Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế máy biến áp điện
lực ba pha ngâm dầu

Đ
Ồ ÁN TỐT NGHIỆP

1

THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN LỰC BA PHA NGÂM DẦU.

PHẦN I: VAI TRÒ CỦA MBA TRONG TRUYỀN TẢI VÀ PHÂN PHỐI ĐIỆN
NĂNG
I. VÀI NÉT KHÁI QUÁT VỀ MÁY BIẾN ÁP.
Để dẫn điện từ các trạm phát điện đến hộ tiêu thụ cần phải có đường dây tải điện

Những MBA dùng trong hệ thống điện lực gọi là MBA điện lực hay MBA công
suất. Từ đó ta cũng thấy rõ, MBA chỉ làm nhiệm vụ truyền t
ải hoặc phân phối năng
lượng chứ không chuyển hóa năng lượng.
Ngày nay khuynh hướng phát triển của MBA điện lực là thiết kế chế tạo những
MBA có dung lượng thật lớn, điện áp thật cao, dùng nguyên liệu mới chế tạo để giảm
trọng lượng và kích thước máy.
Nước ta hiện nay ngành chế tạo MBA đã thực sự có một chỗ đứng trong việc đáp
ứng ph
ục vụ cho công cuộc công nghiệp hiện đại hóa nước nhà. Hiện nay chúng ta đã
sản xuất được những MBA có dung lượng 63000KVA với điện áp 110 kV.
II. ĐỊNH NGHĨA MÁY BIẾN ÁP
Máy biến áp là một thiết bị điện từ đứng yên, làm việc dựa trên nguyên lí cảm
ứng điện từ, biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ
thố
ng dòng điện xoay chiều ở điện áp khác, với tần số không thay đổi.
Đầu vào của MBA được nối với nguồn điện, được gọi là sơ cấp (SC). Đầu ra của
MBA được nối với tải gọi tà thứ cấp (TC)
Khi điện áp đầu ra TC lớn hơn điện áp vào SC ta có MBA tăng áp.
Khi điện áp đầu ra TC nhỏ hơn điện áp vào SC ta có MBA hạ áp .
Các
đại lượng và thông số của đầu sơ cấp .
+ U
1
: Điện áp sơ cấp .
+ I
1
: Dòng điện qua cuộn sơ cấp .
Đ
Ồ ÁN TỐT NGHIỆP

2đm
là điện áp giữa các cực của dây quấn sơ
cấp. Khi dây quấn thứ cấp hở mạch và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức,
người ta qui ước với MBA 1 pha điện áp định mức là điện áp pha với MBA 3 pha là
điện áp dây. Đơn vị của điện áp ghi trên nhãn máy thường là kV.
2. Dòng điện định mức
Dòng điện định mức là dòng đi
ện đã qui định cho mỗi dây quấn của MBA, ứng
với công suất định mức và điện áp định mức. Đối với MBA 1 pha dòng điện định mức
là dòng điện pha. Đối với MBA 3 pha dòng điện định mức là dòng điện dây.
3. Công suất định mức
Công suất định mức của MBA là công suất biểu kiến định mức. Công suất định
mức kí hiệu là S
đm
, đơn vị là VA, KVA .
Đối với MBA 1 pha công suất định mức là :
Đ
Ồ ÁN TỐT NGHIỆP

4
S
đm
= U
2d
.I
2đm
= U
1đm
. I
1đm

iện cho nơi tiêu thụ thường là 127V đến 500V và các động cơ công suất
lớn thường là 3 đến 6KV .
V.VAI TRÒ CỦA MÁY BIẾN ÁP TRONG TRUYỀN TẢI
VÀ PHÂN PHỐI ĐIỆN NĂNG
Đ
Ồ ÁN TỐT NGHIỆP

5
Hiện nay mang điện trải rộng ở khắp mọi nơi, nhưng điện năng chỉ được sản xuất ở
một số ít nhà máy phát điện , mà các nhà máy này được xây dựng ở những nơi có các
đặc điểm như gần sông hồ lớn , gần mỏ than ….vì vậy mà cách xa nơI tiêu thụ hàng
trăm hàng nghìn km
Điện năng có đặc đi
ểm là khi xản xuất ra cần phảI tiêu thụ ngay .Chính vì vậy cần
phảI truyền tảI điện năng tới ngay nơI tiêu thụ . Điện năng được truyền tảI bằng các
đường dây điện.Với mạng lưới dài tới hàng trăm hàng nghìn km
Giả sử ta cần truyền tảI một công suất P của máy phát trên quãng đường dài. Công
suất P , hiệu điện thế U và dòng điện trên dây dẫn liên h
ệ với nhau bằng biểu thức
P = U.I
Do hiệu ứng jun-lenxơ,trên đường dây sẽ có một công suất hao phí ΔP sẽ biến
thành nhiệt toả vào môI trường . Ta có biểu thức tính tổn hao :
ΔP= U
2
/R
Trong đó R là điện trở dây dẫn
Vì ΔP là tổn hao công suất do vậy cần phải giảm ΔP xuống mức thấp nhất .
Chẳng hạn muốn giảm ΔP xuống 100 lần thì ta có thể làm hai cách:
• Giảm R xuống 100 lần
• Tăng u lên 100 lần

mộ
t vùng, một khu vực. Vì vậy yêu cầu đối với loại máy này là: Un phải lớn
đông thời phảI điều chỉnh được điện áp đưới tải
• MBA phân phối với công suất vừa và nhỏ,cung cấp điện cho một vùng dân
cư nhỏ, hay một số ít nhà máy. yêu cầu với loại nay là Un từ 4-5%, AU nhỏ,
điều chỉnh không điện,hay thận chí không điều chỉnh
Đề tài của em là thiết kế MBA ba pha điều chỉnh điện áp với công suất là
S= 6300 KVA vơi điện áp 22/ 6,3 kv.Đây thuộc loại MBA trung gian
Đ
Ồ ÁN TỐT NGHIỆP

7

PHẦN II : THIẾT KẾ
Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế MBA ba pha điều chỉnh điện áp công suất 6300 kVA
Các số liệu ban đầu:
Dung lượng 6300 kVA
Điện áp 22000 ±9.1,78%/6300 V
Tần số 50Hz
Tổn hao không tải 8500 W
Tổn hao ngắn mạch 48000 W

==

2. Dòng điện dây định mức:
- Phía cao áp : I
1f
=
)(3,165
22000.3
10.6300
3
3
1
A
dmU
Sdm
==

- PHía hạ áp : I
2
= )(35,377
6300.3
10.6300
3
3
2
A
dmU
Sdm
==
3. Dòng điện pha định mức.

= U
2
= 6300 (V)
5. Điện áp thử dây quấn ( tra bảng 14 -5 tài liệu 1).
U
t1
= 50 (kV) ; U
t2
= 20 (kV)

II. CHỌN CÁC SỐ LIỆU XUẤT PHÁT VÀ TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU.
1.Với U
t1
= 50 (QV) Tra bảng 14 – 2 tài liệu1.
Có : Δ = 18 (mm)
δ
12
= 4 (mm)
*Theo công thức (20-13a) TL1 có :
Δ
1
+ Δ
2
= K.
4
t
S

Chọn K = 2 ⇒ Δ
1

P

Thành phần phản kháng của điện áp ngắn mạch.
U
n
% = %46,776,05,7%%
2222
=−=−
nrr
UU

Đ
Ồ ÁN TỐT NGHIỆP

9

CHƯƠNG II
THIẾT KẾ MẠCH TỪ
1. CHỌN TÔN SILIC
Lõi sắt là phần mạch từ của MBA, là phần dẫn từ thông chính của MBA. Do đó
khi thiết kế cần phẩi đảm bảo làm sao cho thoả mãn những yêu cầu như, tổn hao sắt
chính và phụ nhỏ, lượng tôn silic sử dụng làm sao cho ít nhất và hệ số điều đầy của lõi
sắt lớn. Mặt khác lõi sắt cũng là nơi mà trên đó gắn nhiều bộ phận khác nữa như: dây
quấn, giá
đỡ dây dẫn ra, đối với một số MBA còn gắn cả nắp máy để có thể nâng cẩu
toàn bộ lõi sắt ra khỏi vỏ khi sửa chữa. Hơn thế nữa lõi sắt còn có thể chịu được lực cơ
học lớn khi bị ngắn mạch dây quấn.
Để các yêu cầu đối với mạch từ như trên được thoả mãn thì việc chọn loại tôn
silic như thế nào là rất quan trọ
ng, với silic có độ dày bao nhiêu, thành phần silic bao

=
)(6,1
03,1
65,1
T=

Hệ số chèn kín K
p
= 0,936 hệ số điện dày 0,91 hệ số lợi dụng lõi thép
K
cd
= 0,93. 0,91 = ≈ 0,85.
4. Suất tổn hao trụ và gông.
Tra bảng 44- 4 TL1
Có: P
t
= 1,261 W/Kg q
t
= 2 Var/Kg
P
g
= 1,145 W/Kg q
g
= 1,64 Var/Kg
Tra theo mục 4.2. TL1 suất từ hoá khe hở không khí
+ Nối ghép nghiêng q
ss
= 6225.cost
2
= 16947 Var/m

/l
v
: đường kính trung bình của cuộn dây, lv chiều cao của dây quấn.
- Trị số β thường biến thiên rất rộng từ 1,2 ÷ 3,6 nó ảnh hưởng rõ rệt tới các đặc
tính kỹ thụât và kinh tế của MBA.
* Về mặt kinh tế
Đ
Ồ ÁN TỐT NGHIỆP

11
- Nếu các MBA có cùng công suất điện áp và các thông số kỹ thuật ban đầu thì
nếu β nhỏ MBA sẽ “gầy”, “cao”… nếu β lớn thì MBA sẽ “béo” và “thấp” với trị số β
khác nhau thì tỉ lệ trọng lượng sắt và đồng trong MBA cũng khác nhau. β nhỏ thì lượng
sắt ít lượng đồng nhiều, β lớn thì lượng sắt lớn lượng đồng ít. Như vậy chọn β thích hợp
không ch
ỉ ảnh hưởng đến kích thước của máy mà còn ảnh hưởng tới vật liệu cấu thành
lên máy biến áp đến giá thành của MBA.
* Về mặt lỹ thuật
- Nếu β lớn thì đường kính d lớn và trọng lượng sắt tăng. Do vậy mà tổn hao sắt
tăng vì vậy mà dòng điện không tải tăng lên.Muốn giữ tổn haokhông đổi khi β tăng thì
trọng lượng đồng giảm xuống , nh
ưng lúc đó sẽ làm cho mật độ dòng điện và lực điện
từ tác dụng lân dq lại tăng lên.
- Vậy chọn lựa β hợp lý có ảnh hưởng tới cả vấn đề về kinh tế và kỹ thuật của
MBA do vậy các công thức 20 – 41 TL1. Cho phép tính toán để tìm được β hợp lí.
A = 16
32
85,0.65,1.46,7.50
95,0.31,6.2100
16

.A
3
(δ + b + 0,375)
B
1
= 2,4 .10
-2
.1,03.0,93.32
2
(1,4 + 0,4 + 0,375) = 1638,5
A
2
= 3,6. 10
-2
.d.A
2
.K
p
= 3,6.10
-2
.4,5.32
2
.0,93 = 154 (Kg)
B
2
= 2,4 .10
-2
.K
G
.k

32.76,0.65,1.93,0.92,0
4,1.6300
222
2
Kg=Các số liệu tính toán sơ bộ được thống kê ở bảng dưới đây

Đ
Ồ ÁN TỐT NGHIỆP

12

Bảng tính toán MBA S = 6300 KVA (22/6,3 kV)
β
1,2 1,4 1,6 2,2 2,8 3 3,1 3,2
x =
4
β

x
2

x
3
1,046

= 154x
2

Gt’ = 154x
2
+
2415/x
2307,4
7
168,72
2476,1
9
2219,6
2
182,18
2401,8
5
2146,67
194,81
2341,48
1982,7
6
228,38
2211,1
4
1866,3
1
257,64
2123,9
5

+94x
2

1977,7
2
102,99
21080,
79
2108,7
5
111,2
2219,9
5
2331,58
118,91
2450,49
2959,1
3
139,4
3098,5
3
3547,3
5
157,26
3704,6
1
3734,1
4
162,81
3896,9

.q
g
.G’
t
=0,93.1,26
+G’
t

K
p
q
g
G= 0,93.1,64G
g

P
0
= 1,173
G’
t
+1,525G
g
2901,6
3020,9
8
5922,5
8
2817,3
7
338,47

4
6233,5
8675,4
7
K
b
.q
t
G’
t
= 4,2. G’
t

K
b
.q
g
G
g
= 3,44.G
g

K
b
.qδ
s
η
m
S
t

4383,6
24329,
33
8920,5
9
12743,
86
4945,2
2
26609,
8827,7
3
13405,
81
5119,6
2
27352,
8782,6
2
13741,
77
5205,3
4
27729,
8743,5
2
14061,
21
5288,1
1

2060,9
810
1903,5
762,44
1791,7
3
749,69
1761,7
8
743,48
1747,1
8
737,92
1734,1
1
66773,
45
6752,7
8
6852,87 7213,1
7
7620,2
9
7760,5
7
7832,9
8
7903,3
6


532.14,3
mm
D
S
==
β
π

Chọn 84 cm
Đ
Ồ ÁN TỐT NGHIỆP

14
* Tiết diện hữu hiệu trụ lõi thép
S
t
= k
ld
.
51,963
4
38.
.85,0
2
==
π
β
π
S
D


Dây quấn không bị biến dạng hoặc hư hỏng dưới tác dụng của lực cơ
học do dòng điện ngắn mạch gây nên.
c. yêu cầu về nhiệt

Khi vận hành bình thường cũng như trong trường hợp ngắn mạch, trong
thời gian nhất định dây quấn không được có nhiệt độ quá cao vì lúc đó chất
cách điện sẽ bị nóng mất tính đàn hồi, hoá giòn và mất tính chất cách điện. Vì
vậy khi thiết kế phải đảm bảo sao cho tuổi thọ của chất cách điện là 15 đến 20
năm.
2. Yêu cầu về chế tạo.
Làm sao cho kết cấu đơn giản tốn ít nguyên vật liệu và nhân công,thời
gian chế tạo ngắn, giá thành hạ và phải đảm bảo về mặt vận hành. Như vậy
yêu cầu đối với thiết kế là.
+ Phải có quan điểm toàn diện : kết hợp một cách hợp lý giữa hai yêu cầu
về chế tạo và vận hành để snả phẩm có chất lượng tốt mà giá thành chấp nhận
được.
+ Phải chú ý đến kết cấu chế tạo dây quấn sao cho thích hợp với trình độ
kỹ thuật của xưởng sản xuất.
Đ
Ồ ÁN TỐT NGHIỆP

16
+ Phải nắm vững những lý luận có liên quan đến dây quấn CA, vật liệu
cách điện.
Quá trình thiết kế của dây quấn có thể tiến hành theo 3 bước.
+ Chọn kiểu và kết cấu dây quấn.
+ Tính toán sắp xếp và bố trí dây quấn
+ Tính toán tính năng của MBA.


Số vòng dây 1 pha của dq hạ áp
w
2
=
180
35
6300
2
==
v
f
U
U
Vòng
Dây quấn thứ cấp bố trí 3 lớp theo kiểu hình trụ, mỗi lớp có 60 vòng, nối Δ
5. Chọn mật độ dòng điện δ
2
= 1,855A/mm
2

6. Tiết diện dây quấn thứ cấp
S
2
=
)(8,181
833,1
33,333
2
2
2

1

8. Kích thước dây quấn
- Chiều cap dây quấn hạ áp :
l
v
= (60 + 1) 2 x 9,6 = 1170 (mm)
ép : i = 0,13 x 61 x 2 x 0,6 = 10 (mm)
Chiều cao thực của dây quấn hạ áp : 1160 (mm)
- Chiều rộng dây quấn hạ áp
a = 3 x 4,1 + 0,2 = 12,5 mm 60
vß
ng
60
vß
ng
H×nh 2. Bè trÝ d©y q uÊn thø cÊp
60
vß
ng

Bố trí lớp 1 và 3 dây quấn phải,lớp hai quấn trái, giữa các lớp có kênh làm
mát 9mm giữa dây quấn hạ áp và trụ có cách điện 5mm.
- Khoảng cách giữa dây quấn hạ áp và trụ là 20,5 (mm). Chiều rộng kênh
Vn – nn là Δ = 25 (mm).
16.
100
1
V
U
==
2. Số vòng dây quấn điều chỉnh tinh
w
ê
=
58
35.3
3520
3
==
v
e
U
U
vòng
3. Dây quấn điều chỉnh êm (tinh) chia làm 9 phần, có 9 nấc 1,78% U
1
mỗi nấc
có số vòng dây.
W
ê1
= 485,6
9
58
9

19
6. Điện áp trên dây quấn cơ sở cộng với điện áp điều chỉnh thô bằng U
1
, do vậy
ta có điện áp dây quấn cơ sở
U
cs
= U
1
– U
th
= 22000 – 3946 = 18055 (V)
7. Số vòng dây quấn cơ sở:
W
cs
=
353
18055
3 xU
U
v
cs
=
= 297,8 chọn 298 (vòng)
8. Số vòng dây quấn sơ cấp là
W
1
= W
th
+ W

5,197
184193
6300
=
x
(A)
c¬ së
D©y quÊn
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
363
369
376
382
389
395
402
408
415

8
7
6
5
4
3
2
1
0
§iÖn ¸p
U1, V
1
W
Sè vßng
chuyÓn m¹ch
VÞ trÝ
6
7
6
7
6
7
6
7
6
6
7
6
7
6

=
5,103
6,1
5,165
1
1
==
δ
f
I
(mm
2
)
2. Tra bảng 44 -10 TL1
- Chọn hai dq song song : 2 x
)6,15
1,4
155,3
( x
x
cách điện 4P
- Diện tích tiết diện: 2 x 3,5 x 15 = 105 mm
2
góc dây được vẽ tròn
δ
1k
= 103,2 mm
2

3. Mật độ dòng điện thực tế

2

b. Dây quấn điều chỉnh thô.
1. Chọn mật độ dòng điện : 1,6A/mm
2
ứng với nấc điều chỉnh điện áp cao nhất
ta có tiết diện dây
δ
th
=
89
6,1
5,142
'
==
δ
I
(mm
2
)
2. Tra bảng 44 -10 TL1
- Chọn hai dây quấn song song : 2 x
9,167,43
6,18,2
x
x
cách điện 6P
- Diện tích tiết diện: 2 x 3,5 x 15 = 105 mm
2
góc dây được vẽ tròn

-Dây quấn điều chỉnh tinh bằng đồng bởi các đầu nối ra nhiều.
- Chọn mật độ dòng điện 3,6A/mm
2
. Có hai nhánh song song, tiết diện ca
hai dây sẽ = 54,2A/mm
2

1. Tra bảng 44 – 10 TL1
Kích thước dây quấn:
2 x
9,49,7
47
x
x
cách điện 6P
2. Mật độ dòng điện được tính lại
δ
ê
=
63,2
2,54
5,142
=
A/mm
2

3. Mật độ dòng điện ở nấc thứ 9 (U
g
= 215754) là
δ

- Dây quấn sơ cấp có 298 vòng, chia làm 4 lớp , mỗi lớp 74,5 vòng.
Dây cơ sở quấn liên tục, lớp 1 và lớp 3 là quấn phải còn lớp 2 và lớp 4
quấn trái, lớp đầu quấn trên căn dọc đặt trên ống cách điện lớp 2,3,4 đặt trên
căn dọc. Các căn dọc đặt ngay trên các lớp đã quấn trước . Để giảm tổn hao
Đ
Ồ ÁN TỐT NGHIỆP

22
phụ, mỗi lớp khi quấn đến giữa phải hoán vị. Như vậy chiều cao dây quấn sẽ
tăng thêm một vòng giữa các lớp có kênh làm mát rộng 9mm BỐ TRÍ DÂY QUẤN CAO ÁP
1. Chiều cao 1 lớp
l
v
= (74,5 + 2) 15,6 = 1195 mm
lót dây quấn: 11 mm

1206 mm
ép dây quấn: i = 0,123.n
i
t = 0,13 x 7,6,5 x 0,6 = 6 mm
Chiều cao thực: 1200mm
2. Chiều rộng 1 lớp dây quấn: a = 2 x 4,1 + 0,3 = 8,5 mm
II. Dây quấn điều chỉnh thô


Để dây quấn làm việc đối xứng ở mọi đầu điều chỉnh , ta chia dây quấn
thành 2 phần nối song song với nhau. Mỗi phần quấn kiểu lò xo. Bắt đầu từ
giữa lớp đặt trực tiếp lên lớp dây bọc của dây quấn điều chỉnh thô.
1. Chiều cao của dây quấn điều chỉnh tinh
0,5 l
v
= 2(58 + 1). 4,9 = 580 mm
ép dây quấn : i = 0,13 x 2 x 59 x 0,9 = 14 m
ống tạo khoảng cách ; 60 mm
Vậy chiều cao dây quấn điều chính tinh: 626mm
2. Chiều rộng dây quấn: a = 7,9 + 0,1 = 8 mm
KL: ta nhận thấy chiều cao của dây quấn hạ áp chỉ là 1160 mm trong khi
đó chiều cao dây quấn cao áp là 1200 mm. Vậy để đảm bảo hai dây quấn có
chiều cao bằng nhau thì ở cuộn hạ áp phải lót 40mm
C. KHỐI LƯỢNG DÂY QUẤN CAO ÁP
Có khối lượng dây quấn : G = 25,4 .ds.S.ω.10
-6
(Kg)
1. Dây quấn cơ sở :
G
cs
= 25,4 x 643 x 103,2 x 298.10
-6
= 502 Kg
Với d
s
= 582 + 0,5 (704 – 582) = 643 (mm)
2. Dây quấn điều chỉnh thô
G
th