Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, kỹ thuật chiếu sáng đô thị giữ vai trò trực tiếp trong việc bảo đảm an toàn giao thông, nâng cao tiện nghi thị giác ban đêm và định hình diện mạo kiến trúc cảnh quan. Tại thành phố Hải Phòng, sự gia tăng nhanh chóng về mật độ phương tiện và mở rộng các tuyến trục giao thông đòi hỏi hệ thống chiếu sáng công cộng phải liên tục được cải tạo, nâng cấp nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật vận hành và giảm thiểu tai nạn giao thông. Đồ án "Thiết kế chiếu sáng đường Thế Lữ – Hải Phòng" được thực hiện bởi sinh viên Vũ Trọng Ngọc Anh, dưới sự hướng dẫn của GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng (năm 2019), xuất phát từ đòi hỏi thực tế về hiện đại hóa mạng lưới điện chiếu sáng đô thị và yêu cầu cấp bách về tiết kiệm điện năng thông qua nguồn sáng rắn.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Hệ thống hóa các nguyên lý cơ bản về quang học chiếu sáng ngoài trời, tiêu chuẩn chiếu sáng đô thị và phương pháp tính toán cấp điện cho mạng chiếu sáng công cộng.
  2. Khảo sát, phân tích hiện trạng kết cấu mạng điện và hệ thống đèn cao áp Sodium hiện hữu trên tuyến đường Thế Lữ; tính toán kiểm tra tổn thất điện áp trên các nhánh phụ tải và đề xuất giải pháp cấp điện tạm thời khi lưới điện khu vực bị quá tải.
  3. Nghiên cứu công nghệ nguồn sáng LED, đề xuất phương án và tính toán thiết kế kỹ thuật thay thế toàn bộ hệ thống đèn cao áp cũ bằng đèn LED tiết kiệm điện năng.
  4. Tính toán, kiểm tra các chỉ tiêu kỹ thuật quang học (độ rọi trung bình, độ rọi cực tiểu, độ rọi cực đại, độ đồng đều) và tính chọn tiết diện dây dẫn tương ứng cho phương án đèn LED.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống cung cấp điện và thiết bị chiếu sáng nhân tạo ngoài trời trên tuyến đường Thế Lữ, thành phố Hải Phòng. Phạm vi nghiên cứu về không gian bao gồm toàn bộ chiều dài tuyến đường 2.000 m (1 làn đường chính, 1 làn đường phụ cùng các dải phân cách) và các đoạn tuyến trục liên quan kéo dài đến lý trình KM5+290. Phạm vi về thời gian và kỹ thuật tập trung vào giai đoạn năm 2019, trong bối cảnh hạ tầng nguồn 22 kV của khu vực chưa hoàn thiện đồng bộ, đòi hỏi giải pháp phối hợp vận hành tạm thời trước khi chuyển giao sang hệ thống đèn LED hoàn chỉnh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết quang học kỹ thuật và lý thuyết mạng lưới truyền tải - phân phối điện hạ thế:

  • Các đại lượng quang học cơ bản: Góc khối $\Omega$ (đơn vị steradian - sr); Cường độ sáng $I$ (đơn vị candela - cd, xác định theo nguồn phát bức xạ đơn sắc tần số $540 \times 10^{12}\text{ Hz}$ ứng với bước sóng $\lambda = 555\text{ nm}$ và cường độ năng lượng $1/683\text{ W/sr}$); Quang thông $\Phi$ (đơn vị lumen - lm); Độ rọi $E$ (đơn vị lux - lx, tỷ số giữa quang thông và diện tích bề mặt nhận sáng $E = \Phi / S$); Độ chói $L$ (đơn vị $\text{cd/m}^2$, tỷ số giữa cường độ sáng và diện tích biểu kiến).
  • Định luật Lambert: Áp dụng cho các bề mặt phản xạ khuếch tán hoàn toàn, trong đó độ chói $L$ không phụ thuộc vào góc quan sát ($L = \rho \cdot E / \pi$, với $\rho$ là hệ số phản xạ). Văn bản chỉ rõ giới hạn thực tế là bề mặt đường giao thông có tính chất phản xạ hỗn hợp nên không tuân thủ hoàn toàn định luật này mà phụ thuộc vào bản chất lớp phủ mặt đường.
  • Chỉ số chói lóa $G$ (Glare Index): Thang đánh giá từ mức 1 (không chịu được) đến mức 9 (không cảm nhận được); trong thiết kế chiếu sáng đường phải giữ ở mức $G \ge 5$ (mức chấp nhận được).
  • Tiêu chuẩn phân cấp chiếu sáng: Dẫn chiếu hệ thống phân loại 5 cấp chiếu sáng đường bộ của Ủy ban Chiếu sáng Quốc tế (CIE) từ cấp A đến cấp E (với các yêu cầu về độ chói trung bình từ 1 đến $2\text{ cd/m}^2$, độ đồng đều chung $U_0 \ge 0,4$, độ đồng đều dọc $U_1 \ge 0,7$).
  • Lý thuyết tính toán sụt áp và tiết diện dây dẫn: Điện áp rơi trên đường dây một pha tính theo biểu thức $\Delta U = R \cdot I \cdot \cos\varphi + L\omega \cdot I \cdot \sin\varphi$. Khi hệ thống được bù hệ số công suất $\cos\varphi \approx 0,85$, biểu thức tính gần đúng là $\Delta U = R \cdot I$. Khi phụ tải gồm $n$ đèn công suất bằng nhau đặt cách đều trên khoảng cách $l$, tổn thất điện áp tổng được xác định bằng cách quy đổi toàn bộ phụ tải tập trung tại điểm giữa của chiều dài đường dây: $\Delta U = \rho \cdot I_t \cdot L / (2S)$ (với mạng một pha) và $\Delta U = \rho \cdot I_t \cdot L / (2\sqrt{3}S)$ (với mạng ba pha sao trung tính). Điện trở suất quy ước ở nhiệt độ kim loại ruột cáp $65^\circ\text{C}$ là $\rho_{\text{đồng}} = 22\ \Omega\cdot\text{mm}^2/\text{km}$ và $\rho_{\text{nhôm}} = 23\ \Omega\cdot\text{mm}^2/\text{km}$. Giới hạn sụt áp cho phép cuối đường dây không vượt quá 3% (tương đương 6,6 V tại đầu cực đèn 220 V).

Các văn bản quy chuẩn và tiêu chuẩn kỹ thuật được áp dụng trong đồ án:

  • Quy phạm trang bị điện số 11-TCN 19-84.
  • Tiêu chuẩn đèn điện chiếu sáng thành phố TCVN 5828:1994.
  • Tiêu chuẩn thiết kế chiếu sáng nhân tạo 20TCN 95-83 và TCXD 95-1093.
  • Nghị định số 54 của Thủ tướng Chính phủ về bảo vệ hành lang an toàn lưới điện cao áp.
  • Các tiêu chuẩn của Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC).

Phương pháp nghiên cứu được triển khai:

  • Phương pháp phân tích giải tích kỹ thuật: Tính toán dòng điện định mức, dòng phụ tải làm việc, tổn thất điện áp trên từng đoạn cáp, lựa chọn dung lượng máy biến áp và kiểm tra khả năng chịu dòng ngắn mạch ($S_n = 34,6\text{ MVA}$).
  • Phương pháp mô phỏng và tra cứu trắc quang: Ứng dụng phần mềm tính toán trắc quang của Schreder đối với đèn truyền thống ONYX2 và phần mềm phân tích chiếu sáng đường để thiết lập lưới tính toán $12 \times 9$ điểm cho các phương án đèn LED.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu đo đạc thực tế mặt bằng đường Thế Lữ; các thông số vận hành của Công ty Điện lực Hải Phòng; thông số trắc quang của dòng đèn LED model A-1-75-CCIM, A-1-100-CCIM và L12-L1.A-1-150-CCIM.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kỹ thuật được thiết kế cho tuyến đường Thế Lữ là mạng lưới cấp điện và chiếu sáng ngoài trời đồng bộ, kết hợp giữa trạm biến áp, tủ điều khiển, hệ thống cáp ngầm và hệ thống cột đèn.

Cấu trúc nguồn cấp và trạm biến áp

  • Trạm biến áp 50 kVA – 22/0,4 kV: Sử dụng trạm kiểu treo trên 01 cột bê tông ly tâm cao 12 m. Máy biến áp ba pha 2 cuộn dây đấu nối sao/sao trung tính ($Y/Y_0-12$), làm mát bằng dầu tuần hoàn tự nhiên, treo ở độ cao 3 đến 4 m. Phía cao thế trang bị cầu chì tự rơi FCO 22 kV – 5 A và van chống sét 22 kV. Phía hạ thế bảo vệ bằng aptomat tổng dòng định mức 100 A (khi tính toán cho 1 trạm điển hình cấp cho 20 cột đèn chiếu sáng $2 \times 250\text{ W}$ và 20 cột đèn trang trí $2 \times 150\text{ W}$) hoặc aptomat tổng NS400N (400 A) kết hợp các aptomat nhánh C100E (100 A) của hãng Merlin Gerin. Hệ thống tiếp địa trạm gồm 6 cọc thép góc $L75 \times 75 \times 7\text{ mm}$ dài 2,5 m chôn sâu, khoảng cách giữa các cọc tối thiểu 2,5 m, liên kết bằng thanh thép dẹt $40 \times 4\text{ mm}$ và dây thép tròn $\Phi 12$, bảo đảm điện trở nối đất $R_{\text{đ}} \le 4\ \Omega$.
  • Nguồn cấp cho toàn tuyến Thế Lữ: Sử dụng 5 trạm biến áp hạ thế hiện hữu gồm T14 (cấp cho tủ T1, T2 bằng cáp $3\times 50 + 1\times 25\text{ mm}^2$), T7 (cấp cho tủ T3, T4 bằng cáp $3\times 95 + 1\times 50\text{ mm}^2$), T5 (cấp cho tủ T5, T6 bằng cáp $3\times 50 + 1\times 25\text{ mm}^2$), T3 (cấp cho tủ T7, T8 bằng cáp $3\times 50 + 1\times 25\text{ mm}^2$), T1 (cấp cho tủ T9, T10 bằng cáp $3\times 95 + 1\times 50\text{ mm}^2$).
  • Phương án cấp điện tạm thời: Trong giai đoạn tuyến trung áp 22 kV chưa hoàn chỉnh và lưới hạ thế bị quá tải, giải pháp kỹ thuật là lấy nguồn từ trạm biến áp T7 thuộc lộ 8A để cấp cho toàn bộ tuyến đèn từ lý trình KM1+193 đến KM5+290 thông qua việc cấp nguồn phía sau Quốc lộ 5 và nối thông các nhánh cáp.

Hệ thống phân phối cáp và tủ điều khiển

  • Cáp phân phối hạ áp: Cáp trục dọc tuyến sử dụng loại cáp đồng bọc cách điện XLPE, vỏ bảo vệ PVC ký hiệu Cu/XLPE/PVC ($3\times 25 + 1\times 16\text{ mm}^2$), luồn trong ống nhựa xoắn chịu lực FEP đường kính D80 đặt trong rãnh cáp ngầm; tại các vị trí băng qua đường giao thông, cáp được luồn trong ống thép chịu lực D90. Cáp dẫn từ tủ lên từng bộ đèn sử dụng cáp Cu/XLPE/PVC ($2\times 2,5\text{ mm}^2$).
  • Tủ điều khiển chiếu sáng: Chế tạo bằng thép tấm sơn tĩnh điện đặt trên dải phân cách. Hệ thống đóng cắt tự động gồm 01 aptomat tổng đầu vào, 01 rơ le thời gian và 02 khởi động từ (contactor) thiết lập 3 chế độ vận hành: ban ngày tắt toàn bộ, chập tối bật 100% số đèn, đêm khuya tắt 50% số đèn để tiết kiệm điện. Hệ thống dự phòng chế độ thao tác bằng tay (MAN) sử dụng 6 aptomat một pha và 02 cầu đấu dây.
  • Nối đất an toàn: Tất cả vỏ tủ điện và chân cột đèn đều được đóng cọc tiếp địa bằng thép góc $L63 \times 63 \times 6\text{ mm}$ dài 0,8 m, thực hiện nối đất lặp lại dây trung tính cự ly 300 m/lần, bảo đảm điện trở nối đất $R_{\text{nđ}} < 10\ \Omega$. Dây tiếp địa an toàn sử dụng dây đồng M16 chạy suốt hệ thống.

Kết cấu cơ khí cột và đèn

  • Cột đèn tuyến trục: Cột thép bát giác côn mạ kẽm nhúng nóng cao 11 m, độ vươn cần đèn 1,8 m (chiều dài cần thực tế 1,7 m), góc nghiêng cần so với phương ngang từ $10^\circ$ đến $15^\circ$, khoảng cách giữa các cột $e = 35\text{ m}$ (tối đa 40 m). Tại dải phân cách giữa bố trí cột thép bát giác cần kép cao 10 m. Móng cột 11 m và 17 m đổ bê tông tại chỗ mác 50 đá $1\times 2$.
  • Cụm đèn pha nút giao thông: Tại nút giao KM0 và KM2+387 lắp cột thép cao 25 m móng bê tông mác 200, mỗi cột bố trí giàn 8 đèn pha công suất 1.000 W. Tại các nút giao KM1+193, KM4+147, KM4+448 và KM5+290 lắp đặt cột thép cao 17 m, bố trí từ 6 đến 8 đèn pha Sodium 400 W.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung về chiếu sáng đô thị

Chương này khái quát vai trò của điện năng và kỹ thuật chiếu sáng trong phát triển đô thị hiện đại, nêu bật các bước phát triển của hệ thống chiếu sáng công cộng tại Việt Nam và thành phố Hải Phòng từ đóng cắt thủ công sang hệ thống tự động. Tác giả trình bày hệ thống lý thuyết quang học (góc khối, candela, quang thông, độ rọi, độ chói, định luật Lambert) và các tiêu chí chất lượng chiếu sáng đường (độ chói trung bình khi người lái xe quan sát ở cự ly 100 m, độ đồng đều ngang/dọc, kiểm soát chói lóa theo chỉ số $G$). Trong phần kỹ thuật cung cấp điện, chương 1 trình bày chi tiết công thức tính sụt áp, phân tích so sánh các sơ đồ phân phối điện:

Phương thức phân phối Số lượng dây dẫn Dòng điện trên dây pha Tiết diện dây dẫn tương đối Trọng lượng dây dẫn tương đối
Một pha 220 V 2 $I$ $S_m$ $2 S_m$
Ba pha sao trung tính ($Y_n$ 220/380 V) $3 + 1$ $I / 3$ $S_m / 3$ $0,89 S_m$
Ba pha tam giác ($D$ 220 V) 3 $I / \sqrt{3}$ $S_m / \sqrt{3}$ $1,15 S_m$

Chương này kết thúc bằng phần tính toán mẫu một trạm biến áp treo điển hình 50 kVA – 22/0,4 kV (với dòng điện tính toán cao áp $I_{\text{tt}} = 1,3\text{ A}$, chọn dây dẫn trên không AC-35, cầu chì tự rơi FCO 22 kV – 5 A loại C710-213 PB của hãng CHANGE, chống sét van 22 kV và hệ số tiếp địa an toàn $\le 4\ \Omega$).

Chương 2: Thiết kế chiếu sáng đường Thế Lữ – Hải Phòng

Chương 2 tập trung vào hiện trạng kỹ thuật tuyến đường Thế Lữ với chiều dài 2.000 m, quy mô 1 làn đường chính, mật độ giao thông thiết kế trên 2.000 xe/h. Tác giả đối chiếu các điều kiện môi trường ven biển Hải Phòng (nhiệt độ không khí từ $5^\circ\text{C}$ đến $41^\circ\text{C}$, độ ẩm cực đại 100% tại $40^\circ\text{C}$, yêu cầu chống hơi nước mặn) với các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành (TCVN 5828:1994, 20TCN 95-83). Yêu cầu đối với đường trục đạt: độ chói trung bình $\ge 1,6\text{ cd/m}^2$, độ đồng đều ngang $> 40%$, độ đồng đều dọc $> 70%$.

Hệ thống hiện hữu trên toàn tuyến vận hành 574 bộ đèn cao áp gián tiếp có chấn lưu tụ (chỉ số bảo vệ IP66), gồm 16 bóng 1 kW, 24 bóng 0,4 kW và 534 bóng 0,25 kW bóng Sodium. Nguồn cấp lấy từ 5 trạm biến áp (T14, T7, T5, T3, T1) phân bổ cho 10 tủ điện nhánh. Chương 2 cung cấp bảng kiểm tra tính toán sụt áp trên các tuyến cáp điển hình:

Tuyến cáp nhánh điển hình Tiết diện ruột cáp ($\text{mm}^2$) Chiều dài ($m$) Công suất tiêu thụ ($kW$) Tổn thất điện áp $\Delta U$ ($V$) Tổn thất điện áp $\Delta U%$ (%)
TBAT14 $\rightarrow$ Tủ T1 $3\times 50 + 25$ 350 36 13,12 3,45
Tủ T1 $\rightarrow$ Nhánh 2 $3\times 25 + 16$ 821 16 19,80 5,21
Tủ T2 $\rightarrow$ Nhánh 2 $3\times 25 + 16$ 730 8 5,13 1,35
Tủ T3 $\rightarrow$ Nhánh 2 $3\times 25 + 16$ 942 - 13,06 3,44
Tủ T4 $\rightarrow$ Nhánh 2 $3\times 25 + 16$ 866 10 8,13 2,14
Tủ T5 $\rightarrow$ Nhánh 2 $3\times 25 + 16$ 436 - 5,10 1,34
Tủ T6 $\rightarrow$ Nhánh 2 $4\times 10$ 255 8 9,90 2,60
Tủ T7 $\rightarrow$ Nhánh 2 $3\times 25 + 16$ 1009 - 13,80 3,63
Tủ T8 $\rightarrow$ Nhánh 2 $3\times 25 + 16$ 842 - 9,15 2,41
Tủ T9 $\rightarrow$ Nhánh 2 $3\times 25 + 16$ 1010 - 13,20 3,47
Tủ T10 $\rightarrow$ Nhánh 2 $3\times 25 + 16$ 1065 - 14,00 3,68

Kết quả đo đạc trắc quang thực tế của hệ thống hiện hữu đạt độ rọi trung bình $E_{\text{av}} = 27,8\text{ lx}$, độ rọi cực tiểu $E_{\text{min}} = 13,5\text{ lx}$, độ rọi cực đại $E_{\text{max}} = 57,5\text{ lx}$, độ đồng đều $u_0 = 48,5%$ và tỷ số $E_{\text{min}}/E_{\text{max}} = 0,235$.

Chương 3: Đề xuất phương án sử dụng đèn LED

Chương 3 khảo cứu sự phát triển công nghệ đi-ốt phát quang (từ phát minh của Nick Holonyak Jr năm 1962 đến công trình chế tạo LED trắng của GS. Shuji Nakamura). Tác giả tổng hợp dữ liệu kinh tế kỹ thuật của thị trường bán dẫn toàn cầu năm 2008 (quy mô thị trường LED đạt 5,1 tỷ USD; xuất xưởng 70,8 tỷ bóng, trong đó chiếu sáng LCD chiếm 8 tỷ bóng; dự báo năm 2012 đạt 167 tỷ bóng) và các trường hợp ứng dụng thực tế: hệ thống đèn pha LED 10 W trên xe Audi R8 (thay thế đèn halogen/xenon 150 W).

Tại Việt Nam, chương 3 trích dẫn thành tựu chế tạo 150 đèn sạc bóng LED công nghệ nano đầu tiên tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano (LNT) thuộc Đại học Quốc gia TP.HCM với 4 model (SLL01, SLL02, SLL03, SLL04, tuổi thọ 100.000 giờ) và hệ thống chiếu sáng mỹ thuật cầu Sông Hàn, cầu Thuận Phước (Đà Nẵng) do Công ty Kim Đỉnh thực hiện (sử dụng bóng LED ma trận 25 W, chuẩn bảo vệ IP65, điều khiển đổi màu theo nhạc bằng bộ điều khiển DMX). Tác giả so sánh hiệu năng phát quang giữa LED trắng ấm ($25 - 44\text{ lm/W}$), LED trắng lạnh ($47 - 64\text{ lm/W}$) và đèn huỳnh quang gia dụng ($10 - 18\text{ lm/W}$), đồng thời nhấn mạnh yêu cầu tản nhiệt bộ đèn và ưu thế của điều khiển kỹ thuật số (digital) so với điều khiển tương tự (analog).

Chương 4: Tính toán thiết kế chiếu sáng đường Thế Lữ sử dụng đèn LED

Chương này xây dựng mô hình tính toán hình học thực tế của tuyến đường: dải phân cách giữa rộng 4 m; hai làn đường chính rộng $10,5\text{ m}$; dải phân cách biên rộng 4,5 m; làn đường phụ rộng 7 m. Thông số bố trí cột: chiều cao danh định $h = 11\text{ m}$ (chiều cao tính toán $10,798\text{ m}$, chiều cao thực $10,7\text{ m}$), độ vươn cần $s = 1,8\text{ m}$ (chiều dài cần $1,7\text{ m}$), góc nghiêng cần $10^\circ$, độ thụt đầu đèn $a = -0,533\text{ m}$, khoảng cách cột $e = 35\text{ m}$ ($e_{\text{max}} = 40\text{ m}$). Tác giả thiết lập 3 phương án tính toán kỹ thuật:

  • Phương án 1: Đèn LED 75 W (Model A-1-75-CCIM, điện áp AC $85 - 256\text{ V}$, tần số $47 - 63\text{ Hz}$, quang thông $> 6.000\text{ lm}$, hiệu suất $80\text{ lm/W}$). Cường độ sáng cực đại tại góc $70^\circ$ là $305\text{ cd/klm}$, tại $80^\circ$ là $80\text{ cd/klm}$, tại $90^\circ$ là $3,64\text{ cd/klm}$. Xếp loại phân bố cường độ sáng cấp G2, phân bố độ chói cấp D.
  • Phương án 2: Đèn LED 100 W (Model A-1-100-CCIM, quang thông $> 8.000\text{ lm}$, hiệu suất $80\text{ lm/W}$). Cường độ sáng cực đại tại góc $70^\circ$ là $405\text{ cd/klm}$, tại $80^\circ$ là $91\text{ cd/klm}$, tại $90^\circ$ là $4,84\text{ cd/klm}$. Xếp loại cường độ sáng cấp G2, độ chói cấp D.
  • Phương án 3: Đèn LED 150 W (Model L12-L1.A-1-150-CCIM, quang thông $> 11.250\text{ lm}$, hiệu suất $100\text{ lm/W}$). Cường độ sáng tại góc $70^\circ$ đạt $605\text{ cd/klm}$, tại $80^\circ$ là $111\text{ cd/klm}$, tại $90^\circ$ là $5,94\text{ cd/klm}$. Chương này cũng tổng hợp kết quả mô phỏng độ rọi trên lưới $12 \times 9$ điểm và bảng phân phối độ rọi tâm theo chiều cao treo đèn từ 7 m đến 12 m.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đưa ra các kết quả định lượng cụ thể từ việc khảo sát hệ thống hiện hữu và tính toán quang học cho các phương án đèn LED thay thế trên tuyến đường Thế Lữ:

Chỉ tiêu kỹ thuật trắc quang Hệ thống hiện trạng (Bóng Sodium) Phương án LED 75 W (A-1-75-CCIM) Phương án LED 100 W (A-1-100-CCIM) Phương án LED 150 W (L12-L1.A-1-150-CCIM)
Công suất bộ đèn ($W$) 250 / 400 / 1.000 75 100 150
Quang thông bộ đèn ($lm$) - $> 6.000$ $> 8.000$ $> 11.250$
Hiệu suất phát quang ($lm/W$) - 80 80 100
Độ rọi trung bình $E_{\text{av}}$ ($lx$) 27,8 8,0 12,0 -
Độ rọi cực tiểu $E_{\text{min}}$ ($lx$) 13,5 4,52 6,89 -
Độ rọi cực đại $E_{\text{max}}$ ($lx$) 57,5 18,0 23,0 -
Tỷ số đồng đều $E_{\text{min}} / E_{\text{max}}$ 0,235 0,251 0,300 -
Phân bố độ rọi tâm ở $H=8\text{ m}$ ($lx$) - 21,85 29,68 41,40
Phân bố độ rọi tâm ở $H=10\text{ m}$ ($lx$) - 14,25 19,08 26,30
Phân bố độ rọi tâm ở $H=11\text{ m}$ ($lx$) - - 15,90 21,20
Phân bố độ rọi tâm ở $H=12\text{ m}$ ($lx$) - - 12,72 18,20

Các giải pháp và đóng góp kỹ thuật chính của đồ án gồm:

  • Thiết lập hồ sơ tính toán hoàn chỉnh cho mạng hạ thế chiếu sáng công cộng đường Thế Lữ, xác định chính xác tổn thất điện áp trên 11 nhánh cáp hạ thế (sụt áp từ 1,34% đến 5,21%).
  • Đề xuất phương án vận hành kỹ thuật cấp điện tạm thời bằng cách gom tải về trạm biến áp T7 lộ 8A qua Quốc lộ 5, giải quyết điểm nghẽn hạ tầng khi nguồn trung áp 22 kV chưa đồng bộ.
  • Chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật của việc thay thế 574 bộ đèn phóng điện Sodium công suất lớn ($250\text{ W} - 1.000\text{ W}$) bằng đèn LED công suất thấp hơn ($75\text{ W} - 150\text{ W}$). Phương án LED 100 W đem lại tỷ số đồng đều $E_{\text{min}}/E_{\text{max}} = 0,300$, cao hơn đáng kể so với mức 0,235 của hệ thống đèn cũ, đồng thời thỏa mãn phân bố cường độ sáng lớp G2 và cấp chói D theo tiêu chuẩn quốc tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Phạm vi nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc tính toán trắc quang độ rọi và sụt áp trên lưới phân phối mẫu, chưa đưa ra bảng thống kê tổng hợp chi phí đầu tư ban đầu (CAPEX) và tính toán chi tiết thời gian thu hồi vốn đối với phương án thay thế 574 bộ đèn trên toàn tuyến.
  • Dữ liệu mô phỏng chiếu sáng LED trong chương 4 mới hiển thị chi tiết kết quả phân bố độ rọi mặt đường cho phương án 75 W và 100 W; phương án LED 150 W chỉ dừng lại ở bảng tra độ rọi tâm theo chiều cao mà chưa xuất lưới cách ly độ rọi đầy đủ trên toàn mặt cắt $22\text{ m}$.
  • Phương án cấp điện tạm thời từ trạm T7 phụ thuộc hoàn toàn vào khả năng mang tải của một lộ đường dây duy nhất, tiềm ẩn nguy cơ sụt áp sâu khi vận hành đồng thời toàn tuyến kéo dài tới KM5+290.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:

  • Hoàn thiện bài toán kinh tế năng lượng: Lập bảng tính toán điện năng tiêu thụ hàng năm, chi phí vận hành bảo dưỡng giữa bóng Sodium và bóng LED để xác định điểm hoàn vốn đầu tư.
  • Nghiên cứu tích hợp hệ thống điều khiển thông minh: Áp dụng công nghệ điều khiển tiết giảm công suất theo thời gian thực (dimming) hoặc điều khiển kỹ thuật số DMX/PLC để giảm thêm công suất tiêu thụ vào khung giờ thấp điểm đêm khuya.
  • Khảo nghiệm đo đạc thực tế: Đo đạc kiểm chứng độ chói mặt đường ($L$) và độ rọi ($E$) bằng thiết bị chuyên dụng sau khi lắp đặt thực tế trong điều kiện khí hậu ẩm và sương muối đặc thù của thành phố Hải Phòng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng sau:

  • Sinh viên chuyên ngành Điện tự động công nghiệp, Hệ thống điện, Kỹ thuật chiếu sáng đô thị: Tham khảo cấu trúc một đồ án tốt nghiệp kỹ thuật hoàn chỉnh từ khâu tính toán nguồn, chọn trạm biến áp, bảo vệ chống sét, tính sụt áp đường dây đến ứng dụng phần mềm tính toán trắc quang.
  • Kỹ sư thiết kế điện chiếu sáng công cộng: Khai thác các bảng số liệu thực tế về sụt áp của mạng hạ thế Cu/XLPE/PVC, quy cách thiết kế trạm treo 50 kVA và các bảng phân phối độ rọi tâm theo chiều cao treo đèn ($7\text{ m} - 12\text{ m}$) của các dòng đèn LED công nghiệp 75 W, 100 W và 150 W.
  • Cơ quan quản lý hạ tầng chiếu sáng đô thị: Tham khảo mô hình phân đoạn đóng cắt 3 chế độ (ngày tắt, tối bật 100%, khuya bật 50%) và giải pháp cấp điện tạm thời trong quá trình cải tạo, đồng bộ hóa lưới điện khu vực.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tuyến đường Thế Lữ hiện hữu đang sử dụng bao nhiêu bóng đèn chiếu sáng và cơ cấu công suất như thế nào? Theo số liệu thống kê ở Chương 2, toàn bộ tuyến đường Thế Lữ hiện hữu đang lắp đặt tổng cộng 574 bóng đèn cao áp Sodium, bao gồm 16 bóng công suất 1.000 W (lắp trên các cột đèn pha cao 25 m tại nút giao KM0 và KM2+387), 24 bóng công suất 400 W (lắp trên các cột pha cao 17 m tại các nút giao KM1+193, KM4+147, KM4+448, KM5+290) và 534 bóng công suất 250 W (loại đèn ONYX2 lắp trên các cột thép bát giác cao 10 m và 11 m dọc tuyến).

  2. Tại sao đồ án phải đưa ra phương án cấp điện tạm thời cho hệ thống chiếu sáng? Nguyên nhân là tại thời điểm thực hiện đồ án, tuyến cáp trung áp 22 kV và hệ thống các trạm biến áp dọc tuyến chưa được đưa vào vận hành đồng bộ, trong khi mạng lưới hạ thế của khu vực đã rơi vào tình trạng quá tải. Để đáp ứng yêu cầu cấp bách của thành phố về việc đóng điện chiếu sáng bảo đảm an toàn giao thông, giải pháp tạm thời là đấu nối lấy nguồn từ một trạm duy nhất là trạm biến áp T7 thuộc lộ 8A (vốn đủ điều kiện đóng điện) để cấp cho toàn bộ tuyến đèn kéo dài từ KM1+193 đến KM5+290 thông qua việc cấp nguồn phía sau Quốc lộ 5 và nối thông các nhánh cáp.

  3. Kết quả tính toán quang học của phương án thay thế bằng đèn LED 100 W (Model A-1-100-CCIM) đạt được những chỉ số nào? Phương án đèn LED 100 W có quang thông danh định $> 8.000\text{ lm}$, hiệu suất phát quang $80\text{ lm/W}$. Khi lắp đặt trên cột cao danh định 11 m (chiều cao thực tế $10,7\text{ m}$), cần vươn 1,7 m, góc nghiêng $10^\circ$, khoảng cách cột 35 m trên mặt cắt đường 22 m, kết quả mô phỏng trên lưới $12 \times 9$ điểm đạt: độ rọi trung bình $E_{\text{av}} = 12\text{ lx}$, độ rọi cực tiểu $E_{\text{min}} = 6,89\text{ lx}$, độ rọi cực đại $E_{\text{max}} = 23\text{ lx}$, tỷ số đồng đều $E_{\text{min}}/E_{\text{max}} = 0,300$, phân bố cường độ sáng đạt cấp G2 và phân bố độ chói đạt cấp D.

  4. Cấu hình bảo vệ và tiếp địa của trạm biến áp treo 50 kVA – 22/0,4 kV trong đồ án được thiết kế như thế nào? Trạm biến áp 50 kVA được treo trên cột bê tông ly tâm cao 12 m. Phía cao thế 22 kV được bảo vệ ngắn mạch và quá tải bằng cầu chì tự rơi FCO 22 kV – 5 A (loại C710-213 PB do hãng CHANGE chế tạo) kết hợp chống sét van 22 kV. Phía hạ thế sử dụng aptomat tổng định mức 100 A hoặc aptomat khối NS400N (400 A) kết hợp các aptomat nhánh C100E (100 A) của Merlin Gerin. Hệ thống nối đất trạm gồm 6 cọc thép góc $L75 \times 75 \times 7\text{ mm}$ dài 2,5 m, liên kết bằng sắt dẹt $40 \times 4\text{ mm}$, bảo đảm điện trở nối đất $R_{\text{đ}} \le 4\ \Omega$.

  5. Hệ thống tủ điện điều khiển chiếu sáng trên tuyến đường thực hiện việc đóng cắt tiết kiệm điện bằng cơ chế nào? Mỗi tủ điện điều khiển được trang bị 01 aptomat tổng đầu vào, 01 rơ le thời gian và 02 contactor khởi động từ, vận hành theo 3 chế độ tự động định sẵn theo thời gian: ban ngày tự động ngắt điện toàn bộ hệ thống, buổi tối đóng điện bật 100% số lượng đèn, và sau nửa đêm (khung giờ khuya vắng phương tiện) tự động cắt nguồn 1 nhánh để tắt bớt 50% số đèn nhằm tiết kiệm điện năng. Tủ cũng bố trí công tắc chuyển mạch sang chế độ vận hành thủ công (MAN) với 6 aptomat nhánh 1 pha.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế chiếu sáng đường Thế Lữ – Hải Phòng" của tác giả Vũ Trọng Ngọc Anh đã giải quyết trọn vẹn bài toán kỹ thuật từ việc đánh giá hiện trạng mạng điện và trắc quang của hệ thống 574 đèn cao áp Sodium hiện hữu đến việc tính toán, đề xuất giải pháp thay thế đồng bộ bằng công nghệ đèn LED. Bằng các phương pháp tính toán giải tích sụt áp mạng hạ thế kết hợp mô phỏng trắc quang cho ba dải công suất LED 75 W, 100 W và 150 W, tác giả đã chứng minh phương án đèn LED 100 W hoàn toàn đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật về độ rọi, tính đồng đều và chất lượng thị giác. Công trình cung cấp giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng thực tế cao đối với công tác cải tạo, nâng cấp hệ thống hạ tầng chiếu sáng đô thị theo hướng tiết kiệm năng lượng và phù hợp với điều kiện khí hậu ven biển Hải Phòng.