Thiết kếmáy biến áp một pha

Thiết kếmáy biến áp một pha

CHƯƠNG 1: TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ CƠ BẢN

2.1 Tính dòng điện cao áp và hạ áp của máy biến áp một pha

+ Phía cao áp :

)

(273,210.22

10.5010

.10

3 3

2

3 3

U

S U

S I

220

10.5010

.10

1

3 3

U

S U

S I

S : công suất biểu kiến của máy biến áp một pha (kVA)

U2 : điện áp định mức của máy biến áp một pha phía cao áp (kV)

U1 : điện áp định mức của máy biến áp một pha phía hạ áp (kV)

2.2 Điện áp thử nghiệm của dây quấn theo TCVN

+ dây quấn cao áp với UCA = 22 kV thì Ut = 50 kV

+ dây quấn hạ áp với UHA = 0,22 kV thì Ut = 5 kV

Các kích thước chủ yêú :

d d

a

a a

H×nh 2.1 C¸c kÝch th−íc chñ yÕu cña m¸y

biÕn ¸p mét pha hai d©y quÊn.

l0

2 12

1

12

+ a12: Khoảng cách điện giữa cao áp và hạ áp

+ a2: Bề dầy cuộn cao áp

Chiều rộng quy đổi của rãnh từ trường tản giữa cao áp và hạ áp , với Uth2 =

50 kV, theo bảng 19 sách thiết kế máy biến áp − Phan Tử Thụ, ta chọn:

a12 = 20 mm

δ12 = 5 mm : chiều dày ống cách điện giữa hạ áp với trụ sắt

3 Tính chiều rộng quy đổi từ trường tản

12 1 3 2

a a a

a r = + +

Trong đó:

ar: Là chiều rộng quy đổi từ trương tản(mm)

a1,a2: Là bề dầy cuộn hạ áp và cao áp

850

=

dm

n nr

s

P U

+ Thành phần điện áp ngắn mạch phản tác dụng :

U nx = U2n +U2r = 52 −1,72 =4,71%

6 Các thông số mạch từ máy biến áp một pha

+ Mạch từ máy biến áp một pha thiết kế dạng chữ E với dây quấn kiểu trụ quấn giữa trụ, mạch từ có mối ghép chéo ở góc , ghép thẳng với trụ giữa Trụ dùng băng đai, gông dùng sắt ép lại, lõi thép dùng thép cán nguội đẳng huớng 3406 dày 0,35 mm

g g

- Từ cảm ở khe hở không khí với mối nối thẳng: Bk = BT = 1,62 T

- Từ cảm ở khe hở không khí với mối nối xiên: BK’’ = 1,62/ 2 = 1,46

7 Các thông số tổn hao của mã hiệu thép

Theo bảng 44-4 đặc tính mã hiệu thép 3404, dày 0,35 mm sách thiết kế máy biến áp ta có

+ Tổn hao trong thép: PFeT = 1,358w/kg; PFeG = 1,251w/kg

+ Tổn hao trong trụ: QT = 1,956 VA/ kg; trong gông QG = 1,575VA/ kg, trong khe hở vuông góc qK’’ = 0,61VA/ cm2, khe hở chéo qK’’= 0,0956VA/

cm2

8 các thông số khác

+ Theo bảng 13.7 sách thiết kế máy điện – Nguyễn Hồng Thanh, hệ số tổn hao phụ chọn Kf =0,91 khi ngắn mạch và bảng 13.5 cho hằng số đối với dây đồng là: a = 1,3; b = 0,4

a = d12/d: tỷ số giữa tri số trung bình giữa hai dây quấn và đường kính trụ sắt d

b = 2 a2/ d: tỷ số giữa bề dày cao áp và đường kính trụ sắt

+ Hệ số hình dáng máy biến áp β

8,32,1 12

507,0

ld t nx

r K B U f

Kr a S

A=

Trong đó:

S = 50 kVA: công suất định mức máy biến áp một pha

ar: chiều rộng quy đổi từ trường tản

Kr = 0.95 : hệ số quy đổi từ trường tản

f = 50 hZ: Tần số dòng điện;

Unx = 4.7% - thành phần điện áp ngắn mạch phản kháng

Bt = 1.62T : mật độ từ cảm trong trụ

Kld = 0,86: hệ số lợi dụng lõi sắt

2.Trọng lượng trụ sắt

2 2 1

0344,0.50

507.0K.B.U.f

Kr.a.S.507,0

2 ld 2 t nx

T ' g '' g

C C

G'' g /4

G' g /2 e.d

'

g 2S 2.c

Trong đó:

C = 0,5.d12+0.25d+0,5a12+ a2+a22: chiều rộng cửa sổ mạch từ

d12: đường kính trung bình của hai dây quấn hạ áp và cao áp

a12: khoảng cách giữa cuộn hạ áp và cao áp

a2: bề rộng cuộn cao áp

a22: khoảng cách cuộn cao áp đến gông

+ Trọng lượng sắt gông ở bộ phận thứ hai:

Fe g

Fe g

G T

0 1,125(1,348.G 1,251.G ) 1,7.G 1,563.G

5 Công suất phản kháng

G G T T

C q G q G 1,956.G 1,575.G

+Q : công suất từ hoá phụ đối với mối nối thẳng f

g g

xC

G =

1211,0.7,1.62,1.86,0.91,0

3,1.50

10.46,2A.U.B.K.k

a.S

K

2 2

2 nr T 2 ld μ

2 dq

Cu CuFe Fe

Q

ox =

9 Theo lực điện động tác dụng lên dây quấn:

+Lực điện động tác dụng lên dây quấn được tính như sau:

(i W) K 10 (N)

.628,0

P.k.k.k.10.66,

0

r f 2 n 6

C¸c quan hÖ a) träng l−îng lâi s¾t, d©y quÊn; b) Gi¸ thμnh vËt liÖu t¸c dông

Lập bảng tính các đại lượng với β = 1,2÷3,0

= d12

Từ bảng lập trên ta thấy được rằng, giá thành chi phí vật liệu tác dụng thấp nhất trong khoảng 1,6≤β≤1,8, trong khoảng đó tất cả các tham số đều

3.Chiều dày cuộn hạ áp: l = 0,3472(m)

4.Tiết diện lõi sắt :ST = 0,0125 (m2)

5.Chiều dài trụ lõi sắt: lT = l +2.l0 = 0,3971 (m)

6.Khoảng cách giữa các trụ lõi sắt: C = 0,2182 (m)≈220mm

7.điện áp một vòng dây: UV = 4,44.f.BT.ST = 4,9664(V)

8.Trọng lượng trụ sắt: GFe= 190,768 (kg)

9.Trọng lượng đồng: GCu = 37,7337 (kg)

10.Mật độ dòng điện : J = 3,093.106A/ mm2 11.ứng suất dây quấn: σ =2,845 MPa

12.Tổn hao không tải:P0 = 239,5286(W)

13.Dòng điện không tải phản kháng: i0x = 3,951 (A)

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA

3.1 Các kiểu dây quấn máy biến áp một pha

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

+ Dây quấn hình ống dây quấn chữ nhật

+ Dây quấn hình ống dây dẫn tròn

+ Dây quấn hình xoắn

+ Dây quấn xoắn ốc liên tục

3.1.1 Dây quấn hình ống dây quấn chữ nhật

+Loại dây này dùng dây tiết diện hình chữ nhật quấn thành hình trụ Nếu dòng điện lớn quá thì ghép thành nhiều sợi song song 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

+ Các phương pháp quấn dây: Quấn nẹp sợi dây, quấn dựng sợi dây.Nói chung dây quấn loại này nên quấn nẹp (theo cạnh lớn) sợi dây, không nên

quấn gân dựng (theo cạnh nhỏ) sợi dây vĩe khó quấn hơn mà dây quấn dễ nghiêng đi; tổn hao phụ do dòng điện xoáy tăng lên, tản nhiệt lại kém

b

a) QuÊn nÑp sîi d©y(hay dïng)

b) QuÊn g©n dùng sîi d©y(kiÓu nμy khã quÊn d©y h¬n n÷a dÔ nghiªng ®i)

Hình 3.1.a,b;

+ Nếu quấn dây một lớp ta có kiểu quấn dây quấn hình ống một lớp hay gọi là ống đơn (hình 3.2.a) ; nếu quấn dây hai lớp ta có kiểu dây quấn ống kép (hình 3.2.b) Kiểu hình ống kép thì hai lớp nối tiếp nhau(quấn lớp trong từ trên xuống dưới, sau đó lớp ngoài quấn ngược từ dưới lên) Như vậy đầu dây phân lớp trong và đuôi dây phân lớp ngoài có điện áp bằng điện áp pha

+ Nếu Uđm ≤ 1000 V cách điện rất đơn giản, hoặc dùng một rãnh dầu 4÷8 mm hoặc dùng một ống giấy cách điện là đủ

+Kiểu dây quấn hình ống có nhược điểm là hai đầu không có gì giữ chặt nên dễ bị tung ra do đó chỉ dùng cho máy biến áp cỡ nhỏ.Dây quấn hình

ống kộp ơn định về mặt cơ khớ hơn và núi chung dễ chế tạo cũng đơn giản nờn dựng phổ biến trong cỏc mỏy biến ỏp cú cụng suất 630 kVA trở xuống và điện

ỏp dưới 6 KV

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 5 6 7 8 4

8

4

7 6 5 3 2 1

7 6 5 4 3 2 1

14 13 12 11 10 9 8

14 13 12 11 10 9 8

a)Dây quấn ống đơn b)Dây quấn hình ống

dây quấn ống kép

Hỡnh 3.1.2 a,b

+ Trong cỏc mỏy biến ỏp dõy quấn hỡnh ống đơn và kộp chủ yếu dựng làm dõy quấn hạ ỏp

3.1.2 Dõy quấn hỡnh ống nhiều lớp

+ Dõy quấn hỡnh ống nhiều lớp dõy dẫn trũn (lớn hơn2) đồng tõm (hỡnh 3.2) Vỡ số vũng dõy một lớp nhiều nờn điện ỏp giữa cỏc lớp lớn do đú cỏch điện khụng đảm bảo, cần phải tăng cường cỏch điện giữa cỏc lớp Thường dựng vài

lớp giấy cáp là đủ với điện áp 10 KV dùng 3 lớp dày 3.0,12 Dây quấn hình ống nhiều lớp dây dẫn tròn với điện áp đến 35 KV cần có cách điện tốt hơn; Để đề phòng phóng điện bề mặt, chiều cao cách điện giữa các lớp phải cao hơn chiều dài dây quấn từ 20÷25 mm( cả hai phía) và phải quấn thêm gờ bằng bìa cách điện

+ Quấn số lớp nhiều quáthì việc tản nhiệt khó khăn do đó cần phải có rãnh dầu dọc ở giữa Khi làm dây quấn hạ áp ở trong,rãnh dầu có thể ở giữa dây quấn, còn khi làm cao áp ở ngoài rãnh dầu thường bố trí vào quãng 1/2 ÷ 2/ 5 chiều dầy cuộn dây tính từ trong ra ngoài

+Dây quấn có thể sợi hay hai sợi chập lại, ít khi dùng đến 4 sợi Khi dùng nhiều sợi cũng không cần hoán vị vì vị trí của nó phân bố đã đều đặn

+ Dây quấn loại này chủ yếu được áp dụng cho máy biến áp công suất dưới 630 KVA thường cho cấp điện áp đến 30 KV

+ Ngoài ra còn có một kiểu gần giống kiểu ống nhiều lớp dây dẫn tròn nữa gọi là dây dẫn hình ống nhiều lớp phân đoạn, ở đây cũng cũng làm dây dẫn tròn Việc phân đoạn thành nhiều bánh dây như vậy sẽ giảm điện áp giữa các lớp cạnh nhau trong từng bánh dây, nhờ đó có thể cải thiện được vấn đề cách điện giữa các lớp Mặt khác việc làm nguội cuộn dây cũng dễ dàng hơn Nhược điểm của dây quấn này là việc quấn dây phức tạp hơn

+ Kiểu dây quấn này có số vòng dây ít, tiết diện lớn nên dùng làm dây quấn hạ áp Ưu điểm của nó là chịu được lực cơ học tốt, tản nhiệt tốt Nhưng nhược điểm của nó là chiều dài của các sợi dây ghép không bằng nhau nên điện trở khác nhau, từ thông tản không đều (càng xa trụ sắt từ thông tản càng

nhỏ) nờn điện khỏng tản cũng khỏc nhau Mặt khỏc dũng điện khụng đều làm tăng tổn hao phụ Vỡ vậy cỏc sợi dõy chập quấn quanh trụ cần được hoỏn vị

3.2.a) Dây dẫn hình ống một lớp

dây dẫn tròn

Tấm lót cách điện bằng giấy cáp

Vμnh đệm bìa cách điện

quấn bằng băng vải

+ Đối với dõy quấn hỡnh xoắn mạch đơn theo chiều dài dõy quấn người

ta thường hoỏn vị ba chỗ gồm: Hai hoỏn vị phõn tổ ở khoảng

4

1

và 4

3 chiều cao cuộn dõy và một hoỏn vị toàn bộ ở giữa cuộn dõy

Hình 3.3.Dây quấn hình xoắn a) mạch đơn b) mạch kép

3.1.4.Dõy quấn xoắn ốc liờn tục

+ Ở đõy ta dựng dõy dẫn tiết diện chữ nhật quấn liờn tục thành nhiều bỏnh theo đường xoỏy ốc phẳng Như vậy chiều cao bỏnh dõy vừa bằng chiều cao sợi dõy Giữa tất cả cỏc bỏnh dõy hay vài bỏnh dõy một cú rónh dầu ngang (hỡnh 3.4) suốt cuộn dõy khụng cú mối hàn nào để nối giữa cỏc bỏnh dõy nờn được gọi là dõy quấn liờn tục Cú thể dựng một hay nhiều sợi dõy chập lại để quấn nhưng khụng nờn quỏ 4

+ Dây quấn liên tục có ưu điểm là chịu lực cơ học tốt, làm nguội tốt và không có mối hàn Nhưng nhược điểm là quá trình quấn phức tạp, vì khi quấn một bánh từ trong ra ngoài như thường lệ, thì bánh tiếp theo phải quấn từ ngoài vào trong Muốn quấn được bánh này trước hết phải quấn tạm từ trong

ra ngoài như bánh trước đó đã, sau đó khi đầy bánh phải giữ lấy đầu cuối và đầu đầu của nó rồi dùng tay nếp lại để cho những vòng trong ra ngoài và vòng ngoài vào trong Như vậy ta được đôi bánh thứ nhất Cứ thế iếp tục sang những đôi bánh khác

- Các đầu ra của dây quấn phải ở phía ngoài cùng bánh dây, để cách điện đỡ phiền phức Như vậy số bánh phải là số chẵn

- Khi chập nhiều sợi phải hoán vị giữa các sợi dây Nhưng việc hoán

vị ở đây có thể tiến hành giữa hai bánh dây cạnh nhau và không làm thay đổi chiều cao của dây quấn

+ Dây quấn xoáy ốc liên tục được dùng chủ yếu làm cuộn cao áp và thường được sử dụng trong dải công suất rộng các máy biến áp từ 160÷

100000 kVA và điện áp từ 2 đến 500 KV

3.2 Cách điện trong máy biến áp

3.2.1 Vật liệu cách điện dùng trong máy biến áp

a) Giấy cáp: Thường có các loại giấy cáp dày 0,08; 0,12; 0,17 mm Trong các máy biến áp thương dùng loại giấy loại 0,12 mm để bọc quanh các sợi dây đồng; ngoài ra giấy cáp còn dùng làm cách điện giữa các lớp dây quấn hay cắt thành băng nhỏ để cách điện cho dây dẫn ra và tăng cường cách điện cho các vòng dây đầu cuộn cao áp từ 6, 10 đến500 KV Giấy cáp là một trong những cách điện chính trong máy biến áp Mã hiệu giấy cáp Nga là k-08; k-12; k-17

b) Giấy điện thoại: Mỏng hơn giấy cáp (thương dày 0,05± 5% mm) thường dùng làm cách điện giữa các lớp, cách điện cho các dây dẫn ra của một

số dây dẫn tròn Mã hiệu giấy Nga là KT- 50

c) Vải sơn: Máy biến áp dầu thường dùng loại vải hay lụa đã qua 3 lần tẩm dầu sơn có chiều dầy 0,17; 0,20;0,24 mm

d) Băng vải:

Có hai loại: Loại sợi chéo dày 0,54 ±0,02 mm và loại sợi thẳng dầy 0,28 ±0,02

mm, rộng từ 1,5 ÷5 cm Trong máy biến áp dùng băng vải này để giữ chặt các vòng dây của dây quấn, hay bọc chặt cách điện của dây quấn không nhằm để cách điện

đ) Bìa cách điện: Bìa cách điện được chế tạo thành từng tấm có chiều dầy 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 2,5; 3,0 mm hay cũng có loại chế tạo thành từng cuộn rộng tới 1000 mm, dầy 0,5 mm Thường dùng làm tấm đệm giữa các bánh dây, giá đỡ cách điện, bức vách tấm chắn, vòng đệm hay ống cách điện giữa các dây quấn

e) Thành phẩm ống bakêlit: Thường làm ống cách điện, bề đây cả hai phía2;4;6;8 mm và hơn nữa làm cách điện giữa các dây dẫn ra Các loại ống lớn dùng để cách điện giữa các dây quấn hay giữa dây quấn với trụ sắt

g) Gỗ: Thường dùng là gỗ dẻ trắng làm que nêm để lồng dây quấn và cách điện hình trụ hay làm que nêm giữa các lớp dây quấn nếu U≤10 KV, cũng có thể dùng làm que nêm lõi sắt và dây quấn hạ áp Gỗ dẻ đỏ dùng làm kẹp dây dẫn ra, làm dầm ép gông

h) Sứ: Dùng trong máy biến áp dầu để xuyên dây dẫn vào

i) Dầu máy biến áp: Dùng làm cách điện và làm nguội máy biến áp

3.2.2 Các kết cấu cách điện và kghoảng cách cách điện

3.2.2.1 Cách điện chính

+ Là cách điện giữa các dây quấn với các bộ phận nối đất Cách điện phải đảm bảo chịu được những quá điện áp ngắn hạn (có lúc tới 4 lần điện áp

định mức) do những thao tác thông thường trong lưới (như đóng cắt tải lớn ) hay sự cố (ngắn mạch, đứt dây )

+ Cách điện giữa hạ áp và cao áp, giữa dây quấn với trụ thường dung dạng ống cứng làm từ giấy bakêlit Cách điện giữa dây quấn và gông trên, gông dưới thường dùng các vòng đêm.Với điện áp cuộn cao áp ≤ 35 KV thì kết cấu cách điện và các tấm đệm có dạng đơn giản

HA 1

HA 2

kÝch th−íc ld

3.2.2 Cách điện dọc

+ Cách điện dọc là cách điện giữa các vòng dây , giữa các lớp dây và giữa các bánh dây Cách điện dọc phải đảm bảo cho dây dẫn phải chịu được những quá điện áp thiên nhiên, thường do sóng điện áp xung kích của sét truyền ngoài đường dây tới máy biến áp Những sóng điện áp này trong

trường hợp nghiêm trọng có thể lớn gấp 10 lần điện áp định mức thời gian tác dụng vài micrô giây Cách điện này có thể xác định theo độ bền điện cả với tần số 50 hZ và cả với điện áp xung kích

+ Cách điện giữa các vòng dây chính là nhờ cách điện bọc xung quanh sợi dây Các máy biến áp điện lực hiện nay thường dùng hai loại dây cách điện sau:

-Dây đồng tráng men (ê may) bọc sợi bông đường kính 1,18÷5,2 mm Dây này của Nga kí hiệu là Π∃Π b0

- Dây đồng bọc giấy cáp kép, với dây tròn đường kính 1,18÷5,2 mm; với dây chữ nhật có cạnh nhỏ từ 1,4÷ 5,6 mm, cạnh lớn từ 3,75 ÷ 16,0 mm

+ Cách điện giữa các lớp dây:

- Thường dùng là giấy cáp hay giấy điện thoại, bìa cách điện hay có thể dùng rãnh dầu hoặc dùng rãnh không khí dọc trục

3.2.3 Cách điện giữa các bánh dây: Đối với dây quấn kiểu bánh dây, có thể

phân ra làm nhiều loại rãnh khác nhau Có bánh dây chính, có bãnh dây điều chỉnh điện áp thường bố trí ở giữa chiều cao cuộn dây Tuỳ theo từng loại mà kích thước và khoảng cách cách điện của chúng khác nhau

+ Đối với bánh dây chính , cách điện giữa chúng thường là các rãnh dầu ngang (hình3.2.3 a) hoặc có thêm những đệm cách điện thẳng (hình 3.2.3c,d) hay đệm gẫy góc (hình 3.2.3a) Trưòng hợp thêm cách điện giữa là dùng cho bánh dây có điện áp lớn Chiều rộng rãnh dầu thường không chọn nhỏ hơn 4 m; nếu dùng đệm cách điện thì ghép hai tấm, mỗi tấm dầy δd = 5 mm với đầu thừa a≥ 6 mm

a

H×nh 3.2.3 C¸ch ®iÖn gi÷a c¸c b¸nh d©y.

3.3 Các kiểu bố trí đoạn dây điều chỉnh và cách điều chỉnh dây quấn cao

áp

+Như ta đã biết tải của máy biến áp luôn thay đổi Khi tải thay đổi, điện

áp ra của máy biến áp cũng thay đổi theo Để duy trì điện áp ra ổn định, cần phải thiết kế các đầu dây điều chỉnh điện áp để thay đổi số vòng dây cho thích hợp Các đầu dây điều chỉnh (hay còn gọi là đầu phân áp) thường bố trí trên cuộn cao áp gồm nhiều vòng dây do đó dễ điều chỉnh chính xác; mặt khác dòng điện lại nhỏ nên có thể làm bộ đổi nối nhỏ, gọn

+ Ở các máy biến áp giảm áp muốn tăng hay giảm điện áp cuộn hạ áp thì phải tăng hay giảm cuộn cao áp; ở các máy biến áp tăng áp muốn tăng hay giảm cuộn cao áp thì phải tăng hay giảm số vòng dây trên bản thân cuộn cao áp Việc điều chỉnh nói trên được tiến hành bằng tay khi máy biến áp được cắt ra khỏi lưới điện- ta gọi là điều chỉnh điện áp không kích thích (ĐKT) Muốn điều chỉnh tự động và không phải cắt máy biến áp ra khỏi lưới điện thì phải có thiết

bị điều chỉnh điện áp tự động dưới tải Những máy biến áp như vậy gọi là máy biến áp điều chỉnh dưới tải (ĐDT)

+ Tiêu chuẩn quốc tế với máy biến áp công suất 25÷ 200.000 KVA khi điều chỉnh không kích thích thì cuộn cao áp bố hai đến 4 cấp điều chỉnh: + 5,+ 2,5;-2,5;- 5% điện áp định mức Việc chuyển đổi các đầu điều chỉnh điện áp được tiến hành nhờ bộ đổi nối riêng đặt trong máy biến áp có tay quay điều khiển

+ Khi điều chỉnh điện áp sẽ có một số vòng dây không có dòng điện do lực tác dụng đặt lên trọng tâm dây quấn lệch đi làm cho máy biến áp chịu những lực chiều trục đáng kể Cách bố trí và chọn các đoạn điều chỉnh điện áp phải đảm bảo làm sao cho lực đó nhỏ nhất (đặc biệt là khi có ngắn mạch) và từ trường tản được đều đặn hơn