thiết kế MBA điện lực

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
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế MBA điện lực
I
1
=
2
U3
S

=
4003
101000
3


= 1443,37 (A).
Dòng điện bên phía CA:
I
2
=
1
3
U3
10S


=
350003
101000
3


= 16,49 (A)
Trong đó:
S - Công suất định mức của MBA, S = 1000kVA
U
1
- Điện áp dây định mức bên phía CA, U
1
= 35kV.
U
2
- Điện áp dây định mức bên phía HA, U
2
= 0,4kV.
4. Dòng điện pha định mức.
Vì tổ đấu dây Y-Y
O
- 12 nên dòng điện pha tính nh sau:
I
f
= I (A)
Dòng điện pha bên phía HA:
I
f1
= I
1
= 1443,37 (A)
Dòng điện pha bên phía CA:
I
f2
= I
2
= 16,49 (A).
Hồ thanh tiên - lớp đkt. k42 13
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế MBA điện lực
Trong đó:
I
1
- Dòng điện bên phía HA, I
1
= 1443,37 A
I
2
- Dòng điện bên phía CA, I
2
= 16,49 A
5. Điện áp pha định mức.
Khi dây quấn nối sao hay Ziczắc ta có:
U
f
=
3
U
(V)
Điện áp pha bên phía HA:
U
f1
=
3
U
2
=
3
104,0
3

= 231 (V)
Điện áp pha bên phía CA:
U
f2
=
3
U
1
=
3
1035
3

= 20207 (V)
Trong đó:
U
1
- Điện áp dây bên phía CA, U
1
= 35kV.
U
2
- Điện áp dây bên phía HA, U
2
= 0,4kV.
6. Các thành phần điện áp ngắn mạch.
Thành phần tác dụng của điện áp ngắn mạch:
U
r
=
S10
P
n

Hồ thanh tiên - lớp đkt. k42 14
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế MBA điện lực
=
10010
000.13

= 1,3%
Trong đó:
P
n
- Tổn hao ngắn mạch, P
n
= 13000 W.
S - Công suất định mức, S = 1000kVA.
Thành phần phản kháng của điện áp ngắn mạch.
U
x
% =
2
r
2
n
UU

, %
=
22
3,16

= 5,857 (%)
Trong đó:
U
n
- Điện áp ngắn mạch, U
n
= 6%
U
r
- Thành phần tác dụng của điện áp ngắn mạch, U
r
= 1,3%
7. Điện áp thử U
th
Để xác định khoảng cách cách điện giữa các dây quấn, các phần dẫn điện
khác và bộ phận nối đất của MBA cần phải biết các trị số điện áp thử của chúng.
Dựa vào bảng 2 TLTK MBA, điện áp thử với tần số công nghiệp (50Hz) cho
các MBA điện lực ngâm dầu, ta có:
Điện áp thử nghiệm bên phía HA:
U
th1
= 5 kV
Điện áp thử nghiệm bên phía CA:
U
th2
= 85 kV
Hồ thanh tiên - lớp đkt. k42 15
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế MBA điện lực
II. Tính toán kích thớc chủ yếu của MBA.
1. Chiều rộng qui đổi của r nh từ tản giữa dây quấn CA và HA.ã
a
r
= a
12
+
3
aa
21
+
Trong đó:
a
1
, a
2
- Lần lợt là chiều dày của dây quấn CA và HA.
a
12
- Khoảng cách tối thiểu giữa cuộn CA và HA.
Với U
th
= 85kV tra bảng 19 tác giả Phan Tử Thụ, ta chọn a
12
= 27 mm

2
4
2
4
'
21
1033,3335,010Sk
3
aa

=
+
= 0,0213m
Trong đó:
a
1
- Chiều dày dây quấn HA
a
2
- Chiều dày dây quấn CA
S' - Dung lợng trên một trụ, S' = 333,333kVA.
k - Tra bảng 12 trang 185 TLTK MBA, có k = 0,5.
Vậy khoảng cách qui đổi a
r
:
a
r
= 0,027 + 0,0213
= 0,0483 m
2. Hệ số qui đổi từ trờng tản:
k
r
= 0,95
Theo kinh nghiệm ta có k
r
nh trên
3. Chọn lõi thép và các hệ số tính toán:
Vật liệu dẫn từ, ta chọn tôn cán lạnh, mã hiệu 3405 có chiều dày 0,30 mm.
Theo bảng 11 trang 185 TLTK MBA, ta chọn mật độ từ cảm trong trụ
B
t
= 1,60 T.
Hồ thanh tiên - lớp đkt. k42 16

Xem chi tiết: thiết kế MBA điện lực