Bài tập lớn Thiết kế máy biến áp ngâm dầu ba pha

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP NGÂM DẦU BA PHA GV hướng dẫn : TH.S Nhóm SV thực :T.h Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53 Nội dung thực : Phần : Thiết kế Trình tự thiết kế : Chương : Tính toán kích thước chủ yếu máy biến áp Chương : Thiết kế mạch từ Chương : Tính toán dây quấn Chương 4: Tính toán tham số không tải Chương 5: Tính toán cuối mạch từ Chương : Tính toán nhiệt máy biến áp Chương 7: Kết cấu máy biến áp *Nhiệm vụ thiết kế : Thiết kế máy biến áp điện lực bap ngâm dầu công suất 250KVA Các số liệu ban đầu : -Dung lượng S = 250 KVA -Điện áp UCA/UHA = 10/0.4 KV -Tần số f=50hz -Tổ nối dây nối Δ/γ -Dòng điện không tải : I0= 1.7% -Tổn hao không tải ΔP0= 640 W -Tổn hao ngắn mạch ΔPn= 3000 w -Điện áp ngắn mạch : Un= 4% Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53 Phần : Tính toán kích thước chủ yêu MBA A: Xác định thông số MBA Dung lượng pha 𝑆 Sf = 𝑚 250 = = 83.3 KVA [2.1] Trong m=3 : số pha MBA S=250KVA : công suất đặt định mức MBA 2.Công suất trụ Dung lượng trụ : 𝑆 S’ = 𝑡 = 250 = 83.3 KVA [2.2] Trong : t =3 số trụ tác dụng (trụ có dây quấn) S = 250 KVA Dòng điện định mức 3.1:Phía cao áp (CA) I2 = 𝑆đ𝑚 √3.𝑈1đ𝑚 ( A) [2.3] Thay số Sdm =250 KVA công suất định mức MBA U1đm=10KV điện áp phía cao áp Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53 250 I1= √3.10= 14,4 A 3.2,Phía hạ áp : I2 = 𝑆𝑑𝑚 A √3.𝑈2đ𝑚 [2.4] Tượng tự phía cao áp ta thay số : Sđm =250 KVA , U2đm = 0.4 Kv I2= 250 = 360,8 A √3.0.4 Dòng điện pha định mức +Phía cao áp nối Δ : If1= 𝐼2 14.4 √ √3 = =8.31 A +Phía hạ áp nối γ : If2=I2 = 360,8A Điện áp đinh mức +Phía cao áp nối Δ : Uf1= UCA=10kv +Phía hạ áp nối γ : Uf2= 𝑈ℎ𝑎 √3 = 0.4 √3 = 0.231 Kv 6: Điện áp thử dây Ta tra bảng 2-Trang 189 -TL1 Chú thích : dây quấn MBA dầu khô có cấp điện áp làm việc đến 1kv có Ut=5KV Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53 +Dây quấn CA : Với cấp điện áp 10KV -> Ut1= 35 KV +Dây quấn HA :Với cấp điện áp 0,4kv-> Ut2= kv B: Chọn số liệu xuất phát tính toán kích thước chủ yếu 1: Chiều rộng rãnh từ tản dây quấn CA HA +Chiều rộng quy đổi từ trường tản ar= a12 + 𝑎1+𝑎2 [2.5] +Tra bảng 19-Trang 188-TL1 Với điện áp thử phía CA Ut= 35 Kv Ta có a12=0,9 cm : Khoảng cách cách điện cuộn CA HA δ12=0,3 cm : Chiều dày ống Trong rãnh a12 đặt ống dày δ12=0,3 cm Ta có : 𝑎1+𝑎2 ≈ k √𝑆 ′ 10-2 Trong : Thay số S’=83,3 kv : Dung lượng trụ Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53 [2.6] (Tra bảng 12 _Trang 185-TL1) Ta có hệ số K với MBA ba pha ngâm dầu , dây quấn đồng với cấp điện áp CA 10kv chọn : K= 0,63 Thay số vào [2.5] ta ar= a12 + 𝑎1+𝑎2 𝑎1+𝑎2 = 0,63 4√83,3 10-2 = 0,019 m = 0,009 + 0.019 = 0,028 m 2, Hệ số quy đổi từ trường tản -Hệ số thường thay đổi thường lấy: Kr = 0,95 3, Các thành phần điện áp ngắn mạch +Thành phần tác dụng điện áp ngắn mạch 𝑃𝑛 3000 Unm% = 10.𝑆𝑑𝑚 = 10.250.103 100 = 1,2% [2.7] Trong : Pn =3000w Tổn hao ngắn mạch Sđm =250 KVA công suất định mức MBA +Thành phần phản kháng điện áp ngắn mạch Unx% = √𝑈𝑛2 % − 𝑈𝑛𝑚 % [2.8] Thay số Un = 4% : Điện áp ngắn mạch Unm = 1.2% Ta Unx% = √42 − 1,22 ≈3,82% Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53 Chương : Thiết kế mạch từ 2.1 : Chọn Tôn SILIC -Lõi sắt phần mạch từ MBA , phần dẫn từ thông MBA Do thiết kế cần cho thoả mãn nhu cầu , tổn hao sắt phụ nhỏ , dòng điện không tải nhỏ ,lượng tôn silic làm hệ số lấp đầy củ lõi sắt lớn Mặt khác lõi sắt nơi mà gắn nhiều phận khác : Dây quấn , giá đỡ dây dẫn , số MBA gắn nắp máy để nâng cẩu toàn lõi sắt khỏi vỏ sửa chữa Hơn lõi sắt chịu đựng ứng lực học lớn bị ngắn mạch dây quấn Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53 -Để yêu cầu với mạch từ thoả mãn việc chọn tôn silic quan trọng , với tôn silic có độ dày , thành phần silic ? Khi tôn silic có thành phần silic tôn cao tôn bị dòn , độ đàn hồi -Ta chọn loại tôn cán lạnh loại tôn có ưu điểm vượt trội khả dẫn từ giảm hao mòn so với tôn cán nóng Tôn cán lạnh loại tôn có vị trí xếp tinh thể không đổi có tính dẫn từ không đẳng hướng , suất tổn hao giảm từ 2->2,5% lần so với tôn cán nóng Độ từ thẩm thay đổi theo thời gian dùng tôn cán lạnh cho phép tăng cường độ từ cảm lõi thép lên tới (1,6->1.65) T tôn cán nóng (1,4->1.45)T Từ giảm tổn hao máy , giảm trọng lượng kích thước máy , đặc biệt giảm tối đa chiều cao MBA , thuận lợi cho việc chuyên chở Tuy nhiên giá thành tôn cán lạnh có cao so với việc giảm tổn hao trọng lượng người ta tính kinh tế loại MBA chế tạo tôn cán nóng Theo bảng 11-Trang 185-TL1 ta chọn tôn cán lạnh mã hiệu 3405 có chiều dày 0.35mm Công suất máy biến áp 250KVA BT = 1,55->1,65 Ta chọn từ cảm trụ BT=1,58 T (Tela) [Tra bảng 6-Trang182-TL1] , Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53 -Chọn : hệ số KG=1,025 ép trụ nêm với dây quấn , ép gông xà ép, bulong đặt phía gông 2.2: Cắt thép -Do ta sử dụng tôn cán lạnh có tính dẫn từu không đẳng hướng nên việc ghép nối trụ gông thực kiể mối nối vuông góc tôn cán nóng góc ép nối #0 lớn làm tăng tổn hao sắt (hình 2.1a) mà ta phải dùng mối nối nghiêng phải cắt vát tôn hình 2.2 góc #0 nhỏ tổn hao sắt giảm đáng kể(hình 2.1b) Hình 2.1 : Mối nối gông trụ a: mối nối thẳng Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53 b:Mối nối chéo Hình 2.2: Lá tôn cắt vát Khi tôn sử lý xong ta phải xử lí cho tốt bavia , ta phải ủ lại tôn vừa cắt xong tinh thể kim loại vết cắt trở lại định hướng ban đầu Các thép kĩ thuật điện sau sơn phủ cách điện mặt trước ghép chúng lại với 2.3 : Tính chọn sơ mạch từ 1: Chọn số bậc thang trụ Tra bảng 4_Trang 181_TL1 : +Chọn hệ số chêm kín Kc=0,928 +Đường kính trụ d=0,22m Số bậc thang trụ bậc Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53 ∆21 d2 10−4 p=pCu =1,68 (d’+𝛿).d’ (W/𝑐𝑚3 ) theo 6-4a Với: ∆1 = 1,692 (A/𝑚𝑚2 ): mật độ dòng điện dây quấn CA d =d2 = 2,5 mm : đường kính dây dẫn d’ = d +2δ = 2,8 mm: đường kính dây dẫn kể cách điện phía δ1 = 2.0,12 cm : chiều dày cách điện lớp (theo bảng 26-TL1) 1,692.(0.252 ) pCu =1,68.(0,28+2.0,12).0,28 10−4 = 1,22.10−4 ∗ 𝜆tb : suất dẫn nhiệt trung bình tính theo (6-5 TL1) 𝜆tb = 𝜆.𝜆1 (d’+δ1 ) (W/𝑐𝑚3 ℃) 𝜆.δ1 +𝜆1 d’ 𝜆1 : suất dẫn nhiệt cách điện lớp, tra bảng 54 theo vật liệu cách điện lớp giấy cáp tẩm dầu : 𝜆1 = 0,0017 (W/𝑐𝑚3 ℃) λ: suất dẫn nhiệt bình quân quy ước dây quấn, theo (6-6 𝜆 λ=0,7.cđ α (W/𝑐𝑚3 ℃) TL1) √ 𝜆cđ : suất dẫn nhiệt lớp cách điện dây dẫn, dây dẫn dùng băng vải tẩm sơn cách điện 𝜆cđ =0,0025 (W/𝑐𝑚3 ℃) (theo bảng 54-TL1) α= d’ − d 𝑑 = 2,8−2,5 2,5 = 0,12 Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53  𝜆 0,0025 λ =0,7.cđ α= 0,7 √ 𝜆tb = √ −3 = 10,3 10 (W/𝑐𝑚 ℃) 0,12 10,3.10−3 0,0017.(0,28+2.0,12) 10,3.10−3 2.0,12+0,0017.0,28 θ0CA = 1,22.10−4 12,862 8.3,09.10−3 = 3,09.10−3 (W/𝑐𝑚3 ℃) = 0,82℃ Trên thực tế dây dẫn tròn người ta thường không quan tam đến điểm có nhiệt độ nóng mà quan tâm chủ yếu đến nhiệt độ trung bình, thường khoảng 2/3 nhiệt độ chênh toàn phần 2 θ0tbCA =3 θ0CA =3.0,82=0,55℃ Nhiệt độ chênh mặt dây quấn với dầu 𝛉𝟎𝐝 a) Tính cho phía HA Hiệu số nhiệt độ phụ thuộc vào tổn hao dây quấn thường xác định theo công thức kinh nghiệm gần Ở dây quấn dùng hình chữ nhật có rãnh dầu ngang nên θ0d =k1 k k 0,35 q0,6 °C (6.10b - TL1) -k1 : Hệ số kể đến tốc độ chuyển động dầu dây quấn phụ thuộc vào hệ thống làm lạnh Đây làm lạnh tự nhiên nên k1 =1 Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53 -k : Hệ số chiếu cố đến trường hợp dây quấn HA nên dầu đối lưu khó khăn làm dây quấn HA nóng hơn, đó: k =1: dây quấn CA nằm ngoài, HA nằm -k : Hệ số chiếu cố đến đối lưu khó khăn dầu bề rộng (hay làm chiều cao) tương đối rãnh dầu ngang Do hr1 /a=5/13,9 nên theo bảng 55-TL1 ta chọn k =0,8 -q=700,72 (W/𝑚2 ): mật độ dòng nhiệt bề mặt dây quấn HA θ0d1 =1.1.0,8.0,35 (700,72)0,6 =14,27°C b) Tính cho phía CA Dùng dây dẫn tròn rãnh dầu ngang θ0d2 =k.q0,6 °C k = 0,285 : hệ số 0,6 : số luỹ thừa kinh nghiệm q2 : mật độ dòng nhiệt bề mặt dây quấn CA:theo (6-2 TL1) q2 = 𝑃𝐶𝑢2 𝑘𝑓2 𝑀2 = 1281,5.1 1,78 = 719,94 W/𝑚2 => θ0d2 =0,285 (719,94)0,6 =14,76°C Nhiệt độ chênh lệch trung bình dây quấn dầu Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53 θ0dtb =θ0 +θ0d (6-11 TL1) Dây quấn HA: θ0dtbHA =θ0tbHA +θ0d1 =0,62+14,27=14,89°C Dây quấn CA: θ0dtbCA =θ0tbCA +θ0d2 =0,55+14,76=15,31°C Nhiệt độ chênh dầu rãnh thùng 𝛉𝟎𝐝𝐭 Cách tính nhiệt độ chênh lệch cúng tương tự θ0d nghĩa phụ thuộc mật độ dòng nhiệt qua mặt cách thùng công thức mục C6 thường nhiệt độ chênh không 3÷6°C, sơ lấy θ0dt =3°C Nhiệt độ chênh vách thùng không khí 𝛉𝐭𝐤 Nhiệt độ từ vách thùng truyền không khí xung quanh theo đường, phận truyền theo phương pháp đối lưu, phận truyền hteo phương pháp xạ Việc tính toán nhiệt cho nửa vách thùng không khí θtk liên quan đến việc tính toán mặt xạ đối lưu thùng, tới ta tính toán thùng vào nhiệt độ đo cho phép dây quấn không khí θtk Cuối tìm nhiệt độ chênh thùng không khí Trị số θtk phải kiểm tra xem lại có đạt nhiệt độ chênh cho phép không Nếu đạt ta chọn sơ θtk =40°C II Tính toán nhiệt thùng dầu Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53 Như ta biết, thùng dầu đồng thời vỏ máy MBA, có đặt chi tiết máy quan trọng sứ dây quấn CA HA, ống phóng nổ, bình giãn dầu… Vì thùng dầu yêu cầu đảm bảo tản nhiệt tốt phải đảm bảo tính điện (như đảm bảo khoảng cách cho phép dây quấn với thùng), có độ bền học đảm bảo, chế tạo đơn giản có khả rút gọn kích thước bên Việc tính toán theo yêu cầu tản nhiệt, sau kiểm tra lại xem yêu cầu cần tản nhiệt 12 Chọn loại thùng dầu Căn vào bảng 57 dung lượng MBA S =250 KVA Ta chọn loại thùng vách thẳng có tản nhiệt kiểu ống thẳng (kiểu ống góp) có kích thước hình vẽ Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53 Để đảm bảo cho m.b.a tản nhiệt tốt loại thùng có tản nhiệt kiểu ống, đặc biệt kiểu ống thẳng sử dụng phổ biến thực tế Mục đích việc chế tạo thùng có tản nhiệt kiểu ống thẳng vừa chế tạo đơn giản, vừa bố trí chu vi thùng dầu thuận tiện cácloại tản nhiệt khác tốn công uốn, khoan lỗ vách thùng, hàn trực tiếp hay bắt vào thùng mặt bích tuỳ theo công suất Mặt khác loại thùng dảm bảo làm tăng diện tích bề mặt toả nhiệt để giảm bớt nhiệt độ từ dây quấn, dầu không khí qua vách thùng nhờ phương pháp xạ đối lưu 13 Chọn kích thước tối thiểu bên thùng a Chiều rộng tối thiểu thùng là: B=D1′′ + S1 + S2 + d1 + S3 + S4 + d2 (6.14) Đối với MBA ba pha cấp điện áp 10/0,4 KV Trong đó: + D2 ′′=0,47m đường kính dây quấn CA + S1 =23(mm): khoảng cách dây dẫn đến vách thùng cuộn CA (theo bảng 31-TL1 với Ut2 =55KV) + S2 =23(mm): khoảng cách từ dây dẫn dây quấn CA đến phận nối đất (theo bảng 31-TL1 với Ut2 =55KV) Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53 + S3 =33(mm): khoảng cách dây dẫn không bọc cách điện dây quấn HA đến mặt dây quấn CA + S4 =25(mm): khoảng cách từ dây quấn dây quấn HA không cách điện đến vách thùng + d1 : Đường kính dây dẫn có bọc cách điện dây quấn CA: d1 =25mm + d2 : Đường kính dây dẫn có bọc cách điện dây quấn HA: d2 =10mm Như B=0,47+(23+23+25+33+25+10) 10−3 =0,609(m) Để tâm trụ MBA ta lấy B=0,6m b Chiều dài tối thiểu thùng A=2.C+D2 ′′+2 S5 (6.15) Trong đó: S5 : Là khoảng cách dây quấn CA vách thùng S5 =S3 +d2 +S4 =(33+10+25) 10−3 =0,068m (6.93) C=0,48m khoảng cách hai tâm trụ cạnh D’’=0,47 Thay số vào ta được: A=2.0,48+0,47+2.0,068=1,566(m) c Chiều cao thùng Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53 H=H1 +H2 (6.18) H1 : Là chiều dài từ thùng đến hết chiều cao lõi sắt H1 =LT +2hG +n (6.19) LT =0,3825(m) n=0,04m: Chiều dày lót gông hG : chiều cao gông gần tính T hG = b G G TG =0,02566 m2 bG =2.8,9=17,8 cm : chiều rộng gông  hG = Vậy: 0,02566 0,178 = 0,144 m H1 =0,3825+2.0,144+0,04=0,7105(m) H2 : Là khoảng cách tối thiểu từ gông đến nắp thùng theo bảng 58 ta chọn H2 =0,4m Nhưng để đảm bảo tản nhiệt H2 tăng lên 1,5 lần H2 = 1,5.40 = 60 cm Ta được: H=0,7105+0,6=1,3105(m) 14 Chọn số tản nhiệt: Để phù hợp với kích thước thùng tăng diện tích xạ đối lưu ta chọn tản nhiệt kiểu ống thẳng Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53 15 Sơ tính diện tích bề mặt xạ đối lưu thùng a Diện tích bề mặt xạ thùng Đối với thùng có đáy ô van Mbx =Mfôv K (6-21 TL1) Trong đó: Mfôv =[2.(A-B)+Π.B].H (bề mặt đối lưu thùng phẳng) Mfôv =[2.(1,566-0,609)+3,14.0,609].1,3105=5,014(m2 ) Ta chọn K=1,5: Hệ số ảnh hưởng hình đáy mặt thùng ( theo bảng 59-TL1) Vậy Mbx =5,014.1,5=7,52(m2 ) b Bề mặt đối lưu thùng, vào tổng tổn hao, vào nhiệt độ chênh vách thùng môi trường xung quanh ta xác định bề mặt đối lưu thùng theo công thức sau: M′dl = 1,05.Σp 2,5.θ1,25 tk – 1,12.Mbx (m2 ) (6-22 TL1) Trong đó: Σp=p0 +pn =688+2266,927=2954,927(W): tổn hao không tải ngắn mạch MBA Mbx =7,52 m2 : diện tích bề mặt xạ Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53 θtk : Là nhiệt độ chênh thùng dầu so với không khí xung quanh Ta vào điều kiện sau để chọn cho thỏa đáng Ta biết nhiệt độ chênh lâu dài cho phép dây quấn HA so với môi trường xung quanh tải định mức 60°C độ chênh trung bình dầu không khí không quá: θdk =60°C - θ0dtb =60° - 15,31°=44,69°C Với θ0dtb nhiệt độ chênh trung bình dây quấn CA (ta lấy giá trị lớn hai dây quấn) Do nhiệt độ chênh lệch thùng không khí tính sau: θtk =θdk - θdt =44,69-6=38,69°C θdt : nhiệt độ chênh dầu với thùng, ta lấy 6°C Ta kiểm tra điều kiện σ.(θdt + θtk )≤60°C σ.θdk ≤60°C Với σ=1,2 hệ số xác định tỷ số nhiệt độ chênh dầu không khí lúc lớn với trị số trung bình Ta có 1,2.44,69=53,63°C θdt =0,165.[ Nhóm 3_Lớp Trang Bị Điện _K53 1,05.2954,927 0,6 21,95 ] =3,21 °C 20 Nhiệt độ chênh trung bình dầu môi trường xung quanh: θ′dk =θtk +θdt =16,07+3,21=19,28°C Theo công thức (6.103_TL1) 21 Nhiệt độ chênh lớp dầu bên môi trường xung quanh: θdk =1,2.θ′dk =1,2.19,28=23,136°C