Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, điện năng đóng vai trò quyết định trong việc duy trì hoạt động sản xuất của các cơ sở công nghiệp. Việc thiết kế hệ thống cung cấp điện cho nhà máy hay phân xưởng đòi hỏi phải đáp ứng các yêu cầu khắt khe về kỹ thuật, tính liên tục của nguồn điện, độ an toàn vận hành cũng như hiệu quả kinh tế trong đầu tư và quản lý. Đồ án "Thiết kế hệ thống cung cấp điện cho phân xưởng" do nhóm sinh viên Đinh Ngọc Minh Hiếu, Vũ Văn Hiếu, Trần Nguyên Bình và Trịnh Xuân Hoàng (Lớp 23LC42SP1L, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên Huỳnh Thị Ngọc Thường vào tháng 6 năm 2024. Đề tài tập trung giải quyết bài toán thiết kế cung cấp điện trọn gói cho một phân xưởng sửa chữa cơ khí.

Về bối cảnh thực tiễn, phân xưởng cơ khí vận hành hệ thống máy móc đa dạng, có tính công nghệ cao và làm việc theo các chế độ khác nhau. Việc gián đoạn cung cấp điện sẽ làm ngưng trệ dây chuyền sản xuất, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và gây thiệt hại kinh tế. Do đó, theo quy trình trang bị điện và công nghệ, phân xưởng được xếp vào nhóm hộ tiêu thụ loại II. Mục tiêu cốt lõi của đồ án là xây dựng phương án cung cấp điện thỏa mãn nhu cầu phụ tải hiện tại, đảm bảo dự phòng cho khả năng gia tăng phụ tải trong tương lai mà không gây tình trạng quá tải hoặc lãng phí dung lượng dự trữ.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án được triển khai qua các nội dung cụ thể:

  1. Khảo sát mặt bằng công nghệ, thống kê và phân loại danh mục phụ tải điện của phân xưởng.
  2. Xác định phụ tải tính toán động lực theo các nhóm máy và phụ tải chiếu sáng công nghiệp.
  3. Xác định tọa độ tâm phụ tải để bố trí vị trí các tủ động lực và tủ phân phối chính.
  4. Thiết kế kỹ thuật hệ thống chiếu sáng phân xưởng đảm bảo tiêu chuẩn độ rọi và tính đồng đều.
  5. Phân tích, lựa chọn sơ đồ mạng điện hạ áp và cấu hình trạm biến áp phân phối phù hợp.
  6. Lựa chọn dây dẫn, khí cụ đóng cắt - bảo vệ, thanh cái và đề xuất giải pháp tiếp địa, chống sét.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống mạng điện phân phối hạ áp và trạm biến áp cấp điện cho phân xưởng sửa chữa cơ khí.
  • Phạm vi không gian: Mặt bằng phân xưởng (Đề số 5, Mặt bằng số 4) có chiều dài 54 m, chiều rộng 18 m, diện tích 972 m², chiều cao trần 7 m; bao gồm 35 thiết bị công nghệ bố trí dọc theo tường nhà xưởng với tổng công suất đặt là 328 kW.
  • Phạm vi kỹ thuật: Lưới điện hạ áp xoay chiều ba pha 380/220 V, tần số 50 Hz cho phụ tải động lực và một pha 220 V cho phụ tải chiếu sáng; cấp điện áp nguồn trung áp cấp tới máy biến áp là 10 kV.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý luận của đồ án dựa trên các nguyên lý kỹ thuật cung cấp điện công nghiệp, tiêu chuẩn phân loại phụ tải và quy trình thiết kế kỹ thuật gồm 10 bước chuẩn mực: khảo sát thu thập dữ liệu; tính toán phụ tải; chọn trạm biến áp; xác định phương án cấp điện; tính toán ngắn mạch; lựa chọn thiết bị điện; tính toán chống sét và nối đất; nâng cao hệ số công suất; bảo vệ rơ-le và tự động hóa; lập hồ sơ bản vẽ thiết kế. Phụ tải điện được phân cấp rõ ràng theo mức độ quan trọng:

  • Phụ tải loại I: Cần cấp điện liên tục từ ít nhất hai nguồn độc lập (bệnh viện, lò luyện thép, hóa chất).
  • Phụ tải loại II: Mất điện gây thiệt hại kinh tế lớn, cần có nguồn dự phòng với chi phí đầu tư hợp lý (nhà máy cơ khí, thực phẩm).
  • Phụ tải loại III: Cho phép mất điện trong vài giờ (khu dân cư, nhà kho).

Về phương pháp xác định phụ tải tính toán (PTTT), đồ án khảo sát và so sánh bốn phương pháp:

  1. Phương pháp theo công suất đặt ($P_{đm}$) và hệ số nhu cầu ($k_{nc}$): Đơn giản, tính nhanh nhưng độ chính xác thấp do hệ số tra cứu không phản ánh sát chế độ vận hành thực tế.
  2. Phương pháp theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích sản xuất ($p_0$): Dùng cho thiết kế sơ bộ hoặc phân xưởng có máy móc phân bố đều.
  3. Phương pháp theo suất tiêu hao điện năng trên một đơn vị sản phẩm ($W$): Thích hợp cho thiết bị có đồ thị tải ít biến đổi (quạt gió, bơm nước, máy nén khí).
  4. Phương pháp theo hệ số cực đại ($k_{max}$) và công suất trung bình ($P_{tb}$) thông qua số thiết bị dùng điện hiệu quả ($n_{hq}$): Phương pháp này kết hợp đầy đủ số lượng thiết bị, công suất định mức và chế độ làm việc của từng máy. Nhóm tác giả đã lựa chọn phương pháp $k_{max}$ và $P_{tb}$ để tính toán phụ tải động lực nhằm đảm bảo độ chính xác kỹ thuật.

Phương pháp thiết kế chiếu sáng sử dụng phương pháp hệ số sử dụng (lumen method), tính toán chỉ số phòng $i$, kết hợp hệ số sử dụng quang thông ($CU$), hệ số mất mát ánh sáng ($LLF$) và độ rọi yêu cầu tối thiểu ($E_{min}$). Phương pháp xác định tâm phụ tải sử dụng nguyên lý mô-men tĩnh để tìm tọa độ trọng tâm phân bố công suất theo trục tọa độ hai chiều trên mặt bằng xưởng.

Nguồn dữ liệu và tài liệu tra cứu quy chuẩn trong đồ án được trích xuất từ tài liệu chuyên ngành: giáo trình "Thiết kế cấp điện" của tác giả Ngô Hồng Quang và Vũ Văn Tẩm (Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật), các bảng tra cứu phụ lục kỹ thuật của nhà sản xuất máy biến áp ABB và thiết bị chiếu sáng công nghiệp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống cung cấp điện và đặc điểm phụ tải điện

Chương này thiết lập các khái niệm nền tảng về cấu trúc hệ thống điện gồm bốn khâu: nhà máy điện, lưới truyền tải (500 kV), lưới phân phối (4,16 - 34,5 kV) và phụ tải tiêu thụ hạ áp (220 - 380 V). Tác giả phân tích các yêu cầu thiết kế hệ thống bao gồm: độ tin cậy cung cấp điện, an toàn cho người và thiết bị, tính kinh tế và chất lượng điện áp (cho phép dao động quanh mức ±5% điện áp định mức đối với lưới hạ áp thông thường và ±2,5% đối với phụ tải chính xác). Quy trình thiết kế 10 bước được cụ thể hóa cho mặt bằng số 4 gồm 35 máy với tỷ lệ xích 1:2000, tổng công suất đặt 328 kW, chia thành hai thành phần chính: phụ tải động lực 3 pha 380/220 V và phụ tải chiếu sáng 1 pha 220 V bằng phẳng.

Chương 2: Xác định phụ tải tính toán

Tác giả đề ra 3 nguyên tắc phân nhóm phụ tải: các thiết bị trong nhóm phải gần nhau về mặt không gian; chế độ làm việc tương đồng; tổng công suất các nhóm xấp xỉ nhau và số đầu ra của tủ động lực không vượt quá 12 máy. Trên cơ sở đó, 35 thiết bị của phân xưởng được chia thành 4 nhóm động lực.

Nhóm phụ tải Số lượng máy Tổng công suất đặt $P_n$ (kW) Hệ số sử dụng $k_{sd}$ Số thiết bị hiệu quả $n_{hq}$ Hệ số cực đại $k_{max}$ Công suất tính toán $P_{tt}$ (kW)
Nhóm 1 8 89 0,636 7,128 1,284 72,8
Nhóm 2 9 75 0,492 7,623 1,429 Đang cập nhật
Nhóm 3 9 77 0,581 7,821 1,325 Đang cập nhật
Nhóm 4 8 87 0,601 6,432 1,532 Đang cập nhật
Toàn xưởng 35 328 - - - Tổng hợp 4 nhóm

Đối với phụ tải chiếu sáng, phân xưởng áp dụng phương pháp suất chiếu sáng trên đơn vị diện tích với suất phụ tải $P_0 = 12\text{ W/m}^2$. Với diện tích mặt bằng $S = 54 \times 18 = 972\text{ m}^2$ và hệ số công suất $\cos\varphi = 0,8$, công suất chiếu sáng tính toán đạt: $$P_{cs} = P_0 \times S = 12 \times 972 = 11.664\text{ W} = 11,664\text{ kW}$$

Về việc xác định vị trí đặt tủ điện, tác giả tính toán tọa độ tâm phụ tải lý thuyết cho từng nhóm thiết bị (nhóm 1 có tọa độ $X = 9,55\text{ m}; Y = 6,69\text{ m}$). Sau khi tính toán tâm phụ tải toàn xưởng, nhằm tránh cản trở lối đi, thuận tiện thao tác và an toàn vận hành, vị trí tủ phân phối chính được hiệu chỉnh về tọa độ thực tế: $X = 29,93\text{ m}; Y = 9,65\text{ m}$.

Chương 3: Tính toán chiếu sáng

Chương này thực hiện thiết kế kỹ thuật mạng chiếu sáng công nghiệp cho không gian nhà xưởng kích thước $54\text{ m} \times 18\text{ m} \times 7\text{ m}$ ($S = 972\text{ m}^2$). Các hệ số phản xạ được xác định gồm: trần $\rho_{tr} = 50%$, tường $\rho_t = 30%$, sàn $\rho_s = 10%$.

  • Lựa chọn bộ đèn: Đèn cao áp HID - Metal Halide công suất 250 W, quang thông $\Phi_đ = 20.000\text{ lm}$, chiều dài 163 mm, sử dụng chóa phản xạ tròn (Round Reflector) với kiểu chiếu sáng trực tiếp.
  • Thông số tính toán: Chiều cao mặt phẳng làm việc $h_{lv} = 0,8\text{ m}$, đèn treo sát trần ($D_đ = 0$) nên chiều cao tính toán treo đèn $h_đ = 7 - 0 - 0,8 = 6,2\text{ m}$. Hệ số sử dụng $CU = 0,9$; hệ số tổn thất ánh sáng $LLF = 0,61$ (chu kỳ bảo trì 12 tháng, môi trường trung bình); độ rọi tiêu chuẩn $E_{min} = 200\text{ lux}$.
  • Kết quả xác định số lượng và bố trí: Tổng số bộ đèn cần thiết được làm tròn là $N_{bđ} = 18$ bộ. Toàn bộ đèn được bố trí thành 3 dãy dọc theo chiều dài phân xưởng, mỗi dãy gồm 6 bộ đèn.
  • Kiểm tra độ đồng đều: Khoảng cách giữa hai dãy đèn $L_1 = 6\text{ m}$, khoảng cách giữa hai đèn trong dãy $L_2 = 9\text{ m}$, khoảng cách từ dãy biên đến tường $D_{t1} = 3\text{ m}$, khoảng cách từ đèn đầu dãy đến tường $D_{t2} = 4,5\text{ m}$. Tác giả kiểm tra các tỷ số bố trí so với chiều cao treo đèn $h_đ = 6,2\text{ m}$ và kết luận hệ thống đạt độ rọi đồng đều theo tiêu chuẩn.
  • Phương án đi dây: Tách riêng mạng chiếu sáng độc lập với mạng động lực. Nguồn lấy từ tủ phân phối chính qua tủ chiếu sáng (đặt cạnh cửa ra vào xưởng). Tuyến cáp trục đi trên khay cáp gắn tường; các tuyến nhánh đến từng bóng luồn trong ống nhựa cách điện.

Chương 4: Thiết kế mạng điện cho phân xưởng

Tác giả khảo sát ba cấu trúc mạng điện hạ áp: mạng hình trục chính, mạng hình tia và mạng mạch vòng. Sau khi phân tích ưu nhược điểm, sơ đồ mạng điện hình tia được lựa chọn vì tính độc lập của các tuyến dây, độ tin cậy cấp điện cao, sự cố tại một phụ tải không ảnh hưởng đến các nhánh khác, đáp ứng đúng yêu cầu của phụ tải loại II.

Về trạm biến áp phân phối, do mật độ máy móc trong xưởng cao, máy biến áp được bố trí đặt ngoài nhà xưởng, áp sát tường nhằm đảm bảo an toàn phòng chống cháy nổ. Đồ án xây dựng và so sánh hai phương án lựa chọn máy biến áp 10/0,4 kV do hãng ABB sản xuất:

Chỉ tiêu kỹ thuật Phương án 1 (2 máy biến áp) Phương án 2 (1 máy biến áp)
Cấu hình số lượng và công suất $2 \times 160\text{ kVA}$ $1 \times 315\text{ kVA}$
Tổn thất không tải $\Delta P_0$ $0,5\text{ kW}$ $0,72\text{ kW}$
Tổn thất ngắn mạch $\Delta P_N$ $2,95\text{ kW}$ $4,85\text{ kW}$
Điện áp ngắn mạch $U_N%$ $4,5%$ $4,5%$
Hệ số quá tải cho phép sự cố $k_{qt}$ 1,4 (cắt 30% tải loại III) 1,4 (kết hợp máy phát dự phòng)
Đánh giá kinh tế tổn thất hàng năm Tổn thất điện năng tương đương Chênh lệch tổn hao không đáng kể

Dựa trên kết quả tính toán chi phí tổn thất điện năng hàng năm (với thời gian sử dụng công suất cực đại $T_{max} = 6.500\text{ h}$) cho thấy mức chênh lệch giữa hai phương án là không đáng kể, nhóm tác giả chọn Phương án 2 (sử dụng 1 máy biến áp 315 kVA kết hợp 1 máy phát điện dự phòng) để tiết kiệm vốn đầu tư mua sắm ban đầu của một máy biến áp.

Chương 5, 6 và 7: Thiết bị điện, tổn thất mạng điện và nối đất - chống sét

Theo danh mục và mục lục hồ sơ thiết kế của đồ án:

  • Chương 5 thực hiện chọn dây dẫn cáp điện từ trạm biến áp đến tủ phân phối chính, từ tủ phân phối đến 4 tủ động lực và các thiết bị; tính chọn Aptomat, thanh cái đồng cho các cấp tủ và thiết bị bảo vệ phía cao áp 10 kV (cầu chì cao áp, dao cách ly).
  • Chương 6 kiểm tra chất lượng vận hành thông qua tính toán tổn thất điện áp ($\Delta U$), tổn thất công suất ($\Delta P, \Delta Q$) và tổn thất điện năng trên các tuyến đường dây hạ áp.
  • Chương 7 tính toán nối đất an toàn cho hệ thống vỏ thiết bị, trung tính máy biến áp và thiết kế mạng kim thu sét bảo vệ công trình xưởng cơ khí.

Kết quả và đóng góp

Đồ án cung cấp một bộ hồ sơ tính toán thiết kế hoàn chỉnh cho phân xưởng cơ khí, đưa ra các kết quả định lượng cụ thể:

  • Xác định tổng công suất đặt của 35 thiết bị công nghệ là 328 kW, chia thành 4 nhóm máy với số thiết bị hiệu quả $n_{hq}$ dao động từ 6,432 đến 7,821 và hệ số cực đại $k_{max}$ từ 1,284 đến 1,532.
  • Phụ tải chiếu sáng được xác định chính xác với công suất tính toán $P_{cs} = 11,664\text{ kW}$ ($\cos\varphi = 0,8$), thiết lập mạng chiếu sáng đồng đều gồm 18 bộ đèn Metal Halide 250 W bố trí trên 3 dãy song song.
  • Xác định và hiệu chỉnh tọa độ tủ phân phối trung tâm tại vị trí $(29,93\text{ m}; 9,65\text{ m})$, tối ưu hóa chiều dài cáp hạ thế và tổn thất kim loại màu.
  • Lựa chọn giải pháp cấp điện bằng 1 máy biến áp ABB công suất 315 kVA cấp điện áp 10/0,4 kV kết hợp máy phát điện dự phòng, tối ưu hóa vốn đầu tư so với phương án dùng 2 máy biến áp 160 kVA.

Về giải pháp kỹ thuật, tác giả đã đề xuất cấu trúc phân phối hình tia độc lập, tách riêng hoàn toàn mạng chiếu sáng khỏi mạng động lực nhằm ngăn chặn hiện tượng sụt áp và nhấp nháy quang thông khi các động cơ công suất lớn khởi động. Đóng góp tự thân của đồ án là việc áp dụng chuẩn mực phương pháp số thiết bị hiệu quả $n_{hq}$ kết hợp hệ số cực đại $k_{max}$ vào phân xưởng thực tế, giải quyết được bài toán phân bố tải không đồng đều và xây dựng được bảng thông số kỹ thuật rõ ràng làm căn cứ thi công, lắp đặt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về mặt hạn chế, nội dung đồ án hoàn toàn dựa trên phương pháp giải tích và tra cứu bảng số liệu tĩnh trong sổ tay kỹ thuật; chưa có số liệu đo đạc thực tế về đồ thị phụ tải theo ca kíp sản xuất. Bên cạnh đó, việc tính toán chưa xét đến ảnh hưởng của sóng hài bậc cao sinh ra từ các bộ biến tần và thiết bị đóng cắt bán dẫn hiện đại trong xưởng cơ khí.

Về hướng nghiên cứu mở rộng, đồ án nêu định hướng:

  • Nghiên cứu tính toán dung lượng bù công suất phản kháng chi tiết bằng tủ tụ bù tự động đặt cạnh tủ phân phối trung tâm nhằm nâng cao hệ số công suất tự nhiên $\cos\varphi$.
  • Ứng dụng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng trong ngành điện (như ETAP, Dialux, AutoCAD Electrical) để kiểm nghiệm chế độ ngắn mạch, phân bố quang thông 3D và tối ưu hóa mặt bằng đi dây.
  • Tích hợp các giải pháp giám sát năng lượng thông minh và điều khiển chiếu sáng từ xa để nâng cao hiệu quả tiết kiệm điện.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện, Điện công nghiệp và Kỹ thuật Cơ điện (M&E) khi thực hiện đồ án môn học Cung cấp điện hoặc đồ án tốt nghiệp. Nội dung tài liệu cung cấp quy trình tính toán mẫu có tính thực tế cao cho dạng công trình công nghiệp quy mô vừa.

Các phần có giá trị tham khảo nổi bật bao gồm:

  • Phương pháp luận phân nhóm máy móc và trình tự tra cứu các đại lượng $n^, P^, n_{hq}, k_{max}$ để tính toán phụ tải động lực công nghiệp.
  • Quy trình thiết kế chiếu sáng nhà xưởng trần cao ($h = 7\text{ m}$), từ bước lập chỉ số phòng đến kiểm tra tỷ số khoảng cách đảm bảo độ đồng đều ánh sáng.
  • Bảng so sánh kinh tế - kỹ thuật trong việc lựa chọn dung lượng và số lượng máy biến áp phân phối.

Câu hỏi thường gặp

Phân xưởng cơ khí trong đồ án thuộc loại phụ tải nào và yêu cầu nguồn điện ra sao?

Phân xưởng được xếp vào phụ tải loại II do việc mất điện gây thiệt hại kinh tế và làm ngưng trệ sản xuất. Hệ thống đòi hỏi cấp điện liên tục và an toàn, được trang bị 1 máy biến áp 315 kVA kết hợp nguồn máy phát điện dự phòng để thay thế khi có sự cố.

Tại sao nhóm tác giả chọn phương pháp $k_{max}$ và $P_{tb}$ để tính phụ tải động lực?

Phương pháp này kết hợp đồng thời công suất định mức, chế độ làm việc và số lượng thiết bị thực tế thông qua số thiết bị hiệu quả $n_{hq}$. Điều này giúp kết quả tính toán có độ tin cậy cao, khắc phục được nhược điểm thiếu chính xác của phương pháp hệ số nhu cầu $k_{nc}$.

Hệ thống chiếu sáng của phân xưởng sử dụng loại đèn gì và số lượng bao nhiêu?

Hệ thống sử dụng 18 bộ đèn cao áp HID - Metal Halide công suất 250 W, quang thông 20.000 lm, chóa phản xạ tròn chiếu sáng trực tiếp, bố trí thành 3 dãy (mỗi dãy 6 bộ) để đảm bảo độ rọi tiêu chuẩn tối thiểu $E_{min} = 200\text{ lux}$.

Tọa độ tâm phụ tải hiệu chỉnh của tủ phân phối chính được đặt ở đâu?

Tọa độ hiệu chỉnh của tủ phân phối chính là $X = 29,93\text{ m}$ và $Y = 9,65\text{ m}$. Vị trí này được dời từ tâm lý thuyết về khu vực gần cửa ra vào để đảm bảo thông gió, an toàn và không gây cản trở lối đi lại trong phân xưởng.

Vì sao đồ án chọn 1 máy biến áp 315 kVA thay vì 2 máy biến áp 160 kVA?

Khi tính toán tổn thất điện năng hàng năm với thời gian sử dụng công suất cực đại $T_{max} = 6.500\text{ h}$, chi phí tổn hao giữa hai phương án chênh lệch không đáng kể. Việc chọn 1 máy biến áp 315 kVA của hãng ABB giúp cắt giảm chi phí mua sắm và lắp đặt ban đầu cho 1 máy biến áp mà vẫn đảm bảo vận hành khi có máy phát dự phòng.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống cung cấp điện cho phân xưởng" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết toàn diện các khâu thiết kế cung cấp điện hạ áp cho 35 thiết bị cơ khí trên diện tích 972 m². Bằng việc áp dụng phương pháp số thiết bị hiệu quả $n_{hq}$, hệ thống chiếu sáng Metal Halide 18 bộ đèn và cấu hình mạng hình tia cấp từ trạm biến áp 315 kVA, công trình đã đạt được sự cân bằng giữa yêu cầu kỹ thuật và hiệu quả kinh tế. Đây là bản thiết kế chuẩn mực, đáp ứng đầy đủ các quy định hiện hành về an toàn và cung cấp điện công nghiệp.