đồ án tốt nghiệp thiết kế máy biến áp

Lớp 2Để xác định khoảng cách cách điện giữa các dây quấn và giữa các phần khác của máy biến ápthì ta phải biết được điện áp thử của chúng.. Tra trong bảng 15 TLHD ta được hệ số tính toán

Chương I

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ

Tính toán máy biến áp dầu ba pha có số liệu sau:

Tổng dung lượng máy biến áp S= 320 kVA;

Số pha m = 3; Tần số f = 50 Hz;

Điện áp hạ áp: U2= 0,4 kV; Điện áp cao áp: U1 = 15 kV;

So đồ nối dây Y/Y0-12

Máy biến áp chế tạo theo tiêu chuẩn gam mới, có các đặc tính: điện áp ngắn mạch un =4,4%; tổn hao ngắn mạch pn = 5200 W; Tổn hao không tải p0 = 1200 W; dòng điện không tải i0 =2,5 Làm lạnh bằng dầu biến áp Thiết bị đặt ngoài trời thiết kế dây dẫn bằng đồng, loại máy biến

áp ba pha ba trụ cấu trúc phẳng

Chương II

TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU

I XÁC ĐỊNH CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN CƠ BẢN

1 Dung lượng một pha

320 = 106,67 (kVA)

10

3

10.15.3

10.320

10

3

10.4,0.3

10.320

10

3

10.4,

= 231 (V)

5 Điện áp thử của các dây quấn:

Lớp 2

Để xác định khoảng cách cách điện giữa các dây quấn và giữa các phần khác của máy biến ápthì ta phải biết được điện áp thử của chúng Với dây quấn U1dm = 15kV và U2dm= 0,4 kV ta tratrong bảng 2 tài liệu hướng dẫn ta được:

Unx = 2 2

nr

n U

U − = 4,42 −1,6252 = 4,09%

II Chọn số liệu xuất phát và tính toán các kích thước cơ bản

Các kích thước cơ bản của máy biến áp

1 Chiều rộng quy đổi của rãnh từ tản giữa dây quấn cao áp và hạ áp:

Với Uth1 = 45 kV, theo bảng 19 TLHD ta có a12 = 20mm, δ12= 4 mm trong rãnh a12 đặt ốngcách điện dàyδ12= 4 mm Theo bảng công thức (2-36) và bảng 12 TLHD ta chọn k = 0,53

2 Hệ số quy đổi từ trường tản là k r = 0,95

3 ta chọn tôn cán lạnh mã hiệu 3404 có chiều dày 0,35 mm Theo bảng 11 tài liệu hướng dẫn,

ta chọn từ cảm trong trụ Bt = 1,62 T, hệ số kg = 1,025

Cách ghép trụ: theo bảng 6 TLHD, ta chọn cách ghép trụ bằng nêm và dây quấn cách épgông: ta chọn cách ép gông bằng xà ép, bu lông đặt phía ngoài gông Chọn hệ số tăng cườnggông kg = 1,025

Sử dụng lõi thép có bốn mối ghép xiên ở bốn

góc của lõi, còn ba mối nối giữa dùng mối ghép

thẳng lá tôn

Theo bảng 4 TLHD chọn số bậc thang trong

trụ là 6 số bậc thang của gông lấy nhỏ hơn trụ

62,1 =1,58 (T)

Từ cảm ở khe hở không khí mối nối thẳng B’’

k = Bt = 1,62 (T), từ cảm ở khe hở không khí ở mối

l chiều cao dây quấn

d12 đường kính trung bình giữa haidây quấn hay của rãnh dầu của hai dâyquấn

a1 bề rộng dây quấn cao áp

62,1 = 1,146(T) Suất tổn hao sắt ở trụ và gông, theo bảng 45 và 50 TLHDvới tôn chọn có mã hiệu là 3404 ta tra được các số liệu sau:

Với Bt = 1,62 T tra được pt = 1,353 (W/kg),qt = 1,958(VA/kg)

Với Bg = 1,58T tra được pg= 1,251 (VA/kg), qg = 1,675(W/kg)

Suất từ hoá ở khe không khí:

- Dây quấn hạ áp và cao áp a12 = 20 mm

- Ống chách điện giữa cao áp và hạ áp δ12= 4 mm

- Dây quấn cao áp và cao áp a22 = 18 mm

- Tấm chắn giữa các pha δ22= 2 mm

- Khoảng cách giữa dây quấn cao áp và gông l0 = l01 = l02 = 50 mm

- Phần đầu thừa của ống cách điện lđ = 20 mm

5 Các hằng số a, b tính toán có thể lấy gần đúng và được tr trong bảng13, 14 TLHD:

a = 1,36; b =

d

a2

2 =0,40

6 Tra trong bảng 15 TLHD ta được hệ số tính toán tổn hao phụ trong dây quấn, ở trong dây dẫn ra vách thùng và ở vài chi tiết kim loại khác do dòng điện xoáy gây nên, k f = 0,95.

7 Quan hệ giữa đường kính trung bình d 12 và chiều cao l của trụ sắt.

Trong thiết kế người ta dùng hệ số β để chỉ quan hệ giữa chiều rộng và chiều cao của máy

β =

l12

d

π

; β thay đổi từ 1,2 đến 3,6

Sự lựa chọn hệ số β không những ảnh hưởng đến mối tương quan khối lượng vật liệu thép,dây đồng mà còn ảnh hưởng đến các thông số kỹ thuật như: tổn hao không tải, tổn hao ngắnmạch…

Về mặt kinh tế: Nếu máy biến áp có cùng công suất, điện áp, các số liệu xuất phát, và cáctham số kỹ thuật thì khi β nhỏ, máy biến áp “gầy” và cao, nếu β lớn thì máy biến áp “ béo” vàthấp với những trị số khác nhau thì tỷ lệ trọng lượng sắt và trọng lượng đồng trong máy biến ápcũng khá nhau β nhỏ trọng lượng sắt ít, lượng đồng nhiều, β tăng lên thì lượng săt tăng lên,lượng đồng nhỏ lại

8 Đường kính của lỏi thép:

Theo công thức (2-37) TLHD

d = A.xTrong đó x = 4 β

A là hằng số A = 0,507.4

2 1 2

'

'

d t x

r R

k B U f

k a S

Với:

kr là hệ số quy đổi từ Rogovski, chọn kr = 0,95

kld là hệ số lợi dụng của lỏi sắt đã tính ở trên: kld = 0,9 Từ đó ta có

A = 0,507.4

2

2.0,962,1.09,4.50

95,0.037,0.66,106

Trong đó d12 = a.d suy ra a = d12/d

Với trị số hướng dẫn a = d12/d bằng 1,36 đối với dâu quấn đồng, theo bảng 13 TLHD

Với C1 = Kdq 2 2 2

1

2

A U B k k

a S

r t d f

2

2

1545,0.625,1.62,1.89.0.95,0

36,1.320

1

2 2

B

A

B +

= 3

2

3,176

29,3876,

A =

3,176.3

79,252

C.2

kdqfe.k =

3,176.3

08,190.2

.1,84.1,06 = 1,4Với kdqfe =1,84, tra bảng 16 TLHD

k là hệ số hiệu chỉnh trọng lượng của dây quấn ( vì dây quấn có thêm sơn cách điện và cácphần điều chỉnh điện áp ỏ cuộn cao áp) k=1,03.1,03 = 1,06

Chọn β = 1,464 thì giá thành của máy biến áp thiết kế là nhỏ nhát, nghĩa là phương án tối

ưu về măt kinh tế Nhưng ta còn phải chọn một phương án không những tối ưu về mặt kinh tế màcòn thoả mãn các nhỉ tiêu kỹ thuật trong giới hạn sai số cho phép

Từ x = 1,1 ta tính được các thông số ở trên như sau

- trọng lượng thép trong trụ: Gt =

x

79,252

+ 38,29.x2 =

1,1

79,252

+ 38,29.1,12 = 276,11(kg)

- Trọng lượng thép trong gông: Gg =176,3.x3 + 19,76.x2 = 176,3.1,13 + 19,76.1,12 = 254,93(kg)

- Trọng lượng lỏi thép: Gfe = Gt + Gg = 276,11+ 254,93 = 531,04(kg)

- Trọng lượng dây quấn : Gdq = 21

x

C = 21,1

08,190

C

.10.4,2

1 12

−

= 4,5.106

5200.0,95

08,190.10.4,

2 − 12

=1,367Với C1 = 190,08

kf = 0,93

Pn = 5200 (W) là tổn hao ngắn mạch

Từ đó ta có x = 1,1 < xmax =1,367 như vậy điều kiện phát nóng được đảm bảo

12 Trọng lượng một góc của lõi:

N là số lượng góc của mạch từ N = 4 đối với máy biến áp ba pha

kpf là hệ số tổn hao phụ, tra bảng 48 TLHD ta được kpf = 1,22

kpo = kn.k’po+ k’’po

Với kn là hệ số biểu thị số lượng góc có dạng mái nối nghiêng, kn = 4

k’po, k’’po : Là hệ số gia tăng tổn hao góc nối ở các góc mạch của mạch từ

2

24,7.Go ] = = 1,651Gt + 1,526Gg +2,344G0 = 1,651.276,11+ 1,526.254,93 +2,344.21,92 = 901,593(W)

15 Công suất từ hoá của may biến áp.

kir kể đến ảnh hưởng do chiều rộng lá tôn ở các góc mạch từ , tra bảng 52b ta được kir

=1,35

nk là số khe hở không khí trong lõi thép

Tk = Tt/ 2 là diện tích bề mặt khe hở không khí

kio là hệ số gia tăng dòng điện không tải do công suất từ hoá tăng lên, kio = 42,45

Q0=1,18.1,07.1,958.(Gt +

2

45,42

Go) + 1,18.1,07 1,675 [ Gg +

2

35,1.1.Go-(4+ 2).Go ] + 1,07

4905,026

G

k

P

5200.93,0

dq

G

2015.106 A/mm2

K là hằng số phụ thuộc vào điện trở dây quân: K=2,4.10-12 đối với dây đồng

17 Khoảng cách giữa hai trụ:

Dựa vào bảng biến thiên, với mức tổn hao không tải Po = 1200 W và dòng không tải io = 2,5%

ta thấy các phương án đã tính thì phương án có hệ số β = 1,464 ứng với gí thành nhỏ nhất khôngkha thi vì với máy biến áp có S= 320kVA thì β biến thiên từ 1,8 đến 2,4 Bởi vậy với sai số củaC’td là 1% so với giá trị nho nhất ta có thể lấy β = 1,6

Đường kính trụ sắt: d = A.4 β = 0,1545.41 = 0,173(m), chọn đường kính tiêu chuẩn d =,60,17

- Tính lại trị số β : dm)4

A

d(

β= = 1,65; x = 1,133; 2a2 = 0,07 (m)Với trị số β =1,65 bảng trên ta tính được:

Gt = 272,27( kg); Gg = 282,05 (kg) ; GFe = 554,27 (kg); Gdq = 147,97 (kg); Po = 935,781(W) ; io = 1,628;

Sai số của Po là

0

01 0

P

P

P −

.100 = 22 (%);

- Đường kính trung bình của rãnh dẫn dầu sơ bộ: d12 = a.d = 1,36.0,17 = 0,2312 (m)

- Chiều cao dây quấn sơ bộ: l =

β

π.d12 =

65,1

2312,0.14,3

I Tính toán dây quấn thứ cấp (hạ áp).

1 Sức điện động của một vòng dây:

231 = 31,77= 32 (vòng)

Ut2 là điện áp trên một trụ của dây quấn thứ cấp , Ut2 = 231 V trên cả ba trụ

Điện áp thực của mỗi vòng dây Uv =

32

231 = 7,22 (V)

3 Mật độ dòng điện trung bình:

∆tb = 0,746 kf

12

v n

d.S

UP 104= 0,746.0,93

2312,0.320

22,7.5200

.104= 3,52 (MA/m2)

4 Tiết diện vòng dây sơ bộ:

T’2 =

tb 2

I

∆ = 3,52.106

88,461

0,44

+ - 0,005 = 0,00722 (m) = 7,22 mm.

6 Chọn dây dẫn:

Với hv2 = 7,22 mm và T’2 = 131,22 mm2

Tra bảng 22 TLHD ta chọn dây đồng tiết diện chữ nhật mã hiệu ΠCд có:Я

a = 4 mm

b = 8 mm

Tiết diện 35,1 mm2

Chọn 4 sợi chập song song trong 1 vòng

Quy cách dây quấn như sau: ΠCд - 4×

5,85,4

84

88,461

− = 3,71 MA/m2

10 Chiều cao thực của dây quấn hạ áp

Ở đây ta chọn dây quấn hình xoắn mạch đơn hoán 3 chỗ, có rãnh dầu giữa tất cả các bánhdây

l2 = b’.10-3(W2 +4) +k.hr2 (W2 +3).10-3 =8,5 (32+4)10-3 + 0,9.5 (32+3)10-3 = 0,464 (m)

Trong đó k là hệ số kể đến sự co ngót của tấm đệm sau khi ép chặt cuôn dây Chọn k = 0,9

11 Bề dày dây quấn hạ áp

0 +

.32.124,4.10-3 = 72,9 (kg)

16 Trọng lượng dây quấn thứ cấp kể cả cách điện

Gdq2 = 1,06.Gcu2 =1,06.72,9 = 77,3 (kg)

II Tính toán dây quấn sơ cấp (cao áp):

1 Chọn sơ đồ điều chỉnh điện áp:

Z5

Z4

Z3

Z2 Z1

Sơ đồ điều chỉnh điện áp

X1 X2 X3 X4 X5

Máy biến áp sau khi thiết kế có thể lắp đặt ở nơi gần nguồn hoặc xa nguồn vì thế điện áp đưavào cuộn sơ cấp (cao áp) thay đổi một lượng ∆U nào đó Vì vậy để duy trì điện áp đầu ra ổnđịnh trong một phạm vi nào đó ta phải chọn đầu phân áp cho phù hợp trước khi lắp đặt

Dòng điện làm việc qua các tiếp điểm:

I1 = 12,32 A

Điện áp lớn nhất giữa các tiếp điểm của hai pha của bộ đổi nối:

Ulv = 10%.U1 3 = 10% 3

15 =

866 V

Điện áp thử: Uth = 20%

3

U1 =

1732 (V)

Để có được những điện áp khác

nhau bên cao áp cần phải nối như sau:

2 Số vòng dây của dây quấn sơ cấp

(cao áp) ứng với điện áp định mức:

3 Số vòng dây của một cấp điều chỉnh điện áp

Wđc = 0,025 W1 = 0,025.1200 = 30 (vòng)

4 Số vòng dây tương ứng ở các đầu phân nhánh:

Ta chọn loại có 4 cấp điều chỉnh điện áp, ứng với mỗi cấp điều chỉnh là 2,5% điện áp định mức :

32,12

12,2

; 3,53 mm2

7 Tiết diện toàn phần của một vòng dây.

T1 = nv1 T’d1.10-6 = 1 3,53 10-6 = 3,53 10-6 m2 = 3,53 mm2

8 Mật độ dòng điện thực:

32,12 = 3,49 (A/mm2)

9 Số vòng dây trên một lớp:

1'

10

1 1

3 1

10.464,

− = 176 (vòng)

l1 = l2 = 0,464m ; d1’ là đường kính dây kể cả cách điện (d’1 = d1 + 0,5 (mm) )

10 Số lớp của dây quấn:

1200 = 7 (lớp), nên lấy tròn n12 với số nguyên lớn hơn

11 Điện áp làm việc giữa hai lớp kề nhau:

U12 = 2.W12U v = 2.176.7,22 = 2541 (V);

12 Chiều dày cách điện giữa các lớp.

Căn cứ vào U12, ta tra bảng 26 TLHD, ta chọn chiều dày cách điện giữa các lớp là 4x0,12mm

13 Tra bảng 18&19 tìm được các kích thước sau:

Chiều rộng rãnh dẫn dầu a12 giữa dây quấn ha áp và cao ápp; chiều dày ống cách điện giữa haidây quấn δ12; khoảng cách cách điện giữa dây quấn cao áp a22; chiều dày ống giấy cách điện giữahai pha δ12; khoảng cách từ dây quấn đến gông l02

14 Phân phối số vòng dây trong các lớp, chia tổ lớp:

Do số lớp của dây quấn được láy tròn thành số nguyên nên số vòng dây trong mỗi lớp có thểkhông đúng bằng W12 đã tính ở trên, do đó cần phải phân phối sao cho số vòng dây giữa các lớpgần xấp xỉ với số đó ( nên phân phối hầu hết các lớp đều có số vòng dây là W12 còn bao nhiêuphân phối cho một hai vài lớp ngoài cùng)

Để tăng điều kiện làm nguội thường theo chiều dày của dây quấn thành hai tổ lớp Giữa hai tổ

có rãnh dầu dọc trục a’22 Tổ lớp trong làm nguội khó khăn hơn nên bố trí ít lớp hơn tổ lớp ngoài.Thường tổ lớp trong không quá 1/3 đến 2/5 tổng số lớp của dây quấn Nếu kiểu dây quấn nàydùng làm cuộn HA hay TA thì hai tổ lớp nên bố trí có số lớp bằng nhau Kích thước rãnh dầudọc trục xem ở bảng 54a

15 Chiều dài dây quấn CA:

3 22 12

1

Trong đó n, m, là số lớp của mỗi tổ hợp, n+m = n12

Trong các dây quấn điện áp 35 kV, thường ở đầu dây quấn - tức ở lớp trong cùng của cuộncao áp người ta có bố trí màn chắn tĩnh điện bằng kim loại dày 0,5 mm nối điện với dây cao áp.màn chắn có cách điện hai phái bằng cách điện lớp nên lúc đó chiều dày dây quấn cao áp sẽ là:

3 1 1

Công thức trên chỉ dùng để tính kích thước hình học cuộn dây, còn lúc tính d.đ.đ tản cần tính

a2 thì vẫn dùng công thức trên và lúc đó coi rãnh dầu được tăng lên thành

3 1 12

17 Đường kính ngoài cỉa dây quấn cao áp:

19 Bề mặt làm lạnh của dây quấn:

Quấn dây quấn CA thành hai tổ lớp , giữa chúng có rãnh dầu làm lạnh và ở lớp trong quấn lênhình trụ có cách điện có que nêm

1 1 1

1 2t.k .(D' D'' )l

M = π + = 2.3.0,88.3,14.(0,276 + 0,295).0,464 = 4,41 (m2)

Với t = 3; k = 1; l1 = 0,464 m

k = 0,88 là hệ số tính đến bề mặt làm lạnh bị các chi tiết che khuất

20 trọng lượng của dây :

Gcu1 = 28.t

2

'' 1

TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH MÁY BIẾN ÁP

Tính toán ngắn mạch trong máy biến áp liên quan đến việc tính toán tổn hao ngắn mạch Pn,điện áp ngắn mạch Un, các lực cơ học trong dây quấn và sự phát nóng của dây khi ngăn mạch.Tổn hao ngắn mạch có thể chia ra các thành phần như sau:

1. Tổn hao chính tức là tổn hao đồng trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp do dòng điện gây ra Pcu1, Pcu2

2. Tổn hao phụ trong hai cuộn dây do từ trông tản xuyên qua dây quấn làm cho dòng điện phân bố không đều trong tiết diện dây gây ra Pf1, Pf2

3. Tổn hao chinh trong hai dây dẫn ra Pr1, Pr2

4. Tổn hao phụ trong dây dẫn ra Prf1, Prf2 thường tổn hao này rất nhỏ, ta bỏ qua

5. Tổn hao trong vách thùng dầu và các kết cấu kim loại khác Pt do từ thông tản gây nên

Thường tổn hao phụ được gộp vào trong tổn hao chính bằng cách thêm vào hệ số tổn hao phụ kf Vậy tổn hao ngăn mạch sẽ được tính theo biểu thức:

- Tổn hao trong dây quấn sơ câp ( hạ áp )

0

10.32

3 tổn hao chính trong dây dẫn ra:

3.1 Tổn hao trong dây dẫn ra đối với dây quấn thứ cấp:

- Chiều dài dây dẫn ra của dây quấn thứ cấp (hạ áp) : Khi dây

quấn nối Y , ta có: lr2 = 7,5.l2 = 7,5.0,464 = 3,48 (m)

- Trọng lượng dây dẫn ra: Gr2 = lr2.Tr2.γ (kg)

Trong đó: Tr2 là tiết diện dây dẫn ra của cuộn thứ cấp (HA) có thể lấy bằng tiết diện diện vòng dây thứ cấp: Tr2 = T2 = 124,4 mm2

4 Tổn hao trong vách thùng và các chi tiết kim loại khác P t :

Theo cong thức (4-21) TLHD, ta tính một cách gần đúng như sau:

Pt = 10.k.S, với k tra ở bảng 40a TLHD ta có k = 0,02

Pt = 10.0,2.320 = 64 (W)

Xác định tổn hao trong các dây quấn

n thanh dẫn

m thanh dẫn

5 Tổn hao ngắn mạch của máy biến áp là:

78,5617

= 1,756 (%)

2 Thành phần điện áp ngắn mạch phản kháng:

Unx = 2

'

U

k a S

2312,0.14,

95,0.03,0.6,1.10.66,106.50

9

,

7

.10-4 = 3,82 (%)Vậy điện áp ngắn mạch là: Un = 2

nx

2

U + = 1,7562 +3,822 = 4,205 ( %)Sai lệch so với tiêu chuẩn:

4,4205,

.100 = 4,4 % < 5 % thoả mãn điều kiện cho phép

III Tính các lực cơ học chủ yếu của dây quấn.

1 Trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch xác lập:

In =

)]

.S/(U100.S.[1

U

100.I

n n dm n

dm

+

Trong đó Iđm là dòng điện định mức của dây quấn (A)

Sđm là dung lượng định mức của máy biến áp (kVA)

320.1001.[

205,4

32,12.100

320.1001.[

205,4

88,461.100

−

) = 510,64(A)

) = 19143,02(A)

2 Lực cơ học tác dụng lên dây quấn:

Lực này do tác dụng của dòng điện trong dây quấn với từ thông tản Khi ngắn mạch, lực co học tác dụng lên dây quấn không đều nhau Mặt khác giữa các vòng dây còn có cách điện, có đệm lót… Và do đó tính đàn hồi của các chi tiết đó có ảnh hưởng đến lực tác dụng lên dây quấn nên thực tế lực tác dụng đó lại nhỏ hơn lực co học đã tính toán

2.1 Lực hướng kính ( lực ngang trục ) F r do từ thông tản dọc B tác dụng với dòng điện gây nên.

Theo công thức (4-34) TLHD ta có: Fr = 0,628.(imax.W)2.β.kr.10-6(N)

Trong đo W là số vòng dây toàn phần của một dây quấn với cuộn cao áp thì số vòng dây W ứng với điện áp dịnh mức

- Lực hướng kính với cuộn dây thứ cấp (HA): Fr2 = 0,628(i1max.W2)2.β.kr.10-6 (N)

Với: i2max = 19143,02(A)

W2 = 32 , kr = 0,95 , β = 1,61

Fr2 = 0,628(19143,02.32)2.1,61.0,95.10-6 = 360,44.103 (N)

- Lực hướng kính với cuộn dây sơ cấp ( CA) :Fr1 = 0,628(i1max.W1)2.β.kr.10-6 (N)

Với: i1max = 510,64(A)

W2 = 1200 , kr = 0,95 , β = 1,61

Fr1 = 0,628(510,64.1200)2.1,61.0,95.10-6 = 360,663.103 (N)