Thiết Kế Cung Cấp Điện Cho Phân Xưởng Sửa Chữa Thiết Bị Điện

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Thiết Kế Cung Cấp Điện Cho Phân Xưởng Sửa Chữa Thiết Bị Điện
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG CHO PHÂN XƯỞNG
• 1.1. Khái niệm chung
• 1.2. Các yêu cầu khi thiết kế hệ thống chiếu sáng
• 1.3. Tính toán chiếu sáng
• 1.3.1. Kích thước phân xưởng
• 1.3.2. Tính toán chiếu sáng cho phân xưởng
• 1.3.3. Chọn đèn chiếu sáng cho nhà vệ sinh
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN PHỤ TẢI PHẦN XƯỞNG
• 2.1. Phụ tải chiếu sáng
• 2.1.1. Yêu cầu chung
• 2.1.2. Phụ tải chiếu sáng của phân xưởng
• 2.1.3. Phụ tải thông thoáng và làm mát
• 2.1.3.1. Yêu cầu chung
• 2.1.3.2. Tính toán lưu lượng và chọn số lượng quạt
• 2.2. Phụ tải động lực
• 2.2.1. Các thiết bị trong phân xưởng
• 2.2.2. Phân nhóm phụ tải
• 2.2.3. Xác định phụ tải tính toán cho phân xưởng
• 2.2.3.1. Xác định phụ tải tính toán cho từng nhóm
• 2.3. Chọn máy biến áp cho phân xưởng
• 2.3.1. Chọn vị trí đặt trạm biến áp
• 2.3.2. Chọn số lượng và chủng loại máy biến áp
• 2.3.3. Xác định dung lượng của máy biến áp
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐI DÂY CHO PHÂN XƯỞNG
• 3.1. Phân tích các phương án đi dây
• 3.2. Phương án đi dây hình tia
• 3.3. Phương án đi dây phân nhánh
• 3.4. Sơ đồ mạng hình tia phân nhánh
• 3.5. Vạch phương án đi dây
• 3.6. Sơ đồ mặt bằng đi dây
• 3.7. Sơ đồ nguyên lý đi dây của phân xưởng
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH CHỌN DÂY DẪN VÀ KHÍ CỤ ĐIỆN BẢO VỆ
• 4.1. Chọn cáp và dây dẫn
• 4.2. Chọn dây dẫn theo điều kiện phát nóng
• 4.3. Chọn dây dẫn từ trạm biến áp đến tủ phân phối chính của phân xưởng
• 4.4. Chọn dây dẫn từ tủ phân phối chính đến tủ động lực của phân xưởng
• 4.5. Chọn cáp từ tủ hộp nối dây đến các động cơ
• 4.6. Tiến hành chọn CB và tính toán ngắn mạch
• 4.6.1. Tính ngắn mạch và chọn MCCB tổng cho tủ phân phối chính
• 4.6.2. Chọn MCCB cho các tủ động lực
• 4.6.3. Chọn CB bảo vệ cho các động cơ
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN BÙ CÔNG SUẤT
• 5.1. Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất
• 5.2. Tính dung lượng bù
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• I. Thông số đèn chiếu sáng phân xưởng
• II. Thông số đèn nhà vệ sinh
• III. Thông số quạt thông gió KVE 3076
• IV. Thông số kỹ thuật tụ bù Samwha 3 pha - tụ TI
• V. Các ký hiệu dùng trong bảng vẽ

I. Toàn cảnh thiết kế cung cấp điện cho phân xưởng sửa chữa

Việc thiết kế cung cấp điện cho phân xưởng sửa chữa thiết bị điện là một bài toán kỹ thuật phức hợp, đòi hỏi sự kết hợp hài hòa giữa các yếu tố an toàn, kinh tế và độ tin cậy. Một hệ thống điện được thiết kế tốt không chỉ đảm bảo hoạt động liên tục cho các thiết bị sửa chữa mà còn tối ưu hóa chi phí vận hành và đảm bảo an toàn điện trong nhà xưởng. Mục tiêu chính là xây dựng một hệ thống điện công nghiệp ổn định, đáp ứng đủ công suất cho toàn bộ phụ tải, bao gồm phụ tải động lực, chiếu sáng và thông gió. Quá trình này bắt đầu từ việc khảo sát mặt bằng, phân tích yêu cầu của từng thiết bị, đến việc tính toán phụ tải cho phân xưởng một cách chính xác. Từ đó, các kỹ sư sẽ vạch ra sơ đồ cấp điện cho xưởng sản xuất (trong trường hợp này là xưởng sửa chữa), lựa chọn phương án đi dây, và xác định các thiết bị bảo vệ phù hợp. Tài liệu gốc của ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM cho thấy một phương pháp luận bài bản, từ việc xác định các thông số ban đầu như kích thước phân xưởng (36x12x4,8m) và danh sách 15 thiết bị chuyên dụng. Việc tuân thủ các tiêu chuẩn thiết kế điện nhà xưởng hiện hành, như TCVN và IEC, là yêu cầu bắt buộc để đảm bảo chất lượng và an toàn cho toàn bộ công trình. Một bản thiết kế hoàn chỉnh phải bao gồm cả phần thuyết minh tính toán và các bản vẽ thiết kế điện nhà xưởng chi tiết.

1.1. Yêu cầu cốt lõi của hệ thống điện công nghiệp an toàn

Một hệ thống điện công nghiệp được xem là lý tưởng khi thỏa mãn đồng thời nhiều yêu cầu khắt khe. Trước hết, hệ thống phải đảm bảo chất lượng điện năng, duy trì điện áp ổn định trong giới hạn cho phép để các thiết bị hoạt động chính xác. Thứ hai, độ tin cậy và tính liên tục trong cung cấp điện là tối quan trọng, đặc biệt với các phụ tải yêu cầu hoạt động không gián đoạn. Thứ ba, yếu tố an toàn điện trong nhà xưởng phải được đặt lên hàng đầu, bao gồm an toàn cho con người và cho chính các thiết bị. Điều này liên quan trực tiếp đến việc thiết kế hệ thống tiếp địa và chống sét đúng tiêu chuẩn. Cuối cùng, phương án thiết kế phải tối ưu về mặt kinh tế, giảm thiểu chi phí đầu tư và chi phí tổn thất điện năng trong quá trình vận hành, đồng thời phải linh hoạt, dễ dàng cho việc bảo trì hệ thống điện nhà xưởng và mở rộng trong tương lai. Các yêu cầu này tạo thành một bộ khung tiêu chuẩn để đánh giá và lựa chọn phương án thiết kế cuối cùng.

1.2. Phân tích đặc thù phụ tải của xưởng sửa chữa thiết bị

Phân xưởng sửa chữa thiết bị điện có đặc thù phụ tải đa dạng và không đồng thời. Không giống xưởng sản xuất dây chuyền, các thiết bị ở đây hoạt động theo yêu cầu công việc cụ thể. Tài liệu nghiên cứu liệt kê 15 thiết bị với công suất và hệ số công suất (cosφ) khác nhau, từ các bể ngâm, tủ sấy có cosφ=1, đến các máy động lực như máy tiện (5.5kW, cosφ=0.76), máy hàn (4kW, cosφ=0.82) và cần cẩu điện (7.5kW, cosφ=0.8). Sự đa dạng này đòi hỏi việc tính toán phụ tải cho phân xưởng phải xem xét kỹ lưỡng hệ số sử dụng (Ksd) và hệ số đồng thời (Kđt) để tránh đầu tư lãng phí vào máy biến áp và dây dẫn quá khổ. Phụ tải ở đây bao gồm các nhóm chính: nhóm thiết bị nhiệt (bể ngâm, tủ sấy), nhóm máy gia công cơ khí (khoan, tiện, mài) và nhóm thiết bị chuyên dụng (bàn thử nghiệm, máy quấn dây). Việc hiểu rõ đặc tính của từng nhóm là chìa khóa để phân chia phụ tải hợp lý vào các tủ điện phân phối DB.

II. Bí quyết tính toán phụ tải điện cho phân xưởng chính xác

Tính toán phụ tải là bước nền tảng quyết định đến quy mô và chi phí của toàn bộ dự án thiết kế cung cấp điện cho phân xưởng sửa chữa thiết bị điện. Một sai sót nhỏ trong giai đoạn này có thể dẫn đến quá tải hệ thống hoặc lãng phí vốn đầu tư. Phương pháp tính toán khoa học phải bóc tách rõ ràng từng thành phần phụ tải: chiếu sáng, thông gió làm mát và phụ tải động lực. Đối với phụ tải động lực, cần áp dụng các hệ số kinh nghiệm như hệ số sử dụng và hệ số đồng thời để phản ánh đúng thực tế vận hành. Theo đồ án tham khảo, tổng công suất đặt của 15 thiết bị là đáng kể, nhưng công suất tính toán thực tế sau khi áp dụng các hệ số sẽ nhỏ hơn nhiều. Việc xác định tâm phụ tải (load center) cũng là một kỹ thuật quan trọng giúp tối ưu hóa vị trí đặt tủ điện phân phối tổng MSB và các tủ nhánh, từ đó giảm thiểu tổn thất điện áp và chi phí dây và cáp điện công nghiệp. Kết quả của bước này là công suất tính toán tổng (kVA), làm cơ sở để lựa chọn công suất máy biến áp phù hợp, đảm bảo dự phòng cho tương lai. Quá trình này đòi hỏi sự chính xác tuyệt đối và phải dựa trên các thông số kỹ thuật thực tế của thiết bị.

2.1. Xác định phụ tải cho hệ thống chiếu sáng nhà xưởng

Thiết kế hệ thống chiếu sáng nhà xưởng phải đáp ứng hai tiêu chí: đủ độ rọi yêu cầu và tiết kiệm năng lượng. Trong đồ án, độ rọi yêu cầu được xác định là Emin = 220 Lx, phù hợp với công việc sửa chữa đòi hỏi độ chính xác. Phương pháp tính toán dựa trên chỉ số phòng (φ) và hệ số sử dụng (ksd). Cụ thể, với kích thước xưởng 36x12m, các thông số phản xạ của trần, tường, sàn, người thiết kế đã tính toán và chọn loại đèn Metal Halide 150W của Philips, bố trí thành hai dãy, mỗi dãy 5 bóng. Tổng công suất tính toán cho chiếu sáng là 5.184 kW. Việc lựa chọn loại đèn có quang thông cao và hiệu suất tốt không chỉ đảm bảo chất lượng ánh sáng mà còn góp phần vào việc giám sát và quản lý năng lượng hiệu quả cho toàn phân xưởng. Đây là một thành phần quan trọng trong tổng phụ tải chung.

2.2. Phương pháp phân nhóm và tính toán phụ tải động lực

Phụ tải động lực là thành phần lớn và phức tạp nhất. Để quản lý hiệu quả, phương pháp phân nhóm phụ tải được áp dụng. Dựa trên vị trí và chức năng, 15 thiết bị trong đồ án được chia thành 4 nhóm. Việc phân nhóm này nhằm các mục đích: cân bằng tải trên các pha, tối ưu hóa vị trí đặt các tủ điện phân phối DB, và đơn giản hóa việc đi dây và bảo vệ. Ví dụ, nhóm 1 gồm các thiết bị nhiệt, nhóm 2 gồm các máy quấn dây và máy khoan. Sau khi phân nhóm, công suất tính toán cho từng nhóm được xác định dựa trên công suất định mức (Pđm), hệ số sử dụng (Ksd) và hệ số đồng thời (Kđt=0.8). Kết quả tính toán cho ra công suất biểu kiến tính toán của 4 nhóm là 41.02 kVA. Đây là con số thực tế dùng để lựa chọn dây dẫn và thiết bị bảo vệ cho từng nhánh, thay vì dùng tổng công suất đặt.

2.3. Lựa chọn công suất máy biến áp và vị trí trạm

Sau khi có tổng phụ tải tính toán của toàn phân xưởng (bao gồm động lực, chiếu sáng, thông gió và dự phòng 20%), dung lượng máy biến áp được lựa chọn. Trong trường hợp này, tổng công suất tính toán là khoảng 60 kVA. Dựa trên tiêu chuẩn, máy biến áp 3 pha 75 kVA của THIBIDI đã được chọn. Việc chọn máy có công suất lớn hơn một chút so với nhu cầu tính toán là cần thiết để đảm bảo máy hoạt động ở chế độ tối ưu, không bị quá tải và có khả năng phát triển trong tương lai. Vị trí đặt trạm biến áp được quyết định dựa trên tâm phụ tải đã tính toán, nhằm giảm chiều dài đường dây trục chính, giảm tổn thất và tiết kiệm chi phí. Đây là một quyết định chiến lược trong thiết kế cung cấp điện cho phân xưởng sửa chữa thiết bị điện.

III. Phương pháp vạch sơ đồ cấp điện cho nhà xưởng tối ưu

Sau khi đã có các số liệu về phụ tải, bước tiếp theo trong thiết kế cung cấp điện cho phân xưởng sửa chữa thiết bị điện là vạch ra phương án đi dây và sơ đồ cấp điện cho xưởng sản xuất một cách hợp lý. Một sơ đồ tốt phải đảm bảo độ tin cậy, an toàn, kinh tế và dễ vận hành, sửa chữa. Có hai phương án đi dây phổ biến là hình tia và phân nhánh. Sơ đồ hình tia có độ tin cậy cao nhưng tốn kém hơn, trong khi sơ đồ phân nhánh tiết kiệm chi phí hơn nhưng độ tin cậy thấp hơn. Thực tế, giải pháp tối ưu thường là sự kết hợp của cả hai. Đồ án đã áp dụng phương án hình tia phân nhánh: các tuyến cáp chính từ tủ điện phân phối tổng MSB đến các tủ điện phân phối DB của từng nhóm đi theo dạng hình tia. Từ các tủ DB này, các tuyến dây đến từng thiết bị có thể đi theo dạng hình tia (cho máy công suất lớn) hoặc phân nhánh (cho các máy công suất nhỏ). Sơ đồ này cân bằng được giữa độ tin cậy và chi phí, đồng thời cô lập sự cố hiệu quả. Việc đi dây được đề xuất đi trên máng cáp, thang cáp hoặc đi ngầm để đảm bảo an toàn và thẩm mỹ.

3.1. So sánh phương án đi dây hình tia và phân nhánh

Phương án đi dây hình tia cung cấp một đường dây riêng biệt từ tủ phân phối đến mỗi phụ tải hoặc nhóm phụ tải. Ưu điểm lớn nhất là độ tin cậy cung cấp điện rất cao; sự cố trên một nhánh không ảnh hưởng đến các nhánh còn lại. Tuy nhiên, nhược điểm là chi phí đầu tư lớn do tốn nhiều dây và cáp điện công nghiệp. Ngược lại, phương án phân nhánh sử dụng một đường trục chính và rẽ nhánh để cấp điện cho nhiều phụ tải. Giải pháp này tiết kiệm chi phí vật tư đáng kể nhưng có nhược điểm là độ tin cậy thấp hơn. Khi có sự cố trên đường trục, toàn bộ các phụ tải phía sau điểm sự cố sẽ bị mất điện. Việc lựa chọn giữa hai phương án phụ thuộc vào mức độ quan trọng của phụ tải và ngân sách đầu tư.

3.2. Sơ đồ nguyên lý đi dây tối ưu cho phân xưởng sửa chữa

Sơ đồ nguyên lý (hay sơ đồ đơn tuyến) là bản vẽ thiết kế điện nhà xưởng quan trọng nhất, thể hiện cấu trúc toàn bộ hệ thống. Dựa trên phân tích, đồ án đã đề xuất một sơ đồ nguyên lý tối ưu. Nguồn điện 3 pha 22kV/0.4kV từ máy biến áp 75 kVA đi vào tủ điện phân phối tổng MSB. Tại đây, một aptomat MCCB tổng được lắp đặt để bảo vệ toàn bộ phân xưởng. Từ MSB, có các nhánh riêng biệt cấp điện cho 4 tủ động lực (DB1, DB2, DB3, DB4) và 2 tủ phụ tải nhẹ (chiếu sáng DB5, thông gió DB6). Mỗi nhánh ra này được bảo vệ bởi một MCCB riêng. Tại mỗi tủ DB, các CB (MCB) nhánh được lắp để bảo vệ cho từng thiết bị hoặc nhóm thiết bị nhỏ. Cấu trúc này đảm bảo tính chọn lọc của hệ thống bảo vệ, giúp khoanh vùng sự cố nhanh chóng và chính xác, tăng cường độ tin cậy cho toàn bộ hệ thống điện công nghiệp.

IV. Hướng dẫn chọn dây dẫn và khí cụ bảo vệ cho phân xưởng

Lựa chọn tiết diện dây dẫn và khí cụ bảo vệ là công đoạn then chốt trong thi công cơ điện M&E, quyết định trực tiếp đến an toàn điện trong nhà xưởng. Việc lựa chọn này phải dựa trên dòng điện tính toán, điều kiện phát nóng cho phép, điều kiện sụt áp và dòng ngắn mạch. Đối với dây và cáp điện công nghiệp, tiết diện phải được chọn sao cho dòng điện làm việc lâu dài không vượt quá dòng cho phép (Icp) của dây, sau khi đã hiệu chỉnh theo các hệ số về nhiệt độ môi trường và cách lắp đặt. Các thiết bị bảo vệ như aptomat MCCB, MCB, ELCB phải được chọn với dòng định mức (In) lớn hơn dòng làm việc (Ilv) và nhỏ hơn dòng cho phép của dây (Icp). Quan trọng hơn, khả năng cắt dòng ngắn mạch (Icu) của CB phải lớn hơn dòng ngắn mạch tính toán tại điểm lắp đặt. Đồ án đã thực hiện chi tiết các bước tính toán này, từ việc chọn cáp CV/CVV của Cadivi đến chọn các MCCB và MCB của Mitsubishi, đảm bảo sự phối hợp đồng bộ và an toàn giữa dây dẫn và thiết bị bảo vệ.

4.1. Tiêu chí chọn tiết diện dây và cáp điện công nghiệp

Việc chọn tiết diện dây và cáp điện công nghiệp được thực hiện theo điều kiện phát nóng và kiểm tra lại theo điều kiện sụt áp. Dòng điện làm việc tính toán (Itt) của từng tuyến dây được xác định. Sau đó, dòng điện này được quy đổi (Iqđ) bằng cách chia cho các hệ số hiệu chỉnh (K). Các hệ số này phụ thuộc vào phương thức lắp đặt (đi trong ống, trên máng cáp, chôn ngầm), nhiệt độ môi trường và số lượng cáp đi gần nhau. Dựa vào dòng Iqđ, tra bảng của nhà sản xuất (ví dụ CADIVI) để chọn loại cáp có dòng điện cho phép lớn hơn. Ví dụ, tuyến cáp ngầm từ trạm biến áp đến tủ MSB với dòng tính toán 96A, sau khi tính toán các hệ số, đã được chọn là cáp CV 4x50mm². Quá trình này được lặp lại cho tất cả các tuyến dây, từ trục chính đến dây cấp cho từng động cơ.

4.2. Tính toán ngắn mạch và lựa chọn Aptomat MCCB MCB

Lựa chọn aptomat MCCB, MCB, ELCB phải đảm bảo hai điều kiện chính: bảo vệ quá tải và bảo vệ ngắn mạch. Điều kiện bảo vệ quá tải là I_lv < I_n < I_cp. Điều kiện bảo vệ ngắn mạch là I_cu > I_N, trong đó I_N là dòng ngắn mạch 3 pha lớn nhất tại điểm lắp đặt CB. Đồ án đã tính toán dòng ngắn mạch tại tủ MSB là 3.07 kA. Dựa trên kết quả này và dòng làm việc, MCCB tổng NF125-SV 4P 125A của Mitsubishi với Icu=18kA đã được chọn. Tương tự, các MCCB nhánh và MCB cho từng động cơ cũng được tính toán và lựa chọn cẩn thận. Ví dụ, cho máy tiện có dòng làm việc 8.8A, MCB 10A đã được chọn. Việc tính toán và lựa chọn chính xác này đảm bảo khí cụ điện sẽ tác động kịp thời khi có sự cố, bảo vệ an toàn cho thiết bị và con người.

V. Giải pháp bù công suất nâng cao hệ số cosφ hiệu quả

Nâng cao hệ số công suất cosφ là một giải pháp cấp điện cho máy móc công nghiệp mang lại hiệu quả kinh tế cao. Hầu hết các thiết bị trong phân xưởng sửa chữa là tải cảm (động cơ, máy hàn), tiêu thụ công suất phản kháng (Q), làm cho hệ số cosφ của mạng điện thấp. Theo tính toán trong đồ án, cosφ tổng của phân xưởng chỉ đạt 0.84, thấp hơn mức khuyến nghị của ngành điện (0.9-0.95). Hệ số cosφ thấp gây ra nhiều hệ lụy: tăng tổn thất công suất trên đường dây (ΔP = I²R), tăng tổn thất điện áp, và làm giảm khả năng truyền tải của máy biến áp và dây dẫn. Để khắc phục, phương pháp bù công suất phản kháng bằng cách lắp đặt tụ bù được áp dụng. Việc này giúp giảm lượng công suất phản kháng phải truyền tải từ nguồn, từ đó cải thiện các chỉ số kỹ thuật và giảm chi phí tiền điện. Đây là một bước không thể thiếu trong việc tối ưu hóa hệ thống điện công nghiệp.

5.1. Ý nghĩa kinh tế kỹ thuật của việc nâng cao cosφ

Việc nâng cao hệ số công suất cosφ mang lại lợi ích kép. Về mặt kỹ thuật, nó giúp giảm dòng điện chạy trên đường dây với cùng một công suất tác dụng (P), dẫn đến giảm tổn thất công suất và sụt áp. Điều này làm tăng khả năng truyền tải của hệ thống hiện hữu, cho phép cấp điện cho nhiều thiết bị hơn mà không cần nâng cấp máy biến áp hay dây dẫn. Về mặt kinh tế, việc giảm tổn thất điện năng đồng nghĩa với việc giảm hóa đơn tiền điện hàng tháng. Hơn nữa, các công ty điện lực thường áp dụng biểu giá phạt nếu hộ tiêu thụ có cosφ thấp hơn mức quy định. Do đó, đầu tư vào hệ thống bù công suất là một khoản đầu tư thông minh, có thời gian hoàn vốn nhanh và mang lại lợi ích lâu dài cho doanh nghiệp, đồng thời góp phần làm ổn định lưới điện chung.

5.2. Phương pháp tính toán và lựa chọn dung lượng tụ bù

Dung lượng tụ bù cần thiết (Qb) được tính toán dựa trên công suất tác dụng của toàn phân xưởng (P) và hai giá trị hệ số công suất: trước khi bù (cosφ1) và sau khi bù (cosφ2). Công thức tính là: Qb = P * (tanφ1 - tanφ2). Trong đồ án, với công suất P = 55.18 kW, mục tiêu là nâng cosφ từ 0.84 lên 0.95. Áp dụng công thức, dung lượng bù cần thiết được tính toán là 18.18 kVAr. Dựa trên kết quả này, tụ bù 3 pha Samwha 415V - 20 kVAr được lựa chọn. Tụ bù có thể được lắp đặt tại tủ phân phối chính (bù tập trung), tại các tủ động lực (bù theo nhóm), hoặc tại từng thiết bị (bù riêng lẻ). Việc lựa chọn vị trí bù phụ thuộc vào đặc điểm vận hành của phụ tải để đạt hiệu quả tối ưu.