Thiết kế MBA điện lực

ống MBA lớn và tổn hao cũng tăng lên. Hơn nữa, điều kiện khí hậu, địa hình mỗi nơi đều khác nhau, nhu cầu và sự phát triển kinh tế ở mỗi vùng khác nhau dẫn đến yêu cầu về thiết kế và thông số kỹ thuật của MBA cũng khác nhau. Do đó, việc tính toán thiết kế MBA phù hợp với yêu cầu đặt ra là rất cần thiết. Ngày nay, công nghệ chế tạo MBA ngày càng phát triển và đòi hỏi phải hoàn thiện hơn, vật liệu được chế tạo ngày càng tốt. Vì vậy, việc tính toán và thiết kế phải đảm bảo nhu cầu phát triển kinh tế và đạt chất lượng cao, phải lấy chỉ tiêu kinh tế làm hàng đầu, giá thành vật liệu thấp nhất. Bên cạnh chỉ tiêu kinh tế đòi hỏi tính năng kỹ thuật như: i0%, P0, Un%, Pn... nằm trong điều kiện cho phép ứng với mỗi loại công suất. Trong giới hạn của đề tài, tôi xin trình bày các phần sau của thiết kế MBA điện lực, gồm 5 phần: Phần I : Chọn phương án và tính sơ bộ kích thước cơ bản. Phần II : Tính dây quấn hạ áp - cao áp. Phần III : Tính tổn hao và tham số ngắn mạch. Phần IV : Tính chính xác mạch từ và tham số không tải. Phần V : Tính nhiệt và chọn kết cấu vỏ. Trong quá trình tính toán, do kiến thức còn hữu hạn và chưa có kinh nghiệm thực tế, nên chắc chắn không khỏi thiếu sót. Rất mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô cùng các bạn đồng nghiệp. Nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp được hoàn thành nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Trung Cư, thầy cô giáo trong khoa Điện và Bộ môn Thiết bị Điện - Điện tử đã tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp này. Em xin chân thành cám ơn! kính bút Hồ Thanh Tiên Phần mở đầu 1.1. Đại cương. Như đã biết, cùng một công suất truyền tải trên đường dây, nếu điện áp được tăng cao thì dòng điện chạy trên đường dây sẽ giảm xuống, như vậy có thể làm tiết diện dây nhỏ đi, do đó trọng lượng và chi phí dây dẫn sẽ giảm xuống, đồng thời tổn hao năng lượng trên đường dây cũng giảm xuống. Vì thế muốn truyền tải công suất lớn đi xa, ít tổn hao và tiết kiệm kim loại màu, trên đường dây người ta phải dùng điện áp cao, thường là 35,10,220 và 500kV. Trên thực tế các máy phát điện không có khả năng phát ra những điện áp cao như vậy, thường chỉ từ 3 đến 21kV là cùng, do đó phải có thiết bị để tăng điện áp ở đầu đường dây lên. Mặt khác các hộ tiêu thụ thường yêu cầu điện áp thấp từ 0,4 đến 6kV, do đó tới đây phải có thiết bị giảm điện áp xuống. Những thiết bị dùng để tăng điện áp ở đầu ra của máy phát điện, tức là ở đầu đường dây dẫn điện và giảm điện áp khi tới các hộ tiêu thụ, tức là ở cuối đường dây dẫn điện gọi là các MBA (viết tắt là MBA). Thực ra trong hệ thống điện lực, muốn truyền tải và phân phối công suất tù nhà máy điện đến tận các hộ tiêu thụ một cách hợp lý, thường phải qua 3, 4 lần tăng và giảm điện áp như vậy. Do đó, tổng công suất của các MBA trong hệ thống điện lực thường gấp 3, 4 lần công suất của trạm phát điện. Những MBA dùng trong hệ thống điện lực gọi là MBA điện lực hay MBA công suất. Ngoài MBA điện lực ra còn có nhiều loại MBA dùng trong các ngành chuyên môn như: MBA chuyên dùng cho các lò luyện kim, MBA hàn điện, MBA dùng cho các thiết bị chỉnh lưu, MBA dùng cho đo lường, thí nghiệm... Khuynh hướng phát triển của MBA điện lực hiện nay là thiết kế chế tạo những MBA có dung lượng thật lớn, điện áp thật cao, dùng nguyên liệu mới để giảm trọng lượng và kích thước máy. Về vật liệu hiện nay đã dùng loại thép cán lạnh không những có từ tính tốt mà tổn hao sắt lại ít, do đó nâng cao được hiệu suất của MBA. Khuynh hướng dùng dây nhôm thay dây đồng vừa giảm được trọng lượng máy cũng đang phát triển. ở nước ta ngành chế tạo đã ra đời ngay từ ngày hoà bình lập lại. Đến nay chúng ta đã sản xuất được một khối lượng MBA khá lớn với nhiều chủng loại khác nhau phục vụ cho nhiều ngành sản xuất ở trong nước và xuất khẩu. Hiện nay ta đã sản xuất được những MBA dung lượng 25000kVA với điện áp 110kV. 1.2. Các loại MBA chính. Theo công dụng, MBA có thể gồm những loại chính sau đây: MBA điện lực dùng để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện lực. MBA chuyên dùng cho các lò luyện kim, cho các thiết bị chỉnh lưu, MBA hàn điện;... MBA tự ngẫu biến đổi điện áp trong một phạm vi không lớn lắm dùng để mở máy các động cơ điện xoay chiều. MBA đo lường dùng để giảm các điện áp và dòng điện lớn để đưa vào các đồng hồ đo. MBA thí nghiệm dùng để thí nghiệm các điện áp cao. MBA có rất nhiều, song thực chất các hiện tượng xảy ra trong chúng đều giống nhau. 1.3. Cấu tạo MBA. MBA có các bộ phận chính sau đây: Lõi thép, dây quấn và vỏ máy. 1.3.1. Lõi thép (mạch từ) Mạch từ MBA có hai nhiệm vụ chính: dẫn từ và đồng thời là các khung để làm chỗ tựa cho các cuộn dây. Mạch từ cũng do đó mà có các yêu cầu kỹ thuật tương ứng: Phải dẫn từ tốt, có tổn hao do dòng điện xoáy nhỏ nhất, có kết cấu chắc chắn đảm bảo khi nâng hạ, vận chuyển không làm xê dịch vị trí của các cuộn dây. MBA trong hệ thống truyền tải điện thường được thiết kế với công suất trên một máy rất lớn, có thể hàng trăm ngàn kVA. Khích thước của MBA cũng như máy điện 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 được 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... được 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 được 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 tương đối giữa trụ, gông và dây quấn, lõi sắt được 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 dưới dây quấn mà không bao lấy mặt ngoài của dây quấn, trụ sắt thường để đứng. Tiết diện trụ thường 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 dưới dây quấn mà còn bao cả mặt bên của dây quấn. Lõi sắt như ''bọc'' lấy dây quấn nên có tên gọi đó.Trụ thường để nằm ngang, tiết diện trụ thường có hình chữ nhật. MBA kiểu này có ưu điểm là thường không cao nên vận chuyển dễ dàng, giảm được 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 Cdq lớn, điện dung đối với đất Cđ nhỏ nên sự phân bố điện áp sét trên dây quấn đều hơn. Nhưng khuyết điểm của kiểu này là chế tạo phức tạp cả lõi sắt và dây quấn; các lá tôn silic nhiều loại kích thước khác nhau khi dây quấn quấn thành ống tiết diện tròn; trong trường 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 thường thấy ở một số nước 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 phương 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 được đem nối với nhau nhờ những xà và bulông ép. Ghép kiểu này đơn giản, nhưng khe hở không khí giữa trụ và gông lớn, do không đảm bảo tiếp xúc tương 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 lượt 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 như cũ và ép gông lại. Đối với thép cán lạnh, để giảm bớt tổn hao do tính dẫn từ không đúng hướng thường ghép xen kẽ nhưng 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 như đối với thép cán nóng. Phương pháp ghép xen kẽ đơn giản, kết cấu vững chắc nên được dùng rất phổ biến trong các ngành chế tạo biến áp hiện nay. 1.3.2. Dây quấn. Dây quấn MBA là bộ phận dùng để thu nhận năng lượng vào và truyền tải năng lượng đi. Trong MBA hai dây quấn có cuộn hạ áp (viết tắt là HA) nối với lưới điện áp thấp và cuộn cao áp (viết tắt là CA) nối với lưới có điện áp cao hơn. Theo phương 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, thường 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 như giảm được kích thước rãnh cách điện giữa các cuộn dây và giữa cuộn dây với trụ sắt. Dây quấn đồng tâm được 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 được quấn thành từng bánh có chiều cao thấp và quấn xen kẽ do đó giảm được lực dọc trục khi ngắn mạch. Để giảm lực cơ theo hướng kính các bánh dây cố gắng thiết kế có đường kính gần bằng nhau. Dây quấn xen kẽ có nhiều rãnh dầu ngang nên về mặt làm lạnh tuy có tốt hơn nhưng 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 được dùng trong các MBA lò điện hay trong một số MBA khô để đảm bảo sự làm lạnh được tốt. 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 ưu điểm là lấp đầy được phần không gian trong cuộn dây , nhưng có nhược 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 được dùng trong một số MBA đặc biệt thường 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 lượng làm cho MBA nóng lên. Muốn MBA làm việc được 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 lượng ra ngoài vách thùng nhờ hiện tượng đối lưu. Nhiệt lượng lại từ vách thùng truyền ra không khí xung quanh bằng quá trình đối lưu và bức xạ. Nhờ vậy mà hiệu ứng làm lạnh được tăng lên cho phép tăng tải điện từ đối với lõi thép và dây quấn, tăng được công suất máy, giảm được kích thước và trọng lượng máy. Đối với MBA nhỏ dung lượng dưới 25 á 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 thường 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 được làm nguội nhờ không khí tự nhiên. ở những MBA công suất từ 10 đến 16 ngàn kVA trở lên thường phải tăng cường làm nguội bằng đối lưu cưỡng bức không khí nhờ hệ thống quạt gió hay có thể đối lưu cưỡng bức dầu trong thùng nhờ một hệ thống bơm riêng hoặc phối hợp cả hai. Để đảm bảo dầu trong MBA luôn luôn đầy trong quá trình vận hành, trên nắp MBA có một bình dầu phụ hình trụ, thường 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 hưởng tới mức dầu ở trong MBA. Vì vậy, bình dầu phụ còn được 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 lưới 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, nhưng có nhược điểm là dầu MBA đồng thời cũng là một vật liệu dễ cháy nên dễ sinh ra hoả hoạn, vì vậy trong nhiều trường 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 thước, trọng lượng 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 thường chỉ chế tạo với công suất tới 1600 á 2500kVA, điện áp không quá 15kV và cũng chỉ dùng trong điều kiện khô ráo. phần I chọn phương án và tính sơ bộ kích thước cơ bản I. Các đại lượng điện cơ bản 1. Công suất một pha của MBA. Sf = (kVA) = = 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' = (kVA) = = 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 = (A) Dòng điện bên phía HA: I1 = = = 1443,37 (A). Dòng điện bên phía CA: I2 = = = 16,49 (A) Trong đó: S - Công suất định mức của MBA, S = 1000kVA U1 - Điện áp dây định mức bên phía CA, U1 = 35kV. U2 - Điện áp dây định mức bên phía HA, U2 = 0,4kV. 4. Dòng điện pha định mức. Vì tổ đấu dây Y-YO - 12 nên dòng điện pha tính như sau: If = I (A) Dòng điện pha bên phía HA: If1 = I1 = 1443,37 (A) Dòng điện pha bên phía CA: If2 = I2 = 16,49 (A). Trong đó: I1 - Dòng điện bên phía HA, I1 = 1443,37 A I2 - Dòng điện bên phía CA, I2 = 16,49 A 5. Điện áp pha định mức. Khi dây quấn nối sao hay Ziczắc ta có: Uf = (V) Điện áp pha bên phía HA: Uf1 = = = 231 (V) Điện áp pha bên phía CA: Uf2 = = = 20207 (V) Trong đó: U1- Điện áp dây bên phía CA, U1 = 35kV. U2- Điện áp dây bên phía HA, U2 = 0,4kV. 6. Các thành phần điện áp ngắn mạch. Thành phần tác dụng của điện áp ngắn mạch: Ur = = = 1,3% Trong đó: Pn - Tổn hao ngắn mạch, Pn = 13000 W. S - Công suất định mức, S = 1000kVA. Thành phần phản kháng của điện áp ngắn mạch. Ux % = , % = = 5,857 (%) Trong đó: Un - Điện áp ngắn mạch, Un = 6% Ur - Thành phần tác dụng của điện áp ngắn mạch, Ur = 1,3% 7. Điện áp thử Uth 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: Uth1 = 5 kV Điện áp thử nghiệm bên phía CA: Uth2 = 85 kV II. Tính toán kích thước chủ yếu của MBA. 1. Chiều rộng qui đổi của rãnh từ tản giữa dây quấn CA và HA. ar = a12 + Trong đó: a1, a2 - Lần lượt là chiều dày của dây quấn CA và HA. a12 - Khoảng cách tối thiểu giữa cuộn CA và HA. Với Uth = 85kV tra bảng 19 tác giả Phan Tử Thụ, ta chọn a12 = 27 mm ị = 0,0213m Trong đó: a1 - Chiều dày dây quấn HA a2 - Chiều dày dây quấn CA S' - Dung lượng trên một trụ, S' = 333,333kVA. k - Tra bảng 12 trang 185 TLTK MBA, có k = 0,5. Vậy khoảng cách qui đổi ar: ar = 0,027 + 0,0213 = 0,0483 m 2. Hệ số qui đổi từ trường tản: kr = 0,95 Theo kinh nghiệm ta có kr như 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 Bt = 1,60 T. Dựa vào bảng 6 trang 182 TLTK MBA, tra được hệ số tăng cường gông: kg = 1,015 Theo bảng 4 trang 181 TLTK MBA ta chọn số bậc thang trong trụ là 7 bậc; số bậc thang của gông lấy nhỏ hơn trụ 1 bậc, tức gông có 6 bậc; hệ số chiếm kín kc = 0,9 Theo bảng 10 trang 184 TLTK MBA tra hệ số điền đầy với loại tôn cán lạnh, mã hiệu 3405, bề dày 0,30 mm, kđ = 0,96. Kết cấu mạch từ, chọn loại kết cấu mối ghép xen kẽ, mối nối nghiêng ở 4 góc và mối nối thẳng ở giữa. Cách ép trụ bằng băng vải thuỷ tinh; ép gông bằng xà ép với bu lông xiết ra phía ngoài gông, có tấm sắt ép gọi là hệ số lợi dụng Kld của lõi sắt. kld = kc ì kđ = 0,9 ì 0,96 = 0,864 ị * Mật độ từ cảm trong gông là: Bg = = = 1,576 T. Trong đó: Bt : Mật độ từ cảm trong trụ, Bt = 1,6 T kg: Hệ số tăng cường gông, kg = 1,015. * Mật độ từ cảm khe hở không khí mối nối thẳng: B'K = Bt = 1,6 T. * Mật độ từ cảm khe hở không khs ở mối nối nghiêng: B'K = = = 1,131 T. Trong đó: B't : Mật độ từ cảm trong trụ, B't = 1,60 T. - Suất tổn hao ở trụ và gông, dựa vào bảng 45 trang 211 TLTK MBA tra, ta được: Bt = 1,60 T tra bảng 45 được Pt = 1,15 W/Kg. Bg = 1,576 T không có giá trị trong bảng, tiến hành nội suy: Bg = 1,56 T; tra bảng 45 được Pg = 1,074 W/Kg. Bg = 1,58 T; tra bảng 45 được Pg = 1,112 W/Kg. Do đó, giá trị Pg ứng với Bg = 1,576 T là: Pg = 1,074 + = 1,104 (W/Kg) - Suất từ hoá giữa trụ và gông, dựa vào bảng 50 trang 215 TLTK MBA, ta tr được: Bt = 1,60 T tra bảng 50 được qt = 1,526 (VA/kg) Bg = 1,576 T không có giá trị trong bảng, tiến hành nội suy: Bg = 1,56 T tra bảng 50 được qg = 1,383 VA/Kg. Bg = 1,58 T tra bảng 50 được Pg = 1,445 VA/Kg. Do đó, suất từ hoá của gông ở giá trị Bg = 1,576 T là: qg = 1,383 + = 1,435 (VA/Kg) - Suất từ hoá ở khe hở không khí: + Nối thẳng: ứng với B''K = 1,69 T Tra bảng 50, ta được q''K = 19200 VA/m2. + Nối xiên: ứng với B'K = 1,131T Không có trong bảng, ta tiến hành nội suy: B'k = 1,0 T tra bảng 50 ta được q'k = 900 VA/m2 B'k = 1,20 T tra bảng 50 ta được q'k = 3700 VA/m2. Do đó, suất từ hoá ở khe hở không khí ( với nối xiên) ứng với B'k = 1,131T là: q'k = 900 + = 2734 (VA/m2) 4. các hệ số gần đúng: Dựa vào bảng 13 trang 186 TLTK MBA tra được a = 1,4 Dựa vào bảng 13 trang 186 TLTK MBA tra được b = 0,3 5. Hệ số kf: Dựa vào bảng 15 trang 186 TLTK MBA tra được kf = 0,91 kf là hệ số tính đến tổn hao phụ trong dây quấn, trong dây dẫn ra, trong vách thùng và các chi tiết kim loại khác do dòng điện xoáy. 6. Biểu thức tính đường kính trụ. d = Ax Trong đó A là một hằng số được xác định: A = 0,507 ì = 0,507 ì = 0,2 x = Trong đó b là hệ số hình dáng. 7. các khoảng cách cách điện chính. Chọn theo Uth = 85kV của cuộn CA và dựa vào bảng 18, 19 trang 188 TLTK MBA ta có các khoảng cách như sau: Khoảng cách giữa trụ và dây quấn HA. a01 = 15mm Khoảng cách giữa dây quấn HA và CA: a12 = 27mm Khoảng cách giữa dây quấn CA và CA: a22 = 30mm Khoảng cách ống cách điện giữa dây quấn HA và CA: d12 = 5mm. Khoảng cách tấm chắn cách điện giữa các pha: d22 = 3mm. Khoảng cách giữa dây quấn CA đến gông : l0 = 50mm Khoảng cách phần đầu thừa ống cách điện: lđ2 = 50mm. 8. Tính trọng lượng vật liệu tác dụng: a. Trọng lượng trụ thép: Gt = + A2 ì x2 Trong đó A1, A2 được tính như sau: A1 = 5,663 ì 104 ì a ì A3 ì kld, (Kg) = 5,663 ì 104 ì 1,4 ì 0,23 ì 0,864 = 547,997 (Kg). A2 = 3,605 ì 104 ì A2 ì kld ì l 0, (Kg) = 3,605 ì 104 ì 0,22 ì 0,864 ì 0,0,75 = 93,441 (Kg). Trong biểu thức A1, A2 có các giá trị tính ở các mục sau: A: Là hằng số, A = 0,2 kld : Hệ số lợi dụng lõi sắt, kld = 0,864 l 0: Khoảng cách giữa dây quấn CA đến gông l 0 = 0,075 m a: Hệ số gần đúng, tra bảng 15, a = 1,4. Vậy trọng lượng của trụ: Gt = + 93,441 x2 b. Trọng lượng của gông: Gg = B1 ì x3 + B2 ì x2 Trong đó B1, B2 được tính như sau: B1 = 2,40 ì 104 ì kg ì kld ì A3 ì (a + b + e) = 2,40 ì 104 ì 1,015 ì 0,864 ì 0,22 ì (1,4 + 0,3 + 0,75 d) = 286,239 + 25,256 x. B2 = 2,40 ì 104 ì kg ì kld ì A2 ì (a12 + a22) = 2,40 ì 104 ì 1,015 ì 0,864 ì 0,22 ì (0,027 + 0,03) = 47,987 (kg). Trong biểu thức B1, B2 có các biến được tính ở các mục sau: - kg: Hệ số tăng cường gông, kg = 1,015 - a12: Khoảng cách giữa dây quấn HA và CA a12 = 0,027 m - a22: Khoảng cách giữa dây quấn HA và CA a22 = 0,3 m A: Là hằng số, A = 0,2 Vậy trọng lượng của gông: Gg = (286,239 + 25,256 x)x3 + 47,987x2 (kg) c. Trọng lượng sắt: GFe = Gt + Gg = + 93,441x2 + (286,239 + 25,256 x)x3 + 47,987 ì x2 = d. Trọng lượng dây quấn: Gdq = Trong đó: C1 = kdq ì = 2,46 ì 10-2 ì = 533,186 (kg) Trong đó: kdq = 2,46 ì 10-2 đối với dây đồng. Ur% = 1,3 thành phần tác dụng của điện áp ngắn mạch kg = 0,91 hệ số phụ Vậy trọng lượng dây quấn: Gdq = Trọng lượng dây quấn kể cả cách điện: Gdd = 1,03 ì 1,03 ì Gdq ằ 1,06 Gdq. e. Trọng lượng một góc mạch từ: Với công suất 1000 kVA trở lên, ta có: G0 = 0,492 ì 104 ì kg ì kld ì A3 ì x3 = 0,492 ì 104 ì 1,015 ì 0,864 ì 0,23 ì x3 = 34,517x3 (kg) Trong đó: kg : Hệ số tăng cường gông, kg = 1,015 kdd : Hệ số lợi dụng lõi sắt, kdd = 0,864 A : Hệ số, A = 0,2 9. Giá thành vật liệu. C'td = GFe + kdqFe ì Gdd = GFe + 2,36 ì Gdd Trong đó: kdqFe = 2,36 tra bảng 16 trang 187 TLTK MBA. III. Tính sơ bộ các tổn hao 1. Tổn hao không tải P0 = k'f ì (Pt ì Gt + Pg ì Gg) = 1,2 ì (1,15 ì Gt + 1,104 Gg) Trong đó: k'f là hệ số phụ. Đối với tôn cán lạnh do từ tính không phục hồi đầy đủ sau khi ủ, hoặc do có thể có mối ghép vuông góc, hoặc do sự nắn uốn là tôn lúc lắp ghép... làm cho tổn hao tăng lên, lấy k'f = 1,2 Pt, Pg: Suất tổn hao sắt ở trụ vuông, tính ở mục 3 được: Pt = 1,15W/kg, Pg = 1,104W/kg. Thành phần phản kháng của dòng điện không tải có thể tính theo công suất từ hoá Q (VA): i0x% = %. Trong đó: Q0: Công suất từ hoá VA S: Công suất định mức của mba kVA. 2. Công suất từ hoá. Q = k''f (Qc + Qf + Qd), VA Trong đó: k''f: Hệ số kể đến sự phục hồi từ tính không hoàn toàn khi ủ lại lá tôn cũng như uốn nắn và ép lõi sắt, chọn k''f = 1,25. Qc: Công suất tổn hao chung của trụ và gông: Qc = qt ì Gt + qg ì Gg , VA. qt, qg: Là suất từ hoá ở trụ và gông (VA/kg). tra bảng 50 trang 215, ta được qt = 1,526 VA/kg qg = 1,435 Suy ra: Qc = 1,526 ì Gt + 1,435 ì Gg. Qf: Công suất từ hoá phụ đối với ''góc'' có mối nối thẳng, có thể xác định: Qf = 40 ì qt ì G0 , (VA) = 40 ì 1,526 ì G0 = 61,04 ì G0. Qd: Công suất từ hoá ở những khe hở không khí nối giữa các lá thép: Theo (2 - 67) trang 49 TLTK MBA có: Qd = 3,2 ì qd ì Tt ,(VA) = 3,2 ì 19200 ì Tt = 61440 Tt. qd : Suất từ hoá khe hở đối với Bt = 1,6T. tra bảng 50 trang 215 TLTK MBA qd = 19200VA/m2. 3. tiết diện tác dụng của trụ. Tt = 0,785 ì kld ì A2 ì x2 (m2). = 0,785 ì 0,864 ì 0,22 ì x2 = 0,027 ì x2 (m2). Trong đó: kld: Hệ số lợi dụng lõi sắt, kld = 0,864. A: Hệ số, A = 0,2. 4. đường kính trung bình rãnh dầu giữa hai dây quấn: d12 = a ì d = 1,4 ìd. 5. Chiều cao dây quấn: l = Trong đó: d12: Đường kính trung bình rãnh dầu giữa hai dây quấn. b: Hệ số hình dáng. 6. Tính dòng không tải: * i0x = = * i0r = = * i0 = 7. Mật độ dòng điện trong dây quấn. D = = Trong đó: kf: Hệ số tính đến tổn hao phụ kf = 0,91. Pn: Tổn hao ngắn mạch Pn = 13.000 W K: Hệ số phụ thuộc vào điện trở suất của dây đồng K = 2,4 Gdq: Trọng lượng dây quấn. Gdq = . 8. lập bảng xác định trị số tối ưu: Với x = để Ctd Thoả mãn yêu cầu trên, người ta thường dùng hệ số để biểu thị mối quan hệ đó: b = là kích thước cơ bản về quan hệ chiều cao và chiều rộng của MBA. - Để tìm được phương án tối ưu, ở đây ta dùng bảng cho B thay đổi với MBA. Công suất với S = 1000 kVA. b trong khoảng 1,2 á3,6. Giá trị b tìm được phải thoả mãn các tiêu chuẩn kỹ thuật và kinh tế, tức tìm ra giá trị giá thành vật liệu là min. Ctd = B1 ì x2 + (B2 + A2) ì x2 + . Và đồng thời phải thoả mãn các điều kiện như sau: i0 Ê 1,4 % P0 Ê 1650 W. 1.2 Ê b Ê 3,6 b 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 x = 1,158 1,189 1,217 1,244 1,270 x = 1,341 1,414 1,483 1,547 1,613 x = 1,554 1,681 1,806 1,925 2,048 473,227 460,889 450,285 440,512 431,493 A2 x2 = 93,441 x2 125,304 132,125 138,573 144,553 150,72 B1 x3 = (286,239 + 25,256x)ìx3 490,264 531,647 572,457 611,49 651,9 B2 x2 = 47,987 x2 64,350 67,853 71,164 74,235 77,403 Gt = A1/ x + A2 x2 554,614 593,014 588,858 585,065 582,213 Gg = B1 x3 + B2 x2 553,935 599,5 643,621 685,725 729,303 GFe = Gt + Gg 1152,373 1192,514 1232,479 1270,79 1311,516 Gdq = 392,9 337,076 359,532 344,658 330,555 Gdd = 1,06 Gdq 421,774 339,7 381,104 365,337 350,388 C'td = GFe + 2,36 Gdd 2147,760 2135,806 2131,884 2132,985 2138,431 P0 = 1,2(1,15 Gt + 1,104 Gg) 1559,697 1612,576 1665,293 1715,833 1769,634 Qc = 1,526 Gt + 1,435 Gg 1708,113 1765,221 1600,782 1876,824 1935,00 G0 = 34,517 X3 53,570 58,023 62,337 66,445 70,69 Qf = 61,04 G0 3269,912 3541,223 3085,05 4055,803 4314,917 Tt = 0,027 X2 0,361 0,038 0,04 0,041 0,043 Qd = 61440 T2 2217,984 2334,72 2457,6 2519,04 2641,92 Q0 = 1,25 (Qc + Qg + Qf) 8995,011 9552,08 9829,29 10564,583 1114,796 i0 = 0,9 0,955 0,983 1,05 1,1 IV. tính toán lại kích thước chủ yếu và các tổn hao. x = = = 1,203 Đường kính trụ sắt: d = Ax = 0,2ì1,203 = 0,24 m Ta lấy chuẩn đường kính dđm = 0,24 m, với đường kính này ta tính lại giá trị Bđm. bđm = = 2,07 Với b = 2,07, ta có: x = = 1,199 x2 = = 1,438. x3 = = 1,725. 1. Trọng lượng của trụ. GT = = = 591,413 (kg) 2. Trọng lượng của gông. Gg = (286,239 + 25,256 ì x) x3 + 47,987 ì x2 = (286,239 + 25,256 ì 1,199) 1,725 + 47,987 ì 1,438 3. Trọng lượng sắt. GFe = Gt + Gg = 591,413 + 615 = 1206,413 (kg) 4. Trọng lượng dây quấn. Gdq = = = 370,783 (kg) * Kiểm tra mật độ dòng: D = = = 3,64ì10-6 A/m2 < 4,5ì10-6 A/m2. Người ta qui định đối với MBA dầu DCu Ê 4,5ì10-6 A/m2. Vậy thoả mãn điều kiện cho phép. Trong đó: Pn: Tổn hao ngắn mạch, Pn = 13.000W. K: Hệ số phụ thuộc vào điện trở suất của dây đồng,K = 2,4 5. Trọng lượng dây dẫn. Gdd = 1,03ì1,03 Gdq ằ 1,06 Gdq = 1,06ì370,783 = 393,029 (kg) 6. Chi phí vật liệu. C'td = GFe + 2,36 Gdd = 1206,413 + 2,36ì393,029 = 2133,961 7. Tổn hao không tải: P0 = 1,2 (1,15 Gt + 1,104 Gg) = 1,2 ( 1,15ì591,413 + 1,104 ì 615) = 1630,9 W Trong đó: Gt, Gg: Trọng lượng trụ và gông, Gt = 591,413 kg, Gg = 615. 8. Dòng điện không tải. i0 = Trong đó: Q: Công suất từ hoá Q (VA) Q = k''g (Qc + Qf + Qd), (VA). Qc: Công suất tổn hao chung của trụ và gông. Qc = qt ì Gt + qg ì Gg = 1,526 ì 591,413 + 1,435 ì 615 = 1785,02 (VA). qt, qg Suất từ hoá ở trụ và gông qt = 1,526 VA/kg. qg = 1,435 VA/kg. Gt, Gg: Trọng lượng trụ và gông Gt = 591,413 kg Gg = 615 kg Qf: Là công suất từ hoá phụ đối với ''góc'' có mối nối thẳng: Qf = 40 ì qt ì G0 , (VA) = 40 ì 1,526 ì 34,517 ì x3 = 40 ì 1,526 ì 34,517 ì 1,725 = 3634,433 (VA) qt: Suất từ hoá ở trụ, qt = 1,526 VA/kg G0: Trọng lượng 1 góc mạch từ, G0 = 34,517 x3 kg. Qd: Công suất từ hoá ở những khe hở không khi nối giữa các là thép: Qd = 3,2 ì qd ì Tt = 3,2 ì 19200 ì 0,027 ì 1,438 = 2385,47 (VA). qd: Suất từ hoá khe hở, đối với Bt = 1,6T, qd = 19200 W/m2. Vậy: i0 = 9. Đường kính trung bình của rãnh dầu. d12 = 1,4 ì d = 1,4 ì 0,24 = 0,36 m ằ 0,34 m. 10. Chiều cao dây quấn sơ bộ. l = m. Trong đó: d12: Đường kính trung bình của rãnh dầu, d12 = 0,34 m 11. Tiết diện hữu hiệu của trụ sắt. Tt = kđ ì Tt = kđ ì kc ì = 0,96 ì 0,9 ì = 0,039 m2 ằ 0,04 m2. Trong đó: kđ: Hệ số điền đầy rãnh, kđ = 0,96. kc: Hệ số chiếu kín, kc = 0,9. 12. Kiểm tra ứng suất kéo tác dụng lên tiết diện dây. sr = M ì x3 Vì MBA ba pha dùng dây đồng nên: MCu = 0,244 ì 10-4 ì k2n ì kf ì kr ì Trong đó: kn = = = 35,2 Suy ra: MCu = 0,244 ì 10-4 ì (35,2)2 ì 0,91 ì 0,95 = 12,134 Vậy: sr = 12,134 ì 1,725 = 20,931 MN/m2 < 60 MN/m2 Vậy thoả mãn điều kiện cho phép. Phần II Tính toán dây quấn MBA I. Tính toán dây quấn HA. 1. Sức điện động của một vòng dây. Uv = 4,44 ì f ì Tt ì Bt = 4,44 ì 50 ì 0,04 ì 1,60 = 14,208 V Trong đó: f: Tần số của lưới điện công nghiệp. f = 50Hg Bt: Mật độ từ cảm trong trụ. Bt = 1,6T. Tt : Tiết diện hữu hiệu của trụ, Tt = 0,04 m2. 2. Số vòng dây một pha của dây quấn HA: W1 = = 16,258 vòng ằ 17 vòng Trong đó: Uf1: Điện áp pha bên phía HA, Uf1 = 231 V Uv: Sức điện động của một vòng dây, Uv = 14,208 v 3. Điện áp thực của một vòng dây. Uv = = = 1,3588 ằ 13,6 (v). Trong đó: Uf1: Điện áp pha bên phía HA. Uf1 = 231 V W1: Số vòng dây một pha của dây quấn HA W1 = 17 vòng 4. Mật độ dòng điện trung bình: Đối với dây đồng ta có: Dtb = 0,746 ì kf ì (A/m2). = 0,746 ì 0,91 ì = 35,3 ì 106 (A/m2) Trong đó: kf: Hệ số kể đến tổn hao phụ trong dây quấn, trong dây dẫn ra, trong vách thùng dầu. kf = 0,91. Pn : Tổn hao ngắn mạch, Pn = 13000W. Uv: Sức điện động của một vòng dây, Uv = 13,6 V S: Công suất định mức, S = 1000kVA. d12: Đường kính trung bình giữa hai dây quấn, d12 = 0,34 m. 5. Tiết diện sơ bộ của dây quấn HA: T'1 = = = 408,886 ì 10-6 m2 = 408,886 (mm2) Trong đó: I1: Dòng định mức phía ._.