Đồ án môn học thiết kế máy biến áp dầu 3 pha

Xác định các đại lượng kích thước cơ bản ; thiết kế dây quấn MBA ; tính toán ngắn mạch ; tính toán mạch từ ; tính toán tổn hao và hiệu suất.. Điện áp thử của các dây quấn: Để xác định k

Chương I:

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ

Thiết kế máy biến áp dầu điện lực ba pha, hai dây quấn (cao áp và hạ áp) với các số liệu ban đầu như sau:

Tổng dung lượng máy biến áp Sđm = 630 kVA;

Số pha của máy biến áp m = 3;

Tần số định mức f = 50 Hz;

Điện áp dây định mức: U1/U2 = 22/0,4KV;

So đồ nối dây Y/Y0-12

Máy biến áp làm mát bằng dầu

Máy biến áp làm việc dài hạn, thiết kế lắp đặt trong nhà hoặc ngoài trời

Tổn hao không tải P0 = 1150 W ; tổn hao ngắn mạch Pn = 6040 W ; dòng điện không tải i0% = 1,4 ; điện áp ngắn mạch Un% = 4,5%

Xác định các đại lượng kích thước cơ bản ; thiết kế dây quấn MBA ; tính toán ngắn mạch ; tính toán mạch từ ; tính toán tổn hao và hiệu suất

Chương II TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU

I XÁC ĐỊNH CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN CƠ BẢN

1 Dung lượng một pha

10

=

3 3

10 22 3

10 630

10

3 10 4 , 0 3

10 630

= 909,3(A)

3 Dòng điện pha định mức:

Vì dây quấn nối Y/Y0 nên:

If1 = I1 = 16,53 (A)

= 230,94 (V)

5 Điện áp thử của các dây quấn:

Để xác định khoảng cách cách điện giữa các dây quấn và giữa các phần khác của máy biến áp thì ta phải biết được điện áp thử của chúng Với dây quấn U1đm =

22 kV và U2đm= 0,4 kV ta trả trong bảng 2 tài liệu hướng dẫn ta được:

6040 = 0,96 %

a1 bề rộng dây quấn cao áp

Lớp

2

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

Với Uth1= 55 kV, theo bảng 19 TLHD ta có a12 = 20 mm, 12= 5 mm trong rãnh

a12 đặt ống cách điện dày12= 5 mm Theo bảng công thức (2-36) và bảng 12

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 = 1,6 T, hệ số kg = 1,025 bảng số 6

Cách ghép trụ: Theo bảng 6 TLHD, ta chọn cách ghép trụ bằng nêm và dây

quấn Cách ép gông: Ta chọn cách ép gông bằng xà ép, bu lông đặt phía ngoài

gông Chọn hệ số tăng cường gông kg = 1,025

Sử dụng lõi thép có bốn mối ghép xiên ở

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

6 , 1 =1,56 (T)

Từ cảm ở khe hở không khí mối nối thẳng : B’’k = Bt = 1,6 (T)

Từ cảm ở khe hở không khí ở mối nối xiên : B’k =

2

t

B

= 2

6 , 1 = 1,13(T)

Suất tổn hao sắt ở trụ và gông, theo bảng 45 và 50 TLHD với tôn chọn có mã

hiệu là 3404 ta tra được các số liệu sau:

Với Bt = 1,6 T tra được pt = 1,295 (W/kg), qt = 1,775(VA/kg)

Suất từ hoá ở khe không khí:

Với B’’k = 1,6 (T) tra được q’’k = 23500 VA/m2

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

- Ống chách điện giữa cao áp và hạ áp 12= 5 mm

- Dây quấn cao áp và cao áp a22 = 20 mm

- Tấm chắn giữa các pha 22= 3 mm

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

- Phần đầu thừa của ống cách điện lđ2 = 30 mm

5 Các hằng số a, b tính toán có thể lấy gần đúng và được tra trong bảng 13, 14 TLHD:

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, kf = 0,93; e = 0,405 là hệ số qui đổi ½ tiết diện trụ hình thang về hình chữ nhật, hệ số gia tăng tổn hao công suất ở góc nối kp0 =10,18, kdqCu = 2,46.10-2

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  để chỉ quan hệ giữa chiều rộng và chiều cao của máy

l

12

d



;  thay đổi từ 1,2 đến 3,6

Sự lựa chọn hệ số  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 ngắn mạch…

Về mặt kinh tế: Nếu máy biến áp có cùng công suất, điện áp, các số liệu xuất phát, và các tham số kỹ thuật thì khi  nhỏ, máy biến áp “gầy” và cao, nếu  lớn thì máy biến áp “ béo” và thấp với những trị số khác nhau thì tỷ lệ trọng lượng sắt

và trọng lượng đồng trong máy biến áp cũng khác nhau  nhỏ trọng lượng sắt ít, lượng đồng nhiều,  tăng lên thì lượng sắt tăng lên, lượng đồng nhỏ lại

8 Đường kính của lỏi thép:

Theo công thức (2-37) TLHD

d = A.x Trong đó x = 4 

A là hằng số A = 0,507.4 '

2 2 1

.

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

9 , 0 6 , 1 4 , 4 50

95 , 0 04018 , 0 210

= 0,1846 Vậy d = A.x = 0,1864.x

9 Trọng lượng tác dụng của lỏi thép

9.1 Trọng lượng thép trong trụ:

Gt =

x

A1 + A2.x2 (theo CT 2-42 TLHD ) Với A1 = 5,663.104.a A3.k1d

A2 = 3,605.104.0,9.0,18462.0,05 = 55,29 (kg)

Vậy Gt =

x

86 , 448

+ 55,29.x2 9.2 Trọng lượng thép trong gông

B1 = 2,4.104.kg.k1d.A3.(a+b+e) = 2,4.104.1,025.0,9.0,18463.(1,4 + 0,40 + 0,405) = 307,18 (kg)

2

1

.

4 , 1 630

= 481,94 (kg)

Gdq = 21

x

C = 4812,94

1

2 2

B

A

B 

= 3

2

18 , 307

29 , 55 19 ,

A =

18 , 307 3

86 , 448

C 2

kdqfe.k =

18 , 307 3

94 , 481 2

.1,84.1,06 = 2,04 Với 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 các phần điều chỉnh điện áp ở cuộn cao áp) k=1,03.1,03 = 1,06

Từ x = 1,1768 ta tính được các thông số ở trên như sau

- Trọng lượng thép trong trụ:

Gt =

x

86 , 448

+ 55,29.x2 =

1768 , 1

86 , 448

94 , 481

94 , 481 4 , 2

14 Tiết diện tác dụng của trụ

Theo công thức (2-68a) TLHD, ta có

2

.G

kp0 0

] Trong đó

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 = 1,13

kpo = kn.k’po+ kt.k’’po

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

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

Tra bảng 46a TLHD ta có:

Go-(N+2)G0] + k’’if.qk.nk.Tk

Trong đó :

k’if = kib.kic= 1,20 là tôn lạnh có ủ sau khi cắt dập

k’’if = kig.kie.kit = 1,06 là tiết diện gông nhiều bậc lá thép có ủ

qt = 1,775(VA/kg), qg= 1,575 (VA/kg) là suất từ hoá của trụ và gông

qkt = 23500 VA/m2

, qkg = 2000 VA/m2 là những suất từ hoá ở những khe hở không khí (bảng 50 TLHD)

kig là hệ số làm tăng công suất từ hóa ở gông: kig =1,00

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 = 27,95 (tra bảng 53 LTHD)

Q0 =1,20.1,06.1,775.(Gt +

2

95 , 27

Go) + 1,20.1,06 1,575 [Gg +

2

35 , 1 1

.Go- (4+ 2).Go ] + 1,06 23500 4.Tt + 1,06 2000 3 Tt =

= 2,2578Gt + 2,0034Gg + 20,88456G0 + 99640.Tt + 6360.Tt

= 2,2578.457,99 + 2,0034.542,42 + 20,88456.59,97 + 99640.0,0472 + 6360.0,033 = 8294(VAr)

17 Thành phần phản kháng của dòng điện không tải

Theo công thức (2-62) TLHD

I0 =

S

10

Qo

=

630 10

G

.

k

P k

=

348 10 4 , 2

6040 93 , 0

12

 = 2,59.106 A/mm2

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

19 Khoảng cách giữa hai trụ:

C = d12 + a12 + 2a2 +a22

Với 2a2 = 0,4.d  a2 =

2

4 ,

Với k = 1,03.1,03 = 1,06

Tra bảng 16 TLHD ta được kd.fe = 1,84

td = 307,18.x3 + (30,19 + 55,29).x2 +

x

86 , 448

Đường kính trụ sắt: d = A.4  = 0,1846.4 1 , 7 = 0,2108(m), chọn đường kính tiêu chuẩn d = 0,21

-Tính lại trị số β: dm 4

) A

d (

4

1846 , 0

21 , 0

86 , 448

P

.100 =

23 , 1695

39 , 1689 23 ,

675 , 1

294 , 0 14 , 3

n f

G k

P k

.

..106 =

2 12

1376 , 1

94 , 481 10 4 , 2

6040 93 , 0

TÍNH TOÁN KẾT CẤU DÂY QUẤN CỦA MÁY BIẾN ÁP

I Tính toán dây quấn thứ cấp (hạ áp)

1 Sức điện động của một vòng dây:

231 = 21 Chọn W2 = 21 (vòng)

Uf2 là điện áp trên một trụ của dây quấn thứ cấp , Uf2 = 231 V trên cả ba trụ

Điện áp thực của mỗi vòng dây Uv =

231 = 11 (V)

3 Mật độ dòng điện trung bình:

 tb = 0,746 kf

12

v n

d S

U P 104 = 0,746.0,93

294 , 0 630

11 6040

.104 = 2,49 (MA/m2)

4 Tiết diện vòng dây sơ bộ:

T’2 =

tb 2

I

10 49 , 2

3 , 909

= 365,39.10-6 (m2) = 365,39 (mm2) Theo bảng 38 TLHD , với S = 630kV, I2 = 909,3 A, U2 = 231 V;

T’2 = 365,39mm2 , ta chọn dây quấn hạ áp kiểu hình xoắn mạch đơn dây dẫn chữ nhật

5 Chiều cao sơ bộ mỗi vòng dây

hv2 =

4 W

Tiết diện Td2 = 37,1 mm2

Chọn số sợi chập kép nv2 = 10

Quy cách dây quấn như sau: Cд - 10

5 , 8 25 , 5

8 75 , 4

3 , 909

 = 2,45 MA/m2

10 Chiều cao thực của dây quấn hạ áp

Ở đây ta chọn dây quấn hình xoắn mạch kép hoán vị phân bố đều, có rãnh dầu giữa tất cả các bánh dây (CT 3-23c)

12 Đường kính trong của dây quấn hạ áp: (CT 3-25)

D2’ = d + 2.a01 10-3 với a01 = 5mm, d = 0,21m;

D’2 = 0,21 + 2.5.10-3 = 0,22 (m)

13 Đường kính ngoài của dây quấn hạ áp (CT 3-26)

D’’2 = D’1 + 2.a2 = 0,22 +2.0,02625 = 0,2725(m)

14 Bề mặt làm lạnh của dây quấn

Với dây quấn hình xoắn mạch đơn có rãnh dầu giữa tất cả các bánh dây (CT 3-27a)

A A

A

.21.371.103 = 161,16 (kg)

16 Trọng lượng dây quấn thứ cấp kể cả cách điện

Gdq2 = 1,02.Gcu2 =1,02.161,16 = 164,38 (kg)

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

1 Chọn sơ đồ điều chỉnh điện áp:

Máy biến áp sau khi thiết kế có thể lắp đặt ở nơi gần nguồn hoặc xa nguồn vì thế điện áp đưa vào cuộn sơ cấp (cao áp) thay đổi một lượng U nào đó Vì vậy để duy trì điện áp đầu ra ổn định 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:

2 Số vòng dây của dây quấn sơ cấp (cao áp) ứng với điện áp định mức:

W1 = W2

2 1

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 :

53 , 16

0 , 3 ; 7,07 mm2

7 Tiết diện toàn phần của một vòng dây

T1 = nv1 T’d1.10-6 = 1 7,07 10-6 = 7,07 10-6 m2 = 7,07 mm2

8 Mật độ dòng điện thực:

53 , 16 = 2,34 (A/mm2)

9 Số vòng dây trên một lớp:

1 '

10

.

1 1

3 1

d n

10 580 ,

0 3  = 165 (vòng)

l1 = l2 = 0,580 m ; d1’ là đường kính dây kể cả cách điện (d’1 = d1 + 0,5 (mm)

10 Số lớp của dây quấn:

= 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 = 2.165.11 = 3630 (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 6 x 0,12mm

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

Chiều rộng rãnh dẫn dầu a12 giữa dây quấn hạ áp và cao áp; chiều dày ống cách điện giữa hai dây quấn 12; khoảng cách cách điện giữa dây quấn cao áp a22; chiều dày ống giấy cách điện giữa hai pha 12; 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 lấy tròn thành số nguyên nên số vòng dây trong mỗi lớp có thể không đúng bằng W12 đã tính ở trên, do đó cần phải phân phối sao cho số vòng dây giữa các lớp gần xấp xỉ với số đó ( nên phân phối hầu hết các lớp đều có số vòng dây là W12 còn bao nhiêu phân 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 này dùng làm cuộn HA hay TA thì hai tổ lớp nên bố trí có số lớp bằng nhau Kích thước rãnh dầu dọc trục xem ở bảng 54a

15 Chiều dài dây quấn CA:

3 22 12

Trong các dây quấn điện áp 35 kV, thường ở đầu dây quấn - tức ở lớp trong cùng của cuộn cao 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 phía bằng cách điện lớp nên lúc đó chiều dày dây quấn cao áp sẽ là:

3 1 1

3 1 12

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 lên hình trụ cách điện có que nêm thì có bốn mặt làm lạnh

1 1 1

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

M    (CT 3-42d)

= 2.3.0,8.3,14.(0,3215 + 0,398).0,58 = 6,21 (m2)

Với t = 3; k = 1; l1 = 0,58 m

k = 0,8 là hệ số tính đến bề mặt làm lạnh bị các chi tiết cách điện che khuất

20 trọng lượng của dây :

Gcu1 = 28.t

2

'' 1 '

398 , 0 3125 ,

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 ngắn 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 trường tản xuyên qua dây quấn làm cho dòng điện phân bố không đều trong tiết diện dây gây ra Pf1, Pf2

3/- Tổn hao chính 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 cấp ( cao áp )

Pcu1 = 2,4.10-12 2

1

 Gcu1 = 2,4.10-12.2,342 1012.237,7 = 3198,26 (W)

-Tổn hao tổng của dây quấn thứ cấp và sơ cấp là :

2

 = 0 , 95

58 , 0

10 42

1

= 0 , 95

58 , 0

165 10

3 3

= 0,811

kf1 = 1 + 0,044.108.0,8112.34.72.10-12 = 1,011

3 Tổn hao chính trong dây dẫn ra:

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

Xác định tổn hao trong các dây quấn

n thanh dẫn

m thanh dẫn

- Chiều dài dây dẫn ra của dây quấn thứ cấp (hạ áp) : Khi dây quấn nối Y , ta có:

lr2 = 7 l, 5 2= 7,5.0,58 = 4,53 (m)

- Trọng lượng dây dẫn ra: Gr2 = lr2.Tr2. (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 = 371 mm2; cu = 8900kg/m3

3.2 Tổn hao trong dây dẫn ra đối với dây quấn sơ cấp (Cao áp)

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

Theo công 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 = 0,015

Pt = 10.0,015.630 = 94,5 (W)

5 Tổn hao ngắn mạch của máy biến áp là:

Pn = Pcu1.kf1 + Pcu2.kf2 + Pr1 + Pr2 + Pt

= 3198,26.1,011 + 2323,55.1,053 + 3,5 + 207,09 + 94,5 = 5986,23(W) Khi điện áp dây quấn cao áp định mức thì:

Pnđm = Pn – 5%.PCu1.kf1

= 5986,23 – 5%.3188,26.1,011 = 5824,48 (W)

48 , 5824

= 0,925 (%)

2 Thành phần điện áp ngắn mạch phản kháng:

Unx = 2

' 9

,

7

v

r r

U

k a S

292 , 0 14 ,

0    ; kr = 0,95 ; Uv = 11 (V);

Unx = 10 4 , 277 %

11

95 , 0 042 , 0 58 , 1 10 210 50 9 ,

U  = 0 , 9252 4 , 2772  4 , 376 % Sai lệch so với tiêu chuẩn:

5 , 4 376 , 4





< 5 % thoả mãn điều kiện cho phép

III Tính các lực cơ học chủ yếu của dây quấn

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

Un là điện áp ngắn mạch (%)

- Đối với dây quấn sơ cấp (cao áp)

In1 =

376 , 4

53 , 16 100

= 377,82(A)

- Đối với dây quấn thứ cấp ( hạ áp )

In2 =

376 , 4

3 , 909 100

= 20779,25(A) Trị số dòng cực đại: