Tài liệu Thiết kế máy biến áp điện lực ppt

Lời nói đầuTrong những năm gần đây, các máy biến áp điện lực có vai trò ngày càng quan trọng trong quá trình phân phối và truyền tải năng l-ợng điện, vì trên thực tế các nhà máy sản xuất

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây, các máy biến áp điện lực có vai trò ngày càng quan trọng trong quá trình phân phối và truyền tải năng l-ợng điện, vì trên thực tế các nhà máy sản xuất điện th-ờng ở những nơi thuận lợi cho việc xây dựng nhà máy sản xuất điện nh- Sông Đà (Hoà Bình), Thác Ya- li, Sơn La…,hoặc có thể xuất khẩu điện năng sang các n-ớc lân cận, chứ không thuận tiện cho việc tiêu thụ điện năng mà những nơi tiêu thụ

điện năng nh- hộ tiêu dùng điện, các nhà máy sản xuất, các khu công nghiệp lại th-ờng ở rất xa Để sử dụng tối đa năng l-ợng điện đã sản xuất

ra ng-ời ta phải đề ra giải pháp truyền tải điện năng đi xa, đồng thời cũng tránh sự mất mát năng l-ợng điện trong quá trình truyền tải thì biện pháp nâng cao điện áp ở đầu đ-ờng truyền tải là có hiệu quả và có tính khả thi nhất Và đến nơi tiêu thụ lại phải có biện pháp hạ thấp điện áp phù hợp với yêu cầu sử dụng

Vì vậy, nhiệm vụ thiết kế các loại máy biến áp điện lực là hết sức cần thiết Ngày nay, các máy biến áp điện lực của n-ớc ta cũng nh- của nhiều n-ớc trên thế giới đã đ-ợc chế tạo theo những tiêu chuẩn thích hợp hơn,

có những thông số kỹ thật cao hơn tr-ớc đây rất nhiều Cho nên những tính toán thiết kế d-ới đây chỉ mang tính “Thiết kế môn học” với trình tự tính toán thết kế một máy biến áp đơn chiếc với thông số máy biến áp do giáo viên h-ớng dẫn môn học đề ra

Đề 45A: Tính toán kích th-ớc chủ yếu của máy biến áp có thông số:

S =1250 KVA UCA/UHA = 35/6,3 KV

Tổ nối dây Y/Y

Sinh viên thực hiện Cao Việt Hà

Năng l-ợng điện

tập trung Tiêu thụ năng l-ợng điện

MBA

Thiết kế máy biến áp điện lực

A Nhiệm vụ thiết kế.

 Tính toán kích th-ớc chủ yếu của máy biến áp có thông số:

S =1250 KVA UCA/UHA = 35/6,3 KV

Po =2000 W Pn =14000 W

Tổ nối dây Y/Y

 Yêu cầu kinh tế, kỹ thuật:

- tổn hao không tải: P0 (W)

- dòng điện không tải: i0%

0

0 0

tt u

tc u tt u n

n n

- máy biến áp kinh tế tốt phải thoả mãn các tham số yêu cầu:

+ có kích th-ớc hợp lý

+ đảm bảo các yêu cầu về độ bền cơ, bền nhiệt

+ đạt hiệu quả kinh tế khi vận hành

+ vận hành đơn giản, dễ sửa chữa, dễ bảo d-ỡng và thay thế

B Tính toán kích th-ớc chủ yếu của máy biến áp.

Ta thiết kế máy biến áp kiểu phẳng, 3 pha, 3 trụ, cách điện và lầm mát bằng dầu máy biến áp, dây quấn bằng đồng

I Các đại l-ợng cơ bản của máy biến áp:

- Dung l-ợng của máy biến áp (3 pha): S=1250 (KVA)

- Dung l-ợng 1 pha của máy biến áp: 416,67

3

1250

3  

 S

- Dung l-ợng 1 trụ: 416 , 67

3

1250 3

- Dòng điện định mức:

35 3

1250



CA U S

3 , 6 3

1250

S HA





- Dòng điện pha định mức:

Với tổ nối dây Y/Y ta có: Ipha đm CA = Idây đm CA =20,62 (A)

Ipha đm HA = Idây đm HA =114,55 (A)

II Kích th-ớc chủ yếu củ máy biếm áp:

 Ta xét sơ đồ mạch từ và dây quấn của máy biến áp phẳng 3 pha, 3 trụ

Trong đó: d: đ-ờng kính đ-ờng tròn ngoại tiếp trụ

d12: đ-ờng kính trung bình của cuộn cao áp (CA), hạ áp (HA) l: chiều cao trung bình của dây quấn CA và HA

a01: khoảng cách cách điện giữa cuộn HA và trụ

a12: khoảng cách cách điện giữa cuộn HA và CA

l0: khoảng cách cách điện giữa các cuộn dây với gông

c: khoảng cách giữa 2 trụ liên tiếp

a1: bề dầy cuộn HA

a2: bề dầy cuộn CA

Kích th-ớc chủ yếu chủ máy biếm áp là những kích th-ớc có ảnh h-ởng

đến các kích th-ớc khác của máy biến áp Đó là: d, l, d12

1 Chọn đại l-ợng xuất phát:

 Chọn vật liệu làm mạch từ và mật độ tự cảm:

- Chọn vật liệu làm mạch từ là tôn cán lạnh, có suất tổn hao đặc biệt thấp có mã hiệu là  330A

- Chọn mật độ tự cảm của trụ là:

BT =1.591 (T), có: PT=1,27 w/kg; qT = 2,6 Var/kg

BG = 1 , 55

02

,

1

591

,



G

T

K

B

(T) có Pg =1,18 w/kg; qg =2,4 Var/kg

l

d

a01

a2

a12

a1

a22 d12

c

 Trụ và gông đ-ợc ghép bởi những lá tôn dầy 0,35 mm, đ-ợc phủ 2 lớp sơn, hệ số lấp đầy đ-ợc tra trong bảng 9 (trang 186 giáo trình Thiết kế Máy Biến áp điện lực): Kđ =0.92

Ph-ơng pháp ghép trụ và gông bằng đai ép

- Hệ số tăng c-ờng gông: KG=1.02 (bảng 10 trang giáo trình Thiết kế máy biến áp điện lực)

- Mối ghép ở 4 góc và ở giữa là mối ghép xiên

- Số bậc thang của trụ là 8 bậc

- Hệ số ép chặt là: KC =0.925 đ-ợc tra ở bảng 4 (trang 182 giáo trình Thiết kế Máy Biến áp điện lực)

- Các kích th-ớc cách điện:

đ-ợc xác định dựa vào điện áp thử nghiệm UTN cho trong bảng 18, bảng

19 trang 193195 giáo trình Thiết kế máy biến áp điện lực

các kích th-ớc cách điện tối thiểu của dây quấn cao áp (CA) UTN1 =85 KV

CA với gông (G): l02 =7,5 cm

CA – HA: a12 =2,7 cm

12 =0,4 cm

CA – CA: a22 =3,0 cm

22 =0,2 cm các kích th-ớc cách điện tối thiểu của dây quấn hạ áp (HA) UTN2 =25 KV

HA – G: l01 =l02 =7,5 cm

HA – trụ (T): a01 =1 cm

01 =0,4 cm

- Tính các thành phần điện áp ngắn mạch:

%

2

%

dm

n n dm n

dm

n

dm

n

dm

nr

I

P r I r

I

P

U

r

I

u

3

.

3

100

.

.

2

%











% 89 , 5 12 , 1 6

% 12 , 1 100 10 1250

14000 100

100

.

3

2 2 2

%

2

%

%

3

%



















nr nr

nx

dm

n phadm

dm

n

nr

u u

u

S

P U

I

P

u

2 Tính toán tổng hợp (sơ bộ):

 Trong tính toán thiết kế Máy biến áp, trị số

l

d12

.



 

d12: đ-ờng kính trung bình 2 dây quấn CA và HA  .d12 =ltb

l: chiều cao dây quấn

ltb: là chiều dài trung nình của một vòng dây

Có ảnh h-ởng rất lớn đến đặc tính kỹ thuật và kinh tế của máy biến áp Việc xác định các kích th-ớc chủ yếu của máy biến áp phải đ-ợc dựa vào

 Tức là phải xác định  nh- thế nào đó để máy biến áp đạt đ-ợc những yêu cầu về kinh tế và đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật, an toàn trong vận hành

 Tính đ-ờng kính của trụ theo 

- Trụ của máy biến áp đ-ợc ghép bằng các tập thép,

thiết diện của trụ có hình bậc thang với số bậc thang là 8

Đ-ờng kính d của trụ là đ-ờng kính của đ-ờng tròn

ngoại tiếp thiết diện của trụ

d đ-ợc xác định theo công thức: A x

K B u f

k a S d

l T nx

R

.

'.

.

16 4 2 2

%



trong đó: x 4  đ-ợc coi là biến cần tìm

4

2 2

%

'.

16

l T nx

R R K B u f

k a S

A là hằng số (rất ít phụ thuộc vào )

- xác định A từ công thức: 4

2 2

%

'.

16

l T nx

R R K B u f

k a S

A

trong đó:

S’=416.67 KVA: là công suất trên một trụ của máy biến áp

aR: chiều rộng quy đổi theo từ tr-ờng tản giữa dây quấn CA và HA

3

12

R

a a

a  

 ; a12 =2,7 cm là khoảng cách điện giữa cuộn CA – HA

cm a

a

a

a

cm S

K

a

a

R 2 , 7 1 , 033 4 , 733

3

033 , 1 67 , 416 45 , 0 '

3

2 1

12

4 4

2

1























K=0,45 là hệ số tra bảng

KR =0,95 hệ số Rôgoski, là hệ số quy đổi từ tr-ờng tản lý t-ởng sang

từ tr-ờng tản thực, xem nh- KR ít thay đổi theo công suất

f =50 Hz tần số điện áp làm việc

unx% =5,89 thành phần điện áp ngắn mạch phản kháng

BT 1,591 T

Kl=Kc+Kđ hệ số lợi dụng (sử dụng) lõi thép

Kc=0,925 (bảng 5)

Kđ=0,92 (bảng 9)  Kl=0,925.0,92=0,851

8625 , 0 591 , 1 89 , 5 50

95 , 0 7333 , 4 67 , 416 16

.

'.

.

2 2

%







l T nx

R R K B u f

k a S A

d

Ta phải tìm giá trị  tối -u nhất, nghĩa là máy biến áp thiết kế phải có

đ-ợc các thông số, đặc tính kỹ thuật phù hợp với yêu cầu và có giá thành thấp nhất

Để đạt đ-ợc yêu cầu này ta phải xác định:

- Trọng l-ợng tác dụng của lõi thép

- Trọng l-ợng kim loại dây quấn

- Tiêu chuẩn kỹ thuật: P0, i0%, , r, un%…

2.1 Chỉ tiêu kinh tế:

 Yêu cầu kinh tế của kinh tế của máy biến áp là, có giá thành nhỏ nhất, tức là chi phí cho máy biến áp là nhỏ

 Chi phí cho máy biến áp chủ yếu là chi phí cho vật liệu lõi sắt, chi phí vật liệu dây quấn

a) Trọng l-ợng tác dụng của lõi sắt

Lõi thép gồm trụ và gông: Gl = GT + Gg

- Trọng l-ợng sắt của trụ đ-ợc xác định theo công thức: 2

2

x

A

G T  

Trong đó A1 và A2 là các hắng số, còn là ẩn x 4 

+ xác định các hằng số A1: A 5 , 66 10 2 a.A3 K l

1





trong đó:

d

d

a  12 hầu nh- không thay đổi, đ-ợc xác định theo bảng 12 (trang giáo trình thiết kế máy biến áp điện lực), a=1,4

A= 21,692

Kl =0,8625 là hệ số lợi dụng lõi sắt, đ-ợc tính ở trên

697,589 8625

, 0 692 , 21 4 , 1 10 66 , 5 10 66 ,

l K A a

+ xác định các hằng số A2: 2 2 02

2 3 , 60 10 A .K.l

l02 = 7,5 cm là khoảng cách điện giữa cao áp và gông

109.577 5

, 7 8625 , 0 692 , 21 10 60

,

- Trọng l-ợng sắt của gông đ-ợc xác định theo công thức:

Gg=B1x3+B2x2 B1, B2 là các hằng số

Với máy biến áp 3 pha, 3 trụ B1, B2 đ-ợc xác định theo công thức + xác định B1: 2 , 40 10 2 3 ( )

trong đó: KG =1,02 là hệ số tăng c-ờng gông

Kl =0,8625 là hệ số lợi dụng lõi sắt

A=21,692

4 , 1

12 



d

d

a tra bảng 12

29 , 0

2 2 



d a

b tra bảng 13

e=0,375 là hệ số tính đến dung sai giữa trụ và đ-ờng tròn

ngoại tiếp (đ-ờng tròn bao)

1 , 4 0 , 29 0 , 375 445.027

692 21 8625 , 0 02 , 1 10 40 , 2 ) (

.

10

.

40

,

+ xác định B2:

  2 , 40 10 1 , 02 0 , 8625 21 , 692 2 , 7 3 56.629

10

.

40

,

22 12 2 2

với a12 =2,7 là khoảng cách điện giữa CA – HA

a22 =3,0 là khoảng cách điện giữa CA – CA

- Trọng l-ợng sắt tác dụng là:

2 2

3 1

2 2

x

A G G

G l  T  g    

trong đó các hệ số A1, A2, B1, B2 đ-ợc xác định ở trên:

A1 = 697.589 (kg)

A2 = 109.577 (kg)

B1 = 445.027 (kg)

B2 = 56.629 (kg) b) Trọng l-ợng phần kim loại (đồng) dây quấn trần:

Trọng l-ợng kim loại dây quấn đ-ợc các định theo công thức:

2 1

x

C

G dq 

trong đó C1 là hằng số đ-ợc xác định nh- sau:

2

% 2 2 2

2 '

1

.

.

A u f B K K

a S K

C

nr l l f dqCu



với cách chọn dây quấn đồng (Cu) ta có: K’dq Cu =61,6.104

S =1250 KVA công suất máy biến áp

A =1,4 xác định nh- trên

Kf =0,90 là hệ số tính đến tổn hao phụ, đ-ợc xác định trong bảng 14 trang giáo trình thiết kế máy biến áp điện lực

Kl =0,8625 đã tính ở trên

BT =1,591 T đã chọn ban đầu

f =50 Hz tần số điện áp làm việc

unr% =1,12 %

A ==21,692

675.912 692

, 21 12 , 1 50 591 , 1 8625 , 0 9 , 0

4 , 1 1250

10 6 , 61

.

.

2 4

2

% 2 2 2

2 '

A u f B K K

a S K

C

nr l l f dqCu

Khi tính đến l-ợng dây quấn tăng thêm ở cuộn cao áp để điều chỉnh thì

2 1

x

C K

G dqdq 

Kcđ: là hệ số tính đến lớp cách điện, với dây quấn là đồng thì

Kcđ=1,06

C1: là hệ số tính ở trên c) Tính giá thành vật liệu tác dụng:

Giá thành vật liệu tác dụng tính theo vật liệu sắt

C’td =GT +Gg +KdqFe.K.Gdq Trong đó:

Fe

dq dqFe Z

Z

K  là tỉ giá của dây quấn (Cu) với sắt

Với thép cuộn 330A thì KdqFe=2,09 đ-ợc xác định theo bảng

15 trang 191 giáo trình thiết kế máy biến áp điện lực

Nh- vậy ta có các quan hệ của GT, Gg, Gl, Gdq, C’td theo x

2 2

x

A

G T  

Gg=B1x3+B2x2

2 2

3 1

2 2

x

A G G

G l  T  g    

2 1

'

x

C K

G dq

C’td =GT+Gg +KdqFe.K.Gdq =Gl + KdqFe.G’dq

2 1 2

2

3 1

2 2

1

x

C x

B x B x

A

x

A

C td     

Từ đó ta sẽ dùng các hàm của Excel thành lập bảng tính toán theo x 4 

Bảng 1

Qua bảng số liệu ta thấy rằng C’td min = 2628.924 khi = 1.99 

cm 1.188 99

,

1

4

 

x thì chi phí để chế tạo máy biến áp là nhỏ nhất Tuy nhiện việc chọn x (x 4  ) còn phải căn cứ vào yêu cầu kỹ thuật nh- Tiêu chuẩn kỹ thuật: P0, i0%, , r, un%…

2.2 Chỉ tiêu kỹ thuật:

Để đảm bảo máy biến áp làm việc bình th-ờng và an toàn khi vận hành thì máy biến áp thiết phải các b-ớc kiểm nghiệm về P0, i0%, , r, un%…

P0≤ 1,1.P0T

io%≤ 1,1.io%T

 ≤ cp

r≤r cp

un% không đ-ợc sai lệch 5% so với un%T

a) Giới hạn bởi công suất không tải: P0

Tổn hao không tải của máy biến áp đ-ợc tính theo công thức

P0 =Kf’.(pT.GT + pg.Gg) Trong đó:

Kf’=1,15 là hệ số tổn hao phụ chủ yếu xét đến các yếu tố nh- BT, BG phân bố không đều hoặc do công nghệ chế tạo lá thép bị Bavia, hay xếp

A1 = 697,589 (kg)

A2 = 109,577 (kg)

B1 = 445,027 (kg)

B2 = 56,629 (kg)

C1 = 675,912 (kg) Với

không cùng chiều…, làm cho P0 tăng lên Xác định trong bảng 40 trang

217 giáo trình thiết kế máy biến áp điện lực

PT: là suất tổn hao trong trụ, đ-ợc xác định trong bảng 42 trang 219 giáo trình thiết kế máy biến áp điện lực,

với BT =1,591 (T) ta tra đ-ợc pT=1,27 w/kg

Pg: suất tổn hao trong gông, tra bảng 42 với  T

K

B B G

T

02 , 1

591 ,





Ta tra đ-ợc pg =1,18 w/kg

2 2

x

A

G T  

Gg=B1x3+B2x2

 P0 =Kf’.(pT.GT + pg.Gg)=  



















2

3 1

2 2

27 , 1 15 ,

x A

Từ đó ta cũng dùng các hàm Excel thành lập bảng tính toán theo x 4 

Bảng 1

b) Giới hạn bởi dòng điện không tải:

Dòng điện không tải của máy biến áp gồm hai thành phần: ior và iox Với máy biến áp công suất trung bình và lớn thì iorằ iox nên trong tính toán sơ

bộ có thể coi ior≈ iox, iox đ-ợc tính theo công thức: % 100

S

Q

i nx 

Trong đó: S =1250.103 VA là công suất máy biến áp cần thiết kế

Q (Var): là công suất từ hoá của lõi, đ-ợc xác định theo công thức: Q =Kf”.(Qc +Qf +Q)

Kf”: là hệ số tính đến sự phục hồi từ tính không hoàn toàn khi ủ lại lá tôn cũng nh- khi uốn nắn hay ép lõi sắt, có thể lấy Kf”=1,25

 QFe: công suất tổn hao chung của trụ và gông:

QFe =qT.GT + qG.GG

qT: suất từ hoá ở trong trụ

qG: suất từ hoá ở trong gông

Chúng đ-ợc tra trong bảng 48 trang

giáo trình thiết kế máy biến áp điện lực

GT: trọng l-ợng phần trụ

GG: trọng l-ợng phần gông

QFe =2,6 









  2

2

x

A +2,4.(B1x3+B2x2)

BT =1,591 TqT =2,6 Var/kg

4 , 2 559

,



G

T

K

B

A1 = 697,589 (kg)

A2 = 109,577 (kg)

B1 = 445,027 (kg)

B2 = 56,629 (kg)

C1 = 675,912 (kg) Với

A1 = 697,589 (kg)

A2 = 109,577 (kg)

B1 = 445,027 (kg)

B2 = 56,629 (kg)

C1 = 675,912 (kg) Với

 Qf: công suất từ hoá phụ

Qf =40.qT.G’

qT =2,6 tra bảng 48

G’: là trọng l-ợng 1 góc, G’=0,45.10-2.KG.Kl.A3.x3

KG =1,02 là hệ số tăng c-ờng gông

Kl =0,8625 là hệ số lợi dụng lõi

A=21,692

G’=0,45.10-2.1,02.0,8625.21,6923.x3 =40.408.x3

 Qf =40.2,6.40,408x3 =4202,432x3

 Q: công suất từ hoá ở những khe hở không khí, phần chỗ nối giữa các lá thép, đ-ợc xác định theo công thức

Q =3,2.q.TT

q: suất từ hoá khe hở, đ-ợc xác định trong bảng 48 trang giáo trình thiết kế máy biến áp điện lực  q =3,91

TT: tiết diện tác dụng của trụ, d-ợc xác định theo công thức

TT =0,785.Kl.A2.x2 =0,785.0,8625.21,6922.x2= 318,587.x2

Q =3,2.3,91.318,587.x2 = 3986.16.x2

Do đó: Q =Kf”.(QFe + Qf +Q)=1,15

3 2

2 3

2 2

3 1

2 2 1

76975 , 5648 3295

, 4526 16425

,

2267

16 , 3986 432

, 4202 4

, 2

6

,

2

.

25

,

1

x x

x

x x

x B x B x

A x

A Q











































 



S

Q

i nx 

c) Giới hạn bởi mật độ dòng điện trong dây quấn

Mật độ dòng điện trong dây quấn đ-ợc tính theo công thức:

dq

n f G K

P K

.

.





Kf: hệ số tính đến tổn hao phụ trong dây quấn, đ-ợc tra trong bảng

14 trang 190 giáo trình thiết kế máy biến áp điện lực, Kf =0,9

Pn =14000 W tổn hao ngắn mạch

K: là hằng số phụ thuộc vào điện trở suất của dây quấn, với dây quấn

đồng thì K=2,4

Gdq: trọng l-ợng dây quấn, đ-ợc xác định theo công thức:

2 2

1

x

675.912





x

C

x

675.912

06 , 1

'

x x

C K G K

với C1= 675.912 đ-ợc xác định ở trên

 x

x

G

K

P K

dq

n

558 , 747 4 , 2

14000 9 , 0 '

.

.

2











d) Giới hạn về lực cơ học:

Ngoài những yêu cầu về điện, dây quấn cũng phải chịu đ-ợc những lực cơ học do các lực điện động gây ra, nhất là khi ngắn mạch

để đảm bảo yêu cầu trên thì ta đi kiểm nghiệm tiêu chuẩn r ≤cp

r: là ứng suất kéo tác dụng lên sợi dây theo h-ớng h-ớng kính, đ-ợc xác

định theo công thức:r =M.x3

với dây quấn đồng:

A a

P K K K

R f n

10 2453 ,



6

100 41 , 1 1

100 41 ,

6

%

%

%













































e e

u

n

u u

n n

Kf =0,9

KR =0,95 Hệ số Rôgoski

Pn =14000 W

a =1,4 tra trong bảng 12 trang 189 A=21,692

692 , 21 4 , 1

14000

95 , 0 9 , 0 4576 , 24 10 2453

,

M

 r =M.x3 =0,236471.x3

e) Giới hạn bởi điện áp ngắn mạch:

Điện áp ngắn mạch của máy biến áp gồm 2 thành phần đó là unr và unx

2

%

2

%

dm

n n dm n

dm

n

dm

n

dm

nr

I

P r I r

I

P

U

r

I

u

3

.

3

100

.

.

2

%









3

%

dm

n phadm

dm

n nr

S

P U

I

P

Đối với máy biến áp công suất trung bình và lớn thì có thể coi unx >> unr

%

%   7,9. . '. . . 10 

V

R R nx

n

U

K a S f u

KR =0,95 là hệi số Rôgoski

aR =4.733 là hệ sốquy đổi kích th-ớc về từ tr-ờng tản

UV : là điện áp trên một vòng dây, UV =4,44.f.BT.TT.10-4

TT: tiết diện tác dụng của trụ, d-ợc xác định theo công thức

TT =0,785.Kl.A2.x2 =0,785.0,8625.21,6922.x2= 318,587.x2

UV=4,44.50.1,591.318,587.x2.10-4 =11,2526.x2