(1) CHƯƠNG 5 MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN LỰC 5-1

CHƯƠNG 5 MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN LỰC

5-1. KHÁI NIỆM

Máy biến áp ( MBA ) là thiết bị truyền tải điện năng từ điện áp này đến điện áp khác. Điện năng sản xuất từ nhà máy điện được truyền tải đến các hộ tiêu thụ ở xa phải qua đường dây cao thế 110, 220, 500KV…, thường qua máy biến áp tăng từ điện áp máy phát (Umf) lên điện áp tương ứng, ở cuối đường dây cao áp lại cần máy biến áp giảm về điện áp thích hợp với mạng phân phối ví dụ 22, 15, 0,4KV…

Trong hệ thống lớn thường phải qua nhiều lần tăng, giảm mới đưa điện năng từ các máy phát điện đến hộ tiêu thụ. Cho nên tổng công suất máy biến áp trong hệ thống điện có thể bằng 4 đến 5 lần tổng công suất của các máy phát điện.

SB = (45) SB

Cho nên mặc dù hiệu suất của các máy biến áp tương đối cao, tổn thất qua máy biến áp (AB) hằng năm vẫn rất lớn.

5-1-1. Khi sử dụng máy biến áp cần lưu ý các đặc điểm sau đây:

- Máy biến áp là thiết bị không phát ra điện năng mà chỉ truyền tải điện năng , trong hệ thống điện chỉ có máy phát điện mới phát ra công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q , ( tụ điện cũng phát công suất phản kháng Q ).

- Máy biến áp thường chế tạo thành một khối tại nhà máy, phần có thể tháo rời ra trong khi chuyên chở chiếm tỉ lệ rất nhỏ (khoảng 10%), trọng lượng kích thước chuyên chở rất lớn. Ví dụ máy biến áp hai cuộn dây 115/38,5KV, công suất 80MVA trọng lượng tổng là 105 tấn phần cần chuyên chở không thể tách rời là 91,5 tấn dài 7,4m, rộng 5,3m, cao 6,8m. Vì vậy khi sử dụng cần chú ý phương tiện và khả năng chuyên chở khi xây lắp.

- Công nghệ chế tạo ( chủ yếu về vật liệu cách điện và thép tư ø) tiến bộ rất nhanh, cho nên các máy biến áp chế tạo càng về sau kích thước, trọng lượng và cả giá thành đều bé hơn. Cho nên khi chọn công suất máy biến áp cần tính đến khả năng tận dụng tối đa (xét khả năng quá tải cho phép) tránh vận hành non tải MBA đưa đến tổn hao không tải lớn , kéo dài thời gian sử dụng ( tuổi thọï) không cần thiết.

- Tuổi thọ và khả năng tải của máy biến áp chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ vận hành trong khi nhiệt độ các phần của máy biến áp không chỉ phụ thuộc vào công suất qua máy biến áp mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh và phương pháp làm lạnh.

- Công suất định mức của máy biến áp được chế tạo theo thang tiêu chuẩn của mỗi nước, thường cách nhau lớn, nhất là khi công suất càng lớn. Điều này đưa đến nếu tính toán không chính xác có thể phải chọn máy biến áp có công suất lớn không cần thiết. Ví dụ không chọn được máy biến áp 125MVA phải chọn 200 MVA.

- Khi chọn công suất của máy biến áp phải chú ý đến khả năng phát triển phụ tải, tránh trường hợp vừa xây dựng xong trạm biến áp lại phải thay đổi hay đặt thêm máy khi phụ tải tăng. Điều này cần cân nhắc rất khoa học và thực tế mới có thể chọn công suất tối ưu thỏa mãn tất cả các điều đã nêu trên.

- Máy biến áp hiện nay có nhiều loại:

- Máy biến áp một pha, ba pha.

- Máy biến áp hai cuộn dây, ba cuộn dây.

- Máy biến áp có cuộn dây phân chia - Máy biến áp tự ngẫu một pha, ba pha.

- Máy biến áp tăng, máy biến áp hạ.

- Máy biến áp có và không có điều chỉnh dưới tải.

- Máy biến áp lại do nhiều nước chế tạo theo tiêu chuẩn khác nhau, điều kiện làm việc cũng có thể khác nhau cần chú ý.

5-1-2. Hệ thống làm lạnh máy biến áp

Có nhiều phương pháp làm lạnh MBA , mỗi phương pháp làm lạnh yêu cầu điều kiện vận hành nhất định, khi không thực hiện đúng qui định có thể làm tăng nhiệt độ máy biến áp đưa đến giảm tuổi thọ, thậm chí đưa đến cháy máy biến áp.

- Làm mát máy biến áp bằng phương pháp làm lạnh dầu theo qui luật tự nhiên: Dầu trong máy biến áp nóng bốc lên cao truyền ra ngoài các cánh làm mát , nhiệt lượng tản ra môi trường xung quanh giảm nhiệt độ chạy về phía dưới vào trong máy biến áp.

Công suất loại này thường không lớn khoảng 16 MVA trở lại. Yêu cầu khi lắp đặt phải thoáng có không khí xung quanh thông thoáng tốt (trong nhà, ngoài trời).

- Làm mát máy biến áp bằng dầu tự nhiên có thêm quạt để tăng cường khả năng trao đổi nhiệt và tản nhiệt. Nhờ có quạt nên nhiệt độ vỏ và dầu của máy biến áp giảm có thể tăng công suất MBA . Yêu cầu khi vận hành với công suất lớn hơn 30% công suất định mức phải đóng tất cả quạt thông gió.

- Làm mát bằng phương pháp tuần hoàn cưỡng bức dầu và có tăng thêm quạt.

Dầu không phải chuyển vận tự nhiên mà nhờ vào bơm dầu tuần hoàn tạo tốc độ chuyển vận nhanh hơn điều kiện tản nhiệt tốt hơn, có thể chế tạo đến công suất định mức 80 MVA.

- Làm mát dầu bằng nước.

Dầu trong máy biến áp do bơm tuần hoàn cưỡng bức chuyển vận vào bộ phận làm mát , bên ngoài ống dẫn có hệ thống nước do bơm nước cung cấp và dẫn nhiệt lượng ra môi trường khác. Hệ thống làm mát phức tạp cho nên chỉ sử dụng khi công suất định mức lớn.

Trong tất cả máy biến áp trên dầu đồng thời cách điện và tham gia vào việc làm mát máy biến áp.

Hình 5-1 trình bày nguyên lý hệ thống làm lạnh của máy biến áp bằng dầu cưỡng bức và có quạt thổi tăng cường.

1 2 3 4 5

Hình 5-1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống làm lạnh MBA bằng dầu cưỡng bức có tăng cường quạt thổi

1) thùng dầu ; 2)bơm dầu ; 3) bộ hút ẩm ; 4) bộ phận làm lạnh ; 5) quạt thổi - Làm lạnh kiểu khô.

Khi công suất của máy biến áp nhỏ, điện áp nhỏ máy biến áp có thể cách điện bằng vật liệu đơn giản không cần dùng dầu, tản nhiệt bằng đối lưu không khí có thể có thêm quạt tăng cường. Giá thành loại này thường đắt hơn làm lạnh dùng dầu nhưng máy biến áp gọn và sử dụng tiện lợi hơn.

Máy biến áp khô chỉ chế tạo với công suất định mức đến 1600 kVA và điện áp đến 22 kV , độ tăng nhiệt độ cho phép so với môi trường xung quanh phụ thuộc vào vật liệu cách điện :

Vật liệu cách điện cấp A – không lớn hơn 60⁰ C E - không lớn hơn 75⁰ C B - không lớn hơn 80⁰ C C - không lớn hơn 100⁰ C H - không lớn hơn 120⁰ C

5-1-3. Các thông số định mức của máy biến áp

- Công suất định mức: là công suất liên tục truyền qua máy biến áp trong thời hạn phục vụ (tuổi thọ) ứng với các điều kiện tiêu chuẩn do nhà chế tạo qui định như điện áp định mức, tần số định mức đặc biệt là nhiệt độ môi trường làm mát.

Ví dụ máy biến áp do Nga chế tạo có qui định:

- Nhiệt độ của môi trường xung quanh là +20⁰C .

- Độ tăng nhiệt của cuộn dây so với môi trường xung quanh là +65⁰C.

- Độ tăng nhiệt của lớp dầu trên mặt so với môi trường xung quanh với máy biến áp có hệ thống làm lạnh tự nhiên và có quạt là +55⁰C. Với máy biến áp có hệ thống làm lạnh cưỡng bức là +40⁰C. Do đó khi vận hành phải đảm bảo các qui định trên thì máy biến áp mới có thể vận hành theo công suất định mức và đảm bảo tuổi thọ theo qui định.

Phụ thuộc vào điều kiện môi trường và tuổi thọ yêu cầu công suất định mức của máy biến áp có thể thay đổi, tuy nhiên không đươcï quá điều kiện giới hạn về nhiệt độ của vật liệu dẫn điện và vật liệu cách điện trong máy biến áp với các máy biến áp hiện nay là +98⁰C.

- Khả năng quá tải của máy biến áp:

Thực tế vận hành thường không thể có môi trường xung quanh như qui định, phụ tải qua máy biến áp cũng không giữ hằng số bằng định mức mà luôn thay đổi và phần lớn thời gian thấp hơn định mức, do đó tuổi thọ của máy biến áp bị kéo dài. Chú ý kéo dài tuổi thọ không phải lúc nào cũng tốt vì như vậy là không kịp thời thay thế các máy biến áp. Với sự tiến bộ công nghệ chế tạo hiện nay, máy biến áp cũng như các thiết bị khác luôn luôn cải tiến về kích thước, trọng lượng , tổn hao trong máy biến áp ngay cả giá thành cũng càng ngày càng hạ. Để tận dụng khả năng tải của máy biến áp , có thời gian cho phép vận hành với công suất lớn hơn định mức gọi là quá tải máy biến áp . Svận hành/Sđịnh mức = Kqt: Hệ số quá tải.

5-2 . TÍNH TOÁN PHÁT NÓNG MÁY BIẾN ÁP Khi vận hành , trong máy biến áp có các tổn thất sau :

- Tổn thất trong đồng ( các cuộn dây dẫn điện ) : Pđ - tỉ lệ với bình phương của dòng điện

) 3 (

2 2

2 R f S

U R S

I

p  



 







 _đ

nghĩa là tỉ lệ với bình phương công suất truyền tải qua máy biến áp . Khi S = Sđm , Pđ sẽ bằng với tổn thất ngắn mạch PN.

- Tổn hao trong thép của mạch từ : Pth - tỉ lệ với khối lượng mạch từ là đại lượng không đổi và bằng tổn thất không tải P0 .

Tất cả tổn thất này điều biến thành nhiệt năng , một phần đốt nóng và làm tăng nhiệt độ các bộ phận của máy biến áp , một phần tỏa ra môi trường xung quanh. Hiệu số nhiệt độ giữa các phần khác nhau , hoặc so với môi trường xung quanh gọi là độ tăng nhiệt và ký hiệu .

Ví dụ

- Độ tăng nhiệt của cuộn dây so với không khí xung quanh:

cd = cd - kk

- Độ tăng nhiệt cuộn dây so với mạch từ: cd – th

cd – th = cd - th

- Độ tăng nhiệt lõi thép so với dầu th – d

th – d = th - d

Quan sát khi vận hành máy biến áp vẽ được sự phân bố nhiệt độ tương đối trong máy biến áp như hình 5-2

- Khoảng từ 1-2: Biểu thị sự thay đổi nhiệt độ của cuộn đây. Sự thay đổi này thường chỉ vài độ.

- Khoảng từ 2 –3: Biểu thị sự thay đổi nhiệt độ giữa cuộn dây so với lớp dầu. Nhiệt độ cuộn dây Quan hệ độ tăng nhiệt giữa

truyền qua dầu chủ yếu dưới hình thức đối lưu các phần của MBA

và truyền nhiệt. Khoảng này chiếm từ 20 – 30% độ tăng nhiệt tổng của cuộn dây so với không khí.

- Khoảng từ 3 – 4: chỉ sự thay đổi nhiệt độ của dầu , chỉ vài độ nghĩa là nhiệt độ của dầu trong máy biến áp không chênh lệch nhiều lắm.

- Khoảng từ 4 – 5: Biểu thị sự thay đổi nhiệt độ của lớp dầu so với thùng máy biến áp.

- Khoảng từ 5 –6: Biểu thị sự thay đổi nhiệt độ giữa các phần của vỏ thùng máy biến áp.

- Khoảng từ 6 –7: Biểu thị sự thay đổi nhiệt độ của vỏ thùng máy biến áp so với môi trường xung quanh , phần này chiếm từ 60 –70% độ tăng nhiệt tổng.

1 : Nhiệt độ chỗ nóng nhất của cuộn dây.

7 Nhiệt độ của môi trường xung quanh.

cd =1 - 7

Từ đồ thị này thấy rằng có 2 khoảng từ 2 –3 và 6 –7 chiếm đến 80 – 90% độ tăng nhiệt tổng , do đó muốn giảm nhiệt độ của cuộn dây khi vận hành chủ yếu là giảm nhiệt độ từ 2 –3 và 6 – 7. Giảm độ tăng độ từ 2 – 3 là phần bên trong



x

% 1

Hình 5-2

2 3

4 5

6

7

máy biến áp do nhà chế tạo thiết kế tính toán. Còn giảm độ tăng nhiệt từ 6 –7 là phần bên ngoài máy biến áp do vận hành, xây lắp, thực hiện , chủ yếu do thiết bị làm mát quyết định. Nhiệt độ của môi trường xung quanh cũng có ảnh hưởng đến nhiệt độ của máy biến áp khi vận hành.

Cũng từ đặc tính này nhận thấy nhiệt độ của máy biến áp tăng dần theo chiều cao của máy biến áp và từ trong mạch từ ra ngoài không khí xung quanh và được biểu diễn trên hình 5 -3.

h h

B D E 4 3 2

1

35 55 75 95 C  A C  Hình 5-3. Quan hệ giữa nhiệt độ các phần của MBA theo chiều cao 1) cuộn dây ; 2) mạch từ ; 3) võ thùng ; 4) dầu.

Từø đồ thị trên hình 5 -3 nhận thấy:

- Vùng nóng nhất của máy biến áp là vùng có độ cao bằng 2/3 chiều cao của máy biến áp.

- Điểm nóng nhất của máy biến áp là lớp dây trên cùng của máy biến áp.

- Phía trên nhiệt độ của cuộn dây cao hơn nhiệt độ mạch từ còn phía dưới nhiệt độ của mạch từ cao hơn.

Quạt và các biện pháp làm lạnh đặt ở độ cao 2/3H là hiệu quả nhất.

5-2-1. Tính toán độ tăng nhiệt của dây cd và độ tăng nhiệt của dầu d khi vận hành ổn định với công suất khác với công suất định mức (S  Sđm)

Các biểu diễn trên điều vẽ khi có công suất vận hành bằng công suất định mức. Nhưng thực tế thường vận hành với S  Sđm.

- Khi vận hành với S = Sđm và điều kiện môi trường xung quanh định mức tổn thất trong máy biến áp bằng tổn thất định mức nghĩa là

PB = Pđ. đm + P th. đm = PB.đm = P0 + PN

 Khi vận hành với S  Sđm:



²



0 2

0 0

2 0

2 0

1

1 K P bK

P P P

K P S P

P S P P

N

N đm

N B

.





 



 







 











 



 



 









Trong đó: P0 : tổn thất không tải PN: tổn thất ngắn mạch

P0

b P^N



  : Thường chế tạo từ 2 - 6 S: Công suất vận hành

Sđm: công suất định mức của máy biến áp

Sđm

K  S : hệ số tải của máy biến áp.

 Độ tăng nhiệt của dầu  xác định theo biểu thức

m đm

d

d b

bK 



 







 

1

1 ²

 .



Trong đó: d.đm: độ tăng nhiệt của dầu khi vận hành với Sđm

m : hệ số phụ thuộc vào hệ thống làm lạnh xác định bằng thực nghiệm.

m = 0,8 : Với hệ thống làm lạnh dầu tự nhiên.

m = 0,9 : Khi có thêm quạt.

m = 1 : Khi làm lạnh cưỡng bức và co thêm quạt.

 Độ tăng nhiệt độ của cuộn dây so với dầu cd xác định theo biểu thức

cd = cd.đm .K²ⁿ Trong đó cd = cd - d

cd.đm độ tăng nhiệt của cuộn dây so với dầu khi S = Sđm

Do đó độ tăng nhiệt của cuộn dây so với không khí xung quanh cd được xác định như sau:

^{cdđm n}

m đm

d d cd

cd K

b

bK² ₂

1

1 







  



 







 







Nhiệt độ cuộn dây cd cd = cd + kk

kk : nhiệt độ không khí xung quanh

n: Hệ số phụ thuộc vào hệ thống làm lạnh, khi tính gần đúng có thể lấy bằng m.

Trên hình 5 -4 biểu diễn các trị số nhiệt độ  theo K và hệ thống làm lạnh 

100

d

50

cd

K 0 0,5 1 1,5

Hình 5-4 .Quan hệ θcd =f (K) và ∆θcd = f (K) ở chế độ ổn định Đường nét liền là θcd ; Đường nét đứt là cd ;1-Hệ thống làm lạnh tự nhiên (m = 0,8); 2- Có thêm quạt (m = 0,9) ; 3 - Cưỡng bức và có quạt (m = 1) 5-2-2. Tính toán phát nóng máy biến áp trong chế độ quá độ

Thực tế thường vận hành máy biến áp với đồ thị phụ tải hình bậc thang trong đó phụ tải thay đổi từ Ki đến Ki+1 . Khi phụ tải thay đổi tức thời như vậy các quá trình biến đổi về nhiệt độ trong máy biến áp không thể thực hiện tức thời mà phải qua quá trình quá độ. Một cách gần đúng và đơn giản ta có thể xem máy biến áp là vật thể đồng nhất, quá trình này được tính toán theo phương trình phát nóng cơ bản đã biết trong chương trước:

Pdt = C.G.d +.F..dt.

Trong đó

P : Nhiệt lượng phát ra trong đơn vị thời gian.

C : Tỉ nhiệt.

 : hằng số tản nhiệt.

F : Diện tích tản nhiệt.

T : thời gian phát nóng và tản nhiệt.

 : Độ tăng nhiệt của vật đốt nóng so với môi trường xung quanh trong một đơn vị thời gian.

Như vậy

Pdt : nhiệt lượng phát ra trong thời gian dt.

C.G.d : nhiệt lượng đốt nóng và làm vật tăng nhiệt độ d.

.F..dt : nhiệt lượng tỏa ra môi trường xung quanh trong thời gian dt.

Khi quá trình quá độ kết thúc tức là khi nhiệt độ đã đạt đền nhiệt độ ổn định

øôđ và độ tăng nhiệt cũng ổn định ôđ.do đó d = 0 , phương trình có dạng :

Pdt = .F..dt Do đó ôđ = P/.F

Khi biến thiên đột ngột từ Ki đến Ki+1 có thể xem tản nhiệt ra môi trường xung quanh không đáng kể (.F..dt =0) có thể bỏ qua và phương trình có dạng :

Pdt = C.G.d

Do đó





^{ }



t

CG dt d p

0

2

1









Kí hiệu



= C.G /F là hằng số thời gian phát nóng và thay các trị đã tính ở trên vào phương trình cơ bản, phương trình cơ bản trên có thể viết dưới dạng

dt F d

G dt C

F

P  



 ^{ }

 .

hoặc ôđ dt =



d + dt

Giải phương trình vi phân được kết quả (ôđ -) = Me^{- t/}

Trong đó M là hằng số tích phân có thể xác định theo điều kiện ban đầu khi t = 0 , lúc đó độ tăng nhiệt bằng độ tăng nhiệt ban đầu 0 và kết qua û:

M = ôđ - 0

Do đó  = ôđ - (ôđ - 0 ) e^{- t /}

Hoặc  = 0 + (ôđ - 0 )(1 - e^{- t /} )

Nhà máy chế tạo MBA đã thí nghiệm và xác định trị số  .Trị số này phụ thuộc vào công suất định mức MBA và hệ thống làm lạnh cho trong bảng 5 -1 .

Bảng 5-1 Công suất định mức MBA

(MVA) Hệ thống làm lạnh



(giờ) Từ 0,001 đến 1 Tự nhiên 2,5  1 đến 6,3 Tự nhiên 3,5  6,3 đến 32 Có thêm quạt 2,5  32 đến 63 Có thêm quạt 3,5 Từ 100 đến 125 Tuần hoàn cưỡng bức 2,5  125 Tuần hoàn cưỡng bức có quạt 3,5 Với MBA để đạt được nhiệt độ ổn định thời gian làm việc T= (45) > 10 giờ.

5-2-3 .Tính toán máy biến áp khi vận hành với đồ thị phụ tải bậc thang

Phụ tải bậc thang tức là có nhiều bậc, mỗi mức phụ tải khi vận hành thời gian là Ti. Thường thời lượng Ti nhỏ hơn 10 giờ nghĩa là máy biến áp chưa đạt đến độ tăng nhiệt ổn định ôđ, phụ tải lại chuyển sang Ki+1 (hình 5-5). Ví dụ trên hình 5-4, giả thiết ban đầu độ tăng nhiệt là 0 , máy biến áp nhận phụ tải là K1 độ tăng nhiệt tăng theo hàm mũ, sau thời gian T1 độ tăng nhiệt sẽ là:

1 = ôđ1 + (ôđ - 0 ) e^-T/

đến thời điểm t1 (sau T1 giờ < 10 giờ) máy biến áp chỉ mới đạt độ tăng nhiệt 1

 ôđ. Máy biến áp nhận phụ tải với hệ số tải K2, độ tăng nhiệt của máy biến áp tiếp tục tăng cũng theo phương trình trên nhưng thay 0 thành 1, nếu sau khoảng thời gian T2 phụ tải giảm còn K3 , lúc này độ tăng nhiệt mới đạt đến

2   2ôđ, 2 là độ tăng nhiệt ban đầu của hàm trên, vì K3K2 nên nhiệt độ máy biến áp không tiếp tục tăng mà giảm …

Nếu máy biến áp vận hành với đồ thị phụ tải hàng ngày nghĩa là 24 giờ, đồ thị phụ tải lại lập lại đồ thị phụ tải cũ. Nếu chỉ tính một ngày thì sau 24 giờ (t = 24 giờ) có thể khác 0 ban đầu, đồ thị phát nóng của máy biến áp không xảy ra hoàn toàn như ngày thứ nhất vì 0 của ngày thứ 2 khác 0 của ngày thứ nhất.

Đây là bài toán lặp theo chu kỳ 24 giờ. Nhất định phải hội tụ, thực tế chứng minh là hội tụ nghĩa là sau một số ngày sẽ đạt được:

on = o(n+1) và bài toán lặp lại như nhau.

(on, o(n+1) độ tăng nhiệt ban đầu của ngày thứ n và n+1).

on được xác định theo biểu thức : 0 = ( 1/An-1)



_ⁿ

i 1

i(Ai –Ai-1 )

Độ tăng nhiệt độ tại thời điểm cuối cùng mỗi bậc được xác định theo biểu thức 1



( )



1







 _{on i i}

x

x A A

A  ^iôđ



Trong đó A_i e^ti

iôđ: độ tăng nhiệt ổn định tương ứng theo với bậc phụ tải Ki. Xác định theo biểu thức

t K%

₀

Hình 5-5 ₁

K₂ ₂ _ôđ2

T₁ T₂ t₂ t₁

2 2 )

(

0 1

1 

 







 

b bK_i

d đm

ôđ 



Ví dụ 5 -1 .Xây dựng đồ thị nhiệt độ của máy biến áp vận hành với đồ thị phụ tải hình bậc thang hình 5 -6. Thông số của máy biến áp giả sử:

 = 3,5 giờ; b = 5; 0 = 20 ⁰C; m = n = 0,8 ; cd=23 ⁰C

1,6

1,4

1,2

0,8

0,4

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Hình 5-6

Trình tự tính toán và kết quả ghi trong bảng 5-2

- Căn cứ vào đồ thị phụ tải có 13 khoảng thời gian phụ tải thay đổi đúng số từ I = 0 đến 13, ghi ở cột 1.

- Thời điểm ti tương ứng với 13 bậc ghi ở cột 2 (chú ý thời điểm bắt đầu tùy ý chọn không ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng).

- Tính Ti / = Ti /3,5 tương ứng với ti = 0 , 1, 3… ghi vào cột 3 - Tính Ai = e^Ti/ tương ứng ghi vào cột 4

- Tính Ai – Ai-1 ghi vào cột 5

- Từ đồ thị phụ tải ghi các giá trị Ki tương ứng (cột 6)

 Tính

m b bKi

i _^

















 

1 1 2 ôđ dđm

 ghi vào cột 7

Ở đây: dđm tra từ nhà chế tạo là 55⁰C

m = 0,8 vì hệ thống làm lạnh tự nhiên b = 5 (đã cho)

 Tính iôđ(AI – AI-1)tức là nhân cột 5 với cột 7 và ghi vào cột 8

 Tính iôđ(AI – AI-1) gộp dần cột 7 và ghi vào cột 8

 Tính 0 = 18000/(932-1) = 19,3⁰c

 Tính I cuối các thời gian ti theo biểu thức

t giờ K

I = 0 + i (Ai- Ai-1 ) /A. Tức là cộng vào cột 9 thêm 19,3⁰C chia cho cột 4 ghi vào cột 10 .

 Tính cd tại các thời điểm t1 theo biểu thức

cd = cdđm .Ki2n

 Tính

cd = cdđm .Ki2n

trong đó n = m = 0,8

cdđm do nhà chế tạo cung cấp ở đây là 23⁰C Kết quả ghi vào cột 11

 Tính được độ tăng nhiệt của cuộn dây theo biểu thức

cd = d +cd

tức là cột 10 cộng với côt 11 ghi vào cột 12

 Tính được nhiệt độ của cuộn dây tức là điểm nóng nhất của máy biến áp theo biến thiên

cd = cd + kk = cd + 20⁰C.

Từ kết quả tính toán ở trên ta thấy rằng:

 Nếu nhiệt độ định mức của cuộn dây là đmcd = 98⁰C nhiệt độ cho phép lớn nhất cdmax =140⁰C thì:

1. Mặc dù máy biến áp vận hành có thời gian từ 12 đến 15 giờ vượt quá định mức (1,32; 1,47; 1,25; 1,03) và nhiệt độ cuộn dây máy biến áp có lúc từ 13 đến 15 giờ vượt quá định mức nhưng vẫn thấp hơn 140⁰C nên máy biến áp vẫn vận hành được vì thời gian còn lại đều vận hành non tải (K  1)

bảng 5 -2

I tI

Ti/

Ai Ai- Ai-1

Ki

iôđ iôđ

(Ai-Ai-1) iôđ

( Ai-Ai-1) i cd d+cd cd

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

0 0 0 1

1 1 0,286 1,33 0,33 0,48 24 7,9 7,9 20,5 6 26,5 46,2

2 3 0,857 2,35 1,02 0,73 37 37,5 45,6 27,6 14 41,6 61,6

3 4 1,14 3,13 0,78 0,58 28 21,8 67,4 27,7 9 36,7 56,7

4 9 2,57 13,1 9,97 0,22 15,5 154,5 221,9 18,4 2 20,4 40,4

5 10 2,86 17,3 4,2 0,37 19 79,8 302 18,5 4 22,5 42,5

6 11 3,14 23,1 5,8 0,81 41 238 540 24,2 16 40,2 60,2

7 12 3,43 30,9 7,8 1,32 80 624 1164 38,3 36 74,3 94,3

8 13 3,72 41,3 10,4 1,47 95 988 2152 52,5 43 95,5 115,5

9 14 4 54,6 13,3 1,25 74 984 3136 57,8 35 92,8 112,8

10 15 4,28 72,5 17,9 1,03 57 1020 4156 57,5 24 81,5 101,5

11 16 4,57 95,5 23 0,66 33 759 4915 51,6 11 62,6 82,6

12 17 4,85 129 33,5 0,37 19 636 5550 43,2 4 47,2 67,2

13 24 6,86 32 803 0,22 15,5 1245 18000 19,3 2 21,2 41,2

2 -

Thời gian vận hành K > 1 sẽ giảm tuổi thọ của máy biến áp nhưng khi vận hành K  1, tuổi thọ lại được kéo dài, nếu hai trị số này bù trừ được cho nhau thì tuổi thọ có thể không đổi và chỉ kết luận chính xác khi xét đến sự già cỗi, độ hủy hoại hoặc tuổi thọ của máy biến áp.

5-2-4 . Sự già cỗi và tuổi thọ của máy biến áp.

Như đã tính toán ở trên khi vận hành máy biến áp sẽ phát nóng nếu như nhiệt độ vượt quá giới hạn nào đó phụ thuộc vào vật liệu cách điện được sử dụng trong máy biến áp, các chất cách điện này sẽ giảm độ bền về cơ của nó, hiện tượng này gọi là sự già cỗi của cách điện tức là của máy biến áp. Đây là hiện tượng tích lũy, nghĩa là giảm dần sức bền, tuổi thọ còn lại của máy biến áp cũng giảm dần.

Giả sử trong máy biến áp sử dụng cách điện loại A thì nhiệt độ giới hạn này là từ 80⁰C đến 140⁰C, nghĩa là nếu vận hành với nhiệt độ bé hơn 80⁰C, hầu như không ảnh hưởng đến tuổi thọ của máy biến áp, quá 140⁰C cách điện sẽ bị phá hủy đột ngột, máy biến áp sẽ hư hoặc cháy do cách điện không đảm bảo gây ngắn mạch bên trong máy biến áp, còn vận hành trong giới hạn từ 80⁰C đến 140⁰C, cách điện có bị ảnh hưởng và máy biến áp sẽ bị già cổi, hay thời gian làm việc còn lại của máy biến áp sẽ giảm dần.

Một cách gần đúng tuổi thọ V của máy biến áp có thể xác định theo biểu thức V = A.e^-a.

Trong đó : A , a là hằng số phụ thuộc vào vật liệu cách điện do nhà chế tạo thí nghiệm và cung cấp.

 : nhiệt độ điểm nóng nhất tức là cd của máy biến áp.

Tuổi thọ định mức Vđm của máy biến áp khi vận hành cd = cdđm.

a đm đm Ae

V  . ^{ }

Thực tế quan tâm tuổi thọ tương đối của máy biến áp V* )

(

* a đm

đm V e

V  V  ^{ }

Đại lượng tỉ lệ nghịch tuổi thọ _V¹ gọi là sự hao mòn hay còn gọi là sự già cỗi của máy biến áp . Ký hiệu L

Vậy L  A.e^a

a đm đm Ae L  . ^{ }



_đm



e a A

L* . ^{  }

Để thuận lợi trong tính toán ta qui về cơ số 2 thay vì dùng cơ số e.

Do đó 

 





) ( .

) (

*

đm a đm

L









2 2 ⁰⁶⁹³

Ở đây:  = 0.693 / a 0.693 = ln2

Nếu chế tạo (thông thường như vậy )với  = 6⁰C thì khi  -đm= 6⁰C tuổi thọ máy biến áp chỉ còn một nửa : vì L* =2  V* = 1/2 .

 -đm = 12⁰C tuổi thọ chỉ còn 1/4

Khi máy biến áp vận hành với đồ thị phụ tải thay đổi cần tính sự già cỗi tương đối tích lũy trong thời gian T. Ký hiệu là H





 

 

đm

 T TLdt H

0 2 0

Nếu vận hành theo đồ thị phụ tải bậc thang trong một ngày đêm Ti

Li H  giờ

đêm ngày

24 0

Độ hao mòn trung bình trong một ngày đêm xác định theo biểu thức:

24đêm ngày đêm

ngày

L H

Tổng hao mòn của máy biến áp trong một năm bằng tổng độ hao mòn của các ngày trong năm.

Ở đây cần chú ý thêm, nhiệt độ máy biến áp không những phụ thuộc vào đồ thị phụ tải mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh vì

cd = cd + kk.

Nhiệt độ môi trường xung quanh cũng là đại lượng thay đổi trong năm chứ không phải hằng số và theo vùng khí hậu. Vì vậy cần tính nhiệt độ đẳng trị của không khí nơi đặt máy biến áp.

Nhiệt độ đẳng trị của không khí đtkk là trị số nếu máy biến áp vận hành suốt năm với đtkk này thì sự hao mòn, già cỗi của máy biến áp bằng sự hao mòn, già cỗõi khi vận hành với kk thực. Với khái niệm như vậy có thể dùng biểu thức





 









 





  







đm đm đtkk

đtkk

đm đm





 





 

 





cd T

cd T

dt T kk cd

T kk cd dt H

2 . 2 . 2

.

02 . 02 2

Vậy ^{T cd} _dt

T  



  02 2 1

đtkk  đm



Từ đó suy ra

2 ln 02

ln(1T cd dt

T  





đm



đtkk

Thay  = 6⁰C

693 0 02 1

, ln(

đtkk

T cd đmdt

T  











¹⁰ (L*,V*= f() có thể được xác định theo đường cong vẽ trên hình 5 -7.

Hình 5-7.Quan hệ giữa tuổi thọ

và sự hao mòn tương đối của ^1,0

MBA theo nhiệt độ cuộn dây 1,0

0,2

80 90 100 110 120 130 1400⁰C

5-3. KHẢ NĂNG TẢI VÀ QUÁ TẢI CỦA MÁY BIẾN ÁP

Ví dụ đã chứng minh máy biến áp có những lúc vận hành non tải thì có thể vận hành quá tải trong thời gian mà không làm hỏng ngay máy biến áp. Căn cứ vào biểu thức xác định sự hao mòn của máy biến áp trong thời gian vận hành có thể tính được khả năng quá tải cho phép của nó khi biết đồ thị phụ tải, để cho sự hao mòn trong thời gian tổng không vượt quá định mức nghĩa là

H*  1 hoặc Lngày đêm  1.

Ví dụ 5 -2

Với đồ thị phụ tải ở ví dụ 5-2 có thể tính toán được H* và Lngày đêm như sau, vì sự hao mòn cách điện chỉ có khi nhiệt độ cách điện vượt quá 80⁰C cho nên chỉ cần tính toán từ 12 giờ đến 16 giờ. Kết quả tính toán cho trong bảng 5-3 : Vậy, H* =L*T=0.7 + 7.2+ 5.6+ 1.4+ 0.2=15.1

Sự hao mòn trung bình trong một ngày đêm L ngày đêm

Bảng 5-3 Thời gian tính toán từ 11 giờ đến 12 13 14 15 16

Thời gian vận hành 1 1 1 1 1

Nhiệt độ cuộn giâycd0C 95 115 113 101 83 Sự hao mòn tương đối 0.7 7.2 5.6 1.4 0.2

63 . 24 0

1 . L _ngàyđêm15 

Như vậy máy biến áp vận hành với đồ thị phụ tải trên cho phép, sự hao mòn trung bình nhỏ hơn định mức.

Phương pháp trên chỉ dùng để kiểm tra khả năng tải của máy biến áp với đtpt cho sẵn. Trong thực tế khi tính toán chọn công suất cho máy biến áp trong thiết kế trạm biến áp và nhà máy điện thường theo phương pháp đơn giản dựa trên quy định về quá tải cho phép của máy biến áp.

5-3-1.Quá tải một cách hệ thống hay còn gọi là quá tải bình thường của máy biến áp

Quy tắc này được áp dụng khi chế độ bình thường hằng ngày có những lúc máy biến áp vận hành non tải (K1<1) và có những lúc vận hành quá tải K2 >1.

Trình tự tính toán như sau:

- Căn cứ vào đồ thị phụ tải qua máy biến áp chọn máy biến áp có công suất bé hơn S max lớn hơn Smin.

Smin < SB < Smax

- Đẳng trị đồ thị phụ tải qua máy biến áp thành đồ thị phụ tải chỉ có 2 bậc K1 và K2 với thời gian quá tải T2 .

- Từ đường công khả năng tải của MBA có công suất và nhiệt độ đẳng K2

trị môi trường xung quanh tương ứng 1,9

(hình5-8) xác định khả năng quá tải 1,8

cho phép K2cp tương ứng với K1 , K2 1,7 T2=0,5h và T2 1,6

Nếu K2cp>K2 nghĩa là máy biến áp 1,5 1h

đã chọn có khả năng vận hành với 1,4 2h đồ thị phụ tải đã cho mà không lúc 1,3

nào cd>140⁰C 1,2 4h và tuổi thọ của máy biến áp vẫn 1,1 8h đảm bảo 1,0 12h

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Nếu K2cp<K2 tức là máy biến áp Hình 5-8.Đường cong để xác định đã chọn không có khả năng đảm khả năng qúa tải của MBA bảo 2 điều kiện trên. Do đó phải chọn máy biến áp có công suất lớn hơn.

Khi đã chọn công suất máy biến áp lớn hơn Smax của đồ thị phụ tải không cần phải kiểm tra khả năng này.

Cách đẳng trị đồ thị phụ tải nhiều bậc về đồ thị phụ tải có 2 bậc (hình 5-9)

 Căn cứ vào Sđm B đã chọn tính hệ số tải Ki của các bậc đồ thị phụ tải.

đmB i

i S

K  S Ki>1 : quá tải Ki<1 : non tải

 Xác định K2, T2 bằng cách đẳng trị vùng có Ki>1 theo công thức :

 



 

Ti

Ti Ki K

2

đt2 Ki Nếu K2đt >0.9 K max

thì K2 = Kđt và T2 = Ti 1 Kđt < 0.9 K max thì K2 = 0.9K max và

Xác định lại T2 theo biểu thức : Ti

 



max



²

2 2 0.9K

T

T _



K^{i i} 0 t

Hình 5-9 Trường hợp có nhiều vùng không liên tục có K >1 chỉ lấáy vùng nào có

Ki2Tilớn nhất để tính K2 như trên, các vùng còn lại sẽ xét khi xác định K1

(hình 5-10a)

Trường hợp đặc biệt chỉ có một bậc có K>1, K2 = Kmax và T2 = Ti (hình 5-10b) K

t 1

a)

K

t T_i

1

b) K_max

Hình 5 -10

Xác định K1: chỉ cần đẳng trị đồ thị phụ tải trong khoảng thời gian 10 giờ trước vùng đã tính K2 (kể cả phần có K>1 không xét trong trường hợp trên trong khoảng 10giờ) cũng theo biểu thức

 

10

 2

 KiTi Kđt1

Ở đây Ti =10 giờ. Nếu vùng trước K2 không đủ 10 giờ có thể lấy 10 giờ sau vùng K2. Nếu cả trước và sau vùng K2 đều bé hơn 10 giờ thì gộp phần phía sau ra phía trước cho đủ 10 giờ vì đây là đồ thị phụ tải hàng ngày phần này sẽ là phần đầu của ngày trước.

Nếu cả hai phần trước và sau không đủ 10 giờ vậy phần quá tải đã có T2 hớn hơn 14 giờ nến máy biến áp không có khả nâng tải với đồ thị phụ tải đã cho, không cần tiếp tục tính mà phải nâng công suất máy biến áp lên và tính lại từ đầu.

60 MVA

Sđm = ^{40 MVA}

Ví dụ 5-3

Cho đtpt qua MBA trên hình 5-11. Chọn công suất MBA theo khả năng quá tải bình thường. Từ đtpt có Smax= 80MVA , Smin=30MVA, có các máy MBA sau đây: 40, 63, 75 MVA. Chọn Sđm = 40MVA , và tiến hành kiểm tra khả năng quá tải bình thường có cho phép không? Các bước tính toán như trên và kết quả thu được ghi trong bảng 5 -4 . Kết quả tính toán với Sđm =40MVA

Thời gian có Ki  1 từ 3 đến 7 giờ

t (giờ) S(MVA

)

10 20 30 40 50

3 6 9 12 15 18 21 24

60 80 70

S_đm = 60

Hình 5-11

^{ }_^{2  4,867}₇^{86,125 1,56}

i i i

T T K_2đt K

^{2 1,}₂^{56 0,780,9} KMax

K _đt

Nên K2 là 0,9KMax = 1,8 và phải tính T2

Lấy 10 giờ sau vùng K2 để tính K1

77 10 0

2 85 0 8 75 0 10

2 6 9 0

812 18 9

0

2 2 2

1

2 2

2 2

. , , . ,

) giờ . , (

, )

,

( _max

 

 





 



i i i

T K K

K Ti T K

Từ K1 = 0,77; T2 = 6giờ trong đường cong quá tải bình thường có K2cp=1,18< K2=1,8

Vì vậy máy biến áp có Sđm = 40 MVA không cho phép vận hành đối với đồ thị phụ tải đã cho. Nâng công suất định mức lên 60MVA và tiến hành tương tự như trên kết quả ghi vào bảng 5-5:

Bảng 5 -4

i 1 2 3 4 5 6

Si (MVA) 30 50 80 70 30 35

Ki=Si/40 0,75 1,25 2 1,75 0,75 0,854 ( Ki )² 0,5625 1,5625 4 3,062 0,5625 0,73

Ti (giờ) 3 3 2 2 8 6

Ki2.Ti 4,687 8 6,125

Kết quả tính toán với SđmB = 60 MVA

Bảng 5-5

i 1 2 3 4 5 6

Si (MVA) 30 50 80 70 30 35

Ki=Si/60 0,5 0,83 1,33 1,17 0,5 0,58 ( Ki )² 0,25 0,6889 1,7689 1,3689 0,25 0,3364

Ti (giờ) 3 3 2 2 8 6

Ki2.Ti 1,769 1,369 0,25 0,464

2 ²  ^1,769.2₄^1,369.2 ^1,25



 

i i i

T T K _đt K

K2đt / K2Max = 1,25/1,33=0,94 > 0,9 Nên K2 = 1,25 và T2 = 4 giờ

K1 được xác định 10 giờ sau vùng K2 vì phía trước không đủ 10 giờ tức là từ 10 giờ đến 20 giờ

K1  ⁰,²⁵.⁸₁₀⁰,³³⁶⁴ ⁰,⁵¹⁶

Với K1 = 0,516 và T2 = 4 giờ từ đường cong khả năng quá tải máy biến áp tìm được K2cp = 1,3 > 1,25. Cho nên máy biến áp có Sđm = 60 MVA cho phép làm việc với đtpt đã cho và được chọn, và không cần tính với Sđm=75 MVA.

5-3-2. Quá tải sự cố của máy biến áp

Khi 2 máy biến áp vận hành song song mà 1 trong 2 bị sự cố phải nghỉ, máy biến áp còn lại có thể vận hành với phụ tải lớn hơn định mức không phụ thuộc vào nhiệt môi trường xung quanh lúc sự cố trong thời gian 5 ngày đêm nếu thoả mãn các điều kiện:

Theo đồ thị phụ tải đẳng trị về 2 bậc, trong đó K1 < 0,93 ; K2 < 1,4 và T2 < 6 giờ, chú ý theo dõi nhiệt độ của cuộn dây không được vượt quá 140⁰C và tốt nhất là tăng cường tối đa các biện pháp làm lạnh máy biến áp

5-3-3 -Quá tải ngắn hạn của máy biến áp

Trong trường hợp đặc biệt, để hạn chế cắt phụ tải, có thể vận hành theo khả năng quá tải ngắn hạn của máy biến áp không cần phải tính K1 , K2 và T2 như trên mà sử dụng bảng 5 -6 sau đây

Bảng 5-6

Khả năng quá tải 1,3 1,45 1,6 1,75 2 3

Thời gian quá tải (phút) 120 80 45 20 10 1,5

Khi sử dụng khả năng này sự hao mòn về chất cách điện có thể bằng sự hao mòn khi vận hành với Sđm trong 10 giờ với nhiệt độ môi trường xung quanh bằng định mức (20⁰C). Qui tắc quá tải này chỉ dành cho nhân viên vận hành không xét khi thiết kế và tính toán chọn máy biến áp.

5 – 4 . CÁC LOẠI MÁY BIẾN ÁP

5-4-1. Máy biến áp một pha; ba pha hai cuộn dây .

- Nguyên lý làm việc của máy biến áp hai cuộn dây .

Cấu tạo chung của máy biến áp gồm có 3 phần chính ( hình 5 -12 ):

- Mạch từ 1

- Cuộn dây sơ cấp 2 có w1 vòng - Cuộn dây thứ cấp 3 có w2 vòng

1 2 3

u1 w1 w2 u2

a) b) Hình 5-12. Cấu tạo của máy biến áp

a) Sơ đồ cấu tạo ; b) sơ đồ nguyên lý

Khi đặt vào cuộn sơ cấp điện áp U1 sẽ nhận được ở cuộn thứ cấp điện áp U2 với biểu thức

2 1

U U =

2 1

W

W = kw gọi là tỷ số biến áp .

Có thể chế tạo từng pha ( MBA một pha ) hay chế tạo chung cả 3 pha ( MBA 3 pha ) . Trong hệ thống 3 pha có thể sử dụng máy biến áp 3 pha hay tổ 3 máy biến áp một pha . Các cuộn dây U1 ( sơ cấp ) và U2 ( thứ cấp ) có thể nối hình sao trung tính không nối đất ( Y ) , hình sao trung tính nối đất ( Y0 ) hay nối hình tam giác ( ), phụ thuộc vào yêu cầu của hệ thống và của phụ tải . Với MBA ba pha qui ước điện áp định mức ( Uđm ) là điện áp dây . Điện áp sơ cấp và thứ cấp có thể trùng pha hoặc lệch nhau một góc N⁰.30⁰ với N⁰ = 0 ÷11 ( N là số nguyên ), thông thường hiện nay chế tạo Y /Y0 - 0 ; Y / -11 và Y0 /

-11.

Ký hiệu cho trên hình 5-13

U₁ U₂

Hìn

h 5-13

5-4-

2-

Máy biến áp một pha , ba pha ba cuộn dây .

Nguyên lý làm việc của về cấu tạo cũng có mạch từ , nhưng có ba cuộn dây có số vòng dây và điện áp tương ứng là w1, w2, w3, và U1 , U2 ,U3 ( hình 5-14 ).

u1 w1 w2 u2 u2

w3 u3

u3

a) b) Hình 5-14. Máy biến áp ba cuộn dây a) Nguyên lý cấu tạo ; b) Sơ đồ nguyên lý

Thường chế tạo với U1  U2  U3 và ký hiệu theo trị số điện áp : cao (UC );

trung (UT ) và hạ (UH ) . Tuỳ theo yêu cầu có thể có các chế độ làm việc khác nhau : - một cuộn là nguồn ( sơ cấp ), hai cuộn kia là tải ( thứ cấp )

- hai cuộn đều là nguồn , cuộn kia là tải .

ví du : - công suất chuyển từ cao sang trung và hạ hay ngược lại (hình 5-15a ) - công suất truyền từ trung sang cao và hạ hay ngược lại ( hình 5-15b ) - công suất truyền từ hạ lên cao và trung hay ngược lại ( hình 5-15c )

T C C C T H

H H T

T C C

Sơ đồ nối các cuộn dây Cuộn cuộn Đồ thị Ký hiệu Cuộn cao Cuộn hạ cao hạ vectơ tổ nối dây A B C

A B C

O A B C

O a b c

a b c

a b c

B A C B

A C

B A C

B b c

bä c a

a C b

^B

b A a B bä A a B bä A a

Y/Y-

⁰

Y/-

11

Y/-

11

U₁