ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP-Thiết kế máy biến áp 400kVA ngâm dầu

Ở đây trong đồ án thiết kế máy biến áp ngâm dầu này của em được làm theo trình tự sau: ƒ Khái niệm chung về thiết kế máy biến áp ƒ Tính toán sơ bộ và chọn các kích thước chủ yếu ƒ Tính t

LỜI NÓI ĐẦU

Máy điện là một loại hệ điện từ gồm có mạch từ và mạch điện liên quan với nhau Mạch từ gồm các bộ phận dẫn từ và khe hở không khí Mạch điện gồm hai hoặc nhiều dây quấn có thể chuyển động tương đối với nhau cùng bộ phận mang chúng

Máy biến áp là một hệ thống biến đổi cảm ứng điện từ dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều từ điện áp này thành dòng điện xoay chiều có điện áp khác Các dây quấn và mạch từ của nó đứng yên và quá trình biến đổi từ trường để sinh ra sức điện động cảm ứng trong dây quán thực hiện bằng phương pháp điện

Mặt khác, máy biến áp nó còn có vai trong quan trọng trong nền kinh

tế quốc dân như trong công nghiệp, nôn nghiệp, giao thông vận tải, các hệ điều khiển…

Ở đây trong đồ án thiết kế máy biến áp ngâm dầu này của em được làm theo trình tự sau:

ƒ Khái niệm chung về thiết kế máy biến áp

ƒ Tính toán sơ bộ và chọn các kích thước chủ yếu

ƒ Tính toán dây quấn máy biến áp

ƒ Tính toán ngắn mạch

ƒ Tính toán kết cấu mạch từ

ƒ Tính toán nhiệt

ƒ Phần chuyên đề: So sánh công nghệ mới và hiệu quả của nó

Trong quá trình thiết kế môn học vì thời gian có hạn và kiến thức còn hạn chế Nên việc tính toán không khỏi thiếu sót Mong các thầy, cô

cho nhận xét để đồ án này được hoàn thiện hơn Em xin cảm ơn thầy Nguyễn Đức Sỹ đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho em để hoàn thành tốt

đồ án này và hoc em được học hỏi nhiều vấn đề về máy biến áp trong thời gian khai thác

Xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, ngày tháng năm 2004

Người thiết kế

CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THIẾT KẾ MÁY

BIẾN ÁP

I.1 ĐẠI CƯƠNG

Máy biến áp điện lực là một bộ phận rất quan trọng trong hệ thống điện Để truyền tải điện năng từ các trạm phát điện đến các hộ tiêu thụ cần phải có đường dây tải điện Nếu khoảng cách giữa nơi sản xuất và hộ tiêu thụ lớn thì một vấn đề rất lớn đặt ra và cần được giải quyết là: Việc truyền tải điện năng đi xa làm sao cho kinh tế

Như ta đã biết, cùng một công suất truyền tải trên đường dây nếu điện áp được tăng cao thì dòng điện chạy trên đường dây sẽ giảm xuống, như vậy có thể làm tiết diện dây nhỏ đi do đó trọng lượng và chi phí dây sẽ giảm xuống Vì thế muốn truyền tải công suất lớn đi xa ít tổn hao và tiết kiệm được kim loại màu trên đường dây người ta phải dùng điện áp cao đường 35, 110, 220 và 500KV Trên thực tế các máy phát điện không có khả năng phát ra những điện áp cao như vậy thường chỉ 3 đến 21KV là cùng, do đó cần phải có thiết bị để tăng áp ở đầu đường dây lên Mặt khác các hộ tiêu thụ thường yêu cầu điện áp thấp từ 0,4 đến 6KV do đó tới đây phải có thiết bị giảm điện áp xuống Những thiết bị dùng để tăng áp ở đầu

ra của máy phát tức là ở đầu đường dây dẫn điện và giảm điện áp tới hộ

Máy phát

điện

tiêu thụ tức là cuối đường dây dẫn được gọi là máy biến áp Thực ra trong

hệ thống điện lực muốn truyền tải và phân phối công suất từ nhà máy điện đến tận các hộ tiêu thụ một cách hợp lý thường phải qua 4 – 5 tầng tăng giảm điện áp như vậy Do đó tổng công suất của máy biến áp trong hệ thống điện lực thường gấp 4 – 5 lần công suất của trạm phát điện Những máy biến áp (MBA) dùng trong hệ thống điện lực gọi là máy biến áp điện lực hay máy biến áp công suất Từ đó ta thấy rõ máy biến áp chỉ làm nhiệm

vụ truyền tải hoặc phân phối năng lượng chứ không phải là biến hoá năng lượng

Ngoài máy biến áp điện lực còn có nhiều loại máy biến áp dùng trong các ngành chuyên môn như máy biến áp chuyên dùng cho các lò điện luyện kim, máy biến áp hàn điện, máy biến áp dùng trong thiết bị chỉnh lưu, máy biến áp dùng cho đo lường, thí nghiệm…

Khuynh hướng phát triển của máy biến áp hiện nay là thiết kế chế toạ những máy biến áp có dung lượng thật lớn, điện áp thật cao, dùng nguyên liệu mới để giảm trọng lượng và kích thước máy Về vật liệu hiện nay đã dùng loại thép cán lạnh không những có từ tính tốt mà tổn hao sắt lịa ít do đó nâng cao được hiệu suất của máy biến áp Khuynh hướng dùng dây nhôm thay dây đồng vừa tiết kiệm được dây đồng vừa giảm được trọng lượng máy cũng đang phát triển

Ở nước ta ngành chế tạo máy biến áp đã ra đời ngay từ ngày hoà bình lập lại Đến nay chúng ta đã sản xuất được một khối lượng máy biến

áp khá lớn và nhiều chủng loại khác nhau phục vụ cho nhiều ngành sản xuất ở trong nước và xuất khẩu

I.2 ĐỊNH NGHĨA VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

ện là U2 N

ừ dây quấnxoay chiều

ng là một hluật cảm ứ

uấn 1 trongòng với cả

n hai sẽ có

Như vậy n

n 1 sang dâ

u đặt vào hàm hình siứng điện từ

g đó sẽ cóhai dây qu

2

ω φ

2 m 2

EE

Định nghĩa: Từ nguyên lý làm việc cơ bản trên ta có định nghĩa máy

biến áp như sau: máy biến áp là một thiết bị điện từ đứng yên, làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện tử biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở diện 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 đây quấn gọi là máy biến áp hai dây quấn Dây nối với nguồn để thu năng lượng gọi là dây quấn

sơ cấp, ở máy biến áp 3 dây quấn 6 dây sơ cấp và thứ cấp còn dây quấn thứ

3 với điện áp trung bình Máy biến áp biến đổi hệ thống xoay chiều 1 pha gọi là máy biến áp một phat, 3 pha gọi là 3 pha, ngâm trong đầu gọi là máy biến áp dầu…

I.3 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC

Các đại lượng định mức của máy biến áp quy định điều kiện kỹ thuật của máy Các đại lượng này do nhà chế tạo quy định và thường ghi trên nhãn máy biến áp

1 Dung lượng hay công suất định mức S đm

Là công suất toàn phần hay biểu kiến đưa ra ở dây quấn thứ cấp của máy biến áp Đơn vị KVA hay VA…

2 Điện áp sơ cấp định mức: U1đm

Là điện áp dây quấn sơ cấp tính bằng V hay KV Nếu dây quấn sơ cấp có các đầu phân nhánh thì người ta ghi cả điện áp định mức của đầu phân nhánh

3 Điện áp dây thứ cấp định mức: U 3đm

Là điện áp dây của dây quấn thứ cấp máy biến áp không tải và điện

áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức Đơn vị là: KV, V

4 Dòng điện dây định mức sơ cấp: I1đm và thứ cấp I2đm

Là những dòng điện dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp định mức Đơn vị: A, KA

Thường máy biến áp điện lực có tần số công nghiệp f = 50Hz

Ngoài ra trên nhãm máy còn ghi những số liệu khác như: số pha, sơ

hay dài hạn phương pháp làm lạnh

Sau cùng hiểu rằng khái niệm “định mức” còn bao gồm cả tình trạng làm việc định mức của máy biến áp nữa mà có thể không ghi trên nhãn máy

trường xung quanh

1.4 SỬ DỤNG VẬT LIỆU TRONG CHẾ TẠO

Việc tìm kiếm một loại vật liệu mới là nhằm mục đích cải thiện các đặc tính cũ máy biến áp như giảm tổn thao năng lượng, kích thước, trọng lượng, tăng độ tin cậy của nó Khuynh hướng chung thường thay vật liệu quý hiếm bằng những vật liệu rẻ tiền và dễ tìm kiếm hơn như dùng dây nhôm thay dây đồng trong máy biến áp công suất nhỏ và trung bình là một

ví dụ

Vật liệu dùng trong máy biến áp thường là:

− Vật liệu tác dụng: dùng để dẫn điện như dây quấn, dẫn từ như lõi thép

− Vật liệu cách điện: dùng để cách điện giữa các cuộn dây hay giữa các cuộn đây với các bộ phận khác bằng các vật liệu như catong, chất cách điện, sứ, dầu biến áp…

− Vật liệu kết cấu: dùng để giữ bảo vệ máy biến áp như bulong, vỏ máy

Việc thay đổi vật liệu dùng đôi khi làm thay đổi quá trình công nghệ quan trọng hay những kết cấu cơ bản của máy biến áp Cho nên điều đó liên quan chặt chẽ đến tiến bộ của quá trình công nghệ

+ Vật liệu quan trọng trước tiên trong ngành chế tạo máy biến áp là tôn Silic hay còn gọi là thép kỹ thuật điện

+ Vật liêu tác dụng thứ hai là kim loại dây quấn Trong nhiều năm đồng vẫn là kim loại duy nhất dùng chế tạo dây quấn mà không có thay đổi

gì Vì như ta đã biết đồng có điện trở suất rất nhỏ, dẫn điện tốt, dễ gia công (hàn, quấn) bảo đảm độ bền cơ điện tốt Gần đây người ta có dùng nhôm thay thế đồng làm dây quấn Nhôm có ưu điểm là nhẹ, sẵn hơn, rẻ hơn, nhưng tất nhiên có nhược điểm là điện trở suất lớn hơn do đó dẫn điện kém hơn, độ bền cơ cũng kém hơn và lại rất khăn trong việc hàn nối Khi dùng nhôm thay đồng để đảm bảo được công suất tương đương thì thể tích nhôm tăng lên, giá thành các công việc về chế tạo dây quấn, chi phí về vật liệu cách điện, sơn tẩm… Tăng lên Những khoản đó tăng thì được bù lại bởi giá thành nhôm rẻ hơn Nên nói chung giá thành toàn bộ máy biến áp bằng nhôm và dây đồng thực tế không khác nhau là bao nhiêu

+ Vật liệu cách điện phần lớn các máy biến áp dùng dây quấn có cách điện bằng giấy cáp, thuộc cách điện cấp A có nhiệt độ giới hạn cho

dùng dây dẫn có cách điện cao hơn E, B, F… không có ý nghĩa lắm vì nhiệt

độ cho phép của dây quấn máy biến áp được quy định không chỉ ở cấp cách điện của vật liệu cách điện mà còn ở nhiệt độ cho phép của dầu ngâm dây quấn nữa Một loại cách điện hay dùng bọc dây nữa là men cách điện (emay) Song người ta cũng chỉ dùng đến cách điện cấp B mà ít khi dùng dây cách điện cao hơn nữa Vì một lý do nữa là nhiệt độ cho phép càng cao thì mật độ dòng điện chọn càng lớn thì tổn hao ngắn mạch tăng lên làm cho hiệu suất của máy giảm xuống đáng kể Để cách điện các bộ phận mang điện với bộ phận không mang điện của máy người ta dùng vật liệu cách điện Khi máy làm việc do tác động củ nhiệt độ, chấn động và các tác động

lý hoá khác cách điện sẽ bị lão hoá nghĩa là mất dần các tính bền về điện và

cơ Thực nghiệm cho biết khi nhiệt độ tăng quá nhiệt độ làm việc cho phép

8 – 100C thì tuổi thọ của vật liệu cách điện khoảng 15 – 20 năm Vì vậy khi

sử dụng máy điện tránh để máy quá tải làm nhiệt độ tăng cao trong một thời gian dài

Vật liệu kết cấu dùng để chế tọ các bộ phận và chi tiết truyền động hoặc kết cấu máy theo dạng cần thếit đảm bảo cho máy làm việc bình thường Người ta thường dùng gang thép các loại, hợp kim và các vật liệu bằng chất dẻo

1.5 CÁC KẾT CẤU CHÍNH CỦA MÁY BIẾN ÁP

Máy biến áp thường dùng các phần chính sau:

- Lõi sắt (hay còn gọi là mạch từ) và các kết cấu của nó, dây quấn, hệ thống làm lạnh và vỏ máy

1 Lõi sắt và kết cấu của nó

Lõi thép làm vật liệu dẫn từ cho từ thông trong máy biến áp Đồng thời làm khung để quấn dây Lõi sắt gồm các lá thép Silic ghép lại được ép bằng xà ép và bu lông tạo thành khung máy biến áp Trên đó còn bắt các

giá đỡ đầu dây dẫn ra nối với các sức xuyên hoặc các ty để nắp máy… ở các máy biến áp dầu toàn bộ lõi sắt có quấn dây và các dây dẫn ra được ngâm trong thùng đựng dầu máy biến áp gọi là ruột máy Các máy biến áp

cỡ nhỏ, ruột máy gắn với nắp máy có thể nhấc ra khỏi thùng dầu xúc rửa, lắp ráp, sửa chữa Với máy biến áp công suất 1000KVA trở lên vì ruột máy rất nặng nên được bắt cố định với đáy thùng và lúc lắp ráp sửa chữa thì phải nâng vỏ thùng lên khỏi đáy và ruột máy Lõi sắt gồm hai phần: trụ T

và gông G Trụ là phần lõi có lồng dây quấn, gông là phần lõi không có dây quấn dùng để khép mạch từ giữa các trụ

2 Dây quấn

Dây quấn máy biến áp là bộ phận dùng để thu năng lượng vào và truyền tải năng lượng đi Trong máy biến áp hai dây quấn có cuộn HA nối với lưới điện áp thấp và cuộn CA nối với lưới điện cao hơn Ở máy biến áp

có 3 dây quấn ngoài hai dây quấn CA và HA còn có dây quấn thứ 3 với điện áp trung bình gọi la TA Máy biến áp biến đổi hệ thống xoay chiều một pha gọi là máy biến áp một pha Máy biến áp biến đổi hệ thống dòng điện xoay chiều 3 pha gọi là máy biến áp 3 pha Máy biến áp ngâm trong dầu gọi là máy biến áp dầu Máy biến áp không ngâm trong dầu gọi là máy biến áp khô

3 Hệ thống làm lạnh và vỏ máy

Khi máy biến áp làm việc, lõi sắt và dây quấn đều có tổn hao năng lượng làm cho máy biến áp nóng lên Muốn máy biến áp làm việc được lâu dài phải tìm biện pháp giảm nhiệt độ của máy biến áp xuống tức là quá trình làm nguội máy biến áp Có thể làm nguội bằng không khí tự nhiên hoặc bằng dầu máy biến áp Máy biến áp dùng không khí để làm nguội gọi

là máy biến áp khô, máy biến áp dùng dầu để làm nguội gọi là máy biến áp dầu Hầu hết máy biến áp làm nguội bằng dầu bao quanh lõi thép và dây

quấn sẽ nóng lên và truyền nhiệt ra ngoài vách thùng nhờ hiện tượng đối lưu Nhiệt lượng từ vách thùng lại truyền ra không khí xung quanh bằng phương pháp đối lưu và bức xạ Nhờ vậy mà hiệu ứng làm lạnh được tăng lên cho phép tăng tải điện từ đối với thép và dây quấn, tăng được công suất

tăng cường làm nguội bằng sự đối lưu cưỡng bức bằng quạt gió Để đảm bảo dầu trong máy luôn luôn đầy trong quá trình làm việc trên máy biến áp

có 1 thùng dầu phụ hình trụ thường đặt nằm ngang với bình đầu chính bằng ống dẫn dầu Tuỳ theo nhiệt độ của máy biến áp mà dầu giãn nở tự do trong bình dầu phụ, không ảnh hưởng đến lượng dầu máy biến áp Vì vậy bình dầu phụ còn được gọi là bình dầu giãn nở

Trên nắp thùng còn các sứ để bắt các đầu dây dẫn ra nối với các dây quấn trong máy biến áp với lưới điện thiết bị đổi nói để chỉnh áp, thiết bị

đo nhiệt độ biến áp, móc treo… mặt khác dầu máy biến áp ngoài tác dụng làm lạnh con người là một chất cách điện tốt, nhưng nhược điểm là dầu máy biến áp đồng thời cũng là vật liệu dễ cháy nên sinh ra hoả hoạn Vì vậy trong nhiều trường hợp phải có thiết bị và biện pháp chống cháy thích hợp

1.6 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU VÀ NHIỆM VỤ

Để đảm bảo vê tính toán hợp lý tốn ít thời gian việc thiết kế máy biến áp sẽ lần lượt tiến hành theo thứ tự

1 Xác định các đại lượng cơ bản

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

− Xác định điện áp thử của các dây quấn

− Xác định các thành phần của được ngắn mạch

2 Tính toán các kích thước chủ yếu

− Chọn sơ đồ và kết cấu lõi sắt

− Chọn loại và mã hiệu tôn silic cách điện của chúng Chọn cường

độ từ cảm lõi sắt

− Chọn kết cấu và xác định các khoảng cách điện chút củ cuộn dây

− Tính toán sơ bộ máy biến áp chọn quan hệ của kích thước chủ yếu β theo trị số i0, P0, On, Pn đã cho

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

3 Tính toán dây quấn CA và HA

− Tính lực cơ bản của dây quấn khi máy biến áp bị ngắn mạch

5 Tính toán cuối cùng về hệ thống mạch từ và tham số không tải của máy biến áp

− Xác định kích thước cụ thể của lõi sắt

− Xác định tổn hao không tải

− Xác định dòng điện không tải và hiệu suất

6 Tính toán nhiệt và hệ thống làm nguội máy biến áp

− Quá trình truyền nhiệt trong máy biến áp

− Khái niệm hệ thống làm nguội máy biến áp

− Tiêu chuẩn về nhiệt độ chênh

− Tính toán nhiệt máy biến áp

− Tính toán gần đúng trọng lượng và thể tích bộ gián dầu

7 Tính toán và lựa chọn một số chỉ tiêu kết cấu

Phần này có trình bày cách tính và chọn một số chi tiết kết cấu quan trọng như bulong ép gông và một số đai ép trục, gông, vách nắp đáy thùng, bình dầu giãn nở, bộ phận tản nhiệt…

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU

II.1 XÁC ĐỊNH CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN

1 Dung lượng một pha

' ®m f

+ Đối với phía CA: U2f = U2 = 22.000 (V)

+ Đối với phía HA:

3 1

6 Điện áp thử nghiệm của các dây quấn

Ut1 = 5 [KV]

II.2 CHỌN CÁC SỐ LIỆU XUẤT PHÁT VÀ TÍNH CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU

7 Chiều rộng quy đổi của rãnh từ tản giữa dây quấn CA và HA

δ12 = 5 (mm): ống cách điện giữa cuộn CA và HA

d2 = 30 (mm): chiều dài đầu thừa

δ22 =3(mm): trụ và dây quấn HA

lo2 = 45 (mm): khoảng cách giữa dây quấn CA đến gông

10 Hệ số a r đối với một dãy công suất và diện rộng:

Nói chung thay đổi rất ít

K S '.103

Theo bảng 11 Phan Tử Thụ ta có:

Bt = 1,62T

Hệ số gang: Kg = 1,015 (theo bảng 6 Phan Tử Thụ)

Ép trụ bằng nêm với dây quấn, ép gông bằng xà ép, không dùng bulong xuyên qua trụ và gông Sử dụng lõi thép có 4 nối ghép nghiêng ở 4 góc của lõi, còn 2 nói ghép ở giữa dùng nối ghép thẳng lá tôn Làm như vậy

để giảm bớt tổn hao do tính dẫn từ không đẳng hướng

Phương pháp ghép hiện đại nhất hiện nay là ghép chéo góc cho tỏn thao trong mạch từ nhỏ nhấ Kết cấu mạch từ kiểu không gian như trên rất tiện cho sản xuất hàng loạt và công tác sửa chữa vì rất dễ cơ khí hoá, tự động hoa và dễ tháo dỡ, lắp ráp

Theo bảng 4 Phan Tử Thụ ta chọn số bậc thang trong trụ là 6, số bậc thang của gông lấy bằng 5 bậc

tấm sắt ép trụ

hai lượt sơn cách điện

5

2

43

5

Vậy hệ số lợi dụng: Kld = Kc Kd = 0,913 0,92 = 0,839

Từ cảm trong gông:

( )

t g g

qt = 1,645 (VA/kg)

qg = 1,526 (VA/kg) Suất từ hoá ở khe hở không khí

- Mối nối thẳng: P”K = 20480 (VA/m2)

- Mối nối nghiêng: P’K = 2800 (VA/m2)

14 Đường kính trụ của máy

d = A x Trong đó: A là hằng số

r r

4 4

B1 = 2,4 104 0,839 1,015 0,1633 (0,018 + 0,018) = 19,54 (Kg) Vậy: Gg = 188,08x3 + 19,54 x2

=

Thay vào:

Kt = 2: hệ số biểu thị số lượng góc nối có dạng nối thẳng

K

Q0 = 2,092 GT + 44,40G0 + 1,94Gg + 44,89G0 – 11,6G0 + 11872T’K + 43417 K’’

K

Mặt khác tiết diện trụ tính sơ bộ theo 2-28 Phan Tử Thụ

Tt = 0,785 Kld A3 X2 = 0,785 0,839 0,1632 X2 = 0,0174x2Diện tích khe hở ở mối nối thẳng

β 1,2 1,8 1,87 1,88 1,89 2,4 3,0 3,6

2 T

5

nr nx

U U n

24 Chiều cao sơ bộ của dây quấn

( )

12 2

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP

III.1 CÁC YÊU CẦU CHUNG

Có thể chia làm hai loại

1.Yêu cầu vận hành: Gồm điện cơ và nhiệt

a Yêu cầu về điện

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

b Yêu cầu về 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 Yêu cầu về nhiệt

Khi vận hành bình thường cũng như trong trường hợp ngắn mạch, trong thời gian nhất định dây quấn không được có nhiệt độ cao quá vì lúc

đó chất cách điện sẽ bị nóng mất tính đàn hồi, hoá dồn và mất tính cách điện Vì vậy khi thiết kế phải đảm bảo sao cho tuổi thọ của chất cách điện

là 15 đến 20 năm

2 Yêu cầu về chế tạo

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

* Như vậy yêu cầu đối với thiết kế là:

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

+ Phải chủ yếu đến kết cấu và chế tạo dây quấn sao cho thích hợp với trình độ kỹ thuật của xưởng sản xuất

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

* Quá tình thiết kế của ds có thể tiến hành theo 3 bước

+ Chọn kiểu và kết cấu dây quấn

+ Tính toán sắp xếp và bố trí dây quấn

+ Tính toán tính năng của máy biến áp

3 Các kiểu dây quấn máy biến áp

Theo cách quấn dây ta có thể chia dây quấn máy biến áp ra làm các kiểu chính sau đây:

Dây quấn hình ống dây dẫn chữ nhật;

Dây quấn hình ống dây dẫn tròn;

Dây quấn hình xoắn;

Dây quấn hình ốc liên tục

Người ta còn có thể phân biệt ra loại dây quấn một mạch (đơn) hay hai mạch (kép), có hoán vị hay không hoán vị,…

a Dây quấn hình ốngdây dẫn chữ nhật

Loại dây này quấn dùng dây tiết diện chữ nhật quấn thành hình trụ Nếu dòng điện lớn quá thì ghép nhiều sợi sốngng Lúc đó tốt nhất là dùng các sợi cùng kích thước ghép kề nhau theo hướng trục, không nên ghép kề

theo hướng kính để cho từ thông tản trong các sợi dây giống nhau và như vậy tổn hao về dòng điện xoáy trong chúng sẽ giống nhau và về mặt cơ khí ghép hướng trục cũng tốt hơn Mặt khác dùng một cỡ dây sẽ đỡ phức tạp cho việc đặt hàng Nếu phải dùgn dây có tiết diện khác nhau thì phải có một bề kề nhau bằng nhau để ghép (hình 3-19) Nói chung dây quán nẹp (theo cạnh lớn) sợi dây (hình3-20a), không nên quấn gân dựng (theo cạnh nhỏ) sợi dây (hình 3-20b) vì sẽ khó quấn hơn mà cũng làm cho các sợi dây

dễ bị nghiêng đi (hình 3-20c); tổn hao phụ do dòng điện xoáy tăng lên, tản nhiệt lại kém Có thể dùng cách quấn dựng khi tỷ lệ các cạnh của sợi dây ở trong phạm vi tỷ lệ sau: 1,3 < a/b < 3,0

Nếu quấn một lớp ta có kiểu dây quấn hình ống một lớp hay còn gọi

là ống đơn (hình 12a) Nếu quấn hai lớp ta có kiểu hình ống kép (hình 12b) Kểu hình ống kép thì hai lớp nối tiếp với nhau (quấn lớp trong từ trên

3-Hình 3-20: Các phương pháp quấn

dây a) quấn nẹp sợi; b) quấn gân dựng sợi

dây; c) quấn gân dựng nhưng không

đạt yêu cầu

Hình 3-21: Dây quấn hình ống, a) ống đơn 6 vòng; b) ống kép 12 vòng

1

2

2

3 1

1 1

1 2

a'

xuống sau đó lớp ngoài quấn ngược từ dưới lên như ở hiình 3-21b) Như vậy đầu dâylớp trong và đuôi lớp ngoài có điện áp bằng điện áp pha của dây quấn

Nếu Uđm dưới 100V thì cách điện giữa hai lớp rất đơn giản, hoặc dùng một rãnh dầu rộng 4 – 8 mm hoặc dùng một ống giấy cách điện là đủ Nếu điện áp từ 3 đến 6kV thì phải làm rãnh dầu có bìa cách điện ở giữa dày 2mm Nếu U > 6000V thì cách điện sẽ khó khăn hơn do đó không dùng kiểu dây quấn này cho các máy biến áp công suất từ 25 đến 630 kVA

Để có rãnh dầu thường dùng que nên cách điện bằng gỗ Không nên làm nhiều que nêm quá vì dầu sẽ khó lưu thông, cũng không nên ít quá vì ống dây dễ bị biến dạng thành hình đa giác Khoảng cách giữa các que nêm thường vào khoảng 150 – 120mm

Kiểu dây quấn hình ống đơn có nhược điểm là hai đầu không có gì giữ chặt nên dễ bị tung ra do đó thường chỉ dùng trong các máy biến áp nhỏ, công suất mỗi trụ từ 3 đến 10kVA Dây quấn hình ống kép ổn định về

cơ khí hơn và nói chung chế tạo cũng đơn giản nên được dùng phổ biến trong các máy biến áp công suất từ 630 kVA trở xuống điện áp dưới 6kV

Trong máy biến áp thì dây quấn hình ống đơn và kép chủ yếu làm cuộn HA

Gần đây người ta đã nghiên cứu và sử dụng có kết quả loại dây quấn nhiều ống nhiều lớp dây chữ nhật cho cả cuộn dây CA Kết cấu của loại dây quấn này chỉ khác với dây quấn hình ống đơn giản trên là ở chỗ nó gồm nhiều lớp và các sợi dây quấn này cũng không dùng kiểu quấn dựng các sợi dây quấn Chiều quấn dây ở các lớp cũng khác nhau, thường các lớp

lể quấn theo một chiều, các lớp chẵn quấn theo chiều khác Giữa các lớp có lót vài lớp giấy cáp làm cách điện lớp và đề phòng phóng điện giữa các lớp, cách điện lớp phải cao hơn dây quấn 30-50mm Mỗi lớp ở phía trên và dưới vẫn phải có những vành đệm phụ bằng cacton cách điện buộc chặt vào các

vòng trên và dưới của dây quấn (hình 3-22) Việc lót cách điện như vậy là rất cần thiết vì loại dây quấn này điện áp giữ vòng đầu của bất kỳ một lớp nào với vòng cuối cùng của lớp tiếp theo cũng chính là điện áp giữa hai lớp

có thể đạt đến 5000 đến 6000V, nếu điện áp làm việc của dây quấn là 35kV

Hình 3-22: Dây quấn ống nhiều lớp dây chữ nhật

1 Cách điện bằng giấy cáp; 2 Vành đệm phụ bằng cacton cách điện;

3 Nên dọc tạo rãnh làm lạnh

Để tăng bề mặt làm lạnh lớp dây quấn, thường toàn bộ dây quấn được làm một vài rãnh dọc trục giữa các lớp Chiều rộng rãnh thường vào khoảng 1/100 chiều cao của dây quấn

Dây quấn hình óng nhiều lớp tiết diện dây chữ nhật thường được làm dây quấn cao áp CA cho các máy biến áp dung lwongj từ 630 đến 40000 –

80000 kVA, điện áp 10 và 35 kV Kiểu dây quấn này ngày càng được sử dụng rộng rãi vì độ bền cơ học của nó khi ngắn mạch khá bảo đảm do kết cấu dây quấn gọn chặt Mặt khác nó còn cơ ưu điểm nữa là lấp đầy cửa sổ

mạch từ tốt hơn các dây quấn khác Rãnh dầu làm lạnh dọc trục cũng có hiệu quả truyền nhiệt tốt hơn các loại dây quấn có rãnh dầu hướng kính Độ bền về điện khi có quá điện áp cũng tốt hơn các loại dây quấn kiểu bánh dây Tuy nhiên nhiều loại dây quấn này có nhược điểm cơ bản là bề mặt làm lạnh bị giảm đi nhiều so với loại dây quấn bánh dây

Một biến thế mới của dây quấn hình ống nữa là dây quấn bằng các tấm nhôm hay đồng mỏng không bọc cách điện hay được dùng trong các máy biến áp đến 1000kVA, điện áp HA dưới 1kV Hình 3-23 là một ví tụ

về dây quấn hình ống nhiều lớp quấn từ các tấm nhôm Mỗi lớp là một vòng, chiều rộng của tấm nhôm bằng chiều cao của dây quấn Cách điện giữa các vòng dây thường là một hai lớp giấy tụ điện, giấy điện thoại hay giấy cáp cao hơn tấm dây quấn 16 đến 24 mm Dây quấn kiểu này có ưu điểm là dễ quấn nhưng kém chịu lực cơ lúc ngắn mạch Muốn có độ bền

cơ cao phải dùng nhôm

tấm đã ủ hay nhôm có

độ cứng cao như A6,

hay A5 Tuy nhiên, vì

tấm nhôm hay đồng

không bọc cách điện

nên kiểu dây quấn này

lại có ưu điểm là tản

nhiệt tốt hơn so với loại

dây quấn kiểu dây dẫn

phức tạp hơn khi điện áp càng cao, và vì lá nhôm hay đồng mỏng nên kẹp giữa các dây dẫn ra cũng khó khăn hơn Do đó kiểu dây quấn bằng kim loại tấm này thường dùng cho cuộn CA với điện áp không quá 10kV

b Dây quấn hình xoắn

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

Nếu chập các sợi thành một mạch quấn từ trên xuống dưới ta có kiểu dây quấn hình xoắn mạch đơn (hình 3-24a) Khi dòng điện lớn quá phải chập thành hai mạch để quấn, ta có kiểu dây quấn hình xoắn mạch kép (hình 3-24b)

Kiểu dây quấn này có số vòng ít, tiết diện lớn nên dùng làm dây quấn HA Ưu điẻm của nó là chịu được lực cơ học tốt, tản nhiệt tốt Nhưng nhược điểm là chiều dài các sợi dây ghép không bằng nhau nên điện trở khácnhau, từ thông tản không đều (càng xa trụ sắt từ thông tản càng nhỏ) nên điện kháng cũng khácnhau Mặt khác dòng điện phân bố không đều làm tăng tổn hao phụ Vì vậy các sợi dây chập quấn quanh trụ cần được hoán vị

Đối với dây quấn hình xoắn mạch đơn theo chiều dài dây quấn người

ta thường hoán vị tập trung ba chỗ (hình 3-25) gồm:

- Hai hoán vị phân bố tổ ở khoảng ẳ và 2/3 chiều cao cuộn dây

- Một hoán vị toàn bộ ở giữa đoạn dây

Tại chỗ hoán vị các sợi ghép chập phải đổi chỗ cho nhau (sợi ở ngoài vào trong, sợi ở trong ra ngoài…) vì thế cần phải có một khoảng để các sợi dây tránh nhau Như vậy chiều cao dây quấn tăng thêm một rãnh dầu và một bánh dây (hình 3-26) Nói chung để hoán vị được dễ dàng và dây quấn chắc chắn thì số sợi ghép chập không nên qúa 4

Hình 3-24: Dây quấn hình xoắn a) mạch đơn (6 vòng dây); b) Mạch kép (4

vòng dây)

Đối với dây quấn hình xoắn mạch kép người ta không dùng kiểu hoán vị tập trung tại 3 chỗ như vậy mà hoán vị phân bố đều, nghĩa là có bao nhiêu sợi dây chập thì có bấy nhiêu lần hoán vị và phân bố vị trí hoán

vị trên toàn chiều cao dây quấn (hình 3-27) Vì nhờ có hai mạch chạy song song nhau nên chỗ hoán vị không cần phải “tránh” nhau mà có thể đổi lẫn

vị trí các sợi dây dễ dàng, do đó việc hoán vị không ảnh hưởng tới chiều cao dây quấn (hình 3-28)

Dây quấn hình xoắn thích dụng cho các cuộn HA điện áp từ 0,230 đến 35kV với các máy biến áp có công suất từ 160 đến 1000kVA

c Dây quấn hình ống nhiều lớp

a)

b)TiÕt diÖnmét vßng

Dây dẫn dùng là dây tròn quấn thành hình trụ nhiều lớp (lớn hơn 2), đồng tâm Vì số vòng dây trong một lớp nhiều nên điện áp giữa các lớp cao

do đó cách điện của dây dẫn không đảm bảo, do vậy phải thêm cách điện giữa các lớp Thường dùng vài lớp giấy cáp để cách điện là đủ (đối với điện

áp 10kV, dùng 3 lớp dày 3 x 0,12mm; đối với điện áp 6kV dùng hai lớp dày 2 x 0,16 mm) Để đề phòng phóng điện bề mặt, chiều cao cách điện giữa các lớp phải cao hơn chều cao của dây quấn từ 20 đến 50 mm (cả hai phía) và được quấn thêm những gờ bằng bìa cách điện Nếu số lớp nhiều quá thì việc tản nhiệt sẽ khó khăn do đó cần phải có rãnh dầu dọc ở giữa khi làm dây quấn HA ở trong, rãnh dầu có thể ở giữa dây quấn, còn khi làm dây quấn CA ở ngoài, rãnh đều thường bố trí vào quãng 1/3 đến 1/5 chiều dày cuộn dây tính từ trong ra ngoài

Hình 3-30: Cách điện phần dầu của dây quấn hình ống nhiều lớp

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

đã tương đối đều đặn

Việc rút đầu dây phân áp cũng dễ dàng mà không cần cắt hàn đầu dây

Kiểu dây quấn này có điện dung hướn trục lớn, do đó hệ số

q

d

C

C

ngang của dây quấn) nhỏ nên chống sét tốt Mặt khác kết cấu đơn giản, quá trình chế tạo cũng dễ Nhược điểm là chịu lực co giới kém và tản nhiẹt có phần khó khăn

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

Hình 3-30: Cách điện phần dầu của dây quấn hình ống nhiều lớp

Ngoài ra còn có một kiểu

gần giống kiểu ống nhiều lớp dây

tròn nữa gọi là dây quấn hình ống

nhiều lớp phân đoạn, ở đây cũng

làm bằng dây tròn Việc phân

đoạn thành nhiều bánh dây như

vậy (thường là từng đôi một) sẽ

giảm được điện áp giữa các lớp

cạnh nhau trong từng bánh dây,

nhờ đó có thể cải thiện vấn đề

cách điện giữa các lớp Mặt khác

việc làm nguội cuộn dây cũng dễ

dàng hơn Nhược điểm của dây

171819

20 13141516

1211109

5678

4321