Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống điện lực, quá trình truyền tải và phân phối điện năng từ các nhà máy phát điện đến các trung tâm phụ tải tiêu thụ đòi hỏi phải đi qua 4 đến 5 cấp tăng và giảm điện áp để tối ưu hóa hiệu quả kinh tế và giảm thiểu tổn thất kỹ thuật trên đường dây. Do đó, tổng công suất của hệ thống máy biến áp (MBA) luôn cần gấp 4 đến 5 lần tổng công suất của các nguồn phát điện. Theo số liệu thống kê được tác giả dẫn giải, tính đến năm 2019, tổng công suất đặt nguồn điện toàn hệ thống Việt Nam đạt hơn 54.880 MW (tăng khoảng 1.800 lần so với năm 1954), sản lượng điện sản xuất và mua của EVN đạt 231,1 tỷ kWh, cấp điện lưới quốc gia tới 63/63 tỉnh thành và 11/12 huyện đảo với tỷ lệ 99,25% số hộ dân có điện. Đi cùng quy mô đó, tổng dung lượng máy biến áp của lưới điện Việt Nam đã đạt khoảng 57.750 MVA với 31 trạm 500/220 kV và 128 trạm 220/110 kV.

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn về việc phát triển và bổ sung thiết bị phân phối trung gian trên lưới điện, đồ án tốt nghiệp tập trung giải quyết bài toán: Thiết kế máy biến áp điện lực 3 pha ngâm dầu công suất 1250 kVA, cấp điện áp 22/0,4 kV.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế được xác định theo các nội dung chính:

  1. Xác định các đại lượng điện cơ bản và tính toán kích thước chủ yếu của máy biến áp.
  2. Thiết kế tính toán hệ thống dây quấn hạ áp (HA) và cao áp (CA).
  3. Tính toán các tham số ngắn mạch và kiểm tra độ bền lực cơ học của dây quấn.
  4. Tính toán hệ thống mạch từ, tổn hao không tải, dòng điện không tải và hiệu suất làm việc.
  5. Tính toán nhiệt, hệ thống làm mát cánh sóng và kết cấu cơ khí vỏ thùng, ruột máy.
  6. Xây dựng chuyên đề về nguyên nhân hư hỏng và quy trình bảo dưỡng máy biến áp dầu.
  • Đối tượng nghiên cứu: Máy biến áp điện lực 3 pha, 2 dây quấn kiểu đồng tâm, làm mát ngâm dầu tự nhiên.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế kỹ thuật theo các tiêu chuẩn tính toán máy điện tĩnh; thời gian thực hiện hoàn thành vào tháng 10/2020 tại Bộ môn Thiết bị điện - Điện tử, Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng hệ thống lý thuyết về máy điện tĩnh, nguyên lý cảm ứng điện từ và phương pháp tính toán giải tích trường điện từ trong thiết bị điện. Quá trình tính toán kết hợp giải tích truyền nhiệt và tối ưu hóa quan hệ kích thước hình học nhằm cân đối giữa chỉ tiêu kinh tế (chi phí kim loại tác dụng: đồng, sắt) và chỉ tiêu kỹ thuật (tổn hao, độ bền điện, cơ và nhiệt).

Các mô hình, tiêu chuẩn và vật liệu được tác giả áp dụng bao gồm:

  • Khung mạch từ: Mạch từ phẳng 3 pha 3 trụ bằng tôn silic cán lạnh định hướng từ tính cao của hãng AK Steel (mã hiệu ASTM A804 H-0, chiều dày lá tôn 0,23 mm, từ cảm định mức chọn $B_t = 1,6\text{ T}$). Trụ mạch từ ghép nhiều bậc dạng gần tròn, gông từ ghép bậc hình chữ nhật.
  • Dây dẫn điện: Dây đồng trần tiết diện chữ nhật có bọc cách điện giấy cáp chuyên dụng.
  • Chất làm mát và cách điện: Dầu cách điện máy biến áp chuyên dụng có chất phụ gia kháng oxy hóa (Unitrans Oil / Hi-Volt).
  • Phương pháp tính toán: Phương pháp giải tích kết hợp tra bảng định mức và vẽ đồ thị khảo sát tối ưu hệ số kích thước $\beta$ (tỷ số giữa chiều cao cuộn dây và đường kính trung bình rãnh dầu rải từ tản) trong dải từ 1,2 đến 3,6 nhằm lựa chọn điểm làm việc có tổn hao không tải $P_0$ và giá thành vật liệu tối ưu.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về máy biến áp

Chương này hệ thống hóa các khái niệm, phân loại và kết cấu của máy biến áp điện lực. Tác giả trình bày vai trò của MBA trong mạng truyền tải và phân phối điện, định nghĩa các đại lượng định mức ($S_{đm}$, $U_{1đm}$, $U_{2đm}$, $I_{đm}$). Kết cấu chính của MBA được phân tích gồm 4 bộ phận:

  • Lõi sắt: Gồm trụ và gông; so sánh ưu - nhược điểm của lõi sắt kiểu trụ, kiểu bọc và kiểu trụ bọc. Đồ án lựa chọn kiểu trụ cho MBA phân phối 3 pha.
  • Dây quấn: Phân tích kết cấu dây quấn đồng tâm và dây quấn xen kẽ. Dây quấn đồng tâm được chọn với cuộn hạ áp (HA) đặt sát trụ sắt và cuộn cao áp (CA) đặt phía ngoài để thuận tiện rút đầu phân áp.
  • Hệ thống làm mát: Phân loại môi chất và phương thức tuần hoàn theo mã 4 chữ cái (chẳng hạn ONAN).
  • Vỏ máy và phụ kiện: Cấu tạo nắp thùng, sứ xuyên cách điện CA/HA, bình giãn dầu (bình dầu phụ), ống bảo hiểm phòng nổ, lỗ đặt nhiệt kế, rơle hơi và bộ chuyển đổi đầu phân áp.

Chương 2. Tính toán các kích thước chủ yếu

Tác giả thực hiện xác định các tham số điện cơ bản từ các thông số định mức ban đầu ($S = 1250\text{ kVA}$, $U_1/U_2 = 22/0,4\text{ kV}$, tần số $50\text{ Hz}$, tổ nối dây $\Delta/Y_0-11$, $u_k% = 6%$, $P_0 \le 1115\text{ W}$, $P_k \le 10690\text{ W}$):

  • Công suất mỗi pha/mỗi trụ: $S' = 416,7\text{ kVA}$.
  • Dòng điện dây: $I_{CA} = 32,8\text{ A}$, $I_{HA} = 1804,2\text{ A}$.
  • Dòng điện pha: Phía CA (nối $\Delta$) $I_{f2} = 18,9\text{ A}$; Phía HA (nối $Y$) $I_{f1} = 1804,2\text{ A}$.
  • Điện áp pha: $U_{f2} = 22000\text{ V}$; $U_{f1} = 230,9\text{ V}$.
  • Điện áp thử nghiệm: Dây quấn CA chịu $U_{th2} = 60\text{ kV}$; dây quấn HA chịu $U_{th1} = 5\text{ kV}$.
  • Thành phần điện áp ngắn mạch: Thành phần tác dụng $u_{nr}% = 0,855%$; thành phần phản kháng $u_{nx}% = 5,9387%$.

Tác giả khảo sát mối quan hệ giữa hệ số $\beta$ trong khoảng 1,2 đến 3,6 với tổn hao không tải $P_0$, dòng điện không tải $i_0%$, khối lượng sắt $G_{Fe}$, khối lượng đồng $G_{dq}$ và giá thành vật liệu tác dụng. Kết quả khảo sát sơ bộ:

Hệ số $\beta$ $x = \sqrt[4]{\beta}$ Khối lượng trụ $G_t$ (kg) Tổng khối lượng sắt $G_{Fe}$ (kg) Khối lượng góc $G_0$ (kg) Giá thành quy ước $G'_{td}$
1,20 1,05 598,2 1603,8 45,97 2633,5
1,80 1,16 677,0 1466,9 62,31 2597,4
1,97 1,19 703,3 1438,2 66,00 2591,8
2,40 1,24 754,1 1422,6 76,80 2615,6
3,00 1,32 828,4 1435,9 92,10 2661,0
3,60 1,38 895,3 1470,2 108,00 2724,5

Từ yêu cầu $P_0 \le 1115\text{ W}$, tác giả chọn $\beta = 1,97$, tính ra đường kính trụ sơ bộ $d = 0,247\text{ m}$ và quy chuẩn về đường kính tiêu chuẩn $d = 0,24\text{ m}$ (tương ứng $\beta = 1,7488$). Các kết quả sơ bộ thu được: $P_0 \approx 1068,8\text{ W}$, $i_0% \approx 0,43%$, $G_{Fe} = 1316,22\text{ kg}$, $G_{dq} = 703,33\text{ kg}$, tiết diện thuần sắt của trụ $T_t = 0,04\text{ m}^2$.

Chương 3. Tính toán dây quấn

Chương này phân tích các yêu cầu về cơ, điện, nhiệt trong chế tạo và vận hành dây quấn, đồng thời so sánh các kiểu quấn dây (ống đơn, ống kép, hình xoắn, hình xoáy ốc liên tục).

  • Tính toán cuộn hạ áp (HA): Sức điện động một vòng dây sơ bộ $e_v = 14,148\text{ V}$. Số vòng dây một pha cuộn HA chọn $w_1 = 17$ vòng (tính lại $e_v = 13,58\text{ V}$). Do tiết diện vòng dây lớn ($T_1' = 794,8\text{ mm}^2$), tác giả chọn kiểu dây quấn hình xoắn mạch kép, hoán vị phân bố đều, có rãnh dầu ngang giữa 2 nhóm bánh dây. Mỗi vòng dây gồm 12 sợi đồng chữ nhật ghép song song ($2 \times 6$ sợi), tiết diện mỗi sợi $66,2\text{ mm}^2$. Mật độ dòng điện thực tế $j_1 = 2,24\text{ A/mm}^2$. Chiều cao thực của cuộn dây $l_1 = 763\text{ mm}$, bề dày cuộn dây $a_1 = 27\text{ mm}$, đường kính trong $D_1 = 0,27\text{ m}$, đường kính ngoài $D_1' = 0,324\text{ m}$, tổng khối lượng đồng cuộn HA $G_{Cu1} = 341,5\text{ kg}$ (khối lượng dây dẫn có cách điện $G_{dd1} \approx 346,6\text{ kg}$).
  • Tính toán cuộn cao áp (CA): Thiết kế điều chỉnh điện áp không kích thích với 4 cấp: $\pm 5%, \pm 2,5%$. Điện áp làm việc qua tiếp điểm chuyển mạch là 2200 V, dòng điện làm việc 32,8 A. Số vòng dây cuộn CA ứng với điện áp định mức là $w_{2đm} = 1620$ vòng. Số vòng dây mỗi cấp điều chỉnh là $w_{đc} = 40$ vòng ($2,5%$). Các nấc phân áp:
    • Nấc $+5%$ (23.100 V): 1700 vòng.
    • Nấc $+2,5%$ (22.550 V): 1660 vòng.
    • Nấc định mức (22.000 V): 1620 vòng.
    • Nấc $-2,5%$ (21.450 V): 1580 vòng.
    • Nấc $-5%$ (20.900 V): 1540 vòng.

Chương 4. Tính toán tham số ngắn mạch

Chương này xác định tổn hao ngắn mạch chính trong cuộn dây và tổn hao phụ do dòng điện xoáy trong dây dẫn, vách thùng và các chi tiết kim loại kết cấu ($P_k \le 10690\text{ W}$). Tính toán thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng, phản kháng và kiểm tra tổng trở ngắn mạch toàn phần ($u_k% = 6%$). Đồng thời, chương 4 tiến hành tính toán lực cơ học tác động lên dây quấn khi xảy ra ngắn mạch đột ngột (gồm lực từ trường tản hướng tâm gây nén cuộn trong - kéo cuộn ngoài và lực dọc trục gây ép đầu dây quấn) nhằm đảm bảo cuộn dây không bị biến dạng cơ học.

Chương 5. Tính toán cuối cùng về hệ thống mạch từ

Xác định kết cấu cơ khí chi tiết của lõi thép:

  • Trụ mạch từ gồm 8 bậc thang, gông từ gồm 6 bậc thang.
  • Hệ số điền đầy $k_đ = 0,95$, hệ số chêm kín $k_c = 0,925$, hệ số lợi dụng lõi sắt $k_{ld} = 0,8787$.
  • Từ cảm trong trụ $B_t = 1,6\text{ T}$, từ cảm trong gông $B_g = 1,5686\text{ T}$, từ cảm ở mối nối xiên $B_k = 1,13\text{ T}$. Mạch từ sử dụng 6 mối nối nghiêng để giảm tổn hao góc nối.
  • Tính toán thể tích và khối lượng thuần sắt của từng phần: khối lượng sắt trụ $G_t$, khối lượng sắt gông $G_g$, khối lượng các góc mạch từ $G_0$ và tổng khối lượng toàn bộ mạch từ ($G_{Fe} \approx 1316,22\text{ kg}$).

Chương 6. Tổn hao không tải, dòng điện không tải và hiệu suất MBA

  • Xác định chính xác tổn hao không tải $P_0$ dựa trên suất tổn hao $p_t = 0,655\text{ W/kg}$, $p_g = 0,6267\text{ W/kg}$ kết hợp với các hệ số gia tăng tổn hao công suất góc nối ($k_{po} = 8,5$) và tổn hao do gia công cơ học, đạt giá trị $P_0 \approx 1068,8\text{ W}$ (thỏa mãn yêu cầu ban đầu $< 1115\text{ W}$).
  • Tính toán công suất từ hóa $Q_0$ từ suất từ hóa $q_t = 1,228\text{ VA/kg}$, $q_g = 1,150\text{ VA/kg}$ và khe hở không khí mối nối.
  • Tính toán dòng điện không tải $i_0% \approx 0,43%$.
  • Tính toán đường cong hiệu suất của máy biến áp ở chế độ định mức ($100%$ tải) và chế độ non tải ($50%$ tải) với hệ số công suất $\cos\varphi$.

Chương 7. Tính toán nhiệt của MBA

Thực hiện giải tích quá trình truyền nhiệt từ dây quấn và lõi sắt qua dầu cách điện tới vách thùng và tỏa ra môi trường không khí:

  • Tính toán mật độ tỏa nhiệt trên bề mặt cuộn dây HA, CA và bề mặt lõi thép.
  • Tính toán nhiệt độ chênh giữa dây quấn với dầu, nhiệt độ chênh giữa lớp dầu bề mặt với không khí xung quanh.
  • Thiết kế kích thước và bề mặt tản nhiệt của vách thùng dạng cánh sóng nhằm đảm bảo nhiệt độ phát nóng tối đa của cuộn dây và dầu không vượt quá giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn vận hành (đảm bảo tuổi thọ cách điện 15–20 năm).

Chương 8. Xác định sơ bộ ruột máy, vỏ máy, dầu MBA

  • Xác định tổng khối lượng ruột máy (lõi thép, dây quấn, xà ép, nẹp cách điện).
  • Thiết kế kết cấu vỏ thùng chứa dầu, nắp máy và tính toán thể tích bình giãn dầu (bình dầu phụ) đảm bảo không gian co giãn thể tích dầu theo biến thiên nhiệt độ môi trường và tải.
  • Lựa chọn chủng loại dầu cách điện Unitrans Oil (Hi-Volt) có phụ gia chống oxy hóa, đáp ứng các chỉ tiêu cách điện và truyền nhiệt.
  • Lựa chọn và bố trí các phụ kiện: ống phòng nổ có màng đĩa thủy tinh, ống chỉ thị mức dầu, rơle hơi bảo vệ nội bộ và các sứ xuyên cách điện 22 kV và 0,4 kV.

Chương 9. Chuyên đề bảo dưỡng MBA dầu

Nghiên cứu cơ sở vận hành thực tế của máy biến áp ngâm dầu:

  • Phân tích nguyên nhân suy giảm chất lượng vận hành và sự cố MBA: do lão hóa nhiệt của giấy cách điện và dầu, phóng điện cục bộ, tác động của lực động điện khi ngắn mạch, nhiễm ẩm và oxy hóa dầu.
  • Đề xuất quy trình các bước bảo dưỡng định kỳ: kiểm tra cơ khí bên ngoài, lấy mẫu thử nghiệm chỉ tiêu lý - hóa và độ bền điện môi của dầu, đo điện trở cách điện, điện trở một chiều các cuộn dây, kiểm tra hoạt động của rơle hơi, đồng hồ nhiệt độ và cơ cấu chuyển nấc phân áp.

Kết quả tính toán và thông số thiết kế

Toàn bộ quy trình tính toán trong đồ án đã đưa ra bảng thông số kỹ thuật hoàn chỉnh cho máy biến áp 1250 kVA:

Hạng mục thông số Giá trị thiết kế / Tính toán Đơn vị Ghi chú / Tiêu chuẩn đối chiếu
Dung lượng định mức ($S$) 1250 kVA 3 pha, 50 Hz
Cấp điện áp định mức ($U_1 / U_2$) 22 / 0,4 kV Sơ cấp nối $\Delta$, Thứ cấp nối $Y_0$
Dòng điện định mức ($I_{CA} / I_{HA}$) 32,8 / 1804,2 A Dòng điện dây
Dòng điện pha ($I_{fCA} / I_{fHA}$) 18,9 / 1804,2 A $I_{fCA} = I_{CA}/\sqrt{3}$
Điện áp thử nghiệm ($U_{thCA} / U_{thHA}$) 60 / 5 kV Tiêu chuẩn cách điện chính
Điện áp ngắn mạch ($u_k%$) 6,0 % $u_{nr} = 0,855%$; $u_{nx} = 5,9387%$
Tổn hao ngắn mạch ($P_k$) $\le 10690$ W Bao gồm tổn hao chính và phụ
Tổn hao không tải tính toán ($P_0$) 1068,8 W Thỏa mãn yêu cầu ($P_0 \le 1115\text{ W}$)
Dòng điện không tải ($i_0%$) 0,43 % Tính toán tại điểm tối ưu $\beta$
Đường kính trụ lõi sắt ($d$) 0,24 m 8 bậc thang, ép đai vải thủy tinh
Từ cảm làm việc trong trụ ($B_t$) 1,60 T Tôn AK Steel ASTM A804 H-0 (0,23 mm)
Từ cảm làm việc trong gông ($B_g$) 1,5686 T Gông 6 bậc thang ($k_g = 1,02$)
Số vòng dây cuộn HA ($w_1$) 17 vòng/pha Hình xoắn mạch kép, 12 sợi chập ($j_1 = 2,24\text{ A/mm}^2$)
Số vòng dây cuộn CA định mức ($w_2$) 1620 vòng/pha 4 cấp điều chỉnh: $\pm 5%, \pm 2,5%$ (40 vòng/cấp)
Khối lượng đồng cuộn HA ($G_{Cu1}$) 341,5 kg Khối lượng dây dẫn có bọc cách điện: 346,6 kg
Tổng khối lượng sắt lõi từ ($G_{Fe}$) 1316,22 kg Bao gồm trụ, gông và 6 mối nối nghiêng
Tổng khối lượng dây quấn ($G_{dq}$) 703,33 kg Tổng khối lượng dây dẫn có cách điện: 731,74 kg

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đồ án hoàn toàn dựa trên phương pháp tính toán giải tích cổ điển kết hợp tra cứu bảng biểu và hệ số kinh nghiệm chuyên ngành. Các kết quả phân bố từ trường tản, quá độ lực điện động ngắn mạch và trường nhiệt độ phức tạp trên các cánh tản nhiệt chưa được kiểm chứng qua mô phỏng số 3D hay thực nghiệm đo kiểm trên sản phẩm mẫu vật lý.
  • Hướng phát triển: Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng chính xác trường điện từ, lực cơ động học ngắn mạch và trường nhiệt độ phân bố cục bộ; nghiên cứu tối ưu hóa kết cấu máy biến áp sử dụng vật liệu hợp kim vô định hình (amorphous) nhằm giảm sâu hơn nữa tổn hao không tải $P_0$.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích đối với sinh viên, học viên chuyên ngành Kỹ thuật điện, Thiết bị điện - Điện tử khi thực hiện đồ án môn học Thiết kế máy điện hoặc đồ án tốt nghiệp thiết kế máy biến áp phân phối. Nội dung đồ án cung cấp chi tiết toàn bộ các bước tính toán: từ việc chọn tỷ số kích thước $\beta$, thiết kế kết cấu cuộn xoắn kép hạ áp có hoán vị phân bố đều, xác định nấc phân áp cao áp, cho đến quy trình phân tích và bảo dưỡng máy biến áp ngâm dầu trong thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án thiết kế máy biến áp với các thông số công suất và điện áp định mức nào?
Máy biến áp 3 pha ngâm dầu có công suất định mức 1250 kVA, tần số 50 Hz, điện áp sơ cấp định mức (cao áp) 22 kV (đấu tam giác $\Delta$), điện áp thứ cấp định mức (hạ áp) 0,4 kV (đấu sao có trung tính $Y_0$), tổ nối dây $\Delta/Y_0-11$.

2. Lõi thép máy biến áp được chế tạo bằng loại vật liệu gì và thông số từ cảm thiết kế là bao nhiêu?
Lõi sắt sử dụng tôn silic cán lạnh định hướng của hãng AK Steel mã hiệu ASTM A804 H-0, chiều dày lá tôn 0,23 mm. Từ cảm làm việc trong trụ được chọn là $B_t = 1,6\text{ T}$, từ cảm trong gông là $B_g = 1,5686\text{ T}$ và từ cảm tại mối nối xiên là $B_k = 1,13\text{ T}$.

3. Cuộn dây hạ áp (HA) được thiết kế theo kiểu kết cấu nào và có bao nhiêu vòng?
Cuộn HA được quấn theo kiểu hình xoắn mạch kép, hoán vị phân bố đều, gồm 17 vòng dây cho mỗi pha. Mỗi vòng dây gồm 12 sợi đồng chữ nhật ghép song song (chia làm 2 nhóm, mỗi nhóm 6 sợi, có rãnh dầu ngang 4 mm ở giữa), mật độ dòng điện đạt $2,24\text{ A/mm}^2$.

4. Cuộn dây cao áp (CA) có bao nhiêu vòng dây và các nấc điều chỉnh điện áp được phân chia như thế nào?
Cuộn CA có 1620 vòng dây ở cấp điện áp định mức 22 kV. Hệ thống điều chỉnh điện áp không kích thích gồm 4 cấp ($\pm 5%, \pm 2,5%$), mỗi cấp tương ứng 40 vòng dây, cho phép làm việc tại các mức: 1700 vòng (+5%), 1660 vòng (+2,5%), 1620 vòng (định mức), 1580 vòng (-2,5%) và 1540 vòng (-5%).

5. Kết quả tính toán tổn hao không tải và dòng điện không tải có đạt yêu cầu kỹ thuật ban đầu không?
Có. Tổn hao không tải tính toán đạt $P_0 \approx 1068,8\text{ W}$, thấp hơn giới hạn yêu cầu ban đầu ($P_0 \le 1115\text{ W}$); dòng điện không tải tính toán đạt giá trị nhỏ ở mức $i_0% \approx 0,43%$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Lê Thành Công đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán kỹ thuật cho máy biến áp điện lực 3 pha công suất 1250 kVA, cấp điện áp 22/0,4 kV theo đúng nhiệm vụ thiết kế được giao. Hệ thống tính toán bao quát toàn diện từ kích thước chủ yếu, hệ thống mạch từ tôn silic AK Steel, kết cấu dây quấn xoắn kép hạ áp và dây quấn cao áp phân nấc, đến kiểm tra tham số ngắn mạch, tổn hao không tải và phát nóng nhiệt độ. Các chỉ tiêu kỹ thuật thu được đều thỏa mãn các giới hạn ràng buộc ban đầu, đảm bảo độ tin cậy vận hành, tính kinh tế của vật liệu chế tạo và đi kèm quy trình bảo dưỡng thực tế trong công tác quản lý vận hành trạm biến áp.