Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế máy biến dòng điện

-Điện áp định mức của lưới điện quyết định cách điện phía sơ cấp và thứ cấp
của máy biến dòng .
-Dòng điện sơ cấp và thứ cấp định mức là dòng điện làm việc dài h
ạn ,theo
phát nóng có dư trữ .
-Hệ số biến đổi
dm
dm
I
I
K
2
1
=
.
*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.
-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 .

I
1

Với máy biến dòng kiểu thanh góp chia làm hai loại : Hình 2
a) Máy biến dòng kiểu thanh góp cuộn dây sơ cấp là một thanh góp hoạc
ống dài xuyên qua cửa sổ lõi .
b) Máy biến dòng kiểu chữ U cuộn dây sơ cấp hình chữ U một nhánh xuyên
qua cửa sổ lõi.
Đồ án tốt nghiệp thiết kế máy biến dòng
điện

3
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.

Biế
n
mạch
qua
và c
u
cấu t
Hình
các l
nhiề
epôx
được
∏
2
. C
được
H
2
.L
dây
sơ c
ấ
dòng khô
:
ng loại một
ấp ,có cách
áp 10KV
ợc quấn dạn
á tôn cán lạ
từ tốt. Cuộ
2
được quấ
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

:

hô ,nhiều vò
y thứ cấp 2
thi
n dây sơ cấ
đảm bảo cá
g lắp ráp 3.
có dòng sơ
òng dây sơ
2 cách điện
Hình 3
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

án tốt nghi
n
Máy biến
với loại
M
n khô chỉ d
dưới 35K
5KV trở lê
Máy Biến
.d loại TφH
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

điện áp.
H
u biến dòn

iện dung .
loại
mực dầu
ng thứ nh
ấ
ện ngoài
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

2 tầng.
dòng hai
cao
th
i
n áp
điện
của
ện
y
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

công suất cấp cho
các thiết bị đo lường và bảo vệ .Biến dòng BI2 cùng với thiết bị phụ 9 nạp điện
cho bộ acqui nuôi hệ thống biến dòng điện quang.
Hình 6
Hình 7
bi2
9
bi
C¸p
Quang
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

7
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

t
ở
đầu ra ,phản ánh đúng dòng.
sơ cấp I
s
.
Đồ án tốt nghiệp thiết kế máy biến dòng
điện

8
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

-Giữa các bộ phận mang điện và các bộ phận nối đất.
-Giữa các bộ phận có điện thế khác nhau.
Mức độ cách điện phải phù hợp với tiêu chuẩn nhà nước ,mức độ này đảm bảo
khoảng cách cách điện cần thiết và kích thước của các chi tiế
t cách điện :
+Nếu khoảng cách cách điện lớn quá dẫn tới lãng phí vật liệu cách điện cũng
như vật liệu chế tạo máy ,dẫn tới giá thành sản xuất tăng .
+Nếu khoảng cách cách điện nhỏ sẽ không đảm bảo an toàn cho máy (đảm
bảo cho máy làm việc tốt trong khoảng từ 15-20 năm).
*Yêu cầu vật liệu cách 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

10
-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


11
phân tử chất lỏng sẽ gây ion hoá các phân tử chất lỏng và dẫn tới sự hình
thành thác điện tử và tia lửa điện nối liền các bề mặt điện cực.
Vì mật độ các phân tử ion trong chất lỏng rất lớn so với chất khí cho nên đoạn
đường tự do của điện tử rất ngắn và do đó để gây ion hoá va chạm thì điện
trường và đ
iện áp tác dụng phải có trị số cao hơn nhiều so với số liệu phóng
điện trong chất khí .
Khi chất lỏng có chứa tạp chất như bọc khí ,ẩm ,sợi tơ ..phóng điện được giải
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

khe hở dầu có thể tăng 50% hoạc cao hơn .
Lớp cách Là lớp cách điện khá dầy (hàng chục mm)quấn quanh dây dẫn
.Nó làm giả
m cường độ trường ở xung quanh cực nên được sử dụng ở những
nơi điện trường không đồng nhất như dùng để bọc dây dây dẫn của cuộn dây .
Màn chắn : Trong máy biến dòng thường chế tạo màn chắn bằng cactông
cách điện ,bakêlít .Khi đặt trong trường không đồng nhất tác dụng của màn
chắn cũng tương tự như trong khe hở không khí :đặt trong khu vực trường cực
đại có th
ể làm tăng điện áp phóng điện tần số công nghiệp lên hai lần . Nhưng
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

13
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

n
g

t
õ
Lâi thÐp
Đồ án tốt nghiệp thiết kế máy biến dòng
điện

14
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

0,91
1,22
1,52
1,83
2,13
2,44
2,74
3,05
26,2
20,5
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-

100
1
KVU
dm
=
thì khoảng cách phóng điện là d=4cm
Vậy để tính khoảng cách cách điện ta tra với
)(56,82
3
110
.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


0
200 450
M 120 360
M
0
- không có vành guốc cách điện
m-có vành guốc cách điện
Theo bảng trên ta chọn loại có vành quốc cách điện lấy a=b=7cm
Tổng hợp lại lấy khoảng cách cách điện giữa cuộn cao áp và hạ áp 8,5cm lấy
khoảng cách điện giữa cuộn cao áp và mạch từ 9cm
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

17
mà tăng trọng lượng và kích thước, giá thành cao thì cũng không phải
phương án tối ưu.
Đối với yêu cầu về máy biến dòng lọai này chọn loại tôn M6T35,hãng terni
societa per L’industria et L’electicita theo sáng chế của hãng
Armco, dầy 0,35 mm cách điện bằng Carlite.
Có các đồ thị công suất từ hoá, tổn hao sắt từ. Trang 535-546 Sách thiết kế
máy biến áp Phạm Văn Bình và Lê Văn Doanh biên soạn.
Đồ án tốt nghiệp thiết kế máy biến dòng
điện

19
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

2
11
2
.
¦ =
(2-1)
Với tôn kỹ thuật điện chất lượng tốt ta có thể chọn I
1đm
.W
1
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


20
Trong tính toán sơ bộ có thể lấy gần đúng R
T
≈R
2
Và Xt≈X
2

ttp
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

73,29.2
).(
.2
cm
aAKe
Q
b ≈=
−
=

-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

21

2
150
2

-cuộn thứ cấp quấn làm bốn lớp
Số vòng dây 1 lớp
)(30
4
120
¦
1
11
Vong
n
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


=

Trong đó ρ là điện trở suất của dây dẫn.
S tiết điện của dây dẫn thứ cấp .
L chiều dài phần đầu nối của dây dẫn thứ cấp .
L=60.2=120cm=1,2m
Điện trỏ phần phần đầu nối :

)(10.736,1
150
2,1.0217,0
..
4
1
2
Ω===
−
S
l
R
dn
ρ

25cm
2
3
c
m
Đồ án tốt nghiệp thiết kế máy biến dòng
điện

-4
+3,939.10
-4
=5,675.10
-4
(Ω)
2.6 kích thước cuộn thứ cấp
Cuộn dây thứ cấp được cách ly với mạch từ bởi giấy cách điện và bìa cách điện
có chiều dầy 2mm.
Chọn cách điện lớp là 0,5(mm) bằng giấy cách điện
Dây dẫn Φ=1,81mm cách điện 2δ=0,4mm
-cuộn thứ cấp quấn làm bốn lớp
Số vòng dây 1 lớp là 30 vòng
-chiều cao cuộn dây tính sơ bộ
L=30.2,01=60,3mm
-Chọ
n cách điện ngoài cùng cuộn dây thứ cấp để bọc dây quấn là 5mm
kích thước a
1
=70+2+2+4.2,01+3.0,5+5=88,54mm
b
1
=50+2+2+4.2,01+3.0,5+5=68,54mm
chiều dài trung bình của dây quấn thứ cấp là
l
1
=2.(70+50)+2.(2+2)=248 mm
l
2
=2.(74+50)+2.(2.2,01+3.0,5)=259,04 mm

⎩
⎨
⎧
++
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
+
+
=
−
BA
da
A
B
da
B
AWfkX
π