Giáo trình nhà máy điện và trạm biến áp phần 2

Máy biến áp không sinh ra điện năng và không tạo ra công suất tác dụngp và công suất phản kháng Q Nhiệt độ trong quá trình vận hành, nhiệt độ môi trường và phưorng pháp làm mát quyết địn

Nhà máy điện sản xuất ra điện năng ở cấp điện áp máy phát, được máy biến áp nâng lên điện áp cao 110 kV, 220 kv, 500 kv truyền tải trên đường dây cao thế và sau đó lại được máy biến áp hạxuống điện áp thích hợp 35 kv, 22 kv, 15 kv, 0,4 kv để cung cấpcho các hộtiêu thụ Như vậy, để truyền tải đượcđiện năng từnhà máy

đến hộ tiêuthụ phải trải qua nhiều lần tăng giảm điện áp, vì thểtổng

công suất của máy biến áp trong hệ thống điện thường gấp 4 5 lầntổng công suấtcác máy phát điện có trong hệ thống điện Chodù hiệu suất của máy biến áp tưomg đối cao nhưng tổn thất hàng năm trongmáy biến áp vẫn rấtlớn

Máy biến áp không sinh ra điện năng và không tạo ra công suất tác dụngp và công suất phản kháng Q

Nhiệt độ trong quá trình vận hành, nhiệt độ môi trường và

phưorng pháp làm mát quyết định đển tuổi thọ và khả năng mang tải

của máy biến áp

Khi tính chọn máy biến áp cần xét tới khả năng phát triển của phụ tải để lựa chọn cho thíchhọp

Hiệnnay, trong hệthống điện cócác loại máy biếnáp sau:

- Máybiến áp tăng áp máv biến án ha

án Máy biến áp một pha, máybiến áp ba pha;

- Máy biếnáphai cuộn dây, máy biến áp bacuộn dây;

- Máy biến áp tự ngẫumộtpha, máy biến áptựngẫu ba pha;

- Máy biến ápcó cuộn dâyphân chia;

- Máy biến áp có điều áp dưới tải, máy biến áp không điều áp

dướitải

4.2 CÁC THÔNG SỐ ĐỊNH MỨC CỦA MÁY BIÉN ÁP

Công suất định mức: Công suất định mức của máy biến áp là

công suất liên tục truyền qua MBA trong suốt thời gian làm việc của

nó ứng với các điều kiện tiêu chuẩn được hãng chếtạo quy định nhưđiện áp định mức, tần số định mức, nhiệt độ môi trường và nhiệt độ

làm mát

Điện áp định mức: Điện ápđịnh mức của máy biếnáp là điện áp của các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp khi không tải được ghi trong lý

lịch của máy biến áp

Dòng điện định mức: Dòng điện định mức là dòngđiện của các

cuộn dây do hãng chế tạo quy định để máy biến áp làm việc lâu dài

khôngbị quátải và nó được ghitronglýlịch của máybiến áp

Khả năng quá tải của mảy biến áp: là khả năng vận hành với côngsuất lớn hơncông suấtđịnh mức của máy biến áp

Khi máy biến áp vận hành trong hệ thống điện, dòng điện sẽ

chạy trong các dây quấn tạo ra từ trường chạy trong lõi thép sinh ra

làm giảm tuổi thọ thậm chí cháy máy biến áp Máy biến áp có các

phương pháp làm mát như sau:

Làm mát tự nhiên bằng dầu: sử dụng dầutrong máy biến áp khi

nóng sẽ di chuyển trong các cánh tản nhiệt để truyền nhiệt ra môitrường xung quanh

Làm mát tự nhiên bằng dầu có thêm quạt gió: dùngthêm quạt đểthổităng cường khả năngtrao đổinhiệtvà tản nhiệt của dầu máy biếnáp

Làm mát bằng cưỡng bức tuần hoàn dầu và có quạt gió: dầu trong máy biến áp không di chuyển tự nhiên khi nóng lên mà được

bơmdầu tăng tốc độ di chuyểntừ đókhảnăng tản nhiệtđượctốt hơn.Làm mát bằng cưỡng bức tuần hoàn của nước, dầu và có quạtgió: kết hợp làm giảm nhiệt độ của máy biến áp bằng nước, dầu vàquạt thổi

Làm mátkiểu khô: dùng đối với các máy biến áp có công suất nhỏ, kếtcấunhỏ gọn; làm mátbằng đối lưutự nhiên, khi cần có thêm

quạt tăng cường

4.4 CÁC LOẠI MÁY BIẾN ÁP

4.4.1 Máy biến áp một pha, ba pha hai dây quấn

Hình 4.1: Máy biến áp một pha, ba pha hai dây quấn

a) Sơ đò cấu tạo máy biến áp một pha; b) Sơ đồ nguyên lý máv biến áo

Tỷ so máy biên áp: kBA =-=^-= (4-2)

Trong hệ thống điện, ta có thể sử dụng ba máy biến áp mộtpha hay máy biến áp bapha Dây quấn sơcấp và dâyquấnthứcấp của loại fflay biến áp này có thể nối hình sao nối đất (Yo), hình sao trung tính (Y), hình tam giác (A) phụ thuộc vào yêu cầu của sơ đồ nối điện và phụ tải.Điện áp sơ cấp và thứcấp có thểtrùng nhau hay lệch pha nhaumột góc G.30°(với: G = 0 -ỉ- 11 và G là số nguyên) Điện áp địnhmức

của máy biếnáp này được quy ướclà điện áp dây

Các máy biến áp loại này thường được sử dụng trong hệ thống là:Y/Yo- 0 (hình 4.2); Y/A 11 (hình4.3);Yo/A - 11 (hình 4.4)

Cuộnhạ

Hình 4.2: Máy biến áp có sơ đ'ô nối dây Y/Yo - 0

Cuộn cao Cuộn hạ

o A B c

b

B

Hình 4.4: Máy biến áp có sơ đồ nối dây Y q /A -11

4.4.2 Máy biến áp một pha, ba pha ba dây quấn

Hình 4.5: Máy biến áp một pha, ba pha ba dây quấn

a) Sơ đồ cấu tạo máy biến áp một pha;

b) Sơ đồ nguyên lý máy biến áp một pha

Máy biến áp một pha, ba pha ba dây quấn có cấu tạo tưong tựnhư loại máy biếnáp một pha, ba pha hai dây quấn nhưng ở loại máy

biến áp này có 1 cuộn dây sơ cấpvà 2 cuộn dây thứ cấp để đưa ra 2

cấpđiện áp khác nhau

Trong hệ thống điện hiện nay, máy biến áp bapha badây quấn

được sử dụng rất rộng rãi và được chế tạo với công suất lớn Ở nhà

máy điện, cuộn sơ cấpnối với máy phátđiện, hai dâv ouấnthử rán nÁ;

với hai cấp điện áp khác nhau Máy biến áp ba dây quấn còn dùng đểnối vớimáy bù đồng bộ hay kháng điện để điều chỉnh công suấtphản kháng trong lưới điện công suất lớn.

Máy biến áp ba dây quấn có công suất định mức chính là côngsuất của dây quẩn có công suất lớn nhất, thường là dây quấn cao áp

Các dây quấn trung vàhạ có thể bằng hoặc bằng 2/3 công suất địnhmức; được ký hiệu theo thứ tự cao/trung/hạ như sau: 100/100/100;

4.4.3 Máy biến áp tự ngẫu

Đối với máy biến áp thông thường, dâyquấn sơ cấp và thứ cấp

riêng biệt nhau, quá trình truyền điện năng từ sơ cấp sang thứ cấpthông qua mạch từ mà không liên lạc với nhau về điện Trong máy

biến áp tự ngẫu, dây quấn thứ cấp là một phần của dây quấn sơ cấp.Quá trình truyền điện năng (công suất của máy biến áp Sba) gồm hai phần: một phần truyền theo quan hệ từ (công suất từ St), một phần truyền trựctiếp theo mạch điện (công suất điện Sđ)

Máy biến áp tự ngẫu ba pha có cácdây quấn cao áp, trung áp và

hạ áp Dây quấn điện áp cao áp (Uc) và dây quấn điện áp trung áp

(Ut) liên hệ với nhau theo nguyên tắc tự ngẫu và được nối hình sao

Dây quấn hạ áp (Uh) liên hệ với dây quấn cao áp và trung áp theo

nguyên tắc như biến áp thông thườngvà được nối tamgiác

Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý máy biến áp tự ngẫu

Máy biến áp tựngẫu có dây quấnnối tiếp và dây quấn chung có cùng tiết diệnvới nhau

Dâyquấn nốitiếp có các thôngsố:Unt, Int, Wnt, Snt,APnt

Dây quấn chung có các thôngsố: UCh, Ich, wch, SCh, APC

Trong đó: Uc = Uch + Ưnt

Uch - Ucao — Unt — Ut

W1 = wnt + wch

w2 = wchIch =It - IcAPđ= APnt + APch

Hệ so có lợi (hệ so tính toánhay hệ so mẫu) của máy biến áp tự

trên

> Các chế độ vận hành của mảy biến áp tự ngẫu

a Chế độ 1: Côngsuất truyền từ cao sang trung vàsanghạ;hay

từtrung và hạtruyền lên cao

Xét trường họp khi công suất truyền từ cao sang trung và hạ, ta

có: Sc= St + Sh

Trong đó:

St - công suất từ cao sang trung theo chế độtự ngẫu (a);

Sh - công suất từ cao sang hạ theo chế độ biến áp thông

thường (b)

Dòng điện trong dây quấn nối tiếp:

Int — Int(a) + Int(b)

Mặtkhác: Int(a) =—(PT -jQT)

u c

Hình 4.9: Sơ đồ chế độ vận hành thứ nhất của máy biển áp tự ngẫu

Công suất trongcuộn nối tiếp:

S., = U.tl„=(Uc-UT)(l„„1+

s„, = (Uc,;Ut) 7(Pt + P„)!+(Qt+Qk)! (4-5)

ucDòngđiệntrong dây quấnchung:

Ich — Ich(a) + Ich(b)

Mặtkhác: Ich(a) = UcJ UT -J-(PT-jQT)

7T“(P h — JQ h )

Công suấttrong cuộn chung:

b Chế độ 2: Công suất truyền từ trung lên cao và xuống hạ; hay

từ cao và hạ sang trung

Hình 4.10: Sơ đồ chế độ vận hành thứ hai của máy biến áp tự ngẫu

Xét trường họp khi công suất truyền từ cao và hạ sang trung,

Dòng điện trong dâyquấn chung:

Ich - Ich(a) + Ich(b)

Trong đó: Ich(a) =-UcJ UT ■J_(pc-jQc) truyền từ cao sang trungtheonguyên tắc tụ ngẫu;

ỉciKb) =-jj-(PH-jQH) - truyền từ hạ sang trung theo

c Chê độ 3: Công suất truyền từ trung và cao xuống hạ; hay

từ hạ lên trung và cao

Hình 4.11: Sơ đồ chế độ vận hành thứ ba của máy biến áp tự ngẫu

Trong chế độ này, công suất truyền qua giữa các cấpcao, trung

xuống hạ; hay từ hạ lên cao trung đều theo nguyên tắc biến áp thông

thường,không theo nguyên tắc tựngẫu Đâylà chế độ làm việc không

phát huy được ưuthế củamáy biến áp tự ngẫu Công suất máy biến áp

tựngẫu đượcchọn theo điều kiện:

a

> ưu và nhược điểm của máy biến áp tự ngẫu

ưu điểm: Giáthành rẻ hon máy biến áp thông thường có cùngcông suất vì chế tạo ít tốn đồng, thép và vật liệu cách điện Kíchthước nhỏ gọn, dễ dàng vận chuyển Tổn hao công suất của máy biến

áp tự ngẫu nhỏ, hiệu suất cao

Nhược điểm-. Sử dụng máy biến áp tự ngẫu khi cả điện áp cao áp

và trung áp đều phải trực tiếp nối đất điểm trung tính Vì nếu khôngnối đất trung tính, khi có một pha phía cao áp chạm đất thì điện áp

trung áp của các pha không chạm đất tănglênlớn hon \ỊĨ lần

Dây quấn cao áp và dây quấntrung áp có sự liên hệ với nhau về

điện, nên sóng sét có thể truyền từ cao sang trung và ngược lại làm pháhủy cách điện; khi sử dụng cần phải đặt chống sét van ở hai đầu

cực cao ápvàtrung ápcủa máybiến áp tựngẫu

4.4.4 Máy biến áp có cuộn phân chia

Máy biến áp có cuộn phân chia là loại máy biến áp có hai hay

nhiều cuộn dây có cùng cấp điện áp Chẳng hạn, máy biến áp có ba

cuộn dây phân chia giống như máy biến áp ba cuộndây thôngthường,

về cấu tạo nó cũng có mạch từ; dây quấn sơ cấp với điện áp U1, sốvòng dây W1, công suất S1 = Sđmỉ hai dây quấn thứ cấp có cùng điện

áp Ư2, số vòng dây w2 và công suất S2 = 0,5Sđm- Các cuộn phân chiathường được' chế tạo ở điện áp hạ áp của máy biến áp vì dòng điện

ngắn mạch ở cấp điện áp này tương đối lớn Vì thế trong một số

trườnghợp, máy biến áp có cuộn phân chia có tác dụng hạn chếdòng ngắnmach ở mức độ nào đó mà không phải đặt kháng điện

Hình 4.12: Máy biến áp có cuộn phân chia a) Máy biến áp hai dây quấn có hai cuộn phân chia; b) Máy biến áp hai dây quấn có ba cuộn phân chia; c) Máy biến áp ba dây quấn có hai cuộn phân chia; d) Máy biến áp tự ngẫu có hai cuộn phân chia

4.5 KHẢ NĂNG QUÁ TẢI CỦA MÁY BIẾN ÁP

Khi máy biến áp làm việc trong thời gian dài ở các điều kiệnđịnh mức về điện áp, tần số, nhiệt độ môi trường làm mát tuổi thọ

củamáy biến áp sẽ bằng định mức chế tạo trong khoảng thời gian từ

20 -í- 25 năm Trong thựctế máybiến áp ít khi làm việc ởchế độ định

mức bởi vì:

- Nhiệt độ môi trường thay đổi liên tục theo mùa và cũng khác

nhau giữangàyvà đêm

- Phụtảicũng liên tục thay đổi theo giờ và theo mùa; trị số trung

bìnhcủa phụ tải luôntăng do sựphát triển củacác hộtiêu thụ

Như vậy, máy biến áp vận hành phụ thuộc vào phụ tải nên có khi máy biến áp vận hành quá tải, lúc máy biến áp vận hành non tải

Mức quá tải phải nằm trong giới hạn cho phép vì khi quá tải dẫn đến

điện áp thứ cấp của máy biến áp giảm, tổn hao công suất sẽ lớn, gâynên già hóa cách điện,làm giảm tuổi thọ của máy biến áp

Trong máy biến áp, các vật liệu cách điện như giấy, cactông,

bakêlit, gỗ, dầu (cấp A với nhiệt độ cho phép 105°C) sẽ thay đổi

dần các đặc tính theo thời gian và nhiệt độ Khi máy biến áp hoạtđộng, nhiệt độ sẽ tăng, các phản ứng hóa học tăng làm cho vật liệu cách điện bị xơ cứng, độ bền điện, độ bền cơgiảm

Theo định luật Montsinger, đối với chất cách điện khi nhiệt độcủachúng tăng lên 8°c thì tuổi thọ của chúng giảm đi phân nửa (Quy

tắc 8°C) Khi nhiệt độ bằng98°c thihao mòn bằng địnhmức

Trong đó:

t thời gian phục vụ;

To- hằng số thời gian phục vụđịnh mức;

AO - độ chênh lệchnhiệtđộ so với định mức (AO =98° -0)

Theo định luật Arrhenius, khi nhiệt độ trong khoảng từ 80 đến140°C, tuổi thọtrung bình củavật liệu cáchđiện cấp A phụ thuộc vào

ihiệt độ theo biểu thức:

Trong đó: A, a - các hằng số phụ thuộc vào vật liệu cách điện

A = (1,5-7,5) 104 (năm)

0 - nhiệt độ ởđiếm nóng nhất trong dây quấn máy biến áp

Độgià cỗicủavậtliệu cách điện đuợc xác định:

e-Bdo

Với: Odm = 98°c - nhiệt độ điểmnóng nhất định mức

Như vậy, nếu nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ định mức 6°c thì độ già :ỗi tănghai lần và tuổi thọ giảm đi hai lần so với định mức (Quy tắc

Trong thực tế, phụ tải của máy biến áp luôn biến đổi liên tục

hàng giờ, hàng ngày, hàng năm nhưng thời gian có phụ tải nhỏ hơnđịnh mức chiếm phần lớn nên tuổi thọ của máy biến áp sẽ lớn hơn

định mức Vì thế có thể cho phép máy biến áp được vận hành với phụ

tải lớn hơn công suất định mức trong khoảng thời gian nào đó tức

là cho phép máy biến áp vận hành quátải mà tuổi thọ vẫn đạt giá trị

định mức

Người ta phân biệt hai loại quá tải của máy biến áp là quá tảibìnhthường và quá tải sự cố

4.5.1 Quá tải bình thường của máy biến áp

Quá tải bình thườnglà chế độ vận hành củamáy biến áp có một

khoảng thời gian nào đó là quá tải, ngoài khoảng thời gian trên, máy

biến ápvận hànhnon tải Mức độ quátải được xácđịnh sao cho độgià cỗi của cách điện trong khoảng thời gian xét không vượt quá định

mức, ứngvới nhiệt độ dây quấn là98°c

Khi quá tải bình thường của máy biến áp, nhiệt độ điểm nóng

nhất của dây quấn có thể lớn hon 98°c nhưng không được vượt quá

140°C, nhiệt độ lớp dầu phía trên bề mặt nhỏ hơn 95°c và công suất

tảikhông được vượt quá 1,5 lần công suấtđịnh mức

Loại quá tải bình thường còn được gọi là quá tải thường xuyên,quá tải cóhệ thống, hay quá tải lâu dài

4.5.2 Quá tải sự cố của máy biến áp

Quátải sự cố là chế độ vận hành quá tải cho phép củamáy biến

áp trong một số điều kiện ngoại lệ (điều kiện sự cố) với một khoảngthời gian hạn chế để không gián đoạn quátrình cung cấp điện Chẳng

hạn, trường hợp nhà máy điện haytrạm biến áp có hai hay nhiều máybiến áp cùng làm việc song song; khi có máy biến áp bị cắt ra do sự

cố, lúc nàycác máycòn lại sẽ vận hành trongtình trạng quá tải sự cố.Khi quá tải sự cố máy biến áp chỉ được vận hành trong thời gian quyđịnhphụthuộc vào các chỉsố kỹ thuật củacác nhà sản xuất

Đe đảm bảo yêu cầu cung cấp điện liên tục, máy biến áp bắt buộc làm việc quá tảitrong mộtthời gian ngắn Khi vận hành ở chế độnày, người ta không quan tâm đến tuổi thọ mà chỉ quantâm đến điều kiệncho phép cách điện.

Khi quá tải sự cố củamáy biến áp, nhiệt độ điểm nóng nhất của

dây quấn tối đalà 140°C và nhiệt độ dầu tối đa là 115°c (để đảm bảo

nên tăng cườngcácbiện pháp làm mát cho máy biến áp) Trường hợp

hai máy biến áp vận hành song song, khi bị sự cố một máy biến áp

nghỉ, máy biến áp còn lại phải tảitoàn bộ côngsuất phụ tải Khi bị sự

cố, máy biến áp có thể tải 1,4 lần công suất định mức trong thời gianquá tải là 6 giờ, trong vòng 5 ngày với điều kiện các giờ khác công

suấttải của máy biến áp không vượt quá 90% công suất định mức

Bảng 4.2: Khả năng quá tải của máy biến áp theo thời gian

4.6 CHỌN MÁY BIỂN ÁP

4.6.1 Chọn máy biến áp cho trạm biến áp

- Trạm biến áp chỉ có một máy biến áp: chọn công suất định

mứccủa máy biến áp phải xétđến khảnăng quá tải thường xuyên của

máy biếnáp đó

- Trạm có hai máy biến áp: chọn công suất địnhmức của máy

biến áp phải xét đến khả năng quá tải sự cố khi hưhỏng một trong hai

máybiếnáp đó

- Trạm có ba cấp điện áp cao - trung - hạ: chọn thêm máy biến

áp badây quấn hay máybiến áp tự ngẫu Máy biếnáp tựngẫu giảm áp

đảm bảo tính kinh tế hom máy biến áp ba dây quấn, nhưng máy biến

áp tự ngẫu chỉ dùng khi mạch cao áp và mạch trung áp đều có trungtính trực tiếp nối đất

- Trạm biến áp có liênquan đến phía điện áp trung áp (hayđiện

áp hạ áp) của nhà máy điện: chọn máy biến áp cần tính đến những

4.6.2 Chọn máy biến áp cho nhà máy điện

- Đối với nhà máy điện có phụ tải điện áp cấp máy phát: xácđịnh đồ thị phụ tải ngày (24 giờ); Xác định luồng công suất truyền giữa nhà máy với hệ thống ở chế độ vận hành bình thường vàởchế độ

sự cố (một máy phát điện có công suất lớn nhất nối vào thanh góp

điện ápmáy phát nghỉ, các máy phátcòn lại làmviệc ở công suất định mức ) để chọn số lượng và công suất máy biến áp liên lạc với hệ

thống Dùng một máy biến áp liên lạc với hệ thống chỉ thực hiện khicông suấttruyền vào hệ thống nhỏ hơn công suất dự trữquay ở chế độ vậnhành bình thường

- Đối vớinhàmáy điệnkhu vực, toànbộ điện năng do nhà máy

sảnxuất rađược truyềnlên điệnáp cao: sử dụng cácsơ đồ nội bộ máy

phát điện với máy biến áp tăng áp (hoặc có thể dùng máy biến áp tựngẫu) Công suất định mứccủa máy biến ápphải đảm bảo truyền toàn

bộcôngsuất tác dụng và phản kháng của máy phát điện

- Đối với nhà máy thủy điện: ghép một số máy phátđiện chung với một máy biến áp Công suất của khối này không được lớn hơncông suấtdự trữ quay sự cố củahệ thống

Cácloại máy biến áptrong nhà máyđiện và trạmbiếnáp thường đều được chọn là loại ba pha có điều chỉnh điện áp dưới tải, trừ máy

biến áphai dây quấn nối bộ với máy phát điện

+ Công suất máy biến áp ba pha hai dây quấn nối bộ với máyphát điện:

Với: oc= T - hệ số có lợicủa máy biếnáp tự ngẫu

Sthừa - ^LSdmF - SuFmin — Stdmax

£SđmF - tổng công suất định mức các máy phát điện nối vào

thanh gópđiệnápmáy phát (MVA);

SuFmin - phụtải cựctiểu cấp điện áp máy phát;

Stdmax - công suất tự dùng cực đại của các máy phát điện nối

vào thanh góp điện ápmáyphát(MVA)

:ÂU HỎI ÔN TẬPsxíaxíỉííaaaaííaris

1 So sánh ưu, nhược điểm của máy biến áp tự ngẫu và máy

biếnáp badây quấn? Phạm vi ứng dụng của chúng?

2 Cách thức chọn máy biến ápcho nhà máyđiện?

3 Trình bày khảnăngquátải của máybiến áp điện lực?

4 Trình bày chế độ vận hànhcủa máy biến áp tự ngẫu?

Chương 5

CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN VÀ CÁC PHẦN DẪN ĐIỆN

Các loại khícụ điệnvà các phần dẫn điện là phần tửrất cầnthiết

trongnhà máyđiện và trạm biến áp với cácchức năng như điều khiển,

điều chỉnh, bảo vệ, chuyển đổi, khốngchế, kiểm tra mọi sựhoạt động

của hệ thống lưới điện, các loại máy điện vàdẫn điện

Phân loại khí cụ điện thường được phân loại theo nhiệmvụvà

công dụng làmviệc:

- Cácloạikhícụđiện dùngđể đóng cắtmạchđiện;

- Các loạikhícụđiệndùng đểđo lường và điều khiển;

- Các khí cụ điệndùng để hạn chế dòng ngắnmạch

Trong cơ cấu của các loại khí cụ điện cũng như các phần dẫnđiện, khi có dòng diện chạy qua chúng sẽ sinh ralực điện động tương tác với nhau Khi chọn khí cụ điện và các phần dẫnđiện ta phải kiểm

tra ổn định động của phần tử tứclàkiểm trađộ bềncơ củaphầntử đối

với tác động của lực điện độngnày Đểxác định lực điện động trongcác khí cụ điệnvà cácphần dẫn điện, ta dựa vào định luật Biot-Savart-

Laplace và định luật bảo toàn năng lượng

Hình 5.1: Sơ đồ hai mạch vòng mang điện đặt gần nhau

> Định luật bảo toàn năng lượng

- Một mạch vòng: nếu 1 mạchvòng có điện cảm L, mang dòngđiện i, thì năng lượng từ trườngtích lũytrong nó sẽ là: (i2.L)/2 Lực Fx

tác động theo phương X có xu hướng làm kích thích mạch vòng thay đổi theo phương X một lượng dx Khi đó, tự cảm của nó thay đổi mộtđại lượng ỔL và năng lượng mạch vòng thay đổi một đại lượngị-i2.ổL

M - hỗ cảm do hai cuộn dây đặt gần nhau sinh ra phụ

thuộc vào khoảng cách Xgiữa chúng

Tương tự ta có:

F 5x - ij.ij.SM T7Fx : : ỠM (5-4)

5.1 Lực ĐIỆN ĐỘNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN VÀ CÁC PHẦN DẪN ĐIỆN

5.1.1 Lực điện động do hai thanh dẫn có chiều dài L đặt song song nhau

Xéthai thanh dẫn song song có chiều dài bằng nhau: thanh dẫn

1 có dòng điện ii chạy qua, thanh dẫn 2 có dòng điện 12 chạy quavà hai thanh dẫncách nhau một khoảnga Ápdụng định luật Biot-Savart-Laplace taxác định sự phânbố lực điện động do thanhdẫn2 tác dụng lênthanh dẫn 1

Lấy một vi phân dy trên thanh dẫn 1, ta có lực phân bố do vi

phân dL trên thanh dẫn 2gây nên sẽ là:

dF = ^O' 11'* 2 -(COSOC] -cosa2).dy (5-5)4.7T.a

5.1.2 Hai thanh dẫn cĩ chiều dài khác nhau đặt song song nhau

Hình 5.3: a Sơ đồ xác định lực điện động;

b Sơ đồ xác định hệ số hình dạng

Xét hai thanh dẫn song song cĩ chiều dài khơng bằng nhau:Thanh dẫn 1 cĩ chiều dài L],dịng điện ii chạy qua; Thanh dẫn 2 cĩchiều dài L2, dịng điện 12 chạy qua; và hai thanh dẫn cách nhau mộtkhoảng a Áp dung định luật Biot-Savart-Laplace taxác định sự phân

bổ lực điện động do thanh dẫn2tácdụng lênthanh dẫn 1

Lấy một vi phân dy trên thanh dẫn 1, ta cĩ lực điện động do vi

phândL2 trên thanhdẫn 2 gây nên sẽ là:

dF = HsÁ (cosa, - COSCC, ).dy (5-9)4.7T.a

Trong đĩ: COSOC, =- JL2~y) ; cosoc, =—-■■■ y (5-10)

Với: D= a/l2 +a2 và s =a

5.1.3- Hai thanh dẫn vuông góc nhau liền nhau

Xéthaithanh dẫn vuông góc liền nhau cùngcó dòng điệnI chạyqua: thanhdẫn 1 có chiều dài L1, thanhdẫn2 cóchiều dài L2 Áp dụng

định luật Biot-Savart-Laplace taxác định sự phân bố lực điệnđộng do

thanhdẫn 2 tác dụng lên thanh dẫn 1

Hình 5.4: Sơ đồ xác định lực điện động thanh dẫn vuông góc liền nhau

Lấy một vi phân dy trên thanh dẫn 1, ta có vi phân mật độ từ

;ảmdB doviphân dL2trên thanh dẫn2 gây nên sẽ là:

5.1.4 Hai thanh dẫn đặt vuông góc lệch nhau

Xét hai thanh dẫn đặt vuông góc lệch nhau: Thanh dẫn 1 có chiều dài L1,dòngđiện ii chạy qua; Thanhdẫn2 có chiều dài 1/2,dòngđiện 12 chạy qua Áp dụng định luật Biot-Savart-Laplace, ta xác định

sự phân bố lực điện động do thanh dẫn2 tác dụnglên thanh dẫn 1

a)

Hình 5.5: a Sơ đồ xác định lực điện động; b Sơ đồ phân bố lực điện động

Lấy một vi phân dy trên thanh dẫn 1, ta có lực phân bố do vi phân dL2trên thanhdẫn 2 gây nên sẽ là:

ỊJ.0.i].i2 , _ dy

dF - u 1 (cosơị - cosoc2) — (5-18)

Trong đỏ: cosa = - (b 2 + a) cosa2 = -a (5-19)

1 b+L.

dz =

p _ họ-1! -h

4.71

(L2+ a) + + a) H-b” ã +

In p - J L (L2+ a) + ự(L2 +a)2 +(b + L,)2

Hoàn toàn tưong tự hệ số hình dạng khi xét lực điện động do

thanh dẫn 1 gây nên trên thanh dẫn 2 sẽ là:

k ln(D1+Dn)-(D2+D2,)

5.1.5 Lực điện động ở mạch điện xoay chiều

Giả sử dòng điện có dạng: i= Im.sin co.t

Với: Im - trị số biênđộ dòng điện;

Cừ - tầnsố góc

Neu hai thanh dẫn đặt song song nhau thì lực điện động sẽ có

F = —'ki2 =-72 k I2 sin2cot4.71 4.7T

■T =—- - hăng sôthời gian

Tại thời điểm t= — thì dòng điện đạt trị số cực đại, dòng điện

(0

nhiều yếu tố như: công suấtcủa thiết bị, sự phân bố khí cụ, hình dạng

mạch điện trong nhiều quá trình nghiên cứu, thông thường lấy

kx= 1,8 + 2,25 Lúcnàylực điệnđộng được tính:

- Đối với 2 thanh dẫn vuông gócliền nhau:

- Đối với 2 thanhdẫnvuông góc lệchnhau:

k _ Ịn(Dị + Di2)-(D2+ P22)

C2/1 (S1+S12).(S2+S22)

> Trường họp khi ngắn mạch 2 pha

Khoảng cách giữa các pha:AB = BC = a ; AC = 2a

Ta thấyFab ~ Fbc > Fac, Fmax khi xuấthiện ngắn mạch giữa

A-3 hoặc B - c Trong 2 trường hợp này thì trị số lớn nhất là như nhaunhung chỉ khác nhau về thời gian xuất hiện của lực cực đại Dođó chỉcần xét 1 trong2 trườnghọp là đủ Giả sử xét ngắn mạch pha A- B:

vàngắn mạch xảy ratại thời điểm điện áp qua giá trị không thì dòng

điệnngắn mạch có giá trị lớn nhất Khi đó dòng ngắnmạch có dạng:

i= Im(e T" -coscừt)

Trong đó: Im - biên độdòng ngắn mạch 2 phathànhphần chu kỳ;

Ta - hằng số thời gian của dòng ngắn mạch thành phầnkhông chu kỳ (Ta = 0,05s đối với mạng điệntrên 1000 V).Như vậy:

Hình 5.7: Lực điện động khi ngắn mạch ba pha

Trong đó: iA=Im sin(cot+ cp) -e T" sincp

*c “

( 2ĩĩ Isin cot + cp — -e

( 2n sin cp——-

Im - biênđộ dòngngắn mạch 3 phathànhphần chu kỳ;

cp - góc pha ban đầucủa điện áp pha A tại thời điểm ngắn

Như vậylực điện động trên các pha biến thiêntheo thời gian, tắt

dần và dao động với tần số Cừ và 2co Cực đại đầu tiên của lực xuấthiện sau khi ngắn mạch khoảng 1 nửa chu kỳ (0,01s) Nếu Ta = 0,05s ■thì giá trị của cáclực cực đại lúc đó sẽ là:

= 2,86A.(l«1)2 l£> = 3,3A.(e)2 F^=2,47.A.(l'm!’)2

VÌ:

t (2)

1N I<3)

Ta nhận thấy rằng,lực cực đại của pha giữalớnhơn lực cực đại

của2 pha ngoài vàlớn hơncả lực cực đại khi ngắn mạch 2pha Do đókhi xét ổnđịnh động của khí cụ điện và dây dẫn, cần chọn ngắn mạch

3 pha vàlực điện động phagiữa làmlực tính toán:

Sau khixác địnhđược lực điện động tính toán Fftcó thể kiểm tra

ổn định động của khí cụ điện vàcác phần dẫn điện

5.2 CÁC LOẠI KHÍ cụ ĐIỆN co BẢN TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP

5.2.1 Dao cách ly

Dao cách ly là một loại khí cụ điện cao áp dùng để đóng cắt

mạch điện cao áp khi khôngcó dòng điện điện hoặc khi đóngcắt dòng

điện nhỏ hơndòng điện định mứcnhiều lần theoquy định

Dao cách ly có nhiệm vụ tạo ra khoảng cách antoàn trông thấy được giữa các bộ phận đã cắtđiện để đảm bảo an toàn cho nhân viênkhi vận hành, sửa chữamáy phát điện, máy biến áp, máy cắt, đườngdây Thông thường, dao cách ly được thao tác cắt hay đóng mạch

điện sau khi máycắt đãcắt hay đóngmạch điện trước đó Dao cách ly không có bộ phận dập hồ quang nên không được sử dụng dao cách ly