Giáo trình hệ thống điện 1 (phần mba)

Định nghĩa, nhiệm vụ và phân loại máy biến áp (MBA) Định nghĩa: là một thiết bị điện từ loại tĩnh, làm việc trên nguyên lý cảm ứng điện từ, biến đổi cấp điện áp này thành cấp điện áp khác với tần số không đổi. Nhiệm vụ: Có nhiệm vụ quan trọng trong truyền tải điện năng: tăng áp tại nhà máy phát điện và giảm áp tại nơi tiêu thụ. Phân loại: Theo số cuộn dây: + MBA 3 cuộn dây: cao trung hạ áp + MBA 2 cuộn dây: cao hạ áp. Theo chức năng: + MBA điều chỉnh dưới tải + MBA không điều chỉnh dưới tải + MBA điều chỉnh góc lệch pha. Theo số pha: MBA 1 pha và MBA 3 pha. Theo công suất: + MBA công suất nhỏ: làm mát bằng không khí + MBAcông suất lớn: làm mát bằng dầu, quạt cưỡng bức. Theo sơ đồ đấu dây: YY, Y, Y0... 3.2. Nguyên lí hoạt động ...

Chương 3 MÁY BIẾN ÁP

3.1 Định nghĩa, nhiệm vụ và phân loại máy biến áp (MBA)

Định nghĩa: là một thiết bị điện từ loại tĩnh, làm việc trên nguyên

lý cảm ứng điện từ, biến đổi cấp điện áp này thành cấp điện áp khác với tần số không đổi

Nhiệm vụ:

Có nhiệm vụ quan trọng trong truyền tải điện năng: tăng áp tại nhà máy phát điện và giảm áp tại nơi tiêu thụ

Phân loại:

- Theo số cuộn dây:

+ MBA 3 cuộn dây: cao - trung - hạ áp

+ MBA 2 cuộn dây: cao - hạ áp

- Theo chức năng:

+ MBA điều chỉnh dưới tải

+ MBA không điều chỉnh dưới tải

+ MBA điều chỉnh góc lệch pha

- Theo số pha: MBA 1 pha và MBA 3 pha

- Theo công suất:

+ MBA công suất nhỏ: làm mát bằng không khí

+ MBAcông suất lớn: làm mát bằng dầu, quạt cưỡng bức

- Theo sơ đồ đấu dây: Y/Y, Y/, Y0/

3.2 Nguyên lí hoạt động (Xem lại kỹ thuật điện)

3.3 Sơ đồ thay thế và tính toán các thông số MBA

3.3.1 MBA 2 dây quấn

Mạch tương đương của nó được biểu diễn như sau:

Sơ đồ MBA hai dây quấn

a Mạch tương đương chính xác; b Mạch tương đương gần đúng

với:

I h + e: dòng điện biểu diễn cho từ trễ và dòng điện xoáy

I: dòng điện từ hoá lõi sắt; I0: dòng điện không tải

U  1: điện áp phía sơ cấp; '

2

U  : điện áp thứ cấp qui về sơ cấp

Các thông số quay về sơ cấp:















2

2 1 B

2

2 1 B

X k X X

R k R R

với k - tỉ số biến áp:

2

1

U U

k 

Tính toán các thông số R B , X B , G B , B B của MBA 3 pha 2 cuộn dây Thông thường, nhà sản xuất sẽ cho các thông số:

-  P Cuđm : tổn thất công suất trong đồng khi MBA mang tải định

mức, P Cuđm = P N khi làm thí nghiệm ngắn mạch, tức IN = Iđm

- U N %: phần trăm điện áp ngắn mạch so với điện áp định mức

3 U

U

N

ñm



- i kt %: phần trăm dòng điện không tải I0 so với dòng định mức

0 kt

0

0

I

I i

I

ñm





- P Fe: tổn thất công suất tác dụng trong lõi thép và bằng tổn hao không tải P0: P Fe = P 0

Để tính R B , X B , G B , B B lý thuyết máy điện đưa ra công thức:

2 N

S

U P R

ñm ñm



S

U U X

2 0

0 N B

ñm

ñm

2 3

0

U

P



Fe

U

Q



)

với

100

S I

0 0 Fe

ñm



 (kVar) và PN (kW), Uđm (kV), Sđm (kVA), P0(kW) Ngoài ra, tổn công suất kháng định mức trong cuộn dây của MBA:

100

S U

0 N Cu

ñm

Đồng thời nhà sản xuất cũng cho biết khả năng điều chỉnh điện áp,

sơ đồ đấu dây của MBA

Ví dụ: Cho MBA 50 MVA cĩ các thơng số như sau:

121  2 x 2,5%/11 kV, Un% = 10,5%,

PN = 210 kW, I0% = 0,65%, QFe = 325 kVAr

Chúng ta hiểu như sau:

- MBA cĩ: Sđm = 50 MVA, Uđmcao= 121 kV, Uđmhạ= 11 kV

- Máy giảm áp, cĩ 5 đầu phân áp lệch nhau mỗi nấc 2,5 % Tỷ số biến áp k = 121/11 tương ứng với đầu phân áp định mức (đầu 0)

Đây là các thơng số tính tốn được qui về cao áp Nếu muốn qui

về hạ áp sẽ cĩ 2 cách tính:

- Cách 1: từ các thơng số qui về phía cao, hiệu chỉnh qua tỷ số k2

trong đĩ:

2 ) cao ( B )

( B

k

R

R hạ  ; B (2cao )

) ( B

k

X

X hạ 

) cao ( B

2 ) (

G hạ  ; 2 B(cao)

) (

B hạ 

- Cách 2: Tính trực tiếp (thay điện áp cao bằng điện áp hạ trong

các cơng thức tính):

3 2

2 ) ( N

) (

S

U P R

đm

hạ đm

S

U

%.

U X

2 ) ( N

) ( B

đm

hạ đm

3

) ( 2

0 )

(

U

P

hạ đm

) ( 2

Fe )

(

U

Q

hạ đm

)

Ví dụ 2: Cho MBA 2 cuộn dây có các thông số:

- Công suất định mức: Sđm = 32 MVA

- Điện áp định mức: Uđm = 230/6,6 kV

- Tổn hao ngắn mạch: Pn = 167 kW

- Điện áp ngắn mạch: U% = 12%

- Tổn hao không tải: P0 = 53 kW; QFe = 288 kVar

Hãy vẽ sơ đồ thay thế và tính toán các thông số MBA trên sơ đồ thay thế 1 pha trong 2 trường hợp:

- Qui về phía cao áp

- Qui về phía hạ áp

Nhận xét: Vì tổn thất công suất (P, Q) trong lõi sắt gần như không

đổi và nhánh từ hóa mang dòng điện nhỏ nên có thể bỏ qua nhánh từ hóa trong mạch tương đương gần đúng

Sơ đồ thay thế gần đúng của MBA

Đặc biệt với MBA điện lực công suất lớn XB >> RB nên mạch gần đúng của MBA chỉ có XB

Sơ đồ thay thế gần đúng của MBA khi công suất lớn

3.3.2 MBA 3 pha 3 cuộn dây (làm việc với 3 cấp điện áp)

Mạch tương đương một pha hình sao của MBA ba dây quấn

Tính các thông số của MBA ba pha ba cuộn dây

Với MBA ba pha ba cuộn dây, nhà sản xuất cho điện áp định mức (UC, UT, UH), tổn thất công suất PN, sơ đồ đấu dây, điện áp ngắn mạch giữa các cuộn dây: UN(1-2 )%, UN(2-3 )%, UN(3-1)% và tỉ số công suất giữa các cuộn dây

Tính cảm kháng

Từ các điện áp ngắn mạch giữa các cuộn dây: UN(1-2 )%, UN(2-3 )%,

UN(3-1)%, ta xác định điện áp ngắn mạch của các cuộn dây:

2

U U

U

0 ) 3 2 ( N 0

0 ) 3 1 ( N 0

0 ) 2 1 ( N 0

0 1 N







2

U U

U

0 ) 3 1 ( N 0

0 ) 3 2 ( N 0

0 ) 2 1 ( N 0

0 2 N







0 ) 2 1 ( N 0

0 ) 3 2 ( N 0

0 ) 3 1 ( N 0

0 3 N







Khi có UN % của từng cuộn ta tính được XB củatừng cuộn:

S

U U X

2 0

0 1 N 1

B

ñm

ñm

X U S .U .10

2 0

0 2 N 2

B

ñm

ñm

X U S .U .10

2 0

0 3 N 3

B

ñm

ñm

với Uđm (kV), Sđm (kVA)

Tính điện trở

 Trường hợp công suất của ba cuộn dây là: 100%/100%/100%

Điện trở của các cuộn dây qui đổi về 1 cấp điện áp đều bằng nhau:

RB1 = RB2 = RB3 = RB(100)

3 2

2 Cu

S 2

U P

ñm

ñm ñm

(PCuđm = PN) với PCuđm (kW), Uđm (kV), Sđm (kVA)

 Nếu không nói gì: 100%/100%/100%

 Trường hợp công suất ba cuộn dây là: 100/100/66,7%Sđm

 Điện trở của cuộn dây thứ 3 (66,7%Sđm) qui về cấp điện áp và công suất cuộn thứ nhất:

RB1 = RB2 = RB(100)

RB3 = 1,5.RB1

 Trường hợp công suất 3 cuộn là: 100/66,7/66,7%S đm thì:

2 Cu 1

S 83 , 1

U P R

ñm

ñm ñm



RB2 = RB3 =1,5RB1 () (Các công thức trên qui về cao áp)

 G Fe , B Fe tính như MBA 3 pha 2 cuộn dây: thường các thơng

số này bỏ qua trong sơ đồ thay thế khi tính tốn các thơng số của MBA

 Các thơng số (R, X) thường được qui đổi về phía cao áp Nếu cần chuyển sang trung hay hạ áp thì hiệu chỉnh qua tỷ số:

trung

cao CT

U

U

hạ

U

U

3.3.3 MBA tự ngẫu

MBA tự ngẫu so với MBA thường cĩ cùng cơng suất cĩ các ưu điểm như sau:

- Tổn thất ít hơn

- Kích thước nhỏ hơn

- Rẻ tiền hơn

- Trọng lượng nhỏ hơn

MBA tự ngẫu điện lực: ba dây quấn với hai cuộn cao và trung được quấn tự ngẫu, trung tính của nối với đất nên thích hợp trong mạng

110 kV trở lên cĩ trung tính nối đất, cuộn hạ quấn theo MBA thường

Sơ đồ thay thế 1 pha của MBA 3 pha trường hợp cơng suất truyền

từ cao đến trung:

MBA tự ngẫu đặc trưng bằng 2 đại lượng: Sđm và Stc

Công suất định mức: truyền công suất từ cuộn cao sang cuộn trung

Dòng định mức trong cuộn nối tiếp:

) C ( )

C (

U 3

S I

ñm

ñm

Sñm  3 U C I C  3 U T I T

Công suất trong từng cuộn riêng lẽ

Cuộn nối tiếp

U

U 1 ( U I 3 I

U U

( 3 S

C

T C

C C

T C

U

U 1 (

C

T







Cuộn chung

STO  3 UTICh  3 UT IT  IC) )

I

I 1 ( I U 3

T

C T



mà

C

T

T

C

U

U I

I   STO = Sđm

Cuộn hạ: Công suất định mức cuộn hạ được thiết kế: Shạ = Sđm Dòng cuộn chung với giả thiết tải công suất Sđm từ cao sang trung:

I0 = Iđm(T) – Iđm(C) = Iđm(T)(1 – 1/k)

 Tóm lại: công suất tính toán của mỗi cuộn dây của MBA tự ngẫu bằng   

k

1 1

Sñm Trị số này gọi là công suất tiêu chuẩn (Stc) của MBA tự ngẫu và  gọi là hệ số có lợi của MBA tự ngẫu

C

T

U

U 1 k

1

1   



 Nhận xét:

- Cơng suất cuộn CT, TO và cuộn hạ cĩ cơng suất bằng nhau, nếu ghép theo kiểu MBA thơng thường thì:

SđmMBA thường = SCTđm = STOđm = Shạđm

- Nếu 3 cuộn dây được đấu theo kiểu tự ngẫu thì:

+ Cơng suất truyền từ cao - trung và ngược lại là Sđm:

 

1cuộn đm

S

S > S1cuộn

+ Cơng suất truyền cao - hạ, trung - hạ vẫn là S1cuộn

 Do đĩ, nếu dùng MBA tự ngẫu thay cho MBA thường sẽ được lợi

về cơng suất truyền từ cao – trung

 Tổng quát: trong MBA tự ngẫu cĩ:

 Sđm: cơng suất truyền cao - trung

 Stiêu chuẩn = S1cuộn = Sđm: cơng suất truyền cao - hạ, trung - hạ

  < 1: hệ số cĩ lợi của MBA tự ngẫu

 

chuẩn tiêu đm

S

S > Stiêu chuẩn

  gọi là là cĩ lợi vì MBA tự ngẫu cĩ thể truyền cơng suất Sđm

từ điện áp cao qua điện áp trung, trong khi các cuộn dây của nĩ và lõi sắt chỉ thiết kế với cơng suất Stc = Sđm

Sơ đồ tương đương hình sao của MBA tự ngẫu:

Tính điện trở và cảm kháng của MBA tự ngẫu

Thông số nhà sản xuất cung cấp:

 Điện áp định mức: UC, UT, UH, Sđm

 Điện áp ngắn mạch: UN(CT)%, U’N(CH)%, U’N(TH)%

 Tổn thất ngắn mạch: PN(CT), P’N(CH),P’N(TH)

trong đó U’N(CH)%, U’N(TH)%, P’N(CH),P’N(TH) được cho theo Stc do đó khi tính toán ta cần phải qui đổi về Sđm:

' N(CH) N(CH)

P P







' N(TH) N(TH)

P P









 

% U

% U

' N(CH)

% U

% U

' N(TH) N(TH)

Tính điện trở R

Xác định tổn thất công suất từng cuộn dây:

2

) P P

P (





N(CH) N(TH)

N(CT)

2

) P P

P (

N(CT) N(TH)

N(CH)

2

) P P

P (



Điện trở các cuộn dây

2

) C ( N

S

U P

R

ñm

ñmC



2

) T ( N

S

U P

R

ñm

ñmC



2

) H ( N

S

U P

R

ñm

ñmC



Tính cảm kháng các cuộn dây

Điện áp ngắn mạch trên từng cuộn:

2

%) U

% U

% U

(

%



2

%) U

% U

% U

(

%

2

%) U

% U

% U

(

%

Cảm kháng các cuộn dây:

X U S%U .10

2 ) C ( N C

ñm

ñmC

X U S%U .10

2 ) T ( N T

ñm

ñmC

X U S%U .10

2 ) H ( N H

ñm

ñmC

Chú ý:

- Nếu tính toán: UN(C)%, UN(T)% hay UN(H)% âm  chọn bằng 0

- Tính toán trên là qui đổi về phía cao áp Nếu qui đổi về trung áp

hay hạ áp thì thay U cao bằng U trung hay U hạ hoặc hiệu chỉnh qua tỷ số

k 2, với k là tỷ số biến áp tương ứng với 2 cấp điện áp cần qui đổi

- Khi tính: Pđm (kW), Uđm (kV), Sđm (kVA)

Ví dụ: Cho MBA tự ngẫu 3 pha 220/121/11 kV, công suất định mức

Sđm= 90 MVA, có các thông số như sau:

- Điện áp ngắn mạch giữa các cuộn dây:

UN(C-T)% = 8 %, U’N(C-H)% = 12,6 %, U’N(T-H)% = 7,7 %

- Tổn thất ngắn mạch giữa các cuộn dây:

PN(C-T) = 360 kW, P’N(C-H) = 240 kW,P’N(T-H) = 205 kW

Xđ điện trở và điện kháng các cuộn dây trong trường hợp qui về CA

3.4 So sánh giữa MBA tự ngẫu với MBA thường: dựa trên 3

phương diện khi có cùng công suất định mức và cùng các cấp điện áp

 Chi phí cho việc chế tạo: trong MBA có hai phần chính:

- Khối lượng đồng để chế tạo các cuộn dây:

+ Cuộn nối tiếp MBA tự ngẫu so với cuộn cao áp MBA thường + Cuộn chung so với cuộn trung

- Khối lượng thép từ để chế tạo mạch từ

Tổn hao trong MBA: gồm 2 phần

- Tổn hao trong đồng tỷ lệ với I2R

- Tổn hao trong thép tỷ lệ với khối lượng thép từ

 Phạm vi sử dụng

Lần lượt xem xét từng phần đã nêu trên:

Khối lượng đồng của các cuộn dây (Gđ) trong MBA tự ngẫu:

Gđ = Gđn + Gđch

Ta có: G  F.L

mà F  I và L  W

trong khi đó: W  U

nên: G  I.W  I.U

do đó: Gđn  InWn = IC(WC – Wch) = ICWC(1 -

C

ch

W

W )

 ICUC(1 -

C

T

U

U ) = ICUC = .SB = SC

Gđch  IchWch = (IT - IC)WT = ITUT(1-

T

C

I

I )  .ST = .SB

Vậy Gđ MBA tự ngẫu = Gđn + Gch = .Gđ trong MBA thường

Công suất từ trong MBA tự ngẫu St = .SB nên khối lượng mạch

từ trong MBA tự ngẫu cũng chỉ bằng 

Khối lượng giảm  trọng lượng và giá thành của MBA tự ngẫu cũng chỉ bằng  lần trị số tương đương MBA thường

Về tổn hao trong MBA tự ngẫu (PBtự ngẫu) gồm 2 phần:

PBtự ngẫu = An + Ach

An = In2.Rn = IC2

n

n

F

l = IC2

n

ch C

F

l

l 

= IC2 )

l

l 1 ( F

l

C

ch

n

C  = .PC

Pđch = Ich2 Rch = (.IT)2 

ch

ch

F

l = PđT

- Tổn thất đồng trong MBA tự ngẫu bằng  lần so với MBA thường

- Tổn thất trong thép tỷ lệ với khối lượng thép từ nên cũng chỉ bằng  lần tổn thất từ trong MBA thường

Kết luận chung: khi sử dụng MBA tự ngẫu thay cho MBA

thường sẽ có lợi hơn về trọng lượng, kích thước, giá thành, tổn hao và

Nhưng khi sử dụng MBA tự ngẫu cần lưu ý: MBA tự ngẫu chỉ sử

dụng khi điện áp cao, trung nối đất trung tính Vì nếu không nối đất

trung tính, khi có 1 pha phía cao chạm đất, điện áp trung của các pha không chạm đất tăng lên không phải 3 lần mà lớn hơn nhiều

MBA tự ngẫu không giống như MBA thường ở chỗ cuộn dây quấn MBA tự ngẫu có sự liên hệ về điện giữa hai cuộn dây với nhau

Bất lợi lớn nhất của MBA tự ngẫu là sự cách ly về điện không còn

nhưng ví dụ sau sẽ chứng minh sự truyền tải công suất của MBA tự ngẫu lớn hơn MBA thường có cùng kích thước, cùng số vòng dây

Xét MBA 1 pha 2 cuộn dây có Sđm= 90 MVA, 80/120 kV

Thay vì đấu như MBA 1 pha, người ta đặt mạch phía cao lên mạch phía hạ và không thông qua từ trường để khảo sát công suất truyền đến phụ tải, các thông số MBA ban đầu được giữ nguyên

Khi dòng điện ngõ vào tăng từ 1125 A lên 1875 A khi được nối sang kiểu tự ngẫu (autotransformer) với điện áp ngõ vào là 80 kV thì công suất lan truyền đến phụ tải sẽ tăng từ 90 MVA lên 150 MVA

SC-tự ngẫu = UH.IH = 80.103.1875 = 150 MVA

= UC- tự ngẫu.IC = (80 + 120).103.750 = 150 MVA

C

U

H

U N1

N 2

I C

I H

Khi làm việc với tải đinh mức:

10 80

10 90 U

S

6

H

(A)

10 120

10 90 U

S

6

C

(A)

Hình 1

Vì thông số mạch không đổi, nghĩa là ứng với áp 80 kV, N1 vòng dây để tương ứng với công suất 90 MVA truyền qua

ICh (hình 2) = IH (hình 1)= 1125 (A) Tương tự:

IC (hình 2) = IC (hình 1)= 750 (A) Dòng điện phía ngõ vào:

IH = ICh + IC = 1125 + 750 = 1875 (A)

I C

120 kV

80 kV

IH

N 1

N2

I Chung

Hình 2

Nhận xét:

- Sự tăng công suất từ 90 MVA lên 150 MVA và điện áp ngõ ra từ

120 kV lên 200 kV chứng minh sự thuận lợi của MBA tự ngẫu MBA

tự ngẫu truyền tải một công suất lớn hơn so với MBA thường có cùng công suất

- Dùng MBA tự ngẫu sẽ có lợi về công suất truyền Công suất truyền tăng trong khi tổn thất không đổi nhưng cấp điện áp cao

+ Điện áp cao bất lợi về cách điện

+ Đấu nối phức tạp, vận hành khó khăn