Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nhu cầu tiêu thụ điện năng tại các công trình dân dụng quy mô lớn, trung tâm thương mại và tòa nhà văn phòng tại Việt Nam gia tăng nhanh chóng. Việc thiết kế hệ thống cung cấp điện và hệ thống phòng cháy chữa cháy (PCCC) đóng vai trò then chốt nhằm bảo đảm an toàn vận hành, tính liên tục của nguồn điện và an toàn tính mạng cho người sử dụng.

Xuất phát từ nhu cầu mở rộng quy mô hoạt động và phát triển cơ sở hạ tầng kinh doanh, Tổng công ty Xây dựng Bạch Đằng – CTCP (BDCC) đã triển khai dự án đầu tư xây dựng Tòa nhà phức hợp 17 tầng đặt tại số 268 Trần Nguyên Hãn, quận Lê Chân, thành phố Hải Phòng. Đồ án tốt nghiệp đại học ngành Điện Tự Động Công Nghiệp của sinh viên Lê Đức Lương (Trường Đại học Dân lập Hải Phòng, năm 2018) được thực hiện nhằm giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế kỹ thuật cung cấp điện hạ áp và hệ thống báo cháy tự động cho công trình này.

Theo nhiệm vụ đề tài được giao, các mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể bao gồm:

  1. Khảo sát công năng, quy mô kiến trúc và đặc điểm phụ tải của công trình phức hợp 17 tầng.
  2. Thiết lập cơ sở tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật về mạng điện hạ áp và quy định an toàn vật tư, thiết bị điện.
  3. Tính toán công suất phụ tải chiếu sáng, ổ cắm và thiết bị động lực cho các tầng điển hình của tòa nhà.
  4. Lựa chọn và kiểm tra thông số kỹ thuật của khí cụ đóng cắt (Aptomat/MCB), dây dẫn và cáp điện hạ thế theo tiêu chuẩn an toàn và phát nóng cho phép.
  5. Tính toán dung lượng bù công suất phản kháng; thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp bằng đầu thu phát tia tiên đạo và hệ thống nối đất an toàn.
  6. Tính toán khối lượng, bố trí thiết bị và lập sơ đồ nguyên lý cho hệ thống báo cháy tự động toàn tòa nhà.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phân phối điện hạ áp (chiếu sáng, ổ cắm, động lực, tủ phân phối, cáp dẫn, khí cụ bảo vệ) và hệ thống báo cháy tự động.
  • Phạm vi không gian: Tòa nhà phức hợp gồm 16 tầng nổi và 01 tầng hầm tại số 268 Trần Nguyên Hãn, quận Lê Chân, thành phố Hải Phòng (diện tích xây dựng khối phức hợp là $1.067\text{ m}^2$, khối nhà để xe 5 tầng là $721\text{ m}^2$, tổng diện tích sàn xây dựng phần nổi đạt trên $15.000\text{ m}^2$).
  • Phạm vi thời gian: Đồ án được thực hiện và hoàn thành trong năm 2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng các phương án tính toán kỹ thuật dựa trên hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn ngành xây dựng và điện lực hiện hành của Việt Nam cùng tiêu chuẩn quốc tế:

  • TCVN 7447:2005–2010: Hệ thống lắp đặt điện của các tòa nhà.
  • TCXDVN 394:2007: Thiết kế lắp đặt trang thiết bị điện trong các công trình xây dựng – Phần an toàn điện.
  • QCVN QĐT-8:2010/BCT: Quy chuẩn kỹ thuật điện hạ áp.
  • TCXDVN 333:2005: Chiếu sáng nhân tạo bên ngoài các công trình công cộng và kỹ thuật hạ tầng đô thị.
  • TCXDVN 46:2007: Chống sét cho các công trình xây dựng – Hướng dẫn thiết kế, kiểm tra và bảo trì hệ thống.
  • TCVN 4756-89: Quy phạm nối đất và nối không các thiết bị điện.
  • TCXD 16-86: Tiêu chuẩn chiếu sáng nhân tạo công trình dân dụng.
  • TCXD 25:1991: Đặt đường dây điện trong nhà và công trình xây dựng.
  • TCXD 27:1991: Đặt thiết bị trong nhà ở và công trình công cộng – Tiêu chuẩn thiết kế.
  • IEC 60898: Tiêu chuẩn chế tạo khí cụ đóng cắt và bảo vệ hạ thế (Aptomat/MCB).
  • Hướng dẫn thiết kế lắp đặt điện tiêu chuẩn quốc tế IEC: Áp dụng hệ số sử dụng đồng thời $k_{sd} = 0,8$.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật bao gồm:

  • Phương pháp xác định phụ tải tính toán: Công suất tính toán ($P_{TT}$) được xác định từ công suất đặt ($P_{Đ}$) thông qua hệ số sử dụng: $P_{TT} = k_{sd} \times P_{Đ}$.
  • Phương pháp tính dòng điện làm việc cực đại:
    • Phụ tải 1 pha ($U_{đm} = 220\text{V}$, $\cos\varphi = 0,8$): $$I_{TT} = \frac{P_{TT}}{U_{đm} \times \cos\varphi}$$
    • Phụ tải 3 pha ($U_{đm} = 380\text{V}$, $\cos\varphi = 0,8$): $$I_{TT} = \frac{P_{TT}}{\sqrt{3} \times U_{đm} \times \cos\varphi}$$
  • Phương pháp lựa chọn và kiểm tra khí cụ bảo vệ: Chọn Aptomat dựa trên các điều kiện: $U_{đmA} \ge U_{đmLĐ}$, $I_{đmA} \ge I_{TT}$, và kiểm tra khả năng cắt dòng ngắn mạch $I_{cđmA} \ge I_N$.
  • Phương pháp lựa chọn và kiểm tra tiết diện dây/cáp điện:
    • Điều kiện phát nóng cho phép: $k_1 \times k_2 \times I_{cp} \ge I_{TT}$ (với $k_1, k_2$ là các hệ số hiệu chỉnh môi trường và cách thức lắp đặt; $I_{cp}$ là dòng điện cho phép của cáp tra theo catalog CADIVI).
    • Điều kiện phối hợp bảo vệ giữa cáp và Aptomat: $k_1 \times k_2 \times I_{cp} \ge \frac{1,25 \times I_{đmA}}{1,5}$.
  • Phương pháp thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét và báo cháy: Áp dụng công nghệ kim thu sét phát tia tiên đạo sớm (ESE) Heslita-CNRS/Pulsar và tính toán bán kính bảo vệ; thiết kế hệ thống báo cháy tự động dạng kênh/địa chỉ tích hợp module điều khiển liên động.

Nguồn dữ liệu sử dụng: Hồ sơ bản vẽ kiến trúc, mặt bằng bố trí công năng từng tầng của Tòa nhà phức hợp số 268 Trần Nguyên Hãn và catalog kỹ thuật của nhà sản xuất dây cáp CADIVI, thiết bị đóng cắt hạ áp tiêu chuẩn.

Thiết kế và tính toán kỹ thuật

Kiến trúc phân phối điện tổng thể

Hệ thống cung cấp điện tòa nhà được tổ chức phân tầng rõ ràng theo công năng:

  • Tầng hầm: Khu kỹ thuật, trạm bơm, tủ quạt thông gió và gara đỗ xe.
  • Tầng 1: Sảnh đón tiếp, quầy lễ tân, các phòng chức năng hành chính và dịch vụ.
  • Tầng 2 đến tầng 6: Khu thương mại dịch vụ cho thuê diện tích lớn.
  • Tầng 7 đến tầng 9: Khối văn phòng làm việc của Cơ quan Tổng công ty Xây dựng Bạch Đằng.
  • Tầng 10 đến tầng 16: Khối văn phòng làm việc của các đơn vị thành viên và diện tích cho thuê ngoài.

Quy cách lắp đặt và tiêu chuẩn vật tư

  • Dây dẫn và cáp điện: Sử dụng dây dẫn đồng bọc cách điện PVC hoặc XLPE do CADIVI chế tạo, cấp điện áp cách điện 600V. Cáp được luồn trong ống nhựa chống cháy chôn ngầm trong bê tông/tường hoặc đi trên thang máng cáp kim loại.
  • Tủ điện và khí cụ đóng cắt: Tủ điện tổng đặt tại phòng kỹ thuật ở độ cao 1,5m; tủ điện tầng và công tắc lắp đặt ở độ cao 1.500mm so với mặt sàn; các ổ cắm đặt ở cao độ 0,4m. Khí cụ bảo vệ sử dụng dòng Aptomat tép (MCB) 1 pha, 2 pha và 3 pha tuân thủ tiêu chuẩn IEC 60898.
  • Hệ thống chống sét và nối đất: Sử dụng đầu kim thu sét phát tia tiên đạo Pulsar (công nghệ Heslita-CNRS) lắp đặt trên đỉnh mái, kết hợp mạng lưới nối đất an toàn điện và nối đất chống sét bằng hệ cọc tiếp địa đóng sâu vào lòng đất, bảo đảm trị số điện trở nối đất đạt tiêu chuẩn TCVN 4756-89 và TCXDVN 46:2007.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu về Tổng công ty Xây dựng Bạch Đằng

Chương này giới thiệu quá trình hình thành, cơ cấu tổ chức và ngành nghề kinh doanh của chủ đầu tư:

  • Lịch sử phát triển: Tiền thân là "Công ty Kiến trúc Hải Phòng" (thành lập ngày 31/08/1958), chuyển đổi qua "Công ty Xây dựng Hải Phòng" (1973), "Công ty Xây dựng số 16" (1981) và chính thức thành lập Tổng công ty Xây dựng Bạch Đằng theo Quyết định số 270/BXD-TCLĐ ngày 15/03/1996 của Bộ Xây dựng.
  • Cơ cấu tổ chức: Gồm 6 phòng chức năng (Tổ chức lao động, Tài chính Kế toán, Kế hoạch, Đầu tư, Kinh tế thị trường, Quản lý xây lắp), các đơn vị trực thuộc, các Ban quản lý dự án trên toàn quốc (Vũng Áng, Mông Dương, Nghi Sơn...) và hệ thống các công ty cổ phần liên kết.
  • Bối cảnh công trình: Dự án tòa nhà phức hợp 17 tầng tại 268 Trần Nguyên Hãn được quyết định đầu tư từ tháng 02/2016 nhằm đáp ứng không gian làm việc tập trung và khai thác dịch vụ thương mại.

Chương 2: Tính toán thiết kế cung cấp điện cho tòa nhà

Chương 2 chiếm dung lượng lớn nhất của đồ án, trình bày chi tiết phương pháp tính toán phụ tải và chọn thiết bị cho từng khu vực:

  • Tầng hầm: Tổng phụ tải chiếu sáng 5 lộ đạt $3.400\text{ W}$; phụ tải phòng H1.1 đạt $1.360\text{ W}$; 2 lộ ổ cắm đạt $2.400\text{ W}$; tủ quạt thông gió $2.100\text{ W}$; đèn Exit $200\text{ W}$. Tổng công suất tính toán toàn tầng hầm là $P_{TT} = 7.568\text{ W}$, dòng điện tính toán 3 pha $I_{TT} = 14,37\text{ A}$. Lựa chọn MCB tổng 3P-25A ($I_{cđm} = 10\text{ kA}$) và cáp nguồn Cu/XLPE/PVC (4C×6mm²) + PVC (1C×6mm²)E.
  • Tầng 1: Bố trí 16 bộ đèn FL 3×20W, 158 đèn LED Downlight D165 18W, 28 bộ Downlight 2×15W, 7 đèn panel 12W, 7 đèn panel 40W, 9 bộ tuýp LED T8 18W, 4 bộ đèn chùm pha lê 72W, 34 bộ ổ cắm đôi. Phụ tải được chia cho các phòng chức năng P1.1, P1.2, P1.3 và khu sảnh/hành lang/vệ sinh.
  • Tầng 2 đến tầng 6: Mỗi tầng bố trí 179 bộ đèn FL 3×20W, 8 đèn Downlight D125 18W, 6 bộ Downlight 2×15W, 5 panel 12W, 13 panel 40W, 4 đèn ốp trần 32W và 41 bộ ổ cắm đôi, cấp nguồn cho các phòng P2.1, P2.2 và khu công cộng.
  • Tầng 7 đến tầng 9: Mỗi tầng trang bị 164 bộ đèn FL 3×20W, 6 bộ Downlight 2×15W, 5 panel 12W, 13 panel 40W, 4 đèn ốp trần 32W và 54 bộ ổ cắm đôi, phân bổ qua 9 phân khu (P7.1 đến P7.9). Tổng công suất đặt $P_Đ = 31.600\text{ W}$; với $k_{sd} = 0,8$, công suất tính toán đạt $P_{TT} = 25.280\text{ W}$.
  • Tầng 10 đến tầng 16: Mỗi tầng trang bị 104 bộ đèn FL 3×20W, 15 đèn Downlight D125 18W, 6 bộ Downlight 2×15W, 5 panel 12W, 5 panel 40W, 4 đèn ốp trần 32W và 37 bộ ổ cắm đôi (chia từ P10.1 đến P10.9).
  • Tính chọn thiết bị và dây cáp: Thực hiện lập bảng tính dòng điện $I_{TT}$, chọn định mức Aptomat và kiểm tra độ thỏa mãn của tiết diện cáp đồng CADIVI theo điều kiện phát nóng và phối hợp bảo vệ cho từng lộ phụ tải.
Khu vực / Phụ tải Loại Aptomat bảo vệ Dòng $I_{đmA}$ (A) Dòng cắt $I_{cđmA}$ (kA) Chủng loại dây / cáp CADIVI
Chiếu sáng nhánh MCB 1P 10 6 Cu/PVC 2(1C×1,5mm²)
Ổ cắm nhánh MCB 1P 16 6 Cu/PVC 2(1C×2,5mm²) + (1C×2,5mm²)E
Phòng chức năng nhỏ MCB 2P 20 6 Cu/PVC/PVC (3C×4mm²)
Tủ quạt tầng hầm MCB 3P 16 6 Cu/XLPE/PVC (2C×4mm²) + PVC (1C×4mm²)E
Tổng tầng hầm MCB 3P 25 10 Cu/XLPE/PVC (4C×6mm²) + PVC (1C×6mm²)E

Chương 3: Tính bù công suất phản kháng và thiết kế hệ thống chống sét, nối đất cho tòa nhà

  • Bù công suất phản kháng: Xác định dung lượng bù cần thiết dựa trên hệ số công suất tự nhiên và hệ số $\cos\varphi$ yêu cầu của ngành điện ($\ge 0,9$); lựa chọn tụ bù tĩnh hạ áp và vị trí đặt tại thanh cái tủ phân phối chính nhằm giảm tổn thất công suất, sụt áp.
  • Hệ thống chống sét: Phân tích nguyên lý hoạt động của đầu thu sét phát tia tiên đạo sớm Pulsar (chế tạo theo phát minh Heslita-CNRS), tạo đường dẫn ion hóa chủ động để thu sét an toàn; thiết kế dây dẫn sét bằng cáp đồng thoát sét chuyên dụng nối thẳng xuống mạng tiếp địa.
  • Hệ thống nối đất: Thiết kế hệ thống nối đất an toàn vỏ thiết bị điện và nối đất chống sét độc lập hoặc liên kết đẳng thế, bảo đảm trị số điện trở nối đất $R_{nđ} \le 4,\Omega$ cho hệ thống điện và $R_{nđ} \le 10,\Omega$ cho chống sét theo đúng tiêu chuẩn TCVN 4756-89.

Chương 4: Tính toán thiết kế hệ thống báo cháy

  • Cơ sở thiết kế: Bố trí các cảm biến tự động theo đặc thù không gian: đầu báo khói quang học lắp đặt tại khu văn phòng, sảnh, hành lang; đầu báo nhiệt lắp đặt tại khu bếp, phòng máy, gara đỗ xe tầng hầm.
  • Thiết bị ngoại vi: Nút ấn báo cháy khẩn cấp gắn trên tường ở độ cao 1,4–1,5m gần cửa thoát hiểm; chuông và đèn báo cháy tại các vị trí dễ quan sát.
  • Tủ trung tâm và liên động kỹ thuật: Tủ trung tâm báo cháy đặt tại phòng điều khiển trực ban; thiết kế module tích hợp điều khiển tự động cắt điện phụ tải thông thường, kích hoạt quạt tăng áp hút khói, điều khiển hạ thang máy về tầng 1 và kích hoạt máy bơm chữa cháy khi có sự cố.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Xác lập bảng phụ tải chi tiết: Tính toán đầy đủ công suất đặt và công suất tính toán cho toàn bộ 17 sàn tầng (tầng hầm, tầng 1 dịch vụ, 5 tầng thương mại, 3 tầng văn phòng tổng công ty, 7 tầng văn phòng cho thuê).
  2. Lựa chọn đồng bộ thiết bị hạ áp: Xác định danh mục Aptomat từ 10A đến 25A (chuẩn IEC 60898, dòng cắt 6kA – 10kA) và tiết diện cáp CADIVI ($1,5\text{mm}^2$ đến $6\text{mm}^2$) thỏa mãn đồng thời tiêu chuẩn mang tải, độ sụt áp và điều kiện phối hợp đóng cắt an toàn.
  3. Giải pháp bảo vệ công trình toàn diện: Thiết lập phương án chống sét chủ động bằng kim phát tia tiên đạo Pulsar kết hợp nối đất an toàn và hệ thống báo cháy tự động tích hợp liên động các hệ thống cơ điện (MEP).

Đóng góp thực tiễn

Đồ án đã giải quyết một bài toán thiết kế kỹ thuật thực tế cho công trình cao tầng có công năng phức hợp (văn phòng kết hợp thương mại dịch vụ). Việc tuân thủ nghiêm ngặt các quy chuẩn kỹ thuật xây dựng và tiêu chuẩn an toàn điện (TCVN, TCXDVN, QCVN và IEC) mang lại một phương án cấp điện có tính khả thi thi công, bảo đảm an toàn vận hành và tối ưu hóa chi phí đầu tư ban đầu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nội dung văn bản tập trung chủ yếu vào tính toán chi tiết mạng điện nhánh chiếu sáng, ổ cắm và thiết bị đóng cắt tầng điển hình; các phần tính toán dung lượng trạm biến áp phân phối trung thế, máy phát điện dự phòng Diesel và mô phỏng ngắn mạch tổng thể chưa được thể hiện đầy đủ trong các trang tư liệu lưu trữ.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng tính toán lựa chọn dung lượng máy biến áp nguồn và cấu hình nguồn dự phòng liên tục (UPS/Generator).
    • Ứng dụng phần mềm chuyên dụng (như Dialux, ETAP, AutoCAD MEP) để mô phỏng phân bố quang thông chiếu sáng và tính toán ngắn mạch, kiểm tra độ tin cậy lưới điện.
    • Nghiên cứu giải pháp quản lý năng lượng thông minh cho tòa nhà (Hệ thống BMS – Building Management System).

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu thực hành kỹ thuật có giá trị tham khảo cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện, Điện Tự động công nghiệp, Hệ thống điện: Làm mẫu tham khảo về quy trình tính toán phụ tải từng tầng, lựa chọn cáp, chọn Aptomat và kiểm tra theo điều kiện phối hợp bảo vệ tiêu chuẩn IEC.
  • Kỹ sư thiết kế MEP (Cơ Điện công trình): Tham khảo quy cách phân chia lộ phụ tải, bố trí thiết bị chiếu sáng LED/huỳnh quang, thiết kế tiếp địa và sơ đồ nguyên lý hệ thống báo cháy tòa nhà cao tầng.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Phương pháp luận và bảng tính chọn kích thước cáp điện, khí cụ đóng cắt MCB theo tiêu chuẩn IEC 60898 và quy định kiểm tra bảo vệ quá tải tại Chương 2.

Câu hỏi thường gặp

1. Công năng của Tòa nhà phức hợp 17 tầng Tổng công ty Xây dựng Bạch Đằng được phân chia như thế nào?

Theo hồ sơ thiết kế, tòa nhà gồm 16 tầng nổi và 01 tầng hầm: Tầng hầm dùng để xe và đặt khu kỹ thuật; Tầng 1 làm sảnh đón, lễ tân, phòng chức năng và dịch vụ; Tầng 2 đến tầng 6 là khu thương mại dịch vụ; Tầng 7 đến tầng 9 là khối văn phòng của Cơ quan Tổng công ty; Tầng 10 đến tầng 16 là văn phòng làm việc của các đơn vị thành viên và diện tích cho thuê.

2. Đồ án áp dụng hệ số sử dụng đồng thời nào để tính toán công suất phụ tải?

Đồ án sử dụng hệ số sử dụng $k_{sd} = 0,8$ theo tài liệu "Hướng dẫn thiết kế lắp đặt điện tiêu chuẩn quốc tế IEC" để xác định công suất tính toán từ công suất đặt ($P_{TT} = 0,8 \times P_{Đ}$).

3. Công thức kiểm tra sự phối hợp giữa dây cáp điện và Aptomat bảo vệ là gì?

Điều kiện phối hợp bảo vệ giữa cáp và Aptomat được kiểm tra theo công thức: $$k_1 \times k_2 \times I_{cp} \ge \frac{1,25 \times I_{đmA}}{1,5}$$ Trong đó $I_{cp}$ là dòng điện cho phép của cáp tra theo bảng chế tạo của CADIVI, $I_{đmA}$ là dòng định mức của Aptomat, $k_1$ và $k_2$ là các hệ số hiệu chỉnh môi trường lắp đặt (lấy bằng 1 trong điều kiện tính toán tiêu chuẩn).

4. Phụ tải điện tính toán và thiết bị bảo vệ tổng của tầng hầm được chọn là bao nhiêu?

Tầng hầm có tổng công suất tính toán $P_{TT} = 7.568\text{ W}$, dòng điện tính toán 3 pha $I_{TT} = 14,37\text{ A}$. Tác giả lựa chọn Aptomat tổng tầng hầm loại MCB 3P-25A (điện áp định mức $400\text{V}$, dòng cắt định mức $10\text{ kA}$) và cáp cấp nguồn Cu/XLPE/PVC (4C×6mm²) + PVC (1C×6mm²)E có $I_{cp} = 66\text{ A}$.

5. Hệ thống chống sét của công trình sử dụng công nghệ gì?

Đồ án thiết kế hệ thống chống sét đánh thẳng cho tòa nhà bằng kim thu sét phát tia tiên đạo sớm Pulsar chế tạo theo bằng sáng chế Heslita-CNRS, kết nối với hệ thống nối đất chuyên dụng đạt tiêu chuẩn điện trở tiếp địa theo quy định của TCXDVN 46:2007.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Lê Đức Lương đã hoàn thành đầy đủ nhiệm vụ thiết kế mạng lưới cung cấp điện hạ áp và hệ thống báo cháy tự động cho Tòa nhà phức hợp 17 tầng của Tổng công ty Xây dựng Bạch Đằng tại Hải Phòng. Bản thuyết minh cung cấp hệ thống số liệu tính toán chi tiết về phụ tải chiếu sáng, ổ cắm, động lực, đồng thời lựa chọn chính xác các chủng loại Aptomat và cáp dẫn CADIVI dựa trên tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế IEC. Các giải pháp kỹ thuật bổ trợ về bù công suất phản kháng, chống sét tia tiên đạo Pulsar và nối đất an toàn tạo nên một phương án thiết kế kỹ thuật đồng bộ, có độ tin cậy cao và đáp ứng tốt các yêu cầu vận hành thực tiễn.