Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các cơ sở sản xuất công nghiệp, hệ thống cung cấp điện đóng vai trò huyết mạch, quyết định trực tiếp đến tính liên tục, an toàn và hiệu quả kinh tế của toàn bộ dây chuyền công nghệ. Đối với một phân xưởng cơ khí với đặc thù vận hành nhiều thiết bị động lực công suất lớn, chế độ làm việc không đồng đều và dòng khởi động cao, việc thiết kế một hệ thống cấp điện đồng bộ, đảm bảo chất lượng điện áp và độ tin cậy là nhiệm vụ kỹ thuật có tính thực tiễn cao.

Đề tài "Thiết kế cấp điện cho phân xưởng sửa chữa cơ khí" được thực hiện trong khuôn khổ học phần Hệ thống điện tòa nhà (mã lớp 145396) tại Trường Điện – Điện tử, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của TS. Hoàng Anh. Đề tài tập trung giải quyết các bài toán thiết kế kỹ thuật từ cấp điện áp trung thế 22 kV đến mạng phân phối hạ thế 0,4 kV phục vụ nhà xưởng.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm 5 nội dung chính:

  1. Tính toán phụ tải điện: Xác định phụ tải chiếu sáng, phụ tải ổ cắm; phân nhóm và tổng hợp phụ tải động lực; xác định phụ tải tính toán toàn phân xưởng; tính toán bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất $\cos\varphi$ đạt 0,9.
  2. Xác định sơ đồ cấp điện: Xác định vị trí đặt trạm biến áp phân xưởng; đề xuất và so sánh các phương án cấp điện; lựa chọn sơ đồ nối điện tối ưu về mặt kinh tế - kỹ thuật.
  3. Lựa chọn và kiểm tra thiết bị điện: Tính toán ngắn mạch tại các điểm đặc trưng; chọn và kiểm tra dây dẫn trung áp, hạ áp; lựa chọn thiết bị đóng cắt, bảo vệ trung áp và hạ áp; lựa chọn thiết bị đo lường và kiểm tra chế độ mở máy của động cơ.
  4. Thiết kế trạm biến áp: Lựa chọn số lượng, dung lượng và phương án xây dựng trạm biến áp 22/0,4 kV; tính toán hệ thống nối đất cho trạm biến áp; xây dựng sơ đồ nguyên lý, mặt bằng và mặt cắt trạm.
  5. Tính toán nối đất và chống sét: Tính toán hệ thống tiếp địa an toàn cho phân xưởng; tính chọn thiết bị và phạm vi bảo vệ chống sét đánh thẳng bằng kim thu sét Franklin.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống cung cấp điện cho một phân xưởng sửa chữa cơ khí có kích thước mặt bằng $24\text{ m} \times 36\text{ m}$ (diện tích $864\text{ m}^2$), chiều cao công trình $H = 6\text{ m}$. Nguồn cấp điện được lấy từ đường dây trung thế 22 kV cách nhà xưởng 200 m. Điện trở suất của đất tại khu vực xây dựng đo được vào mùa khô là $\rho_đ = 100\ \Omega\cdot\text{m}$. Thời gian nghiên cứu và hoàn thành báo cáo là tháng 1 năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng các lý thuyết kinh điển và quy chuẩn kỹ thuật chuyên ngành trong lĩnh vực kỹ thuật điện và hệ thống cung cấp điện:

  • Phương pháp tính toán phụ tải điện:
    • Tính toán chiếu sáng theo phương pháp hệ số lợi dụng quang thông, sử dụng chỉ số phòng $\varphi$ và hệ số mất mát ánh sáng LLF.
    • Tính toán phụ tải ổ cắm dựa trên Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam TCXDVN 9206:2012 (Quy chuẩn thiết kế lắp đặt trang thiết bị điện trong nhà ở và công trình công cộng).
    • Tính toán phụ tải động lực theo phương pháp công suất trung bình kết hợp hệ số nhu cầu ($k_{nc}$), hệ số sử dụng ($k_{sd}$) và số lượng thiết bị hiệu dụng ($n_{hd}$).
    • Tổng hợp phụ tải toàn xưởng thông qua hệ số đồng thời ($k_{đt}$).
  • Phương pháp tính toán kinh tế - kỹ thuật:
    • Sử dụng chỉ tiêu hàm chi phí quy đổi $Z = pV + C + Y_{th}$ để đánh giá, so sánh các phương án chọn máy biến áp và cấu trúc mạng phân phối, trong đó xét đến vốn đầu tư ban đầu ($V$), chi phí tổn thất điện năng hàng năm ($C$) và chi phí thiệt hại do mất điện ($Y_{th}$).
    • Lựa chọn tiết diện dây dẫn và thanh cái theo mật độ dòng điện kinh tế ($J_{kt}$) kết hợp kiểm tra điều kiện phát nóng cho phép ($I_{cp}$), độ sụt áp ($\Delta U \le 5% U_{đm}$) và điều kiện ổn định nhiệt khi ngắn mạch.
  • Phương pháp giải tích mạng điện và ngắn mạch:
    • Tính toán dòng ngắn mạch 3 pha siêu quá độ ($I_k^{(3)}$), dòng ngắn mạch xung kích ($i_{xk}$) và dòng hiệu dụng xung kích ($I_{xk}$) trong hệ thống có xét đến điện kháng nguồn hệ thống ($S_N = 150\text{ MVA}$), điện trở và điện kháng của máy biến áp, đường cáp trung áp và hạ áp.
  • Phương pháp tính toán tiếp địa và chống sét:
    • Tính toán hệ thống nối đất khuếch tán bằng phương pháp cọc thẳng đứng kết hợp thanh liên kết ngang, xét hệ số mùa ($k_m$) và hệ số sử dụng của cọc ($\eta_c$) và thanh ($\eta_t$).
    • Thiết kế chống sét theo phương pháp bảo vệ toàn bộ của kim thu sét Franklin, xác định chiều cao cột giả tưởng và bán kính bảo vệ $r_x$, chiều rộng bảo vệ $2b_x$ ở các độ cao công trình.

Nguồn dữ liệu đầu vào phục vụ tính toán gồm bảng thông số danh định, công suất đặt ($P$), hệ số sử dụng ($k_{sd}$) và hệ số công suất ($\cos\varphi$) của từng máy công cụ trên mặt bằng bố trí nhà xưởng, catalog thiết bị của các nhà sản xuất ABB, Schneider Electric, Siemens, CADIVI.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điện phân xưởng được thiết kế hoàn chỉnh từ khâu tiếp nhận nguồn trung áp đến phân phối hạ áp chi tiết cho từng máy công cụ:

  • Cấu trúc trạm biến áp và nguồn cấp: Nguồn trung thế 22 kV được dẫn từ đường dây khu vực qua tuyến cáp nhôm lõi thép AC-95 dài 200 m đến trạm biến áp phân xưởng. Trạm biến áp gồm 2 máy biến áp $22/0,4\text{ kV}$ công suất $280\text{ kVA}$ (hãng ABB) đặt sát tường phía ngoài xưởng, cấp điện độc lập cho 2 phân đoạn thanh cái hạ áp qua máy cắt hạ áp và có liên lạc tự động nhằm đảm bảo cung cấp điện liên tục khi có sự cố một máy biến áp.
  • Mạng phân phối hạ thế: Tủ phân phối chính (TPP) đặt cách trạm biến áp 10 m, liên kết bằng cáp đồng CADIVI tiết diện $300\text{ mm}^2$. Từ TPP, hệ thống phân phối theo sơ đồ hình tia đến 4 tủ động lực (T2, T3, T4, T5) và 1 tủ chiếu sáng - ổ cắm (T1) bố trí gần tâm các nhóm phụ tải.
  • Thiết bị bảo vệ và điều khiển:
    • Phía trung áp: Cầu chì tự rơi FCO/cầu chì Siemens $U_n = 22\text{ kV}$, $I_n = 13\text{ A}$, dao cách ly PLH22/630.
    • Phía hạ áp: Aptomat khối MCCB của Schneider Electric (CB tổng EZS630F3600 $600\text{ A} - 36\text{ kA}$, các CB phân đoạn và CB tủ nhánh dòng định mức từ $32\text{ A}$ đến $315\text{ A}$), thanh cái đồng dẹt kích thước $50 \times 6\text{ mm}$ ($300\text{ mm}^2$), sứ đỡ cách điện QHEP02505.
  • Phương thức khởi động động cơ: Động cơ công suất nhỏ và vừa ($P < 10\text{ kW}$) sử dụng khởi động trực tiếp (DOL); động cơ công suất lớn ($P \ge 11,25\text{ kW}$ đến $82,51\text{ kW}$) áp dụng phương pháp khởi động Sao - Tam giác (Star - Delta) nhằm giảm dòng khởi động xuống 3–4 lần $I_{tt}$.
  • Hệ thống an toàn: Hệ thống tiếp địa trạm biến áp và phân xưởng đạt điện trở nối đất $R_{nđ} \le 4\ \Omega$ và $R_{nđ} \le 10\ \Omega$; hệ thống kim thu sét gồm 7 kim Franklin cao 4 m gắn trên các cột thu lôi cao 9 m và 11 m bao phủ toàn bộ diện tích nhà xưởng $864\text{ m}^2$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tính toán phụ tải điện

Chương này thực hiện xác định phụ tải tiêu thụ điện cho toàn bộ phân xưởng qua từng thành phần:

  • Phụ tải chiếu sáng và ổ cắm:
    • Lựa chọn 20 bộ đèn LED High Bay HBL công suất $200\text{ W}$, nhiệt độ màu $6500\text{ K}$, quang thông tính toán $F_{\sum} = 461.867\text{ lm}$ (với độ rọi yêu cầu $E_{yc} = 300\text{ lux}$), bố trí 5 hàng $\times$ 4 cột. Tổng công suất chiếu sáng $P_{cs} = 4\text{ kW}$.
    • Phụ tải ổ cắm theo TCXDVN 9206:2012: Bố trí 5 mạch ổ cắm ($3000\text{ W}$/mạch), tổng công suất $P_{oc} = 15\text{ kW}$.
    • Tổng công suất chiếu sáng và ổ cắm: $P_{cs,oc} = 19\text{ kW}$, $\cos\varphi_{cs,oc} = 0,88$.
  • Phụ tải động lực: Căn cứ vị trí và chế độ vận hành, các máy công cụ được chia thành 4 nhóm:
    • Nhóm I: Tổng công suất đặt $\sum P_i = 119,27\text{ kW}$; $k_{sd} = 0,41$; $n_{hd} = 3,33$; $k_{nc} = 0,73$; $P_{n1} = 87,1\text{ kW}$; $Q_{n1} = 87,46\text{ kVAr}$; $S_{n1} = 123,43\text{ kVA}$; $\cos\varphi_{n1} = 0,7$.
    • Nhóm II: Tổng công suất đặt $\sum P_i = 162,67\text{ kW}$; $k_{sd} = 0,39$; $n_{hd} = 3,95$; $k_{nc} = 0,69$; $P_{n2} = 112,24\text{ kW}$; $Q_{n2} = 118,94\text{ kVAr}$; $S_{n2} = 163,53\text{ kVA}$; $\cos\varphi_{n2} = 0,68$.
    • Nhóm III: Tổng công suất đặt $\sum P_i = 136,26\text{ kW}$; $k_{sd} = 0,39$; $n_{hd} = 5$; $k_{nc} = 0,66$; $P_{n3} = 89,93\text{ kW}$; $Q_{n3} = 90,75\text{ kVAr}$; $S_{n3} = 127,76\text{ kVA}$; $\cos\varphi_{n3} = 0,7$.
    • Nhóm IV: Tổng công suất đặt $\sum P_i = 134,26\text{ kW}$; $k_{sd} = 0,5$; $n_{hd} = 4,55$; $k_{nc} = 0,73$; $P_{n4} = 98,01\text{ kW}$; $Q_{n4} = 99,37\text{ kVAr}$; $S_{n4} = 139,57\text{ kVA}$; $\cos\varphi_{n4} = 0,7$.
    • Tổng hợp phụ tải động lực: $P_{dlt} = 280,69\text{ kW}$; $Q_{dlt} = 280,14\text{ kVAr}$; $S_{dlt} = 396,56\text{ kVA}$; $\cos\varphi_{dlt} = 0,7$.
  • Tổng hợp phụ tải toàn phân xưởng: Với hệ số đồng thời $k_{đt} = 0,9$, công suất tính toán phân xưởng là $P_{ttpx} = 269,72\text{ kW}$, $Q_{ttpx} = 269,2\text{ kVAr}$, $\cos\varphi = 0,71$. Dự phòng tổn thất $10%$ và phát triển tải trong 10 năm ($10%$), tổng công suất biểu kiến tính toán toàn phân xưởng là $S_{ttpx\sum} = 1,2 \times S_{ttpx} = 469,08\text{ kVA}$.
  • Bù công suất phản kháng: Tính toán dung lượng tụ bù tĩnh hạ áp để nâng hệ số công suất từ $\cos\varphi_1 = 0,71$ lên $\cos\varphi_2 = 0,9$: $Q_{bù} = P_{ttpx} \times (\tan\varphi_1 - \tan\varphi_2) = 138,5\text{ kVAr}$.

Chương 2: Xác định sơ đồ cấp điện của phân xưởng

Chương này tập trung vào việc lựa chọn giải pháp cấu trúc nguồn và mạng lưới phân phối nội bộ:

  • Lựa chọn máy biến áp: So sánh 2 phương án sử dụng máy biến áp ABB ($22/0,4\text{ kV}$):
    • Phương án 1: Sử dụng 2 máy $280\text{ kVA}$ ($\Delta P_0 = 0,53\text{ kW}$, $\Delta P_k = 3,15\text{ kW}$, vốn đầu tư 152,7 triệu đồng). Khi sự cố 1 máy, máy còn lại vận hành quá tải cho phép $40%$ trong 6 giờ ($k_{qt} = 1,4$), đảm bảo cấp đủ điện cho phụ tải loại I và II.
    • Phương án 2: Sử dụng 1 máy $500\text{ kVA}$ ($\Delta P_0 = 0,72\text{ kW}$, $\Delta P_k = 4,85\text{ kW}$, vốn đầu tư 188 triệu đồng). Khi sự cố trạm, toàn bộ phân xưởng bị gián đoạn cấp điện, gây thiệt hại do mất điện $Y_{th} = 46,11\text{ triệu đồng/năm}$.
    • So sánh chi phí quy đổi: Phương án 1 có $Z_I = 73,83\text{ triệu đồng/năm}$, thấp hơn đáng kể so với Phương án 2 có $Z_{II} = 103,6138\text{ triệu đồng/năm}$. Đồ án lựa chọn Phương án 1 (2 máy $280\text{ kVA}$).
Chỉ tiêu so sánh Phương án 1 (2 máy 280 kVA) Phương án 2 (1 máy 500 kVA)
Tổng vốn đầu tư (triệu đồng) 152,7 188,0
Tổn thất điện năng ($\text{kWh/năm}$) 31.512,89 16.527,89
Chi phí tổn thất điện năng (triệu đồng/năm) 47,26 24,79
Thiệt hại do mất điện (triệu đồng/năm) 0 46,11
Tổng chi phí quy đổi $Z$ (triệu đồng/năm) 73,83 103,61
  • Vị trí trạm biến áp: Do mật độ thiết bị máy móc trong nhà xưởng cao, trạm biến áp được bố trí bên ngoài sát tường xưởng nhằm tối ưu an toàn PCCC, thuận tiện đấu nối tuyến trung thế 22 kV và nằm sát trung tâm phụ tải.
  • Sơ đồ đi dây nội bộ: So sánh phương án đi dây hình tia và phân nhánh. Sơ đồ hình tia được lựa chọn vì độ tin cậy cao, sự cố trên một nhánh không ảnh hưởng đến các nhánh còn lại, thuận lợi trong việc áp dụng các thiết bị đóng cắt tự động và bảo trì từng nhóm máy.

Chương 3: Lựa chọn và kiểm tra các thiết bị điện

Chương 3 trình bày các bước tính toán ngắn mạch và chọn lựa toàn bộ thiết bị điện trong mạng:

  • Tính toán ngắn mạch:
    • Điện áp trung bình tính toán $U_{tb} = 23,1\text{ kV}$, công suất ngắn mạch hệ thống $S_N = 150\text{ MVA}$, điện kháng hệ thống $X_{HT} = 3,56\ \text{m}\Omega$.
    • Tính toán ngắn mạch tại 5 điểm đặc trưng: Điểm trung áp $N_1$ ($I_{k1}^{(3)} = 3,75\text{ kA}$, $i_{xk1} = 9,54\text{ kA}$); Điểm thanh cái hạ áp $N_2$ ($I_{k2} = 9,42\text{ kA}$, $i_{xk2} = 16,05\text{ kA}$); Điểm đầu vào TPP $N_3$ ($I_{k3} = 9,12\text{ kA}$, $i_{xk3} = 15,53\text{ kA}$); Điểm tủ động lực $N_4$ ($I_{k4} = 6,66\text{ kA}$, $i_{xk4} = 11,32\text{ kA}$); Điểm cực động cơ phụ tải $N_5$ ($I_{k5} = 2,286\text{ kA}$).
  • Lựa chọn dây dẫn và cáp:
    • Tuyến trung áp từ lưới 22 kV về TBA: Cáp nhôm lõi thép AC-95 bọc XLPE ($r_0 = 0,371\ \Omega/\text{km}$, $I_{cp} = 594\text{ A}$).
    • Tuyến hạ áp từ TBA đến TPP (10 m): Cáp đồng 3 pha CADIVI tiết diện $300\text{ mm}^2$ ($r_0 = 0,0601\ \Omega/\text{km}$, $x_0 = 0,07\ \Omega/\text{km}$, độ sụt áp $\Delta U = 2,43\text{ V} \approx 0,6%$).
    • Tuyến cấp cho tủ chiếu sáng: Cáp đồng CVV-25 do CADIVI chế tạo ($I_{cp} = 73\text{ A}$).
    • Tuyến cấp cho các tủ động lực: Cáp cách điện XLPE tiết diện $35\text{ mm}^2$ đến $95\text{ mm}^2$.
  • Lựa chọn khí cụ điện:
    • Phía trung áp: Cầu chì ống cao áp Siemens ($U_n = 22\text{ kV}$, $I_n = 13\text{ A}$), Dao cách ly ngoài trời PLH22/630.
    • Phía hạ áp: CB tổng EZS630F3600 ($400\text{ V}$, $600\text{ A}$, $I_{cu} = 36\text{ kA}$); CB chiếu sáng EZS100E3032 ($32\text{ A}$, $25\text{ kA}$); CB tủ động lực EZS250/EZS400 ($200\text{ A} - 315\text{ A}$, $18 - 36\text{ kA}$); các CB nhánh dòng từ $16\text{ A}$ đến $150\text{ A}$.
    • Thanh cái phân phối: Thanh đồng dẹt $50 \times 6\text{ mm}$ ($F = 300\text{ mm}^2$), kiểm tra ổn định nhiệt đạt yêu cầu ($F_{min} = 92,47\text{ mm}^2 < 300\text{ mm}^2$); Sứ đỡ thanh cái QHEP02505 có lực phá hủy $F_{ph} = 350\text{ kg}$, lực cho phép $F_{cp} = 210\text{ kg} > F_u = 162,16\text{ kg}$.
    • Đo lường: Biến dòng đo lường tỷ số 600/5 A ($k_i = 120$, cấp chính xác 0.5, dung lượng 15 VA), dòng thứ cấp cực tiểu $I_{2min} = 1,18\text{ A} > 0,5\text{ A}$ (thỏa mãn làm việc chính xác).
  • Kiểm tra khởi động động cơ: Xác định phương pháp khởi động cho từng thiết bị máy mài, máy tiện bu lông, máy ép nguội, máy ép quay. Động cơ công suất lớn từ $11,25\text{ kW}$ đến $82,51\text{ kW}$ đều được thiết kế mạch khởi động Sao - Tam giác để hạn chế sụt áp lưới khi đóng máy.

Chương 4: Thiết kế trạm biến áp

Nội dung chương trình bày chi tiết về kết cấu và an toàn trạm biến áp phân xưởng:

  • Quy mô và nguyên lý trạm biến áp: Trạm gồm 2 máy biến áp $280\text{ kVA} - 22/0,4\text{ kV}$. Sơ đồ nguyên lý sử dụng hệ thống hai phân đoạn thanh cái hạ thế có aptomat liên lạc (thường mở). Khi bình thường, mỗi máy biến áp cấp điện riêng cho một nửa phụ tải phân xưởng; khi một máy biến áp gặp sự cố hoặc bảo dưỡng, aptomat liên lạc đóng lại để cấp điện từ máy còn lại cho các phụ tải ưu tiên loại I và II.
  • Tính toán hệ thống nối đất trạm biến áp:
    • Yêu cầu điện trở nối đất trạm biến áp $R_{yc} \le 10\ \Omega$.
    • Cấu hình tiếp địa: Sử dụng 10 cọc thép góc L60 $\times$ 60 $\times$ 6 dài $2,5\text{ m}$ chôn sâu $0,8\text{ m}$ (điện trở 1 cọc sau hiệu chỉnh mùa $R_{1c} = 89,4\ \Omega$, hệ số sử dụng $\eta_c = 0,76$), liên kết bằng thanh thép dẹt $40 \times 4\text{ mm}$ dài $75\text{ m}$ ($\eta_t = 0,56$).
    • Điện trở nối đất tổng hợp tính toán đạt $R_{nđ} = 9,23\ \Omega < 10\ \Omega$, thỏa mãn tiêu chuẩn an toàn tiếp địa trạm biến áp.

Chương 5: Tính toán nối đất và chống sét

Chương này giải quyết bài toán bảo vệ an toàn điện và bảo vệ công trình trước sét đánh:

  • Tính toán hệ thống nối đất an toàn phân xưởng:
    • Điện trở nối đất yêu cầu $R_{nđ} \le 4\ \Omega$.
    • Cấu hình: Sử dụng cọc thép tròn dài $l = 2,5\text{ m}$, đường kính $d = 6\text{ cm}$, chôn sâu cách mặt đất $0,75\text{ m}$ (chiều sâu trung bình $h_{tb} = 2,0\text{ m}$). Điện trở 1 cọc $R_{cọc} = 34,01\ \Omega$.
    • Mạng tiếp địa bố trí xung quanh chu vi trạm/nhà xưởng kích thước $5\text{ m} \times 6\text{ m}$ ($L = 22\text{ m}$), thanh liên kết ngang thép dẹt kích thước $50 \times 6\text{ mm}$ ($300\text{ mm}^2$).
    • Sau khi tính toán tương hỗ giữa cọc và thanh ngang ($\eta_c = 0,58$, $\eta_{ngang} = 0,36$), số lượng cọc chính thức được chọn là 13 cọc.
    • Kiểm tra độ ổn định nhiệt của thanh tiếp địa: $F_{min} = 66,89\text{ mm}^2 < 300\text{ mm}^2$, đảm bảo không bị nóng chảy khi có dòng ngắn mạch chạy qua.
  • Tính chọn thiết bị chống sét:
    • Phương pháp bảo vệ: Chống sét toàn bộ công trình bằng kim thu sét Franklin đặt trên đỉnh mái.
    • Độ cao công trình cần bảo vệ $h_x = 7\text{ m}$ và $5\text{ m}$; chiều cao kim thu sét $h_{kim} = 4\text{ m}$; tổng chiều cao các cột thu sét là $h_1 = 11\text{ m}$ và $h_2 = 9\text{ m}$.
    • Bố trí kim thu sét: Cạnh $36\text{ m}$ bố trí 4 kim (khoảng cách giữa các kim $12\text{ m}$); cạnh $24\text{ m}$ bố trí 3 kim (khoảng cách $12\text{ m}$). Tổng số kim thu sét là 7 kim.
    • Kiểm tra vùng bảo vệ: Tính toán bán kính bảo vệ $r_x$ và độ rộng vùng bảo vệ giữa hai cột $2b_x$ tại độ cao bảo vệ $h_x = 7\text{ m}$ (đoạn cột 1–2 đạt $2b_x = 4,91\text{ m}$, đoạn cột 1–5 đạt $2b_x = 1,2\text{ m}$, đảm bảo chiều cao cột giả tưởng $h_0 > h_x$), bao trùm toàn bộ không gian mặt bằng nhà xưởng.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã xây dựng thành công một bộ hồ sơ thiết kế hoàn chỉnh cho hệ thống cấp điện phân xưởng sửa chữa cơ khí với các kết quả cụ thể:

  1. Bộ thông số phụ tải chính xác: Xác định chính xác tổng công suất biểu kiến tính toán toàn xưởng có xét dự phòng là $469,08\text{ kVA}$, dung lượng bù phản kháng $138,5\text{ kVAr}$ giúp hệ số công suất đạt ngưỡng $\cos\varphi = 0,9$, giảm thiểu chi phí mua công suất phản kháng từ lưới điện.
  2. Giải pháp cấp nguồn tối ưu về kinh tế và độ tin cậy: Chứng minh phương án 2 máy biến áp $280\text{ kVA}$ làm việc phân đoạn vượt trội hơn phương án 1 máy biến áp $500\text{ kVA}$, giúp giảm tổng chi phí quy đổi hàng năm từ $103,61\text{ triệu đồng}$ xuống $73,83\text{ triệu đồng}$ (tiết kiệm gần $30%$) nhờ triệt tiêu tổn thất do gián đoạn sản xuất khi có sự cố máy biến áp.
  3. Lựa chọn cấu hình thiết bị đồng bộ và thực tế: Toàn bộ dây dẫn (AC-95, CADIVI $300\text{ mm}^2$, XLPE), khí cụ đóng cắt (Schneider MCCB EZS/EZC), thiết bị trung áp (Siemens, PLH), thanh cái đồng ($300\text{ mm}^2$) và sứ đỡ đều được tính chọn và kiểm tra thỏa mãn đầy đủ các điều kiện kỹ thuật về phát nóng, sụt áp, ổn định lực điện động và ổn định nhiệt khi ngắn mạch.
  4. Hệ thống bảo vệ an toàn toàn diện: Thiết kế chi tiết hệ thống nối đất trạm ($R = 9,23\ \Omega$) và nối đất an toàn phân xưởng ($R \le 4\ \Omega$, 13 cọc) cùng mạng lưới 7 kim thu sét Franklin phân bố đều, bao bọc toàn diện mặt bằng $864\text{ m}^2$.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Phạm vi tính toán trong đồ án giả thiết các phụ tải 3 pha phân bố hoàn toàn đối xứng, chưa xét sâu đến ảnh hưởng của sóng hài bậc cao sinh ra từ các bộ biến đổi công suất hoặc thiết bị điện tử công nghiệp.
    • Các thông số tổn thất và thời gian mất điện được tính theo giá trị trung bình thống kê quy chuẩn, chưa phản ánh đầy đủ biến động biểu đồ phụ tải thực tế theo từng ca sản xuất cụ thể trong năm.
  • Hướng phát triển:
    • Tích hợp hệ thống quản lý năng lượng (EMS) và hệ thống đo lường, giám sát điều khiển từ xa (SCADA) tại tủ phân phối chính để theo dõi chất lượng điện năng theo thời gian thực.
    • Nghiên cứu ứng dụng khởi động mềm (Soft Starter) hoặc biến tần (VFD) thay thế cho mạch khởi động Sao - Tam giác truyền thống đối với các động cơ máy ép công suất lớn ($82,51\text{ kW}$) nhằm tinh chỉnh quá trình mở máy và tối ưu hóa điện năng tiêu thụ khi non tải.

Giá trị tham khảo

Bản thuyết minh và số liệu tính toán của đồ án có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện, Kỹ thuật Cơ điện công trình (MEP), Tự động hóa tại các trường đại học kỹ thuật khi thực hiện đồ án môn học Thiết kế Cung cấp điện, Hệ thống điện tòa nhà và Đồ án tốt nghiệp.
  • Các kỹ sư thiết kế điện công nghiệp mới vào nghề, tham khảo phương pháp luận chuẩn xác từ bước phân nhóm phụ tải, tính toán chiếu sáng, lập luận kinh tế kỹ thuật chọn máy biến áp đến quy trình kiểm tra ổn định điện động, ổn định nhiệt và thiết kế hệ thống chống sét tiếp địa.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn phương án sử dụng 2 máy biến áp 280 kVA thay vì 1 máy biến áp 500 kVA?
Phương án 2 máy biến áp $280\text{ kVA}$ có tổng vốn đầu tư ban đầu thấp hơn ($152,7\text{ triệu đồng}$ so với $188\text{ triệu đồng}$) và có tổng chi phí quy đổi hàng năm thấp hơn ($73,83\text{ triệu đồng/năm}$ so với $103,61\text{ triệu đồng/năm}$). Quan trọng hơn, khi xảy ra sự cố trên 1 máy biến áp, máy còn lại có thể mang quá tải $40%$ trong 6 giờ để cấp điện liên tục cho các phụ tải quan trọng loại I và II, giúp triệt tiêu hoàn toàn thiệt hại do ngừng trệ sản xuất ($46,11\text{ triệu đồng/năm}$ ở phương án 1 máy biến áp).

2. Thiết kế chiếu sáng phân xưởng được thực hiện với các thông số cụ thể nào?
Phân xưởng sử dụng 20 bộ đèn LED High Bay HBL công suất $200\text{ W}$, quang thông mỗi đèn $23.024\text{ lm}$, nhiệt độ màu $6500\text{ K}$, treo ở độ cao $5,6\text{ m}$ (độ cao làm việc $0,8\text{ m}$). Hệ thống được bố trí thành 5 hàng $\times$ 4 cột (khoảng cách hàng $5,8\text{ m}$, khoảng cách cột $7,2\text{ m}$), đảm bảo độ rọi yêu cầu $E_{yc} = 300\text{ lux}$ trên toàn bộ diện tích $864\text{ m}^2$ với tổng công suất chiếu sáng $4\text{ kW}$.

3. Nguyên tắc phân nhóm phụ tải động lực trong phân xưởng được xây dựng như thế nào?
Các thiết bị máy móc được chia thành 4 nhóm theo 4 nguyên tắc: các thiết bị cùng nhóm có cùng chế độ làm việc; tổng công suất giữa các nhóm ít chênh lệch nhất; số lượng phụ tải trong một nhóm từ 8 đến 12 thiết bị để đồng nhất tủ phân phối; các thiết bị gần nhau được xếp chung một nhóm để rút ngắn chiều dài đường cáp hạ áp, giảm vốn đầu tư và sụt áp.

4. Mạch khởi động cho các động cơ công cụ trong phân xưởng được chọn ra sao?
Đồ án phân chia làm 2 giải pháp khởi động chính: các động cơ công suất nhỏ và vừa dưới $10\text{ kW}$ (như máy mài, máy tiện bu lông nhỏ) sử dụng phương pháp khởi động trực tiếp (DOL) để đơn giản và tiết kiệm chi phí; các động cơ công suất lớn từ $11,25\text{ kW}$ đến $82,51\text{ kW}$ (như máy ép nguội $82,51\text{ kW}$, máy ép quay $33,01\text{ kW}$ và $45\text{ kW}$, máy tiện bu lông lớn) sử dụng phương pháp khởi động Sao - Tam giác (Star - Delta) để giảm dòng mở máy xuống còn 3–4 lần dòng định mức, hạn chế sụt áp lưới điện.

5. Cấu hình hệ thống tiếp địa và chống sét cho nhà xưởng được xác định như thế nào?
Hệ thống tiếp địa phân xưởng gồm 13 cọc thép tròn dài $2,5\text{ m}$, đường kính $6\text{ cm}$ chôn sâu $0,75\text{ m}$, liên kết bằng thanh thép dẹt $50 \times 6\text{ mm}$ dài $22\text{ m}$, đảm bảo điện trở tiếp địa $R \le 4\ \Omega$ và thỏa mãn ổn định nhiệt khi ngắn mạch ($F_{min} = 66,89\text{ mm}^2 < 300\text{ mm}^2$). Hệ thống chống sét sử dụng 7 kim thu sét Franklin cao $4\text{ m}$ (4 kim trên cạnh $36\text{ m}$ và 3 kim trên cạnh $24\text{ m}$, khoảng cách giữa các kim $12\text{ m}$) đặt trên các cột cao $9\text{ m}$ và $11\text{ m}$, tạo phạm vi bảo vệ bao trùm toàn bộ nhà xưởng ở độ cao $7\text{ m}$.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế cấp điện cho phân xưởng sửa chữa cơ khí" đã giải quyết trọn vẹn và chuẩn xác bài toán kỹ thuật cung cấp điện công nghiệp từ khâu tính toán phụ tải, lựa chọn cấu trúc nguồn trạm biến áp đến thiết kế mạng lưới phân phối và an toàn tiếp địa, chống sét. Việc lựa chọn giải pháp trạm biến áp 2 máy $280\text{ kVA}$ phân đoạn cùng mạng hình tia hạ áp đã dung hòa tối ưu giữa yếu tố kỹ thuật vận hành tin cậy và chỉ tiêu kinh tế chi phí thấp. Toàn bộ tính toán, thông số khí cụ điện và sơ đồ thiết kế trong đồ án đều tuân thủ chặt chẽ các tiêu chuẩn hiện hành, mang tính thực tế và ứng dụng cao trong công tác kỹ thuật cơ điện.