Thiết kế MBA điện lực

7
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 cơng 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 gơng G. Trụ là phần lõi có lồng dây quấn,
gơng là phần lõi khơng 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, gơng và dây quấn, lõi sắt được
chia làm hai loại kiểu trụ và kiểu bọc.
1. Lõi sắt kiểu trụ:
Dây quấn ơm lấy trụ sắt, gơng từ chỉ giáp phía trên và phía dưới dây quấn
mà khơng bao lấy mặt ngồi của dây quấn, trụ sắt thường để đứng. Tiết diện trụ
thường là hình tròn (đối với MBA cơng 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 gơng từ khơng 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 khơng 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 C
dq
lớn, điện dung đối với đất C
đ
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 tơn 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 khơng đều, tốn ngun vật liệu. Lõi sắt kiểu này thường thấy ở một số
nước Tây Âu chế tạo cho các biến áp lò.
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN


8
b. Ngồi 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
cơng suất lớn (hơn 100 ngàn kVA một pha) và để giảm bớt chiều cao phải
''san'' gơng sang hai bên.
Theo sự sắp xếp khơng gian giữa trụ và gơng có thể phân biệt lõi thép có
mạch từ đối xứng và khơng đối xứng. Ví dụ MBA ba pha ba trụ là loại mạch từ
khơng 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 gơng có thể chia loại sắt thành hai kiểu: lõi
ghép nối và lõi ghép xen kẽ.
Ghép nối là gơng và trụ ghép riêng sau đó được đem nối với nhau nhờ
những xà và bulơng ép. Ghép kiểu này đơn giản, nhưng khe hở khơng khí giữa
trụ và gơng lớn, do khơng đảm bảo tiếp xúc tương ứng từng lá thép trụ và gơng
với nhau nên tổn hao và dòng điện khơng tải lớn, vì vậy ít dùng.
Ghép xen kẽ là từng lớp là thép của trụ và gơng lần lượt đặt xen kẽ sau đó
dùng xà ép và bulơng vít chặt lại. Muốn lồng dây quấn vào thì dỡ hết gơng trên
ra, cho dây quấn vào trụ sau đó xếp lá thép vào gơng như cũ và ép gơng lại.
Đối với thép cán lạnh, để giảm bớt tổn hao do tính dẫn từ khơng đúng
hướng thường ghép xen kẽ nhưng đối với mối nối nghiêng giữa trụ và gơng ở 4
góc hay mối nối nghiêng cả trụ giữa mà khơng 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.
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN


9
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 khơng sẽ sinh ra lực chiều trục lớn (nhất là
lúc ngắn mạch) có tác dụng ép hoặc đẩy gơng từ hai cuộn dây khơng lợi về mặt
kết cấu. khi bố trí cuộn dây, cuộn HA đặt trong cùng, cuộn CA đặt ngồi ( nếu
biến áp ba pha dây quấn, thường cuộn trung áp TA đặt giữa, cũng có thể đặt
trong cùng). Cuộn cao áp đặt ngồi 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
khơng có mối hàn nào. Loại dây quấn này chủ yếu được dùng trong các MBA lò
điện hay trong một số MBA khơ 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
khơng 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 cơng suất nhỏ và rất nhỏ.
1.3.3. HỆ THỐNG LÀM LẠNH VÀ VỎ MÁY.
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN


10
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 khơng khí tự nhiên hoặc bằng
dầu MBA. MBA dùng khơng khí để làm nguội gọi là MBA khơ, 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 ngồi vách thùng nhờ hiện tượng đối lưu. Nhiệt lượng lại
từ vách thùng truyền ra khơng khí xung quanh bằng q 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 cơng suất máy, giảm được kích thước và trọng
lượng máy. Đối với MBA nhỏ dung lượng dưới 25 ÷ 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 khơng khí tự nhiên. ở những MBA cơng suất từ 10 đến
16 ngàn kVA trở lên thường phải tăng cường làm nguội bằng đối lưu cưỡng bức
khơng 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 ln ln đầy trong q 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 khơng 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 ngồi 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
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN


11
hoả hoạn, vì vậy trong nhiều trường hợp phải có thiết bị và biện pháp chống
cháy thích hợp.
ở các MBA khơ vỏ máy chỉ để bảo vệ. Vì khơng khí có khả năng làm nguội
và cách điện kém hơn dầu MBA nên trong các MBA khơ, 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 khơ sẽ
tăng lên. Điều này thấy rõ khi cơng suất và điện áp của máy càng cao. Do vậy
MBA khơ thường chỉ chế tạo với cơng suất tới 1600 ÷ 2500kVA, điện áp khơng
q 15kV và cũng chỉ dùng trong điều kiện khơ ráo.
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN


12
PHẦN I
CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ TÍNH SƠ BỘ KÍCH THƯỚC CƠ BẢN
I. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN CƠ BẢN
1. CƠNG SUẤT MỘT PHA CỦA MBA.
S
f
=
m
S
(kVA)
=
3
1000

= 333,33 (kVA)
Trong đó:
S - Cơng suất định mức của MBA, S = 1000kVA
m - Số pha của MBA, m = 3
2. CƠNG SUẤT MỖI TRỤ.
S' =
t
S
(kVA)
=
3
1000

= 333,33 (kVA)
Trong đó:
S - Cơng suất định mức của MBA, S = 1000kVA
t - Số trụ tác dụng. Đối với MBA 3 pha , t = 3
3. DỊNG ĐIỆN DÂY ĐỊNH MỨC.
I =
U3
10S
3
⋅
⋅
(A)
 Dòng điện bên phía HA:
I
1
=
2
U3
S
⋅

=
4003
101000
3
⋅
⋅

= 1443,37 (A).
 Dòng điện bên phía CA:
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN


13
I
2
=
1
3
U3
10S
⋅
⋅

=
350003
101000
3
⋅
⋅

= 16,49 (A)
Trong đó:
S - Cơng 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. DỊNG ĐIỆN PHA ĐỊNH MỨC.
Vì tổ đấu dây Y-Y
O
- 12 nên dòng điện pha tính như 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).
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)
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN


14
 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
⋅

=
10010
000.13
⋅

= 1,3%
Trong đó:
P
n
- Tổn hao ngắn mạch, P
n
= 13000 W.
S - Cơng 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.
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN


15
Dựa vào bảng 2 TLTK MBA, điện áp thử với tần số cơng 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
II. TÍNH TỐN KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU CỦA MBA.
1. CHIỀU RỘNG QUI ĐỔI CỦA RÃNH TỪ TẢN GIỮA DÂY QUẤN
CA VÀ HA.
a
r
= a
12
+
3
aa
21
+

Trong đó:
a
1
, a
2
- Lần lượt 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 lượng 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 TRƯỜNG TẢN:
k
r
= 0,95
Theo kinh nghiệm ta có k
r
như trên
3. CHỌN LÕI THÉP VÀ CÁC HỆ SỐ TÍNH TỐN:
 Vật liệu dẫn từ, ta chọn tơn cán lạnh, mã hiệu 3405 có chiều dày 0,30 mm.
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN


16
 Theo bảng 11 trang 185 TLTK MBA, ta chọn mật độ từ cảm trong trụ
B
t
= 1,60 T.
 Dựa vào bảng 6 trang 182 TLTK MBA, tra được hệ số tăng cường
gơng:
k
g
= 1,015
 Theo bảng 4 trang 181 TLTK MBA ta chọn số bậc thang trong trụ là 7 bậc; số
bậc thang của gơng lấy nhỏ hơn trụ 1 bậc, tức gơng có 6 bậc; hệ số chiếm kín
k
c
= 0,9
 Theo bảng 10 trang 184 TLTK MBA tra hệ số điền đầy với loại tơn cán
lạnh, mã hiệu 3405, bề dày 0,30 mm,
k
đ
= 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 gơng bằng xà ép với bu lơng
xiết ra phía ngồi gơng, có tấm sắt ép gọi là hệ số lợi dụng K
ld
của lõi
sắt.
k
ld
= k
c

⋅
k
đ
= 0,9
⋅
0,96
= 0,864
⇒ * Mật độ từ cảm trong gơng là:
B
g
=
g
t
k
B
=
015,1
60,1
= 1,576 T.
Trong đó:
B
t
: Mật độ từ cảm trong trụ, B
t
= 1,6 T
k
g
: Hệ số tăng cường gơng, k
g
= 1,015.
* Mật độ từ cảm khe hở khơng khí mối nối thẳng:
B'
K
= B
t
= 1,6 T.
* Mật độ từ cảm khe hở khơng khs ở mối nối nghiêng:
B'
K
=
2
B
t
=
2
6,1
= 1,131 T.
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

Xem chi tiết: Thiết kế MBA điện lực