Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình phát triển kinh tế và đẩy mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa tại Việt Nam, nhu cầu tiêu thụ điện năng trong các ngành công nghiệp gia tăng nhanh chóng. Công nghiệp sản xuất xi măng là một trong những ngành kinh tế then chốt, giữ vai trò cung cấp vật liệu xây dựng cho toàn bộ hệ thống cơ sở hạ tầng trên cả nước. Đặc thù của các nhà máy sản xuất xi măng là quy mô tiêu thụ công suất lớn, tập trung nhiều động cơ công suất cao, vận hành liên tục trong môi trường nhiều bụi bặm và rung động. Về mặt phân loại cung cấp điện, nhà máy xi măng quy mô lớn được xếp vào diện hộ tiêu thụ loại 1 hoặc loại 2; việc gián đoạn cung cấp điện có thể gây hư hỏng thiết bị, tạo ra lượng lớn phế phẩm và gây thiệt hại kinh tế nghiêm trọng.

Do đó, việc tính toán và thiết kế hệ thống cung cấp điện là nhiệm vụ kỹ thuật tiên quyết nhằm bảo đảm tính liên tục, an toàn và tối ưu hóa chi phí vận hành cho nhà máy. Khóa luận tốt nghiệp của nhóm tác giả Trần Văn Quý và Phạm Thành Nhân (ngành Hệ thống điện, Khoa Công nghệ Điện, Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM, thực hiện năm 2018 dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Huy Khiêm) tập trung giải quyết bài toán thiết kế mạng điện toàn diện cho một nhà máy xi măng với các nhiệm vụ cụ thể:

  1. Nghiên cứu tổng quan về các yêu cầu kỹ thuật và nguyên tắc thiết kế cung cấp điện công nghiệp.
  2. Xác định phụ tải tính toán cho toàn bộ 11 phân xưởng trong mặt bằng nhà máy xi măng.
  3. Thiết kế mạng cao áp nhà máy: vạch phương án cấp điện, lựa chọn cấp điện áp, vị trí, số lượng và dung lượng trạm biến áp phân xưởng (BAPX), so sánh kinh tế - kỹ thuật giữa các phương án đi dây.
  4. Thiết kế mạng hạ áp chi tiết cho phân xưởng sửa chữa cơ khí: phân nhóm phụ tải, lựa chọn dây dẫn, khí cụ đóng cắt và bảo vệ (Aptomat/CB).
  5. Tính toán dòng điện ngắn mạch tại các điểm nút trên lưới điện nhằm kiểm tra khả năng cắt và độ ổn định nhiệt của các thiết bị đã chọn.
  6. Xác định và phân bố dung lượng bù công suất phản kháng cho hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu là hệ thống điện của nhà máy xi măng gồm 11 phân xưởng chức năng bố trí trên sơ đồ mặt bằng tổng thể, với trọng tâm đi sâu vào thiết kế mạng điện hạ áp của phân xưởng sửa chữa cơ khí có diện tích $1.836\text{ m}^2$ gồm 47 thiết bị gia công.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng hệ thống tính toán dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật điện, quy phạm trang bị điện và tài liệu chuyên ngành:

  • Khung tiêu chuẩn và tài liệu viện dẫn: Giáo trình Thiết kế cấp điện (Ts. Ngô Hồng Quang, Vũ Văn Tầm - 2010), Giáo trình Cung cấp điện (Ts. Ngô Hồng Quang - 2009), Bài tập Cung cấp điện (Ts. Trần Quang Khánh - 2006), Hướng dẫn thiết kế lắp đặt điện theo chuẩn IEC (2010), cùng các sổ tay tra cứu thiết bị điện và sổ tay tra cứu cung cấp điện.
  • Tiêu chuẩn vận hành hệ thống: Đảm bảo tần số danh định của lưới điện quốc gia trong phạm vi $49{,}5 - 50{,}5\text{ Hz}$, độ sụt áp nằm trong giới hạn cho phép theo quy phạm kỹ thuật điện hiện hành.
  • Phương pháp xác định phụ tải tính toán:
    1. Phương pháp công suất đặt ($P_{đm}$) kết hợp hệ số nhu cầu ($k_{nc}$): Áp dụng cho các phân xưởng đã có công suất đặt sơ bộ: $$P_{đl} = k_{nc} \cdot P_{đm}, \quad Q_{đl} = P_{đl} \cdot \tan\varphi$$ Phụ tải chiếu sáng xác định theo suất chiếu sáng trên diện tích ($p_0 \cdot S$ với $\cos\varphi = 1, Q_{cs} = 0$). Phụ tải toàn nhà máy tính có xét đến hệ số đồng thời $k_{đt}$ ($k_{đt} = 0{,}95$ với $n = 2 \div 4$ nhóm; $k_{đt} = 0{,}85$ với $n = 5 \div 10$ nhóm).
    2. Phương pháp hệ số cực đại ($k_{max}$) và công suất trung bình ($P_{tb}$): Áp dụng cho phân xưởng sửa chữa cơ khí. Phương pháp này quy đổi thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại (như máy hàn điện) về chế độ dài hạn theo công thức: $$P_{qđ} = P_{đm} \cdot \sqrt{\varepsilon_{đm}}$$ Sau đó xác định số thiết bị hiệu quả $n_{hq}$ dựa trên tỷ lệ $n^$ và $P^$ từ nhóm thiết bị $n_1$ có công suất $P \ge 0{,}5 P_{max}$, từ đó tra bảng xác định $k_{max}$ để tính toán $P_{tt} = k_{max} \cdot k_{sd} \cdot \sum P_{đm}$.
    3. Phương pháp suất phụ tải trên một đơn vị diện tích sản xuất ($P_{tt} = P_0 \cdot S$) và phương pháp theo suất tiêu hao điện năng trên đơn vị sản phẩm ($P_{tt} = \frac{M \cdot W_0}{T_{max}}$) được trình bày trong cơ sở lý thuyết tổng quan.
  • Phương pháp lựa chọn và kiểm tra dây dẫn, thiết bị: Lựa chọn cáp điện ngầm theo điều kiện phát nóng cho phép kết hợp các hệ số hiệu chỉnh môi trường lắp đặt theo tiêu chuẩn IEC ($k_1$: cách lắp đặt đặt trong ống, $k_2$: ảnh hưởng số dây đặt kề nhau, $k_3$: ảnh hưởng đất chôn cáp, $k_4$: ảnh hưởng nhiệt độ môi trường đất).
  • Phương pháp tính ngắn mạch: Sử dụng phương pháp trở kháng quy đổi về cấp điện áp tính toán ($R_{BA}, X_{BA}, Z_{BA}, R_{dd}, X_{dd}$) để tìm dòng ngắn mạch hiệu dụng $I_N$, từ đó đối chiếu với khả năng cắt định mức $I_{cđm}$ của Aptomat.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống cung cấp điện cho nhà máy xi măng được thiết kế theo cấu trúc phân tầng gồm mạng cao áp phân phối và mạng hạ áp động lực:

[Lưới điện truyền tải 35 kV]
[Trạm phân phối trung tâm PPTT & Các trạm biến áp phân xưởng BAPX]
[Tủ phân phối chính phân xưởng (TPP)]
[TĐL1]    [TĐL2]    [TĐL3]    [TĐL4]

1. Kiến trúc mạng cao áp và trạm biến áp

  • Nhà máy sử dụng cấp điện áp truyền tải cao áp/trung áp $35\text{ kV}$ cấp đến trạm phân phối trung tâm (PPTT) và các trạm biến áp phân xưởng (BAPX).
  • Để cấp điện cho phân xưởng cơ khí, đồ án lựa chọn giải pháp đặt 02 máy biến áp làm việc song song do hãng ABB chế tạo, công suất định mức mỗi máy $S_{đm} = 630\text{ kVA}$, tỷ số biến áp $35/0{,}4\text{ kV}$, tổn thất không tải $P_0 = 1.300\text{ W}$, tổn thất ngắn mạch $P_N = 8.200\text{ W}$, điện áp ngắn mạch $U_N% = 6{,}5%$.

2. Mạng phân phối hạ áp phân xưởng cơ khí

Tuyến cáp ngầm đi từ 02 MBA qua tủ phân phối chính (TPP) rồi cấp nguồn tới 04 tủ động lực ($TĐL1 \div TĐL4$):

  • Tuyến từ MBA đến TPP: Cáp đồng 3 lõi cách điện PVC của hãng LENS, tiết diện $3 \times 240 + 95\text{ mm}^2$, chiều dài $L = 60\text{ m}$, dòng phát nóng cho phép $I_{cp} = 501\text{ A}$, điện trở đơn vị $r_0 = 0{,}0754\text{ }\Omega/\text{km}$. Bảo vệ bằng Aptomat khối LG mã ABH403a ($I_{đm} = 350\text{ A}$, dòng cắt ngắn mạch $I_{cđ} = 30\text{ kA}$).
  • Tuyến TPP đến TĐL1, TĐL2, TĐL3: Chiều dài mỗi tuyến $L = 20\text{ m}$, dùng cáp LENS $3 \times 35 + 25\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 174\text{ A}, R_0 = 0{,}524\text{ }\Omega/\text{km}$). Bảo vệ bằng Aptomat LG mã ABE103a ($I_{đm} = 100\text{ A}, I_{cđ} = 15\text{ kA}$ cho TĐL1; $I_{đm} = 75\text{ A}, I_{cđ} = 15\text{ kA}$ cho TĐL3) và mã ABL103a ($I_{đm} = 105\text{ A}, I_{cđ} = 15\text{ kA}$ cho TĐL2).
  • Tuyến TPP đến TĐL4: Chiều dài $L = 25\text{ m}$, dùng cáp LENS $3 \times 50 + 35\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 206\text{ A}, R_0 = 0{,}39\text{ }\Omega/\text{km}, X_0 = 0{,}096\text{ }\Omega/\text{km}$). Bảo vệ bằng Aptomat LG mã ABE203a ($I_{đm} = 127\text{ A}, I_{cđ} = 17\text{ kA}$).

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1: Tổng quan về thiết kế cấp điện

Phần mở đầu xác lập 4 tiêu chí cốt lõi khi thiết kế hệ thống cung cấp điện công nghiệp:

  1. Độ tin cậy: Đảm bảo tính liên tục của nguồn cấp phù hợp với từng loại phụ tải. Nhà máy xí nghiệp sản xuất cần bố trí nguồn máy phát dự phòng hoặc trạm biến áp kép để cấp cho các phụ tải quan trọng khi gặp sự cố.
  2. Chất lượng điện: Đánh giá qua tần số ($49{,}5 - 50{,}5\text{ Hz}$) và mức ổn định điện áp theo tiêu chuẩn cho phép.
  3. An toàn: Đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người vận hành và thiết bị, tuân thủ các quy phạm trang bị điện và bảo hộ lao động.
  4. Tính kinh tế: Đạt mức chi phí đầu tư ban đầu và chi phí tổn thất vận hành tối ưu trong suốt chu kỳ làm việc của dự án.

Chương I: Tính toán phụ tải cho từng phân xưởng

Chương 1 tiến hành phân loại và thống kê 11 phân xưởng chức năng của nhà máy xi măng theo danh mục công suất đặt và mặt bằng bố trí:

STT Tên phân xưởng phụ tải Công suất đặt $P_{đm}$ (kW)
1 Đập đá vôi và đất sét 900
2 Kho nguyên liệu 400
3 Nghiền nguyên liệu 1.000
4 Nghiền than 800
5 Lò nung và làm sạch clinker 1.000
6 Nghiền xi măng 900
7 Xưởng sửa chữa cơ khí Tính toán chi tiết
8 Trạm bơm và xử lý nước thải 600
9 Dây chuyền đóng bao 500
10 Phòng điều khiển và phòng thí nghiệm 300
11 Phòng hành chính 300

Đi sâu vào phân xưởng sửa chữa cơ khí (diện tích $1.836\text{ m}^2$, gồm 47 thiết bị), tác giả chia phụ tải thành 4 nhóm theo vị trí không gian và chế độ vận hành để tối ưu chiều dài đường dây:

  • Nhóm 1 (16 thiết bị): Gồm máy tiện ren, máy lăn ren, máy cưa, máy khoan đứng, máy khoan vạn năng. Tổng công suất đặt $\sum P_{đm} = 107{,}4\text{ kW}$, dòng định mức $\sum I_{đm} = 271{,}96\text{ A}$, $\cos\varphi = 0{,}6$. Số thiết bị hiệu quả $n_{hq} = 14{,}4 > 4$, hệ số sử dụng $k_{sd} = 0{,}6$, tính được $P_{tt1} = 38{,}664\text{ kW}$, $Q_{tt1} = 51{,}42\text{ kVAr}$.
  • Nhóm 2 (13 thiết bị): Gồm máy khoan bàn, máy mài tròn, máy mài thô, quạt gió, máy hàn điện ($25\text{ kVA}, \varepsilon = 60%$ quy đổi về dài hạn $P_{qđ} = 7{,}5\text{ kW}$). Tổng công suất $\sum P_{đm} = 45\text{ kW}$, $\sum I_{đm} = 113{,}94\text{ A}$. Số thiết bị hiệu quả $n_{hq} = 3{,}9 < 4$, xác định phụ tải tính toán $P_{tt2} = 40{,}5\text{ kW}$, $Q_{tt2} = 53{,}86\text{ kVAr}$.
  • Nhóm 3 (7 thiết bị): Gồm máy quấn dây, tủ sấy, máy khoan bàn, máy mài, bàn thử nghiệm, lò rèn. Tổng công suất đặt $\sum P_{đm} = 19{,}7\text{ kW}$, $\sum I_{đm} = 49{,}86\text{ A}$. Tác giả xác định $n_1 = 5, P_1 = 16{,}9\text{ kW}$, tỷ lệ $n^* = 0{,}71, P^* = 0{,}85$, tra bảng $n_{hq}^* = 0{,}9$.
  • Nhóm 4: Tính toán tương tự cho nhóm máy còn lại để hoàn thiện tổng phụ tải phân xưởng cơ khí và lập biểu đồ phụ tải toàn nhà máy.

Chương II: Thiết kế mạng cao áp nhà máy

Nội dung chương 2 tập trung vào việc quy hoạch mạng lưới phân phối cao áp:

  • Phân tích và so sánh các phương án cấp điện (phương án trạm biến áp tập trung 6 MBA so với phương án phân tán 3 MBA).
  • Tính toán tổn thất công suất, tổn thất điện năng và chi phí kinh tế hàng năm để chọn ra sơ đồ cấp điện tối ưu.
  • Lựa chọn thiết bị cao áp tại trạm phân phối trung tâm PPTT và các trạm biến áp phân xưởng BAPX.
  • Tính toán ngắn mạch mạng cao áp, kiểm tra khả năng chịu dòng ngắn mạch của khí cụ điện và xác định dung lượng tụ bù công suất phản kháng cần thiết cho từng nhánh để nâng cao hệ số $\cos\varphi$.

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

Chương này thực hiện thiết kế chi tiết đường dây hạ áp, lựa chọn khí cụ đóng cắt và kiểm tra khả năng bảo vệ qua tính toán ngắn mạch:

  • Lựa chọn tiết diện dây dẫn và Aptomat từ MBA đến TPP và từ TPP đến các tủ động lực $TĐL1 \div TĐL4$.
  • Kiểm tra điều kiện phát nóng của cáp: Tích số các hệ số hiệu chỉnh môi trường đạt $k_1 \cdot k_2 \cdot k_3 \cdot k_4 = 0{,}712$. Dòng cho phép sau hiệu chỉnh của các cáp ($123{,}88\text{ A}$ cho cáp $35\text{ mm}^2$, $146{,}67\text{ A}$ cho cáp $50\text{ mm}^2$) đều lớn hơn dòng làm việc cực đại và thỏa mãn điều kiện phối hợp bảo vệ Aptomat ($I_{cp} \ge \frac{I_{đm_CB}}{1{,}5}$).

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả tính toán và lựa chọn thiết bị hạ áp

Khóa luận đã tổng hợp toàn bộ thông số lựa chọn dây dẫn và khí cụ bảo vệ hạ áp cho phân xưởng sửa chữa cơ khí:

Tuyến cấp nguồn Tiết diện & Loại cáp (LENS) $I_{cp}$ danh định (A) $R_0$ ($\Omega/\text{km}$) Mã hiệu Aptomat (LG) Dòng định mức $I_{đm}$ (A) Dòng cắt định mức $I_{cđ}$ (kA)
MBA $\rightarrow$ TPP $3 \times 240 + 95\text{ mm}^2$ 501 0,0754 ABH403a 350 30
TPP $\rightarrow$ TĐL1 $3 \times 35 + 25\text{ mm}^2$ 174 0,5240 ABE103a 100 15
TPP $\rightarrow$ TĐL2 $3 \times 35 + 25\text{ mm}^2$ 174 0,5240 ABL103a 105 15
TPP $\rightarrow$ TĐL3 $3 \times 35 + 25\text{ mm}^2$ 174 0,5240 ABE103a 75 15
TPP $\rightarrow$ TĐL4 $3 \times 50 + 35\text{ mm}^2$ 206 0,3900 ABE203a 127 17

2. Kết quả kiểm tra dòng ngắn mạch tại các điểm nút

Tính toán trở kháng của 02 máy biến áp 630 kVA làm việc song song cho ra các giá trị: $R_{BA} = 0{,}0033\text{ }\Omega$, $Z_{BA} = 0{,}0100\text{ }\Omega$, $X_{BA} = 0{,}0094\text{ }\Omega$. Kết quả kiểm tra ngắn mạch tại các thanh cái hạ áp:

Vị trí điểm ngắn mạch Dòng ngắn mạch tính toán $I_N$ (kA) Khả năng cắt của CB $I_{cđm}$ (kA) Đánh giá an toàn
Tủ phân phối chính (TPP) 17,24 30,00 Đạt yêu cầu
Tủ động lực 1 (TĐL1) 11,51 15,00 Đạt yêu cầu
Tủ động lực 2 (TĐL2) 11,51 15,00 Đạt yêu cầu
Tủ động lực 3 (TĐL3) 11,51 15,00 Đạt yêu cầu
Tủ động lực 4 (TĐL4) 9,60 17,00 Đạt yêu cầu

3. Đóng góp kỹ thuật của đồ án

  • Xây dựng quy trình tính toán phụ tải đồng bộ từ cấp toàn nhà máy (11 phân xưởng) xuống chi tiết từng thiết bị phân xưởng cơ khí, kết hợp chính xác phương pháp hệ số cực đại và phương pháp công suất đặt.
  • Cung cấp phương án phối hợp bảo vệ hoàn chỉnh giữa máy biến áp ABB, cáp lực ngầm hạ áp hãng LENS và hệ thống Aptomat chống giật/bảo vệ quá tải của hãng LG.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Bản đồ án được thực hiện trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp đại học, việc tính toán phụ tải chủ yếu dựa trên số liệu công suất đặt định mức và các hệ số tra cứu sổ tay tiêu chuẩn; chưa có điều kiện khảo sát đo đạc thực nghiệm đồ thị phụ tải 24h thực tế tại một nhà máy xi măng đang vận hành.
  • Hướng mở rộng:
    • Nghiên cứu ứng dụng hệ thống quản lý năng lượng tự động (SCADA/EMS) trong giám sát điều khiển hệ thống điện nhà máy xi măng.
    • Phân tích và thiết kế bộ lọc sóng hài tích cực nhằm xử lý hiện tượng méo dạng điện áp gây ra bởi các biến tần và động cơ công suất lớn trong dây chuyền nghiền và lò nung.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo trực quan cho sinh viên chuyên ngành Hệ thống điện, Kỹ thuật điện, Điện công nghiệp khi thực hiện đồ án môn học Thiết kế cung cấp điện hoặc khóa luận tốt nghiệp kỹ sư:

  • Cung cấp bảng số liệu và các bước mẫu về phân nhóm phụ tải cơ khí, quy đổi công suất máy hàn ngắn hạn và xác định số thiết bị hiệu quả $n_{hq}$.
  • Cung cấp phương pháp tra cứu hệ số hiệu chỉnh cáp ngầm theo chuẩn IEC và các công thức giải tích tính dòng ngắn mạch hạ thế từ thông số máy biến áp phân phối.

Câu hỏi thường gặp

1. Nhà máy xi măng trong đồ án gồm những phân xưởng nào và có tổng công suất đặt sơ bộ là bao nhiêu?

Nhà máy gồm 11 phân xưởng: Đập đá vôi và đất sét (900 kW), Kho nguyên liệu (400 kW), Nghiền nguyên liệu (1.000 kW), Nghiền than (800 kW), Lò nung và làm sạch clinker (1.000 kW), Nghiền xi măng (900 kW), Xưởng cơ khí (tính toán chi tiết từ 47 thiết bị), Trạm bơm và xử lý nước thải (600 kW), Đóng bao (500 kW), Phòng điều khiển & thí nghiệm (300 kW), và Phòng hành chính (300 kW).

2. Thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại (như máy hàn) được xử lý ra sao khi tính phụ tải?

Thiết bị ngắn hạn lặp lại được quy đổi về công suất định mức ở chế độ làm việc dài hạn ($100%$) theo công thức $P_{qđ} = P_{đm} \cdot \sqrt{\varepsilon_{đm}}$. Ví dụ, máy hàn $25\text{ kVA}$ có hệ số tiếp điện $\varepsilon = 60%$ được quy đổi thành công suất $P_{qđ} = 7{,}5\text{ kW}$ trước khi đưa vào tính phụ tải nhóm 2.

3. Trạm biến áp cấp nguồn cho phân xưởng cơ khí sử dụng máy biến áp gì?

Trạm sử dụng 02 máy biến áp $630\text{ kVA}$ ($35/0{,}4\text{ kV}$) chế tạo bởi hãng ABB, có tổn thất ngắn mạch $P_N = 8.200\text{ W}$, tổn thất không tải $P_0 = 1.300\text{ W}$ và $U_N% = 6{,}5%$, vận hành song song nhằm đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện.

4. Điều kiện phối hợp bảo vệ giữa cáp điện và Aptomat hạ áp được kiểm tra như thế nào?

Cáp điện phải thỏa mãn đồng thời hai điều kiện: dòng cho phép sau hiệu chỉnh môi trường phải lớn hơn dòng làm việc cực đại ($I_{cp} \cdot k_{hc} \ge I_{lvmax}$) và đảm bảo an toàn phát nóng khi xảy ra quá tải nhiệt theo ngưỡng tác động của Aptomat ($I_{cp} \cdot k_{hc} \ge \frac{I_{đm_CB}}{1{,}5}$).

5. Dòng ngắn mạch tại tủ phân phối chính (TPP) là bao nhiêu và Aptomat được chọn có đáp ứng không?

Dòng ngắn mạch tính toán tại TPP là $I_{Npp} = 17{,}24\text{ kA}$. Aptomat tổng được chọn là loại ABH403a của hãng LG có khả năng cắt định mức $I_{cđm} = 30\text{ kA} > 17{,}24\text{ kA}$, hoàn toàn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Trần Văn Quý và Phạm Thành Nhân đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế hệ thống cung cấp điện cho nhà máy sản xuất xi măng từ cấp cao áp truyền tải đến mạng hạ áp phân xưởng cơ khí. Toàn bộ các khâu tính toán phụ tải, lựa chọn máy biến áp, chọn tiết diện cáp ngầm LENS và Aptomat LG đều được kiểm chứng chặt chẽ thông qua các điều kiện phát nóng, độ sụt áp và dòng ngắn mạch. Công trình phản ánh đúng quy trình kỹ thuật tiêu chuẩn trong thiết kế cung cấp điện công nghiệp, mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực hành cao.