Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

  • Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn: Nhu cầu sử dụng năng lượng điện tại các khu đô thị lớn ngày càng tăng cao, đặc biệt là tại các công trình nhà ở cao tầng và khu chung cư phức hợp. Phụ tải điện là thông số đầu vào cơ bản và mang tính quyết định trong toàn bộ quy trình tính toán, thiết kế hệ thống cung cấp điện. Việc xác định phụ tải chính xác có ảnh hưởng trực tiếp đến các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật: nếu tính toán phụ tải quá lớn sẽ làm tăng dung lượng thiết bị, dẫn đến lãng phí vốn đầu tư ban đầu; ngược lại, nếu tính toán phụ tải quá nhỏ sẽ dẫn tới hiện tượng vận hành quá tải, gây mất điện cục bộ hoặc nguy cơ cháy nổ, phá hủy công trình điện. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, đồ án tập trung xây dựng phương án thiết kế cung cấp điện toàn diện cho một tòa nhà chung cư cao tầng tại khu vực nội thành.
  • Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:
    1. Nhiệm vụ 1: Xác định chính xác phụ tải tính toán sinh hoạt, phụ tải động lực (thang máy, trạm bơm kỹ thuật) và chiếu sáng ngoài trời; tính toán bù công suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số công suất $\cos\varphi$ của toàn tòa nhà.
    2. Nhiệm vụ 2: Lựa chọn vị trí đặt trạm, tính chọn tiết diện dây dẫn trung áp cấp nguồn từ lưới $22\text{ kV}$, và so sánh kinh tế – kỹ thuật giữa các phương án máy biến áp (MBA) để chọn cấu hình trạm biến áp tối ưu.
    3. Nhiệm vụ 3: Thiết kế, so sánh và lựa chọn phương án đi dây trục chính từ tủ phân phối tổng hạ áp đến các tủ phân phối tầng và các phụ tải động lực.
    4. Nhiệm vụ 4: Tính toán dòng ngắn mạch tại các điểm đặc trưng trong mạng điện theo tiêu chuẩn quốc tế IEC 60909; tiến hành kiểm tra ổn định nhiệt của cáp điện, kiểm tra ổn định động/nhiệt của thanh cái và lựa chọn toàn bộ thiết bị đóng cắt, bảo vệ, đo lường phía trung áp và hạ áp.
    5. Nhiệm vụ 5: Thiết kế sơ đồ nguyên lý và bố trí mạng điện chiếu sáng, cấp nguồn thiết bị gia dụng cho các căn hộ điển hình.
  • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
    • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cung cấp điện tổng thể bao gồm phần trung áp $22\text{ kV}$, trạm biến áp $22/0,4\text{ kV}$, hệ thống phân phối hạ áp $0,4\text{ kV}$ và mạng điện căn hộ.
    • Phạm vi không gian: Tòa nhà chung cư quy mô 25 tầng đặt tại khu vực nội thành của một thành phố lớn, bao gồm 3 loại hình căn hộ ($70\text{ m}^2$, $100\text{ m}^2$, $120\text{ m}^2$), hệ thống thang máy, hệ thống bơm nước kỹ thuật, chiếu sáng ngoài trời và trạm biến áp đặt tại tầng hầm.
    • Phạm vi thời gian và học thuật: Đồ án môn học Cung cấp điện được hoàn thành vào tháng 11 năm 2024 tại Khoa Kỹ thuật Điện, Trường Đại học Điện Lực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

  • Khung lý thuyết và mô hình áp dụng:
    • Lý thuyết tính toán phụ tải điện bằng phương pháp suất phụ tải trên một đơn vị diện tích, kết hợp hệ số nhu cầu ($k_{nc}$) và hệ số đồng thời ($k_{đt}$).
    • Phương pháp hệ số tham gia vào cực đại để xác định phụ tải tính toán tổng hợp của toàn tòa nhà theo hai chế độ: cực đại ngày và cực đại đêm.
    • Lý thuyết bù công suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số công suất tự nhiên và cưỡng bức theo quy chuẩn vận hành lưới điện.
    • Phương pháp mật độ dòng kinh tế ($J_{kt}$) để lựa chọn tiết diện cáp dẫn trung áp; phương pháp tổn thất điện áp cho phép ($\Delta U_{cp}$) và dòng phát nóng cho phép ($I_{cp}$).
    • Phương pháp hàm chi phí tính toán quy đổi ($Z$) để so sánh, đánh giá hiệu quả kinh tế – kỹ thuật giữa các phương án máy biến áp và phương án đi dây hạ thế.
    • Tiêu chuẩn tính toán ngắn mạch quốc tế IEC 60909 áp dụng cho cả phía trung áp và phía hạ áp.
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp phân tích – tổng hợp: Phân loại các nhóm phụ tải theo đặc tính làm việc (phụ tải loại 1, loại 3), tổng hợp công suất tác dụng ($P$), công suất phản kháng ($Q$) và công suất biểu kiến ($S$).
    • Phương pháp mô hình hóa và tính toán kỹ thuật: Xây dựng sơ đồ thay thế mạng điện, tính toán thông số trở kháng của hệ thống, cáp truyền tải, máy biến áp; tính toán dòng ngắn mạch ba pha chu kỳ đầu ($I_N^{(3)}$) và dòng xung kích ($i_{xk}$).
    • Phương pháp kiểm tra điều kiện kỹ thuật: Kiểm tra điều kiện phát nóng, độ sụt áp, độ ổn định nhiệt của cáp khi có ngắn mạch ($F_{ođn}$), ổn định động và ổn định nhiệt của thanh dẫn, sứ cách điện và khả năng cắt của khí cụ đóng cắt.
  • Nguồn dữ liệu:
    • Quy chuẩn thiết kế kỹ thuật điện, sổ tay tra cứu cung cấp điện, giáo trình Cung cấp điện của tác giả Trần Quang Khánh.
    • Catalogue và thông số kỹ thuật của các nhà sản xuất: Máy biến áp khô HEM; cáp điện CADIVI, Furukawa; khí cụ đóng cắt Merlin Gerin (Schneider), ABB, Siemens; thiết bị đo lường và dao cách ly của Công ty Thiết bị điện Đông Anh, Công ty Thiết bị đo điện.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tính toán phụ tải và bù công suất phản kháng

Chương này thực hiện xác định phụ tải tính toán cho toàn bộ công trình 25 tầng qua các nhóm tải thành phần:

  • Phụ tải sinh hoạt: Phân loại theo 3 mẫu căn hộ với các thiết bị gia dụng cơ bản (điều hòa, bình nóng lạnh, máy giặt, tủ lạnh, chiếu sáng):
    • Căn hộ $70\text{ m}^2$: Công suất đặt $P_đ = 12,5\text{ kW}$, hệ số $k_{đt} = 0,8 \Rightarrow P_{tt} = 10\text{ kW}$.
    • Căn hộ $100\text{ m}^2$: Công suất đặt $P_đ = 15,0\text{ kW}$, hệ số $k_{đt} = 0,75 \Rightarrow P_{tt} = 11,25\text{ kW}$.
    • Căn hộ $120\text{ m}^2$: Công suất đặt $P_đ = 17,0\text{ kW}$, hệ số $k_{đt} = 0,7 \Rightarrow P_{tt} = 11,9\text{ kW}$.
    • Phụ tải sinh hoạt một tầng: $P_T = 68,376\text{ kW}$, $\cos\varphi = 0,9$, $\tan\varphi = 0,484 \Rightarrow Q_T = 33,09\text{ kVAr}$.
    • Phụ tải sinh hoạt 25 tầng: $P_{sh} = 25 \times 0,5 \times 68,376 = 854,7\text{ kW}$; $Q_{sh} = 413,95\text{ kVAr}$; $S_{sh} = 875,38\text{ kVA}$.
  • Phụ tải động lực:
    • Thang máy: 3 thang máy lớn ($25\text{ kW} \times 3$) và 2 thang máy nhỏ ($7,5\text{ kW} \times 2$), hệ số tiếp điện $\varepsilon = 0,6 \Rightarrow P_{tm\sum} = 77,33\text{ kW}$.
    • Trạm bơm kỹ thuật: 4 nhóm gồm bơm cấp nước sinh hoạt ($40,04\text{ kW}$), thoát nước ($11,34\text{ kW}$), bể bơi ($8,1\text{ kW}$) và cứu hỏa ($31,5\text{ kW}$), hệ số nhu cầu $k_{nc} = 0,85 \Rightarrow P_{bơm\sum} = 76,68\text{ kW}$.
    • Tổng nhóm động lực: $P_{dl} = 97,94\text{ kW}$, $\cos\varphi_{tb} = 0,695$, $\tan\varphi_{tb} = 1,034$, $Q_{dl} = 101,32\text{ kVAr}$, $S_{dl} = 140,93\text{ kVA}$.
  • Phụ tải chiếu sáng ngoài trời: Suất phụ tải $p_{ocs} = 0,03\text{ kW/m}$, chiều dài chiếu sáng $l = 5 \times h = 437,5\text{ m} \Rightarrow P_{cs} = 13,125\text{ kW}$, $\cos\varphi = 0,85$, $Q_{cs} = 8,13\text{ kVAr}$, $S_{cs} = 15,44\text{ kVA}$.
  • Tổng hợp phụ tải toàn tòa nhà:
    • Theo phương pháp hệ số tham gia cực đại: Phụ tải tính toán cực đại ngày $P_{tt} = 939,62\text{ kW}$; cực đại đêm $P_{tt} = 905,69\text{ kW}$. Chọn công suất tính toán $P_{tt} = 939,62\text{ kW}$, $\cos\varphi_{tt} = 0,8785$, $\tan\varphi_{tt} = 0,543$, $Q_{tt} = 510,9\text{ kVAr}$, $S_{tt} = 1069,53\text{ kVA}$.
    • Phân loại phụ tải: Phụ tải loại 1 ($S_{pt1} = 200,13\text{ kVA}$), phụ tải loại 3 ($S_{pt3} = 875,38\text{ kVA}$).
  • Tính toán bù công suất phản kháng: Nâng hệ số công suất từ $\cos\varphi_1 = 0,878$ lên $\cos\varphi_2 = 0,90$ ($\tan\varphi_2 = 0,484$). Dung lượng bù yêu cầu: $Q_b = 55,82\text{ kVAr}$. Tác giả lựa chọn lắp đặt tủ bù thanh cái gồm 2 bộ tụ bù nền $3\text{P}/50\text{ kVAr}/440\text{ V}/50\text{ Hz}$ đấu sao của hãng Samwha. Công suất sau bù của trạm: $P = 939,62\text{ kW}$, $Q = 455,08\text{ kVAr}$, $S = 1044,02\text{ kVA}$. Mạch bù được bảo vệ bằng Aptomat A2N của ABB ($I_{đm} = 80\text{ A}$, dòng cắt $5\text{ kA}$) và cáp đồng PVC $3 \times 22\text{ mm}^2$ của CADIVI ($I_{cp} = 82\text{ A}$).
Chỉ tiêu phụ tải Sinh hoạt Động lực Chiếu sáng ngoài Toàn tòa nhà (Trước bù) Toàn tòa nhà (Sau bù)
Công suất tác dụng $P$ (kW) 854,70 97,94 13,125 939,62 939,62
Công suất phản kháng $Q$ (kVAr) 413,95 101,32 8,13 510,90 455,08
Công suất biểu kiến $S$ (kVA) 875,38 140,93 15,44 1069,53 1044,02
Hệ số công suất $\cos\varphi$ 0,90 0,695 0,85 0,8785 0,90

Chương 2: Lựa chọn phương án cấp nguồn và trạm biến áp

  • Vị trí trạm biến áp: Đặt tại tầng hầm tòa nhà nhằm tiết kiệm diện tích đất xây dựng, tăng tính an toàn, tránh tác động bất lợi của thời tiết và thuận tiện cho công tác quản lý, vận hành sự cố.
  • Cáp cấp nguồn trung áp: Đoạn đường dây $22\text{ kV}$ từ điểm đấu lưới điện về trạm biến áp có chiều dài $1200\text{ m}$. Lựa chọn tiết diện theo mật độ dòng kinh tế $J_{kt} = 2,7\text{ A/mm}^2$ (với thời gian sử dụng công suất cực đại $T_{max} = 4720\text{ h}$) cho ra $F_{kt} = 10,15\text{ mm}^2$. Để đảm bảo độ bền cơ học và an toàn vận hành, chọn cáp ngầm 3 lõi đồng đai thép cách điện XLPE vỏ PVC $24\text{ kV}$ hãng Furukawa tiết diện $35\text{ mm}^2$ ($r_0 = 0,268\ \Omega/\text{km}$, $x_0 = 0,061\ \Omega/\text{km}$, $I_{cp} = 170\text{ A} > I_{lvmax} = 27,43\text{ A}$, độ sụt áp $\Delta U = 1100\text{ V}$ thỏa mãn $\Delta U \le \Delta U_{cp}$).
  • So sánh phương án trạm biến áp:
    • Phương án 1: Sử dụng 1 MBA khô HEM $22/0,4\text{ kV}$ công suất $1250\text{ kVA}$ kết hợp 1 máy phát điện dự phòng cấp điện cho tải loại 1 khi sự cố. Tổn thất điện năng $\Delta A_1 = 48.351,55\text{ kWh/năm}$, hàm chi phí tính toán quy đổi $Z_1 = 175,821 \times 10^6\text{ VNĐ}$.
    • Phương án 2: Sử dụng 2 MBA khô HEM $22/0,4\text{ kV}$ công suất $630\text{ kVA}$ vận hành song song (khi 1 máy gặp sự cố, máy còn lại quá tải $40%$ trong 5 ngày đêm để gánh tải thiết yếu).
    • Kết luận: Phương án 2 có chi phí quy đổi $Z_2 < Z_1$, do đó Phương án 2 được lựa chọn làm giải pháp cấp nguồn chính thức.
  • Cáp từ MBA đến tủ phân phối tổng hạ áp: Khoảng cách $4\text{ m}$, dòng điện làm việc $I_{max} = 753,46\text{ A}$. Chọn thanh dẫn đồng kích thước $60 \times 6\text{ mm}$ ($I_{cp} = 1125\text{ A}$, $r_0 = 0,056\ \Omega/\text{km}$, $x_0 = 0,119\ \Omega/\text{km}$, $\Delta U = 20\text{ V}$).
Phương án MBA Công suất định mức (kVA) Tổn thất không tải $\Delta P_0$ (kW) Tổn thất ngắn mạch $\Delta P_k$ (kW) Vốn đầu tư thiết bị (Triệu VNĐ) Tổn thất điện năng $\Delta A$ (kWh/năm) Chi phí quy đổi $Z$ (Triệu VNĐ)
Phương án 1 (1 MBA + MF) $1 \times 1250$ 2,10 13,80 598,125 48.351,55 175,821
Phương án 2 (2 MBA song song) $2 \times 630$ 0,52 3,80 $2 \times 303,233 = 606,466$ - $Z_2 < Z_1$ (Chọn)

Chương 3: Lựa chọn phương án đi dây và cấp điện

Tác giả thiết lập và tính toán kinh tế – kỹ thuật cho 2 phương án cấp điện trục đứng bên trong chung cư:

  • Phương án 1 (Sơ đồ hình tia độc lập): Mỗi tầng từ tầng 1 đến tầng 25 được cấp nguồn bởi một đường cáp riêng biệt xuất phát từ tủ phân phối tổng ở tầng hầm.
    • Cáp được chọn ban đầu: Cáp đồng 4 lõi PVC tiết diện $50\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 132\text{ A}$, dòng làm việc qua mỗi tầng $I_{max} = 109,66\text{ A}$, $r_0 = 0,387\ \Omega/\text{km}$, $x_0 = 0,063\ \Omega/\text{km}$).
    • Tổn thất điện áp cực đại tại tầng 25 là $\Delta U_{max} = 7,48\text{ V} \le \Delta U_{cp} = 20\text{ V}$.
    • Tổng vốn đầu tư cáp $V = 430,941 \times 10^6\text{ VNĐ}$; tổng tổn thất điện năng $\Delta A = 52.369,15\text{ kWh}$; chi phí quy đổi $Z_1 = 163,65 \times 10^6\text{ VNĐ}$.
  • Phương án 2 (Sơ đồ phân đoạn theo cáp trục): Tầng 1, 2, 3 dùng cáp riêng; các tầng còn lại chia thành cụm lấy nguồn từ cáp trục chính (cáp trục đến tầng 4 cấp cho tầng 5, 6, 7; trục tầng 8 cấp cho tầng 9, 10, 11; trục tầng 12 cấp cho tầng 13, 14, 15; trục tầng 16 cấp cho tầng 17, 18, 19, 20; trục tầng 21 cấp cho tầng 22, 23, 24, 25). Cáp trục sử dụng tiết diện $185\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 310\text{ A}$).
    • Tổn thất điện áp cực đại $\Delta U_{max} = 8,019\text{ V}$.
    • Tổng vốn đầu tư cáp $V = 440,086 \times 10^6\text{ VNĐ}$; tổng tổn thất điện năng $\Delta A = 73.302,51\text{ kWh}$; chi phí quy đổi $Z_2 = 202,80 \times 10^6\text{ VNĐ}$.
  • Lựa chọn cáp cho phụ tải động lực và chiếu sáng:
    • Thang máy lớn ($19,36\text{ kW}$): Cáp CADIVI Cu/PVC $3 \times 50\text{ mm}^2$ ($L = 95\text{ m}$, $\Delta U = 1,05\text{ V}$).
    • Thang máy nhỏ ($5,81\text{ kW}$): Cáp Cu/PVC $50\text{ mm}^2$ ($\Delta U = 0,32\text{ V}$).
    • Các hệ thống bơm (sinh hoạt, thoát nước, bể bơi, cứu hỏa): Dùng cáp Cu/PVC $50\text{ mm}^2$ ($\Delta U$ từ $0,04\text{ V}$ đến $0,21\text{ V}$).
    • Chiếu sáng ngoài trời ($13,13\text{ kW}$): Cáp Cu/PVC $50\text{ mm}^2$ ($L = 456\text{ m}$, $\Delta U = 3,30\text{ V}$).
Phương án đi dây Tổng vốn đầu tư cáp (Triệu VNĐ) Tổng tổn thất điện năng (kWh/năm) Tổn thất điện áp $\Delta U_{max}$ (V) Chi phí tính toán quy đổi $Z$ (Triệu VNĐ) Đánh giá
Phương án 1 (Hình tia độc lập) 430,94 52.369,15 7,48 163,65 Được chọn (Kinh tế, tin cậy cao)
Phương án 2 (Phân đoạn cáp trục) 440,09 73.302,51 8,02 202,80 Bị loại

Chương 4: Tính ngắn mạch chọn thiết bị

Chương này thực hiện tính toán ngắn mạch 3 pha đối xứng theo tiêu chuẩn IEC 60909 với công suất ngắn mạch hệ thống tại điểm đấu $S_k = 630\text{ MVA}$, $U = 22\text{ kV}$, $c_{max} = 1,1$:

  • Xác định 3 điểm ngắn mạch đặc trưng:
    • Điểm N1 (phía trung áp $22\text{ kV}$ tại đầu cực MBA): Tổng trở $Z_{N1} = 0,861\ \Omega$; dòng ngắn mạch $I_{N1}^{(3)} = 14,751\text{ kA}$; dòng xung kích $i_{xk1} = 24,959\text{ kA}$.
    • Điểm N2 (thanh cái hạ áp $0,4\text{ kV}$ tại tủ phân phối tổng TBA): Tổng trở quy đổi $Z_{N2} = 0,006\ \Omega$; dòng ngắn mạch $I_{N2}^{(3)} = 39,696\text{ kA}$; dòng xung kích $i_{xk2} = 67,165\text{ kA}$.
    • Điểm N3 (tại tủ phân phối tầng/tủ động lực qua tuyến cáp $93,4\text{ m}$): Tổng trở $Z_{N3} = 0,044\ \Omega$; dòng ngắn mạch $I_{N3}^{(3)} = 5,780\text{ kA}$; dòng xung kích $i_{xk3} = 9,780\text{ kA}$.
  • Kiểm tra và hiệu chỉnh ổn định nhiệt của cáp điện: Áp dụng công thức $F_{ođn} \ge \frac{I_N \cdot \sqrt{t_c}}{C_t}$ (với thời gian ngắn mạch $t_c = 0,5\text{ s}$; hệ số $C_t = 143$ cho Cu/XLPE và $C_t = 117$ cho Cu/PVC):
    • Tuyến cáp nguồn trung áp từ lưới về TBA: Dòng ngắn mạch $14,751\text{ kA}$ yêu cầu $F_{ođn} = 72,94\text{ mm}^2$. Tiết diện chọn ban đầu $35\text{ mm}^2$ không đạt $\Rightarrow$ Tăng tiết diện lên $95\text{ mm}^2$ ($70\text{ mm}^2$).
    • Tuyến cáp từ tủ tổng đến tủ tầng sinh hoạt và các phụ tải động lực: Yêu cầu $F_{ođn} = 34,93\text{ mm}^2$. Tiết diện $25\text{ mm}^2$ và một số lộ $50\text{ mm}^2$ ban đầu không đạt biên độ an toàn $\Rightarrow$ Hiệu chỉnh đồng loạt lên $70\text{ mm}^2$.
  • Lựa chọn thiết bị điện tủ hạ thế tổng TBA:
    • Máy biến dòng hạ áp: 2 bộ BD21 của Công ty Thiết bị đo điện ($U_{đm} < 0,6\text{ kV}$, $I_{1đm}/I_{2đm} = 1000/5\text{ A}$, cấp chính xác 0,5).
    • Thanh cái đồng: Kích thước $60 \times 10\text{ mm}$ đảm bảo ổn định nhiệt và ổn định động.
    • Sứ đỡ cách điện hạ thế: Loại $\text{O}\Phi\text{p-1-20YT3}$ ($U_{đm} = 1\text{ kV}$, lực phá hủy $250\text{ kG}$, lực cho phép $F_{cp} = 150\text{ kG} > F_{tt} = 53,36\text{ kG}$).
    • Aptomat tổng A1: Loại khối CM1250H của Merlin Gerin ($U_{đm} = 690\text{ V}$, $I_{đm} = 1250\text{ A}$, dòng cắt $I_{Nmax} = 50\text{ kA}$).
  • Lựa chọn thiết bị tủ động lực và tủ tầng:
    • Aptomat thang máy lớn: Merlin Gerin NS250H ($I_{đm} = 250\text{ A}$, $I_{Nmax} = 10\text{ kA}$).
    • Aptomat thang máy nhỏ: Merlin Gerin NS160H ($I_{đm} = 160\text{ A}$, $I_{Nmax} = 10\text{ kA}$).
    • Aptomat trạm bơm: Merlin Gerin CM3200N ($I_{đm} = 3200\text{ A}$, $I_{Nmax} = 50\text{ kA}$).
    • Aptomat tủ tầng 1 đến tầng 25: Merlin Gerin NS100L ($I_{đm} = 125\text{ A}$, $I_{Nmax} = 50\text{ kA}$).
    • Aptomat mạch chiếu sáng ngoài: Merlin Gerin NS80HMA ($I_{đm} = 80\text{ A}$, $I_{Nmax} = 6\text{ kA}$).
  • Lựa chọn thiết bị phía trung áp ($22\text{ kV}$):
    • Dao cách ly: DT-24/200 của Công ty Thiết bị điện Đông Anh ($U_{đm} = 24\text{ kV}$, $I_{đm} = 200\text{ A}$, dòng ổn định nhiệt $I_{nh} = 8\text{ kA}$ trong $4\text{ s}$, $I_{Nmax} = 30\text{ kA}$).
    • Chống sét van: Loại oxit kim loại 3EG6 của Siemens ($U_{đm} = 24\text{ kV}$, $U_{lvmax} = 30\text{ kV}$, dòng phóng định mức $I_{pđm} = 5\text{ kA}$, vỏ nhựa).
    • Máy cắt trung áp: Hợp bộ 3AF611-4 của ABB/Siemens ($U_{đm} = 24\text{ kV}$, dòng ổn định động $I_{đ.đm} = 31,5\text{ kA}$).
    • Cầu chì cao áp: Siemens ($U_{đm} = 24\text{ kV}$).
    • Máy biến dòng trung áp: 3 bộ 4MA74 của Siemens ($U_{đm} = 24\text{ kV}$, $I_{1đm} = 20 \div 2500\text{ A}$, $I_{2đm} = 1\text{ A}$ hoặc $5\text{ A}$, dung lượng phụ tải $6\text{ VA}$, cấp chính xác 0,5).

Chương 5: Thiết kế mạng điện của một căn hộ

  • Trình bày sơ đồ bố trí mặt bằng thiết bị gia dụng và chiếu sáng cho 3 mẫu căn hộ điển hình: $70\text{ m}^2$, $100\text{ m}^2$ và $120\text{ m}^2$.
  • Cấu trúc mạng điện căn hộ: Đặt 1 cầu dao tổng tại lối vào căn hộ; tại khu vực bếp bố trí bảng điện chuyên dụng cấp nguồn cho thiết bị nấu nướng công suất lớn, đèn bếp và nhà vệ sinh; tại mỗi phòng ngủ bố trí bảng điện cấp nguồn chiếu sáng, quạt, tivi và ổ cắm tiện ích.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

  • Kiến trúc hệ thống điện:
    • Nguồn cấp từ lưới điện phân phối $22\text{ kV}$ qua tuyến cáp ngầm $1200\text{ m}$ đến Trạm biến áp đặt tại tầng hầm chung cư.
    • Cấu hình trạm hạ áp gồm 2 MBA khô HEM $22/0,4\text{ kV} - 630\text{ kVA}$ vận hành song song, cấp nguồn vào thanh cái đồng $60 \times 6\text{ mm}$ của Tủ phân phối tổng hạ áp (TPPT).
    • Tủ bù công suất phản kháng tự động gồm 2 bộ tụ bù nền $50\text{ kVAr}$ đấu nối trực tiếp vào thanh cái hạ áp nhằm duy trì hệ số công suất $\cos\varphi \ge 0,90$.
    • Mạng phân phối thứ cấp sử dụng sơ đồ hình tia độc lập: 25 lộ cáp ngầm riêng biệt Cu/PVC $4 \times 70\text{ mm}^2$ đi theo hộp kỹ thuật tòa nhà đến từng tủ phân phối tầng (TPP1 đến TPP25), cùng các lộ cấp nguồn riêng biệt cho tủ thang máy, trạm bơm nước kỹ thuật và tủ chiếu sáng ngoài trời.
  • Danh mục thiết bị kỹ thuật chính:
Vị trí / Cấp điện áp Tên thiết bị Mã hiệu / Quy cách Nhà sản xuất Thông số kỹ thuật chính
Trung áp ($22\text{ kV}$) Cáp ngầm cấp nguồn Cu/XLPE/PVC/DSTA Furukawa $3 \times 95\text{ mm}^2$, $U_{đm} = 24\text{ kV}$, $I_{cp} = 170\text{ A}$
Dao cách ly DT-24/200 Đông Anh $24\text{ kV}$, $200\text{ A}$, $I_{Nmax} = 30\text{ kA}$, $t_{ođnh} = 4\text{ s}$
Máy cắt trung áp 3AF611-4 ABB / Siemens $24\text{ kV}$, $I_{đ.đm} = 31,5\text{ kA}$
Chống sét van 3EG6 (Oxit kim loại) Siemens $24\text{ kV}$, $U_{lvmax} = 30\text{ kV}$, $I_{pđm} = 5\text{ kA}$
Biến dòng trung áp 4MA74 (3 bộ) Siemens $24\text{ kV}$, $20 \div 2500/5\text{ A}$, cấp CX 0,5
Trạm biến áp Máy biến áp lực Máy biến áp khô HEM $2 \times 630\text{ kVA}$, $22/0,4\text{ kV}$, $\Delta P_0 = 0,52\text{ kW}$, $\Delta P_k = 3,8\text{ kW}$
Hạ áp ($0,4\text{ kV}$) Thanh dẫn chính Đồng thanh cái - $60 \times 10\text{ mm}$ (tủ tổng), $60 \times 6\text{ mm}$ (MBA-TPPT)
Aptomat tổng TBA CM1250H Merlin Gerin $690\text{ V}$, $1250\text{ A}$, $I_{Nmax} = 50\text{ kA}$
Tụ bù phản kháng Tụ bù khô (2 bộ) Samwha $3\text{P} - 50\text{ kVAr} - 440\text{ V} - 50\text{ Hz}$
Cáp trục lên tầng Cu/PVC CADIVI $4 \times 70\text{ mm}^2$, $I_{cp} = 163\text{ A}$
Aptomat tủ tầng NS100L Merlin Gerin $690\text{ V}$, $125\text{ A}$, $I_{Nmax} = 50\text{ kA}$
Aptomat bơm tổng CM3200N Merlin Gerin $690\text{ V}$, $3200\text{ A}$, $I_{Nmax} = 50\text{ kA}$
Sứ cách điện hạ thế $\text{O}\Phi\text{p-1-20YT3}$ - $1\text{ kV}$, lực chịu đựng $250\text{ kG}$

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả chính:
    • Xác định đầy đủ phụ tải tính toán của toàn bộ chung cư 25 tầng: $P_{tt} = 939,62\text{ kW}$, $S_{tt} = 1069,53\text{ kVA}$, hệ số công suất tự nhiên $\cos\varphi = 0,8785$.
    • Tính toán và thiết kế hoàn chỉnh hệ thống bù công suất phản kháng dung lượng $Q_b = 55,82\text{ kVAr}$ bằng 2 bộ tụ $50\text{ kVAr}$ của Samwha, nâng hệ số công suất lên $\cos\varphi = 0,90$, giảm công suất biểu kiến toàn trạm xuống còn $S = 1044,02\text{ kVA}$.
    • Chứng minh tính ưu việt của phương án trạm 2 máy biến áp $630\text{ kVA}$ vận hành song song so với phương án 1 máy biến áp $1250\text{ kVA}$ thông qua so sánh hàm chi phí tính toán quy đổi $Z$.
    • Lựa chọn phương án đi dây hình tia độc lập với tổng vốn đầu tư cáp $430,94\text{ triệu VNĐ}$ và chi phí quy đổi $163,65\text{ triệu VNĐ}$, thấp hơn đáng kể so với phương án cáp trục phân đoạn ($202,80\text{ triệu VNĐ}$).
    • Hoàn thành bảng tính ngắn mạch 3 pha theo tiêu chuẩn IEC 60909 tại 3 vị trí then chốt ($I_{N1} = 14,751\text{ kA}$, $I_{N2} = 39,696\text{ kA}$, $I_{N3} = 5,780\text{ kA}$); qua đó phát hiện và hiệu chỉnh kịp thời tiết diện dây dẫn trung áp và cáp trục tầng lên $70 \div 95\text{ mm}^2$ nhằm đảm bảo an toàn ổn định nhiệt tuyệt đối khi xảy ra sự cố.
  • Giải pháp và kiến nghị của tác giả:
    • Đặt trạm biến áp tại tầng hầm chung cư để tối ưu hóa mặt bằng và nâng cao độ an toàn vận hành.
    • Bắt buộc kiểm tra ổn định nhiệt của cáp điện sau khi tính toán dòng ngắn mạch, không chỉ dừng lại ở việc chọn cáp theo điều kiện phát nóng và tổn thất điện áp cho phép thông thường.
    • Lựa chọn thiết bị khí cụ điện đồng bộ từ các nhà sản xuất uy tín (Merlin Gerin, Siemens, ABB, CADIVI, Đông Anh) nhằm đảm bảo tính chọn lọc và độ tin cậy cung cấp điện.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Toàn bộ quá trình tính toán phụ tải, dòng ngắn mạch và tổn thất điện năng được thực hiện bằng phương pháp giải tích và công thức tra cứu sổ tay truyền thống, chưa kết hợp kiểm chứng bằng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng trong hệ thống điện (như ETAP, DIgSILENT PowerFactory hay AutoCAD Electrical).
    • Dữ liệu phụ tải thiết bị gia dụng trong các căn hộ được tính toán dựa trên mức công suất định mức trung bình giả định mà chưa khảo sát biểu đồ phụ tải đo đạc thực tế theo chu kỳ ngày – đêm của từng mùa.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu ứng dụng các thuật toán tối ưu hóa điều khiển đóng cắt tụ bù theo thời gian thực để duy trì hệ số $\cos\varphi$ tối ưu liên tục.
    • Tích hợp thêm các nguồn năng lượng tái tạo (như hệ thống điện mặt trời mái nhà chung cư) và giải pháp lưu trữ năng lượng (BESS) vào hệ thống cung cấp điện nội bộ của tòa nhà.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng: Sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống điện, Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử và kỹ sư thiết kế hệ thống cơ điện (M&E) cho các công trình dân dụng cao tầng.
  • Nội dung có giá trị tham khảo cao:
    • Quy trình tính toán tổng hợp phụ tải phức hợp (kết hợp tải sinh hoạt, tải động lực thang máy, bơm kỹ thuật và chiếu sáng ngoài trời) theo phương pháp hệ số tham gia cực đại.
    • Phương pháp luận và các bước tính toán chi phí quy đổi $Z$ để so sánh kinh tế – kỹ thuật giữa các phương án máy biến áp và sơ đồ mạng phân phối.
    • Toàn bộ quy trình tính ngắn mạch theo tiêu chuẩn IEC 60909 và phương pháp kiểm tra ổn định nhiệt để hiệu chỉnh tiết diện cáp dẫn.

Câu hỏi thường gặp

  • Tại sao tác giả lại lựa chọn phương án 2 máy biến áp $630\text{ kVA}$ thay vì 1 máy biến áp $1250\text{ kVA}$ kết hợp máy phát điện dự phòng? Trả lời: Mặc dù phương án 2 có vốn đầu tư ban đầu cho 2 máy biến áp ($606,466\text{ triệu VNĐ}$) cao hơn nhẹ so với 1 máy $1250\text{ kVA}$ ($598,125\text{ triệu VNĐ}$), nhưng tổng hàm chi phí tính toán quy đổi $Z_2$ nhỏ hơn $Z_1$ ($Z_1 = 175,821\text{ triệu VNĐ}$). Ngoài ra, 2 máy biến áp vận hành song song đảm bảo tính linh hoạt khi non tải và đáp ứng tốt điều kiện sự cố (1 máy có thể quá tải $40%$ trong 5 ngày đêm để cấp điện liên tục cho các phụ tải thiết yếu loại 1).
  • Hệ thống bù công suất phản kháng được thiết kế với dung lượng bao nhiêu và mang lại hiệu quả gì? Trả lời: Hệ số công suất tự nhiên ban đầu của tòa nhà là $\cos\varphi = 0,8785$. Tác giả tính toán dung lượng bù cần thiết là $Q_b = 55,82\text{ kVAr}$ và lựa chọn 2 bộ tụ bù nền $50\text{ kVAr}$ ($440\text{ V}$) của Samwha đấu tại thanh cái hạ áp. Giải pháp này giúp nâng $\cos\varphi$ lên $0,90$, giảm công suất phản kháng từ $510,90\text{ kVAr}$ xuống $455,08\text{ kVAr}$ và giảm công suất biểu kiến toàn trạm từ $1069,53\text{ kVA}$ xuống $1044,02\text{ kVA}$.
  • Trị số dòng ngắn mạch lớn nhất xuất hiện tại vị trí nào trong hệ thống và đạt giá trị bao nhiêu? Trả lời: Dòng ngắn mạch lớn nhất xuất hiện tại điểm N2 (thanh cái hạ thế của tủ phân phối tổng trạm biến áp) với dòng ngắn mạch 3 pha chu kỳ đầu $I_{N2}^{(3)} = 39,696\text{ kA}$ và dòng xung kích cực đại $i_{xk2} = 67,165\text{ kA}$. Dựa vào thông số này, tác giả đã chọn Aptomat tổng CM1250H của Merlin Gerin có dòng cắt định mức lên tới $50\text{ kA}$.
  • Tại sao tiết diện cáp nguồn trung áp và cáp trục tầng phải tăng lên sau bước tính toán ngắn mạch? Trả lời: Ban đầu cáp nguồn trung áp được chọn $35\text{ mm}^2$ và cáp tầng chọn $25 \div 50\text{ mm}^2$ theo điều kiện mật độ dòng kinh tế và độ sụt áp cho phép. Tuy nhiên, khi kiểm tra điều kiện ổn định nhiệt dưới tác động của dòng ngắn mạch trong thời gian $t_c = 0,5\text{ s}$, tiết diện tối thiểu yêu cầu cho tuyến cáp trung áp là $F_{ođn} = 72,94\text{ mm}^2$ và cáp hạ áp là $F_{ođn} = 34,93\text{ mm}^2$. Do đó, tác giả bắt buộc phải hiệu chỉnh nâng tiết diện cáp trung áp lên $95\text{ mm}^2$ và cáp trục tầng lên $70\text{ mm}^2$ để chống phá hủy nhiệt khi có sự cố.

Kết luận

Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế cung cấp điện cho tòa nhà chung cư 25 tầng từ khâu dự báo phụ tải, bù công suất phản kháng, lựa chọn trạm biến áp đến thiết kế mạng phân phối và lựa chọn khí cụ đóng cắt bảo vệ. Bằng việc áp dụng chặt chẽ tiêu chuẩn tính toán ngắn mạch IEC 60909 và phương pháp đánh giá hàm chi phí quy đổi, công trình đã đưa ra cấu hình hệ thống tối ưu gồm 2 máy biến áp $630\text{ kVA}$ cùng sơ đồ cấp điện hình tia độc lập có độ tin cậy và an toàn kỹ thuật cao. Kết quả tính toán và danh mục thiết bị được lựa chọn đồng bộ từ các hãng uy tín mang lại giá trị thực tiễn và tính ứng dụng trực tiếp cho công tác thiết kế hệ thống điện công trình cao tầng.