Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Báo cáo đề tài "Thiết kế cung cấp điện cho nhà máy liên hợp dệt" được thực hiện trong khuôn khổ học phần Hệ thống cung cấp điện tại Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội do nhóm sinh viên (Hà Thị Uyên, Trần Liên Bạch, Khổng Minh Đăng, Nghiêm Thị Phượng, Phạm Viết Vinh, Nguyễn Thành Vinh, Phạm Sỹ Tự, Bùi Đức Tuân) thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Hồng Nhung (hoàn thành vào tháng 1/2022).

Trong kỹ thuật hệ thống điện công nghiệp, việc thiết kế một hệ thống cung cấp điện hợp lý giữ vai trò quyết định đến hiệu quả kinh tế và độ an toàn vận hành của toàn bộ dây chuyền sản xuất. Vấn đề cốt lõi của bài toán quy hoạch và thiết kế hệ thống cung cấp điện là xác định chính xác phụ tải tính toán – thông số giả thiết lâu dài không đổi tương đương với phụ tải thực tế về mặt hiệu ứng nhiệt cực đại. Nếu xác định phụ tải tính toán quá lớn so với thực tế, hệ thống sẽ bị dư thừa công suất, gây lãng phí, ứ đọng vốn đầu tư và gia tăng tổn thất điện năng. Ngược lại, nếu xác định phụ tải quá nhỏ, hệ thống sẽ không đáp ứng đủ nhu cầu tiêu thụ, dẫn đến quá tải, sự cố và suy giảm tuổi thọ của thiết bị điện.

Đề tài đặt ra các nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế cụ thể:

  1. Nghiên cứu lý thuyết và lựa chọn các phương pháp xác định phụ tải tính toán phù hợp với đặc thù dữ liệu của từng hạng mục công trình trong nhà máy.
  2. Xác định chi tiết phụ tải tính toán động lực và chiếu sáng cho phân xưởng sửa chữa cơ khí (phân xưởng có đầy đủ danh mục thiết bị) và các phân xưởng sản xuất chính khác.
  3. Xác định tổng phụ tải toàn nhà máy, tính toán tọa độ tâm phụ tải và xây dựng biểu đồ phụ tải điện.
  4. Đề xuất 4 phương án cấu trúc mạng cao áp nhà máy, thực hiện sơ bộ lựa chọn thiết bị (máy biến áp, đường cáp trung áp, cáp hạ áp, máy cắt) và tính toán so sánh kinh tế - kỹ thuật để chọn ra phương án tối ưu.
  5. Thiết kế chi tiết phương án kỹ thuật được chọn: tính chọn đường dây trên không 35 kV cấp nguồn từ hệ thống về trạm phân phối trung tâm, lựa chọn sơ đồ nối dây và tủ hợp bộ, tính toán dòng điện ngắn mạch 3 pha để kiểm tra độ bền của thiết bị.
  6. Thiết kế chi tiết mạng điện hạ áp cho phân xưởng sửa chữa cơ khí: lựa chọn tủ phân phối, tủ động lực, thiết bị đóng cắt bảo vệ (aptomat), thanh dẫn và cáp truyền tải hạ thế.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống cung cấp điện của toàn bộ tổ hợp nhà máy liên hợp dệt gồm 7 phân xưởng và các hạng mục phụ trợ (kéo sợi, dệt vải, nhuộm và in hoa, giặt và đóng gói, sửa chữa cơ khí, xưởng mộc, trạm bơm, ban quản lý & phòng thiết kế, kho vật liệu trung tâm). Phạm vi không gian bao gồm tuyến đường dây truyền tải cao áp dài 10 km từ nguồn điện lưới về trạm phân phối và toàn bộ mặt bằng phân bố các phân xưởng trong nhà máy. Thời gian thực hiện và số liệu tính toán được thiết lập vào tháng 1/2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về mặt lý thuyết, đề tài tổng hợp và phân tích 7 phương pháp xác định phụ tải tính toán kinh điển trong kỹ thuật cung cấp điện:

  • Phương pháp theo công suất đặt và hệ số nhu cầu ($k_{nc}$): $P_{tt} = k_{nc} \cdot P_đ$
  • Phương pháp theo hệ số hình dáng ($k_{hd}$) và công suất trung bình ($P_{tb}$): $P_{tt} = k_{hd} \cdot P_{tb}$
  • Phương pháp theo công suất trung bình ($P_{tb}$) và độ lệch pha ($\sigma$): $P_{tt} = P_{tb} \pm \beta \cdot \sigma$
  • Phương pháp theo hệ số cực đại ($k_{max}$) và công suất trung bình ($P_{tb}$) (phương pháp số thiết bị dùng điện hiệu quả $n_{hq}$): $P_{tt} = k_{max} \cdot P_{dđ}$ với $k_{max} = f(n_{hq}, k_{sd})$
  • Phương pháp theo suất chi phí điện năng cho một đơn vị sản phẩm ($a_0$): $P_{tb} = (a_0 \cdot M) / T_{max}$
  • Phương pháp theo suất trang bị điện trên một đơn vị diện tích ($p_0$): $P_{tt} = p_0 \cdot S$
  • Phương pháp tính trực tiếp.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán thực tế được nhóm tác giả áp dụng linh hoạt theo mức độ chi tiết của nguồn dữ liệu:

  • Đối với phân xưởng sửa chữa cơ khí: Do biết rõ tọa độ mặt bằng, công suất định mức và chế độ làm việc của từng máy công cụ, tác giả sử dụng phương pháp số thiết bị hiệu quả ($n_{hq}$) kết hợp hệ số cực đại ($k_{max}$) và công suất trung bình ($P_{tb}$) để tính toán phụ tải động lực cho 6 nhóm thiết bị.
  • Đối với các phân xưởng còn lại trong nhà máy: Do chỉ có thông tin về diện tích sàn và tổng công suất đặt, tác giả áp dụng phương pháp hệ số nhu cầu ($k_{nc}$).
  • Đối với phụ tải chiếu sáng: Sử dụng phương pháp suất phụ tải chiếu sáng trên một đơn vị diện tích ($p_0 = 14\text{ W/m}^2$ với đèn sợi đốt).
  • Phương pháp tính chọn dây dẫn và cáp: Áp dụng chỉ tiêu mật độ dòng điện kinh tế ($J_{kt}$) đối với mạng cao áp/trung áp có thời gian sử dụng công suất lớn nhất $T_{max} = 5625\text{ h}$ ($J_{kt} = 2,7\text{ A/mm}^2$ cho cáp đồng bọc thép và $J_{kt} = 1\text{ A/mm}^2$ cho dây nhôm lõi thép AC). Kiểm tra lại theo điều kiện phát nóng cho phép ($k_d \cdot I_{cp} \ge I_{sc}$) và độ sụt áp cho phép ($\Delta U \le \Delta U_{cp}$).
  • Phương pháp đánh giá kinh tế - kỹ thuật: So sánh 4 phương án cung cấp điện dựa trên tổng vốn đầu tư thiết bị ($K$), tổn thất điện năng hàng năm ($\Delta A$ tính theo thời gian tổn thất công suất cực đại $\tau = 4129\text{ h}$) và hàm chi phí tính toán hàng năm ($Z$).
  • Phương pháp tính toán ngắn mạch: Áp dụng phương pháp tính toán dòng ngắn mạch 3 pha duy trì và xung kích ($I_N = I'' = I_\infty$) trong mạng điện hở để kiểm tra ổn định nhiệt và ổn định điện động lực của khí cụ điện.

Nguồn dữ liệu tính toán dựa trên mặt bằng nhà máy, danh mục 71 thiết bị cơ khí và các bảng thông số kỹ thuật tra cứu từ catalog nhà sản xuất thiết bị điện (máy biến áp Đông Anh, máy biến áp ABB, cáp trung áp ngầm Furukawa Nhật Bản, cáp hạ áp Lens, tủ máy cắt Schneider F400 và tủ hợp bộ trung thế Siemens 8DC11).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống cung cấp điện cho nhà máy liên hợp dệt được cấu trúc và triển khai kỹ thuật đồng bộ qua 3 cấp:

[Nguồn điện lưới 35 kV]
  (Đường dây kép AC-35, dài 10 km)
[Trạm Phân phối Trung tâm (TPPTT) 35 kV]
  - Tủ hợp bộ Siemens 8DC11 (SF6, 1250 A, 25 kA)
  - Thanh cái phân đoạn, BU, BI, Chống sét van
  (Cáp ngầm 35 kV XLPE Furukawa)
[5 Trạm Biến áp Phân xưởng (TBAPX) 35/0,4 kV]
  - B1 (2x1000 kVA): PX Kéo sợi, Ban Quản lý & Phòng thiết kế
  - B2 (2x1600 kVA): PX Dệt vải, Kho vật liệu trung tâm
  - B3 (2x1000 kVA): PX Nhuộm và in hoa
  - B4 (2x750 kVA): PX Giặt & đóng gói
  - B5 (1x400 kVA): PX Sửa chữa cơ khí, PX Mộc, Trạm bơm
  (Cáp hạ áp PVC Lens 3x70+50 mm2)
[Mạng điện hạ áp Phân xưởng Sửa chữa Cơ khí]
  - Tủ Phân phối tổng (TPP) + Aptomat tổng
  - 6 Tủ Động lực (TĐL 1 - TĐL 6)
  - 71 Thiết bị công nghệ (Máy tiện, phay, bào, mài, khoan...)

Quy trình triển khai kỹ thuật và lựa chọn thiết bị chi tiết:

  • Cấp điện áp nguồn nhận từ hệ thống điện là 35 kV.
  • Tuyến đường dây truyền tải ngoài trời: Tuyến lộ kép đường dây trên không 35 kV dài 10 km sử dụng dây nhôm lõi thép AC-35 treo trên cột với khoảng cách trung bình hình học $D_{tb} = 2,5\text{ m}$.
  • Trạm phân phối trung tâm (TPPTT): Thiết kế hệ thống thanh góp hai phân đoạn có máy cắt phân đoạn liên lạc. Tủ phân phối sử dụng tủ hợp bộ trung thế Siemens model 8DC11 cách điện khí SF6 với dòng định mức $I_{đm} = 1250\text{ A}$, điện áp định mức $U_{đm} = 24-36\text{ kV}$, khả năng chịu dòng cắt ngắn mạch 3 giây $I_{cắt3s} = 25\text{ kA}$, dòng cắt đỉnh $I_{cắt,nmax} = 63\text{ kA}$.
  • Trạm biến áp phân xưởng (TBAPX): Sử dụng 5 trạm biến áp hạ áp kề sát phân xưởng gồm các máy biến áp 35/0,4 kV do ABB chế tạo. Các phân xưởng sản xuất chính thuộc hộ phụ tải loại 1 (trạm B1, B2, B3, B4) được trang bị 2 máy biến áp vận hành song song đảm bảo cấp điện liên tục khi sự cố một máy; trạm B5 cấp cho phụ tải loại 3 sử dụng 1 máy biến áp.
  • Mạng phân phối hạ áp: Đường cáp ngầm từ máy biến áp về tủ phân phối chính và từ tủ phân phối đến 6 tủ động lực trong phân xưởng sửa chữa cơ khí sử dụng cáp đồng 4 lõi bọc cách điện PVC của hãng Lens tiết diện $(3\times70+50)\text{ mm}^2$, dòng cho phép $I_{cp} = 246\text{ A}$, kết hợp hệ thống aptomat đóng cắt và thanh cái phân phối kích thước chuẩn.

Nội dung chính theo từng chương

I. Xác định phụ tải tính toán

Chương này tập trung giải quyết bài toán xác định phụ tải tính toán cho từng thiết bị, từng phân xưởng và toàn bộ nhà máy, đồng thời xác định vị trí đặt trạm tối ưu thông qua tọa độ tâm phụ tải:

  1. Phân nhóm và tính toán phụ tải Phân xưởng sửa chữa cơ khí (PXSCCK): PXSCCK có diện tích $400\text{ m}^2$, gồm 71 thiết bị máy công cụ với dải công suất từ $0,65\text{ kW}$ đến $24,6\text{ kW}$. Toàn bộ máy móc được chia thành 6 nhóm phụ tải dựa trên nguyên tắc gần nhau về vị trí không gian, đồng nhất về chế độ làm việc và cân bằng về tổng công suất nhóm:

    • Nhóm 1: Gồm 8 thiết bị (các máy mài vạn năng, máy mài dao, máy mài mũi phay...), tổng công suất đặt $P = 15,2\text{ kW}$, số thiết bị hiệu quả $n_{hq} = 5$, hệ số sử dụng $k_{sd} = 0,15$, hệ số cực đại $k_{max} = 2,77$.
    • Nhóm 2: Gồm 8 thiết bị, tổng công suất đặt $P = 50,1\text{ kW}$.
    • Nhóm 3: Gồm 8 thiết bị (máy tiện ren, máy phay vạn năng, máy doa tọa độ...), tổng công suất đặt $P = 51,25\text{ kW}$.
    • Nhóm 4: Gồm 11 thiết bị (máy phay ngang, máy phay đứng, thiết bị hóa bền kim loại...), tổng công suất đặt $P = 37,4\text{ kW}$.
    • Nhóm 5: Gồm 11 thiết bị (máy tiện ren, máy khoan hướng tâm...), tổng công suất đặt $P = 78,8\text{ kW}$.
    • Nhóm 6: Gồm 6 thiết bị (máy khoan đứng, máy bào ngang, máy mài phá...), tổng công suất đặt $P = 31,1\text{ kW}$. Tổng phụ tải tác dụng động lực của phân xưởng đạt $P_{đl} = 84,825\text{ kW}$. Phụ tải chiếu sáng xác định theo suất $p_0 = 14\text{ W/m}^2$ trên diện tích $400\text{ m}^2$ đạt $P_{cs} = 5,6\text{ kW}$. Tổng phụ tải tính toán toàn phân xưởng là $P_{ttpx} = 90,425\text{ kW}$, $S_{ttpx} = 144,71\text{ kVA}$, hệ số công suất $\cos\varphi_{px} = 0,62$.

  2. Xác định phụ tải tính toán các phân xưởng còn lại: Áp dụng phương pháp hệ số nhu cầu và công suất chiếu sáng đơn vị cho các phân xưởng sản xuất:

    • Phân xưởng kéo sợi: Diện tích $S = 1977\text{ m}^2$, $P_đ = 1475\text{ kW}$, $k_{nc} = 0,7$, $\cos\varphi = 0,9 \Rightarrow P_{đl} = 1032,5\text{ kW}$, $P_{cs} = 27,678\text{ kW}$, tổng công suất tác dụng $P_{px} = 1060,50\text{ kW}$, $S_{px} = 1172,9\text{ kVA}$.
    • Phân xưởng dệt vải: $P_{px} = 1776,92\text{ kW}$, $S_{px} = 1968,9\text{ kVA}$.
    • Phân xưởng nhuộm và in hoa: $P_{px} = 865,84\text{ kW}$, $S_{px} = 1042,5\text{ kVA}$.
    • Phân xưởng giặt và đóng gói: $P_{px} = 708,53\text{ kW}$, $S_{px} = 857,8\text{ kVA}$.
    • Khu Quản lý & Phòng thiết kế: $P_{px} = 132,72\text{ kW}$, $S_{px} = 160,3\text{ kVA}$.
    • Kho vật liệu trung tâm: $P_{px} = 53,4\text{ kW}$, $S_{px} = 57,6\text{ kVA}$.

  3. Tổng hợp phụ tải toàn nhà máy và lập biểu đồ phụ tải: Lựa chọn hệ số đồng thời $k_{đt} = 0,8$, các thông số phụ tải tổng hợp của toàn nhà máy liên hợp dệt gồm:

    • Phụ tải tác dụng: $P_{ttnm} = 4223,58\text{ kW}$
    • Phụ tải phản kháng: $Q_{ttnm} = 2860,14\text{ kVAr}$
    • Phụ tải toàn phần: $S_{ttnm} = \sqrt{P_{ttnm}^2 + Q_{ttnm}^2} = 5100,88\text{ kVA}$
    • Hệ số công suất trung bình: $\cos\varphi_{nm} = 0,83$ Tác giả tính toán tọa độ tâm phụ tải $M(x_0, y_0)$ dựa trên mô-men công suất $\sum S_i x_i / \sum S_i$ và xây dựng bán kính biểu đồ phụ tải $R_i = \sqrt{S_i / (m \cdot \pi)}$ cùng góc quạt phụ tải chiếu sáng $\alpha_{cs} = 360^\circ \cdot P_{cs} / P_{tt}$ cho từng phân xưởng.

II. Thiết kế mạng cao áp nhà máy

Nội dung chương II tập trung vào việc đề xuất, tính toán và so sánh đa phương án cung cấp điện mạng cao áp/trung áp nhằm tìm ra phương án có hiệu quả kỹ thuật và kinh tế tối ưu:

  1. Đề xuất 4 phương án cung cấp điện mạng cao áp:

    • Phương án 1 (PA1): Sử dụng Trạm biến áp trung gian (TBATG) hạ áp từ 35 kV xuống 10,5 kV gồm 2 MBA $4000\text{ kVA}$ (Đông Anh chế tạo), sau đó cấp điện tới 5 TBAPX hạ áp 10/0,4 kV. Trạm B4 cấp điện cho PX giặt & đóng gói và PXSCCK.
    • Phương án 2 (PA2): Tương tự PA1 dùng TBATG 35/10,5 kV và 5 TBAPX 10/0,4 kV, nhưng trạm B4 chỉ cấp cho PX giặt đóng gói, còn trạm B5 cấp cho PXSCCK, xưởng mộc và trạm bơm.
    • Phương án 3 (PA3): Bỏ TBATG, xây dựng Trạm Phân phối Trung tâm (TPPTT) 35 kV nhận điện trực tiếp từ hệ thống, cấp nguồn cho 5 TBAPX hạ áp thẳng từ 35 kV xuống 0,4 kV (dùng MBA ABB). Trạm B4 cấp cho PX giặt & đóng gói và PXSCCK.
    • Phương án 4 (PA4): Sử dụng TPPTT 35 kV cấp nguồn cho 5 TBAPX 35/0,4 kV (dùng MBA ABB). Trạm B4 cấp riêng cho PX giặt & đóng gói, trạm B5 cấp cho PXSCCK, xưởng mộc và trạm bơm.

  2. Sơ bộ chọn thiết bị cho các phương án:

    • Chọn công suất định mức máy biến áp phân xưởng theo điều kiện làm việc bình thường ($n \cdot S_{đmB} \ge S_{tt}$) và kiểm tra quá tải sự cố ($(n-1) \cdot S_{đmB} \ge S_{ttsc} / k_{qt}$ với $k_{qt} = 1,3$).
    • Chọn cáp trung áp ngầm theo $J_{kt} = 2,7\text{ A/mm}^2$ (cáp đồng ngầm XLPE Furukawa $16\text{ mm}^2$ và $25\text{ mm}^2$), kiểm tra điều kiện phát nóng khi đứt 1 sợi ($I_{sc} = 2 \cdot I_{max}$) và sụt áp $\Delta U \le \Delta U_{cp} = 4%$.
    • Sơ bộ chọn máy cắt cao áp Schneider F400 ($36\text{ kV} - 1250\text{ A} - 25\text{ kA}$).

  3. Tính toán so sánh kinh tế - kỹ thuật: Tác giả xác định tổn thất công suất ($\Delta P$), tổn thất điện năng trên các đường cáp ($\Delta A_d = \sum \Delta P \cdot \tau$) và tổn thất điện năng trong các trạm biến áp ($\Delta A_B$) với thời gian tổn thất công suất cực đại $\tau = 4129\text{ h}$.

Tiêu chí so sánh Phương án 1 (PA1) Phương án 2 (PA2) Phương án 3 (PA3) Phương án 4 (PA4)
Cấp điện áp phân phối nội bộ $10\text{ kV}$ $10\text{ kV}$ $35\text{ kV}$ $35\text{ kV}$
Số cấp biến áp 2 cấp (35/10/0,4 kV) 2 cấp (35/10/0,4 kV) 1 cấp (35/0,4 kV) 1 cấp (35/0,4 kV)
Tổng vốn đầu tư $K$ (Triệu VNĐ) 6.776,66 6.776,66 Tối ưu thiết bị Tối ưu thiết bị
Tổn thất điện năng $\Delta A$ (kWh/năm) 513.685,7 511.867,3 255.536,5 254.198,4
Hàm chi phí tính toán $Z$ (Triệu VNĐ) 2.546,59 (Lớn nhất) 2.539,40 2.302,15 2.291,60 (Nhỏ nhất)

Nhận xét lựa chọn: Phương án 4 có hàm chi phí tính toán hàng năm nhỏ nhất, giảm khoảng 10% chi phí tính toán so với Phương án 1 do cắt giảm hoàn toàn trạm biến áp trung gian 35/10,5 kV, giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng trên lưới. Nhóm tác giả chính thức lựa chọn Phương án 4 để triển khai thiết kế chi tiết.

  1. Thiết kế chi tiết Phương án 4:
    • Tuyến đường dây 35 kV cấp nguồn dài 10 km: Dòng điện tính toán $I_{ttnm} = 42,07\text{ A}$. Tiết diện kinh tế $F_{kt} = 42,07 / 1 = 42,07\text{ mm}^2 \Rightarrow$ Chọn dây nhôm lõi thép AC-35 ($I_{cp} = 170\text{ A}$, $r_0 = 0,426,\Omega\text{/km}$). Kiểm tra sự cố đứt một dây: $I_{sc} = 84,14\text{ A} < I_{cp} = 170\text{ A}$. Tổn thất điện áp trên đường dây $\Delta U = 1373,84\text{ V} \le \Delta U_{cp} = 1575\text{ V}$ (4,5%).
    • Thiết kế TPPTT: Dùng sơ đồ thanh góp hai phân đoạn có máy cắt liên lạc, trang bị tủ máy cắt hợp bộ SF6 Siemens 8DC11 ($I_{đm} = 1250\text{ A}, I_{cắt3s} = 25\text{ kA}$), máy biến điện áp BU 3 pha 5 trụ cuộn tam giác hở báo chạm đất và chống sét van.
    • Tính toán ngắn mạch mạng cao áp: Điện kháng hệ thống $X_{HT} = U_{tb}^2 / S_N = 36,75^2 / 250 = 5,4,\Omega$. Tính dòng ngắn mạch 3 pha tại thanh cái TPPTT ($N$) và phía cao áp các trạm biến áp phân xưởng ($N_1$) để kiểm định độ bền nhiệt và lực điện động của cáp ngầm, máy cắt và dao cách ly.

III. Thiết kế mạng hạ áp phân xưởng sửa chữa cơ khí

Chương III hoàn thiện phần thiết kế kỹ thuật ở cấp điện áp hạ thế $380/220\text{ V}$ phục vụ trực tiếp cho quá trình sản xuất tại PXSCCK:

  1. Lựa chọn thiết bị Tủ phân phối tổng (TPP):
    • Tính chọn aptomat tổng đầu vào nhận điện từ trạm biến áp phân xưởng B5.
    • Chọn đường cáp ngầm hạ áp từ TBA B5 về tủ phân phối và từ tủ phân phối đến 6 tủ động lực: Sử dụng cáp đồng 4 lõi bọc PVC hãng Lens tiết diện $(3\times70+50)\text{ mm}^2$, có dòng cho phép $I_{cp} = 246\text{ A}$.
    • Chọn kích thước thanh dẫn bằng đồng cho thanh cái tủ phân phối và tủ động lực.
  2. Tính toán ngắn mạch lưới hạ áp và chọn thiết bị bảo vệ:
    • Tính toán dòng ngắn mạch 3 pha tại các điểm thanh cái hạ áp $0,4\text{ kV}$.
    • Lựa chọn aptomat nhánh và dây dẫn đến từng thiết bị máy cắt, máy tiện, máy phay, máy bào, máy khoan của 6 nhóm phụ tải, đảm bảo khả năng cắt chọn lọc và ổn định nhiệt khi có sự cố ngắn mạch.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật và số liệu chính

  • Hoàn thành tính toán phụ tải toàn diện cho nhà máy liên hợp dệt với các chỉ tiêu định lượng: Tổng công suất tác dụng $P_{ttnm} = 4223,58\text{ kW}$, tổng công suất phản kháng $Q_{ttnm} = 2860,14\text{ kVAr}$, tổng công suất biểu kiến $S_{ttnm} = 5100,88\text{ kVA}$, hệ số công suất tự nhiên $\cos\varphi_{nm} = 0,83$ (với hệ số đồng thời $k_{đt} = 0,8$).
  • Xác định chính xác phụ tải phân xưởng sửa chữa cơ khí gồm 71 thiết bị phân bổ trong 6 nhóm với $P_{ttpx} = 90,425\text{ kW}$, $S_{ttpx} = 144,71\text{ kVA}$, $\cos\varphi_{px} = 0,62$.
  • Thiết kế thành công tuyến đường dây trên không 35 kV lộ kép dài 10 km sử dụng dây AC-35 thỏa mãn điều kiện kinh tế $J_{kt}$, an toàn phát nóng khi đứt 1 dây ($I_{sc} = 84,14\text{ A} < 170\text{ A}$) và giới hạn tổn thất điện áp ($\Delta U = 1373,84\text{ V} < 1575\text{ V}$).
  • Chứng minh tính ưu việt của Phương án 4 (TPPTT 35 kV cấp điện trực tiếp cho 5 TBAPX hạ áp 35/0,4 kV), giúp hạ thấp tổn thất điện năng xuống mức $254.198,4\text{ kWh/năm}$ và đạt hàm chi phí tính toán thấp hơn 10% so với phương án sử dụng trạm biến áp trung gian 10 kV.
  • Lập cấu hình thiết bị hoàn chỉnh: Tủ hợp bộ trung thế Siemens 8DC11, máy biến áp ABB 35/0,4 kV, cáp ngầm Furukawa 35 kV, cáp hạ thế Lens $(3\times70+50)\text{ mm}^2$ cùng hệ thống khí cụ bảo vệ đo lường đạt tiêu chuẩn vận hành an toàn.

Giải pháp kỹ thuật và đóng góp của đề tài

  • Đề tài thiết lập một quy trình mẫu mực, nhất quán từ khâu phân nhóm phụ tải, tính toán công suất theo phương pháp thiết bị hiệu quả ($n_{hq}$), định vị tâm phụ tải, xây dựng biểu đồ phụ tải đến so sánh đa phương án kinh tế kỹ thuật.
  • Cung cấp phương án thiết kế hệ thống cung cấp điện công nghiệp bám sát thực tế sản xuất, kết hợp chặt chẽ giữa tính toán giải tích lý thuyết và việc tra cứu, kiểm chứng trên các thiết bị công nghiệp hiện hành trên thị trường Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Do hạn chế về số liệu đầu vào từ đề bài (chỉ có phân xưởng cơ khí có bảng danh mục thiết bị chi tiết; các phân xưởng còn lại chỉ có diện tích và công suất đặt), việc tính toán phụ tải cho các xưởng kéo sợi, dệt, nhuộm phải áp dụng phương pháp hệ số nhu cầu ($k_{nc}$) mang tính kinh nghiệm và gần đúng.
    • Quá trình tính toán ngắn mạch được đơn giản hóa với giả thiết mạng điện hở (các máy cắt liên lạc ở trạng thái mở) và bỏ qua một số thông số phi tuyến của hệ thống.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Bổ sung số liệu công nghệ chi tiết cho toàn bộ các phân xưởng dệt, sợi, nhuộm để áp dụng đồng bộ phương pháp số thiết bị hiệu quả ($n_{hq}$).
    • Nghiên cứu thiết kế hệ thống bù công suất phản kháng (tụ bù tĩnh hoặc bộ điều khiển tự động) nhằm nâng cao hệ số công suất $\cos\varphi$ của toàn nhà máy và giảm sâu hơn nữa tổn thất điện năng trên lưới.
    • Tích hợp giải pháp giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển tự động hóa trạm biến áp (hệ thống SCADA/EMS) cho Trạm phân phối trung tâm.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đề tài có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống Điện, Thiết bị Điện và Tự động hóa tại các trường đại học kỹ thuật khi thực hiện đồ án môn học "Thiết kế hệ thống cung cấp điện" hoặc đồ án tốt nghiệp kỹ sư điện.
  • Kỹ sư thiết kế điện công nghiệp cần tài liệu tham khảo về quy trình phân nhóm phụ tải máy công cụ, tính toán lựa chọn dây dẫn/cáp theo mật độ dòng điện kinh tế kết hợp kiểm tra sụt áp, tổn thất điện năng trong trạm biến áp và phương pháp so sánh kinh tế kỹ thuật giữa các cấu hình cấp điện áp 35 kV và 10 kV.
  • Tham khảo bảng thông số kỹ thuật thực tế của các dòng thiết bị: máy biến áp ABB, cáp ngầm Furukawa, tủ hợp bộ Siemens SF6 8DC11, máy cắt Schneider F400.

Câu hỏi thường gặp

1. Phụ tải tính toán toàn phần ($S_{ttnm}$) và hệ số công suất ($\cos\varphi$) của toàn bộ nhà máy liên hợp dệt là bao nhiêu? Dựa trên tính toán với hệ số đồng thời $k_{đt} = 0,8$, toàn nhà máy có phụ tải tác dụng $P_{ttnm} = 4223,58\text{ kW}$, phụ tải phản kháng $Q_{ttnm} = 2860,14\text{ kVAr}$, tổng phụ tải toàn phần $S_{ttnm} = 5100,88\text{ kVA}$ và hệ số công suất toàn nhà máy là $\cos\varphi_{nm} = 0,83$.

2. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn Phương án 4 thay vì Phương án 1 khi thiết kế mạng cao áp? Phương án 4 sử dụng Trạm Phân phối Trung tâm nhận điện 35 kV và hạ áp thẳng xuống 0,4 kV qua các trạm biến áp phân xưởng ABB, loại bỏ hoàn toàn cấp trung gian 10,5 kV. Qua tính toán so sánh kinh tế - kỹ thuật, Phương án 4 có tổn thất điện năng hàng năm thấp nhất ($254.198,4\text{ kWh}$ so với $513.685,7\text{ kWh}$ của PA1) và có hàm chi phí tính toán hàng năm $Z$ nhỏ nhất, tiết kiệm khoảng 10% chi phí so với Phương án 1.

3. Đường dây 35 kV cấp nguồn từ hệ thống về trạm phân phối trung tâm được chọn với thông số như thế nào? Tuyến đường dây 35 kV dài 10 km, lộ kép, được chọn theo mật độ dòng điện kinh tế $J_{kt} = 1\text{ A/mm}^2$ ($T_{max} = 5625\text{ h}$, dòng làm việc tính toán $I_{ttnm} = 42,07\text{ A}$). Nhóm tác giả chọn dây nhôm lõi thép AC-35 ($I_{cp} = 170\text{ A}$). Dây dẫn này thỏa mãn điều kiện phát nóng khi sự cố đứt một dây ($I_{sc} = 84,14\text{ A} < 170\text{ A}$) và độ sụt áp tính toán $\Delta U = 1373,84\text{ V}$ nhỏ hơn giới hạn cho phép $\Delta U_{cp} = 1575\text{ V}$ (4,5%).

4. Phân xưởng sửa chữa cơ khí (PXSCCK) được tính toán phụ tải theo phương pháp nào và kết quả ra sao? PXSCCK có diện tích $400\text{ m}^2$ với 71 thiết bị được chia thành 6 nhóm phụ tải và tính toán theo phương pháp số thiết bị hiệu quả ($n_{hq}$) kết hợp hệ số cực đại ($k_{max}$) và công suất trung bình ($P_{tb}$). Kết quả tính toán cho thấy phân xưởng có phụ tải động lực $P_{đl} = 84,825\text{ kW}$, phụ tải chiếu sáng $P_{cs} = 5,6\text{ kW}$ ($p_0 = 14\text{ W/m}^2$), tổng phụ tải toàn phần $S_{ttpx} = 144,71\text{ kVA}$ và hệ số công suất $\cos\varphi_{px} = 0,62$.

5. Khí cụ đóng cắt bảo vệ cao áp tại Trạm phân phối trung tâm được trang bị loại nào? Trạm phân phối trung tâm sử dụng hệ thống tủ phân phối hợp bộ trung thế của Siemens model 8DC11 cách điện bằng khí SF6 không cần bảo trì, có các thông số kỹ thuật định mức: điện áp $U_{đm} = 24-36\text{ kV}$, dòng điện định mức $I_{đm} = 1250\text{ A}$, khả năng chịu dòng cắt ngắn mạch 3 giây $I_{cắt3s} = 25\text{ kA}$ và dòng cắt cực đại $I_{cắt,nmax} = 63\text{ kA}$.

Kết luận

Báo cáo đề tài "Thiết kế cung cấp điện cho nhà máy liên hợp dệt" của nhóm sinh viên Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giải quyết trọn vẹn và khoa học bài toán thiết kế hệ thống điện công nghiệp nhiều cấp điện áp. Bằng việc kết hợp chính xác các phương pháp xác định phụ tải tính toán lý thuyết và phương pháp so sánh kinh tế - kỹ thuật đa phương án, công trình đã xác định được cấu hình cấp nguồn 35/0,4 kV tối ưu với hàm chi phí vận hành và đầu tư thấp nhất. Các tính toán kiểm tra ổn định nhiệt, ổn định lực điện động qua dòng ngắn mạch và việc lựa chọn đồng bộ thiết bị công nghiệp hiện đại đảm bảo tính khả thi cao, an toàn và độ tin cậy cung cấp điện cho toàn bộ nhà máy liên hợp dệt.