Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn máy biến áp khô bọc epoxy sử dụng lõi thép vô định hình710

Những nghiên cứu ở ngoài nước v máy biề ến áp lõi vô định hình .... Những nghiên cứu ở trong nước v máy biề ến áp lõi vô định hình ..... Mô hình k ch thước máy bi n áp trên Ansys Maxwell

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯ NG D N KHOA H C: Ớ Ẫ Ọ

1 PGS TS PHẠM VĂN BÌNH

2 TS PH M HÙNG PHI Ạ

Hà Nội – 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các k t qu khoa hế ả ọc được trình bày trong lu n án này là thành qu ậ ảnghiên c u c a b n thân tôi trong su t th i gian làm nghiên c u sinh ứ ủ ả ố ờ ứ và chưa từng xu t hi n ấ ệtrong công b c a các tác gi khác Các k t qu ố ủ ả ế ả đạt được là chính xác và trung th c ự

L I C Ờ ẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin bày t l i cỏ ờ ảm ơn sâu s c và kính trắ ọng đến hai thầy hướng d n khoa học ẫtrực ti p, PGS TS ế Phạm Văn Bình và TS Ph m Hùng Phi ạ đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa h c trong quá trình nghiên c u Hai thọ ứ ầy đã dành nhiều th i gian và tâm huy t, h tr v ờ ế ỗ ợ ề

Tác gi xin trân tr ng cả ọ ảm ơn Lãnh đạ trường Đạo i h c Bách Khoa Hà N i, Viọ ện Đào tạo Sau Đạ ọi h c, Viện Điện và B môn Thi t b i n - Đi n t ế ị Đ ệ ệ đã tạo mọi điều ki n thu n l i nh t ệ ậ ợ ấcho nghiên c u sinh trong su t quá trình h c t p và nghiên c u Chân thành cứ ố ọ ậ ứ ảm ơn c c Giảng viên và cán b B môn Thi t b ế ị điện - Điện t , đã hỗ trợ ận tình giúp đỡ t trong quá trình thực

hi n lu n án ệ ậ

Tôi xin trân tr ng cọ ảm ơn Ban Gi m hiệu trường Đại học Quy Nhơn, Ban Ch nhi m ủ ệkhoa Kỹ thu t và Công ngh ậ ệ đã tạo mọi điều ki n thu n l i nh t cho tác gi ệ ậ ợ ấ ả đượ ậc t p trung nghiên c u t i Hà N i trong su t th i gian qua Xin chân thành cứ ạ ố ờ ảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ

và đ ng viên của c c đồng nghi p, nhóm NCS Việ – ện Điện

Cuối cùng, tác gi th c s cả ự ự ảm đ ng và từ đ y l ng mình xin bày tỏ l ng biết ơn đến các

Bậc sinh thành và ngườ ợi v yêu quý cùng con gái và con trai thân yêu đã luôn bên tác gi ả

những lúc khó khăn nhất, nh ng lúc m t m i nhữ ệ ỏ ất, để đ ng viên, để ỗ ợ ề h tr v tài chính và tinh thần, giúp tác gi có th ng v ng trong quá trình nghiên c u và hoàn thi n b n luả ể đứ ữ ứ ệ ả ận án này

Tác gi ả luận án

M Ụ C LỤ C

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

L I CỜ ẢM ƠN ii

MỤC ỤL C iii

DANH M C CÁC KÍ HI U VÀ T Ụ Ệ Ừ VIẾT T T viiẮ DANH M C CÁC KÍ HI U Ụ Ệ ix DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ x

DANH M C CÁC B NG BI U xvỤ Ả Ể M Ở ĐẦU 1

1 Tính c p thi t cấ ế ủa đề tài 1

2 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên c u 2ứ 3 Ý nghĩa khoa học và th c ti n cự ễ ủa đề tài 3

4 Các đóng góp mớ ủi c a lu n án 4ậ 5 C u trúc n i dung c a lu n án 4ấ ộ ủ ậ CHƯƠNG 1 T NG QUAN 6Ổ 1.1 Giới thi u 6ệ 1.2 Máy bi n áp khô 6ế 1.2.1 Khái niệm: 6

1.2.2 Máy bi n áp khô có cuế n dây đúc trong c ch điệ ắn r n 7

1.2.3 Ưu nhược điểm c a máy bi n áp d u và máy bi n áp khô 7ủ ế ầ ế 1.3 Máy bi n áp hi u su t cao 8ế ệ ấ 1.4 Những nghiên cứu ở ngoài nước v máy biề ến áp lõi vô định hình 10

1.4.1 Phương ph p chế ạ t o v t liậ ệu vô định hình 10

1.4.2 Giảm t n hao máy biổ ến p lõi vô định hình 12

1.4.3 Thi t k máy biế ế ến p lõi vô định hình 13

1.5 Những nghiên cứu ở trong nước v máy biề ến áp lõi vô định hình 15

1.6 Nghiên c u lứ ực điệ ừ ởn t máy bi n áp lõi silic 16ế

1.7 Nghiên c u lứ ực điệ ừ ởn t máy biến áp lõi vô định hình 19

1.8 Những vấn đề còn t n t i 21ồ ạ 1.9 Đề xuất hướng nghiên c u 22ứ 1.10.K t luế ận chương 1 22

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN C A T Ủ Ừ TRƯỜNG T N TRONG C A S M CH Ả Ử Ổ Ạ T MÁY BI N ÁP 23Ừ Ế 2.1 Giới thi u 23ệ 2.2 Lý thuy t v ế ề dòng điện ng n m ch và lắ ạ ực điệ ừn t 23

2.2.1 D ng điện ng n mắ ạch 23

2.2.2 Lực điệ ừn t 27

2.3 Xây d ng mô hình toán v i t ự ớ ừ thế vectơ A 32

2.3.1 Phương trình Maxwell 32

2.3.2 Phương trình t ừ thế vectơ A 33

2.3.3 Phương trình ứng su t l c trên dây qu n vi t theo t ấ ự ấ ế ừ thế vectơ A(x,y) 39

2.4 K t luế ận chương 2 41

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN NG SU T LỨ Ấ ỰC ĐIỆN T BỪ ẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH VÀ PH N T H U H N 2D 42Ầ Ử Ữ Ạ 3.1 Giới thi u 42ệ 3.2 Tính toán ng su t l c ng n m ch trên dây qu n bứ ấ ự ắ ạ ấ ằng phương pháp giải tích 42

3.2.1 Mô hình máy bi n áp 630kVA - 22/0,4kV 43ế 3.2.2 Tính dòng ng n m ch trên các cu n dây 43ắ ạ 3.2.3 Tính toán t ừ trường t n trên các cu n dây h áp và cao áp 45ả ạ 3.2.4 Các k t qu v ng su t l c trên cu n h áp và cao áp 51ế ả ề ứ ấ ự ạ 3.2.5 Nhận xét các k t qu ế ả đạt đượ ừ phương ph p giảc t i tích 53

3.3 Tính toán ng su t l c ng n m ch trên dây qu n bứ ấ ự ắ ạ ấ ằng phương pháp phầ ửn t h u h n 2D 54ữ ạ 3.3.1 Mô hình k ch thước máy bi n áp trên Ansys Maxwell 54ế 3.3.2 Ứng su t l c trên các cu n dây h áp và cao áp 55ấ ự ạ 3.3.3 Nhận xét các k t qu ế ả đạt đượ ừ phương ph p PTHH 2Dc t 57 3.4 So sánh v ng su t l c trên dây qu n giề ứ ấ ự ấ ữa phương pháp giải tích và phương

pháp ph n t h u h n 2D 58ầ ử ữ ạ 3.4.1 T c m t n Bừ ả ả x, By và Bxy trên cu n h áp và cao áp 59ạ

3.4.2 Ứng su t lấ ực x và y trên cu n h áp và cao áp 59ạ3.4.3 Nhận xét k t qu so sánh 60ế ả3.5 K t luế ận chương 3 61CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN L C NG N M CH T NG H P TÁC D NG LÊN DÂY Ự Ắ Ạ Ổ Ợ Ụ

QUẤN MÁY BI N ÁP 63Ế4.1 Giới thi u 63ệ4.2 Trình t ự các bước tính ng su t lứ ấ ực điệ ừn t trên dây qu n máy bi n áp lõi thép ấ ế

vô định hình bằng phương pháp PTHH 3D 634.3 Xây d ng mô hình 3D máy bi n áp trên ph n m m Ansys Maxwellự ế ầ ề 634.3.1 Quá trình gi i quy t bài toán trên Ansys Maxwell 63ả ế4.3.2 Thi t l p bài toán mô ph ng máy bi n áp 630kVA 65ế ậ ỏ ế4.4 Mô ph ng ỏ ở chế độ không t i và ng n m ch th nghi m 69ả ắ ạ ử ệ

4.4.1 Phân b t ố ừ trường 694.4.2 Giá tr ị điện p và d ng điện 694.4.3 T n hao không t i và t n hao ng n m ch ổ ả ổ ắ ạ th nghi m 70ệ4.5 Mô ph ng ỏ ở chế độ ngắ n m ch s c 71ạ ự ố4.5.1 D ng điện ng n mắ ạch 714.5.2 Phân b t ố ừ trường t n 72ả4.5.3 Phân tích ng su t l c ng n m ch trên cu n dây h áp và cao áp 73ứ ấ ự ắ ạ ạ4.5.4 Tìm v trí có ng su t l n nh t trên vòng dây qu n hình ch nh t 76ị ứ ấ ớ ấ ấ ữ ậ4.6 Tìm ng su t l n nhứ ấ ớ ất trong các trường hợp thay đổi bán kính cong r c a cuủ ộn

dây 794.6.1 C c trường h p kh o sát 79ợ ả4.6.2 Trường h p r = 2 mm 80ợ4.6.3 Trường h p r = 10 mm 82ợ4.6.4 Trường h p r = 18 mm 83ợ4.6.5 Trường h p r = 30 mm 84ợ4.6.6 Trường h p r = 45 mm 85ợ4.6.7 Trường h p r = 90 mm 86ợ4.6.8 Nhận x t 7 trường hợp r thay đổi 884.6.9 Đ nh gi sự ph thu c giá tr ng su t l c 89ị ứ ấ ự4.7 Tính ng su t nhi t trong dây qu n máy bi n áp khô b c epoxy 91ứ ấ ệ ấ ế ọ

4.7.1 Phân b nhiố ệt đ thời điểm sau ng n mắ ạch 914.7.2 Tính ng l c vào dây qu n khi có chênh l ch nhiứ ự ấ ệ ệt đ giữa dây qu n và cách ấ

điện epoxy 93

4.7.3 T ng ng su t vùng biên 100ổ ứ ấ 4.8 Tính ng su t l c ng n m ch t ng h p 101ứ ấ ự ắ ạ ổ ợ 4.9 K t lu n ế ậ chương 4 103

K T Ế LUẬN VÀ KI N NGH 105Ế Ị Đóng góp khoa học c a lu n án 105ủ ậ Hướng phát tri n c a lu n án 105ể ủ ậ DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG B C A LU N ÁN 106Ố Ủ Ậ TÀI LI U THAM KH O 107Ệ Ả PHỤ Ụ L C 114

DANH M C CÁC Ụ KÍ HIỆ U VÀ T Ừ VIẾ T T T Ắ

h1 mm Chi u cao t g c tề ừ ố ọa đ tới thành dưới cu n HA

h1 mm Chi u cao t g c tề ừ ố ọa đ tới thành dưới cu n CA

h2 mm Chi u cao t g c tề ừ ố ọa đ t i thành trên cu n HA ớ

h2 mm Chi u cao t g c tề ừ ố ọa đ t i thành trên cu n CA ớ

d1 mm Kho ng cách t ả ừ tr đế n thành trong cu n HA

d1 mm Kho ng cách t ả ừ tr đế n thành trong cu n CA

d2 mm Kho ng cách t ả ừ tr đế n thành ngoài cu n HA

d2 mm Kho ng cách t ả ừ tr đế n thành ngoài cu n CA

D’1a x D’1 mm K ch thước bên trong cu n HA

D”1a x D”1 mm K ch thước bên ngoài cu n HA

D’2a x D’2 mm K ch thước bên trong cu n CA

D”2a x D”2 mm K ch thước bên ngoài cu n CA

FEM Finite Element Method

AAT Amorphous Asymmetrial Transformer

AST Amorphous Symmetrial Transformer

DANH M C CÁC HÌNH Ụ VÀ ĐỒ THỊ

Trang Hình 1.1 Máy biến p khô đúc bằng nh a epoxy [8] 7ự Hình 1.2 Khả năng chống cháy cu n dây đúc epoxy; a) đốt cu n dây trong hai phút; b)

ngừng đốt; c) ngừng đốt sau 15 giây [8] 8

Hình 1.3 L ch s t n hao không t i c a MBA 50 kVA [34] 9ị ổ ả ủ Hình 1.4 Biểu th ị đường cong t tr c a v t liừ ủ ậ ệu VĐH và th p silic [18] 10

Hình 1.5 L ch s ng dị ứ ng th p VĐH chế ạ t o MBA phân ph i [18] 10ố Hình 1.6 Các c u trúc nguyên t [80] 11ấ Hình 1.7 Qui trình ch t o v t liế ạ ậ ệu VĐH [23,80] 11

Hình 1.8 Máy bi n áp 3 pha: a) 3 tr ; b) 5 tr [35] 12ế Hình 1.9 T n hao không t i và có t i cổ ả ả ủa MBA khô VĐH [69] 14

Hình 1.10 Mô hình m ch t cạ ừ ủa MBA khô VĐH trong phân t ch FEM [69] 14

Hình 1.11 Phân b t thông c a MBA dây quố ừ ủ ấn đồng tâm [16] 16

Hình 1.12 Các thành ph n lầ ực hướng kính cu n dây đồng tâm [16] 16

Hình 1.13 Mật đ t ừ thông hướng kính và l c d c tr c [16] 16ự ọ Hình 1.14 Ứng su t trên vòng dây c a các cu n dây [16] 16ấ ủ Hình 1.15 Lực điệ ừ, d ng điện t n và t c m t n c a MBA [39] 17ừ ả ả ủ Hình 1.16 Phân b t ố ừ trường trong m ch t và ngoài cu n dây [40] 17ạ ừ Hình 1.17 Sơ đồ ạch điệ m n liên k t 18ế Hình 1.18 D ng điện ng n m ch cu n CA và HA [38] 18ắ ạ Hình 1.19 Lực hướng kính trên cu n CA [38] 18

Hình 1.20 Lực hướng tr c cu n CA [38] 18

Hình 1.21 Lực hướng kính trên cu n HA [38] 18

Hình 1.22 Lực hướng tr c cu n HA [40] 18

Hình 1.23 Các v trí kh o sát trên cu n dây [38] 19ị ả Hình 1.24 Lực hướng kính trên cu n HA [38] 19

Hình 1.25 C u trúc k p cu n dây cấ ẹ ủa MBAVĐH [32] 20

Hình 1.26 Sơ đồ cu n HA và CA [59] 21

Hình 1.27 MBAVĐH ba pha cu n dây hình ch nh t [59] 21ữ ậ Hình 1.28 Cu n HA và CA 21

Hình 1.29 Cu n HA và CA sau khi b ị t c đ ng lực điệ ừn t 21

Hình 2.1 D ng điện ng n m ch t i các thắ ạ ạ ời điểm góc ban đầu điện p ψ kh c nhau [8] 26

Hình 2.2 Hướng x c định lực điệ ừn t [52] 28

Hình 2.3 Quá trình sinh ra lực cơ kh ph hỏng dây qu n MBA 28ấ Hình 2.4 Dây qu n MBA b u n cong [11] 29ấ ị ố Hình 2.5 D ng sóng c a lạ ủ ực điệ ừn t [11,53] 29

Hình 2.6 Biến d ng dây qu n gây ra b i lạ ấ ực hướng tr c [50] 29Hình 2.7 Biến d ng dây qu n gây ra b i lạ ấ ực hướng kính [60] 29Hình 2.8 U n cong c a dây qu n [63,64] 29ố ủ ấHình 2.9 Các thành ph n c a t c m t n và lầ ủ ừ ả ả ực điệ ừn t tác d ng lên dây qu n MBA 30ấHình 2.10 Lực điệ ừ hướn t ng kính c a dây quủ ấn đồng tâm đố ứi x ng 30Hình 2.11 L c d c tr c c a dây quự ọ ủ ấn đồng tâm không đố ứi x ng 31Hình 2.12 Mô hình c c k ch thước 2D c a MBA 35ủHình 2.13 Thành ph n t c m theo tr c x, y tầ ừ ả ại c c đường biên c a c a s m ch t MBAủ ổ ạ ừ

36Hình 2.14 a) Phân b t c m khi chi u cao hai dây qu n b ng nhau; b) Phân b t cố ừ ả ề ấ ằ ố ừ ảm

khi chi u cao hai dây qu n không b ng nhau [57] 39ề ấ ằHình 3.1 Trình t ự c c bước tính ng su t l c tác d ng trên dây qu n 42ứ ấ ự ấHình 3.2 D ng điện ngắn m ch trên cu n CA 44ạHình 3.3 D ng điện ng n m ch trên cu n HA 44ắ ạHình 3.4 C c k ch thước m ch t và cu n dây c a MBA 47ạ ừ ủHình 3.5 Đồ ị vectơ từ ế th th (x,y) trong c a s m ch t 49A ổ ạ ừHình 3.6 Đồ ị ừ ảm hướ th t c ng kính Bx 49Hình 3.7 Đồ ị ừ ảm hướ th t c ng tr c By 50Hình 3.8 Phân b t c m t i c nh ngoài cùng cu n HA 50ố ừ ả ạ ạHình 3.9 Phân b t c m t i c nh trong cùng cu n CA 51ố ừ ả ạ ạHình 3.10 Tọa đ c c điểm kh o sát theo b dày cu n HA và CA 52ả ềHình 3.11 Đồ ị th phân b ng suố ứ ất σxcu n HA ng v i ba v trí x khác nhau 52ứ ớ ịHình 3.12 Đồ ị th phân b ng suố ứ ất σycu n HA ng v i ba v trí x khác nhau 52ứ ớ ịHình 3.13 Đồ ị th phân b ng suố ứ ất σxcu n CA ng v i ba v trí x khác nhau 52ứ ớ ịHình 3.14 Đồ ị th phân b ng suố ứ ất σycu n CA ng v i ba v trí x khác nhau 52ứ ớ ịHình 3.15 Đồ ị th phân b ng suố ứ ất σxy t i c nh ngoài cùng cu n HA 53ạ ạHình 3.16 Đồ ị th phân b ng suố ứ ất σxy t i c nh trong cùng cu n CA 53ạ ạHình 3.17 Mô hình MBA trong Ansys Maxwell 54Hình 3.18 Mô hình chia lu i trong Ansys Maxwell 54ớHình 3.19 Biểu di n vectơ từ ả c m B 55Hình 3.20 Biểu di n đ l n t c m B 55ớ ừ ảHình 3.21 Phân b t c m t i c nh ngoài cùng cu n HA 55ố ừ ả ạ ạHình 3.22 Phân b t c m t i c nh trong cùng cu n CA 55ố ừ ả ạ ạHình 3.23 Phân b l c trên cu n HA và CA 56ố ựHình 3.24 Đồ ị th phân b ng su t ố ứ ấ xcu n HA ng v i ba v trí x khác nhau 56ứ ớ ịHình 3.25 Đồ ị th phân b ng suố ứ ất σycu n HA ng v i ba v trí x khác nhau 56ứ ớ ịHình 3.26 Đồ ị th phân b ng su t ố ứ ấ xcu n CA ng v i ba v trí x khác nhau 56ứ ớ ịHình 3.27 Đồ ị th phân b ng su t ố ứ ấ ycu n CA ng v i ba v trí x khác nhau 56ứ ớ ị

Hình 3.28 Đồ ị th phân b ng suố ứ ất σxy t i c nh ngoài cùng cu n HA 57ạ ạHình 3.29 Đồ ị th phân b ng suố ứ ất σxy t i c nh trong cùng cu n CA 57ạ ạHình 3.30 Tóm t t quá trình th c hi n so sánh giắ ự ệ ữa phương ph p giải tích và PTHH 2D

58Hình 3.31 Đồ ị th phân b ng su t l c ố ứ ấ ự x trên cu n HA gi a gi i tích và PTHH 2D 59ữ ảHình 3.32 Đồ ị th phân b ng su t l c ố ứ ấ ự y trên cu n HA gi a gi i tích và PTHH 2D 59ữ ảHình 3.33 Đồ ị th phân b ng su t l c ố ứ ấ ự x trên cu n CA gi a gi i tích và PTHH 2D 59ữ ảHình 3.34 Đồ ị th phân b ng su t l c ố ứ ấ ự y trên cu n CA gi a gi i tích và PTHH 2D 59ữ ảHình 4.1 Trình t ự c c bước tìm v trí ng su t l c l n nh t trên các cu n dây 64ị ứ ấ ự ớ ấHình 4.2 Quá trình gi i quy t bài toán bả ế ằng phương ph p PTHH [15] 65Hình 4.3 Đường cong t hóa c a v t liừ ủ ậ ệu VĐH 2605SA1 [55] 66Hình 4.4 Mô hình c thể k ch thước m ch t và dây quạ ừ ấn MBAVĐH 66Hình 4.5 Ký hi u tệ ọa đ của c c đường th ng kh o sát 66ẳ ảHình 4.6 Lõi thép MBA b ng v t liằ ậ ệu VĐH 67Hình 4.7 M ch t và cu n dây cạ ừ ủa MBAVĐH 67Hình 4.8 Mô hình MBAVĐH trong phân t ch Ansys Maxwell 3D 67Hình 4.9 Sơ đồ ạch điệ m n CA và HA c a MBA 68ủHình 4.10 K t qu ế ả chia lưới mô hình MBA trong Ansys Maxwell 68Hình 4.11 Không gian gi i h n mô ph ng 68ớ ạ ỏHình 4.12 K ch thước m r ng theo các chi u 68ềHình 4.13 Phân b t c m B trong m ch t ố ừ ả ạ ừ khi chưa ngắn mạch 69Hình 4.14 Điện p CA định m c 69ứHình 4.15 Điện p HA định m c 69ứHình 4.16 D ng điện CA định m c 70ứHình 4.17 D ng điện HA định m c 70ứHình 4.18 T n hao không t i MBA 70ổ ảHình 4.19 T n hao ng n m ch c a MBA 70ổ ắ ạ ủHình 4.20 D ng điện ng n m ch trên cu n CA 71ắ ạHình 4.21 D ng điện ng n m ch trên cu n HA 71ắ ạHình 4.22 Phân b t c m trên m ch t và cu n dây c a MBA t i thố ừ ả ạ ừ ủ ạ ời điểm t =25ms 72Hình 4.23 Phân b t c m trên m ch t và cu n dây c a MBA t i thố ừ ả ạ ừ ủ ạ ời điểm t =25ms 72Hình 4.24 T c m t i c nh ngoài cùng cu n HA 72ừ ả ạ ạHình 4.25 T c m t i c nh trong cùng cu n CA 72ừ ả ạ ạHình 4.26 M t cặ ắt đố ứi x ng c a mô hình ½ MBA 3D 73ủHình 4.27 Đồ ị ứ th ng su t ấ x theo chi u cao cu n HA ng v i ba v trí x khác nhau 74ề ứ ớ ịHình 4.28 Đồ ị ứ th ng su t ấ z theo chi u cao cu n HA ng v i ba v trí x khác nhau 74ề ứ ớ ịHình 4.29 Đồ ị ứ th ng su t ấ x theo chi u cao cu n CA ng v i ba v trí x khác nhau 74ề ứ ớ ịHình 4.30 Đồ ị ứ th ng su t ấ z theo chi u cao cu n CA ng v i ba v trí x khác nhau 74ề ứ ớ ị

Hình 4.31 T ng ng suổ ứ ất xz trên cu n HA 75Hình 4.32 T ng ng suổ ứ ất xz trên cu n CA 75Hình 4.33 C c đường th ng kh o sát trên cu n HA 76ẳ ảHình 4.34 V ị tr 10 đường kh o sát trên cu n HA ng v i r =12 76ả ứ ớHình 4.35 Phân b ng su t c a 10 v trí theo chi u cao cu n HA 76ố ứ ấ ủ ị ềHình 4.36 Phân b ng su t trên cu n HA 76ố ứ ấHình 4.37 Phân b ng su t l n trên cu n HA 77ố ứ ấ ớHình 4.38 Phân b ng su t trên cu n HA 77ố ứ ấHình 4.39 C c đường th ng kh o sát trên cu n CA 77ẳ ảHình 4.40 V ị tr 10 đường kh o sát 77ảHình 4.41 Phân b ng su t c a 10 v trí theo chi u cao cu n CA 78ố ứ ấ ủ ị ềHình 4.42 Phân b ng su t trên cu n CA 78ố ứ ấHình 4.43 Phân b ng su t l n trên cu n CA 78ố ứ ấ ớHình 4.44 Phân b ng su t trên cu n CA 78ố ứ ấHình 4.45 Bán kính r bên trong cu n HA và c c k ch thước khác c a cu n dây 79ủHình 4.46 K ch thước ½ c a cu n CA và HA 80ủHình 4.47 Cu n HA và CA trong Ansys Maxwell 80Hình 4.48 D ng điện ng n m ch cu n CA 81ắ ạHình 4.49 D ng điện ng n m ch cu n HA 81ắ ạHình 4.50 Phân b ng su t trên cu n HA 81ố ứ ấHình 4.51 Phân b ng su t trên cu n CA 81ố ứ ấHình 4.52 K ch thước ½ c a cu n CA và HA 82ủHình 4.53 Cu n HA và CA trong Ansys Maxwell 82Hình 4.54 Phân b ng su t trên cu n HA 82ố ứ ấHình 4.55 Phân b ng su t trên cu n CA 82ố ứ ấHình 4.56 K ch thước ½ c a cu n CA và HA 83ủHình 4.57 Cu n HA và CA trong Ansys Maxwell 83Hình 4.58 Phân b ng su t trên cu n HA 84ố ứ ấHình 4.59 Phân b ng su t trên cu n CA 84ố ứ ấHình 4.60 K ch thước ½ c a cu n CA và HA 84ủHình 4.61 Cu n HA và CA trong Ansys Maxwell 84Hình 4.62 Phân b ng su t trên cu n HA 85ố ứ ấHình 4.63 Phân b ng su t trên cu n CA 85ố ứ ấHình 4.64 K ch thước ½ c a cu n CA và HA 85ủHình 4.65 Cu n HA và CA trong Ansys Maxwell 85Hình 4.66 Phân b ng su t trên cu n HA 86ố ứ ấHình 4.67 Phân b ng su t trên cu n CA 86ố ứ ấHình 4.68 Kích thước ½ c a cu n CA và HA 87ủ

Hình 4.69 Cu n HA và CA trong Ansys Maxwell 87Hình 4.70 Phân b ng su t trên cu n HA 87ố ứ ấHình 4.71 Phân b ng su t trên cu n CA 87ố ứ ấHình 4.72 Phân b ng su t trên cu n HA vố ứ ấ ới 7 trường h p bán kính r khác nhau 88ợHình 4.73 Phân b ng su t trên cu n CA vố ứ ấ ới 7 trường h p bán kính r khác nhau 88ợHình 4.74 Đường cong (1): Giá tr ng su t theo bán kính r 89ị ứ ấHình 4.75 K ch thước r và R 90Hình 4.76 Đường cong (2): Đ tăng củ ứa ng su t l c theo t s : (r + R)/r 90ấ ự ỉ ốHình 4.77 C c k ch thước c a cu n dây và l p epoxy 92ủ ớHình 4.78 Phân b nhiố ệt đ theo hướng kính epoxy sau thời điểm ng n mắ ạch (thời điểm

ng n mắ ạch τ = 0 giây) [8] 93Hình 4.79 Áp suất thay đổi chi u cao dây qu n 94ề ấHình 4.80 Ứng su t l c ng n m ch t ng h p 102ấ ự ắ ạ ổ ợ

DANH M C CÁC B NG BI U Ụ Ả Ể

Trang

B ng 3.1.ả Các giá tr thông s ị ố điện cơ bản MBA 43

B ng 3.2.ả B ng k t qu ả ế ả d ng điện ng n m ch cắ ạ ực đại 45

B ng 3.3.ả Bảng c c k ch thước m ch t và cu n dây MBA 47ạ ừ B ng 3.4.ả B ng k t qu giá tr ng su t t ng l n nh t trên cu n HA và cu n CA b ng ả ế ả ị ứ ấ ổ ớ ấ ằ phương ph p giải tích 54

B ng 3.5.ả B ng k t qu giá tr ng su t l c l n nh t t i c nh ngoài cu n HA và c nh ả ế ả ị ứ ấ ự ớ ấ ạ ạ ạ trong cu n CA bằng phương ph p PTHH 2D 58

B ng 3.6.ả So sánh k t qu t c m t n trên cu n HA và CA giế ả ừ ả ả ữa phương ph p giải tích và PTHH 2D 59

B ng 3.7.ả So sánh k t qu ế ả ứng su t l c có giá tr l n nh t giấ ự ị ớ ấ ữa phương ph p giải tích và PTHH 2D 60

B ng 4.1.ả C c k ch thước c th cể ủa MBAVĐH 65

B ng 4.2.ả Các thông s ố đo đạc th c nghi m cự ệ ủa MBAVĐH 630 kVA - 22/0,4 kV 66

B ng 4.3.ả So sánh các giá tr trung bình mô ph ng và th c t 70ị ỏ ự ế B ng 4.4.ả B ng giá tr ng su t lả ị ứ ấ ực 3 v trí theo b dày cu n HA và CA 74ị ề B ng 4.5.ả B ng k t qu phân b ng su t có giá tr l n nh t 75ả ế ả ố ứ ấ ị ớ ấ B ng 4.6.ả B ng so sánh k t qu cả ế ả ủa hai phương ph p giải tích và PTHH 75

B ng 4.7.ả B ng k t qu phân b ng su t có giá tr l n nh t giả ế ả ố ứ ấ ị ớ ấ ữa phương ph p PTHH 3D m t c t và PTHH 3D 79ặ ắ B ng 4.8.ả Chi u dài cuề n dây và d ng điện ng n m ch cắ ạ ực đạ ại t i r =10 mm 82

B ng 4.9.ả Chi u dài cuề n dây và d ng điện ng n m ch cắ ạ ực đạ ại t i r =18 mm 83

B ng 4.10.ả Chi u dài cuề n dây và d ng điện ng n m ch cắ ạ ực đạ ại t i r =30 mm 84

B ng 4.11.ả Chi u dài cuề n dây và d ng điện ng n m ch cắ ạ ực đạ ại t i r =45 mm 86

B ng 4.12.ả Chi u dài cuề n dây và d ng điện ng n m ch cắ ạ ực đạ ại t i r =90 mm 87

B ng 4.13.ả Chi u dài cuề n dây và d ng điện ng n m ch cắ ạ ủa 7 trường h p 88ợ

B ng 4.14.ả V trí ng su t l n nh t t i r =2; 10; 12; 18; 30; 45 và 90 mm 89ị ứ ấ ớ ấ ạ

B ng 4.15.ả C c k ch thước c a cu n dây và l p epoxy 92ủ ớ

B ng 4.16.ả Các h ng s c a dây qu n và v t li u epoxy [5] 93ằ ố ủ ấ ậ ệ

B ng 4.17.ả Giải thích các kí hi u thành ph n ng su t nhi t 94ệ ầ ứ ấ ệ

M Ở ĐẦ U

1 Tính c p thi t c ấ ế ủa đề tài

Máy bi n áp (MBA) phân phế ối luôn đóng góp m t vai trò h t s c quan trế ứ ọng trong cơ s h ạ

t ng c a h ầ ủ ệ thống điện, nó chi m t l l n trong t ng công su t c a h ế ỉ ệ ớ ổ ấ ủ ệ thống MBA, vì th vế ấn

đề ả gi m t n hao công suất và cũng như giảm hư hỏổ ng do b ngắị n m ch c a MBA phân ph i có ạ ủ ố

ý ngh a kinh tế ỹ k thu t r t quan tr ng ậ ấ ọ

Có hai lo i tạ ổn hao điện t n t i trong MBA khi v n hành: T n hao có t i (tồ ạ ậ ổ ả ổn hao đồng) thay đổi theo m c t i củứ ả a MBA và t n hao không t i (t n hao s t t ) sinh ổ ả ổ ắ ừ ra trong lõi t và xừ ảy

ra su t cuố c đờ ậi v n hành c a MBA, không ph thu c vào t i ủ ả Để ả gi m t n hao công su t trong ổ ấMBA, c n thi t k máy sao cho t ng t n hao c a cuầ ế ế ổ ổ ủ n dây đồng và t n hao s t nh nh t, trong ổ ắ ỏ ấ

đó tổn hao s t ph thu c r t nhi u vào chắ ấ ề ất lượng lo i thép Trong th i gian gạ ờ ần đây, công nghệ

v t li u t ậ ệ ừ đã có những ti n b nh y v t cho phép ng d ng v t li u t ế ả ọ ứ ậ ệ ừ vô định hình (VĐH) trong vi c ch t o m ch t cho MBA phân ph [8,23,24,34,43,76] ệ ế ạ ạ ừ ối

V t li u t mậ ệ ừ ềm VĐH được phát hi n t ệ ừ năm 1970, nhờ vào thành ph n và c u trúc vi mô ầ ấ

đặc bi t nên ệ th p VĐH đ p ứng các yêu cầu để ả gi m t n hao lõi Chính vì v y, MBA lõi thép ổ ậVĐH (MBAVĐH) ngày càng được s d ng r ng rãi do nó làm giảm t n th t h ổ ấ ệ thống điện thông qua vi c gi m t n hao không t i cệ ả ổ ả ủa MBA Các tài li u [4,34,47,69,70] ệ đã đề ập đến c

vấn đề kinh t khi s d ng MBAế VĐH và đưa ra so s nh chi ph tổn th t gi a hai lo i MBA lõi ấ ữ ạ

th p silic thông thường và lõi VĐH, từ đó khẳng định s d ng MBAVĐH ả gi m t n hao không ổ

t i t 60-70% và s mang l i hi u qu kinh t cao ả ừ ẽ ạ ệ ả ế

MBAVĐH do có cấu trúc đặc bi t c a lõi thép và cu n dây là hình ch nh t nên phân b ệ ủ ữ ậ ốđiện trường, t ừ trường t n và phân b l c tác d ng lên cuả ố ự n dây cũng sẽ không đố ứi x ng trên cùng m t v ng dây Đặc biệt hơn là lúc xảy ra ng n m ch thì l c này l n s r t nguy hiắ ạ ự ớ ẽ ấ ểm đối

v i cu n dây [59,71,72, ] ớ 81

Lực điện t tác d ng lên dây qu n cừ ấ ủa MBA được sinh ra là do s ự tương t c giữa d ng điện

và t ừ trường t n trong vùng dây qu n Khi MBA hoả ấ ạt đ ng trong điều kiện bình thường, tác

d ng c a lủ ực điệ ừn t lên các dây qu n nh do t ấ ỏ ừ trường t n ả và d ng điệ tương đốn i nh nỏ hưng khi MBA b ng n m ch s c (tị ắ ạ ự ố ức là MBA đang làm việc với điện p sơ cấp định m c Uứ đm, phía đầu cực thứ c p x y ra ng n mấ ả ắ ạch), lúc này toàn b điện p định mức đặt lên t ng tr ổ ngắn

m ch r t nh cạ ấ ỏ ủa MBA nên d ng điện ng n mắ ạch qu đ s rẽ ất l n Trong ớ c c trường h p ngắn ợ

m ch thì ạ trường h p ng n m ch 3 pha i x ng s ợ ắ ạ đố ứ có trị ố d ng điện ng n m ch lắ ạ ớn hơn trường

h p ngợ ắn m ch không ạ đối x ng Do v y, lứ ậ ực điện t sinh ra là r t l n, nó làm u n cong, xê dừ ấ ớ ố ịch

ho c phá h y dây qu n MBA, th m chí làm n MBA [22,33,75,78] ặ ủ ấ ậ ổ

Ở MBA khô phân ph có cu n dây ối đượ đúc c b ng nh a epoxy vằ ự ới đặc tính ưu điểm không

b t l a, t d p t t l a và ch ng cháy do tia lắ ự ậ ắ ố a điện Ngoài ra, nó có s c bứ ền cơ, chịu quá t i ảcao, kh ả năng chống ẩm, đ ồ n th p và bấ ảo dưỡng d dàng Do v y, lo i MBA này ậ ạ được s

d ng nhi u ề c c t a nhà, khu dân cư, đường h m, trêầ n tàu bè và trên sàn ngoài khơi [2] Tuy nhiên, khi tính toán ứng suất dây qu n khi MBA khô b ngấ ị ắn m ch, c n xét thêm ạ ầ các ứng suất thành ph n ầ như:

(1) ng su t gây ra do phân b nhiỨ ấ ố ệt đ không đồng đều trong l p epoxy ớ

(2) ng su t do chênh l ch nhiỨ ấ ệ ệt đ giữa dây qu n và l p epoxy ấ ớ

(3) ng su t s n có gi a l p epoxy và dây qu n Ứ ấ ẵ ữ ớ ấ

Vì v y, l i gi i cho bài toán nghiên c u lý thuyậ ờ ả ứ ết, tính toán v lề ực điệ ừn t , ng su t nhiứ ấ ệt tác d ng lên dây qu n MBA khi ng n mấ ắ ạch và k ch thước h p ợ lý c a bán kính cong dây quủ ấn theo đ tăng củ ứa ng su t l c là các nghiên c u cấ ự ứ ần được th c hi n ự ệ

Do đó, luận n: “Nghiên c u l c ng n m ch t ng h p tác d ng lên dây qu n máy biứ ự ắ ạ ổ ợ ụ ấ ến

áp khô b c epoxy s dọ ử ụng lõi thép vô định hình” được đặt ra là c n thiầ ết và có ý ngh a quan trọng trong giai đoạn hi n nay ệ

2 M ục tiêu, đối tượ ng phươn , g pháp và ph m vi nghiên c u ạ ứ

M c tiêu nghiên c u ụ ứ

Xây d ng mô hình toán c a t ự ủ ừ trường t n trong c a s m ch t MBA v i t ả ổ ạ ừ ớ ừ thế vectơ

A T ừ đó, t nh ứ ng su t l c trên dây quấ ự ấn MBA lõi VĐH ới v hình dạng c a lõi thép là ủhình ch nh t, khi MBA x y ra ng n mữ ậ ả ắ ạch pha đố ứ 3 i x ng v i ớ d ng điện ng n m ch ắ ạ

l ch nhiệ ệt đ giữa dây qu n và l p epoxy ấ ớ

Đối tượng nghiên c u ứ

MBA khô b c epoxy có hình d ng dây qu n hình ch nh t s d ng lõi thép b ng vọ ạ ấ ữ ậ ằ ật liệu VĐH

Phạm vi nghiên c u ứ

T p trung vào xây d ng mô hình toán c a t ậ ự ủ ừ trường t n trong c a s m ch t MBA vả ổ ạ ừ ới

t ừ thế vectơ A Giả i mô hình toán và tính ng su t l c trên dây qu n ứ ấ ự ấ trong điều kiện MBA b ịngắn m ch 3 pha i x ng nguy hi m nh t vạ đố ứ ể ấ ới d ng điện ng n m ch cắ ạ ực đại

Ứng d ng phương ph p PTHH bằng ph n m m mô ph ng Ansys Maxwell 2D và 3D ầ ề ỏ

để x c định v trí có ị ứng su t l n nh t trên dây qu n và so sánh vấ ớ ấ ấ ới điều ki n tiêu chu n ệ ẩcho phép c a dây qu n ủ ấ

T p trung vào phân tích s ph thu c c a giá tr ng su t l c vào bán kính cong cậ ự ủ ị ứ ấ ự ủa dây qu n T ấ ừ đó, đưa ra c ch lựa ch n h p ọ ợ lý giữa bán kính cong dây qu n ấ theo đ tăng

của ứng su t l c ấ ự

Phương pháp nghiên c u ứ

S d ng phương ph p giải tích s b ng công c tính toán Matlab ố ằ để giải mô hình toán

S d ng phương ph p PTHH 2D để tính toán ng su t l c trên dây qu n MBA Kứ ấ ự ấ ết

qu ả được so sánh với phương ph p giải tích số Đồng th i, m ờ ra hướng nghiên c u là ứ

s d ng phương ph p PTHH 3D cho nh ng bài toán có tính ch t phi tuy n và hình d ng ữ ấ ế ạ

ph c t p ứ ạ

S d ng phương ph p PTHH 3D b ng ph n m m mô phằ ầ ề ỏng Ansys Maxwell để phân tích và tính toán ng su t l c trên dây qu n MBA ứ ấ ự ấ trong điều kiện ng n m ch s c mà ắ ạ ự ốphương ph p thực nghi m không th c hiệ ự ện được T ừ đó x c định v trí có giá tr ng ị ị ứsuấ ớt l n nh t trên dây qu n, k t qu ấ ấ ế ả được so sánh với ứng su t cho phép c a dây qu n ấ ủ ấ

3 Ý nghĩa khoa họ c và th c ti n c ự ễ ủa đề tài

K t hế ợp phương ph p giải tích s ố và phương ph p PTHH để tính toán lực điệ ừn t tác

d ng lên dây qu n MBAấ Để ừ đó chứ t ng minh tính hi u quệ ả của phương ph p PTHH

S d ng phương ph p PTHH 3D tính toán cho các bài toán có tính ch t phi tuy n để ấ ế

và hình d ng ph c t p mà ạ ứ ạ phương ph p giải tích r t khó th c hi n ấ ự ệ

Ý nghĩa thực ti n ễ

Bài toán nghiên c u v phân b t ứ ề ố ừ trường, lực điện t ngừ ắn m ch tác d ng lên dây qu n ạ ấMBA, t ừ đó x c định v trí có ị ứng su t l c l n nh t trên dây qu n c a MBA, ấ ự ớ ấ ấ ủ có ý ngh a thực ti n giúp cho vi c tính toán, thi t k tệ ế ế ối ưu cu n dây của MBA Ph n nào tham gia ầ

vào nghiên c u hoàn thi n công ngh và ch t o MBA s d ng v t liứ ệ ệ ế ạ ậ ệu VĐH Việt Nam

Phương ph p PTHH với ph n m m Ansys Maxell 3D cho phép tìm ra phân b ng lầ ề ố ứ ực trên t ng v ừ ị tr v ng dây trong trường h p ng n m ch s c nguy hi m nh t phía h áp ợ ắ ạ ự ố ể ấ ạMBA mà phương pháp th c nghi m không th c hiự ệ ự ện được Giúp ích cho các k ỹ sư trong vi c thi t k MBA và gi m công s c th nghi m phá h y khi ch t o MBA ệ ế ế ả ứ ệ ủ ế ạ

4 Các đóng góp mớ ủ i c a lu n án ậ

N i dung c a luủ ận n đã tập trung nghiên c u tính toán l c ng n m ch t ng h p tác d ng ứ ự ắ ạ ổ ợlên dây qu n MBA khô b c epoxy s d ng lõi thép ấ ọ VĐH Luận n đã đạt được m t s k t qu ố ế ảnghiên c u m i có th ứ ớ ể được tóm lược như sau:

(1) Xây d ng mô hình toán t ng quát c a t ự ổ ủ ừ trường t n trong c a s m ch t MBA v i t ả ổ ạ ừ ớ ừthế vectơ A Ứng d ng phương ph p giải t ch và PTHH 2D để tính ng su t lứ ấ ực hướng tr c và hướng kính trên các dây quấn trong trường h p ng n mợ ắ ạch 3 pha đố ứi x ng phía HA K t qu ế ả

v ề d ng điện ng n m ch cắ ạ ực đại, t ừ trường t n và ng su t l c trên cu n dây HA và CA cả ứ ấ ự ủa hai phương ph p này được so sánh v i nhau ớ

(2) X c định v trí có giá tr ng su t lị ị ứ ấ ực điệ ừ ớn t l n nh t trên vòng dây cu n HA và CA ấhình ch nh t cữ ậ ủa MBAVĐH trong trường h p ng n mợ ắ ạch 3 pha đố ứi x ng bằng phương ph p PTHH 3D Tính toán ng su t nhi t do s chênh l ch nhiứ ấ ệ ự ệ ệt đ giữa dây quấn và c ch điện epoxy, t ừ đó x c định ng su t t ng h p tác d ng lên dây qu n b c epoxy Kứ ấ ổ ợ ấ ọ ết này được so sánh với ứng su t tiêu chu n cho phép c a dây qu n MBA ấ ẩ ủ ấ

(3) Xây dựng đường cong kh i qu t đ nh gi đ tăng của giá tr ng su t theo bán kính ị ứ ấcong cu n dây kh c nhau Thông qua đường cong này, nếu thay đổi bán kính t ừ tr n đến vuông thì ng su t l c s ứ ấ ự ẽ tăng lên 31%, khuyến c o cho người thi t k MBA l a ch n h p ế ế ự ọ ợ lý bán kính cong dây qu n ấ

Chương 2 Mô hình toán c a t tủ ừ rường t n trong c a s m ch t máy bi n ápả ử ổ ạ ừ ế Chương

này, luận án trình bày lý thuyết v ề d ng điện ng n m ch ắ ạ tr ng thái xác lập và qu đ , nguyên ạnhân gây ra lực điệ ừn t và các thành ph n c a lầ ủ ực điệ ừn t tác d ng lên dây qu n MBA lõi thép ấVĐH có cấu trúc đặc bi t hình ch nh t ệ ữ ậ Đề ra s c n thi t xây dự ầ ế ựng mô hình to n để tính toán lực điện t Sau ừ đó, luận án tiến hành xây d ng mô hình toán tính toán t ự ừ trường t n trong vùng ảkhông gian dây qu n c a MBA v i t ấ ủ ớ ừ thế vectơ A

Chương 3 Tính toán ng suứ ất lực điện t bừ ằng phương pháp giải tích và phần t hử ữu

h n 2D ạ Trong chương này, lu n án t p trung vào vi c xây d ng m t mô hình tính toán ng ậ ậ ệ ự ứsuất trên dây qu n MBA công suấ ất 630kVA trong trường h p ng n mợ ắ ạch 3 pha đố ứi x ng Quá trình phân tích tính toán ng su t trên dây quứ ấ ấn được tiến hành trên hai phương ph p ả gi i tích

và PTHH 2D K t qu v các giá tr v t cế ả ề ị ề ừ ảm t n và ng su t c a c ả ứ ấ ủ ả hai phương ph p lần lượt được so sánh với nhau, để có th ể tìm ra được m t phương ph p phân t ch t nh to n ph hợp

nhất Đồng th i m ờ ra hướng nghiên cứu cho chương 4, s d ng phương ph p PTHH 3D cho

mô hình MBA có k t c u ph c tế ấ ứ ạp hơn

Chương 4 Tính toán l c ng n m ch t ng h p tác d ng lên dây qu n máy bi n áp.ự ắ ạ ổ ợ ụ ấ ế

Trong chương này, luận án ti n hành xây d ng m t thu t toán mô ph ng ế ự ậ ỏ MBAVĐH 3 pha có công su t 630kVA-22/0,4kV, ấ trong trường h p không t i và ng n m ch ợ ả ắ ạ th nghi m, các kệ ết

qu v giá tr ả ề ị d ng điện, điện áp, t n hao không t i và ng n mổ ả ắ ạch được so sánh v i các k t qu ớ ế ả

th nghi m c a nhà s n xuệ ủ ả ất Trên cơ sơ đúng đắn c a mô hình mô ph ng, ti n hành cho ng n ủ ỏ ế ắ

m ch s c phía h ạ ự ố ạ p MBA để phân t ch và đưa ra kết qu t ả ừ trường t n, lả ực điệ ừ hướn t ng

k nh và hướng tr c tác d ng vào cu n dây CA và HA ừ đó x c đị T nh v trí có ng l c l n nhị ứ ự ớ ất trên cu n dây HA và CA có hình d ng ch nh t; giá tr ng su t l n nhạ ữ ậ ị ứ ấ ớ ất được so sánh với ứng suất cho phép c a dây qu n ủ ấ

Sau đó, ậlu n án đã tiến hành mô ph ng nhiỏ ều trường h p v i bán kính cong dây qu n thay ợ ớ ấ

đổ ừ tr n đếi t n vuông T ừ đó đưa ra hai đư ng cong quan h gi a ng su t v i bán kính cong ờ ệ ữ ứ ấ ớdây qu n K t qu giúp cho s l a ch n h p ấ ế ả ự ự ọ ợ lý giữa bán kính cong dây qu n theo h s ấ ệ ố gia tăng

của ứng su t lấ ực

Ứng su t tác d ng vào dây qu n MBA khô, tấ ấ ẩm c ch điện epoxy là t ng x p ch ng ng ổ ế ồ ứsuất do lực điệ ừ ứn t ; ng suất do đ chênh l ch nhiệ ệt đ gi a dây qu n và epoxy; và ng l c do ữ ấ ứ ựphân b nhiố ệt đ không đồng đều l p epoxy ớ Do đó, ph n cu i cầ ố ủa luận án tính toán ng đã ứsuấ ổt t ng h p tác d ng lên dây qu n MBA b c l p epoxy, ợ ấ ọ ớ có x t đến các ng su t nhi t này ứ ấ ệ

CHƯƠNG 1

1.1 Giớ i thi ệ u

Trong chương này, luận án giới thi u t ng quát v MBA khô có cuệ ổ ề n dây đúc epoxy, phân

t ch ưu và nhược điểm lo i MBA này so v i MBA dạ ớ ầu Sau đó trình bày MBA lõi th p VĐH,

đã được nghiên cứu trong nước và ngoài nước v : về ấn đề ả gi m t n hao, tính toán và thi t k ổ ế ếMBAVĐH; nghiên cứ ực điệu l n t MBA silic, lừ ực điệ ừ MBAVĐH Trên cơ sn t nh ng v n ữ ấ

đề còn t n t i v nghiên c u lồ ạ ề ứ ực điệ ừ ủa MBA lõi th p VĐH,n t c tác gi ả đề rahướng nghiên

MBA dầu không đ p ứng được nh ng yêu c u nghiêm ng t v ữ ầ ặ ề môi trường và an toàn –phòng ch ng cháy n , d u MBA là ch t d cháy và s n ph m cháy c a nó l i gây ô nhi m môi ố ổ ầ ấ ả ẩ ủ ạtrường

MBA khô đ p ứng đượ ối đa yêu cầc t u v an toàn phòng ch ng cháy n T nhề ố ổ ừ ững năm

80 thu c th kế ỷ XX, MBA khô ngày càng được hoàn thiện và ph t huy đươc những những ưu điểm của nó Xu hướng hi n nay, nhệ ững đị điểa m có yêu c u nghiêm ng t v ầ ặ ề môi trường và an toàn phòng ch ng cháy n , khách s– ố ổ ạn, các tòa nhà cao ốc, văn ph ng ch nh phủ và những nơi đông dân cư thì MBA khô s ẽ được ưu tiên s d ng

Có hai lo MBA ại khô thường g p: MBA có cuặ n dây không đúc trong c ch điện r n và ắMBA có cu n dây đúc trong c ch điệ ắn r n

MBA khô có cu n dây không đúc trong c ch điện r n là lo i máy có dây quắ ạ ấn được bọc

bằng c ch điện c p F ho c cấ ặ ấp H như giấy nomex, kaptofilm, v i thuả ỷ tinh v.v Nhược điểm MBA khô có cu n dây không đúc trong c ch điện r n là nh y c m vắ ạ ả ới đ ẩ m, khói b i công nghi p, ệ hơi mặn và kh ả năng ph ng chống cháy n ổ k m hơn loại m y đúc bằng nh a epoxy ựnên hi n nay ch làm vi c t i mệ ỉ ệ ớ ức điện áp là 17,5kV và th xung toàn sóng t i 95kV Chính vì ớ

thế, hi n nay ệ người tachủ ế y u dùng lo i ạ MBA có cu n dây đúc trong c ch điệ ắn r n [8]

1.2.2 Máy bi n áp khô có cu n dây ế ộ đúc trong cách điệ ắn r n

C ch điện rắn để đúc cu n dây MBA khô là lo i v t liạ ậ ệu có đ bền cơ, điện, nhi t cao, chệ ịu được môi trường b i b n, hoá chẩ ất, đ ẩm cao, g n bi n, có kh ầ ể ả năng chống cháy nổ, v.v…Chất

c ch điệ ắn r n ph bi n nh t hi n nay là composit có ch a g c epoxy ổ ế ấ ệ ứ ố

MBA khô có cu n dây đúc trong chất c ch điện r n thích h p nhắ ợ ững nơi có yêu cầu cao

v phòng ch ng cháy nề ố ổ, nơi đông người qua l i, các công trình gạ ần bi n, các toà nhà cao t ng, ể ầdưới l ng đất v.v S lư ng MBA khô lo i này ngày càng chi m th ph n l n trên th ố ợ ạ ế ị ầ ớ ị trường

thế ớ gi i So v MBA khô cu n dây không đúc trong c ch điệ ắới n r n thì công ngh ch t o cu n ệ ế ạdây lo i máy này ph c tạ ứ ạp hơn nhiều, đ i hỏi yêu c u kầ ỹ thuật cao hơn Hình 1.1 là lo MBA ại khô có cu n dây đúc trong epoxy

Hình 1.1 Máy biến áp khô đúc bằng nhựa epoxy [8]

1.2.3 Ưu nhược điểm c a máy bi n áp dủ ế ầu và máy bi n áp khô ế

1.2.3.1 Máy bi n áp d u ế ầ

a Ưu điểm:

+ Ch tế ạo đơn giản, giá thành r ẻ hơn so với MBA khô cùng lo i ạ

+ D u MBA có kh ầ ả năng c ch điện cao l i có kh ạ ả năng tuần hoàn làm mát t nhiên t t nên ự ố

có th ể chế ạ t o MBA có điện p đến hàng trăm kV, công suất đến hàng trăm MVA

+ Kh ả năng qu tả ới l n do d u MBA t n nhi t tầ ả ệ ốt hơn không kh

b Nhược điểm:

+ Không thích h p nhợ ững nơi có yêu cầu cao v phòng ch ng cháy n , các công trình ề ố ổ

g n bi n, ầ ể khu đông người, các nhà máy hoá ch t, h m lò v.v ấ ầ

+ Khi x y ra s c ả ự ố thì thường gây nên cháy n , d u máy tràn ra và gây cháy t o nên các ổ ầ ạkhí thải ra môi trường xung quanh gây ô nhi m môi trường và ảnh hư ng đến s c khoẻ c a con ứ ủngười

+ Thường xuyên ph i ki m tra m c d u, s rò r d u, chi phí bả ể ứ ầ ự ỉ ầ ảo dưỡng và v n hành l n ậ ớ+ Không gian lắp đặt chi m nhi u di n tích ế ề ệ hơn so với MBA khô có cùng công su t ấ

+ Kh ả năng vận chuyển đi xa khó khăn hơn và k m an toàn hơn.

1.2.3.2 Máy biến áp khô

a Ưu điểm:

+ Có kh ả năng ph ng chống cháy n cao, có kh ổ ả năng tự ậ d p cháy t t ố

Hình 1.2 mô t thí nghi m v kh ả ệ ề ả năng chống cháy cu n dây đúc epoxy

Hình 1.2 Khả năng chống cháy cuộn dây đúc epoxy ) đốt cuộn dây trong hai phút; ; a

b) ngừng đốt; c ngừng đốt sau 15 giây ) [8]

+ Không gây ô nhi m môi trường

+ Chịu được môi trường công nghiệp, nơi có đ ẩ m lớn và nước bi n ể

+ Cu n dây được qu n b ng dây d n có hình dấ ằ ẫ ạng đặc biệt và đượ ẩm, đúc bằc t ng nh a ựepoxy t o thành m t kh i v ng ch c, có kh ạ ố ữ ắ ả năng chịu được dòng ng n m ch, lắ ạ ực điệ ừ ốt n t thơn

+ Th i gian lờ ắp đặt nhanh, chi phí bảo dưỡng hàng năm t

+ Có kh ả năng chịu được xung điện áp l n do cuớ n dây được đúc trong epoxy tạo thành

m t kh i v ng ch c, m t khác hai vùng dây k ố ữ ắ ặ ề nhau đóng vai tr như hai bản c c c a m t t ự ủđiện làm phân b ố điện p c c v ng dây đồng đều hơn [8]

+ K ch thướ ắp đặc l t nh ỏ hơn so với MBA d u ầ

+ Kh ả năng qu tải k m hơn so với MBA d u ầ

1.3 Máy bi n áp ế hiệ u su t cao ấ

Xu th hiế ện nay người ta ưu tiên lựa ch n các MBA có hi u su t cao Các nhà s n xuọ ệ ấ ả ất luôn tìm ki m v t li u mế ậ ệ ới, đồng th i hoàn thi n thi t k có kh ờ ệ ế ế để ả năng chế ạ t o MBA có t n ổhao thấp Nói c ch kh c người ta luôn luôn ph i có bi n pháp c i ti n thi t k và công ngh ả ệ ả ế ế ế ệ chế

t o nh m hoàn thi n v c u trúc, hình d ng, thông s k thu t, kinh tạ ằ ệ ề ấ ạ ố ỹ ậ ế….và quan trọng nh t s ấ

d ng v t li u mậ ệ ới để giảm t n hao c a MBA ổ ủ

Kho ng nhả ững năm 80 c a th kủ ế ỷ XX, thép VĐH (thép bi n áp siêu mế ỏng) ra đời Nhờ vào thành ph n và cầ ấu trúc vi mô đặc bi t, thép ệ VĐH đ p ứng c 3 yêu cả ầu để giảm t n hao lõi là: ổ

l c kháng t r t nh , Hự ừ ấ ỏ C ~ 5-10 A/m (so v i ~50-100 A/m cớ ủa tôn silic); đ dày t nhiên cự ủa

lá thép rất nh , tỏ d ~ 0,03 mm (so v i ~ 0,3-0,5 mm cớ ủa tôn silic) và điện tr suất r t lấ ớn ρ ~

130-170 μΩcm (so v i ~50-60 ớ μΩcm c a tôn silic) Nh vào các tính ch t trên mà t n hao lõi củ ờ ấ ổ ủa

th p VĐH giảm m nh so v i thép silic lo i t t nh t [6] ạ ớ ạ ố ấ

T n hao trong lõi thép gổ ần đúng bằng t n hao không t i MBA Hình 1.3 mô t l ch s tổ ả ả ị ổn hao không t i các MBA 50 kVA do nâng cao chả ất lượng v t li u ch t o lõi thép t ậ ệ ế ạ ừ năm 1970 đến năm 1990

Hình 1.3 Lịch sử tổn hao không tải của MBA 50 kVA [34]

Nhìn đồ thị Hình 1.3 ta thấy xu hướng d ng th p để giảm t n hao là m t vi c làm h t sổ ệ ế ức

c n thi t Bầ ế ắt đầ ừ năm 1955 đến năm 1990, ngày càng d ng loạu t i thép chất lượng tốt hơn,

m c dù hi n nay các MBA ặ ệ chế ạ t o có t n hao nh ổ ỏ nhưng vẫn còn nh ng MBA ữ cũ có tổn hao

lớn đang được s d ng trên lưới điện Cho nên, vi c quyệ ết định phương n chế ạ t o MBA t n ổhao th p hay cao không nh ng là vấ ữ ấn đề kinh t - k thu t hi n t i mà ế ỹ ậ ệ ạ ảnh hư ng c trong ảtương lai Từ năm 1980 cho đến nay, xu hướng c a th ủ ế giới ch n v t li u ọ ậ ệ VĐH làm lõi thép cho MBA để giảm t n hao không t i.ổ ả

Đồ thị trên Hình 1.4 cho thấy đường cong t hóa c a tôn silic (M4) và thép ừ ủ VĐH Hình 1.5

mô t l ch s ng dả ị ứ ng th p VĐH chế ạ t o MBA phân ph ối

1,2 0,8

1,0 1,2 1,4

0 4 0,8

1,2 1,6

Thép vô định hình

Thép silic

Hình 1.4 Biểu thị đường cong từ trễ của vật liệu VĐH và thép silic [18]

Hình 1.5 Lịch sử ứng dụng thép VĐH chế tạo MBA phân phối [18]

Khi l a chự ọn phương n thiế ết k MBA có hi u su t cao mang mệ ấ t ý ngh a lớn, vì tu i th ổ ọ

của MBA có th t ể ừ 30 đến 50 năm, sai lầm trong l a ch n thi t k s ph i gánh ch u thi t thòi ự ọ ế ế ẽ ả ị ệtrong th i gian dài ờ

1.4 Nhữ ng nghiên c ứ u ở ngoài nước v máy bi ề ến áp lõi vô đị nh hì nh

South Corolia

đông cứng nhanh đến m c quá trình k t tinh không k p xứ ế ị ảy ra Khi đó thu được kim lo i - h p ạ ợkim ng thái hoàn toàn m i v i c u trúc vi mô không tinh thtrạ ớ ớ ấ ể, được g i là họ ợp kim VĐH(amorphous alloys) ho c th y tinh kim lo i (metallic glasses) do các kim loặ ủ ạ ại đó có cấu trúc vi

mô không tr t tậ ự, tương tự như cấu trúc c a th y tinh silicat Hủ ủ ợp kim VĐH thường được chế

tạo dướ ạng băng mỏi d ng vài ch c micromet ngay trong qu trình đông cứng [1,26,58]

Hình 1.6 Các cấu trúc nguyên tử [80]

Trong đó: (A) L nấu ch y; (B) H ả ệ thống rót; (C) Tr c quay;

(D1) (D2) Thi t b ế ị kiểm tra đ dày và b rề ng băng; (E) Thiế ịt b quấn băng

Hình 1.7 Qui trình chế tạo vật liệu VĐH [23,80]

Dùng v t li u ậ ệ VĐH làm lõi thép MBA 1 pha, 3 pha (MBA d u và MBA khô) là m t giầ ải pháp ti t kiế ệm năng lượng c a Công ty Hitachi [35] ủ

C u trúc Tinh th ấ ể C ấu trúcVô đị nh hình C u trúc Nano tinh th ấ ể

C u trúc nguyên t ấ thường (tr i), th p vô đị nh hình (ph i) ả

Hình 1.8 Máy biến áp 3 pha: a) 3 trụ ; b) 5 trụ [35]

1.4.2 Giảm t n hao máy biổ ến áp lõi vô định hình

T ừ năm 1960, cấu trúc VĐH của ch t rấ ắn được phát hi n và phát triệ ển cho đến nay g i là ọ

v t li u t mậ ệ ừ ềm VĐH, qu trình ph t triển tr i qua nhiả ều giai đoạn khác nhau, quá trình phát tri n c a v t li u t mể ủ ậ ệ ừ ềm VĐH c c nước M , Nga, Nh t B n, Trung Quỹ ậ ả ốc,… [58]

L ch s phát tri n cị ể ủa MBAVĐH đã trải qua nhiều giai đoạn khác nhau t khi bừ ắt đầu phát

hi n ra v t li u ệ ậ ệ VĐH ừ năm 1960 đế t n những năm 80 của th k ế ỷ XX thì người ta m i bớ ắt đầu

s d ng v t liậ ệu VĐH làm lõi MBA, quá trình phát tri n ể MBAVĐH có th tóm t t qua nh ng ể ắ ữcông trình nghiên c u qua nhứ ững bài b o sau đây:

Năm 1987, S Lupi đã đ nh gi ngắn g n nhọ ững đặc tính t c a m t s hừ ủ ố ợp kim VĐH lần đầu tiên được đưa ra thị trường với điện tr su t cao, m c t tr nh , nhiấ ắ ừ ỏ ệt đ ủ ấp và đ th dày

lá thép nh ỏ nhưng đ t giừ ảo tương đối l n V i s nh n mớ ớ ự ấ ạnh đặc bi t là giệ ảm đ ng kể ổ t n thất lõi, su t t n hao c a thép Silic Fe-Si là 30-ấ ổ ủ 50 W/kg c n th p VĐH là 10-15 W/kg t i f = 10 ạkHz; 0,2 T Đồng thời, đưa ra bảng so s nh c c đặc tính và t n hao không tải lõi VĐH là 95W, ổlõi Silic là 235W c a m t MBA 100 kVA - 10 kHz, cho thủ ấy đ giảm t n hao là 59% [49] ổNăm 1991, tác gi ảW.Harry đã giới thi u nh ng tính chệ ữ ất đ c đ o ợh p kim VĐH, bắt đầu dùng v t li u ậ ệ VĐH làm lõi thép MBA phân ph i và s phát triố ự ển trong tương lai [34]

Năm 1992, H Matsuki đã nghiên cứu v các hình d ng lõi cề ạ ủa MBA để giảm t n hao ổ điện năng Tác gi ả đã mô tả các hình d ng thích h p cho MBA ạ ợ để giảm t n hao ổ điện năng Trong

đó, hệ s t cố ự ảm, điện kháng tản, điện tr và t n hao sổ ắt được đo cho c c lõi có hình dạng khác nhau để đ nh gi c c đặc tính làm vi c c a MBA [56] ệ ủ

V t liậ ệu VĐH với nh nữ g đặc tính gi m t n th t trong lõi thép cho nên nó có th ng d ng ả ổ ấ ể ứkhông nh ng cho MBA ữ mà vào l nh vực m y điện quay hay thi t b có t n s cao ế ị ầ ố

Năm 1992, Jerry C F Li [42] đã nghiên cứu v ng d ng v t li u ề ứ ậ ệ VĐH giảm t n th t trong ổ ấlõi thép của MBA và đ ng cơ MBA phân ph i lõi ố VĐH ầ t n s ố 60Hz đã đượ ảc s n xu t trên th ấ ịtrường và đã đề ập đế c n nhi u trong các công trình nghiên c u Kh ề ứ ả năng s d ng MBAVĐHkhông ng ng lừ ại đó đến năm 2009 Robert U Lenke [46] , đã đưa ra đặc tính lõi thép c a biủ ến

áp phân phối VĐH s d ng cho t n s 50÷60Hz ầ ố Ngoài ra, lõi th p VĐH cũng được s d ng

trong l nh vực điện t công suất t n s ầ ố kHz để ả gi m t n hao ổ

T i Hoa kạ ỳ, năm 1992 yêu cầu đặt ra là ph i c i thi n h ả ả ệ ệ thống lưới điện phân phối để giảm

t n ổ thất MBA Nghiên c u c a tác gi W J Ros, T M Taylor [65] ứ ủ ả chỉ ra rằng trong t t cấ ả các

t n thổ ất lưới phân ph i thì t n th MBA chiố ổ ất ếm 60% trong đó tổn th t lõi 45% trong t ng s ấ ổ ố

t n th t c a h ổ ấ ủ ệ thống C thể điển hình m t bi n áp pha 25 kVA v i lõi thép silic s có t n hao ế ớ ẽ ổlõi 60W còn v i lõi ớ VĐH ẽ s có 20W Hay MBAVĐH đã giảm t n th t 60% -70% so v i thép ổ ấ ớsilic lo i t t Chính vì vạ ố ậy MBAVĐH m ra m t l i ích kinh t cho h ợ ế ệ thống lưới điện phân

ph i, nó mang hi u qu kinh t , ti t kiố ệ ả ế ế ệm năng lượng đồng ngh a với gi m khí th i [17] ả ả

T i Pháp [25], các công ty ch t o biạ ế ạ ến p như ERDF đã tiến hành các th nghi m không ệ

tải cũng như ngắn m ch trên nhi u ạ ề MBAVĐH ừ t công suất 160kVA đến 630kVA để đ nh gi

và đưa ra tiêu chuẩn cho MBAVĐH trước khi s n xu t cung c p cho th ả ấ ấ ị trường c c nước Châu Âu

ỞChâu Á [42] tổn thất điện năng được chính ph ủ c c nướ quan tâm hàng đầc u và yêu c u ầđặt ra đố ới c c cơ quan i v các nước th c hi n chự ệ ống lãng ph điện năng Theo m t kh o sát t i ả ạNhật B n trong t ng s t n th t không tả ổ ố ổ ấ ải điện năng vượt là 1,5 l n so v i công su t d tính, do ầ ớ ấ ự

đó phả ếi ti n hành gi m t n th t b ng s d ng ả ổ ấ ằ MBAVĐH

Vấn đề s d ng điện năng tiết ki m và hi u qu vệ ệ ả ới MBAVĐH không ch di n ra ỉ Nhật

B n mà còn ả c c nước Châu Á như: Lào, Nepal, Philippine, Đài Loan, Ấn đ , Hàn Qu c, ốTrung Quốc,….Việc dùng MBA lõi VĐH sẽ giảm t n hao không tổ ải đến 70-80% so v i MBA ớ

tôn silic Đồng thời đưa ra kinh nghiệm s d ng cũng như khả năng ph t triển s d ng MBAVĐH trong tương lai [42]

1.4.3 Thiế ết k máy biến áp lõi vô định hình

Trong l nh vực nghiên c u và thi t k ứ ế ế đã có nhiều đóng góp của nh ng tác gi ữ ả 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 t c giả Pan-Seok Shin [61] đã

s d ng phương ph p đồng nhất để tính toán t ừ trường trong lõi thép của MBAVĐH, trong đó tác gi s dả ng phương ph p phần t h u h n (PTHHữ ạ ) để phân tích t ừ trường MBA

Stefan Sieradzki [68] đã đưa ra c c c ch thay đổi hình d ng c a m ch t ạ ủ ạ ừ MBAVĐH 3 pha

t ừ đó t c giả tiế n hành tính toán và ki m tra b ng th c nghi m t n th t MBA 5 tr 160kVA ể ằ ự ệ ổ ấTiếp đó, công suất MBAVĐH cũng được nâng cao lên n 630kVA [77] tác gi Yinshun đế ảWang, Xiang Zhao đã xây dựng thi t k và tính toán t n th t c a mế ế ổ ấ ủ t MBA 3 pha v i công suớ ất trên 630 kVA điện p sơ cấp/th c p là 10,5 kV/0.4 kV thông qua thí nghi m ng n m ch và ứ ấ ệ ắ ạkhông t i theo tiêu chu n ả ẩ

Vấn đề đi sâu vào thiế ết k , th nghiệm MBAVĐH cũng được nghiên c u k càng và sâu ứ ỹ

sắc hơn, c thể tác gi Benedito Antonio Luciano [20] thi t k , th nghiả ế ế ệm MBAVĐH 1 pha 1kVA, đồng th i vờ ấn đề ủ ph c h i t ồ ừ t nh cũng được đề cập để nâng cao hi u su t Tác gi ệ ấ ả đã trình bày phương ph p ủ lõi b ng khí argon trong t ằ ừ trường m t chi u d c theo chi u dài lõi ề ọ ềPhân tích mô hình m ch t c a ạ ừ ủ lõi th p VĐH để phân tích t n hao không t i thì có nhi u ổ ả ềtác gi v i ả ớ các phương ph p thực hi n khác nhau, ví d ệ như: nhóm t c giả D Lin, P Zhou, W

N Fu, Z Badics, and Z J Cendes t i Mạ ỹ năm 2003 [48] phân tích mô hình t n th t lõi b ng ổ ấ ằphương ph p PTHH 2D và 3D ch ế đ qu đ K t qu t n hao không t i gi a tính toán là ế ả ổ ả ữ119W và đo đạc là 126W được so sánh v i nhau, trên mớ t MBAVĐH có công suất 250kVA Những công trình nghiên cứu trên đối tượng MBAVĐH không ng ng l i ừ ạ m t mức đchung chung đó mà nghiên cứu đi vào đối tượng c th ể là MBA khô VĐH Nhóm t c giảThorsten Steinmetz, Bogdan Cranganu-Cretu [69] n hành nghiên c u t n th t không t i và tiế ứ ổ ấ ả

có t i cả ủa MBA khô VĐH T c giả ập trung phân t ch, đ nh gi tổ t n hao không t i cả ủa MBA phân ph i khô lõi ố VĐH 630kVA như Hình 1.9, đưa ra phương ph p cải ti n trong thi t k m ch ế ế ế ạ

t MBA ừ để ổ t n hao là th p nhấ ất Đồng thời thông qua phương ph p PTHH kh o sát m ch t ả ạ ừ để chứng minh đặc điểm thi t k m ch t mà tác gi ế ế ạ ừ ả đềranhư Hình 1.10

Hình 1.9 T n hao không t i và có t i cổ ả ả ủa MBA khô VĐH [69]

Hình 1.10 Mô hình m ch t cạ ừ ủa MBA khô VĐH trong phân tích FEM [ ]69

Lõi ngoài Lõi trong

1.5 Nhữ ng nghiên c ứ u ở trong nước v máy bi ề ến áp lõi vô đị nh hình

Viện V t lý k thuậ ỹ ật, Đạ ọi h c Bách khoa Hà N i: T d án s n xu t s 13/97-ừ ự ả ấ ố HĐCGCN

đã có hơn 10 năm kinh nghiệm, đã nghiên c u thành công công ngh ch t o v t li u t ứ ệ ế ạ ậ ệ ừ VĐH

dạng băng mỏng và ng d ng các s n phứ ả ẩm băng từ ềm VĐH vào sả m n xu t MBA nh t n s ấ ỏ ầ ốcao D ự n đã đào tạo được nhi u Tiề ến s , Thạc s , trên 50 bài báo khoa h c liên quan và tham ọ

d trên 10 h i ngh khoa h c qu c t [6] ự ị ọ ố ế

Ngày 10 th ng 12 năm 2009, lần đầu tiên nước ta đưa việc nghiên c u ng d ng v t li u ứ ứ ậ ệVĐH làm lõi th p MBA điệ ựn l c; B trư ng B Công Thương đã ký Quyết định s ố 6228/QĐ – BCT v : K ho ch khoa h c công ngh ề ế ạ ọ ệ năm 2010 [1] v i n i dung c th ớ ể như sau:

t k t o t o MBA gi m t n hao không t i s d ng v t li u thép t nh

hình siêu m ng, ch tỏ ế ạo trong nước”

Ngày 14 th ng 1 năm 2011, Mitsubishi UFJ Morgan Stanley Securities, Co., Ltd (MUMSS) ph i h p v i Trung tâm ti t kiố ợ ớ ế ệm năng lượng Tp H ồ Ch Minh đã t ổ chức “H i thảo thúc đẩy s d ng máy bi n áp Amorphous hi u suế ệ ất cao trong h ệ thống lưới điện t i Viạ ệt nam” Sau h i thảo có chương trình đầu tư nghiên cứu, s n xuả ất MBAVĐH ạ t i Vi t nam ệ

Ngày 13 th ng 1 năm 2012, Công ty Hitachi Metals đã phối h p v i v i Trung tâm ti t ợ ớ ớ ếkiệm năng lượng Tp H ồ Ch Minh đã tổ ch c h i thứ ảo: “M y biến p lõi tôn vô định hình hiệu

suất cao và ng d ng hi u qu t i Viứ ệ ả ạ ệt Nam” Tại h i thảo đưa ra những đặc trưng của MBAVĐH ệ hi u su t cao và k t qu ấ ế ả đo ph tải điện c a MBA Vi t Nam, thông qua k t qu ủ ệ ế ả

v n hành th c t MBA lõi tôn ậ ự ế VĐH ệ hi u suất cao đồng thời đề xuất tiêu chu n m i cho MBA ẩ ớnày t i Vi t Nam ạ ệ

Kh i đ ng t i Vi t Nam t ạ ệ ừ năm 2010, với s ph i h p c a ECC-ự ố ợ ủ HCMC, Hitachi đã chuyển giao thành công MBA hi u su t cao cho công ty s n xuệ ấ ả ất MBA t i Viạ ệt Nam Năm 2011, ECC-HCMC đã tiến hành lắp đặt và đo th nghi m MBA ệ này trên lưới điện m t s ố địa phương như Hà N i, Tp.HCM, Bình Dương, Đồng Nai và B n Tre K t qu v n hành th c t ế ế ả ậ ự ế cũng như những phương ph p đ nh gi mới, tiêu chu n m i cho MBA ẩ ớ đã được các chuyên gia phân tích,

đ nh gi và đề xuấ ạt t i h i th o ả

Ở Vi t Nam, MBA khô thì công ty c ph n ch t o bi n th Hà Nệ ổ ầ ế ạ ế ế i đã nhập m y đúc cu n dây, khuôn đúc dây quấn và cũng đã chế ạo đượ t c thành công MBA khô có cu n dây đúc trong epoxy MBA khô đượ ảc s n xuất đã được th nghiệm và đảm b o chả ất lượng để ậ v n hành

Nói chung, MBA có lõi thép làm b ng v t liằ ậ ệu VĐH cần được nhanh chóng đưa vào s

d ng Việt nam, tuy nhiên nó còn r t m i m v i Vi t Nam Chính vì v y, c n ph i có nhiấ ớ ẻ ớ ệ ậ ầ ả ều công trình nghiên c u tính toán ng l c, truy n nhi t, phân b ứ ứ ự ề ệ ố c ch điện cũng như t nh to n, thi t k , công ngh ế ế ệ chế ạo để t áp d ng vào th c t s n xuự ế ả ất trong nước

1.6 Nghiên c ứ u lực điệ ừ ở n t máy bi n áp lõi silic ế

V về ấn đề l c ự điện t tác d ng lên dây quừ ấn MBA có lõi thép silic, trên th giế ới đã có nhiều tác gi nghiên cả ứu đề ập và đượ c c liệt kê sau đây:

Năm 2001, Adly A.A đã tính toán l c tác d ng lên dây qu n MBA, trong quá trình chuy n ự ấ ể

đổ ấi n c phân áp c a MBA làm xu t hiủ ấ ện d ng điện xung M c đ ch ủc a tác gi là phân tích, ảtính toán l c ự điệ ừn t gây ra b i dòng điện xung kích MBA K t qu c hai ế ả ả trường h p là dòng ợđiện xung k ch và d ng điện ngắn m ch sinh ra l c tác dạ ự ng lên cu n dây bi n áp ế là giống nhau Tính toán trên mô hình 3D c a MBA m t pha, ủ trong đó có s d ng k thu t m ng noron ỹ ậ ạ để tính toán t n haoổ , đồng th i s d ng k qu ờ ết ả thực nghi m so sánh K t qu v lệ để ế ả ề ực điệ ừ ngắn t n

m ch ạ cũng đượ so s nh và đ nh gic v i nhau [12] ớ

Năm 2004, Tang Yun-Qiu đã tính toán l c ng n m ch trên dây qu n MBA, trình bày tính ự ắ ạ ấtoán lực hướng kính và hướng tr c khi ng n m ch ba pha trên m t MBA 72MVA, phân tích t ắ ạ ừtrường t n và lả ực theo phương ph p PTHH C c kết qu ả t nh to n được so sánh v i th nghiớ ệm [36]

Năm 2007, A C De Azevedo đã phân tích t ừ trường của MBA khi x y ra ng n mả ắ ạch, dùng phương ph p PTHH theo mi n th i gian (Hình 1.11) tính toán lề ờ để ực cơ học x y ra trong cu n ảdây biến p trong điều ki n ng n m ch Tác gi s d ng tính toán b ng ệ ắ ạ ả ằ giải tích và mô phỏng

s kh o sát MBA ố để ả hai trường hợp bình thường và ng n m ch, k t qu lắ ạ ế ả ực hướng tr c và hướng kính Hình 1.12 và Hình 1.13 gi a ữ hai phương ph p nà đượy c so sánh và đ nh gi v i ớnhau [16]

Nhóm tác gi : Hyun-Mo Ahn và ả Ji-Yeon Lee đã phân t ch, t nh to n lực điện t ng n m ch ừ ắ ạ

của MBA lõi thép silic có ti t di n tròn bế ệ ằng phương ph p PTHH [37,38,39,40] Nhóm tác gi ả

khẳng định khi MBA b ngị ắn mạch vào lúc đang hoạt đ ng trong h ệ thống điện, các dòng điện

ng n mắ ạch tương t c vớ ừi t thông tản như Hình 1.15 gây ra ứng suất cơ họ ấc r t nghiêm trọng

đố ới v i dây qu n MBA Vì v y, yêu c u thi t k MBA ph i chấ ậ ầ ế ế ả ịu được dòng ng n m ch khi h ắ ạ ệthống b lị ỗi như ngắn m ch m t pha chạ ạm đất, ng n mắ ạch ba pha,…

Hình 1.15 Lực điện từ, dòng điện và từ cảm tản của MBA [ ]39

Nhóm tác gi ả thực hi n trên các MBA khô 1 pha v i công su t 50 kVA và 1 MVA, phân ệ ớ ấtích t ừ trường t n b ng pả ằ hương ph p PTHH với ph n m m Maxwell V12 Hình 1.16 ầ ề

Hình 1.16 Phân bố từ trường trong mạch từ và ngoài cuộn dây [40]

S phân b ự ố và hướng c a mủ ật đ t thông ừ trạng th i bình thường của MBA u trên đềlõi Nhưng Hình 1.16 cho th y tr ng thái ng n m ch s phân b mấ ạ ắ ạ ự ố ật đ t thông t n xung ừ ảquanh cu n dây là khá l n ớ

Khi ng n m ch x y ra, MBA có th b ắ ạ ả ể ị hư hỏng b i d ng điện qu đ Phân tích lực điện

t , dòng ng n m ch s d ng ph n mừ ắ ạ ầ ềm Maxwell Circuit Edit V12.1 là m ch liên k t cu n HA ạ ế

và CA Hình 1.17 Kho ng th i gian kh o sát t 0-ả ờ ả ừ 50 ms D ng điện đỉnh c a cu n HA là ủ6142,5 A và cu n CA là 746,1 A được hi n th Hình 1.18 ể ị

Hình 1.17 Sơ đồ mạch điện liên kết Hình 1.18 Dòng điện ngắn mạch cuộn CA và HA [38]

K t qu là lế ả ực hướng k nh và hướng tr c trên cu n dây HA và CA 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 A [38] C

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 gi ả đã k ảh o sát lực hướng kính trên cu n dây HA 16 v trí khác ịnhau, k t qu giá tr phân b lế ả ị ố ực trên 16 điểm tương đố đồng đềi u nhau Hình 1.24, do phân

b ố đồng đều của ừt thông t n trên cu n dây c a MBA lõi thép silic có ti t di n tròn ả ủ ế ệ

Hình 1.23 Các vị trí khảo sát trên cuộn dây [38] Hình 1.24 Lực hướng kính trên cuộn A [38] H

Ngoài ra, tính toán t ừ trường t n và lả ực cơ kh sinh ra MBA khi ng n m ch bắ ạ ằng phương pháp PTHH theo miền thời gian cũng được nhi u tác gi ề ả quan tâm được công b trong các công ốtrình [12,13,19,28,44,45,51,74]

1.7 Nghiên c ứ u lực điệ ừ ở n t máy bi n áp lõi vô nh hình ế đị

MBAVĐH do có cấu trúc đặc bi t c a lõi thép và cu n dây là hình ch nh t nên phân b ệ ủ ữ ậ ốđiện trường, t ừ trường t n và phân b l c tác d ng lên cuả ố ự n dây cũng sẽ không đố ứi x ng trên cùng m t vòng dây MBAVĐH có mức đ tiế ng ồn cao hơn và khả năng chịu ng n m ch s ắ ạ ẽ

k m hơn MBA lõi tôn silic H nơn ữa, lúc x y ra ng n m ch thì l c này l n s rả ắ ạ ự ớ ẽ ất nguy hiểm đối

v i cu n dây [17,34,48, ] ớ 59

Nhóm tác gi Haifeng Zhong - WenhaoNiu - Tao Lin - Dong Han - Guoqiang Zhang [32], ả

đã nghiên cứu phân tích kh ả năng chịu ng n m ch c a m t ắ ạ ủ MBAVĐH có công su t 800kVA-ấ10kV T ừ đó, đề xuất m t k t c u k p các cuế ấ ẹ n dây MBA để có th chể ịu đượ ực l c ng n m ch ắ ạ

l n gây ra và ch ng minh tính kh thi cớ ứ ả ủa phương ph p kế ất c u m i cớ ủa mình dướ ự ỗ trợi s h

c a ph n m m Ansys ủ ầ ề

Nhóm tác gi cả đề ập đến ưu điểm c a MBA phân ph i có lõi hủ ố ợp kim vô định hình là kh ảnăng giảm t n hao và s d ng rổ ng rãi nhưng rất nh y c m v i lạ ả ớ ực cơ kh , từ trường t c đ ng lên dây qu n, mấ ức đ tiế ng ồn cao hơn và khả năng chị đựu ng ngắn m ch ạ k m hơn MBA lõi tôn silic Do đó, cần có đượ ực s quan tâm nhiều đến thi t k v ế ế ề cu n dây cũng như c c cấu trúc

h ỗ trợ khác

K t qu nghiên c u v mế ả ứ ề ật đ t thông, l c ng n m ch có s ừ ự ắ ạ ự thay đổ ới l n gi a cu n CA ữ

và HA trong trường h p ng n m ch vợ ắ ạ ới d ng điện ng n m ch l n và nguy hi m nhắ ạ ớ ể ất là trường

h p ng n mợ ắ ạch đ t ng t phía HA c a MBA M t thi t k c u trúc mủ ế ế ấ ới được đề xuất và được chứng minh v i k p 8 bulông ớ ẹ được th t ch t trên cu n dây Hình 1.25 ắ ặ

Hình 1.25 Cấu trúc kẹp cuộn dây của MBAVĐH [32]

Nhóm tác gi B Tomczuk, D Koteras [71,72] ả đã t nh to n lý thuyết và th c nghi m v ự ệ ềthành ph n t ầ ừ trường và điện kháng ngắn m ch cạ ủa MBA 3 pha lõi VĐH công suất S = 10kVA Nhóm tác gi K Zakrzewski B Tomczuk, D Koteras [81] ti n hành s n xu t 2 lo i MBA ả ; ế ả ấ ạ10kVA: MBA không đố ứi x ng (AAT là MBA m ch t ph ng) ạ ừ ẳ và MBA đối x ng (AST là MBA ứ

m ch t không gian)ạ ừ Sau đó, t nh to n phân bố ừ t trường trong các MBAVĐH trong tr ng thái ạ

ng n m ch, phân tích t thông móc vòng và t thông bắ ạ ừ Ψ ừ ϕ ằng phương ph p PTHH 3D Đồng

th i,ờ k t qu phân b t thông t n lúc ng n m ch ế ả ố ừ ả ắ ạ giữa AST và AAT được ểki m ch ng b ng ứ ằ

thực nghi m K t qu ại MBA AAT thệ ế ảlo ấp hơn và tốt hơn cho sản xu t và s a chấ ữa

Ảnh hư ng c a khe h không khí d ủ giữa các cu n dây đến t ừ trường trong MBAVĐH cũng được tác gi B Tomczuk [73] cả đề ập đến và đã d ng phương ph p PTHH v i mô hình ớ 3D đểphân tích t ừ trường MBAVĐH 1 pha công su t 10kVA, ấ ảnh hư ng của k ch thước gi a các ữ

cu n dây đến giá tr t c m t n S biị ự ả ả ự ến đổ ề r ng khe h d gây ra thay đổi b i phân b t thông, ố ừgiá tr c a t thông có s khác nhau khoị ủ ừ ự ảng 25% khi d thay đổ ừ 1 mm đếi t n 7 mm Tính toán

và th nghiệm đã được th c hi n trên cuự ệ n dây tr n và cũng có thể s d ng cho cu n dây hình chữ nh t ậ

Nhóm tác gi M.Mouhamad, C.Elleau [59]ả , đã đưa ra kết qu ả th nghi m ng n m ch ệ ắ ạMBAVĐH s d ng lõi thép v t li u 2605SA1, có công su t t ậ ệ ấ ừ 250 đến 630 kVA Đồng th i ờ

t nh to n d ng điện ng n m ch và lắ ạ ực điện đ ng tác d ng lên cu n dây hình ch nh t có xét ữ ậ

đến b dày cu n dây Tính toán lề ực điện đ ng theo định lu t Ampe gi a dây qu n CA và HA ậ ữ ấtương t c với nhau trong hai trường h p: ợ

+ Thứ nh n u tính toán gất, ế ần đúng tức là xem kho ng cách gi a hai cuả ữ n dây là d(m) chưa

x t đến b dày c a cu n dây thì l c có giá tr F=4000 kNmề ủ ự ịlà -1

+ Th hai, nứ ếu có x t đến b dày cu n dây là e và kho ng cách gi a hai cu n dây là d thì ề ả ữgiá tr l c s nh ị ự ẽ ỏ hơn và b ng F=378 kNmằ -1

Do vậy, nhóm tác gi khuy n cáo trong tính toán l c tác d ng lên dây qu n nên tính theo ả ế ự ấcách thứ hai, quan trọng hơn khi tính l c cho MBA có lõi ự VĐH vì các cu n dây có hình chữ

nh t Hình 1.27 ậ chứ không ph i tròn, phân b l c s ả ố ự ẽ không đố ứng như i x Hình 1.29

Hình 1.26 Sơ đồ cuộn HA và CA [59] Hình 1.27 MBAVĐH ba pha cuộn dây hình chữ nhật [59]

Bài b o đã đưa ra kết qu th nghi m ng n m ch ả ệ ắ ạ MBAVĐH phân ph i có công su t 400 ố ấkVA, giá tr ị tr kháng sau ng n mắ ạch đo được sai lệch dưới 4% so v i giá tr ớ ị ban đầu Sau khi

th nghi m ng n mệ ắ ạch 8 MBA đo gi trịtr kh ng thì đã có 4 m y vượt quá 4% cho phép ch ỉcòn lại 4 m y đạt yêu c u ầ

Hình 1.28 Cuộn HA và CA Hình 1.29 Cuộn HA và CA sau khi bị tác động lực điện từ

Do cu n dây hình ch ữ nhật nên có bi n d ng không i xế ạ đố ứng, cu n dây HA ị đẩ b y vào trong lõi và cu n CA có xu hướng đẩy ra ngoài lõi Hình 1.28 và có xu hướng căng tr n như Hình 1.29

1.8 Nhữ ng v ấn đề còn t n t i ồ ạ

V i nh ng phân tích trên ta th y r ng nghiên c u v lớ ữ ấ ằ ứ ề ực điệ ừn t MBAVĐH ẫ v n còn

h n ch s ạ ế ố lượng công trình công b ố và cũng như những vấn đề mà công trình này chưa khai thác h t C ế thể là các vấn đề còn t n tồ ại như sau:

1 Tính lực điệ ừn t tác d ng lên dây qu n ấ chưa t nh đến phân b t ố ừ trường t n trong vùng ảkhông gian dây qu n cấ ủa MBAVĐH có cu n dây hình ch nh t; c ng ữ ậ ũ chưa x c định

v trí có ng su t l n nh t hay l c t i ch góc m ch t trên cu n dây hình ch nh t ị ứ ấ ớ ấ ự ạ ỗ ạ ừ ữ ậ

2 Chưa chỉ ra giá tr t i v trí trên cu n dây có ng su t l n nh t hay nh nh t t ị ạ ị ứ ấ ớ ấ ỏ ấ để ừ đó đưa ra giải pháp kh c phắ c Cũng như chưa đưa ra c ch lựa ch n h p ọ ợ lý bán kính cong dây qu n ấ theo đ tăng của ứng su t l c ấ ự

3 Chưa tính l c ng n m ch t ng h p tác d ng lên dây qu n bao g m lự ắ ạ ổ ợ ấ ồ ực điện từ và ng ứsuất nhi t trong dây qu n MBA khô b c epoxy ệ ấ ọ

CA HA HA CA

Lõi th p VĐH

1.9 Đề xuất hướ ng nghiên c u ứ

Để ả gi i quy t nh ng m t còn t n t i ế ữ ặ ồ ạ đó, ậ lu n án xuđề ất hướng nghiên c u ứ như sau:

- Nghiên c u xây d ng mô hình toán t ng quát vứ ự ổ ới ừ thế vectơ A đểt tính t ừ trường tản trong c a s m ch t ổ ạ ừ MBA

- Tính toán ứng suất lực điện t l n nh t trên cu n dây khi MBA b ừ ớ ấ ị ngắn mạch nguy hiểm

nh t ấ X c định v trí có ị ứng su t l n nh t trên vòng dây HA và CA Sấ ớ ấ au đó ếk t qu so sánh vả ới

ứng su t cho phép c a dây qu n ấ ủ ấ

- Đánh giá s ự thay đổ ủi c a giá tr ng su t theo ị ứ ấ b n k nh thay đổ ừ tr n đếi t n vuông T ừ

đó khuy n cáo v vi c l a ch n h p lý bán kính cong dây qu n ế ề ệ ự ọ ợ ấ theo đ tăng của ứng su t lấ ực

- Tính toán ng su t l c t ng trên dây qu n MBA khô bứ ấ ự ổ ấ ọc epoxy có t nh đế ứn ng su t ấnhi t tác d ng vào dây qu n do ệ ấ đ chêch nhiệt đ gi a dây qu n và epoxy; và phân b nhiữ ấ ố ệt đ không đồng đều l p epoxy ớ

1.10 K t lu ế ận chương 1

Trong chương này, ậlu n án gi i thi u v MBA khô có cuớ ệ ề n dây đúc epoxy, ớv i nh ng ữ ưu MBA này so v i MBA d u nên s ớ ầ ố lượng MBA khô ngày càng chi m th ph n l n trên th ế ị ầ ớ ị trường

thế ớ gi Xu th hii ế ện nay người ta ưu tiên lựa ch n các MBA có hi u su t cao ọ ệ ấ Đặc bi t, khi s ệ

d ng MBA lõi thép b ng v t liằ ậ ệu VĐH làm giảm t n hao không tổ ải đến 60% -70% so v i thép ớsilic lo i t ạ ốt MBAVĐH do có cấu trúc đặc bi t c a lõi thép và cu n dây là hình ch nh t nên ệ ủ ữ ậphân b ố điện trường, t ừ trường t n và phân b l c tác d ng lên cuả ố ự n dây cũng sẽ không đối

x ng trên cùng m t vòng dây H n a, lúc x y ra ng n m ch thì l c này l n s r t nguy hiứ ơn ữ ả ắ ạ ự ớ ẽ ấ ểm

đố ới v i cu n dây

Luận án trình bày v nh ng nghiên cề ữ ứu trong nước và ngoài nước v thi t k và tính toán ề ế ế

lực điệ ừn t tác d ng lên dây qu n c a MBA lõi thép silic và MBA lõi thép ấ ủ VĐH Trên cơ s phân tích các công trình nghiên cứu thu c l nh vực đề tài v i nh ng vớ ữ ấn đề còn t n t i, ồ ạ luận án

đã đề ra m c tiêu và phương ph p nghiên cứu để giải quy t nh ng m t còn t n tế ữ ặ ồ ại đó N i dung nghiên c u c a lu n án ứ ủ ậ được trình bày những chương tiếp theo

CHƯƠNG 2

2.1 Giớ i thi ệ u

Chương này, lu n án trình bày lý thuyậ ế ềt v dòng điện ng n m ch tr ng thái xác l p và ắ ạ ạ ậ

qu đ , nguyên nhân gây ra lực điện t và các thành phừ ần của lực điện t tác d ng lên dây qu n ừ ấMBAVĐH có cấu trúc hình ch nh t ữ ậ Trên cơ s đó, luận án đã đề ra s c n thi t ự ầ ế và n hành tiếxây d ng mô hình toán v i t ự ớ ừ thế vectơ A để tính toán t ừ trường t n trong vùng không gian dây ả

qu n c a MBA ấ ủ

2.2 Lý thuy t v ế ề dòng điệ n ng n m ch và l ắ ạ ực điệ n t ừ

2.2.1 Dòng điện ng n mắ ạch

2.2.1.1 Ngắn m ch ng thái xác lạ ở trạ ập:

X t trường h p ng n m ch thí nghiợ ắ ạ ệm MBA, lúc này n i th c p MBA b ng dây d n có ố ứ ấ ằ ẫ

t ng tr bổ ằng không, đặt vào sơ cấp điện áp nh ỏ sao cho d ng điện sơ cấp (th c p) b ng ứ ấ ằ

d ng định mức Điện p đặt vào cu n sơ cấp lúc này là U1n (hay Un) g i ọ là điện áp ng n mắ ạch:

U = I Z Equation Chapter 2 Section 1 (2.1)

Trong đó : Iđm - d ng điện ng n mắ ạch thí nghi m ệ (bằng d ng định m c) ứ

X’2 =k2X2 : điện kháng th cứ ấp quy đổi

Trường h p MBA ợ đang làm việc với điện p sơ cấp định m c Uứ đm, n u phía ế thứ ấ c p xảy

ra ngắn mạch (như c c v ng dây quấn chập nhau, đứt dây, ch m ạ đất, ) được g i là ng n m ch ọ ắ ạ

v n hành (ng n m ch s c ) Lúc này toàn b ậ ắ ạ ự ố điện p định mức đặt lên t ng tr ổ ngắn m ch rạ ất

nh cỏ ủa MBA nên d ng điện ng n m ch xác l p Iắ ạ ậ n s c s r t l n: ự ố ẽ ấ ớ

đm n

n

U

I =