Luận án tiến sĩ 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

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 the

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

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

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

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

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

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

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

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

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

Kí hiệu /

Viết tắt

φn rad Góc pha của dòng điện

d mm Chiều rộng cửa sổ mạch từ tính đến trục đối xứng

h1 mm Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành dưới cuộn HA

h1 mm Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành dưới cuộn CA

h2 mm Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành trên cuộn HA

h2 mm Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành trên cuộn CA

d1 mm Khoảng cách từ trụ đến thành trong cuộn HA

d1 mm Khoảng cách từ trụ đến thành trong cuộn CA

d2 mm Khoảng cách từ trụ đến thành ngoài cuộn HA

d2 mm Khoảng cách từ trụ đến thành ngoài cuộn CA

Ctrụ mm Khoảng cách tâm hai trụ

Ccs mm Chiều rộng cửa sổ mạch từ

D’1a x D’1 mm Kích thước bên trong cuộn HA

D”1a x D”1 mm Kích thước bên ngoài cuộn HA

D’2a x D’2 mm Kích thước bên trong cuộn CA

D”2a x D”2 mm Kích thước bên ngoài cuộn CA

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

s.đ.đ sức điện động

k Tỉ số biến áp

 Toán tử Napla

Δ Toán tử Laplace

MBA Máy biến áp

FEM Finite Element Method

AAT Amorphous Asymmetrial Transformer

AST Amorphous Symmetrial Transformer

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

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

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 định 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

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

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

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

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 cấp 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]

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

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

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

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

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]

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]

1.2.3.1 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

+ 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

+ 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

+ 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

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

1,2 0,8 0,4

1,0 1,2 1,4

0,4 0,8 1,2 1,6

B (T) 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 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

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

South Corolia

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]

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]

Cấu trúc Tinh thể Cấu trúcVô định hình Cấu trúc Nano tinh thể

Cấu trúc nguyên tử thường (trái), thép vô định hình (phải)

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

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

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 pháp PTHH khảo sát mạch từ để chứng minh đặc điểm thiết kế mạch từ mà tác giả đề ra như Hình 1.10

Hình 1.9 Tổn hao không tải và có tải của MBA khô VĐH [69]

Hình 1.10 Mô hình mạch từ của MBA khô VĐH trong phân tích FEM [69]

Lõi ngoài

Lõi trong

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 đã tổ 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

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 của 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

quấn đồng tâm [16] Hình 1.12 Các thành phần lực hướng kính cuộn dây đồng tâm [16]

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

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

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 Hơn 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 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

800kVA-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

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 với 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

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

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

CA HA HA CA

Lõi thép VĐH

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

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 độ, 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

2.2.1.1 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 định mức Điện áp đặt vào cuộn sơ cấp lúc này là U1n (hay Un) gọi là điện áp ngắn mạch:

R’2 = k2R2 : điện trở thứ cấp quy đổi X’2 =k2X2 : điện kháng thứ cấp quy đổi Trường hợp MBA đang làm việc với điện áp sơ cấp định mức Uđm, nếu phía thứ cấp xảy

ra ngắn mạch (như các vòng 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:

đm n

U

I =Z

(2.3)