Giáo trình Phần điện trong nhà máy điện và trạm biến áp: Phần 2

β / Nãúu cäng suáút phaït vaìo hãû thäúng tæì thanh goïp cáúp U F beï hån cäng suáút dæû træî quay cuía hãû thäúng, thç trong træåìng håüp naìy MBA chè laìm nhiãûm vuû liãn laûc våïi h[r]

Chương 4

MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN LỰC

4.1 Mở đầu

4.1.1 Khái niệm

Máy biến áp (MBA) là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ thực hiện nhiệm vụ biến đổi điện năng từ cấp điện áp này sang cấp điện áp khác cho phù hợp với yêu cầu truyền tải và sử dụng điện

Điện năng được truyền tải từ nhà máy điện (NMĐ) đến hộ tiêu thụ thường qua nhiều lần biến đổi điện áp bằng các máy biến áp tăng và giảm áp Do đó tổng công suất đặt của máy biến trong hệ thống điện thường gấp (4 - 6) lần tổng công suất các máy phát có trong hệ thống Mặc dù hiệu suất MBA tương đối cao (≈ 98%) nhưng tổn thất điện năng hàng năm trong máy biến áp vẫn rất lớn Vì vậy người ta mong muốn giảm số bậc máy biến áp, giảm công suất đặt máy biến áp và sử dụng chúng đạt hiệu quả cao hơn Điều này có thể thực hiện được bằng cách thiết kế hệ thống điện hợp lý, sử dụng máy biến áp tự ngẫu trong những mạng điện thích hợp và tận dụng khả năng tải của máy biến áp, không ngừng cải tiến cấu tạo máy biến áp góp phần nâng cao độ tin cậy và tiết kiệm nguyên vật liệu

Xu thế hiện nay người ta chế tạo MBA với cấp điện áp cao và thay đổi cấu trúc để tăng công suất đơn vị, với việc sử dụng thép cán nguội có cách điện tốt và hệ thống làm mát tốt người ta có thể chế tạo những loại MBA có công suất đơn vị lớn Tuy nhiên công suất đơn vị còn bị hạn chế bởi kích thước, trọng lượng và điều kiện chuyên chở, ngày nay người ta đã chế tạo được MBA các cỡ sau :

MBA ba pha : Điện áp (220 - 330) KV Công suất 630 MVA

Điện áp 500 KV Công suất 1.200 MVA

MBA tự ngẫu : Điện áp 500 /110 KV Công suất 1.500 MVA

MBA một pha : Điện áp 500 KV Công suất 1.600 MVA

Trong thực tế người ta cố gắng chọn MBA ba pha vì tổn thất trong MBA ba pha bé hơn trong MBA một pha có cùng công suất từ (12 - 15) %, kích thước, trọng lượng, gía thành cũng giảm so với MBA một pha Vì vậy khi không chọn được MBA ba pha mới chọn MBA một pha

4.1.2 Phân loại máy biến áp

- Phân loại theo số pha: Máy biến áp 1 pha (O), máy biến áp 3 pha (T)

- Phân loại theo số cuộn dây gồm có :

+ MBA ba cuộn dây (T)

+ MBA hai cuộn dây

Chương 4

MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN LỰC

4.1 Mở đầu

4.1.1 Khái niệm

Máy biến áp (MBA) là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ thực hiện nhiệm vụ biến đổi điện năng từ cấp điện áp này sang cấp điện áp khác cho phù hợp với yêu cầu truyền tải và sử dụng điện

Điện năng được truyền tải từ nhà máy điện (NMĐ) đến hộ tiêu thụ thường qua nhiều lần biến đổi điện áp bằng các máy biến áp tăng và giảm áp Do đó tổng công suất đặt của máy biến trong hệ thống điện thường gấp (4 - 6) lần tổng công suất các máy phát có trong hệ thống Mặc dù hiệu suất MBA tương đối cao (≈ 98%) nhưng tổn thất điện năng hàng năm trong máy biến áp vẫn rất lớn Vì vậy người ta mong muốn giảm số bậc máy biến áp, giảm công suất đặt máy biến áp và sử dụng chúng đạt hiệu quả cao hơn Điều này có thể thực hiện được bằng cách thiết kế hệ thống điện hợp lý, sử dụng máy biến áp tự ngẫu trong những mạng điện thích hợp và tận dụng khả năng tải của máy biến áp, không ngừng cải tiến cấu tạo máy biến áp góp phần nâng cao độ tin cậy và tiết kiệm nguyên vật liệu

Xu thế hiện nay người ta chế tạo MBA với cấp điện áp cao và thay đổi cấu trúc để tăng công suất đơn vị, với việc sử dụng thép cán nguội có cách điện tốt và hệ thống làm mát tốt người ta có thể chế tạo những loại MBA có công suất đơn vị lớn Tuy nhiên công suất đơn vị còn bị hạn chế bởi kích thước, trọng lượng và điều kiện chuyên chở, ngày nay người ta đã chế tạo được MBA các cỡ sau :

MBA ba pha : Điện áp (220 - 330) KV Công suất 630 MVA

Điện áp 500 KV Công suất 1.200 MVA

MBA tự ngẫu : Điện áp 500 /110 KV Công suất 1.500 MVA

MBA một pha : Điện áp 500 KV Công suất 1.600 MVA

Trong thực tế người ta cố gắng chọn MBA ba pha vì tổn thất trong MBA ba pha bé hơn trong MBA một pha có cùng công suất từ (12 - 15) %, kích thước, trọng lượng, gía thành cũng giảm so với MBA một pha Vì vậy khi không chọn được MBA ba pha mới chọn MBA một pha

4.1.2 Phân loại máy biến áp

- Phân loại theo số pha: Máy biến áp 1 pha (O), máy biến áp 3 pha (T)

- Phân loại theo số cuộn dây gồm có :

+ MBA ba cuộn dây (T)

+ MBA hai cuộn dây

Ngoài ra còn có loại MBA có cuộn dây phân chia ở hạ áp, thường sử dụng khi cần nối bộ một số máy phát vào MBA và nhờ vậy làm giảm được kết cấu thiết bị phân phối hoặc được dùng trong sơ đồ tự dùng của nhà máy điện và ở các trạm giảm áp nhằm giảm dòng ngắn mạch phía hạ áp

- Phân loại theo phương pháp làm mát gồm có :

+ Máy biến áp kiểu khô: Cách điện là điện môi rắn, làm mát bằng không khí (C)

+ Máy biến áp kiểu dầu: Cách điện và môi trường làm mát chủ yếu là dầu

• Làm mát tự nhiên bằng dầu (M)

• Làm mát bằng dầu tuần hoàn tự nhiên và có quạt gió (Д)

• Tuần hoàn cưỡng bức dầu có quạt gió (ДЦ)

• Tuần hoàn cưỡng bức của nước và dầu có quạt gió (Ц)

- Theo phương pháp điều chỉnh điện áp: Máy biến áp thường, máy biến áp diều áp dưới tải (H)

Ví dụ: Máy biến áp Liên Xô ký hiệu: ATДЦTH 100/220: Máy biến áp tự ngẫu ba

pha, ba cuộn dây điều áp dưới tải, làm mát bằng dầu tuần hoàn cưỡng bức có quạt gió, công suất định mức 100 MVA - Điện áp cao 220 KV

4.2 Các thông số của máy biến áp

Các máy biến áp được tính toán, chế tạo với một chế độ làm việc lâu dài và liên tục nào đó gọi là chế độ định mức, đây là chê ú độ làm việc của máy biến áp ứng với các thông số và điều kiện định mức: điện áp U = Uđm, tần số f = fđm, công suất S = Sđm và điều kiện môi trường như khi tính toán thiết kế ( tmt = ttk )

4.2.1 Công suất định mức máy biến áp

Công suất định mức là công suất toàn phần ( biểu kiến) được nhà máy chế tạo qui định trong lý lịch MBA Máy biến áp có thể tải được liên tục công suất này (S = Sđm ) khi điện áp là Uđm , tần số là fđm và điêù kiện làm mát là định mức và khi đó tuổi thọ của MBA sẽ bằng định mức

- Đối với MBA hai cuộn dây công suất định mức là công suất của mỗi cuộn dây

- Đối với MBA ba cuộn dây người ta có thể chế tạo các loại sau:

+ 100/100/100 là loại có công suất của mỗi cuộn dây đều bằng công suất định mức

+ 100 /100 /66,7 là loại có công suất của hai cuộn dây bằng công suất định mức và công suất của cuônü thứ ba bằng 66,7% công suất định mức

- Đối với MBA tự ngẫu thì công suất định mức là công suất của một trong hai đầu

sơ hoặc thứ cấp mà hai đầu này có liên hệ tự ngẫu với nhau, công suất này còn gọi là công suất xuyên

4.2.2 Điện áp định mức

Điện áp định mức của máy biến áp là điện áp của các cuộn dây khi không tải được qui định trong lý lịch máy biến áp

Tỉ số biến đổi điện áp :

đm

đm

UT

S

U

K= Gọi là Tỉ số biến áp

4.2.3 Dòng điện định mức

Dòng điện định mức là dòng điện của các cuộn dây được nhà máy chế tạo qui định, với các dòng điện naöy thì máy biến áp làm việc lâu dài mà không bị quá tải Dòng điện định mức xác định như sau:

đm i

đm i đm

i

3U

S

4.2.4 Điện áp ngắn mạch U n %

Điện áp ngắn mạch là điện áp giữa hai đầu cuộn sơ cấp khi ngắn mạch cuộn thứ cấp thì dòng điện trong cuộn dây sơ cấp bằng dòng điện định mức

Ý nghĩa : Điện áp ngắn mạch đặc trưng cho điện áp rơi trên tổng trở cuộn dây MBA khi dòng chạy trong cuộn dây bằng dòng định mức và dùng để xác định tổng trở cuộn dây MBA Khi Uđm , Sđm tăng thì Un cũng tăng

Ví dụ : Với Uc = 35 KV ; Sđm = 630 KVA thì Un = 6,5 %

Uc = 35 KV ; Sđm = 80.000 KVA thì Un = 9 %

Khi Un tăng thì giảm được dòng ngắn mạch nhưng sẽ tăng tổn thất công suất, tổn thất điện áp trong máy biến áp và giá thành MBA cũng tăng

- UN% là tỉ lệ phần trăm điện áp ngắn mạch so với điện áp định mức

100 U

U

% U

dm

N

UN được xác định bằng thí nghiệm ngắn mạch: ( sơ đồ như hình sau)

Nối tắt cuộn dây thứ cấp, tăng điện áp nguồn đưa vào cuộn dây sơ cấp cho đến khi chỉ số trên Ampe kế bằng dòng định mức thì giá trị UN chính là chỉ số trên voltmet

- Khi ngắn mạch UN rất nhỏ nên từ thông trong máy biến áp cũng rất nhỏ nghĩa là

ta xem như dòng không tải I0 = 0, trong sơ đồ thay thế ta có thể bỏ nhánh xm-rm

U

.Z I

đm

đm đm

=

% 100 U

UN

[%]

∼ V

A

UN

UN

xm

rm

Xn= x1+x2'

rn= r1+r2'

Iđm

Ư Z = 100

I

%.U U

đm

đm N

[Ω ]

Chú ý: Khi thí nghiệm ngắn mạch điện áp đặt vào hai đầu cuộn dây sơ cấp nhỏ nên dong điện bằng dòng định mức nhưng khi ngắn mạch sự cố điện áp hệ thống có giá trị lớn nên dòng ngắn mạch rất lớn

4.2.5 Dòng điện không tải I o %

Dòng điện không tải là đại lượng đặt trưng cho tổn hao không tải của MBA, phụ thuộc tính chất từ, chất lượng cũng như cấu trúc lắp ghép của lỏi thép Ngày nay người

ta sử dụng thép tốt để chế tạo MBA nên dòng I0 giảm

I0 % biểu thị bằng phần trăm so với dòng điện định mức Iđm

Quan hệ giữa dòng không tải và tổn hao không tải:

.100 S

∆Q 100 S

S 100 S

.I U 3 100 U

3 / S

I 100

I

I

%

I

đm

Fe đm

0 đm

0 đm đm

đm

0 đm

0

Trị số của dòng không tải được xác định nhờ thí nghiệm không tải: Ta cho hở mạch cuộn thứ cấp và đưa vào cuộn sơ cấp điện áp bằng điện áp định mức thì giá trị dòng điện

đo được ở mạch sơ cấp chính là giá trị dòng không tải

4.3.6 Tổ đấu dây của máy biến áp

Trong các máy biến áp ba pha các cuộn dây có thể nối lại với nhau thành hình sao (Y), tam giác (∆) hay nối ziczag Khi nối sao ta lấy ba đầu cuối nối chung và ba đầu còn lạ để tự do ( hình a), nối tam giác thì đầu cuối của pha này nối với đầu đầu của pha kia (hình b) Khi nối ziczag cuộn dây của mỗi pha được chia làm hai nửa và được quấn trên hai trụ khác nhau, hai nửa này được nối nối tiếp ngược nhau (hình c)

Kiểu nối ziczag rất ít dùng vì tốn nhiều đồng hơn và chỉ gặp trong các máy biến áp dùng cho thiết bị chỉnh lưu hoặc trong các máy biến áp đo lường để hiệu chỉnh sai số về góc lệch pha

Thông thường các máy biến áp hay dùng các tổ đấu dây Y/Y0, Y/∆, Y0/∆ (Y0 các cuộn dây được nối theo hình sao và trung tính nối đất trực tiếp)

Vậy : Tổ nối dây của máy biến áp được hình thành do sự phối hợp kiểu nối dây sơ cấp so với kiểu nối dây thứ cấp và nó biểu thị gocï lệch pha giữa điện áp dây sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp

∼ V

A

Uđm

I0

Uđm

xm

x1

r1

I0

rm

Σ Sđmba ≥ Sthừa

Sthừa = ΣSFđm - Std - S ptFmin

Cần chú ý khi xét đến khả năng cho phép quá tải thường xuyên thì có thể chọn được công suất định mức nhỏ hơn; và khi sự cố một MBA thì phải sử dụng dự trữ quay của hệ thống để giảm công suất truyền từ thanh góp cấp UF vào cao áp qua MBA, như vậy sẽ dẫn đến chọn Sđmba bé :

Kqtsc Sđmba ≥ SHTmax - SdtHT

β/ Nếu công suất phát vào hệ thống từ thanh góp cấp UF bé hơn công suất dự trữ quay của hệ thống, thì trong trường hợp này MBA chỉ làm nhiệm vụ liên lạc với hệ thống và dùng làm dự trữ cho phụ tải cấp điện áp máy phát lúc một MFĐ nghỉ; và do đó chỉ cần đặt một máy biến áp

Công suất MBA phải được chọn theo hai điều kiện:

- Phải tải được công suất thừa của nhà máy điện lúc làm việc bình thường ban ngày

- và phải tải được công suất từ hệ thống về TGUF khi ngừng một máy phát điện lớn nhất

Kinh nghiệm cho thấy rằng phụ tải UF thường tăng theo thời gian nên có thể chọn công suất máy biến áp này bằng công suất một máy phát lớn nhất

γ / Nếu phụ tải cực đại ở thanh góp Uf kể cả tự dùng lớn hơn tổng công suất các MFĐ ở nhà máy, thì phải thường xuyên nhận công suất từ hệ thống về nên phải đặt hai máy biến áp liên lạc với hệ thống

Tổng công suất của máy biến áp được chọn không bé hơn công suất cực đại nhận từ hệ thống về trong chế độ làm việc bình thường Khi một MFĐ lớn nhất nối vào thanh góp cấp điện áp máy phát ngừng làm việc, thì hai máy biến áp này với khả năng quá tải cho phép phải tải được công suất cần thiết cho phụ tải cấp Uf kể cả tự dùng Hoặc khi một MBA nghỉ do sự cố, thì máy biến áp còn lại với khả năng quá tải sự cố cho phép phải tải đủ công suất còn thiếu cho phụ tải câïp điện áp máy phát

2 Chọn MBA cho các nhà máy điện có 2 cấp điện áp tăng

- Khi nhà máy có 2 cấp điện áp tăng , để liên lạc giữa ba cấp điện áp ta dùng MBA ba dây quấn hay biến áp tự ngẫu

Thường ở các nhà máy nhiệt điện trung tâm có cấp điện áp 35KV có trung tính không nối đất trực tiếp nên không thể dùng tự ngẫu mà chỉ dùng biến áp ba dây quấn Để liên lạc ba cấp điện áp ta đặt 2 MBA 3 dây quấn và công suất của các MBA này phải được chọn sao cho tải được công suất thừa của nhà máy điện ở thanh góp điện áp Mf lúc phụ tải cực tiểu ban ngày

Sđmba ≥ 1/2 Sthừa = 1/2 [ΣSFđm - Std - S ptFmin]

Đối với biến áp ba dây quấn cần phải lưu ý điều kiện tổng công suất của các bộ bên trung áp không được lớn hơn công suất của phụ tải cấp UT lúc cực tiểu:

SbôüüT ≤ STmin Còn đối với máy biến áp tự ngẫu thì điều kiện này không cần thiết lắm, vì khả năng truyền tải công suất từ TA sang CA của tự ngẫu rất lớn

Khi một MBA bị sự cố nếu không có nguồn dự trữ nào cho điện áp trung thì MBA phải đảm bảo điều kiện :

Kqtsc Sđmba ≥ STmax - Sbộ

Ngoài ra còn phải kiểm tra khả năng quá tải của hai máy biến áp ba cuộn dây lúc sự cố một bộ MF-MBA lớn nhất bên trung áp:

2 Kqtsc Sđmba ≥ STmax - (ΣSbộ-Sbộmax) Nếu công suất phụ tải bên trung áp vượt quá 40 đến 50% công suất một MBA thì kể đến khả năng phát triển phụ tải trung áp, ta có thể chọn BA ba cuộn dây loại 100/100/100 Nếu công suất phụ tải bên trung áp nhỏ hơn đại lượng trên ta có thể chọn loại 100/100/66.7

- Trường hợp SptT quá bé ta có thể không dùng MBA 3 dây quấn mà dùng MBA

2 dây quấn

- Nếu tổng công suất phát nhỏí hơn phụ tải ở cấp Ut và Uf kể cả tự dùng thì ta phải đặt 2MBA Công suất định mức cũng được chọn tương tự như trường hợp có một cấp điện áp tăng