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.. Chiều cao thực của dây quấn hạ áp Ở đây ta c

Trang 1

Đồ án môn học thiết kế máy biến áp dầu 3 pha GVHD-ThS Bùi Tấn Lợi

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;

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

Trang 2

a 22 l rãnh dầu của hai dây quấn

a1 bề rộng dây quấn cao áp

Trang 3

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, δ12 = 5 mm trong rãnh

a12 đặt ống cách điện dày δ = 5 mm Theo bảng công thức (2-36) và bảng 12 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 6Cách ghép trụ: Theo bảng 6 TLHD, ta chọn cách ghép trụ bằng nêm và dâyquấn Cách ép gông: Ta chọn cách ép gông bằng xà ép, bu lông đặt phía ngoàigông 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

ghép thẳng lá tôn

Theo bảng 4 TLHD chọn số bậc thang trong

trụ là 8 số bậc thang của gông lấy nhỏ hơn trụ

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 = B t =1,6 = 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)

Với Bg = 1,56T tra được pg= 1,207 (W/kg), qg = 1,575(VA/kg)

Trang 4

Suất từ hoá ở khe không khí:

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

Với B’k = 1,13 (T) tra dược q’k = 2000 VA/m2

4 Các khoảng cách cách điện chính:

Chọn theo Uth1 = 55 kV của cuộn sơ cấp ( cao áp ) và Uth2 = 5 kV của cuộn thứ cấp (hạ áp) Tra bảng 18, 19 TLHD ta có các số liệu sau :

- Trụ và dây quấn hạ áp a01 = 5 mm

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

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

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

- Tấm chắn giữa các pha δ22= 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:

a = d12

d =1,36 b = 2a2

d = 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 gâynên, kf = 0,93; e = 0,405 là hệ số qui đổi ½ tiết diện trụ hình thang về hình chữnhật, 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 β để chỉ quan hệ giữa chiều rộng và chiều cao của máy

= π .d

12 ;β thay đổi từ 1,2 đến 3,6

l

Sự lựa chọn hệ số β không những ảnh hưởng đến mối tương quan khối lượng vậtliệu thép, dây đồng mà còn ảnh hưởng đến các thông số kỹ thuật như: Tổn haokhông 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 β nhỏ, máy biến áp “gầy” và cao, nếu β lớn thì máybiến áp “ béo” và thấp với những trị số khác nhau thì tỷ lệ trọng lượng sắt

Trang 5

và trọng lượng đồng trong máy biến áp cũng khác nhau β nhỏ trọng lượng sắt ít, lượng đồng nhiều, β 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.xTrong đó x = 4 β

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 4210.0,04018.0,9550.4,4.1,62 0,9 2 = 0,1846Vậy d = A.x = 0,1864.x

9 Trọng lượng tác dụng của lỏi thép

Trang 7

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)

Trang 8

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 = 448,86 + 55,29.x2 =

x

448,86 1,1768 + 55,29.1,17682 = 457,99 (kg)

- Trọng lượng thép trong gông:

Trang 9

14 Tiết diện tác dụng của trụ

Theo công thức (2-68a) TLHD, ta có

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:

Trang 10

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 hởkhông 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)

Trang 11

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:

Trang 13

Trang 14

1.760,000 1.740,000

1.700,000 1.680,000 1.660,000

có thể lấy β = 1,7

Đường kính trụ sắt: d = A

chuẩn d = 0,21

4 β

Trang 15

- Tiết diện hữu dụng của trụ sắt: Tt = kđ.Tb = 0,97.0,03192 = 0,031 (m2)

Với Tb = 0,03192 m2 theo bảng 42 TLHD ứng với d = 0,21 m

- Khoảng cách giữa hai trụ:

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:

Trang 16

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 = U f 2 = 231= 11 (V)

Trang 17

Tiết diện Td2 = 37,1 mm2

Chọn số sợi chập kép n v2 = 10

Quy cách dây quấn như sau: Π Cд - 10× 4,75× 8

; 37,1 5,25 × 8,5

7 Tiết diện mỗi vòng dây:

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)

với n = 2 đối với dây quấn hình xoắn mạch kép

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)

Trang 18

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 vìthế điện áp đưa vào cuộn sơ cấp (cao áp) thay đổi một lượng ∆ U nào đó Vì vậy đểduy trì điện áp đầu ra ổn định trong một phạm vi nào đó ta phải chọn đầu phân ápcho phù hợp trước khi lắp đặt

Dòng điện làm việc qua các tiếp điểm:

Trang 19

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

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

Trang 20

∆ 1 = I1=

T1

16,53 7,07 = 2,34 (A/mm2)

= 0,580.103 − 1 = 165 (vòng)

1.3,5

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:

165 = 7 (lớp), nên lấy tròn n12 với số nguyên lớn hơn

11 Điện áp làm việc giữa hai lớp kề nhau:

U 12 = 2. W U v

12 = 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 cáchđiện giữa hai dây quấn δ12 ; khoảng cách cách điện giữa dây quấn cao áp a22; chiềudày ống giấy cách điện giữa hai 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 lấy tròn thành số nguyên nên số vòng dây trongmỗi lớp có thể không đúng bằng W12 đã tính ở trên, do đó cần phải phân phối saocho số vòng dây giữa các lớp gần xấp xỉ với số đó ( nên phân phối hầu hết các lớpđều có số vòng dây là W12 còn bao nhiêu phân phối cho một hai vài lớp ngoàicùng)

Để tăng điều kiện làm nguội thường theo chiều dày của dây quấn thành hai tổlớp Giữa hai tổ có rãnh dầu dọc trục a’22 Tổ lớp trong làm nguội khó khăn hơnnên 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 tổlớp nên bố trí có số lớp bằng nhau Kích thước rãnh dầu dọc trục xem ở bảng 54a

15 Chiều dài dây quấn CA:

a 1 = [d' 1 (n + m) + δ 12 [(n − 1) + (m − 1)] + a' 22 ].10−3(m) (CT 3-37a)

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

Trang 21

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:

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 :

Trang 22

TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH MÁY BIẾN ÁP

Tính toán ngắn mạch trong máy biến áp liên quan đến việc tính toán tổn haongắn mạch Pn, điện áp ngắn mạch Un, các lực cơ học trong dây quấn và sự phátnóng 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 dodòng điện gây ra Pcu1, Pcu2

2/- Tổn hao phụ trong hai cuộn dây do từ trường tản xuyên qua dây quấn làmcho dòng điện phân bố không đều trong tiết diện dây gây ra Pf1, P f2

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 bỏqua

5/- Tổn hao trong vách thùng dầu và các kết cấu kim loại khác Pt do từ thôngtản 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:

Trang 23

3 Tổn hao chính trong dây dẫn ra:

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

n thanh dẫn

m thanh dẫn

Xác định tổn hao trong các dây quấn

Trang 24

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

lr2 = 7,5.l2 = 7,5.0,58 = 4,53 (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

- Trọng lượng đồng của dây dẫn ra cuộn sơ cấp

- Tổn hao trong dây dẫn ra đối với dây quấn sơ cấp

P r1 = 2,4.10 -12 ∆ 1 G r1

2

= 2,4.10-12.2,342.1012.0,27 = 3,59 (W)

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:

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

II Điện áp ngắn mạch

Trang 25

4,5 < 5 % thoả mãn điều kiện cho phép

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

Trang 26

Sinh Viên : Nguyễn Văn Nam - Lớp 31D2DE Trang 24

Trang 27

− π U nr

i1max = 2 In1.(1 + e Unx ) = 2 377,28.(1 + e

− 3,14.0,925 4,277 ) = 805,27(A)

i 2max = 2 I n2 (1 + e π .U nr

− 3,14.0,925

.20779,25.(1 + e 4,277 ) = 44287,3(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 ngắnmạch, lực cơ học tác dụng lên dây quấn không đều nhau Mặt khác giữa các vòngdây còn có cách điện, có đệm lót… Và do đó tính đàn hồi của các chi tiết đó có ảnhhưởng đến lực tác dụng lên dây quấn nên thực tế lực tác dụng đó lại nhỏ hơn lực cơhọc đã tính toán

điện gây nên.

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

Trong đó 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):

Trang 28

Tác dụng của lực hướng kính lên dây quấn đồng tâm

Trang 29

2.2 Lực dọc trục

Lực dọc trục do từ thông tản ngang trục tác dụng với dòng điện trong dây quấnsinh ra Từ thông tản ngang trục B’ phụ thuộc vào chiều cao l và chiều rộng của dâyquấn Theo công thức (4-36) TLHD ta có: F’t = Fr 2a l r (N)

- Đối với dây quấn thứ cấp ( HA):

- Các lực ép chiều trục của hai dây quấn:

Do cuộn dây phân bố đều theo chiều cao nên lực hướng trục F’’t = 0 Dựa vào

sự phân bố lực ép vào dây quấn, ta thấy lực ép cực đại ở giữa chiều cao dây quấn

Fe = F’t; lực đẩy gông lên F G = 0

3 Tính ứng suất dây quấn:

3.1 Ứng suất phá đứt đối với dây quân:

Trang 30

3.2 Ứng suất do lực chiều trục gây nên:

Lực chiều trục chủ yếu là lực nén Fn Lực này chủ yếu làm hỏng những miếng đệm cách điện ở giữa các vòng dây

- Với dây quấn có nêm chèn:

I TÍNH TOÁN MẠCH TỪ.

1 Xác định h thước cụ thể của máy biến áp:

Trang 31

Mạch từ của máy biến áp ta đang thiết kế gồm những lá thép cán lạnh đẳnghướng 3404, bề dày lá thép là 0,35 mm Kết cấu lõi thép kiểu ba pha ba tru, các láthép ghép xen kẻ, có 4 mối ghép xiên ở 4 góc Ép trụ bằng nêm và dây quấn Épgông bằng xà ép gông, bu lông đặt phía ngoài

1.1 Trụ:

Với trụ có đường kính d = 0,21m, công suất định mức Sdm = 630 kVA Tra bảng

4 TLHD ta chọn số bậc thang trong trụ là 7 Tra bảng 41b ta được chiều rộng a vàchiều dày b của tập lá thép như bảng sau:

Với máy biến áp công suất nhỏ hơn 1000 kVA Dùng cách ép gông bằng xà ép

và bu lông không xuyên qua gông Tra bảng 41b , Ta chọn số bậc của gông là 5 vàchiều rộng của các tập thép ngoài cùng là 100 mm

Định dạng
Số trang	55
Dung lượng	1,61 MB