Giáo trình hệ thống điện 1 (phần mba)

Định nghĩa, nhiệm vụ và phân loại máy biến áp (MBA) Định nghĩa: là một thiết bị điện từ loại tĩnh, làm việc trên nguyên lý cảm ứng điện từ, biến đổi cấp điện áp này thành cấp điện áp khác với tần số không đổi. Nhiệm vụ: Có nhiệm vụ quan trọng trong truyền tải điện năng: tăng áp tại nhà máy phát điện và giảm áp tại nơi tiêu thụ. Phân loại: Theo số cuộn dây: + MBA 3 cuộn dây: cao trung hạ áp + MBA 2 cuộn dây: cao hạ áp. Theo chức năng: + MBA điều chỉnh dưới tải + MBA không điều chỉnh dưới tải + MBA điều chỉnh góc lệch pha. Theo số pha: MBA 1 pha và MBA 3 pha. Theo công suất: + MBA công suất nhỏ: làm mát bằng không khí + MBAcông suất lớn: làm mát bằng dầu, quạt cưỡng bức. Theo sơ đồ đấu dây: YY, Y, Y0... 3.2. Nguyên lí hoạt động ...

Chương Hệ thống điện Chương MÁY BIẾN ÁP 3.1 Định nghĩa, nhiệm vụ phân loại máy biến áp (MBA) Định nghĩa: thiết bị điện từ loại tĩnh, làm việc nguyên lý cảm ứng điện từ, biến đổi cấp điện áp thành cấp điện áp khác với tần số không đổi Nhiệm vụ: Có nhiệm vụ quan trọng truyền tải điện năng: tăng áp nhà máy phát điện giảm áp nơi tiêu thụ Phân loại: - Theo số cuộn dây: + MBA cuộn dây: cao - trung - hạ áp + MBA cuộn dây: cao - hạ áp - Theo chức năng: + MBA điều chỉnh tải + MBA không điều chỉnh tải + MBA điều chỉnh góc lệch pha - Theo số pha: MBA pha MBA pha - Theo công suất: + MBA cơng suất nhỏ: làm mát khơng khí + MBAcông suất lớn: làm mát dầu, quạt cưỡng - Theo sơ đồ đấu dây: Y/Y, Y/, Y0/ 3.2 Nguyên lí hoạt động (Xem lại kỹ thuật điện) 3.1 CHIA SẼ KIẾN THỨC Chương Hệ thống điện 3.3 Sơ đồ thay tính tốn thông số MBA 3.3.1 MBA dây quấn Mạch tương đương biểu diễn sau: Sơ đồ MBA hai dây quấn a Mạch tương đương xác; b Mạch tương đương gần với: I h + e: dòng điện biểu diễn cho từ trễ dịng điện xốy I : dịng điện từ hố lõi sắt; I0: dịng điện khơng tải  : điện áp phía sơ cấp; U  ' : điện áp thứ cấp qui sơ cấp U Các thông số quay sơ cấp: R B  R  k R U1 k   với k - tỉ số biến áp: U2 X B  X1  k X 3.2 CHIA SẼ KIẾN THỨC Chương Hệ thống điện Tính tốn thông số RB, XB, GB, BB MBA pha cuộn dây Thông thường, nhà sản xuất cho thông số: - PCuđm: tổn thất công suất đồng MBA mang tải định mức, PCuđm = PN làm thí nghiệm ngắn mạch, tức IN = Iđm - UN%: phần trăm điện áp ngắn mạch so với điện áp định mức UN 0  UN U đm - ikt%: phần trăm dịng điện khơng tải I0 so với dòng định mức I 0  i kt  I0 100 0 I ñm - PFe: tổn thất công suất tác dụng lõi thép tổn hao không tải P0: PFe = P0 Để tính RB, XB, GB, BB lý thuyết máy điện đưa cơng thức: PN U đm RB  103 () Sñm GB  với QFe  P0 3 -1 10 ( ) U ñm U N 0 U ñm XB  10 () Sñm BB  Q Fe 3 -1 10 ( ) U ñm I0 0 Sñm (kVar) PN (kW), Uđm (kV), Sđm (kVA), P0(kW) 100 Ngoài ra, tổn công suất kháng định mức cuộn dây MBA: Q Cuñm U N 0 Sñm  (kVar) 100 Đồng thời nhà sản xuất cho biết khả điều chỉnh điện áp, sơ đồ đấu dây MBA 3.3 CHIA SẼ KIẾN THỨC Chương Hệ thống điện Ví dụ: Cho MBA 50 MVA có thông số sau: 121  x 2,5%/11 kV, Un% = 10,5%, PN = 210 kW, I0% = 0,65%, QFe = 325 kVAr Chúng ta hiểu sau: - MBA có: Sđm = 50 MVA, Uđmcao= 121 kV, Uđmhạ= 11 kV - Máy giảm áp, có đầu phân áp lệch nấc 2,5 % Tỷ số biến áp k = 121/11 tương ứng với đầu phân áp định mức (đầu 0) Đây thông số tính tốn qui cao áp Nếu muốn qui hạ áp có cách tính: - Cách 1: từ thơng số qui phía cao, hiệu chỉnh qua tỷ số k2 đó: R B( hạ )  R B( cao ) k2 ; X B( haï )  X B( cao ) k2 G B( haï )  k G B( cao ) ; BB( haï )  k BB(cao ) - Cách 2: Tính trực tiếp (thay điện áp cao điện áp hạ cơng thức tính): R B( hạ )  PN G B( haï )  U ñm ( haï ) Sñm 10 () P0 10 3 (-1) U đm ( hạ ) X B( haï )  B B( haï )  U N %.U đm ( hạ ) Sđm 10 () Q Fe 10 3 (-1) U đm ( hạ ) 3.4 CHIA SẼ KIẾN THỨC Chương Hệ thống điện Ví dụ 2: Cho MBA cuộn dây có thơng số: - Cơng suất định mức: Sđm = 32 MVA - Điện áp định mức: Uđm = 230/6,6 kV - Tổn hao ngắn mạch: Pn = 167 kW - Điện áp ngắn mạch: U% = 12% - Tổn hao không tải: P0 = 53 kW; QFe = 288 kVar Hãy vẽ sơ đồ thay tính tốn thơng số MBA sơ đồ thay pha trường hợp: - Qui phía cao áp - Qui phía hạ áp Nhận xét: Vì tổn thất cơng suất (P, Q) lõi sắt gần khơng đổi nhánh từ hóa mang dịng điện nhỏ nên bỏ qua nhánh từ hóa mạch tương đương gần Sơ đồ thay gần MBA Đặc biệt với MBA điện lực công suất lớn XB >> RB nên mạch gần MBA có XB Sơ đồ thay gần MBA công suất lớn 3.5 CHIA SẼ KIẾN THỨC Chương Hệ thống điện 3.3.2 MBA pha cuộn dây (làm việc với cấp điện áp) Mạch tương đương pha hình MBA ba dây quấn Tính thơng số MBA ba pha ba cuộn dây Với MBA ba pha ba cuộn dây, nhà sản xuất cho điện áp định mức (UC, UT, UH), tổn thất công suất PN, sơ đồ đấu dây, điện áp ngắn mạch cuộn dây: UN(1-2 )%, UN(2-3 )%, UN(3-1)% tỉ số công suất cuộn dây Tính cảm kháng Từ điện áp ngắn mạch cuộn dây: UN(1-2 )%, UN(2-3 )%, UN(3-1)%, ta xác định điện áp ngắn mạch cuộn dây: U N1 U N2 U N3 0 0    U N (12) 0  U N (13) 0  U N ( 23) 0 U N (12) 0  U N ( 23) 0  U N (13) 0 U N (13) 0  U N ( 23) 0  U N (12) 0 3.6 CHIA SẼ KIẾN THỨC Chương Hệ thống điện Khi có UN % cuộn ta tính XB cuộn: X B1 U N1 0 U ñm  10 () Sñm X B2 U N 0 U ñm  10 () Sñm X B3 U N 0 Uñm  10 () Sñm với Uđm (kV), Sđm (kVA) Tính điện trở  Trường hợp công suất ba cuộn dây là: 100%/100%/100% Điện trở cuộn dây qui đổi cấp điện áp nhau: RB1 = RB2 = RB3 = RB(100) PCuñm U ñm 10 ()  R B (100) (PCuđm = PN) với R B  2.S2 ñm với PCuđm (kW), Uđm (kV), Sđm (kVA)  Nếu khơng nói gì: 100%/100%/100%  Trường hợp cơng suất ba cuộn dây là: 100/100/66,7%Sđm  Điện trở cuộn dây thứ (66,7%Sđm) qui cấp điện áp công suất cuộn thứ nhất: RB1 = RB2 = RB(100) RB3 = 1,5.RB1  Trường hợp công suất cuộn là: 100/66,7/66,7%Sđm thì: PCm U đm R B1  103 () 1,83.Sñm RB2 = RB3 =1,5RB1 () (Các công thức qui cao áp) 3.7 CHIA SẼ KIẾN THỨC Chương Hệ thống điện  GFe, BFe tính MBA pha cuộn dây: thường thông số bỏ qua sơ đồ thay tính tốn thơng số MBA  Các thông số (R, X) thường qui đổi phía cao áp Nếu cần chuyển sang trung hay hạ áp hiệu chỉnh qua tỷ số: k CT  U cao U cao k  CH U trung hay U haï 3.3.3 MBA tự ngẫu MBA tự ngẫu so với MBA thường có cơng suất có ưu điểm sau: - Tổn thất - Kích thước nhỏ - Rẻ tiền - Trọng lượng nhỏ MBA tự ngẫu điện lực: ba dây quấn với hai cuộn cao trung quấn tự ngẫu, trung tính nối với đất nên thích hợp mạng 110 kV trở lên có trung tính nối đất, cuộn hạ quấn theo MBA thường Sơ đồ thay pha MBA pha trường hợp công suất truyền từ cao đến trung: MBA tự ngẫu đặc trưng đại lượng: Sđm Stc 3.8 CHIA SẼ KIẾN THỨC Chương Hệ thống điện Công suất định mức: truyền công suất từ cuộn cao sang cuộn trung Dịng định mức cuộn nối tiếp: Iđm( C)  Sñm 3.U ñm( C ) Sñm  3U C I C  3U T I T Công suất cuộn riêng lẽ Cuộn nối tiếp SCT  ( U C  U T )I C  3I C U C (1  U UT )  Sñm với   (1  T ) UC UC Cuộn chung STO  3U T I Ch  3U T (I T  I C )  3U T I T (1  IC ) IT IC UT mà I  U  STO = Sđm T C Cuộn hạ: Công suất định mức cuộn hạ thiết kế: Shạ = Sđm Dịng cuộn chung với giả thiết tải cơng suất Sđm từ cao sang trung: I0 = Iđm(T) – Iđm(C) = Iđm(T)(1 – 1/k)  Tóm lại: cơng suất tính tốn cuộn dây MBA tự ngẫu  1 S ñm 1  k  Trị số gọi công suất tiêu chuẩn (Stc) MBA tự   ngẫu  gọi hệ số có lợi MBA tự ngẫu   1 U  1 T k UC 3.9 CHIA SẼ KIẾN THỨC Chương Hệ thống điện  Nhận xét: - Công suất cuộn CT, TO cuộn hạ có cơng suất nhau, ghép theo kiểu MBA thơng thường thì: SđmMBA thường = SCTđm = STOđm = Shạđm - Nếu cuộn dây đấu theo kiểu tự ngẫu thì: + Cơng suất truyền từ cao - trung ngược lại Sđm: Sđm  S1cuộn  > S1cuộn + Công suất truyền cao - hạ, trung - hạ S1cuộn  Do đó, dùng MBA tự ngẫu thay cho MBA thường lợi công suất truyền từ cao – trung  Tổng qt: MBA tự ngẫu có:  Sđm: cơng suất truyền cao - trung  Stiêu chuẩn = S1cuộn = Sđm: công suất truyền cao - hạ, trung - hạ   < 1: hệ số có lợi MBA tự ngẫu Sđm  Stiêu chuẩn > Stiêu chuẩn    gọi là có lợi MBA tự ngẫu truyền cơng suất Sđm từ điện áp cao qua điện áp trung, cuộn dây lõi sắt thiết kế với cơng suất Stc = Sđm Sơ đồ tương đương hình MBA tự ngẫu: 3.10 CHIA SẼ KIẾN THỨC Chương Hệ thống điện Tính điện trở cảm kháng MBA tự ngẫu Thông số nhà sản xuất cung cấp:  Điện áp định mức: UC, UT, UH, Sđm  Điện áp ngắn mạch: UN(CT)%, U’N(CH)%, U’N(TH)%  Tổn thất ngắn mạch: PN(CT), P’N(CH), P’N(TH) U’N(CH)%, U’N(TH)%, P’N(CH), P’N(TH) cho theo Stc tính tốn ta cần phải qui đổi Sđm: PN(CH)  ' PN(CH) U N(CH) %  2 ; U 'N(CH) %  PN(TH)  ' PN(TH) ; U N(TH) %  2 U 'N(TH) %  Tính điện trở R Xác định tổn thất công suất cuộn dây: PN(C)  PN(T)  PN(H)  (PN(CT)  PN(CH)  PN(TH) ) (PN(CT)  PN(TH)  PN(CH) ) (PN(CH)  PN(TH)  PN(CT) )  PN(CT)  PN(C)  PN(CH)  PN(C) Điện trở cuộn dây R C  PN ( C) U ñmC 103  Sñm R T  PN ( T ) U ñmC 103  Sñm R H  PN ( H ) U ñmC 103  Sñm 3.11 CHIA SẼ KIẾN THỨC Chương Hệ thống điện Tính cảm kháng cuộn dây Điện áp ngắn mạch cuộn: U N(C) %  U N(T) %  U N(H) %  ( U N(CT) %  U N(CH) %  U N(TH) %) ( U N(CT) %  U N(TH) %  U N(CH) %) ( U N(CH) %  U N(TH) %  U N(CT) %) Cảm kháng cuộn dây: XC  XT  XH  U N ( C) %UñmC Sñm U N ( T ) %U ñmC Sñm U N ( H ) %UñmC Sñm 10  10  10  Chú ý: - Nếu tính tốn: UN(C)%, UN(T)% hay UN(H)% âm  chọn - Tính tốn qui đổi phía cao áp Nếu qui đổi trung áp hay hạ áp thay Ucao Utrung hay Uhạ hiệu chỉnh qua tỷ số k2, với k tỷ số biến áp tương ứng với cấp điện áp cần qui đổi - Khi tính: Pđm (kW), Uđm (kV), Sđm (kVA) Ví dụ: Cho MBA tự ngẫu pha 220/121/11 kV, công suất định mức Sđm= 90 MVA, có thơng số sau: - Điện áp ngắn mạch cuộn dây: UN(C-T)% = %, U’N(C-H)% = 12,6 %, U’N(T-H)% = 7,7 % - Tổn thất ngắn mạch cuộn dây: PN(C-T) = 360 kW, P’N(C-H) = 240 kW, P’N(T-H) = 205 kW Xđ điện trở điện kháng cuộn dây trường hợp qui CA 3.12 CHIA SẼ KIẾN THỨC Chương Hệ thống điện 3.4 So sánh MBA tự ngẫu với MBA thường: dựa phương diện có cơng suất định mức cấp điện áp  Chi phí cho việc chế tạo: MBA có hai phần chính: - Khối lượng đồng để chế tạo cuộn dây: + Cuộn nối tiếp MBA tự ngẫu so với cuộn cao áp MBA thường + Cuộn chung so với cuộn trung - Khối lượng thép từ để chế tạo mạch từ Tổn hao MBA: gồm phần - Tổn hao đồng tỷ lệ với I2R - Tổn hao thép tỷ lệ với khối lượng thép từ  Phạm vi sử dụng Lần lượt xem xét phần nêu trên: Khối lượng đồng cuộn dây (Gđ) MBA tự ngẫu: Gđ = Gđn + Gđch Ta có: G  F.L mà F  I L  W đó: W  U nên: G  I.W  I.U Wch đó: Gđn  InWn = IC(WC – Wch) = ICWC(1 - W ) C UT  ICUC(1 - U ) = ICUC = .SB = SC C Gđch IC  IchWch = (IT - IC)WT = ITUT(1- I ) T  .ST = .SB Vậy Gđ MBA tự ngẫu = Gđn + Gch = .Gđ MBA thường 3.13 CHIA SẼ KIẾN THỨC Chương Hệ thống điện Công suất từ MBA tự ngẫu St = .SB nên khối lượng mạch từ MBA tự ngẫu  Khối lượng giảm  trọng lượng giá thành MBA tự ngẫu  lần trị số tương đương MBA thường Về tổn hao MBA tự ngẫu (PBtự ngẫu) gồm phần: PBtự ngẫu = An + Ach An = In Rn = l n IC2 F = IC2 n lC l ch l C  l ch (  ) = .PC = IC  F l Fn n C l ch Pđch = Ich2 Rch = (.IT)2  F = PđT ch - Tổn thất đồng MBA tự ngẫu  lần so với MBA thường - Tổn thất thép tỷ lệ với khối lượng thép từ nên  lần tổn thất từ MBA thường Kết luận chung: sử dụng MBA tự ngẫu thay cho MBA thường có lợi trọng lượng, kích thước, giá thành, tổn hao  lần, nên  gọi hệ số có lợi MBA tự ngẫu Nhưng sử dụng MBA tự ngẫu cần lưu ý: MBA tự ngẫu sử dụng điện áp cao, trung nối đất trung tính Vì khơng nối đất trung tính, có pha phía cao chạm đất, điện áp trung pha không chạm đất tăng lên lần mà lớn nhiều MBA tự ngẫu không giống MBA thường chỗ cuộn dây quấn MBA tự ngẫu có liên hệ điện hai cuộn dây với Bất lợi lớn MBA tự ngẫu cách ly điện khơng cịn ví dụ sau chứng minh truyền tải công suất MBA tự ngẫu lớn MBA thường có kích thước, số vịng dây 3.14 CHIA SẼ KIẾN THỨC Chương Hệ thống điện Xét MBA pha cuộn dây có Sđm= 90 MVA, 80/120 kV IC Khi làm việc với tải đinh mức: IH N2 UH UC Sñm 90.106 IH    1125 (A) U H 80.103 Sñm 90.10 IC    750 (A) U C 120.103 N1 Hình Thay đấu MBA pha, người ta đặt mạch phía cao lên mạch phía hạ không thông qua từ trường để khảo sát công suất truyền đến phụ tải, thông số MBA ban đầu giữ ngun N2 IH 80 kV N1 Vì thơng số mạch không đổi, nghĩa ứng với áp 80 kV, N1 vịng dây để tương IC ứng với cơng suất 90 MVA truyền qua ICh (hình 2) = IH (hình 1) = 1125 (A) 120 kV Tương tự: IC (hình 2) = IC (hình 1) = 750 (A) IChung Dịng điện phía ngõ vào: IH = ICh + IC = 1125 + 750 = 1875 (A) Hình Khi dòng điện ngõ vào tăng từ 1125 A lên 1875 A nối sang kiểu tự ngẫu (autotransformer) với điện áp ngõ vào 80 kV cơng suất lan truyền đến phụ tải tăng từ 90 MVA lên 150 MVA SC-tự ngẫu = UH.IH = 80.103.1875 = 150 MVA = UC- tự ngẫu.IC = (80 + 120).103.750 = 150 MVA 3.15 CHIA SẼ KIẾN THỨC Chương Hệ thống điện Nhận xét: - Sự tăng công suất từ 90 MVA lên 150 MVA điện áp ngõ từ 120 kV lên 200 kV chứng minh thuận lợi MBA tự ngẫu MBA tự ngẫu truyền tải công suất lớn so với MBA thường có cơng suất - Dùng MBA tự ngẫu có lợi cơng suất truyền Cơng suất truyền tăng tổn thất không đổi cấp điện áp cao + Điện áp cao bất lợi cách điện + Đấu nối phức tạp, vận hành khó khăn 3.16 CHIA SẼ KIẾN THỨC