Nghiên cứu thiết kế, công nghệ và chế tạo máy biến áp phân phối loại khô công suất đến 1000kVA, điện áp đến 35KV

Xu hướng phát triển của máy biến áp hiện nay: Đến những năm cuối của thế kỷ 20 hầu như tất các các máy biến áp đều thuộc loại máy biến áp dầu, trong đó dầu đóng vai trò vừa hỗ trợ làm m

Báo cáo tổng kết đề tài:

Nghiên cứu thiết kế, công nghệ và chế tạo máy biến áp phân phối loại khô công suất

đến 1000kVA, điện áp đến 35KV

Cnđt: Đoàn Văn Quý

7978

Hà nội – 2008

Mục lục Trang

Lời cảm ơn……… 3

Giới thiệu chung ……… 4

I Thông tin chung về đề tài ……… 4

II Giới thiệu về đề tài ……… 4

Phần I Nhu cầu sử dụng máy biến áp phân phối loại khô ở Việt Nam… 6 Chương I Nhu cầu sử dụng máy biến áp phân phối loại khô ở Việt Nam, tổng quan tình hình nghiên cứu……… 6

Chương II Xác định thông số kỹ thuật, yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm mẫu……… 21

Phần II Thiết kế tính toán máy biến áp phân phối loại khô……… 26

Giới thiệu chung……… 26

Chương I Lựa chọn phương pháp tính toán thiết kế……… 27

Chương II Thiết kế tính toán điện từ……… 27

Chương III Lập trình phần mềm tính toán điện từ……… 49

Chương IV Xác nhận giá trị sử dụng của phần mềm thiết kế tính toán…… 52

Chương V Thiết kế tính toán kết cấu và tủ bảo vệ máy biến áp khô……… 53

Phần III Thiết kế máy biến áp khô mẫu……… 73

Chương I Nghiên cứu vật liệu sử dụng cho sản phẩm……… 73

Chương II: Thiết kế sản phẩm……… 76

Phần IV Công nghệ chế tạo máy biến áp phân phối loại khô……… 77

Chương I Giới thiệu chung……… 77

Chương II Công nghệ chế tạo cuộn dây 78

Chương III Công nghệ đúc epoxy 83

Chương IV Công nghệ chế tạo mạch từ……… 91

Phần V Chế tạo sản phẩm của đề tài……… 97

Phần VI Thử nghiệm và đánh giá chất lượng sản phẩm……… 100

Chương I Xác định các tiêu chuẩn thử nghiệm……… 100

Chương II Nghiên cứu xây dựng phương pháp thử nghiệm………… 101 Chương III Tổ chức thử nghiệm và xác định các thông số kỹ thuật

của máy biến áp……… 113

Chương IV Đánh giá chất lượng chế tạo sản phẩm mẫu………… 119

Phần VII Khả năng ứng dụng và kết quả nghiên cứu của đề tài……… 126

I Kết quả nghiên cứu của đề tài……… 126

II Khả năng ứng dụng kếp quả nghiên cứu của đề tài……… 127

III Đánh giá kết quả đào tạo nguồn nhân lực……… 130

Kết luận và kiến nghị……… 131

Tài liệu tham khảo……… 132

Phụ lục……… 133

Lời cảm ơn

Đề tài khoa học cấp Nhà nước “Nghiên cứu thiết kế, công nghệ và chế tạo máy biến áp phân phối loại khô, công suất đến 1000kVA, điện áp đến 35kV” (Sau đõy gọi tắt là Đề tài) thuộc chương trỡnh KH119 do Cụng ty TNHH Nhà nước một thành viờn Chế tạo Điện cơ Hà nội (CTAMAD) thuộc Tổng Cụng ty Thiết bị Điện Việt Nam -

Bộ Cụng thương chủ trỡ thực hiện trong thời gian từ năm 2005 đến 2008

Xin cảm ơn Hội đồng tư vấn đó ủng hộ đề xuất về nhu cầu nghiờn cứu thiết

kế, cụng nghệ và chế tạo mỏy biến ỏp khụ Cơ quan chủ trỡ đề tài xin cảm ơn Bộ KH&CN đó tin tưởng và giao cho Cụng ty CTAMAD được chủ trỡ đề tài

Để đề tài nghiờn cứu khoa học hoàn thành được, ngoài nội dung thực hiện bởi nhúm đề tài, cũn cú sự tham gia hết sức nhiệt tỡnh của nhiều giỏo sư, kỹ sư, chuyờn gia kỹ thuật chuyờn ngành mỏy biến ỏp

Chủ nhiệm đề tài và cơ quan chủ trỡ đề tài xin chõn thành cảm ơn cỏc tập thể

và cỏc cỏ nhõn sau đõy đó cú những đúng gúp hết sức quý bỏu, gúp phần cho việc thực hiện thành cụng đề tài này:

- GS TS Bựi Đỡnh Tiếu, Giảng viờn cao cấp Trường ĐH Bỏch khoa Hà nội, nguyờn Trưởng Bộ mụn Thiết bị điện - Điện tử, Trường ĐH Bỏch khoa Hà nội

- Thạc sỹ - Kỹ sư Hoàng Thị Lương Hoà, Chuyờn viờn Kỹ thuật, nguyờn Giỏm đốc Cụng ty Chế tạo Điện cơ Hà nội

- GS TS Phan Văn Bỡnh, Giảng viờn cao cấp Trường ĐH Bỏch khoa Hà nội

- KS Tụn Long Ngà, Giỏm đốc Cụng ty Chế tạo Biến thế Hà nội

- Bộ mụn Thiết bị điện - Điện tử, Trường ĐH Bỏch khoa Hà nội

- Cụng ty Cổ phần Nhiệt điện Phả lại

Giới thiệu chung

I Thông tin chung về đề tài

1. Tên đề tài

“Nghiên cứu thiết kế, công nghệ và chế tạo máy biến áp phân phối loại khô, công suất đến 1000kVA, điện áp đến 35kV”

Đề tài khoa học cấp nhà nước KH 119

2 Thời gian thực hiện: Từ tháng 1/2005 đến tháng 6/2008

3 Chủ nhiệm đề tài: Kỹ sư Đoàn Văn Quý – Phó Giám đốc Công ty

4 Cơ quan chủ trì đề tài: Công ty TNHH Nhà nước một thành viên Chế tạo

Điện cơ Hà nội, thuộc Tổng Công ty Thiết bị Điện Việt Nam

II Giới thiệu về đề tài

Cụng ty Chế tạo Điện cơ Hà nội (CTAMAD) là một doanh nghiệp Nhà nước thuộc Tổng Cụng ty Thiết bị điện Việt nam (VEC), Bộ Cụng thương Thành lập từ năm 1961, sản phẩm chủ lực của Cụng ty CTAMAD cho tới năm 2002 là mặt hàng động cơ điện khụng đồng bộ một pha và ba pha

Năm 2002, Cụng ty Chế tạo Điện cơ Hà nội đó hoàn thành và đưa vào sử dụng Nhà mỏy chế tạo mỏy biến ỏp, bắt đầu việc cung cấp mỏy biến ỏp phõn phối cho thị trường miền Bắc

Nhận thức được nhu cầu và tiềm năng của thị trường mỏy biến ỏp khụ, ngay trong những năm tiếp theo, bà Hoàng Thị Lương Hoà khi đú là Giỏm đốc Cụng ty, đó chỉ đạo việc tỡm hiểu và tiếp xỳc, nghiờn cứu về khả năng chế tạo mỏy biến ỏp khụ ở Việt nam Cũng từ thời điểm đú, ý tưởng về việc thực hiện một đề tài nghiờn cứu khoa học về mỏy biến ỏp khụ đó bắt đầu xuất hiện

Năm 2004, Cụng ty Chế tạo Điện cơ Hà nội đề xuất với Bộ Khoa học Cụng nghệ việc thực hiện đề tài nghiờn cứu khoa học “Nghiờn cứu thiết kế và chế tạo Mỏy biến ỏp phõn phối loại khụ cụng suất đến 1000kVA, điện ỏp đến 35kV” với cỏc mục tiờu chớnh:

- Nghiên cứu quy trình công nghệ để chế tạo được máy biến áp khô công suất đến 1000kVA, điện áp đến 35kV ở Việt nam

- Xây dựng được phương pháp thử nghiệm, xây dựng được quy trình vận hành máy biến áp khô

- Góp phần nâng cao năng lực chế tạo máy biến áp khô, cả về thiết bị, cả về chuyên môn và kinh nghiệm, của Công ty Chế tạo Điện cơ Hà nội nói riêng

và ngành chế tạo máy biến áp của Việt nam nói chung

Đề xuất của Công ty Chế tạo Điện cơ Hà nội đã nhanh chóng được Bộ Khoa học Công nghệ thông qua, và bắt đầu từ năm 2005 Công ty Chế tạo Điện cơ Hà nội

đã thực hiện các nội dung nghiên cứu của đề tài

PhÇn I Nhu cÇu sö dông m¸y biÕn ¸p ph©n phèi lo¹i kh«

ë ViÖt Nam

Ch−¬ng I Nhu cÇu sö dông m¸y biÕn ¸p ph©n phèi lo¹i kh« ë

ViÖt Nam, tæng quan t×nh h×nh nghiªn cøu

1 Một vài nét về hệ thống điện và máy biến áp:

Ngày nay năng lượng điện đã trở nên không thể thiếu trong sản xuất, kinh doanh và trong đời sống hàng ngày

Các thành phần cơ bản của hệ thống điện bao gồm:

- Nguồn điện: là hệ thống các nhà máy phát điện, bao gồm thuỷ điện, nhiệt điện, phong điện, điện mặt trời và nhiều nguồn năng lượng phát điện khác Theo quy hoạch chung thì tổng công suất phát điện của ngành điện Việt nam cho tới 2010 sẽ vào khoảng 19.000MW, trong đó thuỷ điện chiếm 9.000MW (47%), và nhiệt điện cộng tuabin khí chiếm phần còn lại (khoảng 53%) Hiện nay ở Việt nam nguồn điện từ các nguồn năng lượng khác (gió, mặt trời, địa nhiệt ) gần như chưa có

- Lưới điện: là hệ thống các trạm biến áp và đường dây truyền tải điện Điện năng từ nguồn điện (máy phát) được biến đổi từ trung áp lên cao áp, sau đó truyền tải qua hệ thống đường dây, tới cuối nguồn lại được biến đổi xuống hạ

áp để phục vụ sử dụng Theo tính toán thì cứ 1kW nguồn phát thì phải có tới 5-6kW công suất biến áp đi kèm Như vậy tổng công suất biến áp trên hệ thống điện Việt nam tới 2010 sẽ vào khoảng 100.000MW, với rất nhiều trạm biến áp mới sẽ được xây dựng (tham khảo Phụ lục 1 - Quy hoạch điện VI của Tổng Cty Điện lực Việt nam)

Ta có thể thấy được hệ thống các máy biến áp đóng vai trò rất quan trọng trong

hệ thống điện nói chung Trong các máy biến áp có thể phân ra làm 2 loại hình chính:

- Máy biến áp điện lực: là các máy biến áp công suất lớn, điện áp cao thường ở

vị trí trực tiếp truyển tải các công suất lớn trên lưới điện Máy biến áp điện lực thông thường là loại điều áp dưới tải

- Máy biến áp phân phối: thường công suất từ vài chục kVA đến 10MVA, trung áp dùng để trung chuyển điện năng trong tầm ngắn, và để trực tiếp đưa điện áp xuống hạ thế phục vụ cho sử dụng Máy biến áp phân phối thông thường là loại điều áp không tải

2 Xu hướng phát triển của máy biến áp hiện nay:

Đến những năm cuối của thế kỷ 20 hầu như tất các các máy biến áp đều thuộc loại máy biến áp dầu, trong đó dầu đóng vai trò vừa hỗ trợ làm mát các cuộn dây, vừa làm tăng độ bền cách điện của chúng

Chất lượng dầu ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy, tuổi thọ của máy biến áp Trong quá trình vận hành cần phải thường xuyên theo dõi tình trạng dầu để kịp thời phát hiện những thay đổi tính chất của dầu thông qua việc xác định hàng loạt các chỉ tiêu quan trọng như tạp chất cơ khí và carbon lơ lửng, độ bền cách điện, chỉ số acid, nhiệt độ chớp cháy của dầu, độ nhớt, độ trong, độ ổn định, góc tổn thất điện môi Để quản lý chất lượng dầu cần phải trang bị nhiều phương tiện kỹ thuật, cần có các cán

bộ quản lý, cán bộ kỹ thuật giỏi, biến chế công nhân đông đảo với tay nghề cao Mặt khác, với số lượng lớn máy biến áp dầu thì nguy cơ cháy, nổ luôn luôn thường trực,

đe doạ sự cố thiết bị và gây tai nạn cho người, ô nhiễm môi trường xung quanh

Vào những năm 50 của thế kỷ trước, một số nước đã chuyển sang sử dụng một

số loại dầu chống cháy, nổ Trong số đó phần lớn là loại dầu sô-vôn rất độc hại và không bị phân huỷ Từ năm 1970 loại dầu nói trên đã bị cấm sử dụng do độc tố của

nó ảnh hưởng rất xấu tới sức khoẻ con người và môi trường, ngay cả khi hàm lượng dầu sô-vôn rất nhỏ lẫn trong dầu máy biến áp thông thường

Hiện nay các hãng chế tạo máy biến áp đang tìm các xu hướng phát triển cho máy biến áp như sau:

2.1 Giảm thấp tổn hao của máy biến áp:

Như trên đã đề cập, tổng công suất máy biến áp trên lưới điện là rất lớn, do vậy tổn hao của máy biến áp chiếm một phần đáng kể trên tổng tổn hao của toàn lưới điện Để hiệu suất sử dụng điện được cao hơn, một mặt phải tăng hiệu suất của các thiết bị sử dụng điện, mặt khác phải tăng hiệu suất của các máy biến áp, tức là chế tạo các máy biến áp với tổn hao nhỏ hơn

Trong những năm gần đây, giá trị tổn hao của các máy biến thế sản xuất ra đã giảm liên tục, nhất là các tổn hao không tải Điều này có được là do:

- Các nhà quản lý tầm vĩ mô đã quan tâm hơn tới vấn đề tổn hao của các máy biến áp và đã liên tục đưa ra các tiêu chuẩn kỹ thuật về tổn hao của máy biến

áp ngày càng nhỏ hơn Các nhà sản xuất bắt buộc phải tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật này

- Sự tiến bộ trong công nghệ chế tạo các vật liệu dẫn từ Ngày nay các vật liệu dẫn từ (làm lõi tôn máy biến áp) được nghiên cứu chế tạo theo hướng giảm thấp suất tổn hao Một số các vật liệu mới đã được ứng dụng trong phạm vi hẹp như tôn silic siêu mỏng, hợp kim không kết tinh với độ dẫn từ cao đã góp phần giúp chế tạo ra những thế hệ máy biến áp mới có tổn hao không tải giảm rõ rệt so với máy biến thế thông thường hiện nay Tuy nhiên các máy biến áp áp dụng vật liệu từ tiên tiến hiện nay có giá thành còn quá cao, chưa thể ứng dụng thương mại rộng rãi

B ảng 1 Bảng so sánh tỷ lệ tổn hao của máy biến áp phân phối cấp 10kV tại

Trung qu ốc (đơn vị W)

Năm Vật liệu làm lõi

Tổn hao không tải

Tổn hao

có tải

Tổn hao không tải

- Việc áp dụng các công nghệ mới trong chế tạo lõi tôn máy biến thế: sử dụng các dây chuyền tự động pha băng và cắt chéo lá tôn, kết cấu lõi tôn xếp nghiêng 45độ theo kiểu step-lap, công nghệ chế tạo lõi sắt kiểu quấn (theo chiều ngang hoặc chiều đứng), công nghệ ủ hạ nhiệt lõi tôn cũng làm cho tổn hao của máy biến áp giảm một cách tương đối

2.2 Sử dụng máy biến áp khô:

Hiện nay theo yêu cầu về phòng chống cháy nổ và yêu cầu về mỹ quan, an toàn cho các khu vực địa điểm như các trung tâm thương mại, nhà ga, sân bay, ga tàu điện ngầm, các công trình cao tầng là các khu vực phải sử dụng máy biến áp khô

Một trong những đặc tính ưu việt của máy biến áp khô so sánh với máy biến

áp dầu truyền thống, đó là máy biến áp khô rất khó cháy Ngoài ra còn nhiều yếu tố khác khiến máy biến áp khô càng ngày càng được ứng dụng rộng rãi, ví dụ ngoại quan máy biến áp khô đẹp hơn, lắp đặt dễ dàng hơn, gần như không phải bảo trì bảo dưỡng trong suốt quá trình sử dụng

Bắt đầu từ những năm 60 của thế kỷ trước, máy biến áp khô đã dần được đưa vào áp dụng rộng rãi Ngày nay với sự tiến bộ của công nghệ chế tạo và của các loại vật liệu mới, máy biến áp khô càng ngày càng có công suất cao hơn, điện áp cao hơn, hình thức đẹp hơn, và ngày càng thân thiện hơn với môi trường

Hiện nay ở nước ngoài, máy biến áp khô đã có thể chế tạo tới công suất vài chục MVA, điện áp tới 110kV

Tỷ lệ máy biến áp khô trên tổng số máy biến áp sử dụng ở các nước phát triển đang ngày càng tăng nhanh Ví dụ như ở châu Âu, ở Mỹ hiện nay là khoảng 30%, ở Trung quốc khoảng 20%

2.3 Máy biến áp ngày càng được thiết kế và chế tạo trên quan điểm thân thiện với môi trường

Ngày nay trên toàn thế giới, đặc biệt là ở các nước phát triển, vấn đề bảo vệ môi trường sống đang là vấn đề thời sự Việc máy biến áp thân thiện hơn với môi trường thể hiện ở các điểm sau:

- Máy biến áp có tổn hao nhỏ hơn: tổn hao máy biến áp thấp sẽ góp phần làm giảm năng lượng tiêu phí, trên cơ sở đó giảm được lượng tiêu thụ của các nguyên liệu, nhiên liệu thiết yếu như dầu mỏ, than đá Đồng thời nó cũng giúp làm giảm lượng phát thải của các khí có hại cho môi trường, các khí gây hiệu ứng nhà kính

Cụ thể các hình thức giảm tổn hao máy biến áp đã trình bày ở mục 2.1 ở trên

- Máy biến áp sử dụng các nguyên liệu vật liệu ít tác động có hại tới môi trường Điều này còn thể hiện ở chỗ các nguyên liệu vật liệu này, sau khi máy biến áp đã hết thời gian sử dụng, có khả năng dể dàng tái sử dụng lại được

- Trường hợp máy biến áp dầu: chuyển sang sử dụng các loại dầu thân thiện hơn với môi trường như các loại dầu có nguồn gốc từ thực vật, các loại dầu khó cháy, các loại dầu có khả năng phân huỷ thành nước và các hợp chất không gây hại (tham khảo Máy biến áp Envirotran của hãng Cooper Mỹ - Phụ lục 2)

- Trường hợp máy biến áp khô: sử dụng các nguyên vật liệu có khả năng tái sử dụng cao, hoặc các vật liệu mà khi cần phân huỷ không sinh ra các hợp chất, các khí có hại tới môi trường

- Máy biến áp có độ ồn nhỏ hơn: máy biến áp được thiết kế với mật độ từ thông hợp lý, kết hợp với các kết cấu mới của lõi tôn, của cuộn dây được cải tiến theo hướng chắc chắn hơn, khiến cho độ ồn của máy biến áp có xu hướng giảm dần Ngày nay do sự phát triển của lưới điện, nhiều máy biến áp được đặt rất gần với các khu vực dân cư sinh sống, do vậy việc giảm độ ồn của máy biến áp là một yêu cầu quan trọng

2.4 Máy biến áp được thiết kế theo hướng tổ hợp:

Đa số các máy biến áp được thiết kế và chế tạo như là một phần tử đơn lẻ trong hệ thống điện Khi sử dụng máy biến áp sẽ được lắp nối vào hệ thống tổng thể của một trạm điện bao gồm các thiết bị đóng cắt trung thế (cầu chì rơi, dao cách ly, máy cắt ), thiết bị đóng cắt hạ thế và thiết bị đo lường, bảo vệ

Hiện nay xuất hiện ngày càng nhiều các máy biến áp, đặc biệt là máy biến áp phân phối, theo cấu hình tổ hợp hoá Tức là máy biến áp được tích hợp ngay trong nó toàn bộ các thiết bị đóng cắt trung thế và hạ thế, thiết bị đo lường và bảo vệ chỉ trong một vỏ hộp duy nhất của máy biến áp Điều này tạo nhiều khó khăn cho nhà sản xuất trong các khâu chọn thiết bị, thiết kế, chế tạo Tuy nhiên nó có nhiều ưu điểm vượt trội, càng ngày càng được người sử dụng lựa chọn Một số ưu điểm nổi bật của máy biến áp tổ hợp:

- Kích thước rất gọn, hình thức bên ngoài đẹp so với các tổ máy biến áp truyền thống Điều này khiến máy biến áp tổ hợp có thể dễ dàng được đưa vào các

vị trí vốn có không gian hạn hẹp như tầng hầm, nhà xây, hoặc các khu vực công cộng yêu cầu cao về mỹ quan như vườn hoa, đường phố đô thị

- Lắp đặt, vận hành cả tổ hợp hết sức đơn giản, tiện lợi Thi công lắp đặt một trạm biến áp thông thường là một việc tương đối phức tạp, bao gồm nhiều bước, nhiều công đoạn Đối với máy biến áp tổ hợp thì việc lắp đặt rất nhanh, chỉ cần đặt máy vào vị trí và đấu nối các đầu dây trung thế, đầu dây hạ thế

- Độ an toàn, độ ổn định vận hành của cả hệ thống rất cao Do kết cấu gọn nhẹ,

ít phần tử, ít chi tiết cấu thành nên độ tin cậy của máy biến áp tổ hợp là tương đối cao so với tổ (hoặc trạm) máy biến áp thông thường

Do các ưu điểm vượt trội nói trên nên số lượng máy biến áp tổ hợp được sử dụng ngày càng nhiều Ở Việt nam đã có một số điện lực cho phép lắp đặt máy biến

áp kiểu này như Điện lực Bà rịa Vũng tàu, Điện lực Hiệp phước Công ty THIBIDI ở Đồng nai cũng đã bắt đầu thiết kế chế tạo máy biến áp loại này Có thể tham khảo thêm mô hình và thông số kỹ thuật của máy biến áp tổ hợp kiểu Padmount do hãng Cooper Mỹ cung cấp ở Phụ lục 3

2.5 Các máy biến áp có công suất ngày càng lớn lên và càng đa dạng về chủng loại:

Do nhu cầu phụ tải ngày càng lớn, cũng như khả năng về công nghệ cho phép, ngày nay các hãng sản xuất máy biến áp điện lực lớn đã có thể sản xuất những máy biến thế bằng hoặc lớn hơn 1000MVA, điện áp thông thường lên tới 1500kV Máy

biến áp chỉnh lưu cũng được nâng cao công suất phục vụ xu hướng chuyển tải năng lượng bằng các hệ thống điện cao thế một chiều HVDC

Xu hướng thiết kế bây giờ là mang lại sự thoả mãn tối đa cho người sử dụng cuối cùng Trước đây máy biến áp điện lực cỡ lớn thường chỉ được thiết kế với một cấp điện áp, và phải được lắp ráp thử nghiệm hoàn thiện tại xưởng sản xuất, sau đó mới vận chuyển tới vị trí lắp đặt Điều này đặt khó khăn lên khâu vận chuyển, vì các máy lớn thường kích thước, khối lượng máy rất lớn, vận chuyển rất khó khăn Hơn nữa rủi ro khi vận chuyển cũng rất lớn, bất cứ một trục trặc nhỏ nào xảy ra khi vận chuyển máy cũng có thể ảnh hưởng tới chất lượng của máy sau này

Ngày nay đã có thể thiết kế chế tạo máy biến áp điện lực cỡ lớn với hai cấp điện áp, và theo hướng lắp ráp thử nghiệm cuối cùng tại hiện trường

Có thể tham khảo sơ đồ xu hướng phát triển của các máy biến áp lớn của hãng Hitachi dưới đây:

Có thể sơ lược một số mốc chính:

-1975-1980: -Áp dụng công nghệ chế tạo máy biến áp 500kV

-Giảm kích thước máy

-1980-1985: -Hình thành công nghệ trở kháng cao

-Lõi thép siêu lớn

-Các cuộn dây liên tục (non-divided)

-1985-1995: giai đoạn tối ưu hoá thiết kế sử dụng máy tính và CAD

-Khả năng giảm tổn hao và giảm kích thước máy trên cơ sở vật liệu mới

-Xây dựng và hoàn thiện các kết cấu với tổn hao thấp

-Các kết cấu siêu êm (low-noise)

-Bắt đầu hình thành khả năng lắp ráp tại hiện trường

-1995 tới nay: giai đoạn tối ưu hoá sử dụng 3D-CAD

-Đã xong công nghệ lắp ráp tại hiện trường cho máy 500kV

-Hoàn thiện các máy công suất lớn hai cấp điện áp

3 Giới thiệu về Máy biến áp khô

3.1 Thế nào là máy biến áp khô:

Máy biến áp dầu, hiện nay đang được ứng dụng rộng rãi, là máy biến áp có các cuộn dây được ngâm trong dầu và được làm mát bởi sự đối lưu của dầu Máy biến áp khô là máy có các cuộn dây không ngâm trong dầu cũng như môi chất lỏng nào, và được làm mát bởi sự đối lưu của không khí hoặc làm mát cưỡng bức dùng quạt gió 3.2 Thông số kỹ thuật của máy biến áp khô:

Thông số kỹ thuật điển hình của máy biến áp khô, về cơ bản vẫn tương tự như của máy biến áp dầu, có bổ sung thêm một số yêu cầu về kiểu kết cấu cuộn dây Điểm nổi bật nữa là độ tăng nhiệt của máy biến áp khô thường cho phép ứng với cách điện cấp F (1100K), tương đối cao hơn so với máy biến áp dầu chỉ là cách điện cấp A (độ tăng nhiệt 600K)

Sau đây là bảng thông số kỹ thuật chính của máy biến áp khô 1600kVA 22/0,4kV do CTAMAD chế tạo:

B ảng 2 Thông số kỹ thuật chính của máy biến áp khô 1600kVA

3.3 Các loại máy biến áp khô:

Có 3 loại máy biến áp khô thông dụng nhất hiện nay

3.3.1 Máy bi ến thế khô đổ keo epoxy:

Cuộn dây máy biến áp sau khi quấn xong được đúc bao phủ bên ngoài bằng một loại keo epoxy Việc đúc keo thông thường được thực hiện bằng một khuôn đúc

để tạo hình cho cuộn dây Lớp phủ keo này sau khi đã khô lại sẽ cùng với cả cuộn dây tạo thành một khối có độ bền cơ tốt, độ cách điện cao và có ngoại hình nhẵn, đẹp Loại này đã bắt đầu được ứng dụng và phát triển rộng rãi trong những năm 60

của thế kỷ trước Hiện dung lượng mỏy lớn nhất cú thể đạt được đến 16000kVA, điện

ỏp lờn đến 36kV Do loại mỏy này vận hành đảm bảo, ớt cần chăm súc bảo vệ nờn được đa số khỏch hàng lựa chọn, sản lượng cũng chiếm tỷ trọng lớn nhất trong số cỏc loại mỏy biến ỏp khụ

Dưới đõy là hỡnh vẽ kết cấu một mỏy biến ỏp kiểu đỳc epoxy điển hỡnh

Hỡnh 1 Hỡnh minh ho ạ một mỏy biến ỏp khụ kiểu đỳc keo epoxy

*Đặc điểm của mỏy biến ỏp khụ kiểu đổ keo epoxy:

- Khả năng chịu đựng dũng điện ngắn mạch cao: do kết cấu vững chắc của cả cuộn dõy thành một khối gần như đồng nhất, nờn cuộn dõy cú khả năng chịu đựng rất tốt cỏc xung lực sinh ra khi cú sự cố dũng ngắn mạch lớn chạy qua cuộn dõy

Lõi tôn:

Được ghép bằng các lá tôn silic cán nguội đẳng hướng Lá tôn được cách

điện cả 2 phía Tấm đệm cuộn dây:

Cách điện giữa lõi tôn và cuộn dây, giảm độ rung từ các bộ phận cơ khí, làm giảm tiếng ồn

Cuộn dây cao áp:

Quấn bằng nhôm lá dạng foil được đúc trong chân không

Cuộn dây hạ áp:

Được làm bằng nhôm lá Các vòng dây được gắn chặt với nhau bởi lớp vật liệu cách điện bọc kín Cách điện: Hợp chất của nhựa epoxy và bột thạch anh

Làm cho máy biến áp bảo dưỡng dễ dàng, chống ẩm, phù hợp với khí hậu nhiệt

đới Ngăn ngừa cháy và có

đặc tính tự dập tắt Gông máy và bánh xe: Bánh xe có thể quay theo chiều dọc và chiều ngang để

Đầu nối cao áp

Thay đổi bố trí tối ưu tuỳ

theo thiết kế trạm Đầu nối

chuyển mạch cao áp bên

phía hạ áp để thay đổi cho

phù hợp với điều kiện ngắt

ngoài trời , yêu cầu cấp

bảo vệ phải bảo đảm

IP23)

- Khả năng chịu quá tải trong thời gian ngắn được cải thiện so với máy biến áp dầu: máy biến áp dầu có đặc điểm là độ phát nhiệt của máy, thể hiện ở nhiệt

độ dầu lớp trên, rất nhạy cảm với dòng điện tải Khi máy quá tải chỉ trong một thời gian rất ngắn nhiệt độ dầu đã tăng nhanh khiến máy không thể hoạt động được Đối với máy biến áp khô đúc epoxy, cuộn dây có khả năng chịu đựng nhiệt độ cao hơn, sự tăng nhiệt khi máy quá tải diễn ra không nhanh như ở máy dầu nên máy có khả năng chịu quá tải cao hơn hoặc lâu hơn so với máy dầu

- Máy không phải bảo dưỡng trong suốt quá trình vận hành: do bề mặt cuộn dây nhẵn, diện tích bề mặt tương đối ít nên ít có khả năng bụi và các tạp chất tích tụ Máy biến áp trong quá trình vận hành hầu như không phải bảo dưỡng kiểm tra thay dầu hoặc lọc dầu Chỉ cần định kỳ lau sạch bề mặt máy và các cuộn dây

- Độ phóng điện cục bộ rất nhỏ: do các tiến bộ của kỹ thuật đúc epoxy trong chân không nên các khiếm khuyết của lớp keo epoxy ví dụ như rỗ khí, nứt ngậm ngày nay hầu như đã được loại bỏ Vì vậy mà hiện tượng phóng điện cục bộ được giảm thiểu, tuổi thọ của máy biến áp được nâng cao

- Không cháy: do đặc tính của epoxy sau khi đã hoá cứng rất khó cháy, chỉ có thể cháy ở nhiệt độ rất cao Các vật tư khác của máy biến áp khô epoxy như vật liệu cách điện, các vật tư đồng, sắt từ cũng rất khó cháy Do vậy máy biến áp khô epoxy được coi là rất an toàn về phòng chống cháy nổ

- Tính thẩm mỹ cao: đây là lý do chính khiến máy biến áp khô đúc epoxy rất được ưa chuộng Máy biến áp khô được lắp đặt ở nhiều vị trí yêu cầu cả về

mỹ quan, như các cao ốc, toà nhà văn phòng, trung tâm thương mại

- Một hạn chế của máy biến áp kiểu đúc epoxy là việc chế tạo khuôn đúc tương đối phức tạp và tốn kém, do vậy máy biến áp khô kiểu này chỉ phù hợp cho sản xuất số lượng lớn

3.3.2 Máy bi ến áp khô kiểu quấn dây

Cuộn dây của máy biến áp được quấn theo kiểu liên tục hoặc quấn thành bánh Khi quấn dây sẽ thực hiện cách điện của dây quấn luôn bằng các vật liệu cách điện cao thế như mica, polyimide Sau khi quấn cuộn dây sẽ được tẩm sấy bằng sơn cách điện cấp F hoặc cấp H, tuỳ theo cấp cách điện của máy biến áp

Máy biến áp khô kiểu quấn dây cũng có những đặc điểm tương tự như máy biến áp khô kiểu đúc epoxy, nhưng có một số điểm khác biệt sau đây:

Về ưu điểm:

- Máy biến áp khô kiểu quấn dây rất thích hợp cho các máy biến thế thiết kế và chế tạo đơn lẻ, vì chế tạo cuộn dây không cần tới khuôn đúc với chi phí lớn như máy đổ keo epoxy Chính vì vậy mà máy có thể thiết kế linh hoạt hơn, phù hợp hơn với một số các đối tượng sử dụng đặc thù

Về nhược điểm:

- Do hạn chế về đặc tính cách điện của vật liệu, máy biến áp khô kiểu này chỉ

áp dụng cho dãy điện áp bằng hoặc dưới 15kV

- Khả năng chịu đựng dòng ngắn mạch không cao như máy kiểu đổ epoxy, do kết cấu cuộn dây không vững chắc bằng

- Bề mặt cuộn dây có tính chất xù xì, không nhẵn, dễ dàng tạo điều kiện tích tụ bụi bẩn, gây khó khăn khi bảo dưỡng máy, dễ tạo đường bò cho phóng điện

bề mặt

- Về mỹ quan: máy kiểu quấn dây có hình thức không đẹp như máy kiểu đổ epoxy, ngoại quan của máy cũng nhanh bị xuống cấp theo thời gian sử dụng Chính vì những hạn chế trên mà hiện nay máy biến áp khô kiểu quấn dây này dần ít được sử dụng

3.3.3 Máy bi ến áp khô kiểu tự làm mát bằng không khí (VDT)

Dây quấn cuộn dây của máy biến áp loại này được bọc bằng giấy cách điện NOMEX, cuộn dây sau khi được quấn xong sẽ được ngâm tẩm trong môi trường chân không áp lực cao (VPI) Đặc điểm chính của cuộn dây máy biến áp này là giữa

các vòng dây, các lớp dây với nhau đều có các khe không khí giúp cho việc thông gió làm mát cuộn dây rất tốt Kết cấu cuộn dây do vậy phải được thiết kế và chế tạo đặc biệt, với việc sử dụng các lớp sợi tăng cường ứng lực, để vẫn đảm bảo độ cứng vững của cuộn dây sau khi hoàn thiện

Hình 2 Cu ộn dây máy biến áp kiểu tự làm mát đang được đưa vào tẩm chân không áp lực

Về đặc điểm chung, máy biến áp khô kiểu tự làm mát có toàn bộ những ưu điểm của cả 2 loại máy biến áp đổ epoxy và máy biến áp kiểu quấn dây (tham khảo thêm Phụ lục 4: Phân tích tính năng của máy biến áp VPI) Cụ thể:

- Cấp điện áp có thể đạt cao tới 36kV Thiết kế máy đảm bảo tính linh hoạt do không phải phụ thuộc vào khuôn đúc

- Khả năng chịu dòng ngắn mạch tốt

- Khả năng chịu quá tải rất tốt, nếu so sánh với máy kiểu đổ epoxy, do đặc điểm của cuộn dây kiểu này có khả năng tự làm mát rất tốt Điều này còn được phát huy nếu áp dụng chế độ làm mát cưỡng bức bằng quạt gió ngoài,

có thể nâng công suất làm việc của máy lên 150% so với công suất định mức

ở chế độ dài hạn (máy kiểu đổ epoxy khi có quạt gió chỉ nâng lên tối đa được 130% công suất định mức)

- Tính chịu ẩm cao: do toàn bộ bề mặt của cuộn dây có một lớp bảo vệ rất chắc chắn tạo bởi quá trình ngâm tẩm trong chân không và ép bởi áp lực cao Lớp

vỏ bảo vệ này bên trong là lớp giấy cách điện NOMEX tạo tính năng về điện cho từng vòng của cuộn dây, phía bên ngoài thường là lớp sơn cách điện cấp

H có tính chất về cơ rất tốt

- Thân thiện với môi trường: không có rò rỉ chất thải trong quá trình máy vận hành Khả năng chống cháy của máy rất tốt, thành phần chất có thể cháy được ở loại máy này chỉ là 1,6% khối lượng máy Nếu có sự cố xảy cháy thì cũng không sinh ra các chất khí độc hại cho môi trường Khả năng tái sử dụng các phế liệu của máy sau khi máy hết hạn sử dụng cũng dễ dàng hơn

- Bảo dưỡng dễ dàng: bề mặt của cuộn dây trơn láng khiến bụi khó tích tụ, đồng thời tạo điều kiện dễ dàng cho việc bảo dưỡng

- Không có phóng điện cục bộ: Phóng điện cục bộ chỉ xảy ra khi có các rỗ khí hoặc các vết nứt trong hệ thống cách điện Công nghệ tẩm sấy chân không áp lực VPI đảm bảo lớp cách điện không có bọt khí Lớp cách điện có độ mỏng

và độ mềm dẻo tương đối để đảm bảo không xảy ra nứt khi thay đổi nhiệt độ

- Khả năng chống chọi tốt với thay đổi nhiệt độ: máy biến áp kiểu này sử dụng giấy cách điện polyamide cấp C của NOMEX, sơn cách điện cấp H hoặc cấp

C, đảm bảo hệ thống cách điện của máy là cấp H (1800C) hoặc cấp C (trên

1800C), vượt trội so với máy kiểu đổ epoxy

- Khả năng chịu đựng xung áp tốt hơn: máy sử dụng các vật liệu cách điện có tính năng rất tốt, kèm với tẩm sấy chân không áp lực sử dụng sơn cách điện polysteramide, và các tấm cách điện vòng cũng được xử lý tẩm sấy trước khi quấn, đảm bảo cách điện vòng dây ở trạng thái rất tốt Điều này giúp nâng cao khả năng chịu xung áp của cuộn dây

- Về mặt mỹ quan: máy biến áp kiểu này vẫn đảm bảo hình thức đẹp

Hạn chế duy nhất của máy biến áp kiểu này là giá thành của máy tương đối cao so với loại đúc epoxy Tuy nhiên theo đánh giá chung thì đây vẫn là kiểu máy của tương lai, sắp tới sẽ được lựa chọn sử dụng nhiều do các đặc tính ưu việt vượt trội của nó (tham khảo Phụ lục 5: Máy biến áp khô ở thị trường châu Á)

4 Hiện tại và tương lai của máy biến áp khô ở Việt nam

Hiện nay số lượng máy biến áp khô sử dụng ở Việt nam chưa nhiều Chủ yếu chiếm lĩnh trên thị trường vẫn là máy biến áp dầu Theo ước tính của chúng tôi tỷ lệ

số lượng máy biến áp khô hiện nay ở Việt nam mới chỉ dừng lại ở mức dưới 1% Chính do nhu cầu hiện tại còn hạn chế như vậy nên cho tới nay chưa có sản xuất máy biến áp khô ở Việt nam

Tuy nhiên cứ theo xu hướng phát triển sắp tới của lưới điện, ta thấy thị trường máy biến áp khô ở Việt nam còn có nhiều triển vọng:

- Hiện nay ở các nước phát triển, tỷ lệ máy biến áp khô trên tổng máy biến áp

sử dụng là từ 20 đến 30%, và đang tăng lên theo từng năm Nếu ước tính tới năm 2020 ở Việt nam có 10% máy sử dụng loại khô, và ước tính tổng công suất máy biến áp ở Việt nam khi đó là 200.000MVA, ta sẽ có khoảng 20.000MVA là máy biến áp khô Tổng công suất này sẽ tương ứng với một

số lượng máy rất lớn, vì ta đã biết thông thường máy biến áp khô chỉ dùng phổ biến ở công suất tối đa một vài MVA

- Càng ngày hệ thống văn bản pháp quy về an toàn lưới điện, an toàn phòng chống cháy nổ cho các toà cao ốc, nhà chung cư, nhà văn phòng càng trở nên hoàn thiện Do vậy việc sử dụng máy biến áp khô đối với các trường hợp này là bắt buộc Việt nam đang trong quá trình đô thị hoá với số lượng nhà

xõy mới rất lớn Ta cú thể thấy là nhu cầu về mỏy biến ỏp khụ cũn đầy tiềm năng

Hiện nay toàn bộ cỏc mỏy biến ỏp khụ đó cú mặt ở Việt nam đều là được nhập ngoại toàn bộ, cú những loại do Liờn xụ (cũ) sản xuất trờn cỏc dõy chuyền thời Liờn

xụ giỳp đỡ xõy dựng, cú những loại do cỏc nước tư bản phỏt triển sản xuất

Thấy trước được nhu cầu sắp tới của mỏy biến ỏp khụ như vậy, việc tạo khả năng sản xuất mỏy biến ỏp khụ ở trong nước, hạn chế nhập ngoại là hết sức cần thiết

Một đặc điểm của thị trường mỏy biến ỏp khụ ở Việt nam là nhu cầu về chủng loại mỏy rất đa dạng, với nhiều cấp điện ỏp, nhiều cấp cụng suất và với nhiều tiờu chuẩn kỹ thuật khỏc nhau Tuy nhiờn số lượng mỏy ứng với mỗi chủng loại là rất hạn chế Chớnh vỡ vậy chỳng tụi đỏnh giỏ nếu sản xuất ở Việt nam thỡ phự hợp nhất sẽ là loại mỏy biến ỏp kiểu quấn dõy, hoặc mỏy biến ỏp kiểu tự làm mỏt Hai loại mỏy này

cú đặc điểm là cú thể thiết kế rất linh hoạt, phự hợp với yờu cầu người sử dụng, khụng phụ thuộc vào điều kiện khuụn mẫu

Tuy nhiờn về thị hiếu của khỏch hàng hiện nay chủ yếu vẫn ưa chuộng mỏy biến ỏp kiểu đổ keo epoxy Thực tế là hầu hết cỏc mỏy biến ỏp khụ đó sử dụng ở Việt nam là thuộc loại đổ keo epoxy

Chớnh vỡ vậy trong quỏ trỡnh nghiờn cứu chế tạo mỏy biến ỏp khụ, chỳng tụi sẽ tập trung luụn theo cả hai hướng: mỏy biến ỏp kiểu tự làm mỏt và mỏy biến ỏp kiểu

đổ keo epoxy

Chương II Xác định thông số kỹ thuật, yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm mẫu

Căn cứ vào nhu cầu sử dụng và các tiêu chuẩn liên quan mà mỗi loại máy biến

áp khô có các thông số kỹ thuật và yêu cầu kỹ thuật khác nhau

1 Xác định sản phẩm của đề tài

Các nghiên cứu của đề tài phải được cụ thể hoá vào một sản phẩm Sản phẩm

sẽ được thiết kế, chế tạo, thử nghiệm, do đó sản phẩm được lựa chọn với các tiêu chí như sau:

- Sản phẩm có công suất tương đối lớn trong dfy sản phẩm cần nghiên cứu

- Sản phẩm phải được chế tạo theo các kết quả nghiên cứu, trong đó ứng dụng các công nghệ đặc thù, các kết quả nghiên cứu điển hình vào chế tạo sản phẩm mẫu

- Sản phẩm được đánh giá toàn diện:

+ Được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm

+ Được đánh giá bởi một tổ chức độc lập có đủ tư cách pháp nhân + Được thử nghiệm trên dây truyền sản xuất trong một thời gian dài để xác định được khả năng sử dụng

- Một yếu tố rất quan trọng để thực hiện được các tiêu chí trên là sản phẩm phải

có nhu cầu trên thị trường, có địa chỉ tiêu thụ

Với các tiêu chí trên, đề tài đf chọn máy biến áp khô đúc epoxy dung lượng 630kVA, điện áp 6,3/0,4kV, tổ đấu dây D/yn-11 làm việc trong các dây truyền sản xuất của Công ty cổ phần Nhiệt điện Phả Lại làm đối tượng nghiên cứu thiết kế và chế tạo

2 Thông số kỹ thuật của sản phẩm

Thông số kỹ thuật là hàng loạt các quy định về giá trị danh định của máy biến

áp Thông số kỹ thuật của sản phẩm được đề ra ngay khi đặt vấn đề nghiên cứu thiết

kế sản phẩm

Thông số kỹ thuật của máy có thể do yêu cầu của khách hàng đặt ra hoặc do nhà sản xuất đặt ra khi chế tạo các dfy máy biến áp thông dụng, dựa trên các tiêu chuẩn quy định

Thông số kỹ thuật bao gồm:

• Loại sản phẩm: Loại sản phẩm máy biến áp khô có thể là máy biến áp phân

phối loại khô kiểu đúc epoxy hoặc kiểu quấn dây

• Công suất toàn phần (hay dung lượng): Dung lượng đầu vào máy biến áp, đơn

vị tính là kVA Công suất danh định phải nằm trong dfy công suất được quy

định trong các tiêu chuẩn quốc tế IEC và phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam TCVN

• Điện áp dây định mức: là điện áp làm việc định mức của các cuộn dây cao áp

(CA) và hạ áp (HA), đơn vị là V Điện áp định mức phải phù hợp với lưới điện nơi lắp đặt máy và điện áp của tải sử dụng

• Phạm vi điều chỉnh điện áp: Dựa vào đặc điểm lưới điện mà quy định số cấp

và phạm vi điều chỉnh điện áp để có thể duy trì điện áp ra ổn định

• Tổ đấu dây: Hình thành do sự phối hợp kiểu đấu dây sơ cấp với kiểu đấu dây

thứ cấp, nó biểu thị góc lệch pha giữa các sức điện động dây sơ cấp và dây thứ cấp của máy biến áp

• Phương pháp làm mát máy biến áp khô: Máy biến áp khô có thể được làm mát

bằng không khí đối lưu tự nhiên (AN) hoặc không khí đối lưu cưỡng bức (AF)

• Chế độ làm việc: Xác định chế độ phụ tải, chế độ làm việc liên tục dài hạn hay

ngắn hạn

• Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn: Xác định các thông số kỹ thuật của máy dựa

theo các tiêu chuẩn quốc tế IEC hoặc tiêu chuẩn Việt Nam TCVN Các thông

số này ảnh hưởng chính đến hình dáng, kích thước và khối lượng máy biến áp Các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn bao gồm:

Máy biến áp thiết kế ra phải thoả mfn các tham số kỹ thuật yêu cầu, có kích thước hợp lý, đảm bảo độ bền điện, cơ, nhiệt, phù hợp điều kiện công nghệ, đồng thời giá thành rẻ Những vẫn đề đó liên quan tới việc lựa chọn một cách đúng đắn các tham số kỹ thuật của máy biến áp

Máy biến áp khô - sản phẩm của đề tài được công ty CTAMAD đăng ký với

Bộ KH&CN sau khi chế tạo sẽ đạt được các chỉ tiêu thông số kỹ thuật tương đương với máy biến áp dầu có cùng công suất, điện áp do Liên xô (cũ) chế tạo, để thay thế máy biến áp trong dây truyền sản xuất của Công ty Cổ phần Nhiệt điện Phả lại

Bảng 3 Thông số kỹ thuật máy biến áp khô 630kVA - sản phẩm của đề tài:

ảnh hưởng đến khả năng làm việc song song của các máy biến áp

15 Kiểu máy Kiểu khô, cuộn dây đúc epoxy

16 Kích thước lắp đặt Phù hợp vị trí lắp đặt máy biến áp cũ đf có

3 Yêu cầu kỹ thuật đối với sản phẩm

Các kết quả nghiên cứu của đề tài như:

+ Thiết kế tính toán;

- Các vật liệu dùng để chế tạo sản phẩm phải là các vật liệu mới được các nước tiên tiến sử dụng trong chế tạo máy biến áp phân phối loại khô

- Sản phẩm chế tạo phải có tính công nghệ cao, lắp ráp, lắp đặt, vận hành sửa chữa thuận lợi, có hình thức mẫu mf đẹp không thua kém hàng ngoại nhập,

được khách hàng chấp nhận

- Sản phẩm có khả năng lắp đặt trên dây truyền sản xuất hoặc trên thiết bị đồng

bộ để thử nghiệm

Phần II Thiết kế tính toán máy biến áp phân phối loại khô

Giới thiệu chung

Đối với một sản phẩm máy biến áp trước khi thiết kế sản phẩm mới phải tiến hành nhiều phép tính toán để xác định thông số kỹ thuật, các kích thước của sản phẩm, kích thước cơ bản của mạch từ, của bộ dây điện từ, tính toán các thông số không tải, ngắn mạch, tính độ phát nhiệt.v.v

Trong phạm vi của đề tài chúng tôi chỉ tập trung giới thiệu một số phép tính

đặc thù của máy biến áp khô, đó là:

- Tính toán thiết kế điện từ

- Tính toán thiết kế kết cấu, gồm:

• Thiết kế tính toán kết cấu mạch từ

• Thiết kế tính toán tổng đồ lắp ráp cuộn dây

• Thiết kế tính toán tủ bảo vệ

Đề tài đf phân tích các phương pháp tính toán qua tài liệu tham khảo của các nước để lựa chọn phương pháp phù hợp với trình độ công nghệ, có tính thực tiễn và

Xây dựng phần mềm tính toán thiết kế để rút ngắn tối đa thời gian thực hiện tính toán, loại trừ được các sai sót khi thực hiện các thao tác tính Lập trình tính toán thiết kế máy biến áp khô là một nhiệm vụ nghiên cứu mới ở Việt Nam Các kết quả tính toán do phần mềm đưa ra được kiểm định tính chính xác và giá trị sử dụng khi so sánh đối chứng với kết quả thử nghiệm của sản phẩm mẫu

chương I Lựa chọn phương pháp tính toán thiết kế

Tính toán phần điện từ của máy biến áp khô phức tạp và có nhiều phép tính phải thực hiện để có một phương án

Hiện trong nước chưa có tài liệu nào hướng dẫn cách tính toán thiết kế cho máy biến áp phân phối loại khô Các phép tính cho máy biến áp khô đều dựa theo phương pháp tính được nghiên cứu giảng dạy ở Việt Nam do Liên Xô (cũ) xây dựng, trong đó các hệ số sử dụng để tính toán hầu hết mang tính thực nghiệm được lấy từ một số nước như Anh, Đức, Trung Quốc

Chúng tôi lựa chọn phương pháp tính dựa theo các tài liệu của Liên Xô, vì đây cũng là phương pháp được các trường Đại học tại Việt Nam lựa chọn để giảng dạy Liên Xô là đất nước có nền công nghiệp chế tạo máy điện phát triển, công tác nghiên cứu lý thuyết cơ bản rất mạnh

Phương pháp tính trong sách của Liên Xô (C"FR,H GD">FL@D<"H@D@&, A.; G4N@<4D@&, 1976) có nhược điểm là mang nặng tính lý thuyết Các hệ số trong các công thức tính phải lựa chọn theo kinh nghiệm, khả năng công nghệ cụ thể của nơi sản xuất, vật liệu chế tạo.v.v Khi thực hiện tính toán thiết kế và khi chế tạo thử sản phẩm kết quả cũng có các sai số nhất định

Trong một phương án khi tính toán phải lặp đi lặp lại các phép tính nhiều lần

để các thông số lựa chọn giả định ban đầu phù hợp với kết quả sẽ nhận được

Chương II Thiết kế tính toán điện từ

1 Tính toán chọn phương án tối ưu

1.1 Các thông số cơ bản

a Dữ liệu đầu vào

- Kiểu máy biến áp: Máy biến áp khô 3 pha, cuộn dây đúc keo epoxy

- Tổ đấu dây: Dyn-11

10.6303

.U

10

10.6303

.U

10

- Hạ áp đấu sao: If1 = I1 = 909,3 (A)

- Cao áp đấu tam giác: If2 =

3

74,573

U1

= = 230,9 (V)

- Cao áp: Uf2 = U2 =6300 (V)

Điện áp thử của các dây quấn: Theo tiêu chuẩn IEC 60076, ta có điện áp thử

đối với mỗi dây quấn nh− sau:

Điện áp định mức (kV) Thử cao áp tần số 50Hz trong 1 phút (kV) Điện áp thử xung

2 n

10.630

10.650010

.S

10.P

Để chọn được phương án tối ưu, trong các tài liệu hướng dẫn, các nhà chế tạo thường sử dụng một hệ số chỉ quan hệ đường kính trung bình giữa hai dây quấn với chiều cao của trụ sắt, gọi là tỷ số hình dáng β

1.2.1 Tính toán sơ bộ các phương án

Lõi sắt kiểu trụ không đối xứng, tiết diện ngang có dạng bậc thang gần tròn, sơ

bộ số bậc thang là 7 bậc, được ghép từ các lá thép cắt chéo góc 45o xếp xen kẽ, vật liệu làm mạch từ bằng tôn cán lạnh của Nga ^3407 dày 0,27mm Các hệ số lõi tôn như sau:

Hệ số tăng cường gông: kg = 1,02

Hệ số lợi dụng lõi thép: kld = kc.kđ = 0,901.0,945 = 0,851

Hệ số quy đổi từ trường tản: kr = 0,95

r rk.B.U.f.3

k.a.S

- Sơ bộ chọn các khoảng cách cách điện chính:

+ Khoảng cách cách điện cao hạ: a12 = 3.0 cm

(bao gồm 1 ống cách điện dày 4 mm)

+ Cách điện pha-pha cao áp: a22 = 4 cm

+ Khoảng cách từ cuộn cao áp đến gông: lo = 5,1 cm

+ Khoảng cách từ cuộn hạ đến trụ: a01 = 1,0 cm

2

3

aa

+

=

+

(m) chọn k = 0,55

ar = 3 + 0,55.4 210 = 0,051 (m)

A = 0,507 4

2

2.0,85165

,1.89,4.50

95,0.051,0.210

= 0,1931

b Khối l−ợng vật liệu tác dụng

* Khối l−ợng thép: Bao gồm khối l−ợng trụ và khối l−ợng gông

- Khối l−ợng gông:

2 T

2 ld f

2 dq

A.U.B.k.k

a.Sk

trong đó kdq = 2,6.10-2

C1 = 2,6.10-2

2 2

2

21931,0,03,1.65,1.851,0.9,0

36,1.630

= 444,55 (kg) Nếu khối l−ợng dây đồng tính cả dây nối và dây điều chỉnh thì khối l−ợng dây

x

22,471x

55,444.06,

+

x

22,471

= 20816,25x3 + 7995x2 + 2

x

38640x

5,30673

d Tổn hao không tải Po theo β:

Po = kf’.pt.GFe Trong đó: pt : suất tổn hao ứng với mật độ từ 1,65T là 1,046 w/kg

k'f: hệ số tổn hao phụ, ứng với tôn cán lạnh và công nghệ cắt

chéo hiện nay, hệ số k'f= 1,1

Po = 1,15.( 123x2 320,25x3

x

9,471

+

e Dòng điện không tải io theo β

Trong thực tế, với chủng loại vật tư sử dụng và công nghệ gia công lõi sắt hiện nay, qua kết quả thử nghiệm cho thấy chỉ tiêu dòng không tải thường nhỏ hơn tiêu chuẩn cho phép rất nhiều Vì vậy, trong phần tính toán này sẽ không đưa ra

TT =kđ.Tb = 0,945.342,5 = 323,66 (cm2) Chiều cao sơ bộ dây quấn:

l =

65,1

36,1.14,3.22d.a

=β

π

= 56,9 (cm)

2 Tính toán dây quấn

2.1 Dây quấn hạ áp

Chọn kiểu dây quấn hình ống nhiều lớp bằng đồng lá M1 không bọc cách điện

Ưu điểm của loại dây quấn này là

- Dễ quấn, chịu lực cơ khi ngắn mạch tốt

- Tản nhiệt tốt hơn

- Lấp đầy cửa sổ mạch từ tốt

a Sức điện động của một vòng dây

Uv = 4,44.f.Tt.BT = 4,44.50.323,66.1,65.10-1 = 11,85 (V/vòng)

b Số vòng dây hạ áp:

85,11

9,230U

Uv

1

lấy gần đúng W1 = 20 vòng, điện áp thực mỗi vòng dây là:

Uv =

20

9,230

=11,55 (V/vòng) Cường độ từ cảm thực trong trụ sắt

BT =

66,323.50.44,4

10.55,

= 1,61 (T)

c Tiết diện dây quấn hạ áp

Mật độ dòng điện nên chọn đối với máy biến áp khô dây quấn bằng đồng công suất đến 1000kVA là (1ữ2,5)A/mm2

Do hạn chế về quy cách dây đồng lá nên ta chọn dây có kích thước như sau:

3,909T

I

1,722 (A/mm2)

- Cách điện lớp: 01 lớp băng cách điện DMD compound film dày 0,18mm, chịu

được điện áp đến 6kV Đệm đầu được tạo thành bởi keo epoxy có chiều cao hr1

trong đó: δo1: chiều dày ống cách điện khi quấn dây, δo1= 0,3cm

D1' =22 + 2.1,0 + 2.0,3 = 24,6 (cm)

- Đường kính ngoài dây quấn:

D1"= D1' + 2a01 + 2δ02 trong đó: δ02: chiều dày lớp cách điện ngoài cùng, δ02= 0,04 cm

D1"= 24,6 + 2.3,5 + 2.0,04 = 31,68 (cm)

- Bề mặt làm lạnh của dây quấn:

M1 = 2.t.k.π (D1' + D"1).l11.10-4 = 3.0,8.3,14.(24,6 + 31,68).66.10-4 = 2,8 (m2)

e Khối lượng đồng dây quấn hạ áp

24 +

.3,14.20.5,25.8,9.10-3 = 247,7 (kg) 2.2 Dây quấn cao áp

a Số vòng dây quấn cao áp

- Số vòng dây quấn định mức:

W2đm= W1

9,230

6300.20U

U1 f

- Số vòng dây tương ứng ở các đầu phân áp như sau:

b Lựa chọn kết cấu dây quấn

Khi điều chỉnh điện áp, sẽ có một số vòng dây không làm việc, do đó lực tác dụng lên trọng tâm các dây quấn lệch đi làm cho máy biến áp phải chịu tác dụng của lực chiều trục đáng kể Yêu cầu đặt ra là phải bố trí đầu phân áp sao cho lực đó là nhỏ nhất, đồng thời việc ra đầu dây phải dễ dàng, nghĩa là các đầu dây ra phải nằm ở phía ngoài cuộn dây

Sơ bộ tiết diện mỗi vòng dây của dây quấn:

Ts =

tb tI

∆với: It = 33,33A

∆tb là mật độ dòng điện trung bình trong các cuộn dây cao áp và hạ áp, theo bảng 37-TKMBA, ∆tb trong khoảng (2,2 ữ 3,5) MA/m2

∆tb = 0,746.kf

12

V nSd

U.P

55,11.6500

.0,95.104 = 3,104 MA/m2

Đối chiếu với bảng 38-TKMBA, lựa chọn được các kết cấu dây phù hợp như sau: Loại 1: Dây quấn hình ống nhiều lớp dây chữ nhật bằng đồng: Loại dây quấn này có

ưu điểm lấp đầy cửa sổ mạch từ tốt, công nghệ chế tạo đơn giản

Loại 2: Dây quấn hình ống nhiều lớp dây tròn: Loại dây quấn này khả năng tản nhiệt

kém và độ bền cơ giảm khi tăng công suất

Kết luận: So sánh ưu nhược điểm của 2 loại dây quấn, căn cứ vào công nghệ đúc

cuộn dây epoxy, chọn dây quấn cao áp quấn kiểu dây quấn nhiều lớp dây chữ nhật bằng đồng, phân thành 4 “galét” và phần dây quấn điều chỉnh sẽ nằm giữa cuộn dây, ở các lớp phía ngoài Cách bố trí cuộn dây như vậy sẽ không

ảnh hưởng đến lực ngắn mạch khi điều chỉnh điện áp

c Tiết diện dây quấn

- Chọn dây chữ nhật có kích thước như sau:

1x :16,4mm2

72,7x46,2

5,7x24,2

trong đó chiều dày cách điện: dùng giấy Nomex dày 0,05mm quấn chồng 1/2 đạt chiều dày 2 phía trên thực tế là 0,22mm chịu đ−ợc điện áp thử đến 6kV

- Mật độ dòng thực:

4,16

33,33T

I2

Chọn các thông số:

- Khoảng cách giữa 2galet giữa là 2,5cm

- Khoảng cách giữa 2 galet đầu và 2 galet cuối là 2,3cm

Chiều dài của mỗi ga let sẽ là:

lg =

4

)2.3,25,2(

l2 − +

=

4

)2.3,25,2(

725,141

k.n.b

lcn

' 2

W = 18

144 = 8 (lớp)

- Chiều cao thực tế của dây quấn cao áp

l2 = [(0,772.19.1,004).4 + 2,6 + 2,3.2] = 66,1 (cm)

- Điện áp lớn nhất giữa 2 lớp:

U2l = 2.Wl.UV = 2.18.11,55 = 415,8 (V) Với điện áp trên, chỉ cần cách điện giữa 2 lớp 0,05mm là đủ Nhưng để đảm bảo cách điện lớp chịu được lực cơ khi quấn dây, nên sử dụng cách điện dày 0,2mm

- Chiều dày dây quấn cao áp: tính chiều dày ở bánh có số vòng nhiều nhất

a2 = (a'2+ 0,02).n2.kcn = (0,246 + 0,02).8.1,25 = 2,66 (cm) trong đó kcn là hệ số quấn dây hướng kính, lấy kcn = 1,25

- Đường kính trong dây quấn

PCu1 = 2,4.∆12.GCu1= 2,4.1,7222.247,7 = 1762,8 (W)

b Tổn hao chính trong dây quấn cao áp ở chế độ định mức:

PCu2 = 2,4.∆22.GCu2

05,1

1

= 2,4.2,032.319

05,1

1 = 3004,7 (W) 3.1.2 Tổn hao phụ trong dây quấn Pf

- Trong dây quấn hạ áp:

PCu1+ Pf1 = PCu1.kf1 trong đó: kf1: hệ số tổn hao phụ trong dây quấn hạ áp

kf1 = 1 + 0,095.108β2a4n2

với: n: số thanh dẫn của dây quấn thẳng góc với từ thông tản

n = 20

β = krl

m.b

= 0,9561

1.61

kf2 = 1 + 0,095.108β2a4n2

với: n: số thanh dẫn của dây quấn thẳng góc với từ thông tản

n = 8

β = krl

m.b

= 0,95660

72.5,7

= 0,777

a = 0,00224 (m)

kf2 = 1+0,095.108.0,7772.0,002244.82 = 1,009 3.1.3 Tổn hao dây dẫn ra