Kim loại làm dây quấn thường là đồng, cũng có thể làm bằng nhôm nhưng ít phổ biến Dây quấn gồm nhiều vòng dây và được lồng vào trụ lõi sắt giữa các vòng dây, dây quấn có cách điện với nh
Tổng quan về máy biến áp
Vài nét khái quát về máy biến áp
Để dẫn điện từ các trạm phát điện tới hộ tiêu thụ, cần hệ thống đường dây tải điện hiệu quả và an toàn Khi khoảng cách giữa nơi sản xuất điện và nơi tiêu thụ lớn, bài toán đặt ra là làm sao truyền tải điện năng đi xa với chi phí kinh tế nhất đồng thời đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật Các yếu tố then chốt gồm giảm tổn thất điện năng, tối ưu chi phí đầu tư và vận hành, và ứng dụng công nghệ truyền tải điện áp cao cùng hệ thống kiểm soát công suất Việc lựa chọn đường dây, cấu hình mạng và biện pháp bảo đảm tin cậy sẽ nâng cao hiệu quả lưới điện và đảm bảo nguồn điện ổn định cho người tiêu dùng.
Trong truyền tải điện với cùng một công suất, tăng điện áp sẽ làm giảm dòng điện trên đường dây, từ đó cho phép tiết diện dây dẫn nhỏ lại, giảm trọng lượng và chi phí dây và đồng thời giảm tổn hao năng lượng Vì thế, để truyền tải công suất đi xa với tổn thất thấp và tiết kiệm kim loại dẫn điện, người ta dùng điện áp cao và các đường dây cao thế thường ở mức 35 kV, 110 kV, 220 kV và 500 kV.
Trên thực tế, các máy phát điện chỉ có thể phát ra điện áp từ 3 đến 21 kV, do đó phải có thiết bị tăng điện áp ở đầu đường dây; trong khi đó các hộ tiêu thụ thường chỉ sử dụng điện áp thấp từ 127–500 V hoặc 6 kV, nên trước khi sử dụng cần có thiết bị giảm điện áp xuống Những thiết bị dùng để tăng hoặc giảm điện áp được gọi là máy biến áp (transformers).
Trong hệ thống điện, để truyền tải và phân phối công suất từ nhà máy điện tới các hộ tiêu thụ một cách hợp lý, thường phải qua ba hoặc bốn lần tăng và giảm điện áp bằng máy biến áp Vì vậy tổng công suất của các máy biến áp trong hệ thống điện thường gấp ba, bốn lần công suất của trạm phát điện Các máy biến áp dùng trong hệ thống điện được gọi là máy biến áp điện lực hay máy biến áp công suất Nhờ chức năng truyền tải và phân phối năng lượng, máy biến áp chỉ thực hiện truyền tải hoặc phân phối năng lượng, chứ không chuyển hóa năng lượng.
Hiện nay khuynh hướng phát triển máy biến áp điện lực là chế tạo các thiết bị có dung lượng thật lớn và điện áp thật cao Để đạt được mục tiêu này, các nhà sản xuất ứng dụng vật liệu mới và công nghệ chế tạo tiên tiến nhằm giảm trọng lượng và kích thước máy, đồng thời tăng hiệu suất và độ tin cậy vận hành ở điều kiện tải cao Việc tối ưu thiết kế và sử dụng vật liệu hiệu quả giúp nâng cao hiệu quả truyền tải điện năng và giảm tổn thất năng lượng Do đó, xu hướng này đang hình thành tương lai của ngành điện lực với các máy biến áp có dung lượng lớn, điện áp cao và thiết kế nhẹ, gọn.
Ngành chế tạo máy biến áp của nước ta đang khẳng định vị thế và đóng vai trò thiết yếu trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước Hiện nay, nước ta đã sản xuất được các máy biến áp có dung lượng 63.000 KVA, điện áp 110 kV hoặc 220 kV, với công suất 125 MVA.
Định nghĩa máy biến áp
Máy biến áp là một bộ phận rất quan trọng trong hệ thống điện lực là một thiết
Máy biến áp tăng áp Đường dây
Máy biến áp giảm áp
Hộ tiêu thụ dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác, với tần số không thay đổi
Kí hiệu một máy biến áp đơn giản như sau:
Hình 1.2 mô tả kí hiệu máy biến áp với đầu vào (sơ cấp) nối với nguồn và đầu ra (thứ cấp) nối với tải Khi điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp ta có máy biến áp tăng áp, và khi điện áp thứ cấp nhỏ hơn điện áp sơ cấp ta có máy biến áp giảm áp Trong máy biến áp ba dây quấn, ngoài hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp còn có dây quấn thứ ba với điện áp trung bình Máy biến áp biến đổi hệ thống xoay chiều một pha được gọi là máy biến áp một pha, còn máy biến áp biến đổi hệ thống xoay chiều ba pha được gọi là máy biến áp ba pha Máy biến áp ngâm trong dầu được gọi là máy biến áp dầu, còn máy biến áp không ngâm trong dầu gọi là máy biến áp khô Máy biến áp có ba trụ nằm trong một mặt trụ phẳng được gọi là máy biến áp mạch từ phẳng, còn máy biến áp có ba trụ nằm trong không gian được gọi là máy biến áp mạch từ không gian.
1.2.1 Các đại lượng thông số của đầu sơ cấp máy biến áp: o U1: Điện áp sơ cấp o I1: Dòng điện sơ cấp o P1: Công suất sơ cấp o W1: Cuộn dây sơ cấp
1.2.2 Các đại lượng thông số của đầu thứ cấp máy biến áp: o U2: Điện áp thứ cấp o I2: Dòng điện thứ cấp o P2: Công suất thứ cấp o W2: Cuộn dây thứ cấp
Các đại lượng định mức của máy biến áp
Máy biến áp có các thông số định mức thường ghi trên nhãn máy biến áp
Dung lượng hay công suất định mức Sđm là công suất toàn phần mà cuộn thứ cấp của máy biến áp có thể cung cấp liên tục, được tính bằng đơn vị kilô-volt-ampere (kVA) hoặc volt-ampere (VA).
Điện áp dây sơ cấp định mức U1đm là điện áp của dây quấn sơ cấp, được thể hiện ở đơn vị kilovôn (kV) hoặc volt (V) Trong trường hợp dây quấn sơ cấp có các đầu phân nhánh, cần ghi thêm điện áp định mức của từng đầu phân nhánh.
Điện áp dây thứ cấp định mức U2đm là điện áp của dây quấn thứ cấp khi máy biến áp ở chế độ không tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp đúng là điện áp định mức; giá trị này được tính bằng KV hoặc V và thể hiện mức điện áp chuẩn của phần dây thứ cấp, phục vụ cho các tính toán thiết kế, vận hành và bảo dưỡng máy biến áp.
Dòng điện định mức của dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp, ký hiệu I1đm và I2đm, là giá trị dòng điện mà các dây dẫn có thể chịu được tương ứng với công suất và điện áp định mức, được tính bằng ampe (A) hoặc kilôampe (KA).
• Tần số định mức fđm: tính bằng Hz Thường m.b.a điện lực có tần số công nghiêp là 50
phân loại và công dụng của máy biến áp
Theo công dụng m.b.a có thể gồm những loại chính sau đây:
Máy biến áp điện lực dùng để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện lực
Máy biến áp chuyên dùng dùng cho các lò luyện kim, cho các thiết bị chỉnh lưu; máy biến áp hàn điện
Máy biến áp tự ngẫu biến đổi điện áp trong một phạm vi không lớn, dùng để mở máy các động cơ xoay chiều
Máy biến áp đo lường dùng để giảm các điện áp và dòng điện lớn khi đưa vào các đồng hồ đo
Máy biến áp thí nghiệm dùng để thí nghiệm các điện áp cao
Trong hệ thống điện, vai trò truyền tải và phân phối điện năng vô cùng quan trọng, bởi các nhà máy điện có công suất lớn thường nằm ở xa các trung tâm tiêu thụ như khu công nghiệp và các hộ tiêu thụ điện Vì thế, cần xây dựng các hệ thống truyền tải điện năng để kết nối nguồn với tải, đảm bảo cung cấp điện liên tục, an toàn và ổn định cho toàn bộ lưới điện và người dùng.
Cấu tạo máy biến áp
Máy biến áp là thiết bị điện gồm hai bộ phận chính là lõi sắt và dây quấn, chịu trách nhiệm biến đổi điện áp và từ trường giữa các mạch điện Bên cạnh hai thành phần này, máy còn có các bộ phận phụ như vỏ máy để bảo vệ và cách nhiệt, cùng hệ thống làm mát giúp duy trì hiệu suất làm việc và tuổi thọ của thiết bị.
1.5.1 Lõi sắt máy biến áp:
Lõi sắt là phần mạch từ của máy biến áp (MBA), đóng vai trò làm khung chính cho hệ thống và là cơ sở để đặt và cố định các bộ phận quan trọng như dây quấn và giá đỡ dây dẫn Lõi sắt còn chịu các ứng lực cơ học lớn khi xảy ra ngắn mạch ở dây quấn, vì vậy nó đòi hỏi độ bền và ổn định về cơ khí cao Việc bảo đảm lõi sắt có độ bền và ổn định cơ khí sẽ giúp tăng tính an toàn khi vận hành và chịu được các lực tác động khi MBA bị ngắn mạch.
Lõi sắt M.B.A được dùng để dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo từ những vật liệu dẫn từ tốt như thép lá kỹ thuật điện Thép kỹ thuật dùng tole cán lạnh có bề dày 0,23–0,27 mm, có từ cảm 1,45–1,65 T Nước sản xuất chủ yếu: Nga, Nhật Bản, Ba Lan, Đức.
Lõi sắt gồm hai bộ phận chính là trụ và gông Trụ và gông tạo thành một mạch từ kín
• Trụ là phần lõi thép có quấn dây quấn
• Gông là phần lõi thép nối các trụ lại với nhau thành mạch từ và không có quấn dây
Theo sự sắp xếp tương đối giữa trụ gông và dây quấn mà ta có các loại lõi sắt sau: a Lõi sắt kiểu trụ:
Dây quấn ôm sát trụ sắt, có gông từ và giáp ở phía trên và phía dưới dây quấn nhưng không bao phủ mặt ngoài của dây quấn; trụ sắt thường bố trí đứng, tiết diện gần hình tròn Kết cấu này đơn giản, vận hành ổn định và tiết kiệm vật liệu, nên hiện nay các máy biến áp điện lực đều dùng kiểu này Phần B: Lõi sắt kiểu bọc:
Kiểu này gông từ bao phủ không chỉ phần trên và phần dưới dây quấn mà còn cả mặt bên của dây quấn; lõi sắt như được bọc quanh dây quấn, trụ thường nằm ngang, tiết diện trụ có dạng hình chữ nhật Thiết kế này dễ vận chuyển, rút ngắn chiều dài dây dẫn từ dây dẫn đến sứ ra, và nhờ các vòng quấn xen kẽ nên điện dung giữa các vòng quấn (Cdq) lớn và điện dung với đất nhỏ, làm sự phân bố điện áp sét trên dây quấn đồng đều hơn Tuy nhiên, việc chế tạo rất phức tạp ở cả lõi sắt lẫn dây quấn; các lá thép kĩ thuật điện nhiều loại khác nhau, khi dây quấn thành ống tiết diện tròn, thì trong trường hợp dây quấn thành hình chữ nhật độ bền về cơ học kém do các lực tác dụng lên dây quấn không đều và tốn vật liệu Loại sắt này thường dùng để chế tạo máy biến áp lò điện.
Hình 1.3 Kết cấu mạch từ kiểu trụ a.Một pha ; b Ba pha
c Lõi sắt kiểu trụ bọc: Ở các m.b.a hiện đại, dung lượng lớn và cực lớn (80 ÷ 100 MVA trên một pha),điện áp thật cao (220÷400 KV), để giảm tổn chiều cao của trụ thép, tiện lợi cho việc vận chuyển trên đường, mạch từ của m.b.a kiểu trụ được phân nhánh sang hai bên nên máy vừa mang kiểu trụ, vừa mang kiểu bọc, gọi là m.b.a kiểu trụ bọc
Hình 1.4 Kết cấu mạch từ kiểu bọc a Một pha ; b.Ba pha
Hình 1.5 : Mạch từ kiểu trụ bọc
1 Trụ ; 2 Gông ; 3 Dây quấn Đối với m.b.a có lõi sắt kiểu trụ bọc thì hai trụ sắt ở ngoài cũng thuộc về gông Để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên, lõi sắt được ghép từ những lá thép kĩ thuật điện có độ dày 0,23 hoặc 0,27mm có phủ sơn cách điện bề mặt
1.5.2 Dây quấn máy biến áp:
Dây quấn là bộ phận dẫn điện của m.b.a, làm nhiệm vụ thu năng lượng vào và truyền năng lượng ra Kim loại làm dây quấn thường là đồng, cũng có thể làm bằng nhôm (nhưng ít phổ biến)
Dây quấn gồm nhiều vòng dây được lồng quanh lõi sắt, với lõi ở giữa các vòng dây Mỗi vòng dây được cách điện với các vòng còn lại và toàn bộ cuộn dây được cách điện với lõi sắt, giúp ngăn ngừa ngắn mạch và tăng hiệu quả truyền lực trong các thiết bị điện.
Dây quấn của máy biến áp (m.b.a) gồm hai cuộn dây chính là cuộn CA và cuộn HA, đôi khi có thêm cuộn TA ở mức trung áp Theo cách sắp xếp giữa các cuộn CA và HA, người ta phân thành hai loại dây quấn chính; một loại là dây quấn đồng tâm.
Cuộn HA và cuộn CA là các hình ống đồng tâm, trong đó cuộn HA được bố trí sát trụ còn cuộn CA bố trí ở phía ngoài; việc bố trí cuộn CA ở ngoài giúp dễ rút đầu dây để điều chỉnh điện áp và đồng thời giảm kích thước rãnh cách điện giữa các cuộn và giữa cuộn dây với trụ Trong cuốn đồng tâm có nhiều kiểu khác nhau như dây quấn hình trụ, dây quấn hình xoắn và dây quấn xoắn ốc liên tục.
Trong dây quấn hình trụ, khi tiết diện dây nhỏ thì dùng dây tròn quấn thành nhiều lớp; ngược lại, khi tiết diện dây lớn thì dùng dây bẹt và thường quấn thành hai lớp Dây quấn hình trụ bằng dây tròn thường được dùng cho dây quấn CA với điện áp tới 35 kV, trong khi dây quấn hình trụ bằng dây bẹt chủ yếu làm dây quấn HA với điện áp thử từ 6 kV trở xuống.
Dây quấn hình xoắn là kiểu quấn gồm nhiều dây bẹt ghép lại và cuộn theo đường xoắn ốc, với rãnh hở nằm giữa các vòng dây để tối ưu hóa từ thông và thoát nhiệt Kiểu quấn này thường được dùng cho dây quấn HA của máy biến áp có dung lượng trung bình và lớn, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu công suất cao và độ tin cậy cao.
Dây quấn xoắn ốc liên tục là loại dây được làm bằng dây bẹt, khác với dây quấn hình xoắn ở chỗ các bánh dây phẳng được ghép thành các lớp có rãnh hở ngăn cách Nhờ một hoán vị đặc biệt khi quấn, các bánh dây được nối tiếp với nhau một cách liên tục mà không cần mối hàn giữa chúng, nên gọi là dây quấn xoắn ốc liên tục Dây quấn này chủ yếu được dùng làm cuộn CA, điện áp 35 kV trở lên và dung lượng lớn.
Vỏ máy biến áp (MBA) là bộ phận bảo vệ lõi MBA, giúp ngăn tác động của các điều kiện ngoại cảnh và môi trường khí hậu lên hệ thống biến áp Vỏ gồm hai bộ phận chính là thùng và nắp thùng, được thiết kế để chống bụi, nước và va đập, đồng thời đảm bảo độ kín và an toàn vận hành Thùng máy biến áp chịu trách nhiệm bảo vệ các thành phần bên trong và duy trì hiệu suất làm việc của máy biến áp, tăng tuổi thọ và độ tin cậy của hệ thống a.Thùng máy biến áp:
Nguyên lý làm việc của máy biến áp
Máy biến áp hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ và tận dụng từ thông do lõi thép sinh ra Các cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp không có liên hệ điện trực tiếp với nhau mà liên hệ thông qua từ thông được sinh ra bởi lõi thép, nhờ đó truyền tải năng lượng giữa hai mạch qua từ trường Khi dòng điện xoay chiều được cấp cho cuộn sơ cấp, sự biến thiên của từ trường sinh ra điện áp cảm ứng ở cuộn thứ cấp, cho phép truyền năng lượng mà không có mạch nối điện giữa hai phía.
Ta xét m.b.a một pha hai dây quấn sau:
Dây quấn 1 có w1 vòng và dây quấn 2 có w2 vòng được quấn trên lõi thép và hoạt động như một máy biến áp Khi đặt điện áp xoay chiều u1 lên dây quấn sơ cấp, dòng điện i1 chạy qua nó và từ thông φ được sinh ra trong lõi thép liên kết với cả hai dây quấn Từ thông này sinh ra điện áp cảm ứng trên dây quấn thứ hai và tạo ra dòng điện i2 vào tải với điện áp u2 Như vậy năng lượng từ nguồn được truyền sang tải thông qua từ thông liên kết giữa hai dây quấn và lõi thép Các quan hệ giữa u1, u2, w1, w2 và đặc tính của tải quyết định công suất và hiệu quả của máy biến áp.
Gỉa sử điện áp xoay chiều đặt vào là hàm số hình sin, thì từ thông sinh ra cũng là một hàm số hình số: m sinω t φ φ =
Do đó theo định luật cảm ứng điện từ, s.đ.đ cảm ứng trong các dây quấn
Hình 1.6 Nguyên lý làm việc máy biến áp
=4,44.f.w2.φ m là giá trị hiệu dụng của các s.đ.đ dây quấn 1 và 2
Ta thấy suất điện động cảm ứng trong dây quấn chậm pha so với từ thông sinh ra nó một góc là
Ta có thể đưa ra tỉ số biến đổi m.b.a như sau: k 2
Hình1.7: Cách qui ước các đầu đầu và đầu cuối của dây quấn máy biến áp Điện áp dây không đối xứng kí hiệu ngược.
Trong trường hợp bỏ qua điện áp rơi trên dây quấn, ta có U1 ≈ E1 và U2 ≈ E2, nên không thể coi U1/U2 là tỉ số điện áp giữa dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp của máy biến áp Vì vậy, để ước lượng tỉ số điện áp chính xác của biến áp, cần xem xét cả điện áp rơi trên các dây quấn và các tham số liên quan.
Tổ đấu dây của máy biến áp
Để máy biến áp hoạt động ổn định, các dây quấn pha sơ cấp và thứ cấp phải được nối với nhau theo một quy luật xác định, và sự phối hợp của các tổ nối này tạo ra các cấu hình nối dây khác nhau Hơn nữa, khi thiết kế máy biến áp, việc xác định tổ nối dây quấn cần thích ứng với kết cấu mạch từ nhằm tránh các hiện tượng không tốt như suất điện động pha không sin và tăng tổn hao.
Máy biến áp có các kí hiệu đầu dây quấn và các cách đấu dây quấn pha với nhau như sau: a Cách kí hiệu đầu dây:
Các đầu tận cùng của dây quấn máy biến áp (MBA) gồm một đầu gọi là đầu đầu và một đầu gọi là đầu cuối Đối với MBA một pha, ta có thể tự do chọn vị trí đầu đầu và đầu cuối Đối với MBA ba pha, các đầu đầu và đầu cuối phải được chọn một cách thống nhất: giả sử pha A đã chọn đầu đầu tới đầu cuối theo chiều kim đồng hồ thì hai pha B và C còn lại cũng phải được chọn theo quy tắc tương tự Điều này cần thiết vì nếu một pha ký ngược, điện áp giữa các pha sẽ không còn đối xứng Để thuận tiện cho nghiên cứu, người ta thường đánh dấu trên sơ đồ dây quấn MBA theo các quy ước phổ biến.
Các đầu tận cùng Dây quấn CA Dây quấn HA Đầu đầu Đầu cuối Đầu dây trung tính
Trong máy biến áp có ba dây quấn, ngoài hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp còn tồn tại một dây quấn điện áp trung Dây quấn này được ký hiệu bằng các chữ cái A_m và B_m, và được nhận diện dựa theo vị trí của nó trên sơ đồ nối Việc nhận diện dây quấn điện áp trung giúp xác định mối liên hệ giữa các quấn, các chế độ ghép nối và hỗ trợ tính toán điện áp, công suất cũng như phân bổ tải cho hệ thống.
Cm,; đầu cuối bằng các chữ Xm, Ym, Zm và đầu trung tính bằng Om b Các kiểu đấu dây quấn:
Dây quấn máy biến áp có thể đấu sao (ký hiệu Y) hoặc đấu tam giác (ký hiệu Δ); Đấu sao có ba đầu X, Y, Z nối lại với nhau thành sao, còn ba đầu A, B, C để tự do, nếu có dây trung tính thì ký hiệu là Y0; Đấu tam giác thì các đầu pha này nối với đầu pha kia theo thứ tự AX-BY-CZ hoặc AX-CZ-BY Đây là tổ nối dây của máy biến áp, cho phép liên kết các pha và điều chỉnh điện áp hệ thống theo yêu cầu.
Tổ nối dây của m.b.a hình thành từ sự phối hợp giữa kiểu đấu dây quấn sơ cấp và kiểu đấu dây quấn thứ cấp, và nó biểu thị góc lệch pha giữa sức điện động của hai quấn sơ cấp và thứ cấp m.b.a Góc lệch pha này bị xác định bởi nhiều yếu tố như điện trở và cảm kháng của từng quấn, mức lệch từ và sự liên kết từ với lõi, cũng như điều kiện tải và đặc tính từ tính của m.b.a Bên cạnh đó, sai số chế tạo, bất đối xứng giữa hai quấn và tình trạng vận hành như nhiệt độ, tuổi thọ cũng ảnh hưởng đến góc lệch pha.
• Cách kí hiệu đầu dây
Kiểu đấu dây quấn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp được thiết kế để phù hợp với đặc tính làm việc; ở đây người ta không dùng đơn vị độ để mô tả góc lệch pha mà dùng phương pháp kim đồng hồ để biểu thị, được gọi là tổ nối dây của máy biến áp.
Cách biểu thị này dùng đồng hồ đo để thể hiện sức điện động: kim dài cố định ở số 12 biểu thị sức điện động sơ cấp, kim ngắn chỉ sức điện động thứ cấp và sẽ về các số từ 1–12 tùy theo góc lệch pha giữa chúng là 30°, 60°, …, 360° Như vậy, theo cách biểu thị này, m.b.a ba pha có 12 tổ nối dây được sắp xếp theo các mức lệch pha giữa các nhánh.
Trong thực tế sản xuất, sự đa dạng của các tổ nối dây của m.b.a gây bất tiện cho vận hành và chế tạo, vì vậy nước ta chỉ sản xuất m.b.a điện lực có tổ nối dây chuẩn sau: với m.b.a một pha có tổ nối dây I/I-12; với m.b.a ba pha có các tổ nối dây Y/y0-12, Y/d-11, Y0/d-11 Chuẩn hóa các tổ nối dây không chỉ tối ưu hóa vận hành mà còn đơn giản hóa quy trình sản xuất và bảo dưỡng, đồng thời tăng tính tương thích và hiệu quả sử dụng trong hệ thống điện lực.
Sử dụng vật liệu trong chế tạo
Việc tìm kiếm vật liệu mới nhằm cải thiện các đặc tính của máy biến áp (MBA) như giảm tổn thất năng lượng, thu nhỏ kích thước và trọng lượng, đồng thời tăng độ tin cậy vận hành Xu hướng hiện nay là thay thế vật liệu quý bằng các vật liệu rẻ tiền và dễ khai thác hơn để tối ưu hóa hiệu suất và chi phí sản xuất Ví dụ điển hình là dùng dây nhôm thay cho dây đồng trong MBA công suất nhỏ và trung bình, nhằm giảm chi phí vật liệu mà vẫn đảm bảo hiệu quả truyền tải và an toàn vận hành.
• Vật liệu tác dụng: Dùng để dẫn điện như dây quấn, dẫn từ trong lõi thép
Vật liệu cách điện là thành phần chịu trách nhiệm cách điện giữa các cuộn dây và giữa cuộn dây với các bộ phận khác của thiết bị Chúng được bổ sung ở nhiều dạng khác nhau nhằm tạo lớp cách điện bền và hiệu quả, bao gồm cáctông (vật liệu vải cách điện), các chất cách điện, sứ và dầu m.b.a Sự lựa chọn đúng vật liệu cách điện giúp tăng độ an toàn, độ tin cậy và tuổi thọ cho hệ thống điện từ, đồng thời đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về điện áp và cách nhiệt.
• Vật liệu kết cấu: Dùng để giữa bảo vệ m.b.a như bulông, vỏ máy
Việc thay đổi vật liệu sử dụng đôi khi làm thay đổi quá trình công nghệ quan trọng và cả kết cấu của m.b.a., khiến cho các tham số vận hành và yêu cầu kỹ thuật cần được xem xét lại Sự dịch chuyển vật liệu có thể ảnh hưởng trực tiếp đến tiến độ của quá trình công nghệ, làm gia tăng thời gian chuẩn bị, thử nghiệm và triển khai Vì vậy, việc đánh giá sự phù hợp của vật liệu mới với các yêu cầu kỹ thuật là rất cần thiết để điều chỉnh quy trình và tối ưu hóa lịch trình sản xuất Để duy trì chất lượng và tiến độ, cần xây dựng quy trình rà soát rủi ro, thử nghiệm vật liệu và lập kế hoạch triển khai trước khi áp dụng vật liệu mới.
Vật liệu quan trọng trước tiên trong ngành chế tạo m.b.a là tôn silíc hay gọi là lá thép kĩ thuật điện
Vật liệu cho dây quấn thứ hai là kim loại; trong nhiều năm đồng luôn là kim loại duy nhất được dùng để chế tạo dây quấn mà không có thay đổi đáng kể Do điện trở suất thấp, dẫn điện tốt và dễ gia công (hàn, quấn), đồng đảm bảo độ bền cơ–điện cao cho dây quấn Gần đây nhôm được dùng để thay thế cho đồng vì nhẹ, nguồn cung dồi dào và rẻ hơn; nhưng nhược điểm của nhôm là điện trở suất lớn hơn đồng nên dẫn điện kém hơn, độ bền cơ thấp hơn và khó hàn nối Khi dùng dây nhôm thay thế đồng để đảm bảo công suất tương đương, thể tích nhôm tăng lên và chi phí chế tạo dây quấn, vật liệu cách điện, sơn tẩm cũng tăng lên Tuy vậy nhờ giá thành nhôm rẻ hơn nên tổng chi phí vẫn cân đối và nhìn chung giá thành của máy biến áp với dây nhôm không chênh lệch nhiều so với dây đồng.
Vật liệu cách điện cho phần lớn các m.b.a dùng dây quấn có lớp cách điện bằng giấy cáp, thuộc loại cách điện cấp A với nhiệt độ giới hạn cho phép là +105°C Độ dày của lớp cách điện ở hai phía dao động từ 0,45 đến 0,50 mm.
Việc dùng dây dẫn có cách điện cao hơn các cấp E, B, F không mang lại nhiều ý nghĩa, vì nhiệt độ làm việc tối đa của máy biến áp được quyết định không chỉ bởi cấp cách điện của vật liệu cách điện mà còn bởi nhiệt độ cho phép của dầu ngâm dây quấn.
Một loại cách điện phổ biến là men cách điện, nhưng thường chỉ dùng ở cấp B và hiếm khi ở các cấp cách điện cao hơn Vì nhiệt độ cho phép càng cao thì mật độ dòng điện tối đa càng lớn, nhưng tổn hao ngắn mạch lại tăng lên, khiến hiệu suất của máy giảm đáng kể Để cách điện cho các bộ phận mang điện và không mang điện, người ta dùng vật liệu cách điện; tuy nhiên khi máy làm việc dưới tác động của nhiệt độ, chấn động và các tác động hoá lý khác, quá trình lão hóa của chất cách điện sẽ làm mất dần các đặc tính điện và cơ, khiến độ bền và hiệu quả cách điện giảm.
Theo kết quả thực nghiệm, khi nhiệt độ vượt quá giới hạn làm việc cho phép ở mức 80–100°C, tuổi thọ của vật liệu cách điện giảm đi một nửa Ở nhiệt độ làm việc cho phép, tuổi thọ của chất cách điện dao động từ 15–20 năm Vì vậy khi vận hành máy, cần tránh để máy làm việc quá tải trong thời gian dài để bảo vệ tuổi thọ của cách điện và đảm bảo an toàn cho hệ thống.
Vật liệu kết cấu được dùng để chế tạo các bộ phận và chi tiết truyền động hoặc kết cấu máy theo đúng thiết kế cần thiết nhằm bảo đảm máy hoạt động ổn định Người ta thường chọn gang, thép và các kim loại khác, hợp kim, cũng như vật liệu bằng chất dẻo để đáp ứng yêu cầu về độ bền, khả năng chịu tải và tính gia công của từng bộ phận.
Cách điện trong máy biến áp
Để m.b.a vận hành liên tục, yếu tố then chốt là hệ thống cách điện của dây quấn và các bộ phận nối điện quanh nó, đặc biệt các bộ phận nối đất như lõi sắt, xà ép và vỏ máy Cách điện của m.b.a phải đảm bảo độ bền về điện, khả năng chịu nhiệt, chịu lực cơ và kháng hóa chất khi vận hành Việc lựa chọn đúng vật liệu, cấu trúc và khoảng cách cách điện có ý nghĩa rất lớn trong thiết kế m.b.a, nhằm đảm bảo an toàn, tin cậy và hiệu suất làm việc Vì vậy, thiết kế m.b.a cần xem xét kỹ lưỡng các yếu tố cách điện để đảm bảo sự cách ly ổn định giữa các thành phần, giảm thiểu rủi ro và tăng tuổi thọ hệ thống.
1.9.1 Các vật liệu cách điện dùng trong máy biến áp:
Giấy cáp có độ dày 0,08; 0,12; 0,17 mm Trong máy biến áp (MBA), loại dày 0,12 mm được dùng để bọc quanh các sợi đồng; ngoài ra giấy cáp còn được dùng làm lớp cách điện giữa các lớp dây quấn hoặc cắt thành băng nhỏ để cách điện cho các dây dẫn ra và tăng cường cách điện cho các vòng dây đầu của cuộn CA từ 6–10 kV tới 500 kV Giấy cáp là một trong những chất cách điện chính trong MBA.
Giấy điện thoại là loại vật liệu cách điện mỏng hơn giấy cáp, với độ dày thông thường khoảng 0,05 ± 5% mm Nó được dùng làm lớp cách điện giữa các lớp và để cách điện cho các dây dẫn thoát ra khỏi nó, với số dây dẫn được bố trí thành các dây dẫn tròn.
Vải sơn dầu là loại vải lụa được tẩm dầu sơn qua 3 lần với độ dày 0,17; 0,2; 0,24 mm, ở dạng băng nhỏ rộng 2–3 cm để quấn quanh các dây dẫn hoặc ở các mối hàn và khu vực uốn cong Tuyệt đối không dùng vải sơn màu đen vì nó đã tẩm hắc ín; khi ngâm trong dầu hắc ín, hắc ín sẽ hòa tan Ngoài ra còn có vải thủy tinh tẩm sơn silíc hữu cơ có cấp chịu nhiệt cao, được dùng trong m.b.a khô.
Băng vải là loại sợi chéo có hai kích thước dày 0,54 ± 0,02 mm và 0,28 ± 0,02 mm, với chiều rộng từ 1,5 ± 5 cm Trong m.b.a, băng vải được dùng để giữ chặt các vòng dây của dây quấn hoặc để bọc cách điện của dây quấn, nhưng không nhằm mục đích cách điện.
Bìa cách điện được chế tạo thành tấm với nhiều kích thước chiều dày: 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3 mm, hoặc thành cuộn rộng tới 1000 mm và dày 0,5 mm Thường dùng làm tấm đệm giữa các bánh dây, giá đỡ cách điện, vách ngăn tấm chắn, vòng đệm và ống cách điện giữa các dây quấn.
• Thành phẩm giấy bakêlít: Thường làm ống cách điện, bề dày (cả hai phía) 2, 4,
6, 8 mm và hơn nữa dùng làm cách điện các dây dẫn ra Các loại ống lớn dùng để cách điện giữa các dây quấn và trụ sắt
Ghêtinác là vật liệu được chế tạo từ giấy bakêlít tẩm sơn, ép chặt ở nhiệt độ cao để tạo thành phiến có các độ dày khác nhau; có độ bền cơ học và điện cao nên thường được dùng làm bảng đầu nối hoặc bảng điều chỉnh điện áp trong các mạch điện.
Gỗ được dùng chủ yếu làm que nêm (căn dọc) để lồng dây quấn và cách điện hình trụ, hoặc làm que nêm giữa các lớp dây quấn khi U ≤ 10 kV, đồng thời có thể nêm giữa lõi sắt và dây quấn HA; gỗ dẻ đỏ được dùng làm kẹp dây dẫn ra và làm dầm ép gông; các loại gỗ có nhựa như thông và sồi không được dùng trong máy biến áp dầu.
• Sứ: Dùng trong m.b.a dầu để xuyên dây dẫn vào
• Dầu m.b.a: Dùng làm cách điện và làm nguội m.b.a
1.9.2 Các kết cấu cách điện và khoảng cách cách điện:
Cách điện chính là lớp cách điện giữa các dây quấn với nhau và giữa dây quấn với các bộ phận nối đất, đảm bảo cho máy móc vận hành an toàn và bền bỉ Cách điện này phải chịu được những quá điện áp ngắn hạn, có lúc lớn hơn 4 lần điện áp định mức, phát sinh từ các thao tác thông thường trên lưới hoặc từ sự cố như ngắn mạch, đứt dây Độ bền điện môi của cách điện chính được xác định dựa trên điện áp thử và phải vượt qua điện áp làm việc trong các tình huống ngắn hạn Cách điện giữa cuộn cao áp và cuộn hạ áp, cũng như giữa dây quấn và gông ở trên và ở dưới, thường được gia cố bằng các vòng đệm nhằm đảm bảo sự cách ly và độ bền cơ Điện áp thử của các cuộn và tổ hợp cuộn sẽ cho biết khả năng chịu đựng của cách điện chính.
Ở mức điện áp 35 kV, điện áp thử không vượt quá 85 kV; kết cấu ống cách điện và tấm đệm cách điện có dạng đơn giản Thông thường, ống cách điện được bố trí cao hơn dây quấn và đi kèm với vành đệm phẳng.
Nhận xét: Khi cấp điện áp và điện áp thử tăng lên, sự phức tạp của các chi tiết kết cấu và không gian đầu dây quấn khiến khoảng cách cách điện của cách điện chính tăng lên Lúc này người ta dùng ống cách điện phối hợp với các vòng đệm gãy góc và tấm chắn gãy góc để tăng cường khả năng cách điện và đảm bảo an toàn cho hệ thống.
Cách điện dọc là lớp cách điện giữa các vòng dây, giữa các lớp dây và giữa các bánh dây của cuộn quấn, nhằm đảm bảo sự cách ly giữa các phần khác nhau của dây quấn Cách điện dọc phải đảm bảo cho dây quấn chịu được những hiện tượng quá điện áp thiên nhiên, thường do sóng điện áp xung kích của sét truyền từ ngoài đường dây tới máy biến áp Những sóng quá điện áp này trong trường hợp nghiêm trọng có thể lớn gấp 10 lần điện áp pha với khoảng thời gian tác dụng chỉ vài micrô giây.
Cách điện giữa các vòng dây được thực hiện nhờ lớp cách điện bọc quanh sợi dây, ngăn sự phóng điện giữa các vòng và giảm tổn thất năng lượng Trong ngành điện lực hiện nay, hai loại dây dẫn có cách điện được sử dụng phổ biến nhằm đảm bảo an toàn và hiệu suất truyền tải cao cho hệ thống Đó là dây có vỏ cách điện bằng nhựa, thường là PVC, và dây có vỏ cách điện bằng cao su hoặc các vật liệu chịu nhiệt như silicone Việc lựa chọn loại vật liệu cách điện phù hợp phụ thuộc vào điều kiện làm việc, nhiệt độ, áp suất và yêu cầu về độ bền của thiết bị.
- Dây đồng tròn tráng men (êmay) bọc sợi bông đường kính 0,38 ÷0,96 mm
- Dây đồng bọc giấy cáp Với dây tròn có đường kính 1,18 ÷ 5,2 mm; với dây chữ nhật có cạnh nhỏ từ 1,4 ÷ 5,6 mm, cạnh lớn từ 3,75 ÷ tới 16 mm
Trong cấu tạo cách điện giữa các lớp dây, các phương án phổ biến là dùng giấy cách điện như giấy cáp hoặc giấy điện thoại; có thể dùng bìa cách điện để tăng độ bền và hiệu quả cách điện Ngoài ra, rãnh dầu hoặc rãnh không khí dọc trục có thể được bố trí để tăng khoảng cách cách điện giữa các lớp dây, giảm khả năng phóng điện và cải thiện quản lý nhiệt.
Cách điện giữa các bánh dây trong dây quấn kiểu bánh dây là yếu tố quan trọng và được phân loại thành ba loại chính: bánh dây thường (hay bánh dây chính), bánh dây điều chỉnh điện áp thường được bố trí ở giữa chiều cao của cuộn dây, và bánh dây cách điện tăng cường thường ở đầu và cuối cuộn dây Tùy từng loại mà kích thước và khoảng cách cách điện giữa các bánh dây sẽ khác nhau để bảo đảm an toàn và hiệu suất của cuộn dây.
Xác định kích thước cơ bản của máy biến áp
Xác định các thông số của máy biến áp
2.1.1 Công suất mỗi pha và trụ của máy biến áp:
• Công suất mỗi pha của máy biến áp: m
Trong đó: S (KVA) công suất định mức của m.b.a m số pha của m.b.a
• Công suất trên mỗi trụ:
Với: t số trụ tác dụng của m.b.a
S (KVA) công suất định mức của m.b.a
2.1.2 Dòng điện phía HA và CA của máy biến áp:
• Dòng điện dây định mức phía CA:
Với: U 1 (KV) điện áp phía CA của m.b.a
S (KVA) công suất định mức của m.b.a
• Dòng điện dây định mức phía HA:
Với: U 2 (KV) điện áp phía HA của m.b.a
S (KVA) công suất định mức của m.b.a
Phía CA đấu tam giác nên:
Với: I 1 (A) dòng điện dây phía CA của m.b.a
Phía HA đấu sao nên:
I f = (A) Với: I 2 (A) dòng điện dây phía HA của m.b.a
2.1.3 Điện áp phía HA và CA của máy biến áp:
• Điện áp pha định mức:
Phía CA đấu tam giác nên:
Phía HA đấu sao nên:
Với: U 2 (KV) điện áp dây phía HA của m.b.a
Xác định các kích thước cơ bản của máy biến áp
2.2.1 Điện áp trên một vòng dây:
2 w u v = U f (V/vòng) Trong đó: U f 2 (V) điện áp pha phía HA w 2 số vòng dây của cuộn HA
Hình 2: Mạch từ máy biến áp 2.2.2 Tiết diện thực của trụ:
( bt 1 lt 1 lt bt 2 lt 2 lt t a n a a n a
Trong đó: a bt 1 (mm) bề rộng lá trụ bậc 1
2 a bt (mm) bề rộng lá trụ bậc 2
1 n lt số lá trụ bậc 1
2 n lt số lá trụ bậc 2 a lt (mm) bề dày lá tôn
2.2.3 Tiết diện thực của gông:
Trong đó: a bg 1 (mm) bề rộng lá gông bậc 1
2 a bg (mm) bề rộng lá gông bậc 2
1 n lg số lá gông bậc 1
2 n lg số lá gông bậc 2 a lt (mm) bề dày lá tôn
2.2.4 Mật độ tự cảm trong trụ và gông:
• Mật độ tự cảm trong trụ: t v t f T
= 4 (T) Trong đó: u v (V) điện áp trên một vòng dây f (Hz) tần số định mức
T t (mm 2 ) tiết diện thực của trụ
• Mật độ tự cảm trong gông: t g B
B = (T) Trong đó: B t (T) mật độ tự cảm trong trụ
Xác định dây quấn máy biến áp
Cuộn dây hạ áp
3.1.1 Xác định tiết diện, mật độ dòng điện cuộn HA:
Dây quấn HA của m.b.a ở đây ta chọn dây quấn hình chữ nhật và được quấn thành hai lớp nên kích thước dây không cách điện HA của m.b.a:
Chiều rộng của dây quấn HA: a(mm)
Chiều dài của dây quấn HA: b(mm)
Cách điện một phía của dây quấn HA:δ HA (mm)
Kích thước dây quấn HA khi có lớp cách điện được xác định như sau: a (mm) là chiều rộng của dây quấn HA, b (mm) là chiều dài của dây quấn HA, δ_HA (mm) là độ dày cách điện một phía của dây quấn HA Khi có lớp cách điện, hai cạnh của dây quấn tăng thêm 2 δ_HA, nên kích thước sau khi cách điện được ký hiệu a' và b' với công thức a' = a + 2 δ_HA, b' = b + 2 δ_HA.
Khi dòng điện lớn, nên ghép nhiều sợi theo hướng trục hoặc hướng kính; tốt nhất là ghép các sợi có cùng kích thước cạnh nhau theo hướng trục để từ thông được phân bố đều giữa các sợi dây Việc dùng một loại dây duy nhất sẽ giảm sự phức tạp trong việc đặt hàng và dễ quấn hơn.
• Tiết diện thực của dây quấn HA: b a n m
Trong thiết kế dây quấn HA, các tham số chủ chốt gồm m số sợi hướng trục và n số sợi hướng kính, cùng với a (mm) là chiều rộng và b (mm) là chiều dài của dây quấn HA Các sợi hướng trục đóng vai trò truyền lực và định hướng từ trường theo trục, trong khi các sợi hướng kính bổ sung độ bền, chịu nhiệt và ổn định kích thước cho cấu trúc Việc xác định đúng m và n cho phép ước lượng mật độ sợi và diện tích phủ của dây quấn HA, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất kéo, tác động lên từ trường và khả năng gia công Thông số kích thước a và b cho biết chiều rộng và chiều dài của dây quấn, giúp ước lượng thể tích và khối lượng có mặt của dây quấn HA cho các tính toán thiết kế Công thức liên quan, ví dụ T2t, có thể được dùng để liên kết các tham số này với các đặc tính điện từ và cơ học của hệ, khi lập mô hình và tối ưu hóa thiết kế.
• Mật độ dòng điện của cuộn HA: t f
Trong đó: I f 2 (A) dòng điện pha cuộn HA
Tiết diện thực của cuộn HA (mm^2) là yếu tố quyết định mật độ dòng điện trong cuộn, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả vận hành Sau khi tính toán mật độ dòng điện, nếu giá trị Δ2 ≥ 4,5×10^-6 thì cần tăng tiết diện dây của cuộn HA lên để giảm mật độ dòng điện và giảm tổn hao ngắn mạch, từ đó cải thiện độ tin cậy và an toàn cho hệ thống.
3.1.2 Xác định chiều cao của cuộn HA:
• Số vòng dây trên một lớp của cuộn HA:
2 2 n w l = w (Vòng / lớp) Trong đó: w 2 số vòng dây của cuộn HA n 2 số lớp của cuộn HA
• Bề rộng mặt cắt ngang nòng:
1 a a h rn = bt + (mm) Trong đó: a bt 1 (mm) bề rộng lá thép trụ bậc 1 a 01 (mm) khoảng cách rộng nòng
• Bề dài mặt cắt ngang nòng:
( a k a n h n ech lt lt lt dn + +
Trong đó: n lt 1 số lá trụ bậc 1 của m.b.a
2 n lt số lá trụ bậc 2 của m.b.a a lt (mm) bề dày lá tôn k ech hệ số ép chặt a 01 (mm) khoảng cách dài nòng
• Chiều cao của dây quấn HA: m k b w h 2 = ( l 2 + 1 ) ' 2 ht (mm)
Trong cuộn HA, w và l là hai số vòng trên một lớp; b’ (mm) là chiều dài có cách điện của cuộn HA; k và ht là hệ số tăng hướng trục của cuộn HA; m là số sợi chập hướng trục của cuộn HA.
Trong đó: h 2 (mm) chiều cao dây quấn HA
3.1.3 Xác định bề dày cuộn HA:
Độ dày phần bụng cuộn HA, ký hiệu hk, được xác định dựa trên tập tham số cấu thành cuộn: a' (mm) là chiều rộng có cách điện của dây HA; n_l là số lớp của cuộn HA; k_hk là hệ số phồng hướng kính của cuộn; n_s là số sợi chập hướng kính của cuộn HA; a₂ (mm) là chiều dày cách điện của lớp cuộn HA hk được tính từ các tham số này theo một công thức phụ thuộc và cho kết quả bằng mm; từ đó việc ước lượng hk giúp tối ưu hóa kích thước, độ an toàn cách điện và hiệu năng của cuộn HA.
• Bề dày phần lưng cuộn HA: tdl pbHA plHA h h h = + 2 (mm)
Trong đó: h pbHA (mm) bề dày phần bụng cuộn HA h 2 tdl (mm) bề dày thông dầu lưng cuộn HA
Hình 31: Nòng máy biến áp
• Bán kính cong trong phía bụng của cuộn HA: ct cgn tHA R a
Trong đó: R cgn = 7 (mm) bán kính cong góc nòng a ct (mm) chiều dày nòng carton
• Bán kính cong ngoài phía bụng của cuộn HA: pbHA tHA nHA R h
Trong đó: R 1 tHA (mm) bán kính cong trong phía bụng cuộn HA h pbHA (mm) bề dầy phần bụng cuộn HA
• Bán kính cong trong phía lưng HA: tHA tHA R
R 2 = 1 (mm) Trong đó: R 1 tHA (mm) bán kính cong trong phía bụng cuộn HA
• Bán kính cong ngoài phía lưng HA: tld nHA nHA R h
R 2 = 1 + 2 (mm) Trong đó: R 1 nHA (mm) bán kính cong ngoài phía bụng của cuộn HA h 2 tdl (mm) bề dầy thông dầu lưng của cuộn HA
3.1.4 Xác định chu vi cuộn HA:
• Chu vi phần thẳng: cgn dn rn
CV = ( + ) 2 − 8 (mm) Trong đó: h rn (mm) bề rộng mặt cắt ngang nòng h dn (mm) bề rộng mặt cắt dài nòng
R cgn (mm) bán kính cong góc nòng
• Chu vi trong dây quấn HA:
CV 2 = ( 1 + 2 ).π + (mm) Trong đó: R 1 tHA (mm) bán kính cong trong phía bụng cuộn HA
R 2 tHA (mm) bán kính cong trong phía lưng cuộn HA
CV PT (mm) chu vi phần thẳng
• Chu vi ngoài dây quấn HA:
CV 2 = ( 1 + 2 ).π + (mm) Trong đó: R 1 nHA (mm) bán kính cong ngoài phía bụng của cuộn HA
R 2 nHA (mm) bán kính cong ngoài phía lưng cuộn HA
CV PT (mm) chu vi phần thẳng
• Chu vi trung bình của dây quấn HA:
Trong đó: CV T 2 (mm) chu vi trong của dây quấn HA
CV N (mm) chu vi ngoài của dây quấn HA
3.1.5 Xác định khối lượng của cuộn HA:
• Khối lượng đồng của dây quấn HA: tb t
G 2 = γ 2 2 2 (Kg) Trong đó: t số trụ tác dụng của m.b.a γ Cu (Kg/m 3 ) tỷ trọng của đồng
T 2 t (mm 2 ) tiết diện dây cuộn HA w 2 số vòng dây của cuộn HA
CV 2 tb (mm) chu vi trung bình của cuộn HA
• Khối lượng dây quấn HA có cách điện: cđ
G 2 ' = 2 2 (Kg) Trong đó: G Cu 2 (Kg) khối lượng đồng của cuộn HA k 2 cđ hệ số tăng khối lượng do cách điện dây quấn HA
Trong đó: h 2 (mm) chiều cao dây quấn HA
7,5 hệ số do phía HA đấu sao
G 2 = 2 2 γ (Kg) Trong đó: l 2 r (mm) chiều dài mối HA
T 2 t (mm 2 ) tiết diện cuộn HA γ Cu (Kg/m 3 ) tỷ trọng của đồng
• Khối lượng mối hạ có kể thêm cách điện: cđ r G r k
G 2 ' = 2 2 (Kg) Trong đó: G 2 r (Kg) khối lượng mối HA k 2 cđ hệ số tăng khối lượng do cách điện dây quấn
Cuộn dây CA
3.2.1 Xác định tiết diện và mật độ dòng điện cuộn CA:
Dây quấn CA dùng dây đồng tròn nên đường kính của dây quấn CA khi chưa có lớp cách điện được ký hiệu a (mm) Kích thước dây quấn CA có lớp cách điện được tính theo công thức a_CA' = a + 2δ_CA (mm), trong đó a (mm) là đường kính của dây quấn CA và δ_CA (mm) là chiều dày cách điện một phía của cuộn CA.
• Tiết diện thực của dây quấn CA: π
Trong đó: a (mm) đường kính sợi cuộn CA
• Mật độ dòng điện phía CA: t f
1 = Δ (A/mm 2 ) Trong đó: I f 1 (A) dòng điện pha phía CA
Tiết diện của dây quấn CA được xác định dựa trên mật độ dòng điện trong cuộn CA; sau khi tính toán, nếu Δ1 ≥ 4,5×10^-6 A/m^2 thì cần tăng tiết diện dây dẫn để giảm mật độ dòng điện và hạn chế tổn hao ngắn mạch, từ đó nâng cao hiệu suất và độ an toàn của hệ thống.
3.2.2 Xác định chiều cao cuộn CA:
• Số vòng dây cuộn CA: v f u w 1 = U 1 (Vòng) Trong đó: u v (V/vòng) điện áp trên một vòng dây
U f (V) điện áp pha phía CA của m.b.a
• Số vòng điều chỉnh cấp:
Trong đó: w 1 số vòng cuộn CA
2,5 số phần trăm điều chỉnh điện áp
• Tổng số vòng dây cuộn CA: w đc w w 1 = 1 + 2 1
Trong đó: w 1 số vòng dây cuộn CA w 1 đc số vòng dây điều chỉnh của cuộn CA
Do cuộn CA và cuộn HA đều quấn trên một nòng nên chiều cao nòng CA bằng chiều cao nòng HA
• Chiều cao thực của cuộn CA:
Trong đó: h nong (mm) chiều cao nòng
1 l đ (mm) đệm đầu cuộn CA
• Số lớp cuộn CA: t ht h m k a n w
Trong đó, ∑ w1 biểu thị tổng số vòng dây của cuộn CA; a′ (mm) là đường kính dây quấn CA có cách điện; h1t (mm) là chiều cao thực của cuộn CA; k1ht là hệ số hướng trục của cuộn CA; và m là số sợi hướng trục của cuộn CA.
• Số vòng dây trên một lớp của cuộn CA:
= (Vòng/lớp) Trong đó: ∑ w 1 tổng số vòng dây của cuộn CA n 1 số lớp của cuộn CA
• Điện áp hai lớp CA kề nhau: v l l w u
U = 2 1 Trong đó: w l 1 số vòng trên một lớp của cuộn CA u v (V) điện áp trên một vòng dây
3.2.3 Xác định bề dày cuộn CA:
Bề dày phần bụng cuộn CA (tdlcvCA) được xác định dựa trên các tham số kỹ thuật liên quan đến dây quấn CA và lớp cách điện, bao gồm đường kính dây quấn CA có cách điện (a′), số sợi chập và hướng cuộn (n), chiều dày lớp cách điện giữa các lớp cuộn CA (a1), số lớp cuộn CA (n1) và hệ số phồng (h1) của cuộn CA; công thức tdlcvCA ghép các tham số này lại và cho kết quả bằng mm, thông qua chu vi cuộn CA Trong đó: a′ là đường kính dây quấn CA có cách điện; n là số sợi chập và hướng cuộn; a1 là chiều dày lớp cách điện giữa các lớp cuộn CA; n1 là số lớp cuộn CA; h1 là hệ số phồng hướng cuộn CA; tdlcvCA là bề dày thông qua chu vi của cuộn CA.
• Bề dày phần lưng cuộn CA: tdl pbCA plCA h h h = + 1 (mm)
Trong đó: h pbCA bề dày phần bụng cuộn CA h 1 tdl bề dày thông dầu lưng cuộn CA
• Bề dày toàn phần bụng cuộn CA: a 12 h h a h tpbCA = ct + pbHA + pbCA + (mm)
Trong đó: a ct (mm) bề dày nòng carton h pbHA (mm) bề dày phần bụng cuộn HA h pbCA (mm) bề dày phần bụng cuộn CA a 12 (mm) cách điện cao hạ
• Bề dày toàn phần lưng cuộn CA: a 12 h h a h tplCA = ct + plHA + plCA + (mm)
Trong đó: a ct (mm) bề dày carton h (mm) bề dày phần lưng cuộn CA h plHA (mm) bề dày phần lưng cuộn HA a 12 (mm) cách điện cao hạ
• Bán kính cong trong phía bụng của cuộn CA:
R tCA = nHA + (mm) Trong đó: R 1 nHA (mm) bán kính cong ngoài phía bụng HA a 12 (mm) cách điện cao hạ của m.b.a
• Bán kính cong ngoài phía bụng của cuộn CA: pbCA tCA nCA R h
Trong đó: R 1 tCA (mm) bán kính cong trong phía bụng cuộn HA h pbCA (mm) bề dầy phần bụng cuộn CA
• Bán kính cong trong phía lưng CA:
R tCA = nHA + (mm) Trong đó: R 2 nHA (mm) bán kính cong ngoài phía lưng HA a 12 (mm) cách điện cao hạ
• Bán kính cong ngoài phía lưng CA: plCA tCA nCA R h
Trong đó: R 2 tCA (mm) bán kính cong trong phía lưng CA h plCA (mm) bề dày phần lưng cuộn CA
3.2.4 Xác định chu vi cuộn CA:
• Chu vi trong cuộn cao áp:
CV 1 = ( 1 + 2 ).π + (mm) Trong đó: R 1 tCA (mm) bán kính cong trong phía bụng cuộn CA
R 2 tCA (mm) bán kính cong trong phía lưng cuộn CA
CV PT (mm) chu vi phần thẳng
• Chu vi ngoài cuộn cao áp:
CV 1 = ( 1 + 2 ).π + (mm) Trong đó: R 1 nCA (mm) bán kính cong ngoài phía bụng cuộn CA
R 2 nCA (mm) bán kính cong ngoài phía lưng cuộn CA
CV PT (mm) chu vi phần thẳng
• Chu vi trung bình cuộn cao áp:
Trong đó: CV T 1 (mm) chu vi trong dây quấn CA
CV N (mm) chu vi ngoài dây quấn CA
3.2.5 Xác định khối lượng của cuộn CA:
• Khối lượng cuộn CA định mức: tb t
G 1 = γ 1 1 1 (Kg) Trong đó: t số trụ tác dụng của m.b.a γ Cu (Kg/m 3 ) tỷ trọng của đồng
T 1 t (mm 2 ) tiết diện dây cuộn CA w 1 số vòng dây định mức của cuộn CA
CV 1 tb chu vi trung bình cuộn CA
• Khối lượng kể cả dây điều chỉnh: tb t
G 1 = γ 1 ∑ 1 1 (Kg) Trong đó: t số trụ tác dụng của m.b.a γ Cu (Kg/m 3 ) tỷ trọng của đồng
T 1 t (mm 2 ) tiết diện dây cuộn CA w 1
∑ tổng số vòng dây cuộn CA
CV 1 tb chu vi trung bình cuộn CA
• Khối lượng cuộn CA kể cả cách điện: cđ đc
G 1 ' = 1 1 (Kg) Trong đó: G Cu 1 đc (Kg) khối lượng cuộn CA kể cả điều chỉnh k 1 cđ hệ số tăng trọng lượng do cách điện dây quấn CA
• Chiều dài mối CA: t r h l 1 = 14 1 (mm) Trong đó: h 1 t (mm) chiều cao thực cuộn CA
14 là hệ số do phía CA đấu tam giác
• Khối lượng mối CA: t Cu r r l T
G 1 = 1 γ 1 (Kg) Trong đó: l 1 r (mm) chiều dài mối CA γ Cu Kg/m 3 tỷ trọng của đồng
T 1 t (mm 2 ) tiết diện dây cuộn CA
• Khối lượng mối CA kể cả cách điện: cđ r G r k
G 1 ' = 1 1 (Kg) Trong đó: G 1 r (Kg) trọng lượng mối CA chưa có cách điện k 1 cđ hệ số tăng trọng lượng do cách điện dây quấn CA
Xác định tính toán ngắn mạch máy biến áp
Xác định tổn hao ngắn mạch
Trong tính toán ngắn mạch cho máy biến áp và hệ thống điện, mục tiêu là xác định các tham số như tổn hao ngắn mạch (Pn), điện áp ngắn mạch và dòng điện khi ngắn mạch cực đại (In), từ đó đánh giá khả năng vận hành và an toàn của hệ thống Việc ước lượng Pn cho biết mức nhiệt sinh ra và mức tiêu hao của thiết bị trong trạng thái quá dòng; đồng thời xác định điện áp ngắn mạch để biết mức sụt áp so với điện áp danh định Dòng điện In ở ngắn mạch cực đại cho biết mức quá dòng và tác động lên các thành phần cũng như thiết kế bảo vệ Bên cạnh đó, phân tích lực cơ học tác động lên dây quấn và mức phát nhiệt của dây quấn trong quá trình ngắn mạch là quan trọng để đánh giá độ bền cơ học, khả năng làm mát và an toàn vận hành.
Tổn hao ngắn mạch của MBA hai dây quấn là tổng các tổn hao MBA khi ngắn mạch một dây quấn và dây quấn kia được mắc vào điện áp Un để cho dòng điện trong hai dây quấn đều bằng định mức Tổn hao ngắn mạch được xác định dựa trên điều kiện ngắn mạch và bao gồm các thành phần cấu thành của nó; tổn hao ngắn mạch gồm các thành phần sau:
• Tổn hao chính, tức tổn hao đồng trong dây quấn HA và CA do dòng điện gây ra PCu1, PCu2
Tổn hao phụ trong hai dây quấn xảy ra khi từ thông tản xuyên qua dây quấn làm cho dòng điện phân bố không đều trên tiết diện dẫn và gây ra Pf1, Pf2.
• Tổn hao chính trong dây dẫn ra Pr1, Pr2
• Tổn hao phụ trong dây dẫn ra Prf1, Prf2, thường tổn hao này rất nhỏ có thể bỏ qua được
• Tổn hao trong vách thùng dầu và các kết cấu kim loại khác Pt do từ thông tản gây nên
4.1.1Tổn hao chính: a.Tổn hao đồng trong dây quấn HA:
PCu2 =2 , 4 Δ 2 2 G Cu 2 (W) Trong đó: Δ 2 (A/m 2 ) mật độ dòng điện dây quấn HA
GCu2 (Kg) trọng lượng đồng của dây quấn HA b.Tổn hao đồng trong dây quấn CA:
PCu1=2 , 4 Δ 2 1 G Cu 1 đc (W) Trong đó: Δ 1 (A/m 2 ) mật độ dòng điện dây quấn CA đc
G Cu 1 (Kg) trọng lượng đồng của dây quấn CA
Nhận xét: Tổn hao đồng PCu tỷ lệ với bình phương mật độ dòng điện, vì vậy khi PCu được giữ cố định, nếu Δ tăng thì GCu phải giảm Tuy nhiên không nên cố ý tăng Δ để giảm nhiều GCu, vì tổn hao đồng không giảm đáng kể và có thể tăng lên khi Δ tăng; đồng thời dây quấn sẽ phát nóng nhiều hơn, đòi hỏi dùng nhiều dầu làm mát và cần tính thêm phần tản nhiệt để đảm bảo nhiệt độ làm việc.
4.1.2 Tổn hao phụ trong hai dây quấn:
Tổn hao phụ trong hai dây quấn được ghép vào tổn hao chính bằng cách thêm vào kf vào tổn hao chính f Cu Cu f P P k
Nhận xét: Để xác định tổn hao phụ trong hai dây quấn, ta phải xác định trị số kf Trị số này, tùy thuộc vào loại dây quấn, kích thước hình học của dây dẫn và sự sắp xếp của dây dẫn trong trường từ, sẽ khác nhau Thường trị số kf ∈ (1,01; 1,05).
• Số sợi theo hướng trục cuộn HA:
Trong đó: m số sợi chọn hướng trục cuộn HA w 2 số vòng dây cuộn HA n 2 số lớp cuộn HA
• Số sợi theo hướng kính cuộn HA: n n n ' = 2 Trong đó: n 2 số lớp cuộn HA n số sợi chập hướng kính cuộn HA
• Số sợi theo hướng trục cuộn CA:
Trong đó: m số sợi chọn theo hướng trục của cuộn CA w 1
∑ tổng số vòng dây cuộn CA n 1 số lớp cuộn CA
• Số sợi theo hướng kính cuộn CA: n n n ' = 1 Trong đó: n 1 số lớp cuộn CA n số sợi chập hướng kính cuộn CA
• Hệ số ảnh hưởng đến tổn hao phụ trong dây quấn HA:
Trong đó, b (mm) là chiều dài của dây dẫn HA; a (mm) là chiều rộng của dây dẫn HA; n' là số sợi chập theo hướng cuộn HA; h2 (mm) là chiều cao của cuộn HA; và k_r là hệ số Ragovski.
• Hệ số ảnh hưởng đến tổn hao phụ trong dây quấn CA:
Trong đó: m' là số sợi theo hướng trục cuộn CA; a (mm) là đường kính sợi cuộn CA; n' là số sợi chập theo hướng kính cuộn CA; kr là hệ số Ragovski; h1t (mm) là chiều dài thực cuộn CA; PfCu1 là tổn hao phụ trong dây quấn HA.
Trong đó: k f 2 hệ số kể đến tổn hao phụ trong dây quấn HA
P Cu (W) tổn hao chính trong dây quấn HA b Tổn hao phụ P fCu 2 trong dây quấn CA:
Trong đó: k f 1 hệ số kể đến tổn hao phụ trong dây quấn CA
P Cu (W) tổn hao chính trong dây quấn CA
4.1.3 Tổn hao chính trong dây dẫn ra P r 1 , P r 2 :
Biểu thức tính toán cũng tương tự như đối với tổn hao chính trong dây quấn: r =
P 2 , 4 Δ 2 G r (W) Trong đó: Δ (A/m 2 ) mật độ dòng điện trong dây dẫn ra
G r (Kg) trọng lượng mối ra của cuộn dây
Để xác định P_r, cần tính trọng lượng đồng của dây dẫn ra có lớp cách điện G_r' của từng dây quấn Tuy nhiên, để tính chính xác, quá trình tính toán phải tính tổn hao ngắn mạch trước khi xác định kết cấu và kích thước thùng dầu cùng dây dẫn ra; điều này chưa được thực hiện, nên ta chỉ tiến hành ước lượng sơ bộ gần đúng trọng lượng đồng và tổn hao trong dây dẫn ra a Tổn hao chính trong dây dẫn ra HA.
Trong đó: Δ 2 (A/mm 2 ) mật độ dòng điện trong dây quấn HA
G r (Kg) khối lượng mối ra cuộn HA b Tổn hao chính trong dây dẫn ra CA:
P = Δ (W) Trong đó: Δ 1 (A/mm 2 ) mật độ dòng điện trong dây quấn CA
G r (Kg) khối lượng mối ra cuộn CA
4.1.4 Tổn hao trong vách thùng dầu và kết cấu kim loại khác P t :
Phần từ thông tản của m.b.a khép mạch qua vách thùng dầu, các xà ép gông, bulông và các chi tiết bằng sắt khác Tổn hao phát sinh chủ yếu tại vách thùng dầu và liên quan tới tổn hao ngắn mạch, ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành và độ ổn định của hệ.
Với m.b.a gồm hai dây quấn và kích thước thùng chưa được xác định, việc ước tính tổn hao ở vách thùng dầu và các kết cấu kim loại khác được thực hiện bằng các mô hình gần đúng, nhằm cung cấp ước lượng chính xác để đánh giá nhiệt sinh ra và tối ưu hiệu suất của hệ thống máy biến áp dầu.
P t ≈ 10 Trong đó: S ( KVA) là công suất định mức m.b.a k hệ số có giá trị rất nhỏ phụ thuộc vào công suất của m.b.a
Để giảm tổn hao trong vách thùng dầu và các chi tiết kim loại khác, cần giảm từ thông rò ngang bằng cách bố trí dây quấn sao cho giảm sự không đối xứng về vòng dây; thực tế cho thấy loại dây quấn xen kẽ có tổn hao P_t lớn nhất, nên cần tối ưu hóa cách bố trí để hạn chế sự không đối xứng và giảm tổn thất.
4.1.5 Tổn hao ngắn mạch: t r r fCu fCu cu cu n P P P P P P P
P = 1 + 2 + 1 + 2 + 1 + 2 + (W) Trong đó: P Cu 1 (W) tổn hao đồng trong dây quấn CA
P Cu (W) tổn hao đồng trong dây quấn HA
P r (W) tổn hao chính trong dây dẫn ra CA
P r (W) tổn hao chính trong dây dẫn ra HA
P t (W) tổn hao vách thùng và các chi tiết kim loại khác
P fCu (W) tổn hao phụ trong dây quấn CA
P fCu (W) tổn hao phụ trong dây quấn HA
Xác định điện áp ngắn mạch
Điện áp ngắn mạch Un% của máy biến áp hai dây quấn là điện áp được áp dụng vào một dây quấn ở tần số định mức, trong khi dây quấn kia được nối ngắn mạch sao cho hai phía dòng điện đạt đúng mức dòng điện định mức tương ứng Un% là tham số rất quan trọng, ảnh hưởng tới đặc tính vận hành và cấu trúc của máy, vì nó cho biết khả năng chịu quá tải và hành vi ngắn mạch của hệ thống Việc xác định và tối ưu Un% giúp thiết kế và vận hành máy biến áp an toàn, đạt hiệu suất cao và phù hợp với yêu cầu sử dụng Nói ngắn gọn, Un% là yếu tố then chốt trong đánh giá ngắn mạch và ảnh hưởng trực tiếp tới cấu trúc cơ và điện của máy.
• Khi Un% bé thì dòng điện ngắn mạch In lớn gây nên lực cơ học trong m.b.a lớn
• Khi Un% lớn thì điện áp giáng Δ U ở trong m.b.a tăng lên ảnh hưởng đến các hộ dùng điện (đèn tối, mở máy động cơ không đồng bộ khó khăn…)
Phân bổ tải giữa các bộ phận làm việc song song với Un% khác nhau sẽ không hợp lý; tải không tỉ lệ với dung lượng máy mà lại tỉ lệ nghịch với điện áp ngắn mạch Để tối ưu hóa hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống, chiến lược phân bổ tải nên dựa trên đặc tính điện áp danh định và khả năng chịu tải của từng thiết bị thay vì chỉ căn cứ vào dung lượng hay Un% riêng lẻ Việc phân bổ tải phù hợp sẽ giúp giảm quá tải cục bộ, cân bằng dòng điện và cải thiện phản ứng hệ thống khi xảy ra sự cố ngắn mạch.
Để đảm bảo hoạt động ổn định và đồng bộ, người ta chuẩn hoá điện áp ngắn mạch Un% và khi hai máy biến áp (MBA) làm việc song song Un% không được lệch nhau quá 10% Vì vậy trong tính toán chỉ cho phép sai lệch Un% so với tiêu chuẩn là 5% để phòng khi chế tạo có sai lệch thêm 5% nữa Điện áp ngắn mạch toàn phần được tính bằng Un = sqrt(Unr^2 + Unx^2) (%).
Trong đó: U (%) thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng
U nx (%) thành phần điện áp ngắn mạch phản kháng
4.2.1 Thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng:
Thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng là điện áp rơi trên hai cuộn của máy biến áp: cuộn cao áp và cuộn hạ áp Đây là đại lượng thể hiện mức điện áp giảm khi xảy ra ngắn mạch và được xác định theo công thức tính đặc trưng cho máy biến áp Việc xác định chính xác thành phần này giúp đánh giá ảnh hưởng của ngắn mạch đến hệ thống điện, từ đó hỗ trợ thiết kế, chọn thông số và thiết lập biện pháp bảo vệ an toàn.
= 10 (%) Trong đó: P n (W) tổng tổn hao ngắn mạch m.b.a
S (KVA) dung lượng định mức m.b.a
4.2.2 Thành phần điện áp ngắn mạch phản kháng:
Thành phần điện áp ngắn mạch phản kháng là phần điện áp rơi trên điện kháng tản của dây quấn cao áp và hạ áp Vì dây quấn có chiều cao không bằng nhau khi điều chỉnh điện áp ở cuộn CA nên một số vòng dây không có điện Thường người ta bố trí các đầu dây điều chỉnh điện áp ở giữa chiều cao dây quấn, do đó có thể coi như có hai cuộn dây thành phần và tổng từ thông tản của hai cuộn dây thành phần đó bằng từ thông tản thực tế của cuộn dây thật.
Như vậy, từ thông tản thực được xem như gồm hai thành phần từ thông: một thành phần tản dọc có từ cảm B1 và một thành phần tản ngang có từ cảm B2 Việc phân tích hai thành phần này cho phép ghép chúng lại thành tổng từ thông, từ đó xác định hướng và cường độ từ trường theo từng phương cho các ứng dụng mô phỏng và thiết kế hệ thống từ trường.
Thành phần điện áp ngắn mạch phản kháng được tính theo biểu thức:
Trong đó: u v (V/Vòng) điện áp trên một vòng dây
S ’ (KVA) công suất định mức trên một trụ kr hệ số Rogovski k q hệ số điều chỉnh dây quấn
= (mm) bề rộng qui đổi từ trường tản
Với: a 12 (mm) khoảng cách cách điện của cuộn cao và cuộn hạ h pbCA (mm) bề dầy phần bụng cuộn CA h pbHA (mm) bề dầy phần bụng cuộn HA
= + β tỉ số kích thước cơ bản của m.b.a
Với: CV N 2 (mm) chu vi ngoài dây quấn HA
CV T 1 (mm) chu vi trong dây quấn CA h 1 t (mm) chiều cao thực của cuộn CA h 2 (mm) chiều cao của cuộn HA
4.2.3 Điện áp ngắn mạch toàn phần:
Sau khi xác định được điện áp ngắn mạch tác dụng và điện áp ngắn mạch phản kháng thì ta tính được điện áp ngắn mạch toàn phần
U = + (%) Trong đó: U nr % thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng
U nx % thành phần điện áp ngắn mạch phản kháng Nếu U n tính ra nằm trong phạm vi ± 5% thì đạt yêu cầu, nằm ngoài khoảng đó thì phải tính lại
Nhận xét cho thấy sự biến thiên của U_n chủ yếu do điện áp ngắn mạch phản kháng gây ra, trong khi U_nr chịu ảnh hưởng của điện áp ngắn mạch tác dụng ở mức rất ít Khi U_n sai lệch một ít, có thể chỉnh sửa tham số a12 một chút để cân bằng, nhưng cần lưu ý rằng a12 quá nhỏ sẽ làm mất khả năng cách điện, còn a12 quá lớn khiến cuộn CA trở nên lớn, gây lãng phí kim loại và dây quấn và làm m.b.a tăng lên.
4.2.4 Sai số của điện áp ngắn mạch:
Trong đó: U n (%) điện áp ngắn mạch toàn phần
U ndb (%) điện áp ngắn mạch đầu bài
Xác định lực cơ học của dây quấn máy biến áp
Khi m.b.a gặp sự cố ngắn mạch, dòng ngắn mạch sẽ đạt giá trị rất lớn Các vấn đề nhiệt liên quan đến m.b.a không phải là vấn đề chính vì quán tính nhiệt lớn, nên dù nhiệt có tăng vẫn có thể bị ngắt khi dây quấn nóng vượt quá giới hạn cho phép bởi các thiết bị bảo vệ và máy ngắt tự động ngắt phần sự cố ra khỏi lưới điện Vấn đề còn lại là lực cơ học do ngắn mạch gây tác dụng lên dây quấn m.b.a Do đó, để đảm bảo cho m.b.a làm việc an toàn, khi thiết kế cần xét tới lực cơ học tác dụng lên dây quấn khi ngắn mạch và đánh giá xem độ bền điện của dây quấn có đủ hay không Do đó ta phải xác định các tham số liên quan đến lực và khả năng chịu đựng của dây quấn.
• Trị số dòng điện cực đại của dòng điện ngắn mạch
• Xác định lực cơ giới giữa các dây quấn
• Tính các ứng suất cơ của các đệm cách điện giữa các dây quấn và bản dây quấn
4.3.1 Xác định dòng điện ngắn mạch cực đại: a Trị số hiệu dụng của dòng ngắn mạch: Để tính toán trị số hiệu dụng của dòng điện ngắn mạch xác lập phải kể đến tổng trở của mạng cung cấp cho đầu phân áp chính của dây quấn
Trong đó: I đm (A) dòng điện định mức của đầu phân áp
S đm (KVA) dung lượng định mức của m.b.a
S n (MVA) công suất ngắn mạch của mạng điện cung cấp Hay đối với m.ba ≤1000(KVA) thì dòng điện ngắn mạch xác lập được tính theo biểu thức sau:
I = I (A) Trong đó: I đm = I 1 (A) dòng điện dây cao áp u n (%) điện áp ngắn mạch m.b.a b Trị số dòng điện ngắn mạch cực đại tức thời:
Trong quá trình ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch gồm hai thành phần chính: một thành phần chu kỳ và một thành phần không chu kỳ Thành phần không chu kỳ đóng vai trò chủ yếu, khiến dòng điện ngắn mạch tăng đột ngột và đạt đến mức rất lớn ngay tại thời điểm ngắn mạch xảy ra, trong khi thành phần chu kỳ duy trì các dao động theo chu kỳ Vì vậy, đặc tính không chu kỳ của dòng ngắn mạch là yếu tố chính gây ra sự gia tăng tức thì của dòng điện.
Trong ngắn mạch, dây quấn chịu lực cơ học rất lớn; nếu không xem xét kỹ, lực này có thể làm hỏng dây quấn Lực cơ học được sinh ra do tác dụng của dòng điện trong dây quấn với từ thông tản, và tính toán lực này với từ trường tản là một vấn đề phức tạp bởi lực tác dụng lên từng vòng dây không đồng nhất do sự khác biệt về cách điện, đệm và tính đàn hồi của các chi tiết hỗ trợ Vì vậy thực tế lực tác dụng lên dây quấn nhỏ hơn lực cơ học tính toán Công thức cho biên độ ngắn mạch và các tham số liên quan được cho là Imax = 2(In+Ine - π u_nr / u_nx) (A) Trong đó: I_n (A) là dòng điện ngắn mạch xác lập; u_nr (%) là điện áp ngắn mạch tác dụng; u_nx (%) là điện áp ngắn mạch phản kháng.
Từ trường tản gồm hai thành phần chính: thành phần dọc trục mang cảm từ B và thành phần ngang trục mang cảm từ B' Ứng với mỗi thành phần của từ trường tản sẽ có một lực tác dụng tương ứng.
4.3.2 Xác định lực cơ học khi ngắn mạch:
• Chiều dài qui đổi đường sức bình quân từ trường ngang:
Trong đó: h tcdpl (mm) bề dày toàn phần lưng cuộn cuộn CA
Từ trường tản dọc B tác dụng lên dòng điện sinh ra lực Fr Lực Fr giữa hai dây quấn là trực đối với nhau, có tác dụng ép dây quấn trong và có tác dụng trương đối với dây quấn ngoài Lực này phân bố đều dọc theo chu vi của dây quấn và được xác định như sau:
Trong đó: I max (A) trị số cực đại của dòng điện ngắn mạch w số vòng dây cuộn CA β tỉ số kích thước cơ bản k r hệ số Rogovki
• Lực dọc trục thứ nhất:
Ở một cuộn dây, từ trường tản ngang B' phụ thuộc vào hai tham số hình học của dây quấn là chiều cao l và chiều rộng của cuộn dây B' tác dụng lên dòng điện sinh ra lực tác dụng lên trục của cuộn, được ký hiệu là F_t' Khi chiều cao của dây quấn lớn hơn và chiều rộng nhỏ lại, từ cảm B' giảm và do đó lực F_t' cũng giảm Mô hình này cho phép ước lượng lực từ dựa trên cường độ dòng điện và các tham số hình học của dây quấn, cho thấy mối liên hệ rõ ràng giữa độ cao, độ hẹp và lực tác động lên trục.
Trong đó: F r (N) lực cơ học khi ngắn mạch a r (mm) chiều rộng qui đổi từ trường tản l 1 t (mm) chiều dài thực của cuộn CA
• Lực dọc trục thứ hai: m k l l
'' '' = Trong đó: F r (N) lực cơ học khi ngắn mạch l x (mm) khoảng trống dây quấn l ''(mm) chiều dài qui đổi đường sức bình quân từ trường ngang k r hệ số Rogoski
• Lực theo chiều ngang trục: π 2 r nr
Trong đó: F r (N) lực cơ học khi ngắn mạch
4.3.3 Xác định ứng suất của dây quấn: a Ứng suất do lực hướng kính gây nên:
Sau khi xác định được cường độ lực cơ học tác dụng lên dây quấn, ta tiếp tục tính toán ứng suất và khả năng chịu đựng của dây quấn trước lực cơ giới Lực F_nr tác dụng nén lên cuộn dây trong HA; dưới tác dụng của lực này sẽ xuất hiện ứng suất nén trên cuộn dây trong cũng như trên các tấm đệm giữa các vòng dây và bánh dây.
• Ứng suất lên cuộn HA:
T 2 t (mm 2 ) tiết diện một vòng dây của cuộn HA w 2 số vòng dây cuộn HA
• Ứng suất lện cuộn CA:
Trong đó: F nr (N) lực theo chiều ngang trục
Tiết diện của một vòng dây cuộn CA được ký hiệu T_CA (mm^2) và số vòng dây cuộn CA được ký hiệu w1 Trị số ứng suất σ_nr (MPa) của cuộn CA hay cuộn HA sau khi tính toán phải đạt tiêu chuẩn σ_nr ≤ 30 MPa Đồng thời, cần xét đến ứng suất do lực chiều trục để đánh giá đầy đủ khả năng chịu tải của cuộn.
• Tổng hợp lực lớn nhất:
Trong đó: F t ' (N) lực dọc trục thức nhất
F_t (N) đại diện cho lực dọc trục thứ hai Lực chiều dọc chủ yếu là lực nén F_n, và chính lực này làm hỏng các miếng đệm cách điện ở giữa các vòng dây Do đó, ứng suất theo chiều dọc trục được tính như sau:
• Ứng suất theo chiều dọc trục của cuộn HA: plHA tbHA n nHA CT h
Trong đó: F n (N) tổng hợp lực lớn nhất
CV tbHA (mm) chu vi trung bình cuộn HA h plHA (mm) bề dày phần lưng cuộn HA
• Ứng suất theo chiều dọc trục của cuộn CA: plCA tbCA n nCA CT h
Trong đó: F n (N) tổng hợp lực lớn nhất
Các tham số kỹ thuật cho cuộn CA gồm CV tbCA (mm) là chu vi trung bình của cuộn CA; h plCA (mm) là chiều cao phần lưng cuộn CA; và bề dày phần lưng cuộn CA Trị số ứng suất theo chiều dọc trục σ_n (MPa) của cuộn HA hoặc cuộn CA sau khi tính toán phải đạt tiêu chuẩn σ_n ≤ 20 MPa.