Nghiên cứu phân bố nhiệt trong máy biến áp khô có lõi thép vô định hình

36 CHƯƠNG 3 - KHẢO SÁT SỰ PHÂN BỐ NHIỆT TRONG CUỘN DÂY MÁY BIẾN ÁP KHÔ LÕI VÔ ĐỊNH HÌNH BĂNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ PHẦN MỀM ỨNG DỤNG .... Vì vậy nghiên cứu về phân bố nhiệt tron

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

HOÀNG THÁP MƯỜI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN – THIẾT BỊ ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS PHẠM VĂN BÌNH

HÀ NỘI – 2015

1

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP KHÔ LÕI THÉP VÔ ĐỊNH HÌNH 10

1.1 Giới thiệu về vật liệu vô định hình sử dụng trong kỹ thuật điện 10

1.1.1.Lịch sử phát triển: 10

1.1.2.Công nghệ sản xuất vật liệu từ vô định hình: 12

1.1.3.Cấu trúc nguyên tử: 13

1.1.4 So sánh tổn hao vật liệu vô định hình và tôn Silic 14

1.2 Ứng dụng vật liệu vô định hình 17

1.3 Hướng nghiên cứu của tác giả: 20

CHƯƠNG 2 - XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN NHIỆT VÀ MÔ HÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG DÂY QUẤN 21

2.1 Quá trình nhiệt trong máy biến áp 21

2.1.1 Tổn hao dây quấn: 21

2.1.2 Tổn hao lõi thép: 23

2.2 Các phương pháp trao đổi nhiệt trong máy biến áp khô lõi thép vô định hình 24

2.2.1 Dẫn nhiệt 24

2.2.2 Đối lưu 26

2.2.3 Bức xạ 29

2.2.4 Tính toán hệ số trao đổi nhiệt tổng 30

2.3 Phương trình vi phân đạo hàm riêng cho các bài toán truyền nhiệt: 30

2.4 Mô hình nghiên cứu cho việc khảo sát nhiệt dây quấn máy biến áp 31

2.4.1 Mô hình hóa đối tượng nghiên cứu bằng mô hình tương tự 32

2.4.2 Mô hình phân bố nhiệt 34

2.4.3 Ví dụ 35

2

2.5 Kết luận 36

CHƯƠNG 3 - KHẢO SÁT SỰ PHÂN BỐ NHIỆT TRONG CUỘN DÂY MÁY BIẾN ÁP KHÔ LÕI VÔ ĐỊNH HÌNH BĂNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ PHẦN MỀM ỨNG DỤNG 37

3.1.Phương pháp phần tử hữu hạn 37

3.1.1.Đặc trưng nổi bật của phương pháp phần tử hữu hạn: 37

3.1.2 Thiết lập các phương trình phần tử hữu hạn 37

3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn với chương trình FlexPDE: 38

3.2.1 Giới thiệu phần mềm FlexPDE: 38

3.2.2.Các thông số nghiên cứu nhiệt của MBA khi sử dụng phần mềm FlexPDE: 39

3.3 Ứng dụng phần mềm FlexPDE trong việc khảo sát sự phân bố nhiệt của máy biến áp khô lõi thép VĐH 250kVA - 35kV/0,4kV 40

3.3.1 Mô hình và kích thước mạch từ: 40

3.3.2.Mô hình các cuộn dây biến áp khô 40

3.4.Kết quả sau khi chạy chương trình FlexPDE: 43

3.4.1 Kết quả sau khi chạy chương trình FlexPDE với thép VĐH 43

3.4.2 Kết quả sau khi chạy chương trình FlexPDE với thép KTĐ 46

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50

1 Kết luận: 50

2 Những kiến nghị về hướng nghiên cứu mở rộng: 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Hoàng Tháp Mười

4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MBA VĐH KTĐ MQH ECM DFE

Máy biến áp

Vô định hình

Kỹ thuật điện Mối quan hệ Enterprise Content Management Partial Differential Equations

1.5 Sơ đồ mô tả các sản phẩm của vật liệu vô định hình 18

1.8 Máy biến áp khô 3 pha 1000 kVA - 6 kV/210V 20 2.1 Đường cong từ trễ của thép vô định hình và thép silic 23

2.7 Mạng các nút cho một nửa pha máy biến áp 35

3.3 Phân bố nhiệt trong dây quấn MBA lõi thépVĐH khi chạy tải định

mức theo bán kính r (cm) và chiều cao z(cm) của dây quấn 43

6

3.4

Đồ thị biểu diễn MQH của nhiệt độ T(C0) theo bán kính r(cm) của

dây quấn hạ áp MBA lõi thépVĐH khi chạy tải định mức 43

3.5 Phân bố nhiệt trong dây quấn MBA lõi thépVĐH khi tải bằng 2/3

định mức theo bán kính r (cm) và chiều cao z(cm) của dây quấn 44

3.6 Đồ thị biểu diễn MQH của nhiệt độ T(C0) theo bán kính r(cm) của

dây quấn hạ áp MBA lõi thép VĐH khi tải bằng 2/3 định mức 44

3.7

Phân bố nhiệt trong dây quấn MBA lõi thép VĐH khi ngắn mạch

dây quấn hạ áp theo bán kính r (cm) và chiều cao z(cm) của dây

quấn

45

3.8 Đồ thị biểu diễn MQH của nhiệt độ T(C

0) theo bán kính r(cm) của dây quấn hạ áp MBA lõi thép VĐH khi ngắn mạch dây quấn hạ áp 45

3.9 Phân bố nhiệt trong dây quấn MBA lõi thép KTĐ khi tải định mức

theo bán kính r (cm) và chiều cao z(cm) của dây quấn 46 3.10 Đồ thị biểu diễn MQH của nhiệt độ T(C

0) theo bán kính r(cm) của dây quấn hạ áp MBA lõi thép KTĐ khi tải định mức 46

3.11 Phân bố nhiệt trong dây quấn MBA lõi thép KTĐ khi tải bằng 2/3

định mức theo bán kính r (cm) và chiều cao z(cm) của dây quấn 47 3.12 Đồ thị biểu diễn MQH của nhiệt độ T(C

0) theo bán kính r(cm) của dây quấn hạ áp MBA lõi thép KTĐ khi tải bằng 2/3 định mức 47

3.13 Phân bố nhiệt trong dây quấn MBA lõi thép KTĐ khi ngắn mạch

3.14

Đồ thị biểu diễn MQH của nhiệt độ T(C0) theo bán kính r(cm) của

dây quấn hạ áp MBA lõi thép KTĐ khi ngắn mạch dây quấn hạ áp

áp

48

7

DANH MỤC CÁC BẢNG

1.1 So sánh tổn hao không tải máy biến áp 1 pha và 3 pha có lõi

thép silic thông thường và lõi thép vô định hình 15

1.2 Tổn hao sắt từ (Fe), tổn hao đồng và tổn hao của máy biến áp

cùng công suất sử dụng hai loại vật liệu dẫn từ khác nhau 15 1.3 Hiệu quả kinh tế khi sử dụng lõi dẫn từ VĐH 16

1.4 So sánh một số thông số kỹ thuật của thép vô định hình và

2.1 Bảng hệ số trao đổi nhiệt ở một số điều kiện 29 2.2 Bảng các giá trị điển hình của hệ số phát xạ 29

đó sử dụng máy biến áp môi trường làm mát bằng dầu

Đến những năm 90 của thế kỷ thứ XX, do yêu cầu cao về an toàn phòng chống cháy nổ người ta lại trở về với máy biến áp khô Điều kiện làm mát máy biến áp khô khó khăn hơn máy biến áp dầu bắt buộc người ta phải quan tâm hơn đến tính toán và lựa chọn chế độ làm mát cho loại máy

Hiện nay, ở Việt Nam, nhu cầu tiêu thụ điện năng rất lớn, nếu tiếp tục sử dụng loại máy biến áp có lõi truyền thống thì lượng điện năng tiêu hao lớn, gây lãng phí và thiếu hiệu quả Với máy biến áp có lõi thép bằng kim loại vô định hình, tổn hao trong lõi thép có thể giảm xuống tới 75% so với máy biến áp lõi từ bằng tôn cán lạnh định hướng [13] Điều đó sẽ góp phần tích cực vào việc giảm tiêu hao năng

lượng và phát khí thải ra môi trường Với lý do đó MBA khô có lõi từ bằng kim loại

vô định hình sẽ ngày càng được sử dụng rông rãi ở Việt Nam

Vì vậy nghiên cứu về phân bố nhiệt trong máy biến áp khô có lõi thép vô định hình nhằm xác định phân bố nhiệt phân bố trong dây quấn góp phần quan trọng cho giúp ta tìm phương án tối ưu trong việc nâng cao công suất đơn chiếc máy và là tiền đề cho việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo MBA khô lõi sử dụng vật liệu vô định hình ở Việt Nam

Với nhận thức trên, tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu phân bố nhiệt trong

máy biến áp khô có lõi thép vô định hình” làm luận văn tốt nghiệp của mình

3 Nội dung luận văn

Luận văn gồm 3 chương:

- Chương 1: Tổng quan về máy biến áp khô lõi thép vô định hình

- Chương 2: Xây dựng phương trình truyền nhiệt và mô hình truyền nhiệt trong quận dây máy biến áp khô có lõi thép vô định hình

- Chương 3: Khảo sát sự phân bố nhiệt trong dây quấn máy biến áp lõi thép

vô định hình bằng phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm ứng dụng

4 Phương pháp nghiên cứu

- Tổng hợp các tài liệu có liên quan đến đề tài

- Sử dụng các phương pháp phần tử hữu hạn nghiên cứu phân bố nhiệt trong dây quấn của MBA khô lõi thép VĐH

- Sử dụng phần mềm FlexPDE để mô phỏng phân bố nhiệt trong dây quấn Khi mô phỏng xem lõi thép vô định hình là đồng nhất và đẳng hướng, coi hình dáng mạch từ giống như máy biến áp thép kỹ thuật điện và và sự phân bố nhiệt ở chế độ xác lập

10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP KHÔ LÕI THÉP VÔ ĐỊNH HÌNH 1.1 Giới thiệu về vật liệu vô định hình sử dụng trong kỹ thuật điện

1.1.1 Lịch sử phát triển [14], [9]

Lõi thép vô định hình đầu tiên được phát minh và đưa vào sản xuất vào những năm 1970 bởi công ty Allied Signal Hoa Kỳ Công ty Hitachi mua lại bộ phận kinh doanh của công ty Allied Signal năm 2003

Lõi thép vô định hình có tổn hao ít hơn nhiều so với lõi thép thông thường, chính vì vậy mà thép vô định hình bắt đầu được sử dụng trong việc sản xuất lõi thép năm 1980 Bắt đầu từ năm 2000, khi việc tiết kiệm năng lượng và giảm khí thải

CO2 được đặt ra thì máy biến áp lõi thép vô định hình ngày càng được sử dụng rộng rãi không những ở Mỹ, Nhật mà còn ở các nước có tốc độ kinh tế phát triển nhanh như Trung Quốc, Ấn Độ Sau đây là quá trình phát triển của vật liệu từ mềm vô định hình:

Ở Mỹ:

- Thập niêm 70 nghiên cứu và phát triển sản phẩm

- 1973 Công ty Metglas thông báo phát minh ra hợp kim vô định hình

- 1978 máy biến áp sử dụng lõi thép vô định hình được phát triển và giới thiệu

- Năm 1979, Allied Signal phát triển thành công kỹ thuật chế tạo sản phẩm thép dạng băng mỏng

- Năm 1982, Sản xuất băng vô định hình ở Công Ty Allied Signal, Vật liệu băng vô định hình: Nền Fe, Nền Co và Nền Fe-Ni

- Năm 1984, Máy biến áp sử dụng vật liệu vô định hình bắt đầu được

sử dụng ở Mỹ

-Năm 1989, Sản xuất băng vô định hình với công suất 60.000 tấn/năm tại Công Ty Allied Signal

- Sau đó, hàng triệu máy biến áp vô định hình được sử dụng trên thế giới

- Bên cạnh nước Mỹ, các nước Tây Âu và Nhật Bản đã nghiên cứu và

- Năm 1980, từ 3÷10 kg sản phẩm vật liệu làm nguội nhanh đã được ra đời ở CISRI và đã giới thiệu cho khách hàng

- Năm 1986, Băng vô định hình Nền Fe-Ni với 40 kg, bề rộng 100mm được sản xuất tại CISRI

- Dự án sản xuất băng vô định hình nền Fe với công suất 100 tấn/năm được bắt đầu

- Năm 1988, thành công kỹ thuật quấn băng tự động tại CISRI Nó là một trong mười thành công mới của khoa học – công nghệ trong năm tại Trung Quốc

Sau đó, Sản xuất pilot 100 tấn và 200.000 mẫu - lõi được triển khai sản xuất ở CISRI

Nghiên cứu về nano tinh thể cũng được bắt đầu nghiên cứu và sản xuất

ở CISRI

- Năm 1990-1995, dự án chính được triển khai về vật liệu vô định hình

và nano tinh thể Năm 1995, sản xuất hàng triệu mẫu - lõi vật liệu

- Năm 1996, dự án quốc gia sản xuất băng vô định hình 1000 tấn/năm

- Năm 1999, sản xuất băng vô định hình với 1000 tấn và 600 tấn dùng cho sản xuất máy biến áp tại Beijing, có bề rộng băng từ 100÷200 mm

- Năm 2000-2005, Công Ty AT&M (thành viên của CISRI) tiếp tục sản xuất băng vô định hình và nano tinh thể để cung cấp cho thị trường

Dự án của Quốc gia sản xuất băng vô định hình nền Fe có công suất 10.000÷40.000 tấn/năm Mục tiêu sản xuất tới 40.000 tấn/năm cung cấp cho thị trường sản xuất máy biến áp vô định hình

12

1.1.2 Công nghệ sản xuất vật liệu từ vô định hình [6], [9]

Để chế tạo vật liệu vô định hình (VĐH), cho tới hiện nay có nhiều phương

pháp khác nhau Tuy nhiên, để đơn giản có thể đưa chúng về 4 nhóm sau đây

+ Nguội nhanh từ tinh thể lỏng;

+Bắn phá vật liệu nguồn bằng chùm điện tử, ion có năng lượng cao;

+ Nghiền cơ học động năng cao: Cho các bột kim loại hoặc hợp kim vô định hình;

+ Thiêu kết áp lực cao từ bột hợp kim

Phương pháp nguội nhanh từ tinh thể lỏng là phương pháp được dùng phổ biến trong công nghệ luyện kim, nguyên tắc là dùng một môi trường làm lạnh, thu nhiệt của hợp kim nóng chảy trong thời gian rất ngắn để chúng không kịp kết tinh trong quá trình hóa rắn Phương pháp nguội nhanh phổ biến nhất là phương pháp

"nóng chảy - quay", được mô tả như sau:

Hợp kim được nóng chảy và phun lên bề mặt một trống kim loại được quay với tốc độ rất nhanh (thường làm bằng cách kim loại truyền nhiệt tốt ví dụ như đồng) đóng vai trò môi trường thu nhiệt Hợp kim sẽ bị dàn mỏng thành dạng băng mỏng và làm lạnh với tốc độ rất nhanh (tốc độ tới hàng triệu độ một giây) và tạo ra các hợp kim có cấu trúc vô định hình

Công nghệ nguội nhanh loại ampoule ngoài không khí

Công nghệ liên tục

Hình:1.1 Qui trình chế tạo vật liệu vô định

hình

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

1.1.4 So sánh tổn hao vật liệu vô định hình và tôn Silic [10]

Máy biến áp 1 pha lõi thép silic có công suất 30kVA tổn hao không tải là 149W, còn máy biến áp lõi thép vô định hình tổn hao không tải là 38W Như vậy,

so với máy biến áp lõi thép silic thì máy biến áp vật liệu vô định hình đã giảm 70% đến 80% tổn hao không tải Bảng 1.1 minh họa điều này

Bảng 1.3 Ví dụ cho một MBA 3 pha, 500kVA – 22kV, thay thế lõi tôn silic bằng thép VĐH đã tiết kiệm được 1770 W (trong một năm đã tiết kiệm 15.505kWh) có nghĩa nó đã tiết kiệm 1.395 USD

Hình 1.4: So sánh tổn hao không tải của máy biến áp ở Nhật

Bản (máy 3 pha, 50Hz, 300 kVA)

Thép silic (hiệu suất cao)

Vật liệu vô định hình

15

Bảng 1.1: So sánh tổn hao không tải máy biến áp 1 pha và 3 pha có lõi thép silic

thông thường và lõi thép vô định hình

Máy biến áp

Công suất (kVA)

Tổn hao không tải, W

Độ giảm tổn hao, %

Lõi thép biến áp thông thường, tôn silic

Lõi thép vô định hình

Nguồn: Tổng Công ty Điện lực Hàn Quốc KEPOCO’s

Bảng 1.2: Tổn hao sắt từ (Fe), tổn hao đồng và tổng tổn hao của máy biến áp

cùng công suất sử dụng hai loại vật liệu dẫn từ khác nhau

Loại tổn hao

Tổn hao PL(W) (~50% tải) Thép vô định

hình

Thép silicon cán nguội định hướng

Chú ý: máy biến áp 3 pha, 250 kVA, tần số công nghiệp

nguồn: Hasegawa & Pruess,Proc IEEE, 2001, p 1820

16

Số liệu trong bảng 1.2 cho thấy, đối với máy biến áp 3 pha, 250kVA, tổn hao từ giảm từ 466W (lõi thép silic cán nguội) xuống 132W (lõi VĐH), tức là tổn hao lõi VĐH chỉ bằng ~1/3 so với thép silic Trong khi đó tổn hao đồng gần như nhau (966 W và 1.084 W) Tổn hao tổng cộng của máy biến áp giảm từ 1.550

W xuống 1.098 W khi dùng lõi VĐH

Bảng 1.3 Hiệu quả kinh tế khi sử dụng lõi dẫn từ VĐH

Biến áp 500 kVA, 3 pha, cấp điện áp 22 kV

1 Tổn hao không tải khi sử dụng

Tiết kiệm điện trong 1 năm

(chạy không tải)

15.505 kWh (1.770 W x 24 h x 365

ngày)/1.000

5

Tiết kiệm tiền điện trong 1 năm

(chạy không tải)

1.395 USD

(15.505 x 0,09 USD/kWh)

Ghi chú: 1 - Nếu máy biến áp chạy không tải 8 h/ngày, thì các con số trong cột 4 và 5 tương ứng là: ~5.168 kWh và ~ 465 USD

2 - Nguồn Kim Tae-ho, Cty Công nghiệp Cherong, Seoul, Hàn Quốc

Hệ thống thiết bị công nghiệp của Công ty Hitachi, đại diện cho công nghệ tiến tiến và siêu tiết kiệm năng lượng chính là máy biến áp lõi thép VĐH Máy biến

áp lõi thép VĐH là giảm pháp tiết kiệm năng lượng, giảm khí thải CO2 và ngăn chặn sự nóng lên của toàn cầu Nếu tất cả máy biến áp ở Hàn Quốc sử dụng lõi thép vô định hình thay tôn silic truyền thống thì dự tính trong năm 2010, Hàn Quốc tiết kiệm được khoảng 7 tỷ kWh điện, bằng lượng điện năng cung cấp cho một thành phố khoảng 1,4 triệu dân, điều đó cũng đồng nghĩa với việc giảm khoảng 1 triệu tấn khí CO2, tương đương với lượng CO2 của khoảng 220.000 ô tô

17

thải ra Việc sử dụng vật liệu dẫn từ vô định hình trong dải tần số 50-60 Hz đã

và đang được triển khai mạnh mẽ ở Hoa Kỳ, Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Nga…Hiện nay, tại 7 nước châu Á đã có khoảng 515.000 máy biến áp làm bằng vật liệu từ vô định hình

Bảng1.4 Thông số kỹ thuật một số vật liệu vô định hình [7]:

Hợp kim vô định hình Loại 2605SA1 Loại 2605HB1

Từ cảm 60 Hz và 80A/m*(T) >= 1.35 >= 1.5 Suất tổn hao* ở 60Hz và 1,3 T

<= 0.17 <= 0.17

ở 60Hz và 1,4 T <= 0.20 <= 0.20 Suất tổn hao* ở 60Hz và 1,4 T <= 0.10 <= 0.50

- Hệ thống điện

- Hệ thống điện tử

- Thông tin

- EMC

Lõi máy biến áp

Lõi máy biến áp

19

- Ứng dụng vào chế tạo lõi máy biến áp phân phối 1 pha và 3 pha:

Dùng vật liệu vô định hình làm lõi thép máy biến áp 1 pha, 3 pha (máy biến

áp dầu và máy biến áp khô) là một giải pháp tiết kiệm năng lượng của Công ty Hitachi

Sau đây là các máy biến áp lõi thép vô định hình:

+ Máy biến áp 1 pha:

+ Máy biến áp dầu 3 pha:

Hình 1.6: Máy biến áp 1 pha 50 kVA - 6 kV/210 V

Đầu sơ cấp

Lõi thép vô định hình Cuộn dây Đầu thứ cấp

20

+ Máy biến áp khô 3 pha:

1.3 Hướng nghiên cứu của tác giả

Vấn đề sử dụng năng lượng hiệu quả đặt ra một cách cấp thiết Vì vậy vật liệu

vô định hình ngày càng được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực đặc biệt trong lĩnh truyền tải điện năng Máy biến áp khô sử dụng vật liệu vô định hình làm lõi ngày càng được dùng phổ biến Tính toán làm mát (bài toán truyền nhiệt) là phần quan trọng cho giúp ta tìm phương án tối ưu trong việc nâng cao công suất đơn chiếc máy biến áp Điều kiện làm mát máy biến áp khô khó khăn hơn máy biến áp dầu do đó ta phải quan tâm hơn đến tính toán và lựa chọn chế độ làm mát cho loại máy Tác giả đề

ra hướng nghiên cứu như sau:

- Khảo phương pháp truyền nhiệt máy biến áp khô có sử dụng lõi thép vô định hình

- Xây dựng phương trình truyền nhiệt mô hình truyền nhiệt trong cuộn dây của máy biến áp khô sử dụng lõi thép vô định hình

- Khảo sát quá trình nhiệt trong dây quấn bằng phương pháp sử dụng phần tử hữu hạn và phần mềm ứng dụng

Hình 1.8: Máy biến áp khô 3 pha 1000 kVA - 6 kV/210V

21

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN NHIỆT

VÀ MÔ HÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG DÂY QUẤN

2.1 Quá trình nhiệt trong máy biến áp

Khi máy biến áp mang tải, tổn hao trong máy biến áp sẽ biến đổi thành nhiệt, làm nóng máy biến áp Các tổn hao trong máy biến áp gồm:

+ Tổn hao dây quấn;

+ Tổn hao lõi thép;

+ Tổn hao phụ khác

Trong đó khi làm việc với tải định mức trong các tổn hao trên thì tổn hao trong dây quấn là chiếm phần lớn Các tổn hao khác trong một số trường hợp nhỏ so với tổn hao dây quấn nên có thể bỏ qua

2.1.1 Tổn hao dây quấn [1], [7]

- Tổn hao dây quấn là năng lượng tiêu tán trên điện trở của dây quấn của máy biến áp Thông thường dây quấn làm bằng đồng điện trở suất của nó ở nhiệt độ

200C khoảng 1.73x 10-8 Ωm Trong thực tế nhiệt độ làm việc các cuộn dây phụ thuộc vào cấp cách điện của vật liệu, đối với máy biến áp làm việc với nhiệt độ môi trường là 400C, với độ tăng nhiệt độ cho phép là 600C, nhiệt độ các cuộn dây cho phép tới 1000C

Công suất tổn hao do điện trở trên dây quấn tính theo công thức:

Pdq = I2*Rdq (2.1) Nhiệt tỏa ra trên dây quấn trong thời gian t là:

Qdq = I2*Rdq*t (2.2) Điện trở dây quấn tính cho dẫn dòng điện một chiều theo công thức:

RDC = ρ l/s (2.3) Trong đó:

I: cường độ dòng điện chạy trong dây quấn;

t: Thời gian dòng điện đi qua dây quấn;

ρ: Điện trở suất của vật liệu làm dây quấn;

l: Chiều dài dây dẫn;

22

s: Tiết diện dây dẫn

- Trong thực tế, máy biến áp làm việc với dòng điện xoay chiều, điện trở dây quấn bị thay đổi vì các hiệu ứng mặt ngoài và hiệu ứng gần, có thể giải thích :

+ Hiệu ứng mặt ngoài:

Khi dẫn dòng điện xoay chiều, do từ ảnh hưởng của trường tản xoay chiều, dòng điện có xu hướng chảy trong một phần của vật dẫn phía mặt ngoài, gọi là hiệu ứng mặt ngoài Độ dày phần dẫn điện mặt ngoài phụ thuộc vào tần số dòng điện, hệ

số từ thẩm và điện trở của vật dẫn, được tính theo công thức:

1,98

R Ds

R: Điện trở theo một đơn vị thể tích;

Ds: Bề dày dẫn điện, cũng được gọi là hệ số thấm sâu của dòng điện; f: Tần số;

µ: Độ từ thẩm của vật liệu

+ Hiệu ứng gần:

Dòng điện trong dây quấn máy biến áp cũng bị phân bố không đồng đều trong dây dẫn do ảnh hưởng từ trường móc vòng từ các dây dẫn lân cận, do đó làm cho điện trở thay đổi

Do đó điện trở một dây dẫn tính cho dẫn dòng điện xoay chiều được tính:

ω: Tần số góc của dòng điện xoay chiều;

n: số dây dẫn;

bc: Bề rộng của sổ mạch từ;

dc: Đường kính của mỗi sợi dây;

k: Hệ số phụ thuộc vào sự phân bố của từ trường;

ρc: Điện trở xuất của dây dẫn

23

Hình 2.1 : Đường cong từ trễ của thép vô định hình và thép silic [9].

1,2

0,8 0,4 0

1,0 1,2

1,4

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

I: Cường độ hiệu dụng của dòng xoay chiều

Như vậy công suất tổn hao trên dây quấn phụ thuộc vào dòng điện tải, vật liệu làm dây quấn và kích thước dây quấn

Tổn hao từ trễ còn phụ thuộc vào tần số

Tóm lại công suất tổn hao từ trễ có thể tính theo công thức :

Ph = khfBn (2.9)

Trong đó:kh: Hệ số phụ thuộc vào vật liệu làm lõi

n= 1,3 – 1,6

24

Hình 2.1 vẽ đường cong từ trễ của thép silíc thông thường và thép vô định hình (VĐH) dùng chế tạo lõi thép máy biến áp 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 thép silic), độ dày tự nhiên của lá thép rất nhỏ t ~ 0.03 mm (so với ~ 0,3-0,5 mm của thép silic) và điện trở suất rất lớn ρ ~ 130-170 micro Om cm (so với ~50-60 micro Om cm của thép silic) Nhờ vào các tính chất trên mà tổn hao lõi của thép VĐH giảm mạnh so với thép silíc loại tốt nhất

Sự trao đổi nhiệt năng giữa các vùng có năng lượng nhiêt khác nhau qua sự

va chạm của các phân tử, gọi là sự dẫn nhiệt Dẫn nhiệt thường là đặc trưng trao đổi

25

nhiệt trong vật liệu rắn

2.2.1.1 Dẫn nhiệt qua vật liệu phẳng

Nhiệt truyền qua vật liệu với độ dày là W được trình bày như hình vẽ:

Hình 2.3 Nhiệt truyền qua vách phẳng

Nhiệt lượng Q qua diện tích A và độ dày nhỏ dx của vách có thể được viết như sau:

Ở đây  là độ dẫn điện qua vách

Phương trình được gọi là định luật Fourier của dẫn nhiệt Nếu tích phân cho

bề dày w với các nhiệt độ T1 và T2 ta có:

 1 2

.W

Q  A T T

(2.11)

2.2.1.2 Dẫn nhiệt qua vách hình trụ

Nhiệt dẫn qua một vách trụ với đường kính trong là ri và đường kính ngoài là

r0 được trình bày theo hình dưới: