Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Điện năng giữ vai trò then chốt trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa và đời sống dân sinh nhờ ưu điểm dễ biến đổi sang các dạng năng lượng khác cũng như thuận tiện trong truyền tải, phân phối. Quá trình sản xuất và tiêu thụ điện diễn ra gần như đồng thời theo quy luật điện từ, năng lượng điện không tích trữ được trên quy mô lưới truyền thống, do đó việc cân bằng công suất giữa nguồn phát và phụ tải là điều kiện tiên quyết trong kỹ thuật điện. Đối với khu vực nông thôn đang chuyển dịch kinh tế, việc nâng cấp, cải tạo và xây dựng mới hệ thống lưới điện là yêu cầu cấp thiết nhằm đáp ứng nhu cầu tăng trưởng phụ tải sinh hoạt và sản xuất nông nghiệp.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cung cấp điện cho xã Lâm Động huyện Thủy Nguyên - HP" do sinh viên Nguyễn Văn Tiếp thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Đỗ Thị Hồng Lý (ngành Điện Tự động Công nghiệp, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng, năm 2015) giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật lưới phân phối điện phục vụ địa phương.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể:

  1. Thu thập, tổng hợp các điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội và số liệu phụ tải hiện trạng của xã Lâm Động để phục vụ công tác tính toán.
  2. Nghiên cứu cơ sở lý luận, phương pháp xác định phụ tải tính toán; tính toán chi tiết nhu cầu công suất cho từng nhóm phụ tải sinh hoạt, công cộng, nông nghiệp và tiểu thủ công nghiệp trên địa bàn xã.
  3. Xây dựng, phân tích và so sánh các phương án cấp điện khả thi để lựa chọn cấu hình trạm biến áp và lưới phân phối tối ưu về mặt kỹ thuật, kinh tế và vận hành.
  4. Tính toán, lựa chọn và kiểm tra các phần tử thiết bị điện phía cao áp (10 kV) và hạ áp (0,4 kV) của sơ đồ cấp điện.
  5. Thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét khí quyển và hệ thống nối đất an toàn cho các trạm biến áp phân phối.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống mạng lưới cung cấp điện phân phối từ đường dây trung áp đến các phụ tải tiêu thụ điện hạ áp (bao gồm trạm biến áp phân phối, đường dây truyền tải, thiết bị đóng cắt, bảo vệ và hệ thống nối đất).
  • Phạm vi không gian: Toàn bộ địa giới hành chính xã Lâm Động, huyện Thủy Nguyên, thành phố Hải Phòng. Xã nằm ở phía Nam huyện Thủy Nguyên, phía Bắc giáp xã Thiên Hương, phía Đông giáp xã Hoa Động, phía Nam giáp sông Cấm, phía Tây giáp xã Hoàng Động; có diện tích tự nhiên 4,02 km², dân số 4.500 người phân bổ tại 4 thôn: thôn Đền, thôn Hầu, thôn Đông và thôn Xú.
  • Phạm vi nguồn điện và thời gian: Điểm đấu nối nhận điện từ đường dây trung áp 10 kV lộ 973 hiện hữu đi qua địa bàn xã; dữ liệu khảo sát và các mốc tính toán thiết kế kỹ thuật được chốt vào năm 2015.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn thiết kế

Đồ án vận dụng hệ thống lý thuyết mạng lưới cung cấp điện công nghiệp và dân dụng, bám sát 4 tiêu chí cốt lõi trong thiết kế cung cấp điện:

  • Độ tin cậy cung cấp điện: Phân loại phụ tải theo 3 nhóm (hộ loại 1, loại 2, loại 3). Phụ tải xã Lâm Động chủ yếu thuộc hộ loại 3 (ánh sáng sinh hoạt nông thôn cho phép mất điện tạm thời khi xảy ra sự cố) kết hợp một số đơn vị hành chính sự nghiệp, y tế, giáo dục và bơm tưới tiêu phục vụ sản xuất.
  • Chất lượng điện áp: Giữ độ lệch điện áp nằm trong giới hạn cho phép $\Delta U \le 5% U_{\text{đm}}$ tại mọi nút tải để đảm bảo thiết bị điện hoạt động bình thường.
  • Chỉ tiêu kinh tế: Đánh giá mối quan hệ tương hỗ giữa vốn đầu tư xây dựng ban đầu và chi phí tổn thất vận hành hàng năm nhằm lựa chọn phương án có tổng chi phí quy đổi nhỏ nhất.
  • An toàn kỹ thuật: Đảm bảo khoảng cách cách điện, bảo vệ quá dòng, chống sét lan truyền và tiếp địa an toàn nhằm phòng ngừa điện áp chạm, điện áp bước cho con người và thiết bị.

Các phương pháp xác định phụ tải điện được tác giả viện dẫn và phân tích gồm:

  • Phương pháp xác định theo suất tiêu hao năng lượng và mật độ phụ tải trên một đơn vị diện tích ($P_{\text{tt}} = p_0 \cdot F$).
  • Phương pháp hệ số đồng thời ($K_{\text{đt}}$) áp dụng cho các phụ tải sinh hoạt có công suất tương đương.
  • Phương pháp hệ số nhu cầu ($K_{\text{nc}}$) và hệ số cực đại ($K_{\text{max}}$) kết hợp tính số thiết bị hiệu dụng ($n_{\text{hq}}$) áp dụng cho nhóm thiết bị gia công cơ khí.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp khảo sát, thống kê thực địa: Lập danh mục kiểm kê số hộ gia đình của 4 thôn, diện tích phòng học của 3 trường học, diện tích trạm xá, UBND xã, diện tích tưới tiêu của 2 trạm bơm và thiết bị công nghệ của các xưởng cơ khí, nhà xay xát.
  • Phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật điện: Sử dụng công thức giải tích tính công suất tác dụng ($P$), công suất phản kháng ($Q$), công suất biểu kiến ($S$), dòng điện tính toán ($I_{\text{tt}}$) và dòng điện cưỡng bức ($I_{\text{cb}}$).
  • Phương pháp kiểm tra tổn thất điện áp và tổn thất điện năng: Tính sụt áp $\Delta U$ theo điện trở $r_0$ và điện cảm $x_0$; kiểm tra điều kiện sụt áp cho phép; tính tổn thất điện năng hàng năm $\Delta A$ dựa trên thời gian sử dụng công suất cực đại $T_{\text{max}} = 3000$ giờ.
  • Phương pháp lựa chọn theo mật độ dòng điện kinh tế ($J_{\text{kt}} = 2,5\text{ A/mm}^2$ đối với cáp đồng).
  • Phương pháp tra cứu sổ tay kỹ thuật: Đối chiếu các bảng tra cứu thiết bị từ các tài liệu chuyên ngành cung cấp điện cho xí nghiệp và nhà cao tầng để lựa chọn thông số máy biến áp, dây dẫn, khí cụ đóng cắt và tiếp địa.

Nguồn dữ liệu

  • Số liệu khảo sát địa lý, dân số, hạ tầng tại xã Lâm Động, huyện Thủy Nguyên, Hải Phòng.
  • Nguồn cấp điện từ tuyến đường dây 10 kV lộ 973.
  • Số liệu kỹ thuật thiết bị trích xuất từ tài liệu tra cứu của các hãng sản xuất thiết bị điện: máy biến áp ABB, thiết bị đóng cắt trung áp Siemens, thiết bị đóng cắt hạ áp Merlin Gerin, cáp hạ áp LENS.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

So sánh và lựa chọn phương án cấp điện

Tác giả đưa ra 3 phương án cung cấp điện dựa trên sơ đồ mặt bằng và sự phân bố dân cư dọc theo các trục đường liên thôn, liên xã:

Tiêu chí Phương án 1: Đặt 1 trạm biến áp tại trung tâm xã Phương án 2: Đặt 2 trạm biến áp Phương án 3: Đặt 3 trạm biến áp (Được chọn)
Cấu hình 01 trạm cấp cho toàn bộ 4 thôn và 2 trạm bơm 02 trạm, mỗi trạm cấp cho 2 thôn và 1 trạm bơm 03 trạm: Trạm 1 (Thôn Hầu + 1/2 thôn Xú), Trạm 2 (Thôn Đông + phụ cận), Trạm 3 (Thôn Đền + phụ cận)
Ưu điểm Tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu Chia đôi phụ tải, vùng sự cố thu hẹp hơn phương án 1 Bán kính cấp điện hạ áp ngắn, đường dây ngắn, đảm bảo chất lượng điện áp, độ tin cậy cấp điện cao, vùng mất điện khi sự cố rất nhỏ
Nhược điểm Bán kính cấp điện hạ áp quá lớn; sụt áp cuối nguồn cao; khi xảy ra sự cố trạm sẽ gây mất điện toàn xã Chi phí lắp đặt cao hơn phương án 1 Chi phí đầu tư thiết bị ban đầu cao hơn phương án 1 và phương án 2

Mặc dù phương án 3 có kinh phí ban đầu cao hơn, tác giả lựa chọn phương án này vì đảm bảo yêu cầu kỹ thuật về chất lượng điện áp và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện trên địa bàn trải dài.

Lựa chọn thiết bị phía cao áp (10 kV)

  • Máy biến áp: Đặt 3 trạm biến áp phân phối hạ áp từ 10 kV lộ 973 xuống 0,4 kV. Cả 3 trạm đều sử dụng loại máy biến áp 10/0,4 kV do hãng ABB chế tạo với công suất định mức $S_{\text{đm}} = 630\text{ kVA}$. Các thông số kỹ thuật chính:
    • Điện áp: 10/0,4 kV.
    • Tổn thất công suất không tải: $\Delta P_0 = 1.200\text{ W}$.
    • Tổn thất công suất ngắn mạch: $\Delta P_{\text{N}} = 8.200\text{ W}$.
    • Điện áp ngắn mạch phần trăm: $U_{\text{N}}% = 4,5%$.
  • Dây dẫn cao áp: Tuyến đường dây 10 kV dùng dây nhôm lõi thép AC, tính toán theo điều kiện tổn thất điện áp cho phép ($\Delta U_{\text{cp}} \le 5% U_{\text{đm}} = 500\text{ V}$), tiết diện tính toán $F = 62,8\text{ mm}^2$. Tác giả chọn dây AC 70 ($r_0 = 0,46\ \Omega/\text{km}$, $x_0 = 0,382\ \Omega/\text{km}$). Kiểm tra trên chiều dài tới máy biến áp số 3 ở xa nhất ($l = 3.600\text{ m}$) cho thấy sụt áp thực tế thỏa mãn yêu cầu ($\Delta U < \Delta U_{\text{cp}}$).
  • Dao cách ly (DCL): Chọn dao cách ly 3 pha hãng Siemens, mã hiệu 3DC, điện áp định mức $U_{\text{đm}} = 12\text{ kV}$, dòng điện định mức $I_{\text{đm}} = 400 - 2.500\text{ A}$, đáp ứng dòng cưỡng bức $I_{\text{cb}} = 36\text{ A}$.
  • Cầu chì cao áp: Chọn cầu chì ống bảo vệ trạm biến áp do Siemens chế tạo, mã hiệu 3GD1 210-3B; $U_{\text{đm}} = 12\text{ kV}$, dòng định mức dây chảy $I_{\text{đm}} = 36\text{ A}$ (hoặc phiên bản 40 A), khả năng cắt ngắn mạch $I_{\text{cắtN}} = 40\text{ kA}$, chiều dài 292 mm, đường kính 69 mm, khối lượng 2,6 kg.
  • Sứ đỡ cách điện: Loại OCH-10-2000, điện áp định mức 10 kV, điện áp phóng điện khô 50 kV, phóng điện ướt 34 kV, lực phá hoại cơ học 2.000 kg, khối lượng 12,1 kg.
  • Chống sét van: Đặt tại đầu cực cao áp trạm biến áp, sử dụng loại AZLP-501B10 làm bằng vật liệu oxit kim loại (MO), vỏ sứ cách điện, điện áp định mức 10 kV, dòng điện phóng định mức 10 kA.

Lựa chọn thiết bị phía hạ áp (0,4 kV)

  • Thanh cái tủ phân phối hạ áp: Dùng thanh đồng hình chữ nhật kích thước $50 \times 6\text{ mm}$, tiết diện $300\text{ mm}^2$, khả năng dẫn dòng cho phép đạt 955 A.
  • Tuyến cáp trục hạ áp: Sử dụng cáp đồng 3 lõi cách điện PVC do hãng LENS chế tạo, chọn theo mật độ dòng điện kinh tế ($J_{\text{kt}} = 2,5\text{ A/mm}^2$):
    • Lộ A1, B1 (Trạm 1), C2 (Trạm 2), A3 (Trạm 3) có $S = 250\text{ kVA}$, dòng điện $I_{\text{tt}} = 361\text{ A}$: Chọn cáp Cu/PVC $(3 \times 150 + 1 \times 70)\text{ mm}^2$, điện trở $r_0 = 0,124\ \Omega/\text{km}$, dòng cho phép $I_{\text{cp}} = 395\text{ A}$.
    • Lộ A2 (Trạm 2), C3 (Trạm 3) có $S = 200\text{ kVA}$, dòng điện $I_{\text{tt}} = 289\text{ A}$: Chọn cáp Cu/PVC $(3 \times 120 + 1 \times 70)\text{ mm}^2$, $r_0 = 0,153\ \Omega/\text{km}$, dòng cho phép $I_{\text{cp}} = 346\text{ A}$.
    • Lộ B2 (Trạm 2), B3 (Trạm 3) có $S = 150\text{ kVA}$, dòng điện $I_{\text{tt}} = 216\text{ A}$: Chọn cáp Cu/PVC $(3 \times 95 + 1 \times 50)\text{ mm}^2$, $r_0 = 0,193\ \Omega/\text{km}$, dòng cho phép $I_{\text{cp}} = 298\text{ A}$.
    • Lộ C1 (Trạm 1) có dòng điện $I_{\text{tt}} = 187\text{ A}$: Chọn cáp Cu/PVC $(3 \times 95 + 1 \times 50)\text{ mm}^2$.
    • Lộ cấp nguồn riêng cho 2 trạm bơm tưới tiêu ($P = 14\text{ kW}$, khoảng cách 200 m): Chọn cáp Cu/PVC $(4\text{G}16)\text{ mm}^2$, $r_0 = 1,15\ \Omega/\text{km}$.
    • Các tuyến cáp đều được kiểm tra điều kiện sụt áp $\Delta U \le 5% U_{\text{đm}} = 20\text{ V}$ và đạt tiêu chuẩn kỹ thuật (ví dụ: lộ B2 dài 300 m có sụt áp nhỏ hơn 20 V).
  • Aptomat bảo vệ hạ áp: Sử dụng thiết bị đóng cắt của hãng Merlin Gerin (3 pha 4 cực, điện áp định mức 690 V):
    • Aptomat tổng Trạm 1: Loại C10001N ($I_{\text{đm}} = 1.000\text{ A}$, khả năng cắt $I_{\text{N}} = 25\text{ kA}$).
    • Aptomat tổng Trạm 2 và Trạm 3: Loại C801N ($I_{\text{đm}} = 800\text{ A}$, $I_{\text{N}} = 25\text{ kA}$).
    • Aptomat nhánh xuất tuyến công suất lớn (lộ A1, B1, C2, A3, A2, C3): Loại NS400N ($I_{\text{đm}} = 400\text{ A}$, $I_{\text{N}} = 10\text{ kA}$).
    • Aptomat nhánh xuất tuyến công suất vừa (lộ C1, B2, B3): Loại NS250N ($I_{\text{đm}} = 250\text{ A}$, $I_{\text{N}} = 8\text{ kA}$).

Thiết kế hệ thống nối đất an toàn

Hệ thống tiếp địa được thiết kế theo hình thức nối đất nhân tạo mạch kín dùng chung cho giàn trạm và điểm trung tính của máy biến áp:

  • Cọc tiếp địa: Sử dụng thép góc L $60 \times 60 \times 6\text{ mm}$, chiều dài mỗi cọc $l = 2,5\text{ m}$, đóng ngập cách mặt đất từ 0,5 đến 0,8 m.
  • Thanh nối liên kết cọc: Dùng thép dẹt kích thước $40 \times 4\text{ mm}$, đặt chôn sâu 0,7 m dưới mặt đất và hàn trực tiếp vào các đầu cọc tiếp địa.
  • Dây dẫn nối đất: Sử dụng dây thép tiết diện $120\text{ mm}^2$ (hoặc nhôm $35\text{ mm}^2$, đồng $25\text{ mm}^2$), đảm bảo không nhỏ hơn 1/3 tiết diện dây dẫn pha.
  • Tiêu chuẩn điện trở tiếp đất: Toàn bộ hệ thống tiếp địa được khống chế đạt trị số điện trở nối đất cho phép $R_{\text{cp}} \le 4\ \Omega$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung về xã Lâm Động

Chương này tập trung trình bày tổng quan điều kiện địa lý tự nhiên, đặc điểm kinh tế - xã hội và lập bảng thống kê phụ tải tiêu thụ điện ban đầu của xã Lâm Động:

  • Xã thuần nông nằm ven đô Hải Phòng, địa hình đồng bằng bồi tụ ven sông Cấm với diện tích 4,02 km², dân số 4.500 người.
  • Khí hậu nhiệt đới ẩm, chịu tác động của bão, lốc, mưa đá tập trung từ tháng 4 đến tháng 7, đòi hỏi hệ thống điện phải có độ an toàn cơ học cao.
  • Phụ tải của xã được phân loại chi tiết: 1.000 hộ gia đình phân bổ ở 4 thôn (thôn Đền 310 hộ, thôn Đông 300 hộ, thôn Xú 270 hộ, thôn Hầu 220 hộ); 3 trường học (THCS, Tiểu học, Mầm non); 1 trạm xá; 1 trụ sở UBND xã; 2 trạm bơm nông nghiệp; 2 xưởng cơ khí nhỏ gia công đồ gia dụng, nông cụ và 4 nhà xay xát lúa gạo phục vụ mùa màng.

Chương 2: Lựa chọn các phần tử của sơ đồ cấp điện cho xã Lâm Động

Chương 2 là phần nội dung trọng tâm của đồ án, trình bày quy trình tính toán phụ tải và thiết kế kỹ thuật mạng phân phối:

  • Tính toán phụ tải sinh hoạt: Thống kê 15 thiết bị gia dụng cơ bản trong một hộ nông thôn (đèn sợi đốt, đèn ống huỳnh quang, quạt bàn, quạt trần, tivi, máy bơm nước, nồi cơm điện, bàn là), tính ra công suất tiêu thụ trung bình của 1 hộ là $1,5\text{ kW}$ ($\cos\varphi = 0,85$, $\tan\varphi = 0,527$).
  • Tính toán các phụ tải chuyên biệt: Phụ tải trường học tính theo diện tích ($p_0 = 15 - 20\text{ W/m}^2$), phụ tải trạm xá ($13\text{ W/m}^2$, diện tích $150\text{ m}^2$), UBND xã ($300\text{ m}^2$), trạm bơm tưới tiêu theo định mức diện tích tưới ($0,08 - 0,1\text{ kW/ha}$), xưởng cơ khí tính theo công suất hiệu dụng ($n_{\text{hq}} = 4,56$, $K_{\text{max}} = 3,2$), nhà xay xát tính theo hệ số đồng thời.
  • Tổng hợp phụ tải toàn xã: Công suất đặt toàn xã đạt $P = 1.839,65\text{ kW}$ và $Q = 1.044,2\text{ kVAr}$. Với hệ số đồng thời toàn xã $K_{\text{đt}} = 0,8$, phụ tải tính toán tổng là $P_{\text{x}} = 1.471,72\text{ kW}$.
  • So sánh các phương án cấp điện và lựa chọn phương án 3 trạm biến áp phân phối phụ tải theo cụm dân cư.
  • Lựa chọn công suất máy biến áp: Công suất tính toán có tính hệ số dự phòng phát triển tương lai $k_{\text{dp}} = 1,1$ cho kết quả công suất yêu cầu tại Trạm 1 là 628 kVA, Trạm 2 là 592 kVA, Trạm 3 là 600 kVA; từ đó lựa chọn đồng bộ 3 máy biến áp ABB công suất định mức $630\text{ kVA} - 10/0,4\text{ kV}$.
  • Tính chọn tiết diện dây dẫn cao áp 10 kV (dây AC 70), tính tổn thất điện áp và tính tổn thất điện năng hàng năm ($\Delta A = 97.432\text{ kWh/năm}$ ứng với thời gian tổn thất công suất lớn nhất $\tau = 2.004,78\text{ giờ}$, tổn thất công suất tác dụng $\Delta P = 48,60\text{ kW}$).
  • Tính chọn các khí cụ điện cao áp: Dao cách ly Siemens 3DC, cầu chì Siemens 3GD1 210-3B, sứ cách điện OCH-10-2000, chống sét van AZLP-501B10.
  • Tính chọn thiết bị phân phối hạ áp: Thanh cái đồng $50 \times 6\text{ mm}$, cáp đồng LENS hạ áp Cu/PVC các lộ xuất tuyến, aptomat tổng và nhánh của hãng Merlin Gerin.

Chương 3: Bảo vệ chống sét và nối đất

Chương 3 trình bày các giải pháp kỹ thuật bảo vệ công trình điện trước tác động của hiện tượng phóng điện khí quyển và nguy cơ sự cố rò điện:

  • Phân tích cơ chế phóng điện của sét và các dạng quá điện áp khí quyển nguy hiểm tác động vào công trình điện ngoài trời.
  • Đánh giá đặc tính các thiết bị chống sét: cột thu lôi trực tiếp (kinh điển Franklin và phát xạ sớm ESE), khe hở phóng điện, chống sét ống và chống sét van phi tuyến.
  • Lựa chọn giải pháp chống sét lan truyền từ đường dây vào trạm biến áp bằng chống sét van oxit kim loại AZLP-501B10 lắp đặt tại đầu vào 10 kV.
  • Trình bày nguyên lý nối đất làm việc và nối đất bảo vệ; phân tích hình thức nối đất tự nhiên và nối đất nhân tạo.
  • Thiết kế hệ thống tiếp đất nhân tạo mạch kín bằng cọc thép góc L $60 \times 60 \times 6\text{ mm}$ kết hợp thanh dẹt thép $40 \times 4\text{ mm}$ hàn kín, đảm bảo điện trở nối đất kỹ thuật $R_{\text{cp}} \le 4\ \Omega$.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán chính

Đồ án đã lượng hóa toàn diện hệ thống thông số kỹ thuật của mạng lưới điện xã Lâm Động:

Hạng mục phụ tải Công suất tác dụng $P_{\text{tt}}$ (kW) Công suất phản kháng $Q_{\text{tt}}$ (kVAr)
Thôn Đông (300 hộ) 450,00 237,00
Thôn Đền (310 hộ) 465,00 245,00
Thôn Hầu (220 hộ) 330,00 174,00
Thôn Xú (270 hộ) 405,00 213,00
Khối trường học (THCS, Tiểu học, Mầm non) 74,00 55,40
Trạm xá xã 1,95 1,00
Trạm bơm tưới tiêu (2 trạm) 22,40 22,40
Trụ sở UBND xã 3,90 2,00
Xưởng cơ khí nhỏ (2 xưởng) 21,00 28,00
Nhà máy xay xát lúa gạo (4 nhà) 36,00 36,00
Tổng phụ tải trước khi tính đồng thời 1.839,65 1.044,20
Tổng phụ tải toàn xã ($K_{\text{đt}} = 0,8$) 1.471,72 -

Hệ thống thiết bị được lựa chọn hoàn chỉnh:

  • Trạm biến áp: 03 trạm biến áp ABB công suất định mức $630\text{ kVA} - 10/0,4\text{ kV}$.
  • Tuyến trung áp 10 kV: Dây nhôm lõi thép AC 70, độ sụt áp lớn nhất kiểm tra tại điểm xa nhất $l = 3.600\text{ m}$ thỏa mãn tiêu chuẩn $\Delta U \le 500\text{ V}$.
  • Khí cụ đóng cắt bảo vệ cao áp: Dao cách ly Siemens 3DC 12 kV, cầu chì hạt nổ Siemens 3GD1 210-3B (12 kV - 36 A), chống sét van MO vỏ sứ AZLP-501B10.
  • Khí cụ hạ áp: Aptomat Merlin Gerin C10001N (1.000 A) cho Trạm 1; C801N (800 A) cho Trạm 2 và Trạm 3; các lộ ra dùng aptomat NS400N và NS250N.
  • Cáp phân phối hạ áp: Cáp đồng LENS Cu/PVC các loại $(3 \times 150 + 1 \times 70)\text{ mm}^2$, $(3 \times 120 + 1 \times 70)\text{ mm}^2$, $(3 \times 95 + 1 \times 50)\text{ mm}^2$ và cáp chuyên dụng trạm bơm $(4\text{G}16)\text{ mm}^2$.
  • Hệ thống tiếp địa: Cọc thép L $60 \times 60 \times 6\text{ mm}$ ($l = 2,5\text{ m}$) và thép dẹt $40 \times 4\text{ mm}$ chôn sâu 0,7 m, duy trì $R_{\text{đ}} \le 4\ \Omega$.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Quy hoạch phân bố tải thành 3 trạm để rút ngắn bán kính cấp điện hạ áp, giải quyết dứt điểm hiện tượng sụt áp cuối nguồn thường gặp ở lưới điện nông thôn trải dài.
  • Đi riêng 1 tuyến cáp hạ áp độc lập từ trạm biến áp đến trạm bơm tưới tiêu nhằm duy trì sự ổn định cho máy bơm công suất 14 kW khi vận hành mùa vụ.
  • Thiết kế hệ thống nối đất lặp lại cho đường dây hạ áp không dây (ĐDK - 0,4 kV) và tách biệt rõ ràng giữa nối đất làm việc và nối đất an toàn.
  • Đảm bảo nghiêm ngặt hành lang an toàn lưới điện, xử lý khoảng cách ngọn cây phòng tránh va chạm vào đường dây trong mùa mưa bão (tháng 4 đến tháng 7).

Đóng góp thực tiễn

Đề tài cung cấp bộ hồ sơ tính toán hoàn chỉnh, gắn liền với hiện trạng một xã thuần nông ven đô cụ thể của Hải Phòng. Thay vì áp đặt một trạm biến áp tập trung hoặc chia đều cơ học, đồ án đã phân bổ vị trí các trạm biến áp bám sát trục đường liên thôn, liên xã và các cụm dân cư thực tế, tạo cơ sở cho việc lập dự toán và cải tạo lưới điện phân phối tại địa phương.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế về phạm vi dữ liệu: Đồ án giới hạn trong phạm vi tính toán thiết kế kỹ thuật từ cấp điện áp trung áp 10 kV xuống hạ áp 0,4 kV theo hiện trạng nguồn lộ 973 tại thời điểm năm 2015. Văn bản chưa phân tích quy hoạch chuyển đổi lên cấp điện áp chuẩn 22 kV theo lộ trình chuẩn hóa lưới điện trung áp quốc gia được đề cập trong lý thuyết.
  • Phương pháp khảo sát: Số liệu phụ tải sinh hoạt hộ gia đình được tính theo suất phụ tải bình quân đồng nhất ($1,5\text{ kW/hộ}$) dựa trên danh mục 15 thiết bị gia dụng cơ bản; chưa phân nhóm chi tiết mức tiêu thụ giữa các hộ có mức thu nhập khác nhau.
  • Hướng mở rộng nghiên cứu: Tiếp tục cập nhật bài toán kinh tế chi tiết (tính tổng mức đầu tư thiết bị, chi phí xây lắp đền bù và thời gian thu hồi vốn thực tế); lập phương án chuyển đổi cấp điện áp làm việc của cuộn cao máy biến áp khi tuyến trung áp lộ 973 được nâng cấp từ 10 kV lên 22 kV.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện, Điện tự động công nghiệp:

  • Sinh viên chuyên ngành có thể tham khảo phương pháp tính toán phụ tải kết hợp giữa sinh hoạt và nông nghiệp - tiểu thủ công nghiệp (trạm bơm, xưởng cơ khí, nhà xay xát lúa gạo).
  • Cung cấp mẫu tra cứu và phối hợp lựa chọn thiết bị điện cao - hạ áp đồng bộ theo tiêu chuẩn của các hãng sản xuất thiết bị công nghiệp (ABB, Siemens, Merlin Gerin).
  • Phần tính toán cơ sở dung lượng trạm biến áp, kiểm tra sụt áp đường dây dài và thiết kế hệ thống nối đất tiếp địa hỗn hợp là tài liệu trực quan cho các đồ án môn học và đồ án tốt nghiệp thiết kế lưới điện nông thôn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án không chọn phương án đặt 1 trạm biến áp ở trung tâm xã để tiết kiệm chi phí đầu tư?

Trong Chương 2, tác giả đã phân tích và bác bỏ Phương án 1 (đặt 1 trạm biến áp tại trung tâm xã) do nhược điểm lớn về mặt kỹ thuật: địa bàn xã Lâm Động trải rộng trên diện tích 4,02 km², dân cư phân bố trải dài dọc theo các đường liên thôn, liên xã. Nếu chỉ đặt 1 trạm, bán kính cấp điện hạ áp quá lớn khiến đường dây hạ áp kéo dài, dẫn đến tổn thất điện áp cuối nguồn vượt quá giới hạn cho phép ($\Delta U > 5% U_{\text{đm}}$). Ngoài ra, khi xảy ra sự cố tại trạm duy nhất này, toàn bộ xã sẽ bị mất điện hoàn toàn. Phương án 3 (đặt 3 trạm biến áp) tuy có chi phí thiết bị ban đầu cao hơn nhưng bảo đảm bán kính cấp điện ngắn, chất lượng điện áp tốt và vùng mất điện sự cố được thu hẹp tối đa.

2. Định mức tiêu thụ điện trung bình của một hộ gia đình trong xã được tác giả tính toán như thế nào?

Tác giả lập bảng thống kê danh mục gồm 15 thiết bị điện trong một hộ gia đình nông thôn điển hình với công suất định mức ($P$) và thời gian sử dụng bình quân mỗi ngày ($t$): 1 đèn sợi đốt (75 W, 2 h), 3 đèn ống dài (40 W, 3 h), 2 đèn ống ngắn (20 W, 3 h), 4 quạt bàn (60 W, 4 h), 1 quạt trần (100 W, 2 h), 1 tivi (90 W, 7 h), 1 bơm nước (250 W, 0,5 h), 1 nồi cơm điện (650 W, 1 h), 1 bàn là (1.000 W, sử dụng 5 ngày 1 lần, mỗi lần 60 phút, trung bình 0,1 h/ngày). Tổng công suất tiêu thụ định mức trong danh mục là 2.275 W, tính toán công suất tiêu thụ bình quân đưa vào thiết kế cho mỗi hộ gia đình là $1.500\text{ W} = 1,5\text{ kW}$ với hệ số công suất $\cos\varphi = 0,85$ ($\tan\varphi = 0,527$).

3. Thông số kỹ thuật cụ thể của 3 máy biến áp được lựa chọn cho xã Lâm Động là gì?

Cả 3 máy biến áp được lựa chọn đều do hãng ABB chế tạo, có cùng công suất định mức $S_{\text{đm}} = 630\text{ kVA}$, tỷ số biến áp $10/0,4\text{ kV}$. Các thông số kỹ thuật được trích xuất từ tài liệu tra cứu của hãng gồm:

  • Tổn thất công suất không tải: $\Delta P_0 = 1.200\text{ W}$.
  • Tổn thất công suất ngắn mạch: $\Delta P_{\text{N}} = 8.200\text{ W}$.
  • Tổn thất điện áp ngắn mạch: $U_{\text{N}}% = 4,5%$. Công suất 630 kVA được chọn dựa trên công suất tính toán có tính thêm hệ số dự phòng mở rộng phụ tải tương lai ($k_{\text{dp}} = 1,1$).

4. Hệ thống đường dây trung áp 10 kV sử dụng loại dây dẫn nào và tổn thất điện năng hàng năm được tính ra bao nhiêu?

Tuyến đường dây trung áp 10 kV nhận nguồn từ lộ 973 sử dụng loại dây nhôm lõi thép AC 70 (tiết diện danh định $70\text{ mm}^2$, tiết diện tính toán yêu cầu là $62,8\text{ mm}^2$), có các thông số đường dây $r_0 = 0,46\ \Omega/\text{km}$ và $x_0 = 0,382\ \Omega/\text{km}$. Với phụ tải điện sinh hoạt nông thôn có thời gian sử dụng công suất cực đại $T_{\text{max}} = 3.000\text{ giờ}$ (tương ứng thời gian tổn thất công suất lớn nhất $\tau = 2.004,78\text{ giờ}$) và tổn thất công suất tác dụng cực đại $\Delta P = 48,60\text{ kW}$, tổng tổn thất điện năng hàng năm trên tuyến đường dây 10 kV được tính toán là $\Delta A = \Delta P \cdot \tau = 97.432\text{ kWh/năm}$.

5. Cấu tạo chi tiết của hệ thống tiếp địa chống sét và nối đất an toàn tại trạm biến áp được quy định ra sao?

Hệ thống tiếp địa được thiết kế theo hình thức nối đất nhân tạo mạch kín với yêu cầu trị số điện trở nối đất cho phép $R_{\text{cp}} \le 4\ \Omega$. Cấu tạo vật tư gồm có:

  • Cọc tiếp địa: Sử dụng thép góc L $60 \times 60 \times 6\text{ mm}$, chiều dài cọc $l = 2,5\text{ m}$, được đóng sâu xuống đất sao cho đầu trên của cọc cách mặt đất từ 0,5 đến 0,8 m.
  • Thanh liên kết: Dùng thép dẹt kích thước $40 \times 4\text{ mm}$ chôn ngập ở độ sâu 0,7 m và hàn liên kết trực tiếp vào các đầu cọc tiếp địa tạo thành vòng khép kín.
  • Dây dẫn nối đất: Sử dụng dây thép có tiết diện $120\text{ mm}^2$ (hoặc nhôm $35\text{ mm}^2$, đồng $25\text{ mm}^2$), tuân thủ nguyên tắc không nhỏ hơn 1/3 tiết diện dây dẫn pha. Hệ thống nối đất này dùng chung cho cả việc tiếp địa giàn trạm và tiếp địa điểm trung tính của máy biến áp.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Văn Tiếp đã xây dựng một phương án thiết kế cung cấp điện hoàn chỉnh, có tính thực tiễn cao cho xã thuần nông Lâm Động thuộc huyện Thủy Nguyên, Hải Phòng. Thông qua việc phân tích toàn diện 4 nhóm phụ tải và so sánh kinh tế - kỹ thuật giữa các phương án phân phối, tác giả đã đề xuất giải pháp bố trí 3 trạm biến áp 630 kVA 10/0,4 kV của ABB nhằm tối ưu hóa chất lượng điện áp và thu hẹp bán kính cấp điện hạ áp. Toàn bộ các chủng loại dây dẫn, khí cụ đóng cắt bảo vệ cao - hạ áp và hệ thống tiếp địa chống sét đều được lựa chọn, kiểm tra chi tiết theo các tiêu chuẩn kỹ thuật điện hiện hành. Đề tài là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn tốt cho công tác giảng dạy, học tập và thiết kế mạng lưới phân phối điện nông thôn.