Thiết kế các loại máy biến áp điện lực

Thiết kế các loại máy biến áp điện lực

MỤC LỤC

PHẦN I: TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU

I)Xác định các đại lượng cơ bản

II)Chọn các số liệu và tính các kích thước chủ yếu

PHẦN II): TÍNH TOÁN DÂY QUẤN

I)Tính toán dây quấn hạ ápII)Tính toán dây quấn cao áp

PHẦN III): TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ NGẮN MẠCH

I)Tổn hao ngắn mạchII)Điện áp ngắn mạch

III)Tính toán lực cơ học khi ngắn mạch

PHẦN IV): TÍNH TOÁN CUỐI CÙNG VỀ HỆ THỐNG MẠCH TỪ PHẦN V): TÍNH TỔN HAO VÀ DÒNG ĐIỆN KHÔNG TẢIPHẦN VI): TÍNH TOÁN NHIỆT

I)Tính toán nhiệt của dây quấnII)Tính toán nhiệt của thùng

III)Tính toán cuối cùng nhiệt chênh của dây quấn và dầu :IV)Trọng lượng ruột máy,dầu và bình giãn dầu:

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

LỜI NÓI ĐẦU

Mba điện lực là một bộ phận rất quan trọng trong hệ thống điện Việc tải điệnnăng đi xa từ nhà máy điện đến hộ tiêu thụ trong các hệ thống điện cần phải có rấtnhiều lấn tăng giảm điện áp Do đó tổng công suất đặt của các Mba lớn hơn nhiều lầnso với công suất máy phát Tuy hiệu suất của Mba thường rất lớn ( 98-99% ) Nhưngdo số lượng Mba nhiều nên tổng tổn hao trong hệ thống rất đáng kể vì thế vấn đề đặt ratrong thiết kế Mba vẫn là giảm tổn hao nhất là tổn hao không tải trong Mba

Vấn đề phát triển của ngành chế tạo Mba điện lực hiện nay là tăng được giới hạnvề công suất, về điện áp, ngoài ra còn mở rộng thang công suất của Mba thành nhiềudãy để đáp ứng một cách rộng rãi với nhu cầu sử dụng và vận hành Mba Để làm đượcđiều đó trong thiết kế, chế tạo Mba ta phải không ngừng cải tiến, tìm ra những vật liệumới tốt hơn, thay đổi kết cấu mạch từ hợp lý, tăng trình độ công nghệ

Vì vậy, nhiệm vụ thiết kế các loại máy biến áp điện lực là hết sức cần thiết.Ngày nay, các máy biến áp điện lực của nước ta cũng như của nhiều nước trên thế giớiđã được chế tạo theo những tiêu chuẩn thích hợp hơn, có những thông số kỹ thật caohơn trước đây rất nhiều

Qua đồ án môn học này đã giúp em hiểu và làm quen với công việc thiết kế Mbanói riêng và máy điện nói chung Mặc dù đã rất cố gắng trong quá trình thiết kế nhưngchắc chắn không tránh khỏi những sai sót, em mong các thầy, cô cùng các bạn đónggóp những ý kiến xây dựng.

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà nội: Ngày 22/01/2007

Sinh viên

Bùi Văn Lục

PHẦN I : TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾUI) Các đại lượng điện cơ bản của MBA

1 Công suất mỗi pha của mba:

 = 10.49()10

-Phía HA: 1

Uf  = 12720()3

- Phía HA đấu Y: 230,9()3

rIu

Theo bảng 4 với các tấm lá tôn có ép chọn số bậc là 7

Vật liệu lõi sắt: dùng tôn silic mã hiệu 3404 có chiều dày : 0,35 mm-Bảng 8 Để ép trụ ta dùng nêm gỗ suốt giữa ống giấy Bakêlit với trụ hay với cuộn dây hạ áp <H.2>

Để ép gông ta dùng xà ép với bu lông xiết ra ngoài gông

Xà ép gông trên và dưới được liên kết với nhau bằng những bulông thẳng đứng chạy dọccửa sổ lõi sắt giữa hai cuộn dây giữa xà ép với gông phải lót đệm cacton cách điện để hệthống xà sắt không tạo thành mạch từ kín.

2 Chọn tôn silic và cường độ từ cảm trong trụ

Chọn tôn silic cán lạnh mã hiệu 3404 có chiều dày 0,35mm Theo Bảng 11 ta chọn BT=1,66T

3 Các hệ số và suất tổn hao, suất từ hoá trong trụ và gông.

- Hệ số dầy: Tra Bảng 10: kđ = 0,97- Hệ số chêm kín Bảng 4: kc=0,92

- Hệ số lợi dụng lõi thép: kld=kc.kđ = 0,92.0,97=0,89- Hệ số tăng cường tiết diện gông: ( Bảng 6) kg=Tg/Tt=1,015- Từ cảm trong gông BG=BT/kg=1,66/1,015=1,64

- Hệ số quy đổi từ trường tản: kR=0,95- Từ cảm khe hở không khí giữa trụ và gông:ghép chéo BKK BT /2= 1,17()

- Suất tổn hao thép (Bảng 45 ) Trong trụ pT= 1,47 (W/kg) Trong gông pG=1,41 (W/kg) - Suất từ hoá ( Bảng50) Trong trụ qT =2,56 (W/Kg) Trong gông qG=2,13 (W/Kg)- Suất từ hoá khe hở không khí: Nối thẳng p''k=28600 VA/mm2

Nối chéo p'k = 3900 VA/mm2

4 Chọn cách điện : ( Bảng 18,19)

- Cách điện giữa trụ và dây quấn HA: a01= 5 (mm)- Cách điện giữa dây quấn HA và CA: a12=10 (mm)- Cách điện giữa dây quấn CA và CA: a22=10 (mm)- Cách điện giữa dây quấn CA đến gông: l02=30(mm)- Bề dầy ống cách điện CA và HA : 12=3 (mm)

5.a Chiều rộng quy đổi từ trường tản:

aR=a12+1/3(a1+a2)

trong đó 124'.1023

(Bảng 12) k=0,53

(m)aR=0,01+0,02=0,03 (m)

b Xác định kích thước chủ yếu của MBA:

MBA cần thiết kế là loại máy 3pha 3 trụ kiểu phẳng dây quấn đồng tâm (H.4)

Các kích thước chủ yếu của MBA là:

- Đường kính trụ sắt: d

- Chiều cao dây quấn: l

- Đường kính trung bình giữa hai dây quấn: d12

1.Tính hệ số kích thước cơ bản :

Hệ số  biểu diễn quan hệ giữa đường kính trung bình d12 với chiều cao dây quấn l

. 

Để chi phí chế tạo MBA là nhỏ nhất, mặt khác vẫn đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật ta cầnphải tìm được giá trị  tối ưu.

Công suất trên một trụ: S’=U.I

Thành phần phản kháng của điện áp ngắn mạch:

Trong đó :

I, w: là dòng điện và số vòng cuộn dây CA hoặc HA f =50Hz tần số lưới điện

.kr=0,95 hệ số Rogovski

.aR=0,03 m chiều rộng quy đổi từ trường tản.uv=4,44.f.BT.TT Điện áp trên một vòng dây.TT=klđd2/4 Tiết diện trụ

Để tìm được  tối ưu, trước hết ta xác định trọng lượng tác dụng của MBATrong đó : A 5,663.104.a.A3.kld

+kf : hệ số tính đến tổn hao phụ trong dây quấn, trong vách Chọn kf=0,95 (Bảng 15)

Thay d12=a.A.X, uv=4,447.BT.TT ; TT= dkld

vào ( 2-53) : 2

XCGdq 

Với tần số f=50Hz:

22221

 với dây đồng: Kdq=2,46.10-2

Theo công thức 2-76M=

n. . .

Trong đó:

0 kAx

= 0,785.0,89.0,15612.x2

= 0,01702 x2 (m2)- Tiết diện khe hở vuông góc:

S'K= ST = 0,01702 x2

- Tiết diện khe hở chéo:Theo 2-68b

2'' S .20,02406.x

- Tổn hao không tải, trong tính toán sơ bộ dùng trong công thức 5-23:

kGGNGpkkGGpkP

   238,9.).

Trong đó + k'

if hệ số xét đến tổn hao phụ trong sắt, với tôn cán lạnh 3404, có ủ lại sau khi cắt dập k

if = 1,2 + k '

if đối với gông có tiết diện nhiều bậc lá thép có ủ, máy biến áp công suất S=400 kVAlấy k '

Qf = 40 qt.G0 =(VA) 40 2,56 G0 =102,4 G0 G0 là trọng lượng của một góc

00,486.10 k .k .A .X 0,486.10.1,015.0,89.0,1561.X 16.7X

+Q: công suất từ hoá ở những khe hở không khí nối giữa các lá thép Q 3,2q.Tt (VA) =3,2 28600 Tt (2-67)

+q : suất từ hoá khe hở: bảng 50

Tiết diện tác dụng của của trụ: Tt =0,785kldA3X20,002X2

Trong tính toán sơ bộ có thể coi gần đúng dòng điện không tải i0=i0x

3 Mật độ dòng điện trong dây quấn:

Trong đó : + 12

XCGdq 

Trong đó:

/(

2.X 25,01.X

1.X 198,89.X

2.X 11,26.X

G 1,03.1,03.Gdq426.993395.257369.656348.982341.346kdqFe.Gdd1007.703932.807872.388823.598805.577

.003,0 X

3456 X 3887.1832 4199.2928 4490.1222 4756.1247 4862.5257

 .d/

+Với giới hạn P0=1420 W 2,4

+Với giới hạn i0=2,0%1 ,82,4+Trị số  =1,88 ứng với C’

Ta chọn giá trị =1,88 thoả mãn tất cả các tiêu chuẩn đặt ra.

c) Các kích thước chủ yếu:

1 Đường kính trụ sắt:

18,0 4

2 Đường kính trung bình của rãnh dầu giữa hai dây quấn:

d  dm (2-77) + 1,2.0,020,024()

+ a01=0,5 cm + a12=1 cm

cmd12 182.0,52.2,4124,8

3 Chiều cao dây quấn:

8,24 12

Tiết diện thuần sắt của trụ:

UU 1

Trong đó:

+Ut1 là điện áp trên một trụ của dây HA: Ut1 = Uf1 = 230,94 (V)

+Uv = 8,107 (V) - Điện áp một vòng dây.

 W1 = 2308,107,94 =28,5  28(vòng)Tính lại điện áp một vòng dây Uv = 23028,94 = 8,24 (V)Cường độ từ cảm thực trong trụ sắt là :Bt =

104 ( A/m2)tb = 0,746 0,93 4004500.0.,8264,24 104 = 2,43 106 ( A/m2)

3 Tiết diện vòng dây sơ bộ:

T'1 =

=2,43.106

= 374.10-6 (m2) = 374 (mm2)Chọn kết cấu dây quấn, dựa theo Bảng 38:

Với S = 400 KVA ; It = 909,3 (A) ; U1 = 0,4 ( KV) T'

1 = 374 (mm2)

Chọn kết cấu dây quấn hình xoắn mạch đơn dây dẫn bẹt ( H.5) Với ưu điểm là độ bền cơ cao, cách điện bảo đảm, làm lạnh tốt.

6 Tiết diện mỗi vòng dây:

T1 = n.v1 Td1 10-6 = 6 52,1 10-6 = 312,6 10-6 (m2)

7 Mật độ dòng điện thực:

1 =

= 312,6.106

 = 2,91 106 ( A/m2) = 2,91 (MA/m2)

8 Chiều cao dây quấn:

Dây dẫn hình xoắn mạch đơn hoán vị ba chỗ, giữa các bánh dây đều có rãnh dầu

l1 = b’ 10-3 (W1 + 4 ) + k hr1 ( W1 + 3 ) 10-3

l1 = 11 10-3 ( 28 + 4 ) + 0,95 5 ( 28 + 3 ) 10-3 = 0,5 (m)Trong đó:

+ b’ = 11(mm)+ W1 = 28 (vòng)+ hhr = 5 (mm)

+ k = 0,95: hệ số kể đến sự co ngót của tấm đệm sau khi ép chặt cuộn dây.

9 Bề dầy của dây quấn:

a1 =

nn 1

a’ 10-3 =

5,5 10-3 =33,0.10-3 = 0,033(m)Với dây quấn hình xoắn mạch đơn: n =1.

10 Đường kính trong của dây quấn HA:

1 = d + 2a01 = 0,18 + 2 0,005 = 0,19 (m)

a'

11 Đường kính ngoài của dây quấn:

.28.312,6.10-6.103 = 163,9 (Kg)

II) Tính dây quấn CA.

1.Chọn sơ đồ điều khiển điện áp:

Đoạn dây điều chỉnh nằm ở lớp ngoài cùng, mỗi nấc điều chỉnh được bố trí thành hai nhóm trên dưới dây quấn nối tiếp với nhau và phân bố đều trên toàn chiều cao dây quấn (H.7 ) Chú ý rằng hai nhóm của đoạn dây điều chỉnh phải quấn cùng chiều với dây quấnchính.

+ Cấp -2,5%Uđm:9750(V)W2 = W2đm - Wđc = 1542 – 38 = 1504(vòng)

+ Cấp +5%Uđm: 9500 (V) : W2 = W2đm+2 Wđc = 1542 - 2.38 = 1466(vòng)

5 Mật độ dòng điện sơ bộ:

2 = 2tb - 1 = 2 2,43 106 - 2,91 106 = 1,95 106 (A/m2)

6 Tiết diện dây dẫn sơ bộ:

T'2 =

= 1,95.106

= 5,4.10-6m2 = 5,4 (mm2)

7 Chọn kiểu dây quấn:

Theo bảng 38: Với S = 400 (kVA) ; It2 = 10,49(A) ; U2 = 0,4(kV)+ T'

= 12,55.106

 = 0,83.106 (A/m2) = 0,83 (MA/m2)

11 Số vòng dây trong một lớp:

W12 = '22

- 1 = 0,145.4.,104 3 - 1 = 102 (vòng)Trong đó lấy l2 = l1 = 0,45(m)

12 Số lớp của dây quấn: n12 =

= 1542102 = 7 (lớp)

13 Điện áp làm việc giữa hai lớp kề nhau:

U12 = 2W12 Uv = 2 102 9,24 = 1884.9 (V)

14 Chiều dày cách điện giữa các lớp:

Bảng 26: + Số lớp giấy cáp: 3 lớp

+ Chiều dày một lớp giấy cáp: 0,12(mm)

Chiều dày cách điện giữa các lớp: 12 = 3 0,12 = 0,36mm

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

+ Do số lớp của dây quấn được làm tròn n12 = 7 (lớp) nên số vòng dây trong mỗi lớp

16 Chiều dày dây quấn CA:

22 = 5(mm)a2 = 4,4(34)0,36(31)(41) 5.103



= ( 10+ 0,5 + 2 0,36) 10-3 = 11,22 10-3(m)

17 Đường kính trong của dây quấn CA :

18 Đường kính ngoài của dây quấn CA :

19 Khoảng cách giữa hai trụ cạnh nhau:

Trong đó k= 0,88: hệ số tính đến bề mặt làm lạnh bị các chi tiết cách điện che khuất

21.Trọng lượng đồng của dây quấn CA:

2"2

PHẦN III: TÍNH TOÁN NGẮN MẠCHI) Tổn hao ngắn mạch:

Tổn hao ngắn mạch của Mba hai dây quấn là tổn hao khi ngắn mạch một dây quấn còn dây quấn kia đặt vào điều áp ngắn mạch Un để cho dòng điện trong cả hai dây quấn đều bằng định mức.

1.Tổn hao chính: Là tổn hao đồng trong dây quấn:

Pcu = I2.R =

, 10-6 = 2,4 10-12 2 Gcu (4-3)Trong đó: +  : Mật độ dòng điện (A/m2)

+ 1= 2,91 (MA/m2)+2 = 2,89 (M/m2)

+ T tiết diện dây đồng: (m2)+ l chiều cao dây dẫn (m)

= 3107 (W)

- Dây quấn CA: Gcu2 = 212 (Kg) Pcu2 = 2,4 10-12 2,892 212

= 4249 (W)Vậy tổn hao đồng:

Pcu= Pcu1 + Pcu2 = 3107 + 4249 = 7356 (W)

2 Tổn hao phụ trong dây quấn:

Tổn hao phụ thường đựơc ghép vào tổn hao chính bằng cách thêm hệ số kf vào tổn haochính:

Pcu + Pf = Pcu kf.

Trong đó kf phụ thuộc vào kích thước hình học của dây dẫn và sự sắp xếp của dây dẫntrong tổn thất tản.

- Trong đó dây quấn HA:

+ Số thành dẫn song song với từ thông tản: m = 24 kf1 = 1 + 0,095 108 2a4.n2

Trong đó: +  =

kr = 10,5.100,433.24.0,95 = 0,55+ b = 10,5(mm)

+ a = 5,0(mm)

kf1 = 1 + 0,095.108 ( 0,55)2 ( 5,0)4 10-12 32 = 1,02Trong dây quấn CA.

kf2 = 1 + 0,095 108

Với : n = 1 d = 4 (mm)

m = 96  = d.lm kr =4,0.100,343.96.0,95 = 0,85 kf2 = 1 + 0,095 1080,852 42.10-12.12 = 1,00

Đối với dây quấn HA:

- Chiều dài dây dẫn ra HA: lr1 = 7,5l = 7,5 0,43 = 3,22(m)- Trọng lượng đồng dây dẫn ra HA:

Gr1 = lr1.Tr1. = 3,22 312,6 10-6 8900 =8,95 (kg)- Tổn hao trong dây dẫn ra HA:

Pr1 = 2,4 10-12 2,912 1012 8,95 = 181,8(W)

Đối với dây quấn CA:

- Chiều dài dây dẫn ra CA

lr2 = 7,5.l = 7,5 0,43 = 3,22 (m)- Trọng lượng đồng dây dẫn ra CA:

Gr2 = lr2.Tr2 cu = 3,22 12,55.10-6 8900 = 0,35(kg)- Tổn hao trong dây dẫn ra CA:

Pr2 = 2,4 10-12 ( 2,89)2 1012 0,35 = 7,015 (W)

4 Tổn hao trong vách thùng và các chi tiết kim loại khác:

Do một phần tử thông tin khép mạch qua vách thùng dầu, các xà ép gông, các bulông ,nên phát sinh tổn hao trong các bộ phận này.

II) Xác định điện áp ngắn mạch:

1 Thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng.

Unr =

.100 =

UIr

.100 = UrIImm

.100=

100 Unr =

10 –1 %Trong đó : + =

+d12 = đm + 2a01 + 2a1 + a12 = 0,20 + 2.0,005 + 2.0,022 + 0,01 = 0,264 (m)+ = 3,142 00,264,41 = 2,023

+ar = a12 + 1/3(a1 + a2) = 0,01 + 1/3 ( 0,022 + 38,8 10-3) = 0,03(m)

+kr = 1 - ( 1 – e1/6)

+ = 12 .12 0,0130,142,022.0,410,0388

+kr = 1 – 0,055 ( 1 – e-1/0,055) = 0,945Unx = 9,6232

4 Lực cơ học của dây quấn:

Khi mba bị sự cố ngắn mạch thì dòng điện ngắn mạch sẽ rất lớn, nó không những làmtăng nhiệt độ máy mà còn gây lực cơ học lớn nguy hiểm đối với dây quấn mba

III) Tính toán lực cơ học khi ngắn mạch:

1.Trị số hiệu dụng của dòng điện ngắn mạch xác lập:

In = (1 100 )/( )

 100 = 5,31100.630/(5,3.500.10)

2 Trị số cực đại ( xung kích) của dòng điện ngắn mạch:

1.(2.2,

Lực Fn đối với hai dây quấn là trực đối nhau ( H.9 ) có tác dụng ép ( hay nén) dây quấntrong và có tác dụng trương ( bung) đối với dây quấn ngoài

- Lực chiều trục F’t do từ trường tản ngang tác dụng với dòng điện sinh ra F’t = Fr

 nr1 =

nr  =

= 2.3,14881746.312,6.10.10 6.246

= 18,7 (MPa)- Ứng suất nén hoặc kéo trong dây quấn CA:

nr2 =

= 18,6 (MPa) .100

= 62 % ứng suất nén cho phép.

Ứng suất do lực chiều trục gây nên:

- Lực chiều trục chủ yếu là lực nén, nó làm hỏng những miếng đệm cách điện giữa cácvòng dây

Fn = F’t = 32578 Nn =

= 3,18 MPa

Trong đó: +n : Số miếng đệm theo chu vi vòng tròn dây quấn, n=10 (Bảng 30) +a, b:kích thước miếng đệm

Chọn + Bề rộng tấm đệm b = 40 (mm) + Bề rộng tấm đệm a = 32(mm)

PHẦN IV: TÍNH TOÁN CUỐI CÙNG VỀ HỆ THỐNG MẠCH TỪ VÀTHAM SỐ KHÔNG TẢI CỦA M.B.A

I).Tính toán kích thước lõi sắt:

1 Ta chọn kết cấu lõi thép kiểu 3 pha, 3 trụ, lá thép ghép xen kẽ làm bằng tôn cán lạnh mã hiệu 3404 dầy 0,35 mm có 4 mối nối nghiêng ở 4 góc Ép trụ dùng nêm gỗ suốt giữa ống giấy bakêlit với trụ Gông ép bằng xà ép với bu lông siết ra ngoài gông.Số bậc,

chiều dầy các tập lá thép và kích thước các tập lá thép tra theo Bảng 41b: với d = 0,19 m

Thứtự tập

- Chiều rộng tập lá thép gông ngoài cùng aG = 100 mm- Hệ số chêm kín hình tròn của bậc thang trụ kc = 0,89

- Diện tích tiết diện ngang các bậc thang của trụ và gông ( Bảng 42b ) TbT 262 cm,82

267 cm

Tbg 

- Thể tích góc mạch từ : V0 = 4118 cm3

2 Xác định tiết diện tổng các bậc thang trong trụ:

8,

5 Chiều dầy gông:

bGbT.103 3017148757.2176mm

9 Trọng lượng sắt của trụ và gông:

- Trọng lượng sắt 1 góc của mạch từ: là phần chung nhau của trụ và gông, giới hạn bởi hai mặt trục vuông góc nhau.

Phần gông ở giữa các góc :

GGG 2.G 2.30,5561,1Kg

''0 0

Trọng lượng sắt toàn phần của gông:

GT GT'GT ''244,068,19252,25Kg

Trọng lượng sắt toàn bộ của trụ và gông:

GFe GT GG 252,25355,8608,05Kg

II) Tính toán tổn hao không tải, dòng điện không tải và hiệu suất mba

Khi cấp điện áp xoay chiều định mức có tần số định mức vào cuộn dây sơ cấp và thứ cấp để hở mạch, gọi là chế độ không tải.

1 Tổn hao không tải: Chủ yếu là tổn hao trong lá thép silic.

Tra bảng 45:

Với BT = 1,72 T  pT = 1,672 (W/Kg) ; pKt = 741 (W/m2)Với BG = 1,64 T  pG = 1,411 ( W/Kg) ; pKg = 677 (W/m2)Với Bkn = 1,21 T pKN = 381 (W/m2)

Đối với mạch từ phẳng, nối nghiêng ở 4 góc, trụ giữa nối thẳng, lõi sắt không đột lỗ, tôncó ủ sau khi cắt và có khử bavia:

+ kPT = 1,05 là hệ số tổn hao do tháo lắp gông trên ( Để lồng dây)+ kPE = 1,03 là hệ số tổn hao do ép trụ để đai

+ kPC = 1,05 là hệ số kể đến tổn hao do cắt dập lá tôn

+ kPB = 1 là hệ số kể đến tổn hao gấp mép hoặc khử bavia+ nK : Số khe nối giữa các lá thép trong mạch từ.Thay số:

2 Dòng điện không tải: