Thiết kế máy biến dầu

GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài

Khoa Điện

LỜI NÓI ĐẦU
Máy biến áp điện lực là một bộ phận rất quan trọng trong hệ thống điện.
Để truyền tải điện năng từ các trạm phát điện đến các hộ tiêu thụ cần phải có
đường dây tải điện. Nếu khoảng cách giữa nơi sản xuất và hộ tiêu thụ lớn thì
một vấn đề rất lớn đặt ra và cần được giải quyết là: Việc truyền tải điện năng
đi xa làm sao cho kinh tế.
Để tìm hiểu rõ hơn về máy biến áp, Chúng em thực hiện đồ án môn “
Thiết kế thiết bị điện” với đề tài “Thiết kế máy biến dầu”. Đồ án gồm 6
chương cụ thể như sau:
Chương 1: Khái nệm chung về thiết kế máy biến áp
Chương 2: Tính toán kích thước chủ yếu của máy biến áp
Chương 3: Tính toán dây quấn
Chương 4: Tính toán các tham số ngắn mạch
Chương 5:.Tính toán cuối cùng về hệ thống mạch từ
Chương 6:.Tính toán nhiệt
Trên tinh thần làm việc nghiêm túc, chúng em đã hoàn thiện đồ án này.
Tuy nhiên, do thời gian làm việc ngắn, kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn
hạn chế nên bản đồ án không tránh khỏi những khiếm khuyết, hạn chế. Chúng
em rất mong nhận được sự đóng góp xây dựng của các thầy, các cô và các bạn
để bản đồ án được hoàn thiện hơn.
Trong quá trình làm đồ án chúng em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng
dẫn, chỉ bảo nhiệt tình của các thầy cô giáo cũng như sự góp ý xây dựng của
bạn bè. Đặc biệt là sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy giáo Th. S
Nguyễn Văn Đoài công tác tại bộ môn Tự Động Hoá – Khoa Điện.
Chúng em xin chân thành cảm ơn !

Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

1


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài

Khoa Điện

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
Hà nội, ngày.......tháng......năm 2012
Giáo viên hướng dẫn

Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

2


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài

Khoa Điện

CHƯƠNG I:
KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP
1.1. ĐẠI LƯỢNG
Máy biến áp điện lực là một bộ phận rất quan trọng trong hệ thống điện.
Để truyền tải điện năng từ các trạm phát điện đến các hộ tiêu thụ cần phải có
đường dây tải điện. Nếu khoảng cách giữa nơi sản xuất và hộ tiêu thụ lớn thì
một vấn đề rất lớn đặt ra và cần được giải quyết là: Việc truyền tải điện năng đi
xa làm sao cho kinh tế.

M¸y
ph¸t ®iÖn

T¨ng ¸p

Gi¶m ¸p

Như ta 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 tốn 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 được kim loại màu
trên đường dây người ta phải dùng điện áp cao đường 35, 110, 220kV và
500kV. Trên thực tế các máy phát điện không có khả năng phát ra những điện

cao như vậy thường chỉ 3 đến 21kV là cùng, do đó cần phải có thiết bị để tăng
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 dùn để tăng điện áp ở đầu ra của máy phát điện tức là ở đầu đường dây dẫn
điện và giảm điện áp tới hộ tiêu thụ tức là cuối đường dây dẫn được gọi là máy
biến áp. Thực ra trong hệ thống điện lực muốn truyền tải và phân phối công
suất từ nhà máy điện đến tận các hộ tiêu thụ một cách hợp lý thường phải qua 4
Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

3


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài

Khoa Điện

÷ 5 tầng tăng giảm điện áp như vậy. Do đó tổng công suất của máy biến pá
trong hệ thống điện lực thường gấp 4 ÷ 5 lần công suất của trạm phát điện.
Những máy biến áp (máy biến áp) dùng trong hệ thống điện lực gọi là máy biến
áp điện lực hay máy biến áp công suất. Từ đó ta thấy rõ máy biến áp chỉ làm
nhiệm vụ truyền tải hoặc phân phối năng lượng chứ không phải là biến hoá
năng lượng.
Ngoài máy biến áp điện lực ra còn có nhiều loại máy biến áp dùng trong
các ngành chuyên môn như máy biến áp chuyên dùng cho các lò điện luyện
kim, máy biến áp hàn điện, máy biếnáp dùng trong thiết bị chỉnh lưu, máy biến
áp dùng cho đo lường, thí nghiệm…
Khuynh hướng phát triển của máy biến áp hiện nay là thiết kế chế tạo
những máy biến áp 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 máy biến áp. Khuynh hướng dùng dây nhôm thay dây đồng
vừa tiết kiệm được dây đồng vừa giảm được trọng lượng máy cũng đang phát
triển.
Ở nước ta ngành chế tạo máy biến áp đã ra đời ngay từ ngày hoà bình lặp
lại. Đến nay chúng ta đã sản xuất được một khối lượng máy biến áp lớn và
nhiều chủng loại khác nhau phục vụ cho nhiều ngành sản xuất ở trong nước và
xuất khẩu.
1.2. ĐỊNH NGHĨA VÀ NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC.
Ta xét sơ đồ máy biến áp một pha hai dây quấn. Dây quấn 1 có W 1 vòng
dây, dây quấn hai có W2 vòng dây được quấn tren lõi thép 3. Khi đặt một điện
áp U1 xoay chiều vào dây quấn 1 trong đó sẽ có dòng điện i 1, trong lõi thép sẽ
sinh ra từ thông φ móc vòng với cả hia dây quấn 1 và 2, cảm ứng ra sức điện
động e1 và e2. Dây quấn hai sẽ có sức điện động sẽ sinh ra dòng điện i 2 đầu ra

Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

4


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài

Khoa Điện

tải với điện áp là U2. Như vậy năng lượng của dòng điện xoay chiều đã được
truyền từ dây quấn 1 sang dây quấn 2.

Giả sử điện áp xoay chiều đặt vào là một hàm số hình sin thì từ thông do
nó sinh ra cũng là một hàm số hình sin. Φ = Φm. sin ωt.
Do đó theo định luật cảm ứng điện từ, sức điện động trong dây quấn 1 và
2 sẽ là:

e1= − W1 .

dφ sin ωt
dφ
= − W1 . m
dt
dt

= -W1. ω . φm. cosωt

(1)

π
2E1 .sin(ωt = − )
2

=

e2 = − W2 .

dφ sin ωt
dφ
= − W2 . m
dt
dt

= -W2. ω . φm. cosωt
=

(2)

π
2E 2 .sin(ωt = − )
2

Trong đó:
E1 =

E2 =

ωE1φm
2
ωE 2 φm
2

= 4,44. f. w1 φm

(3)

= 4,44. f. w2 φm

(4)

Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

5


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài

Khoa Điện

Là giá trị hiệu dụng của các sđđ dây quấn 1 và 2. Các biểu thức (1) và (2)
ta thấy sđđ cảm ứng trong dây quấn chậm pha so với từ thông sinh ra nó một
góc

π
. Dựa vào biểu thức (3) và (4) người ta định nghãi tỉ số biến đổi của máy
2

biến áp như sau:
K=

E1 W1
≈
E 2 W2

Nếu không kể điện áp rơi trên dây quấn thì có thể coi E 1 = U1; E2 = U2
suy ra:
K=

E 2 U1
≈
E2 U 2

Định nghĩa: Từ nguyên lý làm việc cơ bản trên ta có định nghĩa máy biến
áp như sau: máy biến áp là một thiết bị từ đứng yên, làm việc dựa trên nguyên
lý cảm ứng điện từ biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này
thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác với tần số không thay
đổi. Máy biến áp có hai dây quấn gọi là máy biến áp hai dây quấn. Dây nối với

nguồn để thu năng lượng gọi là dây quấn sơ cấp. Dây quấn nối với tải để đưda
ra năng lượng gọi là dây quấn thứ cấp. Ở máy biến áp 3 dây quấn sáu dây sơ
cấp và thứ cấp còn dây quấn thứ ba với điện áp trung bình. Máy biến áp biến
đổi hệ thống xoay chiều 1 pha gọi là máy biến áp một pha, 3 pha gọi là 3 pha,
ngâm trong dầu gọi là máy biến áp dầu…
1.3. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐỊNH MỨC.
Các đại lượng định mức của máy biến áp quy định điều kiện kỹ thuật của
máy. Các đại lượng này do nhà chế tạo qui định và thường ghi trên nhãn máy
biến áp.
1. Dung lượng hay công suất định mức Sđm.
Là công suất toàn phần hay biểu kiến đưa ra ở dây quấn thứ cấp của máy
biến áp. Đơn vị kVA hay VA…
Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

6


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài

Khoa Điện

2. Điện áp dây sơ cấp định mức: U1đm.
Là điện áp của dây quấn sơ cấp tính bằng V hay kV. Nếu dây quấn sơ
cấp có các đầu phân nhánh thì người ta ghi cả điện áp định mức của đầu phân
nhánh.
3. Điện áp dây thứ cấp định mức: U2đm.
Là điện áp dây của dây quấn thứ cấp khi máy biến áp không tải và điện
áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức. Đơn vị là: kV, V.
4. Dòng điện dây định mức sơ cấp I1đm và thứ cấp I2đm.
Là những dòng điện dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công

suất và điện áp định mức. Đơn vị A, kA.
Có thể tính như sau:
- Đối với máy biến áp một pha:
I1đm =

S ®m
U1®m

;

I2đm =

;

I2đm =

S ®m
U 2®m

- Đối với máy biến áp 3 pha:
I1đm =

S ®m
3U1®m

S ®m
3U 2®m

5. Tần số định mức Hz.
Thường máy biếnáp điện lực có tần số công nghiệp f = 50Hz.

Ngoài ra trên nhãn máy còn ghi những số liệu khác như: Số pha, sơ đồ và
tổ đấu dây quấn, điện áp ngắn mạch U n% chế độ làm việc ngắn hạn hay dài hạn
phương pháp làm lạnh.
Sau cùng hiểu rằng khái niệm "định mức" còn bao gồm cả tình trạng làm
việc định mức của máy biến áp nữa mà có thể không ghi trên nhãn máy như: η
định mức, độ chênh lẹch định mức, nhiệt độ định mức của môi trường xung
quanh.

Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

7


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài

Khoa Điện

1.4. SỬ DỤNG VẬT LIỆU TRONG CHẾ TẠO.
Việc tìm kiếm một loại vật liệu mới là nhằm mục đích cải thiện các đặc
tính cũ máy biến áp như giảm tổn hao năng lượng, kích thước, trọng lượng,
tăng độ tin cậy của nó. Khuynh hướng chung thường thay vật liệu qúy hiếm
bằng những vật liệu rẻ tiền và dễ tìm kiếm hơn. Như dùng dây nhôm thay dây
đồng trong máy biến áp công suất nhỏ và trung bình là một ví dụ.
Vật liệu tác dụng: Dùng để dẫn điện như dây quấn, dẫn từ như lõi thép.
- Vật liệu cách điện: Dùng để cách điện giữa các cuộn dây hay giữa các
cuộn dây với các bộ phận khác bằng các vật liệu như cactông, chất cách điện,
sứ, dầu biến áp…
- Vật liệu kết cấu: Dùng dể giữ bảo vệ máy biến áp như bulông, vỏ máy.
Việc thay đổi vật liệu dùng đôi khi làm thay đổi quá trình công nghệ
quan trọng hay những kết cấu cơ bản của máy biến áp. Cho nên điều đó liên

quan chặt chẽ đến tiến độ của quá trình công nghệ.
+ Vật liệu quan trọng trước tiên trong ngành chế tạo máy biến áp là tôn
Silic hay còn gọi là thép kỹ thuật điện.
+ Vật liệu tác dụng thứ hai là kim loại dây quấn. Trong nhiều năm đồng
vẫn là kim loại duy nhất dùng chế tạo dây quấn mà không có thay đổi gì. Vì
như ta đã biết đồng có điện trở suất rất nhỏ, dẫn điện tốt, dễ gia công (hàn,
quấn) bảo đảm độ bền cơ điện tốt. Gần đây người ta có dùng nhôm thay đồng
làm dây quấn. Nhôm có ưu điểm là nhẹ, sẵn hơn, rẻ hơn, nhưng tất nhiên có
nhược điểm là điện trở suất lớn hơn do đó dẫn điện kém hơn, độ bền cơ cũng
kém hơn và lại rất khó khăn trong việc hàn nối. Khi dùng nhôm thay đồng để
đảm bảo được công suất tương đương thì thể tích nhôm tăng lên, giá thành các
công việc về chế tạo dây quấn, chi phí về vật liệu cách điện, sơn tẩm… tăng
lên. Những khoản đó tăng thì được bù lại bởi gia sthành nhôm rẻ hơn. Nênnói
chung giá thành toàn bộ máy biến áp bằng dây nhôm và dây đồng thực tế không
khác nhau là bao nhiêu.
Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

8


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài

Khoa Điện

+ Vật liệu cách điện phần lớn các máy biến áp dùng dây quấn có cách
điện bằng giấy cáp, thuộc cách điện cấp A có nhiệt độ giới hạn cho phép
+1050C. Với chiều dày cách điện cả hai phía 0,45 - 0,5mm. Việc dùng dây dẫn
có cách điện cao hơn E, B, F… không có ý nghĩa lắm vì nhiệt độ cho phép của
dây quấn máy biến áp được quyết định không chỉ ở cấp cách điện của vật liệu
cách điện mà ở cả nhiệt độ cho phép của dầu ngâm dây quấn nữa. Một loại cách

điện hay dùng bọc dây nữa là men cách điện (emây). Song người ta cũng chỉ
dùng đến cách điện cấp B mà ít khi dùng dây cách điện cao hơn nữa. Vì một lý
do nữa là nhiệt độ cho phép càng cao thì mật độ dòng điện chọn càng lớn thì
tổn hao ngắn mạch tăng lên làm cho hiệu suất của máy giảm xuống đáng kể. Để
cách điện các bộ phận mang điện với bộ phận không mang điện của máy người
ta dùng vật liệu cách điện. Khi máy làm việcdo tác động của nhiệt độ, chấn
động và các tác động hoá lý khác cách điện sẽ bị lão hoá nghĩa là mất dần các
tính bền về điện và cơ. Thực nghiệm cho biết khi nhiệt độ tăng quá nhiệt độ
làm việc cho phép 8 - 100C thì tuổi thọ của vật cách điện giảm đi một nửa. Ở
nhiệt độ làm việc cho phép, tuổi thọ của vật liệu cách điện khoảng 15 ÷ 20 năm.
Vì vậy khi sử dụng máy điện tránh để máy quá tải làm nhiệt độ tăng cao trong
một thời gian dài.
Vật liệu kết cấu dùng để chế tạo các bộ phận và chi tiết truyền động hoặc
kết cấu máy theo dạng cần thiết bảo đảm cho máy làm việc bình thường. Người
ta thường dùng gang thép các kim loại, hợp kim và các vật liệu bằng chất dẻo.
1.5. CÁC KẾT CẤU CHÍNH CỦA MÁY BIẾN ÁP.
Máy biến áp thường dùng có các phần chính sau:
- Lõi sắt (hay còn gọi là mạch từ) và kết cấu của nó, dây quấn, hệ thống
làm lạnh và vỏ máy
1. Lõi sắt và các kết cấu của nó
Lõi thép làm vật liệu dẫn từ cho từ thông trong máy biến áp. Đồng thời
làm khung để quấn dây. Lõi sắt gồm các lá thép Silic ghép lại được ép bằng xà
Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

9


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài

Khoa Điện

ép và bulong tạo thành khung máy biến áp. Trên đó còn bắt các giá đỡ đầu dây
dẫn ra nối với các sức xuyên hoặc các ty để nắp máy… ở các máy biến áp dầu
toàn bộ lõi sắt có quấn dây và các dây dẫn ra được ngâm trong thùng đựng dầu
máy biến áp gọi là ruột máy. Các máy biến áp cỡ nhỏ, ruột máy gắn với nắp
máy có thể nhấc ra khỏi thùng dầu xúc rửa, lắp ráp, sửa chữa. Với máy biến áp
công suất 1000KVA trở lên vì ruột máy rất nặng nên được bắt cố định với đáy
thùng và lúc lắp ráp sửa chữa thì phải nâng vỏ thùng lên khỏi đáy và ruột máy.
Lõi sắt gồm hai 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.
2. Dây quấn.
Dây quấn máy biến áp là bộ phận dùng để thu năng lượng vào và truyền
tải năng lượng đi. Trong máy biến áp hai dây quấn có cuộn HA nối với lưới
điện áp thấp và cuộn CA nối với lưới điện cao hơn. Ở máy biến áp có 3 dây
quấn ngoài hai dây quấn CA và HA còn có dây quấn thứ 3 với điện áp trung
bình gọi là TA. Máy biến áp biến đổi hệ thống xoay chiều một pha gọi là máy
biến áp một pha. Máy biến áp biến đổi hệ thống dòng điện xoay chiều 3 pha gọi
là máy biến áp 3 pha. Máy biến áp ngâm trong dầu gọi là máy biến áp dầu. Máy
biến áp không ngâm trong dầu gọi là máy biến áp khô.
3. Hệ thống làm lạnh và vỏ máy
Khi máy biến áp làm việc, lõi sắt và dây quấn đều có tổn hao năng lượng
làm cho máy biến áp nóng lên. Muốn máy biến áp làm việc được lâu dài phải
tìm biện pháp giảm nhiệt độ của máy biến áp xuống tức là quá trình làm nguội
máy biến áp. Có thể làm nguội bằng không khí tự nhiên hoặc bằng dầu máy
biến áp. Máy biến áp dùng không khí để làm nguội gọi là máy biến áp khô, máy
biến áp dùng dầu để làm nguội gọi là máy biến áp dầu. Hầu hết máy biến áp
làm nguội bằng dầu bao quanh lõi thép và dây quấn sẽ nóng lên và truyền nhiệt
ra ngoài vách thùng nhờ hiện tượng đối lưu. Nhiệt lượng từ vách thùng lại
truyền ra không khí xung quanh bằng phương pháp đối lưu và bức xạ. Nhờ vậy
mà hiệu ứng làm lạnh được tăng lên cho phép tăng tải điện từ đối với thép và

Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

10


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài

Khoa Điện

dây quấn, tăng được công suất máy biến áp. Máy biến áp có công suất từ (10 –
16).103 KVA thường phải tăng cường làm nguội bằng sự đối lưu cưỡng bức
bằng quạt gió. Để đảm bảo dầu trong máy luôn luôn đầy trong quá trình làm
việc trên máy biến áp có 1 thùng dầu phụ hình trụ thường đặt nằm ngang với
bình đầu chính bằng ống dẫn dầu. Tuỳ theo nhiệt độ của máy biến áp mà dầu
giãn nở tự do trong bình dầu phụ, không ảnh hưởng đến lượng dầu máy biến áp.
Vì vậy bình dầu phụ còn được gọi là bình dầu giãn nở.
Trên nắp thùng còn các sứ để bắt các đầu dây dẫn ra nối với các dây quấn
trong máy biến áp với lưới điện thiết bị đổi nói để chỉnh áp, thiết bị đo nhiệt độ
biến áp, móc treo… mặt khác dầu máy biến áp ngoài tác dụng làm lạnh con
người là một chất cách điện tốt, nhưng nhược điểm là dầu máy biến áp đồng
thời cũng là vật liệu dễ cháy nên sinh ra hoả hoạn. Vì vậy trong nhiều trường
hợp phải có thiết bị và biện pháp chống cháy thích hợp.
1.6. MỤC ĐÍCH YÊU CẦU VÀ NHIỆM VỤ.
Để đảm bảo vê tính toán hợp lý tốn ít thời gian việc thiết kế máy biến áp
sẽ lần lượt tiến hành theo thứ tự.
1. Xác định các đại lượng cơ bản
− Tính dòng điện pha, điện áp pha của dây quấn
− Xác định điện áp thử của các dây quấn
− Xác định các thành phần của được ngắn mạch
2. Tính toán các kích thước chủ yếu.

− Chọn sơ đồ và kết cấu lõi sắt
− Chọn loại và mã hiệu tôn silic cách điện của chúng. Chọn cường độ từ
cảm lõi sắt
− Chọn kết cấu và xác định các khoảng cách điện chút củ cuộn dây

Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

11


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài

Khoa Điện

− Tính toán sơ bộ máy biến áp chọn quan hệ của kích thước chủ yếu β
theo trị số i0, P0, On, Pn đã cho.
− Xác định đường kính trụ, chiều cao dây quấn. Tính toán sơ bộ lõi sắt

3. Tính toán dây quấn CA và HA
− Chọn dây quấn CA và HA
− Tính cuộn dây HA
− Tính cuộn dây CA
4. Tính toán ngắn mạch.
− Xác định tổn hao ngắn mạch
− Tính toán điện áp ngắn mạch
− Tính lực cơ bản của dây quấn khi máy biến áp bị ngắn mạch
5. Tính toán cuối cùng về hệ thống mạch từ và tham số không tải của máy biến
áp.
− Xác định kích thước cụ thể của lõi sắt
− Xác định tổn hao không tải

− Xác định dòng điện không tải và hiệu suất
6. Tính toán nhiệt và hệ thống làm nguội máy biến áp.
− Quá trình truyền nhiệt trong máy biến áp
− Khái niệm hệ thống làm nguội máy biến áp
− Tiêu chuẩn về nhiệt độ chênh
− Tính toán nhiệt máy biến áp
− Tính toán gần đúng trọng lượng và thể tích bộ giãn dầu

Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

12


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài

Khoa Điện

7. Tính toán và lựa chọn một số chỉ tiêu kết cấu.
Phần này có trình bày cách tính và chọn một số chi tiết kết cấu quan
trọng như bulong ép gông và một số đai ép trục, gông, vách nắp đáy thùng,
bình dầu giãn nở, bộ phận tản nhiệt….

Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

13


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài

Khoa Điện

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU CỦA MÁY
BIẾN ÁP

2.1. XÁC ĐỊNH ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN
1. Dung lượng một pha
Sf =

S 1600
=
= 533,3
m
3

(KVA)

2. Dung lượng trên mỗi trụ
S’ =

S 1600
=
= 533,3 (KVA)
m
3

3. Dòng điện dây định mức.
+ Đối với phía CA.
I1 =

S dm .10 3

3.U 1dm

=

1600.10 3

= 26,393 (A)

3.35.10 3

+ Đối với phía HA.
I2 =

S dm .10 3
3.U 2 dm

=

1600.10 3

= 41,989 (A)

3. 22.10 3

4. Dòng điện pha định mức:
Vì dây quấn nối D/Y0-11 nên
If1 =

I1
3.

=

26,393
3.

=15,238 (A)

If2 = I2=41,989 (A)
5. Điện áp pha định mức.
- Ở phía CA:
Uf1= U1= 35 (KV)
- Ở phía phía dây quấn HA:

Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

14


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài
Uf2 =

U2
3.

=

22
3.

Khoa Điện

=12,702 (KV)

6. Điện áp thử nghiệm của các dây quấn (tra bảng 2)
- Với dây quấn CA:

Uth1 = 80 (KV)

- Với dây quấn HA:

Uth2 = 50 (KV)

2.2. CHỌN CÁC SỐ LIỆU XUẤT PHÁT VÀ TÍNH CÁC KÍCH THƯỚC
d
đường kính trụ sắt.
CHỦ YẾU.
l
chiều cao dây quấn.
d12 đường kính trung bình
giữa hai dây quấn hay của rãnh
dầu của hai dây quấn .
a1
bề rộng dây quấn cao áp.
Các kích thước cơ bản của máy biến áp
a2
bề rộng dây quấn hạ áp.
l0 CAkhoảng
1. Chiều rộng quy đổi của rãnh từ tản giữa dây quấn
và HA cách từ dây quấn

đến gông.
a + a2
- Hệ số: a r = a12 + 1
, phụ thuộc vào kích
cụ thể
củagiữa
dây quấn
a22 thước
khoảng
cách
hai dây
3
quấn cao áp quấn ở hai trụ.
CA và HA, do đó chỉ sau khi bố trí xong dây quấn
thể rãnh
có trịdầu
số chính
a01 mớibềcórộng
giữa lõi
thép và cuôn hạ áp.
a +a
a12
khoảng cách cách điện
xác. Còn sơ bộ lấy 1 2 = K. 4 S '10−2 , trong đó K phụ thuộc vào dung lượng
giữa dây quấn cao áp và dây
3
quấn hạ áp.
máy biến áp, vật liệu dây quấn, điện áp cuộn CA và
ngắncách
mạch.

C tổn hao
khoảng
giữa hai trụ.
Với Uth1 = 80 KV thì theo bảng 19 ta có:
a12 = 27 (mm), δ12 = 5 (mm)
Trong rãnh a12 đặt ống cách điện dày δ12 = 5mm. Theo bảng 13.1 ta có K
= 0,52
a1 + a 2
= K. 4 S '10−2 = 0,52. 4 533,3.10 −2 = 0,025 (m)
3
a r = a12 +

a1 + a 2
= 0,027 + 0,025 = 0,052 (m)
3

2. Hệ số quy đổi từ tản lấy Kr = 0,95.
Vì đối với một dải công suất và điện áp rộng, nói chung Kr thay đổi rất ít

Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

15


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài

Khoa Điện

3. Các thành phần điện áp ngắn mạch.
Unr =

Pn
8800
=
= 0,55 %
10.S
10.1600

Trong đó Pn tính bằng W, S tính bằng kVA
Unx = U n2 − U nr2 = 6,5 2 − 0,55 2 = 6,48%

Hiện nay trong chế tạo máy biến áp điện lực thường dùng tôn sillic cán nguội
đẳng hướng, có hàm lượng silic vào khoảng 4%. Với loại tôn silic có cùng tính
năng công nghệ chế tạo đã xác định thì thường chọn Bt trong khoảng hẹp, có
thay đổi chút ít theo công suất máy biến áp.
- Với công suất máy biến áp: S = 1600KVA, ta chọn loại tôn cán nguội
mã hiệu chọn tôn cán lạnh mã hiệu 3404 có chiều dày 0,35 mm. Theo bảng 11
ta chọn

Bt = 1,62 (T). Hệ số gông: Kg = 1,025

Cách ghép trụ: theo bảng 6 TLHD, ta chọn cách ghép trụ bằng nêm và dây
quấn. cách ép gông: ta chọn cách ép gông bằng xà ép, bu lông đặt phía ngoài
gông. Chọn hệ số tăng cường gông kg = 1,025.
Theo bảng 4 TLHD chọn số bậc thang trong trụ là 6 số bậc thang của gông lấy
nhỏ hơn trụ một bậc tức là 5 bậc, hệ số chêm kín k c = 0,918. Tra trong bảng 10
TLHD chọn hệ số điền dầy rãnh là k đ = 0,97. Hệ số lợi dụng lõi sắt k ld = kc.kđ =
0,918.0,97 = 0,89.
- Từ cảm trong gông:
Bt

1,62

Bg = k = 1,025 =1,58 (T)
g
-Từ cảm ở khe hở không khí mối nối thẳng B ’’k = Bt = 1,62 (T), từ cảm ở
khe hở không khí ở mối nối xiên B’k =

Bt
2

=

1,62
2

= 1,146(T).

-Suất tổn hao sắt ở trụ và gông, theo bảng 45 và 50 TLHD với tôn chọn
có mã hiệu là 3404 ta tra được các số liệu sau:
Với Bt = 1,62 T tra được pt = 1,353 (W/kg),qt = 1,958(VA/kg).
Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

16


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài

Khoa Điện

Với Bg = 1,58T tra được pg= 1,251 (VA/kg), qg = 1,675(W/kg).

Suất từ hoá ở khe không khí:
Với B’’k = 1,62 (T) tra được q’’k = 25100 VA/m2
Với B’k = 1,146 (T) tra dược q’k = 22100 VA/m2

L­ît 1

L­ît 2

4. Khoảng cách điện chính.
chọn theo Uth1 = 80 KV của cuộn CA:
- Trụ và dây quấn HA

a01 = 20 mm

- Dây quấn HA và CA

a12 = 27 mm

- Ống cách điện giữa CA và HA

δ12 = 5 mm

- Giữa các dây quấn CA

a22 = 30 mm

- Tấm chắn giữa các pha

δ22 = 3 mm

- Giữa dây quấn CA đến gông.

l02 = 75 mm

- Phần đầu thừa cảu ống cách điện:

lđ2 = 50mm

5. Các hằng số tính toán a, b gần đúng có thể lấy (Theo bảng 13, 14).
a = 1,36
b = 0,40
Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

17


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài

Khoa Điện

e =0,41
7. Hệ số Kf
Hệ số 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 (Kf < 1)
Gần đúng có thể lấy theo bảng 15.
Kf = 0,95
8. Chọn hệ số β
Trong thiết kế người ta dùng hệ số β để chỉ quan hệ giữa chiều rộng và chiều

cao của máy.
β =

π .d12
;
l

β thay đổi từ 1,2 đến 3,6

Sự lựa chọn hệ số β không những ảnh hưởng đến mối tương quan khối
lượng vật liệu thép, dây đồng mà còn ảnh hưởng đến các thông số kỹ thuật như:
tổn hao không tải, tổn hao ngắn mạch…
Về mặt kinh tế: Nếu máy biến áp có cùng công suất, điện áp, các số liệu
xuất phát, và các tham số kỹ thuật thì khi β nhỏ, máy biến áp “gầy” và cao, nếu
β lớn thì máy biến áp “ béo” và thấp. với những trị số khác nhau thì tỷ lệ trọng

lượng sắt và trọng lượng đồng trong máy biến áp cũng khá nhau. β nhỏ trọng
lượng sắt ít, lượng đồng nhiều, β tăng lên thì lượng săt tăng lên, lượng đồng
nhỏ lại.

9. Đường kính của lỏi thép:
Theo công thức (2-37) TLHD
d = A.x
Trong đó

;A là hằng số

x =4β

Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

18


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài
A = 0,507. 4

Khoa Điện

533'3.0,052.'0,95
S '.ar .K r
4
=
0,507.
=0,225
50.6,48.(1,62) 2 .(0,89) 2
f .U nx .Bt2 .K ld2

d = 0,225.x
10. Trọng lượng tác dụng của lỏi thép
10.1 Trọng lượng thép trong trụ:
Gt =

A1
+ A2.x2 (theo CT 2-42 TLHD )
x

Với A1 = 5,663. 104. a. A3. Kld
= 5,663. 104. 1,36. (0,225)3. 0,89= 780,77 (Kg)
A2 = 3,605. 104. A2. Kld. l02

= 3,605. 104. (0,225)2 .0,89. 0,075 = 121,82(Kg)
Vậy Gt =

780,77
+ 121,82.x2
x

10.2 Trọng lượng thép trong gông
Gg = B1.x3 + B2.x2 theo CT 2-48 TLHD
Với a = 1,36; kg = 1,025
Trị số hướng dẫn b =

2a 2
d

tra bảng 14 TLHD ta có b = 0,4, e =

0,41 với gông nhiều bậc
B1 = 2,4. 104. Kg. Kld. A3. (a + b +c)
= 2,4. 104. 1,025. 0,89. (0,225)3. (1,36 + 0,40 + 0,41)
= 541,17 (Kg)
B2 = 2,4. 104. Kg. Kld. A2. (a12 + a22)
= 2,4. 104. 1,025. 0,89. (0,225)2. (0,027 + 0,030)
= 63,18 (Kg)
Vậy Gg =541,17 .x3 + 63,18 .x2
Như vậy trọng lượng của lỏi thép :Gfe = Gt + Gg
Gfe =

A1
+ (A2 +B2).x2 + B1.x3

x

Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

19


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài

Khoa Điện

11. Trọng lượng kim loại làm dây quấn
Gdq =

C1
x2

theo CT (2-55) TLHD

S .a 2
Với C1 = Kdq. k .k 2 .B 2 .U . A 2
f
1d
t
r

,

Kdqcu = 2,46.10-2

kf là hệ số tính tổn hao phụ trong dây quấn, ở trong đầu ra và các chi tiết kim
loại khác do dòng điện xoáy gây nên. Theo bảng 15 TLHD tra dược kf = 0,95
C1 = K dqCu

S.a 2
=
K f .K 2ld .B 2t .A 2 .U nr

1600.1,36 2
C1 = 2,46.10
=1323,95 (Kg)
0,95.0.89 2.1,62 2.0,55.0,225 2
-2

Gdq =

C1
x2

12. Xác định các hằng số trong biểu thức giá thành cực tiểu của vật liệu tác
dụng:
B=

2 B2 + A2
2 63,18 + 121,82
. B
= . 541,17
= 0,23
3
3

1
A1

780,77

C = 3B = 3.541,17 = 0,48
1
2.C1

2.1323,95

D = 3.B kdqfe.k = 3.541,17 .1,84.1,06 = 3,18
1
Với kdqfe =1,84, tra bảng 16 TLHD
k là hệ số hiệu chỉnh trọng lượng của dây quấn ( vì dây quấn có thêm sơn
cách điện và các phần điều chỉnh điện áp ỏ cuộn cao áp) k=1,03.1,03 = 1,06
Ta có phương trình : x5 + Bx4 - Cx - D = 0
⇔ x5 + 0,23x4 - 0,48x – 3,18 = 0

Dùng phương phần mềm MATLAB để giải phương trình trên ta được x = 1,26.
Từ đó ta có β = x 4 = 2,52
Chọn β = 2,52 thì giá thành của máy biến áp thiết kế là nhỏ nhát, nghĩa là
phương án tối ưu về măt kinh tế. Nhưng ta còn phải chọn một phương án không

Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

20


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài

Khoa Điện

những tối ưu về mặt kinh tế mà còn thoả mãn các nhỉ tiêu kỹ thuật trong giới
hạn sai số cho phép.
Từ x = 1,26 ta tính được các thông số ở trên như sau.
- trọng lượng thép trong trụ: Gt =

780,77
x

+ 121,82.x2 =

780,77
1,26

+

121,82.1,262 =813,06 (kg)
- Trọng lượng thép trong gông: Gg =541,17 .x3 + 63,18 .x2 = 541,17.1,263
+ 63,18.1,262 = 1182,85 (kg).
- Trọng lượng lỏi thép: Gfe = Gt + Gg = 813,06 + 1182,85 = 1995,91(kg).
- Trọng lượng dây quấn : Gdq =

1323,95
C1
= 833,93 (kg).
2 =
x
1,26 2

13. Kiểm tra sơ bộ điều kiện phát nóng:
Theo công thức (2-71) TLHD ta có:
xmax ≤ 4,5.10

6

Với

−12
2,4.10 −12.C1
6 2,4.10 .1323,95
= 4,5.10
=4,75
k f . .Pn
0,95.8800

C1 = 1323,95
kf = 0,95
Pn = 8800 (W) là tổn hao ngắn mạch

Từ đó ta có x = 1,26 < xmax =4,75 như vậy điều kiện phát nóng được đảm
bảo.
14. Trọng lượng một góc của lõi:
G0 = 0,492. 104. Kld. Kg. A3. x3
= 0,492. 104. 0,89. 1,025. (0,225)3. 1,263
=99,77(kg).
15. Tiết diện tác dụng của trụ
Tt = 0,785. Kld. A2. x2.
= 0,785. 0,89. (0,225)2. 1,262

= 0,056 (m2)
Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

21


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài

Khoa Điện

16. Tổn hao không tải
Theo công thức (5-23) TLHD ta có:
P0 = kpf. pt.(Gt +Gg.

k p0
2

) + kpf.pg[Gg - (N + 2).G0 +

k p0 .G 0
2

]

Trong đó
N là số lượng góc của mạch từ N = 4 đối với máy biến áp ba pha.
kpf

là hệ số tổn hao phụ, tra bảng 48 TLHD ta được kpf = 1,22

kpo = kn.k’po+ k’’po
Với kn là hệ số biểu thị số lượng góc có dạng mái nối nghiêng, kn = 4.
k’po, k’’po : Là hệ số gia tăng tổn hao góc nối ở các góc mạch của mạch từ.
Tra bảng 46a TLHD ta có:
k’po = 1,32
k’’po = 1,96
kpo = 4.1,32+1,96 = 7,24
pt = 1,353 (VA/kg) , pg = 1,251(W/kg),G0 = 99,77 (kg) đã tính ở trên.
Vậy P0= 1,22.1,353.(Gt +Go.

7,24
7,24
) + 1,22.1,251.[Gg - (4 + 2)Go +
.Go ] =
2
2

= 1,651Gt + 1,526Gg +2,344G0 = 1,651. 813,06 + 1,526. 1182,85 +2,344.
99,77= 3381,25 (W)
17. Công suất từ hoá của may biến áp.
Theo công thức (5-31) TLHD ta có
Q0 = ki’f .ki’f’.qt(Gt +

k .k
k io
Go) + ki’f .ki’f’.qg (Gg + ig ir Go-(N+2)G0) + ki’f’. ∑ qk.nk.Tk
2
2

Trong đó ki’f = kib.kic ;

kib là hệ số kể đến ảnh hưởng của việc cắt gọt bavia ; chọn kib = 1
kic là hệ số kể đến ảnh hưởng đến việc cắt dập lá thép; chọn kic = 1,18
ki’f = kib.kic= 1.1,18 = 1,18
ki’f’ = kig.kie.kit = 1,07
qt = 1,958(VA/kg), qg= 1,675 (VA/kg) là suất từ hoá của trụ và gông.
qkt = 25100 VA/m2, qkg = 22100 VA/m2 là những suất từ hoá ở những khe
hở không khí( bảng 50 TLHD)
Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

22


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài

Khoa Điện

kig là hệ số làm tăng công suất từ hóa ở gông: kig =1,00
kir kể đến ảnh hưởng do chiều rộng lá tôn ở các góc mạch từ , tra bảng
52b ta được kir

=1,35

nk là số khe hở không khí trong lõi thép.
Tk = Tt/ 2 là diện tích bề mặt khe hở không khí
kio là hệ số gia tăng dòng điện không tải do công suất từ hoá tăng lên, k io =
42,45
Q0 =1,18.1,07.1,958.(Gt+

42,45
1.1,35

Go)+1,18.1,07.1,675.[Gg +
.Go-(4+ 2). Go ]
2
2

+ 1,07 . 25100 .4.Tt / 2 + 1,07 . 22100 . 2 .Tt =
= 2,473Gt +2,115Gg + 41G0 +123257,06.Tt = 2,473. 813,06+2,115. 1182,85
+41. 99,77 +123257,06. 0,056 = 15505,39(VAr)
18. Thành phần phản kháng của dòng điện không tải.
Theo công thức (2-62) TLHD
I0 =

15505,39
Qo
=
= 0,97
10.1600
10.S

(%)

19.Mật độ dòng điện trong dây quấn:
Theo công thức (2-70) TLHD
∆ =

k f .Pn
k .Gdq

0,93.8800

= 2,4.10 −12 G =
dq

3410
.106 (A/mm2)
Gdq

K là hằng số phụ thuộc vào điện trở dây quân: K=2,4.10-12 đối với dây đồng
20. Khoảng cách giữa hai trụ:
C = d12 + a12 + 2a2 +a22
Với 2a2 = 0,4.d =0,4.0,225.x= 0,4.0,225.1,26 = 0,1134
21. Trọng lượng dây dẫn:
Gdd = 1,03.1,03.Gdq = 1,06.Gdq
22. Giá thành vật liệu tác dụng:
Theo công thức (2-59), ta có

Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

23


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài
C 'td = B1 x3 + (B2 + A2).x2 +

Khoa Điện

A1
C
+ kd.fe.k. 21
x

x

Với k = 1,03.1,03 = 1,06
Tra bảng 16 TLHD ta được kd.fe = 1,84
C td' = 541,17.1,263 + (63,18+ 121,82).1,262 +
1323,95
1,26 2

780,77
1,26

+ 1,84.1,06.

=3622,41

Từ các số liệu tính toán ở trên ta cho β thay đổi từ 1,2 đến 3,6 ta được bảng
sau:

Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

24


GVHD: Th.s Nguyễn Văn Đoài

Khoa Điện

23. Nhận xét:
Dựa vào bảng biến thiên, với mức tổn hao không tải P o = 2210 W và dòng
không tải io = 1% ta thấy các phương án đã tính thì phương án có hệ số β =

2,52 ứng với giá thành nhỏ nhất không khả thi vì với máy biến áp có S=
1600kVA thì β biến thiên từ 1,8 đến 2,4. Bởi vậy với sai số của C’ td là 1% so
với giá trị nho nhất ta có thể lấy β = 1,6
Đường kính trụ sắt: d = A. 4 β = 0,225. 4 1,6 = 0,253 (m), chọn đường kính
tiêu chuẩn d = 0,250(m)
d
- Tính lại trị số β : β = ( dm ) 4 = 1,6; x = 1,12; 2a2 = 0,10 (m)
A

Với trị số β =1,6 bảng trên ta tính được:
Gt = 850( kg); Gg = 839,56 (kg) ; GFe = 1689,56 (kg); Gdq = 1054,69(kg);
Po = 2852,88 (W) ; io = 1,628;
Sai số của Po là

P0 − P01
.100 = 29,09 (%);
P0

- Đường kính trung bình của rãnh dẫn dầu sơ bộ: d 12 = a.d = 1,36.0,250 =
0,34 (m)
- Chiều cao dây quấn sơ bộ: l =

3,14.0,34
π.d12
=
= 0,67 (m)
1,6
β

- Tiết diện hữu dụng của trụ sắt: Tt = kđ.Tb = 0,0421 (m2)

- Khoảng cách giữa hai trụ: C = d 12 +a12 +2a2 +a22 = 0,34 + 0,027+0,10 +
0,03 = 0,497 (m).
- Mật độ dòng điện: ∆ = 3410 Gdq .106 = 1,8.106(A/m2);
- Giá thành : C’td = Gfe + kd.fe.Gdq = 1689,56 + 1,84.1,06.1054,69=3746,63
- Sức điện động của một vòng dây:
Uv = 4,44.f.Bt.Tt = 4,44.50.1,62. 0,0421= 15,14(V)

Nhóm II- Lớp CĐ ĐH Điện 3K5-ĐHCN Hà Nội

25