Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, sự gia tăng của các nhà máy công nghiệp, xí nghiệp sản xuất và khu thương mại - dịch vụ đặt ra yêu cầu cấp thiết về nguồn năng lượng điện ổn định, liên tục và an toàn. Đối với các cơ sở sản xuất cơ khí, hệ thống cung cấp điện không chỉ phục vụ vận hành máy móc công suất lớn mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm, hiệu quả kinh tế và mức độ an toàn cho người lao động. Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống cung cấp điện cho nhà máy cơ khí Long Thành" của sinh viên Võ Danh Bảy (ngành Kỹ thuật Điện – Điện tử, Trường Đại học Bình Dương) được xây dựng nhằm giải quyết bài toán cấp điện toàn diện cho một cơ sở gia công cơ khí quy mô vừa và lớn.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể theo các nội dung sau:

  1. Khảo sát mặt bằng phân xưởng và lập danh mục thông số kỹ thuật của các phụ tải điện.
  2. Phân chia nhóm phụ tải, tính toán xác định tâm phụ tải của từng nhóm và toàn bộ nhà máy.
  3. Tính toán thiết kế hệ thống chiếu sáng nhân tạo cho các phân khu sản xuất và khu vực phụ trợ.
  4. Xác định phụ tải tính toán, lựa chọn dung lượng máy biến áp, tính toán bù công suất phản kháng và dự báo nguồn máy phát điện dự phòng.
  5. Vạch phương án đi dây, lựa chọn tiết diện dây dẫn/cáp điện hạ áp và kiểm tra tổn thất điện áp (sụt áp) theo các chế độ vận hành.
  6. Tính toán ngắn mạch 3 pha và 1 pha tại các điểm nút trong mạng điện, từ đó lựa chọn khí cụ đóng cắt và bảo vệ.
  7. Thiết kế hệ thống nối đất an toàn và hệ thống chống sét cho toàn bộ công trình nhà xưởng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điện Nhà máy cơ khí Long Thành, bao gồm hồ sơ bản vẽ mặt bằng bố trí dây chuyền máy móc gia công cơ khí và bảng số liệu đặc tính phụ tải của 76 thiết bị điện công nghiệp.
  • Phạm vi không gian: Mạng lưới phân phối điện hạ thế từ trạm biến áp phân phối, tủ phân phối chính (TPPC) đến 6 tủ động lực (TDL) phân xưởng, tủ chiếu sáng sinh hoạt (TCSSH) và các cụm máy gia công.
  • Phạm vi thời gian: Đồ án được triển khai thực hiện từ ngày 16/11/2020 đến ngày 28/05/2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán

Đồ án áp dụng các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia và quốc tế hiện hành trong lĩnh vực thiết kế mạng điện công nghiệp:

  • Tiêu chuẩn lắp đặt điện: Tiêu chuẩn IEC 7447-5-53:2010 (tương đương IEC 60364-5-52:2015) về lựa chọn và lắp đặt thiết bị điện, phương pháp đi dây và khả năng tải dòng của cáp; TCVN 9206:2012 về đặt thiết bị điện trong nhà ở và công trình công cộng; TCVN 9207:2012 về đặt đường dẫn điện trong nhà ở và công trình công cộng.
  • Tiêu chuẩn chiếu sáng: TCVN 7114-1:2008 về Ecgônômi - Chiếu sáng nơi làm việc trong nhà.

Phương pháp tính toán thực tế được áp dụng trong đồ án gồm:

  • Xác định phụ tải tính toán: Đồ án khảo sát 5 phương pháp lý thuyết (theo công suất đặt và hệ số nhu cầu $k_{nc}$; theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích $P_0$; theo suất tiêu hao điện năng trên đơn vị sản phẩm $W_0$; theo hệ số cực đại $K_{max}$ và công suất trung bình $P_{tb}$; theo hệ số sử dụng $K_u$ và hệ số đồng thời $K_s$). Phương pháp được chọn để tính toán chi tiết là phương pháp dựa trên hệ số sử dụng $K_u$ và hệ số đồng thời $K_s$ quy định tại TCVN 9206:2012.
  • Xác định tâm phụ tải: Sử dụng phương pháp mômen tĩnh học giải tích để tính tọa độ trọng tâm phụ tải $(X, Y)$ của từng nhóm máy và của tủ phân phối chính, sau đó dịch chuyển hợp lý ra biên vách tường để đảm bảo an toàn vận hành.
  • Phương pháp tính toán chiếu sáng: So sánh 3 phương pháp (hệ số sử dụng $U_f$, phương pháp điểm, phương pháp mật độ công suất $P_0$). Tác giả chọn phương pháp hệ số sử dụng cho các phân xưởng có dạng hình hộp chữ nhật để xác định tổng quang thông $\Phi_{tổng}$ và số lượng bộ đèn.
  • Tính toán ngắn mạch và chọn khí cụ điện: Sử dụng phương pháp trở kháng để xác định điện trở $R$, điện kháng $X$ và tổng trở ngắn mạch $Z_{\Sigma}$ của nguồn, máy biến áp và các đoạn cáp dẫn, từ đó tính dòng ngắn mạch siêu quá độ 3 pha $I^{(3)}$ và 1 pha $I^{(1)}$.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống cung cấp điện cho Nhà máy cơ khí Long Thành được thiết kế theo cấu trúc phân cấp mạng hạ thế:

Hạng mục kỹ thuật Giải pháp và thiết bị được lựa chọn trong đồ án
Cấu trúc mạng điện Sơ đồ hình tia kết hợp phân nhánh từ Trạm biến áp $\to$ TPPC $\to$ 6 Tủ động lực (TDL1 – TDL6) $\to$ Thiết bị tiêu thụ
Máy biến áp nguồn Máy biến áp phân phối 3 pha Thibidi dung lượng định mức 1500 kVA
Nguồn điện dự phòng Máy phát điện diesel dự phòng hãng Cummins Ync
Bù công suất phản kháng Bù tập trung tại thanh cái hạ áp trạm biến áp sử dụng dàn tụ bù RMC 445400 KT
Dây dẫn và cáp điện Dây/cáp đồng cách điện chọn theo tiêu chuẩn IEC 60364-5-52 (phương pháp lắp đặt D1/D2 chôn ngầm/tiếp xúc không khí)
Khí cụ bảo vệ Aptomat khối (MCCB) đặt tại TPPC và TDL; Aptomat tép (MCB) bảo vệ tại từng nhánh thiết bị
Hệ thống nối đất Hệ thống nối đất an toàn bằng các cọc thép bọc đồng chôn sâu liên kết với thanh đồng dẹt
Hệ thống chống sét Kim thu sét phát tia tiên đạo sớm (ESE) hãng Stormaster bảo vệ công trình

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Giới thiệu tổng quan

Chương này tổng kết các khái niệm nền tảng về hệ thống điện, ưu điểm chuyển hóa và truyền tải của điện năng, đồng thời định rõ các yêu cầu bắt buộc khi vận hành hệ thống điện nhà máy:

  • Tính liên tục cung cấp điện: Đảm bảo duy trì nguồn điện cho dây chuyền gia công cơ khí.
  • Chất lượng điện áp và tần số: Độ lệch điện áp cho phép trong phạm vi $\pm 5% U_{đm}$; độ lệch tần số cho phép không vượt quá $\pm 0,5\text{ Hz}$.
  • Chỉ tiêu kinh tế và an toàn: Đảm bảo tối ưu hóa chi phí đầu tư, tổn thất truyền tải thấp và an toàn tuyệt đối cho người vận hành.

Chương II: Tính toán phụ tải của toàn nhà máy

Phân xưởng có tổng cộng 76 thiết bị cơ khí với tổng công suất đặt $P_{đm} = 1320\text{ kW}$ ($K_u = 0,85$; $\cos\varphi = 0,8$). Phụ tải được chia thành 6 nhóm (TDL1 đến TDL6) theo nguyên tắc công suất nhóm $P_{đm-nhóm} \le 300\text{ kW}$ và số lượng $n \le 20$ thiết bị/nhóm:

Nhóm / Tủ Số lượng thiết bị $P_{đm}$ (kW) $P_{tt}$ (kW) Tọa độ tính toán $(X; Y)$ (m) Tọa độ lắp đặt thực tế $(X; Y)$ (m)
TDL 1 13 280 238,00 $(20,26; 19,70)$ $(17,30; 25,25)$
TDL 2 10 275 233,75 $(40,00; 19,70)$ $(35,30; 25,25)$
TDL 3 10 270 229,50 $(56,33; 1,08)$ $(48,70; 25,25)$
TDL 4 11 245 208,25 $(11,56; 22,11)$ $(12,70; 0,45)$
TDL 5 9 250 208,25 $(29,01; 12,40)$ $(30,70; 0,45)$
TDL 6 4 185 157,16 $(48,61; 8,20)$ $(48,70; 0,45)$
TPPC 6 TDL 1320 - $(3,60; 16,01)$ $(1,20; 12,24)$

Chương III: Thiết kế chiếu sáng cho nhà máy

Áp dụng tiêu chuẩn TCVN 7114-1:2008, độ rọi yêu cầu cho phân xưởng là $E_m = 300\text{ lux}$. Thiết kế chọn đèn HighBay Zamled ($P_đ = 80\text{ W}$, $\Phi_đ = 9200\text{ lm}$, chỉ số hoàn màu $Ra = 87$, $\cos\varphi = 0,97$, nhiệt độ màu $T_m = 3300\text{ K}$). Hệ số phản xạ trần - tường - sàn được chọn tương ứng $\rho_{tr} = 0,7$; $\rho_{tg} = 0,5$; $\rho_s = 0,3$; hệ số sử dụng $U_f = 0,95$; hệ số bù $d = 0,98$. Kết quả tính toán chiếu sáng cho các khu vực:

Phân khu Chiều dài $a$ (m) Chiều rộng $b$ (m) Diện tích $S$ (m²) $\Phi_{tổng}$ (lm) Số đèn tính toán Số đèn lựa chọn
Khu vực 1 26,0 10,6 275,6 85.291,0 9,2 10 bộ
Khu vực 2 15,0 10,6 159,0 46.746,0 5,1 6 bộ
Khu vực 3 16,0 10,6 169,0 52.486,7 5,7 6 bộ
Khu vực 4 20,0 11,5 230,0 67.620,0 7,3 8 bộ
Khu vực 5 20,0 11,5 230,0 67.620,0 7,3 8 bộ
Khu vực 6 22,0 11,5 253,0 78.296,0 8,5 9 bộ
Nhà kho 6,7 6,0 40,2 - - Bố trí riêng

Chương IV: Chọn dung lượng máy biến áp và tính toán bù công suất

  • Lựa chọn máy biến áp: Trên cơ sở tổng công suất tính toán của phụ tải động lực và chiếu sáng, tác giả lựa chọn trạm biến áp sử dụng máy biến áp 3 pha của nhà sản xuất Thibidi có công suất định mức 1500 kVA để đảm bảo khả năng cấp điện và dự phòng phát triển phụ tải.
  • Bù công suất phản kháng: Tính toán lắp đặt dàn tụ bù RMC 445400 KT tại thanh cái hạ áp nhằm nâng cao hệ số công suất $\cos\varphi$, giảm tổn thất công suất và sụt áp trên lưới.
  • Nguồn dự phòng: Đồ án tính chọn máy phát điện dự phòng Cummins Ync để cấp điện cho các phụ tải ưu tiên khi xảy ra sự cố mất lưới điện chính.

Chương V: Lựa chọn dây dẫn theo tiêu chuẩn IEC và kiểm tra sụt áp cho phép

  • Chọn tiết diện cáp: Áp dụng tiêu chuẩn IEC 60364-5-52:2015, tính chọn tiết diện dây dẫn pha, dây trung tính và dây bảo vệ (PE) theo dòng điện tính toán cực đại $I_{tt}$ và các hệ số hiệu chỉnh môi trường (nhiệt độ đất, kiểu chôn ngầm D1/D2, lắp đặt trong không khí).
  • Cáp được chọn cho các lộ: từ MBA đến TPPC; từ TPPC đến 6 TDL và TCSSH; từ từng TDL đến các thiết bị máy móc.
  • Kiểm tra tổn thất điện áp: Tính toán sụt áp $\Delta U$ theo TCVN 9207 trên từng phân đoạn cáp và tổng sụt áp từ trạm biến áp đến thiết bị xa nhất, đảm bảo giá trị nằm trong ngưỡng cho phép ($\Delta U \le 5%$).

Chương VI: Tính toán ngắn mạch và chọn thiết bị đóng cắt

  • Tính toán ngắn mạch: Xây dựng sơ đồ thay thế trở kháng toàn mạng từ nguồn qua máy biến áp, thanh cái TPPC, các TDL đến từng thiết bị. Xác định dòng ngắn mạch 3 pha $I^{(3)}$ và 1 pha $I^{(1)}$ lớn nhất tại các điểm nút.
  • Lựa chọn thiết bị bảo vệ: Lựa chọn aptomat khối MCCB cho đầu vào TPPC và các lộ xuất tuyến cấp cho TDL; lựa chọn aptomat nhánh MCB cho các mạch động lực cấp đến từng máy công cụ dựa trên dòng điện định mức $I_{đm}$ và khả năng cắt dòng ngắn mạch $I_{cu}$.

Chương VII: Nối đất an toàn và chống sét

  • Nối đất an toàn: Thiết kế hệ thống bảo vệ chống tiếp xúc trực tiếp và gián tiếp; tính toán số lượng cọc tiếp địa thép bọc đồng chôn sâu, liên kết bằng thanh đồng dẹt ngầm nhằm đạt trị số điện trở nối đất an toàn theo quy chuẩn kỹ thuật.
  • Chống sét công trình: Đánh giá 3 giải pháp chống sét (lồng Faraday, kim Franklin truyền thống, kim thu sét phát tia tiên đạo sớm ESE). Tác giả lựa chọn giải pháp kim thu sét phát tia tiên đạo sớm Stormaster gắn trụ nhằm đảm bảo bán kính bảo vệ bao phủ toàn bộ diện tích nhà máy.

Kết quả và đóng góp

  • Hệ thống số liệu tính toán đồng bộ: Hoàn thành tính toán phân nhóm và xác định tọa độ lắp đặt cho 6 tủ động lực và 1 tủ phân phối chính phục vụ 76 máy công cụ ($1320\text{ kW}$), đảm bảo cân bằng tải và tối ưu chiều dài đường dây.
  • Giải pháp chiếu sáng đạt chuẩn: Xác định số lượng đèn HighBay Zamled (80W, 9200 lm) cho 6 phân khu với tổng diện tích sản xuất hơn $1300\text{ m}^2$, đáp ứng độ rọi đồng đều $300\text{ lux}$ theo TCVN 7114-1:2008.
  • Cấu hình thiết bị trạm và bảo vệ cụ thể: Xác định cấu hình trạm biến áp Thibidi 1500 kVA, hệ thống tụ bù RMC 445400 KT, máy phát dự phòng Cummins Ync, kim chống sét Stormaster và hệ thống MCCB/MCB phân cấp có khả năng cắt ngắn mạch an toàn.
  • Đóng góp kỹ thuật: Đồ án xây dựng một quy trình tính toán thiết kế bám sát các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành (IEC 60364-5-52, TCVN 9206, TCVN 9207, TCVN 7114), tạo tiền đề cho việc triển khai thi công mạng điện thực tế tại nhà máy cơ khí.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Bản vẽ bố trí mặt bằng và số liệu phụ tải trong đồ án được xây dựng ở mức độ sơ bộ; chưa khảo sát chi tiết hệ thống điện nhẹ (mạng thông tin, camera, giám sát điều khiển) và đặc tính thay đổi phụ tải theo chu kỳ sản xuất thực tế tại nhà máy.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    1. Tích hợp thiết kế hệ thống báo cháy tự động và phòng cháy chữa cháy (PCCC) cho công trình.
    2. Mở rộng tính toán tối ưu hóa mạng lưới tiếp địa và chống sét chuyên sâu.
    3. Nghiên cứu tích hợp các giải pháp giám sát điện năng thông minh (SCADA/BMS) cho nhà máy.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa và các kỹ sư thiết kế cơ điện (M&E) nhà xưởng công nghiệp. Nội dung có giá trị thực hành cao gồm:

  • Quy trình phân nhóm máy và phương pháp giải tích xác định tọa độ tâm phụ tải.
  • Bảng tra thông số và các bước tính chọn cáp điện, kiểm tra sụt áp theo tiêu chuẩn IEC 60364-5-52 và TCVN 9207.
  • Phương pháp tính ngắn mạch phân cấp từ trạm biến áp đến từng tủ động lực và thiết bị tiêu thụ.

Câu hỏi thường gặp

Tổng công suất đặt của Nhà máy cơ khí Long Thành là bao nhiêu và được phân chia thế nào?

Tổng công suất đặt của nhà máy là $1320\text{ kW}$ gồm 76 thiết bị, được chia thành 6 nhóm phụ tải động lực: TDL1 ($280\text{ kW}$), TDL2 ($275\text{ kW}$), TDL3 ($270\text{ kW}$), TDL4 ($245\text{ kW}$), TDL5 ($250\text{ kW}$) và TDL6 ($185\text{ kW}$).

Tọa độ vị trí của Tủ phân phối chính (TPPC) được xác định như thế nào?

Theo tính toán mômen giải tích từ 6 tủ động lực, tâm phụ tải lý thuyết của TPPC có tọa độ là $(X = 3,60\text{ m}; Y = 16,01\text{ m})$. Để đảm bảo tính mỹ quan và thuận tiện trong vận hành, tọa độ lắp đặt thực tế được dời về $(X = 1,20\text{ m}; Y = 12,24\text{ m})$.

Loại đèn và thông số quang học được lựa chọn cho phân xưởng là gì?

Đồ án sử dụng đèn HighBay Zamled công suất $80\text{ W}$, quang thông $9200\text{ lm}$, chỉ số hoàn màu $Ra = 87$, hệ số công suất $\cos\varphi = 0,97$, nhiệt độ màu $3300\text{ K}$, đáp ứng độ rọi tiêu chuẩn $E_m = 300\text{ lux}$ theo TCVN 7114-1:2008.

Trạm biến áp và nguồn dự phòng của công trình được chọn với thông số nào?

Đồ án tính chọn máy biến áp 3 pha Thibidi dung lượng $1500\text{ kVA}$, tích hợp bộ tụ bù công suất phản kháng RMC 445400 KT và hệ thống nguồn máy phát điện dự phòng Cummins Ync.

Tiêu chuẩn nào được sử dụng để tính chọn cáp và kiểm tra sụt áp?

Tiết diện dây dẫn và cáp điện được chọn theo tiêu chuẩn IEC 7447-5-53:2010 (IEC 60364-5-52:2015) theo các phương pháp lắp đặt D1/D2; độ sụt áp được kiểm tra và đối chiếu theo tiêu chuẩn TCVN 9207.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống cung cấp điện cho nhà máy cơ khí Long Thành" của tác giả Võ Danh Bảy đã giải quyết hoàn chỉnh các bài toán kỹ thuật từ tính toán phụ tải, thiết kế chiếu sáng, chọn máy biến áp, bù công suất đến tính chọn cáp, bảo vệ ngắn mạch và chống sét nối đất. Báo cáo gồm 112 trang, 7 chương, 68 bảng số liệu và 31 hình vẽ minh họa, tuân thủ chặt chẽ hệ thống tiêu chuẩn IEC và TCVN hiện hành. Toàn bộ các kết quả tính toán cung cấp phương án cấp điện an toàn, ổn định và có tính ứng dụng cao cho công trình công nghiệp.