Nghiên cứu chế tạo máy biến áp khô có lõi thép sử dụng vật liệu vô định hình

Bộ giáo dục đào tạo Trờng Đại học bách khoa hà nội Bùi đình chi Nghiên cứu chế tạo máy biến áp khô có lõi thép sử dụng vật liệu vô định hình Chuyên ngành: Thiết bị điện - điện tử LUậN VĂN THạC Sĩ KHOA HọC thiết bị điện - điện tử Ngời hớng dẫn khoa học: pgs ts phạm văn bình Hà Nội - 2010 Lời cảm ơn Nghiên cứu máy biến áp khô có lõi thép vật liệu vô định hình toán có ý nghĩa thực tiễn, nhằm sớm đa vào sản xuất trọn hạ giá thành máy biến áp khô nớc ta Song vấn đề mẻ, lạ lẫm nớc cha có nhiều tài liệu nghiên cứu sâu vật liệu, công nghệ quy trình chế tạo loại máy biến áp Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn Phó Giáo s, Tiến sỹ Phạm Văn Bình nhận hớng dẫn giúp đỡ tận tình suốt trình làm luận văn Cảm ơn toàn thể thầy cô môn Thiết Bị Điện-Điện Tử, khoa Điện trờng Đại học Bách khoa Hà Nội dạy bảo, động viên thời gian học tập thực luận văn Cảm ơn Trung tâm Đào tạo bồi dỡng sau đại học trờng Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện tốt để hoàn thành khóa học cao học Thiết Bị Điện-Điện Tử 2008-2010 Tôi biết ơn hỗ trợ to lớn mặt tinh thần, vật chất từ cha mẹ, anh chị em gia đình Ngoài ra, cảm ơn anh em, bạn bè, đồng nghiệp bên cạnh động viên, giúp hoàn thành luận văn Do thời gian có hạn, trình độ hạn chế khó khăn tài liệu tham khảo, luận văn chắn không tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đợc thông cảm đóng góp ý kiến thầy cô, bạn đọc Xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Bùi Đình Chi Lời cam đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu kết nêu luận văn dựa kết tự nghiên cứu, không chép công trình khoa học hay luận văn tác giả khác Tác giả luận văn Bùi Đình Chi Mục lục Mục lục Trang Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị Mở đầu Tính cấp thiết đề tài .6 ý nghĩa khoa học thực tiễn 10 Mục đích, đối tợng phạm vi nghiên cứu 10 Các giả thiết khoa học 11 Chơng I: Tổng quan máy biến áp 12 1.1 Khái niệm chung máy biến áp 12 1.2 Nguyên lý làm việc máy biến áp 15 1.3 Giới thiệu máy biến áp phân phối 16 1.3.1 Máy biến áp dầu 17 1.3.2 Máy biến áp khô 17 1.4 So sánh u điểm, nhợc điểm máy biến áp dầu máy biến áp khô 22 1.4.1 Máy biến áp dầu 22 1.4.2 Máy biến áp khô 23 1.5 Những ứng dụng máy biến áp khô 24 1.6 Kết luận chơng 25 Chơng II: Giới thiệu vật liệu vô định hình .27 2.1 Các đặc điểm vật liệu vô định hình 27 2.2 Cấu trúc tinh thể 30 2.2.1 Vật liệu vô định hình dựa nguyên tố sắt 32 2.2.2 Vật liệu vô định hình dựa nguyên tố coban 33 Mục lục 2.2.3 Vật liệu vô định hình dựa nguyên tố sắt-niken .35 2.3 Công nghệ sản xuất vật liệu từ vô định hình 36 2.3.1 Phơng pháp làm nguội nhanh từ tinh thể lỏng 36 2.3.2 Công nghệ sản xuất vật liệu từ vô định hình 37 2.4 Mt s ng dng 40 2.4.1 Lõi cho máy biến áp nhỏ 40 2.4.2 Lõi cho máy biến áp trung tần .41 2.4.3 Lõi cho máy biến áp đóng cắt công suất lớn 41 2.4.4 Máy biến dòng điện .42 2.4.5 Tích hợp dịch vụ mạng kỹ thuật số (ISDN) 42 2.4.6 Cuộn cảm lọc 42 2.4.7 Sức điện động cảm ứng 43 2.4.8 Lõi cuộn cảm có khe hở 43 2.4.9 Bộ lọc nén xung nhọn 44 2.4.10 Chỉnh lu từ trờng 44 2.4.11 Bộ ngắt có lỗi chạm đất 44 2.4.12 Thiết bị cảm nhận dòng điện 45 2.4.13 Hệ thống chống trộm cắp .45 2.4.14 Vật liệu chống trờng điện từ .46 2.4.15 ứng dụng vào sản xuất máy biến áp phân phối tần số 50Hz 46 2.5 Kết luận chơng 48 Chơng III: Từ hóa tổn hao lõi thép máy biến áp 49 3.1 Khái niệm chung 49 3.2 Từ hóa lõi thép 51 3.3 Cấu tạo mạch từ máy biến áp 52 3.4 Tổn hao lõi thép 55 Mục lục 3.4.1 Tổn hao từ trễ 55 3.4.2 Tổn hao phucô .57 3.4.3 Tổn hao tổng 59 3.5 Tổn hao sắt từ máy biến áp 61 3.6 Kết luận chơng 63 Chơng IV: công nghệ chế tạo máy biến áp khô có lõi thép vật liệu vô định hình 64 4.1 Công nghệ chế tạo mạch từ cuộn dây máy biến áp có lõi thép vật liệu vô định hình 65 4.1.1 Giới thiệu chung mạch từ 65 4.1.2 Giới thiệu chung công nghệ chế tạo dây quấn 66 4.1.3 Các phơng pháp chế tạo mạch từ cuộn dây cho máy biến áp có lõi thép vật liệu vô định hình 72 4.2 Phơng pháp cắt vật liệu vô định hình thành tấm, sau ghép lại, cuộn dây đợc làm sẵn đợc cho vào trụ máy biến áp sau 73 4.2.1 Phơng pháp ghép mạch từ 73 4.2.2 Phơng pháp ép gông trụ 74 4.2.3 Quấn dây hoàn chỉnh kết cấu máy 76 4.3 Phơng pháp chế tạo lõi thép vô định hình trớc, sau quấn dây 77 4.4 Phơng pháp chế tạo cuộn dây trớc, sau ghép lõi thép vô định hình .82 4.5 Kết luận chơng .84 Chơng V: Thử nghiệm máy biến áp khô .86 5.1 Thử nghiệm thờng xuyên 86 5.2 Thử nghiệm điển hình 86 5.3 Thử nghiệm đặc biệt 87 Mục lục 5.3.1 Những yêu cầu chung môi trờng làm việc máy biến áp khô 87 5.3.2 Phơng pháp làm mát máy biến áp .88 5.4 Thử nghiệm thờng xuyên 88 5.4.1 Thử nghiệm điện trở cách điện 88 5.4.2 Đo điện trở cuộn dây .89 5.4.3 Đo tỷ số điện áp kiểm tra tổ đấu dây 89 5.4.4 Đo điện áp ngắn mạch tổn hao có tải .90 5.4.5 Đo tổn hao không tải dòng điện không tải .91 5.4.6 Thử nghiệm thờng xuyên điện môi 91 5.4.7 Thử nghiệm điện áp xoay chiều cảm ứng 91 5.5 Thử nghiệm điển hình 92 5.5.1 Thử nghiệm xung sét .92 5.5.2 Thử nghiệm độ tăng nhiệt cuộn dây 93 5.6 Thử nghiệm đặc biệt 94 5.6.1 Thử nghiệm phóng điện cục .94 5.7 Kết luận chơng 95 Kết luận kiến nghị 96 Tài liệu tham khảo .98 Danh mục bảng Danh mục bảng luận văn STT Các bảng nội dung bảng Chơng II: Giới thiệu vật liệu vô định hình Bảng 2.1: So sánh tổn hao không tải máy biến áp dùng thép silic vật liệu thép vô định hình Bảng 2.2: So sánh số thông số kỹ thuật thép vô định hình thép cán nguội Bảng 2.3: Tổn hao không tải máy biến áp loại Chơng III: Từ hóa tổn hao lõi thép máy biến áp Bảng 3.1: Phân tích tổn hao sắt từ thép cán nguội, M6, f=50Hz, dày 0,35mm, chiều từ hóa trùng với chiều cán, ủ khôi phục Bảng 3.2: Sự phụ thuộc suất tổn hao theo B Bảng 3.3: Hệ số tổn hao phụ lõi thép, cán nguội, loại M6, ủ phục hồi Chơng V: Thử nghiệm máy biến áp khô Bảng 5.1: Giá trị điện trở cách điện Bảng 5.2: Nhiệt độ quy đổi máy biến áp khô theo cấp chịu nhiệt Bảng 5.3: Giá trị điện áp thử nghiệm xoay chiều 10 Bảng 5.4: Điện áp thử nghiệm xoay chiều cảm ứng 11 Bảng 5.5: Điện áp thử nghiệm xung sét 12 Bảng 5.6: Độ tăng nhiệt cho phép máy biến áp khô -1- Danh mục hình vẽ đồ thị Danh mục hình vẽ đồ thị STT Hình chơng nội dung hình Chơng I: Tổng quan máy biến áp Hình 1.1: Các loại máy biến áp khác hệ thống điện Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý làm việc máy biến áp Hình 1.3: Máy biến áp dầu 750kVA 22/0,4kV (Công ty CTAMA) Hình 1.4: Máy biến áp khô có lõi thép vật liệu tôn silic Hình 1.5: Các dạng lõi thép dùng vật liệu vô định hình Hình 1.6: Lõi thép máy biến áp phân phối vật liệu vô định hình Hình 1.7: Chu trình tái sử dụng Chơng II: Giới thiệu vật liệu vô định hình 10 Hình 2.1: Xu hớng phát triển tổn hao không tải cho máy biến áp 50 kVA Hình 2.2: Đờng cong từ hoá vật liệu vô định hình thép silic Hình2.3: Năm loại mạng cấu trúc trật tự gần theo mô hình Berna 11 Hình 2.4: Cấu trúc nguyên tử thép thờng (trái), thép vô định hình (phải) 12 Hình 2.5: Sơ đồ dạng vật liệu vô định hình 13 Hình 2.6: Vật liệu vô định hình dựa nguyên tố sắt 14 15 16 17 Hình 2.7: Đờng cong từ hóa vật liệu vô định hình dựa nguyên tố sắt Hình 2.8: Vật liệu vô định hình dựa nguyên tố coban Hình 2.9: Đờng cong từ hóa vật liệu vô định hình dựa nguyên tố coban sau đợc già hóa trờng điện từ vuông góc song song Hình 2.10: Vật liệu vô định hình dựa nguyên tố sắt-niken Hình 2.11: Đờng cong từ hóa vật liệu vô định hình dựa nguyên tố 18 sắt-niken sau đợc già hóa trực tiếp trờng điện từ vuông góc song song 19 Hình 2.12: Chu trình chế tạo vật liệu vô định hình -2- Danh mục hình vẽ đồ thị 20 Hình 2.13: Công nghệ ampun sản phẩm công nghệ ampun 21 Hình 2.14: Công nghệ liên tục 22 Hình 2.15: Sơ đồ ứng dụng vật liệu vô định hình 23 Hình 2.16: Lõi dạng nhẫn cho máy biến áp nhỏ 24 Hình 2.17: Một đơn vị mạch điện sử dụng máy biến áp có công suất nhỏ lõi sắt vật liệu vô định hình 25 Hình 2.18: Máy biến áp trung tần làm vật liệu vô định hình 26 Hình 2.19: Máy hàn điện sử dụng lõi sắt vô định hình 27 Hình 2.20: Lõi sắt máy biến dòng điện sử dụng vật liệu vô định hình 28 Hình 2.21: Hình mô tả lõi sắt nhỏ ISDN lọc, cách ly ISDN 29 Hình 2.22: Lõi cuộn cảm lọc 30 Hình 2.23: Cuộn cảm lọc hệ thống chiếu sáng 31 Hình 2.24: Lõi sức điện động cảm ứng 32 Hình 2.25: Lõi cuộn cảm 33 Hình 2.26: Lõi ứng dụng chỉnh lu từ trờng bảng mạch máy tính 34 Hình 2.27: Lõi sắt cho ngắt có chạm đất 35 Hình 2.28: Bộ ngắt có chạm đất sử dụng lõi sắt vô định hình 36 Hình 2.29: Lõi hình dạng cuộn cảm hỗ cảm đợc lắp ráp trạm điện 37 Hình 2.30: Lõi dạng tròn dải nhỏ cho hệ thống chống trộm cắp 38 Hình 2.31: Thiết bị chống trờng điện từ 39 Hình 2.32: Máy biến áp phân phối sử dụng vật liệu vô định hình làm lõi thép Chơng III: Từ hóa tổn hao lõi thép máy biến áp 40 41 Hình 3.1: Quan hệ suất tổn hao cờng độ từ cảm Bm theo chiều dày thép Hình 3.2: Tiến chất lợng vật liệu sắt từ theo thời gian -3- Chơng 5: Thử nghiệm máy biến áp khô Chơng V Thử nghiệm máy biến áp khô Máy biến áp sau khô sau sản xuất, sau lắp đặt bảo dỡng cần phải đợc tiến hành thử nghiệm theo tiêu chuẩn mà nhà sản xuất áp dụng mục thử nghiệm đặc biệt khác thoả thuận riêng nhà sản xuất với khách hàng Đối với máy biến áp khô áp dụng tiêu chuẩn IEC 76 IEC 726 quy định riêng cho máy biến áp khô (theo tài liệu 11) Toàn thông số thử nghiệm phải theo tiêu chuẩn IEC tổ chức tơng đơng quy định Có loại thử nghiệm điện sau: 5.1 Thử nghiệm thờng xuyên: Là loại thử nghiệm đợc tiến hành máy Bao gồm: - Đo thông số: + Điện trở cách điện cuộn dây + Tỉ số biến áp tổ nối dây + Điện áp ngắn mạch + Tổn hao có tải + Tổn hao không tải dòng điện không tải - Thử nghiệm cách điện: + Thử nghịêm với điện áp đặt vào cuộn dây + Thử nghiệm với điện áp cảm ứng + Thử nghiệm phóng điện cục 5.2 Thử nghiệm điển hình: Là thử nghiệm đợc tiến hành máy đại diện cho máy biến áp khác nhằm chứng minh máy biến áp thoả mãn điều kiện quy định không nằm thử nghiệm thờng xuyên Bao gồm: - Thử nghiệm xung sét - 86 - Chơng 5: Thử nghiệm máy biến áp khô - Thử nghiệm độ tăng nhiệt: Theo phơng pháp tải mô Nhiệt đợc đo thử nghiệm: Không tải có tải Độ tăng nhiệt tổng đợc xác định theo tiêu chuẩn IEC 726 5.3 Thử nghiệm đặc biệt: Là thử nghiệm đợc tiến hành theo thoả thuận riêng nhà chế tạo với khách hàng Thử nghiệm khác với thử nghiệm thờng xuyên khác với thử nghiệm điển hình Bao gồm: - Thử nghiệm ngắn mạch: theo thiêu chuẩn IEC 76-5, thử nghiệm đợc tiến hành pha máy biến áp, thử nghiệm kéo dài 0,5 giây - Đo độ ồn: Độ ồn máy biến áp chủ yếu mạch từ gây nên Độ ồn đợc xác định cách: + áp suất âm Lp(A) đo đợc cách tính trung bình bình phơng lần đo theo tiêu chuẩn IEC 551 cách máy biến áp vận hành không tải mét + Cờng độ âm Lw(A) đợc tính từ áp suất âm theo công thức: Lw(A) = Lp(A) + 10lgS Trong đó: Lw(A): Giá trị cờng độ âm (dB) Lp(A): Giá trị trung bình áp suất âm (dB) S: Diện tích bề mặt tơng đơng (m2) S = 1,25 x H x P H: Chiều cao máy biến áp P: Chu vi máy biến áp 5.3.1 Những yêu cầu chung môi trờng làm việc máy biến áp khô: - Vị trí đặt máy trạm biến áp đặt vỏ tủ bảo vệ mà không khí chuyển động làm mát lõi thép cuộn dây cách trực tiếp - Máy làm việc nơi có độ cao không vợt 1000m so với mực nớc biển - Nhiệt độ không khí làm mát: + Không đợc vợt 40OC + Không đợc thấp -25OC máy biến áp khô làm việc trời - 87 - Chơng 5: Thử nghiệm máy biến áp khô + Không đợc thấp -5OC máy biến áp khô làm việc nhà + Nhiệt độ trung bình tháng dới 30OC + Nhiệt độ trung bình hàng năm dới 20 OC - Điện áp nguồn cung cấp phải có dạng sóng gần hình sin - Đối với máy biến áp ba pha, điện áp nguồn cung cấp ba pha gần đối xứng 5.3.2 Phơng pháp làm mát máy biến áp: Máy biến khô làm mát không khí trực tiếp làm mát cỡng không khí loại khí Các ký hiệu phơng pháp làm mát máy biến áp khô: - Máy biến áp khô sử dụng chữ viết hoa để phơng pháp làm mát + A-Air: Làm mát không khí tự nhiên + G- Gas: Làm mát khí + N-Nature: Không khí chuyển động tự nhiên + F-Forced: Không khí chuyển động cỡng Hiện máy biến áp khô có dạng làm mát sau: + ANAN: Làm mát trực tiếp không khí tự nhiên + GNAN: Làm mát trực tiếp khí làm mát + GNAF: Làm mát cỡng không khí tự nhiên khí làm mát Ta xét lần lợt thử nghiệm máy biến áp khô 5.4 Thử nghiệm thờng xuyên: 5.4.1 Thử nghiệm điện trở cách điện: Với máy biến áp khô có điện áp nhỏ 35kV sử dụng Mêgôm 2500V để đo điện trở cách điện Điện trở cách điện đợc đo cuộn dây cao áp vỏ máy lõi tôn, hạ áp với vỏ máy lõi tôn, cuộn dây cao áp hạ áp Giá trị điện trở cách điện tham khảo bảng sau: - 88 - Chơng 5: Thử nghiệm máy biến áp khô Điện áp Điện trở cách điện dây quấn (M) dây quấn(kV) 20OC 30OC 40OC 50OC 60OC