Thiết kế một máy biến áp điện lực ngâm dầu công suất 1600kVA

Đáp ứng nh cầu điện khí hóa toàn quốc, đưa điện đến mọi nơi với chất lượng điện tốt nhất

Lời nói đầu

Ngày nay, với sự phát triển của nền công nghiệp nớc nhà Nghành sảnxuất điện lực có vai trò vô cùng quan trọng, bởi vì điện không chỉ đi vào sảnxuất công nghiệp mà còn đi vào hầu hết các lĩnh vực khác nữa của xã hội

Để đáp ứng nhu cầu điện khí hoá toàn quốc, đa điện đến mọi nơi vớichất lợng điện tốt nhất thì việc sử dụng các máy biến áp điện lực có chất lợngtốt là rất cần thiết

Ngày nay, chúng ta đang có khả năng rất lớn có thể tự sản xuất đợccác máy biến điện áp có công suất vừa và lớn Chất lợng sản phẩm cao, đạttiêu chuẩn trong nớc và quốc tế

Để có đợc những sản phẩm nh vậy, trớc hết cần phải có sự chuẩn bị tốtnhất ở khâu thiết kế sản phẩm Khẳng định thiết kế là khâu trọng yếu, quyết

định tới chất lợng sản phẩm.Vì vậy, đòi hỏi ngời thiết kế ngày càng phải cótrình độ cao hơn, có nhiều kiến thức chuyên môn và kiến thức thực tế vềcông nghệ chế tạo

Nhiệm vụ của tập đồ án này là thiết kế một máy biến áp điện lực

ngâm dầu công suất 1600 kVA.

Vì trình độ, kinh nghiệm và thời gian có hạn, trong bài thiết kế nàychắc không tránh khỏi thiếu sót Kính mong thầy giáo chỉ bảo , giúp đỡ để

em hoàn thành bài đồ án đợc tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TriệuViệt Linh đã hớng dẫn, chỉbảo, giúp đỡ em hoàn thành bài đồ án này

S

trong (1-1) và (1-2): m - số pha, m=3 ;còn t – số trụ, t = 3;

S – công suất máy biến áp, S = 1600 kVA3.Dòng điện dây định mức:

35000 3

10 1600

10 1600

Dòng điện pha phía cao áp : I1f = I1= 26,4 (A)

Dòng điện pha phía hạ áp : I2f = I2= 2310 (A)

5.Điện áp pha : Do các cuộn dây nối Y/yo nên điện áp pha có trị số nh sau:

Điện áp pha phía cao áp : U1f = U1/ 3=35/ 3=20,207 (kV) (1-5) Điện áp pha phía hạ áp : U2f = U2/ 3=0,4/ 3=0,231 (kV) (1-6)6.Thành phần điện áp ngắn mạch :

Thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng :

1600 10

16000

10 10

.

10 100

m

I m U

r

f

f ù

n f

(1-7) Thành phần điện áp ngắn mạch phản kháng :

% 2

điện áp thử phía cao áp: Uth1=80kV; còn bên phía hạ áp: Uth2 = 5kV

II.Thiết kế sơ bộ lõi sắt và tính toán các kích thớc chủ yếu của máy biến

áp.

8.Lõi sắt :

ở đây ta chọn lõi sắt kiểu trụ,tiết diện ngang có dạng bậc thang đốixứng nội tiếp đờng tròn có đờng kính là đờng kính lõi sắt

Phan Tử Thụ) ta chọn cách ép trụ bằng băng đai , ép gông bằng sắt góc Sửdụng lõi thép có 4 mối ghép xiên ở 4 góc của lõi còn 3 mối nối giữa dùng mối

diện trụ )

Dựa vào Bảng 4 TL1, chọn số bậc thang trong trụ là 8 Hệ số chêm kín

k c = 0,93

9.Chọn tôn silic, cách điện của chúng và cờng độ từ cảm trong trụ và gông:

Theo Bảng 8 TL1, chọn loại tôn silic cán lạnh M4X , dày 0,28 mm Chọn từ cảm trong trụ Bt =1,62T

Hệ số lợi dụng lõi sắt : kld = kc.kd = 0,93.0,928 = 0,86

Suất tổn hao ở trụ và gông : pt =1,132 (w/kg) ; pg = 1,040 (w/kg)

Chọn dùng sơn cách điện loại 302 của Nga, vì loại sơn này phù hợp với

đặc điểm khí hậu ở nớc ta.Lớp phủ dày 0,02mm

10.Chiều rộng qui đổi của rãnh từ tản giữa dây quấn cao áp và hạ áp:

Căn cứ vào giá trị điện áp thử CA Uth1=80kV, theo bảng 19 (tài liệu [1]), ta có:

a12= 2,7mm ; 12= 5mm a ; a22 =30mm; l02  75mm

Trong rãnh a12 đặt ống cách điện dày 12

Trong công thức (a1 + a2)/3 = k.4 S'.10-2 , hệ số k đợc tra theo bảng 12 (tàiliệu [1])hoặc bảng 13.1 tài liệu [2] đợc k=0,52.Suy ra:

(a1+a2)/3 = k.4 S'.10-2 = 0,52.4 533 , 3  2 , 5 (cm) Suy ra : ar = a12 + (a1 + a2)/3 = 27+25=52(mm)

11Tính toán các kích thớc chủ yếu của máy biến áp:

*)Trớc tiên ta xác định sơ đồ các kích thớc chủ yếu của máy biến áp nhhình vẽ 2 Các kích thớc chủ yếu của máy biến áp đó là : đờng kính trụ của lõisắt d,chiều cao dây quấn l và đờng kính trung bình của dây quấn cao áp và hạ

áp d12

Sau khi xác định đợc các kích thớc chủ yếu thì hình dạng,thể tích vàcác kích thớc nh chiều cao trụ sắt, khoảng cách C giữa các trụ cũng đợc xác

định

Trong tính toán máy biến áp, thờng dùng một tham số trung gian  gọi

là tỷ số kích thớc cơ bản.Thực chất  là tỷ số giữa chiều dài trung bình mộtvòng dây của hai dây quấn cao áp (CA) và hạ áp (HA) với chiều cao của dâyquấn đó  đợc tính theo công thức :  = d12/ l = ltb12/ l Tham số  có ảnh h-ởng rất lớn

Hình 2.Sơ đồ các kích thớc chủ yếu của máy biến áp

tới các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật của máy biến áp :

Về mặt kinh tế: với các máy biến áp có cùng công suất, điện áp , tham

số kỹ thuật thì khi  nhỏ, d12 sẽ giảm, I tăng, máy gầy và cao, trọng lợng sắtgiảm, trọng lợng đồng tăng Nếu  lớn máy sẽ béo và lùn, trọng lợng sắt tăng,trọng lợng đồng giảm Hệ số  còn ảnh hởng tới các vật liệu kết cấu và do đó

ảno hởng đến giá thành của máy

Về mặt kỹ thuật: khi  tăng, đờng kính trụ lõi sắt tăng, trọng lợng sắttăng, tổn hao sắt tăng kéo theo dòng điện không tải tăng, trọng lợng đồng thấpnên tổn hao đồng thấp Ngợc lại, khi  giảm, trọng lợng sắt giảm nhng trọng l-ợng đồng tăng, nếu giữ mật độ dòng điện không đổi thì tổn hao đồng sẽ tăng



l U

k a d w I f u

v

r r nx



,%

6

10 9 ,



v

r r

U

k a w I

,% (1-9)trong đó : I - dòng điện pha, A

w – số vòng dây mỗi pha

 - tỷ số kích thớc cơ bản

ar = a12+ (a1+ a2)/3 – một khoảng cách phụ thuộc vào kích

kr – hệ số Rogovski qui từ trờng tản thực tế về từ trờng lý ởng Lấy kr = 0,95

Uv = 4,44.f.Bt.St - điện áp một vòng dây, V

f – tần số điện công nghiệp, f =50 Hz

St = kld.d 2/4 – tiết diện tác dụng của trụ, m2

kld – hệ số lợi dụng lõi sắt

'.

507 ,

0

ld t nx

r r

k B u f

k a S

trong đó : S’ = U.I.10-3 - công suất mỗi trụ của máy biến áp, kVA

Trong công thức (1-10 ta thấy có 3 nhóm đại lợng :

 Những đại lợng cho trớc hoặc do tiêu chuẩn đề ra: S’, f, unx

 Những đại lợng phải chọn trong quá trình tính toán: Bt , kld, 

 Những đại lợng đợc xác định trong quá trình tính toán: ar , kr

Ta thấy cả 3 nhóm đại lợng trên đều đã đợc xác định trong các mục trớc Nhvậy trong công thức (1-10có thể coi d là hàm số của , và có thể viết :

trong đó :

86 , 0 62 , 1 916 , 5 50

95 , 0 2 , 5 3 , 533

16

.

'.

4

2 2 4

2

ld t nx

r r

k B u f

k a S

(1-12)

*)Tiếp theo ta xác định trị số  tối u theo chỉ tiêu kinh tế và kĩ thuật:

lo – khoảng cách từ dây quấn đến gông.Tra phụ lụcXIV([2]), chọn lo = 75m

d12-đờng kính trung bình của hai cuộn dây CA và HA.Thờng thì d12 tỷ lệ với d nên ta có : d12 = a.d Trong đó hệ số a đợc chọn sơ bộtheo bảng 13([1]) : đối với dây quấn đồng a= 1,3  1,42 chọn a = 1,4.Với dâyquấn nhôm thì a lớn hơn của đồng 1,06 lần

Khi đó công thức (1-11) đợc viết nh sau:

A1 = 5,66.10-2.a.A3.kld = 5,66.10-2.1,4.23,43.0,86 = 873,2 (kg)

A2 =3,6.10-2.A2.kld.lo =3,6.10-2.23,42.0,86.7,5= 127,1 (kg)

Gg = B1.x3 + B2.x2 , kg (1-15)Trong đó : B1 ,B2 là các hệ số:

2 2

2

4 , 23 1 62 , 1 86 , 0 91 , 0

4 , 1 1600

10 46 , 2

.

.



A u B k k

a S K

nr t ld f

hay C1 = 797,6 kg

trong đó: đối với dây đồng Kdq= 2,46.10- 2

Ctd = cFe.(Gt +Gg ) + cdq.k.Gdq (1-20)

Trong đó :

cFe ,cdq tơng ứng là giá 1kg sắt làm lõi và 1 kg kim loại làm dây quấn Còn

k là hệ số tăng trọng lợng của dây quấn do cách điện, đối với dây đồng k=1,02

Thông thờng để dễ so sánh các phơng án, ngời ta biểu diễn giá thành theo đơn

vị qui ớc với cách chọn giá thành 1 kg sắt làm đơn vị, nh vậy giá thành vật liệutác dụng của máy biến áp sẽ là:

2

3

2

; 516 , 0 564 3

2 , 873

A

C

FECU

21 , 2 06 , 1 21 , 2 564

Giải phơng trình trên ta tim đợc giá trị Xmin=1,1877 min Xmin4  1 , 99

Po = k’f.(pt.Gt + pg.Gg ) ,W (1-22)

Trong đó :

pt , pg là suất tổn hao trong trụ và gông, w/kg

k’f là hệ số phụ, chủ yếu kể đến các đặc điểm làm lõi sắt

ở đây lấy k’f = 1,25 với tôn cán lạnh

Qo = k”f.( Qc + Qf +Q) ,VA (1-23)Trong đó :

k”f là hệ số kể đến sự phục hồi từ tính không hoàn toàn khi ủ lại lá tôncũng nh sự uốn nắn và ép lõi sắt, lấy k”f=1,25

Qc là công suất tổn hao chung của trụ và gông:

Qk là suất từ hoá ở khe hở đối với Bt,(VA/m2)

Sk là diện tích tiết diện tác dụng ở khe nối.Nếu nối thẳng thì :

 , % (1-30)

J=

dq Cu

n f

G K

P k

.

.

, A/mm2 (1-31)trong đó : KCu = 2,4

độ dòng điện tính ra theo công thức (1-31phải bé hơn trị số cho phép, nếukhông thì phải chon lại dây quấn

Từ các công thức đã lập ở trên ta tiến hành tính toán tìm trị số *, kết quả tínhtoán cho trong bảng sau:

d=27,1040(cm) đến 29,1252 Trong khoảng đó tất cả các tham số đều thoảmãn yêu cầu

1040 , 27

28 8 , 1

4 4

Đờng kính trụ sắt d = a.A.x 1 , 4 23 , 4 4 2 , 05  39 , 21 cm

Tiết diện trụ lõi sắt St=369,7 x2=529,3(cm2)

05 , 2

2 , 39 12

Khoảng cách giữa các trụ lõi sắt

75 , 52 0 , 3 28 28 , 0 7 , 2 21 , 39 22

12

d a b d a

Khối lợng dây quấn G dq=557,068(kg)

Khối lợng sắt G fe  1972 , 06 (kg)

Kiểm tra các điều kiện kĩ thuật :

 Mật độ dòng điện trong dây quấn: J=

068 , 557 4 , 2

16000 91 , 0

.



dq Cu

n f

G K

P k

Đ2.Tính toán dây quấn máy biến áp

I.Tính toán dây quấn hạ áp :

1.Số vòng dây một pha của dây quấn HA:

25 , 19

44 ,

v

S f

u

(T)4.Mật độ dòng điện trung bình đối với dây đồng :

21 , 39 1600

25 , 19 16000

91 , 0 746 , 0 10

746 ,

u P

5.Tiết diện vòng dây sơ bộ: S1’ =If1/Jtb =2310/3,44  672 mm2

6.Chọn dây,cách điện

chin theo chu vi dây quấn là 12 ,Chiều rộng tấm đêm là 4 cm

25 , 5 13

75 , 4 5 , 12

1 , 60 1

9.Tiết diện một vòng dây: S1 = nv1.Sđ1 =12.58,52=702,24 (mm2)

10.Mật độ dòng điện thực trong dây quấn HA:

J1 = I1f/S1 = 2310/702,24 = 3,29 (A/mm2)

11.Chiều cao tính toán của dây quấn HA:

Bố trí 14 rãnh dầu ngang ở giữa dây quấn rộng 1,2 (cm) ;Các rãnh cònlaị rộng 1(cm);

w h k w

D1tb= D1’+ D1”=(31+37,3)/2 = 34,15 (cm)

II.Tính dây quấn cao áp (CA):

1.Số vòng dây của dây quấn cao áp với điện áp định mức:

w2đm = w1 1050

231

20207 12

là 26,4(A)

100

10 35000

% 10

U

2.Số vòng dây của một cấp điều chỉnh:

Theo bài ra ta cần có 4 cấp điều chỉnh 22,5%,do đó:

4 , 26

' 2

9 , 6 1 , 2

4 , 6 6 , 1

7.Chiều dày cách điện giữa các bánh dây theo chiều hớng trục:

Hai bánh dây trên và dới của mỗi pha tăng cờng cách điện 6 mm

Chọn chiều dày cách điện giữa các lớp : 2 0,5 mm, tức là dùng 2 tấmcách điện có chiều dày mỗi tấm là 0,5 mm ghép lại Vật liệu cách điện làmbằng giấy điện thoại

Chiều dày cách điện giữa các bánh dây theo chiều hớng trục:

Chiều cao 1 bánh dây 0,69(cm)=b

625 , 8

4 ,

r

h b

h l

) (

2 2

1 , 0 5 , 0 69 , 0 2

) 5 , 0 2 , 60 (

48 bánh cơ bản Mỗi bánh 20 vòng

8 bánh điều chỉnh điện áp Mỗi bánh 13,5 vòng

4 bánh cách điện tăng cờng Mỗi bánh 9 vòng

( 3 , 0 );

3 );

( 5 , 5 );

1 

9 , 6 1 ,

2 

4 , 6 6 ,

1 

9 , 6 1 ,

2 

4 , 6 6 ,

1 

9 , 6 1 ,

2 

4 , 6 6 ,

1 

9 , 6 1 ,

h

c®

=

Đ3.Tính toán ngắn mạch

I.Xác định tổn hao ngắn mạch:

1.Trọng lợng đồng của dây quấn HA:

Gcu1 = 28.C.D1tb.w1.S1 = 28.3.34,15.12.702,2410.10  5= 240,67 (kg)Trong đó:

.

1

2.Trọng lợng đồng của dây quấn CA:

Gcu2=Gcu2bánhC+ Gcu2bánhĐ+ Gcu2bánhT

4.Tổn hao phụ trong dây quấn:

Tổn hao phụ thờng đợc tính gộp cùng với tổn hao đồng bằng cách thêm vào tổn hao đồng một hệ số tổn hao kf

số kf đợc tính theo công thức sau:

kf = 1+ 0,095.2.a4.n2 = = 1+ 0,095.0,224.0,4754.62 = 1,039

m=60 Suy ra: Pcu2+ Pf2 = kf2.Pcu2 = 1,01.8686 = 8772,86 w

5.Tổn hao chính trong dây dẫn ra:

+)Trọng lợng đồng của dây quấn:

-dây quấn HA: Gr1 = lr1.Sr1. =lr.S1.cu = 451,5.702,24.8900.10-8 = 28,2kg -dây quấn CA: Gr2 = lr2.Sr2. =lr.S2.cu = 451,5.8,265.10-8.8900 = 0,332 kg+)Tổn hao trong dây dẫn ra:

-dây quấn HA:

Pr1 = 2,4.J1 Gr1 = 2,4.10-12.3,292.28,2 = 732,6 w

-dây quấn CA:

Pr2 = 2,4.J2 Gr2 = 2,4.3,192.0,332 = 8,1 w

Tổng : Pr =Pr1 + Pr2 = 732,6 + 8,1 = 740,7 w

6.Tổn hao trong vách thùng và các chi tiết kim loại khác:

Trong đó:

Tra bảng 40 TL 1, đợc : k =0,0257.Tổn hao ngắn mạch toàn phần:

Pn = (Pcu+ Pf )+ Pr + Pt = 6495,8+8772,86 + 740,7 + 400 = 16409 w Sai số với Pn tiêu chuẩn(Pn=16000w) là 2,56%,tức là chấp nhận đợc

P P n  0 , 05 (P cu2.K f2)  16409  0 , 05 8686 1 , 01  15970

1600 10

15970

unx=

04 , 6 10 25

, 19

03 , 1 947 , 0 15 , 5 11 , 2 3 , 533 50 92 , 7

u

k k a S

%trong đó:

9 , 46 15

, 34 2 , 60 2

2 , 4 15 , 3 7 , 2

2 1



l

a a a

uv = 19,25 V-điện áp một vòng dây

Suy ra: điện áp ngắn mạch toàn phần: un = u nr2 u2nx  0 , 999 2  6 , 04 2  6 , 12%

đạt yêu cầu

III.Tính toán lực cơ học của máy biến áp:

1.Trị số hiệu dụng của dòng điện ngắn mạch xác lập:

12 , 6

4 , 26 100

i2max= 2.I2n.(1+e nr nx

u u

4.ứng suất do lực hớng kính gây nên(ứng suất nén):

+)ứng suất nén trong dây quấn HA:

6

1 1

6

/ 94 , 12 38

2 , 87

10 42875

10

m MN w

6

2 2

6

/ 37 , 11 2090 10 77 , 1

10 42875

10

m MN w

15 , 5 1288325

Ft” = Fr.

135449 4

947 , 0 9 , 22

12 , 9

1288325

Suy ra ứng suất nén lên các miếng đệm:

040 , 0 0315 , 0 12

10 190556

F n

(MPa) < 18 20MPa vậy ứng suất này nằm trong giới hạn cho phép

Đ4.Tính toán cuối cùng hệ thống mạch từ và tính

toán tham số không tải của máy biến áp

I.Tính toán kích thớc cụ thể của lõi sắt:

1.Xác định kích thớc các tấm lá thép:

Chọn kết cấu lõi thép kiểu 3 pha 3 trụ, lá thép xen kẽ làm bằng tôn cánlạnh M4X dày 0,28 mm, có 4 mối nối nghiêng ở 4 góc,3 mối nối thẳng góc ,trụ ép bằng đai thuỷ tinh, không có tấm sắt đệm Gông ép thép góc ép lại

Theo bảng 41b, với trụ có đờng kính d = 28 cm tra đợc:

3.Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ:

Theo b¶ng 19 TL 1, suy ra: lo’ = lo” = lo2 = 7,5 cm

7.Kho¶ng c¸ch 2 trô s¾t c¹nh nhau:

II.Tính tổn hao không tải, dòng điện không tải và hiệu suất của máy biến

10 25 , 19

44 , 4

9 , 530 633 ,

Sk = 2.St = 2.530,9 (cm2) = 750,8 (cm2)

Bk = Bt/ 2 = 1,633/ 2 = 1,15 T2.Tra bảng 45 với tôn mã hiệu M4X, dày 0,28 mm, ta đợc các suất tổn hao sắttơng ứng:

kf1’: hệ số tổn hao phụ Tra bảng 48 TL 1 lá tôn có ủ kf1’=1,13

kP0 : hệ số tổn hao phụ ở các góc nối của mạch từ Tra bảng 46 TL1 kP0=9,36

kn :số lợng góc nối nghiêng kn=4

Po = 1,13.1,132.(960+95.9,36/2)+1,13.1,040(1106,7-6.95+95.9,36/2)=2949,8 (w)

Vậy Po= 2949,8 w > [Po] = 2700 w

Sai số Po= 100%(2949,8-700)/2700=9,25%<17,5% , đạt yêu cầu

Sai số này hơi lớn Để hiệu chỉnh công suất không tải ta có thể chọn vật liệu tôn có suất tổn hao thấp hoặc lá tôn mỏng hơn hoặc thay đổi kiểu khe hở không khí

4.Theo bảng 51 TL 1, tìm suất từ hoá:

với Bt = 1,633T  qt = 2,08 VA/kg ; qkt = 22400 VA/m2 =2,24VA/

Với tôn cán lạnh M4X ,dày 0,28 mm ,có ủ và công suất đến 1600 KVAlấy :

2 

.1,25.42,45.95]

+ ( 0 , 19  4  2  530 , 9  2 , 24  1  530 , 9  1 , 62  2  549 , 7 ) }.1,07 (VA)

6.Dòng không tải:

1600 10

8 , 2949

17162

Sai số so với iochuẩn=1% là 8% < 15% nên chấp nhận đợc

7.Hiệu suất của máy biến áp khi tải định mức:

 %=

(1-n o dm

n o

P P P

P P

, 2949 1600000

16409 8

, 2949

Đ5.Tính toán nhiệt của máy biến áp.

I.Tính toán nhiệt của dây quấn:

1.Nhiệt độ chênh trong lòng dây quấn hay lõi sắt với mặt ngoài của nó:

 Dây quấn HA: Do ta đã chọn dây quấn HA là dây quấn có tiết diện hìnhchữ nhật, nên ta có công thức tính nhiệt độ chênh o là:

cd

q

 , oCtrong đó:  - Chiều dầy cách điện 1 phía,  = 0,025 cm

cđ - Suất dẫn nhiệt của lớp cách điện của dây dẫn, w/moC

, 1 5 , 0 2310 29 , 3 ) 15 , 3 25 , 1 (

75 , 0

07 , 1

.

kf = 1,039

.w b: số vòng dây 1 bánh dây Với dây xoắn ốc kép lấy .w b =0,5

0017 , 0

10 025 , 0

cd = 0,0017 (

C m

2 (

14 , 2

2 ' 2 2





a b k

k w I J q

t

f dc

025 , 0





,0C

Dây quấn HA: od1 = k1 k2. k3 0,35 q10,6

k1=1,0 đối với làm lạnh bằng dầu

k2=1,1 đối với dây quấn HA