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 lĩnh vực kinh tế quốc dân, đặc biệt là khu vực sản xuất công nghiệp, không ngừng gia tăng. Ngành công nghiệp là một trong các ngành kinh tế trọng điểm được ưu tiên đầu tư phát triển nhằm đáp ứng mục tiêu công nghiệp hóa. Đối với các cơ sở sản xuất công nghiệp, mạng lưới cung cấp điện đóng vai trò cốt lõi trong việc duy trì dây chuyền vận hành ổn định. Phần lớn phụ tải trong môi trường sản xuất công nghiệp thuộc phụ tải loại 1 và loại 2, đòi hỏi mức độ tin cậy cung cấp điện cao và chất lượng điện áp đạt chuẩn kỹ thuật. Do đó, công tác thiết kế hệ thống cung cấp điện đòi hỏi độ chính xác cao, tính toán chặt chẽ từ khâu xác định phụ tải đến lựa chọn thiết bị nhằm cân đối giữa chỉ tiêu kỹ thuật và hiệu quả kinh tế.

Đề tài khóa luận tốt nghiệp được thực hiện nhằm giải quyết bài toán thiết kế mạng điện hạ áp cho một phân xưởng cơ khí điển hình, kết hợp giữa phương pháp giải tích truyền thống và ứng dụng phần mềm chuyên ngành Ecodial để tự động hóa tính toán, mô phỏng và kiểm tra hệ thống.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Khảo sát đặc điểm mặt bằng, công nghệ sản xuất và thống kê thông số kỹ thuật của 42 thiết bị động cơ 3 pha trong phân xưởng sửa chữa cơ khí.
  2. Phân chia 42 thiết bị thành 4 nhóm phụ tải động lực tương ứng với mặt bằng bố trí máy móc.
  3. Xác định phụ tải tính toán cho từng nhóm thiết bị và toàn bộ phân xưởng bằng phương pháp số thiết bị hiệu quả ($n_{hq}$) kết hợp hệ số cực đại ($K_{max}$) và công suất trung bình ($P_{tb}$).
  4. Xác định tọa độ tâm phụ tải của từng nhóm và toàn phân xưởng để định vị tối ưu tủ phân phối chính và các tủ động lực.
  5. Xác định cấp điện áp truyền tải từ nguồn trung gian (22 kV) và tính chọn vị trí, số lượng, dung lượng định mức của máy biến áp phân xưởng thông qua so sánh kinh tế - kỹ thuật giữa 2 phương án.
  6. Vạch phương án đi dây mạng điện hạ áp theo sơ đồ hình tia kết hợp sơ đồ hỗn hợp.
  7. Tính chọn tiết diện dây dẫn và cáp điện hạ áp (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 từng động cơ); kiểm tra điều kiện tổn thất điện áp cho phép ($\Delta U% \le 5%$).
  8. Tính chọn và phối hợp các khí cụ đóng cắt, bảo vệ (áptômát tổng, áptômát nhánh, thanh cái đồng, khởi động từ, rơle nhiệt).
  9. Tính toán dòng ngắn mạch 3 pha tại các điểm đặt khí cụ đóng cắt chính để kiểm tra độ bền nhiệt và khả năng cắt của thiết bị.
  10. Ứng dụng phần mềm Ecodial để thiết lập sơ đồ đơn tuyến, cấu hình thông số nguồn, cáp, thiết bị bảo vệ và kiểm chứng toàn bộ hệ thống phân phối điện của phân xưởng.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống cung cấp điện động lực cho phân xưởng sửa chữa cơ khí gồm 42 máy công cụ sử dụng động cơ 3 pha, với dải công suất định mức từ 1,4 kW đến 20 kW.

Phạm vi nghiên cứu:

  • Không gian: Mặt bằng phân xưởng cơ khí có diện tích $972\text{ m}^2$ (kích thước chiều dài 54 m $\times$ chiều rộng 18 m, chiều cao 5 m tính từ mặt đất), bao gồm 1 cửa chính và 4 cửa phụ, bên trong có bố trí khu vực kho, khu chế xuất và khu vực đặt thiết bị gia công; nguồn điện cấp cho phân xưởng được lấy từ trạm biến áp hạ áp 22/0,4 kV đặt ngoài nhà sát tường, cách trạm biến áp trung gian 5 km.
  • Nội dung: Đồ án tập trung vào hệ thống phụ tải động lực của phân xưởng và chủ động bỏ qua phụ tải chiếu sáng trong quá trình tính toán dung lượng nguồn và thiết bị.
  • Thời gian: Nghiên cứu được hoàn thành vào tháng 5 năm 2014 tại Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại học Thủ Dầu Một.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết tính toán cung cấp điện trong khóa luận dựa trên các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật điện công nghiệp và các giáo trình chuyên ngành:

  • Khái niệm phụ tải tính toán: Phụ tải tính toán ($P_{tt}, Q_{tt}, S_{tt}, I_{tt}$) 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. Việc lựa chọn thiết bị điện theo phụ tải tính toán đảm bảo an toàn về mặt phát nóng lâu dài mà không gây lãng phí công suất nguồn.
  • Đánh giá và lựa chọn phương pháp tính phụ tải: Tác giả phân tích 3 phương pháp xác định phụ tải thường dùng:
    • Phương pháp theo công suất đặt và hệ số nhu cầu ($K_{nc}$): Đơn giản nhưng độ chính xác thấp do $K_{nc}$ cố định, không phản ánh sự thay đổi chế độ vận hành.
    • Phương pháp theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích sản xuất ($P_0$): Thường chỉ áp dụng cho thiết kế sơ bộ hoặc chiếu sáng.
    • Phương pháp theo hệ số cực đại $K_{max}$ và công suất trung bình $P_{tb}$ (phương pháp số thiết bị hiệu quả $n_{hq}$): Phương pháp này phản ánh đầy đủ ảnh hưởng của số lượng thiết bị, thiết bị có công suất lớn nhất và chế độ làm việc. Do đã biết rõ vị trí, công suất đặt và chế độ làm việc của từng máy trong phân xưởng, tác giả chọn phương pháp này để tính toán phụ tải động lực.
  • Công thức thực nghiệm xác định cấp điện áp truyền tải kinh tế: $$U = 4,34 \cdot \sqrt{l + 16P}$$ Trong đó $l$ là khoảng cách truyền tải (km) và $P$ là công suất truyền tải (MW).
  • Nguyên lý xác định tọa độ tâm phụ tải: $$X = \frac{\sum (P_{đmi} \cdot X_i)}{\sum P_{đmi}}, \quad Y = \frac{\sum (P_{đmi} \cdot Y_i)}{\sum P_{đmi}}$$ Tọa độ tâm phụ tải được dùng để định vị tủ phân phối nhằm giảm thiểu tổn thất công suất và tổn thất điện áp trên đường dây.
  • Phương pháp chọn dây dẫn và cáp hạ áp: Chọn theo điều kiện dòng điện phát nóng lâu dài cho phép kết hợp các hệ số hiệu chỉnh môi trường và phương thức lắp đặt ($I_{cp} \ge I_{tt} / K$), sau đó kiểm tra lại theo điều kiện tổn thất điện áp cho phép ($\Delta U% \le 5% \cdot U_{đm}$).
  • Lý thuyết tính toán ngắn mạch hạ áp: Tính toán trở kháng ngắn mạch của hệ thống nguồn từ công suất ngắn mạch trung áp ($S_{sc} = 250\text{ MVA}$), điện trở và điện kháng của máy biến áp, thanh cái và tiếp điểm áptômát để xác định dòng ngắn mạch 3 pha duy trì ($I_N^{(3)}$).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được thực hiện qua các bước:

  • Phương pháp giải tích kết hợp tra cứu sổ tay tiêu chuẩn: Sử dụng công thức lý thuyết kết hợp tra bảng hệ số $K_{max}$, hệ số sử dụng $K_{sd}$, thông số cáp đồng của hãng LENS, thông số áptômát của hãng Merlin Gerin (Schneider Electric) theo sổ tay của PGS. TS. Ngô Hồng Quang.
  • Phương pháp so sánh chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật: So sánh vốn đầu tư ban đầu ($V$) và tổn thất điện năng hàng năm ($\Delta A$) giữa phương án dùng 2 máy biến áp $2 \times 180\text{ kVA}$ và 1 máy biến áp $1 \times 400\text{ kVA}$.
  • Phương pháp thiết kế có sự trợ giúp của máy tính (CAD/CAE): Sử dụng phần mềm chuyên dụng Ecodial để nhập dữ liệu mạng điện, xây dựng sơ đồ đơn tuyến, mô phỏng chế độ làm việc và phối hợp bảo vệ.

Nguồn dữ liệu:

  • Danh mục và mặt bằng bố trí 42 động cơ của phân xưởng sửa chữa cơ khí.
  • Bảng thông số kỹ thuật thiết bị điện trong các tài liệu tham khảo: Sổ tay tra cứu thiết bị điện 0,4 – 500 kV (Ngô Hồng Quang), Thiết kế cấp điện (Ngô Hồng Quang – Vũ Văn Tẩm, NXB KH&KT, 2008), Giáo trình Cung cấp điện (Nguyễn Xuân Phú), Hướng dẫn đồ án môn học thiết kế cung cấp điện (Dương Lan Hương – Phan Thị Thanh Bình – Phan Thị Thu Vân), Tài liệu Hệ thống cung cấp điện (Phạm Hồng Thanh, ĐH Thủ Dầu Một).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đồ án tốt nghiệp

Nội dung Chương 1 tập trung toàn bộ khối lượng tính toán kỹ thuật truyền thống cho hệ thống điện phân xưởng cơ khí, bao gồm 8 phần chi tiết:

  1. Đặc điểm phân xưởng và thiết bị: Phân xưởng có diện tích $972\text{ m}^2$ ($54\text{ m} \times 18\text{ m} \times 5\text{ m}$), gồm 42 máy công cụ sử dụng động cơ 3 pha, công suất từ 1,4 kW đến 20 kW. Phân xưởng được chia thành 4 nhóm phụ tải.
Ký hiệu trên mặt bằng Số lượng máy $P_{đm}$ mỗi máy (kW) $\cos\varphi$ $K_{sd}$
1 4 2,0 0,80 0,60
2 4 4,0 0,85 0,70
3 2 16,0 0,90 0,80
4 2 16,0 0,95 0,80
5 2 8,0 0,80 0,70
6 4 12,0 0,80 0,60
7 5 1,4 0,90 0,60
8 4 16,0 0,95 0,70
9 5 1,8 0,80 0,80
10 3 1,7 0,85 0,70
11 2 19,0 0,85 0,60
12 5 20,0 0,90 0,80
  1. Phân nhóm phụ tải và xác định phụ tải tính toán:
  • Nhóm 1: Gồm 9 máy (4 máy 2 kW, 1 máy 4 kW, 2 máy 12 kW, 1 máy 16 kW, 1 máy 19 kW), tổng công suất đặt $\sum P_{đm} = 71\text{ kW}$. Tính toán được $K_{sd} = 0,64$; $\cos\varphi = 0,86$; $n_{hq} = 5,38 > 4 \rightarrow K_{max} = 1,41$; $P_{tb} = 45,44\text{ kW}$; $P_{tt} = 63,62\text{ kW}$; $Q_{tt} = 37,8\text{ kVAr}$; $S_{tt} = 74,01\text{ kVA}$; $I_{tt} = 106,8\text{ A}$.
  • Nhóm 2: Gồm 8 máy (1 máy 12 kW, 2 máy 16 kW, 3 máy 4 kW, 2 máy 20 kW), tổng công suất đặt $\sum P_{đm} = 96\text{ kW}$. Tính toán được $K_{sd} = 0,75$; $\cos\varphi = 0,87$; $n_{hq} = 6,11 > 4 \rightarrow K_{max} = 1,23$; $P_{tb} = 72\text{ kW}$; $P_{tt} = 88,56\text{ kW}$; $Q_{tt} = 50,22\text{ kVAr}$; $S_{tt} = 101,81\text{ kVA}$; $I_{tt} = 146,95\text{ A}$.
  • Nhóm 3: Gồm 8 máy (2 máy 4 kW, 2 máy 20 kW, 2 máy 1,7 kW, 1 máy 12 kW, 2 máy 16 kW (tính gộp)), tổng công suất đặt $\sum P_{đm} = 91\text{ kW}$. Tính toán được $K_{sd} = 0,76$; $\cos\varphi = 0,95$; $n_{hq} = 5,5 > 4 \rightarrow K_{max} = 1,12$; $P_{tb} = 69,16\text{ kW}$; $P_{tt} = 77,46\text{ kW}$; $Q_{tt} = 25,46\text{ kVAr}$; $S_{tt} = 81,52\text{ kVA}$; $I_{tt} = 117,68\text{ A}$.
  • Nhóm 4: Gồm 17 máy (5 máy 1,8 kW, 1 máy 16 kW, 1 máy 1,7 kW, 5 máy 1,4 kW, 2 máy 8 kW, 1 máy 19 kW, 1 máy 20 kW), tổng công suất đặt $\sum P_{đm} = 88,7\text{ kW}$. Tính toán được $K_{sd} = 0,70$; $\cos\varphi = 0,87$; $n_{hq} = 6,7 > 4 \rightarrow K_{max} = 1,21$; $P_{tb} = 62,09\text{ kW}$; $P_{tt} = 75,1\text{ kW}$; $Q_{tt} = 34,77\text{ kVAr}$; $S_{tt} = 82,75\text{ kVA}$; $I_{tt} = 119,43\text{ A}$.
Đại lượng phụ tải Nhóm 1 Nhóm 2 Nhóm 3 Nhóm 4 Tổng số trước ĐT Toàn phân xưởng ($K_{đt}=0,9$)
Hệ số sử dụng $K_{sd}$ 0,64 0,75 0,76 0,70 - -
Hệ số công suất $\cos\varphi$ 0,86 0,87 0,95 0,87 - 0,88
$P_{tt}$ (kW) 63,62 88,56 77,46 75,10 304,74 274,266
$Q_{tt}$ (kVAr) 37,80 50,22 25,46 34,77 124,05 148,00
$S_{tt}$ (kVA) 74,01 101,81 81,52 82,75 329,65 311,66
$I_{tt}$ (A) 106,80 146,95 117,68 119,43 475,79 449,84

  1. Xác định tâm phụ tải: Tọa độ tính toán của tủ động lực 1 là $X = 11,2\text{ m}; Y = 14,67\text{ m}$, được dời về vị trí thực tế tại $X = 7\text{ m}; Y = 18\text{ m}$. Tọa độ tâm phụ tải toàn phân xưởng được tính toán và điều chỉnh về vị trí tủ phân phối chính (TPPC) tại $X = 22\text{ m}; Y = 18\text{ m}$ để thuận tiện vận hành và đảm bảo mỹ quan.

  2. Tính chọn máy biến áp 22/0,4 kV: Cấp điện áp truyền tải được xác định qua công thức thực nghiệm với khoảng cách $l = 5\text{ km}$, $P = 0,27426\text{ MW}$ là $U = 4,34 \cdot \sqrt{5 + 16 \cdot 0,27426} = 13,29\text{ kV} \rightarrow$ chuẩn hóa lên cấp điện áp 22 kV. So sánh kinh tế - kỹ thuật giữa 2 phương án máy biến áp:

Chỉ tiêu so sánh Phương án 1 (2 máy biến áp) Phương án 2 (1 máy biến áp)
Công suất định mức $2 \times 180\text{ kVA}$ $1 \times 400\text{ kVA}$
Tổn thất công suất không tải $\Delta P_0$ (kW) 0,53 0,84
Tổn thất công suất ngắn mạch $\Delta P_k$ (kW) 3,15 5,75
Vốn đầu tư trạm $V$ ($10^6$ VNĐ) 172,0 137,9
Tổn thất điện năng hàng năm $\Delta A$ (kWh) 23.651,91 19.265,10

Phương án 2 có tổn thất điện năng thấp hơn và vốn đầu tư ban đầu tiết kiệm hơn, do đó trạm biến áp phân xưởng được chọn gồm 1 máy biến áp $1 \times 400\text{ kVA} - 22/0,4\text{ kV}$, bố trí ngoài nhà xưởng ngay sát tường.

  1. Vạch phương án đi dây và chọn dây dẫn:
  • Áp dụng sơ đồ hình tia từ TPPC đến 4 tủ động lực. Từ tủ động lực đến các động cơ áp dụng sơ đồ hỗn hợp (phụ tải lớn cấp trực tiếp hình tia, phụ tải nhỏ ghép liên thông).
  • Tuyến cáp từ TBA đến TPPC ($L = 26\text{ m}$, $I_{tt} = 449,84\text{ A}$, $I_{cp} \ge 562\text{ A}$ với hệ số hiệu chỉnh $K = 0,8$): Chọn cáp đồng 1 lõi LENS $1 \times 300$, tiết diện định mức $F_{đm} = 240\text{ mm}^2$, $I_{cp} = 599\text{ A}$.
  • Tuyến cáp từ TPPC đến các tủ động lực (đi trên máng cáp, cáp đồng PVC do hãng LENS chế tạo):
    • Tuyến TPPC – ĐL1 ($L = 6\text{ m}$, $I_{tt} = 99,6\text{ A}$): Chọn cáp PVC-25 ($F_{đm} = 25\text{ mm}^2$, $I_{cp} = 144\text{ A}$).
    • Tuyến TPPC – ĐL2 ($L = 22\text{ m}$, $I_{tt} = 140\text{ A}$): Chọn cáp PVC-50 ($F_{đm} = 50\text{ mm}^2$, $I_{cp} = 206\text{ A}$).
    • Tuyến TPPC – ĐL3 ($L = 16\text{ m}$, $I_{tt} = 116,3\text{ A}$): Chọn cáp PVC-35 ($F_{đm} = 35\text{ mm}^2$, $I_{cp} = 174\text{ A}$).
    • Tuyến TPPC – ĐL4 ($L = 16\text{ m}$, $I_{tt} = 119,4\text{ A}$): Chọn cáp PVC-35 ($F_{đm} = 35\text{ mm}^2$, $I_{cp} = 174\text{ A}$).
  • Cáp từ tủ động lực đến động cơ: Cáp ngầm đặt sâu cách mặt đất 30 cm trong ống luồn. (Nhóm 1 nhánh 1 chọn cáp $F_{đm} = 1,5\text{ mm}^2, I_{cp} = 31\text{ A}$; nhánh 2 chọn cáp $F_{đm} = 25\text{ mm}^2, I_{cp} = 144\text{ A}$).
  1. Kiểm tra tổn thất điện áp:
  • Đoạn từ MBA đến TPPC ($L = 26\text{ m}, S = 251\text{ mm}^2, R = 2,33\text{ m}\Omega, X = 2,08\text{ m}\Omega$): $\Delta U = 2,36\text{ V} \rightarrow \Delta U% = 0,59%$.
  • Đoạn từ TPPC đến tủ ĐL3 ($L = 34,5\text{ m}, S = 39,5\text{ mm}^2, R = 19,5\text{ m}\Omega, X = 2,78\text{ m}\Omega$): $\Delta U = 3,9\text{ V} \rightarrow \Delta U% = 0,97%$.
  • Đoạn từ tủ ĐL4 đến động cơ 5B xa nhất ($l = 27,5\text{ m}, S = 11,3\text{ mm}^2, R = 54,7\text{ m}\Omega, X = 2,2\text{ m}\Omega$): $\Delta U = 4,53\text{ V} \rightarrow \Delta U% = 1,13%$.
  • Tổng tổn thất điện áp trên tuyến xa nhất: $\Delta U% = 0,59% + 0,97% + 1,13% = 2,69% \approx 3% < 5%$, hoàn toàn thỏa mãn điều kiện sụt áp cho phép.
  1. Chọn phối hợp các phần tử đóng cắt:
  • Áptômát tổng tại TPPC: Chọn dòng Compact NS do Merlin Gerin chế tạo, mã NS600E (3 cực, $I_{đm} = 600\text{ A}, U_{đm} = 500\text{ V}, I_N = 15\text{ kA}$).
  • Thanh cái hạ áp MBA: Chọn thanh cái đồng kích thước $50 \times 5\text{ mm}$, tiết diện $250\text{ mm}^2$, khối lượng $2,225\text{ kg/m}$, dòng cho phép mỗi pha $860\text{ A}$.
  • Áptômát nhánh tại TPPC cấp cho 4 tủ động lực và áptômát tổng tại 4 tủ động lực: Chọn mã NS160L (3 cực, $I_{đm} = 160\text{ A}, U_{đm} = 690\text{ V}, I_N = 50\text{ kA}$).
  • Áptômát bảo vệ nhánh động cơ: Chọn mã NS100H (3 cực, $I_{đm} = 100\text{ A}, U_{đm} = 690\text{ V}, I_N = 10\text{ kA}$) kết hợp khởi động từ và rơle nhiệt.
  1. Tính toán ngắn mạch:
  • Chọn công suất ngắn mạch nguồn trung áp $S_{sc} = 250\text{ MVA}$, điện áp định mức $U = 400\text{ V}$. Trở kháng ngắn mạch nguồn $X_{NM} = Z_{NM} = 0,64\text{ m}\Omega$.
  • Điện trở và điện kháng máy biến áp: $R_T = 8\text{ m}\Omega, X_T = 16\text{ m}\Omega$.
  • Ngắn mạch tại điểm đặt áptômát tổng TPPC: $R_N = 8,17\text{ m}\Omega, X_N = 16,897\text{ m}\Omega, Z_N = 18,8\text{ m}\Omega$. Dòng ngắn mạch 3 pha: $$I_N^{(3)} = \frac{U_{đm}}{\sqrt{3} \cdot Z_N} = \frac{400}{\sqrt{3} \cdot 18,8} = 12,3\text{ kA}$$
  • Ngắn mạch tại các điểm đặt áptômát nhánh tủ động lực (ATM 2, 3, 4, 5): $R_{N1} = 8,1\text{ m}\Omega, X_{N1} = 17,23\text{ m}\Omega, Z_{N1} = 19\text{ m}\Omega$. Dòng ngắn mạch 3 pha: $$I_{N1}^{(3)} = \frac{400}{\sqrt{3} \cdot 19} = 12,15\text{ kA}$$ Các dòng ngắn mạch tính toán đều nhỏ hơn khả năng cắt định mức của các áptômát đã chọn ($15\text{ kA}$ và $50\text{ kA}$).

Chương 2: Giới thiệu phần mềm Ecodial

Nội dung Chương 2 tập trung vào việc mô tả công cụ phần mềm Ecodial và quy trình triển khai mô phỏng hệ thống điện phân xưởng:

  1. Giới thiệu phần mềm Ecodial: Tổng quan về công cụ hỗ trợ thiết kế mạng hạ áp theo tiêu chuẩn quốc tế của Schneider Electric; trình bày các thông số đầu vào cần thiết, hệ thống thư viện phần tử tích hợp sẵn trong phần mềm (nguồn lưới, máy biến áp, đường cáp, áptômát, thanh cái, động cơ) và trình tự các bước thao tác tính toán chuẩn hóa trên phần mềm.
  2. Ứng dụng phần mềm Ecodial thiết kế hệ thống điện cho phân xưởng cơ khí:
  • Mở dự án và thiết lập các thông số ban đầu của hệ thống lưới.
  • Xây dựng sơ đồ đơn tuyến tổng thể cho mạng điện phân xưởng.
  • Thiết lập sơ đồ khối nguồn cấp điện (máy biến áp 400 kVA - 22/0,4 kV).
  • Thiết lập thông số và cấu hình sơ đồ cho Nhánh 1 (tủ ĐL1).
  • Thiết lập thông số và cấu hình sơ đồ cho Nhánh 2 (tủ ĐL2).
  • Thiết lập thông số và cấu hình sơ đồ cho Nhánh 3 (tủ ĐL3).
  • Thiết lập thông số và cấu hình sơ đồ cho Nhánh 4 (tủ ĐL4).
  • Chạy tính toán kiểm tra, phân tích độ sụt áp, dòng ngắn mạch và xuất/in kết quả tính toán thiết kế.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống cung cấp điện phân xưởng sửa chữa cơ khí được thiết kế với kiến trúc mạng hạ áp hoàn chỉnh:

[Lưới trung áp 22 kV] 
[Trạm biến áp 1x400 kVA - 22/0,4 kV] (Ngoài nhà sát tường)
[Tủ phân phối chính TPPC] (X=22 m; Y=18 m)

Công nghệ và chủng loại thiết bị được lựa chọn triển khai:

  • Máy biến áp: Máy biến áp phân phối 3 pha $400\text{ kVA} - 22/0,4\text{ kV}$, làm mát tự nhiên, đặt ngoài trời sát tường bao phân xưởng.
  • Dây và cáp điện: Cáp đồng hạ áp cách điện PVC do hãng LENS sản xuất; cáp trục chính đi trên máng cáp công nghiệp; cáp nhánh cấp cho các động cơ được luồn trong ống chôn ngầm cách mặt đất 30 cm.
  • Thiết bị đóng cắt và bảo vệ: Toàn bộ sử dụng khí cụ đóng cắt của hãng Merlin Gerin (Pháp), bao gồm áptômát khối dòng Compact NS (NS600E, NS160L, NS100H, NC100H, C60a); mỗi động cơ được trang bị khởi động từ (KĐT) và rơle nhiệt bảo vệ quá tải nhiệt gắn sẵn trên thân máy.
  • Phần mềm hỗ trợ: Phần mềm Ecodial được sử dụng để xây dựng sơ đồ đơn tuyến, mô phỏng chế độ làm việc và kiểm tra tính chọn thiết bị.

Kết quả kiểm tra điều kiện vận hành kỹ thuật:

  • Điều kiện phát nóng: Dòng điện cho phép của tất cả các tuyến cáp sau khi nhân hệ số hiệu chỉnh đều lớn hơn dòng điện tính toán ($I_{cp} \ge I_{tt} / K$).
  • Điều kiện tổn thất điện áp: Sụt áp tích lũy từ trạm biến áp đến thiết bị xa nhất (động cơ 5B) là $3%$, không vượt quá ngưỡng cho phép $5%$.
  • Điều kiện bền ngắn mạch: Dòng ngắn mạch lớn nhất tại tủ phân phối chính là $12,3\text{ kA}$, thấp hơn dòng cắt danh định $I_N = 15\text{ kA}$ của NS600E; dòng ngắn mạch tại các tủ động lực là $12,15\text{ kA}$, thấp hơn dòng cắt danh định $I_N = 50\text{ kA}$ của NS160L.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đạt được các kết quả kỹ thuật định lượng cụ thể:

  • Xác định chính xác tổng phụ tải tính toán của phân xưởng cơ khí gồm 42 máy: $P_{ttpx} = 274,266\text{ kW}$, $S_{ttpx} = 311,66\text{ kVA}$, $Q_{ttpx} = 148\text{ kVAr}$, dòng điện tính toán toàn phần $I_{ttpx} = 449,84\text{ A}$, hệ số công suất trung bình đạt $\cos\varphi = 0,88$.
  • Lựa chọn giải pháp cấp nguồn tối ưu gồm 1 máy biến áp $1 \times 400\text{ kVA} - 22/0,4\text{ kV}$, mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt so với phương án dùng 2 máy biến áp $2 \times 180\text{ kVA}$ (tiết kiệm $34,1\text{ triệu VNĐ}$ vốn đầu tư ban đầu và giảm $4.386,81\text{ kWh}$ tổn thất điện năng hàng năm).
  • Thiết lập hoàn chỉnh bảng thông số lựa chọn cáp đồng LENS (từ $1,5\text{ mm}^2$ đến $240\text{ mm}^2$) và áptômát Merlin Gerin (NS600E, NS160L, NS100H) cho toàn bộ 4 phân nhóm tải.
  • Tính toán đầy đủ trở kháng và dòng ngắn mạch 3 pha tại các nút chính ($I_N^{(3)} = 12,3\text{ kA}$ và $12,15\text{ kA}$), làm cơ sở khẳng định tính an toàn của thiết bị đã chọn.

Giải pháp và kiến nghị do tác giả đề xuất:

  • Bố trí máy biến áp đặt sát tường phía ngoài nhà xưởng để giải quyết triệt để vấn đề mật độ máy móc cao bên trong diện tích $972\text{ m}^2$, vừa đảm bảo khoảng cách an toàn, vừa thuận tiện cho nguồn điện 22 kV đi tới.
  • Áp dụng cấu trúc sơ đồ hình tia từ tủ phân phối chính đến các tủ động lực để đảm bảo tính độc lập khi vận hành và sửa chữa; sử dụng sơ đồ liên thông cho các cụm máy nhỏ nhằm tiết kiệm lượng cáp sử dụng.
  • Đề xuất trang bị đồng bộ áptômát thay thế cho cầu dao, cầu chì truyền thống nhằm nâng cao độ tin cậy và đáp ứng xu hướng hiện đại hóa mạng điện công nghiệp.

Đóng góp tự nêu của khóa luận:

  • Kết hợp hoàn chỉnh giữa phương pháp giải tích truyền thống (phương pháp số thiết bị hiệu quả) và phần mềm tự động hóa thiết kế Ecodial, tạo thành tài liệu thiết kế có tính thực tiễn cao cho phân xưởng cơ khí.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Đồ án chủ động bỏ qua tính toán phần phụ tải chiếu sáng và các phụ tải sinh hoạt, phụ trợ trong phân xưởng; phụ tải tính toán toàn xưởng được lấy hoàn toàn bằng phụ tải động lực.
  • Các số liệu tính toán dựa trên giả định chế độ làm việc và vị trí máy cố định trên mặt bằng; chưa tính đến các kịch bản thay đổi công nghệ hoặc mở rộng phân xưởng trong tương lai.
  • Các hệ số tính toán (hệ số đồng thời $K_{đt} = 0,9$, hệ số điền kín đồ thị $k_{đk} = 0,571$, suất tiêu hao) chủ yếu dựa trên tra cứu sổ tay thống kê trung bình.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Mở rộng tính toán thiết kế chi tiết mạng điện chiếu sáng phân xưởng và hệ thống chống sét, tiếp địa an toàn.
  • Nghiên cứu giải pháp bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất $\cos\varphi$ của phân xưởng.
  • Khai thác sâu các tính năng nâng cao của phần mềm Ecodial trong việc phân tích sóng hài và đánh giá chất lượng điện năng.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo phù hợp cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện, Điện – Điện Tử, Điện Công Nghiệp đang thực hiện Đồ án môn học Thiết kế cung cấp điện hoặc Đồ án tốt nghiệp đại học/cao đẳng.
  • Kỹ sư thiết kế điện công nghiệp cần tài liệu mẫu về quy trình tính toán phụ tải động lực theo phương pháp số thiết bị hiệu quả ($n_{hq}$), phương pháp so sánh kinh tế - kỹ thuật máy biến áp và phương pháp kiểm tra sụt áp trên mạng hạ áp phân nhánh.
  • Người học cần tài liệu hướng dẫn các bước áp dụng phần mềm Ecodial trong việc thiết lập sơ đồ đơn tuyến và tính chọn khí cụ đóng cắt bảo vệ cho mạng hạ áp.

Câu hỏi thường gặp

1. Phân xưởng cơ khí trong đề tài có quy mô mặt bằng và cơ cấu phụ tải như thế nào? Phân xưởng có tổng diện tích mặt bằng là $972\text{ m}^2$ (chiều dài 54 m $\times$ chiều rộng 18 m, chiều cao 5 m), bao gồm kho, khu chế xuất và khu đặt máy. Toàn bộ phân xưởng có 42 thiết bị sử dụng động cơ 3 pha với dải công suất từ 1,4 kW đến 20 kW, được chia thành 4 nhóm phụ tải với tổng công suất đặt lần lượt là 71 kW, 96 kW, 91 kW và 88,7 kW.

2. Tổng phụ tải tính toán của toàn bộ phân xưởng sau khi xét hệ số đồng thời là bao nhiêu? Với hệ số đồng thời $K_{đt} = 0,9$ và hệ số công suất trung bình $\cos\varphi = 0,88$, phụ tải tính toán toàn phân xưởng gồm: công suất tác dụng $P_{ttpx} = 274,266\text{ kW}$, công suất biểu kiến $S_{ttpx} = 311,66\text{ kVA}$, công suất phản kháng $Q_{ttpx} = 148\text{ kVAr}$ và dòng điện tính toán $I_{ttpx} = 449,84\text{ A}$.

3. Vì sao tác giả chọn phương án 1 máy biến áp 400 kVA thay vì 2 máy biến áp 180 kVA? Dựa trên kết quả so sánh kinh tế - kỹ thuật, phương án 1 máy biến áp $1 \times 400\text{ kVA}$ có tổn thất điện năng hàng năm thấp hơn ($\Delta A = 19.265,1\text{ kWh}$ so với $23.651,91\text{ kWh}$) và vốn đầu tư xây dựng trạm ban đầu thấp hơn ($137,9\text{ triệu VNĐ}$ so với $172,0\text{ triệu VNĐ}$).

4. Kết quả kiểm tra tổn thất điện áp trên tuyến dây xa nhất trong phân xưởng đạt giá trị bao nhiêu? Tuyến kiểm tra xa nhất từ trạm biến áp qua tủ phân phối chính, tủ động lực 3 và đến động cơ 5B (nhóm 4) có tổng sụt áp là $\Delta U% = 0,59% + 0,97% + 1,13% = 2,69% \approx 3%$, thỏa mãn điều kiện kỹ thuật giới hạn $\Delta U% \le 5% \cdot U_{đm}$.

5. Khí cụ đóng cắt chính tại tủ phân phối và tủ động lực được lựa chọn theo các thông số kỹ thuật nào? Áptômát tổng tại tủ phân phối chính là mã NS600E của hãng Merlin Gerin (3 cực, $I_{đm} = 600\text{ A}, U_{đm} = 500\text{ V}, I_N = 15\text{ kA}$). Các áptômát cấp điện cho tủ động lực và áptômát tổng tại các tủ động lực sử dụng mã NS160L (3 cực, $I_{đm} = 160\text{ A}, U_{đm} = 690\text{ V}, I_N = 50\text{ kA}$).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lê Quang Tuấn đã hoàn thành thiết kế hệ thống cung cấp điện hạ áp cho phân xưởng sửa chữa cơ khí $972\text{ m}^2$ gồm 42 động cơ 3 pha với tổng công suất tính toán $311,66\text{ kVA}$. Đề tài đã giải quyết trọn vẹn các bài toán kỹ thuật từ phân nhóm phụ tải, xác định tâm phụ tải, lựa chọn trạm biến áp $400\text{ kVA} - 22/0,4\text{ kV}$, định cỡ cáp LENS, phối hợp thiết bị đóng cắt Merlin Gerin đến kiểm tra ngắn mạch và sụt áp ($\le 3%$). Việc kết hợp phương pháp giải tích truyền thống với công cụ mô phỏng Ecodial mang lại độ tin cậy kỹ thuật cao và cung cấp tài liệu tham khảo trực quan cho công tác thiết kế điện công nghiệp.