Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các cơ sở sản xuất công nghiệp, hệ thống cung cấp điện đóng vai trò then chốt trong việc bảo đảm dây chuyền vận hành ổn định, an toàn và tối ưu hóa hiệu quả vận hành của máy móc thiết bị. Đề tài "Thiết kế cung cấp điện cho phân xưởng cơ khí PTL" do sinh viên Phan Thành Lên thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Trần Hoàng Quang Minh tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Tôn Đức Thắng (năm 2020), được triển khai nhằm giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật cung cấp điện hoàn chỉnh cho một nhà xưởng gia công cơ khí quy mô vừa.

Bối cảnh kỹ thuật của công trình xuất phát từ đặc thù sản xuất của phân xưởng cơ khí PTL. Đây là không gian sản xuất tập trung nhiều chủng loại máy công cụ gia công cắt gọt, gia nhiệt và thiết bị phụ trợ với chế độ làm việc dài hạn và ngắn hạn lặp lại xen kẽ. Nguồn điện cấp cho toàn bộ nhà xưởng được lấy từ trạm biến áp khu vực có cấp điện áp trung thế 22 kV hạ xuống cấp điện áp hạ thế 0,4 kV (3 pha 380/220 V).

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể thông qua các nội dung kỹ thuật sau:

  1. Thu thập, thống kê và phân tích thông số kỹ thuật của toàn bộ danh mục máy móc cơ khí, thiết bị chiếu sáng và động lực phụ trợ trong mặt bằng xưởng.
  2. Phân nhóm phụ tải điện dựa trên công suất, vị trí không gian và chức năng vận hành; xác định tọa độ tâm phụ tải cho từng nhóm và cho toàn phân xưởng.
  3. Tính toán công suất tác dụng, công suất phản kháng và công suất biểu kiến tính toán ($P_{tt}$, $Q_{tt}$, $S_{tt}$) cho các nhóm phụ tải và toàn bộ nhà xưởng bằng phương pháp hệ số sử dụng và hệ số đồng thời.
  4. Thiết kế hệ thống chiếu sáng nhân tạo và mạng lưới ổ cắm điện cho từng khu vực chức năng thông qua phần mềm mô phỏng chuyên dụng.
  5. Lựa chọn dung lượng và chủng loại máy biến áp phân phối; tính toán bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất $\cos\varphi$.
  6. Lựa chọn tiết diện dây dẫn, cáp điện lực (cáp ngầm XLPE, dây nổi PVC), dây trung tính (N) và dây bảo vệ (PE/PEN) theo điều kiện phát nóng và tiêu chuẩn kỹ thuật.
  7. Tính toán dòng ngắn mạch, kiểm tra độ sụt áp trên các nhánh đường dây dẫn đến phụ tải.
  8. Lựa chọn khí cụ đóng cắt và bảo vệ quá tải, ngắn mạch (Aptomat/CB) đồng bộ cho các tủ điện.
  9. Thiết kế hệ thống tiếp địa an toàn vỏ thiết bị và hệ thống chống sét trực tiếp bảo vệ công trình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mạng lưới phân phối điện hạ áp, trạm biến áp, thiết bị đóng cắt, cáp truyền tải và hệ thống an toàn (nối đất, chống sét) của phân xưởng cơ khí PTL.
  • Phạm vi không gian: Nhà xưởng có tổng diện tích mặt bằng $60\text{ m} \times 30\text{ m} = 1.800\text{ m}^2$, chiều cao công trình 5 m tính từ mặt đất. Mặt bằng phân xưởng được chia thành các khu vực chức năng: khu làm việc ($52\text{ m} \times 30\text{ m}$), kho chứa ($15\text{ m} \times 8\text{ m}$), khu kiểm định ($8\text{ m} \times 8\text{ m}$), khu điều hành ($7\text{ m} \times 8\text{ m}$), trạm bơm và trạm biến áp.
  • Phạm vi kỹ thuật: Tính toán lưới điện phân phối từ cấp trung thế 22 kV qua máy biến áp 22/0,4 kV đến tủ phân phối chính, các tủ động lực, tủ chiếu sáng và các đầu cực đấu nối của từng thiết bị sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Đồ án vận dụng các lý thuyết chuyên ngành về cung cấp điện công nghiệp, tiêu chuẩn kỹ thuật điện quốc tế và công cụ mô phỏng số học để giải quyết bài toán thiết kế:

Khung lý thuyết và mô hình tính toán:

  • Phương pháp xác định tâm phụ tải: Tọa độ tâm phụ tải của từng nhóm máy và của toàn bộ nhà xưởng được xác định dựa trên nguyên lý mômen tĩnh tương đương, với công thức trọng số công suất định mức: $$X = \frac{\sum_{i=1}^{n} X_i P_{đmi}}{\sum_{i=1}^{n} P_{đmi}}, \quad Y = \frac{\sum_{i=1}^{n} Y_i P_{đmi}}{\sum_{i=1}^{n} P_{đmi}}$$
  • Phương pháp xác định phụ tải tính toán: Sử dụng phương pháp tính theo công suất đặt ($P_{đặt}$) kết hợp hệ số sử dụng ($k_{sd}$) và hệ số đồng thời ($k_s$). Hệ số công suất trung bình ($\cos\varphi_{TB}$) của từng nhóm được xác định từ công suất và hệ số công suất của từng thiết bị cấu thành, từ đó suy ra giá trị $\tan\varphi_{TB}$, phụ tải phản kháng $Q_{tt} = P_{tt} \times \tan\varphi_{TB}$ và phụ tải biểu kiến $S_{tt} = \sqrt{P_{tt}^2 + Q_{tt}^2}$.
  • Phương pháp lựa chọn dây dẫn và cáp điện: Lựa chọn theo điều kiện phát nóng cho phép: $$K \times I_{cp} \ge I_n$$ Trong đó $I_n$ là dòng điện định mức của thiết bị bảo vệ (thỏa mãn $I_n \ge 1,1 \times I_{lv,max}$ đối với nhóm phụ tải hoặc $I_n \ge 1,7 \times I_{lv,max}$ đối với từng động cơ máy móc riêng lẻ), $I_{cp}$ là dòng điện cho phép của dây dẫn, $K$ là tích số của các hệ số hiệu chỉnh môi trường lắp đặt ($K_1$: nhiệt độ môi trường, $K_2$: nhiệt độ đất, $K_3$: tính chất đất, $K_4$: số mạch cáp đặt kề nhau, $K_5$: sóng hài).
  • Tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng: Tiêu chuẩn Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC) cho các phương thức lắp đặt chuẩn D (cáp ngầm trong đất), chuẩn E (cáp đặt trên máng cáp, thang cáp hở ngoài không khí), chuẩn B1 (dây đơn đi trong ống luồn). Bảng quy chuẩn tra cứu IEC để chọn tiết diện dây bảo vệ PE và dây trung tính N.
  • Quy chuẩn công suất phản kháng: Thỏa thuận kỹ thuật với đơn vị cấp điện về việc kiểm soát góc lệch pha ($\tan\varphi \le 0,4$, tương đương lượng công suất phản kháng tiêu thụ không vượt quá 40% công suất tác dụng), tránh chi phí phạt do sử dụng công suất phản kháng.
  • Phương pháp tính toán ngắn mạch: Phương pháp đơn vị có tên (Ohms) tính toán dòng ngắn mạch ba pha lớn nhất và dòng ngắn mạch một pha chạm vỏ nhằm kiểm tra khả năng ổn định nhiệt, khả năng cắt của khí cụ bảo vệ.
  • Công nghệ hỗ trợ mô phỏng: Ứng dụng phần mềm DIALux evo 7.1 để dựng mô hình không gian ba chiều, tính toán phân bố độ rọi và bố trí đèn chiếu sáng theo tiêu chuẩn làm việc cơ khí.

Nguồn dữ liệu thực nghiệm và tài liệu kỹ thuật:

  • Bảng thông số thiết bị phân xưởng cơ khí PTL (vị trí tọa độ X, Y, công suất $P_{đm}$, $\cos\varphi$, hệ số sử dụng $k_{sd}$).
  • Catalog thông số kỹ thuật máy biến áp dầu phân phối của Công ty Cổ phần Chế tạo biến áp Thiết bị điện Đông Anh Hà Nội.
  • Catalog thiết bị đóng cắt hạ áp của hãng Mitsubishi Electric.
  • Catalog tụ bù công suất phản kháng của hãng Samwha.
  • Bảng tra thông số dòng dẫn cho phép và điện trở, điện cảm của cáp đồng cách điện XLPE và PVC theo tiêu chuẩn IEC.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Đồ án triển khai hệ thống kỹ thuật cung cấp điện cho nhà xưởng thông qua cấu trúc mạng điện, cấu hình vật tư và sơ đồ nối đất bảo vệ như sau:

Kiến trúc mạng lưới phân phối điện:

  • Nguồn cấp điện được lấy từ lưới trung thế 22 kV đi đến Trạm biến áp 160 kVA đặt cạnh phân xưởng.
  • Hệ thống phân phối nội bộ sử dụng mạng hình tia: Từ tủ phân phối chính (TPPC) đặt cạnh trạm biến áp, các lộ cáp hạ thế độc lập cấp nguồn đến 5 tủ động lực (TĐL1 đến TĐL5) bố trí dọc theo các trục xưởng và 1 tủ điện chiếu sáng (TCS). Từ các tủ động lực, điện năng tiếp tục được phân phối hình tia đến từng máy công cụ thông qua các đường dây luồn ống hoặc rãnh kỹ thuật.

Cấu hình công nghệ và vật tư kỹ thuật:

  • Máy biến áp: Máy biến áp ba pha ngâm dầu 160 kVA, cấp điện áp 22/0,4 kV do Công ty Cổ phần Chế tạo biến áp Thiết bị điện Đông Anh Hà Nội sản xuất.
  • Bộ tụ bù công suất phản kháng: Lắp đặt bù tập trung tại thanh cái hạ áp của tủ phân phối chính, sử dụng tụ bù Samwha ba pha $415\text{ V} - 50\text{ Hz} - 10\text{ kVAr}$ (mã sản phẩm SMS-45010KT).
  • Cáp nguồn chính: Cáp đồng ba pha cách điện XLPE, đặt ngầm trong đất (chuẩn lắp đặt D). Mỗi pha được ghép từ 3 sợi cáp đồng tiết diện $70\text{ mm}^2$ để bảo đảm khả năng tải dòng điện định mức sau máy biến áp.
  • Mạng cáp phân phối động lực: Cáp đồng ruột dẫn bọc cách điện PVC, lắp đặt nổi trên máng cáp (chuẩn lắp đặt E), tiết diện dây pha từ $6\text{ mm}^2$ đến $25\text{ mm}^2$ tùy theo công suất tính toán của từng tủ động lực.
  • Khí cụ đóng cắt và bảo vệ: Toàn bộ hệ thống Aptomat (CB) được chọn đồng bộ từ nhà sản xuất Mitsubishi Electric, với dòng định mức CB tổng là 300 A và các CB nhánh có dòng định mức 63 A, 40 A, 32 A.

Hệ thống nối đất và bảo vệ an toàn:

  • Sơ đồ nối đất áp dụng: Hệ thống nối đất kết hợp TN-C-S:
    • Tuyến đường dây từ trạm biến áp về tủ phân phối chính sử dụng sơ đồ TN-C, trong đó dây trung tính và dây bảo vệ dùng chung thành một dây PEN (dây đồng cách điện PVC tiết diện $35\text{ mm}^2$).
    • Từ tủ phân phối chính đi đến 5 tủ động lực, tủ chiếu sáng và các vỏ thiết bị cơ khí, sơ đồ chuyển sang TN-S. Dây trung tính làm việc (N) và dây bảo vệ nối đất (PE) được tách rời hoàn toàn thành hai dây độc lập.
    • Tiết diện dây PE tuân thủ chuẩn IEC: với dây pha $S_{pha} \le 16\text{ mm}^2$ chọn $S_{PE} = S_{pha}$; với dây pha $16 < S_{pha} \le 25\text{ mm}^2$ chọn $S_{PE} = 16\text{ mm}^2$.
  • Hệ thống chống sét: Sử dụng kim thu sét phát xạ sớm ESE (Early Streamer Emission) kết hợp bãi tiếp địa cọc thép mạ đồng chôn sâu, bảo đảm bán kính bao phủ toàn bộ diện tích mái nhà xưởng $1.800\text{ m}^2$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Giới thiệu và xác định tâm phụ tải tính toán

Tác giả trình bày mặt bằng kiến trúc phân xưởng kích thước $60\text{ m} \times 30\text{ m}$, cao 5 m. Bảng thông số thiết bị liệt kê toàn bộ các máy móc cơ khí bao gồm: máy cưa kiểu dài ($4\text{ kW}$), máy tròn vạn năng ($3\text{ kW}$), máy phay vạn năng ($9\text{ kW}$), máy khoan bàn nhỏ ($1\text{ kW}$), bể dầu tăng nhiệt ($3\text{ kW}$), máy cắt liên hợp ($2\text{ kW}$), máy bơm nước chữa cháy ($30\text{ kW}$), máy bơm nước tăng áp ($25\text{ kW}$), máy cạo ($1\text{ kW}$)...

Phụ tải phân xưởng được phân chia làm 5 nhóm tương ứng với 5 tủ động lực:

  • Nhóm 1 (Tủ động lực 1): Phụ trách các tải bơm công suất lớn (máy bơm nước tăng áp $25\text{ kW}$, máy bơm chữa cháy $30\text{ kW}$...).
  • Nhóm 2 (Tủ động lực 2): Gồm 11 thiết bị (khoan bàn, máy phay vạn năng, máy cạo...).
  • Nhóm 3 (Tủ động lực 3): Gồm 8 thiết bị (khoan bàn, các máy tròn vạn năng...), tổng công suất đặt định mức đạt $51\text{ kW}$.
  • Nhóm 4 (Tủ động lực 4): Gồm 13 thiết bị (máy khoan đứng, bể dầu tăng nhiệt, máy cắt liên hợp...).
  • Nhóm 5 (Tủ động lực 5): Gồm 14 thiết bị (máy cưa kiểu dài, khoan bàn nhỏ, bể dầu tăng nhiệt, máy cắt liên hợp...).

Tác giả áp dụng công thức mômen để xác định tọa độ trọng tâm phụ tải lý thuyết. Để thuận tiện cho công tác thi công, lắp đặt đường cáp, tránh cản trở giao thông nội bộ và bảo đảm mỹ quan công nghiệp, tọa độ tâm các nhóm phụ tải được dịch chuyển về các vị trí sát vách và cột xưởng: Nhóm 1 dời về tọa độ $(0; 19,29)$, Nhóm 2 dời về $(16,5; \dots)$, và tâm phụ tải của toàn bộ phân xưởng được xác định tại tọa độ quy ước $(0; 19,29\text{ m})$.

Chương 2. Xác định phụ tải tính toán

Chương này thực hiện tính toán chi tiết nhu cầu công suất cho từng nhóm thiết bị bằng phương pháp công suất đặt và hệ số sử dụng, hệ số đồng thời:

  • Nhóm 1: Hệ số công suất trung bình $\cos\varphi_{TB} = 0,89$, $\tan\varphi_{TB} = 0,5$, công suất tính toán $P_{tt} = 32,4\text{ kW}$, phụ tải phản kháng $Q_{tt} = 16,2\text{ kVAr}$.
  • Nhóm 2: $\cos\varphi_{TB} = 0,86727$, $\tan\varphi_{TB} = 0,57$, hệ số đồng thời $k_{s2} = 0,54$, $P_{tt} = 18,3\text{ kW}$, $Q_{tt} = 10,43\text{ kVAr}$.
  • Nhóm 3: $\cos\varphi_{TB} = 0,839216$, $\tan\varphi_{TB} = 0,648$, $k_{s3} = 0,89$, $P_{tt} = 15,4\text{ kW}$, $Q_{tt} = 9,98\text{ kVAr}$.
  • Nhóm 4: $\cos\varphi_{TB} = 0,866$, $\tan\varphi_{TB} = 0,577$, $k_{s4} = 0,2$, $P_{tt} = 16,2\text{ kW}$, $Q_{tt} = 9,35\text{ kVAr}$.
  • Nhóm 5: $\cos\varphi_{TB} = 0,847$, $\tan\varphi_{TB} = 0,628$, $k_{s5} = 0,12$, $P_{tt} = 21,3\text{ kW}$, $Q_{tt} = 13,38\text{ kVAr}$.

Tổng hợp phụ tải động lực toàn phân xưởng: tổng công suất tác dụng tính toán đạt $P_{tt,tbPX} = 83,584\text{ kW}$ (hoặc giá trị làm tròn $83,77\text{ kW}$), hệ số công suất trung bình toàn xưởng $\cos\varphi_{TB} = 0,87$, phụ tải phản kháng tương ứng $Q_{tt,tbPX} = 47,29\text{ kVAr}$ và phụ tải biểu kiến $S_{tt,tbPX} = 96,28\text{ kVA}$.

Chương 3. Tính toán chiếu sáng

Tác giả ứng dụng phần mềm DIALux evo 7.1 để tính toán kỹ thuật chiếu sáng nhân tạo cho 4 khu vực chức năng chính:

  • Khu làm việc: Diện tích $2.100\text{ m}^2$ (kích thước tính toán $52\text{ m} \times 30\text{ m}$ kết hợp vùng đệm), kết quả mô phỏng cho độ rọi trung bình đạt $531\text{ lx}$, vượt yêu cầu tiêu chuẩn thiết kế ($500\text{ lx}$). Tổng số lượng đèn là 110 bộ đèn công suất $55\text{ W}$, công suất tính toán chiếu sáng đạt $P_{ttlv} = 110 \times 55\text{ W} = 6,05\text{ kW}$.
  • Kho chứa: Diện tích $120\text{ m}^2$ ($15\text{ m} \times 8\text{ m}$), độ rọi tính toán đạt $165\text{ lx} > 150\text{ lx}$ (đạt tiêu chuẩn), sử dụng 16 bộ đèn công suất $18\text{ W}$, công suất $P_{ttkc} = 16 \times 18\text{ W} = 0,288\text{ kW}$.
  • Khu kiểm định: Diện tích $64\text{ m}^2$ ($8\text{ m} \times 8\text{ m}$), độ rọi tính toán đạt $628\text{ lx} > 500\text{ lx}$ (đạt tiêu chuẩn), sử dụng 12 bộ đèn công suất $48\text{ W}$, công suất $P_{ttkd} = 12 \times 48\text{ W} = 0,576\text{ kW}$.
  • Khu điều hành: Diện tích $56\text{ m}^2$ ($7\text{ m} \times 8\text{ m}$), độ rọi đạt $373\text{ lx} > 300\text{ lx}$ (đạt tiêu chuẩn), bố trí 6 bộ đèn công suất $33\text{ W}$, công suất $P_{ttdh} = 6 \times 33\text{ W} = 0,198\text{ kW}$.

Về mạng lưới ổ cắm: Thiết kế khoảng cách giữa 2 ổ cắm là 5 m. Số lượng bố trí gồm: khu làm việc 35 ổ cắm, kho chứa 4 ổ cắm, khu kiểm định 3 ổ cắm, phòng điều hành 2 ổ cắm; tổng công suất tiêu thụ của hệ thống ổ cắm đạt $13,264\text{ kW}$. Tổng hợp phụ tải phân xưởng bao gồm cả động lực, chiếu sáng và ổ cắm cho ra công suất tác dụng tổng $P_{tt,PX} = 103,09\text{ kW}$, $\cos\varphi_{TB,PX} = 0,9$ và công suất biểu kiến toàn phần đạt $S_{tt,PX} = 115,62\text{ kVA}$.

Chương 4. Chọn máy biến áp và tính toán tụ bù

Dựa trên phụ tải tính toán tổng $S_{tt,PX} = 115,62\text{ kVA}$, tác giả áp dụng điều kiện lựa chọn máy biến áp cho trạm một máy: $S_{đmMBA} \ge 1,3 \times S_{tt} = 1,3 \times 115,62 \approx 150,3\text{ kVA}$. Tác giả chọn máy biến áp phân phối cấp công suất định mức chuẩn $S = 160\text{ kVA}$ do Công ty Cổ phần Chế tạo biến áp Thiết bị điện Đông Anh Hà Nội chế tạo. Các thông số kỹ thuật chính:

  • Kiểu máy: 3 pha, ngâm dầu, có bình dầu phụ.
  • Cấp điện áp sơ cấp/thứ cấp: 22/0,4 kV. Tần số định mức: 50 Hz.
  • Tổn hao không tải ($P_0$): $280\text{ W}$; Tổn hao ngắn mạch ($P_k$): $1.940\text{ W}$.
  • Hiệu suất năng lượng: $99,05%$. Dòng điện không tải $I_0% = 1,5%$. Điện áp ngắn mạch $U_k% = 4 - 6%$.

Về bù công suất phản kháng: Tác giả phân tích ưu nhược điểm của ba phương thức bù (bù tập trung, bù nhóm, bù riêng) và lựa chọn giải pháp bù tập trung tại thanh góp hạ áp của tủ phân phối chính. Trước khi bù, hệ số công suất của xưởng đạt $\cos\varphi = 0,9$ ($\tan\varphi = 0,484$). Nhằm bảo đảm giới hạn thỏa thuận với ngành điện ($\tan\varphi \le 0,4$), lượng công suất phản kháng cần bù được tính toán là gần $10\text{ kVAr}$. Tác giả chọn 1 bộ tụ bù Samwha 3 pha $415\text{ V} - 50\text{ Hz} - 10\text{ kVAr}$ (mã hiệu SMS-45010KT).

Chương 5. Chọn dây và cáp

Tác giả phân tích so sánh cơ lý tính và nhiệt tính giữa hai chất cách điện phổ biến là XLPE và PVC: XLPE có độ bền nhiệt, cơ học cao, chịu quá tải tốt hơn; PVC dẻo dai, chống cháy, kinh tế và kháng hóa chất tốt.

Quy trình chọn tiết diện dây dẫn được thực hiện theo điều kiện phát nóng:

  • Lộ cáp ngầm từ máy biến áp về tủ phân phối chính: Hệ số hiệu chỉnh ngầm $K_2 = 0,66$. Chọn Aptomat tổng $I_{nCB} = 300\text{ A}$ (Mitsubishi). Tra bảng G22 tiêu chuẩn IEC cho chuẩn lắp đặt D, tác giả phân chia 1 pha gồm 3 dây dẫn song song, mỗi dây chịu dòng $152,67\text{ A}$, chọn cáp đồng cách điện XLPE tiết diện mỗi ruột là $70\text{ mm}^2$.
  • Các tuyến cáp nổi từ tủ phân phối chính đến các tủ động lực (chuẩn lắp đặt E, tra bảng G21a tiêu chuẩn IEC):
    • Tuyến đến TĐL1: Chọn $I_{nCB} = 63\text{ A}$, cáp đồng cách điện PVC tiết diện $25\text{ mm}^2$, chiều dài 6 m.
    • Tuyến đến TĐL2: Chọn $I_{nCB} = 40\text{ A}$, cáp đồng PVC tiết diện $16\text{ mm}^2$, chiều dài $27,6\text{ m}$.
    • Tuyến đến TĐL3: Chọn $I_{nCB} = 32\text{ A}$, cáp đồng PVC tiết diện $6\text{ mm}^2$, chiều dài $45\text{ m}$.
    • Tuyến đến TĐL4: Chọn $I_{nCB} = 32\text{ A}$, cáp đồng PVC tiết diện $6\text{ mm}^2$, chiều dài $34\text{ m}$.
    • Tuyến đến TĐL5: Chọn $I_{nCB} = 40\text{ A}$, cáp đồng PVC tiết diện $16\text{ mm}^2$, chiều dài $59\text{ m}$.
    • Tuyến đến Tủ chiếu sáng: Chọn $I_{nCB} = 40\text{ A}$, cáp đồng PVC tiết diện $10\text{ mm}^2$, chiều dài 2 m.
  • Dây dẫn từ tủ động lực đến từng máy cơ khí: Đi nổi chuẩn B1 trong ống bọc, tính chọn tiết diện dây pha từ $1,5\text{ mm}^2$ đến $35\text{ mm}^2$ phù hợp với dòng làm việc lớn nhất của động cơ.
  • Dây trung tính (N) và dây bảo vệ (PE/PEN): Tuyến cáp từ MBA đến TPPC dùng sơ đồ TN-C chọn dây đồng PEN tiết diện $35\text{ mm}^2$. Các tuyến từ TPPC đi các tủ động lực đi riêng dây N và PE theo sơ đồ TN-S: TĐL1 dùng dây N $16\text{ mm}^2$ và PE $16\text{ mm}^2$; TĐL2, TĐL5 dùng N $16\text{ mm}^2$ và PE $16\text{ mm}^2$; TĐL3, TĐL4 dùng N $6\text{ mm}^2$ và PE $6\text{ mm}^2$; Tủ chiếu sáng dùng N $10\text{ mm}^2$ và PE $10\text{ mm}^2$.

Chương 6. Tính toán ngắn mạch và kiểm tra sụt áp

Chương này thiết lập các công thức kiểm tra sụt áp $(\Delta U%)$ cho toàn mạng lưới từ trạm biến áp đến các thiết bị tiêu thụ xa nhất, bảo đảm độ sụt áp nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn hạ áp công nghiệp. Tác giả vận dụng phương pháp đơn vị có tên để tính toán tổng trở của hệ thống, đường dây và máy biến áp, xác định dòng ngắn mạch ba pha lớn nhất phục vụ kiểm tra khả năng ổn định động và ổn định nhiệt của cáp điện, đồng thời tính dòng ngắn mạch một pha chạm vỏ để kiểm tra điều kiện tác động ngắt mạch an toàn của thiết bị bảo vệ.

Chương 7. Chọn thiết bị bảo vệ (CB)

Tác giả phân tích chức năng của Aptomat (CB) trong việc đóng cắt vận hành bình thường và tự động ngắt mạch khi xuất hiện quá tải hoặc sự cố ngắn mạch. Các CB được tính chọn dựa trên dòng làm việc cực đại và dòng ngắn mạch tính toán, bảo đảm tính chọn lọc trong chuỗi bảo vệ: CB tổng hạ áp trạm biến áp có dòng định mức 300 A; các CB bảo vệ lộ xuất tuyến tại tủ phân phối chính và tủ động lực được lựa chọn từ dòng sản phẩm của Mitsubishi với các dải định mức $63\text{ A}$, $40\text{ A}$, $32\text{ A}$.

Chương 8. Tính toán nối đất

Chương này xác định mục đích của việc nối đất an toàn cho phân xưởng cơ khí, nơi tập trung nhiều máy công cụ có vỏ kim loại nhằm triệt tiêu điện áp tiếp xúc nguy hiểm khi xảy ra hiện tượng chạm vỏ hoặc rò điện. Tác giả tính toán hệ thống cọc nối đất tiếp địa bằng thép mạ đồng liên kết mạch vòng quanh xưởng, tính toán điện trở nối đất của hệ thống bảo đảm thỏa mãn trị số điện trở nối đất cho phép theo quy chuẩn kỹ thuật an toàn điện hạ áp.

Chương 9. Tính toán chống sét

Nội dung chương tập trung vào giải pháp bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho công trình xưởng cơ khí. Tác giả phân tích nguyên lý hoạt động của đầu kim thu sét phát xạ sớm ESE (Early Streamer Emission), xác định cấp bảo vệ của công trình và tính toán bán kính bảo vệ bao phủ toàn bộ diện tích nhà xưởng $60\text{ m} \times 30\text{ m}$, cao 5 m. Cuối chương là thiết kế mạng tiếp địa chống sét độc lập bảo đảm tiêu tán nhanh dòng sét xuống đất mà không gây xung điện thế nguy hiểm ngược trở lại hệ thống điện.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành toàn bộ các hạng mục tính toán kỹ thuật phục vụ thi công lắp đặt hệ thống cung cấp điện cho phân xưởng cơ khí PTL. Các kết quả tính toán và thông số thiết bị chính được tổng hợp chi tiết trong bảng dưới đây:

Hạng mục kỹ thuật Thông số / Thiết bị lựa chọn Căn cứ tính toán và nguồn gốc dữ liệu
Quy mô mặt bằng xưởng $60\text{ m} \times 30\text{ m} = 1.800\text{ m}^2$, chiều cao 5 m Bản vẽ kiến trúc phân xưởng PTL
Phụ tải động lực tính toán $P_{tt} = 83,584\text{ kW}$, $\cos\varphi = 0,87$, $S_{tt} = 96,28\text{ kVA}$ Phương pháp $P_{đặt}$ và $k_{sd}$, $k_s$ (Chương 2)
Phụ tải chiếu sáng & ổ cắm $P_{tt,CS} = 7,112\text{ kW}$, $P_{tt,OC} = 13,264\text{ kW}$ Mô phỏng phần mềm DIALux evo 7.1
Phụ tải tổng hợp phân xưởng $P_{tt,PX} = 103,09\text{ kW}$, $\cos\varphi = 0,9$, $S_{tt} = 115,62\text{ kVA}$ Tổng hợp động lực và chiếu sáng
Máy biến áp phân phối 160 kVA, 3 pha ngâm dầu 22/0,4 kV Hãng Chế tạo biến áp Đông Anh Hà Nội
Thiết bị bù phản kháng 1 bộ tụ 10 kVAr, 3 pha 415 V, 50 Hz Mã SMS-45010KT hãng Samwha
Tuyến cáp tổng MBA $\rightarrow$ TPPC Cáp ngầm XLPE Cu $3 \times (3 \times 70)\text{ mm}^2$ Đi ngầm chuẩn D, $K_2 = 0,66$, CB 300 A
Cáp nguồn TĐL1 ($P_{tt}=32,4\text{ kW}$) Cáp nổi PVC Cu $25\text{ mm}^2$, N $16\text{ mm}^2$, PE $16\text{ mm}^2$ Máng cáp chuẩn E, CB 63 A, dài 6 m
Cáp nguồn TĐL2 ($P_{tt}=18,3\text{ kW}$) Cáp nổi PVC Cu $16\text{ mm}^2$, N $16\text{ mm}^2$, PE $16\text{ mm}^2$ Máng cáp chuẩn E, CB 40 A, dài $27,6\text{ m}$
Cáp nguồn TĐL3 ($P_{tt}=15,4\text{ kW}$) Cáp nổi PVC Cu $6\text{ mm}^2$, N $6\text{ mm}^2$, PE $6\text{ mm}^2$ Máng cáp chuẩn E, CB 32 A, dài $45\text{ m}$
Cáp nguồn TĐL4 ($P_{tt}=16,2\text{ kW}$) Cáp nổi PVC Cu $6\text{ mm}^2$, N $6\text{ mm}^2$, PE $6\text{ mm}^2$ Máng cáp chuẩn E, CB 32 A, dài $34\text{ m}$
Cáp nguồn TĐL5 ($P_{tt}=21,3\text{ kW}$) Cáp nổi PVC Cu $16\text{ mm}^2$, N $16\text{ mm}^2$, PE $16\text{ mm}^2$ Máng cáp chuẩn E, CB 40 A, dài $59\text{ m}$
Cáp nguồn Tủ chiếu sáng Cáp nổi PVC Cu $10\text{ mm}^2$, N $10\text{ mm}^2$, PE $10\text{ mm}^2$ Máng cáp chuẩn E, CB 40 A, dài 2 m
Độ rọi khu làm việc chính Đạt $531\text{ lx}$ (tiêu chuẩn yêu cầu $> 500\text{ lx}$) DIALux evo 7.1 (110 bộ đèn $55\text{ W}$)
Sơ đồ tiếp địa an toàn Hệ thống kết hợp TN-C-S (TN-C đoạn nguồn, TN-S nội bộ) Tiêu chuẩn an toàn điện IEC
Công nghệ bảo vệ chống sét Kim phát xạ sớm ESE bán kính bảo vệ bao trùm xưởng Tiêu chuẩn chống sét công trình

Giải pháp và đóng góp kỹ thuật chính:

  • Đề xuất giải pháp di dời tâm phụ tải hình học về các trục vách cố định của nhà xưởng, vừa bảo đảm tối ưu hóa chiều dài đường dây cấp điện, giảm thiểu tổn hao công suất, vừa tạo mặt bằng thông thoáng cho các dây chuyền gia công cơ khí nặng.
  • Kết hợp linh hoạt hai hệ thống nối đất TN-C và TN-S: Đoạn đường cáp ngầm từ máy biến áp vào tủ điện chính sử dụng TN-C giúp tiết kiệm chi phí cáp đồng (dùng chung dây PEN), trong khi toàn bộ mạng phân phối bên trong xưởng chuyển sang TN-S với dây PE và N độc lập giúp bảo đảm an toàn chống điện giật cho công nhân thao tác trên máy cơ khí.
  • Ứng dụng công cụ kỹ thuật số DIALux evo 7.1 thay thế phương pháp tính toán hệ số sử dụng quang thông thủ công, cung cấp biểu đồ phân bố độ rọi trực quan và số liệu độ rọi chính xác trên từng bề mặt làm việc.

Hạn chế và phạm vi nghiên cứu

Dựa trên nội dung được trình bày trong thuyết minh đồ án, công trình có một số hạn chế gắn liền với phạm vi kỹ thuật:

  • Đồ án tập trung hoàn toàn vào việc giải quyết bài toán tính toán kỹ thuật, lựa chọn thiết bị theo tiêu chuẩn vận hành và an toàn điện hạ áp, chưa xây dựng bảng tiên lượng dự toán chi phí đầu tư, phân tích kinh tế - tài chính so sánh chi phí giữa các phương án vật tư thiết bị.
  • Mô hình phụ tải phân xưởng được tính toán dựa trên các hệ số đồng thời và hệ số sử dụng cố định trong chế độ vận hành ổn định, chưa xét đến các dao động công suất ngẫu nhiên theo thời gian thực hoặc hiện tượng quá độ khi khởi động đồng thời nhiều động cơ công suất lớn.
  • Hướng mở rộng nghiên cứu từ văn bản bao gồm việc tích hợp thêm hệ thống giám sát và quản lý năng lượng (SCADA/EMS) để theo dõi chất lượng điện năng, đo lường sóng hài do các bộ biến tần điều khiển động cơ sinh ra, và khảo sát khả năng lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái trên diện tích mái xưởng $1.800\text{ m}^2$ nhằm bổ trợ nguồn năng lượng tự dùng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn rõ ràng đối với:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống Điện, Điện công nghiệp và Tự động hóa khi thực hiện đồ án môn học Thiết kế cung cấp điện hoặc đồ án tốt nghiệp kỹ sư/cử nhân kỹ thuật.
  • Kỹ sư thiết kế cơ điện (MEP) và kỹ thuật viên vận hành công trình công nghiệp cần mẫu tính toán cụ thể cho nhà xưởng cơ khí, từ phân nhóm máy, chọn trạm biến áp, tính cáp điện lực đến thiết kế hệ thống tiếp địa bảo vệ.
  • Các nội dung đáng tham khảo chuyên sâu gồm: Quy trình lựa chọn cáp phân phối động lực theo tiêu chuẩn phát nóng IEC (các chuẩn lắp đặt D, E, B1); phương pháp thiết kế sơ đồ tiếp địa hỗn hợp TN-C-S; quy trình xuất dữ liệu và thẩm định độ rọi nhà xưởng cơ khí bằng phần mềm DIALux evo 7.1.

Câu hỏi thường gặp

1. Tổng công suất tính toán của phân xưởng cơ khí PTL sau khi tính cả phụ tải động lực, chiếu sáng và ổ cắm là bao nhiêu?
Tổng công suất tác dụng tính toán toàn phân xưởng là $P_{tt,PX} = 103,09\text{ kW}$, hệ số công suất trung bình đạt $\cos\varphi_{TB,PX} = 0,9$ và công suất biểu kiến toàn phần là $S_{tt,PX} = 115,62\text{ kVA}$. Trong đó, riêng phụ tải động lực của 5 nhóm máy móc cơ khí chiếm $83,584\text{ kW}$ (hoặc $83,77\text{ kW}$ theo bảng tổng hợp), hệ thống chiếu sáng chiếm $7,112\text{ kW}$ và hệ thống ổ cắm chiếm $13,264\text{ kW}$.

2. Máy biến áp được tác giả lựa chọn cho phân xưởng có thông số kỹ thuật và xuất xứ như thế nào?
Tác giả lựa chọn máy biến áp 3 pha ngâm dầu có bình dầu phụ, công suất định mức $160\text{ kVA}$, tỷ số biến áp $22/0,4\text{ kV}$, tần số $50\text{ Hz}$ do Công ty Cổ phần Chế tạo biến áp Thiết bị điện Đông Anh Hà Nội sản xuất. Máy có tổn thất không tải $P_0 = 280\text{ W}$, tổn thất ngắn mạch $P_k = 1.940\text{ W}$, hiệu suất năng lượng $99,05%$, dòng không tải $I_0% = 1,5%$ và điện áp ngắn mạch $U_k% = 4 - 6%$.

3. Phương pháp bù công suất phản kháng nào được áp dụng và cấu hình tụ bù được chọn cụ thể ra sao?
Tác giả áp dụng phương pháp bù tập trung tại thanh cái hạ áp của tủ phân phối chính nhằm giảm dòng phản kháng chạy qua máy biến áp. Do hệ số công suất tự nhiên của xưởng đã đạt $\cos\varphi = 0,9$ ($\tan\varphi = 0,484$), lượng công suất phản kháng cần bù để đạt mức thỏa thuận với ngành điện ($\tan\varphi \le 0,4$) là gần $10\text{ kVAr}$. Tác giả chọn 1 bộ tụ bù Samwha ba pha $415\text{ V} - 50\text{ Hz} - 10\text{ kVAr}$ (mã hiệu SMS-45010KT).

4. Sơ đồ nối đất nào được triển khai cho toàn bộ hệ thống điện của phân xưởng và cấu trúc phân chia dây ra sao?
Phân xưởng áp dụng sơ đồ nối đất kết hợp TN-C-S. Đoạn tuyến cáp từ máy biến áp về tủ phân phối chính đi theo sơ đồ TN-C với dây PEN bằng đồng tiết diện $35\text{ mm}^2$. Từ tủ phân phối chính đến các tủ động lực và thiết bị, hệ thống chuyển sang sơ đồ TN-S, tách riêng dây trung tính N và dây bảo vệ PE (TĐL1 dùng dây pha $25\text{ mm}^2$, N $16\text{ mm}^2$, PE $16\text{ mm}^2$; TĐL2 và TĐL5 dùng pha $16\text{ mm}^2$, N $16\text{ mm}^2$, PE $16\text{ mm}^2$; TĐL3 và TĐL4 dùng pha $6\text{ mm}^2$, N $6\text{ mm}^2$, PE $6\text{ mm}^2$) nhằm bảo đảm cắt điện tức thời khi xảy ra sự cố chạm vỏ máy cơ khí.

5. Kết quả mô phỏng độ rọi khu làm việc chính của phân xưởng trên phần mềm DIALux evo 7.1 có đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật không?
Kết quả mô phỏng cho khu làm việc diện tích $2.100\text{ m}^2$ đạt độ rọi tính toán trung bình là $531\text{ lx}$, cao hơn mức quy định chuẩn của khu vực sản xuất cơ khí là $500\text{ lx}$. Hệ thống chiếu sáng khu vực này sử dụng 110 bộ đèn công suất $55\text{ W}$, mang lại công suất tiêu thụ chiếu sáng là $6,05\text{ kW}$.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế cung cấp điện cho phân xưởng cơ khí PTL" của tác giả Phan Thành Lên đã xây dựng một phương án kỹ thuật hoàn chỉnh và đồng bộ cho hệ thống điện hạ thế nhà xưởng quy mô $1.800\text{ m}^2$. Các bước tính toán từ xác định tâm phụ tải, phụ tải tính toán, mô phỏng chiếu sáng bằng DIALux evo 7.1 đến lựa chọn trạm biến áp Đông Anh 160 kVA, tụ bù Samwha 10 kVAr, cáp XLPE/PVC theo tiêu chuẩn IEC và sơ đồ nối đất an toàn TN-C-S đều tuân thủ chặt chẽ các quy chuẩn kỹ thuật điện công nghiệp. Kết quả nghiên cứu cung cấp một tài liệu kỹ thuật có độ tin cậy cao, phục vụ hiệu quả cho công tác học tập, nghiên cứu và ứng dụng triển khai thiết kế thi công điện công nghiệp trên thực tế.