Thiết Kế Hệ Thống Cung Cấp Điện Cho Phân Xưởng Cơ Khí

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Cơ Khí
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Cung Cấp Điện Cho Phân Xưởng Cơ Khí
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• 1. CHƯƠNG I: TÍNH TOÁN PHỤ TẢI PHÂN XƯỞNG
• 1.1. ĐẶC ĐIỂM PHÂN XƯỞNG
• 1.2. THÔNG SỐ VÀ SƠ ĐỒ MẶT BẰNG PHÂN XƯỞNG
• 1.3. BẢNG PHỤ TẢI PHÂN XƯỞNG
• 1.4. PHÂN NHÓM PHỤ TẢI
• 1.5. XÁC ĐỊNH PHỤ TẢI TÍNH TOÁN CHO PHÂN XƯỞNG
• 1.6. CHỌN MÁY BIẾN ÁP CHO PHÂN XƯỞNG
• 1.7. XÁC ĐỊNH TÂM PHỤ TẢI
• 1.8. LỰA CHỌN VỊ TRÍ ĐẶT TỦ PHÂN PHỐI VÀ TỦ ĐỘNG LỰC
• 2. CHƯƠNG II: TÍNH CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐI DÂY CHO PHÂN XƯỞNG
• 2.1. VẠCH PHƯƠNG ÁN ĐI DÂY TRONG MẠNG PHÂN XƯỞNG
• 2.2. PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG ÁN ĐI DÂY
• 3. CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN DÂY DẪN VÀ KHÍ CỤ ĐIỆN BẢO VỆ
• 3.1. CHỌN CÁP VÀ DÂY DẪN
• 3.2. CHỌN LOẠI CÁP VÀ DÂY
• 3.3. CHỌN DÂY DẪN THEO ĐIỀU KIỆN PHÁT NÓNG
• 3.4. KIỂM TRA TỔN THẤT ĐIỆN
• 3.5. TỔNG QUAN VỀ CB
• 3.6. TIẾN HÀNH CHỌN CB VÀ TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH
• 4. CHƯƠNG IV: TÍNH TỔN THẤT CÔNG SUẤT CỦA PHÂN XƯỞNG
• 4.1. TÍNH TOÁN TỔN THẤT CÔNG SUẤT
• 4.2. TỔN THẤT CÔNG SUẤT CỦA MÁY BIẾN ÁP
• 5. CHƯƠNG V: THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG
• 5.1. KHÁI NIỆM CHUNG
• 5.2. CÁC YÊU CẦU KHI THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG
• 5.3. TÍNH TOÁN CHIẾU SÁNG
• 6. CHƯƠNG VI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHỐNG SÉT VÀ NỐI ĐẤT CỦA PHÂN XƯỞNG
• 6.1. QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH SÉT
• 6.2. THIẾT KẾ CHỐNG SÉT
• 6.3. CĂN CỨ VÀO MẶT BẰNG PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT
• 6.4. THIẾT KẾ NỐI ĐẤT
• 6.5. TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT
• 7. CHƯƠNG VII: NÂNG CAO HỆ SỐ COSφ VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN BÙ
• 7.1. Ý NGHĨA CỦA VIỆC NÂNG CAO HỆ SỐ COSφ
• 7.2. CHỌN THIẾT BỊ BÙ
• 7.3. CHỌN PHƯƠNG ÁN BÙ VÀ TÍNH BÙ CHO PHÂN XƯỞNG
• LỜI NÓI ĐẦU
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Cung Cấp Điện Phân Xưởng Cơ Khí

Thiết kế hệ thống cung cấp điện cho phân xưởng cơ khí là một hạng mục cốt lõi trong lĩnh vực thiết kế M&E, đóng vai trò quyết định đến sự ổn định, an toàn và hiệu suất của toàn bộ dây chuyền sản xuất. Một hệ thống được thiết kế bài bản không chỉ đảm bảo cung cấp năng lượng liên tục cho các thiết bị công suất lớn như máy CNC, máy tiện, máy hàn, mà còn tối ưu hóa chi phí vận hành và đảm bảo an toàn điện trong nhà xưởng. Mục tiêu của việc thiết kế là tạo ra một hệ thống điện công nghiệp mạnh mẽ, linh hoạt và có khả năng mở rộng trong tương lai. Theo tài liệu nghiên cứu của Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, quá trình này đòi hỏi sự tính toán chính xác từ phụ tải, lựa chọn thiết bị đến việc tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn thiết kế điện TCVN hiện hành. Một sơ suất nhỏ trong khâu thiết kế có thể dẫn đến các sự cố nghiêm trọng như quá tải, sụt áp, ngắn mạch, gây thiệt hại về tài sản và gián đoạn sản xuất. Do đó, việc lập một bản vẽ thiết kế điện và thuyết minh thiết kế điện chi tiết, khoa học là bước khởi đầu không thể thiếu cho bất kỳ dự án nhà xưởng nào, đảm bảo sự cân bằng tối ưu giữa yếu tố kỹ thuật và hiệu quả kinh tế.

1.1. Tầm quan trọng của một hệ thống điện công nghiệp ổn định

Một hệ thống điện công nghiệp ổn định là xương sống của mọi hoạt động sản xuất trong phân xưởng cơ khí. Nó đảm bảo nguồn cung cấp điện 3 pha liên tục, đủ công suất và chất lượng cho các loại máy móc đặc thù. Sự ổn định này giúp tối đa hóa hiệu suất máy, giảm thiểu thời gian chết do sự cố điện, và duy trì chất lượng sản phẩm đồng đều. Ngược lại, một hệ thống chập chờn, không đáng tin cậy sẽ gây ra tổn thất sản xuất, làm hỏng các thiết bị điện tử nhạy cảm và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn lao động.

1.2. Các yêu cầu cốt lõi An toàn Độ tin cậy và Tính kinh tế

Quá trình thiết kế phải tuân thủ ba yêu cầu cốt lõi. Đầu tiên là an toàn điện trong nhà xưởng, bao gồm việc lắp đặt hệ thống nối đất, hệ thống chống sét và các thiết bị bảo vệ phù hợp. Thứ hai là độ tin cậy, đảm bảo hệ thống vận hành liên tục, giảm thiểu gián đoạn. Điều này đạt được thông qua việc lựa chọn thiết bị chất lượng và có phương án dự phòng hợp lý. Cuối cùng là tính kinh tế, thể hiện qua việc tối ưu hóa chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành lâu dài bằng cách giảm tổn thất điện năng và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

II. Phương Pháp Tính Toán Phụ Tải Điện Cho Phân Xưởng Cơ Khí

Bước đầu tiên và quan trọng nhất trong thiết kế hệ thống cung cấp điện cho phân xưởng cơ khí là tính toán phụ tải điện. Phụ tải tính toán là thông số nền tảng để xác định công suất máy biến áp phân phối, lựa chọn tiết diện dây dẫn và các thiết bị đóng cắt. Theo tài liệu hướng dẫn, quá trình này bắt đầu bằng việc thống kê toàn bộ công suất định mức (kW), hệ số công suất (cosφ) và hệ số sử dụng (Ksd) của từng thiết bị trong xưởng. Các thiết bị sau đó được phân thành từng nhóm dựa trên vị trí địa lý hoặc chức năng công nghệ để dễ dàng quản lý và cấp nguồn từ các tủ điện phân phối DB. Công suất tính toán của từng nhóm và của toàn phân xưởng được xác định bằng các phương pháp chuyên ngành, có xét đến hệ số đồng thời (Kđt) để phản ánh đúng thực tế vận hành, tránh việc chọn thiết bị quá lớn gây lãng phí. Việc xác định chính xác tâm phụ tải cũng là một bước không thể bỏ qua, giúp quyết định vị trí đặt tủ điện tổng MSB và các tủ DB sao cho tối ưu, giảm thiểu chiều dài dây dẫn, tiết kiệm chi phí và giảm sụt áp cho phép trên đường dây.

2.1. Xác định công suất và phân nhóm phụ tải máy CNC máy tiện

Việc thống kê chi tiết phụ tải máy CNC, máy tiện, máy hàn và các động cơ khác là cơ sở ban đầu. Dựa trên sơ đồ mặt bằng, các thiết bị này được chia thành các nhóm nhỏ. Tiêu chí phân nhóm bao gồm: vị trí gần nhau, cùng chức năng, và cân bằng công suất giữa các nhóm. Việc phân nhóm hợp lý sẽ quyết định số lượng và vị trí các tủ động lực, từ đó ảnh hưởng đến cấu trúc của sơ đồ nguyên lý cấp điện và hiệu quả kinh tế của toàn hệ thống.

2.2. Lựa chọn máy biến áp phân phối dựa trên công suất tổng

Sau khi xác định được tổng phụ tải tính toán của toàn phân xưởng (bao gồm cả phụ tải động lực và chiếu sáng nhà xưởng công nghiệp), bước tiếp theo là lựa chọn công suất cho máy biến áp phân phối. Dung lượng định mức của máy biến áp (Sđm_MBA) phải lớn hơn tổng công suất tính toán của phân xưởng (Stt_phân_xưởng). Tài liệu đề án khuyến nghị nên tính thêm một khoản công suất dự phòng (thường từ 20%) để đáp ứng nhu cầu mở rộng trong tương lai và đảm bảo máy biến áp không vận hành quá tải.

III. Hướng Dẫn Chọn Dây Dẫn Và Thiết Bị Bảo Vệ Cho Hệ Thống

Sau khi có phụ tải tính toán, việc lựa chọn dây dẫn và thiết bị bảo vệ là bước tiếp theo để hiện thực hóa sơ đồ nguyên lý cấp điện. Việc chọn dây dẫn và cáp điện phải dựa trên điều kiện phát nóng, tức là dòng điện làm việc lâu dài của dây phải lớn hơn dòng điện tính toán của phụ tải, có xét đến các hệ số hiệu chỉnh về nhiệt độ môi trường và cách lắp đặt. Các loại cáp thường dùng trong nhà xưởng là cáp đồng bọc PVC/XLPE, được đi trong máng cáp, thang cáp hoặc chôn ngầm. Một yếu tố quan trọng khác là kiểm tra sụt áp cho phép, đảm bảo điện áp tại thiết bị cuối nguồn không giảm quá 5% so với điện áp định mức. Song song đó, việc chọn thiết bị đóng cắt như Aptomat MCCB, MCB phải đảm bảo ba điều kiện chính: dòng điện định mức lớn hơn dòng làm việc, điện áp định mức phù hợp với lưới điện, và khả năng cắt dòng ngắn mạch phải lớn hơn dòng ngắn mạch tính toán tại vị trí lắp đặt. Việc lựa chọn chính xác giúp bảo vệ an toàn cho cả đường dây và thiết bị, ngăn ngừa các sự cố cháy nổ.

3.1. Lựa chọn tiết diện dây dẫn và cáp điện theo phát nóng

Tiết diện của dây dẫn và cáp điện được chọn sao cho dòng điện cho phép của nó (Icp) lớn hơn dòng điện tính toán (Itt) của nhánh đó (Icp > Itt). Dòng điện cho phép này được tra cứu từ catalogue của nhà sản xuất, phụ thuộc vào loại dây, vật liệu, và điều kiện lắp đặt. Đối với các tuyến cáp chính từ máy biến áp phân phối đến tủ điện tổng MSB, cần chọn loại cáp có tiết diện lớn để chịu được dòng tải tổng. Các tuyến cáp đến tủ DB và thiết bị sẽ có tiết diện nhỏ dần.

3.2. Tính toán và chọn Aptomat MCCB MCB cho từng cấp bảo vệ

Việc lựa chọn Aptomat MCCB, MCB là tối quan trọng để bảo vệ hệ thống. MCCB (CB khối) thường được dùng làm thiết bị bảo vệ tổng cho tủ MSB và các tủ DB do có dòng cắt lớn. MCB (CB tép) thường được dùng để bảo vệ cho từng thiết bị hoặc các nhánh phụ tải nhỏ. Lựa chọn CB phải dựa trên dòng điện làm việc và dòng ngắn mạch tính toán tại điểm lắp đặt. Theo tài liệu phân tích, dòng ngắn mạch 3 pha tại điểm gần máy biến áp có thể lên đến hàng chục kA, đòi hỏi CB phải có khả năng cắt tương ứng.

IV. Giải Pháp An Toàn Điện Chống Sét Nối Đất và Chiếu Sáng

An toàn là yếu tố được ưu tiên hàng đầu trong thiết kế hệ thống cung cấp điện. Hai hạng mục không thể thiếu là hệ thống nối đất và hệ thống chống sét cho nhà xưởng. Hệ thống nối đất an toàn có nhiệm vụ tản dòng điện rò hoặc dòng sự cố xuống đất, bảo vệ con người khỏi nguy cơ điện giật và bảo vệ vỏ thiết bị. Hệ thống chống sét, bao gồm kim thu sét và mạng lưới dây dẫn thoát sét, giúp bảo vệ cấu trúc nhà xưởng và các thiết bị bên trong khỏi các cú sét đánh trực tiếp. Cả hai hệ thống này phải được thiết kế và thi công tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn thiết kế điện TCVN, với điện trở nối đất phải đạt giá trị cho phép (thường dưới 4 Ohm hoặc 10 Ohm tùy hệ thống). Bên cạnh đó, hệ thống chiếu sáng nhà xưởng công nghiệp cũng cần được thiết kế cẩn thận, đảm bảo đủ độ rọi theo tiêu chuẩn cho từng khu vực làm việc, sử dụng các loại đèn hiệu suất cao và bố trí hợp lý để không gây chói lóa, góp phần nâng cao năng suất và an toàn lao động.

4.1. Thiết kế hệ thống nối đất theo tiêu chuẩn thiết kế điện TCVN

Hệ thống nối đất được tính toán dựa trên điện trở suất của đất tại khu vực. Nó bao gồm các cọc nối đất được đóng sâu và liên kết với nhau bằng một mạng lưới cáp đồng trần tạo thành một mạch vòng quanh nhà xưởng. Tất cả vỏ kim loại của thiết bị điện, tủ điện, kết cấu thép của nhà xưởng đều phải được kết nối vào hệ thống này. Việc tính toán số lượng cọc và chiều dài dây dẫn phải đảm bảo điện trở nối đất cuối cùng nhỏ hơn giá trị quy định trong TCVN 9385:2012.

4.2. Lắp đặt hệ thống chống sét cho nhà xưởng hiệu quả

Hệ thống chống sét cho nhà xưởng thường sử dụng phương pháp lồng Faraday (lưới kim loại bao bọc) hoặc phương pháp kim thu sét hiện đại. Việc bố trí các kim thu sét và dây dẫn sét phải tạo ra một vùng bảo vệ bao phủ toàn bộ nhà xưởng. Hệ thống này phải có một bãi tiếp địa riêng hoặc liên kết đẳng thế với hệ thống nối đất an toàn để tản năng lượng sét một cách nhanh chóng và hiệu quả, tránh gây ra quá áp nguy hiểm cho các thiết bị điện bên trong.

V. Cách Tối Ưu Hệ Thống Điện Nâng Cao Hệ Số Công Suất Cosφ

Tối ưu hóa hệ thống không chỉ dừng lại ở việc thiết kế đúng kỹ thuật mà còn là nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng. Một trong những giải pháp quan trọng nhất là bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất cosφ. Trong các phân xưởng cơ khí, phần lớn phụ tải là động cơ không đồng bộ, vốn tiêu thụ một lượng lớn công suất phản kháng, làm cho hệ số cosφ của lưới điện thấp (thường dưới 0.8). Điều này gây ra tổn thất công suất lớn trên đường dây và máy biến áp, đồng thời có thể bị ngành điện lực phạt tiền. Giải pháp là lắp đặt các tủ tụ bù tại tủ điện tổng MSB hoặc các tủ phân phối. Việc tính toán dung lượng bù (kVAr) cần thiết dựa trên công suất tác dụng (kW) và hệ số cosφ hiện tại so với hệ số cosφ mong muốn (thường là 0.95). Lắp đặt hệ thống bù không chỉ giúp giảm tổn thất, giảm hóa đơn tiền điện mà còn tăng khả năng truyền tải của hệ thống hiện hữu, cho phép cấp điện cho nhiều thiết bị hơn mà không cần nâng cấp máy biến áp phân phối.

5.1. Ý nghĩa của việc bù công suất phản kháng trong nhà xưởng

Việc bù công suất phản kháng có ba ý nghĩa chính. Thứ nhất, nó giảm tổn thất công suất tác dụng (AP) trên đường dây và máy biến áp, vì tổn thất này tỉ lệ với bình phương của dòng điện biểu kiến (S). Thứ hai, nó giảm tổn thất điện áp (sụt áp), giúp cải thiện chất lượng điện năng cung cấp cho thiết bị. Cuối cùng, nó giải phóng công suất của máy biến áp và đường dây, cho phép hệ thống tải thêm công suất tác dụng P mà không cần đầu tư thêm.

5.2. Lựa chọn phương án và tính toán dung lượng tụ bù phù hợp

Có ba phương án bù chính: bù tập trung (tại tủ MSB), bù theo nhóm (tại các tủ DB), và bù riêng lẻ (tại từng động cơ lớn). Bù tập trung là phương án phổ biến nhất cho các phân xưởng cỡ vừa và nhỏ. Dung lượng bù cần thiết (Qbù) được tính bằng công thức: Qbù = P * (tanφ1 – tanφ2), trong đó P là công suất tác dụng, φ1 và φ2 là góc lệch pha tương ứng với hệ số công suất trước và sau khi bù. Việc lựa chọn dung lượng và phương thức đóng cắt tụ bù (thủ công hoặc tự động) phụ thuộc vào đặc tính và sự biến thiên của phụ tải.

VI. Hoàn Thiện Hồ Sơ Thiết Kế Hệ Thống Cung Cấp Điện Chuẩn

Kết quả cuối cùng của quá trình thiết kế hệ thống cung cấp điện cho phân xưởng cơ khí là một bộ hồ sơ thiết kế hoàn chỉnh. Bộ hồ sơ này là tài liệu pháp lý và kỹ thuật quan trọng, làm cơ sở cho việc thi công, nghiệm thu, vận hành và bảo trì sau này. Nó phải thể hiện rõ ràng và đầy đủ tất cả các tính toán và lựa chọn đã được thực hiện. Hai thành phần chính của hồ sơ là bản vẽ thiết kế điện và thuyết minh thiết kế điện. Các bản vẽ phải tuân thủ các ký hiệu và tiêu chuẩn kỹ thuật, thể hiện chi tiết từ sơ đồ mặt bằng bố trí thiết bị, sơ đồ đi dây, đến chi tiết lắp đặt tủ điện. Phần thuyết minh có vai trò giải thích, làm rõ các cơ sở tính toán, các tiêu chuẩn áp dụng và các thông số kỹ thuật của vật tư, thiết bị được lựa chọn. Một bộ hồ sơ chuyên nghiệp, chi tiết không chỉ giúp quá trình thi công diễn ra thuận lợi, chính xác mà còn là minh chứng cho năng lực và sự cẩn trọng của đơn vị tư vấn thiết kế, đảm bảo hệ thống vận hành an toàn và hiệu quả trong dài hạn.

6.1. Các thành phần của một bản vẽ thiết kế điện đầy đủ

Một bộ bản vẽ thiết kế điện tiêu chuẩn bao gồm: sơ đồ mặt bằng tổng thể bố trí thiết bị và vị trí tủ điện; sơ đồ nguyên lý cấp điện một sợi (single-line diagram) cho toàn hệ thống; sơ đồ chi tiết lắp đặt tủ điện tổng MSB và các tủ điện phân phối DB; bản vẽ mặt bằng đi dây (bao gồm cả động lực và chiếu sáng); bản vẽ chi tiết hệ thống nối đất và chống sét; và bảng thống kê vật tư, thiết bị.

6.2. Yêu cầu đối với thuyết minh thiết kế điện chi tiết

Phần thuyết minh thiết kế điện phải trình bày một cách logic và khoa học. Nội dung bao gồm: cơ sở thiết kế (tiêu chuẩn, quy chuẩn áp dụng); phương pháp tính toán phụ tải điện chi tiết cho từng nhóm và toàn xưởng; cơ sở lựa chọn công suất máy biến áp phân phối; phương pháp chọn dây dẫn và cáp điện, kiểm tra sụt áp cho phép; tính toán chọn Aptomat MCCB, MCB và tính toán ngắn mạch; tính toán thiết kế cho hệ thống chiếu sáng, nối đất, chống sét và bù công suất.