Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Điện năng là nguồn năng lượng thiết yếu phục vụ quá trình sản xuất và phân phối trong các ngành công nghiệp, đồng thời là động lực then chốt thúc đẩy quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa. Trong các xí nghiệp công nghiệp, các phân xưởng cơ khí đòi hỏi hệ thống cấp điện có độ tin cậy cao, đảm bảo chất lượng điện áp và an toàn vận hành cho đa dạng chủng loại thiết bị máy móc như máy rèn, lò nhiệt luyện, máy nén khí, thiết bị gia công kim loại và hệ thống chiếu sáng. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cung cấp điện cho phân xưởng sửa chữa cơ khí" được thực hiện nhằm đề xuất giải pháp kỹ thuật cấp điện hạ áp hoàn chỉnh, an toàn và kinh tế cho nhà xưởng.
Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm ba nội dung chính:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và áp dụng phương pháp xác định phụ tải tính toán phù hợp cho từng nhóm máy và toàn bộ phân xưởng cơ khí.
- Thiết kế mạng điện hạ áp cho phân xưởng: xây dựng sơ đồ cấp điện, lựa chọn thiết bị đóng cắt bảo vệ (áptomat, cầu chì), tủ phân phối, tủ động lực và dây dẫn/cáp điện.
- Phân tích tổn thất điện năng và tính toán dung lượng bù công suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số công suất $\cos\varphi$ của mạng điện phân xưởng.
Đối tượng nghiên cứu là hệ thống cung cấp điện hạ áp cho một phân xưởng sửa chữa cơ khí có quy mô diện tích mặt bằng $1000\text{ m}^2$, chuyên gia công các sản phẩm như bánh răng, hộp số, hộp tốc độ và chi tiết máy. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào không gian mạng điện nội bộ phân xưởng nhận nguồn từ trạm biến áp hạ áp $35/0,4\text{ kV}$, được hoàn thành trong thời gian 12 tuần thực hiện đồ án tốt nghiệp tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng (năm 2016).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án vận dụng các lý thuyết chuyên ngành về thiết kế cung cấp điện công nghiệp, bao gồm lý thuyết phụ tải điện, lý thuyết phát nóng của dây dẫn, nguyên lý bảo vệ thiết bị điện bằng khí cụ hạ áp và nguyên lý bù công suất phản kháng.
Các phương pháp xác định phụ tải tính toán ($P_{tt}$) được tổng hợp và đối chiếu:
- Phương pháp xác định theo công suất đặt ($P_đ$) và hệ số nhu cầu ($K_{nc}$): $P_{tt} = K_{nc} \cdot P_đ$.
- Phương pháp xác định theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích ($P_o$): $P_{tt} = P_o \cdot F$ (với $F$ là diện tích nhà xưởng).
- Phương pháp xác định theo suất tiêu hao điện năng trên một đơn vị sản phẩm ($W_o$): $P_{tt} = (M \cdot W_o) / T_{max}$ (với $M$ là sản lượng năm, $T_{max}$ là thời gian sử dụng công suất cực đại).
- Phương pháp xác định theo công suất trung bình kết hợp hệ số cực đại ($K_{max}$) và hệ số sử dụng ($k_{sd}$): $P_{tt} = K_{max} \cdot k_{sd} \cdot \sum P_{đmi}$. Đây là phương pháp chính được tác giả ứng dụng để tính toán chi tiết khi đã có bảng thông số kỹ thuật và mặt bằng bố trí máy móc.
Phương pháp xác định số thiết bị dùng điện hiệu quả ($n_{hq}$) được triển khai theo quy trình:
- Xác định $n_1$ là số thiết bị có công suất $P \ge 0,5 P_{max}$ và tổng công suất $P_1$ của nhóm $n_1$.
- Tính tỷ số $n_* = n_1/n$ và $P_* = P_1/P_{\sum}$, tra bảng để tìm $n_{hq}^$, từ đó tính $n_{hq} = n \cdot n_{hq}^$.
- Khi $n \le 3$ hoặc $n_{hq} < 4$, phụ tải tính toán xác định theo hệ số tải: $P_{tt} = \sum k_{ti} \cdot P_{đmi}$ ($k_t = 0,9$ cho chế độ dài hạn, $k_t = 0,75$ cho chế độ ngắn hạn lặp lại).
Nguyên tắc phân nhóm phụ tải tuân thủ 4 tiêu chí kỹ thuật: các thiết bị gần nhau trên mặt bằng; các thiết bị có cùng chế độ làm việc; tổng công suất giữa các nhóm ít chênh lệch nhằm đồng loạt hóa thiết bị; số lượng thiết bị mỗi nhóm phù hợp với số lộ ra của tủ động lực ($\le 8$ lộ).
Nguồn dữ liệu sử dụng gồm danh mục thông số kỹ thuật của 50 thiết bị trong phân xưởng, các bảng tra sổ tay kỹ thuật cung cấp điện (tra hệ số $k_{sd}$, $\cos\varphi$, $K_{max}$, dòng điện cho phép của cáp $I_{cp}$, bảng chọn tụ bù và khí cụ bảo vệ).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Các phương pháp xác định phụ tải tính toán
Chương này tổng quan về khái niệm phụ tải tính toán—phụ tải giả thiết lâu dài không đổi tương đương với phụ tải thực tế về mặt hiệu ứng nhiệt lớn nhất. Tác giả phân tích phạm vi ứng dụng của từng phương pháp tính toán và tiến hành phân chia toàn bộ thiết bị trong xưởng cơ khí thành 5 nhóm phụ tải động lực chính:
- Nhóm 1 (Bộ phận rèn): Gồm 8 thiết bị (búa hơi, lò rèn, quạt ly tâm, lò điện, máy biến áp), $n_{hq} = 7$, tra được $K_{max} = 2,1$.
- Nhóm 2 (Bộ phận nhiệt luyện 1): Gồm 6 thiết bị (lò điện hóa cứng kim loại $90\text{ kW}$, máy mài, quạt gió, lò điện, máy ép), tổng công suất $128,3\text{ kW}$, $n_{hq} = 6$, $K_{max} = 2,24$.
- Nhóm 3 (Bộ phận tôi cao tần): Gồm 3 thiết bị (thiết bị tôi cao tần $80\text{ kW}$, thiết bị đo bi $23\text{ kW}$, lò điện $30\text{ kW}$), tổng công suất $133\text{ kW}$. Do $n \le 3$ nên $P_{tt3} = \sum P_{đmi} = 133\text{ kW}$.
- Nhóm 4 (Bộ phận nhiệt luyện 2): Gồm 9 thiết bị (lò điện $36\text{ kW}$, lò rèn $30\text{ kW}$, lò điện $30\text{ kW}$, thiết bị tôi bánh răng $18\text{ kW}$, bể dầu, palăng), tổng công suất $123,15\text{ kW}$, $n_{hq} = 5,22$, $K_{max} = 2,42$.
- Nhóm 5 (Bộ phận mộc và quạt gió): Gồm 9 thiết bị (máy nén khí $45\text{ kW}$, máy bào, máy cưa, các quạt gió), tổng công suất $109\text{ kW}$, $n_{hq} = 7$, $K_{max} = 2,1$.
Phụ tải chiếu sáng toàn xưởng được tính theo phương pháp suất phụ tải diện tích: với diện tích $1000\text{ m}^2$, công suất chiếu sáng xác định là $P_{cs} = 12\text{ kW}$. Tổng hợp phụ tải toàn xưởng có xét hệ số đồng thời $k_{đt} = 0,95$:
- Công suất tác dụng tính toán: $P_{ttpx} = 341,2\text{ kW}$.
- Công suất phản kháng tính toán: $Q_{ttpx} = 453,82\text{ kVAr}$.
- Công suất toàn phần tính toán: $S_{ttpx} = 567,8\text{ kVA}$.
- Hệ số công suất tự nhiên toàn xưởng: $\cos\varphi_{px} = 0,75$.
| Chỉ tiêu phụ tải |
Ký hiệu |
Giá trị tính toán |
Đơn vị |
| Công suất tác dụng động lực và chiếu sáng |
$P_{ttpx}$ |
341,20 |
kW |
| Công suất phản kháng |
$Q_{ttpx}$ |
453,82 |
kVAr |
| Công suất toàn phần |
$S_{ttpx}$ |
567,80 |
kVA |
| Hệ số công suất tự nhiên |
$\cos\varphi$ |
0,75 |
- |
Chương 2: Thiết kế mạng hạ áp cho phân xưởng cơ khí
Chương 2 trình bày phương án cấp điện tổng thể và lựa chọn khí cụ, dây dẫn cho mạng hạ áp. Điện năng được lấy từ một phân đoạn thanh cái $35\text{ kV}$ qua trạm biến áp trung gian hạ áp $35/0,4\text{ kV}$ về tủ phân phối chính (tủ PP). Mạng điện hạ áp áp dụng sơ đồ hình tia từ tủ phân phối tới 5 tủ động lực (ĐL1 - ĐL5) và 1 tủ chiếu sáng. Từ các tủ động lực tới từng máy móc áp dụng sơ đồ hỗn hợp (các máy công suất lớn nhận điện trực tiếp từ thanh cái tủ ĐL; các máy nhỏ nhận điện liên thông).
Nội dung tính chọn khí cụ và dây cáp bao gồm:
- Tủ phân phối: Lựa chọn tủ phân phối mã hiệu P-9262 (do Liên Xô chế tạo) gồm 1 đầu vào và 6 đầu ra.
- Áptomat đầu nguồn: Đặt tại trạm biến áp với công suất máy biến áp $S_{BA} = 630\text{ kVA}$, dòng điện hạ áp $I_{xg} = 957,38\text{ A}$.
- Cáp nguồn chính từ TBA về tủ PP: Sử dụng 5 nhánh cáp đồng cách điện PVC mã hiệu $5\text{PVC}(3\times 50 + 1\times 50)$ để phân chia dòng tải lớn.
- Cáp từ tủ PP đến các tủ động lực: Cáp đồng 4 lõi chôn dưới đất, chọn tiết diện $120\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 343\text{ A}$) cho tuyến cấp đến ĐL1 ($I_{tt} = 129,96\text{ A}$).
- Cầu chì bảo vệ động cơ: Chọn cầu chì bảo vệ cho từng động cơ theo dòng định mức $I_{đm}$ và điều kiện khởi động ($I_{dc} \ge (k_{mm} \cdot I_{đm})/\alpha$ với $k_{mm} = 5$, $\alpha = 2,5$). Cầu chì tổng tủ ĐL chọn theo điều kiện quá tải và điều kiện chọn lọc (lớn hơn tối thiểu 2 cấp so với cầu chì nhánh lớn nhất).
- Dây dẫn từ tủ ĐL đến máy móc: Sử dụng cáp đồng 4 lõi vỏ PVC mã hiệu $\Pi\text{PTO}$ (do LENS chế tạo) luồn trong ống thép đường kính $3/4''$ chôn dưới sàn xưởng; kiểm tra thỏa mãn điều kiện phát nóng ($k_1 k_2 I_{cp} \ge I_{tt}$ với $k_1 = 1$, $k_2 = 0,85$) và điều kiện kết hợp cầu chì ($0,85 I_{cp} \ge I_{dc}/3$).
Chương 3: Tính bù công suất phản kháng
Chương 3 phân tích thực trạng và giải pháp tổn thất điện năng trong hệ thống điện công nghiệp. Tác giả dẫn chứng số liệu phân tích tổn thất điện năng theo cấp điện áp:
| Cấp điện áp |
Tổn thất đường dây (%) |
Tổn thất máy biến áp (%) |
Tổng tổn thất (%) |
| $U \ge 110\text{ kV}$ |
13,3 |
12,4 |
25,7 |
| $U = 35\text{ kV}$ |
6,9 |
3,0 |
9,9 |
| $U = 0,1 \div 10\text{ kV}$ |
47,8 |
16,6 |
64,4 |
| Tổng cộng |
68,0 |
32,0 |
100,0 |
Mạng hạ áp $0,1 \div 10\text{ kV}$ chiếm tới $64,4%$ tổng tổn thất điện năng của toàn hệ thống do điện áp thấp và phân tán. Việc nâng cao hệ số công suất $\cos\varphi$ giúp giảm tổn thất công suất $\Delta P(Q) = (Q^2/U^2)R$, giảm tổn thất điện áp $\Delta U(Q) = (QR/U)$ và tăng khả năng tải của máy biến áp cũng như đường dây.
Tác giả so sánh hai phương pháp bù: máy bù đồng bộ (tiêu hao $1,33 \div 3,2%$ công suất tác dụng định mức, cấu tạo phức tạp) và tụ điện tĩnh (chỉ tiêu hao $0,3 \div 0,5%$ công suất tác dụng, dễ phân chia tổ tụ). Đồ án lựa chọn giải pháp bù bằng tụ điện tĩnh ba pha đấu tam giác tại thanh cái hạ áp.
Để nâng cao hệ số công suất của phân xưởng từ $\cos\varphi_1 = 0,75$ ($\tan\varphi_1 = 0,88$) lên $\cos\varphi_2 = 0,95$, dung lượng bù cần thiết được tính toán và lựa chọn lắp đặt 4 bộ tụ hạ áp $0,38\text{ kV}$ mã hiệu KC2-0,38-40-3Y1 (do Liên Xô chế tạo) với dung lượng $Q_b = 40\text{ kVAr}$ mỗi bộ.
Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật
Hệ thống cung cấp điện hạ áp cho phân xưởng sửa chữa cơ khí được thiết kế theo cấu trúc phân tầng kỹ thuật:
[Trạm biến áp 35/0,4 kV (S_BA = 630 kVA, Áptomat tổng)]
[Tủ phân phối chính P-9262 (1 vào, 6 ra)]
[Tủ ĐL1] [Tủ ĐL2] [Tủ ĐL3] [Tủ ĐL4] [Tủ ĐL5] [Tủ Chiếu Sáng]
(Bộ phận rèn) (Nhiệt luyện 1)(Tôi cao tần) (Nhiệt luyện 2) (Mộc & Quạt) (P = 12 kW)
Chi tiết lựa chọn dây dẫn và khí cụ bảo vệ cho các thiết bị tiêu biểu trong phân xưởng được tổng hợp trong bảng thiết kế:
| Thiết bị |
Công suất $P$ (kW) |
Dòng định mức $I_{đm}$ (A) |
Mã hiệu dây dẫn |
Tiết diện ($mm^2$) |
Ống thép bảo vệ |
Mã hiệu cầu chì |
Dòng vỏ/dây chảy $I_{vo}/I_{dc}$ (A) |
| Búa hơi để rèn |
10,0 |
25,33 |
$\Pi\text{PTO}$ |
2,5 |
$3/4''$ |
$\Pi\text{P_2}$ |
45/60 |
| Quạt ly tâm |
7,0 |
17,72 |
$\Pi\text{PTO}$ |
2,5 |
$3/4''$ |
$\Pi\text{P_2}$ |
45/60 |
| Dầm treo palăng điện |
4,8 |
12,15 |
$\Pi\text{PTO}$ |
4,0 |
$3/4''$ |
$\Pi\text{P_2}$ |
100/200 |
| Lò điện hóa cứng KL |
90,0 |
227,90 |
$\Pi\text{PTO}$ |
95,0 |
$3/4''$ |
$\Pi\text{P_2}$ |
500/600 |
| Thiết bị tôi cao tần |
80,0 |
202,60 |
$\Pi\text{PTO}$ |
95,0 |
$3/4''$ |
$\Pi\text{P_2}$ |
430/600 |
| Thiết bị đo bi |
23,0 |
58,96 |
$\Pi\text{PTO}$ |
10,0 |
$3/4''$ |
$\Pi\text{P_2}$ |
160/200 |
| Lò điện để rèn |
30,0 |
75,96 |
$\Pi\text{PTO}$ |
10,0 |
$3/4''$ |
$\Pi\text{P_2}$ |
160/200 |
| Máy nén khí |
45,0 |
113,95 |
$\Pi\text{PTO}$ |
16,0 |
$3/4''$ |
$\Pi\text{P_2}$ |
260/350 |
| Quạt gió số 14 |
18,0 |
45,58 |
$\Pi\text{PTO}$ |
4,0 |
$3/4''$ |
$\Pi\text{P_2}$ |
100/200 |
Hệ thống bù công suất phản kháng gồm tủ bù tụ điện tĩnh hạ áp đấu song song vào thanh cái phân phối chính, vận hành đóng cắt qua áptomat bảo vệ.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã giải quyết toàn diện bài toán thiết kế kỹ thuật cấp điện hạ áp cho phân xưởng cơ khí với các kết quả định lượng cụ thể:
- Xác định chính xác thông số phụ tải toàn phân xưởng: tổng công suất tác dụng tính toán $P_{ttpx} = 341,2\text{ kW}$, công suất phản kháng $Q_{ttpx} = 453,82\text{ kVAr}$, công suất biểu kiến $S_{ttpx} = 567,8\text{ kVA}$.
- Thiết kế hoàn chỉnh cấu trúc mạng điện hình tia kết hợp phân phối hỗn hợp, lựa chọn cụ thể mã hiệu và thông số định mức của toàn bộ hệ thống cáp điện $\Pi\text{PTO}$, ống thép bảo vệ $3/4''$, cầu chì $\Pi\text{P_2}$, tủ phân phối P-9262 và áptomat đầu nguồn $S_{BA} = 630\text{ kVA}$.
- Đề xuất giải pháp nâng cao hệ số công suất tự nhiên kết hợp bù cưỡng bức bằng 4 bộ tụ điện tĩnh KC2-0,38-40-3Y1 ($40\text{ kVAr}$/bộ), nâng hệ số $\cos\varphi$ của phân xưởng từ $0,75$ lên mức mục tiêu $0,95$.
Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc áp dụng phương pháp phân nhóm phụ tải khoa học dựa trên 4 nguyên tắc kỹ thuật, giải quyết bài toán cấp điện cho các phụ tải công suất không đồng đều (từ máy đo độ cứng $0,25\text{ kW}$ đến lò tôi $90\text{ kW}$), đảm bảo cân bằng công suất giữa các tủ động lực ($109 \div 133\text{ kW}$/tủ) và tối ưu hóa việc lựa chọn thiết bị bảo vệ theo điều kiện phát nóng cũng như khởi động động cơ.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đồ án xuất phát từ phạm vi tính toán thiết kế kỹ thuật đồ án tốt nghiệp:
- Văn bản nêu rõ giả thiết phân xưởng đặt cách xa trạm biến áp nên chưa thực hiện tính toán dòng ngắn mạch chi tiết để kiểm tra khả năng chịu ngắn mạch của cáp và áptomat.
- Số liệu tính toán và tra cứu sử dụng các dòng thiết bị, bảng tra kỹ thuật truyền thống (thiết bị theo tiêu chuẩn Liên Xô cũ như tủ P-9262, tụ bù KC2, cầu chì $\Pi\text{P_2}$).
Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo bao gồm việc tính toán chi tiết chế độ ngắn mạch cho toàn mạng hạ áp, mở rộng tính toán hệ thống nối đất bảo vệ và chống sét cho nhà xưởng, đồng thời cập nhật lựa chọn các dòng thiết bị đóng cắt bảo vệ hiện đại (như MCCB, MCB, bộ điều khiển tụ bù tự động nhiều cấp) theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Kỹ thuật điện, Điện tự động công nghiệp, Hệ thống điện khi làm đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp về thiết kế cung cấp điện xí nghiệp công nghiệp.
Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao gồm:
- Quy trình từng bước tính toán phụ tải theo phương pháp công suất trung bình và số thiết bị hiệu quả ($n_{hq}$, $K_{max}$).
- Các nguyên tắc và bảng mẫu phân nhóm phụ tải thực tế cho phân xưởng cơ khí nhiều chủng loại máy.
- Phương pháp phối hợp kiểm tra điều kiện dây dẫn theo dòng phát nóng kết hợp điều kiện bảo vệ của cầu chì và áptomat.
- Bảng số liệu phân tích cơ cấu tổn thất điện năng và công thức tính chọn dung lượng tụ bù hạ áp.
Câu hỏi thường gặp
1. Phân xưởng cơ khí trong đồ án có quy mô diện tích và tổng công suất tính toán là bao nhiêu?
Phân xưởng có diện tích mặt bằng $1000\text{ m}^2$. Tổng phụ tải tính toán toàn phân xưởng gồm công suất tác dụng $P_{ttpx} = 341,2\text{ kW}$ (trong đó có $12\text{ kW}$ phụ tải chiếu sáng), công suất phản kháng $Q_{ttpx} = 453,82\text{ kVAr}$, công suất toàn phần $S_{ttpx} = 567,8\text{ kVA}$ và hệ số công suất tự nhiên $\cos\varphi = 0,75$.
2. Các thiết bị trong phân xưởng được phân chia thành mấy nhóm phụ tải động lực?
Phân xưởng được chia thành 5 nhóm phụ tải động lực: Nhóm 1 (Bộ phận rèn - 8 thiết bị), Nhóm 2 (Bộ phận nhiệt luyện 1 - 6 thiết bị, tổng $128,3\text{ kW}$), Nhóm 3 (Bộ phận tôi cao tần - 3 thiết bị, tổng $133\text{ kW}$), Nhóm 4 (Bộ phận nhiệt luyện 2 - 9 thiết bị, tổng $123,15\text{ kW}$) và Nhóm 5 (Bộ phận mộc và quạt gió - 9 thiết bị, tổng $109\text{ kW}$).
3. Tuyến cáp chính từ trạm biến áp về tủ phân phối của phân xưởng sử dụng loại cáp nào?
Tuyến cáp nguồn chính từ trạm biến áp về tủ phân phối phân xưởng sử dụng 5 nhánh cáp đồng cách điện PVC mã hiệu $5\text{PVC}(3\times 50 + 1\times 50)$ để đáp ứng dòng tải lớn $I_{ttpx}$.
4. Dây dẫn cấp điện từ tủ động lực đến các máy móc trong phân xưởng được lắp đặt như thế nào?
Dây dẫn sử dụng loại cáp đồng 4 lõi cách điện PVC mã hiệu $\Pi\text{PTO}$ do LENS chế tạo, được luồn bảo vệ trong ống thép đường kính $3/4''$ và chôn dưới nền nhà xưởng.
5. Giải pháp bù công suất phản kháng được lựa chọn là gì và dung lượng bao nhiêu?
Tác giả lựa chọn giải pháp bù bằng tụ điện tĩnh ba pha hạ áp $0,38\text{ kV}$ đặt tại thanh cái phân phối chính, sử dụng 4 bộ tụ mã hiệu KC2-0,38-40-3Y1 với dung lượng $40\text{ kVAr}$ mỗi bộ để nâng hệ số công suất từ $0,75$ lên $0,95$.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Văn Hiệp đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật cung cấp điện cho phân xưởng sửa chữa cơ khí diện tích $1000\text{ m}^2$. Toàn bộ quy trình tính toán phụ tải, lựa chọn khí cụ đóng cắt bảo vệ, tuyến cáp hạ áp và hệ thống tụ bù nâng cao hệ số công suất $\cos\varphi$ lên $0,95$ đều được thực hiện bài bản, có số liệu minh chứng rõ ràng. Đây là công trình đồ án kỹ thuật tiêu biểu của ngành Điện Tự Động Công Nghiệp, mang tính thực tiễn cao và cung cấp tài liệu tham khảo giá trị cho công tác thiết kế điện hạ áp nhà xưởng.
