Thiết kế máy biến áp - Đồ án

Thiết kế máy biến áp

LỜI NÓI ĐẦU Đối với chuyên ngành Thiết bị điện - điện tử , Máy biến áp là một lĩnh vực rất quan trọng Chính vì vậy, thiết kế môn học Máy biến áp có mục đích giúp cho sinh viên nắm được những bước cơ bản nhất trong việc tính toán kết cấu của một Máy biến áp

Dưới sự hướng dẫn của thầy Bùi Đức Hùng - giảng viên Bộ môn Thiết bị điện - điện tử, em đã hoàn thành đồ án môn học của mình với đề tài Thiết kế Máy biến áp điện lực ngâm dầu Trong quá trình làm chắc chắn sẽ không tránh khỏi thiếu sót, qua đó em mong thầy giáo và các bạn góp ý để đồ án được tốt hơn

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP

A Xác định các kích thước chủ yếu:

I Xác định các đại lượng điện cơ bản:

1 Dung lượng một pha:

10.250

=U.3

S

=I

3 3

1

p f

- Phía hạ áp:

400.3

10.250

=U.3

S

=I

3

2

p f

U

=

Uf2 2 = 231 V

4 Điện áp thử nghiệm của dây quấn:

- Dây quấn cao áp với U1 = 6,3 kV → Uth = 20 k V

- Dây quấn hạ áp với U2 = 0,4 kV → Uth = 5 kV

II Chọn các số liệu xuất phát và tính các kích thước chủ yếu:

1 Chiều rộng quy đổi của rãnh từ tản giữa dây quấn cao áp và hạ áp: với Uth1 = 20

kV, ta có a12= 1,2 cm; δ12= 4 mm Trong rãnh a12 ta dặt ống cách điện dày δ12= 4 mm Theo công thức:

4 '

P 2

1 = k S3

a+a

1 = k S =0,45 83,333

a+a

4100

=S.10

P

=U

hệ số lợi dụng lõi sắt kl = kd.kc = 0,928.0,93=0,86

Từ cảm trong gông BG = 1,6/1,02=1,57 T Twf camr khe hở không khí ở mối nối thẳng B”r = BT = 1,6 T, từ cảm ở mối nối xiên B’K= BT/ 2=1,6/ 2=1,13 T Tra bảng, ứng với từng giá trị mật độ từ cảm ta sẽ có suất tổn hao trong thép và tổn hao từ hoá trong trụ:

Suất tổn hao trong thép:

Giữa trụ và dây quấn hạ áp ao1= 5mm

Giữa dây quấn hạ áp và dây quấn cao áp, a12 = 1,2 cm

ống cách điện giữa dây quấn cao áp và hạ áp, δ12= 0,4 cm

Giữa các dây quấn hạ áp, a22 = 2,2 cm

Tấm chắn các pha δ22= 0,2 cm

Giữa dây quấn cao áp đến gông, lo = 4 cm

Phần đầu thừa của ống cách điện, ld2=3 cm

5 Các hằng số tính toán , với dây dẫn bằng đồng và điện áp dây quấn cao áp là 6,3 kV (bảng 13.5 và 13.6)

a = d12/d = 1,36

b = 2a2/d = 0,4

6 Hệ số tổn hao phụ, với công suất 250 kVA ta chọn kf = 0,94 (bảng 13.7)

7 Chọn β với dải biến thiên từ 1,2 đến 3,6, để xác định giá trị tối ưu của ta phải tính các số liệu và các đặc tính cơ bản của m.b.a:

+ 4

2 l

2 T nx

R R

' P

k.B.U.f

k.a.S

=A

50.3,65.1,6 .0,88 =14,04

95,0.71,2.33,8316

2 2

2 T

2 l f

2 P dq

A.u.B.k.k

a.S

K

04,14.64,1.6,1.88,0.94,0

36,1.25010

.46,

2

+ M =

A.a

P.k.k.k.10.2453,

1 unx

nr u -

64 , 1 -π

= 43,84

M =

04,14.36,1

4100

95,0.94,0.84,43.10.2543,

k’f hệ số tổn hao phụ trong sắt, tôn cán nguội lấy k’f = 1,25

+ Công suất từ hoá, theo công thức 13-26:

Ta sẽ thấy giá thành thấp nhất sẽ ứng với 3,6 ≥ β ≥3,0; nhưng với giới hạn P0

= 610 W, ta sẽ lấy giá trị 2,4 ≥ β ≥1,2, tuơng ứng đường kính lõi sắt 16,26 ≥

d ≥ 14,69 Trong khoảng này tất cả các tham số đều đạt tiêu chuẩn

Căn cứ vào đường kính lõi sắt tiêu chuẩn ta chọn giá trị d = 16 cm, lúc đó β = 1,69; x = 4 β= 41,69= 1,14

Tiết diện lõi sắt sơ bộ:

76,21

=

.d12 π β

π

=39,33 cm Chiều cao trụ lõi sắt sơ bộ

2 Số vòng dây trong một pha của dây quấn hạ áp:

w1 =

43,6

231

=u

U

v

1

f = 35,93 ≈ 36 vòng Như vậy điện áp một vòng dây

uv =

36

231

=w

42,6.4100.94,0.746,0

=d.S

u.P.k.746,0

12 p

v n

84,360

=J

w1

=18 vòng n: Số lớp, vì quấn kép nên n = 2

6 Chiều cao hướng trục của mỗi vòng dây:

hv1 =

1+18

33,39

=1+w

Kích thước dây hạ áp như sau:

PB – 2x x79,52

5,20x6,4

02x1,4

s1 = 2x79,52= 159,04 mm2

9 Mật độ dòng điện thực trong dây quấn

J1 =

04,159

84,360

a’: bề dày của 1 sợi dây, a’=4,6mm

a11: khoảng cách giữa hai lớp của dây quấn ống kép, chọn a11=5mm

15 Trọng lượng đồng dây quấn hạ áp , theo công thức 13-76a

1 1

"

1

'

1 w s 10 2

D + D t 28

= .36.159,04

2

84 , 19 + 17 3

II Dây quấn cao áp

1 Chọn sơ đồ điều chỉnh điện áp, căn cứ vào công suất của máy biến áp là 250 kVA ta bố trí đoạn dây điều chỉnh nằm ở lớp ngoài cùng, mỗi lớp điều chỉnh được bố trí thành hai nhóm trên dưới dây quấn nối tiếp với nhau và phân bố đều trên toàn bộ chiều cao dây quấn nên không xuất hiện lực chiều trục Các đầu phân áp được cực của bộ đổi nối ba pha Dòng làm viêc định mức qua các tiếp điểm chính là dòng định mức của dây quấn cao áp bằng 22,9 A Điện áp lớn nhất đặt lên hai đầu tiếp điểm của bộ đổi nối là: - Điện áp làm việc Ulv = 10%.Uf2 = 10%.6,3.103 = 630 V - Điện áp thử Uth = 2.Ulv Sơ đồ điều chỉnh điện áp

A x5 x4 x3 x2 x1 12 12

12

54 12

12

12

12 12

11 lớp bình 2 lớp điều

thường chỉnh

2 Số vòng dây cuộn cao áp ứng với Uđm

w2 =

231

10.3,6.36

=U

U.w

3

1 f

2 f

5,157

9,22J

I

' 2

2 f

= = 5,08 mm2

8 Căn cứ vào công suất máy biến áp 250 kVA, dòng If2 = 22,9 A, U2=6,3 kV,

s2’=5,08 mm2 tra bảng XV ta chọn kết cấu dây quấn là kiểu hình ống nhiều lớp tiết diện tròn, ưu diểm của phương pháp này là công nghệ chế tạo đơn giản, nhưng nhược điểm là độ tản nhiệt kém và độ bền cơ thấp, nhưng với công suất của máy nhỏ thì ta có thể khắc phục được những nhược điểm này trong khi chọn lựa thông số dây quấn và kiểu cách tản nhiệt

36,2

9 Tiết diện thực của mỗi vòng dây,

s2 = 2.4,36 = 8,72 mm2

10.Mật độ dòng điện thực trong mỗi vòng dây

J2 =

72,8

9,22s

I

2

2 f

= = 2,62 A/mm2

11 Số vòng dây trong một lớp:

46.2.2

5,3991

d.n

-l

' 2 2 v

2

Trong đó:

l2 = l1 = 39,95 cm = 399,5 mm

nv2 là số sợi chập trong một vòng dây, nv2 = 2

12 Số lớp của dây quấn:

n12 =

81

1030w

w

12

max 2

16 Chiều dày dây quấn cao áp

Theo công thức 13-54a

20 Diện tích bề mặt làm lạnh của dây quấn

Dây quấn cao áp quấn trên nêm, nên theo công thức 13-59ab

2

'

2 s w 102

D+D

10.72,8.1030.2

2,29+24,22.3

Sơ đồ bố trí quận dây và kích thước chính

của dây quấn hạ áp và cao áp

III Tính toán các tham số ngắn mạch

A Tổn hao

1 Tổn hao chính

- Tổn hao đồng trong dây quấn hạ áp

"

2

'

2 s w 102

D+D

10.72,8.982.2

2,29+24,22.3

m.b

b chiều cao một vòng dây, b=20,5 mm

m là số thanh dẫn của dây quấn song song với từ thông tản, m = 18 l chiều cao toàn bộ dây quấn, l = 39,95 cm

kR hệ số Ragovski, lấy kR = 0,95

→ β = 0,95

95,39

18.05,2

= 0,88 →β2 = 0,77 + a kích thước dây dẫn thẳng góc với từ thông tản, a = 4,1 mm

+ n số thanh dẫn của thanh dẫn song song với từ thông tản, n=4

m.d

d đường kính trần của dây quấn cao áp, d=2,36 cm m số thanh dẫn của dây quấn song song với từ trường tản, m=81

l2 = 39,95 cm

→ β = 0,95

95,39

81.236,

3 Tổn hao phụ trong dây dẫn ra

PCur = 2,4.J2.GCur

+J: mật độ dòng điện của dây quấn

+GCur khối lượng đồng dây dẫn ra của dây quấn

GCur = lr.sr.γCu

.lr: chiều dài dây dẫn ra

.γ khối lượng riêng của đồng, γCu =8900kg/m3

- Khối lượng đồng dây dẫn ra của dây quấn hạ áp

4 Tổn hao trong thùng dầu và các chi tiết bằng kim loại khác

Tổn hao này rất khó xác định chính xác, theo công thức gần đúng 13-80:

Pt = 10.k.SP

là hệ số tỉ lệ, tra bảng 13.18 với công suất máy 250 kVA, ta được k=0,012

Pt = 10.0,012.250 = 30 W

5 Tổng tổn hao ngắn mạch toàn phần

ΣPn = kf1.PCu1 + kf2.PCu2 + PCur1 + PCur2 + Pt

Thay số vào ta được

n

n n

Σ

4100

4100-39,4284

= 4,5% < 5%, như vậy coi

như công suất tổn hao ngắn mạch của máy là đạt yêu cầu

S.10P

Pn’ Tổn hao trong điều kiện làm việc bình thường của dây quấn cao áp ở chế độ làm việc định mức

P

P

' n

2 Thành phần phản kháng

2 v

R P

k.u

a 'S.f.92,

Trong đó

+ f là tần số công nghiệp, f =50 Hz

+ S’P Công suất trên mỗi trụ của máy, S’P = 83,33 kVA

+ β hệ số hình dáng của máy biến áp, β =1,69

+ aR =

3

48,3+42,1+2,1

=3

a+a+

a12 1 2 = 2,83

+ kR = 1-σ(1- σ

1 -

e ) =

σ =

95,39

48,342,12,1l

aa

a12 1 2

π

++

=π

++ = 0,048

thay giá trị σ vào

kR = 1- 0,048.(1- 0,048

1 -

e ) = 0,952 vậy giá trị của thành phần phản kháng

2 0,952.1042

,6

83,2.69,1.33,83.50.92,

III Tính toán lực cơ học khi ngắn mạch

1 Dòng điện ngắn mạch xác lập, theo công thức13-85

4

100.9,22u

100.I

u

K

w.s.2

Fπ

6

6

10.26,2736.10.04,159.2

10.98,

Với dây đồng : 30MPa≥σcp ≥ 18Mpa, như vậy giá trị σnrHA tính được thoả mãn điều kiện về ứng suất nén ngang trục(do lực hướng kính gây nên)

- Trong dây quấn cao áp

σnrCA =

2 2

K

w.s.2

Fπ

=

982.10.72,8.2

10.98,0

a

FK R

= 0,98.106

95,39.2

83,2

=34731 N

6 ứng suất do lực chiều trục gây nên

áp dụng công thức 13-92 cho dây quấn không có nêm chèm giữa các bánh dây, ở đây ta chỉ xét riêng cho dây quấn hạ áp do nó phải chịu lực ép điện động cực đại trong dây quấn, nếu nó thoả mãn thì điều kiện này đối với dây cao áp cung thoả mãn

σn =

)aa.(

2

DD

F

11 1

"

1

' 1

' t

−

+π

σn =

2 2

10)

5,042,1.(

10.2

19,8417

nhỏ, độ từ thẩm theo chiều cán lớn nên có thể làm giảm tổn hao sắt của m.b.a

Trụ ép bằng băng đai thuỷ tinh không có tấm sắt đệm Gông ép bằng xà ép gông,

Kích thước tập lá thép như hình vẽ, như trên đã chọn tiết diện trụ có 8 bậc và tiết

diện gông có 5 bậc, ta có bảng tổng hợp kết quả tính toán trụ và gông như sau:

δ = 0,35

3,153

= 438 lá thép

9 Chiều cao trụ sắt

theo công thức 13-99

lT = l + l0 + l0’

l là chiều cao dây quấn, l = 39,95 cm

l0 là khoảng cách từ gông trên

l0’ là khoảng cách từ dây quấn đến gông dưới

D2” là đường kính ngoài cuộn cao áp, D2”=30,21 cm

a22 là khoảng cách giữa 2 cuộn cao áp, a22 =2,2 cm

- GT’ là trọng lượng phần trụ nằm trong chiều cao cửa sổ mạch từ

theo công thức 13-103a

V Tính tổn hao không tải và dòng điện không tải

1 Lõi thép làm bằng tôn silíc mã hiệu 3405, dày 0,35 mm, hệ số tự cảm trong trụ và gông là:

- Hệ số tự cảm trong trụ

BT =

T

v

S.f.44,4u

=

4

10.82,181.50.44,4

42,6

− = 1,59 T

=

4

10.46,185.50.44,4

42,6

BT

= = 1,124 T Với Bkn ta tra được pkn = 0,0333W/cm2

3 Các hệ số xét đến sự gia tăng tổn hao trong gông và trụ

Kết cấu mạch từ đã chọn là mạch từ phẳng nối nghiêng ở 4 góc, trụ giữa nối thẳng, lõi sắt không đột lỗ, tôn có ủ sau khi cắt, có khử bavia, từ đó tra được các

hệ số:

- k1’ hệ số gia tăng tổn hao và công suất từ hoá ở gông dô hình dáng tiết diện gông ảnh hưởng đến sự phân bố từ cảm trong trụ và gông, vì số bậc thang của trụ và gông gần bằng nhau (nG = 5, nT = 5) nên lấy k1’ =

- k4’ là hệ số do cắt dập lá tôn thành tấm, với tôn có ủ k4’ =1

- k5’ là hệ số do việc xử lý bavia, tôn có ủ lại, có khử bavia, lấy k5’=1

- k6’ là hệ số xét đến các góc nối của mạch từ , tra phụ lục XVIII ta được

k6’ = 10,45

4 Tổn hao không tải

P0 = k4’.k5’.[ pT.GT + pG.(GG’ - 4Gg) + ' g

6 G

T k G2

p

p +

+

ΣpK.nK.SK ].k1’.k2’.k3’ Thay số vào biểu thức:

P0=1.1.[1,135.209,31+1,074.(184,44– 4.18,26)+ 10,45.18,26

2

074,1135,

BT

= = 1,124 T Với Bkn ta tra được qkn = 0,142W/cm2

5 Các hệ số xét đến sự gia tăng công suất từ hóa trong gông và trụ

Đối với kết cấu lõi thép và công nghệ chế tạo mạch từ có ủ lá tôn sau khi cắt dập ta tra được các hệ số sau:

- k1” hệ số gia tăng công suất từ hoá ở gông do hình dáng tiết diện gông ảnh hưởng đến sự phân bố từ cảm trong trụ và gông, vì số bậc thang của trụ và gông gần bằng nhau (nG = 5, nT = 5) nên lấy k1” = 1

- k2” là hệ số do tháo lắp gông để lồng dây vào trụ làm chất lượng lá thép giảm xuống, với công suất máy 250 kVA ta lấy k2” = 1,01

- k3” là hệ số do ép trụ để đai, hệ số này phụ thuộc vào công suất máy, với công suất máy 250 kVA ta lấy k3” = 1,02

- k4” là hệ số do cắt dập lá tôn thành tấm, với tôn có ủ k4” =1,18

- k5” là hệ số do việc xử lý bavia, tôn có ủ lại, có khử bavia, lấy k5”=1

- k6” là hệ số xét đến các góc nối của mạch từ , tra phụ lục XVIII ta được k6” = 41,775

6 Công suất từ hoá không tải:

Theo công thức 13-106 ta có

Q0 = {k4”.k5”.[ qT.GT + qG.(GG’ - 4Gg) + " g

6 G

T k G2

q

q +

] +

ΣqK.nK.SK }.k1”k2”.k3” Thay số vào biểu thức trên

Q0 = {1,18.1.[ 1,564.209,31 + 1,447.(184,44 – 4.18,26) +

26,18.775,41.41,1.2

447,1564

=

250.10

8,655

=

250.10

54,

0 + = 1,6 % < 2%

như vậy trị số dòng không tải thoả mãn điều kiện đặt ra của đề bài

10 Hiệu suất của máy biến áp lúc tải định mức, cos ϕ = 1

theo công thức 13-109

PPS

PP1

(

n 0 P

n 0

++

+

= (

39,42848

,65510

.250

39,42848

,6551

+

VI Tính toán nhiệt:

A Tính toán nhiệt của dây quấn

1 Nhiệt độ chênh trong lòng dây quấn với mặt ngoài của nó

- Dây quấn hạ áp, tiết diện dây chữ nhật

λ

δ

trong đó

+ q: Mật độ dòng nhiệt trên bề mặt dây quấn

Với dây quấn ống kép không có rãnh dẫn dầu ở giữa, theo công thức 13-110a

q = 2 f

' K

k.J.a

abk

107.2

.kK là hệ số che kín mặt ngoài của dây quấn, lấy kK = 0,75 b là chiều cao trần của mỗi sợi chập, như trên đã chọn b=20mm=2

cm

a là chiều rộng của mỗi sợi chập, a = 4,1 mm a’ là chiều rộng kể cả cách điện của mỗi sợi chập, a= 4,6mm J là mật độ dòng hạ áp, J =2,27 A/mm2

.kf là hệ số tổn hao phụ, đã tính ở trên kf =1,033

q = 2,27 1,033

6,4

1,4275,0

107

= 2707,45 W/m2 + λcđ là hệ số dẫn nhiệt của lớp cách điện, cách điện giữa các lớp là bìa nên ta lấy λcđ = 0,25 W/m.0C

+δ là chiều dày cách điện một phía, δ = 0,25 mm =0,025 cm

thay số vào biểu thức

θ01 =

cd

.q

λ

δ

θ01 =

25,0

10.25,0.45,

2707 −3

=2,71 0C

- Dây quấn cao áp, tiết diện dây tròn

Hình vẽ sơ đồ dây quấn cao áp Kiểu dây dẫn cao áp là kiểu hình ống nhiều lớp không có rãnh dầu ngang ở giữa, có rãnh dầu dọc đối với ống cách điện, theo công thức 13-110c

θ02 =

tb

2

.8

a.p

λ Trong đó

+a2 là chiều dày của dây quấn cao áp, a = a2 = 3, 48 cm

+p là tổn hao trong một đơn vị thể tích của dây quấn, theo công thức 13-112

có

1

® c

2 2

10.)+d(

d.J68,1

δ1 là chiều dày tấm cách điện, δ1 = 8 mm

J là mật độ dòng điện của dây quấn cao áp, J = 2,62 A/mm2=2,62.106 A/

m2

vậy:

® c 1

® c

2 2

10.d)

+d(

d.J68,1

δ

3 - 3

3 -

2 -3 2

6

10.10.46,2)

10.4+10.46,2(

)10.36,2.(

)10.62,2(68,1

1

® 1

d.+

)+d.(

λδλ

δλ

λ

λ1 là suất dẫn nhiệt giứa các lớp dây, λ1=0,25 W/ m.0C

λ là suất dẫn nhiệt bình quân quy ước của dây quấn

có λ =

α

λ

.7,0

® c

trong đó

α =

d

d-

dc®

=

2,36

36,2-46,2

17,

0 = 1,73 W/m.0C vây giá trị λtb

λtb =

3 - 3

-3 -3

10.46,2.25,0+10.4.73,1

)10.4+10.46,2.(

25,0.73,1

a.p

λ

=

38,0.8

)10.48,3.(

10.04,

4 4 -2 2

= 16,1 0C

2 Nhiệt độ chênh của của mặt ngoài dây quấn đối với dầu

theo công thức 13-114, với dây quấn hình ống không có rãnh dầu ngang

θ0d = 0 , 6

q.k

M

k.P

→M2 =

2

2 f 2

q

k.P

=

61,2

0048,1.3048

= 1173,42 W/m2 Thay q2 vào biểu thức tính θ0d ta được

2 Chọn các khoảng cách cách điện từ dây dẫn ra đến vách thùng, đến xà ép gông trên được xác định như sau:

- s1 là khoảng cách đến vách thùng cho dây dẫn ra cao áp có Uthn2 = 20kV, theo bảng XIV.6 chọn s1 = 20 mm = 2cm

- s2 là khoảng cách đến xà ép gông cho dây dẫn ra hạ áp có Uthn1 = 5kV

ta tra bảng XIV.6 chọn s2 = 15 mm = 1,5 cm

- s3 là khoảng cách từ dây dẫn ra có bọc cách điện hay không bọc cách điện của dây quấn hạ áp đến dây cao áp với Uthn1=5kV theo bảng XIV.6 ta chọn s3 = 35 mm = 2,5 cm

- s4 là khoảng cách từ dây dẫn ra của dây quấn hạ áp đến vách thùng, với

3 Chiều rộng tối thiểu của thùng dầu

Theo hình vẽ sơ lược thùng dầu:

B = D2” + s1 + s2 + d1 + s3 + s4

= 29,2 + 2 +1,5+2,5+2,5+2+1

= 40,7 cm

Ta chọn B = 45 cm =0,45 m