TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP KHÔ BỌC ÊPOXY

Chương 2 : TÌM HIỂU VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN ÊPOXY TRONG MÁY BIẾN ÁP KHÔ 2.1 Tìm hiểu về vật liệu Êpoxy+ Nhựa êpoxy là những phân tử oligome có ít nhất 1 nhóm êpoxy ,có khả năng chuyển hóa thành dạng nhựa nhiệt rắn ,có cấu trúc không gianTùy thuộc vào cấu trúc nhựa êpoxy ,chất đóng rắn và điều kiện đóng rắn ,có thể nhận được các sản phẩm có đặc tính : bền hóa chất ,chịu nhiệt,chịu tác động cơ học ,cách điện..., ứng dụng làm vecni sơn,keo kết cấu,chất dẻo gia cường và đặc biệt làm nhựa nền cho vật liệu composite. Với ưu điểm nổi bật về độ bền cơ học,nhẹ,dễ gia công ,sửa chữa ,vật liệu composite trên cơ sở nhựa êpoxy với chất gia cường sợi,hạt ,bột...dã dược ứng dụng thay thế một phần các chi tiết kim loại...nhằm giảm trọng lượng ,giảm tiêu hao năng lượng và nhiên liệu+ Trong MBA cuộn dây được tẩm, đúc trong êpoxy ngày càng được sử dụng nhiều do nó có những ưu điểm lớn như: vật liệu cách điện êpoxy có độ bền cơ ,điện,nhiệt cao,chịu được môi trường bụi bẩn ,hóa chất độ ẩm cao,chống cháy nổ ,không gây ô nhiễm môi trường khi bị sự cốDo nhựa êpoxy khi kết hợp với một số chất phụ gia khác tạo thành vật liệu điện có đặc điểm tốt hơn như có độ bền điện,cơ,nhiệt cao,ít ngấm ẩm ,dễ giàng gia công thành sản phẩm và đặc biệt có khả năng chống cháy tốt. Hiện nay êpoxy được sử dụng rất nhiều trong nghành kỹ thuật điện để tẩm, đúc cuộn dây máy biến áp khô điện áp đến 36 KV, chế tạo sứ cách điện cao áp,hạ áp,cáp điện,vỏ của các thiết bị điện,chất điện môi trong các tụ điện...+ Thông thường nhựa êpoxy sử dụng trong thiết bị điện dưới dạng compound đúc hay tẩm . Compound là hỗn hợp gồm có nhựa êpoxy ,chất đóng rắn ,phụ gia . compound tẩm cần có độ nhớt thấp,khả năng tẩm cao Compound đúc có những yêu cầu khác như độ bền cơ học cao,độ nhớt phải đảm bảo chảy đầy thể tích đúc ,ít hút nước, chịu được cháy nổ và có nhiều tính chất cách điện tốt trong khoảng nhiệt độ rộng. Để tăng độ bền cơ học,tăng khả năng truyền nhiệt và khả năng chịu lửa Compound đúc thường phải cho thêm phụ gia với một tỷ lệ thích hợp. Tăng độ bền cơ ,giảm hệ số giãn nở theo chiều dài và tăng hệ số dẫn nhiệt lên 2 đến 3 lần thường sử dụng phụ gia như thạch anh,silica,sợi thủy tinh,bột nhôm,cao lanh.... .Để tăng khả năng chịu lửa thường trộn thêm bột nhôm trihiđroxit( Al(OH)3 )2.2 Phương pháp tẩm ,đúc Êpoxy với cuộn dây của MBA khô_Quy trình tẩm Êpoxy với cuộn dây hạ áp_Chuẩn bị Êpoxy tẩmÊpoxy tẩm là một hỗn hợp của 2 cấu tử gồm nhựa Êpoxy và chất đóng rắn.Yêu cầu với Êpoxy tẩm là không được chứa nước và các bọt khí.Thời gian hữu ích phải lớn,độ nhớt thấp_Quy trình tẩmSấy : sau khi cuộn dây quấn xong và được vệ sinh sạch sẽ thì cho vào lò sấy chân không,áp suất chân không khoảng 40mmHg . Sấy cuộn dây ở nhiệt độ khoảng 700 C đến 900 C trong khoảng thời gian 5 tới 12 tiếng phụ thuộc vào kích thước của cuộn dâyTẩm: khi sấy xong cuộn dây thì nhúng cuộn dây vào Êpoxy đã pha chế sẵn dưới áp suất chân không . Sau khi Êpoxy tẩm phủ kín hết bề mặt cuộn dây thì ngừng chân không rồi cho áp suất khoảng 2 3at trong vòng 1015 phút cho tới khi không còn bọt khí. Lưu ý luôn duy trì cuộn dây ở nhiệt độ 70 90 0 C. Lấy cuộn dây ra và giữ trong không khí ở nhiệt độ thường cho đến khi Êpoxy không còn chảy giọtTrùng hợp : quá trình trùng hợp nhằm mục đích tạo cho cuộn dây thành một khối rắn ,vững chắc và có khả năng kháng được bụi bẩn ,hơi ẩm... Quá trình trùng hợp là ta đem sấy cuộn dây trong lò sấy ở nhiệt độ 7080 0 C trong khoảng 8 giờ. Sau đó ngừng sấy và kiểm tra xem cuộn dây đã kết dính hết chưa . Nếu cuộn dây chưa kết dính hết thì ta cần sấy tiếp trong khoảng thời gian 23 giờ nữa._ Quy trình đúc Êpoxy với cuộn dây cao áp Quy trình đúc cuộn dây cao áp bằng nhựa Êpoxy tương đối phức tạp từ công đoạn pha chế Êpoxy,chế tạo khuôn,đúc.... Toàn bộ các quy trình này phải được tuân thủ theo đúng các yêu cầu kỹ thuật nếu không sẽ làm sai hỏng hay giảm chất lượng sản phẩm. Một thiết bị không thể thiếu được trong khi đúc đó là khuôn đúc.+Khuôn đúc có đặc điểm Khuôn thường được chế tạo tháo rời ,phù hợp với đúc dây và đúc đầu ra dây quấnĐảm bảo bề mặt khuôn nhẵn bóng để bề mặt Êpoxy đúc dây quấn mịn,đủ khả năng chống bụi,ẩm,cách điện và dễ dàng tháo dỡMặt ép trong của khuôn phải đảm bảo độ bóng sạch và có khả năng nối ghép với chi tiết trước khi đặt dây quấnMặt ép ngoài khuôn phải đảm bảo độ bóng và dễ dàng thào dỡ ,đảm bảo độ bền cơ,bền nhiệt,không bị biến dạng khi đúc ở nhiệt độ caoĐảm bảo sao cho với độ nhớt không lớn Êpoxy đủ lấp kín các khe hở dây quấnKhuôn cần tính đến Êpoxy co ngót tự nhiên trong quá trình trùng hợp,đóng rắn và dễ dàng thoát khí khi đổ Êpoxy vào đầy khuôn ở áp suất chân không,thông thường thể tích dự trữ co ngót chiếm tỉ lệ 10 %Thép hoặc hợp kim nhôm là những vật liệu có hệ số truyền nhiệt cao và hệ số đàn hồi thấp ,thường được sử dụng để chế tạo khuôn đúc . Để có thể tháo dỡ khuôn một cách dễ dàng trên bề mặt khuôn trước khi đúc cần quét thêm một lớp bôi trơn ví dụ như dung dịch cao su Silít hữu cơ có 5 10% trong toluen,dung dịch nhựa PVC clo 5% trong toluen...+Các vật liệu cho quá trình đúc cuộn dây cao ápNhựa Êpoxy tạo từ bisphenol A với độ dẻo đảm bảo sự thẩm thấu toàn bộ cuộn dây.Chất đóng rắn axit anhydric và các chất xúc tác cần thiết cho quá trình dóng rắn của vật liệu ÊpoxyChất phụ gia như Silica nhằm tăng độ bèn cơ học và tăng khả năng dẫn nhiệt từ cuộn dây ra ngoài . Bột nhôm trihidroxit ( Al(OH)3 ) ,nhằm tăng khả năng chống cháy của máy biến áp và chất tạo màu . yêu cầu đối với chất phụ gia trước khi đúc phải được sấy khô để tránh hơi ẩm đưa vào cuộn dây khi đúc.+Các thiết bị cần thiết cho quá trình đúc cuộn dây cao ápMáy gia nhiệt tối đa tới 250 0 C dùng để sấy cuộn dây ,đun nóng nhựa Êpoxy, phụ gia và chất đóng rắn.Máy trộn nhiên liệu Êpoxy ,chất đóng rắn,phụ gia chịu áp suất tới 5at và nhiệt độ là 1600CBuồng đúc chân không làm việc với áp suất chân không tới 3mmHg và nhiệt độ đến 1600C

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHŨ VIẾT TẮT

Khoảng cách cách điện giữa 2 dây quấn của 2 trụ cạnh

Trọng lượng gông G g

DANH MỤC CÁC HÌNH VE

Hình 1.1 Các cấu trúc mạng tinh thể

Hình 1.2 Sơ đồ thiết bị điều khiển công nghệ rót khép kín

Hình 1.3 Sơ đồ thiết bị điều khiển công nghệ rót liên tục

Hình 1.4 Qui trình chế tạo vật liệu vô định hình

Hình 1.5 Tổn thất lõi VĐH theo nhiệt độ và thời gian ủ

Hình 2.1 Sơ đồ đúc cuộn dây cao áp

Hình 3.1 Mô hình mạch từ của MBA lõi VĐH

Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn mỗi quan hệ của β và các thông số

Hình 3.3 Kích thước và cách bố trí dây quấn HA

Hình 3.4 Hình dáng và cách bố trí dây quấn CA

Hình 3.5 Kết cấu mạch từ

Hình 3.6 Kích thước và tiết diện từng bậc thang

Hình 3.7 Kích thước mạch từ

Hình 3.8 Kích thước vỏ máy

Hinh 3.9 quá trình sinh ra lực cơ khí phá hỏng dây quấn MBA

Hình 3.10 Bố trí dây quấn CA, HA và lực cơ học

Hình 3.11 Dây quấn MBA bị uốn cong

Hình 3.12 Dây quấn bị bến dạng bởi lực hướng kính và hướng trụ

Hình 4.1 Máy biến áp khô đúc bằng nhựa epoxy

Hình 4.2 Biểu thị đường cong từ trễ của vật liệu VĐH và thép Silic

Hình 4.3 Khả năng chống cháy cuộn dây đúc epoxy

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 bảng tính toán sơ bộ MBA

Bảng 3.2 Kích thước các tập lá thép

Bảng 3.3 thứ tự bậc và kích thước lá thép

Bảng 3.4 điều kiện chọn và tra sứ

LỜI MỞ ĐẦU

Chúng ta đang sống trong thời đại với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, một thời đại mà sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa được đặt lên hàng đầu.

Nói đến công nghiệp hóa, hiện đại hóa thì không thể tách rời được ngành điện, ngành điện đóng một vai trò mấu chốt trong quá trình đó.

Trong ngành điện thì công nghiệp thiết kế máy điện là một khâu vô cùng quan trọng, nhờ có các kỹ sư thiết kế máy điện mà các máy phát điện mới được ra

đời cung cấp cho các nhà máy điện Khi điện đã được sản xuất ra thì phải truyền tải điện năng tới nơi tiêu thụ, trong quá trình truyền tải điện năng đó thì không thể thiếu được các máy biến áp dùng để tăng và giảm điện áp lưới sao cho phù hợp nhất, đối với việc tăng điện áp lên cao để tránh tổn thất điện năng khi truyền tải cũng như giảm điện áp cho phù hợp với nơi tiêu thụ.

Vì lý do đó mà máy biến áp (MBA) là một bộ phận đóng vai trò rất quan trọng trong cơ sở hạ tầng của hệ thống điện.vì thế vấn đề giảm tổn hao công suất cũng như hư hỏng do bị ngắn mạch của MBA có ý nghĩa kinh tế rất quan trọng,chính vì vậy mà hiện nay các nhà thiết kế không ngừng nghiên cứu tìm giải pháp cũng như tìm các vật liệu mới để thiết kế để đáp ứng tốt nhất những yêu cầu

về tổn hao công suất cũng như hiệu quả kinh tế của MBA Hiện nay vật liệu mềm VĐH có cấu trúc vi mô đặc biệt nên có thể đáp ứng được những yêu cầu về tổn hao lõi , vật liệu epoxy với đặc tính ưu điểm không bắt lửa và chống cháy do tia lửa điện Do đó mà MBAVĐH có cuộn dây đúc bằng nhựa epoxy ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn và không ngừng được cải tiến sao cho phục vụ nhu cầu của người sử dụng được tốt nhất.

Bằng tất cả cố gắng của mình, với những kiến thức nhận được từ thầy cô và sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo ĐỖ VĂN TỐN mà tôi đã làm nên bài thiết kế đồ

án tốt nghiệp này.

Chương 1 TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO ,ĐẶC TÍNH CỦA THÉP VÔ ĐỊNH HÌNH

1.1 Công nghệ chế tạo lõi thép vô định hình

_Biến áp là một phần quan trọng cấu thành lưới điện Nguyên lý hoạt động của máy biến áp (MBA) điện lực vẫn giữ nguyên không đổi kể từ khi MBA ba pha đầu tiên được chế tạo vào năm 1899 Tuy vậy tính năng của nó được hoàn thiện và phát triển liên tục trong suốt hơn 100 năm qua Cho đến những năm trước 1980, người

ta vẫn chỉ tập trung vào việc tìm cách nâng cao công suất và điện áp của MBA, trong vài thập kỷ gần đây việc phát triển máy biến áp điện lực mới đi sâu vào các khía cạnh kinh tế và sinh thái MBA phân phối luôn đóng góp một vai trò hết sức quan trọng trong cơ sở hạ tầng của hệ thống điện, nó chiếm tỉ lệ lớn trong tổng công suất của hệ thống MBA, vì thế vấn đề giảm tổn hao công suất của MBA phân phối có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật rất quan trọng Để giảm tổn hao công suất trong MBA, cần thiết kế máy sao cho tổng tổn hao của dây đồng và tổn hao sắt từ nhỏ nhất, trong đó tổn hao sắt phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của loại thép Vật liệu từ mềm vô định hình (VĐH) được phát hiện từ năm 1970, nhờ vào thành phần

và cấu trúc vi mô đặc biệt nên đặc tính từ của thép VĐH tốt hơn hẳn so với thép silic tinh thể cán nguội, cụ thể:

_Cấu trúc mạng tinh thể

Mạng tinh thể tôn silic có cấu trúc hoàn toàn xác định, được sắp xếp đều đặn trong quá trình làm nguội và cán lá tôn (hình 1.1a) Kết quả hình thành mạng tinh thể có tính chất định hướng theo chiều cán Điểm khác biệt quan trọng của vật liệu từ VĐH so với vật liệu từ truyền thống là người ta thực hiện quá trình làm lạnh đột ngột vật liệu bằng cách phun chùm tia Nitơ lỏng vào khối vật liệu đang nóng chảy Tốc độ giảm nhiệt độ đạt tới một triệu độ C trong một giây Kết quả mạng tinh thể

bị phá vỡ, tạo nên trạng thái vật liệu cấu trúc có tính chất ngẫu nhiên, còn gọi là

“thủy tinh kim loại”

a) Thép vô định hình b) Thép tôn Silic định hướng cán nguội

Hình 1.1 Các cấu trúc mạng tinh thể

_Công nghệ chế tạo vật liệu từ vô định hình

Vật liệu VĐH được chế tạo từ nhiều phương pháp khác nhau Tuy nhiên, để đơn giản có thể sử dụng phương pháp nguội nhanh từ tinh thể lỏng

Phương pháp nguội nhanh đơn trục: Là phương pháp nguội nhanh trên trống quay, nhưng sử dụng một trống quay với tốc độ cao, hợp kim được phun trên bề mặt trống nhờ vòi phun đặt sát bề mặt Độ dày của băng hợp kim phụ thuộc vào 2 yếu

tố là khoảng cách từ vòi phun đến mặt trống và tốc độ trống Phương pháp này dễ tiến hành và giá thành thấp nhưng có một nhược điểm là dễ xảy ra sự sai khác về cấu trúc cũng như tính chất bề mặt ở 2 phía của băng hợp kim đồng thời tính lặp lại về chiều dày của hợp kim thường không cao

Phương pháp nguội nhanh hai trục: Là phương pháp nguội nhanh sử dụng 2 trống quay đặt tiếp xúc với nhau và quay ngược chiều nhau Hợp kim được làm lạnh giữa

2 khe của bề mặt trống, vừa bị làm lạnh vừa bị cán ép nên có độ dày rất chuẩn xác (chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai trống và tốc độ trống) đồng thời tính chất ở hai bề mặt sai khác rất thấp, điểm khó của phương pháp này là tính đồng bộ giữa hai trống quay Điểm quan trọng của phương pháp nguội nhanh là chế tạo các trống quay trên một trục cực kỳ chính xác (độ rung của bề mặt trống rất thấp, chỉ

cỡ một vài micromet), đồng thời bề mặt của các trống phải được xử lý rất sạch và nhẵn Các trống thường được chế tạo bằng các kim loại có khả năng thu nhiệt nhanh và ít bị ôxi hóa Hai loại vật liệu phổ biến được dùng là đồng và môlipđen Để chế tạo các băng hợp kim đặc biệt chứa các kim loại dễ bị ôxi hóa, người ta có thể đặt cả hệ trong môi trường bảo vệ (được hút chân không cao, và được nạp các khí bảo vệ), quá trình chế tạo được thể hiện trên các hình 1.2 và 1.3.

Hình 1.2 Sơ đồ thiết bị điều khiển công nghệ rót khép kín (1 Van khí; 2 vòng cảm ứng; 3 Hợp kim lỏng; 4 Băng mỏng; 5 Bình khí Argon; 6 Trống đồng; 7 Ống thạch

anh; 8 Dụng cụ đo nhiệt).

- Phôi liệu: Hợp kim có thành phần Fe, Nb, Cu, , Si được nấu từ các fero Fe-B, Fe-Si, Fe-B-Si với hàm lượng Fe trên 80% và bổ sung Nb nguyên chất, B nguyên chất Hợp kim ban đầu được nấu bằng l cảm ứng cao tần, phương pháp nấu này bảo đảm cho hợp kim ban đầu có độ sạch cao, không bị oxy hóa và có độ đồng nhất về thành phần như hình 1.2

- Nguyên lý: Nguyên liệu ban đầu được tính theo thành phần hợp thức, được nấu chảy bằng l cảm ứng cao tần trong ống thạch anh, trong chân không hoặc khí trơ tránh oxy hóa ,bởi tiếp xúc với oxy môi trường Hợp kim nóng chảy được phun qua nhờ áp suất khí Ar, tia kim loại lỏng ra khỏi vòi phun gặp bề mặt trống bị dàn mỏng, truyền nhiệt cho trống và mất nhiệt nhanh chóng, đông cứng và văng ra khỏi

bề mặt trống dưới dạng băng mỏng Trong thời gian tiếp xúc giữa hợp kim lỏng và mặt trống, hợp kim giảm nhiệt độ từ 1500 o C tới nhiệt độ phòng trong thời gian rất ngắn (vài phần nghìn giây)

Hình 1.3 Sơ đồ thiết bị điều khiển công nghệ rót liên tục

Sơ đồ khối thiết bị điều khiển công nghệ ampoule liên tục (hình1.3), đây là dây chuyền với quy mô công nghiệp.

Trong đó: 1 Nồi nấu hợp kim với dung tích 200kg, nhiệt độ 1500 o C, công suất 200kg/mẻ và cơ cấu rót; 2 Nồi chứa trung gian, nhiệt đ 1480 o C; 3 Vòi phun, nhiệt

30-độ 1450 0 C; 4 Tang trống quay nhanh và hệ thống làm mát; 5 Các thiết bị điều

khiển và đo lường (nhiệt độ , áp suất, khoảng cách, tốc độ ); 6 Sản phẩm: Thép biến

áp dạng băng mỏng

Vật liệu VĐH được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp, quân sự trong một vài thập kỷ qua Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, vật liệu VĐH đã ngày càng được sử dụng nhiều hơn Đáng chú ý nhất là sử dụng vào chế tạo lõi thép cho MBA Trên hình 1.4 mô tả tổng quát quy trình chế tạo vật liệu VĐH dạng băng mỏng

có kích thước lớn để chế tạo lõi MBA lực

Hình 1.4 Qui trình chế tạo vật liệu vô định hình Trong đó: (A) Lò nấu chảy; (B) Hệ thống rót; (C) Trục quay; (D1) (D2) Thiết bị kiểm tra độ dày và bề rộng băng; (E) Thiết bị quấn băng

1.2 Đặc tính thép VĐH

- Điện trở suất tăng nhiều lần, chiều dày lá thép giảm khoảng 10 lần.

- Lực khử từ rất nhỏ 0,8 A/m, đường cong từ trễ hẹp, do đó tổn hao từ trễ có thể bỏ qua Trong thời gian gần đây, công nghệ vật liệu từ đã có những tiến bộ nhảy vọt cho phép ứng dụng vật liệu từ VĐH trong việc chế tạo mạch từ của MBA phân phối Các tài liệu đã đề cập đến vấn đề kinh tế khi sử dụng MBA lõi thép VĐH và đưa ra

so sánh chi phí tổn thất giữa hai loại M A lõi thép silic thông thường và lõi VĐH, từ

đó khẳng định sử dụng MBA lõi thép VĐH giảm tổn hao không tải từ 60-70% và sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao Với những ưu điểm như trên, MBA lõi thép VĐH được ứng dụng sản xuất rộng rãi và dần thay thế MBA lõi thép truyền thống

Bên cạnh đó, vật liệu từ VĐH là những dải băng mỏng có độ dày từ 0,02mm đến 0,03mm, rất nhạy cảm với nhiệt độ , biến dạng cơ học khi gia công cũng như biến dạng bởi từ trường ngoài

1.3 Cách ủ từ cho thép VĐH

Để phục hồi từ tính cho vật liệu lõi thép vô định hình, một số tác giả đã có những phương pháp như :

-tác giả Benedito Antonio Luciano dã thử nghiệm MBA lõi thép VĐH 1pha 1KVA,xử

lý lõi trong từ trường DC để phục hồi từ tính cũng nhằm giảm tổn hao và nâng cao hiệu suất ,các kết quả thử nghiệm về hiệu suất cũng được so sánh với MBA lõi thép Silic

- Tương tự tác giả Chang-Hung Hsu, Yeong-Hwa Chang dã tiến hành thực nghiệm ủ lõi thép VĐH SA1 trong từ trường DC 800A/m nhằm xác định điều kiện nhiệt

độ,thời gian ủ tối ưu để tổn hao trên lõi thép nhỏ nhất

Hình 1.5 Tổn thất lõi VĐH theo nhiệt độ và thời gian ủ

Từ hình 1.5 cho thấy thời gian và nhiệt độ ủ lõi tối ưu là 360 0 C trong 2 giờ ,tổ hao lõi khoẳng 0,4 W/kg tại cảm ứng từ B = 1,2T

Chương 2 : TÌM HIỂU VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN ÊPOXY TRONG MÁY BIẾN ÁP KHÔ 2.1 Tìm hiểu về vật liệu Êpoxy

+ Nhựa êpoxy là những phân tử oligome có ít nhất 1 nhóm êpoxy ,có khả năng chuyển hóa thành dạng nhựa nhiệt rắn ,có cấu trúc không gian

Tùy thuộc vào cấu trúc nhựa êpoxy ,chất đóng rắn và điều kiện đóng rắn ,có thể nhận được các sản phẩm có đặc tính : bền hóa chất ,chịu nhiệt,chịu tác động cơ học ,cách điện , ứng dụng làm vec-ni sơn,keo kết cấu,chất dẻo gia cường và đặc biệt làm nhựa nền cho vật liệu composite Với ưu điểm nổi bật về độ bền cơ

học,nhẹ,dễ gia công ,sửa chữa ,vật liệu composite trên cơ sở nhựa êpoxy với chất gia cường sợi,hạt ,bột dã dược ứng dụng thay thế một phần các chi tiết kim

loại nhằm giảm trọng lượng ,giảm tiêu hao năng lượng và nhiên liệu

+ Trong MBA cuộn dây được tẩm, đúc trong êpoxy ngày càng được sử dụng nhiều

do nó có những ưu điểm lớn như: vật liệu cách điện êpoxy có độ bền cơ ,điện,nhiệt cao,chịu được môi trường bụi bẩn ,hóa chất độ ẩm cao,chống cháy nổ ,không gây ô nhiễm môi trường khi bị sự cố

Do nhựa êpoxy khi kết hợp với một số chất phụ gia khác tạo thành vật liệu điện có đặc điểm tốt hơn như có độ bền điện,cơ,nhiệt cao,ít ngấm ẩm ,dễ giàng gia công thành sản phẩm và đặc biệt có khả năng chống cháy tốt Hiện nay êpoxy được sử dụng rất nhiều trong nghành kỹ thuật điện để tẩm, đúc cuộn dây máy biến áp khô điện áp đến 36 KV, chế tạo sứ cách điện cao áp,hạ áp,cáp điện,vỏ của các thiết bị điện,chất điện môi trong các tụ điện

+ Thông thường nhựa êpoxy sử dụng trong thiết bị điện dưới dạng compound đúc hay tẩm Compound là hỗn hợp gồm có nhựa êpoxy ,chất đóng rắn ,phụ gia

compound tẩm cần có độ nhớt thấp,khả năng tẩm cao Compound đúc có những yêu cầu khác như độ bền cơ học cao,độ nhớt phải đảm bảo chảy đầy thể tích đúc ,ít hút nước, chịu được cháy nổ và có nhiều tính chất cách điện tốt trong khoảng nhiệt độ rộng Để tăng độ bền cơ học,tăng khả năng truyền nhiệt và khả năng chịu lửa Compound đúc thường phải cho thêm phụ gia với một tỷ lệ thích hợp Tăng độ bền

cơ ,giảm hệ số giãn nở theo chiều dài và tăng hệ số dẫn nhiệt lên 2 đến 3 lần

thường sử dụng phụ gia như thạch anh,silica,sợi thủy tinh,bột nhôm,cao lanh .Để tăng khả năng chịu lửa thường trộn thêm bột nhôm trihiđroxit( Al(OH) 3 )

2.2 Phương pháp tẩm ,đúc Êpoxy với cuộn dây của MBA khô

_Quy trình tẩm Êpoxy với cuộn dây hạ áp

_Chuẩn bị Êpoxy tẩm

Êpoxy tẩm là một hỗn hợp của 2 cấu tử gồm nhựa Êpoxy và chất đóng rắn.Yêu cầu với Êpoxy tẩm là không được chứa nước và các bọt khí Thời gian hữu ích phải lớn,độ nhớt thấp

_Quy trình tẩm

Sấy : sau khi cuộn dây quấn xong và được vệ sinh sạch sẽ thì cho vào lò sấy chân không,áp suất chân không khoảng 40mmHg Sấy cuộn dây ở nhiệt độ khoảng 70 0 C đến 90 0 C trong khoảng thời gian 5 tới 12 tiếng phụ thuộc vào kích thước của cuộn dây

Tẩm: khi sấy xong cuộn dây thì nhúng cuộn dây vào Êpoxy đã pha chế sẵn dưới áp suất chân không Sau khi Êpoxy tẩm phủ kín hết bề mặt cuộn dây thì ngừng chân không rồi cho áp suất khoảng 2 - 3at trong vòng 10-15 phút cho tới khi không còn bọt khí Lưu ý luôn duy trì cuộn dây ở nhiệt độ 70 -90 0 C Lấy cuộn dây ra và giữ trong không khí ở nhiệt độ thường cho đến khi Êpoxy không còn chảy giọt

Trùng hợp : quá trình trùng hợp nhằm mục đích tạo cho cuộn dây thành một khối rắn ,vững chắc và có khả năng kháng được bụi bẩn ,hơi ẩm Quá trình trùng hợp

là ta đem sấy cuộn dây trong lò sấy ở nhiệt độ 70-80 0 C trong khoảng 8 giờ Sau đó

ngừng sấy và kiểm tra xem cuộn dây đã kết dính hết chưa Nếu cuộn dây chưa kết dính hết thì ta cần sấy tiếp trong khoảng thời gian 2-3 giờ nữa.

_ Quy trình đúc Êpoxy với cuộn dây cao áp

Quy trình đúc cuộn dây cao áp bằng nhựa Êpoxy tương đối phức tạp từ công đoạn pha chế Êpoxy,chế tạo khuôn,đúc Toàn bộ các quy trình này phải được tuân thủ theo đúng các yêu cầu kỹ thuật nếu không sẽ làm sai hỏng hay giảm chất lượng sản phẩm Một thiết bị không thể thiếu được trong khi đúc đó là khuôn đúc.

+Khuôn đúc có đặc điểm

Khuôn thường được chế tạo tháo rời ,phù hợp với đúc dây và đúc đầu ra dây quấn Đảm bảo bề mặt khuôn nhẵn bóng để bề mặt Êpoxy đúc dây quấn mịn,đủ khả năng chống bụi,ẩm,cách điện và dễ dàng tháo dỡ

Mặt ép trong của khuôn phải đảm bảo độ bóng sạch và có khả năng nối ghép với chi tiết trước khi đặt dây quấn

Mặt ép ngoài khuôn phải đảm bảo độ bóng và dễ dàng thào dỡ ,đảm bảo độ bền cơ,bền nhiệt,không bị biến dạng khi đúc ở nhiệt độ cao

Đảm bảo sao cho với độ nhớt không lớn Êpoxy đủ lấp kín các khe hở dây quấn Khuôn cần tính đến Êpoxy co ngót tự nhiên trong quá trình trùng hợp,đóng rắn và

dễ dàng thoát khí khi đổ Êpoxy vào đầy khuôn ở áp suất chân không,thông thường thể tích dự trữ co ngót chiếm tỉ lệ 10 %

Thép hoặc hợp kim nhôm là những vật liệu có hệ số truyền nhiệt cao và hệ số đàn hồi thấp ,thường được sử dụng để chế tạo khuôn đúc Để có thể tháo dỡ khuôn một cách dễ dàng trên bề mặt khuôn trước khi đúc cần quét thêm một lớp bôi trơn ví dụ như dung dịch cao su Silít hữu cơ có 5 -10% trong toluen,dung dịch nhựa PVC clo 5% trong toluen

+Các vật liệu cho quá trình đúc cuộn dây cao áp

Nhựa Êpoxy tạo từ bisphenol A với độ dẻo đảm bảo sự thẩm thấu toàn bộ cuộn dây Chất đóng rắn axit anhydric và các chất xúc tác cần thiết cho quá trình dóng rắn của vật liệu Êpoxy

Chất phụ gia như Silica nhằm tăng độ bèn cơ học và tăng khả năng dẫn nhiệt từ cuộn dây ra ngoài Bột nhôm trihidroxit ( Al(OH) 3 ) ,nhằm tăng khả năng chống cháy của máy biến áp và chất tạo màu yêu cầu đối với chất phụ gia trước khi đúc phải được sấy khô để tránh hơi ẩm đưa vào cuộn dây khi đúc.

+Các thiết bị cần thiết cho quá trình đúc cuộn dây cao áp

Máy gia nhiệt tối đa tới 250 0 C dùng để sấy cuộn dây ,đun nóng nhựa Êpoxy, phụ gia và chất đóng rắn.

Máy trộn nhiên liệu Êpoxy ,chất đóng rắn,phụ gia chịu áp suất tới 5at và nhiệt độ là

160 0 C

Buồng đúc chân không làm việc với áp suất chân không tới 3mmHg và nhiệt độ đến

160 0 C

Quy trình đúc :

Hình 2.1 Sơ đồ đúc cuộn dây cao áp Cho 50% phụ gia vào mỗi máy trộn 1 Trộn đều sau đó dẫn xuống máy trộn 2 nhựa Êpoxy và chất đóng rắn cho vào máy trộn 2 trộn đều với chất phụ gia Toàn bộ đưa xuống máy trộn 3 và trộn đều trước khi đưa vào buồng dúc chân không Trộn Êpoxy và chất đóng rắn cần tránh bay hơi,làm ảnh hưởng tới quá trình dúc cuộn dây trong Êpoxy,vì vậy thường thực hiện bước đầu ở áp suất cao và nhiệt độ thấp hơn Thời gian chuẩn bị vật liệu kéo dài khoảng 8 giờ

- Ghếp khuôn đúc dây quấn

- Sấy gia nhiệt dây quấn và khuôn đến nhiệt độ 100-130 0 C để làm bay hơi hết các hơi nước ở trong dây quấn

- Gia nhiêt và tạo chân khoongtrong buồng đúc chân không ở 100-130 0 C và

áp suất không quá 40mmHg.

- Hỗn hợp Êpoxy được đưa vào khuôn dưới áp suất chân không là 3mmHg.

- Trùng hợp cuộn dây ở nhiệt độ t =75 ± 5 0 C ở áp suất bình thường Khi dây quấn đã cứng chắc thì đưa ra ngoài làm nguội và tháo dỡ khuôn.

Một số yêu cầu đối với cuộn dây sau khi đúc

- Êpoxy phải chèn đầy các khe hở bên trong,bên ngoài và bám chắc vào các cuộn dây

- Bề mặt dây quấn phải mịn,bóng không có lỗ hổng

- Dây quấn tạo thành một khối cứng chắc

- Độ dày lớp Êpoxy bọc bên trong ,bên ngoài dây quấn phải đều nhau

- Đạt các tiêu chuẩn cách điện theo TCVN 6306-3: 2006; IEC 60076-3:2000.

Chương 3 : THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP KHÔ BỌC ÊPOXY

Các thông số cơ bản của máy biến áp

• Công suất : S =320 kVA

• Cấp điện áp : 22 kV 2 2,5 % / 0,4 kV

• Tổ nối dây : Y 0 /Y 0 -12

• Điện áp ngắn mạch : U N %= 5,5

3.1 tính toán kích thước chủ yếu MBA

3.1.1 Xác định đại lượng cơ bản

(1) _Dung lượng một pha

S f =

S m

=

320 3

=106,666(kVA)

Trong đó : m là số pha MBA

(2) _Dung lượng trên mỗi trụ

S ’ =

S t

=

320 3

=106,666(kVA) trong đó t là số trụ tác dụng t=3

S công suất định mức của máy biến áp

(3) _Dòng điện dây định mức tính tương ứng với dây quấn CA và HA

Đối với máy 3 pha :

I = 3.

S U

- Dòng điện dây phía cao áp

I 1 = 1

3

S U

=

3203.22

=

320 3.0, 4

= 462 ( A)

= 12700 (V)

- Điện áp pha định mức phía hạ áp, phía hạ áp nối sao ta có

U f2 =

23

U

=

3

0, 4.103

= 231 (V)

(6) _Xác định điện áp thử

Để xác định khoảng cách cách điện giữa các dây quấn, các phần dẫn điện khác và các bộ phận nối đất của máy biến áp cần phải biết các trị số điện áp thử của chúng Dựa theo cấp điện áp của dây quấn chọn điện áp thử tương ứng

- Điện áp thử dây quấn cao áp

U nr =

10.

n f

P S (% ) với P n =

S sc : tiết diện dây sơ cấp

S tc : tiết diện dây thứ cấp

S cs : tiết diện cửa sổ ( S cs =

 

sc tc d

= 0,93 % Điện áp ngắn mạch phản kháng

V V

không bị xê dịch vị trí các cuộn dây Mạch từ gồm 2 phần chính Trụ và Gông ,trụ là

phần lõi tép có lồng dây quấn,gông là phần không có dây quấn dùng để khép kín mạch từ giữa các trụ lại với nhau Để giảm tổn hao do dòng điện xoáy mạch từ của MBA được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện lại Các lá thép này có thể có kích thước khác nhau sao cho khi ghép tiết diện của trụ,gông có dạng gần hình tròn

Hình dạng kích thước của mạch từ phụ thuộc vào hình dạng của cuộn dây, Về mặt chịu ứng lực ngắn mạch thì cuộn dây hình tròn là tốt nhất do lực điện từ theo hướng kính phân bố đồng đều nhất Đối với máy biến áp khô do khả năng cách điện

và làm mát không bằng máy biến áp dầu nên mật độ từ cảm trong gông và trụ thường chọn nhỏ hơn so với máy biến áp dầu Do đó đối với lõi thép của máy biến

áp khô thì trụ và gông máy biến áp được thiết kế sao cho có dạng gần hình tròn Gông và Trụ được xếp từ các lá thép có kích thước khác nhau thành các bậc sao cho sau khi ghép tiết diện của trụ,gông có dạng hình tròn nhất Ta có thể thiết kế mạch

từ với cấu trúc cuộn dạng phẳng Mạch từ gồm 3 vòng xuyến 2 vòng xuyến con bằng nhau và một vồng xuyến lớn bên ngoài Tiết diện ngang của mạch từ có dạng hình bậc thang đối xứng nội tiếp đường tròn

Xu thế hiện nay các nhà sản xuất luôn muốn tìm vật liệu mới ,đồng thời hoàn thiện thiết kế để chế tạo MBA có tổn hao thấp Nhờ vào thành phần và cấu trúc vi mô đặc biệt ,thép VĐH đáp ứng được cả 3 tiêu chí để giảm tổn hao lõi: lực kháng từ nhỏ, H c

~ 5-10 A/m(so với ~ 50-100 A/m của tôn silic ),độ dày tự nhiên của lá thép rất nhỏ 0,03 mm ( so với 0,3- 0,5 mm của tôn silic ) và điện trở suất rất lớn từ 130-170 micro ohm.cm(so với ~ 50-60 micro ohm.cm của tôn silic ) Nhờ vào các tính chất trên mà tổn hao lõi thép VĐH giảm mạnh so với thép silic loại tốt nhất,chính vì thế xua hướng hiện nay các nhà thiết kế sản xuất luôn hướng tới dùng thép VĐH làm lõi thép của MBA

(2)_ Chọn thông số cơ bản cho máy biến áp

Với đề tài này ta chọn thiết kế máy 3 pha 3 trụ tiết diện trụ nhiều cấp để giảm tổn hao và tăng công suất

a a

a

l

a a

d d

12

Hình 3.1 Mô hình mạch từ của MBA lõi VĐH Trong đó :

a 01 : là khoảng cách điện giữa trụ và dây quấn HA

a 12 : khoảng cách cách điện giữa 2 cuộn dây quấn HA và CA

a 22 : khoảng cách giữa các dây quấn CA

a 1 : bề dầy của cuộn dây quấn HA

a 2 : bề dầy của cuộn dây cuốn cao áp

c: khoảng cách từ tâm của 2 trụ gần kề nhau

d : đường kính vòng tròn bao trụ

d 12 : đường kính trung bình cuộn CA và HA

l : chiều cao cuộn dây

l 0 : khoảng cách giữa gông và cuộn dây cao áp

(3)_Xác định tham số để tính kích thước chủ yếu

_Ta có : tỷ số kích thước cơ bản của MBA

12

    d

_ Chọn vật liệu tác dụng

Chọn vật liệu làm mạch từ là thép VĐH mã hiệu VĐH2605SA1 có bề dày

0,03(mm) Chọn mật độ tự cảm trong trụ của máy B t = 1,13 T

_ Các hệ số liên quan và khoảng cách cách điện chính

 0, 6 106, 666.10 −

= 0,0193 m Lấy K = 0,6 (theo bảng 12 TKMBAĐL )

Vậy chiều dài quy đổi

a r = a 12 + (a 1 +a 2 )/ 3 = 0,027 + 0,0193 = 0,0463 m

theo bảng 18 và 19 TKMBAĐL được a 12 = 27 mm , l 0 =75 mm, a 22 =20 mm với U th =

85 kV, a 01 = 30 mm với U th = 5 kV

+ Hệ số Roogovski (K r ) hệ số từ trường tản K r =0,95

+Chọn hệ số gông K g =1.02 (tỉ lệ giữa tiết diện gông và trụ )

+Ép trụ bằng nêm với dây quấn

+Không dùng bulong xuyên qua trụ và gông

+Ép gông bằng xà ép hình chữ U và V

+Hệ số ép chặt cửa máy biến áp K c = 0,93 (theo bảng 5 TKMBAĐL)

+Hệ số điền đầy K d =0,92

+Hệ số lợi dụng K ld = K c. K d =0,93 0,92 =0,8556

+Hệ số tổn hao phụ K f = 0,9 (theo bảng 15 TKMBAĐL )

_Chọn hệ số bậc thang trong trụ

Do kết cấu mạch từ dạng cuộn phẳng nên số bậc của trụ và gông bằng nhau

Theo bảng 5 TKMBAĐL với d= 0,22 (m) ta chọn số bậc thang trong trụ ,gông: n =7 bậc

Theo công thức 2-15 (trang 31, TKMBAĐL), hệ số gia tăng tiết diện gông:

k g =

g t

T T

= 1 (do mạch từ cuộn nên gông và trụ có tiết diện như nhau)

Từ đó ta có:

B g =

t g

B

k

= 1,13T Suất tổn hao trong trụ và gông là như nhau, theo bảng 45 (trang

220.TKMBAĐL), ta có: P t = P g = 0,6 (W/kg)

Suất từ hóa trong trụ và gông là như nhau, theo bảng 50 (trang 224,

TKMBAĐL), ta có: q t = q g = 0,65 (VA/kg)

_ chọn hệ số hình dáng trong dải 0,9 tới 1,2

Để xác định chính xác ta cần tính các số liệu và đặc tính cơ bản của MBA

Các hằng số tính toán a,b: theo bảng 13,14 (trang 195,[1]), ta có:

a = 1,3, b = 0,4 Hệ số:

' 4

320.1,310

Trọng lượng sắt:

G Fe = G t + G g =

1

A x + (A 2 + B 2 ).x 2 + B 1 x 3

Tiết diện trụ sơ bộ theo công thức :

T t = 0,785.k ld A 2 x 2 = 0,785.0,8556.0,187 2 x 2 =0,023 x 2

Với kết cấu mạch như trên tra bảng 48 trang 222,TKMBAĐL ta được :

K pf =1,15

K po =0 (mạch cuộn liên tục không có mối nối xiên hay thẳng)

Có thể tính sơ bộ tổn hao không tải như sau:

T k : diện tích bề mặt khe hở, q k là công suất từ hóa trong khe hở không khí.

Do mạch từ cuộn liên tục nên T k và q k = 0.

Q 0 = k’ if

"

if k q t G t + k’ if

"

if k

q g G g = k’ if

"

if k q t (G t + G g ) = 1,18.1,07.0,65G Fe = 1,2626 G Fe

_ Lập bảng tính toán sơ bộ máy biến áp

Bảng 3.1 Tính toán sơ bộ MBA Trong bảng này, ta phải chọn được β tối ưu, đáp ứng được đặc tính kỹ thuật, cho giá thành máy rẻ nhất và vận hành kinh tế nhất.

Ta lập đồ thị biểu diễn quan hệ giữa P 0 , I 0 , C td với hệ số hình dáng β :

0,9 1 1,11 1,13 1,15 1000

a Đồ thị biểu diễn quan hệ P 0 và β

b Đồ thị biểu diễn quan hệ i 0 và β