CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN LỰC 1.1 Khái quát về Máy biến áp (MBA). Máy biến áp là một thiết bị từ tĩnh, làm việc dựa trên nguyên lí 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.1 Máy biến áp điện lực 3 pha ngâm dầu. Từ nhà máy, điện cần được dẫn đến nơi tiêu thụ qua đường dây truyền tải, nếu khoảng cách này lớn sẽ gây ra tổn thất rất lớn trên đường dây.
Với cùng một công suất truyền tải trên đường dây, nếu điện áp tăng lên thì dòng điện sẽ giảm xuống. Tổn thất trên đường dây tỉ lệ thuận với bình phương của dòng điện và tỉ lệ nghịch với bình phương của điện áp do đó nếu ta tăng điện áp lên thì tổn hao sẽ giảm đi rất nhiều, đồng thời khi dòng điện giảm xuống, tiết diện dây dẫn cần thiết giảm nên sẽ tiết kiệm được chi phí vật liệu. Từ điện áp cao thế sau khi truyền tải, để có được mức điện áp phù hợp với thiết bị tiêu thụ ta cần hạ mức điện áp xuống. Các thiết bị tăng/giảm áp được sử dụng ở trên được gọi chung là máy biến áp.2 Sơ đồ lưới điện truyền tải đơn giản.
Trong hệ thống điện lực, muốn truyền tải và phân phối công suất thường phải trải qua nhiều lần tăng giảm điện áp, trong đó hệ thống MBA chỉ đóng vai trò truyền tải hoặc phân phối năng lượng chứ không có vai trò chuyển hóa năng lượng. Dù hiệu suất của MBA thường rất cao ( 98-99%) nhưng bởi trải qua rất nhiều lần tăng giảm điện áp như trên, hiệu suất chung của đường dây truyền tải sẽ bị giảm đáng kể, do đó tổn hao trong MBA là một trong những vấn đề cần được tối ưu khi thiết kế.2 Phân loại Máy biến áp. Có nhiều loại máy biến áp khác nhau, người ta có thể phân loại theo những cách khác nhau dựa vào chức năng, cấu tạo, phương thức cách điện, công dụng. Theo chức năng: máy biến áp tăng áp và máy biến áp giảm áp thường được sử dụng để tăng và giảm điện áp trong lưới truyển tải và phân phối điện.
Theo cấu tạo của máy biến áp: máy biến áp 1 pha và máy biến áp 3 pha.3 Một số loại máy biến áp. Theo phương thức các điện: máy biến áp khô, máy biến áp dầu Theo công dụng: máy biến áp thí nghiệm, máy biến áp đo lường, máy biến áp chuyên dụng, máy biến áp điện lực, máy biến áp tự ngẫu. Ngày nay loại máy biến áp phổ biến nhất chúng ta thường gặp là máy biến áp một pha và máy biến áp ba pha. Máy biến áp một pha thường được sử dụng để ổn định lưới điện có mức tiêu thụ năng lượng thấp.
Dùng trong hộ gia đình hoặc xưởng cơ khí nhỏ lẻ. Máy biến ba pha được sử dụng trong lưới điện chạy đường điện cao áp, hoặc trong các xí nghiệp khu công nghiệp có mức tiêu thụ năng lượng lớn. Tùy vào chức năng sử dụng, địa điểm, hệ thống lưới điện mà người ta sử dụng những loại máy biến áp khác nhau để phù hợp với lưới điện. Việc lựa chọn máy biến áp dựa vào việc xác định đúng công suất tính toán phụ tải là quan trọng nhất và là khó khăn nhất.
Khó khăn chính là ở chỗ điện bao giờ cũng phải có trước, trạm biến áp bao giờ cũng phải xây dựng theo thời gian xây dụng cơ sở hạ tầng. Chưa thể biết thật chính xác mức tiêu thụ của các phụ tải. Cần căn cứ vào thông tin thu nhận được của thời điểm thiết kế để chọn được công suất máy biến áp, kiểu máy biến áp phù với.3 Các đại lượng định mức của máy biến áp. Máy biến áp có các đại lượng định mức như sau: - Dung lượng hay công suất định mức ( Sđm ): là công suất biểu kiến của MBA đưa ra trên dây quấn thứ cấp của nó ở chế độ làm việc định mức, được tính bằng kVA hoặc VA.
- Điện áp định mức (U đm): là điện áp dây trên các dây quấn khi không tải, hay được hiểu là điện áp định mức thứ cấp là điện áp trên dây quấn thứ cấp khi nó hở mạch và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là điện áp định mức, đơn vị được tính bằng kV hoặc V. - Dòng điện định mức ( I đm ¿ : là dòng điện chảy trong các dây quấn khi có tải ứng với công suất định mức và điện áp định mức, được tính bằng kA hoặc A. - Tần số định mức ( f đm ¿ được tính bằng Hz, lưới điện Việt Nam thì f đm= 50Hz.4 Cấu tạo của Máy biến áp. Máy biến áp có cấu tạo chung gồm 3 bộ phận chính ta có thể dễ dàng nhận thấy đó chính là lõi thép, dây quấn và vỏ máy.4 Cấu tạo chung của Máy biến áp.
Lõi thép có chức năng dẫn từ thông đồng thời làm khung để đặt dây cuốn. Lõi thép của máy biến áp được chế tạo từ nhiều lá sắt mỏng ghép cách điện với nhau và thường được chế tạo bằng các vật liệu dẫn từ tốt. Lõi thép gồm có trụ và gông. Trụ là phần để đặt dây quấn còn gông là phần nối liền giữa các trụ để tạo thành một mạch từ kín.
Có nhiều cách phân loại lõi sắt: a. Theo sự sắp sếp tương đối giữa trụ, gông và dây quấn, lõi sắt được chia ra làm các loại: kiểu trụ, kiểu bọc và kiểu trụ bọc. - Lõi sắt kiểu trụ: Dây quấn ôm lấy trụ sắt, gông từ chỉ giáp phía trên và phía dưới dây quấn mà không bao lấy mặt ngoài của dây quấn, trụ sắt thường để đứng. Tiết diện trụ thường gần hình tròn và dây quấn cũng có dáng hình trụ tròn.
Kết cấu này đơn giản, làm việc đảm bảo, dùng ít vật liệu, vì vậy hầu hết các máy biến áp điện lực hiện nay đều dùng kiểu này.6 Kết cấu mạch từ kiểu trụ. - Lõi sắt kiểu bọc: Kiểu này gông từ không những bao lấy phần trên và dây quấn mà còn bao cả mặt trên của dây quấn. Lõi sắt như bọc lấy dây quấn nên lấy tên gọi đó. Trụ thường để nằm ngang, tiết diện trụ thường có hình chữ nhật.
Máy biến áp kiểu này có ưu điểm là thường không cao nên vận chuyển dễ dàng, giảm được chiều dài của dây dẫn từ dây quấn đến sứ ra; chống sét tốt vì hay dùng dây quấn xen kẽ nên điện dung dây quấn lớn, điện dung đối với đất nhỏ nên sự phân bố điện áp sét trên dây quấn đều hơn. Nhưng khuyết điểm của loại này là chế tạo phức tạp cả lõi sắt và dây quấn; các lá tôn silic nhiều loại kích thước khác nhau khi dây quán quấn thành ống tiết diện tròn; trong trường hợp dây quấn quấn thành ống chữ nhật thì độ bền cơ kém vì các lực cơ tác dụng lên dây quấn không đều, tốn nguyên liệu. Lõi sắt kiểu này thường thấy ở một số nước Tây Âu chế tạo cho các biến áp lò điện.7 Lõi sắt kiểu bọc. - Lõi sắt kiểu trụ - bọc: là kiểu trung gian giữa kiểu trụ và kiểu bọc.
Loại này hay dùng trong các máy biến áp một pha hay ba pha với công suất lớn (hơn 100.000 kVA một pha) và để giảm bớt chiều cao phải “san” gông sang hai bên.8 Kết cấu mạch từ kiểu trụ - bọc. Theo sự sắp sếp không gian giữa trụ và gông có thể phân biệt thành lõi thép có mạch từ đối xứng và không đối xứng. Theo phương pháp ghép trụ và gông có thể chia thành hai kiểu: lõi ghép nối và lõi ghép xen kẽ. - Lõi ghép nối là gông và trụ ghép riêng sau đó được đem nối với nhau nhờ những xà và bu lông ép.
Ghép kiểu này đơn giản nhưng khe hở không khí giữa trụ và gông lớn, do không đảm bảo tiếp xúc tương ứng từng lá thép trụ và gông với nhau nên tổn hao và dòng điện không tải lớn, vì vậy ít dùng.9 Lõi sắt ba pha ghép nối. - Lõi ghép xen kẽ là từng lớp lá thép của trụ và gông lần lượt đặt xen kẽ nhau sau đó dùng xà ép và bu lông vít chặt lại. Muốn lồng dây quấn vào thì dỡ hết gông trên ra, cho dây quấn đã được quấn trên ống bakêlit lồng vào trụ. Trụ được lèn chặt với ống bakêlit bằng cách nêm cách điện (gỗ, bakêlit, …) sau đó xếp lá thép vào gông như cũ và ép gông lại.
Để giảm bớt tổn hao do tính dẫn từ không đẳng hướng khi ghép các lá thép ta có thể thêm những mối nối nghiêng giữa trụ và gông ở bốn góc hay cắt vát góc lá thép kỹ thuật điện như hình dưới dây (1. Phương pháp ghép xen kẽ đơn giản, kết cấu vững chắc nên được dùng rất phổ biến trong ngành chế tạo biến áp hiện nay.10 Lõi thép ghép xen kẽ mối nối thẳng Hình 1.11 Lõi thép ghép xen kẽ mối nối nghiêng ở bốn góc.12 Lõi thép ghép xen kẽ mối nối nghiêng ở sáu góc.13 Lõi thép ghép xen kẽ hỗn hợp 13 1. Dây quấn Máy biến áp. Dây quấn máy biến áp là bộ phận dùng để thu nhận năng lượng vào và truyền tải năng lượng đi.
Trong biến áp hai dây quấn có dây quấn hạ áp (HA) nối vào lưới điện có điện áp thấp và dây quấn cao áp (CA) nối vào lưới điện có điện áp cao hơn. Theo phương pháp bố trí dây quấn trên lõi thép có thể chia dây quấn biến áp thành hai kiểu chính: đồng tâm và xen kẽ. - Dây quấn dồng tâm: Dây quấn HA và CA là những hình ống dạng đồng tâm đối với nhau, chiều cao (theo chiều trục) của chúng nên thiết kế bằng nhau vì nếu không sẽ sinh ra lực chiều trục lớn có tác dụng ép hoặc đẩy gông từ hay dây quấn, không lợi về mặt kết cấu. Khi bố trí dây quấn, dây quấn HA đặt trong cùng, dây quấn CA đặt ngoài.
Dây quấn CA đặt ngoài sẽ đơn giản việc rút đầu dây điều chỉnh điện áp cũng như giảm được kích thước cách điện giữa các dây quấn và giữa dây quấn với trụ sắt. Dây quấn đồng tâm được dùng phổ biến trong các máy biến áp điện lực với lõi sắt kiểu trụ.14 Dây quấn đồng tâm. - Dây quấn xen kẽ: Cuộn CA và HA được quấn thành từng bánh có chiều cao thấp và quấn xen kẽ do đó giảm được lực dọc trục khi ngắn mạch. Để giảm lực cơ theo hướng kính các bánh dây cố gắng thiết kế có đường kính gần bằng nhau.
