Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nhu cầu tiêu thụ điện năng trong các ngành sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ và sinh hoạt tăng trưởng liên tục. Để bảo đảm khả năng vận hành ổn định cho các ngành kinh tế trọng điểm, các công trình cung cấp điện đòi hỏi tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe về độ tin cậy và tính liên tục. Đặc thù của các cơ sở sản xuất công nghiệp là mật độ phụ tải tập trung lớn, chủ yếu thuộc phụ tải loại I và loại II – nhóm phụ tải yêu cầu duy trì nguồn điện liên tục và nghiêm ngặt về chất lượng điện áp.

Khóa luận tốt nghiệp "Ứng dụng phần mềm Ecodial thiết kế hệ thống điện cho phân xưởng sửa chữa cơ khí" do sinh viên Lê Quang Tuấn thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Hồ Văn Lý (ngành Điện – Điện Tử, chuyên ngành Điện Công Nghiệp, Trường Đại học Thủ Dầu Một, bảo vệ tháng 5/2014) tập trung giải quyết bài toán thiết kế cung cấp điện toàn diện cho một mặt bằng công nghiệp cụ thể.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài gồm các nội dung kỹ thuật:

  1. Khảo sát mặt bằng công nghệ và đặc tính vận hành của các thiết bị máy móc trong phân xưởng cơ khí; phân nhóm phụ tải điện hợp lý.
  2. Xác định phụ tải tính toán cho từng nhóm thiết bị và toàn bộ phân xưởng làm cơ sở chọn thiết bị nguồn và mạng lưới.
  3. Xác định vị trí tâm phụ tải nhằm tối ưu hóa vị trí đặt các tủ động lực và tủ phân phối chính.
  4. Lựa chọn cấp điện áp vận hành, xác định vị trí đặt trạm biến áp, tính toán so sánh kinh tế - kỹ thuật để chọn số lượng và dung lượng máy biến áp phân xưởng.
  5. Vạch phương án đi dây cho mạng hạ áp phân xưởng; tính chọn tiết diện cáp dẫn điện từ trạm biến áp đến tủ phân phối chính, từ tủ phân phối chính đến các tủ động lực và từ tủ động lực đến các động cơ máy công cụ.
  6. Kiểm tra điều kiện tổn thất điện áp (độ sụt áp) trên toàn bộ tuyến truyền tải đến điểm tiêu thụ xa nhất.
  7. Tính chọn và phối hợp các phần tử bảo vệ, đóng cắt (áptômát khối, thanh cái đồng) cho toàn bộ hệ thống phân phối.
  8. Tính toán dòng ngắn mạch ba pha tại các điểm nút trọng yếu để kiểm tra khả năng cắt và độ bền điện động của thiết bị.
  9. Ứng dụng phần mềm chuyên dụng Ecodial để xây dựng sơ đồ đơn tuyến, thiết lập thông số nguồn, các tuyến nhánh và xuất kết quả thiết kế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cung cấp điện hạ áp ba pha (22/0,4 kV) phục vụ phụ tải động lực của phân xưởng sửa chữa cơ khí.
  • Phạm vi không gian: Phân xưởng cơ khí có tổng diện tích mặt bằng $972\text{ m}^2$ (kích thước chiều dài $54\text{ m} \times$ chiều rộng $18\text{ m}$, chiều cao $5\text{ m}$ tính từ mặt đất), bố trí 1 cửa ra vào chính và 4 cửa phụ. Bên trong phân xưởng bao gồm khu vực kho, khu chế xuất và khu vực bố trí 42 máy công cụ sử dụng động cơ ba pha có dải công suất định mức từ $2\text{ kW}$ đến $20\text{ kW}$.
  • Phạm vi thời gian và giả thiết kỹ thuật: Dữ liệu thực hiện vào tháng 5/2014; nguồn điện trung áp nhận từ trạm biến áp trung gian cách nhà máy $l = 5\text{ km}$; đề tài tập trung tính toán hệ thống cung cấp điện động lực và chủ động lược bỏ phụ tải chiếu sáng trong các phép tính tổng hợp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về mặt lý thuyết, phụ tải tính toán ($P_{tt}, Q_{tt}, S_{tt}$) được định nghĩa là phụ tải giả thiết lâu dài không đổi, tương đương với phụ tải thực tế về mặt hiệu quả phát nhiệt hoặc mức độ hủy hoại cách điện của thiết bị dẫn điện. Do đó, việc lựa chọn khí cụ điện và dây dẫn theo phụ tải tính toán bảo đảm an toàn vận hành về mặt phát nóng. Tác giả đã tổng thuật ba phương pháp xác định phụ tải tính toán phổ biến trong kỹ thuật điện:

  1. Phương pháp xác định theo công suất đặt và hệ số nhu cầu ($K_{nc}$): Dựa trên công thức $P_{tt} = K_{nc} \cdot \sum P_{dmi}$, có ưu điểm tính toán nhanh nhưng độ chính xác thấp do $K_{nc}$ cố định trong sổ tay, không phản ánh biến động số lượng thiết bị và chế độ vận hành.
  2. Phương pháp xác định theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích sản xuất ($P_0$): Áp dụng công thức $P_{tt} = P_0 \cdot F$, phù hợp cho giai đoạn thiết kế sơ bộ hoặc mạng chiếu sáng, phân xưởng có mật độ máy móc phân bố đồng đều.
  3. Phương pháp xác định theo hệ số cực đại ($K_{max}$) và công suất trung bình ($P_{tb}$), hay còn gọi là phương pháp số thiết bị hiệu quả ($n_{hq}$): Phương pháp này đạt độ chính xác cao nhờ xét đến ảnh hưởng của số lượng thiết bị, thiết bị có công suất lớn nhất và chế độ làm việc dài hạn hoặc ngắn hạn lặp lại.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được áp dụng trong khóa luận:

  • Phương pháp tính toán phụ tải: Tác giả lựa chọn phương pháp số thiết bị hiệu quả ($n_{hq}$ kết hợp hệ số cực đại $K_{max}$) để tính toán cho từng nhóm máy do đã nắm rõ vị trí mặt bằng, công suất đặt và chế độ làm việc của 42 thiết bị. Công thức xác định số thiết bị hiệu quả: $n_{hq} = \frac{(\sum P_{dmi})^2}{\sum (P_{dmi})^2}$.
  • Phương pháp xác định tâm phụ tải: Áp dụng công thức giải tích tọa độ trọng tâm công suất $X = \frac{\sum (P_i \cdot X_i)}{\sum P_i}$ và $Y = \frac{\sum (P_i \cdot Y_i)}{\sum P_i}$ trên hệ trục tọa độ mặt bằng nhà xưởng.
  • Phương pháp tính chọn cấp điện áp và trạm biến áp: Sử dụng công thức thực nghiệm của Still $U = 4,34 \sqrt{l + 16P}$ để xác định cấp điện áp truyền tải tối ưu; tính toán tổn thất điện năng $\Delta A$ và so sánh chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật (vốn đầu tư $V$, tổn thất công suất $\Delta P_0, \Delta P_k$) giữa các phương án máy biến áp.
  • Phương pháp tính chọn dây dẫn và khí cụ đóng cắt: Chọn tiết diện dây dẫn theo điều kiện phát nóng cho phép ($I_{cp} \ge \frac{I_{tt}}{K}$ với $K$ là tích các hệ số hiệu chỉnh môi trường, cách thức lắp đặt); kiểm tra độ sụt áp theo công thức $\Delta U = \frac{P \cdot R + Q \cdot X}{U_{dm}}$ với yêu cầu $\Delta U% \le 5%$; tính chọn áptômát theo điều kiện dòng định mức ($I_{dm.ATM} \ge I_{lv.max}$), điện áp định mức và kiểm tra dòng cắt định mức theo dòng ngắn mạch ($I_{N.ATM} \ge I_N^{(3)}$).
  • Phương pháp tính toán ngắn mạch: Áp dụng phương pháp tính toán điện trở và điện kháng quy đổi trong hệ đơn vị có tên cho mạng hạ áp $400\text{ V}$, giả thiết công suất ngắn mạch phía nguồn trung áp $S_{sc} = 250\text{ MVA}$.
  • Phương pháp mô phỏng: Ứng dụng phần mềm chuyên ngành Ecodial (Schneider Electric) để nhập dữ liệu phụ tải, thiết lập cấu trúc nguồn, các nhánh phân phối và tự động hóa tính toán thông số kỹ thuật của hệ thống.

Nguồn dữ liệu và tài liệu quy chuẩn sử dụng:

  • Các bảng tra cứu thiết bị điện từ tài liệu "Hướng dẫn đồ án môn học thiết kế cung cấp điện" (Dương Lan Hương, Phan Thị Thanh Bình, Phan Thị Thu Vân).
  • Sách chuyên khảo "Thiết kế cấp điện" (Ngô Hồng Quang, Vũ Văn Tẩm, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2008).
  • "Sổ tay tra cứu thiết bị điện 0,4 – 500 kV" (Ngô Hồng Quang).
  • "Giáo trình cung cấp điện" (Nguyễn Xuân Phú) và giáo trình "Hệ thống cung cấp điện" (Phạm Hồng Thanh, Đại học Thủ Dầu Một).
  • Catalog kỹ thuật từ các nhà sản xuất: thiết bị đóng cắt của hãng Merlin Gerin, cáp hạ áp cách điện PVC của hãng LENS.

Thiết kế và tính toán kỹ thuật hệ thống điện

Hệ thống điện phân xưởng được thiết kế theo cấu trúc kỹ thuật đồng bộ, trải qua các giai đoạn tính toán và lựa chọn phần tử cụ thể:

Phân nhóm phụ tải và kết quả tính toán phụ tải động lực

Toàn bộ 42 máy công cụ được chia thành 4 nhóm phụ tải căn cứ theo vị trí không gian và dây chuyền công nghệ trên mặt bằng $972\text{ m}^2$:

  • Nhóm 1: Gồm 7 thiết bị, tổng công suất đặt $\sum P_{dm} = 71\text{ kW}$; hệ số sử dụng nhóm $K_{sd} = 0,64$; hệ số công suất $\cos\varphi = 0,86$; số thiết bị hiệu quả $n_{hq} = 5,38 > 4$; hệ số cực đại tra bảng $K_{max} = 1,41$; công suất tác dụng trung bình $P_{tb} = 45,44\text{ kW}$; công suất tác dụng tính toán $P_{tt} = 63,62\text{ kW}$.
  • Nhóm 2: Gồm 8 thiết bị, tổng công suất đặt $\sum P_{dm} = 96\text{ kW}$; $K_{sd} = 0,75$; $\cos\varphi = 0,87$; $n_{hq} = 6,11 > 4$; $K_{max} = 1,23$; $P_{tb} = 72\text{ kW}$; $P_{tt} = 88,56\text{ kW}$.
  • Nhóm 3: Gồm 7 thiết bị, tổng công suất đặt $\sum P_{dm} = 91\text{ kW}$; $K_{sd} = 0,76$; $\cos\varphi = 0,95$; $n_{hq} = 5,5 > 4$; $K_{max} = 1,12$; $P_{tb} = 69,16\text{ kW}$; $P_{tt} = 77,46\text{ kW}$.
  • Nhóm 4: Gồm 20 thiết bị, tổng công suất đặt $\sum P_{dm} = 88,7\text{ kW}$; $K_{sd} = 0,70$; $\cos\varphi = 0,87$; $n_{hq} = 6,7 > 4$; $K_{max} = 1,21$; $P_{tb} = 62,09\text{ kW}$; $P_{tt} = 75,1\text{ kW}$.

Tổng kết phụ tải động lực toàn phân xưởng (với hệ số đồng thời chọn $K_{dt} = 0,9$ cho 4 nhóm):

  • Công suất tác dụng toàn xưởng: $P_{ttpx} = K_{dt} \cdot \sum P_{ttj} = 0,9 \cdot (63,62 + 88,56 + 77,46 + 75,1) = 274,26\text{ kW}$ (hay $274,266\text{ kW}$).
  • Hệ số công suất trung bình toàn xưởng: $\cos\varphi_{tbpx} = 0,88$.
  • Công suất biểu kiến tính toán: $S_{ttpx} = \frac{P_{ttpx}}{\cos\varphi_{tbpx}} = \frac{274,26}{0,88} = 311,66\text{ kVA}$.
  • Công suất phản kháng tính toán: $Q_{ttpx} = \sqrt{S_{ttpx}^2 - P_{ttpx}^2} = \sqrt{(311,66)^2 - (274,266)^2} = 148\text{ kVAR}$.
  • Dòng điện tính toán định mức: $I_{ttpx} = \frac{S_{ttpx}}{\sqrt{3} \cdot U_{dm}} = \frac{311,66}{\sqrt{3} \cdot 0,4} = 449,84\text{ A}$.

Xác định tâm phụ tải và bố trí không gian

Kết quả tính toán tọa độ lý thuyết của tâm phụ tải cho từng nhóm thiết bị:

  • Nhóm 1: Tọa độ tính toán ban đầu dời về vị trí thực tế tại $X = 7\text{ m}, Y = 18\text{ m}$ để bảo đảm thuận tiện thao tác vận hành và mỹ quan.
  • Tủ phân phối chính (TPPC): Sau khi xác định tâm phụ tải toàn phân xưởng, tác giả chọn vị trí đặt tại tọa độ thực tế $X = 22\text{ m}, Y = 18\text{ m}$.

Lựa chọn trạm biến áp phân xưởng

Áp dụng công thức thực nghiệm với khoảng cách truyền tải $l = 5\text{ km}$ và công suất $P = 0,27426\text{ MW}$, cấp điện áp tính toán đạt $U = 4,34 \sqrt{5 + 16 \cdot 0,27426} = 13,29\text{ kV}$, tác giả lựa chọn cấp điện áp chuẩn lưới phân phối là $22\text{ kV}$. Do mật độ máy móc dày đặc trong nhà xưởng, trạm biến áp được quyết định đặt bên ngoài nhà xưởng, áp sát tường biên nhằm tiết kiệm diện tích và bảo đảm an toàn cháy nổ.

So sánh kinh tế - kỹ thuật giữa hai phương án máy biến áp 22/0,4 kV:

  • Phương án 1: Đặt 2 máy biến áp công suất $2 \times 180\text{ kVA}$. Vốn đầu tư thiết bị là 172 triệu đồng; tổng tổn thất điện năng hàng năm $\Delta A = 23.651,91\text{ kWh}$.
  • Phương án 2: Đặt 1 máy biến áp công suất $1 \times 400\text{ kVA}$. Vốn đầu tư thiết bị là 137,9 triệu đồng; tổng tổn thất điện năng hàng năm $\Delta A = 19.265,1\text{ kWh}$.
  • Kết luận: Phương án 2 (dùng 1 máy biến áp $400\text{ kVA}$) có vốn đầu tư ban đầu thấp hơn và tổn hao điện năng hàng năm nhỏ hơn, nên được chọn làm phương án thực thi.
Chỉ tiêu so sánh Phương án 1 ($2 \times 180\text{ kVA}$) Phương án 2 ($1 \times 400\text{ kVA}$)
Dung lượng định mức ($S_{dmBA}$) $2 \times 180\text{ kVA}$ $1 \times 400\text{ kVA}$
Tổn thất không tải ($\Delta P_0$) $0,53\text{ kW}$ $0,84\text{ kW}$
Tổn thất ngắn mạch ($\Delta P_k$) $3,15\text{ kW}$ $5,75\text{ kW}$
Vốn đầu tư ban đầu ($V$) 172 triệu đồng 137,9 triệu đồng
Tổn thất điện năng năm ($\Delta A$) $23.651,91\text{ kWh}$ $19.265,1\text{ kWh}$

Cấu trúc mạng điện và lựa chọn cáp dẫn

Mạng điện hạ áp phân xưởng được thiết kế theo sơ đồ hình tia từ trạm biến áp đến tủ phân phối chính và từ tủ phân phối chính đến 4 tủ động lực để bảo đảm độ tin cậy cung cấp điện, dễ bảo dưỡng và tự động hóa. Từ các tủ động lực đến các máy công cụ áp dụng sơ đồ hỗn hợp (các máy công suất lớn cấp điện độc lập, các máy công suất nhỏ ghép theo sơ đồ liên thông). Toàn bộ cáp hạ áp cách điện PVC do hãng LENS chế tạo:

  • Tuyến từ trạm biến áp về tủ phân phối chính ($L = 26\text{ m}$): Dòng tính toán $449,84\text{ A}$, hệ số hiệu chỉnh $K = 0,8 \Rightarrow I_{cp} \ge 562\text{ A}$. Chọn cáp đồng 1 lõi $1 \times 300$, tiết diện định mức $F_{dm} = 240\text{ mm}^2$, có dòng cho phép $I_{cp} = 599\text{ A}$.
  • Tuyến cấp tủ động lực 1 ($L = 6\text{ m}$): Dòng tính toán $99,6\text{ A}$, chọn cáp đồng PVC-25 tiết diện $25\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 144\text{ A}$).
  • Tuyến cấp tủ động lực 2 ($L = 22\text{ m}$): Dòng tính toán $140\text{ A}$, chọn cáp đồng PVC-50 tiết diện $50\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 206\text{ A}$).
  • Tuyến cấp tủ động lực 3 ($L = 16\text{ m}$): Dòng tính toán $116,3\text{ A}$, chọn cáp đồng PVC-35 tiết diện $35\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 174\text{ A}$).
  • Tuyến cấp tủ động lực 4 ($L = 16\text{ m}$): Dòng tính toán $119,4\text{ A}$, chọn cáp đồng PVC-35 tiết diện $35\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 174\text{ A}$).
  • Mạng từ tủ động lực đến động cơ: Đặt cáp ngầm trong hào sâu $30\text{ cm}$. Tuyến nhánh 1 nhóm 1 dùng cáp $1 \times 1,5\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 31\text{ A}$); tuyến nhánh 2 nhóm 1 dùng cáp $1 \times 25\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 144\text{ A}$).

Kiểm tra tổn thất điện áp trên tuyến xa nhất:

  • Đoạn từ trạm biến áp đến tủ phân phối chính ($L = 26\text{ m}$): $\Delta U = 2,36\text{ V} \Rightarrow \Delta U% = 0,59%$.
  • Đoạn từ tủ phân phối chính đến tủ động lực nhóm 3 ($L = 34,5\text{ m}$): $\Delta U = 3,9\text{ V} \Rightarrow \Delta U% = 0,97%$.
  • Đoạn từ tủ động lực 4 đến động cơ 5B xa nhất ($L = 27,5\text{ m}$): $\Delta U = 4,53\text{ V} \Rightarrow \Delta U% = 1,13%$.
  • Tổng tổn thất điện áp tích lũy đến điểm tiêu thụ bất lợi nhất: $\Delta U_{\Sigma}% = 0,59% + 0,97% + 1,13% = 2,69% \approx 3% < 5%$ (thỏa mãn tiêu chuẩn kỹ thuật).

Lựa chọn khí cụ đóng cắt và thanh cái

Toàn bộ thiết bị bảo vệ đóng cắt sử dụng sản phẩm của hãng Merlin Gerin:

  • Áptômát tổng tủ phân phối chính: Loại NS600E (3 cực, dòng định mức $I_{dm} = 600\text{ A}$, điện áp định mức $U_{dm} = 500\text{ V}$, dòng cắt ngắn mạch định mức $I_N = 15\text{ kA}$).
  • Thanh cái hạ áp trạm biến áp: Thanh cái đồng kích thước $50 \times 5\text{ mm}^2$, tiết diện $250\text{ mm}^2$, dòng điện cho phép một thanh mỗi pha đạt $860\text{ A}$.
  • Áptômát cấp nguồn cho 4 tủ động lực (tại tủ phân phối chính): Loại NS160L (3 cực, $I_{dm} = 160\text{ A}$, $U_{dm} = 690\text{ V}$, dòng cắt $I_N = 50\text{ kA}$).
  • Áptômát tổng tại các tủ động lực: Sử dụng tương tự loại NS160L (3 cực, $160\text{ A}$, $690\text{ V}$, $50\text{ kA}$).
  • Áptômát bảo vệ các tuyến nhánh động cơ: Chọn loại NS100H (3 cực, $I_{dm} = 100\text{ A}$, $U_{dm} = 690\text{ V}$, $I_N = 10\text{ kA}$) cùng các dòng C60a, NC100H cho từng động cơ cụ thể.

Tính toán ngắn mạch hạ áp

Với giả thiết công suất ngắn mạch phía nguồn $S_{sc} = 250\text{ MVA}$, tổng trở quy đổi của hệ thống nguồn là $Z_{NM} = X_{NM} = 0,64\text{ m}\Omega$ ($R_{NM} = 0$). Các thành phần điện trở và điện kháng gồm: máy biến áp ($R_T = 8\text{ m}\Omega$, $X_T = 16\text{ m}\Omega$), áptômát ($R_{CB} = 0,094\text{ m}\Omega$, $X_{CB} = 0,12\text{ m}\Omega$), thanh cái ($R_{tc} = 0,08\text{ m}\Omega$, $X_{tc} = 0,137\text{ m}\Omega$).

  • Tại điểm đặt áptômát tổng: Tổng điện trở $R_N = 8,17\text{ m}\Omega$, tổng điện kháng $X_N = 16,897\text{ m}\Omega$, tổng trở ngắn mạch $Z_N = \sqrt{(8,17)^2 + (16,897)^2} = 18,8\text{ m}\Omega$. Dòng ngắn mạch ba pha duy trì: $$I_N^{(3)} = \frac{U_{dm}}{\sqrt{3} \cdot Z_N} = \frac{400}{\sqrt{3} \cdot 18,8 \cdot 10^{-3}} = 12,3\text{ kA}$$
  • Tại điểm đặt các áptômát nhánh tủ động lực (ATM 2, 3, 4, 5): Tổng điện trở $R_{N1} = 8,1\text{ m}\Omega$, tổng điện kháng $X_{N1} = 17,23\text{ m}\Omega$, tổng trở ngắn mạch $Z_{N1} = 19\text{ m}\Omega$. Dòng ngắn mạch ba pha duy trì: $$I_{N1}^{(3)} = \frac{U_{dm}}{\sqrt{3} \cdot Z_{N1}} = \frac{400}{\sqrt{3} \cdot 19 \cdot 10^{-3}} = 12,15\text{ kA}$$ Dòng cắt định mức của các khí cụ đã chọn ($15\text{ kA}$ cho ATM tổng và $50\text{ kA}$ cho các ATM nhánh tủ động lực) đều lớn hơn dòng ngắn mạch tính toán, bảo đảm an toàn cắt sự cố.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Chương 1 chiếm dung lượng chủ đạo của khóa luận (từ trang 9 đến trang 50), tập trung vào toàn bộ các bước tính toán thiết kế kỹ thuật truyền thống:

  • Giới thiệu mặt bằng phân xưởng cơ khí diện tích $972\text{ m}^2$, danh mục thông số của 42 máy công cụ ba pha.
  • Phân chia 42 thiết bị thành 4 nhóm phụ tải; trình bày cơ sở lý thuyết các phương pháp xác định phụ tải tính toán; áp dụng phương pháp số thiết bị hiệu quả $n_{hq}$ tính toán chi tiết công suất tác dụng, phản kháng và dòng điện cho từng nhóm (Nhóm 1: $63,62\text{ kW}$; Nhóm 2: $88,56\text{ kW}$; Nhóm 3: $77,46\text{ kW}$; Nhóm 4: $75,1\text{ kW}$).
  • Tổng kết phụ tải phân xưởng: $P_{ttpx} = 274,266\text{ kW}$, $S_{ttpx} = 311,66\text{ kVA}$, $I_{ttpx} = 449,84\text{ A}$.
  • Tính toán tọa độ tâm phụ tải các nhóm và toàn xưởng; dịch chuyển vị trí thực tế của tủ động lực 1 về ($7\text{ m}; 18\text{ m}$) và tủ phân phối chính về ($22\text{ m}; 18\text{ m}$).
  • Tính chọn điện áp truyền tải $22\text{ kV}$; so sánh kinh tế - kỹ thuật hai phương án máy biến áp và quyết định chọn 1 máy biến áp $400\text{ kVA} - 22/0,4\text{ kV}$ đặt ngoài sát tường.
  • Phân tích ưu nhược điểm của sơ đồ hình tia và sơ đồ phân nhánh; lựa chọn sơ đồ hình tia cho mạng phân phối chính và sơ đồ hỗn hợp cho mạng động lực.
  • Tính chọn cáp hạ áp LENS đi trên máng và đi ngầm trong hào; kiểm tra tổn thất điện áp cho thấy tổng độ sụt áp tích lũy tại điểm xa nhất là $3% < 5%$.
  • Tính chọn thanh cái đồng $50 \times 5\text{ mm}^2$ và các áptômát Merlin Gerin (NS600E, NS160L, NS100H).
  • Thiết lập sơ đồ thay thế và tính toán dòng ngắn mạch ba pha tại áptômát tổng ($12,3\text{ kA}$) và các áptômát nhánh ($12,15\text{ kA}$).

Chương 2: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ECODIAL

Theo đề cương và mục lục khóa luận, Chương 2 dành cho nội dung ứng dụng công cụ tin học chuyên ngành trong thiết kế hệ thống điện:

  • Giới thiệu tổng quan về phần mềm Ecodial của tập đoàn Schneider Electric, các thông số đầu vào cần thiết và thư viện các phần tử chuẩn (nguồn, máy biến áp, đường cáp, khí cụ bảo vệ, tải động cơ).
  • Trình bày quy trình và trình tự thao tác tính toán thiết kế trên phần mềm.
  • Ứng dụng Ecodial cho phân xưởng cơ khí: Thiết lập dự án mới, nhập các thông số ban đầu; xây dựng sơ đồ đơn tuyến tổng thể; thiết lập cấu hình sơ đồ nguồn cung cấp; thiết lập các sơ đồ nhánh 1, nhánh 2, nhánh 3 và nhánh 4 tương ứng với các nhóm phụ tải đã phân chia; xuất và in kết quả tính toán mô phỏng hệ thống điện.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã hoàn thành các chỉ tiêu thiết kế kỹ thuật cung cấp điện với hệ thống số liệu cụ thể:

  • Xác định chính xác thông số phụ tải tính toán của toàn bộ 42 thiết bị phân xưởng cơ khí: $P_{tt} = 274,266\text{ kW}$, $S_{tt} = 311,66\text{ kVA}$, $Q_{tt} = 148\text{ kVAR}$, $\cos\varphi = 0,88$, dòng điện làm việc định mức $I_{tt} = 449,84\text{ A}$.
  • Lựa chọn giải pháp trạm biến áp tối ưu: Sử dụng 1 máy biến áp $400\text{ kVA} - 22/0,4\text{ kV}$ giúp tiết kiệm vốn đầu tư ban đầu ($137,9$ triệu đồng so với $172$ triệu đồng của phương án 2 máy $180\text{ kVA}$) và giảm tổn thất điện năng hàng năm ($19.265,1\text{ kWh}$ so với $23.651,91\text{ kWh}$).
  • Đưa ra giải pháp không gian hợp lý: Bố trí máy biến áp ngoài trời sát vách phân xưởng nhằm giải quyết bài toán mật độ máy móc bên trong quá cao; điều chỉnh vị trí các tủ điện từ tâm phụ tải lý thuyết về các vách cột thuận tiện thao tác và bảo đảm mỹ quan công nghiệp.
  • Hoàn thành thiết kế mạng lưới cáp và bảo vệ đồng bộ: Toàn bộ cáp chọn (từ cáp tổng $1 \times 240\text{ mm}^2$ đến các cáp phân phối $25\text{ mm}^2, 35\text{ mm}^2, 50\text{ mm}^2$) đều bảo đảm điều kiện phát nóng và độ sụt áp cho phép ($\Delta U_{\Sigma}% \approx 3% \le 5%$).
  • Xác định dòng ngắn mạch xung kích và duy trì: Dòng ngắn mạch ba pha tại thanh cái tủ phân phối chính là $12,3\text{ kA}$ và tại các tủ động lực là $12,15\text{ kA}$, làm căn cứ xác nhận độ tin cậy của dãy áptômát Merlin Gerin đã chọn (dòng cắt định mức từ $15\text{ kA}$ đến $50\text{ kA}$).
  • Về mặt học thuật và phương pháp: Tác giả đã kết hợp phương pháp tính toán giải tích truyền thống theo các tiêu chuẩn kỹ thuật với việc ứng dụng công cụ phần mềm chuyên dụng Ecodial để số hóa sơ đồ đơn tuyến và tính toán mạng hạ áp công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài dựa trên nội dung và phạm vi văn bản:

  • Văn bản chủ động bỏ qua phụ tải chiếu sáng của phân xưởng trong các công thức tính toán, coi toàn bộ phụ tải phân xưởng bằng phụ tải động lực. Điều này dẫn đến sự chênh lệch nhỏ so với tổng công suất vận hành thực tế của một phân xưởng công nghiệp hoàn chỉnh.
  • Quá trình tính toán dung lượng bù công suất phản kháng chưa được đề cập chi tiết trong các mục tính toán số liệu của văn bản dù hệ số công suất tự nhiên toàn xưởng đạt $\cos\varphi = 0,88$.
  • Các công thức xác định hệ số cực đại $K_{max}$ và hệ số nhu cầu phụ thuộc nhiều vào việc tra bảng các sổ tay quy chuẩn cũ; tính toán ngắn mạch dừng lại ở chế độ ngắn mạch đối xứng ba pha phía hạ áp với các giá trị quy đổi gần đúng của tổng trở nguồn.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:

  • Bổ sung thiết kế hệ thống chiếu sáng sản xuất, chiếu sáng bảo vệ và chiếu sáng sự cố cho phân xưởng cơ khí để hoàn thiện bài toán cung cấp điện.
  • Nghiên cứu tính toán và lựa chọn dung lượng tủ tụ bù hạ áp tự động để nâng cao hệ số công suất $\cos\varphi$ lên trên $0,95$, giảm tổn thất điện áp và điện năng.
  • Khai thác sâu các tính năng nâng cao của phần mềm Ecodial trong việc phân tích sóng hài, phối hợp bảo vệ chọn lọc theo đặc tuyến thời gian - dòng điện giữa các cấp áptômát và kiểm tra sự cố ngắn mạch không đối xứng.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện, Điện - Điện tử, Điện Công nghiệp và Hệ thống Điện khi thực hiện đồ án môn học Thiết kế cung cấp điện hoặc đồ án tốt nghiệp mạng điện hạ áp công nghiệp.
  • Kỹ sư thiết kế cơ điện (MEP) và kỹ sư vận hành nhà xưởng trong việc tra cứu quy trình tính chọn thiết bị đóng cắt, kiểm tra sụt áp mạng hạ thế và phương pháp đi dây công nghiệp.

Các phần có giá trị tham khảo chuyên môn cao trong tài liệu:

  • Quy trình áp dụng phương pháp số thiết bị hiệu quả $n_{hq}$ để xác định phụ tải tính toán qua từng bước cụ thể đối với nhóm máy công cụ thực tế.
  • Bảng biểu tính toán so sánh kinh tế - kỹ thuật lựa chọn dung lượng và số lượng máy biến áp phân xưởng.
  • Bảng thông số tra cứu lựa chọn thiết bị thực tế từ các nhà sản xuất thiết bị đóng cắt (Merlin Gerin) và cáp điện hạ áp (LENS).
  • Chuỗi phép tính kiểm tra sụt áp từng đoạn từ đầu nguồn máy biến áp đến điểm phụ tải xa nhất.

Câu hỏi thường gặp

1. Phân xưởng sửa chữa cơ khí trong đồ án có quy mô và đặc điểm phụ tải như thế nào?

Phân xưởng có tổng diện tích mặt bằng $972\text{ m}^2$ (kích thước $54\text{ m} \times 18\text{ m}$, chiều cao $5\text{ m}$). Hệ thống gồm 42 máy công cụ sử dụng động cơ ba pha có công suất định mức từ $2\text{ kW}$ đến $20\text{ kW}$, được chia thành 4 nhóm phụ tải động lực với tổng công suất tác dụng tính toán toàn xưởng là $274,266\text{ kW}$.

2. Vì sao tác giả lựa chọn phương án lắp đặt 1 máy biến áp 400 kVA thay vì 2 máy biến áp 180 kVA?

Khi so sánh kinh tế - kỹ thuật, phương án 1 máy biến áp $400\text{ kVA}$ có vốn đầu tư thiết bị ban đầu thấp hơn (137,9 triệu đồng so với 172 triệu đồng) và tổn hao điện năng hàng năm nhỏ hơn ($19.265,1\text{ kWh}$ so với $23.651,91\text{ kWh}$), đồng thời máy bảo đảm tốt khả năng mang tải bình thường và chịu quá tải cho phép của phân xưởng.

3. Vị trí đặt máy biến áp và các tủ điện được bố trí như thế nào trên thực tế?

Do mật độ thiết bị bên trong xưởng dày đặc, máy biến áp được bố trí ngoài nhà xưởng ngay sát vách tường. Vị trí các tủ điện sau khi tính toán tâm phụ tải lý thuyết đã được điều chỉnh về các tọa độ thuận lợi cho vận hành và mỹ quan: tủ phân phối chính đặt tại tọa độ ($X = 22\text{ m}; Y = 18\text{ m}$) và tủ động lực 1 đặt tại tọa độ ($X = 7\text{ m}; Y = 18\text{ m}$).

4. Kết quả kiểm tra tổn thất điện áp đến phụ tải xa nhất có đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật không?

Có. Tổng độ sụt áp từ trạm biến áp qua tủ phân phối chính, đến tủ động lực nhóm 3 và kéo dài đến động cơ xa nhất (động cơ 5B thuộc nhóm 4) có giá trị tích lũy là $0,59% + 0,97% + 1,13% = 2,69% \approx 3%$, hoàn toàn nằm trong giới hạn cho phép ($\le 5%$).

5. Dòng ngắn mạch ba pha tính toán tại tủ phân phối chính là bao nhiêu và thiết bị bảo vệ được chọn loại nào?

Dòng ngắn mạch ba pha tính toán tại thanh cái đặt áptômát tổng của tủ phân phối chính là $12,3\text{ kA}$. Thiết bị được lựa chọn để bảo vệ là áptômát khối 3 cực loại NS600E của hãng Merlin Gerin, có dòng định mức $600\text{ A}$ và khả năng cắt ngắn mạch định mức $15\text{ kA}$, bảo đảm khả năng ngắt sự cố an toàn.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lê Quang Tuấn đã giải quyết bài toán thiết kế cung cấp điện hạ áp cho phân xưởng sửa chữa cơ khí diện tích $972\text{ m}^2$ thông qua quy trình tính toán kỹ thuật hoàn chỉnh và logic. Hệ thống các thông số từ phụ tải tính toán ($P_{ttpx} = 274,266\text{ kW}$), trạm biến áp ($1 \times 400\text{ kVA} - 22/0,4\text{ kV}$), dây cáp dẫn điện đến các khí cụ đóng cắt và bảo vệ ngắn mạch đều được tính chọn chuẩn xác theo các quy phạm hiện hành. Việc tích hợp giữa phương pháp giải tích truyền thống và định hướng ứng dụng phần mềm Ecodial mang lại giá trị thực tiễn cao cho công tác đào tạo và thiết kế kỹ thuật điện công nghiệp.