Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp có tính đến ảnh hưởng phân bố nhiệt trong máy biến áp khô có lõi thép vô định hình TT

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 các thông số nhiệt của vật liệu epoxy thay đổi the

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

PHẠM HỒNG HẢI

NGHIÊN CỨU LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP CÓ TÍNH ĐẾN ẢNH HƯỞNG PHÂN BỐ NHIỆT TRONG MÁY BIẾN ÁP KHÔ

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: 1 PGS.TS Lê Đức Tùng

Vào hồi … giờ, ngày … tháng… năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Khi nghiên cứu đến lực ngắn mạch tổng hợp tác động lên MBA ta nghiên cứu cả về lực điện từ và lực nhiệt động (ứng suất nhiệt) Bài toán về lực điện từ do sự tương tác giữa dòng điện và từ trường tản trong vùng dây quấn MBA đã có nhiều nghiên cứu Khi ngắn mạch dòng ngắn mạch lớn, lực điện từ sinh ra rất lớn có thể làm uốn cong, xê dịch thậm chí làm phá hủy dây quấn, làm nổ MBA [1],[2],[3]

Ở MBA khô phân phối có cuộn dây đúc nhựa epoxy với đặc tính ưu điểm được sử dụng nhiều ở các tòa nhà, khu dân cư, đường hầm, những nơi yêu cầu cao về an toàn phòng chống cháy nổ Lực nhiệt động tác dụng lên dây quấn MBA khi ngắn mạch là do sự thay đổi phân

bố nhiệt, thay đổi nhiệt độ làm việc tạo ra ứng suất do phân bố nhiệt độ không đồng đều trong lớp epoxy, ứng suất do chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và lớp epoxy Lực nhiệt động liên quan chặt chẽ đến phân bố nhiệt độ sau thời điểm ngắn mạch đồng thời liên quan đến bản chất vật liệu làm dây quấn và epoxy

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 các thông số nhiệt của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ là điều cần thiết phải nghiên cứu

Do đó, luận án: “Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp có tính đến ảnh hưởng phân

bố nhiệt trong máy biến áp khô có 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:

• Nghiên cứu, tính toán, và mô phỏng bài toán điện từ và bài toán nhiệt trong MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH có xét đến ảnh hưởng của đặc tính nhiệt của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ

• Tính toán lực ngắn mạch tổng hợp MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH có tính đến lực nhiệt động do phân bố nhiệt độ không đồng đều trong lớp epoxy và do chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và lớp epoxy

Đối tượng nghiên cứu

• MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH có hình dạng dây quấn hình chữ nhật

• Xây dựng mô hình toán với các đặc tính nhiệt của epoxy phụ thuộc vào nhiệt độ

• Xây dựng đặc tính lực ngắn mạch tổng hợp MBA khô trong đó có bao gồm lực nhiệt động do phân bố nhiệt độ không đồng đều trong lớp epoxy và do chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và lớp epoxy có tính đến thông số α(T0C), (T0C), Cp(T0C) thay đổi trong tình trạng làm việc của MBA

• Đánh giá lực tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA ngắn mạch

Phương pháp nghiên cứu

• Áp dụng các phương pháp tính toán hiện đại ứng dụng trong mô phỏng trường điện

từ, cơ khí, nhiệt các hệ thống thiết bị điện có kích thước lớn, và cấu trúc phức tạp

• Sử dụng các phần mềm mô phỏng số để tính toán và xác định điểm phát nóng cục bộ

• Sử dụng phần mềm tương tác đa môi trường Ansys Workbench để mô phỏng bài toán Điện từ - Nhiệt – Cơ của MBA khi ngắn mạch

• Kết hợp một số nghiên cứu thực nghiệm

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học

• Xác định được phân bố lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA và vị trí

có ứng suất lực lớn nhất trên dây quấn của MBA có tính đến ảnh hưởng thay đổi theo nhiệt độ các thông số α(T0C), (T0C), Cp(T0C)

• Đối với MBAVĐH do có cấu trúc đặc biệt của lõi thép kéo theo cả cuộn dây có cấu trúc hình trụ chữ nhật, cần quan tâm đến bán kính cong góc trụ chữ nhật để giảm xung lực vùng góc cuộn dây Đây cũng là nội dung có thể khai thác trong các nghiên cứu sau này

• Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) với phần mềm Ansys Structure 3D cho phép tìm ra ứng suất nhiệt phân bố trong cuộn dây MBA đồng thời tìm ra điểm

có ứng suất nhiệt lớn nhất Giúp ích cho các kỹ sư tìm giải pháp trong việc thiết kế giảm ứng suất tập trung (ví dụ: xác định bán kính cong thích hợp, chọn vị trí thổi gió cưỡng bức…)

Ý nghĩa thực tiễn

• Xác định được phân bố lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA và vị trí

có ứng suất lớn nhất trên dây quấn của MBA có tính đến ảnh hưởng phân bố nhiệt

• Các kết quả đạt được giúp cho việc tính toán, thiết kế tối ưu kết cấu của MBA Từ đó, giúp cho các nhà chế tạo làm chủ công nghệ chế tạo MBA khô ở Việt Nam

• Việc áp dụng phương pháp PTHH phần mềm Ansys Fluent 3D cho phép tìm ra phân

bố nhiệt trên từng vị trí vòng dây trong trường hợp ngắn mạch sự cố nguy hiểm nhất phía hạ áp MBA không chỉ hỗ trợ cho thiết kế chế tạo mà còn có vai trò quan trọng trong việc kiểm tra sản phẩm

• Phương pháp PTHH với phần mềm Ansys Structure 3D cho phép tìm ra ứng suất nhiệt phân bố trong cuộn dây MBA đồng thời tìm ra điểm có ứng suất nhiệt lớn nhất 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:

• Tính phân bố lực ngắn mạch tổng hợp MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH có tính đến 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 có tính đến sự thay đổi các thông số α(T0C), (T0C), Cp(T0C) (thông số nhiệt) trong các tình trạng làm việc của MBA

• Xây dựng được đường cong thực nghiệm thông số nhiệt của vật liệu epoxy phụ thuộc nhiệt độ

• Xây dựng được mạch nhiệt thay thế tương đương MBA khô giúp giải nhanh và tìm được phân bố nhiệt độ MBA

• Đánh giá lực tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA khi ngắn mạch

5 Cấu trúc nội dung của luận án

Ngoài phần mở đầu, nội dung của luận án gồm 4 chương và phụ lục, cụ thể:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2 Nghiên cứu mô hình toán tính lực ngắn mạch tổng hợp tác đụng vào dây quấn

MBA

Chương 3 Xây dựng mô hình toán tính phân bố nhiệt MBA khô với các đặc tính vật liệu

epoxy thay đổi theo nhiệt độ

Chương 4 Tính toán phân bố nhiệt và lực ngắn mạch tổng hợp MBA

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chương

1.2 Mô phỏng số các thiết bị điện – điện tử

Trong quá trình chế tạo các thiết bị điện, giảm được chi phí là một trong những vấn đề quan trọng và luôn được các nhà nghiên cứu, thiết kế và chế tạo trong và ngoài nước quan tâm Cùng với sự phát triển của khoa học máy tính và các kiến thức vật lý hiện đại, việc sử dụng các phương pháp số để tính toán mô phỏng các đại lượng trường trong máy điện nói chung và MBA nói riêng luôn được quan tâm Hơn nữa, phương pháp số cũng giúp cho việc

dễ dàng thay đổi các tham số, tạo ra nhiều mô hình ảo đáp ứng yêu cầu thiết kế mà không tốn thêm chi phí nào

1.3 Máy biến áp trong hệ thống điện

1.3.1 MBA khô

MBA khô có cuộn dây đúc trong nhựa epoxy 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 Nhưng giá thành của MBA khô cao hơn, công suất và cấp điện áp của MBA khô bị giới hạn so với MBA dầu [8]

1.3.2 Máy biến áp có lõi thép VĐH

Xu thế hiện nay người ta ưu tiên lựa chọn các MBA có hiệu suất cao Lựa chọn phương

án thiết kế MBA có hiệu suất cao mang ý nghĩa lớn, 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, td ~ 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]

1.4 Tổng quan nghiên cứu MBA khô có cuộn dây đúc trong epoxy và lõi thép VĐH trên thế giới

1.4.1 Về vấn đề lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA trên thế giới

1.4.1.1 Đối với MBA lõi thép silic

Trên thế giới đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA khô, có thể được liệt kê như sau:

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 [23],[24],[25] Nhóm tác giả thực hiện trên các MBA khô 1 pha với công suất 1 MVA, phân tích từ trường tản bằng

phương pháp PTHH với phần mềm Maxwell Kết quả mô phỏng lực điện từ hướng kính và hướng trục, phân bố trên cuộn CA, và HA như Hình 1.9 và Hình 1.10 Trong nghiên cứu này, tác giả cũng đưa ra giá trị lực điện từ hướng trục lớn nhất trên cuộn HA là 2597N và cuộn CA

là 2851N; lực điện từ hướng kính lớn nhất trên cuộn HA là 11698N và cuộn CA là 5568N

1.4.1.2 Đối với MBA sử dụng lõi thép silic

MBA VĐH do có cấu trúc đặc biệt của lõi thép và dây quấn là hình chữ nhật nên phân

bố điện trường và phân bố lực tác dụng lên dây quấn cũng sẽ khác nhau trên cùng một vòng dây [30],[4],[31],[5]

Nhóm tác giả B Tomczuk, D Koteras, K Zakrzewski [7], đã phân tích từ trường và điện kháng ngắn mạch của MBA 3 pha lõi MBA VĐH Nội dung của bài báo đề cập đến sự biến đổi của khe hở không khí d gây ra thay đổi phân bố từ thông Giá trị từ thông thay đổi 25% khi d thay đổi từ 1 – 7mm Tính toán này áp dụng cho cuộn dây tròn và có thể áp dụng lên cuộn dây hình chữ nhật [32] Các kết quả tính toán phân bố từ trường và điện kháng ngắn mạch đã được so sánh với những kết quả thực nghiệm

Nhóm tác giả Malick Mouhamad, Christophe Elleau [5], đã đưa ra tính toán lực điện động ngắn mạch giữa 2 cuộn dây cao áp và hạ áp của MBA VĐH sử dụng lõi thép 2605SA1

có cuộn dây hình chữ nhật có xét đến chiều dày cuộn dây Kết quả của bài báo đã đưa ra khuyến cáo trong tính toán lực tác dụng lên dây quấn nên tính theo cách có xét đến bề dày cuộn dây và khoảng cách giữa hai cuộn dây, quan trọng hơn khi tính lực cho MBA có lõi VĐH vì các cuộn dây có hình chữ nhật mà không phải tròn, phân bố lực sẽ không đối xứng

để tăng tuổi thọ cũng như hiệu suất làm việc của MBA [33][34][35]

Từ những năm 1944 việc xác định điểm phát nóng trong cuộn dây MBA khô đã được tác giả Satterlee [36], Whiteman [37] đưa ra trong những nghiên cứu của mình Tác giả Whiteman đã kết luận rằng độ tăng nhiệt độ cho phép của cuộn dây MBA khô

là từ 30℃ đến 80℃

Nhóm tác giả Yifan Chen, Changgeng Zhang trong nghiên cứu [46] đã so sánh giữa phương pháp sử dụng mô hình mạch nhiệt thay thế tương đương (LPTN) và phương pháp PTHH Nghiên cứu đã cho thấy việc áp dụng mô hình LPTN là có khả

thi mặc dù kết quả tính toán nhiệt độ còn lệch khá nhiều (Hình 1.12) Đồng thời, trong

nghiên cứu của mình tác giả chỉ ra rằng nhiệt độ nóng nhất tập trung ở phần giữa cuộn

Lõi thép VĐH

dây (Hình 1.14) Nhiệt độ nóng nhất cuộn CA là 60,89℃ và cuộn HA là 73,83℃, nhiệt

độ nóng nhất ở lõi là 47,26℃

Hình 1.11 Mô hình MBA khô (a) phần nghiên cứu phân bố nhiệt, (b) Mạch nhiệt cho

phần nghiên cứu [46]

Trong nghiên cứu [42], Wang Ning sử dụng COMSOL Multiphysics mô phỏng 3D phân

bố nhiệt MBA khô có kiểm chứng kết quả mô phỏng với đo đạc thực nghiệm để chứng minh

tính đúng đắn của mô hình Hình 1.15 Kết quả cho thấy nhiệt độ cao hơn tập trung vùng trên

của các cuộn dây, pha B có nhiệt độ cao hơn pha A và pha C Kết quả mô phỏng có kiểm chứng với kết quả đo đạc thực nghiệm để chứng minh được tính đúng đắn của mô hình

Hình 1.15 Mô phỏng phân bố nhiệt MBA bằng phần mềm COMSOL Multiphysics [42]

Tóm lại: Với các phân tích ở trên, chúng ta nhận thấy có rất nhiều các nhà nghiên cứu

trên thế giới đã sử dụng các phương pháp khác nhau để tính toán, phân tích bài toán nhiệt trong MBA khô Tuy nhiên, các phương nghiên cứu về nhiệt chủ yếu chỉ kể đến các thông số điện từ mà chưa kể đến ảnh của các thông số của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ khi MBA làm việc ở chế độ quá tải và ngắn mạch

1.5 Những nghiên cứu ở trong nước về máy biến áp lõi vô định hình

Trong lĩnh vực nghiên cứu, đã có một vài luận án thạc sĩ nghiên cứu về MBA sử dụng lõi thép VĐH Tác giả Bùi Đình Chi [49] đã nghiên cứu và tìm hiểu về công nghệ chế tạo MBA khô lõi thép VĐH Tác giả Hoàng Tháp Mười [18] nghiên cứu về phân bố nhiệt MBA khô có lõi thép VĐH tác giả sử dụng các thông số nhiệt của vật liệu epoxy là hằng số và phân

bố nhiệt được nghiên cứu bằng phần mềm FlexPDE 2D

Trong tài liệu [9], tác giả Đoàn Thanh Bảo đã nghiên cứu về lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH Tác giả đã xây dựng được 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

Tóm lại: nghiên cứu về MBA khô có lõi thép VĐH ở Việt Nam vẫn còn hạn chế số

lượng công trình công bố và các vấn đề còn tồn tại như sau: Còn ít nghiên cứu 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 Trong việc tính toán mô phỏng phân bố nhiệt MBA khô bọc epoxy chưa tính đến việc các thông số của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ Việc tính toán mô

phỏng phân bố nhiệt MBA khô mới là dạng 2D đồng thời chưa có sự kiểm chứng với dữ liệu thực nghiệm

1.6 Những nghiên cứu về thông số nhiệt của vật liệu epoxy

Trong việc tính toán mô phỏng phân bố nhiệt MBA khô, bên cạnh các điều kiện biên, điều kiện thời gian và điều kiện hình học, điều kiện vật lý bao gồm hệ số dẫn nhiệt 𝜆, khối lượng riêng ρ, nhiệt dung riêng 𝑐𝑝 cần phải được biết trước Trên cơ sở giải xấp xỉ bài toán dẫn nhiệt bên trong lớp epoxy, trường nhiệt độ của lớp cách nhiệt này sẽ được xác định qua đó giúp dự đoán các điểm nóng cục bộ bên trong máy Các thông số nhiệt vật lý thường là những đại lượng vật lý khó xác định, đặc biệt

là hệ số dẫn nhiệt Hệ số dẫn nhiệt (λ) là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của các vật, nên chỉ có thể được xác định bằng thực nghiệm

Theo các tài liệu [53],[54] thì hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách điện epoxy sử dụng trong MBA nằm trong khoảng 0,33 – 0,5 W/mK, đây là loại vật liệu có hệ số dẫn nhiệt thấp Do đó phương pháp không ổn định phù hợp hơn cả để xác định hệ số dẫn nhiệt của các vật liệu cách nhiệt nói chung và vật liệu epoxy nói riêng

Phương pháp đo không ổn định sử dụng nguồn dòng xác định hệ số dẫn nhiệt 𝜆 của vật liệu cách điện cũng được sử dụng rộng rãi [55]-[56] García và cộng sự [57] đã thực nghiệm đo hệ số dẫn nhiệt trên vật liệu cách điện epoxy sử dụng trong MBA, sau

đó sử dụng kỹ thuật ước lượng tham số để xác định các hệ số còn lại như: nhiệt dung riêng 𝑐𝑝 và hệ số khuếch tán nhiệt 𝛼

Trong nước, trong lĩnh vực kỹ thuật nhiệt có nhiều tác giả cũng đã nghiên cứu chế tạo thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt bằng thực nghiệm như các tác giả Nguyễn Đức Lợi, Đặng Quốc Phú, Đinh Văn Thuận [58], [59] Năm 1996, tác giả Đinh Văn Thuận [50] đã trình bày thiết kế chi tiết thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt dạng que thăm

Tóm lại: Việc đo các thông số nhiệt vật lý của vật liệu là cần thiết, là nhu cầu cấp

của nhiều ngành công nghiệp từ xây dựng, đến sản xuất chế tạo thiết bị điện Một số công trình nghiên cứu đã xây dựng và nghiên cứu thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt và dẫn nhiệt độ của nhiều loại vật liệu có hệ số dẫn nhiệt thấp theo nguyên lý nguồn đường Tuy nhiên, thiết bị đo còn cồng kềnh phải đặt cố định trong phòng thí nghiệm nên còn hạn chế trong khả năng sử dụng Các số liệu thu được chưa tập hợp thành cơ sở dữ liệu Hơn nữa, đa phần thiết bị được chế tạo dựa trên cơ sở lý thuyết chưa dựa vào các tiêu chuẩn

1.7 Những vấn đề còn tồn tại

Với những phân tích ở trên ta thấy rằng nghiên cứu về lực ngắn mạch 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 Còn ít nghiên cứu 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

2 Trong việc tính toán mô phỏng phân bố nhiệt MBA khô bọc epoxy chưa tính đến việc các thông số của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ

3 Chưa tính được phân bố ứng suất nhiệt do chênh lệch nhiệt độ giữa lớp epoxy

và dây quấn trong trường hợp ngắn mạch MBA có tính đến các thông số của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ

4 Chưa xác định bán kính cong giới hạn của cuộn dây trụ chữ nhật trong việc thiết kế giảm ứng suất tập trung

1.8 Đề xuất hướng nghiên cứu của tác giả

Những nghiên cứu thực nghiệm về hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách điện epoxy sử dụng trong MBA chưa đủ tin cậy để ứng dụng, do sự khác biệt về phương pháp chế tạo và tỉ lệ phối trộn các phụ gia dẫn đến sai số Vì vậy tác giả để xuất hướng nghiên cứu như sau:

• Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt, dẫn nhiệt độ của vật liệu epoxy theo tiêu chuẩn ASTM D5334 dạng que thăm nhiệt Trên cơ sở đó xác định các đặc tính nhiệt của vật liệu epoxy sử dụng trong sản xuất MBA khô tại Việt Nam bằng thực nghiệm

• Nghiên cứu mô hình mô phỏng phân bố nhiệt MBA khô có cuộn dây bọc epoxy trên

cơ sở các đặc tính nhiệt của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ tại các điều kiện tải khác nhau Từ đó áp dụng mô phỏng phân bố nhiệt MBA khô trong trường hợp ngắn mạch

• Xác định được phân bố lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA khô bọc epoxy và vị trí có ứng suất lực lớn nhất trên dây quấn của MBA có tính đến ảnh hưởng thay đổi theo nhiệt độ các thông số α(T0C), (T0C), Cp(T0C)

• Đánh giá lực tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA ngắn mạch

• Đề xuất định hướng giảm ứng suất tập trung vùng góc bối dây bằng cách xác định bán kính cong thích hợp của cuộn dây trụ chữ nhật của MBA sử dụng lõi thép VĐH

1.9 Kết luận chương 1

Trong chương này, luận án giới thiệu về MBA khô có cuộn dây đúc epoxy, với những ưu điểm 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 cũng đã phân tích bức tranh khá đầy đủ về các công trình nghiên cứu trong

và ngoài nước về phương pháp 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, luận án đã chỉ ra các vấn đề còn tồn tại của các công trình trước

đó, để từ đó 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 NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TOÁN TÍNH LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP TÁC

DỤNG VÀO DÂY QUẤN Mba 2.1 Giới thiệu

2.2 Hệ phương trình Maxwell và bài toán điện từ

2.3 Mô hình bài toán điện từ bằng phương pháp tích phân số

2.4 Nghiên cứu mô hình toán tính ứng suất lực diện từ dây quấn theo từ thế vectơ A

Xuất phát từ hệ phương trình Maxwell đã được trình bày ở phần 2.2, khi miền nghiên

cứu từ trường là trong vùng cửa sổ mạch từ có mật độ dòng điện của nguồn ngoài J Giả thiết

rằng MBA được đặt trong môi trường không tồn tại điện trường do vậy chỉ tồn tại thành phần dòng điện chảy trong các cuộn CA và HA mà không tồn tại dòng điện dịch Khảo sát từ thế

vectơ A trong cửa sổ MBA theo tọa độ Descartes (x,y), lúc này từ trường, và từ thế biến thiên

theo phương vuông góc với mặt phẳng bị triệt tiêu:

Phương trình (2.69) là phương trình đạo hàm riêng cấp hai với biến số x, y độc lập

Từ phương trình (2.66) và (2.68) ta suy ra:

2.4.1 Điều kiện biên

Trên cơ sở lý thuyết về điều kiện biên và bờ tổng quát đã trình bày ở phần 2.2.2 và 2.2.3, các đặc tính của vật liệu (xem mục 2.2.1) làm lõi MBA có độ từ thẩm lớn hơn rất nhiều lần

so với độ tự thẩm của không khí cho nên tại lớp tiếp xúc giữa hai bề mặt này, thành phần từ cảm theo phương tiếp tuyến bị triệt tiêu Điều này được thể hiện như sau:

{𝐵𝐵𝑥(𝑦=0,ℎ)= 0

𝑦(𝑥=0,𝑑) = 0

(2.74)

2.4.2 Tính hằng số tích phân Aj,k

Để giải phương trình (2.69) giả thiết A có nghiệm tổng quát dạng chuỗi điều hòa Trường

hợp tổng quát hằng số tích phân Aj,k như sau:

2.5 Bài toán áp dụng MBA 320kVA 22,0,4kV

Trên cơ sở phát triển lý thuyết ở các phần trước, trong phần này, luận án áp dụng lý thuyết vào để tính toán cho bài toán thực thế là một máy MBA phân phối 3 pha, công suất 320 kVA, điện áp 22/0,4kV (do SANAKY chế tạo) Các thông số kỹ thuật của MBA khô được cho tại

Bảng 2.1

2.5.1 Tính dòng ngắn mạch trên các cuộn dây

Với các thông số có được của MBA, ta tính toán giá trị điện kháng tản, điện trở ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch Thay các giá trị có được (2.95), (2.98) và (2.99) vào công thức (2.93) và giải bằng phần mềm Matlab ta có dòng ngắn mạch trên cuộn CA và HA:

Hình 2.6 Dòng ngắn mạch cuộn CA Hình 2.7 Dòng điện ngắn mạch cuộn HA

Hình 2.6 và Hình 2.7 cho thấy dạng sóng của dòng điện ngắn mạch của cuộn CA và

HA, đạt giá trị cực đại ở chu kì đầu tiên và giảm dần ở những chu kì sau cho đến khi đạt giá trị xác lập Kết quả cho thấy rằng dòng điện quá độ cực đại trên cuộn HA cực đại là

IHA_max=17090 A trong khi biên độ của dòng điện định mức là IHAđm= 462 A

2.5.2 Kết quả về ứng suất lực điện từ trên cuộn CA và HA khi MBA ngắn mạch

Ứng suất lực điện từ là đại lượng biểu thị nội lực phát sinh trong dây quấn dưới tác dụng của lực điện từ Công thức tính ứng suất: σ = F/A (N/m2)

Kết quả trên cho thấy ứng suất tập trung lớn nhất tại khu vực cạnh ngoài của cuộn HA

và cạnh trong cùng của cuộn CA Giá trị ứng suất tổng trên cuộn HA và CA thể hiện ở Hình 2.12

Hình 2.12 Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh ngoài cùng cuộn HA(a) và tại cạnh

trong cùng cuộn CA (b)

Nhìn Hình 2.12 ta thấy vị trí có giá trị ứng suất tổng lớn nhất nằm ở giữa cuộn dây (theo

chiều cao y) và bằng giá trị ứng suất lực hướng kính vì tại vị trí này ứng suất lực hướng trục bằng không Ứng suất kéo lớn nhất là σxymax = 6,0798.107 N/m2, so với ứng suất cho phép của dây đồng σtbcp = (5÷10).107 N/m2 [69] Do đó khi xảy ra ngắn mạch với dòng điện cực đại thì ứng suất lớn nhất của dây quấn chưa vượt quá giới hạn cho phép

2.6 Nghiên cứu mô hình giải tích tính ứng suất nhiệt trên dây quấn MBA khô khi ngắn mạch

Để nghiên cứu mô hình giải tích tính ứng suất ở dây quấn khi MBA ngắn mạch, cần xét hàng loạt ứng suất thành phần:

a Ứng suất điện động ngắn mạch;

b Ứng suất gây ra do phân bố nhiệt độ không đồng đều lớp epoxy;

c Ứng suất do chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và lớp epoxy;

d Ứng suất sẵn có giữa lớp epoxy và dây quấn;

2.6.1 Mô hình MBA 320kVA 22/0,4kV

Mô hình MBA 320 kVA 22/0,4kV trong nghiên cứu có thông số như sau:

Dây quấn hình trụ được tẩm epoxy, có hình dáng mô tả ở Hình 2.13, bề dày lớp epoxy là

Do dây quấn tăng thêm nhiệt độ θ, dây quấn dãn nở, tăng kính thước d3 lên d3 + d3 và

d2 lên d2 + d2

𝛥𝑑3 = 𝛼𝑑 𝜃 𝑑3 và 𝛥𝑑2 = 𝛼𝑑 𝜃 𝑑2 (2.109)

2.6.2.1 Ứng suất xuát hiện ở dây quấn và phần epoxy lớp ngoài:

Thế các dữ liệu có được vào phương trình (2.115) và (2.121), ta có:

2.6.2.2 Ứng suất xuát hiện ở dây quấn và phần epoxy lớp trong:

Tham khảo mô hình trong tài liệu [9] Thay thế các dữ liệu có được vào phương trình (2.128) và (2.129), ta có:

{−6,7𝑝2′ + 0,003𝜎𝑧2′ = 66,51.105

−86,33𝑝2′ − 31,612𝜎𝑧2′ = 0

(2.130) Giải hệ 2 phương trình (2.130), Ta có nghiệm p’2 và ’z2

Thay thế các dữ liệu có được vào phương trình (2.133), (2.137) và (2.138) ta có hệ 3 phương trình 3 ẩn số:

{

−2,144 𝑝3𝑧− 6,60 𝑝2𝑧− 0,0657 𝜎𝑧4 = 08,167 𝑝3𝑧 + 1,33𝑝2𝑧 − 0,0657 𝜎𝑧4 = 019,86 𝑝3𝑧 + 19,86 𝑝2𝑧 − 88,753𝜎𝑧4 = 44,03.105

’z2 (từ kết quả của (2.131), ’z3(từ kết quả của (2.123), z4 (từ kết quả của (2.140)

2.6.3.2 Ứng suất dây quấn với lớp epoxy phía ngoài:

p = p’3 + p’32 + p3𝑧 + p′’32 (2.142) Trong đó:

p’3 từ kết quả của (2.123), p3z từ kết quả của (2.140), p’32 từ kết quả của (2.143), p”32 từ kết quả của (2.144)

Ngoài ra, chương này cũng đã trình bày nghiên cứu về mô hình giải tích dựa trên công thức từ thế véc tơ A Tiếp theo, để minh chứng cho tính đúng đắn của lý thuyết và mô hình toán đã xây dụng, luận áp đã áp dụng mô hình toán và bài toán thực tế để tính ứng suất lực ngắn mạch điện động cho MBA 320kVA 22/0,4kV

Các kết quả được đã chỉ ra về giá trị dòng điện ngắn mạch cực đại trên cuộn HA và CA lớn gấp 37 lần biên độ dòng điện định mức Với giá trị dòng điện ngắn mạch cực đại, tác giả

đã áp dụng tính toán ứng suất lực ngắn mạch trên dây quấn HA và CA Đặc biệt, đã phân tích

và đưa ra ứng suất lực hướng kính x và hướng trục y theo bề dày cuộn HA và CA, và chỉ ra được giá trị ứng suất lực điện từ tổng xymax lớn nhất nằm ở giữa cuộn dây (theo chiều cao y)

và bằng giá trị ứng suất lực hướng kính vì tại vị trí này ứng suất lực hướng trục bằng không

Cụ thể, tại cạnh ngoài cùng (x2) của cuộn HA _x_x2_HA = 6,0798.107 N/m2; tại cạnh trong