Thiết kế máy biến áp

Tính toán máy biến áp dầu ba pha có số liệu sau: Tổng dung lượng máy biến áp S= 320 kVA; Số pha m = 3; Tần số f = 50 Hz; Điện áp hạ áp: U2= 0,4 kV; Điện áp cao áp: U1 = 15 kV; So đồ nối dây YY0¬12. Máy biến áp chế tạo theo tiêu chuẩn gam mới, có các đặc tính: điện áp ngắn mạch un = 4,4%; tổn hao ngắn mạch pn¬ = 5200 W; Tổn hao không tải p0 = 1200 W; dòng điện không tải i0 = 2,5. Làm lạnh bằng dầu biến áp. Thiết bih đặt ngaòi trời. thiết kế dây dẫn bằng đồng, loại máy biến áp ba pha ba trụ cấu trúc phẳng.

Chương I

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ

Tính toán máy biến áp dầu ba pha có số liệu sau:

Tổng dung lượng máy biến áp S= 320 kVA;

Số pha m = 3; Tần số f = 50 Hz;

Điện áp hạ áp: U2= 0,4 kV; Điện áp cao áp: U1 = 15 kV;

So đồ nối dây Y/Y0-12

2,5 Làm lạnh bằng dầu biến áp Thiết bih đặt ngaòi trời thiết kế dây dẫn bằng đồng, loại máy biến áp ba pha ba trụ cấu trúc phẳng

Chương II

TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU

I XÁC ĐỊNH CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN CƠ BẢN

1 Dung lượng một pha

Sf =

m

S dm

=Error! Not a valid link. = 106,67 (kVA)

Dung lượng trên mỗi trụ: S’ =

t

S dm

= 3

320 = 106,67 (kVA)

10

3

10.15.3

10.320

10

3

10.4,0.3

10.320

10

3

10.4,

= 231 (V)

5 Điện áp thử của các dây quấn:

Lớp 2

Để xác định khoảng cách cách điện giữa các dây quấn và giữa các phần khác của máy biến áp

trong bảng 2 tài liệu hướng dẫn ta được:

nr

n U

II Chọn số liệu xuất phát và tính toán các kích thước cơ bản

Các kích thước cơ bản của máy biến áp

1 Chiều rộng quy đổi của rãnh từ tản giữa dây quấn cao áp và hạ áp:

Với Uth1 = 45 kV, theo bảng 19 TLHD ta có a12 = 20mm, δ12= 4 mm trong rãnh a12 đặt ống

2 Hệ số quy đổi từ trường tản là k r = 0,95

3 ta chọn tôn cán lạnh mã hiệu 3404 có chiều dày 0,35 mm Theo bảng 11 tài liệu hướng dẫn,

ta chọn từ cảm trong trụ Bt = 1,62 T, hệ số kg = 1,025

Cách ghép trụ: theo bảng 6 TLHD, ta chọn cách ghép trụ bằng nêm và dây quấn cách ép gông: ta chọn cách ép gông bằng xà ép, bu lông đặt phía ngoài gông Chọn hệ số tăng cường gông kg = 1,025

Sử dụng lõi thép có bốn mối ghép xiên ở bốn

góc của lõi, còn ba mối nối giữa dùng mối ghép

thẳng lá tôn

Theo bảng 4 TLHD chọn số bậc thang trong

trụ là 6 số bậc thang của gông lấy nhỏ hơn trụ

62,1 =1,58 (T)

k = Bt = 1,62 (T), từ cảm ở khe hở không khí ở mối

dây quấn hay của rãnh dầu của hai dây quấn

l0 khoảng cách từ dây quấn đến gông

cao áp quấn ở hai trụ

cuôn hạ áp

quấn cao áp và dây quấn hạ áp

62,1 = 1,146(T) Suất tổn hao sắt ở trụ và gông, theo bảng 45 và 50 TLHD với tôn chọn có mã hiệu là 3404 ta tra được các số liệu sau:

Suất từ hoá ở khe không khí:

Tra bảng 18 và 19 TLHD ta có các số liệu sau:

- Khoảng cách giữa dây quấn cao áp và gông l0 = l01 = l02 = 50 mm

5 Các hằng số a, b tính toán có thể lấy gần đúng và được tr trong bảng13, 14 TLHD:

a = 1,36; b =

d

a2

2 =0,40

6 Tra trong bảng 15 TLHD ta được hệ số tính toán tổn hao phụ trong dây quấn, ở trong

β =

l12

d

π

dây đồng mà còn ảnh hưởng đến các thông số kỹ thuật như: tổn hao không tải, tổn hao ngắn mạch…

Về mặt kinh tế: Nếu máy biến áp có cùng công suất, điện áp, các số liệu xuất phát, và các

thấp với những trị số khác nhau thì tỷ lệ trọng lượng sắt và trọng lượng đồng trong máy biến áp

'

'

d t x

r R

k B U f

k a S

Với:

kld là hệ số lợi dụng của lỏi sắt đã tính ở trên: kld = 0,9 Từ đó ta có

A = 0,507.4

2

2.0,962,1.09,4.50

95,0.037,0.66,106

Trong đó d12 = a.d suy ra a = d12/d

Với C1 = Kdq 2 2 2

1

2

A U B k k

a S

r t d f

, Kdqcu = 2,46.10-2

kf là hệ số tính tổn hao phụ trong dây quấn, ở trong đầu ra và các chi tiết kim loại khác do dòng

C1 = 2,46.10-2

2 2

2

2

1545,0.625,1.62,1.89.0.95,0

36,1.320

1

2 2

B

A

= 3

2

3,176

29,3876,

A =

3,176.3

79,252

C.2

kdqfe.k =

3,176.3

08,190.2

.1,84.1,06 = 1,4

k là hệ số hiệu chỉnh trọng lượng của dây quấn ( vì dây quấn có thêm sơn cách điện và các phần điều chỉnh điện áp ỏ cuộn cao áp) k=1,03.1,03 = 1,06

ưu về măt kinh tế Nhưng ta còn phải chọn một phương án không những tối ưu về mặt kinh tế mà còn thoả mãn các nhỉ tiêu kỹ thuật trong giới hạn sai số cho phép

Từ x = 1,1 ta tính được các thông số ở trên như sau

- trọng lượng thép trong trụ: Gt =

x

79,252

+38,29.x2 =

1,1

79,252

08,190

C

.10.4,2

1 12

−

= 4,5.106

5200.0,95

08,190.10.4,

=1,367

kf = 0,93

Từ đó ta có x = 1,1 < xmax =1,367 như vậy điều kiện phát nóng được đảm bảo

12 Trọng lượng một góc của lõi:

N là số lượng góc của mạch từ N = 4 đối với máy biến áp ba pha

kpo = kn.k’po+ k’’po

Với kn là hệ số biểu thị số lượng góc có dạng mái nối nghiêng, kn = 4

k’po, k’’po : Là hệ số gia tăng tổn hao góc nối ở các góc mạch của mạch từ

2

24,7.Go ] =

kir kể đến ảnh hưởng do chiều rộng lá tôn ở các góc mạch từ , tra bảng 52b ta được kir

=1,35

nk là số khe hở không khí trong lõi thép

Tk = Tt/ 2 là diện tích bề mặt khe hở không khí

kio là hệ số gia tăng dòng điện không tải do công suất từ hoá tăng lên, kio = 42,45

Q0 =1,18.1,07.1,958.(Gt +

2

45,42

Go) + 1,18.1,07 1,675 [ Gg +

2

35,1.1.Go-(4+ 2).Go ] + 1,07

4905,026

G

k

P

5200.93,0

dq

G

2015.106 A/mm2

17 Khoảng cách giữa hai trụ:

C’td là 1% so với giá trị nho nhất ta có thể lấy β = 1,6

0,17

A

d(

Với trị số β =1,65 bảng trên ta tính được:

Gt = 272,27( kg); Gg = 282,05 (kg) ; GFe = 554,27 (kg); Gdq = 147,97 (kg); Po = 935,781 (W) ; io = 1,628;

Sai số của Po là

0

01 0

P

P

.100 = 22 (%);

- Chiều cao dây quấn sơ bộ: l =

β

π.d12 =

65,1

2312,0.14,3

I Tính toán dây quấn thứ cấp (hạ áp).

1 Sức điện động của một vòng dây:

231 = 31,77= 32 (vòng)

Ut2 là điện áp trên một trụ của dây quấn thứ cấp , Ut2 = 231 V trên cả ba trụ

32

231 = 7,22 (V)

3 Mật độ dòng điện trung bình:

∆tb = 0,746 kf

12

v n

d.S

UP 104= 0,746.0,93

2312,0.320

22,7.5200

.104= 3,52 (MA/m2)

4 Tiết diện vòng dây sơ bộ:

T’2 =

tb 2

I

∆ = 3,52.106

88,461

= 131,22.10-6 (m2) =131,22 (mm2)

quấn hạ áp kiểu hình xoắn mạch đơn dây dẫn chữ nhật

5 Chiều cao sơ bộ mỗi vòng dây.

hv2 =

4W

0,44

6 Chọn dây dẫn:

Với hv2 = 7,22 mm và T’2 = 131,22 mm2

Tra bảng 22 TLHD ta chọn dây đồng tiết diện chữ nhật mã hiệu ΠCд có:Я

a = 4 mm

b = 8 mm

Chọn 4 sợi chập song song trong 1 vòng

Quy cách dây quấn như sau: ΠCд - 4×

5,85,4

84

88,461

10 Chiều cao thực của dây quấn hạ áp

Ở đây ta chọn dây quấn hình xoắn mạch đơn hoán 3 chỗ, có rãnh dầu giữa tất cả các bánh dây

l2 = b’.10-3(W2 +4) +k.hr2 (W2 +3).10-3 =8,5 (32+4)10-3 + 0,9.5 (32+3)10-3 = 0,464 (m)

Trong đó k là hệ số kể đến sự co ngót của tấm đệm sau khi ép chặt cuôn dây Chọn k = 0,9

11 Bề dày dây quấn hạ áp

.32.124,4.10-3 = 72,9 (kg)

16 Trọng lượng dây quấn thứ cấp kể cả cách điện

Gdq2 = 1,06.Gcu2 =1,06.72,9 = 77,3 (kg)

II Tính toán dây quấn sơ cấp (cao áp):

1 Chọn sơ đồ điều chỉnh điện áp:

Z5

Z4

Z3

Z2 Z1

Sơ đồ điều chỉnh điện áp

ạp

Sơ đồ bộ đổi nối

X1 X2 X3 X4 X5

Máy biến áp sau khi thiết kế cĩ thể lắp đặt ở nơi gần nguồn hoặc xa nguồn vì thế điện áp đưa

định trong một phạm vi nào đĩ ta phải chọn đầu phân áp cho phù hợp trước khi lắp đặt

Dịng điện làm việc qua các tiếp điểm:

I1 = 12,32 A

Điện áp lớn nhất giữa các tiếp điểm của hai pha của bộ đổi nối:

15 =

866 V

Điện áp thử: Uth = 20%

3

U1 =

1732 (V)

Để cĩ được những điện áp khác

nhau bên cao áp cần phải nối như sau:

2 Số vịng dây của dây quấn sơ cấp

(cao áp) ứng với điện áp định mức:

3 Số vịng dây của một cấp điều chỉnh điện áp

Wđc = 0,025 W1 = 0,025.1200 = 30 (vịng)

4 Số vịng dây tương ứng ở các đầu phân nhánh:

Ta chọn loại cĩ 4 cấp điều chỉnh điện áp, ứng với mỗi cấp điều chỉnh là 2,5% điện áp định mức :

32,12

= 3,710-6(m2) = 3,7mm2

ống nhiều lớp dây trịn (theo bảng 38 TLHD) Theo bảng 20 TLHD ta chon dây dẫn tiết diện trịn

62,2

12,2

; 3,53 mm2

7 Tiết diện tồn phần của một vịng dây.

T1 = nv1 T’d1.10-6 = 1 3,53 10-6 = 3,53 10-6 m2 = 3,53 mm2

8 Mật độ dịng điện thực:

32,12 = 3,49 (A/mm2)

9 Số vòng dây trên một lớp:

1'

10

1 1

3 1

10.464,

l1 = l2 = 0,464m ; d1’ là đường kính dây kể cả cách điện (d’1 = d1 + 0,5 (mm) )

10 Số lớp của dây quấn:

1200 = 7 (lớp), nên lấy tròn n12 với số nguyên lớn hơn

11 Điện áp làm việc giữa hai lớp kề nhau:

U12 = 2.W12U v = 2.176.7,22 = 2541 (V);

12 Chiều dày cách điện giữa các lớp.

13 Tra bảng 18&19 tìm được các kích thước sau:

dây quấn δ12; khoảng cách cách điện giữa dây quấn cao áp a22; chiều dày ống giấy cách điện giữa hai pha δ12; khoảng cách từ dây quấn đến gông l02

14 Phân phối số vòng dây trong các lớp, chia tổ lớp:

Do số lớp của dây quấn được láy tròn thành số nguyên nên số vòng dây trong mỗi lớp có thể

phân phối cho một hai vài lớp ngoài cùng)

Để tăng điều kiện làm nguội thường theo chiều dày của dây quấn thành hai tổ lớp Giữa hai tổ

có rãnh dầu dọc trục a’22 Tổ lớp trong làm nguội khó khăn hơn nên bố trí ít lớp hơn tổ lớp ngoài Thường tổ lớp trong không quá 1/3 đến 2/5 tổng số lớp của dây quấn Nếu kiểu dây quấn này dùng làm cuộn HA hay TA thì hai tổ lớp nên bố trí có số lớp bằng nhau Kích thước rãnh dầu dọc trục xem ở bảng 54a

15 Chiều dài dây quấn CA:

3 22 12

1

1 [d' (n m) δ [(n 1) (m 1)] a' ].10

Trong các dây quấn điện áp 35 kV, thường ở đầu dây quấn - tức ở lớp trong cùng của cuộn cao áp người ta có bố trí màn chắn tĩnh điện bằng kim loại dày 0,5 mm nối điện với dây cao áp màn chắn có cách điện hai phái bằng cách điện lớp nên lúc đó chiều dày dây quấn cao áp sẽ là:

3 1 1

Công thức trên chỉ dùng để tính kích thước hình học cuộn dây, còn lúc tính d.đ.đ tản cần tính

a2 thì vẫn dùng công thức trên và lúc đó coi rãnh dầu được tăng lên thành

3 1 12

17 Đường kính ngoài cỉa dây quấn cao áp:

19 Bề mặt làm lạnh của dây quấn:

Quấn dây quấn CA thành hai tổ lớp , giữa chúng có rãnh dầu làm lạnh và ở lớp trong quấn lên hình trụ có cách điện có que nêm

1 1 1

1 2t.k .(D' D'' )l

Với t = 3; k = 1; l1 = 0,464 m

k = 0,88 là hệ số tính đến bề mặt làm lạnh bị các chi tiết che khuất

20 trọng lượng của dây :

Gcu1 = 28.t

2

'' 1

TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH MÁY BIẾN ÁP

Tổn hao ngắn mạch có thể chia ra các thành phần như sau:

điện gây ra Pcu1, Pcu2

dòng điện phân bố không đều trong tiết diện dây gây ra Pf1, Pf2

4 Tổn hao phụ trong dây dẫn ra Prf1, Prf2 thường tổn hao này rất nhỏ, ta bỏ qua

gây nên

Thường tổn hao phụ được gộp vào trong tổn hao chính bằng cách thêm vào hệ số tổn

- Tổn hao trong dây quấn sơ câp ( hạ áp )

0

10.32

3 tổn hao chính trong dây dẫn ra:

3.1 Tổn hao trong dây dẫn ra đối với dây quấn thứ cấp:

- Chiều dài dây dẫn ra của dây quấn thứ cấp (hạ áp) : Khi dây

quấn nối Y , ta có: lr2 = 7,5.l2 = 7,5.0,464 = 3,48 (m)

- Trọng lượng dây dẫn ra: Gr2 = lr2.Tr2.γ (kg)

Trong đó: Tr2 là tiết diện dây dẫn ra của cuộn thứ cấp (HA) có thể lấy bằng tiết diện diện vòng dây thứ cấp: Tr2 = T2 = 124,4 mm2

Theo cong thức (4-21) TLHD, ta tính một cách gần đúng như sau:

Pt = 10.k.S, với k tra ở bảng 40a TLHD ta có k = 0,02

Pt = 10.0,2.320 = 64 (W)

Xác định tổn hao trong các dây quấn

n thanh dẫn

m thanh dẫn

5 Tổn hao ngắn mạch của máy biến áp là:

78,5617

= 1,756 (%)

2 Thành phần điện áp ngắn mạch phản kháng:

'

U

k a S

2312,0.14,

95,0.03,0.6,1.10.66,106.50

4,4205,

.100 = 4,4 % < 5 % thoả mãn điều kiện cho phép

III Tính các lực cơ học chủ yếu của dây quấn.

1 Trị hiệu dụng của dòng ngắn mạch xác lập:

In =

)]

.S/(U100.S.[1

U

100.I

n n dm n

dm+

320.1001.[

205,4

32,12.100

320.1001.[

205,4

88,461.100

−

) = 510,64(A)

) = 19143,02(A)

2 Lực cơ học tác dụng lên dây quấn:

Lực này do tác dụng của dòng điện trong dây quấn với từ thông tản Khi ngắn mạch, lực co học tác dụng lên dây quấn không đều nhau Mặt khác giữa các vòng dây còn có cách điện, có đệm lót… Và do đó tính đàn hồi của các chi tiết đó có ảnh hưởng đến lực tác dụng lên dây quấn nên thực tế lực tác dụng đó lại nhỏ hơn lực co học đã tính toán

2.1 Lực hướng kính ( lực ngang trục ) F r do từ thông tản dọc B tác dụng với dòng điện gây nên.

Theo công thức (4-34) TLHD ta có: Fr = 0,628.(imax.W)2.β.kr.10-6(N)

Trong đo W là số vòng dây toàn phần của một dây quấn với cuộn cao áp thì số vòng dây W ứng với điện áp dịnh mức

- Lực hướng kính với cuộn dây thứ cấp (HA): Fr2 = 0,628(i1max.W2)2.β.kr.10-6 (N)

W2 = 32 , kr = 0,95 , β = 1,61

Fr2 = 0,628(19143,02.32)2.1,61.0,95.10-6 = 360,44.103 (N)

- Lực hướng kính với cuộn dây sơ cấp ( CA) :Fr1 = 0,628(i1max.W1)2.β.kr.10-6 (N)

W2 = 1200 , kr = 0,95 , β = 1,61

Fr1 = 0,628(510,64.1200)2.1,61.0,95.10-6 = 360,663.103 (N)

Tác dụng của lực hướng kính lên dây quấn đồng tâm

Từ trường tản dọc và ngang trong dây quấn dồng tâm

2.2 Lực dọc trục

Lực dọc trục do từ thông tản ngang trục tác dụng với dòng điện trong dây quấn sinh ra Từ thông tản ngang trục B’ phụ thuộc vào chiều cao l và chiều rộng của dây quấn Theo công thức (4-36) TLHD ta có: F’t = Fr l

03,0 = 11652,15 (N)

- Đối với dây quấn sơ cấp (CA) : F’1t = Fr1

03,0 = 11659,36 (N)

- Lực F’t có tác dụng ép cả hai phía dây quấn theo chiều dọc và như vậy F’t sẽ cực đại giữa hai đầu ép lại và có khuých hướng làm sập những vòng dây ngoài cùng nếu ta không quấn chặt

vào dây quấn, ta thấy lực ép cực đại ở giữa chiều cao dây quấn Fe = F’t; lực đẩy gông lên FG = 0

3 Tính ứng suất dây quấn:

3.1 Ứng suất phá đứt đối với dây quân:

nr

σ =

W T

F nr

10 − 6

(MN/m2) , Trong đó: Fnr =

π

.2

r

F

(N) , T là tiết diện vòng dây, W là số vòng dây của dây quấn

- Với dây quấn sơ cấp (CA): σnr1 =

1 1

6 1

10

W T

,

3

10.10.43,

57

6

6 3

−

−

= 13,55 (MN/m2) < 30 (MN/m2) đạt tiêu chuẩn với dây đồng

- Với dây quấn thứ cấp (HA): σnr2 =

2 2

6 2

10

W T

10.10.395,57

6

6 3

−

−

= 14,42 (MN/m2) < 30 (MN/m2) đạt tiêu chuẩn đối với dây đồng

3.2 Ứng suất do lực chiều trục gây nên:

n lă số miếng đệm theo chu vì vòng tròn dđy quấn Theo bảng 30 TLHD ta chọn miếng đệm n = 8

Kích thước câc miếng đệm như sau:

8

10

1 Xâc định h thước cụ thể của mây biến âp:

Mạch từ của mây biến âp ta đang thiết kế gồm những lâ thĩp cân lạnh đẳng hướng 3404, bề dăy lâ thĩp lă 0,35 mm Kết cấu lõi thĩp kiểu ba pha ba tru, câc lâ thĩp ghĩp xen kí, có 4 mối ghĩp xiín ở 4 góc Ĩp trụ bằng ním vă dđy quấn Ĩp gông bằng xa ĩp gông, bu lông đặt phía ngoăi

1.1 Trụ:

chọn số bậc thang trong trụ lă 6 Tra bảng 41a ta được chiều rộng a vă chiều dăy b của tập lâ thĩp như bảng sau:

Bậc Chiều rộng (a)mm Chiều dày (b) mm

Bậc Chiều rộng (a)mm Chiều dày (b) mm

a

b

1.9 Chiều dày của gông

Chiều dày của gông bằng tổng chiều dày các tập lá thép của trụ:

8 8 10

17

28

18 10 10 1728

85

160

130 145 110

Bậc Bề dày (bt )mm Số lá thép nδ

D1’’ lă đường kính ngoăi của dđy quấn sơ cấp (CA) D1’’ = 0,295 m

a22 lă khoảng câch câc dđy quấn sơ cấp cạnh nhau a22 = 0,018m

Gg’’ = 2.Go = 43,54 (kg)

G’g = 2.(t-1)C.Tg.γ (kg)

t lă số trụ mang dđy quấn, t = 3

C lă khoảng câch giữa hai trụ kề nhau, C = 0,31m

Vậy khối lượng thép làm trụ: Gt = Gt’ + Gt’’ = 261,72+ 9 = 270,72(kg).

Khối lượng thép của toàn bộ mạch từ:GFe = Gt + Gg = 270,72+ 243,6 = 514,32 (kg)

II TÍNH TOÁN TỔN HAO KHÔNG TẢI, DÒNG ĐIỆN KHÔNG TẢI, HIỆU SUẤT CỦA MÁY BIẾN ÁP

1 Tính tổn hao không tải

Tổn hao không tải gồm hai phần tổn hao trong trụ và tổn hao trong gông

U

44,4

10.22,7

U

44,4

10.22,7

= 1,542 ( T )Theo bảng 45 TLHD Với tôn cán lạnh 3404 dày 0,35 mm ta tra được các suất tổn hao :

Ở mối nối nghiêng: Bkn =

2

t

B

= 2

1,608 = 1,137(T) tra được Pkn = 515 W/m2

Tiết diện khe hở không khí ở mối nối thẳng bằng tiết diện trụ hoặc gông Tiết diện khe hở không khí ỏ mối nối ngiêng bằng: Tn = 2 Tt = 2 0,02022 = 0,0286 (m2 )

1.2 Tổn hao không tải:

Trong đó : N là số lượng góc nối của mạch từ: N = 4

kpo = kn.k’po+ k’’po là hệ số kể đến tổn hao phụ ở các góc nối của mạch từ

Với kn là hệ số biểu thị số lượng góc có dạng mái nối nghiêng, kn = 4