Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế máy biến dòng
Đồ án tốt nghiệp thiết kế máy biến dòng
điện

1
CHƯƠNG I:
PHÂN TÍCH CHỌN PHƯƠNG ÁN TÍNH CÁCH ĐIỆN
I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY BIẾN DÒNG :

Máy biến dòng là thiết bị biến đổi dòng điện có trị số lớn và điện áp cao xuống
dòng điện tiêu chuẩn 5A hoạc 1 A .Điện áp an toàn cho mạch đo lường và bảo
vệ.


.
*Đặc điểm làm việc của máy biến dòng khác với máy biến áp :
-Chế độ ngắn mạch là chế độ làm việc bình thường của máy biến dòng.
Còn máy biến áp là sự cố .
-Khi làm việc cuộn dây thứ cấp của máy biến áp có thể để hở mạch còn cuộn
dây thứ cấp của máy biến dòng thì không cho phép. Vì khi để hở mạch sẽ sinh
ra điện thế nguy hiểm cho công nhân phục vụ và cách đi
ện của máy biến dòng.
-Từ cảm của máy biến dòng thay đổi còn từ cảm của máy biến áp là một hằng
số.

I
1
I
2
W
2
Đồ án tốt nghiệp thiết kế máy biến dòng
điện

2
-Dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp của máy biến dòng không phụ thuộc vào
phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào dòng điện sơ cấp ,còn của máy biến áp thì phụ
thuộc hoàn toàn vào phụ tải .
Đồ án tốt nghiệp thiết kế máy biến dòng
điện

3

4
c) Máy biến dòng kiểu sứ xuyên bản thân máy biến dòng không có cuộn
dây sơ cấp mà chỉ có sẵn lỗ cho sứ xuyên và thanh góp xuyên qua trong
khi lắp ráp tại trạm.
-Máy biến dòng lắp ráp trong các thiết bị khác :
Theo vật liệu cách điện giữa các cuộn dây máy biến dòng có thể chia ra :
+ Sứ cách điện
+Bakelit
+không khí và khí
+Giấy ngâm dầu
+Nhựa đúc
Theo kết cấu máy biến dòng có thể chia ra các loại sau:
+Máy biến dòng kiểu ống dây.
+Máy biến dòng ki
ểu thanh góp.
+Máy biến dòng kiểu bình.
+Máy biến dòng kiểu số 8.
+Máy biến dòng kiểu chữ U.
+Máy biến dòng kiểu chữ C.
Theo tần số chia ra :
Máy biến dòng sử dụng tần số công nghiệp (50Hz)
Máy biến dòng tần số biến thiên sử dụng trên tầu thuỷ
Máy biến dòng tần số 499-800Hz vv..

epôx
được
∏
2
. C
được
H
2
.L
dây
sơ c
ấ án tốt nghi
n
Máy biến
y Biến Dòn
g dây sơ cấ
n rắn, điện á
ch từ 1 đượ
ến từ các lá
m bảo dẫn
thứ cấp w

ạch từ. Đây
p ,có hai
i cuộn dây
từ . Cách đ
hứ cấp,đồng
ản ,chắc ch
tạo của m.b
thuật điện
bằng cách đ
g điện sơ cấ
đầu nối
∏
1
điện thứ cấ
hai đầu H
1
dòng nhiều
bé khi dòng

:
t
h
ng
ạnh
ộn
ấn
y là
thứ cấ
p ,c
điện rắn bằn

Hì
n
iết kế máy
ấp là thanh
ách điện gi
Loại biến
ơ cấp lớn.
ơ cấp .Mạc
n với cuộn
nh 4
biến dòng
dãn 4, xuy
iữa thanh c
dòng này

ch từ q ghép
dây sơ cấp
g
yên
cái
có
p từ
p
Đồ á
điện
2.2 M

Đối
điệ
n

ngoài trời
n dây cao
KV so với đ
cấp 2 cách
đất . Cách
4 là giấy c
Sứ cách
đ
khi tẩm sấ
nước .Với
Máy Biến
Với cấp đi
u một phần
g và kết cấu
Cấu tạo
1-Vòng đ
i
2 Mũ kim
3-ống chỉ
4-Biến dò
5-Cách đi
6-Dầu biế
7-Biến dò
8-Đế
Nhược
đ
g là điện trở

ệ
p

n áp
ng thứ hai
điểm chính
ở lớn ,dẫn đ

n ngâm dầ
Dòng cách
ấp điện á
p
đặt trong nh
ặt ngoài trờ
ầu biến áp
ở hình 5
hiều vòng ,c
i đầu vào 5
mạch từ 3 ,
cuộn dây s
dầy 0,12mm
bảo cách đ
ông ,dầu đ
ểu này ,biế
n ngâm dầ
,máy biến
Hình 6 trình
ng 400KV,2
ất

h của biến d
đến sai số


u
thứ
ong
.
ầy ,đảm bả
ạt cấp điện
:
c chế tạo k
iết kế máy
ảo không c
á
p 220KV
kiểu nối tần
Hình
biến dòng
ó không kh
V.
ng ,mỗi tần
5
g
hí và
ng
Đồ án tốt nghiệp thiết kế máy biến dòng
điện

7

2.4 Máy Biến dòng kiểu mới
Ngoài loại biến dòng kinh điển làm việc Theo nguyên lý điện từ người ta còn
chế tạo Máy biến dòng kiểu mới dùng cho các lưới điện siêu cao áp ,nhằm

møc ®iÖn thÕ thÊp
møc ®iÖn thÕ cao
Δ
≈
Δ
Δ
Nguyªn lý cña m¸y biÕn dßnh ®iÖn quang
Đồ án tốt nghiệp thiết kế máy biến dòng
điện

8
b) hình 8 trình bầy Nguyên lý của biến dòng chuyển đổi từ quang Faraday.
Một chùm sáng được phát ra từ nguồn sáng 1 phía điện áp thấp ,được cáp quang
dẫn đến bộ phân cực 2,chùm sáng sau khi được phân cực qua lăng kính L
1
để tới
tinh thể thạch anh 3A,tại đó dưới tác dụng của từ trường do dòng điện sơ cấp
sinh ra ,chùm sáng sẽ bị phân cực với góc quay là:
δ=V.H.L
Trong đó v hằng số Vợdet,với tinh thể thạch anh ,V=5,23.10
-6
rad/A.m
H cường độ từ trường trong tinh thể thạch anh ,a;
L-chiều dài tinh thể ,m
Sau khi qua thạch anh và lăng kính L
2
,chùm sáng qua thạch anh 3B đặt ở phía
điện áp thấp .Từ trường trong tinh thể thạch anh 3b được tạo nên bởi dòng điện
thứ cấp I
T

Theo yêu cầu thiết kế
-máy biến dòng hoạt động ở tần số công nghiệp 50Hz.
-Vật liệu cách điện là giấy gâm trong dầu máy biến dòng làm mát bằng dầu
-các chỉ tiêu :
điện áp sơ cấp Uđm=110KV
dòng điện sơ cấp Iđm=300A
dòng điện thứ cấp I
2
=5(A)
độ chính xác theo tiêu chuẩn IEC-185 cấp chính xác 5P
+số vòng dây sơ cấp :loại 1 vòng dây hoạc nhiều vòng dây
-Với loại 1 vòng dây yêu cầu độ chính xác không cao
-độ chính xác cao ,sai số nhỏ chọn máy biến dòng cuộn sơ cấp nhiều vòng dây
(Khi thiết kế máy biến dòng kiểu nhiều vòng dây sẽ cho sai số nhỏ nhưng trọng
lượng đồng và giá thành máy biến dòng sẽ tăng ).Theo yêu cầu :dùng máy biến
dòng ngâm dầu cho nên ta chọn máy biến dòng kiểu bình .
Có thể thiết kế loạ
i m.b.d 1 cấp hoạc hai cấp với loại hai cấp là có điện trở lớn
dẫn đến sai số cao, Cho nên chọn loại 1 cấp.
Hình 8
Møc §iÖn thÕ cao
Møc ®iÖn thÕ thÊp
C¸p quang
Nguyªn lý m¸y biÕn dßng tõquang Faraday
Đồ án tốt nghiệp thiết kế máy biến dòng
điện


-Phải có độ bền cao ,ch
ịu tác dụng của lực cơ học tốt ,chịu nhiệt dẫn nhiệt lại
ít thấm nước
-Gia công dễ dàng .
-phải chọn vật liệu cách điện dể đẩm bảo thời gian làm việc của máy 15-20
năm trong điều kiện làm việc bình thường .Đồng thời giá thành của máy
không cao.
Đồ án tốt nghiệp thiết kế máy biến dòng
điện

11
-Việc chọn vật liệu cách điện trong máy điện só ý nghĩa quyết định tới tuổi thọ
và độ tin cậy lúc vận hành của máy .Do vật liệu cách điện có nhiều chủng
loại ,kỹ thuật chế tạo vật liệu cách điện ngày càng phát triển ,nên việc chọn kết
cấu cách điện ngày càng khó khăn và thường phải chọn tổng hợp nhiều loại
cách
điện để thoả mãn nhu cầu về cách điện .
Vật liệu cách điện thường dùng nhiều loại vật liệu liên hợp lại như mêca áp
phiến ,chất phụ gia (giấy hay sợi thuỷ tinh ) và chất kết dính (sơn hay keo dán
). Đối với vật liệu cách điện không những yêu cầu có độ bền cao ,chế tạo dễ
mà còn yêu cầu về tính năng điện : có độ cách đ
iện cao , dò điện ít. Ngoài ra
ra còn có yêu cầu về tính năng nhiệt : chiệu nhiệt tốt , dẫn nhiệt tốt và chịu ẩm
tốt.
Vật liệu cách điện dùng trong máy điện hợp thành một hệ thống cách điện.
Việc tổ hợp các vật liệu cách điện, việc dùng sơn hay keo để gắn chặt chúng
lại, ảnh hưởng giữa các chất cách điện vớ
i nhau, cách gia công và tình trạng bề
mặt vật liệu vv..sẽ quyết định tính năng về cơ, điện, nhiệt của hệ thống cách
điện.Trong môi trường nhiệt đới vật liệu phải chịu nhiệt ,chịu ẩm tốt.

thích bởi sự hình thành cầu nối dẫn điện giữa các điện cực.
Xét trường hợp khi chất lỏng có chứa bọc khí giả thiết có hình cầu như hình
v
ẽ:hình 9
Do hằng số điện môi của chất khí bé hơn so với các chất lỏng nên cường độ
điện trường của bọc khí tăng cao dẫn đến quá trình ion hoá các phần tử khí
Sự di chuyển của các điện tích khác dấu trong
bọc khí do tác dụng của điện trường sẽ kéo
theo sự biến dạng bọc khí từ hình cầu trở thành
hình elíp..và sự liên kết giữa nhiều bọc khí elíp
sẽ dẫn tới sự hình thành cầu dẫn điện nối giữa
các điện cực.
Khi tạp chất là ẩm (hạt nước ) hoạc sợi tơ cũng sẽ hình thành các cầu nối như
trên khiến điện áp phóng điện chọc thủng giảm đi nhiều lần so với khi dầu
sạch .
Độ bền điện của dầu biến áp s
ạch có thể đạt tới 20-25KV/mm nhưng chỉ cần
một lượng nhỏ ẩm trong dầu vượt quá giới hạn 0,05% thì độ bền điện chỉ còn
4KV/mm tức là giảm 5 đến 6 lần .
Hình9
Đồ án tốt nghiệp thiết kế máy biến dòng
điện

13
-Ở điện áp xung độ bền điện hầu như không thay đổi cho dù là có tạp chất
.Điều đó được giả thích bởi các cầu dẫn điện không kịp hình thành trong
khoảng thời gian tác dụng của điện áp xung .

khi có màn chắn thì sự ion hoá ở khu vực có điện trường mạnh sẽ suất hiện
Hình 10
tC
Đồ án tốt nghiệp thiết kế máy biến dòng
điện

14
sớm trước khi phóng điện , tình trạng này kéo dài sẽ không có lợi vì quá trình
ion hoá kéo dài sẽ phân hoá dầu và phá huỷ màn chắn. Do đó biện pháp này
chỉ dùng khi điện áp tác dụng trong thời gian ngắn như các loại quá điện áp
nội bộ ..
Trong trường đồng nhất ,màn chắn có tác dụng ngăn cản sự hình thành của
cầu dẫn điện trong dầu .ở máy biến dòng 110KV do cường độ điện trường lớn
nên k
ết cấu cách điện khá phức tạp .Hình bên dưới cho kết cấu cách điện chủ
yếu của máy biến dòng 110KV. Trên tất cả các đường có khả năng phóng điện
đều phải đặt màn chắn (ống cách điện ,tấm chắn cách điện phẳng hoạc vuông
góc ) với số lượng từ hai trở lên .

Hình 11 Kết cấu cách điện của máy biến dòng 110KV
1.Tấm chắn cách điện 2.Cuộn dây thứ cấp
3.ống cách điện 4. Cuộn Sơ cấp
4.Vật liệu cách điện:
a) Giấy cách điện:

Bảng bên cho cho kết quả đo độ bền cách điện của giấy theo FW.PEEKA
Thí nghiệm ứng với dòng có tần số 50Hz

Số tờ
giấy

1
1
4
4
4
0,127
0,254
0,064
0,127
0,254
0,127
0,254
0,256
0,508
1,016
8,7
7,9
8,7
7,5
6,6
7,9
7,3
8,3
6,7
6,2
Khi ngâm trong dầu ,hằng số điện môi của giấy dầu vào khoảng ε=4-4,3
Ngoài ra còn dùng vải sơn ,độ bền cách điện cho ở bảng dưới :
Số tờ giấy
mỗi lớp
Chiều dầy Cường độ đánh thủng

18,5
16,8
15,5
14,6
14
13,3
12,8
12,3
23,6
19,7
17,0
14,9
13,1
12,5
10,3
9,2
8,3
7,5
Ngoài ra người ta còn hay dùng bìa cách điện ,bề mặt có thể được làm nhẵn
hay không nhẵn ,loại tấm có chiều dầy 0,3-15mm, loại cuộn có chiều dầy 0,1-
1mm.
Giấy cáp:Thường dùng của Nga ký hiệu K08,K12,K17 có chiều dày là 0,08;
0,12; 0,17. Trong Máy Biến Dòng dùng nhiều loại K12, loại này có độ bền cơ
cao. Khi có chiều rộng 15mm ứng suất kéo ngang 15KG,ứng suất kéo dọc
7KG. Giấy cách điện có năng lực hút dầu máy biến áp cao. Trước khi ngâm
dầu giấy K12 có độ
bền cao áp là 9KV/mm ,Sau khi ngâm dầu là 16
KV/mm.Loại giấy này dùng để quấn bọc dây dẫn dùng làm dây quấn máy biến
dòng, cách điện lớp ,bọc tăng cường các đầu ra, đầu chuyển tiếp.


.3,1. KVUphongdienKdtU ===
được d’=5cm
Theo sách thiết kế máy biến ấp Phạm Văn Bình Lê Văn Doanh hình 14-3 ta
tra khoảng cách cách điện giữa dây quấn cao áp và hạ áp được d=7cm
mm
H×nh 14-3
Kho¶ng c¸ch c¸ch ®iÖn
1. Gi÷a c¸c d©y quÊn vn c¹ch nhau :
2.Gi÷a vn-nn; 3. Gi÷a trô-nn

Theo hình 14-2 trang 97 sách thiết kế máy biến ấp Phạm Văn Bình Lê Văn
Doanh khoảng cách cách điện theo Arnolda tra được
Khoảng cách cách điện theo hướng trục d1=14cm
Khoảng cách cách diện theo hướng kính d2=9cm
Đồ án tốt nghiệp thiết kế máy biến dòng
điện

17
Khoảng cách cách điện theo bảng 14-1 mmtrang 98
Điện áp định
mức ,KV
A B
6,3
10
15
20
8,5

Giữa cuộn cao áp và hạ áp và giữa cuộn cao áp và gông đặt các bìa cách điện
,để làm tăng khả năng cách điện ở đây ta dùng 2 vành gu
ốc .,đặt 2 ống cách
điện bakelit(đặt các vật lót đệm bằng gỗ ,căn cài ,căn dọc).

Đồ án tốt nghiệp thiết kế máy biến dòng
điện

18

20
II.TÍNH TOÁN ĐIỆN TỪ :
*Các thông số ban đầu :
1.Dòng điện sơ cấp 300A
2.Dòng điện thứ cấp :5A
3.Điện áp sơ cấp định mức Uđm=110KV
4.Tải thứ cấp định mức S
2đm
=15VA
5.Cấp chính xác 5P
Tổng trở phụ tải của mbd
)(6,0
5
15
222
Ω====
T
PT
T
T
pt
I
S
I
U
Z

2.1 Số vòng dây quấn :
I
1đm

trong khoảng 600-
900 Avòng.
Vì vậy chọn W
1
=2(vòng )
Theo công thức trên suy ra W
2
=2.300/5=120(Vòng)
2.2 Xác định kích thước lõi thép:
theo công thức 1-3b sách máy điện 1 E
2
=4,44.f.w
2
.φ
m

mà φ=B.Q
⇒
BW
E
Q
.¦
.10.5,4
2
2
3−
=
(m
2
) (2-2)

ZIXRIE ..2.2
2
22
22
=+=

E
2
=2.5.0,6=6(V)
-Chọn mật độ từ cảm B=0,07568(T)
Thay số vào 2-2 ta được tiết diện lõi thép :
)(10.973,2
07568,0.120
10.6.5,4
.¦
.10.5,4
23
3
2
2
3
m
BW
E
Q
−
−
−
===


-Kích thước lõi thép m.b.d được biểu diễn trên hình vẽ :

Hình 12
2.3 Thiết kế dây quấn:
chọn dây dẫn là dây dẫn đồng
a)Dây quấn sơ cấp :
Do dây quấn sơ cấp có dòng điện và điện áp lớn nên
dùng dây bẹt hoạc thanh dẫn
-Tiết diện dây sơ cấp :

1,5cm
1cm
Đồ án tốt nghiệp thiết kế máy biến dòng
điện

22

2
150
2
300
mm
j
I
q ===

Trong đó mật độ dòng điện j chọn =2A/mm.
Vậy dây quấn sơ cấp qồm hai vòng dây do các dây bẹt ghép lại có tiết diện
1 vòng dây S=150mm
2

W
W ===

2.4 Khoảng cách cách điện ,kích thước cuộn dây sơ cấp:
Dây dẫn hình chữ nhật gồm có 3 sợi chập
Ta theo bảng trang 255 sách khí cụ điện cao áp
1 sợi có kích thước a=10mm
b=5mm
Tiết diện 1 sợi chưa kể cách diện s=50mm
2
Chiều dầy cách điện 2 phía của dây 2δ=0,95mm
-Kích thước dây sơ cấp khi chập 3 sợi : chọn cách điện quấn quanh 2 sợi
là 0,2mm .
Hình a) kích thước 1 sợi
Hình b) kích thước dây quấn sơ cấp .
a=10+2.0,95+0,2+0,2=12,3 (mm)
b=0,95.6+5.3+0,4=20,7 (mm)
Đồ án tốt nghiệp thiết kế máy biến dòng
điện

23Hình 13
Cuộn dây có 2 vòng,.Quấn theo thứ tự
Chọn cách điện giữa 2 vòng là 1mm
-Quấn quanh cuộn sơ cấp một lớp cách điện dầy 18(mm)
.

Hình 14

2,1.0217,0
..
4
1
2
Ω===
−
S
l
R
dn
ρ

25cm
2
3
c
m