Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Điện năng là nguồn động lực chủ yếu phục vụ quá trình sản xuất công nghiệp và đời sống xã hội nhờ khả năng chuyển hóa linh hoạt sang các dạng năng lượng khác (cơ năng, nhiệt năng, hóa năng) cùng sự tiện lợi trong truyền tải, phân phối. Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nhu cầu tiêu thụ điện năng tại các cơ sở sản xuất cơ khí ngày càng gia tăng, đòi hỏi hệ thống cung cấp điện phải được tính toán, thiết kế và thi công đồng bộ nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật về độ tin cậy, an toàn vận hành và hiệu quả kinh tế.

Đề tài "Thiết kế thi công cung cấp điện cho một phân xưởng cơ khí" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán cấp điện toàn diện cho một cơ sở gia công, chế tạo cơ khí chuyên sản xuất các chi tiết như bánh răng, hộp số, hộp tốc độ.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm các nội dung cụ thể sau:

  1. Hệ thống hóa cơ sở lý luận và các phương pháp xác định phụ tải tính toán trong mạng điện công nghiệp.
  2. Phân nhóm phụ tải và tính toán phụ tải động lực, phụ tải chiếu sáng cho toàn bộ phân xưởng cơ khí.
  3. Thiết kế mạng điện hạ áp, lựa chọn cấu trúc sơ đồ nối dây, tính chọn các phần tử bảo vệ (aptomat, cầu chì), tủ phân phối, tủ động lực và hệ thống dây cáp điện.
  4. Tính toán bù công suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số công suất ($\cos\varphi$), giảm tổn thất điện năng và cải thiện chất lượng điện áp.
  5. Lập phương án thiết kế thi công, lắp đặt thiết bị và bố trí mạng lưới dây dẫn, công tắc, ổ cắm cho phân xưởng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cung cấp điện hạ áp cho phân xưởng cơ khí.
  • Phạm vi không gian: Phân xưởng cơ khí có tổng diện tích mặt bằng $1000\text{ m}^2$, bao gồm các bộ phận rèn, nhiệt luyện, gia công mộc, hệ thống quạt gió và các thiết bị phụ trợ.
  • Phạm vi thời gian và địa điểm: Đề tài được hoàn thành năm 2019 tại Ngành Điện Tự Động Công Nghiệp, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và khái niệm chuyên ngành

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết cung cấp điện công nghiệp, tập trung vào khái niệm phụ tải tính toán (PTTT) – phụ tải giả thiết lâu dài không đổi tương đương với phụ tải biến đổi thực tế về mặt hiệu ứng nhiệt độ phát nóng lớn nhất. Việc lựa chọn dây dẫn và khí cụ điện theo PTTT đảm bảo hệ thống vận hành an toàn, không bị quá nhiệt dẫn đến suy hao cách điện hoặc sự cố cháy nổ.

Các phương pháp xác định phụ tải tính toán được xem xét trong đồ án gồm:

  • Phương pháp theo công suất đặt ($P_đ$) và hệ số nhu cầu ($K_{nc}$): Ứng dụng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ khi chỉ biết công suất đặt của nhà xưởng ($P_{tt} = K_{nc} \cdot P_đ$).
  • Phương pháp theo công suất trung bình và hệ số cực đại ($k_{max}$): Ứng dụng khi đã có thiết kế công nghệ chi tiết, biết rõ mặt bằng bố trí và đặc tính làm việc của từng máy móc. Phụ tải được tính thông qua hệ số sử dụng ($k_{sd}$) và số thiết bị dùng điện hiệu quả ($n_{hq}$).
  • Phương pháp theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích ($P_o$): Dùng để tính toán phụ tải chiếu sáng và thiết kế sơ bộ các phân xưởng có mật độ bố trí máy móc tương đối đồng đều.
  • Phương pháp theo suất tiêu hao điện năng trên một đơn vị sản phẩm: Thích hợp cho các phụ tải ít biến đổi như quạt gió, máy nén khí, bơm nước.

Về lý thuyết bù công suất phản kháng, đồ án phân tích các công thức tính tổn thất công suất tác dụng ($\Delta P$) và tổn thất điện áp ($\Delta U$) trên đường dây truyền tải:

$$\Delta P = \frac{P^2 + Q^2}{U^2} \cdot R = \Delta P(P) + \Delta P(Q)$$

$$\Delta U = \frac{P \cdot R + Q \cdot X}{U}$$

Hệ số công suất tự nhiên và hệ số công suất trung bình được dùng làm căn cứ để tính toán dung lượng bù cần thiết đưa hệ số công suất toàn xưởng đạt chỉ tiêu quy định.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tính toán kỹ thuật: Áp dụng các công thức giải tích chuyên ngành để tính phụ tải từng nhóm, dòng điện định mức, dòng phát nóng cho phép và phối hợp bảo vệ thiết bị.
  • Phương pháp tra cứu bảng chuẩn và sổ tay kỹ thuật: Tra cứu các đại lượng $n_{hq}^*$, $K_{max}$, hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ $k_1$, hệ số đặt chung rãnh $k_2$, dòng điện cho phép của cáp ($I_{cp}$) và thông số khí cụ điện từ Sổ tay Kỹ thuật Cung cấp điện.
  • Nguồn dữ liệu: Bảng danh mục thiết bị, công suất định mức và mặt bằng công nghệ của phân xưởng cơ khí do giảng viên hướng dẫn cung cấp; tiêu chuẩn quản lý chất lượng ISO 9001:2015.

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc mạng cung cấp điện

Nguồn điện cấp cho phân xưởng được lấy từ phân đoạn trung áp 35 kV qua trạm biến áp (TBA) hạ áp về Tủ phân phối chính (TPPC) của phân xưởng bằng tuyến cáp chôn ngầm.

  • Mạng điện phân phối sử dụng sơ đồ hỗn hợp: Từ TPPC đến 5 tủ động lực (TĐL1 đến TĐL5) và 1 tủ chiếu sáng được bố trí theo sơ đồ hình tia để bảo đảm tính độc lập và thuận tiện trong quản lý, bảo dưỡng.
  • Từ các tủ động lực đến thiết bị tiêu thụ: Áp dụng sơ đồ hỗn hợp kết hợp hình tia cho các động cơ công suất lớn và sơ đồ liên thông cho các thiết bị công suất nhỏ ít quan trọng.

Lựa chọn thiết bị và phần tử hệ thống

  • Tủ phân phối chính: Lựa chọn loại tủ $\Pi\text{P}-9262$ do Liên Xô chế tạo, gồm 1 lộ đầu vào và 6 lộ đầu ra (5 lộ cấp cho 5 tủ động lực, 1 lộ cấp cho tủ chiếu sáng).
  • Cáp nguồn từ TBA về TPPC: Sử dụng 5 nhánh cáp loại $5\text{PVC} (3\times 50 + 1\times 50)\text{ mm}^2$.
  • Tuyến cáp từ TPPC đến các tủ động lực (TĐL1 – TĐL5): Sử dụng cáp đồng 4 lõi bọc cách điện PVC tiết diện $120\text{ mm}^2$ ($I_{cp} = 343\text{ A}$), đặt ngầm trong đất với hệ số hiệu chỉnh $k_1 = k_2 = 1$.
  • Thiết bị bảo vệ: Sử dụng cầu chì công nghiệp loại $\Pi\text{P}-2$ làm khí cụ bảo vệ ngắn mạch cho từng nhánh máy móc và đầu nguồn tủ động lực. Dòng định mức dây chảy ($I_{dc}$) được tính toán dựa trên điều kiện khởi động của động cơ lồng sóc ($k_{mm} = 5$, $\alpha = 2.5$).
  • Dây dẫn từ tủ động lực đến từng động cơ: Chọn loại dây/cáp đồng 4 lõi cách điện PVC mã hiệu $\Pi\text{PTO}$ luồn trong ống thép bảo vệ đường kính $\frac{3}{4}''$ chôn ngầm dưới sàn xưởng.
  • Thiết bị bù công suất phản kháng: Lựa chọn tụ điện tĩnh 3 pha hạ áp đấu tam giác đặt tại thanh cái hạ áp để nâng cao hệ số công suất toàn xưởng từ $\cos\varphi = 0.75$ lên $\cos\varphi = 0.95$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Các phương pháp xác định phụ tải tính toán (PTTT)

Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết về 4 phương pháp xác định phụ tải tính toán, sau đó tiến hành phân nhóm và tính toán phụ tải cho phân xưởng cơ khí $1000\text{ m}^2$. Dựa trên nguyên tắc bố trí mặt bằng, chế độ làm việc và cân bằng công suất giữa các nhánh, toàn bộ máy móc trong phân xưởng được chia thành 5 nhóm phụ tải động lực với hệ số sử dụng chung $k_{sd} = 0.2$.

Nhóm Số thiết bị ($n$) Thiết bị đại diện tiêu biểu Tổng công suất đặt $P_\Sigma$ (kW) $n_{hq}$ $K_{max}$ $P_{tt}$ (kW) $Q_{tt}$ (kVAr) $S_{tt}$ (kVA) $I_{tt}$ (A)
Nhóm 1 12 Búa hơi để rèn, lò rèn, máy biến áp hàn, quạt ly tâm, lò điện 122.2 7 2.10 51.30 68.43 85.54 129.96
Nhóm 2 6 Lò điện hóa cứng kim loại, máy mài sắc, quạt thông gió, máy ép ma sát 128.3 6 2.24 57.40 76.45 95.65 145.33
Nhóm 3 3 Thiết bị tôi cao tần, thiết bị đo bi, lò điện 133.0 3 — 133.00 176.80 221.30 336.23
Nhóm 4 9 Lò điện, lò rèn, thiết bị tôi bánh răng, bể dầu, cầu trục 123.15 6 2.42 59.60 79.27 99.20 150.72
Nhóm 5 9 Máy nén khí, máy bào gỗ, máy khoan đứng, máy cưa tròn, quạt gió 109.0 7 2.10 45.70 60.89 76.18 115.74

Phụ tải chiếu sáng toàn phân xưởng được tính theo suất phụ tải diện tích với $P_o = 12\text{ W/m}^2$, diện tích $F = 1000\text{ m}^2$, cho kết quả công suất chiếu sáng $P_{cs} = 12\text{ kW}$.

Tổng hợp phụ tải toàn phân xưởng có xét hệ số đồng thời:

  • Công suất tác dụng tính toán: $P_{ttpx} = 341.2\text{ kW}$.
  • Công suất phản kháng tính toán: $Q_{ttpx} = 453.82\text{ kVAr}$.
  • Công suất toàn phần tính toán: $S_{ttpx} = 567.8\text{ kVA}$.
  • Hệ số công suất tự nhiên của phân xưởng: $\cos\varphi_{px} = 0.75$.

Chương 2: Thiết kế mạng hạ áp cho phân xưởng cơ khí

Chương 2 tập trung vào việc thiết kế cấu trúc mạng điện, lựa chọn các thiết bị đóng cắt, bảo vệ và dẫn điện. Với đặc điểm mặt bằng $1000\text{ m}^2$, tác giả chọn sơ đồ hình tia từ TPPC đến 5 tủ động lực và 1 tủ chiếu sáng.

Các kết quả lựa chọn cáp từ TPPC đến các tủ động lực:

Tuyến cáp $I_{tt}$ (A) Tiết diện cáp đồng ($F_{cáp}$, $\text{mm}^2$) $I_{cp}$ (A) Loại cáp
TPPC – TĐL1 129.96 120 343 Cáp đồng 4 lõi cách điện PVC chôn ngầm
TPPC – TĐL2 145.32 120 343 Cáp đồng 4 lõi cách điện PVC chôn ngầm
TPPC – TĐL3 336.23 120 343 Cáp đồng 4 lõi cách điện PVC chôn ngầm
TPPC – TĐL4 150.72 120 343 Cáp đồng 4 lõi cách điện PVC chôn ngầm
TPPC – TĐL5 115.75 120 343 Cáp đồng 4 lõi cách điện PVC chôn ngầm

Bên cạnh đó, chương 2 thực hiện tính chọn chi tiết cầu chì bảo vệ $\Pi\text{P}-2$ và cáp $\Pi\text{PTO}$ luồn ống thép $\frac{3}{4}''$ cho hơn 25 phụ tải động cơ trong các nhóm (ví dụ: máy nén khí $45\text{ kW}$ dùng cáp tiết diện $16\text{ mm}^2$, cầu chì $260/350\text{ A}$; thiết bị tôi cao tần $80\text{ kW}$ dùng cáp $95\text{ mm}^2$, cầu chì $430/600\text{ A}$; lò điện hóa cứng kim loại $90\text{ kW}$ dùng cáp $95\text{ mm}^2$, cầu chì $500/600\text{ A}$). Do phân xưởng đặt cách xa trạm biến áp, đồ án không thực hiện kiểm tra điều kiện ngắn mạch đối với cáp và aptomat.

Chương 3: Tính bù công suất phản kháng

Nội dung chương 3 phân tích tổn thất điện năng trong hệ thống và đưa ra giải pháp nâng cao hệ số công suất $\cos\varphi$. Bảng phân tích tổn thất điện năng toàn hệ thống cho thấy mạng điện cấp điện áp $0.1 - 10\text{ kV}$ trong các xí nghiệp chiếm tỷ trọng tổn thất cao nhất:

Cấp điện áp mạng điện Tổn thất trên đường dây (%) Tổn thất trên máy biến áp (%) Tổng tổn thất (%)
$U \ge 110\text{ kV}$ 13.3 12.4 25.7
$U = 35\text{ kV}$ 6.9 3.0 9.9
$U = 0.1 \div 10\text{ kV}$ 47.8 16.6 64.4
Tổng cộng 68.0 32.0 100.0

Tác giả phân tích các giải pháp nâng cao $\cos\varphi$ tự nhiên như: vận hành động cơ đúng tải, thay thế động cơ không đồng bộ non tải, hạn chế thời gian chạy không tải, chuyển đổi nối dây stato từ tam giác sang sao, và điều chỉnh đầu phân áp máy biến áp. Sau khi áp dụng các biện pháp tự nhiên, đồ án lựa chọn giải pháp bù cưỡng bức bằng tụ điện tĩnh 3 pha hạ áp đặt tại thanh cái hạ áp nhằm nâng hệ số công suất của xưởng từ $\cos\varphi_1 = 0.75$ lên $\cos\varphi_2 = 0.95$, giúp giảm tổn thất công suất tác dụng $\Delta P(Q)$ và tổn thất điện áp $\Delta U(Q)$ trên đường dây cấp điện.

Chương 4: Thiết kế thi công cho phân xưởng cơ khí

Chương 4 cung cấp hướng dẫn thi công và lắp đặt mạng điện thực tế cho phân xưởng cơ khí:

  • Phương án lắp đặt và đi dây: Toàn bộ dây cáp động lực được kéo từ các tủ động lực TĐL1 – TĐL5 đến từng máy công cụ bằng dây $\Pi\text{PTO}$ luồn trong ống thép bảo vệ $\frac{3}{4}''$ chôn ngầm dưới nền bê tông nhằm tránh va đập cơ học và chống tác động nhiệt trong môi trường xưởng cơ khí.
  • Lắp đặt tủ phân phối và tủ động lực: Bố trí các tủ điện tại các vị trí trung tâm phụ tải của từng nhóm máy trên tường xưởng để tối ưu hóa chiều dài đường dây.
  • Bố trí hệ thống chiếu sáng và phụ trợ: Thiết lập sơ đồ đi dây cho tủ chiếu sáng, bố trí mạng lưới công tắc và ổ cắm công nghiệp trên mặt bằng xưởng $1000\text{ m}^2$.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Xác định đầy đủ các thông số phụ tải tính toán cho 5 nhóm máy móc và hệ thống chiếu sáng với tổng công suất tác dụng $P_{ttpx} = 341.2\text{ kW}$, công suất phản kháng $Q_{ttpx} = 453.82\text{ kVAr}$ và công suất toàn phần $S_{ttpx} = 567.8\text{ kVA}$.
  • Thiết kế hoàn chỉnh cấu trúc mạng phân phối hạ áp: chọn tủ phân phối chính $\Pi\text{P}-9262$, chọn tuyến cáp nguồn 5 nhánh $5\text{PVC} (3\times 50 + 1\times 50)\text{ mm}^2$ và các tuyến cáp đến tủ động lực tiết diện $120\text{ mm}^2$.
  • Tính toán lựa chọn đồng bộ hệ thống dây dẫn $\Pi\text{PTO}$ (tiết diện từ $2.5\text{ mm}^2$ đến $95\text{ mm}^2$) và cầu chì bảo vệ $\Pi\text{P}-2$ cho toàn bộ các thiết bị công nghiệp trong xưởng.
  • Đề xuất phương án bù công suất phản kháng bằng tụ điện tĩnh tại thanh cái hạ áp để nâng hệ số công suất từ $0.75$ lên $0.95$.

Đóng góp kỹ thuật

  • Cung cấp giải pháp thiết kế mạng điện hạ áp phù hợp với đặc thù sản xuất của phân xưởng gia công cơ khí vừa và nhỏ.
  • Đưa ra giải pháp phân nhóm phụ tải hợp lý giúp cân bằng công suất giữa các tủ động lực, tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuẩn hóa thiết bị và công tác bảo trì, thay thế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Theo thuyết minh đồ án, do phân xưởng đặt cách xa trạm biến áp nên tác giả không thực hiện tính toán kiểm tra dòng ngắn mạch để kiểm tra độ bền nhiệt và khả năng cắt của cáp cũng như aptomat. Đồ án chỉ tập trung vào phương pháp tính chọn theo dòng phát nóng lâu dài và điều kiện phối hợp bảo vệ.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Thực hiện tính toán chi tiết chế độ ngắn mạch cho toàn mạng điện hạ áp; mở rộng nghiên cứu tích hợp hệ thống tự động hóa đo lường, giám sát điện năng và điều khiển đóng cắt tụ bù tự động theo thời gian thực.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Kỹ thuật điện, Điện tự động công nghiệp và Hệ thống điện khi thực hiện đồ án môn học Thiết kế Cung cấp điện hoặc đồ án tốt nghiệp đại học.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao gồm:

  • Quy trình phân nhóm phụ tải công nghiệp dựa trên đặc tính công nghệ và mặt bằng phân xưởng.
  • Trình tự tính toán phụ tải theo phương pháp số thiết bị dùng điện hiệu quả ($n_{hq}$) kết hợp hệ số sử dụng ($k_{sd}$) và hệ số cực đại ($K_{max}$).
  • Bảng tổng hợp tính chọn phối hợp giữa tiết diện dây dẫn ($\Pi\text{PTO}$ luồn ống thép) và dòng định mức dây chảy cầu chì bảo vệ động cơ lồng sóc.

Câu hỏi thường gặp

Phân xưởng cơ khí trong đồ án có các thông số phụ tải tổng hợp là bao nhiêu?

Phân xưởng có diện tích mặt bằng $1000\text{ m}^2$. Các thông số phụ tải tính toán tổng hợp gồm: công suất tác dụng $P_{ttpx} = 341.2\text{ kW}$ (đã bao gồm $12\text{ kW}$ chiếu sáng), công suất phản kháng $Q_{ttpx} = 453.82\text{ kVAr}$, công suất toàn phần $S_{ttpx} = 567.8\text{ kVA}$, và hệ số công suất tự nhiên $\cos\varphi_{px} = 0.75$.

Tác giả đã chia các thiết bị trong xưởng thành mấy nhóm phụ tải và theo nguyên tắc nào?

Thiết bị trong xưởng được chia thành 5 nhóm phụ tải. Nguyên tắc phân nhóm gồm: các thiết bị trong cùng nhóm phải đặt gần nhau trên mặt bằng để giảm chiều dài dây dẫn; có cùng chế độ làm việc; phân bổ công suất giữa các nhóm đồng đều; và giới hạn số lượng lộ ra của tủ động lực (thường không quá 8 lộ).

Tại sao tác giả lựa chọn giải pháp bù bằng tụ điện tĩnh thay vì máy bù đồng bộ?

Tụ điện tĩnh có tổn thất công suất tác dụng rất nhỏ ($0.3 - 0.5%$ công suất định mức so với $1.33 - 3.2%$ của máy bù đồng bộ), giá thành trên mỗi kVA thấp và ít phụ thuộc quy mô, vận hành tĩnh không có bộ phận quay nên ít phát sinh sự cố, có thể chia nhỏ lắp đặt sâu trong mạng hạ áp gần động cơ để giảm tối đa tổn thất $\Delta P$ và $\Delta A$.

Tuyến cáp từ tủ phân phối chính đến các tủ động lực được chọn loại nào và tiết diện bao nhiêu?

Các tuyến cáp từ TPPC đến 5 tủ động lực (TĐL1 đến TĐL5) đều được chọn đồng nhất là cáp đồng 4 lõi bọc cách điện PVC tiết diện $120\text{ mm}^2$, có dòng điện cho phép $I_{cp} = 343\text{ A}$, được đặt chôn trực tiếp trong đất.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế thi công cung cấp điện cho một phân xưởng cơ khí" của sinh viên Phạm Văn Hướng đã hoàn thành toàn diện các nhiệm vụ tính toán thiết kế kỹ thuật cho mạng điện hạ áp nhà xưởng $1000\text{ m}^2$. Nghiên cứu đã xác định chính xác phụ tải tính toán của 5 nhóm máy móc và hệ thống chiếu sáng, lựa chọn đồng bộ hệ thống cáp điện, tủ phân phối $\Pi\text{P}-9262$, cầu chì $\Pi\text{P}-2$ và dây dẫn $\Pi\text{PTO}$ luồn ống thép. Đồng thời, giải pháp bù công suất phản kháng bằng tụ điện tĩnh tại thanh cái hạ áp giúp nâng cao hệ số công suất lên $0.95$, đảm bảo yêu cầu vận hành an toàn, tiết kiệm điện năng và mang tính khả thi cao trong thi công thực tế.