Đồ Án Thiết Kế Máy Biến Áp 400kva Ngâm Dầu

 Vật liệu cách điện: dùng để cách điện giữa các cuộn dây hay giữacác cuộn đây với các bộ phận khác bằng các vật liệu nh catong,chất cách điện, sứ, dầu biến áp…. Vật liệu kết cấu: dùng

Lời nói đầu

Máy điện là một loại hệ điện từ gồm có mạch từ và mạch điện liênquan 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 tơng đối với nhaucùng 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 trờng để sinh ra sức điện động cảm ứng trong dây quán thực hiệnbằng phơng pháp điện

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

tế quốc dân nh trong công nghiệp, nôn nghiệp, giao thông vận tải, các hệ

 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 cònhạn chế Nên việc tính toán không khỏi thiếu sót Mong các thầy, cô chonhận xét để đồ án này đợc 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 ánnày và hoc em đợc học hỏi nhiều vấn đề về máy biến áp trong thời giankhai thác

Xin chân thành cảm ơn

Ngêi thiÕt kÕ

Chơng i: Khái niệm chung về thiết kế máy

biến áp

I.1 Đại cơng

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 cầnphải có đờng dây tải điện Nếu khoảng cách giữa nơi sản xuất và hộ tiêu thụlớn thì một vấn đề rất lớn đặt ra và cần đợc giải quyết là: Việc truyền tải

điện năng đi xa làm sao cho kinh tế

Nh ta đã biết, cùng một công suất truyền tải trên đờng dây nếu điện

áp đợc tăng cao thì dòng điện chạy trên đờng dây sẽ giảm xuống, nh vậy cóthể làm tiết diện dây nhỏ đi do đó trọng lợng và chi phí dây sẽ giảm xuống.Vì thế muốn truyền tải công suất lớn đi xa ít tổn hao và tiết kiệm đợc kimloại màu trên đờng dây ngời ta phải dùng điện áp cao đờng 35, 110, 220 và500KV Trên thực tế các máy phát điện không có khả năng phát ra những

điện áp cao nh vậy thờng chỉ 3 đến 21KV là cùng, do đó cần phải có thiết bị

để tăng áp ở đầu đờng dây lên Mặt khác các hộ tiêu thụ thờng 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 đờng dâydẫn điện và giảm điện áp tới hộ tiêu thụ tức là cuối đờng dây dẫn đợc gọi làmáy biến áp Thực ra trong hệ thống điện lực muốn truyền tải và phân phốicông suất từ nhà máy điện đến tận các hộ tiêu thụ một cách hợp lý thờngphải qua 4 – 5 tầng tăng giảm điện áp nh vậy Do đó tổng công suất củamáy biến áp trong hệ thống điện lực thờng gấp 4 – 5 lần công suất củatrạm phát điện Những máy biến áp (MBA) dùng trong hệ thống điện lựcgọi là máy biến áp điện lực hay máy biến áp công suất Từ đó ta thấy rõ

Máy phát

điện

máy biến áp chỉ làm nhiệm vụ truyền tải hoặc phân phối năng lợng chứkhông phải là biến hoá năng lợng.

Ngoài máy biến áp điện lực còn có nhiều loại máy biến áp dùngtrong các ngành chuyên môn nh máy biến áp chuyên dùng cho các lò điệnluyện kim, máy biến áp hàn điện, máy biến áp dùng trong thiết bị chỉnh lu,máy biến áp dùng cho đo lờng, thí nghiệm…

Khuynh hớng phát triển của máy biến áp hiện nay là thiết kế chế toạnhững máy biến áp có dung lợng thật lớn, điện áp thật cao, dùng nguyênliệu mới để giảm trọng lợng và kích thớc máy Về vật liệu hiện nay đã dùngloại thép cán lạnh không những có từ tính tốt mà tổn hao sắt lịa ít do đónâng cao đợc hiệu suất của máy biến áp Khuynh hớng dùng dây nhôm thaydây đồng vừa tiết kiệm đợc dây đồng vừa giảm đợc trọng lợng máy cũng

đang phát triển

ở nớc ta ngành chế tạo máy biến áp đã ra đời ngay từ ngày hoà bìnhlập lại Đến nay chúng ta đã sản xuất đợc một khối lợng máy biến áp khálớn và nhiều chủng loại khác nhau phục vụ cho nhiều ngành sản xuất ởtrong nớc và xuất khẩu

I.2 Định nghĩa và nguyên lý làm việc.

Ta xét máy biến áp một pha hai dây quấn Dây quấn 1 có W1 vòngdây, dây quấn 2 có W2 vòng dây đợc quấn trên lõi thép 3 Khi đặt một điện

áp Ut xoay chiều vào dây quấn 1 trong đó sẽ có dòng điện i1, trong lõi thép

sẽ sinh ra từ thông  móc vòng với cả hai dây quấn 1 và 2, cảm ứng ra sức

điện động e1 và e2 Dây quấn hai sẽ có sức điện động sẽ sinh ra dòng điện i2

đầu ra

Tải với dòng điện là U2 Nh vậy năng lợng của dòng điện xoay chiều

đã đợc truyền từ dây quấn 1 sang dây quấn 2

Giả sử điện áp xoay chiều đặt vào là một hàm số hình sin thì từ thông

do nó sinh ra cũng là một hàm hình sin  = msint

Do đó theo định luật cảm ứng điện từ, sức điện động trong dây quấn

EE

2

 

 4,44 F W1 m (3)

2 m 2

EE

thông sin ra nó một góc

2

 Dựa vào biểu thức (3) và (4) ngời ta định nghĩa

tỉ số biến đổi củ máy biến áp nh sau:

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

biến áp nh sau: máy biến áp là một thiết bị điện từ đứng yên, làm việc dựatrên 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 vớitần số không thay đổi Máy biến áp có hai đây quấn gọi là máy biến áp haidây quấn Dây nối với nguồn để thu năng lợng gọi là dây quấn sơ cấp, ởmáy 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 máybiến áp một phat, 3 pha gọi là 3 pha, ngâm trong đầu gọi là máy biến ápdầu…

I.3 Các đại lợng định mức

Các đại lợng định mức của máy biến áp quy định điều kiện kỹ thuậtcủa máy Các đại lợng này do nhà chế tạo quy định và thờng ghi trên nhãnmáy biến áp

1 Dung lợng hay công suất định mức S đm

Là công suất toàn phần hay biểu kiến đa ra ở dây quấn thứ cấp củamáy 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 sơcấp có các đầu phân nhánh thì ngời ta ghi cả điện áp định mức của đầuphân 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 côngsuất và điện áp định mức Đơn vị: A, KA

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

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

và tổ đấu dây quấn, điện áp ngắn mạch Un% chế độ làm việc ngắn hạn haydài hạn phơng pháp làm lạnh

Sau cùng hiểu rằng khái niệm “định mức” còn bao gồm cả tình trạnglàm việc định mức của máy biến áp nữa mà có thể không ghi trên nhãn máynh:  định mức, độ chênh lệch định mức, nhiệt độ định mức của môi trờngxung 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 nh giảm tổn thao năng lợng, kích thớc, trọng lợng,tăng độ tin cậy của nó Khuynh hớng chung thờng thay vật liệu quý hiếmbằng những vật liệu rẻ tiền và dễ tìm kiếm hơn nh 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 thờng là:

 Vật liệu tác dụng: dùng để dẫn điện nh dây quấn, dẫn từ nh lõithép

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

 Vật liệu kết cấu: dùng để giữ bảo vệ máy biến áp nh bulong, vỏmáy

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

+ Vật liệu quan trọng trớc tiên trong ngành chế tạo máy biến áp làtôn 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 đổigì Vì nh 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 ngời ta có dùng nhômthay thế đồng làm dây quấn Nhôm có u điểm là nhẹ, sẵn hơn, rẻ hơn, nhngtất nhiên có nhợc điểm là điện trở suất lớn hơn do đó dẫn điện kém hơn, độbền cơ cũng kém hơn và lại rất khăn trong việc hàn nối Khi dùng nhômthay đồng để đảm bảo đợc công suất tơng đơng 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 đợc bù lại bởi giá thànhnhôm rẻ hơn Nên nói chung giá thành toàn bộ máy biến áp bằng nhôm vàdây đồng thực tế không khác nhau là bao nhiêu

+ Vật liệu cách điện phần lớn các máy biến áp dùng dây quấn cócách điện bằng giấy cáp, thuộc cách điện cấp A có nhiệt độ giới hạn chophép +1500C Với chiều dày cách điện cả hai phía 0,45 – 0,5mm Việcdùng 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 đợc quy định không chỉ ở cấp cách

điện của vật liệu cách điện mà còn ở nhiệt độ cho phép của dầu ngâm dâyquấn nữa Một loại cách điện hay dùng bọc dây nữa là men cách điện(emay) Song ngời ta cũng chỉ dùng đến cách điện cấp B mà ít khi dùng dâycách điện cao hơn nữa Vì một lý do nữa là nhiệt độ cho phép càng cao thìmật độ dòng điện chọn càng lớn thì tổn hao ngắn mạch tăng lên làm chohiệu suất của máy giảm xuống đáng kể Để cách điện các bộ phận mang

điện với bộ phận không mang điện của máy ngời ta dùng vật liệu cách điện

Khi máy làm việc do tác động củ nhiệt độ, chấn động và các tác động lýhoá khác cách điện sẽ bị lão hoá nghĩa là mất dần các tính bền về điện vàcơ 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 vậykhi sử dụng máy điện tránh để máy quá tải làm nhiệt độ tăng cao trong mộtthời gian dài

Vật liệu kết cấu dùng để chế tọ các bộ phận và chi tiết truyền động hoặckết cấu máy theo dạng cần thếit đảm bảo cho máy làm việc bình thờng Ngời

ta thờng 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 thờng dùng các phần chính sau:

- Lõi sắt (hay còn gọi là mạch từ) và các kết cấu của nó, dây quấn, hệthống 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 Đồngthời làm khung để quấn dây Lõi sắt gồm các lá thép Silic ghép lại đợc épbằng xà ép và bu lông tạo thành khung máy biến áp Trên đó còn bắt cácgiá đỡ đầu dây dẫn ra nối với các sức xuyên hoặc các ty để nắp máy… ởcác máy biến áp dầu toàn bộ lõi sắt có quấn dây và các dây dẫn ra đợcngâm 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 máyrất nặng nên đợc bắt cố định với đáy thùng và lúc lắp ráp sửa chữa thì phảinâng vỏ thùng lên khỏi đáy và ruột máy Lõi sắt gồm hai phần: trụ T vàgông G Trụ là phần lõi có lồng dây quấn, gông là phần lõi không có dâyquấn dùng để khép mạch từ giữa các trụ

2 Dây quấn.

Dây quấn máy biến áp là bộ phận dùng để thu năng lợng vào vàtruyền tải năng lợng đi Trong máy biến áp hai dây quấn có cuộn HA nốivới lới điện áp thấp và cuộn CA nối với lới 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 phagọi 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 làmáy biến áp dầu Máy biến áp không ngâm trong dầu gọi là máy biến ápkhô.

3 Hệ thống làm lạnh và vỏ máy.

Khi máy biến áp làm việc, lõi sắt và dây quấn đều có tổn hao năng ợng làm cho máy biến áp nóng lên Muốn máy biến áp làm việc đợc lâu dàiphải tìm biện pháp giảm nhiệt độ của máy biến áp xuống tức là quá trìnhlàm nguội máy biến áp Có thể làm nguội bằng không khí tự nhiên hoặcbằng dầu máy biến áp Máy biến áp dùng không khí để làm nguội gọi làmáy biến áp khô, máy biến áp dùng dầu để làm nguội gọi là máy biến ápdầu Hầu hết máy biến áp làm nguội bằng dầu bao quanh lõi thép và dâyquấn sẽ nóng lên và truyền nhiệt ra ngoài vách thùng nhờ hiện tợng đối lu.Nhiệt lợng từ vách thùng lại truyền ra không khí xung quanh bằng phơngpháp đối lu và bức xạ Nhờ vậy mà hiệu ứng làm lạnh đợc tăng lên cho phéptăng tải điện từ đối với thép và dây quấn, tăng đợc công suất máy biến áp.Máy biến áp có công suất từ (10 – 16).103 KVA thờng phải tăng cờng làmnguội bằng sự đối lu cỡng bức bằng quạt gió Để đảm bảo dầu trong máyluôn luôn đầy trong quá trình làm việc trên máy biến áp có 1 thùng dầu phụhình trụ thờng đặt nằm ngang với bình đầu chính bằng ống dẫn dầu Tuỳtheo nhiệt độ của máy biến áp mà dầu giãn nở tự do trong bình dầu phụ,không ảnh hởng đến lợng dầu máy biến áp Vì vậy bình dầu phụ còn đợcgọi là bình dầu giãn nở

l-Trên nắp thùng còn các sứ để bắt các đầu dây dẫn ra nối với các dâyquấn trong máy biến áp với lới điện thiết bị đổi nói để chỉnh áp, thiết bị đonhiệt độ biến áp, móc treo… mặt khác dầu máy biến áp ngoài tác dụng làmlạnh con ngời là một chất cách điện tốt, nhng nhợc điểm là dầu máy biến áp

đồng thời cũng là vật liệu dễ cháy nên sinh ra hoả hoạn Vì vậy trong nhiềutrờng 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 lợt tiến hành theo thứ tự

1 Xác định các đại lợng cơ bản.

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

 Xác định điện áp thử của các dây quấn

 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 thớc chủ yếu

 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 thớc 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

 Tính toán nhiệt máy biến áp

 Tính toán gần đúng trọng lợng 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 quantrọng nh bulong ép gông và một số đai ép trục, gông, vách nắp đáy thùng,bình dầu giãn nở, bộ phận tản nhiệt…

Chơng ii: Tính toán các kích thớc chủ yếu.

  = 6,062 (A)

1f 1

I  = 577,35 (A)I

5 Điện áp pha định mức.

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

+ Đối với phía HA:

3 1

1f

U 0, 4.10U

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

Với Ut2 = 55[KV] theo bảng 19 TKMBA thầy Phan Tử Thụ ta tra:

a12 = 18 (mm): khoảng cách giữa cuộn CA và HA

12 = 5 (mm): ống cách điện giữa cuộn CA và HA

d2 = 30 (mm): chiều dài đầu thừa

a22 = 18 (mm): khoảng giữa cuộn CA và CA

22 =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

2 4

K S '.103

13 Ta chän t«n c¸n l¹nh m· hiÖu 3405 cã chiÒu dµy 0,30 mm

Theo b¶ng 11 Phan Tö Thô ta cã:

Bt = 1,62T

HÖ sè gang: Kg = 1,015 (theo b¶ng 6 Phan Tö Thô)

Ðp trô b»ng nªm víi d©y quÊn, Ðp g«ng b»ng xµ Ðp, kh«ng dïngbulong xuyªn qua trô vµ g«ng Sö dông lâi thÐp cã 4 nèi ghÐp nghiªng ë 4gãc cña lâi, cßn 2 nãi ghÐp ë gi÷a dïng nèi ghÐp th¼ng l¸ t«n Lµm nh vËy

5

Phơng pháp ghép hiện đại nhất hiện nay là ghép chéo góc cho tỏnthao trong mạch từ nhỏ nhấ Kết cấu mạch từ kiểu không gian nh trên rấttiện 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 bậcthang của gông lấy bằng 5 bậc

Hệ số chêm kích Kc = 0,931 (theo bảng 4 Phan Tử Thụ): không cótấm sắt ép trụ

Hệ số điền dầy Kd = 0,92 (theo bảng 10 Phan Tử Thụ): không phủ hailợt sơn cách điện

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

Từ cảm trong gông:

 

t g g

Suất tổn hao của thép trong trụ và gông

Theo bảng 45 Phan Tử Thụ:

Pt = 1,194 (W/Ykg)

Pg = 1,150 (W/Ykg)Theo bảng 50 Phan Tử Thụ: Suất từ hoá trong trụ và gông

qt = 1,645 (VA/Ykg)

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

- Mối nối thẳng: P”K = 20480 (VA/Ym2)

14 Đờng kính trụ của máy.

d = A xTrong đó: A là hằng số

b Träng lîng d©y quÊn: 1

dq 2

CG

Kn = 4: hÖ sè biÓu thÞ sè lîng gãc nèi cã d¹ng nèi nghiªng

Kt = 2: hÖ sè biÓu thÞ sè lîng gãc nèi cã d¹ng nèi th¼ng

2

io

K 4,3

T  2T  2.0, 0174x 0.0246xThay vào sau khi biến đổi ta đợc.

16 Thµnh phÇn ph¶n kh¸ng cña dßng ®iÖn kh«ng t¶i

 

0 ox

594, 021757,26x 1161, 06x

U U n

Do đó:

.1,375 3,756 n

20 Đờng kính trụ sắt

d = A x = 0,163 1,17 = 0,19071 (m)Theo tiêu chuẩn quốc tế quy định thì đờng kính trụ sắt của máy sẽ là:

24 ChiÒu cao s¬ bé cña d©y quÊn

 

12 2

chơng 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 thờng dây quấn máy biến áp có điện áp làm việc bìnhthờng và quá điện áp do đóng ngắt mạch trong lới điện hay sét đánh gâynên ảnh hởng chủ yếu do cách điện chính của máy biến áp, tức là cách điệndây quấn với nhau và giữa dây quấn với vỏ Còn quá điện áp do sét đánh th-ờng lên đờng dây thờng ảnh hởng 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 h hỏng dới tác dụng của lực cơhọc do dòng điện ngắn mạch gây nên

c Yêu cầu về nhiệt

Khi vận hành bình thờng cũng nh trong trờng hợp ngắn mạch, trongthời gian nhất định dây quấn không đợc có nhiệt độ cao quá vì lúc đó chấtcách điện sẽ bị nóng mất tính đàn hồi, hoá dồn và mất tính cách điện Vìvậy 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 gianchế tạo ngắn giá thành hạ nhng đảm bảo về mặt vận hành

* Nh vậy yêu cầu đối với thiết kế là:

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

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

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

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

 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 cáckiểu 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

Ngời ta còn có thể phân biệt ra loại dây quấn một mạch (đơn) hay haimạch (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 dùngcác sợi cùng kích thớc ghép kề nhau theo hớng trục, không nên ghép kềtheo hớng kính để cho từ thông tản trong các sợi dây giống nhau và nh vậytổn hao về dòng điện xoáy trong chúng sẽ giống nhau và về mặt cơ khíghép hớng trục cũng tốt hơn Mặt khác dùng một cỡ dây sẽ đỡ phức tạp choviệc 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 (theocạnh 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 bịnghiêng đi (hình 3-20c); tổn hao phụ do dòng điện xoáy tăng lên, tản nhiệtlại kém Có thể dùng cách quấn dựng khi tỷ lệ các cạnh của sợi dây ở trongphạm vi tỷ lệ sau: 1,3 < a/Yb < 3,0

1

2

2

3 1

11

1 2

a'

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

3-12b) Kểu hình ống kép thì hai lớp nối tiếp với nhau (quấn lớp trong từ trênxuống sau đó lớp ngoài quấn ngợc từ dới lên nh ở hiình 3-21b) Nh vậy đầudâylớp trong và đuôi lớp ngoài có điện áp bằng điện áp pha của dây quấn

Nếu Uđm dới 100V thì cách điện giữa hai lớp rất đơn giản, hoặc dùngmột 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 dày2mm 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 thờng dùng que nên cách điện bằng gỗ Không nênlàm nhiều que nêm quá vì dầu sẽ khó lu thông, cũng không nên ít quá vìống dây dễ bị biến dạng thành hình đa giác Khoảng cách giữa các que nêm

thờng vào khoảng 150 – 120mm

Kiểu dây quấn hình ống đơn có nhợc điểm là hai đầu không có gì giữchặt nên dễ bị tung ra do đó thờng 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 đợc dùng phổ biến trongcác máy biến áp công suất từ 630 kVA trở xuống điện áp dới 6kV

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

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

theo một chiều, các lớp chẵn quấn theo chiều khác Giữa các lớp có lót vàilớp 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 dới vẫnphải có những vành đệm phụ bằng cacton cách điện buộc chặt vào các vòngtrên và dới của dây quấn (hình 3-22) Việc lót cách điện nh vậy là rất cầnthiết vì loại dây quấn này điện áp giữ vòng đầu của bất kỳ một lớp nào vớivòng 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, thờng toàn bộ dây quấn đợclàm một vài rãnh dọc trục giữa các lớp Chiều rộng rãnh thờng vào khoảng1/Y100 chiều cao của dây quấn

Dây quấn hình óng nhiều lớp tiết diện dây chữ nhật thờng đợc làmdây 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 đợc sửdụng rộng rãi vì độ bền cơ học của nó khi ngắn mạch khá bảo đảm do kếtcấu dây quấn gọn chặt Mặt khác nó còn cơ u điểm nữa là lấp đầy cửa sổmạch từ tốt hơn các dây quấn khác Rãnh dầu làm lạnh dọc trục cũng cóhiệu quả truyền nhiệt tốt hơn các loại dây quấn có rãnh dầu hớng kính Độbền về điện khi có quá điện áp cũng tốt hơn các loại dây quấn kiểu bánhdây Tuy nhiên nhiều loại dây quấn này có nhợc điểm cơ bản là bề mặt làmlạnh 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 cáctấm nhôm hay đồng mỏng không bọc cách điện hay đợc dùng trong cácmáy biến áp đến 1000kVA, điện áp HA dới 1kV Hình 3-23 là một ví tụ vềdây 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 cácvòng dây thờng là một hai lớp giấy tụ điện, giấy điện thoại hay giấy cáp caohơn tấm dây quấn 16 đến 24 mm Dây quấn kiểu này có u điểm là dễ quấnnhng kém chịu lực cơ lúc ngắn mạch Muốn có độ bền cơ cao phải dùngnhôm tấm đã ủ hay nhôm có độ cứng cao nh A6, hay A5 Tuy nhiên, vì tấmnhôm hay đồng không bọc cách điện nên kiểu dây quấn này lại có u điểm

là tản nhiệt tốt hơn so với loại dây quấn kiểu dây dẫn Lấp đầy cửa sổ mạch

đó kiểu dây quấn bằng

kim loại tấm này thờng

dùng cho cuộn CA với

đầu dây quấn bằng bìa cách điện

b Dây quấn hình xoắn

Dây quấn gồm một hàyn sợi dây chữ nhật chập lại quấn theo chiềutrục nh đờng ren ốc Các sợi dây chập thờng xếp theo hớng kính và nhấtthiết phải có tiết diện và kích thớc các sợi nh nhau

Nếu chập các sợi thành một mạch quấn từ trên xuống dới ta có kiểudây quấn hình xoắn mạch đơn (hình 3-24a) Khi dòng điện lớn quá phảichập 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 đợc lực cơ học tốt, tản nhiệt tốt Nhng nhợc

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 điệnkháng cũng khácnhau Mặt khác dòng điện phân bố không đều làm tăng tổnhao phụ Vì vậy các sợi dây chập quấn quanh trụ cần đợc hoán vị

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

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

- Hai hoán vị phân bố tổ ở khoảng ẳ và 2/Y3 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 ngoàivào trong, sợi ở trong ra ngoài….) vì thế cần phải có một khoảng để các sợidây tránh nhau Nh vậy chiều cao dây quấn tăng thêm một rãnh dầu và mộtbánh dây (hình 3-26) Nói chung để hoán vị đợc dễ dàng và dây quấn chắcchắn thì số sợi ghép chập không nên qúa 4

b)

Tiết diện một vòng

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 ngời ta không dùng kiểu hoán

vị tập trung tại 3 chỗ nh vậy mà hoán vị phân bố đều, nghĩa là có bao nhiêusợi dây chập thì có bấy nhiêu lần hoán vị và phân bố vị trí hoán vị trên toànchiều cao dây quấn (hình 3-27) Vì nhờ có hai mạch chạy song song nhaunên chỗ hoán vị không cần phải “tránh” nhau mà có thể đổi lẫn vị trí các sợidây dễ dàng, do đó việc hoán vị không ảnh hởng 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

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 điệngiữa các lớp Thờng dùng vài lớp giấy cáp để cách điện là đủ (đối với điện

2 x 0,16 mm) Để đề phòng phóng điện bề mặt, chiều cao cách điện giữacác lớp phải cao hơn chều cao của dây quấn từ 20 đến 50 mm (cả hai phía)

và đợc quấn thêm những gờ bằng bìa cách điện Nếu số lớp nhiều quá thìviệc tản nhiệt sẽ khó khăn do đó cần phải có rãnh dầu dọc ở giữa khi làmdây quấn HA ở trong, rãnh dầu có thể ở giữa dây quấn, còn khi làm dâyquấn CA ở ngoài, rãnh đều thờng bố trí vào quãng 1/Y3 đến 1/Y5 chiều dàycuộn 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, nhng ít khi dùngtới 4 sợi Khi dùng nhiều sợi cũng không cần hoán vị vị trí của nó phân bố

đã tơng 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 hớn trục lớn, do đó hệ số q

d

CC

 

(trong đó Cđ là tổng điện dung dọc và Cq là tổng điện dung ngang của dâyquấn) nhỏ nên chống sét tốt Mặt khác kết cấu đơn giản, quá trình chế tạocũng dễ Nhợc điểm là chịu lực co giới kém và tản nhiẹt có phần khó khăn

Dây quấn này chủ yếu đợc áp dụng cho các máy biến áp có S dới630kVA và thờng làm cuộn cao áp với điện áp 6,10 hay 35kV

a) b) c) d) đ)

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 nh vậy (thờng là từng

đôi một) sẽ giảm đợc 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

Nh-ợc điểm của dây quấn này là việc

quấn dây phức tạp hơn, do đó giá

thành cao hơn

d Dây quấn kiểu xoáy ốc liên

tục

ở đây ngời ta dùng dây

tiết diện chữ nhật quấn liên tục

thành nhiều bánh theo đờng

xoáy ốc phẳng Nh vậy chiều cao

bánh dây vừa bằng chiều cao sợi dây Giữa tất cả các bánh dây hay vài bánhdây một có rãnh dầu ngang (hình 3-34) Suốt cuộn dây không có mối hànnào để nối các bánh nên đợc gọi là dây bánh liên tục Có thể dùng một sợihay nhiều sợi chập lại để quấn nhng không nên quá 44

171819

20 13141516

1211109

5678

4321

Hình 3-34: Dây quấn xoáy ốc liên tục

Dây quấn liên tục có u điểm là chịu đợc lực cơ học tốt Nhng nhợc

điểm là quá trình quấn phức tạp, vì khi một bánh quấn từ trong ra ngoài ờng lệ, thì bánh tiếp theo phải quấn từ ngoài vào trong Muốn quấn đợcbánh này trớc hét phải quấn tạm từ trong ra ngoài nh bánh trớc đó đã, sau

th-đó khi đầy bánh phải giữ lấy đầu cuối và đầu đầu của nó rồi dùng tay nếplại để cho những vòng trong ra ngoài và vòng ngoài vào trong Nh vậy ta đ-

ợc một đôi bánh khác (xem giáo trình “công nghệ chế tạo máy biến áp” của

bộ môn thiết bị điện)

Yêu cầu đối với dây quấn này là:

- Các đầu ra của dây quấn ở phía ngoài cùng bánh dây, để cách điện

đỡ phiền phức Nh vậy số bánh dây phải là số chẵn

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

ở đây có thể tiến hành giữa hai bánh cạnh nhau và không làm thay đổi chiềucao của dây quấn (hình 3-35)

Dây quấn xoáy ốc liên tục chủ yếu dùng làm cuộn CA và thờng dùngtrong một dải công suất rộng cacs máy biến áp từ 160 đến 100000kVA,

điện áp từ 2 đến 500kV và hơn nữa Nó cũng có thể dùng làm cuộn HA chonhững máy biến áp có dòng điện từ 10, 15 đến 300A.

Ngoài những kiểu dây quấn cính thờng dùng trên còn một số kiểudây quấn khác nh dây quấn không cộng hởng, dây quấn xen kẽ… dùngtrong những máy biến áp chống sét, máy biến áp hàn điện…

Nh đã biết (chơng 1) hiện nay ngoài dây quấn làm bằng dây đồng,một số nớc công nghiệp phát triển trên thế giới còn dùng dây nhôm Nh vậy

sẽ tiết kiệm đợc đồng – một kim loại chiến lợc rất quan trọng, mặt khácnhôm nhẹ, rẻ hơn nên giảm đợc trọng lợng máy và một phần giá thành vậtliệu dây quấn Tuy vậy dùng nhôm vẫn còn có một số khó khăn về kỹ thuậtlàm giảm tính năng của máy cần phải tiếp tục khắc phục Do đó nó cha đợcdùng nhiều trong các máy biến áp loại lớn

iiI.2 Tính toán dây quấn hạ áp

1 Sức điện động của một vòng dây là:

T’1 = 1f

tb

I

Trong đó: I1f = 577,35: là dòng điện pha định mức

Vậy: T’1 = 577,356

3,19.10 = 180,98 10

-6 (m2)

6 Đối với kết cấu dây quấn hạ áp có điện áp nhỏ hơn 10kV ta dùng một

tấm đồng mỏng không bọc cách điện, có chiều cao 38,5 (cm) quấn 25 vòng

ở đây ta coi chiều dầy cách điện là 0,3 (mm)

9 Chiều dày của dây quấn hạ áp.

a1 = w1 H = 25 0,77 = 19,25 (mm)

10 Đờng kính trong của dây quấn hạ áp.

D’1 = dđm + 2 U01

Trong đó: dđm = 20 (cm)