THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN DÂN DỤNG

Mục đích: Cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về tính toán thiết kế và lựa chọn thiết bị cho mạng điện chiếu sáng trong nhà. Yêu cầu: Sinh viên phải nắm được: Yêu cầu của một hệ thống chiếu sáng tốt Ưu nhựơc điểm của các loại đèn điện: Các đèn sợi đốt, các đèn huỳnh quang, các đèn cao áp. Tính chọ hệ thống điện chiếu sáng trong nhà: Cho một căn hộ, một phòng học, phòng họp, hội trường…. Cách tính chọ dây dẫn và thiết bị đóng cắt Hình thức đi dây

Chương 1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN DÂN DỤNG

Mục đích: Cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về tính toán thiết kế và lựa chọn

thiết bị cho mạng điện chiếu sáng trong nhà

Yêu cầu: Sinh viên phải nắm được:

- Yêu cầu của một hệ thống chiếu sáng tốt

- Ưu nhựơc điểm của các loại đèn điện: Các đèn sợi đốt, các đèn huỳnh quang, các đèn cao áp

- Tính chọ hệ thống điện chiếu sáng trong nhà: Cho một căn hộ, một phòng học, phòng họp, hội trường…

- Cách tính chọ dây dẫn và thiết bị đóng cắt

- Hình thức đi dây

3.1 CÁC THIẾT BỊ VÀ MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG

3.1.1 Khái niệm chung về ánh sáng

Chúng ta đều biết rằng ánh sáng là những bức xạ điện từ, tuy nhiên chỉ có những bức

xạ điện từ có giải bước sóng từ 380 nm đến 760 nm (1 nm = 10-9m) mới gây nên tác dụng nhìn thấy ở mắt người, các bức xạ trong giải bước sóng này xẽ có tác dụng lên tế bào thần kinh võng mạc mắt và gây ra cảm giác nhìn thấy ở mắt người, được gọi là “ánh sáng” Trong giải bức xạ này tương ứng với các bước sóng khác nhau xẽ tạo ra các màu sắc khác nhau:

Trong phổ nhìn thấy của mắt người, thì mắt người lại có cảm giác nhậy cảm nhất với bức sạ có bước sóng 550 nm (tương ứng với mầu vàng chanh) Tức là mắt ngườ sẽ có cảm giác sáng nhất ở ánh sáng mầu vàng chanh

Ánh sáng tự nhiên là tốt nhất, tuy nhiên trong sinh hoạt và sản xuất ngoài chiếu sáng

tự nhiên còn phải dùng chiếu sáng nhân tạo Hiện nay phổ biến nhất là dùng đèn điện để chiếu sáng nhân tạo, sở dĩ như vậy là vì chiếu sáng điện có những ưu điểm sau: Thiết bị đơn giản, sử dụng thuận tiện, giá thành rẻ, tạo được ánh sáng gần giống ánh sáng tự nhiên

3.1.2 Yêu cầu của hệ thống chiếu sáng

Rất nhiều yếu tố được nêu ra để có được một hệ thống chiếu sáng tối ưu Trong đó quan trọng nhất là phải cung cấp được một số lượng ánh sáng đầy đủ và loại ánh sáng đúng nghĩa Ánh sáng không bị hạn chế bởi các vật cản và không gây chói mắt Hình thức lắp đặt đèn được ưa chuộng nhất là làm sao để mọi người không nhìn thấy nguồn sáng đèn trực tiếp

Theo không gian chiếu sáng được phân thành

- Chiếu sáng trong nhà

- Chiếu sáng ngoài trời

Theo hình thức chiếu sáng phân thành

- Chiếu sáng trực tiếp: Là hình thức chiếu sáng được tạo ra bằng cách lắp đặt đèn sao cho tất cả ánh sáng đèn hướng về khu vực chiếu sáng

- Chiếu sáng gián tiếp: Là hình thức chiếu sáng ánh phát ra từ đèn tới vật phản chiếu

đi đến khu vực cần chiếu sáng

1.1.3 Bóng đèn

a Đèn sợi nung (sợi đốt)

Cấu tạo: Có hai loại: Đế ngạnh trê và đế xoắn ốc với cấu tạo hình như hình 1.2

1 Bóng thủy tinh hút chân không

Nguyên lý làm việc: Khi đặt vào hai cực của đèn một điện áp làm việc U thì có dòng điện

đi qua sợi tóc của bóng đèn, vì sợi tóc của đèn làm bằng vật liệu có điện trở lớn (dây vonfram) nên nó phát ra một nhiệt lượng Q = 0,24I2.R.t (calo) và đốt nóng dây vonfram đến nhiệt độ cao làm bức xạ ánh sáng trắng Ở cùng một điện áp thì hiệu suất phát quang càng lớn khi công suất của đèn càng lớn

Ưu điểm: Đèn có thể chiếu sáng ngay cả khi điện áp thấp (tuy nhiên hiệu suất phát quang

thấp) Tác động nhanh, bật công tắc đèn sáng ngay, sơ đồ mắc điện đơn giản, dễ sử

+ Bóng đèn: Ống thủy tinh hình trụ bịt kín, vách trong của ống thủy tinh có tráng

một lớp bột huỳnh quang (hỗn hợp của lưu huỳnh, can xi, magiê và kẽm được chế tạo đặc biệt), bên trong ống hút không khí và có nạp một lượng nhỏ agon và thuỷ ngân, hai đầu ống

có hai nắp cực điện bằng dây vonfram, trên mặt dây vonfram có tráng một lớp bari ôxít để sau khi điện cực nóng lên sẽ phát xạ điện, hai đầu cực điện nối với hai chân đèn để nối với hai mạch điện bên ngoài

+ Tắc te: Thực chất là một rơ le nhiệt có

cấu tạo như hình 1.4, gồm: vỏ nhôm (1), tụ điện

(2), bóng thủy tinh (3), cực nối điện (4), lá kim

xạ điện từ làm cho khí agon ở gần hai cực bị ion hóa, nhiệt độ xung quanh hai cực tăng, thủy ngân bốc hơi tạo điều kiện dễ dàng cho sự ion hóa toàn bộ chất khí trong đèn Mặt khác khi trong mạch có dòng điện thì có một phần điện áp rơi trên cuộn chấn lưu, làm cho điện áp đặt trên hai cực của tắc te giảm đi, sự phóng điện cháy sáng của tắc te dừng lại, lá kim loại thép nguội dần và trở về trạng thái cũ làm cho tiếp điểm mở ra do đó dòng điện mất đột ngột, trong cuộn chấn lưu xuất hiện sức điện động tự cảm có giá trị rất lớn, vì vậy điện

áp giữa hai cực của đèn tăng lên mạnh mẽ Hơi thủy ngân trong bóng đèn dưới tác dụng của điện trường mạnh bị ion hóa toàn bộ gây nên hiện tượng phóng điện hồ quang và bức xạ tia

tử ngoại Các tia tử ngoại bắn vào bột huỳnh quang kích thích bột huynh quang làm cho toàn bộ đèn sáng lên

Sau khi đèn sáng điện áp giữa hai đầu ắc te không đủ để tạo nên sự phóng điện cháy sáng nữa, nên tắc te cũng ngừng làm việc, tụ 5 đấu song song với tiếp điểm tắc te có tác

dụng trừ khử hiện tượng nhiễu đối với các thiết bị điện như: Đài, vô tuyến , tụ 6 đấu song song với mạch điện để bù cosφ cho lưới điện

Một tác dụng khác của bộ chấn lưu là khi đèn đã sáng nó có thể hạn chế dòng điện trong đèn đề phòng dòng điện quá lớn làm cháy đèn

Ngày nay đã chế tạo được chấn lưu

điện tử có kích thước nhỏ và loại trừ được

hiện tượng nhấp nháy

c Đèn cao áp thủy ngân

+ Đèn cao áp thủy ngân chấn lưu ngoài

Cấu tạo: Hình 1.5

1 Bóng thủy tinh ngoài

2 Bóng thủy tinh thạnh anh (bón trong)

Nhuyên lý làm việc: Khi đóng điện thì giữa cực chính số 5 và cực phụ số 4 phóng

điện làm nhiệt độ bóng thạch anh tăng cao, thủy ngân dần dần bay hơi, đến một mức độ nào

đó thì giữa cực chính 5 và cực 3 hình thành sự phóng điện hồ quang, phát ra ánh sáng mạnh, đồng thời hơi thủy ngân bị ion hóa phát ra tia tử ngoại, các tia tử ngoại đập vào lớp bột huỳnh quang quét ở vách trong của bóng thuỷ tinh phát ra ánh sáng mạnh Trên cực phụ có mắc nối tiếp điện trở nên khi đèn sáng thì điện áp giữa cực chính 5 và cực phụ 4 giảm và giữa chúng ngừng phóng điện Chấn lưu trong mạch điện dùng để hạn chế dòng điện đi trong bóng đèn, tụ điện bù dùng để tăng hệ số công suất của mạch điện

Những điều cần chú ý khi dùng đèn cao áp thủy ngân chấn lưu ngoài

- Khi đèn bắt đầu cháy sáng dòng điện tương đối lớn, do đó thiết bị phải sử dụng loại vật liệu chịu được dòng điện lớn đó

- Nhiệt độ của đèn khá cao, do đó khoảng cách giữa các đèn không nên quá nhỏ

- Sự thay đổi điện áp của đường dây không nên lớn hơn ± 15 V, nếu không thì trong quá trình sử dụng có thể bị tắt đột ngột

- Sau khi tắt đèn cần để nguội 5  10 phút do đó áp suất bên trong đèn giảm xuống, sau đó bật công tắc đèn mới sáng lại

+ Đèn cao áp thủy ngân tự chấn lưu

Cấu tạo: Hình 1.6

1 Bóng thủy tinh ngoài

2 Bóng thuỷ tinh thạch anh

3,5 Cực chính

4 Dây tóc tựa chấn lưu

6 Cực phụ

7 Điện trở

Nguyên lý làm việc: Đóng điện thì giữa cực phụ 6 và cực chính 5 phóng điện, thủy

ngân bay hơi đồng thời dây tóc nóng lên làm giữa cực chính 3 và 5 có phóng điện hồ quang, phát ra ánh sáng mạnh, đồng thời hơi thủy ngân bị ion hóa phát ra tia tử ngoại đập vào lớp huỳnh quang quét ở vách trong thành bóng tạo ra ánh sáng mạnh

Tác dụng của dây tóc không những giúp cho đèn cháy sáng mà còn làm giảm áp lực, hạn chế dòng điện và cải thiện màu sắc của ánh sáng

Ưu điểm: Hiệu suất phát sáng cao, tiết kiệm điện, hệ số cosφ ≈ 1 nên không cần tụ

điện

Nhược điểm: Không bền bằng đèn chấn lưu ngoài

d Bóng đèn halogen kim loại

1 2 3 4 5 6

7

Nguyên lý làm việc: Giống bóng đèn hơi thủy ngân, chỉ khác:

- Hợp chất Halogen của nhiều kim loại có tính bốc hơi dễ dàng hơn chính kim loại đó

và không huỷ hoại kính thạch anh

- Trong bóng Halogen kim loại, ngoài thuỷ ngân và acgon, người ta còn cho thêm các hợp chất của halogen với Iốt, Brôm, Clo

- Sau khi có phóng điện, khi nhiệt độ làm việc của bóng đạt tới mức nhất định thì các hợp chất Halogen kim loại dần dần chuyển sang dạng hơi, các điện tử rơi vào vùng trung tâm với nhiệt độ lớn (vài ngàn độ K)

Khi đó hợp chất Halogen kim loại lại bị phân tích thành Halogen và kim loại Các nguyên tử của kim loại dễ bị kích thích và bức xạ thành những phổ đặc trưng của chúng, khuyếch tán ra khỏi vùng phóng điện, rơi vào vùng có nhiệt độ thấp hơn và sẽ lại bốc hơi

Các thông số của bóng đèn halogen kim loại

- Công suất bóng đèn từ 70 đến 2000 W

- Hiệu suất sáng: 68 ÷ 90 lm/W

- Nhiệt độ màu: 3000 ÷ 65000K

Bóng sáng hoặc phủ lớp photpho: 3400 ÷ 4100 K Bóng công suất thấp sáng và ấm: 3000 ÷ 3200 K

- Chỉ số truyền màu: 65 ÷ 90

- Tuổi thọ: 10000 ÷ 20000 h

Bóng đèn halogen kim loại có thể sử dụng cho chiếu sáng trong và ngoài nhà như tiền sảnh khách sạn, nhà hàng, hội chợ, triển lãm, sân thể thao, tượng đài, công viên Đèn halogen kim loại được dùng để chiếu sáng diện tích lớn, với yêu cầu cao trong việc thể hiện màu sắc như chiếu sáng các sân thể thao khi cần truyền hình màu

Ưu điểm:

+ Cho màu ánh sáng ban ngày, dễ kiểm soát và phân bố ánh sáng

+ Hiệu suất phát quang cao hơn bóng thuỷ ngân

+ Do sử dụng có bộ mồi xung quanh điện áp làm việc nên khi tăng điện áp hoặc giảm nhiệt độ môi trường xung quanh, quá trình làm việc của bóng không bị ảnh hưởng nhiều

Đèn phóng điện có kích thước giảm tương đối nhiều để duy trì nhiệt độ và áp suất, bóng đèn được làm bằng thuỷ tinh alumin

Bóng đèn natri cao áp được coi là nguồn sáng lý tưởng cho chiếu sáng đường phố do tuổi thọ lên đến 24.000h và hiệu suất sáng cao nhất trong các loại bóng đèn phóng điện

- Hiệu suất phát sáng cao

- Ít ảnh hưởng dao động điện áp

2 Đầu điện vào

3 Bóng đèn elíp băng thuỷ tinh bền

4 Ống phóng điện ôxít nhôm để có hiệu suất cao

1 2 3 4 5 6 7

3 Ống phúng điện

4 Nơi chứa dọt natri

5 Cỏc cực đưa dũng điện vào

6 Đui cài

Nguyờn lý làm việc: Đốn cú dạng ống chứa natri (khi nguội ở trạng thỏi giọt) trong

khớ neon Khi cú phúng điện vài phỳt, natri bốc hơi phỏt bộ đụi vạch 589 và 589,6 nm nờn tạo ỏnh sỏng màu vàng da cam rất gần với cực đại nhạy cảm của mắt với điều kiện ỏp suất natri thấp khoảng 10-3 torr (1 torr = 1 mm cột thủy ngõn)

Loại búng này khụng được sử dụng rộng rói do bức xạ ỏnh sỏng đơn sắc nhưng cú hiệu suất sỏng cao

- Cụng suất búng 18 ữ 180 W

- Hiệu suất sỏng 100 ữ 200 lm/W (vượt xa cỏc nguồn sỏng khỏc)

- Chỉ số truyền màu CRI = 0 (tỏa tia đơn sắc)

- Tuổi thọ trung bỡnh 8000 giờ

Búng đốn natri thấp ỏp là loại chiếu sỏng đặc biệt kinh tế, cú thể sử dụng cho cỏc đường hầm, kờnh rạch, cửa cống

- Màu khụng sỏng: da cam, vàng

- Thời gian khởi động lõu (khoảng 10 phỳt)

1.1.4 Chao đèn

Chao đèn là bộ phận bao bọc ngoài bóng đèn

a Tác dụng của chao đèn

- Đ-ợc dùng để phân phối lại quang thông của bóng đèn một cách hợp lý và theo yêu cầu nhất định (phản chiếu ánh sáng theo 1 h-ớng nhất định, tập trung c-ờng độ ánh sáng vào

đối t-ợng chiếu sáng)

- Chao đèn còn có tác dụng bảo vệ cho mắt khỏi bị chói, bảo vệ cho bóng đèn khỏi bị

va đập, bụi bám và bị phá huỷ bởi các chất khí ăn mòn

- Chao đèn còn có tác dụng thẩm mỹ, làm tăng vẻ đẹp của hệ thống chiếu sáng

b Phân loại chao đèn

- Theo cách phân bố quang thông của nguồn sáng ta có thể chia chao đèn làm 3 loại chính:

+ Chao đèn chiếu sáng trực tiếp: là chao đèn tập trung hơn 90% ánh sáng đèn về phía

đối diện mặt chao Chao th-ờng làm bằng sắt tráng men, thủy tinh mài hoặc thủy tinh màu sữa

Ưu điểm của loại chao đèn này là hiệu quả chiếu sáng cao nh-ng có nh-ợc điểm là dễ gây chói mắt

+ Chao đèn phản chiếu: phản xạ tập trung hơn 90% quang thông của đèn lên phía trên rồi phản xạ xuống (hắt ánh sáng lên trần, rồi trần phản xạ ánh sáng xuống phía d-ới)

Để dùng đ-ợc loại chao đèn này, trần nhà phải là loại phản xạ tốt và có màu trắng Chao th-ờng là thủy tinh màu sữa hoặc thủy tinh mài

Ưu điểm của loại chao đèn này là ánh sáng chia đều cả phòng, dịu mát, không chói nh-ng hiệu quả chiếu sáng thấp và th-ờng đ-ợc dùng ở các hội tr-ờng lớn, rạp hát

+ Chao đèn khuyếch tán: Tạo ra ánh sáng khuyếch tán chứ không chiếu sáng trực tiếp

- Theo cấu tạo chia ra:

+ Kiểu hở: nguồn sáng thông với bên ngoài;

+ Kiểu kín: nguồn ánh sáng đ-ợc cách ly với bên ngoài;

+ Kiểu phòng nổ: dùng ở nơi dễ nổ

1.1.5 Dõy dẫn

Dõy dẫn được sử dụng để dẫn dũng điện từ nguồn điện đến nơi tiờu thụ (thiết bị điện), đồng là vật liệu thụng dụng nhất được dựng làm dõy dẫn, ngoài ra nhụm cũng được dựng khỏ phổ biến (chủ yếu truyền điện năng đi xa)

a Cỏc loại dõy dẫn

Rất nhiều loại dõy dẫn khỏc nhau được sử dụng trong hệ thống lắp đặt đường dõy, cần lưu ý là mỗi loại dõy dẫn chỉ được sử dụng ở một số mụi trường khỏc nhau như: Mụi trường chịu lực, Mụi trường khụ rỏo, mụi trường khụ và ẩm, mụi trường quỏ ẩm ướt, mụi trường cú dầu hoặc xăng, mụi trường nhiệt …

- Dõy một sợi (dõy cứng): Dựng ở những nơi cần phải chịu lực

- Dõy nhiều sợi (dõy mềm): Để đỏp ứng độ mềm dẻo dõy dẫn gồm một số dõy nhỏ được xoắn vào nhau, con số gỏn cho mỗi dõy được xỏc định bởi tổng diện tớch tiết diện của tất cả cỏc dõy nhỏ kết hợp cựng nhau

- Dõy dẫn cú vỏ nhựa cỏch điện chịu nhiệt: Được sử dụng rộng rói trong hệ thống lắp đặt đường dõy ở mụi trường khụ rỏo hoặc ẩm

- Dõy dẫn cú vỏ bọc bằng cao su: Được sử dụng ở mụi trường khụ rỏo hoặc ẩm

- Cỏp: Là dõy cú 2 lừi bọc cỏch điện trở lờn, rất dễ tiện dụng cho việc lắp đặt nhất là khi phải đi dõy cho nhà cao tầng, cỏp gồm 2 dõy 14 được gọi là cỏp “14 – 2”, nều gồm 3 dõu

12 gọi là cỏp “12 – 3”, nếu cỏp cú 2 dõy 14 cú vỏ bọc cỏch điện và một dõy trần tiếp đất được gọi là cỏp “14-2 cú tiếp đất”

- Dõy dẫn chịu dầu: Vỏ cỏch điện được bọc bằng một lớp nhựa tổng hợp chịu được xăng dầu

- Dõy dẫn chịu nhiệt: Được sử dựng cựng cỏc thiết bị phỏt nhiệt như bàn là, là nướng,

lũ đun…Cấu trỳc loại dõy này gồm một lớp cỏch điện bằng nhiệt rắn và một lớp đệm bằng

sợi bông giữa giữa dây đồng và vỏ cách điện, ngoài các lớp này còn có một lớp đệm bằng amian hặc bằng vật liệu tương đương để chịu nhiệt

b Kích cỡ và màu sắc của dây dẫn

Kích cỡ dây dẫn

Kích cỡ của dây dẫn được đánh giá theo tiết diện hoặc đường kính của dây (không tính lớp vỏ bọc), các dây có tiết diện lớn hơn 0,5 mm2 được gọi tên theo tiết diện dây, còn các dây có tiết diện nhỏ hơn 0,5 mm2

được gọi theo đường kính của dây và được đánh số

Màu sắc của dây

Dây điện sử dụng cho hệ thống đường dây gồm nhiều màu sắc khác nhau, và dĩ nhiên mỗi màu có một công dụng riêng của nó, dây trắng được sử dụng làm dây tiếp đất, đôi khi một dây xanh lục đi cùng với một hoặc nhiều dải cách điện màu vàng cũng được dùng làm dây tiếp đất, biểu đồ màu dây thường được sử dụng cho dây dẫn mềm và cáp là:

Mạch điện hai dây: Trắng và đen

Mạch điện ba dây: Trắng, đen và đỏ

Mạch điện bốn dây: Trắng, đen, đỏ và xanh lơ

Mạch điện năm dây: Trắng, đen, đỏ, xanh lơ và vàng

Màu sắc các đầu cực

Màu sắc các đầu cực (đầu) các thiết bị điện xác định cho loại dây được nối vào

chúng, các đầu cực bằng đồng hoặc đồng thau được sử dụng cho các dây nóng, các đầu cực

có mầu trắng nhạt như niken, thiếc, và mạ kẽm chỉ được sử dụng cho các dây đã tiếp đất, các đầu cực xanh lục dành cho các dây tiếp đất

c Tính chọn dây dẫn và cáp

Những điều điều kiện chọn dây dẫn và cáp bao gồm:

- Điều kiện độ bền cơ học

- Điều kiện phát nóng cho phép

- Điều kiện mật độ dòng kinh tế

- Điều kiện tổn thất điện áp cho phép

Đối với mạch điện dân dụng (thuộc điều kiện vận hành bình thường), ta có thể chọn dây dẫn và cáp theo điều kiện phát nóng

Icp ≥ ILvmaxTrong đó Icp là dòng điện cho phép của cáp và dây dẫn (tra bảng)

1.2 HÌNH THỨC LẮP ĐẶT DÂY VÀ TIẾP ĐẤT 1.2.1 Các hình thức lắp đặt dây thông thường

a Đầu nối không hàn

Các đầu nối ở dây đầu vào, dây đất, dây tiếp đất và các dây đầu vào đều nằm trước thiết bị bảo vệ quá dòng chính, một dòng điện cao do bị sự cố có thể làm chảy mối hàn làm lỏng đầu nối và nhiệt sẽ phát sinh nếu sự cố nghiêm trọng (dòng quá lớn) dễ dẫn đến hiện tượng cháy nổ trang thiết bị đầu vào Ở dây tiếp đất hoặc nối đất, một mối hàn bị bị nóng chảy sẽ làm cho mối nối đất không chính xác hoặc bị mất hoàn toàn tiếp đất

b Hệ thống dây phân phối

- Dây phân phối: Là khoảng dây đựợc tính từ điểm đấu ở lưới điện đến điểm đấu của công trình, nó có thể là dây trên không hoặc cáp ngầm dưới đất

- Dây phân phối hệ thống đầu vào: Dây dẫn từ đầu cuối dây phân phối dạng treo đến thiết bị phân phối, được gọi là dây phân phối hệ thống đầu vào, chúng có thể là các dây rời chạy trong một ống dẫn hoặc ở dạng cáp Nếu có thể dây phân phối đầu vào được chạy trong các khoảng trống của khung sườn tòa nhà, nếu không thì chúng phải được bố trí trong một khoảng cách lớn hơn khoảng cách cần thiết Hình 1.17, mô tả một mô hình lắp đặt hệ thống dây phân phối cho một công trình

c Sứ cách điện ở dây phân phối

Các sứ cách điện phải được sử dụng để nâng đỡ dây phân phối trên không khi chúng được dẫn đến công trình nhà ở (điểm A ở hình 1.17), các sứ cách điện này có dạng như hình 1.18, được bố trí cách nhau khoảng 20 cm, dạng sứ hình 1.17b thường được sử dụng nhiều hơn

d Hệ thống đường dây ở mặt ngoài

b)