thiết kế MBA điện lực

MBA điện lực (viết tắt là MBA) là một bộ phận rất quan trọng trong hệ thống điện, nó góp phần truyền tải và phân phối công suất từ nhà máy điện đến hộ tiêu thụ một cách hợp lý nhằm để hạn chế bớt tổn hao. MBA gồm hai loại: MBA giảm áp và MBA tăng áp. MBA dùng trong hệ thống điện gọi là MBA điện lực. MBA thường được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, nhưng chủ yếu là truyền tải. Trong quá trình truyền tải trong lưới điện, tăng áp, rồi giảm áp đến hộ tiêu thụ...làm cho công suất của hệ thống MBA lớn và tổn hao cũng tăng lên. Hơn nữa, điều kiện khí hậu, địa hình mỗi nơi đều khác nhau, nhu cầu và sự phát triển kinh tế ở mỗi vùng khác nhau dẫn đến yêu cầu về thiết kế và thông số kỹ thuật của MBA cũng khác nhau. Do đó, việc tính toán thiết kế MBA phù hợp với yêu cầu đặt ra là rất cần thiết. Ngày nay, công nghệ chế tạo MBA ngày càng phát triển và đòi hỏi phải hoàn thiện hơn, vật liệu được chế tạo ngày càng tốt. Vì vậy, việc tính toán và thiết kế phải đảm bảo nhu cầu phát triển kinh tế và đạt chất lượng cao, phải lấy chỉ tiêu kinh tế làm hàng đầu, giá thành vật liệu thấp nhất. Bên cạnh chỉ tiêu kinh tế đòi hỏi tính năng kỹ thuật như: i0%, P0, Un%, Pn... nằm trong điều kiện cho phép ứng với mỗi loại công suất. Trong giới hạn của đề tài, tôi xin trình bày các phần sau của thiết kế MBA điện lực, gồm 5 phần: - Phần I : Chọn phương án và tính sơ bộ kích thước cơ bản. - Phần II : Tính dây quấn hạ áp - cao áp. - Phần III : Tính tổn hao và tham số ngắn mạch. - Phần IV : Tính chính xác mạch từ và tham số không tải. - Phần V : Tính nhiệt và chọn kết cấu vỏ.

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế MBA điện lực lời nói đầu MBA điện lực (viết tắt là MBA) là một bộ phận rất quan trọng trong hệ thống điện, nó góp phần truyền tải và phân phối công suất từ nhà máy điện đến hộ tiêu thụ một cách hợp lý nhằm để hạn chế bớt tổn hao. MBA gồm hai loại: MBA giảm áp và MBA tăng áp. MBA dùng trong hệ thống điện gọi là MBA điện lực. MBA thờng đợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực, nhng chủ yếu là truyền tải. Trong quá trình truyền tải trong lới điện, tăng áp, rồi giảm áp đến hộ tiêu thụ .làm cho công suất của hệ thống MBA lớn và tổn hao cũng tăng lên. Hơn nữa, điều kiện khí hậu, địa hình mỗi nơi đều khác nhau, nhu cầu và sự phát triển kinh tế ở mỗi vùng khác nhau dẫn đến yêu cầu về thiết kế và thông số kỹ thuật của MBA cũng khác nhau. Do đó, việc tính toán thiết kế MBA phù hợp với yêu cầu đặt ra là rất cần thiết. Ngày nay, công nghệ chế tạo MBA ngày càng phát triển và đòi hỏi phải hoàn thiện hơn, vật liệu đợc chế tạo ngày càng tốt. Vì vậy, việc tính toán và thiết kế phải đảm bảo nhu cầu phát triển kinh tế và đạt chất lợng cao, phải lấy chỉ tiêu kinh tế làm hàng đầu, giá thành vật liệu thấp nhất. Bên cạnh chỉ tiêu kinh tế đòi hỏi tính năng kỹ thuật nh: i 0 %, P 0 , U n %, P n . nằm trong điều kiện cho phép ứng với mỗi loại công suất. Trong giới hạn của đề tài, tôi xin trình bày các phần sau của thiết kế MBA điện lực, gồm 5 phần: - Phần I : Chọn phơng án và tính sơ bộ kích thớc cơ bản. - Phần II : Tính dây quấn hạ áp - cao áp. - Phần III : Tính tổn hao và tham số ngắn mạch. - Phần IV : Tính chính xác mạch từ và tham số không tải. - Phần V : Tính nhiệt và chọn kết cấu vỏ. Hồ thanh tiên - lớp đkt. k42 3 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế MBA điện lực Trong quá trình tính toán, do kiến thức còn hữu hạn và cha có kinh nghiệm thực tế, nên chắc chắn không khỏi thiếu sót. Rất mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô cùng các bạn đồng nghiệp. Nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp đợc hoàn thành nhờ sự hớng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Trung C, thầy cô giáo trong khoa Điện và Bộ môn Thiết bị Điện - Điện tử đã tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp này. Em xin chân thành cám ơn! kính bút Hồ Thanh Tiên Hồ thanh tiên - lớp đkt. k42 4 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế MBA điện lực Phần mở đầu 1.1. Đại cơng. Nh 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 có thể làm tiết diện dây nhỏ đi, do đó trọng lợng và chi phí dây dẫn sẽ giảm xuống, đồng thời tổn hao năng l- ợng trên đờng dây cũng giảm xuống. Vì thế muốn truyền tải công suất lớn đi xa, ít tổn hao và tiết kiệm kim loại màu, trên đờng dây ngời ta phải dùng điện áp cao, thờng là 35,10,220 và 500kV. Trên thực tế các máy phát điện không có khả năng phát ra những điện áp cao nh vậy, thờng chỉ từ 3 đến 21kV là cùng, do đó phải có thiết bị để tăng điện 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 điện áp ở đầu ra của máy phát điện, tức là ở đầu đờng dây dẫn điện và giảm điện áp khi tới các hộ tiêu thụ, tức là ở cuối đờng dây dẫn điện gọi là các MBA (viết tắt là MBA). Thực ra trong hệ thống điện lực, muốn truyền tải và phân phối công suất tù nhà máy điện đến tận các hộ tiêu thụ một cách hợp lý, thờng phải qua 3, 4 lần tăng và giảm điện áp nh vậy. Do đó, tổng công suất của các MBA trong hệ thống điện lực thờng gấp 3, 4 lần công suất của trạm phát điện. Những MBA dùng trong hệ thống điện lực gọi là MBA điện lực hay MBA công suất. Ngoài MBA điện lực ra còn có nhiều loại MBA dùng trong các ngành chuyên môn nh: MBA chuyên dùng cho các lò luyện kim, MBA hàn điện, MBA dùng cho các thiết bị chỉnh lu, MBA dùng cho đo lờng, thí nghiệm . Khuynh hớng phát triển của MBA điện lực hiện nay là thiết kế chế tạo những MBA có dung lợng thật lớn, điện áp thật cao, dùng nguyên liệu mới để giảm trọng lợng và kích thớc máy. Về vật liệu hiện nay đã dùng loại thép cán lạnh không những có từ tính tốt mà tổn hao sắt lại ít, do đó nâng cao đợc hiệu suất của MBA. Khuynh hớng dùng dây nhôm thay dây đồng vừa giảm đợc trọng lợng máy cũng đang phát triển. Hồ thanh tiên - lớp đkt. k42 5 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế MBA điện lực ở nớc ta ngành chế tạo đã ra đời ngay từ ngày hoà bình lập lại. Đến nay chúng ta đã sản xuất đợc một khối lợng MBA khá lớn với nhiều chủng loại khác nhau phục vụ cho nhiều ngành sản xuất ở trong nớc và xuất khẩu. Hiện nay ta đã sản xuất đợc những MBA dung lợng 25000kVA với điện áp 110kV. 1.2. Các loại MBA chính. Theo công dụng, MBA có thể gồm những loại chính sau đây: 1. MBA điện lực dùng để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện lực. 2. MBA chuyên dùng cho các lò luyện kim, cho các thiết bị chỉnh lu, MBA hàn điện; . 3. MBA tự ngẫu biến đổi điện áp trong một phạm vi không lớn lắm dùng để mở máy các động cơ điện xoay chiều. 4. MBA đo lờng dùng để giảm các điện áp và dòng điện lớn để đa vào các đồng hồ đo. 5. MBA thí nghiệm dùng để thí nghiệm các điện áp cao. MBA có rất nhiều, song thực chất các hiện tợng xảy ra trong chúng đều giống nhau. 1.3. Cấu tạo MBA. MBA có các bộ phận chính sau đây: Lõi thép, dây quấn và vỏ máy. 1.3.1. Lõi thép (mạch từ) Mạch từ MBA có hai nhiệm vụ chính: dẫn từ và đồng thời là các khung để làm chỗ tựa cho các cuộn dây. Mạch từ cũng do đó mà có các yêu cầu kỹ thuật t- ơng ứng: Phải dẫn từ tốt, có tổn hao do dòng điện xoáy nhỏ nhất, có kết cấu chắc chắn đảm bảo khi nâng hạ, vận chuyển không làm xê dịch vị trí của các cuộn dây. MBA trong hệ thống truyền tải điện thờng đợc thiết kế với công suất trên một máy rất lớn, có thể hàng trăm ngàn kVA. Khích thớc của MBA cũng nh máy điện Hồ thanh tiên - lớp đkt. k42 6 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế MBA điện lực nói chung tăng chậm hơn so với công suất. Vì vậy đối với máy lớn càng phải có hiệu suất cao. Lõi sắt gồm các lá thép silic ghép lại đợc ép bằng xà ép và các bulông tạo thành bộ khung MBA. Trên đó còn bắt các giá đỡ đầu dây dẫn ra nối với các sứ xuyên hoặc các ty đỡ nắp máy . ở các MBA dầu, toàn bộ lõi sắt có quấn dây và các dây dẫn ra . đợc ngâm trong thùng đựng dầu MBA, gọi là ruột máy. Các MBA nhỏ, ruột máy gắn với nắp máy có thể nhấc ra khỏi thùng dầu khi lắp ráp, sửa chữa. Các MBA công suất từ 1000kVA trở lên, vì ruột máy rất nặng nên đợc bắt cố định với đáy thùng và lúc tháo lắp sửa chữa phải nâng vỏ máy lên khỏi đáy và ruột máy. Lõi sắt gồm 2 phần: Trụ T và gông G. Trụ là phần lõi có lồng dây quấn, gông là phần lõi không có dây quấn dùng để khép mạch từ giữa các trụ. Có nhiều cách phân loại lõi sắt: a. Theo sự sắp xếp tơng đối giữa trụ, gông và dây quấn, lõi sắt đợc chia làm hai loại kiểu trụ và kiểu bọc. 1. Lõi sắt kiểu trụ: Dây quấn ôm lấy trụ sắt, gông từ chỉ giáp phía trên và phía dới dây quấn mà không bao lấy mặt ngoài của dây quấn, trụ sắt thờng để đứng. Tiết diện trụ thờng là hình tròn (đối với MBA công suất nhỏ có thể làm hình chữ nhật) và dây quấn cũng có dáng hình trụ tròn. Kết cấu này đơn giản, làm việc đảm bảo, dùng ít vật liệu, vì vậy hầu hết các MBA điện lực hiện nay đều dùng kiểu này. 2. Lõi sắt kiểu bọc. Kiểu này gông từ không những bao lấy phần trên và dới dây quấn mà còn bao cả mặt bên của dây quấn. Lõi sắt nh ''bọc'' lấy dây quấn nên có tên gọi đó.Trụ th- ờng để nằm ngang, tiết diện trụ thờng có hình chữ nhật. MBA kiểu này có u điểm là thờng không cao nên vận chuyển dễ dàng, giảm đợc chiều dài của dây dẫn từ dây quấn đến sứ ra; chống sét tốt vì hay dùng dây quấn xen kẽ nên điện dung dây quấn C dq lớn, điện dung đối với đất C đ nhỏ nên sự phân bố điện áp sét trên dây Hồ thanh tiên - lớp đkt. k42 7 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế MBA điện lực quấn đều hơn. Nhng khuyết điểm của kiểu này là chế tạo phức tạp cả lõi sắt và dây quấn; các lá tôn silic nhiều loại kích thớc khác nhau khi dây quấn quấn thành ống tiết diện tròn; trong trờng hợp dây quấn quấn thành ống hình chữ nhật thì độ bền về cơ kém vì các lực có tác dụng lên dây quấn không đều, tốn nguyên vật liệu. Lõi sắt kiểu này thờng thấy ở một số nớc Tây âu chế tạo cho các biến áp lò. b. Ngoài ra còn có thể có loại trung gian giữa kiểu trụ và kiểu bọc gọi là kiểu trụ - bọc. Loại này hay dùng trong các MBA một pha hay ba pha với công suất lớn (hơn 100 ngàn kVA một pha) và để giảm bớt chiều cao phải ''san'' gông sang hai bên. Theo sự sắp xếp không gian giữa trụ và gông có thể phân biệt lõi thép có mạch từ đối xứng và không đối xứng. Ví dụ MBA ba pha ba trụ là loại mạch từ không đối xứng, vì mạch từ của pha giữa ngắn hơn mạch từ hai pha bên cạnh. Còn tổ biến áp ba pha - tức gồm MBA một pha là loại mạch từ đối xứng. Theo phơng pháp ghép trụ và gông có thể chia loại sắt thành hai kiểu: lõi ghép nối và lõi ghép xen kẽ. Ghép nối là gông và trụ ghép riêng sau đó đợc đem nối với nhau nhờ những xà và bulông ép. Ghép kiểu này đơn giản, nhng khe hở không khí giữa trụ và gông lớn, do không đảm bảo tiếp xúc tơng ứng từng lá thép trụ và gông với nhau nên tổn hao và dòng điện không tải lớn, vì vậy ít dùng. Ghép xen kẽ là từng lớp là thép của trụ và gông lần lợt đặt xen kẽ sau đó dùng xà ép và bulông vít chặt lại. Muốn lồng dây quấn vào thì dỡ hết gông trên ra, cho dây quấn vào trụ sau đó xếp lá thép vào gông nh cũ và ép gông lại. Đối với thép cán lạnh, để giảm bớt tổn hao do tính dẫn từ không đúng hớng thờng ghép xen kẽ nhng đối với mối nối nghiêng giữa trụ và gông ở 4 góc hay mối nối nghiêng cả trụ giữa mà không dùng mối nối thẳng nh đối với thép cán nóng. Phơng pháp ghép xen kẽ đơn giản, kết cấu vững chắc nên đợc dùng rất phổ biến trong các ngành chế tạo biến áp hiện nay. 1.3.2. Dây quấn. Hồ thanh tiên - lớp đkt. k42 8 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế MBA điện lực Dây quấn MBA là bộ phận dùng để thu nhận năng lợng vào và truyền tải năng lợng đi. Trong MBA hai dây quấn có cuộn hạ áp (viết tắt là HA) nối với lới điện áp thấp và cuộn cao áp (viết tắt là CA) nối với lới có điện áp cao hơn. Theo phơng pháp bố trí dây quấn trên lõi thép có thể chia dây quấn biến áp thành hai kiểu chính: đồng tâm và xen kẽ. 1.3.2.1. Dây quấn đồng tâm. Cuộn HA và CA (nếu có ba dây quấn thì còn có cuộn điện áp trung bình ký hiệu là TA) là những hình ống đồng tâm đối với nhau. Chiều cao ( theo trục) của chúng nên thiết kế bằng nhau vì nếu không sẽ sinh ra lực chiều trục lớn (nhất là lúc ngắn mạch) có tác dụng ép hoặc đẩy gông từ hai cuộn dây không lợi về mặt kết cấu. khi bố trí cuộn dây, cuộn HA đặt trong cùng, cuộn CA đặt ngoài ( nếu biến áp ba pha dây quấn, thờng cuộn trung áp TA đặt giữa, cũng có thể đặt trong cùng). Cuộn cao áp đặt ngoài sẽ đơn giản việc rút đầu dây điều chỉnh điện áp cũng nh giảm đợc kích thớc rãnh cách điện giữa các cuộn dây và giữa cuộn dây với trụ sắt. Dây quấn đồng tâm đợc dùng phổ biến trong các MBA điện lực với lõi sắt kiểu trụ. 1.3.2.2. Dây quấn xen kẽ. Cuộn CA và HA đợc quấn thành từng bánh có chiều cao thấp và quấn xen kẽ do đó giảm đợc lực dọc trục khi ngắn mạch. Để giảm lực cơ theo hớng kính các bánh dây cố gắng thiết kế có đờng kính gần bằng nhau. Dây quấn xen kẽ có nhiều rãnh dầu ngang nên về mặt làm lạnh tuy có tốt hơn nhng về mặt cơ thì kém vững chắc hơn so với dây quấn đồng tâm. Mặt khác dây quấn kiểu này có nhiều mối hàn giữa các bánh dây trong khi đó dây quấn đồng tâm có thể từ đầu đến cuối cuộn dây không có mối hàn nào. Loại dây quấn này chủ yếu đợc dùng trong các MBA lò điện hay trong một số MBA khô để đảm bảo sự làm lạnh đợc tốt. Hồ thanh tiên - lớp đkt. k42 9 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế MBA điện lực Theo hình dáng tiết diện cuộn dây có thể chia dây quấn thành hai loại: Cuộn dây tròn và cuộn dây hình chữ nhật. Cuộn dây tròn ''có dạng hình trụ và tiết diện ngang là hình tròn''. Cuộn dây chữ nhật '' có tiết diện ngang là hình chữ nhật với các góc uốn tròn''. Loại dây quấn sau có u điểm là lấp đầy đợc phần không gian trong cuộn dây , nhng có nhợc điểm là chỗ góc uốn cong cách điện dễ bị yếu đi do bị rạn nứt lúc uốn, nhất là khi góc uốn nhỏ; độ bền cơ cũng kém . Chính vì thế hầu hết các MBA điện lực hiện nay đều dùng loại cuộn dây tròn vì kết cấu đơn giản hơn, độ bề cơ, điện tốt hơn. Loại dây quấn kiểu cuộn chữ nhật chỉ đợc dùng trong một số MBA đặc biệt thờng với lõi thép kiểu bọc và dùng trong các MBA công suất nhỏ và rất nhỏ. 1.3.3. Hệ thống làm lạnh và vỏ máy. Khi MBA làm việc, lõi sắt và dây quấn đều có tổn hao năng lợng làm cho MBA nóng lên. Muốn MBA làm việc đợc lâu dài phải tìm biện pháp giảm nhiệt độ của MBA xuống. Có thể làm nguội bằng không khí tự nhiên hoặc bằng dầu MBA. MBA dùng không khí để làm nguội gọi là MBA khô, MBA làm nguội bằng dầu gọi là MBA dầu. Hầu hết các MBA điện lực hiện nay đều làm nguội bằng dầu. Khi MBA làm việc, dầu bao quanh lõi thép và dây quấn sẽ nóng lên và chuyển năng lợng ra ngoài vách thùng nhờ hiện tợng đối lu. Nhiệt lợng lại từ vách thùng truyền ra không khí xung quanh bằng quá trình đối lu và bức xạ. Nhờ vậy mà hiệu ứng làm lạnh đợc tăng lên cho phép tăng tải điện từ đối với lõi thép và dây quấn, tăng đợc công suất máy, giảm đợc kích thớc và trọng lợng máy. Đối với MBA nhỏ dung lợng dới 25 ữ 40kVA, vách thùng dầu có thể làm phẳng hay gợn sóng; đối với các MBA lớn hơn, để tăng bề mặt tản nhiệt vách thùng thờng gắn thêm những dãy cánh tản nhiệt hay những dãy ống hoặc hơn nữa có thể làm những hệ thống dàn ống, gọi là bộ tản nhiệt hay bộ làm lạnh và đợc làm nguội nhờ không khí tự nhiên. ở những MBA công suất từ 10 đến 16 ngàn kVA trở lên thờng phải tăng cờng làm nguội bằng đối lu cỡng bức không khí nhờ hệ thống quạt gió hay có thể đối lu cỡng bức dầu trong thùng nhờ một hệ thống bơm riêng hoặc phối hợp cả hai. Hồ thanh tiên - lớp đkt. k42 10 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế MBA điện lực Để đảm bảo dầu trong MBA luôn luôn đầy trong quá trình vận hành, trên nắp MBA có một bình dầu phụ hình trụ, thờng đặt nằm ngang nối với thùng dầu chính bằng ống dẫn dầu. Tuỳ theo nhiệt độ của MBA mà dầu giãn nở tự do trong bình dầu phụ không ảnh hởng tới mức dầu ở trong MBA. Vì vậy, bình dầu phụ còn đợc gọi là bình giãn dầu. Trên nắp thùng còn có các sứ để bắt các dây dẫn ra nối các dây quấn trong MBA với lới điện; thiết bị đổi nối để điều chỉnh điện áp; thiết bị đo nhiệt độ biến áp; mức treo . Dầu MBA ngoài tác dụng làm lạnh còn là một chất cách điện tốt, nhng có nhợc điểm là dầu MBA đồng thời cũng là một vật liệu dễ cháy nên dễ sinh ra hoả hoạn, vì vậy trong nhiều trờng hợp phải có thiết bị và biện pháp chống cháy thích hợp. ở các MBA khô vỏ máy chỉ để bảo vệ. Vì không khí có khả năng làm nguội và cách điện kém hơn dầu MBA nên trong các MBA khô, các khe rãnh cách điện cần làm lớn hơn, còn tải điện từ thì lại phải nhỏ hơn so với MBA dầu. Cũng vì những lý do đó mà kích thớc, trọng lợng và giá thành của MBA khô sẽ tăng lên. Điều này thấy rõ khi công suất và điện áp của máy càng cao. Do vậy MBA khô th- ờng chỉ chế tạo với công suất tới 1600 ữ 2500kVA, điện áp không quá 15kV và cũng chỉ dùng trong điều kiện khô ráo. Hồ thanh tiên - lớp đkt. k42 11 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế MBA điện lực phần I chọn phơng án và tính sơ bộ kích thớc cơ bản I. Các đại lợng điện cơ bản 1. Công suất một pha của MBA. S f = m S (kVA) = 3 1000 = 333,33 (kVA) Trong đó: S - Công suất định mức của MBA, S = 1000kVA m - Số pha của MBA, m = 3 2. Công suất mỗi trụ. S' = t S (kVA) = 3 1000 = 333,33 (kVA) Trong đó: S - Công suất định mức của MBA, S = 1000kVA t - Số trụ tác dụng. Đối với MBA 3 pha , t = 3 3. Dòng điện dây định mức. I = U3 10S 3 (A) Dòng điện bên phía HA: Hồ thanh tiên - lớp đkt. k42 12