Luận án Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn máy biến áp khô bọc Epoxy sử dụng lõi thép vô định hình

134 trang yendo 7020

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận án Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn máy biến áp khô bọc Epoxy sử dụng lõi thép vô định hình", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

luan_an_nghien_cuu_luc_ngan_mach_tong_hop_tac_dung_len_day_q.pdf

Nội dung text: Luận án Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn máy biến áp khô bọc Epoxy sử dụng lõi thép vô định hình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐOÀN THANH BẢO NGHIÊN CỨU LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP TÁC DỤNG LÊN DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP KHÔ BỌC EPOXY SỬ DỤNG LÕI THÉP VÔ ĐỊNH HÌNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐOÀN THANH BẢO NGHIÊN CỨU LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP TÁC DỤNG LÊN DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP KHÔ BỌC EPOXY SỬ DỤNG LÕI THÉP VÔ ĐỊNH HÌNH Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 62520202 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. PHẠM VĂN BÌNH 2. TS. PHẠM HÙNG PHI Hà Nội – 2015
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. XÁC NHẬN CỦA TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GV. HƯỚNG DẪN 1 GV. HƯỚNG DẪN 2 TÁC GIẢ LUẬN ÁN PGS. TS Phạm Văn Bình TS. Phạm Hùng Phi Đoàn Thanh Bảo
ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến hai thầy hướng dẫn khoa học trực tiếp, PGS. TS. Phạm Văn Bình và TS. Phạm Hùng Phi đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu. Hai thầy đã dành nhiều thời gian và tâm huyết, hỗ trợ về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả trân trọng cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Việt Hùng, Viện trưởng Viện nghiên cứu quốc tế về Khoa học & Kĩ thuật tính toán (DASI), đã tạo điều kiện thuận lợi cho phép tác giả sử dụng chương trình phần mềm Ansys Maxwell được hỗ trợ bản quyền, tại phòng nghiên cứu của Viện để thực hiện bài toán mô phỏng máy biến áp. Tác giả trân trọng cảm ơn ThS Lê Xuân Đại, công tác tại Viện DASI thuộc trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Người đã hết lòng hỗ trợ tác giả trong việc hướng dẫn sử dụng phần mềm Ansys Maxwell. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Điện và Bộ môn Thiết bị Điện - Điện tử đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Chân thành cảm ơn các Giảng viên và cán bộ Bộ môn Thiết bị điện - Điện tử, đã hỗ trợ tận tình giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Quy Nhơn, Ban Chủ nhiệm khoa Kỹ thuật và Công nghệ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tác giả được tập trung nghiên cứu tại Hà Nội trong suốt thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ và động viên của các đồng nghiệp, nhóm NCS – Viện Điện. Cuối cùng, tác giả thực sự cảm động và từ đáy lòng mình xin bày tỏ lòng biết ơn đến các Bậc sinh thành và người vợ yêu quý cùng con gái và con trai thân yêu đã luôn ở bên tác giả những lúc khó khăn nhất, những lúc mệt mỏi nhất, để động viên, để hỗ trợ về tài chính và tinh thần, giúp tác giả có thể đứng vững trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện bản luận án này. Tác giả luận án Đoàn Thanh Bảo
iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU ix DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xv MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu 2 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3 4. Các đóng góp mới của luận án 4 5. Cấu trúc nội dung của luận án 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 6 1.1. Giới thiệu 6 1.2. Máy biến áp khô 6 1.2.1. Khái niệm: 6 1.2.2. Máy biến áp khô có cuộn dây đúc trong cách điện rắn 7 1.2.3. Ưu nhược điểm của máy biến áp dầu và máy biến áp khô 7 1.3. Máy biến áp hiệu suất cao 8 1.4. Những nghiên cứu ở ngoài nước về máy biến áp lõi vô định hình 10 1.4.1. Phương pháp chế tạo vật liệu vô định hình 10 1.4.2. Giảm tổn hao máy biến áp lõi vô định hình 12 1.4.3. Thiết kế máy biến áp lõi vô định hình 13 1.5. Những nghiên cứu ở trong nước về máy biến áp lõi vô định hình 15
iv 1.6. Nghiên cứu lực điện từ ở máy biến áp lõi silic 16 1.7. Nghiên cứu lực điện từ ở máy biến áp lõi vô định hình 19 1.8. Những vấn đề còn tồn tại 21 1.9. Đề xuất hướng nghiên cứu 22 1.10. Kết luận chương 1 22 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN CỦA TỪ TRƯỜNG TẢN TRONG CỬA SỔ MẠCH TỪ MÁY BIẾN ÁP 23 2.1. Giới thiệu 23 2.2. Lý thuyết về dòng điện ngắn mạch và lực điện từ 23 2.2.1. Dòng điện ngắn mạch 23 2.2.2. Lực điện từ 27 2.3. Xây dựng mô hình toán với từ thế vectơ A 32 2.3.1. Phương trình Maxwell 32 2.3.2. Phương trình từ thế vectơ A 33 2.3.3. Phương trình ứng suất lực trên dây quấn viết theo từ thế vectơ A(x,y) 39 2.4. Kết luận chương 2 41 CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT LỰC ĐIỆN TỪ BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH VÀ PHẦN TỬ HỮU HẠN 2D 42 3.1. Giới thiệu 42 3.2. Tính toán ứng suất lực ngắn mạch trên dây quấn bằng phương pháp giải tích 42 3.2.1. Mô hình máy biến áp 630kVA - 22/0,4kV 43 3.2.2. Tính dòng ngắn mạch trên các cuộn dây 43 3.2.3. Tính toán từ trường tản trên các cuộn dây hạ áp và cao áp 45 3.2.4. Các kết quả về ứng suất lực trên cuộn hạ áp và cao áp 51 3.2.5. Nhận xét các kết quả đạt được từ phương pháp giải tích 53 3.3. Tính toán ứng suất lực ngắn mạch trên dây quấn bằng phương pháp phần tử hữu hạn 2D 54 3.3.1. Mô hình kích thước máy biến áp trên Ansys Maxwell 54 3.3.2. Ứng suất lực trên các cuộn dây hạ áp và cao áp 55 3.3.3. Nhận xét các kết quả đạt được từ phương pháp PTHH 2D 57 3.4. So sánh về ứng suất lực trên dây quấn giữa phương pháp giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn 2D 58 3.4.1. Từ cảm tản Bx, By và Bxy trên cuộn hạ áp và cao áp 59
v 3.4.2. Ứng suất lực x và y trên cuộn hạ áp và cao áp 59 3.4.3. Nhận xét kết quả so sánh 60 3.5. Kết luận chương 3 61 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP TÁC DỤNG LÊN DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP 63 4.1. Giới thiệu 63 4.2. Thuật toán tính ứng suất lực điện từ trên dây quấn máy biến áp lõi thép vô định hình bằng phương pháp PTHH 3D 63 4.3. Xây dựng mô hình 3D máy biến áp trên phần mềm Ansys Maxwell 64 4.3.1. Quá trình giải quyết bài toán trên Ansys Maxwell 64 4.3.2. Thiết lập bài toán mô phỏng máy biến áp 630kVA 65 4.4. Mô phỏng ở chế độ không tải và ngắn mạch thử nghiệm 69 4.4.1. Phân bố từ trường 69 4.4.2. Giá trị điện áp và dòng điện 69 4.4.3. Tổn hao không tải và tổn hao ngắn mạch thử nghiệm 70 4.5. Mô phỏng ở chế độ ngắn mạch sự cố 71 4.5.1. Dòng điện ngắn mạch 71 4.5.2. Phân bố từ trường tản 72 4.5.3. Phân tích ứng suất lực ngắn mạch trên cuộn dây hạ áp và cao áp 73 4.5.4. Tìm vị trí có ứng suất lớn nhất trên vòng dây quấn hình chữ nhật 76 4.6. Tìm ứng suất lớn nhất trong các trường hợp thay đổi bán kính cong r của cuộn dây 79 4.6.1. Các trường hợp khảo sát 79 4.6.2. Trường hợp r = 2 mm 80 4.6.3. Trường hợp r = 10 mm 82 4.6.4. Trường hợp r = 18 mm 83 4.6.5. Trường hợp r = 30 mm 84 4.6.6. Trường hợp r = 45 mm 85 4.6.7. Trường hợp r = 90 mm 86 4.6.8. Nhận xét 7 trường hợp r thay đổi 88 4.6.9. Đánh giá sự phụ thuộc giá trị ứng suất lực 89 4.7. Tính ứng suất nhiệt trong dây quấn máy biến áp khô bọc epoxy 91 4.7.1. Phân bố nhiệt độ thời điểm sau ngắn mạch 91 4.7.2. Tính ứng lực vào dây quấn khi có chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và cách điện epoxy 93
vi 4.7.3. Tổng ứng suất vùng biên 100 4.8. Tính ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp 101 4.9. Kết luận chương 4 103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105 Đóng góp khoa học của luận án 105 Hướng phát triển của luận án 105 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 PHỤ LỤC 114
vii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Kí hiệu / Đơn vị Ý nghĩa Viết tắt Hc A/m Lực kháng từ t mm Độ dày của lá thép ρ µΩcm Điện trở suất f Hz Tần số u V Điện áp tức thời U V Điện áp hiệu dụng Uđm V Điện áp hiệu dụng định mức u% Điện áp ngắn mạch phần trăm e V Sức điện động et V Sức điện động tản i A Dòng điện tức thời I A Dòng điện hiệu dụng In A Dòng điện ngắn mạch hiệu dụng Wb Từ thông tức thời Φ Wb Từ thông hiệu dụng W vòng Số vòng dây của dây quấn  Wb.vòng Từ thông móc vòng Lt H Hệ số tự cảm X  Điện kháng tản của dây quấn Xn  Điện kháng tản ngắn mạch của dây quấn  rad Tần số góc dòng điện R  Điện trở của dây quấn Rn  Điện trở ngắn mạch của dây quấn Rm  Điện trở từ hóa Xm  Điện kháng từ hóa Z  Tổng trở Zn  Tổng trở ngắn mạch Zm  Tổng trở từ hóa
viii φn rad Góc pha của dòng điện E Vm-1 Vectơ cường độ điện trường D Cm-2 Vectơ cảm ứng điện H A.m-1 Vectơ cường độ từ trường B T = kg.m-2.A-1 Vectơ cảm ứng từ J A/m2 Vectơ mật độ dòng điện A Wbm-1 Vectơ từ thế B T Cảm ứng từ (mật độ từ thông) ε Fm-1 Hệ số điện môi μ Hm-1 Hệ số từ thẩm -1 μ0 Hm Hệ số từ thẩm không khí γ Ω-1m-1 Điện dẫn suất h mm Chiều cao cửa sổ mạch từ d mm Chiều rộng cửa sổ mạch từ tính đến trục đối xứng 1 h1 mm Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành dưới cuộn HA 2 h1 mm Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành dưới cuộn CA 1 h2 mm Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành trên cuộn HA 2 h2 mm Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành trên cuộn CA 1 d1 mm Khoảng cách từ trụ đến thành trong cuộn HA 2 d1 mm Khoảng cách từ trụ đến thành trong cuộn CA 1 d2 mm Khoảng cách từ trụ đến thành ngoài cuộn HA 2 d2 mm Khoảng cách từ trụ đến thành ngoài cuộn CA b1 mm Chiều cao cuộn dây HA b2 mm Chiều cao cuộn dây CA a x b mm Kích thước mạch từ htrụ mm Chiều cao trụ Ctrụ mm Khoảng cách tâm hai trụ Hcs mm Chiều cao cửa sổ mạch từ Ccs mm Chiều rộng cửa sổ mạch từ a b D’1 x D’1 mm Kích thước bên trong cuộn HA a b D”1 x D”1 mm Kích thước bên ngoài cuộn HA a b D’2 x D’2 mm Kích thước bên trong cuộn CA a b D”2 x D”2 mm Kích thước bên ngoài cuộn CA
ix DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU Viết tắt Ý nghĩa s.đ.đ sức điện động k Tỉ số biến áp  Toán tử Napla Δ Toán tử Laplace MBA Máy biến áp VĐH Vô định hình MBAVĐH Máy biến áp lõi thép vô định hình HA Hạ áp CA Cao áp PTHH Phần tử hữu hạn FEM Finite Element Method AAT Amorphous Asymmetrial Transformer AST Amorphous Symmetrial Transformer
x DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Máy biến áp khô đúc bằng nhựa epoxy [8] 7 Hình 1.2. Khả năng chống cháy cuộn dây đúc epoxy; a) đốt cuộn dây trong hai phút; b) ngừng đốt; c) ngừng đốt sau 15 giây [8] 8 Hình 1.3. Lịch sử tổn hao không tải của MBA 50 kVA [34] 9 Hình 1.4. Biểu thị đường cong từ trễ của vật liệu VĐH và thép silic [18] 10 Hình 1.5. Lịch sử ứng dụng thép VĐH chế tạo MBA phân phối [18] 10 Hình 1.6. Các cấu trúc nguyên tử [80] 11 Hình 1.7. Qui trình chế tạo vật liệu VĐH [23,80] 11 Hình 1.8. Máy biến áp 3 pha: a) 3 trụ ; b) 5 trụ [35] 12 Hình 1.9. Tổn hao không tải và có tải của MBA khô VĐH [69] 14 Hình 1.10. Mô hình mạch từ của MBA khô VĐH trong phân tích FEM [69] 14 Hình 1.11. Phân bố từ thông của MBA dây quấn đồng tâm [16] 16 Hình 1.12. Các thành phần lực hướng kính cuộn dây đồng tâm [16] 16 Hình 1.13. Mật độ từ thông hướng kính và lực dọc trục [16] 16 Hình 1.14. Ứng suất trên vòng dây của các cuộn dây [16] 16 Hình 1.15. Lực điện từ, dòng điện và từ cảm tản của MBA [39] 17 Hình 1.16. Phân bố từ trường trong mạch từ và ngoài cuộn dây [40] 17 Hình 1.17. Sơ đồ mạch điện liên kết 18 Hình 1.18. Dòng điện ngắn mạch cuộn CA và HA [38] 18 Hình 1.19. Lực hướng kính trên cuộn CA [38] 18 Hình 1.20. Lực hướng trục cuộn CA [38] 18 Hình 1.21. Lực hướng kính trên cuộn HA [38] 18 Hình 1.22. Lực hướng trục cuộn HA [40] 18 Hình 1.23. Các vị trí khảo sát trên cuộn dây [38] 19 Hình 1.24. Lực hướng kính trên cuộn HA [38] 19 Hình 1.25. Cấu trúc kẹp cuộn dây của MBAVĐH [32] 20 Hình 1.26. Sơ đồ cuộn HA và CA [59] 21 Hình 1.27. MBAVĐH ba pha cuộn dây hình chữ nhật [59] 21 Hình 1.28. Cuộn HA và CA 21 Hình 1.29. Cuộn HA và CA sau khi bị tác động lực điện từ 21 Hình 2.1. Dòng điện ngắn mạch tại các thời điểm góc ban đầu điện áp ψ khác nhau [8] 26 Hình 2.2. Hướng xác định lực điện từ [52] 28 Hình 2.3. Quá trình sinh ra lực cơ khí phá hỏng dây quấn MBA 28 Hình 2.4. Dây quấn MBA bị uốn cong [11] 29 Hình 2.5. Dạng sóng của lực điện từ [11,53] 29
xi Hình 2.6. Biến dạng dây quấn gây ra bởi lực hướng trục [50] 29 Hình 2.7. Biến dạng dây quấn gây ra bởi lực hướng kính [60] 29 Hình 2.8. Uốn cong của dây quấn [63,64] 29 Hình 2.9. Các thành phần của từ cảm tản và lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA 30 Hình 2.10. Lực điện từ hướng kính của dây quấn đồng tâm đối xứng 30 Hình 2.11. Lực dọc trục của dây quấn đồng tâm không đối xứng 31 Hình 2.12. Mô hình các kích thước 2D của MBA 35 Hình 2.13. Thành phần từ cảm theo trục x, y tại các đường biên của cửa sổ mạch từ MBA 36 Hình 2.14. a) Phân bố từ cảm khi chiều cao hai dây quấn bằng nhau; b) Phân bố từ cảm khi chiều cao hai dây quấn không bằng nhau [57] 39 Hình 3.1. Lưu đồ thuật toán tính ứng suất tác dụng trên dây quấn 42 Hình 3.2. Dòng điện ngắn mạch trên cuộn CA 44 Hình 3.3. Dòng điện ngắn mạch trên cuộn HA 44 Hình 3.4. Các kích thước mạch từ và cuộn dây của MBA 47 Hình 3.5. Đồ thị vectơ từ thế A(x,y) trong cửa sổ mạch từ 49 Hình 3.6. Đồ thị từ cảm hướng kính Bx 49 Hình 3.7. Đồ thị từ cảm hướng trục By 50 Hình 3.8. Phân bố từ cảm tại cạnh ngoài cùng cuộn HA 50 Hình 3.9. Phân bố từ cảm tại cạnh trong cùng cuộn CA 51 Hình 3.10. Tọa độ các điểm khảo sát theo bề dày cuộn HA và CA 52 Hình 3.11. Đồ thị phân bố ứng suất σx cuộn HA ứng với ba vị trí x khác nhau 52 Hình 3.12. Đồ thị phân bố ứng suất σy cuộn HA ứng với ba vị trí x khác nhau 52 Hình 3.13. Đồ thị phân bố ứng suất σx cuộn CA ứng với ba vị trí x khác nhau 52 Hình 3.14. Đồ thị phân bố ứng suất σy cuộn CA ứng với ba vị trí x khác nhau 52 Hình 3.15. Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh ngoài cùng cuộn HA 53 Hình 3.16. Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh trong cùng cuộn CA 53 Hình 3.17. Mô hình MBA trong Ansys Maxwell 54 Hình 3.18. Mô hình chia luới trong Ansys Maxwell 54 Hình 3.19. Biểu diễn vectơ từ cảm B 55 Hình 3.20. Biểu diễn độ lớn từ cảm B 55 Hình 3.21. Phân bố từ cảm tại cạnh ngoài cùng cuộn HA 55 Hình 3.22. Phân bố từ cảm tại cạnh trong cùng cuộn CA 55 Hình 3.23. Phân bố lực trên cuộn HA và CA 56 Hình 3.24. Đồ thị phân bố ứng suất x cuộn HA ứng với ba vị trí x khác nhau 56 Hình 3.25. Đồ thị phân bố ứng suất σy cuộn HA ứng với ba vị trí x khác nhau 56 Hình 3.26. Đồ thị phân bố ứng suất x cuộn CA ứng với ba vị trí x khác nhau 56 Hình 3.27. Đồ thị phân bố ứng suất y cuộn CA ứng với ba vị trí x khác nhau 56
xii Hình 3.28. Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh ngoài cùng cuộn HA 57 Hình 3.29. Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh trong cùng cuộn CA 57 Hình 3.30. Tóm tắt quá trình thực hiện so sánh giữa phương pháp giải tích và PTHH 2D 58 Hình 3.31. Đồ thị phân bố ứng suất lực x trên cuộn HA giữa giải tích và PTHH 2D 59 Hình 3.32. Đồ thị phân bố ứng suất lực y trên cuộn HA giữa giải tích và PTHH 2D 59 Hình 3.33. Đồ thị phân bố ứng suất lực x trên cuộn CA giữa giải tích và PTHH 2D 59 Hình 3.34. Đồ thị phân bố ứng suất lực y trên cuộn CA giữa giải tích và PTHH 2D 59 Hình 4.1. Lưu đồ thuật toán tính ứng suất trên các cuộn dây 64 Hình 4.2. Quá trình giải quyết bài toán bằng phương pháp PTHH [15] 65 Hình 4.3. Đường cong từ hóa của vật liệu VĐH 2605SA1 [55] 66 Hình 4.4. Mô hình cụ thể kích thước mạch từ và dây quấn MBAVĐH 66 Hình 4.5. Ký hiệu tọa độ của các đường thẳng khảo sát 66 Hình 4.6. Lõi thép MBA bằng vật liệu VĐH 67 Hình 4.7. Mạch từ và cuộn dây của MBAVĐH 67 Hình 4.8. Mô hình MBAVĐH trong phân tích Ansys Maxwell 3D 67 Hình 4.9. Sơ đồ mạch điện CA và HA của MBA 68 Hình 4.10. Kết quả chia lưới mô hình MBA trong Ansys Maxwell 68 Hình 4.11. Không gian giới hạn mô phỏng 68 Hình 4.12. Kích thước mở rộng theo các chiều 68 Hình 4.13. Phân bố từ cảm B trong mạch từ khi chưa ngắn mạch 69 Hình 4.14. Điện áp CA ịđ nh mức 69 Hình 4.15. Điện áp HA định mức 69 Hình 4.16. Dòng điện CA định mức 70 Hình 4.17. Dòng điện HA định mức 70 Hình 4.18. Tổn hao không tải MBA 70 Hình 4.19. Tổn hao ngắn mạch của MBA 70 Hình 4.20. Dòng điện ngắn mạch trên cuộn CA 71 Hình 4.21. Dòng điện ngắn mạch trên cuộn HA 71 Hình 4.22. Phân bố từ cảm trên mạch từ và cuộn dây của MBA tại thời điểm t =25ms 72 Hình 4.23. Phân bố từ cảm trên mạch từ và cuộn dây của MBA tại thời điểm t =25ms 72 Hình 4.24. Từ cảm tại cạnh ngoài cùng cuộn HA 72 Hình 4.25. Từ cảm tại cạnh trong cùng cuộn CA 72 Hình 4.26. Mặt cắt đối xứng của mô hình ½ MBA 3D 73 Hình 4.27. Đồ thị ứng suất x theo chiều cao cuộn HA ứng với ba vị trí x khác nhau 74 Hình 4.28. Đồ thị ứng suất z theo chiều cao cuộn HA ứng với ba vị trí x khác nhau 74 Hình 4.29. Đồ thị ứng suất x theo chiều cao cuộn CA ứng với ba vị trí x khác nhau 74 Hình 4.30. Đồ thị ứng suất z theo chiều cao cuộn CA ứng với ba vị trí x khác nhau 74
xiii Hình 4.31. Tổng ứng suất xz trên cuộn HA 75 Hình 4.32. Tổng ứng suất xz trên cuộn CA 75 Hình 4.33. Các đường thẳng khảo sát trên cuộn HA 76 Hình 4.34. Vị trí 10 đường khảo sát trên cuộn HA ứng với r =12 76 Hình 4.35. Phân bố ứng suất của 10 vị trí theo chiều cao cuộn HA 76 Hình 4.36. Phân bố ứng suất trên cuộn HA 76 Hình 4.37. Phân bố ứng suất lớn trên cuộn HA 77 Hình 4.38. Phân bố ứng suất trên cuộn HA 77 Hình 4.39. Các đường thẳng khảo sát trên cuộn CA 77 Hình 4.40. Vị trí 10 đường khảo sát 77 Hình 4.41. Phân bố ứng suất của 10 vị trí theo chiều cao cuộn CA 78 Hình 4.42. Phân bố ứng suất trên cuộn CA 78 Hình 4.43. Phân bố ứng suất lớn trên cuộn CA 78 Hình 4.44. Phân bố ứng suất trên cuộn CA 78 Hình 4.45. Bán kính r bên trong cuộn HA và các kích thước khác của cuộn dây 79 Hình 4.46. Kích thước ½ của cuộn CA và HA 80 Hình 4.47. Cuộn HA và CA trong Ansys Maxwell 80 Hình 4.48. Dòng điện ngắn mạch cuộn CA 81 Hình 4.49. Dòng điện ngắn mạch cuộn HA 81 Hình 4.50. Phân bố ứng suất trên cuộn HA 81 Hình 4.51. Phân bố ứng suất trên cuộn CA 81 Hình 4.52. Kích thước ½ của cuộn CA và HA 82 Hình 4.53. Cuộn HA và CA trong Ansys Maxwell 82 Hình 4.54. Phân bố ứng suất trên cuộn HA 82 Hình 4.55. Phân bố ứng suất trên cuộn CA 82 Hình 4.56. Kích thước ½ của cuộn CA và HA 83 Hình 4.57. Cuộn HA và CA trong Ansys Maxwell 83 Hình 4.58. Phân bố ứng suất trên cuộn HA 84 Hình 4.59. Phân bố ứng suất trên cuộn CA 84 Hình 4.60. Kích thước ½ của cuộn CA và HA 84 Hình 4.61. Cuộn HA và CA trong Ansys Maxwell 84 Hình 4.62. Phân bố ứng suất trên cuộn HA 85 Hình 4.63. Phân bố ứng suất trên cuộn CA 85 Hình 4.64. Kích thước ½ của cuộn CA và HA 85 Hình 4.65. Cuộn HA và CA trong Ansys Maxwell 85 Hình 4.66. Phân bố ứng suất trên cuộn HA 86 Hình 4.67. Phân bố ứng suất trên cuộn CA 86 Hình 4.68. Kích thước ½ của cuộn CA và HA 87
xiv Hình 4.69. Cuộn HA và CA trong Ansys Maxwell 87 Hình 4.70. Phân bố ứng suất trên cuộn HA 87 Hình 4.71. Phân bố ứng suất trên cuộn CA 87 Hình 4.72. Phân bố ứng suất trên cuộn HA với 7 trường hợp bán kính r khác nhau 88 Hình 4.73. Phân bố ứng suất trên cuộn CA với 7 trường hợp bán kính r khác nhau 88 Hình 4.74. Đường cong (1): Giá trị ứng suất theo bán kính r 89 Hình 4.75. Kích thước r và R 90 Hình 4.76. Đường cong (2): Độ tăng của ứng suất lực theo tỉ số: (r + R)/r 90 Hình 4.77. Các kích thước của cuộn dây và lớp epoxy 92 Hình 4.78. Phân bố nhiệt độ theo hướng kính epoxy sau thời điểm ngắn mạch (thời điểm ngắn mạch τ = 0 giây) [8] 93 Hình 4.79. Áp suất thay đổi chiều cao dây quấn 94 Hình 4.80. Ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp 102
xv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 3.1. Các giá trị thông số điện cơ bản MBA 43 Bảng 3.2. Bảng kết quả dòng điện ngắn mạch cực đại 45 Bảng 3.3. Bảng các kích thước mạch từ và cuộn dây MBA 47 Bảng 3.4. Bảng kết quả giá trị ứng suất tổng lớn nhất trên cuộn HA và cuộn CA bằng phương pháp giải tích 54 Bảng 3.5. Bảng kết quả giá trị ứng suất lực lớn nhất tại cạnh ngoài cuộn HA và cạnh trong cuộn CA bằng phương pháp PTHH 2D 58 Bảng 3.6. So sánh kết quả từ cảm tản trên cuộn HA và CA giữa phương pháp giải tích và PTHH 2D 59 Bảng 3.7. So sánh kết quả ứng suất lực có giá trị lớn nhất giữa phương pháp giải tích và PTHH 2D 60 Bảng 4.1. Các kích thước cụ thể của MBAVĐH 65 Bảng 4.2. Các thông số đo đạc thực nghiệm của MBAVĐH 630 kVA - 22/0,4 kV 66 Bảng 4.3. So sánh các giá trị mô phỏng và thực tế 70 Bảng 4.4. Bảng giá trị ứng suất lực ở 3 vị trí theo bề dày cuộn HA và CA 74 Bảng 4.5. Bảng kết quả phân bố ứng suất có giá trị lớn nhất 75 Bảng 4.6. Bảng so sánh kết quả của hai phương pháp giải tích và PTHH 75 Bảng 4.7. Bảng kết quả phân bố ứng suất có giá trị lớn nhất giữa phương pháp PTHH 3D mặt cắt và PTHH 3D 79 Bảng 4.8. Chiều dài cuộn dây và dòng điện ngắn mạch cực đại tại r =10 mm 82 Bảng 4.9. Chiều dài cuộn dây và dòng điện ngắn mạch cực đại tại r =18 mm 83 Bảng 4.10. Chiều dài cuộn dây và dòng điện ngắn mạch cực đại tại r =30 mm 84 Bảng 4.11. Chiều dài cuộn dây và dòng điện ngắn mạch cực đại tại r =45 mm 86 Bảng 4.12. Chiều dài cuộn dây và dòng điện ngắn mạch cực đại tại r =90 mm 87 Bảng 4.13. Chiều dài cuộn dây và dòng điện ngắn mạch của 7 trường hợp 88 Bảng 4.14. Vị trí ứng suất lớn nhất tại r =2; 10; 12; 18; 30; 45 và 90 mm 89 Bảng 4.15. Các kích thước của cuộn dây và lớp epoxy 92 Bảng 4.16. Các hằng số của dây quấn và vật liệu epoxy [5] 93 Bảng 4.17. Giải thích các kí hiệu thành phần ứng suất nhiệt 94
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Máy biến áp (MBA) phân phối luôn đóng góp một vai trò hết sức quan trọng trong cơ sở hạ tầng của hệ thống điện, nó chiếm tỉ lệ lớn trong tổng công suất của hệ thống MBA, vì thế vấn đề giảm tổn hao công suất và cũng như giảm hư hỏng do bị ngắn mạch của MBA phân phối có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật rất quan trọng. Có hai loại tổn hao điện tồn tại trong MBA khi vận hành: Tổn hao có tải (tổn hao đồng) thay đổi theo mức tải của MBA và tổn hao không tải (tổn hao sắt từ) sinh ra trong lõi từ và xảy ra suốt cuộc đời vận hành của MBA, không phụ thuộc vào tải. Để giảm tổn hao công suất trong MBA, cần thiết kế máy sao cho tổng tổn hao của cuộn dây đồng và tổn hao sắt nhỏ nhất, trong đó tổn hao sắt phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng loại thép. Trong thời gian gần đây, công nghệ vật liệu từ đã có những tiến bộ nhảy vọt cho phép ứng dụng vật liệu từ vô định hình (VĐH) trong việc chế tạo mạch từ cho MBA phân phối [8,23,24,34,43,76]. Vật liệu từ mềm VĐH được phát hiện từ năm 1970, nhờ vào thành phần và cấu trúc vi mô đặc biệt nên thép VĐH đáp ứng các yêu cầu để giảm tổn hao lõi. Chính vì vậy, MBA lõi thép VĐH (MBAVĐH) ngày càng được sử dụng rộng rãi do nó làm giảm tổn thất hệ thống điện thông qua việc giảm tổn hao không tải của MBA. Các tài liệu [4,34,47,69,70] đã đề cập đến vấn đề kinh tế khi sử dụng MBAVĐH và đưa ra so sánh chi phí tổn thất giữa hai loại MBA lõi thép silic thông thường và lõi VĐH, từ đó khẳng định sử dụng MBAVĐH giảm tổn hao không tải từ 60-70% và sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao. MBAVĐH do có cấu trúc đặc biệt của lõi thép và cuộn dây là hình chữ nhật nên phân bố điện trường, từ trường tản và phân bố lực tác dụng lên cuộn dây cũng sẽ không đối xứng trên cùng một vòng dây. Đặc biệt hơn là lúc xảy ra ngắn mạch thì lực này lớn sẽ rất nguy hiểm đối với cuộn dây [59,71,72,81]. Lực điện từ tác dụng lên dây quấn của MBA được sinh ra là do sự tương tác giữa dòng điện và từ trường tản trong vùng dây quấn. Khi MBA hoạt động trong điều kiện bình thường, tác dụng của lực điện từ lên các dây quấn nhỏ do từ trường tản và dòng điện tương đối nhỏ nhưng khi MBA bị ngắn mạch sự cố (tức là MBA đang làm việc với điện áp sơ ấc p định mức Uđm, phía đầu cực thứ cấp xảy ra ngắn mạch), lúc này toàn bộ điện áp định mức đặt lên tổng trở ngắn mạch rất nhỏ của MBA nên dòng điện ngắn mạch quá độ sẽ rất lớn. Trong các trường hợp ngắn mạch thì trường hợp ngắn mạch 3 pha đối xứng có trị số dòng điện ngắn mạch lớn hơn trường hợp ngắn mạch không đối xứng. Do vậy, lực điện từ sinh ra là rất lớn, nó làm uốn cong, xê dịch hoặc phá hủy dây quấn MBA, thậm chí làm nổ MBA [22,33,75,78].
2 Ở MBA khô phân phối có cuộn dây được đúc bằng nhựa epoxy với đặc tính ưu điểm không bắt lửa, tự dập tắt lửa và chống cháy do tia lửa điện. Ngoài ra, nó có sức bền cơ, chịu quá tải cao, khả năng chống ẩm, độ ồn thấp và bảo dưỡng dễ dàng. Do vậy, loại MBA này được sử dụng nhiều ở các tòa nhà, khu dân cư, đường hầm, trên tàu bè và trên sàn ngoài khơi [2]. Tuy nhiên, khi tính toán ứng suất ở dây quấn khi MBA khô bị ngắn mạch, cần xét thêm các ứng suất thành phần như: (1) Ứng suất gây ra do phân bố nhiệt độ không đồng đều trong lớp epoxy (2) Ứng suất do chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và lớp epoxy (3) Ứng suất sẵn có giữa lớp epoxy và dây quấn. Vì vậy, lời giải cho bài toán nghiên cứu lý thuyết, tính toán về lực điện từ, ứng suất nhiệt tác dụng lên dây quấn MBA khi ngắn mạch và kích thước hợp lí của bán kính cong dây quấn theo độ tăng của ứng suất lực là các nghiên cứu cần được thực hiện. Do đó, luận án: “Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn máy biến áp khô bọc epoxy sử dụng lõi thép vô định hình” được đặt ra là cần thiết và có ý nghĩa quan trọng trong giai đoạn hiện nay. 2. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng mô hình toán của từ trường tản trong cửa sổ mạch từ MBA với từ thế vectơ A. Từ đó, tính ứng suất lực trên dây quấn MBA lõi VĐH với hình dạng của lõi thép là hình chữ nhật, khi MBA xảy ra ngắn mạch 3 pha đối xứng với dòng điện ngắn mạch cực đại. Tìm ra vùng có ứng suất lực lớn giữa cuộn HA và CA. Từ đó xác định vị trí có ứng lực lớn nhất trên vòng dây HA và CA của MBAVĐH trong điều kiện hình dạng của cuộn dây là hình chữ nhật. Tìm ra phân bố ứng suất lớn nhất trên vòng dây quấn khi bán kính cong của dây quấn thay đổi từ tròn đến vuông. Từ đó, đưa ra đường cong đánh giá và khuyến cáo của sự phụ thuộc ứng suất lực vào bán kính cong dây quấn, giúp sự lựa chọn hợp lí bán kính cong tại góc của dây quấn theo độ tăng của ứng suất lực. Tính toán lực ngắn mạch tổng hợp có tính đến sự xếp chồng ứng suất nhiệt, đó là: ứng suất gây ra do phân bố nhiệt độ không đồng đều trong lớp epoxy và ứng suất do chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và lớp epoxy. Đối tượng nghiên cứu MBA khô bọc epoxy có hình dạng dây quấn hình chữ nhật sử dụng lõi thép bằng vật liệu VĐH.
3 Phạm vi nghiên cứu Tập trung vào xây dựng mô hình toán của từ trường tản trong cửa sổ mạch từ MBA với từ thế vectơ A. Giải mô hình toán và tính ứng suất lực trên dây quấn trong điều kiện MBA bị ngắn mạch 3 pha đối xứng nguy hiểm nhất với dòng điện ngắn mạch cực đại. Ứng dụng phương pháp PTHH bằng phần mềm mô phỏng Ansys Maxwell 2D và 3D để xác định vị trí có ứng suất lớn nhất trên dây quấn và so sánh với điều kiện tiêu chuẩn cho phép của dây quấn. Tập trung vào phân tích sự phụ thuộc của giá trị ứng suất lực vào bán kính cong của dây quấn. Từ đó, đưa ra cách lựa chọn hợp lí giữa bán kính cong dây quấn theo độ tăng của ứng suất lực. Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp giải tích số bằng công cụ tính toán Matlab để giải mô hình toán. Sử dụng phương pháp PTHH 2D để tính toán ứng suất lực trên dây quấn MBA. Kết quả được so sánh với phương pháp giải tích số. Đồng thời, mở ra hướng nghiên cứu là sử dụng phương pháp PTHH 3D cho những bài toán có tính chất phi tuyến và hình dạng phức tạp. Sử dụng phương pháp PTHH 3D bằng phần mềm mô phỏng Ansys Maxwell để phân tích và tính toán ứng suất lực trên dây quấn MBA trong điều kiện ngắn mạch sự cố mà phương pháp thực nghiệm không thực hiện được. Từ đó xác định vị trí có giá trị ứng suất lớn nhất trên dây quấn, kết quả được so sánh với ứng suất cho phép của dây quấn. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu có hệ thống các lý thuyết cơ bản dòng điện ngắn mạch, từ trường và lực điện từ tác dụng dây quấn MBA khi bị ngắn mạch. Nghiên cứu xây dựng mô hình toán để phân tích và tính toán từ trường tản và lực điện từ trên dây quấn. Kết hợp phương pháp giải tích số và phương pháp PTHH để tính toán lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA. Để từ đó chứng minh tính hiệu quả của phương pháp PTHH. Sử dụng phương pháp PTHH 3D để tính toán cho các bài toán có tính chất phi tuyến và hình dạng phức tạp mà phương pháp giải tích rất khó thực hiện. Ý nghĩa thực tiễn Bài toán nghiên cứu về phân bố từ trường, lực điện từ ngắn mạch tác dụng lên dây quấn MBA, từ đó xác định vị trí có ứng suất lực lớn nhất trên dây quấn của MBA, có ý nghĩa thực tiễn giúp cho việc tính toán, thiết kế tối ưu cuộn dây của MBA. Phần nào tham gia
4 vào nghiên cứu hoàn thiện công nghệ và chế tạo MBA sử dụng vật liệu VĐH ở Việt Nam. Phương pháp PTHH với phần mềm Ansys Maxell 3D cho phép tìm ra phân bố ứng lực trên từng vị trí vòng dây trong trường hợp ngắn mạch sự cố nguy hiểm nhất phía hạ áp MBA mà phương pháp thực nghiệm không thực hiện được. Giúp ích cho các kỹ sư trong việc thiết kế MBA và giảm công sức thử nghiệm phá hủy khi chế tạo MBA. 4. Các đóng góp mới của luận án Nội dung của luận án đã tập trung nghiên cứu tính toán lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH. Luận án đã đạt được một số kết quả nghiên cứu mới có thể được tóm lược như sau: (1) Xây dựng mô hình toán tổng quát của từ trường tản trong cửa sổ mạch từ MBA với từ thế vectơ A. Ứng dụng phương pháp giải tích và PTHH 2D để tính ứng suất lực hướng trục và hướng kính trên các dây quấn trong trường hợp ngắn mạch 3 pha đối xứng phía HA. Kết quả về dòng điện ngắn mạch cực đại, từ trường tản và ứng suất lực trên cuộn dây HA và CA của hai phương pháp này được so sánh với nhau. (2) Xác định vị trí có giá trị ứng suất lực điện từ lớn nhất trên vòng dây cuộn HA và CA hình chữ nhật của MBAVĐH trong trường hợp ngắn mạch 3 pha đối xứng bằng phương pháp PTHH 3D. Tính toán ứng suất nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và cách điện epoxy, từ đó xác định ứng suất tổng hợp tác dụng lên dây quấn bọc epoxy. Kết này được so sánh với ứng suất tiêu chuẩn cho phép của dây quấn MBA. (3) Xây dựng đường cong khái quát đánh giá độ tăng của giá trị ứng suất theo bán kính cong cuộn dây khác nhau. Thông qua đường cong này, nếu thay đổi bán kính từ tròn đến vuông thì ứng suất lực sẽ tăng lên 31%, khuyến cáo cho người thiết kế MBA lựa chọn hợp lí bán kính cong dây quấn. 5. Cấu trúc nội dung của luận án Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 4 chương và phụ lục, cụ thể: Mở đầu: Trình bày các vấn đề chung của luận án, tóm tắt về nội dung nghiên cứu, những đóng góp của luận án và kết cấu của luận án. Chương 1: Tổng quan. Luận án giới thiệu tổng quát về MBA khô có cuộn dây đúc epoxy, phân tích ưu và nhược điểm loại MBA này so với MBA dầu. Sau đó trình bày về MBA lõi thép VĐH, đã được nghiên cứu trong nước và ngoài nước về vấn đề giảm tổn hao và thiết kế MBAVĐH; nghiên cứu lực điện từ ở MBA silic; lực điện từ MBAVĐH. Trên cơ sở phân tích những vấn đề nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài còn tồn tại, luận án đề ra mục tiêu, phương pháp nghiên cứu để giải quyết và khắc phục những nhược điểm còn tồn tại đó.
5 Chương 2. Mô hình toán của từ trường tản trong cửa sổ mạch từ máy biến áp. Chương này, luận án trình bày lý thuyết về dòng điện ngắn mạch ở trạng thái xác lập và quá độ, nguyên nhân gây ra lực điện từ và các thành phần của lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA lõi thép VĐH có cấu trúc đặc biệt hình chữ nhật. Đề ra sự cần thiết xây dựng mô hình toán để tính toán lực điện từ. Sau đó, luận án tiến hành xây dựng mô hình toán tính toán từ trường tản trong vùng không gian dây quấn của MBA với từ thế vectơ A. Chương 3. Tính toán ứng suất lực điện từ bằng phương pháp giải tích và phần tử hữu hạn 2D. Trong chương này, luận án tập trung vào việc xây dựng một mô hình tính toán ứng suất trên dây quấn MBA công suất 630kVA trong trường hợp ngắn mạch 3 pha đối xứng. Quá trình phân tích tính toán ứng suất trên dây quấn được tiến hành trên hai phương pháp giải tích và PTHH 2D. Kết quả về thời gian phân tích và các giá trị về từ cảm tản và ứng suất của cả hai phương pháp lần lượt được so sánh với nhau, để có thể tìm ra được một phương pháp phân tích tính toán phù hợp nhất. Đồng thời mở ra hướng nghiên cứu cho chương 4, sử dụng phương pháp PTHH 3D cho mô hình MBA có kết cấu phức tạp hơn. Chương 4. Tính toán lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn máy biến áp. Trong chương này, luận án tiến hành xây dựng một thuật toán mô phỏng MBAVĐH 3 pha có công suất 630kVA-22/0,4kV, trong trường hợp không tải và ngắn mạch thử nghiệm, các kết quả về giá trị dòng điện, điện áp, tổn hao không tải và ngắn mạch được so sánh với các kết quả thử nghiệm của nhà sản xuất. Trên cơ sơ đúng đắn của mô hình mô phỏng, tiến hành cho ngắn mạch sự cố phía hạ áp MBA để phân tích và đưa ra kết quả từ trường tản, lực điện từ hướng kính và hướng trục tác dụng vào cuộn dây CA và HA. Từ đó xác định vị trí có ứng lực lớn nhất trên cuộn dây HA và CA có hình dạng chữ nhật; giá trị ứng suất lớn nhất được so sánh với ứng suất cho phép của dây quấn. Sau đó, luận án đã tiến hành mô phỏng nhiều trường hợp với bán kính cong dây quấn thay đổi từ tròn đến vuông. Từ đó đưa ra hai đường cong quan hệ giữa ứng suất với bán kính cong dây quấn. Kết quả giúp cho sự lựa chọn hợp lí giữa bán kính cong dây quấn theo hệ số gia tăng của ứng suất lực. Ứng suất tác dụng vào dây quấn MBA khô, tẩm cách điện epoxy là tổng xếp chồng ứng suất do lực điện từ; ứng suất do độ chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và epoxy; và ứng lực do phân bố nhiệt độ không đồng đều ở lớp epoxy. Do đó, phần cuối của luận án đã tính toán ứng suất tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA bọc lớp epoxy, có xét đến các ứng suất nhiệt này.
6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu Trong chương này, luận án giới thiệu tổng quát về MBA khô có cuộn dây đúc epoxy, phân tích ưu và nhược điểm loại MBA này so với MBA dầu. Sau đó trình bày MBA lõi thép VĐH, đã được nghiên cứu trong nước và ngoài nước về: vấn đề giảm tổn hao, tính toán và thiết kế MBAVĐH; nghiên cứu lực điện từ ở MBA silic, lực điện từ MBAVĐH. Trên cơ sở những vấn đề còn tồn tại về nghiên cứu lực điện từ của MBA lõi thép VĐH, tác giả đề ra hướng nghiên cứu cho luận án. 1.2. Máy biến áp khô 1.2.1. Khái niệm: MBA đầu tiên xuất hiện vào khoảng năm 1890 là một MBA khô. Cách điện khô tản nhiệt kém, mặt khác ban đầu chưa có cách điện chịu được nhiệt độ cao, độ bền cách điện còn hạn chế nên MBA khô có cấp điện áp chưa cao, công suất cũng chưa đủ lớn. Sự phát triển của MBA được nâng lên một bậc do sự xuất hiện của dầu biến áp. Đến 1980 hầu hết các MBA được sản xuất phục vụ cho các toà cao ốc và trạm điện ngoài trời là MBA dầu. MBA dầu không đáp ứng được những yêu cầu nghiêm ngặt về môi trường và an toàn – phòng chống cháy nổ, dầu MBA là chất dễ cháy và sản phẩm cháy của nó lại gây ô nhiễm môi trường. MBA khô đáp ứng được tối đa yêu cầu về an toàn phòng chống cháy nổ. Từ những năm 80 thuộc thế kỷ XX, MBA khô ngày càng được hoàn thiện và phát huy đươc những những ưu điểm của nó. Xu hướng hiện nay, những địa điểm có yêu cầu nghiêm ngặt về môi trường và an toàn – phòng chống cháy nổ, khách sạn, các tòa nhà cao ốc, văn phòng chính phủ và những nơi đông dân cư thì MBA khô sẽ được ưu tiên sử dụng. Có hai loại MBA khô thường gặp: MBA có cuộn dây không đúc trong cách điện rắn và MBA có cuộn dây đúc trong cách điện rắn. MBA khô có cuộn dây không đúc trong cách điện rắn là loại máy có dây quấn được bọc bằng cách điện cấp F hoặc cấp H như giấy nomex, kaptofilm, vải thuỷ tinh v.v Nhược điểm MBA khô có cuộn dây không đúc trong cách điện rắn là nhạy cảm với độ ẩm, khói bụi công nghiệp, hơi mặn và khả năng phòng chống cháy nổ kém hơn loại máy đúc bằng nhựa epoxy nên hiện nay chỉ làm việc tới mức điện áp là 17,5kV và thử xung toàn sóng tới 95kV. Chính vì thế, hiện nay người ta chủ yếu dùng loại MBA có cuộn dây đúc trong cách điện rắn [8].
7 1.2.2. Máy biến áp khô có cuộn dây đúc trong cách điện rắn Cách điện rắn để đúc cuộn dây MBA khô là loại vật liệu có độ bền cơ, điện, nhiệt cao, chịu được môi trường bụi bẩn, hoá chất, độ ẩm cao, gần biển, có khả năng chống cháy nổ, v.v Chất cách điện rắn phổ biến nhất hiện nay là composit có chứa gốc epoxy. MBA khô có cuộn dây đúc trong chất cách điện rắn thích hợp ở những nơi có yêu cầu cao về phòng chống cháy nổ, nơi đông người qua lại, các công trình gần biển, các toà nhà cao tầng, dưới lòng đất v.v Số lượng MBA khô loại này ngày càng chiếm thị phần lớn trên thị trường thế giới. So với MBA khô cuộn dây không đúc trong cách điện rắn thì công nghệ chế tạo cuộn dây loại máy này phức tạp hơn nhiều, đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao hơn. Hình 1.1 là loại MBA khô có cuộn dây đúc trong epoxy. Hình 1.1. Máy biến áp khô đúc bằng nhựa epoxy [8] 1.2.3. Ưu nhược điểm của máy biến áp dầu và máy biến áp khô 1.2.3.1. Máy biến áp dầu a. Ưu điểm: + Chế tạo đơn giản, giá thành rẻ hơn so với MBA khô cùng loại + Dầu MBA có khả năng cách điện cao lại có khả năng tuần hoàn làm mát tự nhiên tốt nên có thể chế tạo MBA có điện áp đến hàng trăm kV, công suất đến hàng trăm MVA + Khả năng quá tải lớn do dầu MBA tản nhiệt tốt hơn không khí b. Nhược điểm: + Không thích hợp ở những nơi có yêu cầu cao về phòng chống cháy nổ, các công trình gần biển, khu đông người, các nhà máy hoá chất, hầm lò v.v + Khi xảy ra sự cố thì thường gây nên cháy nổ, dầu máy tràn ra và gây cháy tạo nên các khí thải ra môi trường xung quanh gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khoẻ của con người. + Thường xuyên phải kiểm tra mức dầu, sự rò rỉ dầu, chi phí bảo dưỡng và vận hành lớn + Không gian lắp đặt chiếm nhiều diện tích hơn so với MBA khô có cùng công suất
8 + Khả năng vận chuyển đi xa khó khăn hơn và kém an toàn hơn. 1.2.3.2. Máy biến áp khô a. Ưu điểm: + Có khả năng phòng chống cháy nổ cao, có khả năng tự dập cháy tốt. Hình 1.2 mô tả thí nghiệm về khả năng chống cháy cuộn dây đúc epoxy Hình 1.2. Khả năng chống cháy cuộn dây đúc epoxy; a) đốt cuộn dây trong hai phút; b) ngừng đốt; c) ngừng đốt sau 15 giây [8] + Không gây ô nhiễm môi trường + Chịu được môi trường công nghiệp, nơi có độ ẩm lớn và nước biển + Cuộn dây được quấn bằng dây dẫn có hình dạng đặc biệt và được tẩm, đúc bằng nhựa epoxy tạo thành một khối vững chắc, có khả năng chịu được dòng ngắn mạch, lực điện từ tốt hơn + Thời gian lắp đặt nhanh, chi phí bảo dưỡng hàng năm ít + Có khả năng chịu được xung điện áp lớn do cuộn dây được đúc trong epoxy tạo thành một khối vững chắc, mặt khác hai vùng dây kề nhau đóng vai trò như hai bản cực của một tụ điện làm phân bố điện áp các vùng dây đồng đều hơn [8] + Kích thước lắp đặt nhỏ hơn so với MBA dầu + Có thể lắp đặt gần tải, tiết kiệm được cáp hạ áp. 2. Nhược điểm: + Công nghệ đúc cuộn dây cao áp phức tạp, giá thành của MBA khô cao hơn so với MBA dầu cùng loại + Do khả năng làm mát và khả năng cách điện của vật liệu khô bị hạn chế, vì vậy công suất, cấp điện áp của MBA khô bị giới hạn + Khả năng quá tải kém hơn so với MBA dầu. 1.3. Máy biến áp hiệu suất cao Xu thế hiện nay người ta ưu tiên lựa chọn các MBA có hiệu suất cao. Các nhà sản xuất luôn tìm kiếm vật liệu mới, đồng thời hoàn thiện thiết kế để có khả năng chế tạo MBA có tổn hao thấp. Nói cách khác người ta luôn luôn phải có biện pháp cải tiến thiết kế và công nghệ chế
9 tạo nhằm hoàn thiện về cấu trúc, hình dạng, thông số kỹ thuật, kinh tế .và quan trọng nhất sử dụng vật liệu mới để giảm tổn hao của MBA. Khoảng những năm 80 của thế kỷ XX, thép VĐH (thép biến áp siêu mỏng) ra đời. Nhờ vào thành phần và cấu trúc vi mô đặc biệt, thép VĐH đáp ứng cả 3 yêu cầu để giảm tổn hao lõi là: lực kháng từ rất nhỏ, HC ~ 5-10 A/m (so với ~50-100 A/m của tôn silic); độ dày tự nhiên của lá thép rất nhỏ, t ~ 0.03 mm (so với ~ 0,3-0,5 mm của tôn silic) và điện trở suất rất lớn ρ ~ 130- 170 μΩcm (so với ~50-60 μΩcm của tôn silic). Nhờ vào các tính chất trên mà tổn hao lõi của thép VĐH giảm mạnh so với thép silic loại tốt nhất [6]. Tổn hao trong lõi thép gần đúng bằng tổn hao không tải MBA. Hình 1.3 mô tả lịch sử tổn hao không tải các MBA 50 kVA do nâng cao chất lượng vật liệu chế tạo lõi thép từ năm 1970 đến năm 1990. Hình 1.3. Lịch sử tổn hao không tải của MBA 50 kVA [34] Nhìn đồ thị ở Hình 1.3 ta thấy xu hướng dùng thép để giảm tổn hao là một việc làm hết sức cần thiết. Bắt đầu từ năm 1955 đến năm 1990, ngày càng dùng loại thép chất lượng tốt hơn, mặc dù hiện nay các MBA chế tạo có tổn hao nhỏ nhưng vẫn còn những MBA cũ có tổn hao lớn đang được sử dụng trên lưới điện. Cho nên, việc quyết định phương án chế tạo MBA tổn hao thấp hay cao không những là vấn đề kinh tế - kỹ thuật ở hiện tại mà ảnh hưởng cả trong tương lai. Từ năm 1980 cho đến nay, xu hướng của thế giới chọn vật liệu VĐH làm lõi thép cho MBA để giảm tổn hao không tải. Đồ thị trên Hình 1.4 cho thấy đường cong từ hóa của tôn silic (M4) và thép VĐH. Hình 1.5 mô tả lịch sử ứng dụng thép VĐH chế tạo MBA phân phối.
10 B (T) Thép vô 1,6 định hình 1,2 0,8 0,4 0 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 0,4 H(A/m) Thép silic 0,8 1,2 1,6 Hình 1.4. Biểu thị đường cong từ trễ của vật liệu VĐH và thép silic [18] South Corolia Hình 1.5. Lịch sử ứng dụng thép VĐH chế tạo MBA phân phối [18] Khi lựa chọn phương án thiết kế MBA có hiệu suất cao mang một ý nghĩa lớn, vì tuổi thọ của MBA có thể từ 30 đến 50 năm, sai lầm trong lựa chọn thiết kế sẽ phải gánh chịu thiệt thòi trong thời gian dài. 1.4. Những nghiên cứu ở ngoài nước về máy biến áp lõi vô định hình 1.4.1. Phương pháp chế tạo vật liệu vô định hình Để chế tạo vật liệu VĐH, cho tới hiện nay người ta sử dụng 20 phương pháp khác nhau. Tuy nhiên, để đơn giản có thể theo phương pháp nguội nhanh từ tinh thể lỏng. Nguội nhanh là công nghệ làm đông cứng gần như tức thời các hợp kim lỏng. Đại lượng đặc trưng cho quá trình nguội của hợp kim là tốc độ nguội, có đơn vị là 0K/s (độ Kelvin/giây). Trong công nghệ luyện kim, tốc độ nguội thông thường là khoảng một vài chục đến một vài trăm độ trong một giây, với tốc độ nguội chậm như vậy, các hợp kim đều kết tinh khi đông cứng. Khi tăng tốc độ nguội lên vài trăm ngàn tới một triệu độ trong một giây, hợp kim lỏng bị
11 đông cứng nhanh đến mức quá trình kết tinh không kịp xảy ra. Khi đó thu được kim loại - hợp kim ở trạng thái hoàn toàn mới với cấu trúc vi mô không tinh thể, được gọi là hợp kim VĐH (amorphous alloys) hoặc thủy tinh kim loại (metallic glasses) do các kim loại đó có cấu trúc vi mô không trật tự, tương tự như cấu trúc của thủy tinh silicat. Hợp kim VĐH thường được chế tạo dưới dạng băng mỏng vài chục micromet ngay trong quá trình đông cứng [1,26,58]. Cấu trúc nguyên tử thường (trái), thép vô định hình (phải). Cấu trúc Tinh thể Cấu trúcVô định hình Cấu trúc Nano tinh thể Hình 1.6. Các cấu trúc nguyên tử [80] Trong đó: (A) Lò nấu chảy; (B) Hệ thống rót; (C) Trục quay; (D1) (D2) Thiết bị kiểm tra độ dày và bề rộng băng; (E) Thiết bị quấn băng Hình 1.7. Qui trình chế tạo vật liệu VĐH [23,80] Dùng vật liệu VĐH làm lõi thép MBA 1 pha, 3 pha (MBA dầu và MBA khô) là một giải pháp tiết kiệm năng lượng của Công ty Hitachi [35].
12 Hình 1.8. Máy biến áp 3 pha: a) 3 trụ ; b) 5 trụ [35] 1.4.2. Giảm tổn hao máy biến áp lõi vô định hình Từ năm 1960, cấu trúc VĐH của chất rắn được phát hiện và phát triển cho đến nay gọi là vật liệu từ mềm VĐH, quá trình phát triển trải qua nhiều giai đoạn khác nhau, quá trình phát triển của vật liệu từ mềm VĐH ở các nước Mỹ, Nga, Nhật Bản, Trung Quốc, . [58] Lịch sử phát triển của MBAVĐH đã trải qua nhiều giai đoạn khác nhau từ khi bắt đầu phát hiện ra vật liệu VĐH từ năm 1960 đến những năm 80 của thế kỷ XX thì người ta mới bắt đầu sử dụng vật liệu VĐH làm lõi MBA, quá trình phát triển MBAVĐH có thể tóm tắt qua những công trình nghiên cứu qua những bài báo sau đây: Năm 1987, S. Lupi đã đề cập đến vấn đề kinh tế khi sử dụng MBAVĐH và đưa ra so sánh chi phí giữa hai MBA lõi thép thông thường và lõi VĐH, từ đó khẳng định sử dụng MBAVĐH sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao [49]. Năm 1991, tác giả W.Harry đã giới thiệu những tính chất độc đáo hợp kim VĐH, bắt đầu dùng vật liệu VĐH làm lõi thép MBA phân phối và sự phát triển trong tương lai [34]. Năm 1992, H. Matsuki đã nghiên cứu về các hình dạng lõi của MBA để giảm tổn hao điện năng. Tác giả đã mô tả các hình dạng thích hợp cho MBA để giảm tổn hao điện năng. Trong đó, hệ số tự cảm, điện kháng tản, điện trở và tổn hao sắt được đo cho các lõi có hình dạng khác nhau để đánh giá các đặc tính làm việc của MBA [56]. Vật liệu VĐH với những đặc tính giảm tổn thất trong lõi thép cho nên nó có thể ứng dụng không những cho MBA mà vào lĩnh vực máy điện quay hay ở thiết bị có tần số cao. Năm 1992, Jerry C F Li [42] đã nghiên cứu về ứng dụng vật liệu VĐH giảm tổn thất trong lõi thép của MBA và động cơ. MBA phân phối lõi VĐH tần số 60Hz đã được sản xuất trên thị trường và đã đề cập đến nhiều trong các công trình nghiên cứu. Khả năng sử dụng MBAVĐH không ngừng lại ở đó, đến năm 2009 Robert U. Lenke [46] đã đưa ra đặc tính lõi thép của biến áp phân phối VĐH sử dụng cho tần số 50÷60Hz. Ngoài ra, lõi thép VĐH cũng được sử dụng trong lĩnh vực điện tử công suất ở tần số kHz để giảm tổn hao.
13 Tại Hoa kỳ, năm 1992 yêu cầu đặt ra là phải cải thiện hệ thống lưới điện phân phối để giảm tổn thất MBA. Nghiên cứu của tác giả W. J. Ros, T. M. Taylor [65] chỉ ra rằng trong tất cả các tổn thất ở lưới phân phối thì tổn thất MBA chiếm 60% trong đó tổn thất lõi 45% trong tổng số tổn thất của hệ thống. Cụ thể điển hình một biến áp pha 25 kVA với lõi thép silic sẽ có tổn hao lõi 60W còn với lõi VĐH sẽ có 20W. Hay MBAVĐH đã giảm tổn thất 60% -70% so với thép silic loại tốt. Chính vì vậy MBAVĐH mở ra một lợi ích kinh tế cho hệ thống lưới điện phân phối, nó mang hiệu quả kinh tế, tiết kiệm năng lượng đồng nghĩa với giảm khí thải [17]. Tại Pháp [25], các công ty chế tạo biến áp như ERDF đã tiến hành các thử nghiệm không tải cũng như ngắn mạch trên nhiều MBAVĐH từ công suất 160kVA đến 630kVA để đánh giá và đưa ra tiêu chuẩn cho MBAVĐH trước khi sản xuất cung cấp cho thị trường các nước ở Châu Âu. Ở Châu Á [42] tổn thất điện năng được chính phủ các nước quan tâm hàng đầu và yêu cầu đặt ra đối với các cơ quan các nước thực hiện chống lãng phí điện năng. Theo một khảo sát tại Nhật Bản trong tổng số tổn thất không tải điện năng vượt là 1,5 lần so với công suất dự tính, do đó phải tiến hành giảm tổn thất bằng sử dụng MBAVĐH. Vấn đề sử dụng điện năng tiết kiệm và hiệu quả với MBAVĐH không chỉ diễn ra ở Nhật Bản mà còn ở các nước Châu Á như: Lào, Nepal, Philippine, Đài Loan, Ấn độ, Hàn Quốc, Trung Quốc, .Việc dùng MBA lõi VĐH sẽ giảm tổn hao không tải đến 70-80% so với MBA tôn silic. Đồng thời đưa ra kinh nghiệm sử dụng cũng như khả năng phát triển sử dụng MBAVĐH trong tương lai [42]. 1.4.3. Thiết kế máy biến áp lõi vô định hình Trong lĩnh vực nghiên cứu và thiết kế đã có nhiều đóng góp của những tác giả như: G. Segers - A. Even -M.Desinedt [30]; Pan-Seok Shin [61], Benedito Antonio Luciano [20], D. Lin; P. Zhou; W. N. Fu; Z. Badics and Z. J. Cendes [48], Như tác giả Pan-Seok Shin [61] đã sử dụng phương pháp đồng nhất để tính toán từ trường trong lõi thép của MBAVĐH, trong đó tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) để phân tích từ trường MBA. Stefan Sieradzki [68] đã đưa ra các cách thay đổi hình dạng của mạch từ MBAVĐH 3 pha từ đó tác giả tiến hành tính toán và kiểm tra bằng thực nghiệm tổn thất MBA 5 trụ 160kVA. Tiếp đó, công suất MBAVĐH cũng được nâng cao lên đến 630kVA [77] tác giả Yinshun Wang, Xiang Zhao đã xây dựng thiết kế và tính toán tổn thất của một MBA 3 pha với công suất trên 630 kVA điện áp sơ cấp/thứ cấp là 10,5 kV/0.4 kV thông qua thí nghiệm ngắn mạch và không tải theo tiêu chuẩn. Vấn đề đi sâu vào thiết kế, thử nghiệm MBAVĐH cũng được nghiên cứu kỹ càng và sâu sắc hơn, cụ thể tác giả Benedito Antonio Luciano [20] thiết kế, thử nghiệm MBAVĐH 1 pha
14 1kVA, đồng thời vấn đề ủ phục hồi từ tính cũng được đề cập để nâng cao hiệu suất. Tác giả đã trình bày phương pháp ủ lõi bằng khí argon trong từ trường một chiều dọc theo chiều dài lõi. Phân tích mô hình mạch từ của lõi thép VĐH để phân tích tổn hao không tải thì có nhiều tác giả với các phương pháp thực hiện khác nhau, ví dụ như: nhóm tác giả D. Lin, P. Zhou, W. N. Fu, Z. Badics, and Z. J. Cendes tại Mỹ năm 2003 [48] phân tích mô hình tổn thất lõi bằng phương pháp PTHH 2D và 3D ở chế độ quá độ. Kết quả thử nghiệm trên hai mô hình lõi VĐH và lõi sillic cho thấy tổn hao trên lõi VĐH là thấp hơn. Những công trình nghiên cứu trên đối tượng MBAVĐH không ngừng lại ở một mức độ chung chung đó mà nghiên cứu đi vào đối tượng cụ thể là MBA khô VĐH. Nhóm tác giả Thorsten Steinmetz, Bogdan Cranganu-Cretu [69] tiến hành nghiên cứu tổn thất không tải và có tải của MBA khô VĐH. Tác giả tập trung phân tích, đánh giá tổn hao không tải của MBA phân phối khô lõi VĐH 630kVA như Hình 1.9, đưa ra phương pháp cải tiến trong thiết kế mạch từ MBA để tổn hao là thấp nhất. Đồng thời thông qua phương phápPTHH khảo sát mạch từ để chứng minh đặc điểm thiết kế mạch từ mà tác giả đề ra như Hình 1.10. MBA khô 630kVA Tổn hao không tải Tổn hao tải n hao (W) hao n ổ T % tải Hình 1.9. Tổn hao không tải và có tải của MBA khô VĐH [69] Lõi ngoài Lõi trong Hình 1.10. Mô hình mạch từ của MBA khô VĐH trong phân tích FEM [69]
15 1.5. Những nghiên cứu ở trong nước về máy biến áp lõi vô định hình Viện Vật lý kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội: Từ dự án sản xuất số 13/97-HĐCGCN đã có hơn 10 năm kinh nghiệm, đã nghiên cứu thành công công nghệ chế tạo vật liệu từ VĐH dạng băng mỏng và ứng dụng các sản phẩm băng từ mềm VĐH vào sản xuất MBA nhỏ tần số cao. Dự án đã đào tạo được nhiều Tiến sĩ, Thạc sĩ, trên 50 bài báo khoa học liên quan và tham dự trên 10 hội nghị khoa học quốc tế [6]. Ngày 10 tháng 12 năm 2009, lần đầu tiên ở nước ta đưa việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu VĐH làm lõi thép MBA điện lực; Bộ trưởng Bộ Công Thương đã ký Quyết định số 6228/QĐ – BCT về: Kế hoạch khoa học công nghệ năm 2010 [1] với nội dung cụ thể như sau: “Thiết kế chế tạo chế tạo MBA giảm tổn hao không tải sử dụng vật liệu thép từ vô định hình siêu mỏng, chế tạo trong nước”. Ngày 14 tháng 1 năm 2011, Mitsubishi UFJ Morgan Stanley Securities, Co., Ltd. (MUMSS) phối hợp với Trung tâm tiết kiệm năng lượng Tp. Hồ Chí Minh đãt ổ chức “Hội thảo thúc đẩy sử dụng máy biến áp Amorphous hiệu suất cao trong hệ thống lưới điện tại Việt nam”. Sau hội thảo có chương trình đầu tư nghiên cứu, sản xuất MBAVĐH tại Việt nam. Ngày 13 tháng 1 năm 2012, Công ty Hitachi Metals đã phối hợp với với Trung tâm tiết kiệm năng lượng Tp. Hồ Chí Minh đã tổ chức hội thảo: “Máy biến áp lõi tôn vô định hình hiệu suất cao và ứng dụng hiệu quả tại Việt Nam”. Tại hội thảo đưa ra những đặc trưng của MBAVĐH hiệu suất cao và kết quả đo phụ tải điện của MBA ở Việt Nam, thông qua kết quả vận hành thực tế MBA lõi tôn VĐH hiệu suất cao đồng thời đề xuất tiêu chuẩn mới cho MBA này tại Việt Nam. Khởi động tại Việt Nam từ năm 2010, với sự phối hợp của ECC-HCMC, Hitachi đã chuyển giao thành công MBA hiệu suất cao cho công ty sản xuất MBA tại Việt Nam. Năm 2011, ECC- HCMC đã tiến hành lắp đặt và đo thử nghiệm MBA này trên lưới điện ở một số địa phương như Hà Nội, Tp.HCM, Bình Dương, Đồng Nai và Bến Tre. Kết quả vận hành thực tế cũng như những phương pháp đánh giá mới, tiêu chuẩn mới cho MBA đã được các chuyên gia phân tích, đánh giá và đề xuất tại hội thảo. Ở Việt Nam, MBA khô thì công ty cổ phần chế tạo biến thế Hà Nội đã nhập máy đúc cuộn dây, khuôn đúc dây quấn và cũng đã chế tạo được thành công MBA khô có cuộn dây đúc trong epoxy. MBA khô được sản xuất đã được thử nghiệm và đảm bảo chất lượng để vận hành. Nói chung, MBA có lõi thép làm bằng vật liệu VĐH cần được nhanh chóng đưa vào sử dụng ở Việt nam, tuy nhiên nó còn rất mới mẻ với Việt Nam. Chính vì vậy, cần phải có nhiều công trình nghiên cứu tính toán ứng lực, truyền nhiệt, phân bố cách điện cũng như tính toán, thiết kế, công nghệ chế tạo để áp dụng vào thực tế sản xuất trong nước.
16 1.6. Nghiên cứu lực điện từ ở máy biến áp lõi silic Về vấn đề lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA có lõi thép silic, trên thế giới đã có nhiều tác giả nghiên cứu đề cập và được liệt kê sau đây: Năm 2001, Adly A.A đã tính toán lực tác dụng lên dây quấn MBA, trong quá trình chuyển đổi nấc phân áp của MBA làm xuất hiện dòng điện xung. Mục đích ủc a tác giả là phân tích, tính toán lực điện từ gây ra bởi dòng điện xung kích MBA. Kết quả cả hai trường hợp là dòng điện xung kích và dòng điện ngắn mạch sinh ra lực tác dụng lên cuộn dây biến áp là giống nhau. Tính toán trên mô hình 3D của MBA một pha, trong đó có sử dụng kỹ thuật mạng noron để tính toán tổn hao, đồng thời sử dụng kết quả thực nghiệm để so sánh. Kết quả về lực điện từ ngắn mạch cũng được so sánh và đánh giá với nhau [12]. Năm 2004, Tang Yun-Qiu đã tính toán lực ngắn mạch trên dây quấn MBA, trình bày tính toán lực hướng kính và hướng trục khi ngắn mạch ba pha trên một MBA 72MVA, phân tích từ trường tản và lực theo phương pháp PTHH. Các kết quả tính toán được so sánh với thử nghiệm [36]. Năm 2007, A. C. De Azevedo đã phân tích từ trường của MBA khi xảy ra ngắn mạch, dùng phương pháp PTHH theo miền thời gian (Hình 1.11) để tính toán lực cơ học xảy ra trong cuộn dây biến áp trong điều kiện ngắn mạch. Tác giả sử dụng tính toán bằng giải tích và mô phỏng số để khảo sát MBA hai trường hợp bình thường và ngắn mạch, kết quả lực hướng trục và hướng kính ở Hình 1.12 và Hình 1.13 giữa hai phương pháp này được so sánh và đánh giá với nhau [16]. Hình 1.11. Phân bố từ thông của MBA dây Hình 1.12. Các thành phần lực hướng kính cuộn quấn đồng tâm [16] dây đồng tâm [16] Hình 1.13. Mật độ từ thông hướng kính và Hình 1.14. Ứng suất trên vòng dây của các lực dọc trục [16] cuộn dây [16]
17 Nhóm tác giả: Hyun-Mo Ahn và Ji-Yeon Lee đã phân tích, tính toán lực điện từ ngắn mạch của MBA lõi thép silic có tiết diện tròn bằng phương pháp PTHH [37,38,39,40]. Nhóm tác giả khẳng định khi MBA bị ngắn mạch vào lúc đang hoạt động trong hệ thống điện, các dòng điện ngắn mạch tương tác với từ thông tản như ở Hình 1.15 gây ra ứng suất cơ học rất nghiêm trọng đối với dây quấn MBA. Vì vậy, yêu cầu thiết kế MBA phải chịu được dòng ngắn mạch khi hệ thống bị lỗi như ngắn mạch một pha chạm đất, ngắn mạch ba pha, Hình 1.15. Lực điện từ, dòng điện và từ cảm tản của MBA [39] Nhóm tác giả thực hiện trên các MBA khô 1 pha với công suất 50 kVA và 1 MVA, phân tích từ trường tản bằng phương pháp PTHH với phần mềm Maxwell V12 ở Hình 1.16. Hình 1.16. Phân bố từ trường trong mạch từ và ngoài cuộn dây [40] Sự phân bố và hướng của mật độ từ thông ở trạng thái bình thường của MBA đều ở trên lõi. Nhưng ở Hình 1.16 cho thấy ở trạng thái ngắn mạch sự phân bố mật độ từ thông tản xung quanh cuộn dây là khá lớn. Khi ngắn mạch xảy ra, MBA có thể bị hư hỏng bởi dòng điện quá độ. Phân tích lực điện từ, dòng ngắn mạch sử dụng phần mềm Maxwell Circuit Edit V12.1 là mạch liên kết cuộn HA và CA ở Hình 1.17. Khoảng thời gian khảo sát từ 0-50 ms. Dòng điện đỉnh của cuộn HA là 6142,5 A và cuộn CA là 746,1 A được hiển thị ở Hình 1.18.
18 Hình 1.17. Sơ đồ mạch điện liên kết Hình 1.18. Dòng điện ngắn mạch cuộn CA và HA [38] Kết quả là lực hướng kính và hướng trục trên cuộn dây HA và CA ở Hình 1.19; Hình 1.20; Hình 1.21; Hình 1.22. Hình 1.19. Lực hướng kính trên cuộn CA [38] Hình 1.20. Lực hướng trục cuộn CA [38] Hình 1.21. Lực hướng kính trên cuộn HA [38] Hình 1.22. Lực hướng trục cuộn HA [40] Ở Hình 1.23, nhóm tác giả đã khảo sát lực hướng kính trên cuộn dây HA ở 16 vị trí khác nhau, kết quả giá trị phân bố lực trên 16 điểm tương đối đồng đều nhau ở Hình 1.24, do phân bố đồng đều của từ thông tản trên cuộn dây của MBA lõi thép silic có tiết diện tròn.
19 Hình 1.23. Các vị trí khảo sát trên cuộn dây [38] Hình 1.24. Lực hướng kính trên cuộn HA [38] Ngoài ra, tính toán từ trường tản và lực cơ khí sinh ra ở MBA khi ngắn mạch bằng phương pháp PTHH theo miền thời gian cũng được nhiều tác giả quan tâm được công bố trong các công trình [12,13,19,28,44,45,51,74]. 1.7. Nghiên cứu lực điện từ ở máy biến áp lõi vô định hình MBAVĐH do có cấu trúc đặc biệt của lõi thép và cuộn dây là hình chữ nhật nên phân bố điện trường, từ trường tản và phân bố lực tác dụng lên cuộn dây cũng sẽ không đối xứng trên cùng một vòng dây. MBAVĐH có mức độ tiếng ồn cao hơn và khả năng chịu ngắn mạch sẽ kém hơn MBA lõi tôn silic.H ơn nữa, lúc xảy ra ngắn mạch thì lực này lớn sẽ rất nguy hiểm đối với cuộn dây [17,34,48,59]. Nhóm tác giả Haifeng Zhong - WenhaoNiu - Tao Lin - Dong Han - Guoqiang Zhang [32], đã nghiên cứu phân tích khả năng chịu ngắn mạch của một MBAVĐH có công suất 800kVA- 10kV. Từ đó, đề xuất một kết cấu kẹp các cuộn dây MBA để có thể chịu được lực ngắn mạch lớn gây ra và chứng minh tính khả thi của phương pháp kết cấu mới của mình dưới sự hỗ trợ của phần mềm Ansys. Nhóm tác giả đề cập đến ưu điểm của MBA phân phối có lõi hợp kim vô định hình là khả năng giảm tổn hao và sử dụng rộng rãi nhưng rất nhạy cảm với lực cơ khí, từ trường tác động lên dây quấn, mức độ tiếng ồn cao hơn và khả năng chịu đựng ngắn mạch kém hơn MBA lõi tôn silic. Do đó, cần có được sự quan tâm nhiều đến thiết kế về cuộn dây cũng như các cấu trúc hỗ trợ khác. Kết quả nghiên cứu về mật độ từ thông, lực ngắn mạch có sự thay đổi lớn giữa cuộn CA và HA trong trường hợp ngắn mạch với dòng điện ngắn mạch lớn và nguy hiểm nhất là trường hợp ngắn mạch đột ngột phía HA của MBA. Một thiết kế cấu trúc mới được đề xuất và được chứng minh với kẹp 8 bulông được thắt chặt trên cuộn dây ở Hình 1.25.
20 Hình 1.25. Cấu trúc kẹp cuộn dây của MBAVĐH [32] Nhóm tác giả B. Tomczuk, D. Koteras [71,72] đã tính toán lý thuyết và thực nghiệm về thành phần từ trường và điện kháng ngắn mạch của MBA 3 pha lõi VĐH công suất S = 10kVA. Nhóm tác giả K. Zakrzewski; B. Tomczuk, D. Koteras [81] tiến hành sản xuất 2 loại MBA 10kVA: MBA không đối xứng (AAT là MBA mạch từ phẳng) và MBA đối xứng (AST là MBA mạch từ không gian). Sau đó, tính toán phân bố từ trường trong các MBAVĐH trong trạng thái ngắn mạch, phân tích từ thông móc vòng  và từ thông  bằng phương pháp PTHH 3D. Đồng thời, kết quả phân bố từ thông tản lúc ngắn mạch giữa AST và AAT được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Kết quả loại MBA AAT thấp hơn và tốt hơn cho sản xuất và sửa chữa. Ảnh hưởng của khe hở không khí d giữa các cuộn dây đến từ trường trong MBAVĐH cũng được tác giả B. Tomczuk [73] đề cập đến và đã dùng phương pháp PTHH với mô hình 3D để phân tích từ trường MBAVĐH 1 pha công suất 10kVA, ảnh hưởng của kích thước giữa các cuộn dây đến giá trị tự cảm tản. Sự biến đổi bề rộng khe hở d gây ra thay đổi phân bố từ thông, giá trị của từ thông có sự khác nhau khoảng 25% khi d thay đổi từ 1 mm đến 7 mm. Tính toán và thử nghiệm đã được thực hiện trên cuộn dây tròn và cũng có thể sử dụng cho cuộn dây hình chữ nhật. Nhóm tác giả M.Mouhamad, C.Elleau [59], đã đưa ra kết quả thử nghiệm ngắn mạch MBAVĐH sử dụng lõi thép vật liệu 2605SA1, có công suất từ 250 đến 630 kVA. Đồng thời tính toán dòng điện ngắn mạch và lực điện động tác dụng lên cuộn dây hình chữ nhật có xét đến bề dày cuộn dây. Tính toán lực điện động theo định luật Ampe giữa dây quấn CA và HA tương tác ớv i nhau trong hai trường hợp: + Thứ nhất, nếu tính toán gần đúng tức là xem khoảng cách giữa hai cuộn dây là d(m) chưa xét đến bề dày của cuộn dây thì lực có giá trị là F=4000kNm-1 + Thứ hai, nếu có xét đến bề dày cuộn dây là e và khoảng cách giữa hai cuộn dây là d thì giá trị lực sẽ nhỏ hơn và bằng F=378kNm-1. Do vậy, nhóm tác giả khuyến cáo trong tính toán lực tác dụng lên dây quấn nên tính theo cách thứ hai, quan trọng hơn khi tính lực cho MBA có lõi VĐH vì các cuộn dây có hình chữ nhật ở Hình 1.27 chứ không phải tròn, phân bố lực sẽ không đối xứng như Hình 1.29.
21 Hình 1.26. Sơ đồ cuộn HA và CA [59] Hình 1.27. MBAVĐH ba pha cuộn dây hình chữ nhật [59] Bài báo đã đưa ra kết quả thử nghiệm ngắn mạch MBAVĐH phân phối có công suất 400 kVA, giá trị trở kháng sau ngắn mạch đo được sai lệch dưới 4% so với giá trị ban đầu. Sau khi thử nghiệm ngắn mạch 8 MBA đo giá trị trở kháng thì đã có 4 máy vượt quá 4% cho phép chỉ còn lại 4 máy đạt yêu cầu. Lõi thép VĐH CA HA HA CA Hình 1.28. Cuộn HA và CA Hình 1.29. Cuộn HA và CA sau khi bị tác động lực điện từ Do cuộn dây hình chữ nhật nên có biến dạng không đối xứng, cuộn dây HA bị đẩy vào trong lõi và cuộn CA có xu hướng đẩy ra ngoài lõi ở Hình 1.28 và có xu hướng căng tròn như Hình 1.29. 1.8. Những vấn đề còn tồn tại Với những phân tích ở trên ta thấy rằng nghiên cứu về lực điện từ ở MBAVĐH vẫn còn hạn chế số lượng công trình công bố và cũng như những vấn đề mà công trình này chưa khai thác hết. Cụ thể là các vấn đề còn tồn tại như sau: 1. Tính lực điện từ tác dụng lên dây quấn chưa tính đến phân bố từ trường tản trong vùng không gian dây quấn của MBAVĐH có cuộn dây hình chữ nhật; cũng chưa xác định vị trí có ứng suất lớn nhất hay lực tại chỗ góc mạch từ trên cuộn dây hình chữ nhật. 2. Chưa chỉ ra giá trị tại vị trí trên cuộn dây có ứng suất lớn nhất hay nhỏ nhất để từ đó đưa ra giải pháp khắc phục. Cũng như chưa đưa ra cách lựa chọn hợp lí bán kính cong dây quấn theo độ tăng của ứng suất lực. 3. Chưa tính lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn bao gồm lực điện từ và ứng suất nhiệt trong dây quấn MBA khô bọc epoxy.
22 1.9. Đề xuất hướng nghiên cứu Để giải quyết những mặt còn tồn tại đó, luận án đề xuất hướng nghiên cứu như sau: - Nghiên cứu xây dựng mô hình toán tổng quát với từ thế vectơ A để tính từ trường tản trong cửa sổ mạch từ MBA. - Tính toán ứng suất lực điện từ lớn nhất trên cuộn dây khi MBA bị ngắn mạch nguy hiểm nhất. Xác định vị trí có ứng suất lớn nhất trên vòng dây HA và CA. Sau đó kết quả so sánh với ứng suất cho phép của dây quấn. - Đánh giá sự thay đổi của giá trị ứng suất theo bán kính thay đổi từ tròn đến vuông. Từ đó khuyến cáo về việc lựa chọn hợp lí bán kính cong dây quấn theo độ tăng của ứng suất lực. - Tính toán ứng suất lực tổng trên dây quấn MBA khô bọc epoxy có tính đến ứng suất nhiệt tác dụng vào dây quấn do độ chêch nhiệt độ giữa dây quấn và epoxy; và phân bố nhiệt độ không đồng đều ở lớp epoxy. 1.10. Kết luận chương 1 Trong chương này, luận án giới thiệu về MBA khô có cuộn dây đúc epoxy, với những ưu MBA này so với MBA dầu nên số lượng MBA khô ngày càng chiếm thị phần lớn trên thị trường thế giới. Xu thế hiện nay người ta ưu tiên lựa chọn các MBA có hiệu suất cao. Đặc biệt, khi sử dụng MBA lõi thép bằng vật liệu VĐH làm giảm tổn hao không tải đến 60% -70% so với thép silic loại tốt. MBAVĐH do có cấu trúc đặc biệt của lõi thép và cuộn dây là hình chữ nhật nên phân bố điện trường, từ trường tản và phân bố lực tác dụng lên cuộn dây cũng sẽ không đối xứng trên cùng một vòng dây. Hơn nữa, lúc xảy ra ngắn mạch thì lực này lớn sẽ rất nguy hiểm đối với cuộn dây. Luận án trình bày về những nghiên cứu trong nước và ngoài nước về thiết kế và tính toán lực điện từ tác dụng lên dây quấn của MBA lõi thép silic và MBA lõi thép VĐH. Trên cơ sở phân tích các công trình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài với những vấn đề còn tồn tại, luận án đã đề ra mục tiêu và phương pháp nghiên cứu để giải quyết những mặt còn tồn tại đó. Nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày ở những chương tiếp theo.
23 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN CỦA TỪ TRƯỜNG TẢN TRONG CỬA SỔ MẠCH TỪ MÁY BIẾN ÁP 2.1. Giới thiệu Chương này, luận án trình bày lý thuyết về dòng điện ngắn mạch ở trạng thái xác lập và quá ộđ , nguyên nhân gây ra lực điện từ và các thành phần của lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBAVĐH có cấu trúc hình chữ nhật. Trên cơ sở đó, luận án đã đề ra sự cần thiết và tiến hành xây dựng mô hình toán với từ thế vectơ A để tính toán từ trường tản trong vùng không gian dây quấn của MBA. 2.2. Lý thuyết về dòng điện ngắn mạch và lực điện từ 2.2.1. Dòng điện ngắn mạch 2.2.1.1. Ngắn mạch ở trạng thái xác lập: Xét trường hợp ngắn mạch thí nghiệm MBA, lúc này nối thứ cấp MBA bằng dây dẫn có tổng trở bằng không, đặt vào sơ cấp điện áp nhỏ sao cho dòng điện ở sơ cấp (thứ cấp) bằng dòng ịđ nh mức. Điện áp đặt vào cuộn sơ cấp lúc này là U1n (hay Un) gọi là điện áp ngắn mạch: U=IZn đmn Equation Chapter 2 Section 1 (2.1) Trong đó : Iđm - dòng điện ngắn mạch thí nghiệm (bằng dòng định mức) Zn - tổng trở ngắn mạch 22 hay U=nnnn I.Z=®m®m IR+ X (2.2) 2 Rn = R1 + R’2 = R1 + k R2 - thành phần điện trở ngắn mạch 2 Xn = X1 + X’2 = X1 + k X2 - thành phần điện kháng tản ngắn mạch Trong đó: k = W1/W2: hệ số quy đổi thứ cấp về sơ cấp (tỉ số của MBA) 2 R’2 = k R2 : điện trở thứ cấp quy đổi 2 X’2 =k X2 : điện kháng thứ cấp quy đổi Trường hợp MBA đang làm việc với điện áp sơ ấc p định mức Uđm, nếu phía thứ cấp xảy ra ngắn mạch (như cácvòng dây quấn chập nhau, đứt dây, chạm đất, ) được gọi là ngắn mạch vận hành (ngắn mạch sự cố). Lúc này toàn bộ điện áp định mức đặt lên tổng trở ngắn mạch rất nhỏ của MBA nên dòng điện ngắn mạch xác lập In sự cố sẽ rất lớn: U đm (2.3) I=n Zn
24 Dòng điện In lệch pha với điện áp góc n: Xu nX (2.4) tgφn = = RunR trong đó: ux%, uR% - thành phần phản kháng và thành phần tác dụng của điện áp ngắn mạch. Từ (2.1) và (2.3) ta có: U đm (2.5) I =n I . đm Un Ngoài ra, điện áp ngắn mạch thường biểu diễn theo phần trăm điện áp ịđ nh mức Un (2.6) u %n = . 1 0 0 Uđm Kết hợp (2.5) với (2.6) ta có: 100 (2.7) I =n I . đm u%n Giả sử điện áp ngắn mạch un% =5, dòng ngắn mạch xác lập bằng 20 lần dòng định mức sẽ gây nên sự cố phá hỏng kết cấu dây quấn MBA [8,10]. Chú ý: Ở MBA ba pha có hai trường hợp xảy ra ngắn mạch là ngắn mạch đối xứng và không đối xứng. Trường hợp ngắn mạch đối xứng là cả ba pha phía thứ cấp bị nối ngắn mạch, giống như MBA làm việc với tải đối xứng. Do vậy, mọi quá trình liên quan đến phân tích và tính toán để đơn giản chúng ta xét trên MBA một pha. Lúc đó sử dụng các công thức (2.1) và (2.7) của MBA một pha, điện áp, dòng điện và trở kháng trong công thức là giá trị của một pha. Trong hầu hết các trường hợp ngắn mạch không đối xứng, dòng điện ngắn mạch không vượt quá trị số dòng điện ngắn mạch đối xứng, chỉ trừ trường hợp, khi tổ nối dây sao – sao ziczac, ngắn mạch một pha dây quấn sao ziczac có dòng điện ngắn mạch lớn hơn dòng ngắn mạch đối xứng khoảng 40% (vì tổ nối dây Yz chỉ dùng khi công suất MBA nhỏ, chỉ lưu ý lắp đặt chèn ép tốt, không ảnh hưởng xấu đến MBA). Từ phân tích trên ta chỉ cần xem xét trạng thái ngắn mạch nguy hiểm nhất là ngắn mạch đối xứng [8]. 2.2.1.2. Quá trình quá độ của ngắn mạch: Phương trình cân bằng điện áp của MBA một pha khi xảy ra ngắn mạch đột nhiên phía thứ cấp được viết như sau: did φ U 2sin(ωt-ψ)=iR +L+N1 (2.8) 1 1t11 dtdt di dφ 0 = i R + L2 + N (2.9) 2 2 t2dt 2 dt
25 trong đó:  là góc phụ thuộc vào thời điểm xảy ra ngắn mạch Lt1, Lt2 là hệ số tự cảm tương ứng với các sức điện động tản của hai dây quấn Giải phương trình (2.8) và (2.9), kết quả ta có nghiệm tổng quát có dạng sau: - Rn t U2 L i = i+ i=sin( ωt - ψ - φ) + C.e t (2.10) 22 n R+nt ( ωL ) R - n ωt Xn = I2nn sin( ωt - ψ - φ) + C.e (2.11) trong đó: i' là thành phần dòng điện ngắn mạch biến thiên theo qui luật hình sin i" là thành phần dòng điện ngắn mạch không chu kỳ (tắt dần) ωLX tn (2.12) φ=arctg=arctgn RRn Hằng số C trong phương trình (2.11) được xác định theo điều kiện ban đầu. Giả sử trước khi ngắn mạch MBA làm việc ở chế độ không tải và bỏ qua dòng điện không tải, có nghĩa là t=0 thì i=0, hằng số C được xác định: C=I2sin(nnψ+φ) (2.13) Thế (2.13) vào (2.11) ta có: R - n ωt Xn i = I2nnn sin( ωt - ψ - φ ) + sin(ψ + φ ).e (A) (2.14) trong đó: t Thời gian (s) ψ góc phụ thuộc vào thời điểm xảy ra ngắn mạch (rad) hay là góc ban đầu của điện áp φn Góc pha của dòng điện ω Tần số góc dòng điện (rad/s) In Dòng điện ngắn mạch (A) Uđm Điện áp định mức (V) Zn Tổng trở ngắn mạch (Ω) Xn, Rn Điện kháng và điện trở ngắn mạch (Ω) Nhận xét: - Từ (2.14) nhận được kết quả dòng điện quá độ gồm có hai thành phần: biến thiên theo qui luật hình sin (i') và không chu kỳ suy giảm theo thời gian (i"), hệ số suy giảm phụ thuộc vào tỷ số: Ru nR= (2.15) XunX
26 - MBA càng lớn thì sự tắt dần của thành phần i" càng chậm, vì thành phần điện áp ngắn mạch tác dụng uR (bằng tổn hao tính theo phần trăm) tỉ lệ nghịch với căn bậc 4 công suất MBA, trong khi uX gần như tăng dần đến trị số điện áp ngắn mạch un. - Khi góc pha ban đầu bằng 0 tức ψ = 0 thì biểu thức (2.14) viết lại: u - R ωt u i = I2sin( ωt - φ) + sinφ.e X (A) (2.16) nnn Đồng thời, khi xảy ra ngắn mạch thì Rn gần bằng không và ngược lại Xn khá lớn, do đó dòng điện ngắn mạch i sẽ chậm pha hơn điện áp u 1 góc φn ≤ π/2. Tại thời điểm nguy hiểm nhất là ngắn mạch khi điện áp về 0 (ψ=0) như Hình 2.1, lúc này dòng điện cực đại ở gần thời điểm t0=(π/2+ n)/ và có độ lớn như sau [8,21]: uR π - (+ φ)n u2X i=maxnn I21+ sin φe (A) (2.17) a) Góc ψ ≠ 0 b) Góc ψ = 0 Hình 2.1. Dòng điện ngắn mạch tại các thời điểm góc ban đầu điện áp ψ khác nhau [8] Trong thực tế (thử nghiệm) việc xác định giá trị dòng điện đỉnh thường dùng công thức đơn giản để tính giá trị lớn nhất của dòng điện ngắn mạch (giả thiết xảy ra ở thời điểm ωt = π hay góc φn = π/2): u R (A) (2.18) iIImnnax 2 1 exp()2  uX u X Hệ số  2 trong công thức (2.18) phụ thuộc vào tỉ số X (hoặc là n ) của MBA. uR Rn Bảng 2.1 Qui định giá trị của hệ số đỉnh là hàm của Xn/Rn sử dụng trong thực tế, theo TCVN6306-5: 2006 và IEC76-5: 2006 [8,9]
27 Bảng 2.1. Những giá trị của hệ số  2 X n 1 1,5 2 3 4 5 6 8 10 14 Rn 1,51 1,64 1,76 1,95 2,09 2,19 2,27 2,38 2,46 2,55 Chú thích: Đối với các giá trị khác của Xn/Rn trong khoảng từ 1 đến 14, hệ số có thể được xác định bằng phương pháp nội suy tuyến tính. Ghi chú: Tỉ lệ giá trị lớn nhất với biên độ dòng điện ngắn mạch xác lập, ký hiệu  là: uuRR - Khi tính chính xác  1sinexp(ar)n ctg (2.19) uuXX2 u - Khi tính gần đúng  1exp R (2.20) uX Nếu không có qui định nào khác, trong trường hợp Xn/Rn > 14 hệ số  2 được giả thiết bằng: 1,07×2 = 1,51; đối với MBA cấp I: 25kVA đến 2500 kVA 1 ,8× 2 = 2,55; đối với MBA cấp II: 2501 kVA đến 100000 kVA 1,9×2 = 2,68; đối với MBA cấp III: trên 100000 kVA 2.2.2. Lực điện từ 2.2.2.1. Khái niệm Lực điện từ tác dụng lên dây quấn của MBA được sinh ra là do sự tương tác giữa dòng điện và từ cảm tản trong vùng dây quấn. Theo công thức Lorentz ta viết quan hệ lực điện từ như sau [53, 54, 66]: (2.21) F=I.Bsin(I,B)dldt L Hay viết dưới dạng vi phân: dF = B×Idl = B×J.ds.dl (2.22) Trong đó: I (A) và J (A/m2) là cường độ và mật độ dòng điện trong dây dẫn; B (T) và F (N) là từ cảm và lực điện từ tác động lên dây dẫn; ds, dl là các thành phần vi phân diện tích và chiều dài.
28 Các thành phần của từ cảm viết theo vectơ từ thế như sau: B×A=  iB+jB+xyz kB (2.23) trong đó: Bx, By và Bz là các thành phần mật độ từ cảm B trong tọa độ Descartes. Khi đó lực điện từ cũng bao gồm các thành phần: F =(JxB)dv= iF+jF+ kF (2.24) xyz v tương tự: Fx, Fy và Fz là các thành phần của lực Hình 2.2. Hướng xác định lực điện từ [52] Hình 2.2 cho thấy hướng của lực được xác định bởi hướng của các vectơ từ cảm và hướng dòng điện (quy tắc bàn tay trái), cả ba vectơ này tạo thành 3 mặt phẳng vuông góc với nhau. Để có thể xác định được lực điện từ tác động lên dây dẫn ta cần phải xác định các thành phần của cảm ứng từ B trong kết cấu khung dây dẫn và mật độ dòng điện được chạy trong dây dẫn đó. Khi MBA hoạt động trong điều kiện bình thường, tác dụng của lực điện từ trên các dây quấn nhỏ do dòng điện và từ cảm tản là tương đối nhỏ. Tuy nhiên, khi bị ngắn mạch dòng điện trong dây quấn và từ cảm tản tăng lớn, lúc này sẽ sinh lực điện từ lớn tác dụng lên dây quấn [79]. Quá trình này được tóm tắt ngắn gọn ở Hình 2.3. Dòng điện Từ trường Lực điện từ: Fđt Chế độ làm việc bình thường Xảy ra ngắn mạch I rất lớn I ≤ Iđm Fđt rất lớn nên Fđt < Fcp Lực cơ khí phá hỏng Nhiệt độ cao dây quấn Hình 2.3. Quá trình sinh ra lực cơ khí phá hỏng dây quấn MBA
29 Trong tất cả các sự cố của MBA thì sự cố về dây quấn chiếm tỉ lệ 33% [33], các sự cố trong dây quấn này là do ngắn mạch: giữa các vòng dây của dây quấn CA hoặc HA, giữa các lớp dây, giữa dây quấn CA với HA, giữa các pha trong cùng một dây quấn, khi đó sinh ra lực cơ khí làm uốn cong hoặc phá hủy dây quấn và vật liệu cấu trúc khác của MBA [29, 39, 53]. Hình 2.4. Dây quấn MBA bị uốn cong [11] Lực điện từ dao động gấp hai lần tần số điện và nếu quá dòng điện tăng vài chục lần dòng điện định mức thì lực điện từ tạo ra có thể tăng một trăm lần cường độ lực định mức và có thể đạt vài ngàn kN [39, 52, 82]. Hình 2.5. Dạng sóng của lực điện từ [11,53] Hình 2.5 cho thấy lực điện từ F lớn nhất tại chu kì đầu tiên, đây là thời điểm nguy nhất làm phá hủy dây quấn. Do vậy, việc xác định lực F tại thời điểm này để kiểm tra giới hạn bền của dây quấn là cần thiết. Một số hình ảnh tác hại của lực điện từ ngắn mạch gây ra như sau: Hình 2.6. Biến dạng dây quấn Hình 2.7. Biến dạng dây quấn Hình 2.8. Uốn cong của gây ra bởi lực hướng trục [50] gây ra bởi lực hướng kính [60] dây quấn [63,64]
30 2.2.2.2. Thành phần của lực điện từ Lực điện từ được chia làm hai thành phần [21, 27, 67]: lực hướng kính (Fx) và lực hướng trục (Fy) như ở Hình 2.9. Lực Fx có chiều vuông góc với trục dây quấn, nó sinh ra do sự tác dụng của dòng điện trong dây quấn nằm trong từ cảm tản dọc trục By. Lực Fy có chiều song song với trục dây quấn, nó sinh ra do sự tác dụng của dòng điện trong dây quấn nằm trong từ cảm tản ngang Bx [16, 38]. Nhìn Hình 2.9 ta thấy các lực có xu hướng: - Nén làm giảm bán kính của cuộn dây bên trong; - Kéo làm tăng bán kínhủ c a cuộn dây bên ngoài; - Nén làm giảm chiều cao của hai cuộn dây. Hình 2.9. Các thành phần của từ cảm tản và lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA Dây quấn ngoài Lõi Lực Dây quấn trong Lõi Lực hướng kính Fx Fx Fx Fx Hình 2.10. Lực điện từ hướng kính của dây quấn đồng tâm đối xứng
31 a. Lực hướng kính Fx Lực hướng kính được tạo ra có chiều vuông góc với chiều cao cuộn dây. Nó sinh ra do dòng điện trong dây quấn nằm trong từ cảm tản dọc trục By Nhìn Hình 2.10 ta thấy lực này kéo dây quấn đặt ngoài và nén dây quấn đặt trong, làm tăng khoảng cách giữa hai dây quấn [41]. b. Lực hướng trục Fy Ở Hình 2.9, đường sức từ trường ở cuối dây quấn bị bẻ cong, xuất hiện từ cảm ngang trục ở đầu dây quấn, từ cảm ngang này ở dây quấn gần sát mạch từ sẽ lớn hơn. Lực hướng trục được tạo ra có chiều song song với chiều cao cuộn dây. Nó sinh ra do sự tác dụng của dòng điện trong dây quấn nằm trong từ cảm tản ngang Bx Nhìn Hình 2.11, ta thấy chiều của lực dọc trục tác động lên dây quấn đồng tâm không đối xứng, thành phần lực tổng của lực dọc trục và lực hướng kính trên dây quấn ngoài và dây quấn trong làm hai cuộn dây di chuyển ngược chiều nhau. Dây quấn ngoài Lõi Lực Dây quấn trong Lực dọc trục dây quấn ngoài Lực dọc trục Lõi Lực tổng Lực hướng kính Lực dọc trục dây quấn Hình 2.11. Lực dọc trục của dây quấn đồng tâm không đối xứng
32 2.3. Xây dựng mô hình toán với từ thế vectơ A 2.3.1. Phương trình Maxwell Mọi quá trình biến đổi trường điện từ xảy ra trong máy điện nói chung và MBA nói riêng điều được mô tả bởi hệ phương trình Maxwell như sau [3,31,57]: D r o tH J (2.25) t B r o tE (2.26) t d i vB 0 (2.27) d i vD (2.28) Hệ phương trình Maxwell gồm hai phương trình chứa phép tính rot đối với H, E, và hai phương trình chứa phép div đối với B, D. Phương trình chứa cả phép ∂/∂t trong thời gian đối với D, B. Các biến trạng thái E, B, D, H là các trường vectơ, được viết theo dạng chữ “đậm” và liên hệ với nhau bằng những hệ thức thông qua môi trường như sau: DE  (2.29) BH  (2.30) J E (2.31) Trong đó: Trong hệ đơn vị SI, các đại lượng trên có đơn vị và thứ nguyên như sau: E – vectơ cường độ điện trường (Vm-1) D - vectơ cảm ứng điện (Cm-2) H - vectơ cường độ từ trường (A.m-1) B - vectơ cảm ứng từ (T = kg.m-2.A-1) J – vectơ mật độ dòng điện dẫn (A.m-2) ρ – mật độ điện tích khối (Cm-3) ε – hệ số điện môi (Fm-1) γ – điện dẫn suất (Ω-1m-1) -1 μ = μr μ0 là hệ số từ thẩm vật liệu (Hm ) μr – hệ số từ thẩm tương đối của vật liệu μ0 - hệ số từ thẩm của môi trường chân không
33 Trong môi trường chân không: -7 -1 μ = μ0 = 4π.10 Hm 1   Fm 1 0 4.9.10 9 -Toán tử Napla  (toán tử Haminton)   ijk (2.32) xyz Đó là toán tử đạo hàm và chỉ tác dụng lên những vectơ và i, j, k là các vectơ đơn vị. Trong hệ tọa độ Descartes: AAA  AAdiv xzy (2.33) xyz ijk   xdet AArot (2.34) xyz AAAxyz - Toán tử Laplace Δ: 222  2 (2.35) xyz222 Các vectơ E, B, D, H nói chung là hàm theo vị trí và thời gian, còn ε, μ và γ là hàm theo tọa độ nhưng không biến thiên theo thời gian. Trong vật liệu đồng chất và đẳng hướng ε, μ và γ là các đại lượng vô hướng, là hằng số khi vật liệu tuyến tính, là hàm số của trường khi vật liệu phi tuyến. Ở vật liệu không đẳng hướng μ, ε và γ là các tenxơ, ví dụ ở vật liệu sắt từ không đẳng hướng [3]: μ x 0 0 μ 0 μ y 0 0 0 μ z 2.3.2. Phương trình từ thế vectơ A Khi miền nghiên cứu từ trường là trong vùng cửa sổ mạch từ có mật độ dòng điện của nguồn ngoài J. Giả thiết rằng MBA được đặt trong môi trường không tồn tại điện trường do vậy chỉ tồn tại thành phần dòng điện chảy trong các cuộn CA và HA mà không tồn tại dòng điện dịch hay:
34 D 0 t Lúc này từ hệ phương trình Maxwell (2.25) ÷ (2.28) được viết theo phương trình từ trường dừng ở trong cũng như ngoài vật dẫn như sau: r o tH J (2.36) divB 0 (2.37) BH  (2.38) Ta sử dụng từ thế vectơ A Từ phương trình (2.37) ta có: BA= r o t hay BA  (2.39) Do đó: d i v( r o t A) = 0 (2.40) Thế (2.38) và (2.39) vào (2.36) ta có phương trình viết cho từ thế vectơ có dạng phương trình Laplace-Poisson [14,62]: 2 -μJ trong d©y dÉn  A = (2.41) 0 ®iÖn m«i Hoặc viết lại như sau: 222AAA ++= - μJ (2.42) xyz222 Khảo sát từ thế vectơ A trong cửa sổ MBA theo tọa độ Descartes (x,y), lúc này từ trường, và từ thế biến thiên theo phương vuông góc với mặt phẳng bị triệt tiêu: B0 Z A (2.43) 0 z Phương trình (2.42) viết lại như sau: 22AA μJ (2.44) xy22 Phương trình (2.44) là phương trình đạo hàm riêng cấp hai với biến số x, y độc lập. Từ phương trình (2.43) và (2.39) ta suy ra:
35 A B x y A (2.45) By x B0z Xét một MBA và bỏ qua dòng điện từ hóa. Tổng sức từ động sẽ được viết: g W i (2.46)  ss. = 0 s=1 2 y d2 2 d1 1 d2 1 a1 d1 a2 2 • + 1 + + • + b h 1 2 b 2 2 h h 2 1 1 1 h x h d Hình 2.12. Mô hình các kích thước 2D của MBA Trong đó: g là số dây quấn của MBA WS là số vòng của dây quấn thứ s iS là dòng điện của dây quấn thứ s Nếu ta bỏ qua cách điện mỏng ở dây quấn, khi đó tổng mặt cắt của cuộn dây thứ s sẽ là aSbS và mật độ dòng (không xét hiệu ứng dòng xoáy) có độ lớn và hướng theo công thức sau: W i s S (2.47) JS =± abSS Theo công thức (2.46) thì:
36 g J a. b = 0  SSS (2.48) s=1 2.3.2.1. Điều kiện biên: Do đặc tính của vật liệu làm lõi MBA có độ từ thẩm lớn hơn rất nhiều lần so với độ tự thẩm của không khí cho nên tại lớp tiếp xúc giữa hai bề mặt này, thành phần từ cảm theo phương tiếp tuyến bị triệt tiêu. Điều này được thể hiện như sau: Bx(y=0,h) = 0 (2.49) By(x=0,d) = 0 Tại cửa sổ mạch từ của MBA có 2 dây quấn ở Hình 2.13. Tại trục đối xứng mà x = d thành phần từ cảm By là: A B=0y(x=d) (2.50) x x=d Thành phần từ cảm theo trục x, y tại các đường biên của cửa sổ mạch từ MBA: y = 0; y = h và x = 0; x = d AA Bx 0 (2.51) yyyy=h 0 và AA By 0 (2.52) xxx=0x=d Bx = 0 y By = 0 By = 0 + • h x d Bx = 0 Hình 2.13. Thành phần từ cảm theo trục x, y tại các đường biên của cửa sổ mạch từ MBA
37 2.3.2.2. Tính hằng số tích phân Aj,k Để giải phương trình (2.44) giả thiết A có nghiệm tổng quát dạng chuỗi điều hòa như sau: A(x, y)Acosmx cosny (2.53)  j,kjk jk Để thỏa mãn ở (2.51) với y = 0 và (2.52) với x = 0 thì điều kiện cần là: π sinmd=0m=j-1 víi (2.54) jjd π sinnh=0 n=k-1víi (2.55) kkh Trong đó: j và k là số nguyên từ 1 →∞ Thế (2.53) vào (2.44) và thực hiện phép đạo hàm cấp 2, ta có được phương trình từ thế trong vùng dây quấn thứ s: mnAcosm22 x cosny μ J  jkj,k+= jk0S (2.56) jk Nhân 2 vế (2.56) cho cosmjx cosnky và dấu “  ” của j và k ở vế phải phương trình (2.56) có thể không viết lại vì các thành phần trong biểu thức đã thể hiện được biến chạy j và k. Sau đó tích phânphương trình (2.56) theo vùng dây quấn của 1/2 cửa sổ mạch từ, trên trục x từ 0÷d, trên trục y từ 0÷h ở Hình 2.12. Xét các trường hợp như sau: + Trường hợp 1: Tính cho cửa sổ mạch từ có 2 dây quấn: dh mnAcos2222+ m x dx cos n y dy jkj,k jk 00 1122 (2.57) dhdh2222  JJcosm x dx cosn y dy +cosm x dx cosn y dy 0 12 jkjk 1122 dhdh1111 + Trường 2: Tính cho cửa sổ mạch từ có g dây quấn: dh mn2222+ Acos m x dx cos n y dy jkj,k jk 00 (2.58) ss g dh22  J cosm x dx cosn y dy  0S jk s 1 ss dh11
38 Xét hằng số tích phân Aj,k trong hai trường hợp sau: + Trường hợp 1: π Với j = 1, k ≠ 1 ta có: m = 0, n = (k -1) , khi đó phương trình (2.58) được viết lại: jk h dh dhss 1 g 22 n2 A0 dx1 cos2n y dy =  J 0 dx cosn y dy (2.59) k j,k k  0S k 2 s 1 ss 00 dh11 h hs g 2 d 111 ds 2 2 nAkj,k x ysin2n yxsin nkk y 0SJ s (2.60) 0  d1 2 2nnkks 1 s 0 h1 d.h1 g nA2ssss μJd- dsinnh- sinnh k1,k 0S21k2k1()()  (2.61) 2ns 1 k d.h1 g nA2ss μJasinnh- sinnh k1,k () 0SSk2k1  (2.62) 2ns=1 k Từ (2.62) ta có giá trị hằng số tích phân A1,k là: 2 μ g Aasinn h- sinn0 hJ ss ()1,k s sk2k3 1  (2.63) n kd.h s=1 + Trường hợp 2: Tương tự, với j ≠ 1, k = 1 ta có: 2 μ g Absinm dsinm0 d J ss (2.64) j,1 s=(-) sj 2j3 1  mj d.h s 1 Trường hợp tổng quát hằng số tích phân Aj,k như sau: 4 μ 1 g A() =sinm0 d - sinm d sinn hJ - sinn hssss (2.65) j,k sj 2j 1k 2k 1 22 d.h mj n k( m j + n k ) s=1 Trường hợp khi j = k =1 và m1 = n1 = 0, suy ra chuỗi dao động là hằng số. Tuy nhiên để biết sự phân bố mật độ từ thông, ta phải biết các từ thế vectơ khác nhau. Hình dạng của đường sức từ được xác định bởi giá trị hằng số của từ thế vectơ.
39 a) b) Hình 2.14. a) Phân bố từ cảm khi chiều cao hai dây quấn bằng nhau; b) Phân bố từ cảm khi chiều cao hai dây quấn không bằng nhau [57] Hình 2.14 a), hiển thị sự phân bố của từ cảm tản của 2 dây quấn đồng tâm có chiều cao bằng nhau. Cho thấy rằng, từ cảm tản tập trung hầu hết là những đường song song theo chiều cao dây quấn. Hình 2.14 b), hiển thị sự phân bố của từ cảm tản của 2 dây quấn không bằng nhau, theo chiều cao với tỉ lệ là b1/b2 = 4/3. Sở dĩ có sự khác nhau của sự phân bố từ cảm này là do sự gia tăng thành phần từ cảm nằm ngang khi chiều cao dây quấn không bằng nhau. 2.3.3. Phương trình ứng suất lực trên dây quấn viết theo từ thế vectơ A(x,y) Theo định luật Lorenxta, công thức tính ứng suất lực được xác định như sau: + Ứng suất lực theo trục x trên một đơn vị chiều dài của dây quấn thứ s: ds hd ss h s 2 22 2 A  JJB dx dydx dy (2.66) x,ssys s ss s x d1 hd 11 h 1 A(x, y) Trong đó: A(x,y) ở công thức (2.53) và được xác định như sau: x A(x, y) A m sinm x cosn y (2.67)  j,k j j k x jk ds hd ss h s 2 22 2A(x, y) dx dyA m sinm x cosn ydxdy x  j,k jjk ds hdss h s jk 1 11 1 (2.68) s s h2 d2 m = Asinmj x dx sinn y  j,kjk s jk nk d1 s h1 s d2 m j A sinm x (sinn h ss - sinn h ) dx  j,k j k 2 k 1 s jk nk d1
40 s d2 1 A(sinnh- sinnh)cosmss x  j,kk2k1j jk nk s d1 A j,k (sinnh- sinnh)(cosmssss d- cosm d)  k2k1j2j1 (2.69) jknk Thay phương trình (2.69) vào (2.66) ta có: dhss 22A(x, y)  =- Jdx dy (2.70) x,ss ss x dh11 A  = - J(sinnh- sinnhj,k )(cosmssss d- cosm d ) x,ssk2k1j2j1 (2.71) jk= 11nk Tương tự, ứng suất lực xác định theo chiều y: dhss dhss 22 22A(x, y)  J Bdx dy = Jdx dy (2.72) y,ssxs ss ss y dh11 dh11 Thay công thức (2.53) vào (2.72) và tích phân ta có ứng suất lực hướng trục như sau: A  = J(cosn h - j,kcosn h )(sinmssss d - sinm d ) y,ssk 2k 1j 2j 1 (2.73) j 1 k 1 nk Với Aj,k như sau: 4 μ 1 g A=sinm d0 - sinm dsinn h - sinnJ () h ssss () (2.74) j,k j 2j 1k 2k 1 22 s d.h mj n kjk (m + n ) s=1 Tóm lại: Ta có công thức giải tích như sau - Công thức (2.71): Ứng suất lực theo trục x (hướng kính: x,s) trên một đơn vị chiều dài của dây quấn thứ s. - Công thức (2.73): Ứng suất lực theo chiều y (hướng trục: y,s) trên một đơn vị chiều dài của dây quấn thứ s
41 2.4. Kết luận chương 2 Trong chương này, luận án trình bày cơ sở lý thuyết về dòng điện ngắn mạch xác lập và quá độ của MBA. Khi MBA đang làm việc với điện áp Uđm, phía thứ cấp xảy ra ngắn mạch (ngắn mạch sự cố), lúc đó dòng điện ngắn mạch quá độ (dòng điện đỉnh) sẽ rất lớn. Hơn nữa, ngắn mạch sự cố nguy hiểm nhất là tại thời điểm điện áp pha về 0 (ψ=0). Mặt khác, hầu hết các trường hợp ngắn mạch không đối xứng, dòng điện ngắn mạch không vượt quá trị số dòng điện ngắn mạch đối xứng. Do vậy, từ phân tích trên chúng ta chỉ cần xem xét trạng thái ngắn mạch nguy hiểm nhất là ngắn mạch đối xứng. Khi xảy ra ngắn mạch, dòng điện trong dây quấn và từ cảm tản tăng lớn, lúc này sẽ sinh lực điện từ lớn tác dụng lên dây quấn, lực điện từ F lớn nhất tại chu kì đầu tiên, đây là thời điểm nguy hiểm nhất làm phá hủy dây quấn MBA. Do vậy để kiểm tra giới hạn bền của dây quấn ta phải xác định lực F tại thời điểm này là cần thiết. Để tính toán lực điện từ tác dụng vào dây quấn MBA ta cần xác định 2 đại lượng: Dòng điện ngắn mạch và từ cảm tản. Đại lượng thứ nhất, là độ lớn dòng điện ngắn mạch có giá trị cực đại được xác định bởi công thức (2.17); đại lượng thứ hai là từ cảm tản. Do vậy, chúng ta cần tìm sự phân bố từ trường tản trong vùng dây quấn là rất cần thiết. Chính vì thế, luận án đã tiến hành xây dựng mô hình toán của từ trường tản trong cửa sổ mạch từ với từ thế vectơ A, để tính toán ứng suất lực tác dụng lên dây quấn MBA. Phương trình từ thế vectơ A được viết có dạng phương trình Laplace-Poisson; trong đó, hằng số tích phân Aj,k là nghiệm của phương trình từ thế vectơ A đã được xác định trong trường hợp tổng quát. Để biết sự phân bố mật độ từ thông ta phải biết các từ thế vectơ khác nhau và hình dạng của đường sức từ được xác định bởi giá trị hằng số của từ thế vectơ. Phương trình từ thế vectơ A được viết cho trường hợp tổng quát, như MBA có số dây quấn là: 1, 2, 3, ,s; các dây quấn này có tỉ lệ chiều cao bằng nhau và không bằng nhau.
42 CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT LỰC ĐIỆN TỪ BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH VÀ PHẦN TỬ HỮU HẠN 2D 3.1. Giới thiệu Trong chương này, luận án tập trung vào việc xây dựng một mô hình tính toán ứng suất trên dây quấn MBA trong trường hợp ngắn mạch 3 pha đối xứng. Trong dãy công suất MBA phân phối thì MBA công suất 630kVA là loại công suất không nhỏ do vậy điều kiện tản nhiệt và thiết kế được chú trọng và tinh giảm hơn nhiều so với MBA công suất nhỏ hơn. Đồng thời, MBA công suất 630kVA -22/0,4kV đã được công ty chế tạo biến thế SANAKY Hà Nội sản xuất. Do vậy, các thông số thiết kế và đo đạc thực nghiệm của MBA này được sử dụng vào quá trình nghiên cứu tính toán. Quá trình phân tích, tính toán ứng suất trên dây quấn được tiến hành trên hai phương pháp: giải tích và PTHH 2D. Kết quả về thời gian phân tích, cũng như về các giá trị từ cảm tản và ứng suất của cả hai phương pháp lần lượt được so sánh với nhau, để có thể tìm ra được một phương pháp phân tích tính toán phù hợp nhất. Đồng thời mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo, sử dụng phương pháp PTHH cho mô hình MBA có kết cấu phức tạp hơn. 3.2. Tính toán ứng suất lực ngắn mạch trên dây quấn bằng phương pháp giải tích Bắt đầu Bước 1: Các thông số cơ bản của MBA Bước 2: Tính toán dòng ngắn mạch Bước 3: Tính từ cảm tản trên các cuộn dây với từ thế vectơ A, tìm ra từ cảm tản lớn nhất trên các cuộn dây Bước 4: Tính ứng suất lực tác dụng lên dây quấn HA và CA Sai So sánh với tiêu chuẩn bền Đúng Kết thúc Hình 3.1. Lưu đồ thuật toán tính ứng suất tác dụng trên dây quấn
43 3.2.1. Mô hình máy biến áp 630kVA - 22/0,4kV Mô hình được áp dụng cho một MBA phân phối 3 pha, công suất 630kVA, điện áp 22/0,4kV. Equation Chapter (Next) Section 1 Bảng 3.1. Các giá trị thông số điện cơ bản MBA Thứ tự Thông số Giá trị 1 Số pha 3 2 Tần số (Hz) 50 3 Công suất (kVA) 630 4 Tổ nối dây Δ/Y 5 Điện áp dây CA/HA (kV) 22/0,4 6 Số vòng dây quấn pha CA/HA W2/W1(vòng) 1715/18 7 Dòng điện pha CA/HA (A) 9,55/909,33 8 Điện áp ngắn mạch uk% 5,7 3.2.2. Tính dòng ngắn mạch trên các cuộn dây Ta xét trạng thái quá độ của các pha mà tại đó dòng điện quá độ đạt giá trị lớn nhất. Như đã phân tích ở mục 2.2.1, dòng điện quá độ đạt giá trị cực đại khi  = 0. Giá trị tức thời của dòng điện quá độ được thiết lập bởi công thức (2.14): - Rn ωt Xn i = I2n sin( ωt - ψ - φnn ) + sin(ψ + φ ).e (3.1) Thay giá trị  = 0 vào (3.1) ta được - Rn ωt Xn i = In 2 sin(ωt - φnn ) + sin(φ ).e (3.2) Trong đó: t Thời gian (s) φn Góc pha của dòng điện ω Tần số góc dòng điện (rad/s) In Dòng điện ngắn mạch (A) Uđm Điện áp định mức (V) Zn Tổng trở ngắn mạch (Ω) Xn, Rn Điện kháng và điện trở ngắn mạch Với các thông số có được của MBA, ta tính toán giá trị điện kháng tản, điện trở ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch như sau: Xn = 43,77 () và Rn = 15,74 () (3.3) Góc φn được xác định bởi công thức (2.12): ωL X tn (3.4) φn = arctg = arctg 1,225(rad) RRn
44 0 Hay φn = 70,21 Dòng điện ngắn mạch hiệu dụng theo công thức (2.7) ta có: - Cuộn CA: 100100 (3.5) I=n_CA I.9,55.167,5(A)đmCA u%5,7k - Cuộn HA: 100100 (3.6) I=n_HA I.909,33.15953(A)đmHA u%5,7k Thay các giá trị có được từ (3.3), (3.4), (3.5), (3.6) vào công thức (3.2) ta được Dòng điện ngắn mạch cuộn CA: - t15,74.100 43,77 (3.7) i=nCA 167,52sin(100t -1,225) + sin(1,225) e . CuénCuộn Cao CA ¸p 400  Dòng điện i’ - - - - Tắt dần i” 300   Dòng inCA = i’+i” 200 100 0 -100 Dßng ®iÖn ng¾n m¹ch In [A] -200 -300 0 0.02 0.04 0.06 0.08 Thêi gian[s] Hình 3.2. Dòng điện ngắn mạch trên cuộn CA Dòng điện ngắn mạch cuộn HA: - t15,74.100 43,77 (3.8) i=nHA 15953 2 sin(100 t -1,225) + sin(1,225).e 4 x 10 Cuén Cuộ nh¹ H ¸pA 4  Dòng điện i’ - - - - Tắt dần i” 3   Dòng inHA = i’+i” 2 1 0 -1 Dßng ®iÖn ng¾n m¹ch In [A] -2 -3 0 0.02 0.04 0.06 0.08 Thêi gian[s] Hình 3.3. Dòng điện ngắn mạch trên cuộn HA
45 Hình 3.2 và Hình 3.3 cho thấy dạng sóng của dòng điện ngắn mạch của cuộn CA và HA, đạt giá trị cực đại ở chu kì đầu tiên và giảm dần ở những chu kì sau cho đến khi đạt giá trị xác lập, với giá trị cực đại ở Bảng 3.2. Bảng 3.2. Bảng kết quả dòng điện ngắn mạch cực đại Thông số Cuộn CA Cuộn HA Dòng điện ngắn mạch cực đại Imax (A) 317,59 30 256 Kết quả cho thấy rằng dòng điện quá độ cực đại trên cuộn HA cực đại là IHA_max=30256 A trong khi biên độ của dòng điện định mức là IHAđm=1286 A. Dòng điện ngắn mạch cực đại có giá trị lớn gấp 23,5 lần biên độ dòng định mức. 3.2.3. Tính toán từ trường tản trên các cuộn dây hạ áp và cao áp 3.2.3.1. Vectơ từ thế A viết cho một máy biến áp hai dây quấn Viết lại các phương trình cho trường hợp MBA có hai cuộn CA và HA. Tổng sức từ động sẽ được viết: WW1122i i =+ 0 (3.9) Mật độ dòng điện trong dây quấn HA và CA có độ lớn theo công thức sau: W i J = 11 1 ab 11 (3.10) W22i J2 = ab22 Với: a1b1 là diện tích mặt cắt của cuộn HA a2b2 là diện tích mặt cắt của cuộn CA Phương trình từ thế vectơ A: A Acosm x cosny (3.11)  j,kjk jk Trong đó: π mj = j -1 d (3.12) π nk = k -1 h Trong đó: j và k là số nguyên từ 1 →∞ π + Với j = 1, k ≠ 1 ta có mjk = 0, n= (k -1) , khi đó phương trình (2.63) được viết lại: h 2 μ A =0 J d1 - d 1 sinn h 1 - sinn h 1 + J d 2 - d 2 sinn h 2 - sinn h 2 (3.13) 1,k 3 121 k2 k1 221 k2 k1 nk d.h
46 + Tương tự, với j≠ 1, k = 1 ta có: 2 μ A =0 J h1 - h 1 sinm d 1 - sinm d 1 + J h 2 - h 2 sinm d 2 - sinm d 2 (3.14) j,1 3 121 j2 j1 221 j2 j1 mj d.h + Với j ≠ 1, k ≠ 1 ta có 4 μ0 1 A=.j,k 22 d.h mj n kjk (m + n ) (3.15) J sinm d11112222 - sinm dsinn h - sinn h+ Jsinm d - sinm dx (si nn h - sinn h ) 1j 2j 1k 2k 12j 2j 1k 2k 1 Thành phần từ cảm theo hướng x và y: A Bx (3.16) y A By (3.17) x Ứng suất lực trên dây quấn HA: + Theo trục x: A  ==J -BJ (3.18) X_HA 1Y1 x + Theo trục y: A  = J B= J (3.19) Y_HA1X1 y Ứng suất lực trên dây quấn CA: + Theo trục x: A  = JB= -J (3.20) X_CA2Y2 x + Theo trục y: A  = JB= J (3.21) Y_CA2X2 y Ta tính ứng suất lực tổng lớn nhất trên cuộn dây theo công thức: 22 2  xymaxxmaxymax  (N/m ) (3.22) 3.2.3.2. Tính toán từ trường tản trên các cuộn hạ áp và cao áp MBA công suất 630kVA - 22/0,4kV với thông số kích thước lấy từ bản vẽ thiết kế của công ty chế tạo biến áp SANAKY Hà Nội như Hình 3.4.
47 z 124 y 2 d2 69 2 d1 39 1 d2 9 1 d1 450 + • 414 510 2 1 462 + • 480 b h 1 H 2 b CA 2 2 h h A x 48 2 30 1 1 1 x h h d 137,5 Hình 3.4. Các kích thước mạch từ và cuộn dây của MBA Các kích thước cụ thể của MBA được thể hiện ở Bảng 3.3 Bảng 3.3. Bảng các kích thước mạch từ và cuộn dây MBA Kích thước Ký hiệu Giá trị (mm) Chiều cao cửa sổ mạch từ h 510 Chiều rộng cửa sổ mạch từ tính đến trục đối xứng d 137,5 1 Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành dưới cuộn HA h1 30 2 Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành dưới cuộn CA h1 48 1 Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành trên cuộn HA h2 480 2 Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành trên cuộn CA h2 462 1 Chiều rộng từ gốc tọa độ tới thành trong cuộn HA d1 9 2 Chiều rộng từ gốc tọa độ tới thành trong cuộn CA d1 69 1 Chiều rộng từ gốc tọa độ tới thành ngoài cuộn HA d2 39 2 Chiều rộng từ gốc tọa độ tới thành ngoài cuộn CA d2 124 Từ (3.10) với các dữ liệu dòng điện ngắn mạch cực đại, mật độ dòng điện trên cuộn HA và CA được tính như sau:
48 Wi18.30256 J ==.10=11 40,28.10A / m662 1 a b30.450 11 (3.23) W22i1715.317,59 662 J2 ==.10= 23,89.10A / m ab22 55.414 Khi đó, phương trình từ thế vectơ A được viết lại dưới dạng: A = A+1,kj,1j,k A+ A 2 μ Ac= os(n y)J 0 d11112222 - dsinn h - sinn h+ Jd - dsinn h - sinn h 1,kk  3 121k 2k 1221k 2k 1 k=1 n d.h k 2 μ Acos(m= x)J 0 h11112222 - hsinm d -sinm d+ Jh - hsinm d -sinm d (3.24) j,1j  3 121j 2j 1221j 2j 1 j=1 mj d.h 1111 4 μ 1 J1j sinm 2j 1k d 2k -sinm 1 dsinn h -sinn h A= cos(n y).cos(m x) 0 . j,k  kj 22 2222 k=2 j=2 d.h mj n kjk (m + n ) +Jsinm d -sinm dx (sinn h -sinn h ) 2j 2j 1k 2k 1 Từ biểu thức (3.24) với A là tổng của các chuỗi số A1,k, Aj,1, Aj,k là các chuỗi hội tụ. Khi đó giá trị thành phần từ cảm theo hướng x và y tại cửa sổ mạch từ được viết lại như sau: A (A+1,kj,1j,k A+ A) B==x yy (3.25) A (A+ A+ A) B= - = - 1,kj,1j,k y xx 2 μ 0 1 1112 222 Bsin(nxk= - y)J 3 1 d 2 - d 1k sinn2k 12 h 2 - sinn 1k 2k h 1 + J d - d sinn h - sinn h  n d.h k=1 k 1111 4 μ 1 J1j sinm 2j 1k d 2k -sinm 1 d sinn h -sinn h sin(n y).cos(mx) 0 .  kj 22 222 2 k=2 j=2 d.h mj n k (m jk + n ) +J sinm d -sinm d x (sinn-h sinn h ) 2j 2j 1k 2 k1 (3.26) 2 μ Bsin(m= x)J 0 h1 - h 1112 sinm 222 d -sinm d + J h - h sinm d -sinm d yj 3 1 2 1j 2j 12 2 1j 2j 1 j=1 mj d.h 1111 4 μ 1 J1j sinm 2j 1k d 2k -sinm 1 d sinn h -sinn h cos(n y).sin(mx) 0 .  k j 22 2 222 k=2 j=2 d.h mj n k (m jk + n ) +J sinm d- sinm d x (sinn h -sinn h ) 2j 2 j 1k 2k 1 Ta nhận thấy, Bx được biểu diễn dưới dạng là một chuỗi hội tụ. Khi j, k rất lớn thì ta có thể bỏ qua các vô cùng bé bậc cao đồng thời thực hiện một số biến đổi ta được sai số của phép chuỗi khi j, k tiến tới n. 4μ 2 4*4*10-7 o J a = 107 4,028*0.03- 2.389*0,055 saiso2  s s n dh 2 π0,1375 k s=1 (k -1) 0,51 (3.27) 0,09 Δ< saiso (k -1)2 -3 Vậy để Bx có thể đạt độ chính xác tới 10 T thì khi đó ta cần phải chọn k tiến đến n = 30
49 -3 Tương tự, ta có được giá trị sai số trong biểu thức tính By là 10 T khi j, k tiến tới n = 30. Vậy để tìm phân bố từ thế vectơ và cảm ứng từ với độ chính xác của cảm ứng từ Bx, By là 10-3 T thì ta cần phải tiến hành khai triển biểu thức (3.24) và (3.26) với j, k chạy từ 1 đến 30. Để giải phương trình (3.11) với từ thế vectơ A, ta có thể thực hiện bằng phương pháp giải tích số hoặc PTHH. Cách giải đầu tiên được thực hiện là bằng phương pháp giải tích số trên phần mềm Matlab. Thay tất cả những dữ liệu có được vào biểu thức (3.24) và việc khai triển chuỗi với j, k tiến đến n = 30 thực hiện giải bằng phương pháp giải tích số, ta được kết quả biểu diễn dưới dạng đồ thị vectơ từ thế A như Hình 3.5. Axy 0.1 ) 1 - 0.05 Wbm ( 0 tơ A -0.05 VectorA(T.m) Vec -0.1 60 40 60 x 40 20 20 y 0 0 Hình 3.5. Đồ thị vectơ từ thế A(x,y) trong cửa sổ mạch từ Từ kết quả của vectơ từ thế A(x,y) cửa sổ mạch từ, khai triển theo công thức (3.26) ta có được kết quả phân bố của từ cảm tản Bx và By trên cuộn HA và CA như Hình 3.6 và Hình 3.7. Bx Vị trí giữa 1 hai cuộn dây 0.5 0 -0.5 Tucam Bx (T) -1 60 40 60 x 40 20 20 y 0 0 Hình 3.6. Đồ thị từ cảm hướng kính Bx
50 By Vị trí giữa hai cuộn dây 2 1 0 Tucam By (T) -1 60 40 60 40 x 20 20 y 0 0 Hình 3.7. Đồ thị từ cảm hướng trục By Từ cảm tản tại cửa sổ mạch từ được xác định bằng biểu thức: 22 (3.28) B = B + Bxy Nhìn đồ thị Hình 3.6, ta thấy sự phân bố từ cảm hướng kính Bx theo trục y tập trung lớn ở hai đầu dây quấn có Bxmax = 0,324(T) và nhỏ dần khi vào giữa dây quấn (do từ trường bị bẻ cong ở hai đầu dây quấn còn vào giữa dây quấn thì từ trường đi thẳng), còn theo trục x thì bị đổi chiều do dòng điện trong 2 dây quấn ngược chiều nhau. Nhìn đồ thị Hình 3.7 ta thấy sự phân bố từ cảm hướng trục By theo trục y có giá trị nhỏ ở hai đầu dây quấn và lớn ở giữa dây quấn (ngược so với Bx); còn theo trục x thì tăng dần khi vào giữa hai dây quấn CA và HA, đến vùng giữa hai dây quấn thì có giá trị lớn nhất Bymax = 1,491(T). Cuoän HA 1.6 By 1.4 Bx 1.2 B 1 0.8 0.6 Töø B(T) caûm 0.4 0.2 0 -0.2 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Chieàu cao cuoän HA Hình 3.8. Phân bố từ cảm tại cạnh ngoài cùng cuộn HA Từ cảm tản này là nguyên nhân làm sinh ra lực điện từ, nên khi tính toán lực điện từ tác dụng lên dây quấn, ta chỉ quan tâm phân bố từ cảm tản trên nằm trên cuộn HA và CA. Các giá
51 trị cũng như phân bố từ cảm tản trên cạnh ngoài cùng của cuộn HA và cạnh trong cùng của cuộn CA được thể hiện ở Hình 3.8 và Hình 3.9. Nhìn đồ thị Hình 3.8, ta thấy từ cảm tản tại cạnh ngoài cùng cuộn HA: thành phần hướng trục By là lớn hơn nhiều lần hướng kính Bx với sự phân bố là ở giữa có giá trị lớn nhất Bymax=1,49T, và giảm dần sang hai bên. Đồng thời, từ cảm tản theo phương hướng kính Bx phân bố tập trung ở hai đầu cuộn dây, có giá trị Bxmax = 0,293T và bằng 0 tại chính giữa cuộn dây. Cuoän CA 1.6 By 1.4 Bx B 1.2 1 0.8 0.6 0.4 Töø B(T) caûm 0.2 0 -0.2 -0.4 0 100 200 300 400 500 Chieàu cao cuoän CA Hình 3.9. Phân bố từ cảm tại cạnh trong cùng cuộn CA Tương tự, nhìn đồ thị Hình 3.9, ta thấy từ cảm tản tại cạnh trong cùng cuộn CA, từ cảm By với sự phân bố ở giữa cuộn dây có giá trị lớn nhất Bymax=1,491T; còn từ cảm tản Bx phân bố tập trung ở hai đầu cuộn dây, có giá trị lớn nhất Bxmax = 0,324T. 3.2.4. Các kết quả về ứng suất lực trên cuộn hạ áp và cao áp Ứng suất lực (hay gọi là ứng suất) là đại lượng biểu thị nội lực phát sinh trong dây quấn dưới tác dụng của lực điện từ. Công thức tính ứng suất: σ = F/A (N/m2); với F là lực (N) và A là diện tích bề mặt (m2) [7]. Để kiểm tra độ bền của dây quấn trong điều kiện ngắn mạch nguy hiểm ta cần tính ứng suất trên dây quấn sau đó so sánh với ứng suất cho phép của dây quấn. Khảo sát ứng suất lực hướng kính và hướng trục theo bề dày cuộn HA và CA như Hình 3.10: - Cuộn HA: + Vị trí cạnh trong cùng của cuộn HA: x0 = 10 (mm) + Vị trí chính giữa của cuộn HA: x1 = 24 (mm) + Vị trí cạnh ngoài cùng của cuộn HA: x2 = 39 (mm) - Cuộn CA: + Vị trí cạnh trong cùng của cuộn CA: x0 = 69 (mm) + Vị trí cạnh giữa của cuộn CA: x1 = 97 (mm) + Vị trí cạnh ngoài cùng của cuộn CA: x2 = 124 (mm)