nghiên cứu các phương pháp tính toán thiết kế điện của công trình dân dụng (tòa nhà cao tầng)

1.1 Xác định phụ tải tính toán theo công suất đặt Pđ và hệ số nhu cầu Knc Pđmi : công suất định mức của thiết bị thứ i, kw Ptt,Qtt,Stt : công suất tác dụng, công suất phản kháng và công

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐIỆN CỦA CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG

(TÒA NHÀ CAO TẦNG)

MÃ SỐ: SV2009 - 80

S 0 9

S KC 0 0 2 8 6 0

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐIỆN CỦA CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG

(TÒA NHÀ CAO TẦNG)

MÃ SỐ: SV2009-80

THUỘC NHÓM NGÀNH: KHOA HỌC KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH 2 – 2010

MỤC LỤC

Trang

TÓM TẮT ĐỀ TÀI 1

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ 1

I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 1

II NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI 1

PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 2

I MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI 2

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

III NỘI DUNG 2

1 Phương pháp xác định phụ tải tính toán .2

2 Phương pháp chọn dây kết hợp thiết bị bảo vệ 6

3 Phương pháp lựa chọn thiết bị đóng cắt 12

4 Phương pháp tính toán chiếu sáng 15

5 Phương pháp tính toán chống sét 23

6 Phương pháp tính toán nối đất 24

7 Xây dựng một số bảng tra cứu phục vụ thiết kế 27

IV KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 33

1 TÍNH KHOA HỌC 33

2 KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG VÀO THỰC TẾ 33

PHẦN 3: KẾT LUẬN 34

I KẾT LUẬN 34

II ĐỀ NGHỊ 34

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

• Công trình dân dụng ( Tòa nhà cao tầng)

II NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI

Do kiến thức và thời gian có hạn, ở đây chỉ đề cập đến một số phương pháp thiết kế liên quan đến hệ thống điện nặng mà chưa đề cập đến các hệ thống khác như : hệ thống điện nhẹ, hệ thống chữa cháy …

PHẦN II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI

• Nghiên cứu được các phương pháp tính toán, thiết kế điện cho tòa nhà cao tầng

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phân tích tổng hợp

- Đọc tham khảo và xử lý dữ liệu

III NỘI DUNG

1 Phương pháp xác định phụ tải tính toán

Xác định phụ tải tính toán hiện nay có nhiều phương pháp Những phương pháp đơn giản tính toán thuận tiện thường cho sai số lớn, ngược lại nếu độ chính xác cao thì phương pháp phức tạp Vì vậy, tùy theo giai đoạn thiết kế, tùy theo yêu cầu cụ thể mà chọn phương pháp thích hợp

1.1 Xác định phụ tải tính toán theo công suất đặt Pđ và hệ số nhu cầu Knc

Pđmi : công suất định mức của thiết bị thứ i, kw

Ptt,Qtt,Stt : công suất tác dụng, công suất phản kháng và công suất toàn phần

của nhóm thiết bị, kw, kVar, KVA;

Knc : hệ số nhu cầu

n : số thiết bị trong nhóm

Nếu hệ số công suất (cosϕ) của thiết bị trong nhóm không giống nhau ta phải tính hệ

số trung bình theo công thức :

Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, tính toán thuận tiện vì thế nó được sử dụng rộng rãi, nhưng nhược điểm của phương pháp này là kém chính xác

1.2 Theo tiêu hao điện năng trên một đơn vị sản phẩm

Đối với các hộ tiêu thụ có đồ thị phụ tải thực tế không thay đổi hay ít thay đổi ( quạt gió, bơm nước…) Phụ tải tính toán bằng phụ tải trung bình và được xác định theo suất điện năng trên một đơn vị sản phẩm khi cho trước tổng sản phẩm sản xuất trong một

năm

Ptt = W.NTmax

Ở đây :

W : suất tiêu hao điện năng trên một đơn vị sản phẩm, kW.h/đvsp;

N : số lượng sản phẩm trong một năm;

Tmax : thời gian sử dụng công suất cực đại

Dựa vào đồ thị phụ tải, xác định thời gian sử dụng phụ tải lớn nhất như sau :

Tmax = ΣPiti

Pmax , h

1.3 Theo suất phụ tải trên một đơn vị diện tích sản xuất

Ptt = p0F

Ở đây :

F : diện tích sản xuất, m2

P0 : suất phụ tải trên một đơn vị sản xuất, kw/m2

Suất phụ tải tính toán trên một đơn vị sản xuất phụ thuộc vào dạng sản xuất và được phân tích theo số liệu thống kê

Phương pháp này chỉ cho kết quả gần đúng Nó được dùng để tính phụ tải các phân xưởng có mật độ máy móc sản xuất phân bố tương đối đều

1.4 Xác định phụ tải tính toán theo số thiết bị điện và n bq

Ptt = kmax Σ

i = n

i = 1 ksdi.Pdmi

Ở đây :

Pđmi : công suất định mức thiết bị thứ i, kw;

Ksdi : hệ số sử dụng của thiết bị thứ I;

Kmax : hệ số cực đại, kmax = f(ksd,nhq)

Phương pháp này cho kết quả tương đối chính xác vì khi xác định hệ số thiết bị điện hiệu quả đã xét tới một loạt yêu tố quan trọng như ảnh hưởng của số lượng thiết bị trong nhóm, số thiết bị có công suất lớn cũng như sự khác nhau về chế độ làm việc của chúng

1.5 Xác định phụ tải phản kháng tính toán

Để xác định phụ tải phản kháng tính toán cần xem xét các yếu tố sau :

+ Căn cứ vào đường cong phụ tải phản kháng

+ Căn cứ vào hệ số sử dụng và hệ số công suất trung bình để tìm công suất phản kháng Khi xác định phụ tải phản kháng, không nên dựa vào trị số cosϕ trung bình của phụ tải trong toàn năm hoặc trong một ngày đêm

tgϕtb = Qt

Pt

Ở đây :

Qt : lượng công suất phản kháng phụ tải tiêu thụ trong thời gian t, kVAr;

Pt : lượng công suất tác dụng phụ tải tiêu thụ trong thời gian t, kVAr;

2 Phương pháp chọn dây kết hợp thiết bị bảo vệ

2.1 Cáp và dây trong mạng hạ áp

Cáp trong mạng hạ áp thường gặp là cáp đồng hoặc nhôm được bọc cách điện bằng giấy tẩm dầu hoặc cao su

Để tải điện xoay chiều 1 pha, điện 1 chiều thường sử dụng cáp 1, 2 lõi, thường là cáp 2 lõi Cáp 3 lõi dùng để tải điện xoay chiều 3 pha, cấp cho các động cơ hoặc phụ tải 3 pha đối xứng Cáp 4 lõi là cáp thường được dùng nhiều nhất để tải điện xoay chiều 3 pha đến 1kV, cấp cho các phụ tải 3 pha không đối xứng hoặc các tải động cơ cần dây trung tính Lõi thứ 4 của cáp này dùng làm dây trung tính và có tiết diện nhỏ hơn

Dây dẫn hạ áp thường dùng là dây dùng trong nhà, được bọc cao su cách điện hoặc nhựa cách điện PVC Một số trường hợp dùng trong nhà là dây trần hoặc thanh dẫn nhưng phải được đặt trên sứ cách điện

Do mạng phân phối hạ áp tải công suất nhỏ và cự ly truyền tải ngắn nên chỉ tiêu kinh

tế chỉ đóng vai trò quan trọng mà không đóng vai trò quyết định như chỉ tiêu kỹ thuật Chỉ tiêu kỹ thuật cần quan tâm khi chọn dây/cáp bao gồm:

Nhiệt độ dây/cáp không được vượt quá nhiệt độ cho phép qui định bởi nhà chế tạo trong chế độ vận hành bình thường cũng như trong chế độ vận hành sự cố khi xuất hiện ngắn mạch

Độ sụt áp không được vượt quá độ sụt áp cho phép

DÂY CÁP ĐIỆN LỰC CV Ruột dẫn: đồng nhiều sợi xoắn Cách điện: nhựa PVC

Điện áp: 660V Dùng cho mạng điện phân phối khu vực

Đường kính

tổng (mm)

Trọng lượng

gần đúng (kg/km)

Cường độ tối đa (Amp)

4,20 4,80 5,10 6,42 7,56 9,00 10,70 12,60 14,00 16,10 17,64 18,20 20,70 22,68 23,40 26,10

6,80 7,60 8,10 9,60 11,00 12,60 14,50 16,50 18,20 20,50 22,30 23,00 25,50 27,70 28,60 30,60

Thủ tục đầy đủ lựa chọn dây/cáp trong mạng hạ áp như sau:

Tăng tiết diện dây

2.2.1 Lựa chọn tiết diện theo điều kiện phát nóng

Dây dẫn được chọn theo điều kiện phát nóng lâu dài cho phép sẽ đảm bảo cho cách điện của dây dẫn không bị phá hỏng do nhiệt độ dây dẫn đạt đến trị số nguy hiểm cho cách điện của dâỵ Điều này được thực hiện khi dòng điện phát nóng cho phép của dây/cáp phải lớn hơn dòng điện làm việc lâu dài cực đại chạy trong dây dẫn

a Xác định tiết diện dây/cáp không chôn ở dưới đất

Theo điều kiện lắp đặt thực tế, dòng phát nóng cho phép của dây/cáp không chôn ngầm dưới đất phải hiệu chỉnh theo hệ số K bao gồm các hệ số thành phần:

Hệ số K1 xét đến ảnh hưởng của cách lắp đặt (Bảng 2.10)

Hệ số K2 xét đến số mạch dây/cáp trong một hàng đơn (Bảng 2.11)

Hệ số K3 xét đến nhiệt độ môi trường khác 30oC (Bảng 2.12)

b Xác định tiết diện dây/cáp chôn ngầm trong đất

Theo điều kiện lắp đặt thực tế, dòng phát nóng cho phép của dây/cáp chôn ngầm dưới đất phải hiệu chỉnh theo hệ số K bao gồm các hệ số thành phần:

2.2.2 Chọn dây dẫn kết hợp với chọn thiết bị bảo vệ

Trong mạng hạ áp, thường sử dụng máy cắt (CB) hay cầu chì để bảo vệ quá tải thiết bị tiêu thụ điện và dây/cáp Do đó, việc chọn dây/cáp trong mạng hạ áp liên quan chặt chẽ với việc chọn thiết bị bảo vệ

Sau đó, tính sụt áp ∆U và kiểm tra điều kiện sụt áp cho phép:

b Chọn dây dẫn kết hợp với chọn cầu chì

Khi tính toán được dòng làm việc cực đại của phụ tải IB, chọn dòng tác động của dây chảy cầu chì Idc thoả điều kiện:

Các bước xác định hệ số hiệu chỉnh K, dòng cho phép tính toán Icptt, dòng phát nóng định mức Icpđm, chọn tiết diện dây/cáp, kiểm tra điều kiện sụt áp cho phép và điều kiện ổn định nhiệt khi xuất hiện ngắn mạch tương tự như trên

2.2.3 Kiểm tra theo điều kiện tổn thất điện áp và ổn định nhiệt

a Kiểm tra theo tổn thất điện áp

Đối với mạng hạ áp, do trực tiếp cung cấp điện cho phụ tải nên vấn đề đảm bảo điện

áp rất quan trọng Vì vậy, thường phải kiểm tra điều kiện tổn thất điện áp cho phép

Công thức xác định tổn thất điện áp trên đường dây/cáp trình bày ở Bảng 2.1:

Bảng2.1 Công thức xác định tổn thất điện áp

SỤT ÁP ∆∆∆U MẠCH

∆

1 pha: pha/trung tính ∆ U = 2 IB r0 cos ϕ + x0sin ϕ ) L

3 pha cân bằng: 3 pha (có

hoặc không có trung tính ∆U= 3IB r0cosϕ+x0sinϕ)L

dm

U

U

∆ 100

Ở đây: IB là dòng làm việc lớt (A), r0 là điện trở của dây dẫn trên một đơn vị chiều dài, (Ω/ km), x0 là cảm kháng của dây dẫn trên một đơn vị chiều dài (Ω/ km), L là chiều dài đường dây(km), ϕgóc pha giữa điện áp và dòng điện trong dây, Uđm là điện áp dây định mức (V)

r0 và x0 được xác định với các lưu ý sau:

r0 được bỏ qua khi tiết diện lớn hơn 55mm2

r0=

) daâymm tieátdieän

( F

) km / mm 5 , 22

( F

) km / mm 36

x0 được bỏ qua cho dây dẫn có tiết diện nhỏ hơn 50mm2

Nếu không có thông tin nào khác chọn x0 = 0,08Ω/ km

Cosϕ được chọn như sau:

Đối với phụ tải chiếu sáng cosϕ = 0,6÷1

Đối với phụ tải động cơ

+ Khi khởi động cosϕ= 0,35 + Ở chế độ bình thường cosϕ= 0,8

Trong thực tế, để đơn giản trong tính toán tổn thất điện áp có thể áp dụng biểu thức sau:

Điều kiện kiểm tra tổn thất điện áp cho phép:

∆U max% ≤ ∆Ucp %

Ở đây: ∆Ucp% là tổn thất điện áp cho phép (±5% hoặc 2.5 % tuỳ loại phụ tải), ∆Umax

%là tổn thất điện áp lớn nhất trong mạng

Nếu trong mạng có nhiều đoạn, nhiều nhánh thì phải tìm điểm nào có tổn thất điện

áp lớn nhất ∆Umax% để so sánh

b Kiểm tra theo điều kiện ngắn mạch

Khi chưa mang tải, nhiệt độ trong dây dẫn bằng với nhiệt độ môi trường Khi ngắn mạch, nhiệt lượng trong dây dẫn sẽ sinh ra rất lớn và toả vào lớp bọc cách điện Nếu các thiết bị bảo vệ không cô lập sự cố kịp thời sẽ dẫn cách điện dây dẫn bị phá hủy

Cần phải kiểm tra khả năng chịu nhiệt của dây/cáp khi xuất hiện ngắn mạch theo biểu thức:

2 cñ

Ở đây: t là thời gian tồn tại dòng ngắn mạch (s), IN là dòng điện ngắn mạch (A), F là tiết diện của dây/cáp (mm2); Kcđ là hằng số đặc trưng cho loại cách điện (A2.s/mm4) Giá trị Kcđ được tra Bảng 2.2

Bảng 2.2 Nhiệt độ cho phép của cáp theo loại cách điện và hằng số K cđ

3 Phương pháp lựa chọn thiết bị đóng cắt

3.1 Phân loại CB

a Loại MCB: MCB (Miniature Circuit Breakers) thường được sử dụng trong công

nghiệp thương mại, thiết bị trong nhà và trong dân dụng Do đó, MCB có kích thước cũng như dòng định mức nhỏ, nên nó phù hợp cho việc bảo vệ cáp, bảo vệ thiết bị chiếu sáng, mạch nung (lò sưởi, bàn ủi) cũng như điều khiển và bảo vệ các động cơ có công suất nhỏ Các thông số đặc trưng của MCB là:

Giá trị dòng định mức lớn hơn 100A có thể lên đến 2,5kA hay lớn hơn;

Khả năng ngắt dòng cũng cao hơn lên đến 50kA hay hơn nữa

3.2 Điều kiện lựa chọn CB

CB hạ áp thường được lựa chọn theo các điều kiện như sau:

Các đặc tính điện của lưới điện mà CB được đặt vào:

+ Điện áp định mức

Ue + ∆Ue ≥ Uđm mạng + ∆Umạng

Ở đây: Ue là điện áp định mức của CB, ∆Ue là độ taăng điện áp cho phép của CB, Uđm mạng là điện áp định mức của mạng điện nơi thiết bị và CB được lắp đặt, ∆Umạng là độ lệch điện áp có thể có của mạng so với điện áp định mức trong điều kiện vận hành

+ Dòng điện định mức:

Ở đây: In là dòng điện định mức của CB, Ilv max là dòng điện làm việc lâu dài cực đại của phụ tải, Kr là hệ số hiệu chỉnh (Kr=0÷0,8 đối với cơ cấu bảo vệ nhiệt, Kr=0÷0,8 đối với cơ cấu bảo vệ điện tử)

Đặc tuyến ngắt dòng: phù hợp với thiết bị được bảo vệ

Môi trường sử dụng:nhiệt độ xung quanh, lắp đặt trong/ngoài tủ, các điều kiện khí hậu

Các yêu cầu khai thác: tính chọn lọc, các yêu cầu như điều khiển từ xa, các công tắc tơ phụ, các cuộn dây tác động phụ, có đưa thêm vào hệ thống mạng tín hiệu nội bộ (thông tin, điền và chỉ thị…)

3 3 Cầu chì hạ áp

Cầu chì là thiết bị bảo vệ bẳng cách chảy một hoặc nhiều dây chảy để ngắt mạch

và cắt dòng nếu dòng vượt quá giá trị cài đặt trong khoảng thời gian cho phép Cầu chì sử dụng trong công nghiệp là cầu chì HRC Đây là loại cầu chì có khả năng cắt dòng ngắn mạch cao (đến 50kA), dòng định mức của dây chảy cầu chì từ 6A đến 630A và điện áp đến 500V

Các thành phần chính của cầu chì HRC là: vỏ cầu chì kèm các đầu nối, dây chảy cầu chì, vật liệu dập hồ quang (thường là cát thạch anh), đế cầu chì kèm ngàm kẹp, niêm chì bào tình trạng cầu chì và tay kẹp cầu chì cho phép thay nóng cầu chì khi hư hỏng

Cầu chì được lựa chọn theo các điều kiện sau:

+ Điện áp định mức: Uđmcc ≥ Uđmmạng + Dòng điện định mức: Iđmcc ≥ Ilvmax

+ Khả năng cắt dòng ngắn mạch: Iđmc ≥ 3

N

+ Kiểm tra khả năng tác động khi

khởi động động cơ: Iđmcc ≥ Imax/α

Ở đây: Uđmcc, Uđmmạng lần lượt là điện áp định mức của cầu chì và mạng điện;

Iđmcc, Ilvmax lần lượt là điện áp định mức của cầu chì và dòng điện làm việc cực đại của nhánh dây; Iđmc là dòng định mức cắt ngắn mạch của cầu chì, Ilvmax là dòng ngắn mạch 3 pha ngay sau vị trí đặt cầu chì; là dòng khởi động động cơ hay dòng của nhóm thiết bị khi động cơ có dòng khởi động lớn nhất khởi động, α=2,5 khi thời gian khởi động tkđ<8s (thường là khởi động không tải) và α=1,6 khi thời gian khởi động tkđ>8s (thường là khởi động có tải)

4 Phương pháp tính toán chiếu sáng

4.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế chiếu sáng

Để thiết kế hệ thống chiếu sáng cao cấp cần phải lựa chọn phương thức chiếu sáng thích hợp cũng như hiểu rõ những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng chiếu sáng như: hệ số mất mát ánh sáng, độ tương phản, tỷ số độ rọi, mức độ đồng đều, phân bố ánh sáng, bóng

và độ chói

4.1.1 Hệ số mất mát ánh sáng (LLF)

Hệ số mất mát ánh sáng được xét đến do tuổi thọ của đèn giảm dần dẫn tới quang thông của đèn bị suy giảm Ngoài ra còn phải kể tới các yếu tố khác như: các bộ đèn bị bám bẩn, ảnh hưởng của các loại ballast khác nhau trên hiệu sáng phát sáng và tuổi thọ của đèn

4.1.2 Độ tương phản

Trong thực tế, mỗi một chi tiết của vật thể được chiếu sáng đều cóu cầu về độ rọi và màu sắc khác nhau từ nền của chúng Khả năng nhận biết tốt nhất khi độ tương phản giữa vật và nền của nó càng cao Nếu độ tương phản thấp, có thể khắc phục bằng cách sử dụng

hệ thống chiếu sáng bổ sung

4.1.3 Tỷ số độ rọi

Để mắt được làm việc một cách dễ chịu và hiệu quả thì độ rọi giữa vật được chiếu sáng với các vật xung quanh phải tương đối đồng đều Người thường xuyên nhìn vào vật được chiếu sáng nhưng họ cũng có thể nhìn sang những vật thể khác Nếu độ rọi không