Thiết kế máy biến dòng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.93 MB, 70 trang )
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
1 1
Chương 1
GIỚI THIỆU CHUNG
I – GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY M.B. D.
1. Khái niệm chung.
Máy biến dòng là thiết bị bIến đổi dòng điện có trị số lớn và điện áp cao
xuống dòng điện tiêu chuẩn 5A hoặc 1A. Điện áp an toàn cho mạch đo lường và
bảo vệ.
2. Nguyên lý làm việc.
Ở mạch điện xoay chiều, nguyên lý làm việc của M.B.D tương tự MBA.
Hình 1.1: Sơ đồ đấu dây máy biến dòng.
Mô tả sơ đồ.
Tải của m.b.d được đấu vào cuộn dây thứ cấp W
2
của nó, còn 1 đầu còn lại
được nối đất.
Thứ tự “đầu” và “cuối” của các cuộn dây BT thường được phân biệt, đầu cuộn
dây đánh dấu (*)(nguyên nhân là do 1 số thiết bị đo lường, bảo vệ làm việc theo
góc pha của dòng nên bắt buộc đấu đúng cực tính).
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
2
Biến dòng có cuộn dây sơ cấp W
1
đấu nối tiếp với tải Z
T1
nên tải ở mạch thứ
cấp Z
T2
không ảnh hưởng đến dòng tải sơ cấp I
1*
.
Các thông số cơ bản.
Điện áp định mức của lưới điện quyết định cách điện phía sơ cấp và thứ cấp
của BI(là điện áp dây của lưới điện mà BI làm việc).
Dòng điện sơ cấp và thứ cấp định mức là dòng điện làm việc dài hạn, theo
phát nóng, có dự trữ.
Hệ số BIến đổi là tỷ số giữa dòng sơ cấp và thứ cấp định mức:
Sai số của BI gồm sai số dòng điện ∆I(tính theo %) và sai số góc ∆ (‘).
3. Đặc điểm làm việc của MBD khác với MBA
Chế độ ngắn mạch là chế độ làm việc bình thường của BI, với MBA thì đây là
sự cố.
Khi làm việc, cuộn dây thứ cấp của MBA có thể để hở mạch còn cuộn dây thứ
cấp của BI không cho phép. Vì khi hở mạch sẽ sinh ra điện thế nguy hiểm cho
công nhân phục vụ và cách điện của m.b.d.
Từ cảm của m.b.d thay đổi còn từ cảm của MBA là hằng số.
2
Dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp của m.b.d không phụ thuộc vào phụ tải
mà chỉ phụ thuộc vào dòng điện sơ cấp, còn của MBA thì phụ thuộc hoàn toàn
vào phụ tải.
4. Các chế độ làm việc của M.B.D
- Chế độ ngắn mạch của dòng sơ cấp, mạch thứ cấp phụ tải Z
2
.
Tỷ số giữa dòng ngắn mạch sơ cấp trên dòng định mức gọi là bội số dòng của
BI:
Khi n lớn, sai số m.b.d tăng, sai số phụ thuộc vào dòng thứ cấp I
2
hoặc tải Z
2
.
Sai số dòng điện thường đạt giá trị <10%, ký hiệu là n
10
.
- Chế độ hở mạch thứ cấp của BI.
Ở chế độ làm việc định mức(mạch thứ cấp có tải Z
2
), dòng từ hóa rất bé, dưới
1% I
1đm
, biên độ từ cảm trong lõi thép rất bé(0,06 ÷ 0,1T)
Dòng I
2
có tác dụng khử từ, cân bằng với I
1
.
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
3
Nếu thứ cấp hở mạch(I
2
= 0), vai trò khử từ của nó không còn, toàn bộ stđ
I
1
W
1
làm nhiệm vụ từ hóa lõi thép, làm lõi thép rất bão hòa nên són của từ cảm
B( có dạng gần xung vuông, trị số lớn vì cuộn dây thứ cấp
2
có số vòng lớn,
nó sẽ cảm ứng ra điện áp U
2
có biên độ rất cao(cỡ vài chục KV) gây nguy
hiểm cho người và thiết bị thứ cấp
M.b.d không được phép hở mạch phía thứ cấp và không cần cầu chì bảo vệ
phía thứ cấp.
Để chống bão hòa trong mạch từ, người ta chế tạo máy biến dòng có khe hở
không khí máy biến dòng tuyến tính, giảm hằng số thời gian điện từ, giảm từ
thông dư trong mạch từ sau sự cố 1 cách nhanh chóng.
5. Phân loại và ứng dụng.
Có rất nhiều loại máy biến dòng:
- Theo tác dụng máy M.B.D:
- M.B.D đo lường.
- M.B.D cung cấp cho mạch bảo vệ: bảo vệ so lệch, bảo vệ chạm đất.
- M.B.D hỗn hợp: đo lường và bảo vệ.
- M.B.D thí nghiệm: có nhiều hệ số BIến đổi và cấp chính xác cao.
- M.B.D trung gian: nối 2 m.b.d có bội số dòng khác nhau.
- Theo nơi đặt máy:
- Máy biến dòng sử dụng trong nhà.
- Máy biến dòng sử dụng ngoài trời.
- Máy biến dòng đặt ở các nơi đặc biệt, ví dụ như trên tầu thuỷ, xe lửa
điện…
-Theo số vòng dây của cuộn sơ cấp máy biến dòng có hai kiểu:
- Kiểu thanh hoặc một vòng dây.
- Kiểu nhiều vòng dây.
- Với máy biến dòng kiểu thanh góp chia làm hai loại:
- M.b.d kiểu sứ xuyên.
- Máy biến dòng lắp ráp trong các thiết bị khác.
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
4
Hình 1.2: Các kiểu thanh góp cuộn dây sơ cấp.
a) 1 thanh góp hoặc ống dài xuyên qua lõi.
b) Thanh hình chữ U c)1 nhánh xuyên qua cửa sổ lõi.
- Theo vật liệu cách điện giữa các cuộn dây máy biến dòng có thể chia ra:
- Bakelit.
- Không khí và khí.
- Giấy ngâm dầu.
- Nhựa đúc.
- Sứ cách điện .
- Theo kết cấu máy BI
- Kiểu ống dây.
- Kiểu thanh góp.
- Kiểu bình.
- Theo tần số:
- Tần số công nghiệp (50Hz)
- Tần số biến thiên sử dụng trên tàu thủy.
- Tần số 499 – 800Hz
Ta chọn máy biến dòng ngâm dầu 35KV có dạng như hình vẽ:
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
5
Hình 1.3: M.b.d ngâm dầu 35KV
II. PHÓNG ĐIỆN VÀ TÍNH TOÁN CÁCH ĐIỆN.
1. Yêu cầu thiết kế.
- M.b.d trung áp 35KV, sử dụng cách điện là giấy thấm dầu MBA
- Sứ đầu vào cách điện kiểu giấy thấm dầu, có vành guốc cách điện.
- Trạm ngoài trời.
- Số vòng dây sơ cấp: loại 1 vòng dây(độ chính xác không yêu cầu cao và ít
gây sai số)
- Dòng định mức sơ cấp: 300A
- Dòng định mức thứ cấp: 5A
- Điện áp sơ cấp: 350KV
- Độ chính xác theo tiêu chuẩn IEC – 185 cấp chính xác 5P(máy BI bảo
vệ).
- Công suất định mức: S
đm
= 15VA
- Sai số:0,5
2. Yêu cầu cách điện.
Trong thiết kế m.b.d yêu cầu phải đảm bảo cách điện:
+ Giữa các bộ phận mang điện và các bộ phận nối đất.
+ Giữa các bộ phận có điện thế khác nhau.
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
6
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 tiết cách điện.
Nếu khoảng cách cách điện quá lớn sẽ dẫn đến 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 cho vật liệu cách điện:
- Phải có độ bền cao, chịu tác dụng của lực cơ học tốt, chịu nhiệt dẫn nhiệt lại
ít thấm nước.
- Gia công dễ dàng.
- Chọn vật liệu cách điện để đảm bảo thời gian làm việc của máy trong 15 –
20 năm ở điều kiện làm việc bình thường. Đồng thời giá thành của máy cũng
không cao.
Việc chọn vật liệu cách điện trong máy điện có 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
thỏa mãn nhu cầu về cách điện.
Vật liệu cách điện thường dùng nhiều loại vật liệu liên hợp lại như meca áp
phiến, chất phụ gia(giấy hay sợi thủy 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
có yêu cầu về tính năng nhiệt: chịu nhiệt tốt, dẫn nhiệt tốt và chịu ẩm tốt.
Vật liệu cách điện dùng trong máy điện hợp thành 1 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 với nhau, cách gia công và tình trạng bề mặt vật
liệu… 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.
Đối với m.b.d cách điện yêu cầu gồm:
+ Giữa cuộn cao áp và hạ áp.
+ Giữa cuộn cao áp và mạch từ.
+ Giữa cuộn hạ áp và mạch từ.
+ Giữa đầu nối đất cuộn cao áp(sơ cấp) với kết cấu vỏ máy.
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
7
Môi trường cách điện trong máy biến dòng ngâm dầu là dầu máy biến áp kết
hợp với điện môi rắn(các tong cách điện, bakelit, giấy vải cách điện). Điện môi
rắn được sử dụng dưới hình thức lớp bọc, lớp cách điện và màn chắn.
3. Phóng điện trong điện môi lỏng (dầu máy biến áp).
Dầu máy biến áp khi sách có độ bền điện rất cao, hàng trăm KV/cm. Tuy
nhiên khi có tạp chất thì độ bền điện bị giảm sút rất nhanh và diễn biến của quá
trình phóng điện chọc thủng khác hẳn so với chất lỏng sạch. Với dầu máy biến áp
sạch, cơ chế phóng điện cũng tương tự như chất khí, các điện tử vốn có sẵn trong
điện môi hoặc được giải thoát từ bề mặt điện cực dưới tác động của điện trường
sẽ di chuyển và tích năng lượng. Sự va chạm của chúng với các phân tử chất lỏng
sẽ gây ion hóa 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 hóa va chạm thì điện trường
và điện áp tác dụng phải có trị số cao hơn nhiều so với số điện phóng 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
vẽ:
Hình 1.4: Chất lỏng có chứa bọc khí.
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 hóa 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 elip… và sự liên kết
giữa nhiều bọc khí elip sẽ dẫn đến sự hình thành cầu dẫn điện nối giữa các điện
cực.
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
8
Khi tạp chất là ẩm(hạt nước) hoặc 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 sạch có thể đạt tới 20 25KV/mm, nhưng chỉ cần
1 lượng ẩm nhỏ trong dầu vượt quá giới hạn 0,05% thì độ bền điện chỉ còn
4KV/mm tức là giảm 5 – 6 lần.
Ở điện áp xung, độ bền điện hầu như không thay đổi cho dù là có tạp chất.
Điều đó được giải thích bởi các cầu dẫn điện không kịp hình thành trong khoảng
thời gian tác dụng của điện áp xung.
Sự biến thiên của điện áp chọc thủng hầu như không thay đổi theo nhiệt độ
t°C
Hình 1.5: sự biến thiên của U
ct
theo t
0
C.
Khi nhiệt độ không quá 80
0
C
Khi dầu bị U
ct
biến thiên, đạt max tại giá trị nào đó.
Ngoài ra, ta cũng sử dụng kết hợp các vật liệu rắn, nên cũng có phóng điện
gây ra trong điện môi rắn.
Lớp bọc: là lớp vật liệu cách điện tương đối mỏng(lớp sơn hoặc giấy bọc có
chiều dày không quá 1 – 2 mm). Tác dụng chủ yếu của nó là hạn chế sự hình
thành các cầu dẫn điện trong dầu.
Lớp cách: lớp cách điện khá dầy(hàng chục mm) quấn quanh dây dẫn, nó làm
giảm cường độ trường ở xung quanh cực nên được sử dụng ở những nơi điện
trường không đồng nhất như dùng dể bọc dây dẫn của cuộn dây.
Màn chắn: thường dùng bìa cactong cách điện, bakelit. 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 thể làm tăng điện áp phóng điện tần số
công nghiệp lên 2 lần. Nhưng khi có màn chắn thì sự ion hóa ở khu vực có điện
trường mạnh sẽ xuất hiện sớm trước khi phóng điện, tình trạng này kéo dài sẽ
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
9
không có lợi vì quá trình ion hóa kéo dài sẽ phân hóa dầu và phá hủy màn chắn.
Chỉ sử dụng phương pháp này khi điện áp tác dụng trong 1 thời gian ngắn.
G «ng tõ
Lâi thÐp
Hình 1.6: 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.
Giấy cách điện
Thí nghiệm ứng với dòng có tần số 50Hz
Cường độ đánh
thủng
Số tờ
giấy
1
lớp
độ
dầy của
giấy
mm
độ
dầy của
lớp
mm
KV/mm
ở 25
0
C
KV/mm
ở 100
0
C
1
1
1
4
4
4
0,064
0,127
0,254
0,064
0,127
0,254
0,064
0,127
0,254
0,256
0,508
1,016
9,3
8,7
7,9
8,7
7,5
6,6
9,3
7,9
7,3
8,3
6,7
6,2
Bảng 1.1
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
10
Khi ngâm trong dầu, hằng số điện môi của giấy thấm dầu vào khoảng
. Ngoài ra còn dùng vải sơn, độ bền cách điện cho ở bảng sau:
Cường độ đánh thủng Số tờ
giấy
mỗi lớp
Chiều
dầy
KV/mm
ở 25
0
C
KV/mm
ở 100
0
C
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0,305
0,61
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
Bảng 1.2
Ngoài ra người ta còn dùng bìa cách điện, bề mặt có thể được làm nhẵn hay
không nhẵn, loại tấm có chiều dày 0,3 ÷ 1,5mm. 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 m.b.d 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 16Kv/mm. Loại giấy này dùng để
quấn bọc dây dẫn dùng làm dây quấn BI, cách điện lớp, bọc tăng cường các đầu
ra, đầu chuyển tiếp.
Tính toán khoảng cách cách điện:
- Tính toán khoảng cách cách điện dựa vào điện áp phóng điện.
- Gọi chiều cao sứ trụ là S
1
.
- Khoảng cách cách điện của cuộn cao áp với hạ áp : S
2
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
11
- Khoảng cách cách điện của cao áp với mạch từ là : S
3
- Khoảng cách giữa cao áp – hạ áp với đất là : S
4
.
Do U
đm
= 35KV ta test thang cách điện ở 110kV.
Điện áp phóng điện khô với sứ trụ tra theo bảng 1 – 9 sách khí cụ điện cao áp
với thang 110KV(trạm ngoài trời):
U
pđ1
= 315 KV
hd
Tra hình 1 – 15 trang 29 sách khí cụ điện cao áp với đường trung bình(đường
2) S
1
= 98cm.
Các bộ phận của BI đều nằm trong dầu, vậy điện áp phóng điện giữa các bộ
phận là:
pđ2
dt
.
đm
Theo hình 14 – 2 sách Thiết Kế MBA, ta có:
+ Khoảng cách cách điện cuộn cao áp – hạ áp với đất: S
4
=185(mm)
+ Khoảng cách cuộn dây cao áp – hạ áp: S
3
= 62mm
Ta chọn có vành guốc cách điện, theo bảng 14 – 1 sách Thiết kế MBA:
Khoảng cách giữa cuộn cao áp và hạ áp (theo công thức nội suy):
Khoảng cách từ cuộn cao áp đến mạch từ (theo công thức nội suy):
Để tiết kiệm chi phí, ta chọn khoảng cách giữa cuộn cao áp và hạ áp min nhất
S
2
= 44,76(mm)
Tổng kết:
- Chiều cao sứ trụ: S
1
= 98cm
- Khoảng cách cách điện cuộn cao áp với hạ áp: S
2
= 44,76(mm)
- Khoảng cách cách điện cuộn cao áp với mạch từ: S
3
= 91,46(mm).
- Khoảng cách cách điện cuộn cao áp – hạ áp với đất: S
4
= 185(mm).
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
12
Chương 2
TÍNH TOÁN ĐIỆN TỪ
I- CHỌN VẬT LIỆU TỪ.
Người ta thường chọn các lá tôn mỏng khoảng 0,1 ÷ 0,35 mm chứa hàm lượng
silic ( 0,5 ÷ 4,8 ℅ ) ghép lại làm lõi m.b.d. Chất lượng tôn silic ảnh hưởng nhiều đến
cấp chính xác m.b.d.
Hình 2.1
m.b.d kiểu bình dầu và m.b.d kiểu nhiều vòng dây, cách điện nhựa đúc, lõi thép
dải băng quấn tròn.
Trong sản xuất m.b.d thường sử dụng các loại tôn silic nêu trong bảng sau để làm
lõi:
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
13
Kí hiệu cũ Kí
hiệu mới
Độ dầy
mm
Các đặc tính cơ bản
Lĩnh vực sử dụng
4A
4AA
41
42
0,35
0,35
Tôn hợp kim cao, ở tần
số 50 Hz tổn hao bình
thường.
Tôn hợp kim cao ở 50
Hz, tổn hao ít.
Máy biến dòng
đo lường và bảo
vệ khi yêu cầu
không cao, kích
thước lớn.
2B
45
47
0,35 Tôn hợp kim cao cán
nóng, ở trường yếu ( < 0,01,
AV/cm) và trường trung
bình ( 0,1 – 10 AV/cm ), độ
từ thẩm bình thường.
M.b.d đo
lường khi các đặc
tính yêu cầu tăng
cường.
3B 46
48
0,35 Tôn hợp kim cao, cán
nóng, ở trường yếu và trung
bình độ từ thẩm cao.
M.b.d đo
lường khi các đặc
tính yêu cầu tăng
cường.
XB 310
0,35 Tôn hợp kim tăng cường
cán nguội, ở 50 Hz tổn hao
bình thường, trong trường
mạnh độ từ thẩm bình
thường.
M.b.d đo
lường và bảo vệ
có cấp chính xác
cao và kích thước
nhỏ.
XT18
XT18,5
320
330
0,35
0,35
Tôn hợp kim tăng cường
cán nguội, ở 50 Hz tổn hao
ít, trong trường mạnh độ từ
thẩm cao.
Tôn hợp kim tăng cường
cán nguội, ở 50 Hz tổn hao
rất ít, trong trường mạnh độ
từ thẩm cao.
M.b.d bảo vệ
có cấp chính xác
cao và kích thước
nhỏ.
Bảng 2.1 – Các loại tôn thường sử dụng làm lõi m.b.d
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
14
Các loại tôn silic để làm lõi bi phải có những tính chất sau:
Với cường độ từ cảm nhỏ khoảng vài phần nghìn tesla độ từ thẩm phải cao. Tính
chất này cho phép có được sai số nhỏ và đặc BIệt quan trọng đối với m.b.d đo lường.
Để đảm bảo cho m.b.d bảo vệ có bội số 10℅ lớn yêu cầu độ bão hòa cao.
Độ từ thẩm cao và không đổi trong khoảng rộng.
Tổn hao suất trong tôn nhỏ.
Song, những yêu cầu trên còn phải thỏa mãn tính kinh tế. Nếu có được những đặc
tính tốt mà tăng trọng lượng và kích thước, giá thành cao thì cũng không phải phương
án tối ưu.
Đối với yêu cầu về m.b.d loại này chọn loại tôn M6T35, hãng terni societa per
L’industria et L’electicita theo sáng chế của hãng Armco, dày 35 mm, suất tổn hao
ρ
15
=1,11(W/kg), cách điện bằng Carlite.
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
15
II- TÍNH TOÁN ĐIỆN TỪ.
Các thông số ban đầu:
+ Dòng điện sơ cấp
AI
dm
300
1
+ Dòng điện sơ cấp
AI
dm
5
2
+ Điện áp sơ cấp định mức
KVU
dm
35
1
+ Tải thứ cấp định mức
VAS
dm
15
2
+ Cấp chính xác
P5
1. Số vòng dây quấn.
Trong M.B.D, năng lượng được lấy từ phía sơ cấp cấp cho phía thứ cấp và một
phần từ hóa lõi thép
Theo định luật toàn dòng điện ta có:
221011
wIwIwI
Hình 2.2 - đồ thị véc tơ
0
i là dòng từ hóa lõi thép. Xét về trị số, do thông thường góc ō rất nhỏ nên:
221011
wIwIwI
Trong trường hợp lý tưởng, dòng từ hóa
0
I
= 0. Áp dụng cho tính toán sơ bộ:
2211
wIwI
dmdm
→
dm
dm
I
wI
w
2
11
2
Giá trị của sức từ động
11
wI
dm
có ảnh hưởng đến sai số của máy biến dòng. Giá trị
này càng tăng thì sai số càng nhỏ, nhưng sẽ tăng kích thước M.b.d. Thông thường, ta
chọn sức từ động trong khoảng 600÷900 Avòng để đảm bảo cả hai yếu tố trên.
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
16
Máy biến dòng cần thiết kế là dùng để đo lường, cần cấp chính xác cao, chọn
)(600
11
AvongwI
dm
)(2
300
600
1
vongw
)(120
5
600
2
11
2
vong
I
wI
w
dm
dm
2. Xác định kích thước lõi thép.
Giá trị hiệu dụng của sức điện động thứ cấp được xác định theo công thức 1-3b,
trang 14 sách Máy Điện1.
m
wfE
22
44,4
Mặt khác: SB
mm
Suy ra :
mm
Bw
E
Bwf
E
S
2
2
3
2
2
105,4
44,4
Trong đó:
W
2
Số vòng dây quấn thứ cấp
Φ
m
Từ thông chính
B
m
mật độ từ cảm (lấy trong khoảng 0,05÷0,08T)
E
2
Sức điện động thứ cấp
S Tiết diện lõi thép
Sức điện động thứ cấp bao gồm sụt áp trên tải u
2
và sụt áp trên cuộn thứ cấp với
điện trở r
2
, x
2
.
Ta có:
)(
22222
jxrIUE
)(
222
jxrjxrI
tt
)((
222
xxjrrI
tt
Về trị số:
2
2
2
222
)()( xxrrIE
tt
Trong tính toán sơ bộ có thể lấy gần đúng r
2
≈ r
t
, x
2
≈x
t
ttt
ZIxrIE
2
22
22
22
Tổng trở phụ tải của BI
)(6,0
5
15
22
t
tdm
t
t
t
I
S
I
U
Z
)(66,0.5.2
2
VE
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
17
Chọn mật độ từ cảm B
m
= 0,07 (T).
Thay số vào biểu thức tính tiết diện lõi thép ta được:
)(10.214,3
07,0.120
6.10.5,4
23
3
mS
Chọn kích thước và chiều dày lõi thép:
Mạch từ có dạng hình xuyến, đường kính trong và ngoài lần lượt là d và D,
chiều dày b.
Việc chọn mạch từ hình xuyến có ưu điềm là phân bố từ trường đều, việc chế
tạo và lắp ghép dễ dàng (người ta chế tạo lá thép thành những dải băng rồi quấn lại),
do đó giảm được khe hở không khí trong mạch từ.
Chiều dày b của lõi thép tính theo công thức 7-4 sách khí cụ điện cao áp:
e
kdD
S
b
)(
2
- K
e
hệ số ép chặt các lá tôn, thường lấy 0,8÷0,85.
Chọn sơ bộ:
D = 30 cm
D = 20 cm
K
e
= 0,8
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
18
)(35,7)(10.5,73
8,0.10).1030(
10.214,3.2
3
2
3
cmmb
3. Thiết kế dây quấn.
Chọn dây dẫn bằng đồng.
a. Dây quấn sơ cấp.
Dây quấn sơ cấp có dòng điện và điện áp lớn nên ta dùng dây dẫn tiết diện hình
chữ nhật.Do dây loại này có những ưu điểm sau:
Dễ chế tạo, lắp ghép đơn giản, hiệu ứng mặt ngoài nhỏ khi tiết diện bé, mômen
chống uốn lớn.
Tuy nhiên, nếu ghép nhiều dây bẹt với nhau thì không có lợi vì tiết diện dây tăng
nhưng dòng tăng ít, ứng suất trong thanh tăng và lực điện động giữa các thanh tăng
Ta ghép 2 dây hình chữ nhật làm 1 để tải được dòng lớn
Tiết diện dây sơ cấp:
j
I
q
1
1
Với j là mật độ dòng điện, tra trong bảng 7-4a sách khí cụ điện cao áp, với công
suất BIểu kiến
)(62,60
3
35.300
kVAS
Ta được j = 2,7 (A/mm
2
)
)(1,111
7,2
300
2
1
2
mm
j
I
q
Dây quấn thứ cấp:
Với dòng thứ cấp I
2
= 5 A, chọn mật độ dòng điện j = 2 A/mm
)(5,2
2
5
2
2
2
mm
j
I
q
Tra bảng 7-5 trang 222 sách khí cụ điện cao áp chọn loại dây dẫn tròn có q
2
=
2,57mm
2
, đường kính Φ = 1,81mm, cách điện 2 phía của dây là 2ō= 0,4mm
Cuộn thứ cấp cuốn tập trung 1 lớp.
4. Khoảng cách cách điện, kích thước cuộn dây sơ cấp.
Dây sơ cấp hình chữ nhật được ghép từ 2 sợi có tiết diện:
)(55,55
2
1,111
2
2
1
mm
q
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
19
Tra bảng 7-6 trang 233 sách khí cụ điện cao áp (hoặc bảng 44-10 trang 640 sách
thiết kế máy BIến áp) về kích thước và tiết diện dây dẫn hình chữ nhật. Ta chọn được
dây dẫn có kích thước
)(87 mmba
Tiết diện chưa kể cách điện của dây: s = 55,2 (mm
2
)
Chiều dày cách điện 2 phía : 2ō = 1,93 (mm)
Sau khi chập 2 sợi dây, quấn 1 lớp cách điện dày 0,2 mm bao quanh. Ta có kích
thước dây quấn sơ cấp sau khi quấn cách điện là:
)(25,122,0.293,1.28 mma
)(12,222,0.293,1.47.2 mmb
Hình 2.4 - Kết cấu dây quấn sơ cấp
Cuộn sây sơ cấp được quấn 2 vòng, giữa 2 vòng dây đặt bìa cách diện có bề dày
44,76-2.(1,93+0,2)=40,5(mm)
Dây quấn sơ cấp được quấn trên 1 ống phíp đã được lồng vào mạch từ để đảm
bảo khoảng cách cách điện giữa cao ap – mạch từ.
Kích thước ống phíp:
)(3,2352
)(3,2572
3
3
cmsa
cmsb
l ≥ 2 × 2,212 +4,05 = 8,47 (cm)
→ Chọn l = 10 (cm).
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
20
Hình 2.4 - Ống phíp
5. Điện trở dây sơ cấp.
Diện trở dây sơ cấp gồm 2 thành phần: phần đầu nối đến cuộn dây quấn và phần
dây quấn trực tiếp lên mạch từ (R
mt
)
mtđnsc
RRR
a) Điện trở đầu nối.
1
.
q
l
R
đn
đn
Trong đó:
+ ρ là điện trở suất của dây dẫn
+ q
1
là tiết diện của dây dẫn thứ cấp
+ l
đn
chiều dài phần dầu nối của dây dẫn sơ cấp với
)(59,1)(159)5,1898.(2).(2
42
mcmssl
đn
)(10.1,3
4,111
59,1.0217,0
4
đn
R
b)Điện trở dây dẫn trên mạch từ.
Chiều dài trung bình của 1 vòng dây:
mbal
tb
.).(2
Với a = 23,3 (cm)
b = 25,3 (cm)
m = 22,12 (mm) = 2,212 (cm)
→ )(0415,1)(15,104212,2.)3,253,23.(2 mcml
tb
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
21
Điện trở phần dây quấn trên mạch từ:
)(10.06,4
4,111
0415,1.0217,0
.2
.
.2
4
1
q
l
R
tb
mt
→ )(10.16,710).06,41,3(
44
mtđnsc
RRR
6. Xác định kích thước cuộn thứ cấp.
Cuộn thứ cấp có dòng nhỏ, được cách điện với mạch thứ cấp bằng giấy cách điện
và bìa cách điện giày 2mm.
Đối với cuộn thứ cấp ta có thể cuốn theo nhiều cách: quấn rải tập trung, quấn rải
phân tán hoặc cuồn theo lớp. Nhưng phải lựa chọn cách quấn phù hợp để vừa dễ quấn
lại vừa đảm bảo khoảng cách cách điện với cuộn cao áp (cũng quấn trên mạch từ).
Ở đây ta chọn phương pháp quẫn rải tập trung 1 lớp
Dây dẫn tiết diện q
2
= 2,57 (mm
2
), Φ = 1,81 (mm), 2ō = 0,4 (mm).
Chiều dài cuộn dây thứ cấp chiếm chỗ trên mạch từ:
)(12,24)(2,24101,2.120
2
cmmml
Chọn cách điện ngoài cùng để bọc dây quấn thứ cấp là 2mm
Chiều dài trung bình 1 vòng dây thứ cấp là:
)(24694,0)(94,246)24,081,1()7050.(2
2
mmml
tb
Vậy điện trở cuộn thứ cấp là:
)(25,0120.
57,2
24694,0.0217,0
.
.
2
2
2
w
p
l
R
tb
tc
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
22
7. Điện kháng.
Điện kháng cuộn sơ cấp.
Điện kháng cuộn thứ cấp tính theo công thức sumec (theo sách khí cụ điện cao áp
công thức 7-13 trang 226)
)(10)}.(3)]lg(.)lg(..[2,9.{..2.
92
11
BA
da
A
B
da
B
AwfKX
Trong đó:
A, B, a, và d là kích thước cuộn dây sơ cấp (cm).
W
1
là số vòng dây cuộn sơ cấp
K là hệ số phụ thuộc vào kết cấu BI
ở những kết cấu mà cuộn dây sơ cấp bị bao bởi các chi tiết là vật liệu từ tính (thép,
gang) thì k = 2, còn đối với trường hợp khác k = 1.
ở đây mạch từ bằng thép có từ tính nên k = 2
A = 25,3 + 2.2,212 = 29,724 (cm)
B = 23,3 + 2.2,212 = 27,724 (cm)
a = 2,212 (cm)
d = 1,226 (cm)
→
92
1
10)].724,27724,29.(3.2,9.[2.50.2.2
MX
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
23
Với :
92,52
)
226,1212,2
724,29
lg(.724,27)
226,1212,2
724,27
lg(.724,29
)lg()lg(.
da
A
B
da
B
AM
Vậy
92
1
10).448,57.392,52.2,9.(2.50..4
X
)(10.657,1
3
Điện kháng cuộn thứ cấp.
Theo công thức 7-12 sách khí cụ điện cao áp
)(
360
lg.10..)87,6(
62
22
wHX
α là góc tạo thành bởi cuộn dây thứ cấp quấn trên lõi xuyến
0
11
3,128360.
20.
120.01,2.10
360.
.
120.01,2.10
d
H là độ dài qui đổi của từ trường tản, phụ thuộc vào đường kính trong d của lõi
hình xuyến. H được lấy theo quan hệ:
d [mm] H
< 180 a
150÷ 400 a+b
>400 a+2b
Do d=20 cm = 200 mm.
→ H = a+b
a = 7 + 2.0,201 = 7,402 (cm)
b = 5 + 2.0,201 = 5,402 (cm)
→ H = 7,402 + 5,402 = 12,804 (cm)
Do đó:
)(6133,0
360
lg.10.120.804,12.8
62
2
X
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
24
Hình 2.7: Lõi từ hình xuyến
8. Trọng lượng sắt sử dụng.
Khối lượng sắt tính bằng thể tích của sắt nhân với trọng lượng riêng của sắt
FeFeFe
mVM .
Trong đó
V
Fe
là thể tích của khối mạch từ
m
Fe
là khối lượng riêng của sắt ( m
Fe
= 7,8 kg/dm
3
)
)(749,2)(27497).
4
20
4
30
.().
44
.(
33
2222
dmcmb
dD
V
Fe
M
Fe
= 7,8.2,749 = 21,442 (kg)
9. Khối lượng đồng.
Khối lượng dây quấn sơ cấp.
cucucu
mVM .
11
).(
11 mtđncu
llqV
Với l
đn
= 1,59 (m)
l
mt
= 2.l
tb
= 2.1,045 = 2,083 (m
2
)
q
1
= 111,4 (mm
2
) = 111,4.10
-6
(m
2
)
m
cu
= 8900 (kg/m
3
)
M
cu1
= 8900.111,4.10
-6
.(1,59 + 2,083)
= 3,64 (kg)
khối lượng dây quấn thứ cấp.
cucucu
mVM .
22
222
.qlV
cu
ĐAMH - Thiết kế máy biến dòng
--------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nguyễn Hùng Tiến- Lớp 3E2- K51 ĐH Bách Khoa Hà nội
25
q
2 = 2,57 (mm
2
)
l
2
= l
2tb
.w
2
= 0,24694.120 = 29,633 (m)
)(10.16,76633,29.10.57,2
366
2
mV
cu
6
22
10.16,76.8900.
cucucu
mVM
= 6,78 (kg).
