XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT MÁY BIẾN ÁP

Dung lượng của MBA được chọn sao cho ứng với một môi trường làm việc cụ thể và hệ thống làm mát nhất định, MBA có thể làm việc với công suất định mức Sđm trong suốt thời gian phục vụ của nó Tđm. Song trong điều kiện thực tế vận hành, phụ tải của MBA luôn thay đổi và phần lớn thời gian làm việc với phụ tải bé

hơn định mức. Khi đó sự hao mòn về cách điện của MBA sẽ nhỏ hơn định mức do nhiệt độ của MBA nhỏ hơn nhiệt độ cho phép dẫn đến tuổi thọ MBA tăng lên. Và

ngược lại những lúc phụ tải lớn hơn công suất định mức trong giới hạn cho phép vẫn có thể cho MBA làm việc nhưng với hao mòn cách điện vượt qua định mức làm giảm tuổi thọ của MBA. Từ đó ta thấy rằng MBA có thể được chọn theo khả

năng quá tải để giảm dung lượng, tiết kiệm vốn đầu tư ban đầu trong khi vẫn đảm bảo các yếu tố an toàn, kỹ thuật và tuổi thọ chung của MBA.

1. Quá tải bình thường của MBA (Trường hợp trạm chỉ đặt một MBA).

Quá tải bình thường là quá tải thường xuyên của MBA, có tính chất chu kỳ

(một ngày đêm, một tháng, một mùa..). Trong mỗi chu kỳ có một phần thời gian MBA làm việc quá tải (S > Sđm), phần lớn thời gian còn lại của chu kỳ MBA làm việc non tải (S < Sđm). Hệ số quá tải thường xuyên có thể xác định từ đồ thị khả

năng quá tải của MBA. Đó là quan hệ giữa hệ số quá tải cho phép K2cp, hệ số phụ

tải bậc 1 (K1) và thời gian quá tải t.

Công suất định mức của MBA chọn theo khả năng quá tải của MBA. Để sử dụng phương pháp này cần phải biến đổi đồ thị phụ tải nhiều bậc của MBA thành hai bậc đẳng trị.

Công suất đẳng trị của MBA trong khoảng thời gian xem xét được xác định theo biểu thức:

Sđti=

n n n

t t

t S t

S t S

+ + +

...

2 1

2 2

2 2 1 2

1 =

∑

= n i

i n i

i i

t t S

1 1

Trong đó Si là phụ tải của MBA ở thời gian ti.

Đồ thị phụ tải của MBA có rất nhiều dạng, dưới đây ta sẽ xem xét một số dạng thường gặp của đồ thị phụ tải MBA:

Đồ thị phụ tải nhiều bặc của MBA có một cực đại vào buổi chiều. Theo biểu thức trên Sđt2 được tính trong khoảng thời gian lúc quá tải là t2 và Sđt1 được tính với thời gian t1 trước lúc quá tải 10h. (hình a).

Đồ thị phụ tải nhiều bặc của MBA có một cực đại vào buổi sáng. Tương tự

Sđt2 được tính trong khoảng thời gian lúc quá tải là t2 và Sđt1 được tính với thời gian t1 sau khi kết thúc quá tải 10h. (hình b).

Đồ thị phụ tải có hai cực đại trong một ngày thì phụ tải đẳng trị bậc hai được tính đối với cực đại nào có tổng ∑Siti đạt trị số lớn nhất. Khi đó sẽ chọn được Sđt2, và Sđt1 được tính như trường hợp trên. (hình c, d).

Hình a. Hình b.

Hình c. Hình d.

Nếu Sđt2 < 0.9 Smax thì ta chọn Sđt2= 0.9 Smax và thời gian quá tải t2’ được tính theo công thức quy đổi:

2 max

2 2 ' 2

2 (0.9S ) t t = Sđt

Nếu MBA làm việc ở những nơi có nhiệt độ trung bình hằng năm θtb lớn hơn nhiệt độ trung bình hằng năm định mức θđm thì công suất đẳng trị phải điều chỉnh theo biểu thức sau:

100 ) 1

( tb đm

đti

đti S

S = −θ −θ

Quá tải cho phép của MBA theo đường cong khả năng tải được xác định dựa vào hệ số phụ tải K1 và K2:

đm đt

S K1= S 1

đm đt

S K2 = S 2

Từ K1 và t2 ta tra được các đường cong quá tải của MBA để tìm K2cp và so sánh với K2.

Nếu K2 ≤ K2cp thì MBA đã chọn là chấp nhận được, ngược lại ta cần thay đổi công suất MBA.

Trong các trường hợp trên chỉ cho phép K2cp ≤ 1.5, khi K2cp ≥ 1.5 cần phải có sự

cho phép của nhà sản xuất MBA.

Hệ số quá tải bình thường khi không có đường cong quá tải cho phép có thể được tính theo quy tắc 3%:

Kqt= 1+(kđk - 1)ì0.3

Với kđk là hệ số điền kín phụ tải được tính bằng tỷ số giữa công suất trung bình và

công suất cực đại:

Smax

Kđk = Stb

Phương pháp quá tải thường xuyên được sử dụng cho việc lựa chọn máy biến áp có

công suất lớn , đòi hỏi độ chính xác cao và với trạm chỉ cần một máy biến áp. Đối với trạm hai máy biến áp ta không cần kiểm tra quá tải thường xuyên vì hai máy

biến áp làm việc song song nên lúc bình thường luôn non tải.

2. Quá tải sự cố MBA (Trường hợp trạm đặt hai MBA trở lên).

Khi chọn công suất máy biến áp cần xét đến khả năng quá tải của máy biến áp còn lại ở chế độ sau sự cố. Trong trường hợp sự cố một trong các máy biến áp, máy biến áp thứ hai cần đảm bảo toàn bộ công suất của các hộ tiêu thụ loại I và

loại II. Trong thực tế vận hành, sự cố MBA ít khi xảy ra nhưng để đảm bảo tính liên tục cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ, MBA có thể cho phép làm việc với hệ số

quá tải sự cố lớn hơn quá tải bình thường. Công suất của mỗi MBA trong trạm n MBA được xác định theo biểu thức:

) 1 (

max

≥ − n k S S

Trong đó:

Smax: phụ tải cực đại của trạm.

n: số MBA trong trạm.

k: hệ số quá tải sự cố MBA. Hệ số này thể hiện khả năng quá tải của MBA và được xác định tùy theo hãng chế tạo. Nếu không có thông tin cụ thể ta lấy k=140% cho các MBA Liên Xô với thời gian quá tải không quá 5 ngày đêm, mỗi ngày quá tải không quá 6h và 130% cho các máy của những hãng khác theo tiêu chuẩn IEC354.

Khi lựa chọn công suất MBA theo điều kiện quá tải sự cố thì hệ số quá tải sự cố

MBA cần được xem xét như một hệ số tính toán. Trị số này còn tùy thuộc vào các điều kiện cụ thể như: đồ thị phụ tải, nhiệt độ môi trường, thời gian quá tải.. Việc tính toán này sẽ giúp ta giảm được công suất đặt và tổn hao trong các MBA.

Dưới đây là đồ thị khả năng quá tải của MBA của hãng ABB:

Đường cong quá tải của MBA với nhiệt độ môi trường là 20°C.

Đường cong quá tải của MBA với nhiệt độ môi trường là 30°C.

Đường cong quá tải của MBA với nhiệt độ môi trường là 40°C.

Chương 4:

CHỌN MÁY BIẾN ÁP DỰA VÀO CÁC CHẾ ĐỘ NHIỆT

I. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN MÁY BIẾN ÁP.

Trong quá trình hoạt động, làm việc máy biến áp bị phát nóng nguyên nhân là do tổn thất trong máy biến áp biến thành nhiệt năng làm tăng nhiệt độ của nó và

tỏa ra môi trường xung quanh. Nguồn nhiệt này chủ yếu phát ra từ tổn hao trong cuộn dây biến thành nhiệt. Thực nghiệm cho thấy rằng khi nhiệt độ điểm nóng nhất của cuộn dây máy biến áp bằng 98°C thì thời gian phục vụ của cách điện (máy biến áp)bằng khoảng 20 đến 25 năm. Nhiệt độ điểm nóng nhất của cuộn dây cho

cuộn dây trong điều kiện vận hành định mức bằng 85°C. Chế độ máy biến áp với tuổi thọ lớn hơn được cho là không hợp lý bởi vì sự phát triển nhanh chóng của kỹ

thuật công nghệ chế tạo và cấu tạo máy biến áp cần phải được thay đổi theo nhịp độ tiến bộ kỹ thuật. Từ đó việc chọn lựa máy biến áp theo các chế độ nhiệt chính là

việc tính toán lựa chọn sao cho máy biến áp có thể hoạt động trong các chế độ vận hành bình thường và quá tải nhưng vẫn đảm bảo tuổi thọ trung bình của máy biến áp là không đổi.

II. CHẾ ĐỘ NHIỆT CỦA MÁY BIẾN ÁP KHI PHỤ TẢI XÁC LẬP.

Khi máy biến áp mang tải nhiệt độ của nó tăng lên. Sự truyền nhiệt của máy biến áp được thực hiện bằng dẫn nhiệt, bức xạ và đối lưu. Hình bên dưới biểu diễn sự phân bố nhiệt độ từ cuộn dây đến môi trường không khí xung quanh của máy biến áp dầu:

• Trục tung biểu diển sự giáng nhiệt độ của cuộn dây, dầu, thùng dầu và không khí, trong đó lấy nhiệt độ chỗ nóng nhất là 100%.

• Trục x là sự phân bố từ tâm máy biến áp ra ngoài.

Đoạn 1-2 biểu diễn sự giảm nhiệt độ trong cuộn dây, đọ nghiêng chỉ bằng vài độ.

Đoạn 2-3 là sự truyền nhiệt từ bề mặt cuộn dây đến lớp dầu tiếp giáp, chủ yếu bằng đối lưu với độ giảm nhiệt tương ứng bằng khoảng 20-30% độ chênh lệch nhiệt độ

của cuộn dây so với không khí.

Đoạn 3-4 là độ giảm nhiệt của dầu thông qua đối lưu. Độ giảm nhiệt không nhiều.

Đoạn 4-5 đặc trưng cho độ giảm nhiệt độ từ dầu đến thành thùng.

Đoạn 5-6 là sự giảm nhiệt độ của vách thùng máy biến áp.

Hình phân bố độ giáng nhiệt độ từ cuộn dây máy biến áp ra ngoài không khí.

Đoạn 6-7 biểu thị sự giảm nhiệt độ từ thanh thùng đến môi trường xung quanh (không khí). Đây là đoạn giảm nhiệt độ lớn nhất, chiếm đến 60-70% độ giảm nhiệt độ tổng. Quá trình truyền nhiệt này được thực hiện bằng bức xạ và đối lưu.

Nhiệt độ của dầu và cuộn dây máy biến áp cũng tăng theo chiều cao máy biến áp. Hình bên dưới là sự phân bố nhiệt độ của dầu và cuộn dây máy biến áp làm mát bằng dầu cưỡng bức theo chiều cao khi máy biến áp có tải định mức.

Quan hệ này là phi tuyến.

Phân bố nhiệt độ theo chiều cao máy biến áp dầu.

1-cuộn dây; 2- lõi thép; 3-dầu; 4-bề mặt ngoài thùng.

Khi tính toán gần đúng có thể xem sự thay đổi nhiệt độ tuyến tính với chiều cao máy biến áp:

Đồ thị nhiệt của máy biến áp làm mát bằng dầu đối lưu khi tải định mức.

Đoạn AB tương ứng với độ tăng nhiệt độ của dầu, nhiệt độ nóng nhất của dầu (lớp trong cùng) bằng khoảng 55°C. Độ tăng nhiệt độ trung bình bằng 80% độ

tăng nhiệt độ lớn nhất, tức là khoảng 44°C.

Đoạn CD biểu diễn độ tăng nhiệt độ của cuộn dây với giá trị trung bình là

65°C (đo bằng phương pháp nhiệt điện trở). Khoảng cách theo phương ngang của AB và CD là độ chênh lệch nhiệt độ của cuộn dây so với nhiệt độ dầu, tương ứng bằng 21°C.

Độ tăng nhiệt độ điểm nóng nhất của cuộn dây so với nhiệt độ dầu là 23°C và so với không khí xung quanh bằng 55+23 = 78°C. Trong điều kiện nhiệt độ môi trường theo chuẩn là 20°C thì nhiệt độ điểm nóng nhất của cuộn dây bằng 78+20 = 98°C. Với nhiệt độ này máy biến áp có thể làm việc liên tục trong suốt thời gian phục vụ của nó.

Bên cạnh đó ta chú ý rằng nhiệt độ của máy biến áp còn phụ thuộc vào phương pháp làm mát. Với mỗi phương pháp làm mát độ tăng nhiệt của máy biến áp có sự biến đổi. Trường hợp máy biến áp làm mát bằng dầu và dầu được làm mát bằng nước thì độ tăng nhiệt độ lớn nhất của dầu bằng khoảng 40°C. Độ tăng nhiệt độ trung bình bằng 90% tức là 36°C. Độ tăng nhiệt độ của cuộn dây (đo bằng phương pháp nhiệt điện trở) bằng 65°C. Độ tăng nhiệt độ điểm nóng nhất của cuộn dây so với dầu là 38°C và so với môi trường làm mát là 40+38 = 78°C, trường hợp này giống như máy biến áp làm mát bằng dầu cưỡng bức.

III. CHẾ ĐỘ NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ.

Quá trình quá độ nhiệt của máy biến áp xảy ra khi đóng (ngắt) một tải nào đó hoặc chuyển từ một tải này sang một tải khác lớn hơn hay nhỏ hơn vào máy

biến áp. Giữa hai chế độ nhiệt xác lập bất kỳ (nhiệt độ máy biến áp không đổi) là

chế độ nhiệt quá độ của máy biến áp. Trong giai đoạn quá độ, nhiệt của máy biến áp không ngừng thay đổi. Nghiên cứu quá trình quá độ nhiệt có ý nghĩa quan trọng vì nó cho phép xác định nhiệt độ đốt máy biến áp khi quá tải. Tính được tổn hao cách điện, ,tính được tuổi thọ của máy biến áp từ đó chọn lựa máy biến áp có khả

năng đáp ứng yêu cầu tải mà vẫn đảm bảo tuổi thọ máy biến áp.

1. Quá trình tăng nhiệt của máy biến áp.

Để xét quá trình quá độ ta coi máy biến áp là một vật thể đồng nhất. Đồ thị

phụ tải thường được cho dưới dạng từng cấp (bậc thang) nên quá trình quá đọ nhiệt cũng được xét theo từng cấp chứ không liên tục.

Phương trình cân bằng nhiệt:

Pdt = CGdθ + βFθdt Trong đó:

P: nhiệt lượng tỏa ra trong một đơn vị thời gian.

t: thời gian của quá trình quá độ.

C: tỷ nhiệt của vật thể.

G: khối lượng vật thể.

θ: độ tăng nhiệt độ của vật thể so với môi trường.

β: hệ số truyền nhiệt là nhiệt lượng tỏa ra trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị bề mặt khi nhiệt độ tăng 1°C.

F: bề mặt tỏa nhiệt.

Từ biểu thức trên ta thấy vế trái phương trình là nhiệt lượng sinh ra trong một đơn vị thời gian dt, vế phải với 2 thành phần: CGdθ là nhiệt lượng cần thiết để đưa nhiệt độ của vật thể lên một đại lượng dθ; βFθdt là nhiệt lượng tỏa ra môi trường xung quanh trong khoảng dt khi chênh lệch nhiệt độ của vật thể và môi trường bằng θ.

Ở chế độ xác lập (độ tăng nhiệt độ của vật thể đạt đến giá trị ổn định θxl=const), khi đó dθ = 0, phương trình có dạng:

P = βFθxl

 θxl = βPF

Tại thời điểm t = 0, tức là lúc vừa mới đóng máy biến áp vào nhiệt độ vật thể coi như bằng nhiệt độ môi trường xung quanh nên θ = 0, phương trình có dạng:

Pdt = CGdθ

 θ =

CG Pt

Từ đó ta thấy rằng nhiệt độ của vật thể là hàm tuyến tính với thời gian. Tuy nhiên điều này chỉ đúng với thời gian ở lân cận t = 0.

Xem P = const, C không phụ thuộc vào nhiệt độ. Thời gian cần thiết để vật thể đạt đến độ tăng nhiệt độ ổn định θxl khi không có sự tản nhiệt gọi là hằng số thời gian của quá trình nhiệt τ:

τ = CGPθxl =CGβF Từ phương trình:

Pdt = CGdθ + βFθdt Chia 2 vế cho βF ta được:

dt F d

dt CG F

P θ θ

β = +

θxl dt = τdθ + θdt (θxl - θ)dt = τdθ

Giải phương trình vi phân này ta được nghiệm:

(θ - θ) = Ae-t/τ

Với A là hằng số tích phân được xác định theo điều kiện ban đầu. Khi t = 0, độ

tăng nhiệt độ ban đầu là θ0: A = θxl - θ0

Khi đó nghiệm của phương trình:

θ = θ0 + (θxl - θ0)(1 – e-t/τ)

Biểu thức này giúp ta tính toán được độ tăng nhiệt độ của vật thể tại bất kỳ thời điểm nào của quá trình quá độ khi đốt nóng cũng như lúc để nguội của vật thể đồng nhất.

Nếu điều kiện ban đầu là đóng tải vào máy biến áp từ trạng thái máy biến áp không có điện, nhiệt độ máy biến áp bằng nhiệt độ môi trường (θ0 = 0) thì phương trình có dạng:

θ = θxl (1 – e-t/τ)

Khi điều kiện ban đầu là máy biến áp mang tải ở t = 0 có độ tăng nhiệt độ ban đầu là θ0 , ta cắt điện máy biến áp thì độ tăng nhiệt độ ổn định θxl = 0, tức là quá trình nguội lạnh, nghiệm phương trình có dạng:

θ = θ0 e-t/τ

Nếu điều kiện ban đầu là máy biến áp đang mang tải ở t = 0 có nhiệt độ ban đầu là

θ0 , ta giảm tải đến một đại lượng khác 0 nào đó thì độ tăng nhiệt độ ổn định là một đại lượng θ1 < θ0 . nghiệm phương trình là:

θ = θ1 + (θ0 – θ1)(1 – e-t/τ)

Về mặt lý thuyết ta thấy rằng khi t = ∞ thì θ đạt giá trị xác lập nhưng thực tế độ

tăng nhiệt độ đạt xác lập khi t = 4.6τ do (1 – e-t/τ) = 0.99.

2. Quá trình quá độ nhiệt khi đồ thị phụ tải thay đổi theo nhiều cấp.

Giả sử đồ thị phụ tải của máy biến áp thay đổi theo ba cấp thời gian t1, t2, t3

ứng với các tải khác nhau S1, S2, S3 và các đường biểu diễn của ba quá trình nhiệt ứng với đồ thị phụ tải ba cấp.

Chọn gốc thời gian ban đầu là t = 0 (điểm 0). Giả thiết t3 đủ lớn để cuối t3 (đầu t1) độ tăng nhiệt độ của máy biến áp đạt đến giá trị ổn định tương ứng với tải S3 là:

θ3xl = βPF3

Sơ đồ hệ thống hai thanh góp