Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa và phát triển đô thị, nhu cầu xây dựng các tòa nhà văn phòng, khu làm việc đa chức năng ngày càng gia tăng. Hệ thống cung cấp điện cho các công trình cao tầng đóng vai trò quyết định đến khả năng vận hành ổn định, an toàn và tiện nghi của toàn bộ tòa nhà. Thiết kế hệ thống điện đòi hỏi phải giải quyết đồng thời hai chỉ tiêu cơ bản là kỹ thuật (độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng điện năng, an toàn vận hành) và kinh tế (chi phí đầu tư ban đầu, chi phí vận hành, tổn thất điện năng).

Đồ án tốt nghiệp thực hiện nhiệm vụ thiết kế cung cấp điện cho một công trình thực tế với các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:

  1. Khảo sát mặt bằng kiến trúc, đặc điểm phụ tải và xác định các yêu cầu cấp điện đặc thù của tòa nhà cao tầng.
  2. Xác định phụ tải tính toán của công trình cho từng nhóm phụ tải ưu tiên và không ưu tiên, từ đó tính toán dung lượng bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất.
  3. So sánh, lựa chọn phương án cấp điện trung áp, xác định số lượng, chủng loại và dung lượng máy biến áp; lựa chọn cấu hình máy phát điện dự phòng và tủ chuyển đổi nguồn tự động (ATS).
  4. Tính toán, lựa chọn tiết diện dây dẫn, thanh dẫn Busway, cáp điện lực và các thiết bị đóng cắt, bảo vệ (aptomat, máy cắt không khí, rơle) cho toàn bộ hệ thống phân phối.
  5. Tính toán chuyên đề nối đất an toàn theo sơ đồ chuẩn và thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp (sử dụng công nghệ phát xạ sớm tia tiên đạo ESE), chống sét lan truyền cho công trình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án là công trình Nhà làm việc Công ty TNHH Dược phẩm Quyết Tiến Lai Châu, tọa lạc tại số 399 đường Điện Biên Phủ, huyện Than Uyên, tỉnh Lai Châu. Công trình có quy mô 10 tầng (gồm 1 tầng hầm và 9 tầng nổi, kèm 1 tầng mái tum) với tổng diện tích sàn xây dựng là 7.208 m², chiều cao xây dựng 39,35 m (chiều cao tính toán chống sét 43,5 m). Đồ án được thực hiện và hoàn thành vào tháng 9 năm 2023 tại Khoa Kỹ thuật điện, Trường Đại học Điện Lực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án áp dụng hệ thống tiêu chuẩn, quy chuẩn xây dựng và quy phạm kỹ thuật ngành điện hiện hành của Việt Nam cùng các tiêu chuẩn quốc tế liên quan:

  • Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9206:2012 về đặt thiết bị điện trong nhà ở và công trình công cộng (phân loại hộ tiêu thụ, hệ số đồng thời).
  • Quy chuẩn xây dựng Việt Nam QCXDVN 09:2005 về các công trình sử dụng năng lượng có hiệu quả (mật độ công suất chiếu sáng và độ rọi khuyến nghị).
  • Tiêu chuẩn NEC 2008 (Điều 220.14) quy định suất phụ tải ổ cắm cho văn phòng làm việc không nhỏ hơn 25 VA/m².
  • Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7830:2015 về máy điều hòa không khí không ống gió - hiệu suất năng lượng.
  • Tiêu chuẩn TCVN 9207:2012 quy định độ sụt áp cho phép trong mạng điện hạ áp (độ lệch điện áp cho phép ±5% $U_{đm}$).
  • Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN: 2015/BCT quy định về an toàn trạm biến áp, hố thu gom dầu và chống cháy nổ.
  • Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9385:2012 về chống sét cho công trình xây dựng.
  • Tiêu chuẩn quốc gia Pháp NFC 17-102:1995 / NFC 17-102:2011 và tiêu chuẩn Tây Ban Nha UNE 21186:2011 về bảo vệ chống sét bằng đầu thu tia tiên đạo sớm (ESE).

Phương pháp nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật thực tế được triển khai bao gồm:

  • Phương pháp xác định phụ tải tính toán: Áp dụng phương pháp suất phụ tải trên một đơn vị diện tích kết hợp hệ số nhu cầu ($k_{nc}$), hệ số đồng thời ($k_{đt}$) và mật độ công suất chiếu sáng ($P_o$). Đối với phụ tải động lực (thang máy, máy bơm), áp dụng phương pháp quy đổi công suất về chế độ làm việc dài hạn kết hợp tra bảng hệ số yêu cầu.
  • Phương pháp tính toán bù công suất phản kháng: Xác định dung lượng tụ bù cần thiết tại thanh cái hạ áp nhằm nâng hệ số công suất $\cos\varphi$ từ 0,85 lên 0,95 theo công thức $Q_b = P(tg\varphi_1 - tg\varphi_2)$.
  • Phương pháp so sánh chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật: Đánh giá và lựa chọn sơ đồ đấu nối trung áp 22 kV (dao cách ly, máy cắt phụ tải, cầu chì), số lượng máy biến áp (phương án 1 MBA so với 2 MBA), chủng loại máy biến áp (MBA khô so với MBA dầu).
  • Phương pháp chọn dây dẫn và thiết bị bảo vệ: Lựa chọn tiết diện dây dẫn và cáp theo điều kiện phát nóng lâu dài cho phép ($I_{cp} \ge I_{lv.max}$), sau đó kiểm tra lại theo điều kiện tổn thất điện áp cho phép ($\Delta U \le \Delta U_{cp}$); kiểm tra độ ổn định động và ổn định nhiệt của thanh dẫn khi xảy ra ngắn mạch.
  • Phương pháp tính toán nối đất và chống sét: Áp dụng phương pháp xác suất rủi ro để đánh giá nhu cầu lắp đặt chống sét; sử dụng mô hình điện từ phát xạ sớm tia tiên đạo (bán kính bảo vệ hình chuông); áp dụng mô hình điện trở đất nhiều điện cực (cọc tiếp địa kết hợp thanh dẹt liên kết) có xét đến hệ số mùa của điện trở suất đất.

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu bao gồm: hồ sơ bản vẽ mặt bằng kiến trúc các tầng của tòa nhà; số liệu khí tượng thủy văn về mật độ giông sét tại huyện Than Uyên, tỉnh Lai Châu ($N_d = 8,9$ lần/km²/năm); điện trở suất của đất pha sét tại hiện trường ($\rho = 100\ \Omega\text{m}$); catalogue kỹ thuật từ các nhà sản xuất thiết bị điện (Rạng Đông, CADIVI, Schneider Electric, Cummins, Công ty Cổ phần Thiết bị điện Đông Anh).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống cung cấp điện cho tòa nhà làm việc 10 tầng được thiết kế hoàn chỉnh từ nguồn trung áp, trạm biến áp, nguồn dự phòng đến mạng phân phối hạ áp và hệ thống tiếp địa, chống sét:

[Lưới điện trung áp 22 kV] 
[Tủ RMU Schneider] 
[MBA 1] [MBA 2] (2 x 250 kVA, 22/0,4 kV - Dầu)
                      [Tủ TPP Tổng 2]
                      (Tải ưu tiên: Bơm, Quạt, Thang máy, Thoát hiểm)

  1. Nguồn trung áp và trạm biến áp:

    • Nguồn điện 22 kV được lấy từ lưới điện khu vực đi cáp ngầm vào tủ trung bộ RMU của hãng Schneider (trang bị dao cắt phụ tải và cầu chì bảo vệ).
    • Trạm biến áp được thiết kế kiểu kín 4 buồng (1 buồng trung áp, 2 buồng máy biến áp, 1 buồng hạ áp) đặt tại tầng 1 công trình, có bố trí hố thu dầu sự cố và lớp sỏi chống cháy.
    • Sử dụng 02 máy biến áp dầu 3 pha công suất 250 kVA - 22/0,4 kV do Công ty Cổ phần Thiết bị điện Đông Anh sản xuất. Bình thường hai máy biến áp vận hành độc lập để giảm dòng ngắn mạch, phân chia cấp nguồn cho tủ phân phối tổng 1 (tải không ưu tiên) và tủ phân phối tổng 2 (tải ưu tiên); giữa hai thanh cái hạ áp có bố trí aptomat liên lạc phân đoạn.

  2. Hệ thống nguồn điện dự phòng và chuyển mạch tự động:

    • Lắp đặt 01 tổ máy phát điện diesel 3 pha dự phòng model C110D5 của hãng Cummins: công suất liên tục 100 kVA, công suất cực đại 110 kVA, điện áp định mức 230/400 V, tần số 50 Hz, có vỏ cách âm.
    • Sử dụng 01 tủ chuyển nguồn tự động ATS loại 3P 160A 36kA (mã LV430630ATNSX12A của hãng Schneider) để tự động khởi động máy phát và cấp điện cho các phụ tải ưu tiên khi mất điện lưới.

  3. Mạng phân phối hạ thế và bù công suất phản kháng:

    • Hệ thống thanh dẫn Busway dẫn điện từ trạm biến áp theo trục đứng kỹ thuật đến các tủ phân phối tầng.
    • Bù công suất phản kháng bằng bộ tụ bù tự động (bù động) gồm 4 bình tụ 25 kVAr (mã BLRCS277A332B40, tổng dung lượng 100 kVAr) đặt tại thanh cái hạ áp trạm biến áp, nâng hệ số công suất $\cos\varphi$ từ 0,85 lên 0,95.

  4. Hệ thống dây dẫn và thiết bị bảo vệ:

    • Thanh cái hạ áp trạm biến áp bằng đồng (Cu) kích thước $60 \times 8\text{ mm}$, thỏa mãn điều kiện ổn định động ($780,5\text{ kG/cm}^2 < 1400\text{ kG/cm}^2$), ổn định nhiệt và phát nóng lâu dài ($1320\text{ A} > 379,84\text{ A}$).
    • Dây dẫn trục đứng lên các tầng: cáp CADIVI $4 \times \text{CU/XLPE/PVC } (1 \times 10\text{ mm}^2)$, aptomat tổng tầng Schneider EZC250H350 (3P, 50A, 25kA).
    • Cáp cấp điện cho trạm bơm: cáp FRN-CXV ($4 \times 25\text{ mm}^2$), aptomat tổng EZC150H3400N (3P, 150A, 65kA); nhánh bơm sinh hoạt dùng cáp $4 \times \text{FRN-CXV } 1 \times 4\text{ mm}^2$ và aptomat EZC100N3020; nhánh bơm cứu hỏa dùng cáp $4 \times \text{FRN-CXV } 1 \times 10\text{ mm}^2$ và aptomat EZC100N3050.
    • Cáp cấp điện cho hệ thống quạt: cáp FRN-CXV ($4 \times 6\text{ mm}^2$), aptomat tổng EZC100N3050 (3P, 50A, 15kA); các quạt nhánh dùng cáp $4 \times \text{FRN-CXV } 1 \times 2,5\text{ mm}^2$.

  5. Hệ thống chống sét và nối đất:

    • Lắp đặt 01 đầu thu sét tia tiên đạo ESE công nghệ phát xung chủ động với thời gian phát sớm $\Delta t = 30\ \mu\text{s}$, độ cao kim $h = 5\text{ m}$ trên mái, đạt bán kính bảo vệ cấp IV $R_p = 71,24\text{ m}$ (bao trùm hoàn toàn công trình).
    • Dẫn sét bằng 04 đường cáp đồng bện $70\text{ mm}^2$ kết nối với lưới thép $\phi 10$ đẳng áp trong kết cấu bê tông.
    • Tiếp địa chống sét: bãi cọc gồm 5 cọc thép góc L63x63x6 dài 3 m, chôn sâu 0,8 m, liên kết bằng thép dẹt 40x4 mm; điện trở nối đất đo tính toán đạt $R_{ht} = 6,38\ \Omega \le 10\ \Omega$.
    • Tiếp địa an toàn và làm việc trạm biến áp (hệ thống TN-S): bãi cọc gồm 14 cọc thép góc L63x63x6 dài 3 m, liên kết bằng thép dẹt 40x4 mm; dây nối đất trung tính MBA bằng cáp đồng mềm 2xM240; điện trở tiếp địa tính toán đạt $R_{ht} = 3,27\ \Omega \le 4\ \Omega$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan về đối tượng cung cấp điện

Chương này trình bày chi tiết về quy mô xây dựng, kiến trúc, phân loại phụ tải và các yêu cầu kỹ thuật - kinh tế trong cấp điện cho công trình:

  • Quy mô mặt bằng: Công trình gồm 10 tầng với tổng diện tích $7.208\text{ m}^2$, trong đó tầng hầm để xe ($713,6\text{ m}^2$), khu làm việc chung từ tầng 1 đến tầng 3 ($2.144\text{ m}^2$), khu văn phòng và phòng họp từ tầng 4 đến tầng 9 ($4.282,1\text{ m}^2$), tầng mái tum chứa phòng kỹ thuật và thang bộ.
  • Phân loại phụ tải: Theo phụ lục A/TCVN 9206-2012, phụ tải được chia thành hai nhóm rõ rệt:
    • Phụ tải ưu tiên (Hộ loại 1, loại 2): Đèn chiếu sáng sự cố, thoát hiểm (có pin sạc dự phòng 2h), thang máy (2 thang), bơm chữa cháy (2 bơm 20 kW), bơm cấp thoát nước (2 bơm 10 kW), quạt hút khói và tăng áp cầu thang, hệ thống điện nhẹ và báo cháy. Nhóm này yêu cầu cấp điện liên tục từ 2 nguồn (lưới và máy phát).
    • Phụ tải không ưu tiên (Hộ loại 3): Chiếu sáng sinh hoạt, ổ cắm, điều hòa không khí cục bộ khu văn phòng. Cho phép mất điện khi có sự cố nhưng không quá 12 giờ.
  • Yêu cầu kỹ thuật cấp điện: Đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện, độ lệch điện áp nằm trong giới hạn cho phép $\pm 5% U_{đm}$, an toàn phòng chống cháy nổ và tối ưu hóa chi phí đầu tư, vận hành.
Hạng mục không gian Diện tích ($m^2$) Công năng sử dụng chính
Tầng hầm 713,6 Gara để xe, phòng máy phát điện, phòng bơm nước
Tầng 1 587,06 Sảnh đón tiếp, khu làm việc chung, phòng trưng bày sản phẩm
Tầng 2 587,06 Khu làm việc chung, sảnh, căng tin phục vụ cán bộ
Tầng 3 - 7 500,00 (mỗi tầng) Khu văn phòng làm việc chung, khu vệ sinh kỹ thuật
Tầng 8 587,06 Phòng làm việc lãnh đạo, phòng họp, phòng chuyên môn
Tầng 9 587,06 Phòng điều khiển thiết bị, các phòng họp hội thảo lớn (1, 2, 3)
Tầng mái tum - Phòng kỹ thuật thang máy, lối thoát nạn cầu thang bộ

Chương II: Xác định phụ tải tính toán của tòa nhà

Chương II tổng thuật các phương pháp tính toán phụ tải (theo công suất đặt và hệ số nhu cầu; theo suất tiêu hao điện năng; theo hệ số cực đại và công suất trung bình; theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích). Đồ án lựa chọn phương pháp suất phụ tải trên đơn vị diện tích và mật độ công suất chiếu sáng để tính toán chi tiết:

  • Phụ tải chiếu sáng: Sử dụng đèn LED và đèn huỳnh quang Rạng Đông (bộ đèn FS40/36x3 M6 công suất 108 W, đèn M9D 36x1 công suất 36 W, đèn M9D 18x1 công suất 18 W) tính toán theo mật độ công suất QCXDVN 09:2005.
  • Phụ tải ổ cắm: Tính theo tiêu chuẩn NEC 2008 với suất phụ tải $25\text{ VA/m}^2$, hệ số $k_{sd} = 0,8$, $\cos\varphi = 0,85$.
  • Phụ tải điều hòa không khí: Chọn điều hòa cục bộ 2 cụm theo TCVN 7830:2015 (công suất 9.000 BTU ứng với 732,5 W; 12.000 BTU ứng với 976,67 W; 18.000 BTU ứng với 1.465 W; 24.000 BTU ứng với 2.197,5 W).
  • Phụ tải ưu tiên: Quạt thông gió và hút khói ($9.360\text{ W}$), trạm bơm nước ($54.911\text{ W}$), thang máy ($20.091\text{ W}$ sau quy đổi chế độ dài hạn), chiếu sáng ngoài nhà ($1.362\text{ W}$), hệ thống điện nhẹ ($2.000\text{ W}$), hệ thống báo cháy ($2.500\text{ W}$).
  • Tổng hợp công suất toàn công trình: Tổng công suất tính toán tác dụng $P_{tt} = 201.331\text{ W}$, tổng công suất yêu cầu $P_{yc} = 221.402\text{ W}$, tổng công suất biểu kiến toàn nhà $S_{tt} = 306.681\text{ VA}$ ($306,68\text{ kVA}$).
  • Tính toán bù công suất phản kháng: Nâng hệ số công suất từ $\cos\varphi_1 = 0,85$ lên $\cos\varphi_2 = 0,95$, tính ra công suất phản kháng cần bù là $Q_b = 84,782\text{ kVAr}$. Chọn lắp đặt 4 bộ tụ bù tự động $25\text{ kVAr}$ (tổng $100\text{ kVAr}$) tại thanh cái hạ áp.
Nhóm phụ tải Công suất tác dụng $P$ (W) $\cos\varphi$ (trước bù) $\cos\varphi$ (sau bù) Công suất biểu kiến $S$ (VA)
Phụ tải không ưu tiên 201.768 0,85 0,95 -
Phụ tải ưu tiên 90.133 0,85 0,95 -
Tổng công suất tính toán 201.331 0,85 0,95 233.000
Tổng công suất yêu cầu toàn nhà 221.402 0,85 0,95 306.681

Chương III: Chọn phương án cung cấp điện, trạm biến áp cho tòa nhà

Chương III phân tích các giải pháp cấu trúc nguồn điện và thiết bị phân phối:

  • Nguồn trung áp: Lưới 22 kV ngầm hóa, so sánh 3 phương án sơ đồ nối điện và chọn phương án dùng máy cắt phụ tải kết hợp cầu chì qua tủ RMU Schneider để đảm bảo tính kinh tế và an toàn khi đóng cắt có tải.
  • Chọn số lượng và công suất máy biến áp: So sánh phương án 1 MBA và 2 MBA; chọn phương án đặt 2 MBA dầu $250\text{ kVA} - 22/0,4\text{ kV}$ (Đông Anh sản xuất) làm việc độc lập. Công suất tính toán yêu cầu cho mỗi máy là $219,06\text{ kVA} \le 250\text{ kVA}$.
  • Kiểu trạm biến áp: Chọn trạm kiểu kín 4 buồng xây dựng trong nhà tại tầng 1 (buồng trung áp, 2 buồng MBA, buồng hạ áp), có hố thu dầu sự cố và lớp sỏi chống cháy theo QCVN: 2015/BCT.
  • Nguồn dự phòng và ATS: Chọn 01 máy phát điện Cummins C110D5 (100 kVA định mức, 110 kVA cực đại, dòng điện cực đại $I_{max} = 158,77\text{ A}$) kết hợp tủ ATS Schneider 3P 160A 36kA để tự động cấp nguồn cho toàn bộ phụ tải ưu tiên khi mất điện lưới.
  • Sơ đồ mạng hạ thế: Lựa chọn sơ đồ 1 trục đứng Busway đặt trong buồng kỹ thuật điện cạnh thang máy, phân nhánh đến các tủ phân phối tầng LVSB.

Chương IV: Lựa chọn dây dẫn và các thiết bị bảo vệ

Chương IV thực hiện tính toán chi tiết chọn tiết diện dây dẫn, thanh cái đồng và thiết bị đóng cắt bảo vệ theo các điều kiện phát nóng, độ sụt áp và ổn định ngắn mạch:

  • Thanh cái hạ áp trạm biến áp: Sử dụng thanh cái đồng kích thước $60 \times 8\text{ mm}$, kiểm tra ứng suất ngắn mạch đạt $780,5\text{ kG/cm}^2 \le 1400\text{ kG/cm}^2$, kiểm tra tiết diện ổn định nhiệt $F_{đn} = 40,26\text{ mm}^2 \le 480\text{ mm}^2$, dòng cho phép phát nóng $1320\text{ A} > 379,84\text{ A}$.
  • Cáp phân phối tầng (từ Busway đến tủ tầng): Cáp CADIVI $4 \times \text{CU/XLPE/PVC } (1 \times 10\text{ mm}^2)$, aptomat tổng tầng EZC250H350 (3P, 50A, 25kA).
  • Hệ thống động lực và ưu tiên:
    • Cáp tổng trạm bơm: Cáp CADIVI FRN-CXV ($4 \times 25\text{ mm}^2$), aptomat tổng EZC150H3400N (3P, 150A, 65kA).
    • Nhánh bơm sinh hoạt: Cáp $4 \times \text{FRN-CXV } 1 \times 4\text{ mm}^2$, aptomat EZC100N3020 (3P, 20A, 15kA).
    • Nhánh bơm cứu hỏa: Cáp $4 \times \text{FRN-CXV } 1 \times 10\text{ mm}^2$, aptomat EZC100N3050 (3P, 50A, 15kA).
    • Cáp tổng hệ thống quạt: Cáp FRN-CXV ($4 \times 6\text{ mm}^2$), aptomat tổng EZC100N3050 (3P, 50A, 15kA).
    • Cáp thang máy: Cáp chịu dòng $I_{max} = 37,38\text{ A}$, bảo vệ bằng aptomat MCCB 3P 50A 10kA Schneider.
    • Tủ cấp nguồn chiếu sáng ngoài, điện nhẹ, báo cháy: Cáp $2 \times \text{CU/XLPE/PVC } (1 \times 2,5\text{ mm}^2)$, bảo vệ bằng aptomat 2P 16A 6kA (mã BH-D16).
Tuyến cáp / Phụ tải Dòng tính toán (A) Loại cáp lựa chọn Thông số $r_0 / x_0$ ($\Omega/\text{km}$) Thiết bị bảo vệ (Aptomat)
Busway đến tủ tầng 34,25 $4 \times \text{CU/XLPE/PVC } (1 \times 10\text{ mm}^2)$ 1,844 / 0,090 EZC250H350 (3P - 50A - 25kA)
Tủ tổng đến trạm bơm 86,50 FRN-CXV ($4 \times 25\text{ mm}^2$) 0,7336 / 0,080 EZC150H3400N (3P - 150A - 65kA)
Bơm sinh hoạt 17,97 $4 \times \text{FRN-CXV } (1 \times 4\text{ mm}^2)$ 1,150 / 0,102 EZC100N3020 (3P - 20A - 15kA)
Bơm cứu hỏa 35,74 $4 \times \text{FRN-CXV } (1 \times 10\text{ mm}^2)$ 1,844 / 0,090 EZC100N3050 (3P - 50A - 15kA)
Tủ tổng đến tủ quạt 16,73 FRN-CXV ($4 \times 6\text{ mm}^2$) 1,150 / 0,102 EZC100N3050 (3P - 50A - 15kA)
Nhánh các quạt thông gió 3,36 - 9,65 $4 \times \text{FRN-CXV } (1 \times 2,5\text{ mm}^2)$ 7,410 / 0,080 EZC100N3020 / 3050
Thang máy (2 buồng) 37,38 Cáp đồng nhiều sợi - MCCB 3P 50A 10kA
Điện nhẹ / Báo cháy / Ngoài trời 10,7 - 13,3 $2 \times \text{CU/XLPE/PVC } (1 \times 2,5\text{ mm}^2)$ 7,410 / 0,080 BH-D16 (MCCB 2P 16A 6kA)

Chương V: Tính toán nối đất và chống sét cho tòa nhà

Chương V đi sâu vào chuyên đề bảo vệ chống sét và nối đất công trình:

  • Đánh giá rủi ro giông sét: Diện tích thu sét hữu dụng $A_c = 10.835,225\text{ m}^2$ (kích thước mặt bằng $a = 19,7\text{ m}$, $b = 29,8\text{ m}$, $h = 43,5\text{ m}$). Với mật độ sét $N_d = 8,9\text{ lần/km}^2\text{/năm}$, xác suất sét đánh vào công trình là $P_d = 0,096\text{ lần/năm}$. Xác suất sét đánh tổng hợp sau khi nhân các hệ số hiệu chỉnh $A=1,2$; $B=0,4$; $C=0,3$; $D=1$; $E=0,3$ theo TCVN 9385-2012 là $P = 0,0042 > 10^{-4}$, kết luận bắt buộc phải trang bị hệ thống chống sét.
  • Hệ thống chống sét trực tiếp: Sử dụng 01 kim thu sét phát xạ sớm ESE đặt trên mái ở độ cao $h = 5\text{ m}$, thời gian phát tia tiên đạo sớm $\Delta t = 30\ \mu\text{s}$, bán kính bảo vệ tính toán cấp IV đạt $R_p = 71,24\text{ m} > 14,9\text{ m}$ (khoảng cách xa nhất cần bảo vệ). Dẫn thoát sét bằng 04 dây đồng bện $70\text{ mm}^2$ nối xuống bãi tiếp địa.
  • Hệ thống chống sét lan truyền: Thiết kế hệ thống cắt lọc sét 3 tầng (cắt sét sơ cấp qua van MOV/Spark Gap, tầng lọc thông thấp L-C, tầng cắt sét thứ cấp) trên đường cấp nguồn và thiết bị chống sét trên đường truyền tín hiệu mạng LAN.
  • Tính toán nối đất chống sét: Bãi tiếp địa gồm 5 cọc thép góc L63x63x6 dài 3 m chôn sâu 0,8 m, liên kết bằng thép dẹt 40x4 mm; điện trở tính toán của 1 cọc $R_{1c} = 32,48\ \Omega$; điện trở thanh ngang $R_{th} = 15,1\ \Omega$; điện trở tổng hợp hệ thống đạt $R_{ht} = 6,38\ \Omega < 10\ \Omega$ (thỏa mãn TCVN 9385-2012).
  • Tính toán nối đất an toàn trạm biến áp (Sơ đồ TN-S): Bãi tiếp địa gồm 14 cọc thép góc L63x63x6 dài 3 m, liên kết bằng thép dẹt 40x4 mm; điện trở tính toán của 1 cọc $R_{1c} = 38,97\ \Omega$; điện trở thanh ngang $R_{th} = 7,49\ \Omega$; điện trở tổng hợp hệ thống đạt $R_{ht} = 3,27\ \Omega < 4\ \Omega$ (thỏa mãn quy phạm trang bị điện). Tiếp địa trung tính MBA đi riêng bằng 2 dây đồng mềm M240.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật cung cấp điện cho một công trình cao tầng thực tế với các kết quả cụ thể:

  • Xác định chính xác phụ tải tính toán toàn công trình ($P_{tt} = 201,33\text{ kW}$, $S_{tt} = 306,68\text{ kVA}$) và giải pháp bù 100 kVAr nâng cao hệ số $\cos\varphi$ lên 0,95.
  • Lựa chọn cấu hình 02 máy biến áp dầu 250 kVA - 22/0,4 kV kết hợp 01 máy phát điện diesel 100/110 kVA và tủ ATS 160A, đảm bảo tính liên tục cho các phụ tải loại 1, loại 2 khi có sự cố mất điện lưới.
  • Tính toán đồng bộ hệ thống dây dẫn, cáp điện lực và thiết bị bảo vệ đóng cắt từ trạm biến áp đến từng tầng và từng cụm thiết bị động lực.
  • Ứng dụng giải pháp chống sét công nghệ mới (đầu thu tia tiên đạo ESE bán kính $71,24\text{ m}$) kết hợp chống sét lan truyền 3 tầng và hệ thống tiếp địa an toàn sơ đồ TN-S đạt trị số điện trở theo quy chuẩn ($R_{cs} = 6,38\ \Omega \le 10\ \Omega$, $R_{at} = 3,27\ \Omega \le 4\ \Omega$).

Về mặt đóng góp, đồ án đã hệ thống hóa quy trình thiết kế cung cấp điện công trình cao tầng từ khâu khảo sát phụ tải, tính toán công suất, lựa chọn thiết bị phân phối đến giải pháp bảo vệ an toàn - chống sét dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật mới nhất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đồ án tập trung thiết kế hệ thống cung cấp điện động lực, chiếu sáng và chống sét cơ bản cho một công trình cụ thể 10 tầng; các số liệu tính toán phụ tải chiếu sáng và điều hòa không khí dựa trên các suất tiêu thụ định mức quy chuẩn chứ chưa có số liệu đo đạc thực tế từ quá trình vận hành; chưa đi sâu vào hệ thống điện nhẹ chi tiết (CCTV, mạng viễn thông, kiểm soát vào ra).
  • Hướng mở rộng: Nghiên cứu tích hợp hệ thống điện mặt trời áp mái hòa lưới kết hợp lưu trữ năng lượng (BESS); thiết kế hệ thống quản lý năng lượng tòa nhà thông minh (BMS/BEMS) để tự động giám sát, điều khiển và tối ưu hóa tiêu thụ điện năng theo thời gian thực.

Giá trị tham khảo

Tài liệu này là nguồn tư liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật điện, Hệ thống điện, Điện công nghiệp và Kỹ thuật công trình khi làm đồ án môn học Thiết kế cung cấp điện, đồ án tốt nghiệp kỹ sư điện.
  • Kỹ sư thiết kế cơ điện (MEP) tham khảo quy trình tính toán phụ tải văn phòng, cấu hình trạm biến áp 22/0,4 kV, lựa chọn tổ máy phát - ATS và phương pháp tính toán chống sét tia tiên đạo ESE theo tiêu chuẩn NFC 17-102 và TCVN 9385-2012.

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi 1: Tại sao đồ án lựa chọn giải pháp sử dụng 02 máy biến áp 250 kVA thay vì chọn 01 máy biến áp công suất lớn (ví dụ 500 kVA hoặc 630 kVA)?
Trả lời: Việc chọn 02 máy biến áp 250 kVA làm việc độc lập giúp tăng cường độ tin cậy cung cấp điện. Khi một máy biến áp gặp sự cố hoặc cần bảo dưỡng định kỳ, máy còn lại vẫn duy trì cấp điện cho phụ tải ưu tiên thông qua việc đóng aptomat phân đoạn liên lạc, hạn chế việc phải huy động máy phát điện dự phòng, đồng thời làm giảm dòng ngắn mạch phía hạ áp.

Câu hỏi 2: Vị trí đặt bộ tụ bù và dung lượng bù công suất phản kháng được tính toán như thế nào?
Trả lời: Bộ tụ bù được đặt tại thanh cái hạ áp của trạm biến áp nhằm bù tập trung cho toàn bộ phụ tải của tòa nhà. Dung lượng bù tính toán là $Q_b = 84,782\text{ kVAr}$ để nâng hệ số công suất từ 0,85 lên 0,95; tác giả lựa chọn 04 bình tụ bù tự động công suất 25 kVAr (mã BLRCS277A332B40), đạt tổng dung lượng bù thực tế là 100 kVAr.

Câu hỏi 3: Cấu hình hệ thống nguồn điện dự phòng và chuyển mạch ATS được thiết kế phục vụ những tải nào?
Trả lời: Hệ thống sử dụng 01 máy phát diesel Cummins C110D5 (công suất liên tục 100 kVA, cực đại 110 kVA) kết hợp tủ ATS Schneider 3P 160A 36kA. Nguồn dự phòng chỉ cấp điện cho các phụ tải ưu tiên (Hộ loại 1, loại 2) bao gồm: hệ thống bơm chữa cháy, bơm sinh hoạt, quạt thông gió hút khói, 2 thang máy, chiếu sáng sự cố - thoát hiểm, hệ thống báo cháy và thiết bị điện nhẹ.

Câu hỏi 4: Căn cứ nào để khẳng định công trình bắt buộc phải lắp đặt hệ thống chống sét và bán kính bảo vệ của kim thu sét ESE đạt yêu cầu?
Trả lời: Dựa trên diện tích thu sét $A_c = 10.835,225\text{ m}^2$ và mật độ sét $N_d = 8,9\text{ lần/km}^2\text{/năm}$, xác suất sét đánh tổng hợp tính được là $P = 0,0042 > 10^{-4}$ (ngưỡng rủi ro quy định trong TCVN 9385-2012), do đó bắt buộc phải lắp đặt chống sét. Đầu thu ESE với thời gian phát sớm $\Delta t = 30\ \mu\text{s}$ gắn trên trụ đỡ $h = 5\text{ m}$ tạo ra bán kính bảo vệ cấp IV $R_p = 71,24\text{ m}$, lớn hơn khoảng cách xa nhất từ chân kim tới góc mép công trình ($14,9\text{ m}$).

Câu hỏi 5: Hệ thống nối đất an toàn và làm việc của trạm biến áp sử dụng sơ đồ nào và kết quả tính toán điện trở đạt bao nhiêu?
Trả lời: Hệ thống áp dụng sơ đồ nối đất TN-S (dây trung tính N và dây bảo vệ PE tách biệt hoàn toàn sau trạm biến áp). Bãi tiếp địa an toàn gồm 14 cọc thép góc L63x63x6 dài 3 m chôn sâu 0,8 m liên kết bằng thép dẹt 40x4 mm; điện trở nối đất tổng hợp tính toán đạt $R_{ht} = 3,27\ \Omega$, thỏa mãn yêu cầu quy phạm kỹ thuật ($R_{at} \le 4\ \Omega$).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống cung cấp điện cho tòa nhà làm việc 10 tầng - Chuyên đề: Tính toán nối đất và chống sét cho tòa nhà" của sinh viên Trần Thị Lan Phương là một công trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh và đồng bộ. Tác giả đã bám sát các tiêu chuẩn kỹ thuật điện và xây dựng hiện hành để tính toán phụ tải, lựa chọn giải pháp trạm biến áp 2x250 kVA, hệ thống máy phát dự phòng 100/110 kVA kết hợp ATS, cùng mạng cáp phân phối hạ thế an toàn. Chuyên đề chống sét tia tiên đạo ESE và nối đất sơ đồ TN-S được giải quyết với đầy đủ cơ sở toán học và mô hình kỹ thuật, đáp ứng tốt yêu cầu an toàn và kinh tế cho công trình.