›
›

Điện - Điện tử - Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp

pdf 66 trang vanle 3340
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Điện - Điện tử - Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfdien_dien_tu_cau_tao_va_nguyen_ly_lam_viec_cua_may_bien_ap.pdf

Nội dung text: Điện - Điện tử - Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp

  1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp
  2. 1.1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CƠ BẢN CỦA MÁY BIẾN ÁP 3 2 i1 i2 u1 e u2 Zt 1 φ Hình 1-1: Sơ đồ nguyên lý máy biến áp một pha Ta xét sơ đồ nguyên lý làm việc của máy biến áp một pha hai dây quấn: Dây quấn 1 có w1 vòng dây Dây quấn 2 có w2 vòng dây Được quấn trên lỏi thép 3 Khi đặt một điện áp xoay chiều u1 vào dây quấn 1 sẽ có dòng điện i1 trong dây quấn 1, dòng điện i1 sinh ra sức từ động F=i1.w1 sức từ động này sinh ra từ thômg φ móc vòng cả hai dây quấn 1và 2. Theo định luật cảm ứng điện từ trong cuộn dây 1và 2 sẽ xuất hiện các sức điện động cảm ứng e1 và e2 nếu dây quấn 2 nối với một tải bên ngoài zt thì dây quấn 2 sẽ có dòng điện i2 đưa ra tải với điện áp u2. Như vậy năng lượng của dòng điện xoay chiều đã được truyền từ dây quấn 1 sang dây quấn 2. Giả thiết điện áp đặt vào là hàm số hình sin thì từ thông do nó sinh ra cũng là hàm số hình sin Φ = Φ m = sin(ωt) (1-1)
  3. Do đó theo định luật cảm ứng điện từ, sức điện động cảm ứng trong các cuộn dây 1và 2 sẽ là dΦ dΦ sin(ωt) π π e = −w = −w m = −w ωΦ sin(ωt + ) = −E sin(ωt + ) 1 1 dt 1 dt 1 m 2 1 2 và dΦ dΦ sin(ωt) π π e = −w = −w m = −w ωΦ sin(ωt + ) = −E sin(ωt + ) 2 2 dt 2 dt 2 m 2 2 2 Trong đó : .ω.w1.Φ m E1 = = 4.44. f .w1Φ m 2 .ω.w2 .Φ m E2 = = 4.44. f .w2 Φ m 2 Là giá trị hiệu dụng của các sức điện động dây quấn 1 và 2. Các sức điện π động cảm ứng trong dây quấn chậm pha so với từ thông một góc 2 Người ta định nghiã tỷ số biến áp của máy biến áp như sau: E U k = 1 ≈ 1 E2 U 2 Nếu bỏ qua điện áp rơi trên dây quấn thì có thể coi E ≈ U , 1 1 E2 ≈ U 2 do đó k được xem như là tỷ số điện áp giữa dây quấn 1và 2 1.3. ĐỊNH NGHĨA MÁY BIẾN ÁP Từ nguyên lý làm việc cơ bản trên ta có thể định nghĩa máy biến áp như sau: Máy biến áp là một thiết bị điện từ đứng yên, làm việc trên nguyên lý cảm ứng điện từ, biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác, với tần số không thay đổi. Máy biến áp có hai dây quấn gọi là máy biến áp hai dây quấn. Dây quấn nối với nguồn điện để thu năng lượng vào gọi là dây quấn sơ cấp. Dây quấn nối với tải để đưa điện năng ra gọi là dây quấn thứ cấp. Dòng điện, điện áp,
  4. công suất của từng dây quấn theo tên sơ cấp và thứ cấp tương ứng. Dây quấn có điện áp cao gọi là dây quấn cao áp. Dây quấn có điện áp thấp gọi là dây quấn hạ áp. Nếu điện áp thứ cấp bé hơn điện áp sơ cấp ta có máy biến áp giảm áp, nếu điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp gọi là máy biến áp tăng áp. Ở máy biến áp ba dây quấn, ngoài hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp còn có dây quấn thứ ba với điện áp trung bình. Máy biến áp biến đổi hệ thống dòng điện xoay chiều một pha gọi là máy biến áp một pha, máy biến áp biến đổi hệ thống dòng điện xoay chiều ba pha gọi là máy biến áp ba pha. Máy biến áp ngâm trong dầu gọi là máy biến dầu, máy biến áp không ngâm trong dầu gọi là máy biến áp khô, máy biến áp có ba trụ nằm trong một mặt phẳng gọi là máy biến áp mạch từ phẳng, máy biến áp với ba trụ nằm trong không gian gọi là máy biến áp mạch từ không gian. 1.4. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC Các đại lượng định của máy biến áp qui định điều kiện kỹ thuật của máy. Các đại lượng này do nhà máy chế tạo qui định và thường được ghi trên nhãn máy biến áp - Dung lượng hay công suất định mức Sđm: là công suất toàn phần (hay biểu kiến ) đưa ra ở dây quấn thứ cấp của máy biến áp, tính bằng kilô vôn –ampe (KVA) hay vôn-ampe (VA). - Điện áp dây sơ cấp định mức U1đm: là điện áp của dây quấn sơ cấp tính bằng kilôvôn (KV) hay vôn (V). Nếu dây quấn sơ cấp có các đầu phân nhánh thì người ta ghi cả điện áp định mức của từng đầu phân nhánh. - Điện áp dây thứ cấp định mức U2đm: là điện áp dây của dây quấn thứ cấp khi máy biến áp không tải và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức, tính bằng kilô vôn (KV) hay vôn(V). - Dòng điện dây định mức sơ cấp I1đm và thứ cấp I2đm: là những dòng điện dây của dây quấn sơ cấpp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp định mức, tính bằng kilôampe (KA) hay ampe (A).
  5. - Tần số định mức fđm: tính bằng Hz. Thường máy biến áp điện lực có tần số công nghiệp là 50 Hz hay 60 Hz. Ngoài ra trên nhãn máy biến áp điện lực còn ghi những số liệu khác như; số pha m, sơ đồ và tổ nối dây quấn, điện áp ngắn mạch un%, chế độ làm việc (dài hạn hay ngắn hạn ), phương pháp làm mát Khái niệm “ định mức “ còn bao gồm những tình trạng làm việc định mức của máy biến áp nữa mà có thể không ghi trên nhãn máy như: hiệu suất định mức, độ tăng nhiệt định mức, nhiệt độ định mức của môi trường xung quanh. 1.5. CẤU TẠO CỦA MÁY BIẾN ÁP Máy biến áp có các bộ phận chính sau đây: lõi thép, dây quấn và vỏ máy. 1.5.1 Lõi thép Lõi thép dùng làm mạch dẫn từ, đồng thời làm khung để quấn dây quấn. Theo hình dáng lõi thép người ta chia ra - Máy biến áp kiểu lõi hay kiểu trụ: Dây quấn bao quanh trụ thép. Loại này hiện nay rất thông dụng cho các máy biến áp một pha và ba pha có dung lượng nhỏ và trung bình. Hình 1-2: Máy biến áp kiểu lõi 1pha , 3pha
  6. - Máy biến áp kiểu bọc Mạch từ được phân ra hai bên và “ bọc “ lấy một phần dây quấn. Loại này thường chỉ được dùng trong một vài nghành chuyên môn đặc biệt như máy biến áp dùng trong lò điện, luyện kim, hay máy biến áp một pha công suất nhỏ dùng trong kỹ thuật vô tuyến điện, âm thanh Hình 1-3: Máy biến áp kiểu bọc - Máy biến áp kiểu trụ bọc Ở các máy biến áp hiện đại, dung lượng lớn và cực lớn (80- 100 MVA trên một pha ), điện áp thật cao (220-400 kV), để giảm chiều cao của trụ thép, tiện lợi cho việc vận chuyển, mạch từ của máy biến áp kiểu trụ được phân sang hai bên nên máy biến áp mang hình dáng vừa kiểu trụ vừa kiểu bọc - Máy biến áp mạch từ không gian Mạch từ của máy biến áp được phân bố trong không gian. Loại máy biến áp này chỉ được chế tạo cho loại máy biến áp có công suất nhỏ và trung bình. 1.5.2. Cấu tạo lõi thép Lõi thép máy biến áp gồm hai phần: phần trụ và phần gông. Trụ là phần lõi thép có dây quấn, gông là phần lõi thép nối các trụ lại với nhau
  7. thành mạch từ kín và không có dây quấn ( đối với máy biến áp kiểu bọc và máy biến áp kiểu trụ – bọc thì hai trụ phía ngoài cũng đều thuộc về gông ). Để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên, lõi thép được ghép từ những lá thép kỹ thuật điện có bề dày (0,27-0,35 mm) có phủ sơn cách điện trên bề mặt. Trụ và gông có thể ghép với nhau bằng phương pháp ghép nối hoặc ghép xen kẽ. Ghép nối thì trụ và gông ghép riêng, sau đó dùng xà ép và bu lông vít chặt lại. Ghép xen kẽ thì toàn bộ lõi thép phải ghép đồng thời và các lá thép được xếp xen kẽ với nhau lần lượt theo trình tự a, b. a b Hình 1-4: Ghép xen kẽ lõi thép máy biến áp ba pha Sau khi ghép, lõi thép cũng được vít chặt bằng xà ép và bu lông . Phương pháp này tuy phức tạp song giảm được tổn hao do dòng điện xoáy gây nên và rất bền về phương diện cơ học, vì thế hầu hết các máy biến áp hiện nay đều dùng kiểu ghép này. Do dây quấn thành hình tròn, nên tiết diện ngang của trụ thép thường làm thành hình bậc thang gần tròn. Gông từ vì không có dây quấn, do đó, để thuận tiện cho việc chế tạo tiết diện ngang của gông có thể làm đơn giản: hình chữ nhật , hình chữ thập hoặc hình chữ T. Để đảm bảo an toàn: toàn bộ lõi thép được nối đất với võ máy và võ máy phải được nối đất. 1.5.3. Dây quấn Dây quấn là bộ phận dẫn điện của máy biến áp, làm nhiệm vụ thu năng lượng vào và truyền năng lượng ra. Kim loại làm dây quấn thường bằng đồng, cũng có thể dùng dây quấn bằng nhôm nhưng không phổ biến. Theo cách sắp xếp dây quấn cao áp và hạ áp, người ta chia ra hai loại dây quấn chính: dây quấn đồng tâm và dây quấn xen kẽ.
  8. - Dây quấn đồng tâm Dây quấn đồng tâm tiết diện ngang là những vòng tròn đồng tâm. Dây quấn hạ áp thường quấn phía trong gần trụ thép, còn dây quấn cao áp quấn phía ngoài bọc lấy dây quấn hạ áp. Với cách quấn này có thể giảm bớt điều kiện cách điện của dây quấn cao áp. Trong dây quấn đồng tâm lại có nhiều kiểu khác nhau, dây quấn hình trụ, dây quấn hình xoắn, dây quấn xoáy ốc liên tục. - Dây quấn xen kẽ Các bánh dây quấn cao áp và hạ áp lần lượt xen kẽ nhau dọc theo trụ thép. 1.5 Võ máy Võ máy gồm hai bộ phận thùng và nắp thùng. - Thùng máy biến áp Thùng máy làm bằng thép. Tùy theo dung lượng của máy biến áp mà hình dáng và kết cấu thùng khác nhau. Lúc máy biến áp làm việc, một phần năng lượng bị tiêu hao thoát ra dưới dạng nhiệt đốt nóng lõi thép, dây quấn và các bộ phận khác làm cho nhiệt độ của chúng tăng lên. Để đảm bảo cho máy biến áp vận hành liên tục với tải định mức trong thời gian qui định và không bị sự cố, phải tăng cường làm lạnh bằng cách ngâm máy biến áp trong thùng dầu. Đối với máy biến áp dung lượng lớn để giảm kích thứơc của máy và tăng cường làm mát, người ta dùng loại thùng dầu có ống hoặc thùng dầu có gắn các bộ tản nhiệt. Những máy biến áp có dung lượng trên 10000 kVA, người ta dùng những bộ tản nhiệt có thêm quạt gió để tăng cường làm lạnh. - Nắp thùng Dùng để đậy thùng và trên đó đặt các chi tiết máy quan trọng như. Các sứ đầu ra của dây quấn cao áp và hạ áp. Làm nhiệm vụ cách điện giữa dây dẫn ra với võ máy. Bình giãn dầu, ống bảo hiểm. Ngoài ra trên nắp còn đặt
  9. bộ phận truyền động của cầu dao đổi nối các đầu điều chỉnh điện áp của dây quấn cao áp. 1.6. TỔ NỐI DÂY CỦA MÁY BIẾN ÁP Để máy biến áp có thể làm việc được các dây quấn pha sơ cấp và thứ cấp phải được nối với nhau theo một qui luật xác định. Ngoài ra, sự phối hợp kiểu nối dây quấn sơ cấp và thứ cấp cũng hình thành các tổ nối dây quấn khác nhau. Hơn nữa, khi thiết kế máy biến áp, việc qui định tổ nối dây quấn cũng phải thích ứng với kết cấu mạch từ để tránh những hiện tượng không tốt như sức điện động pha không sin, tổn hao phụ tăng v.v Trước khi nghiên cứu tổ nối dây của máy biến áp ta hãy xét cách ký hiệu đầu dây và cách đấu các dây quấn pha với nhau. 1.6.1. Cách ký hiệu đầu dây Các đầu tận cùng của dây quấn máy biến áp, một đầu gọi là đầu đầu, đầu kia gọi là đầu cuối. Đối với máy biến áp một pha có thể tùy chọn đầu đầu và đầu cuối. Đối với máy biến áp ba pha , các đầu đầu và đầu cuối phải chọn một cách thống nhất: giả sử dây quấn pha A đã chọn đầu đầu đến đầu cuối theo chiều kim đồng hồ ( hình vẽ ) thì dây quấn pha B, C còn lại cũng phải chọn như vậy. Điều này rất cần thiết, bởi vì nếu một pha ký hiệu ngược thì điện áp dây lấy ra sẽ mất tính đối xứng. Hình 1-5: Cách qui ước các đầu đầu và đầu cuối của dây quấn máy biến áp. Điện áp dây không đối xứng khi ký hiệu ngược.
  10. Để thuận tiện cho việc nghiên cứu người ta thường đánh dấu lên sơ đồ dây quấn của máy biến áp với qui ước như sau. Dây quấn cao áp Dây quấn hạ áp Các đầu tận cùng (CA) (HA) Đầu đầu A , B , C a , b , c Đầu cuối X , Y , Z x , y , z Đầu dây trung tính O hay N o hay n Đối với máy biến áp ba dây quấn ngoài hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp còn có dây quấn điện áp trung. Dây quấn này được ký hiệu như sau: đầu đầu bằng các chữ Am, Bm, Cm; đầu cuối bằng các chữ Xm, Ym, Zm và đầu trung tính bằng chữ Om. 1.6.2. Các kiễu đấu dây quấn Dây quấn máy biến áp có thể đấu sao ( ký hiệu bằng dấu “ Y “ ) hay hình tam giác ( ký hiệu bằng dấu “ D” hay “ Δ” ). Đấu sao thì ba đầu X, Y, Z nối lại với nhau, còn ba đầu A, B, C để tự do. Nếu đấu sao có dây trung tính thì ký hiệu bằng dấu “ Yo”. Đấu tam giác thì đầu cuối của pha này nối với đầu đầu của pha kia hoặc theo thứ tự AX – BY – CZ – A, hoặc theo thứ tự AX – CZ – BY – A. Các máy biến áp công suất, thường dây quấn cao áp được đấu Y, còn dây quấn hạ áp đấu tam giác, bởi vì làm như vậy thì phía cao áp, điện áp pha nhỏ đi 3 lần so với điện áp dây, do đó giảm được chi phí và điều kiện cách điện; phía hạ áp thì dòng điện pha nhỏ đi 3 lần so với dòng điện dây, do đó có thể làm nhỏ dây dẫn thuận tiện cho việc chế tạo. Ngoài hai kiểu đấu dây trên, dây quấn máy biến áp có thể đấu theo kiểu zic – zăc ( ký hiệu bằng chữ “ Z” ) lúc đó mỗi pha gồm hai nữa cuộn dây trên hai trụ khác nhau nối tiếp và mắc ngược nhau. Kiếu đấu này thường rất ít dùng vì tốn nhiều đồng hơn.
  11. 1.6.3. Tổ nối dây của máy biến áp Tổ nối dây của máy biến áp được hình thành do sự phối hợp kiểu đấu dây quấn sơ cấp so với kiểu đấu dây quấn thứ cấp. Nó biểu thị góc lệch pha giữa các sức điện động dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp máy biến áp. Góc lệch pha này phụ thuộc vào các yếu tố sau - Chiều quấn dây - Cách ký hiệu các đầu dây - Kiểu đấu dây quấn ở sơ cấp và thứ cấp Để thuận tiện người ta không dùng “độ” để chỉ góc lệch pha đó mà dùng phương pháp kim đồng hồ để biểu thị gọi là tổ nối dây của máy biến áp. Cách biểu thị đó như sau: kim dài của đồng hồ chỉ sức điện động dây sơ cấp đặt cố định ở con số 12, kim ngắn chỉ sức điện động dây thứ cấp đặt tương ứng với các con số 1, 2, , 12 tùy theo góc lệch pha giữa chúng là 30, 60, , 360o . Như vậy theo cách ký hiệu này thì máy biến áp ba pha sẽ có 12 tổ nối dây. Trong thực tế sản xuất nhiều máy biến áp có tổ nối dây khác nhau rất bất tiện cho việc vận hành và chế tạo, vì thế ở nước ta chỉ sản xuất máy biến áp điện lực có tổ nối dây như sau. Đối với máy biến áp một pha có tổ I/I-12, đối với máy biến áp ba pha có các tổ nối dây Y/Yo-12 ,Y/d-11, Yo/d-11. 1.7. Những hiện tượng xuất hiện khi từ hóa lõi thép Khi từ hóa lõi thép máy biến áp, do mạch từ bão hòa sẽ làm xuất hiện những hiện tượng mà trong một số trường hợp những hiện tượng ấy có thể ảnh hưởng đến tình trạng làm việc của máy biến áp. Khi máy biến áp làm việc không tải ảnh hưởng của hiện tượng bão hòa mạch từ lớn nhất. Nghiã là khi đặt vào dây quấn sơ cấp điện áp hình sin, còn dây quấn thứ cấp hở mạch. Sự ảnh hưởng của hiện tượng bão hòa mạch từ với máy biến áp một pha và ba pha có sự khác nhau. Đối với máy biến áp ba pha ảnh hưởng của hiện tượng bão hòa mạch từ còn phụ thuộc vào kiểu dáng mạch từ và tổ nối dây của máy biến áp.
  12. 1.7.1. Máy biến áp một pha Điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp sẽ sinh ra dòng điện không tải io chạy trong nó, dòng điện không tải io sinh ra từ thông φ chạy trong lõi thép máy biến áp. Giả sử điện áp đặt vào hai đầu cuôn dây sơ cấp có dạng u=Umsin dφ ω t và bỏ qua điện áp rơi trên điện trở dây quấn, thì u=-e =w nghĩa là từ dt π thông sinh ra cũng biến thiên hình sin theo thời gian. φ = φ sin(ωt − ) . m 2 Nếu không kể đến tổn hoa trong lõi thép thì dòng điện không tải io chỉ thuần túy là thành phần dòng điện phản kháng dùng để từ hóa lõi thép io=iox . Do đó những quan hệ φ = f (io ) cũng chính là quan hệ từ hóa B=f(H). Theo lý thuyết cơ sở kỹ thuật điện thì do hiện tượng bão hòa mạch từ, nếu φ là hình sin, i0 sẽ không sin mà có dạng nhọn đầu và trùng pha với φ , nghĩa là dòng điện io ngoài thành phần sóng cơ bản io1 còn có các thành phần sóng điều hòa bậc cao: bậc 3, 5, 7 , , trong đó thành phần sóng bậc 3 io3 lớn nhất và đáng kể hơn cả, còn các thành phần khác không đáng kể có thể bỏ qua. Nếu mạch từ càng bảo hòa thì io càng nhọn đầu do đó thành phần sóng bậc cao càng lớn đặc biệt là thành phần sóng bậc ba. Khi có kể đến tổn hao trong lõi thép thì quan hệ φ = f (io ) là quan hệ từ trễ B(H). Khi đó dòng điện từ hóa gồm hai thành phần, tác dụng và phản kháng, io có dạng nhọn đầu và vượt trước φ một góc α nào đó. Góc α lớn hay bé tùy thuộc mức độ trể của B đối với H nhiều hay ít, nghĩa là tổn hao từ trễ trong lõi thép nhiều hay ít, vì thế α được gọi là góc tổn hao từ trể. Trên thực tế Ior<10%Io , nên dòng điện Ior thực ra không ảnh hưởng đến dòng điện từ hóa nhiều và có thể coi Iox ≈ Io.
  13. 1.7.2. Máy biến áp ba pha Khi không tải nếu xét từng pha riêng lẽ thì dòng điện bậc ba trong các pha io3A= Io3msin3ωt o i03B=Io3msin 3(ωt -120 )=I03msin 3ωt o i03C=I03msin 3(ωt -240 )= I03msin 3ωt trùng pha nhau về thời gian, nghĩa là tại mọi thời điểm chiều của dòng điện trong cả ba pha hoặc hướng từ đầu đến cuối dây quấn hoặc ngược lại. Song chúng có tồn tại hay không và dạng sóng như thế nào còn phụ thuộc vào kết cấu mạch từ và cách đấu dây quấn nữa. a) Trường hợp máy biến áp nối Y/y Vì dây quấn sơ cấp nối Y nên thành phần dòng điện bậc ba không tồn tại, do đó dong điện từ hóa io có dạng hình sin và từ thông do nó sinh ra sẽ có dạng vạt đầu. Như vậy có thể xem từ thông tổng φ gồm sóng cơ bản φ1 và các sóng điều hòa bậc cao,φ 3,φ5 . Vì các thành phần từ thông bậc cao hơn 3 rất nhỏ có thể bỏ qua. Đối với tổ máy biến áp ba pha, vì mạch từ của cả ba pha riêng rẽ, từ thông φ3 của cả ba pha cùng chiều tồn tại mọi thời điểm sẽ dễ dàng khép kín trong từng lõi thép như từ thông φ1 . Do từ trở của lõi thép rất nhỏ, nên φ3 có trị số khá lớn. Kết quả là trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp, ngoài sức điện động cơ bản e1 do từ thông φ1 tạo ra, còn có các sức điện động bậc 3 do φ3 tạo ra khá lớn E3=(45- 60)%E1. Do đó sức điện động tổng trong pha e=e1+e3+ sẽ có dạng nhọn đầu, nghĩa là biên độ sức điện đông pha tăng lên rõ rệt, như vậy hoàn toàn không có lợi cho sự làm việc của máy biến áp và trong nhiều trường hợp rất nguy hiểm, như chọc thủng cách điện của dây quấn, làm
  14. hư hỏng các thiết bị điện đo lường và nếu trung tính nối đất dong điện bậc 3 sẽ gây ảnh hưởng đến đường dây thông tin. Bởi những lý do đó, trên thực tế người ta không dùng kiểu nối Y/y cho tổ máy biến áp ba pha đối với máy biến áp ba pha 5 trụ thành phần từ thông bậc cao cũng dễ dàng khép mạch trong lõi thép nên những hiện tượng xuất hiện cũng tương tự tổ máy biến áp ba pha. Đối với máy biến áp ba pha ba trụ vì thuộc hệ thống mạch từ chung nên hiện tương sẽ khác đi. Từ thông φ3 bằng nhau và cùng chiều trong ba trụ thép tại mọi thời điểm, nên chúng không thể khép mạch từ trụ này qua trụ khác mà bị đẩy ra ngoài và khép mạch từ gông này đến gông kia qua không khí hoặc dầu là môi trường có từ trở lớn. Vì thế φ3 không lớn lắm và có thể coi từ thông trong mạch từ là hình sin, nghĩa là sức điện động pha thực tế là hình sin. Nhưng do từ thông bậc 3 đập mạch với tần số 3f qua vách thùng, các bu lông ghép vv sẽ gây nên những tổn hao phụ làm hiệu suất giảm xuống. Do đó phương pháp đấu Y/y đối với máy biến áp ba pha ba trụ cũng chỉ dùng cho máy biến áp công suất hạn chế từ 5600 kVA trở xuống. b) Trường hợp nối D/y Dây quấn sơ cấp nối D, nên dòng điện io3 sẽ khép kín trong tam giác đó, vì vậy dòng điện từ hóa vì có thành phần bậc 3 sẽ có dạng nhọn đầu, do đó từ thông và các sức từ động của dây quấn sơ cấp và thứ cấp đều có dạng hình sin. Do đó sẽ không có hiện tượng bất lợi như trên xẩy ra. c) Trường hợp máy biến áp ba pha nối Y/d Do dây quấn sơ cấp nối Y nên dòng điện từ hóa trong đó sẽ không có thành phần điều hòa bậc 3, như vậy từ thông sẽ có dạng vạt đầu, nghĩa là tồn tại thành phần từ thông bậc 3 φ3 . Từ thông bậc bậc 3 sẽ cảm ứng trong
  15. dây quấn thứ cấp sức điện động bậc 3 e23. Đến lượt e23 gây ra trong mạch vòng thứ cấp nối tam giác dòng điện bậc 3 i23, rõ ràng i23 sẽ sinh ra từ thông bậc 3 gần như ngược pha với φ3 của dòng điện sơ cấp tạo nên. Do đó từ thông tổng trong lõi thép là φ = φ3y +φ3d ≈ 0 . Ảnh hưởng của từ thông bậc 3 trong mạch từ không đáng kể nữa, sức điện động pha sẽ gần như hình sin. Tóm lại khi máy biến áp làm việc không tải, các cách đấu D/y, Y/d đều tránh được tác hại của từ thông và sức điện động điều hòa bậc 3. 1.8. Trong nghiên cứu máy biến áp thường dùng các định luật sau 1.8.1 Định luật về cảm ứng điện từ. Định luật Faraday Trong các thiết bị điện từ, định luật này được viết như sau dφ e=- dt Điều đó nói rằng: một sự biến thiên của tổng từ thông móc vòng một mạch điện sẽ tạo ra một sức điện động tỷ lệ với đạo hàm của tổng từ thông biến thiên đó. Cũng có thể viết dưới dạng e=Blv trong đó v là vận tốc chuyển động của một thanh dẫn l nằm trong từ trường có từ cảm B vuông góc với chiều chuyển động của thanh dẫn đó. 1.8.2. Định luật toàn dòng điện Định luật này được diễn tả như sau ∫ Hdl = ∑i = F Tích phân vòng của cường độ từ trường theo một đường khép kín bất kỳ bao quanh một số mạch điện bằng tổng dòng điện trong các mạch. F chỉ giá trị của sức từ động lên mạch từ đó.
  16. 1.8.3. Định luật về lực điện từ. Định luật laplace − Đây là một định luật cho ta giá trị của lực df M tác dụng trên một đơn vị − − dòng điện idl đặt ở điểm M có từ cảm BM . Lực này bằng tích vectơ của đơn vị dòng điện với vectơ từ cảm − − − df M =idl x BM lực tác dụng trên một đoạn dây dẫn mang dòng điện nằm trong từ trường bằng : l f= ∫ Bi sinϕdl 0 − − trong đó ϕ là góc giữa từ cảm B với vectơ dòng điện i . Nếu từ trường đều và dây dẫn thẳng, ta có f= Bil sinϕ 1.8.4. Năng lượng trường điện từ Năng lượng tổng trong một thể tích từ trường có μ không đổi bằng: μH 2 1 W= dV = Li 2 ∫ 2 2 Trong trường hợp này, Li=ψ chỉ từ trường móc vòng bởi dòng điện i và L là từ cảm của cuộn dây. Nếu thiết bị điện từ có hai hoặc nhiều mạch điện có hỗ cảm điện từ thì năng lượng điện từ của hai mạch điện có hỗ cảm bằng 2 2 2 μH L1i 1 L2i 2 W12= dV = + + M i i ∫ 2 2 2 12 1 2 Tất cả các phương trình cân bằng điện áp của các loại máy điện được biểu thị theo định luật Krirhôff bằng một phương trình ma trận có dạng − − u = zi trong đó: u-vectơ điện áp có các thành phần bằng các điện áp đặt vào các mạch điện tương ứng với các dây quấn của mạch điện.
  17. i- là vectơ dòng điện có các thành phần dòng điện chạy trong các mạch điện z- là ma trận tổng trở Mômen điện từ sinh ra trong máy điện sẽ bằng − − M=k ψ i trong đó ψ : - vectơ từ thông móc vòng có các thành phần bằng từ thông do các dây quấn sinh ra
  18. CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU CỦA MÁY BIẾN ÁP 2.1. CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẤU • Công suất định mức: S= 7500 KVA U • Điện áp định mức : 1 = 35/22 KV, đấu Y/Y U 2 • Tần số : f=50Hz • Tổn hao không tải : Po=8000 W • Tổn hao ngắn mạch : Pn=42000W • Dòng điện không tải : io=0,7% • Điện áp ngắn mạch : un=7,5% • Kiểu máy: Đặt ngoài trời , làm việc liên tục, làm lạnh bằng dầu 2.2. TÍNH CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN Dựa vào nhiệm vụ thiết kế trước hết xác định các đại lượng cơ sau đây + Công suất một pha của máy biến áp S 7500 S = = = 2500(kVA) t m 3 + Công suất một trụ S 7500 S' = = = 2500(kVA) t 3 trong đó t là số trụ tác dụng t=3, m là số pha của máy biến áp m=3 pha, S công suất định mức của máy biến áp + Dòng điện dây định mức - Dòng điện dây phía cao áp S.103 7500.103 I72123, (A) 1 = = 3 = 3.U1 . 3.35.10 - Dòng điện dây phía hạ áp
  19. S.103 7500.103 I83196, (A) 2 = = 3 = 3.U 2 . 3.22.10 + Dòng điện pha định mức - Phía cao áp I f 1 = I 1 = 123,72(A) - Phía hạ áp I f 2 = I 2 = 196,83(A) + Điện áp pha định mức - Điện áp pha định mức phia cao áp, phía cao áp nối tam giác ta có U U = 1 = 20.21(KV) f 1 3 - Điện áp pha định mức phía hạ áp, phía hạ áp nối sao ta có U 22 U = 2 = = 12,7(KV) f 2 3 3 + Điện áp thử dây quấn: theo phụ lục VIII trang 653 TKMĐ Để xác định khoảng cách cách điện giữa các dây quấn, các phần dẫn điện khác và các bộ phận nối đất của máy biến áp cần phải biết các trị số điện áp thử của chúng. Dựa theo cấp điện áp của dây quấn chọn điện áp thử tương ứng - Điện áp thử dây quấn cao áp Ut1=80 (KV) - Điện áp thử dây quấn hạ áp Ut2=50(KV) + Các thành phần điện áp ngắn mạch - Thành phần tác dụng của điện áp ngắn mạch P u = n , (%) nr 10.S
  20. Pn : tổn hao ngắn mạch (W) S : dung lượng máy biến áp (kVA) Thay số vào ta được 42000 u = = 0,56(%) nr 10.7500 - Thành phần phản kháng của điện áp ngắn mạch 2 2 2 2 unx = un - u nr = 7,5 - 0,56 = 7,48(%) 2.3. THIẾT KẾ SƠ BỘ LỖI SẮT VÀ TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU CỦA MÁY BIẾN ÁP 2.3.1. Thiết kế sơ bộ lõi sắt Từ yêu cầu của nhiệm vụ thiết kế máy biến áp mạch từ không gian. Lõi sắt của máy biến áp gồm hai bộ phận chính, trụ và gông. Lõi sắt là phần mạch từ của máy biến áp do đó thiết kế nó cần phải làm sao cho tổn hao chính cũng như tổn hao phụ nhỏ, dòng điện không tải nhỏ, trọng lượng tôn silic ít và hệ số điền đầy của lõi sắt cao. Mặt khác lõi sắt còn làm khung mà trên đó để nhiều bộ phận quan trọng của máy biến áp như dây quấn, giá đỡ dây dẫn ra. Hơn nữa, lõi sắt có thể chịu những lực cơ học lớn khi dây quấn bị ngắn mạch. Vì vậy yêu cầu thứ hai của lõi sắt là phải bền và ổn định về cơ khí. Trụ được làm từ lá thép kỹ thuật điện ghép lại thành hình bậc thang vì vậy lá thép dùng để làm trụ gồm nhiều thếp có kích thước khác nhau. Số bậc thang của trụ càng nhiều thì tiết diện trụ càng gần tròn, nhưng số tập lá thép càng nhiều, nghĩa là số lượng các lá tôn có kích thước khác nhau càng nhiều làm cho quá trình chế tạo lắp ráp lõi thép càng phức tạp Để đảm bảo được đường kính tiêu chuẩn, kích thước lá thép từng tệp trong trụ và số bậc của trụ cũng được tiêu chuẩn hóa.
  21. Ép trụ có rất nhiều cách, tùy theo công suất và đường kính trụ máy biến áp. Để giảm tổn hao trong mạch từ và đảm bảo cho mạch từ chắc chắn và lực ép phân bố đều trên lõi thép ta dùng băng vải thủy tinh. Gông là phần mạch từ dùng để khép kín mạch từ với máy biến áp mạch từ không gian gông được làm bằng thép cuộn quấn lại. Khi chế tạo gông ta dùng một miếng lót để tạo lỗ tương ứng với phần giữa trụ để cố định trụ và gông với nhau 2.3.2. Tính toán lựa chọn phương án: C ao1 a22 a1 a2 l o l a12 l o Hình 2-1 d: đường kính trụ sắt d l: chiều cao dây quấn d12 d12: đường kính trung bình giữa hai dây quấn hay của rảnh dầu giữa hai dây quấn Trong tính toán thiết kế máy biến áp các kích thước cơ bản trên được xác định thì hình dáng, thể tích và các kích thước khác cũng được xác định. Trong thiết kế máy biến áp thường dùng trị số β để chỉ quan hệ giữa đường kính trung bình của các dây quấn d12 với chiều cao l của dây quấn π.d gọi là tỷ số kích thước cơ bản β = 12 l Trị số này biến thiên trong khoảng rộng 1,0 đến 3,6 và ảnh hưởng rất lớn tới đặt tính kỹ thuật và kinh tế của máy biến áp
  22. Chọn các số liệu xuất phát và tính các kích thước chủ yếu Các số liệu xuất phát được chọn theo điện áp thử của các cuộn dây cao áp và hạ áp tra bảng ta có: U t1 = 80(kV ),U t 2 = 50(kV ) a12 - là chiều rộng rãnh dầu giữa cuộn cao áp và cuộn hạ áp ta chọn theo điện áp thử của cuộn cao áp theo bảng T654 -TKMĐ ta có: a12 = 28(mm),δ12 = 5(mm) δ 12 - là bề dày lớp cách điện ở giữa rãnh dầu, dùng ống cách điện bakelit a + a 1 2 là một kích thước dài phụ thuộc vào công suất máy biến áp, gần 3 đúng có thể xem a +a 1 2 = k 4'S .10 −2 3 S ' :Dung lượng trên 1 trụ máy biến áp k là một hệ số tra bảng 13-1 trang 456 tài liệu TKMĐ, chọn k=0,47 a +a 1 2 = k 4 S ' .10 −2 = 0,474 2500.10 −2 = 0,033(m) = 33(mm) 3 - Chiều rộng qui đổi từ trường tản a + a a = a + 1 2 = 28 + 33 = 61(mm) r 12 3 - Hệ số qui đổi từ trường tản: k r qui đổi từ trường tản thực tế về từ trường tản lý tưởng hệ số này thay đổi rất ít trong tính toán sơ bộ ta chọn k r = 0,95 2.3.2.2. Chọn vật liệu Chọn thép cán nguội đẳng hướng mã hiệu 3404 dày 0,35(mm),lá tôn phủ 1 lớp sơn ,chọn hệ số ép chặt kc=0,93 với mật độ từ thông trụ Bt =(1,55- 1,65)T chọn Bt = 1,62T , hệ số k g là tỷ số giữa tiết diện gông và tiết diện trụ. Máy thiết kế là máy ngâm dầu,không tấm ép ứng với Sp=7500KVA tra bảng trang 457TKMĐta có đường kính trụ sơ bộ d=38cm ,hệ số lấp đầy kd=0,913 ,số bậccủa trụ là 9 ,nên hệ số lợi dụng lõi sắt là kl=kc .kd =0,93.0,913=0,849 .Tra bảng trang 666 ta được hệ số gông là
  23. kg=Sg/ST=1063,4/1035,8=1,022 .mật độ từ cảm trong gông 1,62 B = = 1,585T g 1,022 Bt Mật độ từ thông trong khe hở không khí B k = = 1,141T . Suất tổn hao sắt 2 trong trụ và gông: Bt = 1,62T tra bảng V14 trang 617 tài liệu TKMĐ ta có: Pt = 1,353(W / Kg) Bg =1,585T tra bảng ta có với Bg =1,56T Pg =1,207(W / Kg), Bg =1,58T , Pg = 1,251(W / Kg) . Dùng phương pháp nội suy ta có: Y1.X 2 − Y2 .X 1 y2 − y1 yt= + xt > X 2 − X 1 x2 − x1 1,207.1,58 −1,251.1,56 1,251−1,207 P = + 1,585 = 1,262(W/kg) g 1,58 −1,56 1,58 −1,56 Suất từ hóa q của tôn cán lạnh 3404 tra bảng tr617 Bt = 1,62T,qt = 1,958(VA/ kg) , Bg =1,585T tra bảng với B1 = 1,58T , q1 = 1,675(VA / kg); B2 = 1,60T , q2 = 1,775T , dùng phương pháp nội suy ta có: y 2 − y1 yt=y1+ (xt − x1 ) x2 − x1 1,775 −1,675 q = 1,675 + (1,585 −1,58) = 1,7(VA/ kg) g 1,60 −1,58 2.3.2.3. Các khoảng cách cách điện chính Dựa vào điện áp thử của cuộn cao áp và cuộn hạ áp tra bảng XIV-1 để tra ra khoảng cách cách điện, ta có: - Khoảng cách cuộn hạ áp đến gông l01=l02=75mm - Khoảng cách cuộn hạ áp đến trụ: δ 01 = 5x0,05(cm) ; ad1 = 13(mm) ;d01=23mm;l01=45mm - Giữa dây quấn cao áp và gông δ d = 2(mm)
  24. - Ống cách điện giữa dây quấn cao áp và hạ áp δ12 = 6(mm) -Giữa cuộn CA và cuộn HA a12 = 27(mm) - Giữa các dây quấn cao áp a22 = 30(mm) - Tấm chắn giữa các pha(giữa hai cuộn cao áp) a22=30mm; δ 22 = 3(mm) - Phần đầu thừa của ống cách điện ld = 50(mm) 2.3.2.5. Tính các hệ số Tt a. Hệ số lợi dung lõi thép: kld=kc.kđ, kđ= T b trong đó Tt(hay Tg) là tiết thuần thép hay tiết diện tác dụng của trụ hay gông, Tg là tiết diện tác dụng toàn bộ hình bậc thang của trụ hay gông tra ở Tb Tb bảng ta có kđ=0,913, kc= = 2 chọn kc=0,93, trong đó Tb là tiết diện Ttr πd 4 hình bậc thang đã kể đến các chi tiết chiếm chỗ như đệm cách điện đai ép lỗ bắt gông. kld = 0,93.0,913 = 0,849 Từ Sp ta tra ra được a=1,4; b=0,26; k f =0,81; β = 1,3 ÷1,6 ;ta thiết kế dạng máy với gông hình thang nhiều bậc nên có e= 0,411;chọn β =1,5 ' S .ar.kr 2500.6,1.0,95 4 4 A=16 2 2 = 16 2 2 = 34,04 funx B t k ld 50.7,48.1,62 .0,849 -2 3 −2 3 A1=5,663.10 .a.A kld=5,663.10 .1,4.0,849.34,04 = 2655(kg) -2 2 −2 2 A2=3,6.10 A .kld.lo=3,6.10 .34,04 .0,849.7,5 = 265,6 (kg) 2 3 B1=2,4.10- kg.kld.A (a+b+e) = 2,4.10−21,022.0,849.34,043 (1,4 + 0,26 + 0,411) = 1701(kg) B2 =
  25. 2 2 −2 2 2,4.10 - .kg.kld.A (a12+a22)= 2,4.10 1,022.0,849.34,04 (2,7 + 3,0) = 137,54 (kg)
  26. 2 2 S p .a 2 7500.1,4 C1 = K dq . 2 2 2 = 2,46.10 2 2 2 = 3637(kg) k f .k ld .BT unr .A 0,84.0,849 .1,62 .0,56.34,04 −πunr −π 0,56 100 u 100 7,48 -Kn=1,41 (1+ e nx ) = 1,41 (1+ e ) = 33,66 un 7,5 P 4200 -M=0,2453.10 −4 k 2 k k n =0,2453.10 −4 19,353 2 0,81.0,95 =18,85 n f R A.a 37,66.1,4 Mpa 2 A + B 2 265,6 +137,54 B= 2 2 = = 0,158 3 B1 3 1701 -Tỷ lệ giữa giá đồng PBV và thép 3404 là kFeCu=2,21 A 2655 -C= 1 = = 0,52 3B1 3.1701 2 C1 2 3637 -D= k FeCu .kcd = .2,21.1,06 = 3,339 3 B1 3 1701 -Ta có đẳng thức : x 5 + Bx 4 -Cx-D= x 5 + 0,158x 4 -0,52x-3,339 =0 Khi β = 1,3 ÷1,6 thì hàm trên đạt cực tiểu tại β = 1,3 -Ứng với mật độ dòng điện Jvà lực điện động cho phép , tìm ra khoảng cách hạn chế của β 2,4C1 2,4.3637 Có x j ≤ 4,5 = 4,5 = 2,28 k f Pn 0,81.42000 4 4 β j = x j = 2,28 = 27 60 60 x ≤ 3 = 3 = 1,47 σ M 18,85 4 4 βσ = xσ = 1,47 = 4,68 -Trọng lượng tôn silíc ở các góc của gông ; −2 3 3 −2 3 3 3 Gg=0,493.10 . kl k g A x = 0,493 .1,022.0,849.10 .34,04 .x = 168,7x C 3637 -G = 1 = (kg) dq x 2 x 2 2.3.2.6. Tiết diện trụ: sơ bộ tính theo công thức
  27. 2 2 2 2 2 Tt = 0,785.kld .A .x = 0,785.0,849.37,66 x = 772,25x 2.3.2.7. Tiết diện khe hở không khí: mối nối thẳng 2, Tk=Tt=772,25x 2.3.2.8. Tổn hao không tải: xác định theo công thức Po = k pf .( pT Gt + Gg.pg ) = 1,25(1,353Gt + Gg1,262) = 1,691Gt + Gg1,578 Pt = 1,353(W / Kg) , pg=1,262(W/kg) 2.3.2.9. Công suất từ hóa: theo công thức 20-45 trang 203 tài liệu 2 ta có '' Q=k f (Qc + Q f + Qk ) Qc= qT GT + qGGG = 1,958GT +1,7GG Qf=40q T .Gg = 40.1,958Gg = 78,32Gg 2 2 Q K = 3,2.qk .ST = 3,2.772,25.0,0956X = 236,25X ,, lấy k f = 1,25 '' 2 Q o =k f (Qc + Q f + Qk ) =2,448G T +2,125G G +97,9G g +295,3X
  28. β 1.3 1.4 1.5 1.6 4 x = β 1.06779 1.087757 1.106682 1.124683 2 2 x = 4 β 1.140175 1.183216 1.224745 1.264911 3 4 3 x = β 1.217468 1.287052 1.355403 1.422624 A 1 / x = 2655 / x 2486.444 2440.802 2399.063 2360.665 2 2 A 2 x = 265 , 6 x 2 232.9467 224.473 216.8615 209.9752 GT = (A1 / x) + A2 x 3 3 2719.391 2665.275 2615.925 2570.64 B 1 x = 1701 x 2 2 2070.913 2189.275 2305.541 2419.883 B 2 x = 137 ,54 x 3 2 156.8197 162.7395 168.4514 173.9759 G G = B1x + B 2 x 2227.733 2352.015 2473.992 2593.859 G Fe = GG + GT 3 4947.123 5017.29 5089.917 5164.5 G g = 168 , 7 x 205.3869 217.1257 228.6565 239.9967 P0 = 1,691 G t + Gg 1,578 8113.852 8218.46 8327.488 8440.063 Q0 = 2,448GT +2,125GG 2 +97,9G g +295,3X 31835.07 33128.63 34408.15 35674.08 i ox = Q 0 / 10 S p = Q 0 / 7500 4.244676 4.417151 4.587754 4.756544 2 G dq = C1 / x 2 3189.861 3073.826 2969.598 2875.301 = 3637 / x G Cu = 1,66 Gdq 5295.17 5102.551 4929.532 4773 KCu Fe GCu = 2,21 GCu ' 11702.32 11276.64 10894.27 10548.33 Ctd = GFe + KCu Fe GCu 16649.45 16293.93 15984.18 15712.83 k P 0,81.42000 J = f n = KGdq 2,4Gdq 2.106983 2.146384 2.183726 2.219245 =119 / Gdq σ = Mx3 =18 .85x cp 22.94927 24.26093 25.54935 26.81646 d = A.x = 34 ,04 x 36.34757 37.02725 37.67146 38.28421 d12 = ad =1,4d 50.8866 51.83815 52.74004 53.59789
  29. 122.9107 116.2656 110.4025 105.1859 5.154086 5.250464 5.341812 5.428701 61.74069 62.78861 63.78185 64.72659 2.3.2.11. Dòng điện không tải - Dòng điện không tải tác dụng po ior= % 10.S - Dòng điện không tải phản kháng Q0 i0x= % 10.S - Dòng điện không tải toàn phần 2 2 io = i or + i 0x % Vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa GFe=f( β ): 5200 t ắ 5150 5100 ng s 5050 5000 Series1 ượ 4950 ng l 4900 ọ tr 4850 4800 1.3 1.4 1.5 1.6 beta
  30. Đồ thị biểu diển mối quan hệ : Po=f( β ) 8500 i 8400 ả 8300 8200 Series1 8100 n hao ko t ko n hao ổ t 8000 7900 1.3 1.4 1.5 1.6 bê ta Đồ thị biểu diễn mối quan hệ io=f( β ) 4.8 4.6 4.4 Series1 4.2 Dòng I0x Dòng 4 3.8 1.3 1.4 1.5 1.6 Bêta ’ Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Ct =f( β ) 17000 16500 16000 Series1 Giá thành 15500 15000 1.3 1.4 1.5 1.6 Bêta
  31. 2.3.2.12. Lựa chọn phương án Theo bảng đã tính và đồ thị đã vẽ thì các đại lượng được quan tâm theo ’ ’ β , GFe, Gdq, po, io, Ctd =f( β ).Từ đồ thị ta chọn được β để Ctd tác dụng đạt min Vậy ta chọn β = 1,6 Từ đó suy ra đường kính trụ sắt lõi thép: d = A4 β = 34,044 1,6 =38,28(cm) d12=1,4.38,28=53,59cm - Chiều cao cuộn dây π.d π.0,5359 l= 12 = = 1,05(m) β 1,6 2 2 -Tiết diện lõi sắt:S T=772,25x =976,8cm -Chiều cao trụ lõi sắt lT=l+2lo=105+2.7,5=120cm -Khoảng cách giữa các trụ lõi sắt C=64,73cm
  32. CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP 3.1. CÁC YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI DÂY QUẤN Yêu cầu chung về dây quấn có thể chia thành hai loại yêu cầu sau đây: yêu cầu về vận hành và yêu cầu về chế tạo. 3.1.1. Yêu cầu về vận hành Có thể chia thành yêu cầu về mặt điện và mặt cơ a) Về mặt điện Khi vận hành dây quấn máy biến áp có điện áp, do đó cách điện của máy biến áp phải tốt, nghĩa là phải chịu được điện áp làm việc bình thường và quá điện áp do đóng cắt mạch trong lưới điện hay do quá điện áp thiên nhiên gây nên. Quá điện áp do đóng cắt với điện áp làm việc bình thường, thường chủ yếu là đối với cách điện chính của máy biến áp, tức là cách điện giữa các dây quấn với nhau và giữa dây quấn với vỏ máy. Còn quá điện áp do sét đánh lên đường dây thường ảnh hưởng cách điện dọc của máy biến áp. Tức là giữa các vòng dây, lớp dây hay giữa các bánh dây của từng dây quấn. b) Về mặt 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. c) Về mặt chịu nhiệt Khi vận hành bình thường cũng như trong trường hợp ngắn mạch, trong một thời gian nhất định, dây quấn không được nóng quá nhiệt độ cho phép. Vì lúc đó chất cách điện sẽ bị nóng qúa mà chóng hư hỏng hoặc bị già hóa làm cho nó mất tính đàn hồi, hóa giòn và mất tính chất cách điện. Vì vậy khi thiết kế phải đảm bảo sao cho tuổi thọ của chất cách điện đạt từ 15 đến 20 năm.
  33. 3.1.2. Yêu cầu về chế tạo Yêu cầu sao cho kết cấu đơn giản, tốn ít nguyên liệu và nhân công, thời gian chế tạo ngắn và giá thành hạ nhưng vẫn đảm bảo được các yêu cầu về mặt vận hành. 3.2. THIẾT KẾ DÂY QUẤN HẠ ÁP 3.2.1. Lựa chọn kết cấu dây quấn hạ áp Việc lựa chọn kết cấu dây quấn kiểu nào là phải tùy thuộc vào yêu cầu về vận hành và chế tạo trong nhiệm vụ thiết kế. Những yêu cầu chính là: đảm bảo độ bền về mặt điện, cơ, nhiệt, đồng thời chế tạo đơn giản và rẻ tiền. Chủ yếu phụ thuộc vào những đại lượng điện của chúng : dòng điện tải trên ’ một trụ It, công suất trên trụ S , điện áp định mức và tiết diện ngang một vòng dây s. Trước hết ta phải xác định tiết diện của mỗi vòng dây của dây quấn hạ áp theo biểu thức: I s = t (m 2 ) (3-1) Δ tb Δ tb : mật độ dòng điện trung bình trong dây quấn được xác định theo biểu thức: pn .uv 4 2 Δ tb = 0,746.k f . .10 (A / m ) S.d12 Trong đó uv là điện áp của một vòng dây được xác định theo công thức: -4 -4 uv=4,44.f.St.Bt.10 =4,44.50.976,8.1,62.10 =35,13(V) -Trọng lượng sắtGFe=5164kg ,trọng lượng đồng GCu=4773kg 2 -mật độ dòng điện j=2,2192A/mm ,ứng suất dây quấn cho phép là σ cp=26,82 Mpa, Tổn hao không tải Po=8440,1W Ta có số vòng dây của một pha dây quấn hạ áp U f 2 12700 w2= = = 361,5(vòng) uv 35,13 ta chọn w2 là 362vòng
  34. U f 2 12700 Tính lại điện áp của một vòng dây uv= = = 35,08(V) w2 362 pn .uv 42000.35,08 2 Δ tb = 0,746.k f . . = 0,746.0,84 =2,3(A/mm ) S.d12 7500.53,59 ’ I t I f 2 196,83 2 Tiết diện sơ bộ vòng dây: s2 = = = =85,54(mm ) Δtb Δtb 2,3 Theo bảng 38 tài liệu 1 với S=7500(KVA), It=196,83(A), U=22(KV), , ’ 2 chọn dây quấn hình ống, dây dẫn hình chữ nhật, s2 =84,82(mm )với a=5,1mm;b=16,8mm. Với dây quấn hình ống kép hai lớp quấn nối tiếp với nhau. Quấn lớp trong từ trên xuống dưới sau đó quấn lớp ngoài quấn ngược từ dưới lên. Như vậy đầu dây lớp trong và đuôi dây lớp ngoài có điện áp bằng điện áp pha dây quấn. Giữa hai lớp dây quấn có rãnh dầu làm mát dày 6 (mm)Dây quấn đứng 3.2.2. Tính toán dây quấn hạ áp -Số vòng dây của 1 lớp: l2=lv2(wl2+1)+(0,5-1,5).(cm) Æ105=0,51(wl2+1)+1Æwl2=203 - Chiều cao hướng trục mỗi vòng dây: kể cả cách điện, sơ bộ có thể tính l2 105 hv2= = =0,515 (cm) wl2 +1 203 +1 Số vòng dây được tăng thêm 1là vì muốn quấn thành ống phải chuyển sang vòng sau đó mới quấn được tuy mới được một vòng nhưng chiều cao phải được tăng thêm 1 vòng ở chỗ chuyển vòng ’ Căn cứ vào hv2 và s2 ta chọn dây dẫn, theo bảng 44-10 tài liệu 2 ta chọn kích thứơc dây dẫn cuộn hạ áp như sau: - Mật độ dòng điện thực của sây quấn I f 2 196,83 2 Δ 2 = = =2,32(A/mm ) s 2 84,82 -Số lớp dây:n=362/203=1,78 vây ta quấn thành 2lớp, mỗi lớp có 181vòng
  35. - Chiều cao tính toán của dây quấn hạ áp l2=hv2(w22+1)+(0,005-0,015)(m) 3 l2=lv2(w22+1)+(0,005-0,015).10 =0,51(181+1).+1 =94(cm) trị số 0,005-0,015 m là chiều cao tăng lên kể đến việc quấn không chặt lấy bằng 7,6 mm: a01 a2 a' a d D'2 h bb' D''2 a21 Hình 3-1: Dùng để xác định kích thước của dây quấn hạ áp - Bề dày của dây quấn hạ áp: đối với dây quấn hình ống kép ta có ’ ’ a2=(4.a +3a22)=(4.16,1+3.5)= 79,4(mm), trong đó a bề dày một lớp kể cả cách điện a22 là bề rộng rãnh dầu ở giữa hai lớp: - Đường kình trong của dây quấn hạ áp ’ D2 =d+2.a01=38,28+2.0,23=38,74 (cm) - Đường kính ngoài của dây quấn hạ áp ’’ ’ D2 =D2 +2.a2=38,74+2.0,794=40,328 (cm) - Bề mặt làm lạnh của dây quấn hạ áp: theo cộng thức 3-17 ’ ’’ M2=n.t.k.π (D2 +D2 )l2 trong đó n là số rãnh dầu dọc trục của dây quấn hạ áp: n=1, k=0,75 là hệ số kể đến sự che khuất bề mặt dây quấn do que nêm và các chi tiết cách điện khác 2 > M2=1.3.0,75. π (0,3874+0,40328).0,94=5,254 (m )
  36. -Trọng lượng của dây quấn hạ áp: tính theo công thức 4-4a trang 103 tài liệu 1 ' '' ' 2 D 2 + D 2 3 D 2 + D 2 GCu2 = tπ w2 .s2 .γ Cu = 28.10 .t. w2 s2 2 2 0,3874 + 0,40328 = 28.103.3 626.84,82.10−6 2 =>GCu2=1763,3(kg), theo bảng 24 tài liệu 1 cần phải tăng trọng lượng dây dẫn do cách điện lên 2% nên trọng lượng của dây dẫn là Gdd2=1,02 .GCu2=1,02.1763,3=1798,55 (kg) 3.2.3. Bố trí dây quấn hạ áp Dây quấn hạ áp được quấn thành bốn lớp. Vì dây quấn hạ áp làm bằng dây dẫn hình chữ nhật nên để quấn được dây dọc theo đường tròn trụ ta bố trí 12 căn dọc bằng gỗ. Kích thước của căn dọc cụ thể như sau 4x20x454 mm . Căn dọc được đặt trên lớp cách điện dày 1 mm quấn quanh trụ . Quấn xong lớp thứ nhất ta lại đặt 12 căn dọc với kích thước 6x20x 454 mm để làm rãnh dầu dọc trục làm mát dây quấn. Hình 3-2: Dây quấn hạ áp 3.3. THIẾT KẾ DÂY QUẤN CAO ÁP - Số vòng dây của dây quấn cao áp ứng với điện áp định mức U f 1 35 w1đm=w2 = 362 =576(vòng ) U f 2 22 - Sơ bộ chọn mật độ dòng điện: theo công thức 3-30 tài liệu 1 2 Δ1 = 2.Δtb − Δ 2 =2. 2,3-2,32=2,28(A/mm )
  37. - Sơ bộ chọn tiết diện dây dẫn ’ I f 1 123,72 2 s1 = = =54,26(mm ) Δ1 2,28 - Theo bảng VI.1 chọn dây quấn cao áp: với S=7500(KVA), Uf1=35(KV), If1=123,72 (A) ta chọn kiểu dây quấn tiết diện chữ nhật có các kích thước a=3,28;b=16,8mm;s=54,62mm2 Cách điện hai phía của dây dẫn là 2.δ =3.2=6 (mm), chỉ dùng một sợi dây n=1 - Mật độ dòng điện thực I f 1 123,72 2 Δ1 = = =2,265(A/mm ) s1 54,62 - Số vòng dây trong một lớp: theo công thức 13-44a tài liệu 1 l1=lv1(wl1+1)+1Æ105=0,328(wl1+1)+1Æwl1=316vòng 576 -Số lớp dây cuộn cao áp:n= =1,82 316 Vậy ta quấn thành 2 lớp , mỗi lớp có 288 vòng - Bề dàydây quấn cao áp a1=2a’+a11 a11=3cm là cách điện giữa 2 lớp dây cao áp a’ là chiều dày 1 sợi dây cao áp a1=2.1,68+3=6,63cm - Bố trí dây quấn Dây quấn cao áp được bố trí làm hai nữa có rãnh dầu ở giữa để tăng cường làm mát cho dây quấn. Vì nữa bên trong tản nhiệt và làm mát khó hơn nên ta chia số lớp ít hơn, a01 a2 a12 a1 d Hình 3-4: Bố trí dây quấn để xác D'2 D''2 định kích thước dây quấn D'1 D''1 a21 a11
  38. - Điện áp làm việc giữa hai lớp kề nhau: U11=2.w11.uv=2.288.35,13=20205(V) Căn cứ vào U11 tra bảng 26 tài liệu 1 ta tra ra cách điện giữa các lớp U11=3554⊂(3501-4000)V cách điện giữa các lớp gồm 40 lớp giấy cáp chiều dày của mỗi lớp δ = 0,12 mm. Đầu thừa cách điện lớp ở một đầu dây quấn lđl=30 mm Kích thước rãnh dầu dọc giữa dây quấn cao áp tra bảng 44b tài liệu 1 ta có a11=6mm - Đường kính trong của dây quấn cao áp ’ ’’ D1 =D2 +2.a12=40,328+2.2,7=45,728 cm; a12 là bề rộng rãnh dầu giữa dây ’’ quấn cao áp và hạ áp a12=27mm tra theo điện áp thử của cuộn cao áp D2 đường kính ngoài của cuộn hạ áp - Đường kính ngoài của dây quấn cao áp ’’ ’ D1 =D1 +2.a1=45,728+2. 6,63=58,988 cm - Trọng lượng của dây quấn cao áp Trọng lượng của dây quấn cao áp tính theo công thức 4-4a trang 103 tài liệu 1 ' '' ' '' D 1 + D 2 3 D 1 + D 1 GCu1 = tπ w1.s1 .γ Cu = 28.10 .t. w1s1 2 2 45,728 + 58,988 = 28.3 576.54,62.10−5 2 =>GCu1= 1383,68 (kg), cần phải tăng trọng lượng dây dẫn do cách điện lên 4% nên trọng lượng của dây dẫn là: Gdd2=1,04 .GCu2=1,04.1383,68=1439 (kg) - Bề mặt làm lạnh của dây quấn cao áp 3 L1=lv1(wl1+1)+(0,005-0,015).10 =0,328(288+1)+1=95,79cm Đối với dây quấn cao áp có hai tổ lớp , giữa chúng có rãnh dầu làm lạnh tổ lớp trong quấn trực tiếp lên ống cách điện thì có ba mặt làm lạnh bề mặt làm lạnh được tính theo công thức 3-42c trang 94 tài liệu 1
  39. ’ ’’ M1=1,5.t.k.π ( D1 +D1 )l1= 2 =1,5.3.0,88.π (0,45728+0,58988).0,9579= 12,48 m Hình 3-5: Dây quấn cao áp : a1 vành đệm bằng cách điện 2- dây quấn 3- tấm lót cách điện lớp a11 Đối với dây quấn cao áp dây dẫn tròn, nên dây quấn được quấn trên ống nhựa bakelit chiều dày ống bakelit là 3 mm chiều cao là 454 mm để tăng cường làm mát giữa dây quấn cao áp ta làm rãnh dầu dọc trục để tạo rãnh dầu ta bố trí 12 căn dọc bằng gỗ để định dạng dây quấn kích thước căn dọc như sau 6x20x454 mm. Sau khi thiết kế xong dây quấn ta phải tính toán kiểm tra xem dây quấn thiết kế có đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đặt ra như tổn hao ngắn mạch, điện áp ngắn mạch. Dây quấn có chịu được lực cơ học khi ngắn mạch
  40. CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH 4.1. XÁC ĐỊNH TỔN HAO NGẮN MẠCH Tổn hao ngắn mạch của máy biến áp là tổn hao trong dây quấn khi ngắn mạch một dây quấn còn dây quấn kia đặt điện áp ngắn mạch Un để cho dòng điện trong cả hai dây quấn đều bằng định mức. + Tổn hao ngắn mạch có thể chia ra các thành phần như sau - Tổn hao chính, tức là tổn hao đồng trong dây quấn cao áp và hạ áp do dòng điên gây ra pCu1 và pCu2 - Tổn hao phụ trong hai dây quấn do từ thông tản xuyên qua dây quấn làm cho dòng điện phân bố không đều trong tiết diện gây ra pf1và pf2 - Tổn hao chính trong dây dẫn ra pr1, pr2 - Tổn hao phụ trong dây dẫn ra. Tổn hao này rất nhỏ ta có thể bỏ qua - Tổn hao trong vách thùng dầu và các kết cấu kim loại khác pt do từ trường tản gây nên Thường tổn hao phụ được gộp vào trong tổn hao chính bằng cách thêm vào hệ số tổn hao phụ. Vậy tổn hao ngắn mạch sẽ được tính theo biểu thức: pn=pCu1.kf1+pCu2.kf2+pr1+pr2+pt (W) 4.1.1. Tổn hao chính - Tổn hao trong dây quấn hạ áp 2 2 pCu2=2,4 Δ 2 GCu2=2,4.2,32 . 1763,3=22777,89(W) - Tổn hao trong dây quấn cao áp 2 2 pCu1=2,4 Δ 1 GCu1=2,4. 2,265 . 1383,68=17036,62(W)
  41. 4.1.2 . Tổn hao phụ trong dây quấn Như trên đã nói tổn hao phụ thường được ghép vào tổn hao chính bằng cách thêm hệ số kf vào tổn hao chính: pCu+pf=pCu.kf Do đó việc xác định tổn hao phụ là xác định trị số kf. Trị số này đôi với mỗi loại dây quấn sẽ khác nhau. Nó phụ thuộc vào kích thước hình học của mỗi loại dây dẫn, vào sự sắp xếp của dây dẫn trong từ trường tản Người ta đã tìm ra biểu thức tính toán của kf như sau: B - Dây quấn hạ áp n dây dẫn m dây dẫn n k 2 1 b Hình 4-1 : Dùng để xác định tổn hao l trong dây quấn hạ áp a φδ Đối với dây dẫn hạ áp với dây quấn hình chữ nhật với n=2 theo công thức 4-10a 8 2 4 2 b.m kf2=1+0,095.10 . β a .(n -0,2), trong đó β = .k , m=39 số thanh dẫn l r song song với từ trường tản, b=8,6mm kích thước thanh dẫn song song với từ trường tản , kr=0,95 hệ số Ragovski. Thay số vào ta được 8,6.39 β = 0,95 =0,85127 394 n=2 số thanh dẫn thẳng góc với từ trường tản, a=6,5 mm kích thước của thanh dẫn thẳng góc với từ trường tản 8 2 4 2 2 4 2 -4 kf2=1+0,095.10 . β a .(n -0,2)=1+0,095(0,85127) .6,5 (2 -0,2).10 = 1,0467
  42. - Dây quấn cao áp n dây dẫn Hình 4-2: Dùng để xác định tổn hao trong m l dây dây quấn cao áp dẫn φδ Đối với dây quấn cao áp dùng dây dẫn tròn theo công thức 4-10c trang 105 tài liệu 1 ta có 2 8 β 4 2 kf1=1+0,044.10 d .n d.m trong đó β = .k , d=1,56 mm là đường kính dây dẫn tròn, m=200 l r d.m 1,56.200 β = .k = .0,95 =0,7523 l r 394 2 8 β 4 2 2 4 2 kf1=1+0,044.10 d .n =1+0,044.(0,7523) 1,56 13 = 1,0025 - Tổn hao đồng trong dây quấn pCu1.kf1+pCu2.kf2=pCu+pf=17036,62. 1,0025+22777,9. 1,0467=40920,84 (W) 4.1.3. Tổn hao chính trong dây dẫn ra Tương tự như tổn hao trong dây quấn tổn hao trong dây dẫn ra xác định bằng biểu thức - Đối với dây quấn hạ áp 2 pr2=2,4. Δ 2 .Gr2 (W) 2 Δ 2 =2,32(A/mm ) lấy bằng mật độ dòng điện trong dây dẫn hạ áp Gr2=lr2.sr2.γ (kg) , lr2 chiều dài của dây dẫn ra gần đúng có thể lấy như sau đối với dây quấn hạ áp nối sao theo 4-14 trang 106 tài liệu1 ta có:
  43. lr2=7,5l=7,5.94= 705cm , sr2 tiết diện của dây dẫn ra lấy bằng tiết diện vòng 2 3 dây của cuộn hạ áp sr2=84,82 mm , γ = 8900 (kg/m ) trọng lượng riêng của đồng -8 Gr2=lr2.sr2.γ = 705. 84,82. 8900.10 = 5,322(kg) 2 2 pr2=2,4. Δ 2 .Gr2=2,4.2,32 . 5,322=68,75(W) - Đối với dây quấn cao áp 2 pr1=2,4. Δ 1 .Gr1 (W) 2 Δ1 =2,265 (A/mm ) lấy bằng mật độ dòng điện trong dây dẫn cao áp Gr1=lr1.sr1.γ (kg), lr1 chiều dài của dây dẫn ra gần đúng có thể lấy như sau đối với dây quấn cao áp nối tam giác theo 4-15 trang 106 tài liệu1 ta có: lr1= lr2 =705cm, sr1 tiết diện của dây dẫn ra lấy bằng tiết diện vòng dây của 2 3 cuộn hạ áp sr1=54,62 mm , γ = 8900 (kg/m ) trọng lượng riêng của đồng -8 Gr1=lr1.sr1.γ = 705. 54,62. 8900.10 =3,427 (kg) 2 2 pr1=2,4. Δ 1 .Gr1=2,4. 2,265 . 3,427=42,195 (W) 4.1.4. Tổn hao vách thùng và các chi tiết kim loại khác Như đã biết, một phần từ thông tản của máy biến áp khép mạch qua vách thùng dầu, các xà ép gông, các bu lông và các chi tiết bằng sắt khác. Tổn hao phát sinh trong các bộ phận này chủ yếu là vách thùng dầu có liên quan đến tổn hao ngắn mạch. Tổn hao này khó tính chính xác được. Vì kích thước thùng dầu chưa biết thì đối với máy biến áp hai dây quấn ta tính gần đúng theo công thức sau 4- 21 tài liệu 1 pt=10.k.S, trong đó k là hệ số xác định theo bảng 40a tài liệu 1 k=0,03-0,04 ta chọn k=0,03 pt=10.k.S=10.0,03.7500= 2250 (W) 4.1.5. Tổng tổn hao ngắn mạch của máy biến áp pn=pCu1.kf1+pCu2.kf2+pr1+pr2+pt
  44. =40920,84+42,195+68,75+2250= 43281,785(W) 4.1.6. Tổn hao ngắn mạch khi điện áp là định mức pnđm=pn-0,05.pCu1.kf1=43281,785-0,05.17036,62. 1,0025=42427,82 (W) 4.1.7. Sai số của tổn hao ngắn mạch so với yêu cầu đặt ra pndm − pntc 42427,82 − 42000 Δpn = = .100 =1,01%<5% đạt yêu cầu về tiêu pntc 42000 chuẩn tổn hao ngắn mạch 4.2. XÁC ĐỊNH ĐIỆN ÁP NGẮN MẠCH Điện áp ngắn mạch của máy biến áp hai dây quấn un là điện áp đặt vào một dây quấn với tần số định mức, còn dây kia nối ngắn mạch sao cho dòng điện cả hai phía đều bằng các dòng điện định mức tương ứng. Trị số un là một tham số rất quan trọng ảnh hưởng tới những đặc tính vận hành cũng như kết cấu của máy biến áp. Thật vậy - Khi un bé thì dòng điện ngắn mạch In lớn gây nên lực cơ học trong máy biến áp lớn - Khi un lớn thì điện áp giáng ΔU ở trong máy tăng lên ảnh hưởng đến các hộ dùng điện - Sự phân phối tải giữa các máy biến áp làm việc song song có un khác nhau sẽ không hợp lý Do đó để dung hòa hai ảnh hưởng đầu thông thường người ta tiêu chuẩn hóa các điện áp ngắn mạch. Đồng thời qui định hai máy biến áp làm việc song song phải có un chênh lệch không quá 10%. Vì vậy khi tính toán chỉ cho phép sai lệch với un tiêu chuẩn là 5% để đề phòng khi chế tạo sai lệch 5% là vừa 4.2.1. Tính thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng Thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng là thành phần điện áp rơi trên điện trở cuộn cao áp và hạ áp của máy biến áp được xác định theo công thức 4-22 trang 110 tài liệu 1
  45. pn 43281,785 unr= = =0,577% 10.S 10.7500 trong đó: pn là tổn hao ngắn mạch của máy biến áp (W) S là dung lượng định mức của máy biến áp (kVA) 4.2.2. Thành phần điện áp ngắn mạch phản kháng unx Thành phần điện áp ngắn mạch phản kháng là thành phần điện áp ngắn mạch rơi trên điện kháng tản của dây quấn cao áp và hạ áp. Đối với máy dây quấn đồng tâm hai dây quấn có chiều cao bằng nhau theo công thức 4- 23 tài liệu 1 ta có , 7,9.S . f .β.ar .kr −1 unx = 2 .10 (%) u v trong đó : d β = π 12 l ’’ d12=D2 +a12=40,328+2,7=43,028 cm, là đường kính trung bình của dây quấn, l=94 cm là chiều cao dây quấn d 43,028 β = π 12 = π =1,438 l 94 a1 + a2 ar= + a =33+27=60 mm 3 12 a12 + a1 + a2 99 + 27 kr=1-δ ; δ = = =0,043 >kr=1-0,043=0,957 πl π.940 là hệ số kể đến từ thông tản thực tế không hoàn toàn đi theo dọc trục. Thay số vào ta dược , 7,9.S . f .β.ar .kr −1 7,9.7500.50.1,438.60.0,957 −4 unx = 2 .10 (%) = 2 .10 = 8,41% u v 3.31,13 4.2.3. Điện áp ngắn mạch toàn phần Sau khi đã xác định được unr, unx ta có thể tính được un theo biểu thức 2 2 2 2 un= u nr + u nx = 0,577 + 8,41 = 8,43%
  46. 4.2.4. Sai lệch của điện áp ngắn mạch so với tiêu chuẩn un − untc 8,43 − 7,5 Δun = = .100= 0,125%<5% untc 7,5 Vây sai lệch này khôngvượt quá giới hạn cho phép 5% dây quấn thiết kế đảm bảo yêu cầu tiêu chuẩn về điện áp ngắn mạch 4.3. TÍNH LỰC CƠ HỌC CỦA DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP Khi máy biến áp bị sự cố ngắn mạch thì dòng điện ngắn mạch sẽ rất lớn. Những vấn đề về nhiệt đối với máy biến áp không quan trọng lắm vì quán tính nhiệt lớn nên để đốt nóng được dây quấn nóng quá trị số cho phép thì các thiết bị bảo vệ và máy ngắt tự đông ngắt phần sự cố ra khỏi lưới điện, do đó vấn đề còn lại là lực cơ học gây nên tác dụng nguy hiểm đối với dây quấn máy biến áp. Bởi vậy để đảm bảo cho máy biến áp làm việc an toàn, khi thiết kế phải xét đến những lực cơ học tác dụng lên dây quấn khi ngắn mạch xem độ bền cơ của dây quấn có đủ hay không. Do vậy - Phải xác định trị số cực đại của dòng điện ngắn mạch. - Xác định lực cơ học giữa các dây quấn. - Tính ứng lực cơ của các đệm cách điện giữa các dây quấn và bản thân dây quấn. Hình 4-3: Từ trường dọc và ngang trong dây quấn đồng tâm 1 2 B' Fr Fr l a1 a2 a12 B
  47. 4.3.1. Tính dòng điện ngắn mạch cực đại a) Trị số hiệu dụng của dòng điện ngắn mạch xác lập - Dòng điện ngắn mạch xác lập phía sơ cấp I dm 123,72 In1= .100 = 100 =14676 (A) un 8,43 - Dòng điện ngắn mạch xác lập phía thứ cấp I dm2 196,83 In2= .100 = 100 =23349 (A) un 8,43 b) Trị số cực đại (hay xung kích) của dòng điện ngắn mạch − πunr − π 0,577 kmax=(1+e )=(1+e )=1,81 unx 8,41 - Dòng điện ngắn mạch cực đại sơ cấp Iko1=1,41.1,81 In1=1,41.1,81.14676 =37454,62 (A) - Dòng điện ngắn mạch cức đại thứ cấp Iko2=1,41.1,81In2=1,41.1,81.23349 =59589 (A) 4.3.2. Tính lực tác dụng lên các dây quấn - Áp lực trung bình tác dụng lên 1 cm2 bề mặt dây quấn cao áp là: theo công thức 8-8 trang 53 tài liệu 2 ta có 2 β -6 2 -6 10 Fk=0,628(inmaxw) kr.10 =0,628(374562.576) 1,438.0,957.10 =4.10 N Ứng lực kéo lên dây quấn sơ cấp: theo công thức F 4.1010 σk = = =202351pa 2π .w1s1 2π .576.54,62 - Áp lực trung bình tác dụng lên 1 cm2 bề mặt dây quấn hạ áp là: theo công thức 8-8 trang 53 tài liệu 2 ta có 2 β -6 2 -6 6 Fk=0,628(inmaxw) kr.10 =0,628(59589.362) 1,438.0,957.10 =402.10 N
  48. - Ứng lực nén đối với dây quấn thứ cấp 2 Đối với dây đồng ứng lực cho phép là kcp=5-10( kG/mm ). Vậy qua số liệu tính toán ở trên ta thấy dây quấn của máy biến áp chịu được ứng lực kéo và ứng lực nén khi xẩy ra ngắn mạch F 402.10 6 σk = = =2084pa 2π .w1s1 2π .362 84,82 Vì dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp có chiều cao bằng nhau do đó lực chiều trục do sự phân bố của dây quấn không đồng đều không xuất hiện ’’ Ft =0 dây quấn hạ áp 1 dây quấn cao áp 2 ’ ’’ ’ ’’ Ft Ft =0 Ft Ft =0 1 2 ’ ’ l Fn=Ft Fn=Ft ’ ’’ ’ ’’ Ft Ft =0 Ft Ft =0 Như vậy các yêu cầu kỹ thuật của dây quấn thiết kế qua tính toán kiểm tra ở trên đều đạt. Do đó dây quấn đã thiết kế đạt yêu cầu.
  49. CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN CUỐI CÙNG VỀ HỆ THỐNG MẠCH TỪ VÀ TÍNH TOÁN THAM SỐ KHÔNG TẢI Sau khi đã xác định kích thước và trọng lượng của dây quấn đạt yêu cầu. Ta tiến hành tính toán cuối cùng về mạch từ để xác định các kích thước cụ thể của các bậc thang trong trụ sắt, gông từ, chiều cao của trụ, trọng lượng của lõi sắt Sau đó tính toán dòng điện không tải, tổn hao không tải và hiệu suất của máy biến áp. 5.1 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CỤ THỂ CỦA LÕI SẮT Ta chọn kết cấu lõi thép ba pha ba trụ, mạch từ không gian, trụ được ép từ các lá thép kỹ thuật điện dùng tôn cán lạnh 3404 dày 0,35 mm. Trụ ép bằng đai vải thủy tinh, không có tấm sắt đệm. Gông được cuộn bằng thép cuộn. - Các lá thép trong trụ thường được xếp đối xứng đối với đường phân giác trong góc một phần tư của trụ. Hiện nay lõi thép máy biến áp chủ yếu dùng tôn cán lạnh thường được sản xuất theo tiêu chuẩn hóa. Với việc tiêu chuẩn hóa đó, trụ sắt sẽ được qui định số bậc, chiều dày các tập lá thép từng bậc, kích thước và sự bố trí các rãnh làm mát tùy theo đường kính trụ. Tra bảng 41b tài liệu 1 với d=0,38m ta có trụ gồm 9bậc ,chiều cao đoạn e là 13 mm kích thước của tầng bậc của trụ như sau: Không có Chiều dày các tập lá thép với chiều rọng tấm mm Đường tấm ép kính d nt kc 135 155 215 250 295 310 325 350 368 0,38 m 9 0,927 7 9 13 23 10 12 24 27 47
  50. - Tổng chiều dày các lá thép của tiết diện trụ dt=2.∑ bt =2(47+27+24+12+10+23+13 +9+7)=344mm - Tiết diện toàn bộ bậc thang của trụ: tra bảng 42b ta có 2 Tbt=1035,8(cm ) 2 -Tiết diện gông:SG=1063,4 cm - Tiết diện hữu hiệu thuần sắt của trụ Lấy đường kính lỗ để bắt bu lông ép gông và trụ là dl=15 mm, do đó tiết 2 2 πd l π.1,5 2 2 diện lỗ chiếm chổ trong trụ là Sl= = =1,767 cm =0,0001767 m 4 4 > tiết diện hữu hiệu thuần sắt của thép 2 Tt=kđ(Tbt –Sl)=0,927.(1035,8-1,767)=1034,033 cm bt .k d - Số lá thép trong từng bậc của trụ nt = δ t b1 .k d 7.0,927 • nt1= = =19 lá thép δ t 0,35 b2 .k d 9.0,927 • nt2= = =24 lá thép δ t 0,35 b3 .k d 13.0,927 • nt3= = =34 lá thép δ t 0,35 b4 .k d 23.0,927 • nt4= = =61 lá thép δ t 0,35 b5 .k d 10.0,927 • nt5=nt7= = =26 lá thép δ t 0,35 b6 .k d 12.0,927 • nt6= = =32 lá thép δ t 0,35 b6 .k d 24.0,927 nt7= = =64 δ t 0,35 b6 .k d 27.0,927 nt8= = =72 δ t 0,35 b6 .k d 47.0,927 nt9= = =125 δ t 0,35
  51. trong đó: kđ là hệ số điền đầy, δ t =0,35 mm bề dày lá thép - Số lá thép cần thiết để làm trụ n=2.(19+24+34+61+26+32+64+72+125)= 914 lá thép - Chiều cao của trụ sắt ’ ’’ lt=l+(lo +lo ) ’ ’’ trong đó: lo , lo là khoảng cách từ dây quấn đến gông trên và gông dưới ’ ’’ xác định theo điện áp thử của cuộn cao áp: ta có lo = lo =75 mm Vậy chiều cao trụ sắt sẽ là: lt=957,9+2.75= 1107,9 mm - Khoảng cách giữa hai trụ sắt cạnh nhau ’’ C=D1 +a22=589,88+30= 619,88 mm - Tiết diện gông ở chố nối với trụ πd π .0,382 T ’= 2 = = 0,1134m 2 gt 4 4 - Tiết diện của gông 2 Tg=kg.Tt=1,03. 1035,8=1066,87 cm - Bề rộng của gông 3 3 bg= d = 0,38=0,285 m 4 4 - Số vòng quấn cần thiết của gông b .k 285.0,97 n= g d = = 790 (vòng) δ 0,35 - Chiều cao của gông Tg 1066,87 hg= = =37,4 cm bg 285 - Tiết diện thuần của gông 2 Tgt=kđ.Tg=0,97. 1066,87=1034,86 cm - Trọng lượng của trụ lõi thép Gt=t.Tt.lt.γ Fe
  52. Trong đó t=3 là số trụ sắt, Tt tiết diện thuần trụ, lt chiều cao trụ, γ Fe là khối lượng riêng của thép, thay số vào ta có: Gt=t.Tt.lt.γ Fe =3. 0,1034.1,1079.7650=2629 (kg) - Trọng lượng của gông Gg=3.C.Tgt. γ Fe .2, trong đó C khoảng cách giữa hai trụ Tgt tiết diện thuần của gông Gg=3.C.Tgt. γ Fe .2=3. 0,61988. 0,103486. 7650.2=2944,434 (kg) - Trọng lượng gông ở góc mạch từ ’ Go=Tgt .hg.kđ.γ Fe =0,1134. 0,0374.0,97.7650=31,47 (kg) - Trọng lượng sắt toàn bộ trụ và gông GFe=Gt+Gg=2629+2944,434=5573,4 (kg) 5.2. TÍNH TỔN HAO KHÔNG TẢI, DÒNG ĐIỆN KHÔNG TẢI VÀ HIỆU SUẤT CỦA MÁY BIẾN ÁP Khi cấp điện áp xoay chiều có tần số định mức vào cuộn dây sơ cấp và các cuộn đây khác hở mạch gọi là chế độ không tải. Tổn hao ứng với chế độ không tải gọi là tổn hao không tải. Tổn hao không tải của máy biến áp gồm có: tổn hao trong lá thép silic, tổn hao trong vỏ máy và các chi tiết bằng sắt khác, tổn hao đồng trong dây quấn do dòng điện không tải gây ra, tổn hao do dòng điện rò trong các chất cách điện. Do máy biến áp làm việc với tần số công nghiệp nên tổn hao trong chất cách điện rất nhỏ không đáng kể. Tổn hao đồng lúc không tải ở dây quấn sơ cấp rất nhỏ có thể bỏ qua do dòng điện từ hóa rất nhỏ so với dòng điện định mức. Tổn hao trong vỏ máy được tính gộp trong tổn hao phụ nên chỉ còn lại tính tổn hao trong lá thép silic. 5.2.1. Tổn hao không tải Ta có thể xem tổn hao không tải gồm hai phần: tổn hao trong trụ sắt và tổn hao trong gông từ
  53. - Mật độ từ cảm trong trụ uv 35,08 Bt= = =1,528 T 4,44. f .Tt 4,44.50.0,1034 - Mật độ từ cảm trong gông Bt 1,528 Bg= = =1,484T k g 1,03 Tra bảng 45 tài liệu 1 ta có suất tổn hao sắt của thép Bt=1,528 T ta có: B1=1,52 T, p1=1,134 (W/kg), B2=1,54 T, p2=1,168 (W/kg) dùng phương pháp nội suy ta có suất tổn hao với Bt=1,528T p2 − p1 1,168 −1,134 pt=p1+ (Bt − B1 ) = 1,134 + (1,528 −1,52) =1,1476 (W/kg) B2 − B1 1,54 −1,52 Với Bg=1,484T ta có: B1=1,48T, p1=1,066(W/kg), B2=1,50T, p2=1,1(W/kg) dùng phương pháp nội suy ta có suất tổn hao với Bg=1,484 T p2 − p1 1,1−1,066 pg=p1+ (Bt − B1 ) = 1,066 + (1,484 −1,48) =1,0728(W/kg) B2 − B1 1,50 −1,48 Vì lõi thép được làm từ tôn cán lạnh, mà mối nối giữa gông và trụ là mối ghép thẳng nên chổ mối nối chiều của từ thông và chiều cán không trùng nhau. Làm cho tổn hao sắt trong lõi thép tăng lên. Khi tính toán tổn hao ở ’’ góc nối phải nhân thêm hệ số gia tăng tổn hao góc nối kpo=kt.kpo , kt=6 là ’’ số mối ghép thẳng, tra bảng 46a tài liệu 1 ta có kpo =1,96 Ngay chổ nối của gông và trụ vì có khe hở nên đường sức từ phải đổi hướng, do đó làm tổn hao cũng tăng lên. Tổn hao này phụ thuộc vào bề mặt khe hở và được đặc trưng bằng suất tổn hao bề mặt khe hở pk. Vì khe hở vuông góc với trụ nên từ cảm trong khe hở bằng từ cảm trong trụ 2 Bk=Bt=1,528 T, B1=1,52 T, p1=0,0878(W/cm ), B2=1,54 T, p2=0,0906 (W/cm2), dùng phương pháp nội suy ta có p − p 0,0906 − 0,0878 p =p + 2 1 (B − B ) = 0,0878 + (1,528 −1,52) =0,08892 k 1 1 k 1 B2 − B 1,54 −1,52 (W/cm2),
  54. - Hình dáng tiết diện gông ảnh hưởng rất nhiều đến sự phân bố từ cảm trong trụ và gông nên phải nhân thêm hệ số gia tăng tổn hao ở gông kpg đối với gông có tiết diện hình chữ nhật ta có kpg=1,04-1,07. Vì mạch từ không gian có gông tiết diện hình chữ nhật nhưng chổ mối ghép giữa gông và trụ có dạng hình tròn gần với tiết diện trụ nên ta chọn kpg=1,03 - Những yếu tố công nghệ cũng ảnh hưởng rất lớn đến tổn hao không tải, Vì vậy khi tính toán tổn hao không tải phải tính đến những yếu tố công nghệ sau Hệ số tổn hao do tháo lắp gông trên kpt=1,02 để lồng dây quấn vào trụ làm chất lượng thép giảm xuống Hệ số tổn hao do ép trụ để đai kpe=1,02 Hệ số tổn hao do cắt dập lá tôn thành tấm kpc Hệ số tổn hao do gấp mép hoặc khử bavia kpb sau khi dập tấm kpc.kpb=1,00 sau khi cắt dập tấm và khử bavia ủ lại thép. Vậy tổn hao không tải của máy biến áp được tính theo công thức sau pt + pg po={kpc.kpb[pt.Gt+pg(Gg-NGo)+ G .k ]+ p .n .T }ppg.ppe.kpt 2 o po ∑ k k k Tk tiết diện khe hở không khí nơi mối ghép, vì mối ghép vuông góc nên 2 Tk=Tt=0,1034 m , nk =6 số khe hở không khí, N=6 số góc mạch từ, thay số vào ta được 1,1476+1,0728 p ={1,0[1,1476. 2629+1,0728.( 2944,434-6. 31,47)+ . o 2 31,47.6.1,96]+ 0,1034.6. 889,2}1,02.1,02.1,03=7432,48 (W) - Sai số của tổn hao không tải so với tiêu chuẩn p − p 7432,48 − 8000 Δp = o 0tc = .100=0,447%<5% potc 8000 Vậy tổn hao không tải của máy biến áp nằm trong giới hạn cho phép 5.2.2. Công suất từ hóa Công suất từ hóa gồm ba bộ phận: phần trong gông, phần trong trụ, phần trong khe hở không khí. Được tính theo công thức
  55. Qo=Qot+Qog+Qok=qt.Gt+qg.Gg+∑ nk .qk .Tk 5-1 Cũng tương tự như tổn hao không tải công suất từ hóa của lõi thép làm bằng tôn cán lạnh cũng phải kể đến những hệ số sau: Hệ số làm tăng công suất từ hóa ở gông Hệ số kể đến sự tăng công suất từ hóa do tháo lắp gông trên để cho dây quấn vào trụ Hệ số kể đến việc ép mạch từ để đai Hệ số kể đến việc cắt gọt bavia. Hệ số kể đến ảnh hưởng của việc cắt dập lá tôn Hệ số kể đến việc tăng công suất từ hóa ở các góc nối trụ và gông của lõi thép Vậy ở công thức 5-1 cần phải nhân thêm hệ số gia tăng tổn hao kb tra bảng 4-1a trang 27 tài liệu 2 ta có kb=2,0 2 qk Công suất từ hóa 1 m mỗi khe hở không khí: 2 2 theo (4-9d) tài liệu thiết kế 2 ta có qk=7050.Bt =7050. 1,58067 =17614,55 VAr/m2 Suất tổn hao q của tôn cán lạnh 3404 tra ở bảng 50 tài liệu 1 với Bt=1,528 T tra bảng ta có B1=1,52 T, q1=1,480 (VA/kg) , B2=1,54T, q2=1,486 (VA/kg), dùng phương pháp nội suy ta được: q2 − q1 1,486 −1,48 qt=q1+ (B t −B1` ) = 1,48 + (1,528 −1,52) =1,4824(VA/kg) B2 − B1 1,54 −1,52 Với Bg=1,484 T, tra bảng ta có B1=1,48T, q1=1,276 (VA/kg), B2=1,50 T, q2=1,330 (VA/kg), dùng phương pháp nội suy ta được q2 − q1 1,33 −1,276 qg=q1+ (B g −B1` ) = 1,276 + (1,484 −1,48) =1,2868 (VA/kg) B2 − B1 1,50 −1,48 Thay số vào ta có công suất từ hóa: Qo=kb(Qot+Qog+Qok)=kb(qt.Gt+qg.Gg+∑ nk .qk .Tk )
  56. Qo=2,0(1,4824. 2629+1,2868. 2944,434+6. 0,1034. 17614,55)= 37228,4 (VAr) 5.2.3. Dòng điện không tải: Sau khi tính được tổn hao không tải và công suất từ hóa ta tính được dòng điện không tải - Thành phần dòng điện không tải tác dụng p 7432,48 i = o = =0,0991 % or 10.S 10.7500 - Thành phần dòng điện không tải phản kháng Q 37228,4 i = o = =0,4964% ox 10.S 10.7500 - Thành phần dòng điện không tải toàn phần 2 2 2 2 io= i or + i ox = 0,0991 + 0,4964 = 0,5062% - Sai số của thành phần dòng điện không tải so với tiêu chuẩn io − i0tc 0,5062 − 0,7 Δio = = .100=0,2769% <15% iotc 0,7 Vậy các tham số không tải là tổn hao không tải và dòng điện không tải của máy biến áp thiết kế đều đảm bảo tiêu chuẩn đặt ra. Hệ thống mạch từ của máy biến áp đạt yêu câu: 5.2.4. Hiệu suất của máy biến áp p + p 7432,48 + 43282 η% = (1− o n ).100 = (1− ) =99,33% S dm + po + pn 7500000 + 7432,48 + 43282
  57. Hình 5-1 : Kích thước cụ thể của mạch từ
  58. CHƯƠNG 6 TÍNH TOÁN NHIỆT CỦA MÁY BIẾN ÁP 6.1. ĐẠI CƯƠNG Tính toán nhiệt là tính toán nhiệt ở trạng thái xác lập, nghĩa là khi máy biến áp làm việc liên tục với tải định mức, ở trạng thái xác lập này toàn bộ nhiệt lượng do dây quấn và lõi sắt phát ra đều khuấch tán ra xung quanh. Đường khuấch tán của dòng nhiệt có thể phân ra các đoạn sau: - Từ trong dây quấn hay lõi sắt ra mặt ngoài tiếp xúc với dầu bằng truyền dẫn - Quá độ từ mặt ngoài dây quấn hay lõi sắt vào dầu - Từ dầu ở mặt ngoài dây quấn hay lõi sắt truyền tới mặt trong thùng dầu bằng đối lưu - Quá trình quá độ từ dầu vào vách thùng dầu - Cuối cùng là nhiệt truyền từ vách thùng truyền ra không khí xung quanh bằng bức xạ và đối lưu. Qua mỗi quá trình truyền đó thì nhiệt độ giảm dần, nghĩa là nó gây nên một lượng giảm nhiệt độ, kết quả là so với môi trường không khí xung quanh thì các bộ phận trong máy biến áp có một nhiệt độ chênh nào đó so với môi trường không khí xung quanh. Trị số dòng nhiệt càng lớn thì nhiệt độ chênh càng lớn. Tính toán nhiệt trong máy biến áp gồm các phần sau đây - Tính nhiệt độ chênh qua từng phần - Chọn kích thước thùng dầu bảo đảm tỏa nhiệt tốt, nghĩa là làm sao cho nhiệt độ dây quấn, lõi sắt và dầu không quá mức qui định
  59. 6.2. TÍNH NHIỆT ĐỘ CHÊNH QUA TỪNG PHẦN 6.2.1. Tính toán độ chênh nhiệt của dây quấn - Nhiệt độ chênh của dây quấn hạ áp Nhiệt độ chênh này chủ yếu là hiệu số nhiệt độ của các lớp cách điện δ Gọi nhiệt độ chênh này là θ o2 theo công thức 6-1 tài liệu 1 ta có q2 .δ 2 o θ o2 = , C λcd 2 -3 trong đó: δ =0,3.10 m là chiều dày cách điện một phía (m) λcd 2 là suất dẫn nhiệt của lớp cách điện của dây dẫn, tra theo bảng 54-tài o liệu 1 ta có λcd 2 =0,17 (w/m C) q là mật độ dòng nhiệt trên bề mặt dây quấn tính theo công thức: pCu2 .k f 2 q2= M 2 kf2 là hệ số tổn hao phụ của dây quấn hạ áp kf2=1,0467 pCu2 là tổn hao đồng trong dây quấn hạ áp pCu2=22777,89 (W) 2 M2 là bề mặt tỏa nhiệt của dây quấn hạ áp M2=5,254 (m ) Thay số vào ta có: pCu2 .k f 2 22777,89.1,0467 2 q2= = = 4537,8 (W/m ) M 2 5,254 - Độ chênh nhiệt của dây quấn hạ áp: −3 q2 .δ 2 4537,8.0,3.10 o θ o2 = = =8,008 C λcd 2 0,17 - Nhiệt độ chênh của dây quấn cao áp Tương tự như dây quấn hạ áp ta có:
  60. q1.δ1 o θ o1 = C λcd1 -3 trong đó: δ =0,2.10 m là chiều dày cách điện một phía (m) λcd1 là suất dẫn nhiệt của lớp cách điện của dây dẫn, tra theo bảng 54-tài liệu o 1 ta có λcd1 =0,17 (w/m C) q là mật độ dòng nhiệt trên bề mặt dây quấn tính theo công thức: pCu1.k f 1 q1= M1 kf1 là hệ số tổn hao phụ của dây quấn hạ áp kf1=1,0025 pCu1 là tổn hao đồng trong dây quấn hạ áp pCu1=17036,62 (W) 2 M1 là bề mặt tỏa nhiệt của dây quấn hạ áp M1=12,48 (m ) Thay số vào ta có: pCu1.k f 1 17036,62.1,0025 2 q1= = =1368,53 (W/m ) M1 12,48 - Độ chênh nhiệt của dây quấn cao áp: −3 q1.δ1 1368,53.0,2.10 o θ o1 = = =1,161 C λcd1 0,17 6.2.2. Nhiệt độ chênh giữa mặt ngoài dây quấn đối với dầu θ od Hiệu số nhiệt độ này phụ thuộc vào năng lượng tổn hao của dây quấn và thường được xác định theo công thức kinh nghiệm gần đúng - Dây quấn hạ áp đối với dầu Dây quấn hạ áp làm bằng dây dẫn hình chữ nhật, dây quấn hình ống không có rãnh làm mát ngang trục được tính theo công thức 6-10a trang 140 tài liệu1 0,6 θ od 2 =k.q k=0,285 là hệ số kinh nghiệm, q2là mật độ dòng nhiệt của dây quấn hạ áp, thay số vào ta được: 0,6 0,6 o θ od 2 =k.q =0,285. 4537,8 =44,56 C
  61. - Dây quấn cao áp đối với dầu Dây quấn cao áp làm bằng dây dẫn tròn dây quấn hình ống không có rãnh dầu ngang trục được tính theo công thức 6-10a trang 140 tài liệu1 0,6 θ od 2 =k.q k=0,285 là hệ số kinh nghiệm, q1 là mật độ dòng nhiệt của dây quấn cao áp, thay số vào ta được: 0,6 0,6 o θ od1 =k.q =0,285. 1368,53 =21,7 C 6.2.3 Nhiệt độ chênh trung bình của dây quấn đối với dầu - Dây quấn hạ áp o θ02dtb = θ02 +θod 2 =44,56+8,008=52,568 C - Dây quấn cao áp o θ01dtb = θ01 +θod1 =1,161+21,7= 22,861 C 6.3. TÍNH TOÁN NHIỆT CỦA THÙNG DẦU Thùng dầu đồng thời là vỏ máy của máy biến áp trên đó có đặt các chi tiết quan trọng như sứ ra của dây quấn cao áp và hạ áp, ống phòng nổ, bình giản dầu vì vậy thùng dầu ngoài yêu cầu tản nhiệt tốt còn phải đảm bảo các tính năng về điện như đảm bảo khoảng cách cách điện cho phép giữa dây quấn với vách thùng, có độ bền cơ học đảm bảo, chế tạo đơn giản và có khả năng rút gọn được kích thước bên ngoài. Việc tính toán ở đây chủ yếu căn cứ vào yêu cầu tản nhiệt để thiết kế được một loại thùng thích hợp, sau đó kiểm tra lại xem với kết cấu thùng như vậy nhiệt độ chênh của các bộ phận của máy biến áp có đạt tiêu chuẩn nhà nước qui định không. 6.3.1. Chọn loại thùng Đối với máy biến áp mạch từ không gian ba trụ nằm ở ba đỉnh của một tam giác đều ta chọn hình dáng vỏ giống với hình giáng ruột với đáy có
  62. dang hình tam giác ở ba góc được vê tròn. Làm mát máy biến áp bằng bộ tản nhiệt gắn vào ba mặt bên của thùng theo bảng 57 tài liệu 1 ta chọn bộ tản nhiệt kiểu ống thẳng. 6.3.2. Chọn các kích thước tối thiểu bên trong thùng Căn cứ vào kích thước đã biết của lõi sắt, dây quấn, để chọn các khoảng cách cách điện tối thiểu từ dây dẫn ra đến các bề mặt của dây quấn, đến vách thùng và các bộ phận nối đất khác của máy biến áp. Từ đó sẽ quyết định kích thước tối thiểu bên trong của thùng. s1 Dây dẫn ra cao áp s3 Dây dẫn ra hạ áp d1 d2 s2 s4 Dây quấn cao áp Dây quấn cao áp Hình 6-1: Các khoảng cách tối thiểu bên trong thùng: Các khoảng cách trên chọn theo điện áp thử của dây quấn cao áp và điện áp thử của dây quấn hạ áp s1 là khoảng cánh từ dây dẫn ra cao áp đến vách thùng và bằng s2 khoảng cách của dây dẫn ra của dây quấn cao áp đến chính dây quấn cao áp tra bảng 31-tài liệu thiết kế 1 ta có s1=s2=32 mm d1 là đường kính dây dẫn ra có bọc cách điện của dây quấn cao áp, với điện áp 22 KV thì d1=25 mm s3 là khoảng cách từ dây dẫn ra của dây quấn hạ áp đến vách thùng tra bảng 32 tài liệu 1 ta có s3=25 mm s4 là khoảng cách từ dây dẫn ra của dây quấn hạ áp đến dây quấn cao áp tra bảng 32-tài liệu 1 ta có s4=50 mm
  63. d2 là kích thước dây dẫn ra không bọc cách điện của dây quấn hạ áp d2=10mm s5 là khoảng cách giữa dây quấn cao áp và vách thùng: theo các kích thước trên ta có: s1+d1+s2=32+32+25=89 mm s3+d2+s4=25+10+50=85 mm Ta chọn khoảng cách giữa dây quấn cao áp và vách thùng s5=90 mm -Xác định chiều cao của thùng dầu Chiều cao của thùng dầu gồm hai phần: H=H1+H2 (m) H1 là khoảng cách từ đáy thùng đến hết chiều cao lõi sắt, được xác định như sau -3 H1=lt+2.hg+n.10 (m) trong đó n là chiều dày tấm đệm lót dưới gông n=30-50 mm chọn n=40 mm lt chiều cao trụ lt=1,1079 m hg là chiều cao của gông hg= 0,374 m thay số vào ta được: -3 H1=1,1079+2. 0,374+40.10 =1,8959 m H2 Chiều cao tối thiểu từ gông đến nắp thùng: tra theo bảng 58 ta được H2=350 mm =0,35 m Vậy chiều cao của thùng dầu là: H=H1+H2=1,8959+0,35=2,2459 m ta chọn chiều cao thùng dầu để phù hợp với kích thước của bộ tản nhiệt.
  64. 6.3.3 Sơ bộ tính bề mặt đối lưu, bức xạ của thùng dầu - Bề mặt bức xạ C Hình 6-2: Dùng để xác định bề mặt đối lưu và bức xạ: a b o c Theo hình 6-2 ta có tam giác abc là tam giác đều suy ra cung ab=ba=ca do đó ta có bề mặt bức xạ của thùng dầu '' π.(D 1 +2.s5 ) Mbx=(3.C+3. ).H.k 3 k là hệ số kể đến ảnh hưởng của dạng mặt thùng sơ bộ tra bảng 59 tài liệu 1 ta có k=1,5-2,0 chọn k=1,6 ’’ Mbx=(3.C+π (D1 +2.s5)).H.k=(3.0,61988+π (0,589988+2.0,09).2,2459.1,6 =15,375 (m2) - Bề mặt đối lưu của thùng Căn cứ vào tổng tổn hao, vào nhiệt độ chênh giữa vách thùng và môi trường xung quanh sơ bộ xác định bề mặt đối lưu của thùng theo công thức 6-22 trang 146 tài liệu 1 ’ 1,05∑ p Mđl = 1,25 −1,12M bx 2,5θ tk
  65. ∑ p là tổng tổn hao không tải và ngắn mạch ∑ p =po+pn=7432,48+43282=50714,48 (W) - Nhiệt độ chênh trung bình cho phép của dầu đối với không khí: tính cho dây quấn nóng nhất, dây quấn hạ áp o θdk =65-θo2dtb =65-52,568=12,432 C - Nhiệt độ chênh của lớp dầu trên so lới không khí o o 1,2. θdk =1,2. 12,432=14,92 C<60 C - Nhiệt độ chênh trung bình của vách thùng đối với không khí Trị số chênh nhiệt độ giữa dầu và vách thùng biến thiên trong khoảng 2- 6 oC o o trong tính toán sơ bộ ta chọn θ dt =4 C, lấy dự phòng 2 C từ đó ta có o θ tk =θdk -θ dt -2=12,432-4-2=6,432 C Sơ bộ ta có bề mặt đối lưu của thùng ’ 1,05∑ p 1,05.50714,48 2 Mđl = 1,25 −1,12M bx = 1,25 −1,12.5,671= 23,416 (m ) 2,5θ tk 2,5.6,432
  66. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Thiết kế máy biến áp điện lực : Phan Tử Thụ Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 2. Thiết kế máy biến áp : Phạm Văn Bình , Lê Văn Doanh Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 3. Máy điện I, II : Vũ Gia Hanh – Trần Khánh Hà Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật