BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN 23

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 bài tập lớn thiết bị điện trong phân phối điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN

MSSV: 1910294

Thành phố Hồ Chí Minh – 2022

Lời nói đầu

Thế giới ngày nay đổi mới từng ngày đòi hỏi cơ sở vật chất, kỹ thuật hạ tầng cũng phải phát triển theo với số lượng cũng như chất lượng hoàn thiện nhất Dân số thế giới tăng vọt, đất chật, người đông Nhu cầu xây dựng các tòa nhà chung cư nhằm giải quyết vấn đề chỗ ở là điều tất yếu Trong quá trình đó, việc thiết kế cung cấp điện đóng vai trò

vô cùng quang trọng Bởi lẽ hiện nay, mọi vật vận hành đều cần có điện Điện cung cấp cho ánh sáng, cho động cơ hoạt động, … Cần thiết kế cung cấp điện đảm bảo sao cho chính xác về kỹ thuật, an toàn và có độ tin cậy cao, phù hợp thực tế

Chính vì thế, thiết kế cung cấp điện cho các phụ tải điện là vấn đề cần quan tâm hàng đầu Bài tập lớn môn Thiết bị điện trong phân phối điện là bước đầu tiếp xúc của sinh viên nghành kỹ thuật điện về lĩnh vực thíêt kế cấp điện

Chân thành cảm ơn sự tận tình hướng dẫn của thầy Nguyễn Xuân Cường đã giúp em hoàn thành bài tập lớn này

MỤC LỤC

P1 TÍNH TOÁN SƠ BỘ 1

1.1 Tính dòng điện tải Ib 1

1.1.1 Dòng điện định mức của tải 1

1.1.2 Dòng điện làm việc của tải 2

1.1.3 Dòng điện tải trong các dây dẫn 2

1.2 Lựa chọn CB 3

P2 TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC DÂY DẪN 5

2.1 Lực chọn máy biến áp 5

2.2 Tính toán lựa chọn dây dẫn 6

2.3 Tính toán độ sụt áp 12

P3 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CB THEO DÒNG NGẮN MẠCH 15

3.1 Tính toán dòng ngắn mạch 3 pha lớn nhất 15

3.1.1 Tính tổng trở của các thành phần trong mạng điện 15

3.1.2 Tính dòng ngắn mạch 16

3.2 Kiểm tra khả năng cắt dòng ngắn mạch của CB 18

3.3 Kiểm tra độ bền nhiệt của dây dẫn 19

P4 LỰA CHỌN BỘ BẢO VỆ ĐỘNG CƠ 22

P5 TÍNH BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 26

5.1 Ý nghĩa 26

5.2 Tính giá trị Ptt và Qtt 26

5.3 Bù công suất phản kháng 28

P6 KIỂM TRA SỰ BẢO VỆ CHỌN LỌC CỦA CB 31

P7 BẢO VỆ ĐIỆN GIẬT GIÁN TIẾP 36

7.1 Tính toán kiểm tra bảo vệ điện giật gián tiếp 36

7.2 Tính dòng chỉnh định bảo vệ ngắn mạch của CB 39

P8 LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT VÀ BẢO VỆ MÁY BIẾN ÁP 41

8.1 Lựa chọn sơ đồ bảo vệ, thiết bị bảo vệ trong trường hợp có một lộ vào 22kV 41

8.2 Lựa chọn CT, VT và Fuse 43

8.2.1 Lựa chọn Fuse 43

8.2.2 Lựa chọn CT 46

8.2.3 Lựa chọn VT 48

8.3 Lựa chọn sơ đồ bảo vệ, thiết bị bảo vệ trong trường hợp có hai lộ vào 22kV 49

P9 TÍNH TOÁN BẰNG PHẦN MỀM ECODIAL 50

9.1 Mô phỏng Ecodial 1 sợi 50

9.3 Dòng điện tải, Dòng ngắn mạch lớn nhất, Dòng ngắn mạch nhỏ nhất, Dòng cắt nhanh Im 54

9.3.1 Dòng điện tải trên dây dẫn Ib 57

9.3.2 Dòng ngắn mạch lớn nhất Ik3M (Isc) và dòng ngắn mạch nhỏ nhất Iefmin (Icv) 57

9.3.3 Dòng cắt nhanh Im (Isd) 58

9.4 Công suất MBA 59

9.5 CB và Contactor 59

9.6 Phối hợp bảo vệ động cơ 60

9.7 Sụt áp 60

9.8 Bù công suất phản kháng 61

P10 KẾT LUẬN 62

BÁO CÁO 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 bản Đ.1, Đ.2, Đ.3

Các thông số chung của mạng điện như sau:

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

- MBA hạ áp T7: 400/230V

- Các phụ tải bình thường (VD tủ điện phân phối) ký hiệu L: cos=0.8, =1

- Các phụ tải động cơ ký hiệu M: cos,  tra theo hướng dẫn IEC

- Mạng điên nối đất theo sơ đồ TNS

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

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

Bảng Đ.1: Công suất của tải

1

P1 TÍNH TOÁN SƠ BỘ

1.1 Tính dòng điện tải I

1.1.1 Dòng điện định mức của tải

Tham khảo sách Hướng dẫn thiết kế lắp đặt điện

Hệ số công suất và hiệu suất của các phụ tải bình thường (VD tủ điện phân phối)

dm

P 1000

η 3U cosφ.

100

(1.1)

Trong đó: Pđm: Công suất định mức – Tra theo bảng B4 là Pn (KW)

Uđm: Hiệu điện thế định mức (V)

Iđm: Dòng điện định mức (A)

Cos : Hệ số công suất ( đối với M tra theo bảng B4 không tụ bù)

: Hiệu suất của tải (%)

Ví dụ áp dụng công thức (1.1) tính tải L19 và M16

19

40.1000

72.17( )100

1.1.2 Dòng điện làm việc của tải

Công thức tính dòng điện làm việc của tải:

I b = K sd I đm (A) (1.2) Trong đó: Ksd là hệ số sử dụng, biện luận lựa chọn hệ số

Do Ksd phụ thuộc vào quy trình công nghệ nên để đảm bản an toàn cũng như phù hợp cho việc tính toán thiết kế không bị quá tải Vì thế chọn Ksd = 1 cho tất cả phụ tải

Ví dụ tính dòng điện làm việc tải cho L15 và M16:

1.1.3 Dòng điện tải trong các dây dẫn

Công thức tính dòng điện tải trong các dây dẫn:

I b tổng = K đt ∑𝒊𝑰𝒃𝒊 (A) (1.3) Trong đó: Ibi là dòng điện tải trong các dây dẫn thành phần (A)

kđt là hệ số đồng thời, biện luận việc lựa chọn hệ số

Kđt phụ thuộc vào chế độ làm việc, quy trình vận hành, số nhánh phụ tải nối vào nút

Do yêu cầu từ chủ đầu tư và quy trình công nghệ nên chọn Kđt = 1 để đảm bảo

an toàn và phù hợp cho việc tính toán thiết kế sau này không bị quá tải

Đối với C10, C11, giá trị dòng điện tải trong dây dẫn được lấy theo yêu cầu của chủ đầu tư: Ib C10 = 310A, Ib C11 = 152A

Ví dụ:

Chọn CB với phần tử Trip Unit phù hợp với tải

Chọn dòng định mức CB và dòng định mức của Trip Unit (In) theo dòng điện tải của dây dẫn (Ib)

Chỉnh định dòng điện bảo vệ quá tải Ir sao cho thỏa mãn điều kiện Ib ≤ Ir ≤ In

Hệ số dòng chỉnh định quá tải: Tham khảo hình H18 trang H14 sách Schneider Electrical Installation Guide 2018

Hình 1 1: Hệ số chỉnh định dòng quá tải

Đối với role tác động nhiệt thường được hiệu chỉnh từ khoảng 0.7-1

Đối với cơ cấu điện tử thường được hiểu chỉnh từ khoảng 0.4-1

Hình 2 1: Công suất MBA

=> Công suất định mức MBA T1 : 800KVA

Công suất định mức MBA T7 : 160KVA

Bảng 5: Chọn lại CB cho phù hợp với máy biến áp

2.2 Tính toán lựa chọn dây dẫn

Công thức tính hệ số hiệu chỉnh dây dẫn:

𝑲𝒕Với : Ki : Hệ số hiệu chỉnh khi xét đến điều kiện lắp đặt cáp

+ K1: Hệ số thể hiện khả năng hiệu chỉnh dòng của dây trong không khí theo nhiệt độ môi trường xung quanh (Sách Electrical Installation Guide 2018 – trang G10)

+K2: Hệ số thể hiện khả năng hiệu chỉnh dòng của dây chôn trong đất theo nhiệt độ môi trường đất (Sách Electrical Installation Guide 2018 – trang G10)

+K3 : Hệ số hiệu chỉnh tùy thuộc vào tính chất của đất (Sách Electrical Installation Guide 2018 – trang G11)

+K4: Hệ số ảnh hưởng khi các dây dẫn đặt liền kề (Sách Electrical Installation Guide

2018 – trang G11)

- Iz : Dòng điện lớn nhất cho phép của cáp theo bảng tra

Dùng các bảng tra trong sách Electrical Installation Guide (2018) để xác định các

hệ số Ki

7

Hình 2 2: Các phương pháp lắp đặt dây dẫn (Sách Electrical Installation Guide 2018 – trang G8)

Hình 2 3: Hệ số K1 (dây đi trong không khí)

Hình 2 4: Hệ số K2 (dây đi trong đất)

Hình 2 5: Hệ số K3

Hình 2 8: Tiết diện dây dẫn chôn trong đất

Kiểu lắp đặt dây A1: C19, C20

Kiểu lắp đặt C: C1, C7, C16, C17, C21

Kiểu lắp đặt D1: C8, C9, C10, C11, C15

Kiểu lắp đặt E: C18

Đối với các kiểu lắp đặt A1, C, E thì Kt = K1 x K4

Đối với các kiểu lắp đặt D1 thì Kt = K2 x K3 x K4

điện XLPE, đặt trong máng (khay) cáp,

nhiệt độ môi trường 40 0 C

240

L = 20m Cáp điện đơn lõi, bằng nhôm (Al), cách

điện PVC, đặt trong máng (khay) cáp

cùng với 2 mạch khác, nhiệt độ môi

trường 45 0 C

L = 55m Cáp điện đơn lõi, bằng đồng (Cu), cách

điện PVC, đặt trong ống chôn ngầm trong đất ướt, nhiệt độ môi trường 25 0 C

0.95 1.13 1 1.07 144 134.14 50

L = 30m Cáp điện đa lõi, bằng đồng (Cu), cách

điện PVC, đặt trong ống chôn ngầm trong đất ướt với 2 mạch khác, nhiệt độ môi trường

điện XPLE , đặt trong ống chôn ngầm

trong đất khô với 2 mạch khác, nhiệt độ

điện XLPE, đặt trong ống chôn ngầm

trong đất ẩm với 2 mạch khác, nhiệt độ

điện PVC, đặt trong ống chôn ngầm trong đất ẩm với 2 mạch khác, nhiệt độ

môi trường

35 0 C

0.84 1.05 0.7 0.62 456 738.58 3x240

Cáp điện đa lõi, bằng đồng (Cu), cách

điện XLPE, đặt trong máng (khay) cáp vơi 3 mạch khác, nhiệt độ

môi trường 45 0 C

C17 II

L = 125m Cáp điện đa lõi, bằng đồng (Cu), cách

điện XLPE, đặt trong máng (khay) cáp cùng với 1 mạch khác, nhiệt

độ môi trường 40 0 C

L = 55m Cáp điện đa lõi, bằng đồng (Cu), cách

điện PVC, đặt trên thang cáp cùng với 1 mạch khác, nhiệt độ môi

trường 30 0 C

C19 XI

L = 130m Cáp điện đa lõi, bằng đồng (Cu), cách

điện XPLE , chôn trong tường với 1 mạch khác, nhiệt độ môi

trường 35 0 C

C20 XII

L = 45m Cáp điện đa lõi, bằng đồng (Cu), cách

điện PVC, chôn trong tường với 1 mạch khác, nhiệt độ môi trường

30 0 C

C21 XIII

L =185m Cáp điện đa lõi, bằng đồng (Cu), cách

điện XLPE, đặt trong máng (khay) cáp cùng với 1 mạch khác, nhiệt

13

Hình 2 9: Bảng tra hệ số K (V/A/km)

-Hệ số cos: Đối với tải chiếu sáng thông thường :1

Đối với tải động cơ khi hoạt động bình thường : 0.8 Đối với tải động cơ khi khởi dộng : 0.35

Ví dụ: Sụt áp trên dây C1: IbC1 = 1154.7A

Bảng 7: Bảng tính toán độ sụt áp trên dây dẫn

Số dây I b

(A)

K (V/A/Km)

L (Km)

△U (V)

∑△U (V)

∑△U (%)

Sph hc (mm 2 )

Phương pháp 2: Tính theo Công thức lý thuyết

△U=√3 x Ib x L x (Rcos  + Xsin ) V

Với: ∆U: Sụt áp trên dây dẫn (V)

R = 𝜌 𝐿

𝑛𝑆 (mΩ) Đối với Cu: ρCu = 23.7 (mΩ.mm2/m); với Al: ρAl = 37.6 (mΩ.mm2/m) Nếu dây dẫn có tiết diện lớn hơn 500mm2 bỏ qua giá trị R

S: tiết diện dây dẫn (mm2); L: chiều dài dây dẫn (m); n: số dây

X = XoL/n (mΩ) Đối với S <50mm2, bỏ qua giá trị X Các trường hợp còn lại X0

Với: U

: điện áp dây phía thứ cấp khi không tải

R

; X

: Điện trở và trở kháng mỗi pha tới điểm ngắn mạch

3.1.1 Tính tổng trở của các thành phần trong mạng điện

Lưới trung thế: có Psc = 500MVA => Ra = 0.035mΩ, Xa = 0,351mΩ

Hình 3 1: Giá trị điện trở, điện kháng của mạng MV đến LV của MBA MV/LV

MBA T1 có S=800kVA, chọn loại MBA khô có Usc(%)=6, RT1=2.6mΩ, XT1=

Chọn MBA T7 có Sn = 160kVA => Po = 680W; PCU = 5900 W; USC (%) = 5.5%

Dòng định mức MBA T7:

In = 𝑆𝑛

𝑈𝑛 =160000

230 = 695,65 𝐴 Tổng trở máy biến áp T7 (quy về thứ cấp)

Động cơ: Tổng trở thường bỏ qua ở lưới hạ áp

Thanh cái: Trở kháng của thanh cái bỏ qua khi S>200mm2 Ngược lại trở

kháng sẽ được tính bằng: R

= ρL/S (ρ tại 20

C) Tuy nhiên do đề bài không đề cập đến tiết diện và chiều dài thanh cái cũng như chất liệu nên bỏ qua

Hình 3 4: : Giá trị của ρ theo nhiệt độ, vật liệu cách điện và lõi cáo ( mΩ.mm 2 /m )

Dây dẫn: R = ρ x 𝐿

𝑆 (mΩ); X = 0.08 L (mΩ)

Với: L là chiều dài dây dẫn (m)

S là tiết diện dây dẫn (m)

17

Lưới trung thế: có Psc = 500MVA => Ra = 0.035mΩ, Xa = 0,351mΩ

MBA T1 có S=800kVA, chọn loại MBA khô có Usc(%)=6, RT1=2.6mΩ, XT1= 13 mΩ

U20 (V)

Isc (KA)

19

Bảng 8: Kết quả kiểm tra khả năng cắt dòng ngắn mạch của CB

3.3 Kiểm tra độ bền nhiệt của dây dẫn

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

S 2 K 2 ≥I 2 t

Với: S là tiết diện dây dẫn (mm2); K là hằng số tỏa nhiệt

I là dòng điện ngắn mạch (A); t là thời gian dòng ngắn mạch đi qua (s)

Hình 3 5: Bảng tra hằng số tỏa nhiệt K

Isc max (kA)

Hình 3 6: Đồ thị trên tra giá trị của I2t của CB NSX

VD: Dây C8 làm bằng Cu, cách điện PVC, có tiết diện 95 mm2, => Tra bảng hình G.52 có K = 115 Nên S2 K2 = 952 1152 = 119 x 106

Tra đồ thị trên với CB NSX160B ta được I2t ≈ 0.55 x 106 < S2.K2 = 119 x 106 Nên CB ở dây C8 vẫn chịu được

Cách điện CB Trip unit

P4 LỰA CHỌN BỘ BẢO VỆ ĐỘNG CƠ

Hiện nay có 3 loại bảo vệ động cơ thông dụng:

Phối hợp bảo vệ tối ưu

Loại 1: Phối hợp loại 1 đòi hỏi rằng trong tình trạng ngắn mạch, tiếp xúc hoặc

khởi động không được gây nguy hiểm cho nhân viên hoặc cơ sở và không được tiếp

tục hoạt động mà không cần sửa chữa hoặc thay thế các bộ phận

23

Loại 2: Phối hợp loại 2 yêu cầu trong tình trạng ngắn mạch, bộ tiếp xúc hoặc khởi

động không được gây nguy hiểm cho nhân viên hoặc cơ sở và sau đó phải được có thể tiếp tục hoạt động Nguy cơ hàn tiếp xúc được cho phép; trong trường hợp này, nhà sản xuất phải chỉ ra các biện pháp cần thực hiện liên quan đến việc duy trì thiết bị

Để đảm bảo tính liên tục cung cấp điện đối với động cơ, khả năng chịu tải khi khởi động bằng 5 – 7 lần dòng định mức của động cơ nên dùng chế độ AC-3 đóng cắt cho tải động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

Contactor loại 2 đảm bảo không nguy hiểm cho người và lắp đặt Ngoài ra khi nguy hiểm giữa các mối hàn nhỏ và chỗ tiếp xúc có thể tách ra Thời gian cắt điện ngắn, sau khi ngắn mạch contactor vẫn dùng được không cần thay mới Có tính kinh tế

Tra Catalogue TeSys Catalogue 2019 - 2020 _Motor control and protection components (MKTED210011EN) trang 239, 244

LC1F330

25

- Động cơ M16: 5.5KW

Dòng định mức Iđm = Ie =11.39A => Ip =13*Ie= 148.07A

Với: Iđm (P.1); Ip là giá trị tức thời tối đa của dòng khởi động bằng khoảng 13 lần Iđm

Chọn CB GV2ME có trip unit ME16 bảo vệ lưới In=14A và Isd = 170A > Ip = 148.07A

Nên khi khởi động CB sẽ không bị nhảy

- Động cơ M17: 22KW

Dòng định mức Iđm = Ie = 41.49A=> Ip =13*Ie= 539.37A

Chọn CB GV3P50 có trip unit P50 bảo vệ lưới In=50A và Isd = 700A > Ip = 539.37A

Nên khi khởi động CB sẽ không bị nhảy

- Động cơ M18: 45KW

Dòng định mức Iđm = Ie =83A => Ip =13*Ie= 1079A

Chọn CB GV4P115B có trip unit P115 bảo vệ lưới In=115A và Isd = 1188A >

Ip = 1079A

Nên khi khởi động CB sẽ không bị nhảy

- Động cơ M9: 160KW

Dòng định mức Iđm = Ie =282.39A => Ip =13*Ie= 3671.07A

Chọn CB NSX400F Micrologic 1.3M có trip unit bảo vệ lưới In=400A và Isd = 3900A > Ip = 3671.07A

Nên khi khởi động CB sẽ không bị nhảy

P5 TÍNH BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

5.1 Ý nghĩa

Nếu P (W) là công suất hiệu dụng hay công suất thực thì Q (Var) là công suất phản kháng hay công suất ảo, năng lượng vô công sinh ra bởi các thành phần phản kháng trong mạng điện xoay chiều AC

Bù công suất phản kháng là một việc làm cần thiết trong các bước thiết kế hệ thống cung cấp điện bởi các lợi ích mà nó mang lại:

- Về kỹ thuật:

Giảm tổn thất công suất trên các phần tử của hệ thống cung cấp điện (đường dây, máy biến áp,…)

Giảm tổn thất điện áp trên đường dây truyền tải

Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp

- Về kinh tế:

Từ ngày 10/12/2014, “ Thông tư Quy định về mua, bán công suất phản kháng ”

do Bộ Công Thương quy định đã có hiệu lực và phạt tiền người sử dụng nếu hệ số công suất cos dưới mức cho phép

5.2 Tính giá trị Ptt và Qtt

Các phụ tải bình thường (VD tủ điện phân phối) ký hiệu L: cos=0.8, =1 Các phụ tải động cơ lấy theo công suất định mức Do quy trình vận hành và quá trình công nghệ, lấy Kđt = 1 cho các phụ tải

Do dự án bù ở bên trung thế nên cần bù cho cả MBA T1, T7 và phụ tải động cơ (M), phụ tải bình thường (L)

27

- Đối với MBA T1 tra bảng sau:

Với MBA T1 có công suất 800 KVA , công suất phản kháng cần bù khi đầy tải

Công thức tính tiền mua công suất phản kháng của điện lực khi PF < 0.9:

T q = T a x k%

Trong đó: T

:

T

:

k:

Hình 5 1: Bảng hệ số k chi phí bù PF

Công thức tính bù công suất phản kháng:

Q bù = P tt x (tanφ 1 – tanφ 2 ) (KVAR)