Đồ án thiết kế máy biến áp thử nghiệm

LỜI MỞ ĐẦU ĐẦUU Máy biến áp biến đổi cảm ứng đơn giản dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều từ điện áp thành dòng điện xoay chiều khác có điện áp khác Các dây quấn mạch từ đứng yên trình biến đổi từ trường để sinh sức điện động cảm ứng dây quấn thực dây cáp điện Máy biến áp ngày sử dụng nhiều lónh vực Như máy biến áp lò, máy biến áp hàn, máy biến áp đo lường, máy biến áp thử nghiệm… Máy biến áp thử nghiệm tạo nguồn điện áp cao thiết bị chủ yếu phòng thử nghiệm Máy thử nghiệm thiết bị cao áp, thành phần kết cấu, cấu trúc cách điện, dùng đo lường Máy vận hành nhà kín trời Phòng thử nghiệm cao áp với nguồn điện khác (như xoay chiều, chiều, điện áp xung…) có nhiệm vụ xác định độ bền cách điện xác định khuyết tật (như phóng điện cục bộ) điều kiện thử nghiệm (nhiệt độ, độ ẩm, áp suất…) môi trường định (ăn mòn) tương ứng với điều kiện làm việc thiết bị kết cấu cách điện vận hành Ngoài sau sửa chữa kiểm tra tra định kỳ phải thử nghiệm lại vị trí làm việc thiết bị Nhận thức vai trò tầm quan trọng máy biến áp thử nghiệm, em thực đề tài thiết kế máy biến áp cao áp dùng để thử nghiệm thiết bị điện Đề tài trình bày thành sáu chương: Chương I: Tìm hiểu máy biến áp cao áp Chương II: Tìm hiểu công nghệ chế tạo máy biến áp cao áp Chương III: Các phương án dây quấn Chương IV: Tính toán lõi thép dây quấn Chương V: Tính toán tham số Chương VI: Tính mạch bảo vệ, đo lường, điều khiển Do hiểu biết thực tế thời gian có hạn nên khoá luận tránh sai sót, mong nhận ý kiến thầy, cô bạn để khoá luận em hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn thầy cô môn thiết bị điện – điện tử , khoa điện – Trường đại học bách khoa Hà Nội nhiệt tình giảng dạy giúp đỡ em học tập tốt thời kỳ làm đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy Chu Đình Khiết trực tiếp hướng dẫn bảo em để hoàn thành đồ án tốt nghiệp Chương TÌM HIỂU VỀ MÁY BIẾN ÁP CAO ÁPU VỀU MÁY BIẾN ÁP CAO ÁPY BIẾN ÁP CAO ÁPN AÙY BIEÁN AÙP CAO AÙPP CAO AÙY BIEÁN AÙP CAO ÁPP I Nguyên lý cấu tạo thử nghiệm cao áp: Thông thường phòng thử nghiệm (môi trường thử nghiệm) điện áp cao trang bị hoàn chỉnh, phục vụ tốt cho công tác nguyên cứu chế tạo thiết bị điện cao áp gồm thành phần hình vẽ sau: Hệ thống thử nghiệm gồm thiết bị sau: 1-Thiết bị thử nghiệm điện áp tăng cao tần số công nghiệp thiết bị phụ trợ kèm - Thiết bị thử nghiệm điện áp chiều - Thiết bị thử nghiệm điện áp xung - Thiết bị thử nghiệm điện áp dòng xung - Các thiết bị tạo môi trường, điều kiện thử nghiệm, thiết bị phục vụ khác công tác thử nghiệm tốt… Ta xét kỹ ba thiết bị đầu có sử dụng máy tạo điện áp cao để thử nghiệm Hệ thống dịch chuyển Tạo điều kiện thử nghiệm Hệ thống cung cấp Hệ thống thử nghiệm Hệ thống nối đất Hình 1.1 Môi trường thử nghiệm cao áp Thiết nghiệm điện áp tăng cao tanàn gn Nguồn caobị thử Đối tượ ng thử Hệ thống đo lườ ng, Hệ thố số công nghiệp: áp nghiệm điều khiển bảo vệ Thiết bị dùng để thử nghiệm cách điện thiết bị điện Việc thử nghiệm thiết bị kết cấu cách điện điện áp tăng cao tần số công nghiệp cho phép xác định khuyết tật làm giảm độ bền điện tuổi thọ thiết bị mà phương pháp khác không xác định Thử nghiệm biện pháp để xác định dự trữ độ bền cách điện thiết bị điều kiện nhà máy chế tạo nơi sử dụng Vì thiết bị cấp điện áp 35 kV chịu thử nghiệm vận hành, thiết bị cấp điện áp cao thử nghiệm điều kiện phòng thử nghiệm Nguồn điện áp thử nghiệm cần phải đảm bảo điện áp đặt lên đối tượng thử nghiệm, xác định dòng ngắn mạch chọc thủng phóng điện bề mặt đối tượng thử nghiệm không nhỏ (A) Khi thử nghiệm cách điện bên bên trạng thái khô, cho phép sử dụng thiết bị có dòng ngắn mạch nhỏ hơn, không nhỏ 0,3 (A) Thời gian thử nghiệm cách điện bên giấy dầu, chất lỏng, sứ điện áp xoay chiều phút dạng điện áp khác cấp điện áp 220 (kV) trở xuống làm từ vật liệu cách điện hữu cơ, cách điện cáp điện phút Cách điêïn bên chịu trì điện áp thử nghiệm xoay chiều không quy định Theo quy định thử nghiệm việc nâng điện áp từ không đến giá trị 1/ trị số điện áp thử nghiệm thực với tốc độ tuỳ ý đọc số dụng cụ đo Sau điện áp tăng nhanh đến điện áp thử nghiệm, đạt giá trị xác định phải giữ không đổi thời gian thử nghiệm, ý điện áp cao ¾ điện áp thử nghiệm cần phải đảm bảo khả cắt nhanh thiết bị thử Việc giảm điện áp phải nhanh trơn đều, điện áp nhỏ 1/3 điện áp thử nghiệm cho phép cắt điện Độ lệch tần số so với định mức không vượt 10% (tức khoảng (45 ÷ 55) Hz) Các sóng hài bậc cao làm biến dạng diện áp thử nghiệm so với hình sin toàn thiết bị thử nghiệm không vượt qúa 5% Giá trị hiệu dụng điện áp thử nghệm cho loại cách điện cấp điện áp định mức thay đổi giới hạn rộng từ 3÷5 (kV) thử cách điện nguồn dây điện áp thấp, 1,2 (MV) thử cách điện pha thiết bị cấp điện áp 500 kV cao Sơ đồ khối thiết bị thử nghiệm điện áp tăng cao tần số công nghiệp hình vẽ: R1 N R2 Hình1.2 Sơ đồ khối thử nghiêm điện áp xoay chiều tần số công nghiệp Bộ điều chỉnh dùng để điều chỉnh biên độ, tần số pha điện áp đưa vào cuộn sơ cấp nguồn cao áp Trong trường hợp đơn giản máy biến áp tự ngẫu điều chỉnh pha Trong trường hợp phức tạp điều chỉnh biên độ đòi hỏi phải chỉnh tần số cần có máy phát điện kiểu máy phát có hệ thống khởi động, điều khiển điều chỉnh tần số quay Thiết bị đo lường đo điện áp sơ cấp Nguồn điện áp cao Đối tượng thử nghiệm Thiết bị đo điện áp cao Bộ phóng điện đo lường, có điện áp chọc thủng cao (10 ÷ 20)% điện áp thử nghiệm để ngăn ngừa việc đưa điện áp cao vào đối tượng thử nghiệm R1, R2 - điện trở hạn chế dòng điện chọc thủng đối tượng thử nghiệm phóng điện bề mặt giá trị không nguy hiểm cho vùng cao áp Nguồn cao áp máy biến áp tăng áp, máy biến áp nối cấp mạch cộng hưởng Yêu cầu máy phóng điện cục bôï thân máy biến áp điện áp thử nghiệm, sóng hài làm biến dạng điện áp nhỏ không vượt (2 ÷ 2,5)% thành phần Để tạo điện áp cao 105 (kV) cấu trúc máy biến áp trở nên phức tạp, tránh xuất cộng hưởng tạo điện cảm riêng điện cảm tản tới điện dung cuộn dây nối với góp đối tượng Để tạo điện áp cao nối cấp máy biến áp Công suất máy biến áp thử nghiệm phụ thuộc vào công suất tích điện thiết bị thử nghiệm xác định theo điện dung chúng với điện áp thử nghiệm P = W.C.U2 10-9 (kVA) Với C – điện dung đối tượng thử nghiệm W – tần số góc (1/ sec) U2 – điện áp thử nghiệm (kV) Khi điện áp thử nghiệm nhỏ điện áp định mức máy biến áp thử nghiệm phụ tải bị hạn chế dòng định mức chạy qua cuộn dây công suất máy biến áp là: U P = It.m = Pt dm Ut Với It - dòng thử nghiệm (A) Pt - phụ tải thử nghiệm (kVA) Ut - điện áp thử nghiệm đối tượng (kV) m - điện áp định mức cuộn dây thứ cấp máy biến áp thử nghiệm (kV) Khi máy biến áp thử nghiệm đặc biệt sử dụng máy biến áp khác máy biến điện áp Khi cuộn dây cao áp mắc nối tiếp, dòng từ hoá không vượt giá trị cho phép điều kiện đốt nóng Điện áp nhận từ đầu cuộn dây cao áp máy biến điện áp thử nghiệm không 90% trị số điện áp xác định nhà máy chế tạo Vì máy biến áp thử nghiệm sử dụng phụ tải chúng khoảng thời gian ngắn, nên năm gần đây, chúng thiết kế có tính đến chế độ đốt nóng trình thử nghiệm Khi cho phép dòng phụ tải lớn so với dòng định mức ÷ 2,5 lần có dẫn riêng, cần ý đến làm lạnh lần thử nghiệm Sơ đồ nguyên lý thử nghiệm cách điện thiết bị diện điện áp xoay chiều tần số công nghiệp hình vẽ 1.3 1- Thiết bị điều chỉnh (biến áp tự ngẫu) 2- Máy biến áp thử nghiệm 3- Điện trở hạn chế 4- Máy biến áp đo lường 5- Điện trở 6- Bộ phóng điện cầu - Đối tượng thử nghiệm Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý thử nghiệm cách điện thiết bị điện điện áp xoay chiều tần số công nghiệp A1, A2 đồng hồ ampemet V1, V2 , V3 - đồng hồ vonlmet KV- đồng hồ kilovonmet Khi thử nghiệm cách điêïn đối tượng có điện dung thân lớn (các cuộn dây máy phát công suất lớn, cáp…) giảm độ lớn công suất thiết bị thử nghiệm sử dụng bù dòng điện dung Để nhâïn dược công suất đủ lớn sử dụng cách mắc song song số máy biến áp, chia góp thành đoạn thực thử nghiệm theo pha, biện pháp làm giảm giá trị điện dung đồng thời cách điện thử nghiệm Khi máy biến áp với điện áp thử nghiệm yêu cầu thực mắc nối tiếp với máy biến áp vẽ 4.1 2 ~ Uthử ~ Uthử Hình1.4 Sơ đồ nối cuộn dây máy biến áp thử nghiệm 1,2 - máy biến áp thử nghiệm Thiết bị thử nghiệm điện áp cao chiền u: Thiết bị dùng thử nghiệm nghiên cứu trình phóng điện chọc thủng, phóng điện bề mặt… môi trường cách điện kết cấu cách điện khác Một số thiết bị dòng xoay chiều nguyên nhân kỹ thuật thử nghiệm điện áp xoay chiều cáp chứa đầy khí, cáp có cách điện dầu… phải thử nghiệm điện áp chiều Nguồn điện chiều sử dụng để làm cháy chổ bị đánh thủng, chổ yếu cáp sau tìm chổ hỏng thay Nguồn điện chiều cao áp thường là: nguồn chỉnh lưu, mạch nhân áp máy phát tónh điện Điện áp chọc thủng chiều có giá trị cao điện áp xoay chiều 1- Nguồn ổn định 2- Bộ chỉnh điện áp 3- Máy biến áp thử nghiệm 4- Tụ san phẳng 5- Điện trở hạn chế dòng điện 6- Đồng hồ đo điện áp cao (kV) 7- Đối tượng thử nghiệm 8- Bộ phóng điện 9- Chỉnh lưu 10 – Đồng hồ microampenmetre ~ V 10 K 10 bị thửVnghiệm dùng Hình 1.5 Sơ đồ khối thiết chỉnh lưu chu kỳ Lónh vực sử dụng sơ đồ phụ thuộc cấp cách điện, đối tượng thử nghiệm, thông số thiết bị thử nghiệm, thiết bị chỉnh lưu Chỉnh lưu hai chu kỳ ưu việt lớn mà thiết bị lại phức tạp nên không phổ biến Để nhận điện áp thử nghiệm chiều lớn người ta thường sử dụng sơ đồ nhân điện áp sau: Đây nguồn điện chiều, điện áp cao công suất nhỏ, phụ tải nối với đầu qua điện trở phụ để giảm nhảy vọt dòng tụ điện tầng phóng điện bề mặt nối trực tiếp Điện áp nhận từ đến 3÷ MV - Máy biến áp thử nghiệm - Đối tượng thử nghiệm C ~ D1 C D2 D3 D4 C5 Hình 1.6 Sơ đồ nhân điện áp Thiết bị thử điện áp xung(máy C C nghiệm phát điện áp xung) Việc thử nghiệm cách điện thiết bị điện điện áp xung nhằm kiểm tra độ bền vững điện áp sét điện áp thao tác xuất lưới điện vận hành Quá điện áp sét xuất sét đánh vào đường dây chống sét, cột điện, dây dẫn đường dây truyền tải, cách điện đường dây chịu tác dụng xung điện áp không chu kỳ có cực tính dương âm Trên thiết bị điện trạm bảo vệ phóng điện (chống sét ống, khe hở phóng điện…) xung có dạng xung cắt sau đạt giá trị cực đại Xuất phát từ xác suất hư hỏng điện áp, xung sét tiêu chuẩn không chu kỳ 1,2/50 (µs) có độ dài ủau soựng Êùị = 1,2 0,36 (às) vaứ ủoọ dài xung 50 ± 10 (µs) Ngoài xung sét để thử cách điện cuộn dây máy biến áp, điện trở kháng máy điện quay sử dụng xung cắt Giá trị cực đại điện áp phụ thuộc vào cấp điện áp dạng thiết bị thử nghiệm, thay đổi dải rộng từ vài chục kV cấp điện áp (kV) đến cấp điện áp vài triệu vôn cấp điện áp siêu cao áp Dung sai giá trị cực đại 3%, điện áp nội xuất chuyển mạch, thao tác cố hệ thống điện thay đổi chế độ làm việc Xung điện áp chuyển mạch khác với xung sét thời gian dài có dạng dao động Để thử nghiệm đưa vào xung chuẩn dạng không chu kỳ 250 / 2500 (µs) có thời gian tăng xung T = 250 ± 50 (µs), thời gian suy giảm đến giá trị cực đại 2500 ± 1500 (µs) Có thể sử dụng dạng xung khác xung không chu kỳ100/ 2500 ; 1000/ 5000 (µs) xung dao động có thông số 4000 ± 1000 / 7500 ± 2500 ; 100/ 1000 Giá trị cực đại dạng xung thử nghiệm có ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước cách điện, độ bền vững thiết bị thử nghiệm Các dạng xung a Xung 1,2/ 50 (µs) b Xung cắt  c Xung 100/ 1000 (µs) d Xung 250 / 2500 (µs) U U Um Um 0,5Um 0,5Um  t t  Tc Tc (b) (a) U U Um 0,5Um Hình 1.7 Các dạng xung Một vấn đề quan trọng giải phòng thử nghiệmt cao0 áp t cứu  nghiên trình chọc thủng khoảng cách khac không khí môi trường cách điện khác Giá trị có Tc liên quan tới (c) điện đường dây chế tạo cách (d) truyền tải siêu cao áp, hoàn thiện chống sét cho đối tượng khác nhau, tiêu chuẩn hoá dạng xung Để có điện áp chuyển mạch thao tác sử dụng máy phát điện áp xung sử dụng máy biến áp thử nghiệm có nguồn xung Sơ đồ máy phát điện áp xung kích hình 1.8 T ~ Rbv E A R n B2 Rn C2 Rñ CA K1 A1 CB B1 N2 K Rñ Rñ K2 Kn C1 R0 Cn N1 Hình 1.8 Sơ đồ máy phát điện áp xung kích Máy biến áp thử nghiệm E- đèn chỉnh lưu cao áp CA,CB,… ,CN- tụ điện nạp điện Rbv – điện trở bảo vệ KH1, KH2,… KHn - khe hở phóng điện Rn - Điện trở nạp điện R0 - Điện trở ổn định Rđ - Điện trở phóng điện Quá trình tạo xung gồm hai giai đoạn: - Giai đoạn nạp: qua máy biến áp T chỉnh lưu E cấp tụ điện CA,CB,… ,CN nạp tới điện áp U trình nạp kết thúc điểm A 2, B2,… Bn có điện U điểm A 1, B1,… Bn có điện không - Giai đoạn phóng: chọn khoảng cách khe hở KH1 cho điện áp U phóng điện sau phóng điện điểm B tăng vọt đến mức U điện điểm B2 tăng đến mức 2U Khe hở KH chọn cho phóng điện điện áp 2U vàsau phóng điện làm cho điện điểm C tăng từ không đến mức 2U điểm C2 tăng đến mức 3U Như dùng n cấp để tụ điện giai đoạn phóng phép nối tiếp qua khe hở KH1, KH2,… KHn điện áp xung kích tạo điện áp cao tới (MV) Các phần tử lại làm nhiệm vụ bảo vệ điều chỉnh II Các loại máy điện áp cao dùng thử nghiệm nay: Máy kiểu И 0M – 100/ 25 0M – 100/ 25M – 100/ 25 10M – 100/ 250M – 100/ 25/ 25: 10