Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp pha Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp pha CHƯƠNG 1: TÍNH TỐN CÁC THAM SỐ CƠ BẢN 2.1 Tính dịng điện cao áp hạ áp máy biến áp pha + Phía cao áp : S.10 S.10 50.10 = = = 2,273 ( A ) I2 = U CA U2 22.10 + Phía hạ áp : S.10 S.10 50.10 I1 = = = = 227,27 ( A ) U HA U1 220 Trong đó: S : công suất biểu kiến máy biến áp pha (kVA) U2 : điện áp định mức máy biến áp pha phía cao áp (kV) U1 : điện áp định mức máy biến áp pha phía hạ áp (kV) 2.2 Điện áp thử nghiệm dây quấn theo TCVN + dây quấn cao áp với UCA = 22 kV Ut = 50 kV án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp pha + dây quấn hạ áp với UHA = 0,22 kV Ut = kV Các kích thước chủ ú : C C a01 01 l0 l Đồ a a12 a2 d d 12 Hình 2.1 Các kích thớc chủ yếu máy biến áp pha hai dây quÊn Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp pha Trong đó: + C: Chiều rộng cửa sổ mạc từ + d: Đường kính trụ sắt +l: Chiều cao dây quấn , hai dây quấn cao áp hạ áp thường có chiều dài +d12: Đường kính trung bình hai dây quấn + a01: Khoảng cách từ trụ đến cuộn hạ áp + a12: Khoảng cách điện cao áp hạ áp + a2: Bề dầy cuộn cao áp Chiều rộng quy đổi rãnh từ trường tản cao áp hạ áp , với Uth2 = 50 kV, theo bảng 19 sách thiết kế máy biến áp − Phan Tử Thụ, ta chọn: a12 = 20 mm δ12 = mm : chiều dày ống cách điện hạ áp với trụ sắt Tính chiều rộng quy đổi từ trường tản Đồ án tốt nghiệp a r = a12 + Thiết kế máy biến áp pha a1 + a Trong đó: ar: Là chiều rộng quy đổi từ trương tản(mm) a1,a2: Là bề dầy cuộn hạ áp cao áp a1 + a = k.4 S 10 −2 = 0.54.4 50 10 −2 = 14,4 (mm) k: hệ số tra bảng 12 sách thiết kế máy biến áp Phan tử Thụ, k = 0,64÷ 0,51, ta chọn k =0,54 4.Hệ số quy đổi từ trường tản lấy sơ bộ: kr = 0,95 Các thành phần điện áp ngắn mạch: TCVN + Điện áp ngắn mạch: Un% = 5% + Thành phần tổn hao không tải: P0= 270W +Thành phần tổn hao ngắn mạch: Pn = 850 W +Thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng : U nr = Pn 850 = = 1,7% 10.s dm 10.50 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp pha + Thành phần điện áp ngắn mạch phản tác dụng : U nx = U n2 + U r2 = − 1,7 = 4,71% Các thông số mạch từ máy biến áp pha + Mạch từ máy biến áp pha thiết kế dạng chữ E với dây quấn kiểu trụ quấn trụ, mạch từ có mối ghép chéo góc , ghép thẳng với trụ Trụ dùng băng đai, gông dùng sắt ép lại, lõi thép dùng thép cán nguội đẳng huớng 3406 dày 0,35 mm + Chọn mật độ từ thông sơ bộ: BT = 1,62 T + Theo bảng 13.2 sách thiết kế máy kế máy điện – Trần khánh Hà+ Phan Tử Thụ với S = 50 kVA chọn sơ số bậc trụ + Hệ số điền đầy: KP = ST = 0,92 SK + Hệ số ép chặt KC = 0,93÷ 0,94, sơ chọn KC =0,93 + Hệ số lợi dụng lõi sắt: K ld = K C K P = 0,93.0,92 = 0,866 + Số bậc gơng thường số bậc trụ bậc nhằm mục đích đảm bảo lực ép phân bố thép ép gông + Hệ số ép gông: tỷ lệ tiết diện gông tiết diện trụ Đồ án tốt nghiệp Kg = Sg ST Thiết kế máy biến áp pha , theo bảng sách thiết kế máy biến áp Phan Tử Thụ ta chọn Kg = 1,02 + Mật độ từ thông gông: - Từ cảm gông: Bg = 1,62/1,02 = 1,585 T - Từ cảm khe hở khơng khí với mối nối thẳng: Bk = BT = 1,62 T - Từ cảm khe hở khơng khí với mối nối xiên: BK’’ = 1,62/ = 1,46 Các thông số tổn hao mã hiệu thép Theo bảng 44-4 đặc tính mã hiệu thép 3404, dày 0,35 mm sách thiết kế máy biến áp ta có + Tổn hao thép: PFeT = 1,358w/kg; PFeG = 1,251w/kg + Tổn hao trụ: QT = 1,956 VA/ kg; gông QG = 1,575VA/ kg, khe hở vng góc qK’’ = 0,61VA/ cm2, khe hở chéo qK’’= 0,0956VA/ cm2 thông số khác + Theo bảng 13.7 sách thiết kế máy điện – Nguyễn Hồng Thanh, hệ số tổn hao phụ chọn Kf =0,91 ngắn mạch bảng 13.5 cho số dây đồng là: a = 1,3; b = 0,4 Trong đó: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp pha a = d12/d: tỷ số tri số trung bình hai dây quấn đường kính trụ sắt d b = a2/ d: tỷ số bề dày cao áp đường kính trụ sắt + Hệ số hình dáng máy biến áp β β= π.d 12 = 1,2 ÷ 3,8 l Tính tốn tham số Đường kính trụ sắt d = A.x A = 0,507.4 S.a r Kr f U nx B t2 K ld2 Trong đó: S = 50 kVA: cơng suất định mức máy biến áp pha ar: chiều rộng quy đổi từ trường tản Kr = 0.95 : hệ số quy đổi từ trường tản f = 50 hZ: Tần số dòng điện; Unx = 4.7% - thành phần điện áp ngắn mạch phản kháng Bt = 1.62T : mật độ từ cảm trụ Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp pha Kld = 0,86: hệ số lợi dụng lõi sắt 2.Trọng lượng trụ sắt GT = A1 + A x x Trong đó: d = A.x; d12= a.d = A.d.x; β = x4 A1 =1,89.104.a.A3.Kld =1,89.104.1,3.0,12113.0,86 = 40 (kg) A2 =1,2.104.a.A2.Kld.l0 =1,89.104.1,3.0,12112.0,86.20.10-3 = 4,41 (kg) A = 0,507.4 S.a r Kr 50.0,0344 = 0.507 = 0,1211 2 f U nx B t K ld 50.4,44.1,62 0.86 3.Trọng lượng sắt gơng + Gơng máy biến áp pha tính sau: Một phận phạm vi hai trụ hai gơng biên, có tiết diện Sg với chiều dài 2.C trọng lượng phận gông Gg’; Một phận gồm hai nửa góc mạch từ phía ngồi hai gông biên với trọng lượng gông gông Gg’’; Một phận gồm hai trụ biên có trọng lượng trọng lượng trụ giữa: G G = G 'g' + G 'g + G T Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp pha G''g/4 e.d C C G'g/2 b) a) Hình 2.2.a) Quy đổi nửa tiết diện trụ bậc thang hình chữ nhật; b) Các phần gông + Trọng lượng trụ sắt phận thứ là: G 'g = 2S g 2.c.γ Fe Trong đó: C = 0,5.d12+0.25d+0,5a12+ a2+a22: chiều rộng cửa sổ mạch từ d12: đường kính trung bình hai dây quấn hạ áp cao áp a12: khoảng cách cuộn hạ áp cao áp a2: bề rộng cuộn cao áp a22: khoảng cách cuộn cao áp đến gông Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp pha 22.Sơ đồ bố trí dây quấn cao áp hạ áp(trang bên) + Sau tính tốn quy chuẩn ta có: d = 140 mm; d12 = 180 mm; D1’ = 150 mm; D1’’ = 166,4 mm; D2’ = 210mm; D1’’ = 290 mm; a01 = 10 mm; δ1 = mm; a1 = 16,4 mm; a12 =20 mm; δ12 = mm; a2 = 30mm; l02 = 75 mm.;lđ = 20 mm 41 án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp pha l02 φ140 l® Đồ φ150 φ166,4 a22 φ180 φ210 φ240 δ1 a1 δ12 a1 δ2 a21 a2 a12 42 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp pha CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN NGẮN MẠCH DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP MỘT PHA 4.1.Đai cương + Tổn hao ngắn mạch máy biến áp hai dây quấn tổn hao máy biến áp ngắn mạch dây quấn dây quấn đặt vào điện áp ngắn mạch Un để dòng điện hai dây dẫn địnhh mức + Tổn hao ngắn mạch chia thành phần sau: a) Tổn hao chính, tức tổn hao đồng dây quấn hạ áp cao áp dòng điện gây PCu1 PCu2 b) Tổn hao phụ hai dây quấn từ thơng tản xun qua dây quấn làm cho dịng điện phân bố không tiết dây gây Pf1 Pf2 c) Tổn hao dây dẫn Pr1và Pr2 d) Tổn hao phụ dây dẫn Prf1và Prf2 thường tổn hao nhỏ ta bỏ qua đ) Tổn hao vách thùng dầu chi tiết kim loại khác Pt từ thông tản gây + Thường tổn hao tính gộp vào tổn hao cách thêm vào tổn hao việc thêm vào hệ số tổn hao phụ Kf Vậy tổn hao ngắn mạch tính theo cơng thức sau: Pn = PCu1.Kf1+ PCu2.Kf2 + Pr1+ Pr2+Pt 43 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp pha 4.2 Tính tốn tổn hao phụ 1.Tổn hao + Dây quấn hạ áp: PCu1 = 2,4.10 −12 J 2tb G Cu1 = 2,4.10 −12 3,06 16,36 = 367,6 ( W ) Trong đó: Jtb = 3,06 A/mm2; GCu1 = 16,36 kg + Dây quấn hạ áp: PCu = 2,4.10 −12 J 12tb G Cu = 2,4.10 −12 3,13 20,67 = 486 ( W ) Trong đó: Jtb = 3,13 A/mm2; GCu1 = 20,67 kg + Tổng tổn hao đồng chính: PCu = PCu1+PCu2 = 376,6 +486 = 853,6 W W1 S1 J1 PCu1 d Sơ đồ dùng để xác định trọng lợng dây ®ång vμ tỉn hao d©y qn W2 S2 J2 PCu2 Dtb1 d12 Dtb2 44 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp pha 2.Tổn hao dây dẫn + Dây dẫn hạ áp: Pr1 = 2,4.10 −12 G r1HA J 12 = 2,4.10 −12.0,93.3,06 = 20,49( W) Trong đó: Gr1HA = 3,5.l1.S1’.γ.10-6 = 3,5.0,347.86,07.8900.10-6 = 0,93 (kg) J1 = 3,06 A/mm2 + Dây dẫn cao áp : Pr = 2,4.10 −12 G r CA J 22 = 2,4.10 −12.0,08.3,132 = 1,88( W) Trong đó: Gr2CA = 3,5.l2.S2’.γ.10-6 = 3,5.0,347.0,724.8900.10-6 = 0,08 (kg) J1 = 3,136 A/mm2 3.Tổn hao thùng chi tiết khác Pt = 10.k.S = 10.0,015.50 = 7,5 (W) Trong đó: + Trị số k tra bảng 40a sách thiết kế máy biến áp – Phạm Văn Doanh ta lấy k = 0,015 45 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp pha 4.Tổng tổn hao ngắn mạch Pn = PCu1.Kf1+ PCu2.Kf2 + Pr1+ Pr2+Pt = PCu.Kf+ Pr1+ Pr2+Pt = 853,6.1,02 +20,49 + 1,88 + 7,5 = 900 (W) Trong đó: Lấy Kf1 = Kf2 = Kf = 1,02, hệ số tổn hao phụ 4.3 Xác định điện áp ngắn mạch + Điện áp ngắn mạch máy biến áp hai dây quấn Un điện áp đặt vào dây quấn với tần số định mức, dây quấn nối ngắn mạch cho dịng điện hai phía dịng điện định mức tương ứng + Trị số Un tham số quan trọng ảnh hưởng tới đặc tính vận hành kết cấu máy biến áp: - Khi Un bé dịng điện ngắn mạch In gây lên lực tác dụng học lớn máy biến áp - Khi Un lớn điện áp giáng ΔU máy biến áp tăng lên ảnh hưởng tới hộ dùng điện (đèn tối ) - Phân phối tải không tốt dẫn tới máy biến áp pha làm việc không cân tải 1.Thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng U nr = Pn 900 = = 1,8 % 10.S 10.50 Thành phần ngắn mạch phản kháng 46 Đồ án tốt nghiệp U nx = Thiết kế máy biến áp pha 7,92.f S.β.a r 7,92.50.50.1,6.0,95 K r 10 −1 = 0,95.10 −1 = 4,48% 2 UV 4,9664 Điện áp ngắn mạch toàn phần: U n = U 2nr + U 2nx = 1,82 + 4,482 = 4,8% 4.So sánh điện áp ngắn mạch tính tốn với điện áp ngắn mạch tiêu chuẩn: ΔU n = U ntt − U nTC U nTC 100 = 3,6% * Nhận xét: Giá trị điện áp ngắn mạch tính tốn đạt yêu cầu thiết kế 4.4 Tính lực học dây quấn máy biến áp +Khi máy biến áp bị cố ngắn mạch dịng điện ngắn mạch lớn.Vấn đề nhiệt máy biến áp không quan trọng lắm, máy cắt tự động cắt phần cố khỏi lưới điện, vấn đê chủ yếu lực học gây lên tác dụng nguy hiểm dây quấn máy biến áp Bởi để đảm bảo cho máy biến áp làm việc an toàn, thiết kế ta phải ý đến lực học tác dụng lên dây quấn ngắn mạch xem độ bền dây quấn có đảm bảo không: - Phải xác định trị số cực đại dòng ngắn mạch - Xác định lực học dây quấn 47 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp pha - Tính ứng suất đệm cách điện dây quấn thân dây quấn 1.Trị số hiệu dụng dòng điện ngắn mạch: In = I dm 2,273 100 = 100 = 45,46 (A) Un Trị hiệu dụng dòng ngắn mạch xác lập: In = I dm 2,273.100 100 = = 45,46 (A) Un 3.Trị số cực đại (hay xung kích) dịng điện ngắn mạch + Khi ngắn mạch dòng điện ngắn mạch gồm hai thành phần: thành phần chu kỳ thành phần tự không chu kỳ Chính thành phần tự khơng chu kỳ làm trị số dòng điện ngắn mạch tăng lên lớn i max − πU ⎛ = ⎜ I n + I n ⎝ nr U nx − π 1, ⎛ ⎞ , 48 ⎞ ⎟ = 82,5 (A) ⎟ = ⎜ 45,46 + 45,64 ⎠ ⎠ ⎝ 4.Tính lực học ngắn mạch + Khi ngắn mạch dây quấn chịu lực học lớn lớn Nếu khơng xét kỹ lực học làm hư hỏng dây quấn Lực học sinh tác dụng dòng điện dây quấn với từ trường tản +Dây quấn Hạ áp Cao áp dây quấn đồng tâm, có chiều cao; từ trường tản gồm có thành phần dọc trục với từ cảm B thành phần 48 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp pha ngang trục với từ cảm B’, ứng với từ trường tản có lực tác dụng tương ứng B' Fr Fr a2 a12 B a1 Hình 4.1.Từ trờng tản dọc v ngang dây quấn đồng tâm Tớnh lc hướng kính tác dụng lên dây quấn + Dây quấn mà ta xét dây quấn đồng tâm, nên cơng thức tính sau: Fr = 0,628(W2 i max ) β.K r 10 −6 = 0,628(4430.82,5 ) 1,6.0,95.10 −6 2 = 127502 ( N ) Trong đó: + imax = 82,5: Trị số cực đại dòng điện điện ngắn mạch 49 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy biến áp pha + W2= 4430: Số vòng dây cuộn Cao áp ứng với U2 đm = 22 KV +β = 1,6: Hệ số hình dáng máy biến áp + Kr = 0,95: Hệ số quy đổi từ trường tản + Lực hướng kính Fr hai loại dây quấn đồng tâm Hạ áp Cao áp trực nhau, có tác dụng ép (hay nén) dây quấn có tác dụng trương hay bung dây quấn Lực phân bố dọc chu vi hai dây quấn H×nh 4.2 Tác dụng lực hớng kính lên dây quấn ®ång t©m Lực chiều trục tác dụng lên dây quấn + Lực chiều trục có tác dụng nén hai dây quấn theo chiều trục, lực chiều trục FT có xu hướng lớn dây quấn hai đầu ép lại có xu hướng làm sập vịng dây ngồi quấn khơng chặt 50 Đồ án tốt nghiệp FT = F Thiết kế máy biến áp pha ar 0,95 = 127502 = 6687 ( N ) 2.l 2.0,347 Ứng suất dây quấn Hạ áp Cao áp + dây quấn Hạ áp (ứng suất nén) σ nHA = Fr 127502 = = 5,36 ( MPa ) ' 2.π.W1 S 2.π.44.86,07.10 −6 W1 = 44 vòng; S1’ = 86,07 mm2 + dây quấn Cao áp (ứng suất kéo) σ kCA = Fr 127502 = = 5,56 ( MPa ) ' 2.π.W2 S 2.π.4430.0,825.10 −6 W2 = 4430vòng; S2’ = 0,825 mm2 8.Ứng suất dọc trục cuộn dây Cao áp Hạ áp Ft 10 −6 6657.10 −6 σn = = (0,1461 + 0,1625) (0,0164 − 1.10 −3 ) D ' + D '' ) ( π .(a − a 11 ) π 2 = 0,85 ( MPa ) * Nhận xét: σHẠ ÁP =5,36 MPa, σCAO ÁP =5,56 MPa