Thiết kế hệ thống điện khu công nghiệp

Phần này giới thiệu tổng quan về phụ tải điện của Khu công nghiệp Bát Tràng. Khu công nghiệp bao gồm 16 nhà máy và 1 khu văn phòng. Mục tiêu chính là xác định phụ tải tính toán để thiết kế hệ thống cung cấp điện hiệu quả. Phụ tải điện được đặc trưng bởi công suất đặt và thời gian sử dụng công suất cực đại của các thiết bị. Đặc điểm của khu công nghiệp, bao gồm vị trí các nhà máy gần đường giao thông thuận lợi cho vận chuyển và lắp đặt, đồng thời cách xa khu dân cư để đảm bảo môi trường, cũng được đề cập. Phụ tải động lực trong khu công nghiệp chủ yếu hoạt động dài hạn, yêu cầu điện áp 6kV và 0,38kV, với công suất từ 1 đến hàng chục kW và sử dụng dòng điện xoay chiều tần số 50Hz. Thông tin về nguồn cung cấp điện, bao gồm lựa chọn điện áp nguồn (110 kV hoặc 35 kV) và chiều dài đường dây (11 km, dây nhôm lõi thép), cũng được nêu rõ. Đây là cơ sở để tiến hành các bước tính toán phụ tải tiếp theo.

Phần này trình bày các phương pháp xác định phụ tải tính toán. Phụ tải tính toán là phụ tải giả thiết, không đổi, tương đương với phụ tải thực tế về mặt hiệu ứng nhiệt lớn nhất. Đồ án đề cập đến nhiều phương pháp tính toán phụ tải, trong đó có phương pháp hệ số nhu cầu, ưu điểm đơn giản nhưng kém chính xác vì sử dụng hệ số nhu cầu cố định. Một phương pháp khác là xác định phụ tải tính toán theo hệ số cực đại và công suất trung bình, cho kết quả chính xác hơn vì xét đến số lượng thiết bị, công suất lớn nhất và chế độ làm việc. Phương pháp thứ ba là dựa trên suất phụ tải trên một đơn vị diện tích, thích hợp cho các xí nghiệp có phụ tải phân bố đều và dùng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ. Việc lựa chọn phương pháp cụ thể phụ thuộc vào dữ liệu sẵn có. Đối với một số phân xưởng, do có thông tin chi tiết về phụ tải, phương pháp dựa trên hệ số cực đại và công suất trung bình được sử dụng. Trong khi đó, đối với các phân xưởng khác, chỉ có thông tin về công suất đặt, nên phương pháp hệ số nhu cầu được áp dụng để tính toán phụ tải tính toán một cách đơn giản.

Sau khi xác định phụ tải tính toán từng phần, phần này tổng hợp để xác định phụ tải tính toán của toàn nhà máy và toàn khu công nghiệp. Biểu đồ phụ tải điện (BĐPT) được sử dụng để hình dung sự phân bố phụ tải trong xí nghiệp. BĐPT là vòng tròn có diện tích tỷ lệ với phụ tải tính toán. Việc dự báo phụ tải trong tương lai (10 năm) được thực hiện, giả sử sự tăng trưởng phụ tải tuân theo hàm tuyến tính và dựa trên hệ số tăng trưởng hàng năm. Việc xác định điện áp vận hành của khu công nghiệp được đề cập, sử dụng công thức thực nghiệm STILL. Tâm phụ tải của khu công nghiệp, nơi đặt trạm biến áp trung tâm (TBATT), được xác định bằng toạ độ. Phụ tải tính toán toàn khu công nghiệp, bao gồm cả dự báo tăng trưởng 10 năm, được sử dụng để chọn công suất trạm biến áp trung tâm. Công suất này được tính toán và lựa chọn loại máy biến áp phù hợp. Tất cả các bước này đều hướng đến mục tiêu thiết kế một hệ thống cung cấp điện ổn định và hiệu quả cho toàn bộ khu công nghiệp Bát Tràng.

Phần này tập trung vào việc lựa chọn điện áp vận hành cho mạng điện cao áp của khu công nghiệp Bát Tràng. Hai lựa chọn chính là 110 kV và 35 kV được xem xét. Việc lựa chọn dựa trên các yếu tố kỹ thuật và kinh tế, cũng như sự cân nhắc về sự phát triển của khu công nghiệp trong tương lai. Một phần quan trọng khác là xác định vị trí đặt trạm biến áp trung tâm (TBATT). Vị trí này được xác định dựa trên tâm phụ tải của toàn bộ khu công nghiệp, nhằm tối ưu hóa việc phân phối điện năng và giảm thiểu tổn thất. Việc xác định tâm phụ tải được thực hiện dựa trên tọa độ của các nhà máy trong khu công nghiệp. Điện áp vận hành được chọn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến thiết kế của toàn bộ hệ thống, bao gồm cả lựa chọn thiết bị và vật liệu. Do đó, việc quyết định điện áp vận hành là một bước rất quan trọng trong giai đoạn thiết kế này. Chiều dài đường dây 11km cũng là một yếu tố cần được tính toán để đảm bảo điện áp ổn định.

Sau khi xác định điện áp vận hành và vị trí trạm biến áp trung tâm (TBATT), phần này tập trung vào việc thiết kế và lựa chọn dây dẫn cho mạng điện cao áp. Loại dây dẫn được lựa chọn là dây nhôm lõi thép, phù hợp với điều kiện vận hành ngoài trời và khả năng chịu tải cao. Việc lựa chọn tiết diện dây dẫn được thực hiện dựa trên các tiêu chí kỹ thuật như mật độ dòng kinh tế (Jkt) và tổn thất điện áp cho phép. Tổn thất điện áp cho phép thường được giới hạn trong một phạm vi nhất định (ví dụ 5% điện áp định mức) để đảm bảo chất lượng điện năng cung cấp cho các nhà máy. Đồ án xem xét nhiều phương án đi dây khác nhau để đảm bảo tính kinh tế và hiệu quả. Khoảng cách xa từ nguồn điện (11km) đòi hỏi phải tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo không vượt quá tổn thất điện áp cho phép. Việc lựa chọn dây dẫn phù hợp đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy của hệ thống cung cấp điện cho toàn bộ khu công nghiệp Bát Tràng.

Phần này tập trung vào việc lựa chọn các thiết bị điện quan trọng cho mạng điện cao áp, bao gồm trạm biến áp trung tâm, máy cắt, và chống sét van. Công suất trạm biến áp trung tâm được xác định dựa trên phụ tải tính toán của toàn bộ khu công nghiệp, bao gồm cả dự báo tăng trưởng trong tương lai (10 năm). Loại máy biến áp được lựa chọn cần đáp ứng yêu cầu về công suất và điện áp, ví dụ như máy biến áp TPDH-25000/110. Máy cắt được chọn để đóng cắt mạch điện cao áp, bảo vệ hệ thống khỏi dòng ngắn mạch. Việc chọn máy cắt dựa trên các tiêu chí như dòng điện định mức, dòng cắt, và khả năng chịu nhiệt. Chống sét van được lựa chọn để bảo vệ hệ thống khỏi sét đánh, dựa trên cấp điện áp, ví dụ như AZLP501B96 cho cấp 110kV và AZLP501B30 cho cấp 35kV. Việc lựa chọn các thiết bị này cần đảm bảo tính an toàn và độ tin cậy của toàn bộ hệ thống cung cấp điện cho khu công nghiệp.

Phần này đề cập đến việc lựa chọn công suất trạm biến áp trung tâm (TBATT). Công suất được tính toán dựa trên phụ tải tính toán của toàn bộ khu công nghiệp Bát Tràng, bao gồm cả dự báo tăng trưởng trong 10 năm tới. Kết quả tính toán cho thấy cần một công suất nhất định (ví dụ: 34092 kVA). Việc lựa chọn số lượng máy biến áp (trong trường hợp này là 2 máy) và loại máy biến áp phù hợp (ví dụ: máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây nhãn hiệu TPDH-25000/110 do Việt Nam sản xuất) cũng được đề cập. Việc lựa chọn này dựa trên các tiêu chí kỹ thuật, kinh tế và khả năng đáp ứng nhu cầu phụ tải hiện tại và trong tương lai. Các thông số kỹ thuật của máy biến áp, bao gồm các cấp điện áp trung áp (35kV, 22kV, 10kV) cũng được nêu rõ. Việc đảm bảo công suất đủ lớn cho trạm biến áp là rất quan trọng để hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng được nhu cầu sử dụng điện của khu công nghiệp.

Phần này tập trung vào việc lựa chọn tiết diện dây dẫn cho đường dây từ trạm biến áp trung tâm (TBATT) đến các nhà máy trong khu công nghiệp. Loại dây dẫn được sử dụng là dây nhôm lõi thép, lắp đặt trên không, lộ kép để đảm bảo độ tin cậy. Tiết diện dây dẫn được tính toán dựa trên điều kiện mật độ dòng kinh tế (Jkt) và tổn thất điện áp cho phép. Do khoảng cách từ TBATT đến các nhà máy tương đối xa, nên việc kiểm tra tổn thất điện áp là rất quan trọng. Tổn thất điện áp không được vượt quá một giá trị cho phép (ví dụ: 5% điện áp định mức). Kết quả tính toán cho thấy loại dây ACO-240 đáp ứng được các yêu cầu về tổn thất điện áp. Việc lựa chọn tiết diện dây dẫn phù hợp giúp giảm thiểu tổn thất điện năng và đảm bảo chất lượng điện năng cung cấp cho các nhà máy trong khu công nghiệp.

Phần này tập trung vào việc lựa chọn và kiểm tra các thiết bị bảo vệ như máy cắt và chống sét van. Máy cắt là thiết bị đóng cắt mạch điện cao áp, có chức năng bảo vệ hệ thống khỏi dòng ngắn mạch. Việc lựa chọn máy cắt dựa trên các thông số kỹ thuật như dòng điện định mức, dòng cắt, và khả năng chịu nhiệt. Sau khi lựa chọn sơ bộ, máy cắt cần được kiểm tra lại để đảm bảo đáp ứng các điều kiện vận hành. Chống sét van được lựa chọn để bảo vệ hệ thống khỏi sét đánh. Loại chống sét van được chọn phụ thuộc vào cấp điện áp, ví dụ loại AZLP501B96 cho cấp 110kV và AZLP501B30 cho cấp 35kV, đều do hãng Cooper sản xuất. Việc kiểm tra các thiết bị này nhằm đảm bảo an toàn và độ tin cậy của hệ thống cung cấp điện cho khu công nghiệp Bát Tràng. Việc so sánh các phương án thiết kế cũng được thực hiện bằng cách sử dụng hàm chi phí vòng đời, bao gồm cả chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành.

Phần này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc bù công suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số công suất (cosφ). Hệ số công suất là chỉ tiêu đánh giá hiệu quả sử dụng điện năng. Nâng cao hệ số công suất giúp tiết kiệm điện năng, giảm tổn thất và tối ưu hóa quá trình sản xuất, phân phối và sử dụng điện. Việc bù công suất phản kháng là một giải pháp quan trọng để đạt được mục tiêu này. Tài liệu đề cập đến việc nâng cao hệ số công suất từ 0,756 lên 0,9. Các biện pháp bù công suất phản kháng được đề cập, bao gồm cả biện pháp tự nhiên như hợp lý hóa quy trình sản xuất, giảm thời gian chạy không tải động cơ, thay thế động cơ không tải bằng động cơ có công suất phù hợp hơn. Tuy nhiên, trọng tâm là lựa chọn phương pháp kỹ thuật để bù công suất phản kháng.

Đồ án so sánh hai phương pháp bù công suất phản kháng: sử dụng tụ điện tĩnh và máy bù đồng bộ. Tụ điện tĩnh có ưu điểm là vận hành đơn giản, không gây tiếng ồn, và giá thành mỗi kVA thấp. Tuy nhiên, nhược điểm là điện áp đầu cực tăng quá 10% tụ bị nổ và rất dễ hỏng khi sự cố lớn xảy ra. Máy bù đồng bộ cho phép điều chỉnh trơn tru công suất phản kháng, có thể tiêu thụ bớt công suất phản kháng khi hệ thống thừa. Tuy nhiên, phương pháp này không kinh tế do giá thành đắt và tổn hao công suất lớn. Cuối cùng, phương pháp sử dụng tụ điện tĩnh được lựa chọn do phù hợp với yêu cầu của bài toán và nâng cao chất lượng điện năng. Việc lựa chọn phương pháp này cần dựa trên cân nhắc kỹ thuật và kinh tế để đạt được hiệu quả tối ưu trong việc bù công suất phản kháng.

Phần này tập trung vào việc xác định dung lượng bù công suất phản kháng cần thiết và vị trí đặt thiết bị. Dung lượng bù được tính toán dựa trên hệ số công suất hiện tại và mục tiêu (ví dụ: từ 0,756 lên 0,9). Kết quả tính toán cho ra một giá trị cụ thể về dung lượng bù (ví dụ: 2282,45 kVAr). Việc lựa chọn vị trí đặt thiết bị bù cũng rất quan trọng. Về nguyên tắc, đặt phân tán các bộ tụ bù cho từng động cơ điện là tối ưu về giảm tổn thất điện áp và điện năng. Tuy nhiên, việc này không kinh tế về vốn đầu tư, lắp đặt và quản lý. Do đó, phương án đặt tập trung các thiết bị bù ở phía hạ áp của trạm biến áp phân xưởng tại tủ phân phối được lựa chọn. Cuối cùng, loại tụ bù KC2-0,38-50-3Y3 (mạng 0,38kV) và KC2-6,3-75-2Y1 (mạng 6kV) do Liên Xô sản xuất được đề xuất dựa trên dung lượng bù đã tính toán.