường độ sáng cực đại tại góc $90^\circ$ | $3{,}64\text{ cd/klm}$ | $4{,}84\text{ cd/klm}$ |
| Cấp cường độ sáng / Cấp độ chói | G2 / Lớp D | G2 / Lớp D |
Bảng phân bố độ rọi tâm theo chiều cao treo đèn $H$ của đèn LED 100W:
| Chiều cao treo đèn $H$ (m) | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Độ rọi tâm $E$ (lux) | 38,16 | 29,68 | 23,32 | 19,08 | 15,90 | 12,72 |
Bảng tổng hợp kết quả phân bố ánh sáng mặt đường giữa các phương án:
| Chỉ tiêu kỹ thuật | Hệ thống hiện trạng (Sodium 250W) | Phương án LED 75W (Lưới 12x9 điểm) | Phương án LED 100W (Lưới 12x6 điểm) |
|---|---|---|---|
| Độ rọi trung bình $E_{av}$ | $27{,}8\text{ lx}$ | $8\text{ lx}$ | $10\text{ lx}$ |
| Độ rọi nhỏ nhất $E_{min}$ | $13{,}5\text{ lx}$ | $4{,}52\text{ lx}$ | $3{,}87\text{ lx}$ |
| Độ rọi lớn nhất $E_{max}$ | $57{,}5\text{ lx}$ | $18\text{ lx}$ | $23\text{ lx}$ |
| Hệ số đồng đều $E_{min} / E_{max}$ | $0{,}235$ | $0{,}251$ | $0{,}169$ |
Về mặt đóng góp kỹ thuật, đồ án đã:
- Cung cấp bức tranh số liệu đầy đủ về thông số điện học và trắc quang của tuyến đường đô thị cấp 1 dài trên 5 km tại Hải Phòng.
- Đề xuất giải pháp thay thế đèn phóng điện Sodium truyền thống (công suất 250W) bằng đèn LED công suất 75W hoặc 100W, giúp giảm công suất tiêu thụ của mỗi bộ đèn từ 2,5 đến 3,3 lần, đồng thời duy trì độ rọi và sự phân bố ánh sáng đạt yêu cầu vận hành.
- Xây dựng phương án đóng cắt tự động 3 chế độ (ngày tắt, tối bật toàn bộ, khuya tắt $50%$) kết hợp tủ điều khiển và mạch bảo vệ hoàn chỉnh, giải quyết bài toán cấp điện tạm thời trong điều kiện hạ tầng trạm 22kV chưa hoàn thiện.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Dựa trên nội dung được trình bày trong thuyết minh đồ án, các hạn chế kỹ thuật và hướng mở bao gồm:
- Hạn chế kỹ thuật:
- Phương án chọn cáp cấp nguồn cho tuyến chiếu sáng hiện trạng chưa tối ưu hóa về mặt kinh tế do phải chọn cáp đồng đều theo các đoạn cáp dài nhất và tải nặng nhất, xuất phát từ việc lưới hạ thế khu vực quá tải và các đoạn tuyến phải đấu nối chuyển đổi linh hoạt.
- Hệ thống cấp điện ban đầu còn mang tính tạm thời (chia nguồn từ khu vực Ngã 5 Cát Bi và trạm T7) do tuyến cáp 22kV và các trạm biến áp chuyên dụng chưa được đóng điện đồng bộ.
- Văn bản đồ án kết thúc tại phần tính toán sơ bộ phương án LED 100W; các kết quả chi tiết về phương án LED 150W và bảng tính toán lại tiết diện dây dẫn sau khi giảm tải bằng đèn LED chưa được thể hiện trọn vẹn trong phần trích đoạn.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Hoàn thiện việc tính toán kinh tế - kỹ thuật chi tiết khi thay đổi toàn bộ 574 bộ đèn sang đèn LED để xác định chính xác tỷ lệ tiết giảm dung lượng tải của 5 trạm biến áp.
- Chuyển đổi hoàn toàn phương án cấp điện tạm thời sang sơ đồ cấp nguồn chính thức từ lưới trung áp 22kV khi hoàn thành hạ tầng đô thị.
- Nghiên cứu ứng dụng các bộ điều khiển kỹ thuật số (digital) hoặc giao thức DMX/hệ thống quản trị thông minh từ xa để điều chỉnh linh hoạt quang thông đèn LED theo mật độ phương tiện thực tế theo thời gian thực.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích đối với:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện, Điện Tự động hóa, Hệ thống Điện: Tham khảo quy trình tính toán một đồ án tốt nghiệp kỹ thuật chiếu sáng ngoài trời hoàn chỉnh, từ lý thuyết quang học, tính toán công suất trạm biến áp treo 50kVA, lựa chọn khí cụ đóng cắt bảo vệ (aptomat, FCO, cầu chì tự rơi, chống sét van), đến tính toán hệ thống nối đất an toàn và sụt áp trên đường dây.
- Kỹ sư tư vấn thiết kế chiếu sáng đô thị: Tham khảo số liệu hình học thực tế, các bảng tra cứu sụt áp theo chiều dài nhánh tủ điện, thông số kỹ thuật bộ đèn LED ngoài trời (quang thông, cấp chói, cấp cường độ sáng G2), và kinh nghiệm xử lý cấp điện tạm thời cho công trình giao thông trọng điểm trong giai đoạn chờ hoàn thiện lưới trung thế.
Câu hỏi thường gặp
1. Chiều dài tuyến đường và cơ cấu các loại bóng đèn cao áp trong hệ thống hiện trạng đường Lê Hồng Phong là bao nhiêu?
Tuyến đường có tổng chiều dài 5.290 m (từ Ngã 5 Cát Bi đến Sân bay Cát Bi). Toàn bộ hệ thống hiện trạng sử dụng 574 bóng đèn, bao gồm: 16 bóng công suất 1.000W (lắp trên cột pha cao 25 m), 24 bóng công suất 400W (lắp trên cột pha cao 17 m), và 534 bóng công suất 250W (lắp trên cột cao 11 m).
2. Trạm biến áp 50kVA - 22/0,4kV cấp điện điển hình được trang bị các thiết bị bảo vệ và chỉ tiêu nối đất như thế nào?
Trạm là dạng trạm treo trên cột bê tông ly tâm 12 m. Phía 22kV sử dụng van chống sét FCO 22kV-5A và cầu chì tự rơi loại C710-213 PB (22kV, 100A do CHANGE chế tạo) với dây dẫn AC-35. Phía hạ thế dùng aptomat tổng NS400N (400A) và aptomat nhánh C100E (100A) của hãng MERLIN GERIN. Hệ thống nối đất trạm biến áp gồm 6 cọc thép góc L75x75x7 mm dài 2,5 m nối thanh dẹt 40x4 mm, yêu cầu điện trở đất $R_{đ} \le 4\ \Omega$.
3. Tiêu chuẩn quy định độ sụt áp tối đa cho phép ở cuối đường dây chiếu sáng là bao nhiêu?
Theo tính toán lý thuyết trong đồ án, giá trị điện áp rơi ở cuối đường dây không được vượt quá $3%$ (tương đương $6{,}6\text{ V}$ ở các đầu cực của bộ đèn) nhằm tránh hiện tượng suy giảm quang thông và nguy cơ đèn không thể kích khởi bật sáng.
4. Khi thay thế bằng đèn LED 75W và 100W, các thông số quang học mô phỏng trên làn đường chính đạt kết quả ra sao?
Phương án đèn LED 75W (Model A-1-75-CCIM, quang thông $>6.000\text{ lm}$) cho độ rọi trung bình $E_{av} = 8\text{ lx}$, $E_{min} = 4{,}52\text{ lx}$, $E_{max} = 18\text{ lx}$, tỷ số $E_{min}/E_{max} = 0{,}251$. Phương án đèn LED 100W (Model A-1-100-CCIM, quang thông $>8.000\text{ lm}$) cho kết quả $E_{av} = 10\text{ lx}$, $E_{min} = 3{,}87\text{ lx}$, $E_{max} = 23\text{ lx}$, tỷ số $E_{min}/E_{max} = 0{,}169$.
5. Giải pháp cấp điện tạm thời cho tuyến đường được tác giả giải quyết như thế nào khi đường cáp 22kV chưa vận hành đồng bộ?
Tác giả đề xuất phương án: lấy nguồn điện tạm từ khu vực Ngã 5 Cát Bi để cấp điện cho tuyến đèn từ KM0 đến KM1+193; lấy nguồn từ trạm biến áp T7 cấp điện cho đoạn từ KM1+193 đến KM5+290 bằng cách cấp nguồn cho trạm phía sau đường quốc lộ 5 và nối thông các nhánh cáp lại với nhau.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của tác giả Phạm Công Thành đã giải quyết trọn vẹn bài toán kỹ thuật từ khảo sát hiện trạng, phân tích tiêu chuẩn đến tính toán phương án thiết kế hệ thống chiếu sáng đường Lê Hồng Phong, thành phố Hải Phòng. Việc đề xuất chuyển đổi từ hệ thống đèn cao áp Sodium truyền thống sang đèn LED 75W và 100W đã chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật, đảm bảo các chỉ tiêu độ rọi và phân bố ánh sáng theo quy chuẩn đô thị. Công trình đóng góp giải pháp kỹ thuật thiết thực cho công tác tiết kiệm điện năng và hiện đại hóa mạng lưới hạ tầng chiếu sáng giao thông thành phố ven biển.