Bối cảnh và nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật

Đồ án tốt nghiệp đại học hệ chính quy ngành Điện Tự động công nghiệp với đề tài "Thiết kế cung cấp điện cho phân xưởng sửa chữa cơ khí" do sinh viên Nguyễn Văn Cảnh (lớp DCL901, mã sinh viên 1513102010, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng) thực hiện năm 2016 dưới sự hướng dẫn của GS.TSKH. Thân Ngọc Hoàn.

Bối cảnh thực tiễn được tác giả xác định xuất phát từ vai trò của điện năng trong tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Điện năng là nguồn động lực chủ yếu trong sản xuất công nghiệp và đời sống đô thị nhờ khả năng biến đổi thuận tiện sang các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, cơ năng, hóa năng cũng như sự thuận lợi trong truyền tải, phân phối. Trong điều kiện cơ giới hóa thay thế dần sức lao động thủ công, việc quy hoạch và thiết kế hệ thống cung cấp điện đi trước một bước nhằm bảo đảm độ an toàn, tính liên tục và hiệu quả kinh tế cho các cơ sở sản xuất cơ khí là yêu cầu kỹ thuật bắt buộc.

Nhiệm vụ thiết kế của đồ án bao gồm ba nội dung chính được phân định theo văn bản:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý luận về các phương pháp xác định phụ tải tính toán; phân nhóm phụ tải và tính toán chính xác nhu cầu công suất tác dụng, phản kháng và toàn phần cho phân xưởng cơ khí.
  2. Thiết kế mạng điện hạ áp cho phân xưởng, bao gồm: lựa chọn sơ đồ mạng điện, tính chọn trạm biến áp, tủ phân phối, dây dẫn, cáp điện lực và các khí cụ đóng cắt, bảo vệ (aptomat, cầu chì).
  3. Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hệ số công suất $\cos\varphi$; tính toán và lựa chọn thiết bị bù công suất phản kháng nhằm tối ưu hóa tổn thất điện năng trong phân xưởng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phân phối điện hạ áp, các thiết bị cơ khí - luyện kim tiêu thụ điện (búa hơi, lò điện, thiết bị tôi cao tần, máy gia công kim loại, máy nén khí, động cơ nâng hạ và hệ thống chiếu sáng sản xuất).
  • Phạm vi không gian: Mặt bằng phân xưởng sửa chữa cơ khí có diện tích $1000\text{ m}^2$, chuyên gia công và phục hồi chi tiết máy (bánh răng, hộp số, hộp tốc độ), nhận nguồn từ lưới điện 35 kV thông qua trạm biến áp hạ áp trung gian.
  • Phạm vi thời gian: Đồ án hoàn thành và bảo vệ trong năm 2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán

Để giải quyết bài toán thiết kế cung cấp điện hạ áp, tác giả đã hệ thống hóa các khung lý thuyết, công thức định lượng và bảng tra định mức chuyên ngành điện lực.

1. Khung lý thuyết và mô hình xác định phụ tải tính toán

Phụ tải tính toán ($P_{tt}$) được định nghĩa là phụ tải giả thiết lâu dài không đổi, tương đương với phụ tải biến đổi thực tế về mặt hiệu ứng nhiệt độ phát nóng lớn nhất, bảo đảm chọn khí cụ và dây dẫn làm việc an toàn, không bị phát nóng quá giới hạn cho phép. Tác giả tổng hợp 4 phương pháp tính toán:

  • Phương pháp công suất đặt và hệ số nhu cầu ($K_{nc}$): Thích hợp trong giai đoạn thiết kế sơ bộ khi chỉ biết công suất đặt của máy móc. Công thức: $P_{tt} = K_{nc} \cdot P_{dat}$; phụ tải toàn phần xác định qua hệ số $\cos\varphi$, tính đến hệ số đồng thời $K_{dt}$ ($K_{dt} = 0,9 \div 0,95$ khi số phân xưởng $n = 2 \div 4$; $K_{dt} = 0,8 \div 0,85$ khi $n = 5 \div 10$).
  • Phương pháp công suất trung bình và hệ số cực đại ($K_{max}$): Áp dụng khi đã có thiết kế chi tiết mặt bằng công nghệ. Phụ tải nhóm thiết bị được xác định dựa trên số thiết bị hiệu quả ($n_{hq}$), hệ số sử dụng ($K_{sd}$) và hệ số cực đại ($K_{max}$):
    • Với nhóm có $n \le 3$: $P_{tt} = \sum_{i=1}^n P_{dmi}$.
    • Với nhóm có $n \ge 4$: $P_{tt} = K_{max} \cdot K_{sd} \cdot \sum_{i=1}^n P_{dmi}$. Trình tự xác định $n_{hq}$ thông qua tỷ số $n_1$ (số thiết bị có công suất $P \ge 0,5 P_{max}$), $P_1$ (tổng công suất của nhóm $n_1$), từ đó tính $n^* = n_1/n$ và $P^* = P_1/\sum P$ để tra bảng tìm $n_{hq}^$ và xác định $n_{hq} = n \cdot n_{hq}^$.
    • Khi $n_{hq} < 4$: Phụ tải tính toán quy về công thức phụ tải theo hệ số tải $k_t$ ($P_{tt} = \sum k_{ti} \cdot P_{dmi}$, với $k_t = 0,9$ cho chế độ dài hạn và $k_t = 0,75$ cho chế độ ngắn hạn lặp lại).
  • Phương pháp theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích: Dùng cho thiết kế sơ bộ các phân xưởng có mật độ phân bố máy đều ($P_{tt} = p_0 \cdot F$).
  • Phương pháp theo suất tiêu hao điện năng trên một đơn vị sản phẩm: Áp dụng cho các phụ tải ít biến thiên như quạt gió, bơm nước, máy nén khí ($P_{tt} = M \cdot W_0 / T_{max}$).

2. Phương pháp nghiên cứu và tính toán thực tế trong đồ án

Trong đồ án, tác giả kết hợp hai phương pháp chính:

  • Dùng phương pháp công suất trung bình và số thiết bị dùng điện hiệu quả ($n_{hq}$) để tính phụ tải động lực cho 5 nhóm máy móc công nghệ trong phân xưởng.
  • Dùng phương pháp suất phụ tải trên một đơn vị diện tích ($p_0$) để xác định phụ tải chiếu sáng chung với diện tích $F = 1000\text{ m}^2$, cho ra công suất chiếu sáng $P_{cs} = 12\text{ kW}$.

3. Nguồn dữ liệu tra cứu kỹ thuật

Số liệu tính toán được đối chiếu và tra cứu trực tiếp từ sổ tay kỹ thuật chuyên ngành cung cấp điện, bao gồm:

  • Bảng phụ lục PL I.5 và PL I.6: Tra cứu số thiết bị hiệu quả $n_{hq}^*$ và hệ số cực đại $K_{max}$ theo hệ số sử dụng $K_{sd} = 0,2$.
  • Bảng phụ lục PL IV: Tra cứu dòng điện cắt và thông số kỹ thuật của aptomat hạ áp.
  • Bảng phụ lục PL V.13: Tra cứu dòng điện cho phép ($I_{cp}$) của cáp đồng 4 lõi cách điện PVC do hãng LENS chế tạo và dây bọc cao su $\Pi\text{PTO}$.

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp triển khai

Đồ án là công trình thiết kế hệ thống cung cấp điện hạ áp cho cơ sở sản xuất, giải pháp kỹ thuật bao gồm cấu trúc mạng lưới, thiết bị đóng cắt và bảo vệ:

1. Kiến trúc mạng phân phối điện

  • Nguồn cấp: Điện năng nhận từ một phân đoạn thanh cái trung gian 35 kV qua trạm biến áp (TBA) hạ áp đưa về tủ phân phối chính (TPP) của phân xưởng.
  • Cấu trúc mạng điện: Kết hợp giữa sơ đồ hình tia và sơ đồ hỗn hợp:
    • Tuyến từ tủ phân phối chính (TPP) đến 5 tủ động lực (ĐL1 đến ĐL5) và 1 tủ chiếu sáng (TCS) được thiết kế theo sơ đồ hình tia nhằm độc lập vận hành, dễ cô lập sự cố và quản lý từng khu vực.
    • Tại từng tủ động lực, mạng phân phối đến các động cơ áp dụng sơ đồ hỗn hợp: các thiết bị công suất lớn hoặc quan trọng được cấp trực tiếp từ thanh cái tủ động lực; các máy công suất nhỏ được đấu nối theo dạng liên thông chuỗi móc xích để tiết kiệm cáp và giảm số lộ ra của tủ.

2. Lựa chọn thiết bị phân phối và bảo vệ

  • Tủ phân phối chính (TPP): Lựa chọn loại tủ điện công nghiệp P-9262 do Liên Xô (cũ) chế tạo, cấu hình gồm 1 đầu vào và 6 đầu ra (5 lộ cấp cho tủ động lực, 1 lộ cấp cho tủ chiếu sáng).
  • Aptomat đầu nguồn: Bố trí aptomat tổng đặt tại trạm biến áp với dòng điện ngắn mạch tính toán $I_{xg} = 957,2\text{ A}$. Tại tủ phân phối đặt 1 aptomat tổng và 6 aptomat nhánh.
  • Cầu chì bảo vệ: Tại các tủ động lực, việc bảo vệ ngắn mạch và quá tải được thực hiện bằng cầu chì.
    • Cầu chì nhánh động cơ chọn theo điều kiện dòng điện định mức và dòng mở máy: $I_{dc} \ge I_{dm}$ và $I_{dc} \ge I_{mm}/\alpha$ (với $\alpha = 2,5$ cho động cơ lồng sóc mở máy nhẹ/trung bình; bội số dòng mở máy $k_{mm} = 5$).
    • Cầu chì tổng tủ động lực chọn theo 3 điều kiện: $I_{dc} \ge I_{tt}$, $I_{dc} \ge (I_{mm.max} + \sum I_{dm-1})/\alpha$, và điều kiện chọn lọc (dòng định mức cầu chì tổng phải lớn hơn ít nhất 2 cấp so với cầu chì nhánh lớn nhất trong tủ).
  • Dây dẫn và cáp truyền tải:
    • Cáp cấp nguồn từ TBA về TPP: Do dòng tính toán $I_{ttpx}$ lớn, tác giả phân chia thành 5 nhánh cáp ngầm đi song song, quy cách 5PVC ($3\times 50 + 1\times 50)\text{ mm}^2$, dòng tính toán mỗi nhánh là $172,5\text{ A}$.
    • Tuyến cáp từ TPP đến các tủ động lực: Cáp đồng 4 lõi chôn riêng từng tuyến dưới đất ($k_1 = 1$, $k_2 = 1$). Tuyến cáp PP - ĐL1 dùng cáp đồng tiết diện $120\text{ mm}^2$ có dòng cho phép $I_{cp} = 343\text{ A}$ (chịu tải $I_{tt} = 129,74\text{ A}$).
    • Mạng điện từ tủ động lực đến từng thiết bị: Sử dụng dây cáp 4 lõi cách điện PVC mã hiệu $\Pi\text{PTO}$ đặt trong ống thép bảo vệ đường kính $3/4''$ chôn ngầm dưới nền xưởng. Nhiệt độ môi trường giả thiết $+25^\circ\text{C}$ ($k_1 = 1$), hệ số hiệu chỉnh khi đặt chung rãnh gồm 6 cáp với khoảng cách 100 mm là $k_2 = 0,85$.
  • Kiểm tra điều kiện ngắn mạch: Tác giả đưa ra ghi chú kỹ thuật: do phân xưởng đặt cách xa trạm biến áp nên đồ án không tiến hành tính toán ngắn mạch để kiểm tra cáp và aptomat.

Nội dung chi tiết theo từng chương

Chương 1: Các phương pháp xác định phụ tải tính toán

Nội dung chương 1 tập trung vào khảo sát các nguyên tắc phân nhóm phụ tải và tính toán cụ thể cho toàn bộ máy móc trong phân xưởng.

  • Nguyên tắc phân nhóm phụ tải:
    1. Các thiết bị trong một nhóm phải bố trí gần nhau trên mặt bằng nhà xưởng nhằm rút ngắn đường dây, tránh chồng chéo và giảm tổn thất điện năng.
    2. Các thiết bị có cùng chế độ làm việc và cùng đồ thị phụ tải được xếp chung để thuận lợi khi tra cứu các hệ số $K_{sd}, K_{nc}, \cos\varphi$.
    3. Cân bằng công suất giữa các nhóm để tạo điều kiện đồng loạt hóa chủng loại tủ động lực, đường cáp và khí cụ bảo vệ.
    4. Khống chế số lộ ra của tủ động lực (thông thường tủ chế tạo sẵn có tối đa 8 lộ ra).
  • Kết quả phân nhóm 5 nhóm phụ tải trong phân xưởng cơ khí:
Nhóm Số thiết bị chính Thiết bị tiêu biểu và công suất định mức ($P_{dm}$) Tổng $P_{dm}$ (kW) $n_{hq}$ $K_{max}$ $P_{tt}$ (kW) $I_{tt}$ (A)
Nhóm 1 8 máy (bộ) Búa hơi để rèn ($2\times 10\text{ kW}$, $2\times 28\text{ kW}$), Lò rèn ($2\times 4,5\text{ kW}$, $1\times 6\text{ kW}$), Dầm treo palăng ($4,8\text{ kW}$), Quạt ly tâm ($7\text{ kW}$), Lò điện ($15\text{ kW}$), Máy biến áp ($2\times 2,2\text{ kW}$) - 7 2,10 - 129,96
Nhóm 2 6 máy Lò điện hóa cứng kim loại ($90\text{ kW}$), Lò điện ($20\text{ kW}$), Máy ép ma sát ($10\text{ kW}$), Máy mài sắc ($3,6\text{ kW}$), Quạt thông gió ($2,5\text{ kW}$) 128,30 6 2,24 - 145,30
Nhóm 3 3 máy Thiết bị tôi cao tần ($80\text{ kW}$), Thiết bị đo bi ($23\text{ kW}$), Lò điện ($30\text{ kW}$) 133,00 $n \le 3$ - 133,00 -
Nhóm 4 9 máy Lò điện ($36\text{ kW}$), Lò điện rèn ($30\text{ kW}$), Lò chạy bằng điện ($30\text{ kW}$), Thiết bị tôi bánh răng ($18\text{ kW}$), Bể dầu ($4\text{ kW}$), Bể dầu tăng nhiệt ($3\text{ kW}$), Cầu trục palăng ($1,3\text{ kW}$), Máy đo độ cứng ($0,25\text{ kW}$) 123,15 5,22 2,42 - -
Nhóm 5 9 máy Máy nén khí ($45\text{ kW}$), Quạt gió số 14 ($18\text{ kW}$), Quạt gió ($12\text{ kW}$), Quạt gió số 9 ($9\text{ kW}$), Máy bào gỗ ($7\text{ kW}$ và $4,5\text{ kW}$), Máy cưa tròn ($4,5\text{ kW}$) 109,00 7 2,10 - -
  • Phụ tải chiếu sáng: Tính theo diện tích $F = 1000\text{ m}^2$, xác định $P_{cs} = 12\text{ kW}$.
  • Tổng hợp phụ tải toàn phân xưởng: Với hệ số đồng thời $k_{dt} = 0,95$, kết quả tính toán hợp bộ toàn xưởng đạt:
    • Phụ tải tác dụng: $P_{ttpx} = 341,2\text{ kW}$.
    • Phụ tải phản kháng: $Q_{ttpx} = 453,82\text{ kVAr}$ (với $\operatorname{tg}\varphi = 1,33$).
    • Phụ tải toàn phần: $S_{ttpx} = 567,8\text{ kVA}$.
    • Hệ số công suất tự nhiên ban đầu: $\cos\varphi_{px} = 0,7 \div 0,75$.

Chương 2: Thiết kế mạng hạ áp cho phân xưởng cơ khí

Chương này thực hiện việc tính toán và lựa chọn chi tiết các phần tử của hệ thống điện hạ áp từ sau trạm biến áp đến từng đầu cực động cơ:

  • Tính chọn aptomat tổng tại trạm biến áp với dòng $I_{xg} = 957,2\text{ A}$.
  • Lựa chọn 5 tuyến cáp lực cấp từ trạm biến áp về tủ phân phối chính: cáp $5\text{PVC}(3\times 50 + 1\times 50)\text{ mm}^2$.
  • Lựa chọn tủ phân phối chính: Tủ điện P-9262 (Liên Xô cũ) với 1 đầu vào và 6 lộ ra.
  • Tính chọn cáp đồng 4 lõi cách điện PVC chôn ngầm từ TPP đến các tủ động lực. Tuyến PP - ĐL1 dùng cáp $120\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 343\text{ A}$).
  • Bảng lựa chọn thông số dây dẫn và khí cụ bảo vệ cầu chì cho các thiết bị phân xưởng cơ khí:
Nhóm Tên thiết bị tiêu biểu $P$ (kW) $I_{dm}$ (A) Mã hiệu dây Tiết diện ($\text{mm}^2$) Đường kính ống thép Mã hiệu cầu chì ($I_{vo}/I_{dc}$, A)
Nhóm 1 Búa hơi để rèn 10,0 25,60 $\Pi\text{PTO}$ 2,5 $3/4''$ 45/60
Nhóm 1 Quạt ly tâm 7,0 17,72 $\Pi\text{PTO}$ 2,5 $3/4''$ 45/60
Nhóm 1 Dầm treo palăng điện 4,8 12,98 $\Pi\text{PTO}$ 4,0 $3/4''$ 100/200
Nhóm 2 Lò điện hóa cứng kim loại 90,0 227,90 $\Pi\text{PTO}$ 95,0 $3/4''$ 500/600
Nhóm 2 Máy mài sắc 3,6 9,10 $\Pi\text{PTO}$ 2,5 $3/4''$ 45/60
Nhóm 2 Quạt thông gió 2,5 6,64 $\Pi\text{PTO}$ 2,5 $3/4''$ 160/200
Nhóm 2 Máy ép ma sát 10,0 25,32 $\Pi\text{PTO}$ 2,5 $3/4''$ 100/200
Nhóm 3 Thiết bị tôi cao tần 80,0 202,60 $\Pi\text{PTO}$ 95,0 $3/4''$ 430/600
Nhóm 3 Thiết bị đo bi 23,0 58,96 $\Pi\text{PTO}$ 10,0 $3/4''$ 160/200
Nhóm 4 Lò điện 36,0 91,16 $\Pi\text{PTO}$ 16,0 $3/4''$ 200/350
Nhóm 4 Lò điện để rèn 30,0 75,96 $\Pi\text{PTO}$ 10,0 $3/4''$ 160/200
Nhóm 4 Thiết bị tôi bánh răng 18,0 63,30 $\Pi\text{PTO}$ 10,0 $3/4''$ 160/200
Nhóm 4 Bể dầu 4,0 10,13 $\Pi\text{PTO}$ 2,5 $3/4''$ 100/200
Nhóm 4 Máy đo độ cứng đầu côn 0,25 0,52 $\Pi\text{PTO}$ 2,5 $3/4''$ 45/60
Nhóm 5 Máy nén khí 45,0 113,95 $\Pi\text{PTO}$ 16,0 $3/4''$ 260/350
Nhóm 5 Máy bào gỗ 7,0 17,39 $\Pi\text{PTO}$ 2,5 $3/4''$ 45/60
Nhóm 5 Quạt gió số 14 18,0 45,58 $\Pi\text{PTO}$ 4,0 $3/4''$ 100/200
Nhóm 5 Quạt gió 12,0 30,39 $\Pi\text{PTO}$ 2,5 $3/4''$ 100/200

Chương 3: Tính bù công suất phản kháng

Chương 3 trình bày các luận cứ kỹ thuật về tiết kiệm điện năng và giải pháp tính bù công suất phản kháng cho phân xưởng:

  • Phân tích cơ cấu tổn thất điện năng: Các xí nghiệp công nghiệp tiêu thụ hơn 70% tổng sản lượng điện năng toàn hệ thống. Trong toàn mạng, tổn thất điện năng chiếm khoảng 10% đến 15%, với cơ cấu tổn thất cụ thể theo cấp điện áp:
Cấp điện áp Tổn thất đường dây (%) Tổn thất máy biến áp (%) Tổng tổn thất (%)
Mạng $U \ge 110\text{ kV}$ 13,3 12,4 25,7
Mạng $U = 35\text{ kV}$ 6,9 3,0 9,9
Mạng $U = 0,1 \div 10\text{ kV}$ (nội bộ xí nghiệp) 47,8 16,6 64,4
Toàn hệ thống 68,0 32,0 100,0

Mạng điện hạ áp xí nghiệp chiếm tới 64,4% tổng số tổn thất điện năng do điện áp thấp và đường dây kéo dài phân tán, khẳng định tính tất yếu của việc nâng cao hệ số $\cos\varphi$.

  • Ý nghĩa kỹ thuật của nâng cao $\cos\varphi$: Giảm tổn thất công suất tác dụng $\Delta P(Q) = (Q^2/U^2)R$; giảm tổn thất điện áp $\Delta U(Q) = (Q \cdot X)/U$; nâng cao khả năng mang tải của đường dây và máy biến áp mà không làm tăng phát nóng; giảm chi phí kim loại màu dẫn điện.
  • Biện pháp nâng cao $\cos\varphi$: Phân chia thành hai nhóm:
    • Biện pháp tự nhiên: Hợp lý hóa quá trình công nghệ; thay thế động cơ không đồng bộ non tải bằng động cơ công suất phù hợp; đổi nối dây quấn stato từ tam giác sang sao ($\Delta \to \text{Y}$) hoặc đổi nấc phân áp máy biến áp khi non tải; lắp bộ hạn chế thời gian chạy không tải quá $t_0$; sử dụng động cơ đồng bộ; nâng cao chất lượng bảo dưỡng sửa chữa.
    • Biện pháp bù cưỡng bức: Lựa chọn giữa tụ điện tĩnh và máy bù đồng bộ.
  • So sánh kỹ thuật giữa tụ điện tĩnh và máy bù đồng bộ:
    • Tiêu thụ công suất tác dụng: Máy bù đồng bộ làm việc định mức tiêu hao $1,33% \div 3,2%$ công suất định mức, trong khi tụ điện tĩnh chỉ tiêu hao $0,3% \div 0,5%$.
    • Suất vốn đầu tư: Giá thành một kVA của tụ điện tĩnh ít phụ thuộc vào công suất đặt, dễ chia thành các tổ nhỏ linh hoạt; máy bù đồng bộ dung lượng càng nhỏ thì suất đầu tư càng đắt.
    • Vận hành: Tụ điện tĩnh cấu tạo tĩnh, không có chi tiết quay hay chổi than, vận hành đơn giản, khi hỏng một bình các bình khác vẫn làm việc bình thường.
    • Kết luận lựa chọn: Sử dụng tụ điện tĩnh đấu nối tam giác 3 pha tại thanh cái phía hạ áp trạm biến áp.
  • Tính toán dung lượng bù:
    • Thông số đầu vào: $P_{ttpx} = 341,2\text{ kW}$; hệ số công suất tự nhiên $\cos\varphi_1 = 0,75$ ($\operatorname{tg}\varphi_1 = 0,88$); hệ số công suất yêu cầu đạt được $\cos\varphi_2 = 0,95$ ($\operatorname{tg}\varphi_2 = 0,33$); hệ số $\alpha = 0,9 \div 1$ xét đến khả năng nâng cao tự nhiên.
    • Công thức tính: $Q_b = P_{ttpx} \cdot (\operatorname{tg}\varphi_1 - \operatorname{tg}\varphi_2) \cdot \alpha$.
    • Thiết bị lựa chọn: Tụ điện bù hạ áp 3 pha KC2-0,38-40-3Y1 (Liên Xô cũ chế tạo), điện áp định mức $0,38\text{ kV}$, dung lượng mỗi bình $Q_{b1} = 40\text{ kVAr}$. Số lượng lắp đặt: 4 bình (tổng dung lượng bù $160\text{ kVAr}$), bố trí trong tủ tụ bù cosφ đặt cạnh tủ phân phối tại trạm biến áp.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

1. Kết quả định lượng chính của đồ án

Đồ án đã hoàn thành toàn bộ các bài toán kỹ thuật cung cấp điện cho phân xưởng sửa chữa cơ khí $1000\text{ m}^2$ với các chỉ số kỹ thuật thống nhất trong văn bản:

  • Xác định và phân loại danh mục gồm 35 thiết bị công nghệ cơ khí - luyện kim vào 5 nhóm phụ tải hợp lý.
  • Tổng công suất tác dụng tính toán toàn phân xưởng: $P_{ttpx} = 341,2\text{ kW}$ (trong đó có $12\text{ kW}$ phụ tải chiếu sáng).
  • Tổng công suất phản kháng: $Q_{ttpx} = 453,82\text{ kVAr}$; công suất toàn phần: $S_{ttpx} = 567,8\text{ kVA}$.
  • Thiết kế hệ thống tuyến cáp gồm: 5 nhánh cáp ngầm $5\text{PVC}(3\times 50 + 1\times 50)\text{ mm}^2$ cấp nguồn từ TBA đến TPP; tuyến cáp ngầm $120\text{ mm}^2$ cấp cho tủ ĐL1; hoàn thiện bảng chọn tiết diện dây bọc cao su $\Pi\text{PTO}$ luồn ống thép $3/4''$ và thông số dòng định mức vỏ/dây chảy cầu chì cho từng động cơ.
  • Bù công suất phản kháng bằng 4 bình tụ tĩnh KC2-0,38-40-3Y1 ($4\times 40\text{ kVAr}$), nâng hệ số công suất của phân xưởng từ mức $\cos\varphi_1 = 0,75$ lên mức mục tiêu $\cos\varphi_2 = 0,95$.

2. Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  • Ứng dụng bài bản quy trình phân nhóm phụ tải kết hợp chỉ số thiết bị hiệu quả $n_{hq}$ và hệ số cực đại $K_{max}$, phản ánh chính xác chế độ mang tải không đồng thời của các thiết bị gia công cơ khí nặng.
  • Thiết lập sơ đồ cấp điện hỗn hợp kết hợp hình tia, vừa bảo đảm độ tin cậy cung cấp điện cho các phụ tải trọng yếu (lò hóa cứng $90\text{ kW}$, thiết bị tôi cao tần $80\text{ kW}$), vừa tối ưu hóa chi phí đầu tư cáp và tủ bảng điện cho các động cơ phụ trợ công suất nhỏ.
  • Đưa ra phân tích định lượng về cơ cấu tổn thất điện năng trong mạng lưới xí nghiệp (chiếm 64,4% toàn hệ thống), làm rõ cơ sở kinh tế - kỹ thuật cho việc bắt buộc lắp đặt tụ bù hạ thế tại trạm biến áp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung được trình bày trong văn bản đồ án, các điểm hạn chế và hướng mở rộng kỹ thuật được xác định như sau:

  • Hạn chế kỹ thuật trong văn bản:
    • Đồ án chủ động bỏ qua bước tính toán dòng ngắn mạch để kiểm tra độ ổn định nhiệt và ổn định điện động của thanh cái, dây cáp cũng như khả năng cắt ngắn mạch của aptomat, với lý do xưởng đặt cách xa trạm biến áp. Điều này làm giảm tính kiểm chứng về an toàn khi có sự cố ngắn mạch trực tiếp tại đầu cực thiết bị.
    • Các phần tử thiết bị đóng cắt và tụ bù được lựa chọn dựa trên các chủng loại thiết bị thế hệ cũ (tủ phân phối P-9262, tụ điện KC2 do Liên Xô chế tạo), chưa cập nhật các dòng thiết bị đóng cắt kỹ thuật số hay tụ bù khô tự phục hồi hiện đại.
    • Phụ tải chiếu sáng mới được xác định sơ bộ theo suất diện tích ($p_0 = 12\text{ W/m}^2$), chưa triển khai thiết kế chi tiết mặt bằng chiếu sáng, độ rọi từng vị trí thao tác và mạng dây cấp cho hệ thống đèn.
    • Chưa xét đến ảnh hưởng của sóng hài bậc cao sinh ra từ thiết bị tôi cao tần công suất lớn ($80\text{ kW}$) tác động lên chất lượng điện áp và tuổi thọ của tụ điện tĩnh.
  • Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:
    • Thực hiện bài toán tính ngắn mạch tại các điểm đặc trưng trên mạng hạ áp để kiểm tra khả năng cắt của aptomat và sức bền điện động của tuyến cáp.
    • Hiện đại hóa danh mục thiết bị: thay thế tủ P-9262 và dây dẫn $\Pi\text{PTO}$ bằng tủ phân phối module tiêu chuẩn IEC, aptomat khối (MCCB), aptomat tép (MCB) và cáp đồng cách điện XLPE/PVC.
    • Nghiên cứu đo đạc và tích hợp cuộn kháng lọc sóng hài bảo vệ dàn tụ bù hạ thế khi vận hành cùng lò tôi cao tần.

Giá trị tham khảo

Đồ án có giá trị tham khảo chuyên môn rõ nét đối với các nhóm đối tượng và mục đích học thuật sau:

  • Sinh viên khối ngành kỹ thuật: Tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Điện công nghiệp, Hệ thống điện, Điện tự động hóa và Kỹ thuật điều khiển khi thực hiện đồ án môn học "Thiết kế cung cấp điện" hoặc đồ án tốt nghiệp đại học.
  • Phần nội dung đáng tham khảo nhất:
    • Quy trình chi tiết tính toán phụ tải theo phương pháp số thiết bị hiệu quả ($n_{hq}, K_{max}$) và bảng phân chia 5 nhóm phụ tải cơ khí thực tế tại Chương 1.
    • Bảng tính chọn tiết diện dây dẫn $\Pi\text{PTO}$ luồn ống thép kết hợp với điều kiện chọn dòng định mức dây chảy cầu chì bảo vệ động cơ lồng sóc tại Chương 2.
    • Phương pháp luận phân tích so sánh kinh tế - kỹ thuật giữa máy bù đồng bộ và tụ điện tĩnh, cùng các bước tính toán công suất bù nâng cao $\cos\varphi$ từ 0,75 lên 0,95 tại Chương 3.

Câu hỏi thường gặp

1. Các thiết bị trong phân xưởng cơ khí được phân chia thành bao nhiêu nhóm và dựa trên những tiêu chí nào?
Toàn bộ thiết bị trong xưởng được chia thành 5 nhóm phụ tải. Các tiêu chí phân nhóm bao gồm: các máy có vị trí gần nhau trên mặt bằng; các máy có cùng chế độ làm việc và đồ thị phụ tải; tổng công suất giữa các nhóm ít chênh lệch nhất để đồng loạt hóa tủ điện và dây dẫn; và số lộ ra của mỗi nhóm không vượt quá năng lực đấu nối của tủ động lực (thường không quá 8 lộ).

2. Tổng phụ tải tính toán và hệ số công suất tự nhiên của toàn bộ phân xưởng trước khi bù là bao nhiêu?
Qua tính toán hợp bộ với hệ số đồng thời $k_{dt} = 0,95$, phân xưởng cơ khí có phụ tải tác dụng tính toán $P_{ttpx} = 341,2\text{ kW}$ (đã bao gồm $12\text{ kW}$ chiếu sáng), phụ tải phản kháng $Q_{ttpx} = 453,82\text{ kVAr}$, phụ tải toàn phần $S_{ttpx} = 567,8\text{ kVA}$, và hệ số công suất tự nhiên $\cos\varphi_{px}$ đạt khoảng $0,7 \div 0,75$.

3. Tuyến cáp trục từ trạm biến áp hạ áp về tủ phân phối chính của phân xưởng được chọn có quy cách ra sao?
Do dòng điện tính toán toàn xưởng lớn, tuyến cáp trục từ trạm biến áp về tủ phân phối chính được thiết kế chạy song song 5 nhánh cáp ngầm, quy cách cáp là $5\text{PVC}(3\times 50 + 1\times 50)\text{ mm}^2$, phân bổ dòng điện tính toán cho mỗi nhánh cáp là $172,5\text{ A}$.

4. Vì sao tác giả lựa chọn giải pháp dùng tụ điện tĩnh thay vì máy bù đồng bộ để bù công suất phản kháng?
Tác giả lựa chọn tụ điện tĩnh do 4 ưu điểm vượt trội: tiêu hao công suất tác dụng rất thấp (chỉ $0,3% \div 0,5%$ so với mức $1,33% \div 3,2%$ của máy bù đồng bộ); giá thành mỗi kVA ít phụ thuộc vào quy mô công suất nên dễ phân chia thành các tổ nhỏ linh hoạt; thiết bị không có phần tử quay hay chổi than nên vận hành ổn định, ít sự cố; khi một tụ điện hỏng thì các bình tụ còn lại vẫn tiếp tục vận hành bình thường.

5. Loại tụ điện bù nào và dung lượng bao nhiêu được chọn để nâng hệ số $\cos\varphi$ lên 0,95?
Tác giả lựa chọn loại tụ điện bù tĩnh 3 pha hạ áp mã hiệu KC2-0,38-40-3Y1 (do Liên Xô chế tạo) có điện áp định mức $0,38\text{ kV}$ và dung lượng mỗi bình là $40\text{ kVAr}$. Tổng số lượng lựa chọn là 4 bình (tương đương tổng dung lượng bù $160\text{ kVAr}$), được lắp đặt tại tủ tụ bù cosφ đấu nối vào thanh cái hạ áp trạm biến áp.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Văn Cảnh đã giải quyết trọn vẹn và logic nhiệm vụ thiết kế cung cấp điện hạ thế cho một phân xưởng sửa chữa cơ khí có quy mô diện tích $1000\text{ m}^2$. Thông qua phương pháp xác định phụ tải tính toán theo số thiết bị hiệu quả và hệ số cực đại, công trình đã định lượng chính xác nhu cầu công suất toàn xưởng ($P_{ttpx} = 341,2\text{ kW}$, $S_{ttpx} = 567,8\text{ kVA}$) làm căn cứ chọn lựa hợp lý cấu hình tủ phân phối P-9262, mạng cáp lực và khí cụ bảo vệ cầu chì, aptomat. Giải pháp bù $160\text{ kVAr}$ bằng dàn tụ tĩnh hạ áp KC2-0,38-40-3Y1 bảo đảm nâng hệ số công suất từ 0,75 lên 0,95, trực tiếp giảm thiểu tổn thất điện năng và nâng cao hiệu quả vận hành kinh tế của hệ thống điện xí nghiệp.