ĐỒ án tốt NGHIỆP THIẾT kế máy BIẾN áp điện lực 3 PHA CÔNG SUẤT 1250 kVA

Ngoài MBA điện lực còn có nhiều loại MBA dùng trong các ngành chuyênmôn như MBA chuyên dùng cho các lò điện luyện kim, MBA hàn điện, MBAdùng trong thiết bị chỉnh lưu, MBA dùng cho đo lườ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HÀ NỘI, 10/2020

Chữ ký của GVHD

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

Họ và tên: Lê Thành Công

MSSV: 20173698

1 Đề tài thiết kế tốt nghiệp

Thiết kế máy biến áp điện lực ba pha công suất 1250 kVA

2 Các số liệu thiết kế ban đầu

3 Nội dung tính toán và thiết kế

- Tính toán các kích thước chủ yếu.

Phùng Anh Tuấn Phạm Minh Tú

Để hoàn thành bản đồ án này em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầyPhạm Minh Tú - người trực tiếp hướng dẫn em, thầy đã dành nhiều thời gian vàcông sức để chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện đề tài đồ án này.

Dù là có cố gắng, nhưng bản đồ án này không tránh khỏi nhiều thiếu sót,

em mong quý thầy cô, các giảng viên có thể đưa ra những ý kiến đóng góp giúp

đỡ để bản đồ án này được hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày 9 tháng 10 năm

2020 Sinh viên thực hiện

Lê Thành Công

MỤC LỤC

Lời cảm ơn iii

Mục lục iv

Danh mục hình vẽ vi

Danh mục bảng biểu viii

Danh mục từ viết tắt viii

Lời nói đầu 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP 2

1.1 Vài nét khái quát về máy biến áp 2

1.2 Định nghĩa MBA 2

1.3 Các đại lượng định mức 3

1.4 Cấu tạo của MBA 4

1.5 Nguyên lí làm việc 10

1.6 Phân loại MBA 11

1.7 Mục đích yêu cầu và nhiệm vụ thiết kế 12

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU 15

2.1 Xác định các đại lượng điện cơ bản 15

2.2 Chọn các số liệu xuất phát và tính các kích thước chủ yếu 16

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN DÂY QUẤN 26

3.1 Các yêu cầu chung với dây quấn 26

3.2 Tính toán dây quấn HA 34

3.3 Dây quấn CA 37

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THAM SỐ NGẮN MẠCH 43

4.1 Xác định tổn hao ngắn mạch 43

4.2 Điện áp ngắn mạch 46

4.3 Tính lực cơ học của dây quấn MBA 48

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN CUỐI CÙNG VỀ HỆ THỐNG MẠCH TỪ 51

5.1 Xác định kích thước cụ thể của lõi sắt 51

5.2 Tổng chiều dày lá thép của tiết diện trụ 53

5.3 Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ 53

5.4 Tiết diện bậc thang của gông 53

5.5 Thể tích một góc của mạch từ 53

5.6 Tiết diện hữu hiệu (thuần sắt) của trụ 53

5.7 Tiết diện hữu hiệu (thuần sắt) của gông 53

5.8 Tiết diện khe hở không khí mỗi nối nghiêng 53

5.9 Thể tích thuần sắt của một góc mạch từ 53

5.10 Chiều cao trụ 53

5.11 Khoảng cách giữa hai tâm trụ 54

5.12 Khối lượng sắt một góc 54

5.13 Khối lượng sắt gông 54

5.14 Khối lượng sắt trụ 54

5.15 Khối lượng sắt trụ và gông 54

CHƯƠNG 6 TỔN HAO KHÔNG TẢI, DÒNG ĐIỆN KHÔNG TẢI VÀ HIỆU SUẤT MBA 55

6.1 Tính lại trị số từ cảm trong lõi sắt 55

6.2 Tổn hao không tải 55

6.3 Công suất từ hóa không tải 56

6.4 Dòng điện không tải 57

6.5 Hiệu suất của MBA khi tải định mức 58

6.6 Hiệu suất của MBA khi 50% tải định mức 58

CHƯƠNG 7 TÍNH TOÁN NHIỆT CỦA MBA 59

7.1 Tính toán nhiệt của dây quấn 59

7.2 Tính toán nhiệt của thùng 61

7.3 Tính toán cuối cùng về nhiệt độ chênh của dây quấn và dầu của MBA .67 CHƯƠNG 8 XÁC ĐỊNH SƠ BỘ RUỘT MÁY, VỎ MÁY, DẦU MBA 69

8.1 Khối lượng ruột MBA 69

8.2 Khối lượng dầu MBA 69

CHƯƠNG 9 CHỌN CÁC CHI TIẾT KHÁC 71

9.1 Dầu MBA 71

9.2 Sứ xuyên 74

9.3 Chỉ thị dầu 74

CHƯƠNG 10 KẾT LUẬN 75

CHƯƠNG 11 CHUYÊN ĐỀ BẢO DƯỠNG MBA DẦU 77

11.1 Vì sao phải bảo dưỡng MBA 77

11.2 Nguyên nhân gây hư hỏng MBA 77

11.3 Qui trình bảo dưỡng MBA 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ mạng truyền tải đơn giản 2

Hình 1.2: MBA hạ áp ba pha 1250 kVA 3

Hình 1.3: Hình ảnh bên trong một MBA 3 pha 4

Hình 1.4: Kết cấu mạch từ kiểu trụ 5

Hình 1.5: Mạch từ phẳng 3 pha 5 trụ 5

Hình 1.6: Kết cấu mạch từ kiểu bọc 6

Hình 1.7: Mạch từ kiểu trụ bọc 6

Hình 1.8: Dây quấn đồng tâm 7

Hình 1.9: Dây quấn xen kẽ 7

Hình 1.10: Vỏ MBA ba pha 9

Hình 1.11: MBA một pha làm việc có tải 10

Hình 1.12: MBA truyền tải 11

Hình 1.13: MBA hàn 11

Hình 1.14: MBA tự ngẫu 11

Hình 1.15: MBA đo lường 1 pha 12

Hình 1.16: MBA đo lường 1 pha 12

Hình 2.1: Suất tổn hao ở trụ 18

Hình 2.2: Suất tổn hao ở gông 18

Hình 2.3: Tổn hao không tải theo hệ số β 24

Hình 2.4: Giá thành vật liệu theo hệ số β 24

Hình 3.1: Các phương pháp quấn dây 27

Hình 3.2: dây quấn hình ống 27

Hình 3.3:Quá trình quấn dây quấn hình ống kiểu trụ 28

Hình 3.4: Dây quấn hình xoắn 29

Hình 3.5: Quá trình quấn dây quấn hình xoắn mạch đơn 30

Hình 3.6:Quá trình quấn dây quấn hình xoắn mạch kép 30

Hình 3.7: Hoán vị phân bố đều của dây quấn hình xoắn mạch kép 12 sợi chập .31 Hình 3.8: Cách điện phần đầu dây của dây dẫn hình ống nhiều lớp 32

Hình 3.9: Dây quấn xoáy ốc liên tục 33

Hình 3.10:Quấn dây quấn hình xoáy ốc liên tục 33

Hình 3.11: Kích thước vòng dây HA 36

Hình 3.12: Sơ đồ điều chỉnh điện áp 38

Hình 3.13: Kích thước bánh dây CA 40

Hình 3.14: Cách chia bánh dây cao áp 41

Hình 4.1: Từ trường tản dọc và ngang trong dây quấn đồng tâm 49

Hình 5.1: Kết cấu lõi thép 51

Hình 5.2: Kích thước lá thép trên trụ 52

Hình 5.3: Kích thước lá thép trên gông 52

Hình 7.1: Hình dáng và kích thước của vách thùng dạng cánh sóng 62

Hình 7.2: dùng để xác định các kích thước của thùng 63

Hình 7.3: kích thước của thùng 64

Hình 11.1: Biểu đồ biểu thị % nguyên nhân hỏng MBA 77

Hình 11.2: Bản vẽ sứ cao thế 79

Hình 11.3: Bản vẽ sứ hạ thế 80

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Bảng tính toán sơ bộ với β trong khoảng 1,2 dến 3,6 23

Bảng 3.1: Bố trí dây quấn cao áp 41

Bảng 5.1: Kích thước tập lá thép trụ và gông 51

Bảng 5.2: Số lá thép trên trụ và gông 53

Bảng 9.1: Bảng đặc tính kỹ thuật dầu cách điện MBA có chất phụ gia kháng oxy hóa 72

Bảng 9.2: Chỉ tiêu kĩ thuật đặc trưng của dầu Unitrans Oil (Hi-Volt) 73

Bảng 10.1: Thông số dây quấn HA 75

Bảng 10.2: Thông số mạch từ 76

Bảng 10.3: Thông số tính toán nhiệt 76

Bảng 10.4: Đánh giá thông số tính toán 76

Bảng 11.1: Thông số tham khảo của dầu 83

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

LỜI NÓI ĐẦU

Với nhu cầu đáp ứng sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước hiệnnay hệ thống điện Việt Nam được phát triển rất mạnh mẽ Tổng công suất đặtnguồn điện toàn hệ thống đã đạt hơn 54.880 MW, tăng khoảng 1800 lần so vớinăm 1954 Sản lượng điện sản xuất và mua của EVN năm 2019 đạt 231,1 tỷkWh Việt Nam đã cấp điện lưới quốc gia cho 63/63 tỉnh thành và 11/12 huyệnđảo với tỷ lệ số hộ dân có điện trong cả nước đạt 99,25% [2]

Đi cùng việc phát triển nguồn điện, lưới điện Việt Nam cũng có nhữngbước phát triển đáng ghi nhận, kể cả lượng và chất Tổng dung lượng MBA cũng

đã đạt khoảng 57.750 MVA với 31 trạm biến áp 500/220 kV và 128 trạm biến áp220/110 kV để đáp ứng chuyển tải điện năng đến hầu hết các phụ tải trên khắp cảnước [2]

Trong thời gian qua, em đã tiến hành thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài

“Thiết kế máy biến áp điện lực 3 pha công suất 1250 kVA ”

Do còn hạn chế, đồ án của em khó tránh khỏi những thiếu sót, em rất mongđược sự chỉ dẫn và góp ý từ các thầy cô

Em xin phép được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Ths Phạm Minh

Tú đã tận tình hướng dẫn, động viên và giúp đỡ em hoàn thành đồ án này Em

cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo, các cán bộ Viện điện, đặc biệt bộmôn Thiết bị điện - Điện tử đã quan tâm giúp đỡ em trong suốt quá trình học tậptại trường

Hà Nội, ngày 9 tháng 10 năm

2020 Sinh viên thực hiện

Lê Thành Công

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP 1.1 Vài nét khái quát về máy biến áp

Để dẫn điện từ các trạm phát điện đến hộ tiêu thụ cần phải có đường dâytruyền tải và phân phối điện năng (hình1.1) Nếu khoảng cách giữa nơi sản xuấtđiện và hộ tiêu thụ lớn, một vấn đề rất lớn đặt ra và cần được giải quyết là việctruyền tải điện năng đi xa làm sao cho kinh tế nhất

Hình 1.1: Sơ đồ mạng truyền tải đơn giản

Như ta đã biết, cùng một công suất truyền tải trên đường dây nếu điện ápđược tăng cao thì dòng điện chạy trên đường dây sẽ giảm xuống, như vậy có thểlàm tiết diện dây nhỏ đi do đó trọng lượng và chi phí dây sẽ giảm xuống Vì thếmuốn truyền tải công suất lớn đi xa ít tổn hao và tiết kiệm trên đường dây người

ta phải dùng điện áp cao, do đó cần phải có thiết bị để tăng áp ở đầu đường dâylên Mặt khác các hộ tiêu thụ thường yêu cầu điện áp thấp từ 0,4 đến 6 kV do đótới đây phải có thiết bị giảm điện áp xuống Những thiết bị dùng để tăng áp ở đầu

ra của máy phát tức là ở đầu đường dây dẫn điện và giảm điện áp tới hộ tiêu thụtức là cuối đường dây dẫn được gọi là máy biến áp (MBA)

Trong hệ thống điện lực muốn truyền tải và phân phối công suất từ nhà máyđiện đến tận các hộ tiêu thụ một cách hợp lý thường phải qua 4 – 5 tầng tănggiảm điện áp như vậy Do đó tổng công suất của MBA trong hệ thống điện lựcthường gấp 4 – 5 lần công suất của trạm phát điện Những MBA dùng trong hệthống điện lực gọi là MBA điện lực hay MBA công suất Từ đó ta thấy rõ MBAchỉ làm nhiệm vụ truyền tải hoặc phân phối năng lượng chứ không phải là biếnhoá năng lượng

Ngoài MBA điện lực còn có nhiều loại MBA dùng trong các ngành chuyênmôn như MBA chuyên dùng cho các lò điện luyện kim, MBA hàn điện, MBAdùng trong thiết bị chỉnh lưu, MBA dùng cho đo lường…

1.2 Định nghĩa MBA

MBA là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc dựa trên nguyên lí cảm ứng điện

từ, dùng để biến đổi hệ thống điện xoay chiều ở điện áp này thành hệ thống điệnxoay chiều ở điện áp khác với tần số không đổi

Hình 1.2: MBA hạ áp ba pha 1250 kVA

Đầu vào của MBA được nối với nguồn điện được gọi là sơ cấp, đầu ra củaMBA được nối với tải gọi là thứ cấp Khi điện áp đầu ra thứ cấp lớn hơn điện ápvào sơ cấp ta có MBA tăng áp, khi điện áp đầu ra thứ cấp nhỏ hơn điện áp vào sơcấp ta có MBA hạ áp

1.3 Các đại lượng định mức

Các đại lượng định mức của MBA quy định điều kiện kỹ thuật của máy

1.3.1 Dung lượng hay công suất định mức S đm

+ Công suất định mức của MBA là công suất biểu kiến định mức Công

+ Đối với MBA 1 pha công suất định mức là:

S đm=U 2 đ m I 2 đ m=U 1 đ m I 1 đ m

+ Đối với MBA 3 pha công suất định mức là:

S đm=√3 U 2 đ m I 2 đ m=√3 U 1 đ m I 1 đ m

1.3.2 Điện áp sơ cấp định mức

quấn sơ cấp Khi dây quấn thứ cấp hở mạch và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp

là định mức, người ta qui ước với MBA 1 pha điện áp định mức là điện áp pha,với MBA 3 pha là điện áp dây Đơn vị của điện áp ghi trên nhãn máy thường làkV

1.3.3 Dòng điện định mức

Dòng điện định mức là dòng điện đã qui định cho mỗi dây quấn của MBA,ứng với công suất định mức và điện áp định mức Đối với MBA 1 pha dòng điện

định mức là dòng điện pha Đối với MBA 3 pha dòng điện định mức là dòng điệndây.

1.4 Cấu tạo của MBA

MBA gồm các bộ phận chính: Lõi sắt, dây quấn, hệ thống làm mát và vỏmáy

1.4.1 Lõi sắt và các kết cấu của nó

Lõi sắt làm mạch cho từ thông trong MBA, đồng thời làm khung để quấndây quấn Lõi sắt gồm các lá thép silic ghép lại được ép bằng những xà ép hoặcbulông tạo thành bộ khung MBA Ở các MBA dầu, toàn bộ lõi sắt có quấn dây vàcác dây dẫn ra được ngâm trong thùng đựng dầu MBA, gọi là ruột máy

Hình 1.3: Hình ảnh bên trong một MBA 3 pha

Lõi sắt gồm có hai phần: trụ và gông Trụ là phần lõi có lồng dây quấn,gông là phần lõi không có dây quấn dùng để khép mạch từ giữa các trụ

1.4.1.1 Lõi sắt kiểu trụ

Dây quấn ôm lấy trụ sắt, gông từ chỉ giáp phía trên và phía dưới dây quấn

mà không bao lấy mặt ngoài của dây quấn, trụ sắt thường bố trí đứng, tiết diệntrụ có dạng gần hình tròn, kết cấu này đơn giản, làm việc bảo đảm, dùng ít vậtliệu, vì vậy hiện nay hầu hết các MBA điện lực đều sử dụng kiểu lõi sắt này

Hình 1.4: Kết cấu mạch từ kiểu trụ a) Một pha b) ba pha

1.4.1.2 Lõi sắt kiểu bọc

Kiểu này gông từ không những bao lấy phần trên và phần dưới dây quấn

mà còn bao cả mặt bên của dây quấn Lõi sắt như bọc lấy dây quấn, trụ thường

để nằm ngang, tiết diện trụ có dạng hình chữ nhật MBA loại này có ưu điểm làkhông cao nên vận chuyển dễ dàng, giảm được chiều dài của dây dẫn từ dây quấn

nhưng kiểu lõi sắt này có nhược điểm là chế tạo phức tạp cả lõi sắt và dây quấn,các lá thép kĩ thuật điện nhiều loại kích thước khác nhau khi dây quấn quấn thànhống tiết diện tròn, trong trường hợp dây quấn quấn thành ống chữ nhật thì độ bền

về cơ kém vì các lực cơ tác dụng lên dây quấn không đều, tốn nguyên vật liệu.Lõi sắt loại này thường được sử dụng chế tạo cho các MBA lò điện

Hình 1.5: Mạch từ phẳng 3 pha 5 trụ

Hình 1.6: Kết cấu mạch từ kiểu bọc a) Một pha b) Ba pha

1.4.1.3 Lõi sắt kiểu trụ bọc

Ở các MBA hiện đại, dung lượng lớn và cực lớn, điện áp cao, để giảmchiều cao của trụ thép, tiện lợi cho việc vận chuyển, mạch từ của MBA kiểu trụđược phân sang hai bên nên MBA mang hình dáng vừa kiểu trụ vừa kiểu bọc

Hình 1.7: Mạch từ kiểu trụ bọc 1-Trụ 2-Gông 3-Dây quấn

1.4.2 Dây quấn

Dây quấn là bộ phận dẫn điện của MBA, làm nhiệm vụ thu năng lượng vào

và truyền năng lượng ra Kim loại làm dây quấn thường bằng đồng, cũng có thểlàm bằng nhôm nhưng không phổ biến

Dây quấn MBA thông thường gồm có 2 cuộn cuộn cao áp (CA) cuộn hạ áp(HA), ngoài ra nhiều MBA còn có thêm cuộn trung áp (TA)

Xét về cấu tạo dây quấn được chia thành hai loại: dây quấn đồng tâm vàdây quấn xen kẽ

+ Dây quấn đồng tâm cuộn CA và HA là những hình ống đồng tâm, bố trícuộn HA đặt sát trụ còn cuộn CA đặt ngoài Bố trí cuộn CA đặt ngoài sẽ đơngiản đuợc việc rút đầu dây điều chỉnh điện áp cũng như giảm được kích thướcrãnh cách điện giữa các cuộn dây và giữa cuộn dây với trụ sắt

Hình 1.8: Dây quấn đồng tâm

+ Dây quấn xen kẽ là cuộn CA và HA được quấn thành từng bánh có chiềucao thấp và quấn xen kẽ, do đó giảm được lực dọc trục khi ngắn mạch Dây quấnxen kẽ có nhiều rãnh dầu ngang nên tản nhiệt tốt nhưng về mặt cơ thì kém vữngchắc so với dây quấn đồng tâm Dây quấn kiểu này có nhiều mối hàn giữa cácbánh dây

Hình 1.9: Dây quấn xen kẽ

1.4.3 Hệ thống làm mát và vỏ máy

1.4.3.1 Hệ thống làm mát

Các MBA được phân biệt theo phương pháp làm mát đang sử dụng Đốivới MBA ngâm trong dầu, sự phân biệt này được kí hiệu bằng mã bốn chữ cáinhư mô tả dưới đây [3]

+ Chữ cái thứ nhất: Môi chất làm mát bên trong tiếp xúc với cuộn dây:

 O dầu khoáng, chất lỏng cách điện tổng hợp có điểm cháy* ≤ 300°C.

 K chất lỏng cách điện có điểm cháy* > 300 °C

 L chất lỏng cách điện có điểm cháy không đo được

+ Chữ cái thứ hai: Cơ cấu tuần hoàn đối với môi chất làm mát bên trong:

 N nhiệt tự nhiên qua thiết bị làm mát đi vào cuộn dây

 F tuần hoàn cưỡng bức qua thiết bị làm mát, dòng xi phông nhiệt trongcuộn dây

 D tuần hoàn cưỡng bức qua thiết bị làm mát, hướng trực tiếp từ thiết bịlàm mát đến ít nhất là cuộn dây chính

+ Chữ cái thứ ba: Môi chất làm mát bên ngoài:

 A không khí

 W nước

+ Chữ cái thứ 4: Cơ cấu tuần hoàn đối với môi chất làm mát bên ngoài:

 N đối lưu tự nhiên

 F tuần hoàn cưỡng bức (quạt, bơm)

Một MBA có thể có các phương pháp làm mát khác nhau Do đó, qui định

kỹ thuật và tấm nhãn ở máy phải có thông tin về chỉ số công suất mà tại đó MBAđạt được các giới hạn về độ tăng nhiệt khi sử dụng các phương pháp làm mát

do Ống chỉ mức dầu đặt bên cạnh bình giãn dầu để theo dõi mức đầu bên trong.

+ Ống bảo hiểm: làm bằng thép, hình trụ nghiêng, một đầu nối với thùng,một đầu bịt bằng một đĩa thuỷ tinh Nếu áp suất trong thùng tăng lên đột ngột, đĩathuỷ tinh sẽ vỡ, dầu theo đó thoát ra ngoài để MBA không bị hỏng Chú ý ốngbảo hiểm đầu đặt đĩa thủy tinh quay về phía ít người qua lại hay những vị trí ítnguy hiểm nhất

+ Lỗ nhỏ đặt nhiệt kế

+ Rơle hơi dùng để bảo vệ MBA

+ Bộ truyền động cầu dao đổi nối đầu điều chỉnh điện áp dây quấn CA

1.5 Nguyên lí làm việc

Xét 1 MBA một pha hai dây quấn CA và HA có sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.11: MBA một pha làm việc có tải

mạch từ Dưới tác dụng của dòng từ thông trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp xuất

Nếu cuộn thứ cấp nối với tải → trong dây quấn thứ cấp sẽ xuất hiện dòngđiện i2, i2 sinh ra từ thông Φ2

chính khép kín trong mạch từ móc vòng với cả hai dây quấn

Theo định luật cảm ứng điện từ, sức điện động cảm ứng trong các dây quấnlà:

e1 ¿ -W1

d Φ

dt ¿ - W1.ω Φ m.cosωt ¿ W1.ω.Φ m..sin (ωt-π2 )

1.6 Phân loại MBA

Theo công dụng, MBA được phân làm những loại sau:

+ MBA điện lực: truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện lực

Hình 1.12: MBA truyền tải

+ MBA chuyên dùng: sử dụng ở lò luyện kim, thiết bị chỉnh lưu, MBA hàn

Hình 1.13: MBA hàn

+ MBA tự ngẫu: dùng để mở máy động cơ không đồng bộ công suất lớn

Hình 1.14: MBA tự ngẫu

+ MBA đo lường: giảm các điện áp và dòng điện lớn đưa vào đồng hồ đo

Hình 1.15: MBA đo lường 1 pha

Hình 1.16: MBA đo lường 1 pha

+ MBA thí nghiệm dùng để thí nghiệm điện áp cao

1.7 Mục đích yêu cầu và nhiệm vụ thiết kế

Trong nhiệm vụ thiết kế MBA này cần phải có những số liệu sau:

- Công suất toàn phần (hay dung lượng) MBA S (kVA)

MBA thiết kế ra phải thỏa mãn các tham số kỹ thuật yêu cầu, có kích thướchợp lý, bảo đảm độ bền về điện, cơ, nhiệt, kinh tế trong vận hành, đồng thời chếtạo đơn giản, giá thành rẻ Những vấn đề đó lên quan tới việc lựa chọn một cáchđúng đắn các tham số kỹ thuật của MBA như tổn hao không tải, ngắn mạch, lựachọn các kích thước kết cấu máy, các loại vật liệu một cách hợp lý, đồng thời liênquan tới việc tổ chức và sự dụng hợp lý các qui trình qui phạm về kỹ thuật, vềcông nghệ MBA.

Để đảm bảo vê tính toán hợp lý tốn ít thời gian việc thiết kế MBA sẽ lầnlượt tiến hành theo thứ tự

1.7.1 Xác định các đại lượng cơ bản

+ Tính dòng điện pha, điện áp pha của dây quấn

+ Xác định điện áp thử của các dây quấn

+ Xác định các thành phần của được ngắn mạch

1.7.2 Tính toán các chi tiết chủ yếu

+ Chọn sơ đồ và kết cấu lõi sắt

+ Chọn loại và mã hiệu tôn silic cách điện của chúng Chọn cường độ từcảm lõi sắt

+ Chọn kết cấu và xác định các khoảng cách điện của cuộn dây

+ Tính toán sơ bộ MBA chọn quan hệ của kích thước chủ yếu β theo trị số

i0, P0, P nđã cho

+ Xác định đường kính trụ, chiều cao dây quấn Tính toán sơ bộ lõi sắt

1.7.3 Tính toán dây quấn CA và HA

+ Chọn dây quấn CA và HA (xem thêm ở mục 3.1.3)

+ Tính cuộn dây HA

+ Tính cuộn dây CA

1.7.4 Tính toán ngắn mạch

+ Xác định tổn hao ngắn mạch

+ Tính toán điện áp ngắn mạch

+ Tính lực cơ bản của dây quấn khi MBA bị ngắn mạch

1.7.5 Tính toán cuối cùng về hệ thống mạch từ và tham số không tải của MBA

+ Xác định kích thước cụ thể của lõi sắt

+ Xác định tổn hao không tải

+ Xác định dòng điện không tải và hiệu suất

1.7.6 Tính toán nhiệt và hệ thống làm nguội MBA

+ Quá trình truyền nhiệt trong MBA

+ Quá trình truyền nhiệt trong MBA

+ Tiêu chuẩn về nhiệt độ chênh.

+ Tính toán nhiệt MBA

+ Tính toán gần đúng trọng lượng và thể tích bộ giãn dầu

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU

2.1 Xác định các đại lượng điện cơ bản

Như trình bày ở mục 1.4.1 ở chương 1, lõi sắt MBA có nhiều kiểu, nhưnghầu hết MBA phân phối hiện nay thường dùng kiểu trụ Để đáp ứng nhu cầu thiết

kế đề bài chọn MBA có kết cấu mạch từ phẳng 3 pha 3 trụ, có 2 dây quấn, dâyquấn đồng tâm

2.1.1 Công suất mỗi pha của MBA

Với MBA 3 pha, 3 trụ, công suất mỗi pha là:

S f=S

m=

1250

3 =416,7 kVA

Với:  S ¿ 1250 kVA: Công suất định mức

 m ¿3 đối với MBA 3 pha

2.1.2 Công suất mỗi trụ

Với MBA 3 pha, 3 trụ, công suất mỗi trụ là:

S '= S

t=

1250

Với:  t ¿ 3 với MBA ba pha

 t ¿ 2 với MBA một pha

2.1.6 Điện áp thử của các dây quấn

Để xác định khoảng cách cách điện giữa các dây quấn, các thành phần dẫnđiện khác của MBA cần phải biết trị số điện áp thử của chúng

Tra bảng 2 [1]: Với điện áp CA là 22 kV, điện áp HA là 0,4 kV, ta có thông

số như sau:

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

2.2.1 Chiều rộng qui đổi của rãnh từ tản giữa dây quấn CA và HA

+ Theo bảng 12 [1], với công suất 1250 kVA dải k biến thiên từ 0,52 đến

 a12: Là khoảng cách cách điện giữa dây quấn HA và CA

 a1: Là chiều dài dây quấn HA

 a2: Là chiều dài dây quấn CA

2.2.2 Hệ số qui đổi từ trường tản

2.2.3 Các thành phần của điện áp ngắn mạch

Điện áp ngắn mạch có 2 thành phần chính: thành phần tác dụng và thànhphần phản kháng Điện áp ngắn mạch có thể xem như là đại lượng đặc trưng chođiện trở và điện kháng tản của dây quấn MBA

+ Với thành phần tác dụng:

Ở Việt Nam và thế giới hiện nay, hãng đã chế tạo ra được nhiều tôn silic rất

đa dạng như là tôn ATI, Carlite, Tran-Cor….Với suất tổn hao rất nhỏ Vì thế dựavào thông tin của nhiều loại thép trên chọn như sau:

+ Chọn tôn cán lạnh hãng AK Steel ASTM A804 H-0 có chiều dày 0,23mm

nằm trong khoảng từ 1,015 đến 1,025 ta chọn hệ số gia tăng tiết diện gông

k g=1,02 Ta chọn hệ số gia tăng tiết diện gông vì số bậc ở gông thấp hơn số bậc ởtrụ

+ Với công suất là 1250 kVA ép trụ bằng đai vải thủy tinh cho phép đảmbảo hơn so với dùng nêm gỗ, ép gông bằng xà ép, không dùng bulông xuyên quatrụ và gông

+ Theo bảng 4 [1], chọn số bậc thang trong trụ là 8 để cho hình dạng trụ códạng hình tròn, số bậc thang của gông lấy nhỏ hơn trụ 1-2 bậc, tức gông có 6 bậcnhằm ép gông dễ dàng giúp cho từ cảm được phân bố đều, hệ số chêm kín

k c=0,925

với nhau, do giữa các lá tôn có cách điện, đồng thời không thể ghép thật chặtđược nên tiết diện thuần của lõi không thể bằng tiết diện của lõi đã chiếm chỗtrong không gian, đấy là hệ số điền đầy Hệ số điền đấy phụ thuộc vào vật liệucách điện, chiều dày lá tôn và kĩ thuật ép chặt lõi

Hình 2.17: Suất tổn hao ở trụ

Hình 2.18: Suất tổn hao ở gông

2.2.5 Khoảng cách cách điện

+ Khoảng cách cách điện chính được chọn theo điện áp thử của dây quấn

 Giữa dây quấn HA và CA: a12=20 mm.

2.2.6 Các hằng số tính toán

Theo bảng 13,14 [1] với công suất là 1250 kVA, trị số a với cấp điện áp dây

2.2.7 Hệ số tổn hao phụ trong dây quấn

Là hệ số tính đến tổn hao phụ trong dây quấn, trong dây dẫn ra, trong vách

k f=0,88

2.2.8 Chọn hệ số β

+ Trong thiết kế MBA thường dùng trị số β quan hệ giữa đường kính trung

bình các dây quấn với chiều cao dây quấn, để thuận tiện trong việc hài hòa chi

phí, và các kích thước trong MBA ta tính toán hệ số β.

β= π d12

l

+ Trị số β thường biến thiên trong phạm vi rất rộng từ 1,0 – 3,6 ảnh hưởngrất lớn đến đặc tính kỹ thuật và kinh tế của MBA

béo và th p V i nh ng tr s khác nhau thì t l tr ng l ng s t và ng trongấ ớ ữ ị ố ỷ ệ ọ ượ ắ đồMBA c ng khác nhau: ũ β nh thì s t ít l ng ng nhi u, n u t ng lên thì tr ngỏ ắ ượ đồ ề ế β ă ọ

l ng s t t ng lên và ng l i gi m b t i nh v y vi c ch n thích h p khôngượ ắ ă đồ ạ ả ớ đ ư ậ ệ ọ β ợ

ch nh h ng n kích th c mà còn nh h ng n v t li u tác d ng ch t oỉ ả ưở đế ướ ả ưở đế ậ ệ ụ ế ạ

+ Về mặt kỹ thuật: Hệ số β ảnh hưởng trực tiếp đến các tham số kỹ thuật

của MBA như tổn hao và dòng không tải, độ bền cơ, sự phát nóng của dây

quấn ví dụ khi β tăng thì đường kính d12 sẽ lớn lên, dẫn đến trọng lượng sắt

tăng, do đó tổn hao sắt tăng, dòng điện không tải cũng tăng muốn giữ cho tổng

tổn hao không đổi khi β tăng thì trọng lượng đồng phải giảm xuống, nhưng lúc

đó sẽ làm cho mật độ dòng điện và lực cơ giới tác dụng lên dây quấn lại tăng lên.+ Tính toán:

Đường kính trụ sắt tính theo công thức 2-35 [1]:

 e = 0,41: Hệ số qui đổi một nửa tiết diện trụ.

trở suất của dây quấn

Tính các sơ bộ đại lượng có liên quan:

+ Trọng lượng một góc của lõi theo công thức 2-66c [1]:

G0=0,492.104 k ld k g A3 x3

T k ”=T t=0,03 x2

+ Diện tích khe hở ở mối nối nghiêng:

T k '=√2T t=0,0425 x2

+ Chọn kết cấu mạch từ có 6 mối nối nghiêng

 k i0=27,95: Hệ số gia tăng dòng điện không tải do công suất từ hóa tăng

lên đối với góc nối khác nhau (bảng 53 [1])

 k ig = kn.k i0 ' +¿kt k i 0 ' ': Hệ số của góc nối do sự phối hợp khác nhau về số

k i 0 ' '= 7.5 tra ở bảng 52a [1]) => k ig= 21

 k if '

Mật độ dòng điện trong dây quấn:

∆= √ P n k f

K G dq

Để MBA làm việc bình thường, mật độ dòng điên không được lớn quá mức

A/m2, ∆ Al≤ 2,7.106

A/m

Bảng 2.1: Bảng tính toán sơ bộ với β trong khoảng 1,2 dến 3,6

đã tính toán được trong bảng từ đó ta vẽ đồ thị quan hệ giữa các đại lượng: tổn

0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00 1400.00 1600.00

1.2 1.8 1.97 2.4 3 3.6 2500

2550 2600 2650 2700 2750 2800 2850

Tính lại trị số:

β=(d dm

A )4=(0.20870,24 )4=1,7488Khi đó ta có các thông số sơ bộ:

2.2.10 Đường kính trung bình rãnh dầu sơ bộ

2.2.13 Tiết diện hữu hiệu trụ sắt

T t=k đ T b=0,95.0,04193=0,04 m2

Với tính toán sơ bộ ta đã lựa chọn và tính toán được những thông số, hệ sốcần thiết như hệ số từ cảm, dòng điện pha, điện áp pha, tiết diện hữu hiệu trụ,đường kính trung bình rãnh dầu, chiều cao dây quấn sơ bộ Ta sẽ sử dụng những

hệ số này để tính toán chương tiếp theo, tính toán dấy quấn

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN DÂY QUẤN 3.1 Các yêu cầu chung với dây quấn

3.1.1 Yêu cầu vận hành

3.1.1.1 Yêu cầu về điện

Khi vận hành thường dây quấn MBA có điện áp làm việc bình thường vàquá điện áp do đóng ngắt mạch trong lưới điện hay sét đánh gây nên ảnh hưởngchủ yếu do cách điện chính của MBA, tức là cách điện dây quấn với nhau vàgiữa dây quấn với vỏ Còn quá điện áp do sét đánh thường lên đường dây thườngảnh hưởng đến cách điện dọc của MBA Tức là giữa các vòng dây rời dây haygiữa các bánh dây của từng dây quấn

3.1.1.2 Yêu cầu cơ học

Dây quấn không bị biến dạng hoặc hư hỏng dưới tác dụng của lực cơ học

do dòng điện ngắn mạch gây nên

3.1.1.3 Yêu cầu về nhiệt

Khi vận hành bình thường cũng như trong trường hợp ngắn mạch, trongthời gian nhất định dây quấn không được có nhiệt độ cao quá vì lúc đó chất cáchđiện sẽ bị nóng mất tính đàn hồi, hoá giòn và mất tính cách điện Vì vậy khi thiết

kế phải đảm bảo sao cho tuổi thọ của chất cách điện là 15 đến 20 năm

3.1.2 Yêu cầu về chế tạo

Làm sao cho kết cấu đơn giản tốn ít vật liệu và nhân công, thời gian chế tạongắn giá thành hạ nhưng đảm bảo về mặt vận hành

Như vậy yêu cầu đối với thiết kế là:

+ Phải có quan điểm toàn diện: Kết hợp một cách hợp lý giữa hai yêu cầu vềchế tạo và vận hành để sản phẩm có chất lượng tốt mà giá thành hạ

+ Phải chủ yếu đến kết cấu và chế tạo dây quấn sao cho thích hợp với trình

độ kỹ thuật của xưởng sản xuất

+ Phải nắm vững những lý luận có liên quan đến dây quấn CA, vật liệu cáchđiện

Quá tình thiết kế của dây quấn có thể tiến hành theo 3 bước:

+ Ch n ki u và k t c u dây qu n.ọ ể ế ấ ấ

3.1.3 Các kiểu dây quấn MBA

Theo cách quấn dây ta có thể chia dây quấn MBA ra làm các kiểu chính sauđây:

3.1.3.1 Dây quấn hình ống dây dẫn chữ nhật

Loại dây này quấn dùng dây tiết diện chữ nhật quấn thành hình trụ Nếudòng điện lớn quá thì ghép nhiều sợi song song

Hình 3.21: Các phương pháp quấn dây a) Quấn nẹp sợi dây b) Quấn gân dựng c) Quấn gân dựng không đạt yêu cầu

Hình 3.22: dây quấn hình ống a) Ống đơn b) Ống kép

Nếu quấn một lớp ta có kiểu dây quấn hình ống một lớp hay còn gọi làống đơn Nếu quấn hai lớp ta có kiểu hình ống kép Kểu hình ống kép thì hai lớpnối tiếp với nhau (quấn lớp trong từ trên xuống sau đó lớp ngoài quấn ngược từdưới lên) Như vậy đầu dây lớp trong và đuôi lớp ngoài có điện áp bằng điện áp

hoặc dùng một rãnh dầu rộng 4 – 8 mm hoặc dùng một ống giấy cách điện là đủ.Nếu điện áp từ 3 đến 6 kV thì phải làm rãnh dầu có bìa cách điện ở giữa dày 2

mm Nếu U > 6 kV thì cách điện sẽ khó khăn hơn do đó không dùng kiểu dâyquấn này cho các MBA công suất từ 25 đến 630 kVA Để có rãnh dầu thườngdùng que nên cách điện bằng gỗ

Kiểu dây quấn hình ống đơn có nhược điểm là hai đầu không có gì giữchặt nên dễ bị tung ra do đó thường chỉ dùng trong các MBA nhỏ, công suất mỗitrụ từ 3 đến 10 kVA Dây quấn hình ống kép ổn định về cơ khí hơn và nói chungchế tạo cũng đơn giản nên được dùng phổ biến trong các MBA công suất từ 630

kVA trở xuống điện áp dưới 6 kV Trong MBA thì dây quấn hình ống đơn và képchủ yếu làm cuộn HA.

Hình 3.23:Quá trình quấn dây quấn hình ống kiểu trụ

Dây quấn hình ống nhiều lớp tiết diện dây chữ nhật thường được làm dâyquấn CA cho các MBA dung lượng từ 630 đến 40000 kVA, điện áp 10 và 35 kV.Kiểu dây quấn này ngày càng được sử dụng rộng rãi vì độ bền cơ học của nó khingắn mạch khá bảo đảm do kết cấu dây quấn gọn chặt Mặt khác nó còn cơ ưuđiểm nữa là lấp đầy cửa sổ mạch từ tốt hơn các dây quấn khác Rãnh dầu làmlạnh dọc trục cũng có hiệu quả truyền nhiệt tốt hơn các loại dây quấn có rãnh dầuhướng kính Độ bền về điện khi có quá điện áp cũng tốt hơn các loại dây quấnkiểu bánh dây Tuy nhiên nhiều loại dây quấn này có nhược điểm cơ bản là bềmặt làm lạnh bị giảm đi nhiều so với loại dây quấn bánh dây

3.1.3.2 Dây quấn hình xoắn

Dây quấn gồm một hay sợi dây chữ nhật chập lại quấn theo chiều trục nhưđường ren ốc Các sợi dây chập thường xếp theo hướng kính và nhất thiết phải cótiết diện và kích thước các sợi như nhau

Nếu chập các sợi thành một mạch quấn từ trên xuống dưới ta có kiểu dâyquấn hình xoắn mạch đơn Khi dòng điện lớn quá phải chập thành hai mạch đểquấn, ta có kiểu dây quấn hình xoắn mạch kép

Hình 3.24: Dây quấn hình xoắn a) Mạch đơn (6 vòng dây) b) Mạch kép (4 vòng dây)

Kiểu dây quấn này có số vòng ít, tiết diện lớn nên dùng làm dây quấn hạ

áp HA Ưu điẻm của nó là chịu được lực cơ học tốt, tản nhiệt tốt Nhưng nhượcđiểm là chiều dài các sợi dây ghép không bằng nhau nên điện trở khác nhau, từthông tản không đều (càng xa trụ sắt từ thông tản càng nhỏ) nên điện kháng cũngkhác nhau Mặt khác dòng điện phân bố không đều làm tăng tổn hao phụ Vì vậycác sợi dây chập quấn quanh trụ cần được hoán vị

Đối với dây quấn hình xoắn mạch đơn theo chiều dài dây quấn người tathường hoán vị tập trung ba chỗ gồm:

+ Hai hoán vị phân bố tổ ở khoảng 1/4 và 3/4 chiều cao cuộn dây

+ Một hoán vị toàn bộ ở giữa đoạn dây

Tại chỗ hoán vị các sợi ghép chập phải đổi chỗ cho nhau (sợi ở ngoài vàotrong, sợi ở trong ra ngoài…) vì thế cần phải có một khoảng để các sợi dây tránhnhau Như vậy chiều cao dây quấn tăng thêm một rãnh dầu và một bánh dây Nóichung để hoán vị được dễ dàng và dây quấn chắc chắn thì số sợi ghép chậpkhông nên quá 4

Đối với dây quấn hình xoắn mạch kép người ta không dùng kiểu hoán vịtập trung tại 3 chỗ như vậy mà hoán vị phân bố đều, nghĩa là có bao nhiêu sợidây chập thì có bấy nhiêu lần hoán vị và phân bố vị trí hoán vị trên toàn chiềucao dây quấn Vì nhờ có hai mạch chạy song song nhau nên chỗ hoán vị khôngcần phải “tránh” nhau mà có thể đổi lẫn vị trí các sợi dây dễ dàng, do đó việc

hoán vị không ảnh hưởng tới chiều cao dây quấn

Hình 3.25: Quá trình quấn dây quấn hình xoắn mạch

đơn

Hình 3.26:Quá trình quấn dây quấn hình xoắn mạch

kép

Hình 3.27: Hoán vị phân bố đều của dây quấn hình xoắn mạch kép 12 sợi chập

Dây quấn hình xoắn thích dụng cho các cuộn HA điện áp từ 0,230 đến 35

kV với các MBA có công suất từ 160 đến 1250 kVA

3.1.3.3 Dây quấn hình ống nhiều lớp

Dây dẫn dùng là dây tròn quấn thành hình trụ nhiều lớp (lớn hơn 2), đồngtâm Vì số vòng dây trong một lớp nhiều nên điện áp giữa các lớp cao do đó cáchđiện của dây dẫn không đảm bảo, do vậy phải thêm cách điện giữa các lớp.Thường dùng vài lớp giấy cáp để cách điện là đủ (đối với điện áp 10 kV, dùng 3lớp dày 3 x 0,12 mm; đối với điện áp 6 kV dùng hai lớp dày 2 x 0,16 mm) Để đềphòng phóng điện bề mặt, chiều cao cách điện giữa các lớp phải cao hơn chềucao của dây quấn từ 20 đến 50 mm (cả hai phía) và được quấn thêm những gờbằng bìa cách điện Nếu số lớp nhiều quá thì việc tản nhiệt sẽ khó khăn do đó cầnphải có rãnh dầu dọc ở giữa khi làm dây quấn HA ở trong, rãnh dầu có thể ởgiữa dây quấn, còn khi làm dây quấn CA ở ngoài, rãnh đều thường bố trí vàoquãng 1/3 đến 1/5 chiều dày cuộn dây tính từ trong ra ngoài

Hình 3.28: Cách điện phần đầu dây của dây dẫn hình ống nhiều lớp

Dây quấn có thể dùng một sợi hay hai sợi chập lại, nhưng ít khi dùng tới 4sợi Khi dùng nhiều sợi cũng không cần hoán vị vị trí của nó phân bố đã tươngđối đều đặn

Dây quấn này chủ yếu được áp dụng cho các máy biến áp có S dưới 630kVA và thường làm cuộn CA với điện áp 6,10 và 35 kV

3.1.3.4 Dây quấn xoáy ốc liên tục

Ở đây người ta dùng dây tiết diện chữ nhật quấn liên tục thành nhiều bánhtheo đường xoắn ốc phẳng Như vậy chiều cao bánh dây vừa bằng chiều cao sợidây Giữa tất cả các bánh dây hay vài bánh dây có một rãnh dầu ngang Suốtcuộn dây không có mối hàn nào để nối các bánh nên gọi là dây bánh liên tục Cóthể dùng một sợi hay nhiều sợi để quấn nhưng không nên quá 4