Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa nhanh tại các trung tâm kinh tế - xã hội lớn của Việt Nam như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh và Đà Nẵng đã tạo áp lực lớn lên quỹ đất và nhu cầu nhà ở. Việc xây dựng các khu chung cư cao tầng là giải pháp tất yếu nhằm giải quyết nhu cầu sinh hoạt của cư dân đô thị. Hệ thống cung cấp điện cho loại hình công trình này mang những đặc thù kỹ thuật rõ rệt: phụ tải phong phú, đa dạng; mật độ phụ tải tập trung cao trong một không gian xây dựng hẹp; không gian bố trí các thiết bị và đường trục bị giới hạn nghiêm ngặt bởi kiến trúc; đồng thời đòi hỏi tính mỹ thuật và mức độ an toàn điện rất cao cho người sử dụng.

Chung cư cao tầng được phân loại là hộ tiêu thụ điện loại 2. Việc gián đoạn cấp điện không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống sinh hoạt của hàng trăm hộ dân mà còn có thể gây thiệt hại về kinh tế và an toàn kỹ thuật (đặc biệt là hệ thống thang máy, bơm nước sinh hoạt và chiếu sáng thoát hiểm). Do đó, hệ thống cung cấp điện đòi hỏi phải có độ tin cậy làm việc cao, có các phân hệ nguồn dự phòng và được tính toán thiết kế chính xác để tránh nguy cơ quá tải, cháy nổ hoặc đầu tư dư thừa gây lãng phí.

Đồ án tốt nghiệp đại học ngành Điện Tự Động Công Nghiệp tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng (năm 2018) của sinh viên Phạm Văn Vũ, do Th.S Nguyễn Đoàn Phong hướng dẫn, thực hiện đề tài "Thiết kế cung cấp điện cho khu chung cư cao tầng" nhằm giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể sau:

  1. Xác định chính xác nhu cầu phụ tải điện sinh hoạt, động lực và chiếu sáng của công trình có xét đến khả năng phát triển trong tương lai.
  2. Lựa chọn sơ đồ nối dây tối ưu, xác định số lượng, dung lượng trạm biến áp và chọn tiết diện dây dẫn, cáp điện lực cho các phân hệ.
  3. Tính toán các chế độ ngắn mạch trong mạng điện hạ áp để làm cơ sở lựa chọn và kiểm tra độ ổn định động, ổn định nhiệt của khí cụ điện và thiết bị phân phối.
  4. Lựa chọn thiết bị đo lường, đóng cắt và bảo vệ phía cao áp lẫn hạ áp.
  5. Tính toán tổn thất điện áp và tổn thất điện năng trong toàn bộ mạng điện.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống cung cấp điện cho một khối chung cư cao tầng quy mô 12 tầng, với 16 căn hộ mỗi tầng (tổng cộng 192 hộ gia đình), hệ thống phụ tải động lực gồm 6 thang máy và 4 máy bơm nước, cùng mạng chiếu sáng nội ngoại thất. Phạm vi tính toán dự báo phụ tải được xác định trong chu kỳ thiết kế 15 năm kể từ năm cơ sở $t_0 = 0$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán thiết kế

Hệ thống tính toán trong đồ án được xây dựng dựa trên các khung lý thuyết, mô hình giải tích và sổ tay tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên ngành cung cấp điện:

  • Mô hình dự báo phụ tải sinh hoạt: Áp dụng mô hình toán học theo thời gian $P_t = P_0 [1 + 0,03(t - t_0)]$ với năm cơ sở $t_0 = 0$, suất phụ tải ban đầu của mỗi hộ gia đình $P_0 = 1,36\text{ kW/hộ}$, chu kỳ tính toán thiết kế là 15 năm.
  • Xác định hệ số đồng thời: Áp dụng công thức giải tích xác suất cho nhóm phụ tải sinh hoạt: $$k_{dt} = p + \frac{1,5\sqrt{p(1 - p)}}{\sqrt{n}}$$ Công thức được tính toán riêng biệt cho quy mô căn hộ của từng tầng ($n = 16$) và cho toàn thể khu chung cư ($n = 192$) ứng với các chế độ tiêu thụ ban ngày ($p = 0,35$) và ban đêm ($p = 0,7$).
  • Mô hình phụ tải động lực và phương pháp số gia: Công suất định mức của thang máy được quy đổi về chế độ làm việc dài hạn theo hệ số tiếp điện $\varepsilon = 0,8$ qua biểu thức $P'{tm} = P{ntm}\sqrt{\varepsilon}$. Hệ số nhu cầu của trạm bơm nước gồm 4 máy bơm vận hành song song được xác định theo hệ số sử dụng $k_{sd} = 0,55$. Tổng hợp công suất các nhóm phụ tải lệch pha cực đại (sinh hoạt, động lực, chiếu sáng) được thực hiện bằng phương pháp số gia.
  • Tiêu chuẩn tính chọn dây dẫn và thiết bị: Lựa chọn tiết diện dây dẫn hạ áp theo điều kiện tổn thất điện áp cho phép ($\Delta U_{cp} \le 5%$), sau đó kiểm tra lại theo điều kiện phát nóng dài hạn ($I_{cp} \ge I_{lvmax}$) và kiểm tra ổn định nhiệt với dòng xung lượng nhiệt ngắn mạch. Lựa chọn dung lượng trạm biến áp và sơ đồ phân phối dựa trên bài toán so sánh kinh tế - kỹ thuật thông qua chỉ tiêu tổng chi phí quy về hiện tại ($PVC$ - Present Value of Cost), có tính đến chi phí đầu tư ban đầu, chi phí tổn thất điện năng ($c_A = 1500\text{ đ/kWh}$) và chi phí thiệt hại do gián đoạn cấp điện ($g_{th} = 4000\text{ đ/kWh}$) với hệ số chiết khấu $i = 0,1$.
  • Phương pháp tính toán ngắn mạch hạ áp: Coi trạm biến áp hạ áp là nguồn công suất vô cùng lớn ($X_{ht} = 0$), tính toán các thành phần điện trở, điện ứng theo hệ đơn vị có tên ($m\Omega$) cho chế độ ngắn mạch ba pha đối xứng và ngắn mạch một pha chạm đất để kiểm tra độ nhạy của thiết bị bảo vệ.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án bao gồm: sách "Bài tập Cung cấp điện", "Hệ thống Cung cấp điện", "Cung cấp điện" của Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật; "Sổ tay lựa chọn và tra cứu thiết bị điện từ 0,4 đến 500 kV" của tác giả Ngô Hồng Quang; số liệu khảo sát đơn giá vật tư từ Tạp chí Thị trường Giá cả Vật tư (năm 2006); tham số kỹ thuật máy biến áp phân phối từ Công ty TNHH Nhật Linh (Hà Nội); danh mục thiết bị của Công ty Thiết bị điện Đông Anh, hãng Cooper (Mỹ), và các nhà sản xuất thiết bị đóng cắt từ Nhật Bản, Liên Xô.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Xác định nhu cầu phụ tải

Chương 1 tập trung khảo sát, tính toán chi tiết từng nhóm phụ tải thành phần và tổng hợp phụ tải tính toán cho toàn bộ công trình:

  • Phụ tải sinh hoạt: Với 16 hộ mỗi tầng, hệ số đồng thời tính được cho ban ngày là $k_{dt}^n = 0,528$ và ban đêm là $k_{dt}^d = 0,872$. Công suất tính toán của mỗi tầng đạt $P_{tang} = \max(16,659; 27,513) = 27,513\text{ kW}$. Đối với toàn chung cư (192 hộ), hệ số đồng thời ban ngày giảm xuống $k_{dt}^n = 0,401$ và ban đêm là $k_{dt}^d = 0,733$. Phụ tải sinh hoạt cực đại của toàn chung cư rơi vào ban đêm với $P_{sh}^d = 277,531\text{ kW}$ (ban ngày đạt $P_{sh}^n = 151,828\text{ kW}$), hệ số công suất trung bình là $\cos\varphi_{tb} = 0,91$. Tỷ lệ công suất ngày trên đêm là $0,547$.
  • Phụ tải động lực: Gồm 6 thang máy có công suất định mức mỗi máy $7\text{ kW}$, hệ số tiếp điện $\varepsilon = 0,8$, công suất quy đổi về chế độ dài hạn là $6,26\text{ kW}$, hệ số nhu cầu $k_{nc} = 0,58$, $\cos\varphi = 0,54$. Trạm bơm gồm 4 máy bơm nước công suất $6,3\text{ kW/máy}$, hệ số sử dụng $k_{sd} = 0,55$, $\cos\varphi = 0,78$, tính được hệ số nhu cầu trạm bơm $k_{nc} = 0,775$, công suất tính toán trạm bơm là $19,53\text{ kW}$. Áp dụng phương pháp số gia, công suất tính toán của nhóm động lực ban ngày là $P_{dl}^n = 34,4\text{ kW}$ và ban đêm là $P_{dl}^d = 28,456\text{ kW}$.
  • Phụ tải chiếu sáng: Chiếu sáng trong nhà có diện tích tính toán $F_{cs1} = 630\text{ m}^2$, suất chiếu sáng $20\text{ W/m}^2$, cho công suất $P_{cs1} = 12,6\text{ kW}$. Chiếu sáng ngoài trời có chiều dài tuyến $L_{cs2} = 380\text{ m}$, suất công suất $0,025\text{ kW/m}$, cho công suất $P_{cs2} = 9,5\text{ kW}$. Tổng công suất chiếu sáng ban đêm đạt $P_{cs} = 22,1\text{ kW}$ với hệ số đồng thời bằng 1 và $\cos\varphi = 1$.
  • Tổng hợp phụ tải toàn chung cư:
Nhóm phụ tải Giờ cao điểm ngày $P_n$ (kW) Giờ cao điểm đêm $P_d$ (kW)
Phụ tải điện sinh hoạt 151,828 277,531
Phụ tải động lực (thang máy, trạm bơm) 34,400 28,456
Phụ tải chiếu sáng (trong nhà, ngoài trời) 0,000 22,100
Tổng hợp toàn chung cư (theo phương pháp số gia) 174,882 306,657

Công suất tính toán cực đại của khu chung cư đạt $P_{tt} = \max(174,882; 306,657) = 306,657\text{ kW}$ vào giờ cao điểm ban đêm. Hệ số công suất tổng hợp $\cos\varphi = 0,889$ ($\varphi = 27,25^\circ$), công suất biểu kiến tính toán cực đại $S_{tt} = 344,946\text{ kVA}$ và công suất phản kháng $Q_{tt} = 157,94\text{ kVAr}$.

Chương 2: Chọn sơ đồ nối dây và tiết diện dây dẫn

Chương 2 giải quyết toàn bộ các bài toán thiết kế kỹ thuật từ cấu trúc mạch điện, chọn máy biến áp, chọn dây dẫn, phân tích ngắn mạch đến lựa chọn thiết bị phân phối:

  • Cấu trúc mạng điện: Hệ thống được thiết kế theo sơ đồ hình tia kết hợp mạch phân nhánh. Đoạn từ trạm biến áp đến tủ phân phối tổng (đặt tại khu vực buồng thang máy) sử dụng 2 đường cáp vận hành song song hỗ trợ dự phòng lẫn nhau, đảm bảo mỗi đường dây có thể mang toàn bộ phụ tải khi xảy ra sự cố. Các nhánh sinh hoạt, động lực thang máy, trạm bơm và chiếu sáng được bố trí đi dây độc lập.
  • Tính chọn cáp và so sánh phương án đi dây: Tổn thất điện áp cho phép toàn mạng được giới hạn ở mức $\Delta U_{cp} = 5%$, phân bổ $2%$ cho đoạn nguồn từ trạm biến áp đến tủ tổng, $1,5%$ cho đoạn từ tủ tổng đến tủ tầng, và $1,5%$ cho đoạn từ tủ tầng đến căn hộ.
    • Tuyến chính TBA - Tủ tổng ($l_1 = 45\text{ m}$): Chọn cáp vặn xoắn ruột đồng cách điện XLPE, vỏ PVC tiết diện $120\text{ mm}^2$ ($r_0 = 0,17\ \Omega/\text{km}$, $x_0 = 0,06\ \Omega/\text{km}$, dòng cho phép $I_{cp} = 350\text{ A}$), sụt áp thực tế là $1,889% < 2%$.
    • Tuyến cấp điện lên các tầng ($l_2 = 42\text{ m}$): Tác giả so sánh hai phương án: Phương án 1 (mỗi tầng một tuyến dây độc lập, cáp XLPE $16\text{ mm}^2$, tổng chiều dài $273\text{ m}$) và Phương án 2 (một tuyến trục đứng chung cáp XLPE $70\text{ mm}^2$ chạy dọc các tầng, chiều dài $42\text{ m}$). Kết quả tính toán chỉ tiêu kinh tế cho thấy Phương án 1 có tổn thất điện năng hàng năm $A_1 = 4711,41\text{ kWh}$ và tổng chi phí quy đổi hiện tại $Z_1 = 9,733 \times 10^6\text{ đồng}$, thấp hơn Phương án 2 ($A_2 = 7296,28\text{ kWh}$, $Z_2 = 12,434 \times 10^6\text{ đồng}$). Do đó, Phương án 1 được chọn.
    • Nhánh thang máy và trạm bơm: Tuyến cấp cho thang máy ($l = 50\text{ m}$) chọn cáp XLPE $4\text{ mm}^2$ ($\Delta U = 1,113%$). Tuyến cấp cho trạm bơm ($l = 65\text{ m}$) chọn cáp XLPE $16\text{ mm}^2$ ($\Delta U = 1,147%$).
    • Nhánh chiếu sáng: Chiếu sáng trong nhà mạng 1 pha 220V ($l = 189\text{ m}$) chọn cáp đồng $35\text{ mm}^2$ ($\Delta U = 2,43% < 3%$). Chiếu sáng ngoài trời chọn cáp XLPE $25\text{ mm}^2$ cho đoạn trục chính OA ($30\text{ m}$), $16\text{ mm}^2$ cho đoạn rẽ AB ($180\text{ m}$) và $25\text{ mm}^2$ cho đoạn rẽ AC ($200\text{ m}$), tổng sụt áp thực tế đạt $2,718% < 3%$.
Phân đoạn đường dây Chiều dài $l$ (m) $P$ (kW) $Q$ (kVAr) $\Delta U_{cp}$ (%) $F_{tt}$ ($\text{mm}^2$) Tiết diện chọn $F_c$ ($\text{mm}^2$) $\Delta U_{tt}$ (%)
Trục chính TBA - Tủ tổng 45 306,657 157,940 2,00 104,88 120 1,889
Tuyến lên tầng 12 42 27,513 12,535 1,50 10,05 16 1,023
Nhánh thang máy 50 6,260 9,757 1,50 2,72 4 1,113
Nhánh trạm bơm 65 19,530 15,668 2,00 11,22 16 1,147
Chiếu sáng trong nhà 189 12,600 0,000 3,00 34,02 35 2,430
Chiếu sáng ngoài đoạn OA 30 9,500 0,000 1,90 17,76 25 1,350
Chiếu sáng ngoài đoạn AB 180 4,500 0,000 1,65 13,27 16 1,368
Chiếu sáng ngoài đoạn AC 200 5,000 0,000 1,65 - 25 1,368
  • Lựa chọn máy biến áp: Tổng công suất tính toán có kể đến tổn thất trong mạng điện là $S_{tt} = 354,748\text{ kVA}$. Tác giả so sánh hai phương án máy biến áp 10/0,4 kV của Công ty Nhật Linh: Phương án 1 (dùng 2 máy $2 \times 160\text{ kVA}$) và Phương án 2 (dùng 1 máy $1 \times 315\text{ kVA}$). Trong Phương án 1, hệ số điền kín đồ thị phụ tải $k_{dk} = 0,43 < 0,75$, cho phép máy biến áp chịu quá tải sự cố $40%$ trong thời gian khắc phục sự cố. Khi một máy gặp sự cố, lượng công suất thiếu hụt cần cắt giảm chỉ là $67,318\text{ kVA}$. Tính toán kinh tế theo chi phí hiện tại thuần $PVC$ với suất thiệt hại do mất điện $g_{th} = 4000\text{ đ/kWh}$ cho thấy: $PVC_1 = 305,027 \times 10^6\text{ đồng}$ thấp hơn nhiều so với $PVC_2 = 420,996 \times 10^6\text{ đồng}$. Vì vậy, trạm biến áp được chọn gồm 2 máy $160\text{ kVA}$ kiểu TM.
  • Tính toán ngắn mạch mạng hạ áp: Tính toán tại 3 vị trí ngắn mạch nguy hiểm: N1 (thanh cái hạ áp trạm biến áp), N2 (tủ phân phối tầng 12), N3 (tủ căn hộ xa nhất tầng 12). Kết quả ngắn mạch 3 pha:
    • Điểm N1: $Z_{k1} = 22,505\text{ m}\Omega$, dòng điện ngắn mạch chu kỳ $I_{ck1} = 10,262\text{ kA}$, dòng xung kích $i_{xk1} = 17,995\text{ kA}$, dòng hiệu dụng cực đại $I_{xk1} = 11,945\text{ kA}$, công suất ngắn mạch $S_{k1} = 8,275\text{ MVA}$.
    • Điểm N2: $Z_{k2} = 30,615\text{ m}\Omega$, $I_{ck2} = 7,543\text{ kA}$, $i_{xk2} = 13,228\text{ kA}$, $I_{xk2} = 8,781\text{ kA}$, $S_{k2} = 6,083\text{ MVA}$.
    • Điểm N3: $Z_{k3} = 105,7\text{ m}\Omega$, $I_{ck3} = 2,185\text{ kA}$, $i_{xk3} = 3,831\text{ kA}$, $I_{xk3} = 2,543\text{ kA}$, $S_{k3} = 1,762\text{ MVA}$.
    • Ngắn mạch một pha tại điểm N3 có tổng trở $Z_{N3}^{(1)} = 307,07\text{ m}\Omega$, dùng để kiểm tra dòng tác động và độ nhạy của thiết bị bảo vệ hạ áp.
  • Kiểm tra ổn định nhiệt của cáp: Khi kiểm tra xung lượng nhiệt của dòng ngắn mạch với thời gian cắt $t_k = 0,5\text{ s}$ và hệ số dẫn nhiệt cáp đồng $C_t = 159$: cáp chính $120\text{ mm}^2$ thỏa mãn yêu cầu ($F_{min1} = 108,81\text{ mm}^2 < 120\text{ mm}^2$). Tuy nhiên, tuyến cáp lên các tầng ban đầu chọn $16\text{ mm}^2$ không thỏa mãn điều kiện ổn định nhiệt ngắn mạch tại N2 ($F_{min2} = 19,5\text{ mm}^2 > 16\text{ mm}^2$). Do đó, tác giả đã đưa ra giải pháp kỹ thuật nâng tiết diện cáp lên $3 \times 25\text{ mm}^2$ (hoặc giải pháp đặt cuộn kháng trên thanh cái hạ thế).
  • Lựa chọn thiết bị cao áp và hạ áp:
    • Phía 10 kV: Chọn cầu chì cao áp loại K 10 ($U_{dm} = 10\text{ kV}$, $I_{dm} = 30\text{ A}$), dao cách ly loại DT 10/20 ($U_{dm} = 10\text{ kV}$, $I_{dm} = 200\text{ A}$) do Công ty Thiết bị điện Đông Anh chế tạo; chống sét van loại AZLP501B10 (hãng Cooper Mỹ).
    • Phía 0,4 kV: Chọn thanh cái đồng tiết diện $50 \times 5 = 250\text{ mm}^2$ ($I_{lvmax} = 524,1\text{ A}$, kiểm tra ổn định động đạt ứng suất $\sigma_{tt} = 192,64\text{ kg/cm}^2 < [\sigma] = 1400\text{ kg/cm}^2$, ổn định nhiệt đạt $F_{tc} = 250\text{ mm}^2 > F_{odn} = 21,77\text{ mm}^2$); sứ đỡ cách điện $\text{O}\Phi-10-375$ (Liên Xô, lực tính toán $3,55\text{ kg} < F_{cp} = 225\text{ kg}$).
    • Aptomat và khí cụ điều khiển: Aptomat lộ tổng A0 chọn loại SA603-G ($I_{dm} = 600\text{ A}$); Aptomat sinh hoạt A1 chọn loại SA603-G ($I_{dm} = 500\text{ A}$); Aptomat động lực A2 chọn loại EG203-G ($I_{dm} = 125\text{ A}$); Aptomat trạm bơm A3 chọn EA103-G ($I_{dm} = 75\text{ A}$); các aptomat thang máy A4 (loại PCB6C363, 63A), lộ nhánh tầng A5 (PCBTC3H0, 90A), tủ tầng A6 (PCB4C340, 40A), chiếu sáng A7 (PCB4C325, 25A); khởi động từ thang máy và bơm nước chọn loại ME-231 (Nga); máy biến dòng đo lường chọn loại BD13 ($600/5\text{ A}$, cấp chính xác 0,5, công suất thứ cấp $6\text{ VA}$, đảm bảo làm việc chính xác ngay cả ở mức tải tối thiểu $25%$).

Chương 3: Tính toán tổn thất điện năng trong mạng điện

Nội dung chương 3 được cấu trúc theo các hạng mục tính toán tổn thất điện năng ($\Delta A$) trên từng mắt xích truyền tải:

  • Xác định tổn hao điện năng trên tuyến cáp chính nối từ trạm biến áp đến tủ phân phối tổng.
  • Tính toán tổn hao điện năng trên các lộ cáp phân phối từ tủ tổng đến tủ các tầng.
  • Tính toán tổn hao điện năng cung cấp cho mạch động lực thang máy và trạm bơm nước sinh hoạt.
  • Tính toán tổn hao điện năng của mạng điện chiếu sáng nội thất và ngoại thất tòa nhà. Các tính toán này đóng vai trò xác nhận chất lượng điện năng truyền tải và kiểm chứng tính hiệu quả của các giải pháp kỹ thuật đã chọn ở Chương 2.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã xây dựng một phương án thiết kế cung cấp điện hoàn chỉnh cho công trình chung cư cao tầng 12 tầng với các chỉ tiêu định lượng cụ thể:

  • Xác định chính xác phụ tải tính toán tổng hợp toàn khu chung cư là $P_{tt} = 306,657\text{ kW}$, $S_{tt} = 344,946\text{ kVA}$, hệ số công suất đạt $\cos\varphi = 0,889$.
  • Lựa chọn giải pháp trạm biến áp phân phối gồm 2 máy biến áp $2 \times 160\text{ kVA}$ (10/0,4 kV) tối ưu về độ tin cậy cấp điện cho hộ loại 2, tiết kiệm chi phí quy đổi vòng đời $115,969 \times 10^6\text{ đồng}$ so với phương án dùng 1 máy biến áp $315\text{ kVA}$.
  • Đề xuất cấu trúc phân phối lộ kép dự phòng cho đường trục và lựa chọn phương án phân phối độc lập từng tầng thay vì trục chung dọc tòa nhà, giảm tổn thất điện năng hàng năm từ $7296,28\text{ kWh}$ xuống $4711,41\text{ kWh}$.
  • Phát hiện vấn đề mất ổn định nhiệt của cáp phân phối lên tầng ($16\text{ mm}^2$) dưới tác động của dòng ngắn mạch tại tủ tầng ($7,543\text{ kA}$), từ đó đưa ra giải pháp hiệu chỉnh thực tế bằng việc nâng tiết diện lên cáp $3 \times 25\text{ mm}^2$.
  • Tính chọn và kiểm nghiệm đồng bộ toàn bộ hệ thống khí cụ điện cao thế, thanh cái hạ thế, sứ cách điện, hệ thống aptomat phân cấp và máy biến dòng đo lường đáp ứng chính xác yêu cầu kỹ thuật và điều kiện làm việc thực tế.

Đóng góp tự nêu của tác giả là đã hệ thống hóa quy trình tính toán thiết kế mạng điện hạ thế cho công trình dân dụng cao tầng theo các tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành; kết hợp phương pháp số gia và phân tích xác suất đồng thời để tính đúng công suất cực đại; đồng thời vận dụng thành công bài toán so sánh chi phí quy đổi hiện tại ($PVC$) có tính đến tổn thất do ngừng cấp điện để đưa ra quyết định kỹ thuật chính xác.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản đồ án cho thấy một số hạn chế gắn liền với phạm vi và điều kiện thực hiện:

  • Dữ liệu đơn giá thiết bị, suất vốn đầu tư và giá thành tổn thất điện năng được trích xuất từ Tạp chí Thị trường Giá cả Vật tư thời điểm năm 2006, có độ trễ lớn so với thời điểm thực hiện đồ án (năm 2018).
  • Chiều dài mạng điện chiếu sáng trong nhà chưa có bản vẽ mặt bằng kiến trúc chi tiết, phải tạm tính quy ước bằng 4,5 lần chiều cao công trình ($189\text{ m}$).
  • Đồ án thiết kế trên nền lưới trung áp 10 kV (cấp điện áp đang dần được quy hoạch chuyển đổi sang cấp 22 kV tại các đô thị lớn của Việt Nam).
  • Chưa thiết kế chi tiết nguồn máy phát điện diesel dự phòng và hệ thống tủ chuyển nguồn tự động (ATS), dù phần mở đầu có nhấn mạnh yêu cầu nguồn dự phòng cho chung cư cao tầng.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo được xác định bao gồm: chuyển đổi mô hình tính toán sang cấp điện áp trung áp chuẩn hóa 22/0,4 kV; thiết kế chi tiết trạm phát điện dự phòng diesel kết hợp tủ ATS; tính toán bù công suất phản kháng tự động phía hạ áp; và nghiên cứu tích hợp hệ thống điều khiển tự động hóa tòa nhà (BMS) trong quản lý giám sát điện năng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Hệ thống điện, Kỹ thuật điện, Điện tự động công nghiệp đang thực hiện đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp về thiết kế cung cấp điện công trình dân dụng.
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống cơ điện (MEP) công trình trong việc tham chiếu quy trình phân tích phụ tải sinh hoạt - động lực, phương pháp số gia và các bước kiểm tra ổn định nhiệt dây dẫn khi ngắn mạch.
  • Các nội dung đáng tham khảo nhất trong văn bản gồm: bài toán tính toán so sánh kinh tế kỹ thuật chọn máy biến áp có xét thiệt hại mất điện; quy trình phân bổ sụt áp và lựa chọn tiết diện cáp mạng hạ áp; cùng bảng tra cứu kiểm tra ổn định thanh cái và thiết bị đóng cắt hạ áp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn giải pháp lắp đặt 2 máy biến áp $2 \times 160\text{ kVA}$ thay vì 1 máy $1 \times 315\text{ kVA}$?
Chung cư cao tầng là hộ tiêu thụ điện loại 2. Khi xảy ra sự cố trên trạm 1 máy $315\text{ kVA}$, toàn bộ tòa nhà sẽ mất điện hoàn toàn, gây thiệt hại rất lớn ($g_{th} = 4000\text{ đ/kWh}$). Đối với phương án 2 máy $160\text{ kVA}$, khi hỏng 1 máy, máy còn lại tận dụng khả năng quá tải sự cố $40%$ ($S_{sc} = 224\text{ kVA}$), chỉ cần sa thải một lượng phụ tải nhỏ ($67,318\text{ kVA}$). Phân tích kinh tế cho thấy tổng chi phí quy đổi hiện tại của phương án 2 máy ($305,027 \times 10^6\text{ đồng}$) tiết kiệm hơn hẳn phương án 1 máy ($420,996 \times 10^6\text{ đồng}$).

2. Công suất tính toán tổng hợp cực đại của toàn bộ khu chung cư 12 tầng là bao nhiêu và đạt vào thời điểm nào?
Công suất tính toán tác dụng cực đại của toàn khu chung cư là $P_{tt} = 306,657\text{ kW}$, xuất hiện vào giờ cao điểm ban đêm (trong khi ban ngày chỉ đạt $174,882\text{ kW}$). Ứng với công suất này, hệ số công suất tổng hợp là $\cos\varphi = 0,889$, công suất biểu kiến tính toán là $S_{tt} = 344,946\text{ kVA}$ và công suất phản kháng tính toán là $Q_{tt} = 157,94\text{ kVAr}$.

3. Tại sao cáp cấp điện lên các tầng ban đầu được tính chọn tiết diện $16\text{ mm}^2$ nhưng sau đó phải nâng lên thành cáp $3 \times 25\text{ mm}^2$?
Tiết diện $16\text{ mm}^2$ được tính theo điều kiện tổn thất điện áp cho phép ($\Delta U = 1,023% < 1,5%$). Tuy nhiên, khi kiểm tra điều kiện ổn định nhiệt dưới tác dụng của xung lượng nhiệt dòng ngắn mạch ba pha tại tủ tầng 12 ($I_{ck2} = 7,543\text{ kA}$, thời gian cắt bảo vệ $t_k = 0,5\text{ s}$), tiết diện tối thiểu yêu cầu là $F_{min2} = 19,5\text{ mm}^2$. Do $F_{min2} > 16\text{ mm}^2$, tác giả buộc phải tăng tiết diện cáp lên $3 \times 25\text{ mm}^2$ để đảm bảo an toàn nhiệt khi xảy ra sự cố.

4. Phương án đi dây độc lập cho từng tầng (Phương án 1) có ưu thế kinh tế kỹ thuật gì so với phương án dùng một trục cáp chung (Phương án 2)?
Về kỹ thuật, cả hai phương án đều thỏa mãn độ sụt áp. Về mặt vận hành, Phương án 1 nâng cao độ tin cậy do sự cố ở một tầng không ảnh hưởng đến các tầng khác. Về mặt kinh tế, mặc dù tổng chiều dài cáp của Phương án 1 lớn hơn ($273\text{ m}$ cáp $16\text{ mm}^2$ so với $42\text{ m}$ cáp $70\text{ mm}^2$), nhưng tổn thất điện năng hàng năm của Phương án 1 thấp hơn ($4711,41\text{ kWh}$ so với $7296,28\text{ kWh}$). Kết quả tổng chi phí quy đổi của Phương án 1 ($9,733 \times 10^6\text{ đồng}$) nhỏ hơn Phương án 2 ($12,434 \times 10^6\text{ đồng}$), do đó Phương án 1 tối ưu hơn.

5. Thanh cái phân phối hạ áp được kiểm tra ổn định động và ổn định nhiệt với các thông số nào?
Thanh cái được chọn là thanh đồng kích thước $50 \times 5\text{ mm}$ (tiết diện $250\text{ mm}^2$), dòng làm việc lớn nhất qua thanh cái là $524,1\text{ A}$. Khi kiểm tra ổn định động với dòng ngắn mạch xung kích tại thanh cái $i_{xk1} = 17,995\text{ kA}$, ứng suất tính toán xuất hiện trong thanh cái là $\sigma_{tt} = 192,64\text{ kg/cm}^2$, nhỏ hơn ứng suất cho phép của đồng ($1400\text{ kg/cm}^2$). Khi kiểm tra ổn định nhiệt với thời gian cắt $0,5\text{ s}$, tiết diện ổn định nhiệt yêu cầu chỉ là $F_{odn} = 21,77\text{ mm}^2$, nhỏ hơn nhiều so với tiết diện thực tế $250\text{ mm}^2$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cung cấp điện cho khu chung cư cao tầng" của tác giả Phạm Văn Vũ là một công trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh, giải quyết trọn vẹn từ khâu dự báo phụ tải, lựa chọn cấu trúc trạm biến áp, xác lập mạng lưới cáp phân phối đến kiểm tra an toàn ngắn mạch và khí cụ điện. Việc kết hợp chặt chẽ giữa tính toán kỹ thuật giải tích và bài toán tối ưu hóa kinh tế vòng đời ($PVC$) đã tạo nên một phương án thiết kế có độ tin cậy cao, đảm bảo các yêu cầu vận hành an toàn và liên tục cho công trình dân dụng cao tầng. Đây là tài liệu có giá trị tham khảo thiết thực về phương pháp luận và dữ liệu thực tế cho sinh viên và kỹ sư ngành kỹ thuật điện công trình.