Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nhu cầu phụ tải điện tại các khu công nghiệp, khu đô thị và hạ tầng giao thông không ngừng gia tăng. Điện năng đóng vai trò huyết mạch trong sản xuất và sinh hoạt. Nhằm tối ưu hóa hiệu quả truyền tải và phân phối năng lượng, giảm thiểu tổn hao công suất trên lưới điện trung áp và hạ áp, máy biến áp điện lực là thiết bị tĩnh mang tính quyết định. Đề tài "Thiết kế máy biến áp ba pha ngâm dầu" do sinh viên Lại Quyết Tiến thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Anh Tuấn tại Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho máy biến áp phân phối cấp điện áp 35 kV xuống 0,4 kV.

Mục tiêu nghiên cứu và các nhiệm vụ thiết kế được xác định cụ thể theo đề tài giao:

  1. Nghiên cứu tổng quan cấu tạo, nguyên lý vận hành, quy chuẩn kỹ thuật và các bước công nghệ chế tạo máy biến áp điện lực.
  2. Tính toán các kích thước điện từ chủ yếu của mạch từ và hệ số hình học tối ưu chi phí vật liệu chế tạo.
  3. Thiết kế chi tiết hệ thống dây quấn hạ áp và cao áp, bao gồm tính toán cách điện, mật độ dòng điện và phân bố số vòng cho các nấc điều chỉnh điện áp.
  4. Tính toán tham số ngắn mạch, tổn hao công suất trong dây dẫn, điện áp ngắn mạch và kiểm nghiệm ứng suất điện động khi xảy ra ngắn mạch.
  5. Tính toán kết cấu mạch từ, khối lượng vật liệu sắt từ, tổn hao không tải và dòng điện không tải phản kháng.
  6. Tính toán nhiệt, kiểm tra độ tăng nhiệt của dây quấn, dầu cách điện và thiết kế vỏ thùng tản nhiệt bằng ống ô van.
  7. Xây dựng hồ sơ kỹ thuật gồm 01 bản vẽ tổng lắp ráp máy biến áp trên khổ giấy A3.

Đối tượng nghiên cứu là máy biến áp phân phối ba pha ngâm dầu làm mát tự nhiên với công suất định mức $S_{đm} = 400\text{ kVA}$. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở các thông số kỹ thuật định mức: tổ đấu dây $\text{Dyn11}$, điện áp danh định phía cao áp $35 \pm 2 \times 2,5%\text{ kV}$, điện áp danh định phía hạ áp $0,4\text{ kV}$, tần số làm việc $50\text{ Hz}$, cùng các tiêu chí kiểm soát tổn hao $P_0 = 433\text{ W}$, $P_n = 3818\text{ W}$, dòng điện không tải $i_0 = 2%$ và điện áp ngắn mạch $u_n = 4 - 6%$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên định luật cảm ứng điện từ của Faraday và các phương trình biến đổi điện từ trường trong máy điện tĩnh hai dây quấn. Điện áp cảm ứng hình sin được biểu diễn qua phương thức quan hệ giữa tần số $f$, số vòng dây $w$ và từ thông cực đại $\Phi_m$:

$$E = \frac{2\pi}{\sqrt{2}} f w \Phi_m = 4,44 f w \Phi_m$$

Hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật được áp dụng xuyên suốt đồ án gồm:

  • TCVN 6391-1-1998: Quy định điều kiện làm việc tiêu chuẩn của máy biến áp (độ cao không quá 100 m so với mực nước biển, nhiệt độ không khí từ $-20^\circ\text{C}$ đến $+40^\circ\text{C}$), dãy công suất định mức tiêu chuẩn và ký hiệu tổ đấu dây.
  • TCVN 6306-1-1997: Tiêu chuẩn quy định các chỉ tiêu kỹ thuật, phương sai cho phép về tổn hao và dòng điện không tải trong ngưỡng $\pm 5%$.
  • TCVN 6306-2:2006 (IEC 60076-11): Tiêu chuẩn về độ tăng nhiệt và nhiệt độ chuẩn quy định đối với máy biến áp ngâm dầu làm mát tự nhiên ($75^\circ\text{C}$).
  • TCVN 1011-2015: Quy định mức hiệu suất năng lượng tối thiểu (MEP) cho máy biến áp phân phối ba pha ngâm dầu có công suất từ $25\text{ kVA}$ đến $2500\text{ kVA}$, điện áp đến $35\text{ kV}$.
  • TCVN 8:2015: Quy định về trình bày bản vẽ kỹ thuật máy điện.

Phương pháp nghiên cứu thực tế là phương pháp giải tích kỹ thuật kết hợp tối ưu hóa hàm mục tiêu giá thành. Tác giả khảo sát mối tương quan hình học qua biến số $\beta$ (tỷ số giữa chiều cao cuộn dây và đường kính trụ lõi thép) thông qua giải phương trình bậc năm:

$$x^5 + Bx^4 - Cx - D = x^5 + 0,21x^4 - 0,561x - 1,1 = 0$$

Từ đó, tác giả xác định điểm cực trị kinh tế kỹ thuật kết hợp với tỷ giá vật liệu giữa dây quấn đồng và thép silic ($k_{FeCu} = 2,21$). Nguồn dữ liệu tra cứu vật liệu sử dụng tôn silic cán nguội đẳng hướng mã 3404 dày $0,35\text{ mm}$ có suất tổn hao $p_T = 1,356\text{ W/kg}$, $p_G = 1,25\text{ W/kg}$ và dây dẫn bằng đồng có suất dẫn điện chuẩn.

Thiết kế kỹ thuật và quy trình công nghệ chế tạo

Hệ thống máy biến áp được cấu thành từ các cụm cơ khí - điện từ và quy trình lắp ráp công nghệ 10 bước khép kín theo tiêu chuẩn công nghiệp:

  1. Nhận đơn hàng và thiết kế: Tiếp nhận yêu cầu kỹ thuật của phụ tải và các chỉ tiêu tổn hao để xác định bài toán thiết kế.
  2. Chế tạo mạch từ: Sử dụng thép cán nguội chất lượng cao cắt góc $45^\circ$ theo định hướng từ thông nhằm giảm tổn hao không tải và độ ồn. Trụ sắt gồm 8 bậc tiết diện gần tròn được ép chặt bằng băng đai thủy tinh; gông từ gồm 6 bậc ép bằng xà thép, loại bỏ việc khoan lỗ xuyên qua lá tôn.
  3. Chế tạo cuộn dây: Dây quấn chế tạo từ đồng sợi và đồng lá hình chữ nhật bọc giấy cách điện tẩm epoxy. Giữa các lớp dây bố trí keo kết dính nhằm triệt tiêu lực rung và ứng suất dọc trục khi ngắn mạch.
  4. Gia công vỏ thùng máy: Thùng dầu làm bằng thép cán tấm, nắp thùng khoét lỗ định vị ty sứ bằng máy cắt CNC. Mối hàn được kiểm tra độ kín bằng đèn cực tím và dung dịch chuyên dụng. Bề mặt kim loại được phun bi làm sạch trước khi sơn tĩnh điện hoặc mạ kẽm nhúng nóng.
  5. Lắp ráp ruột máy (bước 1): Đặt lõi thép lên bệ, lồng các cuộn dây hạ áp và cao áp vào trụ lõi sắt, định tâm và ép xà gông trên bằng bu lông. Đầu dây ra được bọc giấy cách điện đặc biệt, kẹp định vị và nối với cọc đấu nối hoặc ty sứ.
  6. Sấy khô chân không: Ruột máy sau khi lắp ráp được đưa vào lò sấy chân không tự động để loại bỏ hoàn toàn độ ẩm trong vật liệu cách điện.
  7. Lắp ráp hoàn thiện (bước 2): Lắp đặt ruột máy vào thùng dầu, kết nối các đầu cốt với ty sứ cao áp, hạ áp và đấu nối hệ thống đo lường, cảm biến nhiệt độ.
  8. Hút chân không và nạp dầu: Hút chân không toàn bộ thùng máy để loại bỏ bọt khí trước khi nạp dầu tự động, nâng cao độ bền cách điện và duy trì tuổi thọ vận hành đạt khoảng 25 năm.
  9. Kiểm tra và thử nghiệm: Tiến hành đo điện trở cách điện, thử nghiệm điện áp tăng cao tần số công nghiệp ($5\text{ kV}$ cho cuộn HA, $80\text{ kV}$ cho cuộn CA), đo tổn hao không tải và ngắn mạch.
  10. Nhập kho và bàn giao: Hoàn tất hồ sơ kiểm định và bàn giao thiết bị.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Phần mở đầu

Tác giả hệ thống hóa định nghĩa, phân loại và cấu tạo bốn bộ phận cốt lõi của máy biến áp: lõi thép, dây quấn, hệ thống làm mát/vỏ máy và hệ thống bảo vệ. Văn bản so sánh hai phương pháp ghép mạch từ: kiểu ghép nối thẳng (đơn giản nhưng khe hở lớn, dòng không tải cao) và kiểu ghép xen kẽ (từng lớp lá thép trụ và gông đan xen, tối ưu hóa từ trở và được lựa chọn áp dụng).

Đối với dây quấn, tác giả phân tích đặc tính của dây quấn đồng tâm và dây quấn xen kẽ. Cuộn cao áp và hạ áp dạng ống đồng tâm được lựa chọn nhờ cấu tạo đơn giản, cuộn hạ áp đặt trong sát trụ thép giúp giảm khoảng cách cách điện, cuộn cao áp đặt ngoài thuận tiện cho việc trích đầu phân nấc điều chỉnh điện áp. Chương này cũng phân tích vai trò của bình dầu phụ giãn nở tự do và cơ chế truyền nhiệt đối lưu - bức xạ của dầu máy biến áp ra môi trường xung quanh.

Chương 2: Thiết kế máy biến áp

Chương 2 trình bày toàn bộ tiến trình tính toán số liệu kỹ thuật của máy biến áp $400\text{ kVA}$:

  • Tham số cơ bản: Công suất một trụ $S'p = 133,3\text{ kVA}$. Cuộn hạ áp nối sao ($Y$) có điện áp pha $U{f1} = 0,231\text{ kV}$, dòng điện định mức $I_{p1} = 579,71\text{ A}$. Cuộn cao áp nối tam giác ($\Delta$) có điện áp pha $U_{f2} = 35\text{ kV}$, dòng điện dây $I_{d2} = 6,6\text{ A}$. Điện áp thử nghiệm xác định $U_{tn1} = 5\text{ kV}$ và $U_{tn2} = 80\text{ kV}$.
  • Kích thước chủ yếu và mạch từ: Qua khảo sát dãy giá trị $\beta \in [1,2; 3,6]$, tác giả chọn đường kính trụ chuẩn $d = 28\text{ cm}$ ứng với khoảng kinh tế $1,8 < \beta < 2,4$. Mật độ từ cảm trụ $B_T = 1,62\text{ T}$, gông $B_G = 1,585\text{ T}$ với hệ số gông $k_G = 1,02$. Tiết diện thuần sắt của trụ đạt $S'_T = 530,9\text{ cm}^2$ và của gông đạt $S'_G = 549,1\text{ cm}^2$. Điện áp mỗi vòng dây là $U_v = 17,77\text{ V}$.
  • Tính toán dây quấn: Cuộn hạ áp chọn kiểu xoắn kép nhiều sợi chữ nhật song song gồm 13 vòng dây, mật độ dòng điện $J_1 = 2,46\text{ A/mm}^2$, đường kính trong $D'1 = 31,2\text{ cm}$, đường kính ngoài $D"1 = 37,2\text{ cm}$, khối lượng đồng $G{Cu1} = 327,58\text{ kg}$. Cuộn cao áp chọn kiểu xoáy ốc liên tục gồm 128 bánh dây, tổng số vòng định mức $w_2 = 1970\text{ vòng}$ (16 vòng/bánh). Số vòng dây trên 5 cấp điều chỉnh điện áp lần lượt là: nấc $+5%$ ($36,75\text{ kV}$) có 2070 vòng; nấc $+2,5%$ ($35,975\text{ kV}$) có 2020 vòng; nấc định mức ($35\text{ kV}$) có 1970 vòng; nấc $-2,5%$ ($34,125\text{ kV}$) có 1920 vòng; nấc $-5%$ ($33,25\text{ kV}$) có 1870 vòng. Khối lượng đồng cuộn cao áp $G{Cu2} = 518,21\text{ kg}$.
  • Ngắn mạch và kiểm nghiệm cơ khí: Tổng tổn hao ngắn mạch tính toán đạt $P_n = 4005\text{ W}$, điện áp ngắn mạch tính toán $u_n = 5,18%$. Lực ép điện động cực đại xuất hiện giữa chiều cao dây quấn hạ áp sinh ra ứng suất nén $\sigma_e = 24,82\text{ MPa}$, nằm trong giới hạn bền cho phép ($18 - 30\text{ MPa}$).
  • Hệ thống tản nhiệt và cân bằng nhiệt: Thùng dầu có kích thước chiều rộng $B = 70\text{ cm}$, sử dụng 36 ống tản nhiệt hình ô van bố trí 2 dãy. Độ tăng nhiệt bề mặt dây quấn hạ áp so với dầu là $5,67^\circ\text{C}$, cuộn cao áp so với dầu là $18,02^\circ\text{C}$. Độ tăng nhiệt giữa dầu và không khí đạt $38,42^\circ\text{C}$. Độ tăng nhiệt tổng của cuộn cao áp với không khí là $55,46^\circ\text{C}$ và cuộn hạ áp là $44^\circ\text{C}$, đều thỏa mãn giới hạn tiêu chuẩn cho phép ($< 65^\circ\text{C}$). Tổng khối lượng đồng là $875,74\text{ kg}$, tôn silic là $2066,64\text{ kg}$, ruột máy đạt $3570,47\text{ kg}$.

Chương 3: Kết luận, kiến nghị và hướng phát triển của đề tài

Chương 3 tổng kết các kết quả đạt được của quá trình thiết kế, tái khẳng định máy biến áp ngâm dầu ba pha đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật của đề tài. Văn bản nhấn mạnh ưu điểm của máy biến áp dầu về khả năng làm mát, độ bền cơ học cao và tuổi thọ vận hành thiết kế lên đến 25 năm. Tác giả kết luận các phương pháp tính toán đã giúp hoàn thành một sản phẩm có các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật phù hợp, sẵn sàng cho công tác chế tạo thực tế.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán thiết kế của máy biến áp được tổng hợp và đối chiếu trực tiếp với các yêu cầu ban đầu trong bảng sau:

Thông số kỹ thuật Ký hiệu Yêu cầu đề bài Kết quả thiết kế Đánh giá sai số
Công suất định mức $S_{đm}$ $400\text{ kVA}$ $400\text{ kVA}$ Đạt yêu cầu
Cấp điện áp định mức $U_1 / U_2$ $35 \pm 2 \times 2,5% / 0,4\text{ kV}$ $35 \pm 2 \times 2,5% / 0,4\text{ kV}$ Đạt yêu cầu
Tổ đấu dây - $\text{Dyn11}$ $\text{Dyn11}$ Đạt yêu cầu
Tổn hao không tải $P_0$ $433\text{ W}$ ($400\text{ W}$) $418\text{ W}$ $-4,5%$ (Cho phép $\le \pm 5%$)
Tổn hao ngắn mạch $P_n$ $3818\text{ W}$ $4005\text{ W}$ $+4,8%$ (Cho phép $\le \pm 5%$)
Dòng điện không tải $i_0$ $2,0%$ $2,08%$ $+4,5%$ (Cho phép $\le \pm 5%$)
Điện áp ngắn mạch $u_n$ $4% - 6%$ $5,18%$ Nằm trong dải quy định
Ứng suất điện động ngắn mạch $\sigma_e$ $\le 18 - 30\text{ MPa}$ $24,82\text{ MPa}$ Đảm bảo độ bền cơ học
Độ tăng nhiệt cuộn CA / Không khí $\theta_{ok2}$ $< 65^\circ\text{C}$ $55,46^\circ\text{C}$ Đảm bảo độ bền nhiệt
Độ tăng nhiệt cuộn HA / Không khí $\theta_{ok1}$ $< 65^\circ\text{C}$ $44,00^\circ\text{C}$ Đảm bảo độ bền nhiệt

Các giải pháp kỹ thuật do tác giả đề xuất bao gồm:

  • Sử dụng tôn silic cán nguội 3404 dày $0,35\text{ mm}$ kết hợp phương pháp ghép xen kẽ nhằm ghìm dòng điện không tải ở mức $2,08%$.
  • Thiết kế kết hợp giữa dây quấn xoắn kép phía hạ áp và dây quấn xoáy ốc liên tục 128 bánh phía cao áp, đảm bảo phân bố điện trường đồng đều và tối ưu hóa diện tích rãnh dầu làm mát.
  • Bố trí 36 ống tản nhiệt ô van 2 dãy trên thùng dầu nhằm giải quyết triệt để vấn đề tản nhiệt đối lưu tự nhiên mà không cần dùng quạt thổi cưỡng bức.

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc xây dựng một chu trình tính toán giải tích hoàn chỉnh, nhất quán từ lý thuyết điện từ đến kiểm nghiệm cơ khí và truyền nhiệt cho máy biến áp phân phối $35\text{ kV}$, đáp ứng đúng các quy định về sai số kỹ thuật theo tiêu chuẩn TCVN 6306-1-1997.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án theo nội dung văn bản:

  • Các bước tính toán tổn hao, suất tản nhiệt và kích thước kết cấu phụ thuộc chủ yếu vào các hệ số kinh nghiệm và bảng tra tĩnh trong tài liệu hướng dẫn, chưa được đối chứng qua mô phỏng trường số (phương pháp phần tử hữu hạn FEM).
  • Máy biến áp ngâm dầu có đặc tính dễ cháy nổ của dầu khoáng cách điện, đòi hỏi quy trình bảo trì, phòng chống cháy nổ nghiêm ngặt và chi phí vận chuyển lắp đặt cao hơn máy biến áp khô.

Hướng phát triển của đề tài:

  • Nghiên cứu ứng dụng vật liệu từ tính vô định hình (amorphous) thay thế cho thép silic cán nguội nhằm giảm thiểu sâu hơn tổn hao không tải theo định hướng của TCVN 1011-2015.
  • Ứng dụng công nghệ tự động hóa và tối ưu hóa đa mục tiêu bằng máy tính trong việc lựa chọn kích thước hình học nhằm cân bằng giữa chi phí vật liệu chế tạo ban đầu và chi phí tổn thất điện năng trong suốt chu kỳ vận hành.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích đối với sinh viên ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện và Thiết bị điện khi thực hiện đồ án môn học Thiết kế máy điện hoặc khóa luận tốt nghiệp. Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu gồm:

  • Phương pháp giải bài toán tối ưu hàm mục tiêu kinh tế kỹ thuật để xác định hệ số $\beta$ và đường kính trụ lõi thép $d$.
  • Trình tự thiết kế chi tiết từng nấc phân bố vòng dây của cuộn cao áp $35\text{ kV}$ và kiểm nghiệm ứng suất cơ học dây quấn khi ngắn mạch.
  • Phương pháp tính toán kích thước thùng dầu, diện tích bề mặt bức xạ - đối lưu và xác định số lượng ống tản nhiệt ô van.

Câu hỏi thường gặp

Đề tài thiết kế máy biến áp với các thông số định mức cơ bản nào?
Máy biến áp được thiết kế có công suất biểu kiến $S_{đm} = 400\text{ kVA}$, tổ đấu dây $\text{Dyn11}$, điện áp danh định $35 \pm 2 \times 2,5% / 0,4\text{ kV}$, tần số $50\text{ Hz}$, kiểu ngâm dầu làm mát tự nhiên.

Kiểu dây quấn nào được lựa chọn cho các cuộn cao áp và hạ áp?
Phía hạ áp ($0,4\text{ kV}$, dòng điện $579,71\text{ A}$) sử dụng dây quấn hình xoắn kép nhiều mạch dây dẫn hình chữ nhật đặt phía trong; phía cao áp ($35\text{ kV}$, dòng điện $6,6\text{ A}$) sử dụng dây quấn hình xoáy ốc liên tục gồm 128 bánh dây dẫn hình chữ nhật đặt phía ngoài.

Mạch từ máy biến áp được cấu tạo từ vật liệu gì và ghép theo phương pháp nào?
Mạch từ sử dụng thép kỹ thuật điện cán nguội đẳng hướng mã 3404 dày $0,35\text{ mm}$, mật độ từ thông trụ $B_T = 1,62\text{ T}$ và gông $B_G = 1,585\text{ T}$. Các lá tôn được cắt góc $45^\circ$ và ghép xen kẽ (gồm 4 rãnh chéo và 3 rãnh vuông), trụ có 8 bậc nẹp bằng đai thủy tinh, gông có 6 bậc ép bằng xà thép không khoan xuyên bulông.

Sai số giữa các thông số tính toán thiết kế và yêu cầu đề bài có đạt tiêu chuẩn không?
Các sai số đạt chuẩn theo TCVN: tổn hao không tải $P_0 = 418\text{ W}$ (sai số $-4,5%$), tổn hao ngắn mạch $P_n = 4005\text{ W}$ (sai số $+4,8%$), dòng điện không tải $i_0 = 2,08%$ (sai số $+4,5%$). Tất cả đều nằm trong phạm vi cho phép $\pm 5%$; điện áp ngắn mạch $u_n = 5,18%$ nằm trong dải quy định $4 - 6%$.

Hệ thống làm mát của máy biến áp được tính toán như thế nào để đảm bảo giới hạn nhiệt độ?
Thùng dầu được thiết kế với chiều rộng $70\text{ cm}$, sử dụng 36 ống tản nhiệt hình ô van xếp thành 2 dãy. Kết quả tính toán nhiệt cho thấy độ tăng nhiệt của cuộn cao áp so với không khí là $55,46^\circ\text{C}$ và cuộn hạ áp là $44^\circ\text{C}$, đều thấp hơn ngưỡng giới hạn $65^\circ\text{C}$ của tiêu chuẩn TCVN 6306-2.

Kết luận

Đồ án thiết kế máy biến áp ba pha ngâm dầu $400\text{ kVA} - 35/0,4\text{ kV}$ của tác giả Lại Quyết Tiến đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán cơ bản của một đồ án môn học thiết kế máy điện. Các chỉ tiêu về tổn hao không tải, tổn hao ngắn mạch, dòng không tải và độ tăng nhiệt đều được kiểm nghiệm đạt chuẩn theo tiêu chuẩn TCVN hiện hành với sai số dưới $5%$. Kết quả nghiên cứu cung cấp một tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tính toán kỹ thuật điện từ, kết cấu cơ khí và công nghệ chế tạo máy biến áp ngâm dầu trong thực tế.