BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN 5

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN Cho mạng điện một dự án X như hình A1 với các số liệu như trong bảng Đ1, Đ2, Đ3 Các thông số chung của mạng điện như sau: Điện áp định mức phía thứ cấp MBA T1: Uđm = 400 V MBA hạ áp T7 : 400230 V Các phụ tải bình thường (ví dụ tủ điện phân phối) ký hiệu L: cosφ= 0,8, η=1 Các phụ tải động cơ ký hiệu M: cos ,  tra tra theo hướng dẫn của IEC. Mạng điện nối đất theo sơ đồ TNS Trạm máy biến áp phân phối đặt trong nhà, điện áp luới trung thế 22kV, trung tính nối đất trực tiếp. Công suất ngắn mạch phía sơ cấp máy biến áp phân phối T1: P = 500 MVA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ -o0o -

BÁO CÁO BTL

Môn: Thiết bị điện trong phân phối điện

Lớp: L01 HK221

SINH VIÊN THỰC HIỆN:

Lê Nguyễn Nhân Thọ

MSSV: 1910574

MỤC LỤC

Tính toán sơ bộ……… Trang 5 Tính toán kích thước dây dẫn……… Trang 10 Tính toán lựa chọn CB theo dòng ngắn mạch……… Trang 23 Lựa chọn bộ bảo vệ động cơ……… Trang 30 Tính bù công suất phản kháng……… Trang 32 Lựa kiểm tra sự bảo vệ chọn lọc của CB……… Trang 34 Bảo vệ điện giật gián tiếp……… Trang 39 Lựa chọn thiết bị đóng cắt và bảo vệ máy biến áp………Trang 44 Tính toán bằng phần mềm ecodial……… Trang 52 Kết luận……… Trang 54

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC

TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN

Cho mạng điện một dự án X như hình A1 với các số liệu như trong bảng Đ1, Đ2, Đ3

Các thông số chung của mạng điện như sau:

- Điện áp định mức phía thứ cấp MBA T1: Uđm = 400 V

- MBA hạ áp T7 : 400/230 V

- Các phụ tải bình thường (ví dụ tủ điện phân phối) ký hiệu L: cosφ = 0,8, η = 1

- Các phụ tải động cơ ký hiệu M: cosφ , η tra tra theo hướng dẫn của IEC

- Mạng điện nối đất theo sơ đồ TNS

- Trạm máy biến áp phân phối đặt trong nhà, điện áp luới trung thế 22kV, trung tính nối đất trực tiếp

- Công suất ngắn mạch phía sơ cấp máy biến áp phân phối T1: P = 500 MVA

HÌNH A.1: SƠ ĐỒ MẠNG ĐIỆN HẠ ÁP ĐƯỢC CUNG CẤP BỞI MỘT MÁY BIẾN ÁP

I Tính toán sơ bộ

1 Tính dòng điện tải 𝐈𝐛

a) Dòng điện định mức của tải

Từ bảng B4 đi kèm trong tài liệu tham khảo được giao để tra các η và cos 𝜑 của động cơ và các tải bình thường theo đề bài là η = 100% và cos 𝜑 = 0,8

Công thức tính:

√3 × 𝑈 × η × cos 𝜑(𝐴) Trong đó: U của L15 là 230V còn lại là 400V

Ví dụ:

Dòng điện định mức tải L15:

√3 × 230 × 1 × 0,8 = 502,04 (𝐴) Dòng điện định mức tải M16:

5500

Bảng 1: Kết quả tính dòng điện định mức của tải Phụ tải 𝐋𝟏𝟓 𝐌𝟏𝟔 𝐌𝟏𝟕 𝐌𝟏𝟖 𝐌𝟗 𝐋𝟏𝟗 𝐋𝟐𝟎 𝐋𝟐𝟏

𝐏đ𝐦 (kW) 160 5,5 55 11 110 40 30 50

𝐈đ𝐦 (A) 502,04 11,39 100,34 21,22 196,23 72,17 54,13 90,21

b) Dòng điện làm việc của tải

Dòng điện làm việc của tải Ib được tính theo công thức:

Ib = Ksd× Iđm

Hệ số Ksd phụ thuộc vào quy trình công nghệ của công trình, ở đây chúng ta chưa có yêu cầu

cụ thể về quy trình công nghệ, do đó để đảm bảo tính an toàn cao nhất cho công trình ta lựa chọn Ksd = 1

c) Dòng điện tải trong các dây dẫn

Công thức tính dòng điện tải trong dây dẫn :

Trong đó: Ksd = 1 do đang chịu tải L15 và Kđt = 1 do chỉ có 1 tải

Từ bảng trên ta tính được dòng tải của dây cấp cho tủ đó:

𝐶8 𝑐ó 𝐼𝑏 𝐶8 = Kđt× (𝐼𝑏 𝐶16+ 𝐼𝑏 𝐶17 + 𝐼𝑏 𝐶18) = 1 × (11,39 + 100,34 + 21,22) = 132,94 (A)

Bảng 3: Dòng điện tải trên các dây dẫn

𝐈𝐛 (A) 1078,35 288,68 132,94 196,23 280,50 180,00 502,04 11,39 100,34 21,22 72,17 54,13 90,21

Hệ số chỉnh định dòng quá tải

𝐈𝐫

(A)

𝐈𝐜𝐮 (kA)

Lưu ý: Tại phần tính toán sơ bộ này đang dựa vào Ib để chọn ra CB và trip unit (hoặc curve)

Đối với CB của các dây của motor như C9, C16, C17, C18 sẽ được chọn lại khi xét đến phần bảo vệ

động cơ

II Tính toán kích thước dây dẫn:

1 Lựa chọn máy biến áp:

Ta lựa chọn công suất MBA 22kV/400V theo bảng A.16:

Công suất biểu kiến cung cấp cho mạng điện:

S1 = √3 × Uđm× Ib1 = √3 × 400 × 1078,35 ≈ 747,1 kVA

Vậy ta chọn máy biến áp 𝐓𝟏 22kV/400V có công suất là 800 kVA

Ta lựa chọn công suất MBA 400V/230V theo bảng tại trang N25:

Công suất biểu kiến cung cấp cho tải L15:

S7 = √3 × Uđm× Ib15 = √3 × 230 × 502,04 ≈ 199,99 kVA

Vậy ta chọn máy biến áp 𝐓𝟕 400/230V có công suất là 200 kVA

Dòng Ib chọn theo theo MBA:

- Dòng tải chạy trong dây C1:

Hệ số chỉnh định dòng quá tải

𝐈𝐫

(A)

C1 1154,7 1250 ComPact NS1250N Micrologic 2.0 1250A 0,95 1188

C7 288,68 320 ComPact NSX400F MicroLogic 2.3 400A 0,9 360

C15 502,04 570 Compact NSX630F Micrologic 4.3 Vigi 570A 0,9 513

Bảng 5: Chọn lại CB cho phù hợp với máy biến áp Nhận xét: CB đã chọn trước đó ở phần 1 đã phù hợp với Máy biến áp, nên không phải

thay đổi

2 Tính toán lựa chọn dây dẫn:

Ta có công thức:

Kt = ΠKi

IZ = Ir

KtVới:

- Ki: hệ số hiệu chỉnh khi xét đến điều kiện lắp đặt cáp

- IZ: dòng điện lớn nhất cho phép của cáp theo bảng tra

Các hệ số hiệu chỉnh theo điều kiện lắp đặt:

- K1: Hệ số hiệu chỉnh khả năng mang dòng của cáp theo nhiệt độ môi trường không khí xung quanh (dùng cho cáp lắp đặt nổi)

- K2: Hệ số hiệu chỉnh khả năng mang dòng của cáp theo nhiệt độ môi trường đất xung quanh (dùng cho cáp chôn trong đất)

- K3: Hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào tính chất của đất

- K4: Hệ số giảm đối với các nhóm của nhiều hơn một mạch hoặc của nhiều hơn một cáp

đa lõi

Các bảng chọn hệ số K trong sách hướng dẫn lắp đặt điện 2018 của Schneider Electric:

Hình G12: Hệ số hiệu chỉnh K1 đối với nhiệt độ không khí xung quanh khác 300C

cho cáp lắp đặt trong không khí

Hình G13: Hệ số hiệu chỉnh K2 đối với nhiệt độ đất xung quanh khác 200C

cho cáp chôn trong đất

Hình G15: Hệ số hiệu chỉnh K3 phụ thuộc vào tính chất của đất

Hình G16: Hệ số giảm K4 đối với các nhóm của nhiều hơn một mạch

hoặc của nhiều hơn một cáp đa lõi

Để chọn đúng các hệ số K, ta cần phải biết các phương pháp lắp đặt cáp:

Hình G10: Ví dụ về các phương pháp lắp đặt

Sau khi tính ra IZ kết hợp với phương pháp lắp đặt ta chọn được tiết diện dây như sau:

Hình G21: Khả năng mang dòng điện tính bằng Ampe (đối với cáp lắp đặt trong không khí)

Hình G23: Khả năng mang dòng điện tính bằng Ampe

(đối với cáp chôn trong đất)

Lưu ý thêm, nếu là cáp đa lõi ta sẽ chọn cột có 3XLPE hoặc 3PVC Còn nếu cáp 1 lõi ta sẽ chọn cột có 2XLPE hoặc 2PVC

Ví dụ:

Tại cáp C7:

Điều kiện lắp đặt của C7 là:

- Cáp đa lõi, đặt trong máng (khay) cáp nên phương pháp lắp đặt nên tra bảng ở hình G10 ta được phương pháp lắp đặt là C

- Có cách điện XLPE và nhiệt độ môi trường là 400C nên tra bảng ở hình G12 ta được

- Lấy kết quả Iz7, ta chọn tiết diện sao I của tiết diện đó lớn hơn Iz7, như vậy tiết diện chọn được là: 240 𝑚𝑚2

Ta làm tương tự với những trường hợp còn lại

Trong trường hợp ta không chọn được cáp do Iz7 lớn qua các giá trị I trong bảng ta chia cho giá trị Iz7 nhỏ ra và chọn theo kết quả đã chia nhưng số dây sẽ là lần chia

Cáp điện đơn lõi, bằng nhôm (Al), cách điện

PVC, đặt trong ống chôn ngầm trong đất ẩm

với 2 mạch khác, nhiệt độ môi trường 350C 0,84 1,05 0,7 0,62 144 233,24 300

C9 IV

Cáp điện đơn lõi, bằng đồng (Cu), cách điện

PVC, đặt trong ống chôn ngầm trong đất ướt,

nhiệt độ môi trường 250C

0,95 1,13 1 1,07 200 186,31 150

C10 V

Cáp điện đơn lõi, bằng đồng (Cu), cách điện

XPLE , đặt trong ống chôn ngầm trong đất khô với 2 mạch khác, nhiệt độ môi trường

350C

0,89 1 0,65 0,58 288 462,28 2 x 185

C11 VI

Cáp điện đơn lõi, bằng nhôm (Al), cách điện

PVC, đặt trong máng (khay) cáp cùng với 2

mạch khác, nhiệt độ môi trường 450C 1 0,79 0,79 200 253,16 185

C15 VII

Cáp điện đơn lõi, bằng nhôm (Al), cách điện

XLPE, đặt trong ống chôn ngầm trong đất ẩm

với 2 mạch khác, nhiệt độ môi trường 300C

C19 XI

Cáp điện đa lõi, bằng đồng (Cu), cách điện

XPLE , chôn trongtường với 1 mạch khác,

nhiệt độ môi trường 350C

0,96 0,8 0,77 80 104,17 50

C20 XII

Cáp điện đa lõi, bằng đồng (Cu), cách điện

PVC, chôn trong tường với 1 mạch khác, nhiệt độ môi trường 300C 1 0,7 0,7 63 78,75 35

C21 I

Cáp điện đơn lõi, bằng đồng (Cu), cách điện

XLPE, đặt trong máng (khay) cáp, nhiệt độ

Hình G30: Giảm điện áp pha-pha ΔU đối với mạch, tính bằng Vôn trên Ampe trên Km

Với tải motor M ta tra theo hàng cosφ = 0,8 và với tải bình thường L ta tra theo hàng cosφ =1

Ví dụ:

Tính cho cáp C1, dây dẫn bằng đồng, Ib = 1154,7 A , L =185 m, S của dây pha là 240 𝑚𝑚2, tra bảng G30 ta có K= 0,17

ΣΔU𝐶7 = ΔU𝐶7+ ΔU𝐶1 = 15,21 V

Ib(A)

K (V/A/km)

L (km)

ΔU (V)

ΣΔU (V) ΣΔU%

Sph (hiệu chỉnh)

Đối với tải sụt áp ở C15 chúng ta xét 2 cách:

Cách 1: tính sụt áp của MBA T7 như sau:

Tra bảng dưới đây để tìm ra các thông số MBA T7 có S = 200kVA

ta tìm độ sụt áp trên MBA T7 để làm lại phần 2:

∆UT7= √3 × 𝐼𝑛 × (RT7× cos 𝜑 + XT7× sin 𝜑)

= √3 × 274,93 × (26,02 × 0,9 + 35,61 × 0,44) × 10−3 = 18,54 𝑉

%∆UT7=18,54

400 = 4,6%

Chỉ tính riêng sụt áp trên MBA T7 đã gần 5% nên phải giải pháp ở đây là sử dụng MBA có đầu phân áp ở phía thức cấp

Cách 2: xét dây C15 có nguồn là MBA T7, túc chỉ xét sụt áp trên dây C15

Tính cho cáp C15, dây dẫn bằng nhôm, Ib = 502,04 A , L =50 m, S của dây pha là 4x240

Ta tiến hành làm tương tự như tính sụt áp, chỉ khác ở chổ phải xét dòng khởi động Ikđ = 5Ib

và tìm lại K theo hình G30 ở lúc động cơ khởi động cosφ = 0,35

Ib(A)

Ikđ(A)

K (V/A/km)

L (km)

ΔU (V)

ΣΔU (V) ΣΔU% <10%

III Tính toán lựa chọn CB theo dòng ngắn mạch

1 Tính toán dòng ngắn mạch 3 pha lớn nhất

MBA T1:

Tra bảng G37 để tìm R và X của MBA T1 có S = 800 kVA theo cột ngâm dầu

Ta tìm được R và X của MBA T1 là R = 2,9 mΩ và X = 12,9 mΩ

Tính các thông số khác của MBA T1 khi quy về thứ cấp 400V

+ ρ = 18,51 𝑚𝑚2/m (đối với dây đồng) hoặc 29,41 𝑚𝑚2/m (đối với dây nhôm) + L là chiều dài dây dẫn (m)

+ S là tiết diện dây dẫn (𝑚𝑚2)

Trên đường dây 22kV:

Ta lấy số liệu tại bảng G.40:

Ta có: 𝑅 = 0,035 𝑚Ω và 𝑋 = 0,351𝑚Ω

Bỏ qua tổng trở của CB

Công thức tính ngắn mạch 3 pha:

𝐼𝑠𝑐 = 𝑈20

√3 × 𝑍Với:

𝑍 = √∑ 𝑅

2

+ ∑ 𝑋

2

Ví dụ 1: tính ngắn mạch tại điểm cuối đường dây 𝐶1

Tổng trở từ điểm ngắn mạch đến nguồn gồm tổng trở của đường dây 𝐶1, MBA T1, tổng trở đường dây 22kV

Ví dụ 2: tính ngắn mạch tại điểm cuối đường dây 𝐶15

Tổng trở từ điểm ngắn mạch đến nguồn gồm tổng trở của đường dây 𝐶15, MBA T7, 𝐶7, 𝐶1(xem nguồn là MBA T1)

C18 25 GV2ME ME22 25A 22 1,33 15

Lưu ý: các CB của dây C9, C16, C17, C18 của motor đã được chọn theo điều kiện bảo vệ

được động cơ Chi tiết được trình bày ở phần IV

3 Kiểm tra độ bền nhiệt của dây dẫn

Dây dẫn chịu đựng được dòng ngắn mạch khi thỏa mãn biểu thức sau:

𝑆2 𝐾2 ≥ 𝐼2 𝑡 Trong đó:

+ S : tiết diện dây dẫn (mm2) + K : hằng số tỏa nhiệt K + I : dòng ngắn mạch (kA) + t : thời gian dòng ngắn mạch đi qua (s)

Hệ số K tra theo bảng G52:

𝐼2 𝑡 ta phải vào catalogue của loại CB tra:

Dùng để tra CB dòng NSX và NS

Dùng để tra CB dòng Acti9

Ví dụ:

Dây C9 có S = 95 mm2 có dẫn điện bằng đồng và cách điện bằng PVC nên K = 115

S2 K2 = 952 1152 = 119355625 Tra bảng cho CB NSX ta được I2 t = 375000

Kết quả là 𝑆2 𝐾2 > 𝐼2 𝑡, nên dây đã chọn là phù hợp

Cách Điện CB Trip unit Isc max(kA) 𝑆2 𝐾2 I2 t Kết quả C1 4 x 240 Cu XLPE NS1250N Micrologic 2.0 1250A 8,42 1177862400 Không tra được

C7 240 Cu XLPE NSX400F MicroLogic 2.3 400A 5,87 1177862400 Không tra được

C8 300 Al PVC NSX160B TM-D 160A 7,66 519840000 250000 Chịu được C9 150 Cu PVC GV5P220F P220 220 A 6,92 297562500 Không tìm thấy

C10 2 x 185 Cu XLPE NSX400F MicroLogic 2.3 400A 7,49 699867025 1000000 Chịu được C11 185 Al PVC NSX250B TM-D 200A 7,77 197683600 400000 Chịu được C15 4x240 Al XLPE NSX630F Micrologic 4.3 570A 2,67 508953600 Không tìm thấy

C16 10 Cu XLPE GV2ME ME16 14A 0,92 2044900 Không tìm thấy

C17 70 Cu PVC NSX160F Micrologic 2.2 M 150A 6,57 64802500 250000 Chịu được C18 6 Cu PVC GV2ME ME22 25A 1,33 476100 Không tìm thấy

C19 50 Cu XLPE C120N C curve 80A 3,45 51122500 Không tìm thấy

C20 35 Cu PVC iC60N C curve 63A 5,10 16200625 30000 Chịu được C21 25 Cu XLPE C120N C curve 100A 3,94 12780625 Không tìm thấy

Lưu ý: đối với những CB không tìm được thông tin về I2 t sẽ điền kết quả không tìm thấy

IV Lựa chọn bộ bảo vệ động cơ

Khi khởi động, động cơ tiêu thụ một lượng điện năng rất lớn, điều này có thể gây ra quá tải Nếu không có biện pháp khởi động thì có thể dẫn đến mất an toàn trong vận hành

và hư hỏng động cơ

Chọn cách khởi động sao – tam giác (Start – Delta) thay vì khởi động trực tiếp (DOL) bởi vì dòng khởi động ở chế độ sao chỉ bằng 30% so với dòng khởi động ở trực tiếp Dùng bảng A6/21 (trang 249) sách TeSys Catalogue 2019 – 2020 Motor control and protection components

Ta tiến hành chọn bộ khởi động cơ sao – tam giác với CB có tích hợp chức năng bảo

vệ quá tải bên trong ở mức điện áp 400/415V chọn phối hợp loại 1 (type 1 coordination) nhằm tăng thêm tính kinh tế Trong bảng ta tra theo công suất định mức của động cơ nhằm tăng thêm tính an toàn

Ở M17 nếu tra bảng trên thì phải cần kết hợp 3 contactor, nên để tăng tính thêm tính kinh tế

ta tiến hành nâng loại CB của M17 lên NSX160F chọn theo bảng dưới đây Để tối đa tính kinh

tế ta chọn trip unit là Micrologic 2.2 M 150 A, nhằm không chọn thêm relay nhiệt

−1(0,86)) = 4,4 kVAr

Đối với công suất phản kháng của máy biến áp ta sử dụng bảng tra:

Từ bảng ta được công suất phản kháng tại đầy tải của T1 là 54,5 kVAr

Đối với MBA T7 200kVA có cos φ theo nhà cung cấp là 0,9

Ta phải nhân thêm 1.5 lần vào Ib tụ bù, kết hợp với cách tính ở phần chọn dây ta có:

𝐈𝐫

(A)

𝐈𝐜𝐮 (kA)

Tụ bù 487,5 630 NSX630F Micrologic 2.3 630A 454 36

VI Lựa kiểm tra sự bảo vệ chọn lọc của CB

Để lựa chọn được sự bảo vệ của CB, ta dựa vào các bảng Selectivity table của sách: Guide

2021 Complementary Technical Information

Ví dụ: xét CB ở C8 ComPact NSX160B có TMD trip unit 160A là Upstream CB

và CB ở C16 là GV2ME ME16 14A là Downstream CB Xét bảng B – 5 (trang 203):

Tra bảng ta ra được kết quả có chữ T tức có nghĩa là bảo vệ chọn lọc hoàn toàn.

Dưới đây là một số bảng để kiểm tra các loại CB khác:

PHÍA NGUỒN C7

NSX400F MicroLogic 2.3 400A

C8 NSX160B TM-D 160A

C10 NSX400F MicroLogic 2.3 400A

C11 NSX250B TM-D 200A

C1 NS1250N Micrologic 2.0 1250A

PHÍA

TẢI

C15 Compact NSX630F

Micrologic 4.3 570A

C16 GV2ME ME16 14A

Chọn lọc hoàn toàn

C17 NSX160F Micrologic 2.2 M 150A

Không có chọn lọc

C18 GV2ME ME22 25A

Chọn lọc hoàn toàn

C19 C120N

C curve 80A

Chọn lọc hoàn toàn

C20 iC60N

C curve 63A

Chọn lọc hoàn toàn

C21 C120N

C curve 100A

Chọn lọc hoàn toàn

C7 NSX400F MicroLogic 2.3 400A

Không có chọn lọc

C8 NSX160B TM-D 160A

Chọn lọc hoàn toàn

C9 GV5P220F P220 220A

Chọn lọc hoàn toàn

C10 NSX400F

MicroLogic 2.3 400A

Không có chọn lọc

C11 NSX250B

TM-D 200A

Chọn lọc hoàn toàn

Bảng 11 : Kết quả kiểm tra điều kiện chọn lọc của CB Nhận xét:

C15 nằm dưới C7 nhưng dòng điện lại lớn hơn do điện áp giữa hai dây khác nhau vì MBA Tại C1 nếu Ir phải chỉnh đúng với như Ir trong bảng tra thì mới có thể tra chọn lọc

VII Bảo vệ điện giật gián tiếp

Để tăng tính an toàn cháy nổ điện, ta sử dụng sơ đồ TN – S cho dự án Sơ đồ này có 5 dây

gồm 3 dây pha, 1 dây trung tính và 1 dây PE Ta tiến hành chọn dây PE như bảng sau:

Bảng G59: Cách chọn tiết diện dây PE dựa vào dây pha

Từ cách chọn ta có được bảng kết quả sau:

(m) Vật liệu của lõi

𝑆𝑝ℎ𝑎(𝑚𝑚2)

𝑆𝑃𝐸(𝑚𝑚2)

+ ρ = 18,51 𝑚𝑚2/m (đối với dây đồng) hoặc 29,41 𝑚𝑚2/m (đối với dây nhôm) + L là chiều dài dây dẫn (m)

+ S là tiết diện dây dẫn (𝑚𝑚2) + n là số dây trong 1 pha (trong trường hợp 1 pha nhiều sợi) Giải thích các 𝜌:

Từ hướng dẫn của Catalogue, ρ ở giá trị 20 độ C dùng để tính dòng ngắn mạch lớn nhất tức trường hợp xấu nhất, tương tự ta chọn giá trị ρ để tính dòng chạm vỏ:

RC7 tổng = RC1+ RC7 = 7,13 + 19,28 = 26,41 mΩ

XC7 tổng = XC1 + XC7 = 14,8 + 10 = 24,8 mΩ