Đang tải... (xem toàn văn)
tài liệu giúp các bạn hiểu về nguyên lí hoặt động cũng như việc bảo vệ và điều khiển các khí cụ điện dùng trong hệ thống điện nói chung va trạm biến áp nói riêng ,tăng cường cả lợi ích kinh tế cũng như kĩ thuật
Biên soạn: Trịnh Quang Khải 1 QUẢN LÝ VẬN HÀNH TRẠM MÁY BIẾN ÁP 6.1. Quản lý vận hành máy biến áp lực: 6.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc: 6.1.1.1. Cấu tạo: Máy biến áp đóng vai trò là nguồn điện trung gian, biến đổi điện áp để truyền tải và phân phối điện năng đến các phụ tải tiêu thụ điện. Máy biến áp gồm có hai phần chính là lõi thép và cuộn dây. 1. Lõi thép: Lõi thép là phần tử chính của máy biến thế được chế tạo bằng cách ghép các lá tôn cán nóng hoặc cán lạnh có độ dầy từ 0,35mm đến 0,5mm, có thành phần chủ yếu là sắt (Fe) có pha thêm 4÷ 6% silích (Si) có mật độ từ thông từ 1,8 đến 2 Gauss ta gọi đó là “tôn si lích”. Tôn si lích có độ thẩm từ cao, độ thẩm từ cho biết khả năng từ tính của vật liệu dẫn từ. Tôn si lích có điện trở lớn có tác dụng hạn chế dòng điện phu cô. Tôn silích cứng nên dễ đột dập, nhưng nếu tỉ lệ silích cao sẽ làm cho tôn chóng bão hòa, công suất tính toán của máy biến áp giảm đi. Các loại tôn thường không dùng để chế tạo máy biến áp. Lõi thép dùng để chế tạo mạch từ là đường dẫn các đường sức từ. Lượng đường sức từ đi qua tiết diện của lõi thép gọi là từ thông ký hiệu là . Mạch từ của máy biến áp bao gồm trụ lõi và gông từ. Trụ lõi dùng để quấn dây, gông từ dùng để khép kín mạch từ lõi thép, từ thông hầu hết đi trong lõi thép. Để tăng thêm hiệu suất dẫn từ của lõi thép và giảm đường kính quấn dây người ta `thường chế tạo lõi thép có tiết diện hình nhiều bậc, tiết diện các lá tôn si lích sẽ gần như điền kín đường tròn ngoại tiếp bao quanh tiết diện lõi. Kích thước và chất lượng của lõi thép quyết định công suất của máy biến áp lớn hay nhỏ, kích thước lõi thép càng lớn và chất lượng lõi thép càng tốt thì công suất càng lớn, hiệu suất của máy biến áp càng cao (hình 6-2). Hình 6.1 Mô tả hình dáng bên ngoài của MBA 110kV Biên soạn: Trịnh Quang Khải 2 2. Cuộn dây: Các cuộn dây máy biến áp dùng để dẫn dòng điện đi qua. Máy biến áp thường có một cuộn dây sơ cấp (W1) và có 1 hoặc 2 cuộn dây thứ cấp (W2). Cuộn dây sơ cấp đấu vào nguồn điện, cuộn dây thứ cấp đấu vào phụ tải. Đồng (Cu) là vật liệu thông dụng được dùng để chế tạo cuộn dây máy biến áp, trong một số trường hợp đặc biệt người ta dùng dây nhôm (Al) thay thế dây đồng. Do đồng có điện trở suất () nhỏ hơn nhôm nhiều “Cu = 0,58 Al” nên dây đồng tuy có giá thành cao vẫn được dùng làm vật liệu chính để chế tạo cuộn dây máy biến áp. Số vòng quấn dây (W) có liên quan trực tiếp đến điện áp (U) của cuộn dây. Mối quan hệ giữa số vòng dây và điện áp tuân theo quy luật tỉ lệ thuận: Điện áp càng cao thì số vòng dây càng lớn. W1 U1 W2 U2 kU được gọi là tỉ số biến điện áp của máy biến áp Thí dụ: Biết U1 = 220kV, U2 = 110kV thì tỉ số biến của máy biến áp là U1 220 W1 U2 110 W2 Giả thiết chọn 0.1 vòng dây ứng với 1 von là thì số vòng cuộn dây sơ cấp W1 = 220.000 x 0.1 = 22.000 vòng số vòng cuộn dây thứ cấp W2 = 110.000 x 0.1 = 11.000 vòng hoặc có thể tính W2 = 22.000 : 2 = 11.000 vòng Hình 6.2 Mô tả hình dáng mạch từ MBA = = kU == Biên soạn: Trịnh Quang Khải 3 Bảng 6.1 So sánh hai vật liệu dẫn điện đồng và nhôm Các cuộn dây của máy biến áp công suất lớn điện áp cao thường bằng dây đồng dẹt có tiết diện hình chữ nhật bọc cách điện bằng "giấy tẩm dầu cách điện". Giữa các cuộn dây W1 và W2 được cách điện bằng ống lồng và các que thông dầu. Độ bền và tuổi thọ của máy biến áp chủ yếu phụ thuộc vào khả năng chịu điện áp của các cuộn dây. Khi điện áp đặt vào cuộn dây càng cao thì vật liệu cách điện càng phải tăng cường dẫn đến sự tăng giá thành chế tạo máy biến áp. Khi điện áp cao >110kV thì việc chế tạo máy biến áp sẽ gặp nhiều khó khăn vì yêu cầu vật liệu cách điện phải đạt các tiêu chuẩn kỹ thuật cao hơn. Để giảm nhẹ mức chênh lệch điện áp giữa các cuộn dây với nhau và giữa các cuộn dây với lõi thép người ta thường đặt cuộn dây có điện áp thấp ở gần phía lõi thép, cuộn dây có điện áp cao được đặt ở xa lõi thép. Dây dẫn được bọc cách điện làm bằng băng giấy tẩm dầu, sơn Êmay, băng thủy tinh…; Cách điện chính của máy biến áp là dầu cách điện còn gọi là "dầu biến áp". Các đầu dây ra của máy biến áp đều được luồn trong ống cách điện và sứ có cấp cách điện tương ứng với cấp điện áp của cuộn dây. 6.1.1.2. Nguyên lý làm việc: Máy biến áp được chế tạo dựa theo nguyên lý cảm ứng điện từ (hình 6.3): Khi có điện áp xoay chiều U 1 ~ đặt vào cuộn sơ cấp W 1 , trong cuộn dây sơ cấp sẽ có một dòng điện i 1 ~ chạy qua. Dòng điện i 1 ~ cảm ứng trong lõi thép một từ Tên vật liệu Điện trở suất Khả năng chịu kéo Đặc tính kỹ thuật Đồng (Cu) = 0,017241 mm 2 /m =38 39kg/mm 2 đồng thanh =26 28kg/mm 2 đồng mềm - dẫn nhiệt tốt - dẫn điện tốt - chống ăn mòn cao 50 Nhôm (Al) = 0,0295 mm 2 /m = 16 17 kg/mm 2 nhôm thanh = 8 kg/mm 2 nhôm mềm - dẫn nhiệt tốt - dẫn điện tốt - khả năng chống ăn mòn kém hơn đồng - 1~ là từ thông. - U1~ là điện áp sơ cấp. - U2~ là điện áp thứ cấp. - W1 là cuộn dây sơ cấp. - W2 là cuộn dây thứ cấp. - số 1 là lõi thép. - số 2 là cuộn dây. 1 2 U 1 ~ W 1 W 2 1 Hình 6.3 Sơ đồ nguyên lý MBA U 2 ~ Biên soạn: Trịnh Quang Khải 4 thông 1 ~. Từ thông 1 ~ móc vòng qua cuộn dây thứ cấp W 2 sinh ra trong cuộn dây thứ cấp một sức điện động cảm ứng. Khi máy biến áp mang tải thì trên cuộn dây thứ cấp xuất hiện dòng điện i 2 . Do cuộn dây thứ cấp W 2 của máy biến áp có trở kháng Z 0 nên tại cuộn dây thứ cấp xuất hiện một điện áp giáng U 0 , phụ tải mạch ngoài thứ cấp có trở kháng là Z 2 nên lúc này sức điện động E 2 ~là: E 2 ~ = i 2 (Z 0 + Z 2 ) = i 2 Z 0 + i 2 Z 2 = U 0 ~ + U 2 ~ + U 0 ~ là điện áp giáng trên nội bộ cuộn dây W 2 . + U 2 ~ là điện áp giáng trên phụ tải mạch ngoài. + Z 0 là trở kháng trong cuộn dây W 2. + Z 2 là trở kháng mạch ngoài. Khi máy biến áp vận hành không tải thì trên cuộn dây sơ cấp W 1 có dòng điện I 1 ~ , dòng điện này rất nhỏ được gọi là dòng điện không tải Io. Khi máy biến áp vận hành có tải thì trên cả hai cuộn dây sơ cấp W1 và thứ cấp W 2 đều có dòng điện chạy qua, trị số dòng điện I 1 ~ và I 2 ~ phụ thuộc vào tình trạng mang tải của máy biến áp. Điện áp đo được trên đầu cực cuộn dây thứ cấp W 2 là điện áp U 2 ~. Trong vận hành phải luôn duy trì điện áp U 2 ~ = U 2đm ~, điện áp định mức U 2đm ~ là một chỉ tiêu ký thuật quan trọng đối với nguồn điện. Nếu dòng điện trên máy biến áp tăng lên vượt quá giới hạn định mức I 2 ~ > I 2đm ~ thì máy biến áp bị quá tải, sự quá tải của MBA được các nhà chế tạo quy định với từng loại MBA. 6.1.1.3. Thông số kỹ thuật của máy biến áp: 1- Mã hiệu của máy biến áp. Mỗi một máy biến áp sẽ có một mã hiệu riêng do nhà chế tạo quy định. a- Thường dùng chữ cái để biểu thị: Số pha của máy biến áp. Số dây quấn của máy biến áp: 2 dây quấn hay 3 dây quấn. Loại máy biến áp khô hay loại ngâm trong dầu. Phương thức làm mát bằng dầu tự nhiên hay cưỡng bức. Phương thức điều chỉnh điện áp bằng không tải hay có tải . b- Thường dùng chữ số để biểu thị: Các đại lượng định mức của máy biến áp như công suất, điện áp, dòng điện… 2- Dung lượng định mức của máy biến áp: (Sđm) Dung lượng định mức được ghi trên phần số của nhãn mác máy biến áp là công suất mang tải của máy biến áp vận hành liên tục trong điều kiện điện áp, tần số định mức. a- Trong điều kiện môi trường tiêu chuẩn: Như nhiệt độ lớn nhất của môi trường không khí, nhiệt độ trung bình hàng năm của môi trường không khí. Tại Việt Nam nhiệt độ môi trường tiêu chuẩn là: Nhiệt độ cực đại tiêu chuẩn max/tc = 40 0 C. Nhiệt độ trung bình tiêu chuẩn tb/tc = 25 0 C. Nếu môi trường đặt máy biến áp khác môi trường tiêu chuẩn thì phải hiệu chỉnh lại dung lượng cho phép của máy biến áp. Biên soạn: Trịnh Quang Khải 5 Công thức hiệu chỉnh như sau: S' đm = S đm ( 1+ ) x ( 1 + ) 100 100 S đm Dung lượng định mức của máy biến áp khi chưa hiệu chỉnh. S' đm Dung lượng định mức của máy biến áp sau khi đã hiệu chỉnh. b-Trong vận hành MBA tùy theo dung lượng định mức đối với từng cuộn dây, tuỳ theo từng máy biến áp mà phải vận hành theo công suất thiết kế, nếu vượt quá quy định sẽ gây sự cố hoặc làm cho tuổi thọ của máy biến áp suy giảm. Nếu là máy biến áp 2 cuộn dây thì dung lượng định mức của cả 2 cuộn dây đều bằng nhau. Nếu là máy biến áp 3 dây quấn thì dung lượng định mức lớn nhất thuộc về cuộn dây sơ cấp. Dung lượng định mức của các cuộn dây trung áp, hạ áp phải căn cứ vào sự phân bố công suất tính theo % (phần trăm ) so với dung lượng định mức lớn nhất. Thí dụ: Mã hiệu máy biến áp 40.000kVA. 110/22/10 ghi là: 100/ 67/ 67, nghĩa là: dung lượng MBA 40.000kVA/ 6.800kVA/ 26.800kVA. 3- Điện áp định mức của máy biến áp (Uđm ~): Điện áp định mức được ghi trên nhãn mác là điện áp định mức của cuộn dây chính máy biến áp khi ở chế độ không tải. Quy định với máy biến áp 3 pha điện áp định mức lấy theo điện áp dây là điện áp đo giữa các pha AB, BC hoặc CA. Các trị số điện áp định mức trên các đầu phân áp được ghi trên một bảng riêng gồm số nấc điều chỉnh và điện áp định mức của từng đầu phân nấc hoặc dùng cách ghi các trị số điện áp định mức trên các đầu phân áp thành một bảng số. Thí dụ: Nếu ghi 110 9x 1,78% nghĩa là có 19 nấc điều chỉnh. Nấc điện áp chính là nấc số 10 có điện áp định mức 110kV. 9 nấc tăng, mỗi nấc chênh lệch nhau +1,78%. 9 nấc giảm, mỗi nấc chênh lệch nhau -1,78%. Khi điện áp phía đầu nguồn điện cấp đến máy biến áp bị giảm thấp thì phải điều chỉnh phân nấc theo chiều tăng để tăng, lúc này số vòng dây sơ cấp giảm đi cho phù hợp với điện áp đầu vào. Nếu để điện áp thấp hơn điện áp định mức sẽ gây tổn thất lớn, làm cho khả năng mang tải của máy biến áp bị giảm đi. Khi điện áp phía đầu nguồn điện cấp đến tăng cao thì phải điều chỉnh đầu phân nấc theo chiều giảm, lúc này số vòng dây cuộn sơ cấp sẽ tăng lên phù hợp với điện áp đầu vào. Nếu trong vận hành cứ để điện áp lưới tăng cao hơn điện áp định mức sẽ gây ra quá điện áp và ảnh hưởng đến tuổi thọ máy biến áp. 4- Dòng điện định mức của máy biến áp (Iđm): Dòng điện định mức của máy biến áp là dòng điện định mức của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp. Dòng điện định mức của máy biến áp 3 pha tính toán như sau: I1đm = 25 - tb 40 - max Sđm 3 U1đm S2đm 3 U2đm Sđm là dung lượng định mức cuộn dây sơ cấp MBA. S2đm là dung lượng định mức cuộn dây thứ cấp MBA. U1đm điện áp định mức cuộn dây sơ cấp. U2đm điện áp định mức cuộn dây thứ cấp. Biên soạn: Trịnh Quang Khải 6 I2đm = Nếu I < Iđm là khi máy biến áp vận hành non tải. Nếu I > Iđm là khi máy biến áp vận hành quá tải. Trong vận hành cần phải thường xuyên theo dõi dòng điện của máy biến áp. 5- Tổ đấu dây máy biến áp: a- Ký hiệu cách đấu dây máy biến áp: Tổ đấu dây cho biết cách đấu dây của một máy biến áp 3 pha. Cách đấu dây được quy định theo cực tính và chiều quấn dây của các cuộn dây. Điện áp 3 pha trên cuộn dây sơ cấp và thứ cấp được biểu diễn bằng véc tơ. Trong một máy biến áp do các cuộn dây được liên hệ với nhau bằng điện từ trường nên cực tính và chiều quấn dây của các cuộn dây sẽ làm thay đổi chiều véc tơ điện áp. Người ta dùng "phương pháp đồng hồ thời gian" để đặt tên cho tổ đấu dây, mỗi một vạch chỉ giờ ứng với 30 0 , 12 vạch chia trên mặt đồng hồ thời gian cách đều nhau 30 0 , mỗi vạch chia sẽ ứng với tên của một tổ đấu dây. Ba cuộn dây 3 pha đấu hình sao ký hiệu là Y. Ba cuộn dây 3 pha đấu hình tam giác ký hiệu là . Đầu cuộn dây sơ cấp ký hiệu là A,B,C . Cuối cuộn dây sơ cấp ký hiệu là X,Y,Z . Đầu cuộn dây thứ cấp ký hiệu là a,b,c . Cuối cuộn dây thứ cấp ký hiệu là x,y,z . Điểm trung tính được nối ra ngoài ký hiệu là o. b- Vẽ sơ đồ véc tơ điện áp: Quy ước Chữ số đầu tiên là đầu mút véc tơ Chữ số thứ hai là gốc véc tơ Thí dụ: Cuộn sơ đấu Y: Vẽ 3 véc tơ điện áp pha UAo , UBo, UCo lệch nhau 120 0 , điểm cuối chụm lại X,Y,Z tạo thành điểm trung tính o (hình 6.5). Cuộn thứ đấu : Vẽ 3 véc tơ điện áp đấu hình tam giác theo trình tự (hình 6.5): Uac ứng với cuộn dây ax(c trùng với x) Uba ứng với cuộn dây by(a trùng với y) Ucb ứng với cuộn dây cz (b trùng với z) UAB A B UAO O A 180 0 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1111 1 8 7 9 10 4 360 6 5 0 3 2 12 1 11 11 1 10 9 330 8 7 6 5 0 4 8 7 3 2 9 10 4 150 6 5 0 3 2 12 12 U1 U2 U1 U2 U1 U2 U2 U1 Biên soạn: Trịnh Quang Khải 7 c- Cách xác định tổ đấu dây máy biến áp: Thí dụ 1: Để xác định tổ đấu dây (hình 6-4a) của máy biến áp ta phải thực hiện theo trình tự: Vẽ sơ đồ đấu dây của từng cuộn dây máy biến áp: Cuộn dây sơ cấp đấu Y, cuộn dây thứ cấp đấu Y. Vẽ mũi tên có chiều theo hướng đi ra trên mỗi cuộn dây để xác định cực tính của cuộn dây. Vẽ sơ đồ véc tơ điện áp của cuộn dây sơ cấp (hình Y), vẽ sơ đồ véc tơ điện áp của cuộn dây thứ cấp (hình Y). Nhìn sơ đồ ta thấy cuộn dây sơ cấp và thứ cấp có cùng cực tính và cùng chiều quấn dây. Cả hai cuộn dây đều đấu Sơ đồ véc tơ cuộn dây sơ cấp đấu Y, cuộn dây thứ đấu uA Ub UC A B C X Y Z a(y) b(z) c(x) Uac Uba Ucb A B C c 330 0 Uac UAC a Sơ đồ véc tơ xác định tổ đấu dây Hình 6.5 Xác định tổ đấu dây Y/-11 Biên soạn: Trịnh Quang Khải 8 sao nên được ký hiệu là Y, riêng cuộn dây thứ cấp có thêm cực trung tính nên được ký hiệu là Yo. Véc tơ điện áp sơ cấp UA tương ứng với kim dài đồng hồ ở vị trí 12 giờ, véc tơ điện áp thứ cấp Ua tương ứng với kim ngắn của đồng hồ cũng ở vị trí 12 giờ, góc lệch pha của hai véc tơ UA và Ua tính theo chiều kim đồng hồ là 360 0 . Lấy 360 0 chia cho 30 0 được 12. Như vậy máy biến áp có tổ đấu dây là Y/Y0- 12. Thí dụ 2: Để xác định tổ đấu dây của máy biến áp (hình 6-4c) ta phải thực hiện theo trình tự: Vẽ sơ đồ đấu dây của từng cuộn dây máy biến áp: cuộn dây sơ cấp đấu Y, cuộn dây thứ cấp đấu . Vẽ mũi tên có chiều theo hướng đi ra trên mỗi cuộn dây để xác định cực tính của cuộn dây. Vẽ sơ đồ véc tơ điện áp của cuộn dây sơ cấp hình Y. Nối C với A ta được véc tơ điện áp dây UAC. Vẽ sơ đồ véc tơ điện áp của cuộn dây thứ cấp đấu hình ta có Uac. Di chuyển song song véc tơ điện áp Uac theo chiều ngang và đặt điểm c trùng với điểm C của sơ đồ. Góc lệch pha giữa hai véc tơ điện áp UAC và Uac được xác định theo chiều quay của kim đồng hồ là 330 0 , lấy 330 0 chia cho 30 0 sẽ tìm được tên tổ đấu dây. 330 0 : 30 0 = 11. Như vậy máy biến áp có tổ đấu dây Y/- 11 (hình 6-5) Thí dụ 3: Máy biến áp có tổ đấu dây Yo//, cuộn dây sơ cấp đấu sao có thêm cực trung tính nên được ký hiệu là Yo. Hai cuộn dây thứ cấp đấu tam giác ký hiệu là /. Áp dụng “phương pháp đồng hồ thời gian” ta tìm được tên tổ đấu dây là: Yo/ / - 11 (hình 6.6). A B C c1 330 0 UAC a Uac1 c2 Uac2 A b c x y z a1 b1 c1 x1 y1 z1 c2 b2 a2 z2 y2 x2 0 Biên soạn: Trịnh Quang Khải 9 Cuộn dây trung áp và cao áp khi đấu Y chịu điện áp pha U pha = Như vậy cách điện cuộn dây được giảm nhẹ, số vòng dây cũng giảm đi 3 do đó không những tiết kiệm được đồng mà còn tiết kiệm được vật liệu cách điện. Khi đặt điện áp vào cuộn dây cao áp “đấu sao” sẽ có dòng điện i 1 chạy qua (hình 6.7a), dòng điện i 1 cảm ứng trong lõi thép một từ trường ta gọi đó là “từ trường ngoài”. Thông thường trong lõi thép chứa mô men từ hoá còn gọi là tố từ. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, các mô men từ hoá trong lõi thép sẽ bị xoay lại cùng một hướng. Sự chuyển hướng nhiều hay ít của các mô men từ hoá phụ thuộc vào độ lớn của điện áp U1 đặt vào cuộn dây (hình 6.8). Khi điện áp tăng đến một mức độ nào đó thì hầu hết các mô men từ hoá bị chuyển hướng, lúc này lõi thép đạt tới mức bão hoà từ (hình 6.8B). Khi lõi thép đã bão hoà rồi thì dù cho từ trường ngoài có mạnh lên bao nhiêu chăng nữa cũng không làm cho từ thông trong lõi thép tăng thêm. Đường cong đặc tuyến của từ thông có dạng hình thang (Hình 6.7b) . Nhìn trên đường cong đặc tuyến (hình 6.9) ta thấy từ thông không phải là một đại lượng biến thiên hình sin mà có dạng hình thang nên có thể phân tích thành hai đại lượng từ thông hình sin 1, 3 (hình 6.9A): +Từ thông hình sin bậc một 1 có tần số cơ bản (f 1 = 50Hz) sẽ cảm ứng trên cuộn dây W 2 một sức điện động E1 chậm pha hơn từ thông sinh ra nó 1 góc bằng 1/4 chu kỳ (90 0 ) (hình 6.9.B). +Từ thông hình sin bậc ba 3 có tần số bậc 3 (f 3 = 150Hz) sẽ cảm ứng trên cuộn dây W 2 một sức điện động E3 chậm pha hơn từ thông sinh ra nó 1 góc bằng 1/4 chu kỳ (90 0 ) (hình 6.9 B). + là từ thông tổng sẽ cảm ứng sinh ra sức điện động E có dạng nhọn đầu gây nguy hiểm cho cách điện của máy biến áp (hình 6.9.B). 1 Udây 3 i0 E1 E2 w1 w2 a b c d e f t I i0 Biên soạn: Trịnh Quang Khải 10 Hình 6.7 Dòng điện từ hóa I0 và từ thông trong lõi thép MBA Khi máy biến áp 3 pha đấu Y/ Y: Các véc tơ từ thông của 3 pha sẽ có trị số bằng nhau và lệch pha nhau 120 0 tương ứng với dòng điện 3 pha I A , I B , I C . Từ thông bậc 1” 01 ” của cả 3 pha đều có tần số bậc 1 (f = 50Hz) 01A = 01max sin t. a bc N s s N N s s N N s s N N s s N N s s N N s s N N s s N N s s N s nn Ns s N Ns s N Nss NNss N Nss NNss N Ns s N Ns s N s N s s N N s s N s N N s N s s N N s N s s N s N s N N s (a) (b) (A) Lúc chưa có từ trường ngoài các mô men từ hoá xắp xếp lung tung. (B) Lúc có tác động của từ trường ngoài các mô men cùng quay theo một hướng. N là cực bắc, S là cực nam Hình 6.8 Các mô men từ hóa Hình 6.9 Các đường đặc tuyến dòng điện I0, từ thông , 1, 3 và các sức điện động E, E1, E3. (A) (B)
