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

liên quan chặt chẽ đến phân bố nhiệt độ sau thời điểm ngắn mạch đồng thời liênquan đến bản chất vật liệu làm dây quấn và epoxy.Vì vậy, lời giải cho bài toán nghiên cứu lý thuyết, tính to

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

CÓ LÕI THÉP VÔ ĐỊNH HÌNH

Ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 9520201

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

Hà Nội – 2021

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh mở cửa đất nước, hội nhập quốc tế, nền kinh tế Việt Nam có

sự phát triển vượt bậc, tạo ra các áp lực to lớn cho hệ thống cơ sở hạ tầng: các khudân cư lớn, trung tâm thương mại, các khu công nghiệp Song song với sự phát triểnkinh tế xã hội, năng lượng nói chung và điện năng nói riêng cũng chịu những áp lực

to lớn Nhu cầu điện năng không chỉ dừng lại về việc đáp ứng công suất mà cònphải đảm bảo các yếu tố về chất lượng Điều đó dẫn đến những yêu cầu ngày càngcao về độ an toàn, hiệu suất cũng như độ thân thiện với môi trường của các thiết bịđiện nhằm phục vụ cho việc cung cấp năng lượng trong thế kỷ 21

Việc truyền tải năng lượng truyền thống được thực hiện chủ yếu bởi các máybiến áp (MBA) dầu Dầu khoáng, ngoài việc là chất cách điện và môi chất làm máttuyệt với, nó còn có khả năng gây cháy và khả năng nổ rất cao khi tiếp xúc với ngọnlửa Do vậy, rất cần thiết phải có một hình thức truyền tải an toàn hơn khi dân cưphải sinh sống ở trong phạm vi rất gần những MBA như vậy

MBA khô cấp F, H đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi cho việc phânphối năng lượng, thay thế cho các MBA dầu Các máy điện này có thể vận hànhtrong trạng thái môi trường và khí hậu khắc nghiệt, chịu đựng được lửa, vận hành

êm ái, kết cấu chắc chắn với khối lượng nhỏ giúp tối thiểu hoá sử dụng không gian,mang lại hiệu suất sử dụng cao

Một trong những sự cố nghiêm trọng đối với hệ thống điện cũng như cácMBA đó là sự cố ngắn mạch Điều này có thể dẫn tới quá trình phá hỏng MBA dướitác dụng của lực điện từ, lực nhiệt động bên trong MBA Khi đó hậu quả của việc

hư hại này sẽ dẫn đến những tổn thất đáng kể về kinh tế, kỹ thuật

Do vậy một bài toán phức tạp được đặt ra là làm sao để có thể bảo vệ MBAkhi sự cố ngắn mạch xảy ra, trong thời gian mà các thiết bị đóng cắt chưa hoạt động.Trong lịch sử phát triển MBA, nghiên cứu về ảnh hưởng của lực ngắn mạch luônđược chú trọng và là chủ đề nghiên cứu chuyên sâu của nhiều nhà khoa học trên thếgiới Tuy nhiên việc nghiên cứu vấn đề này gặp không ít khó khăn về cả lý thuyếtcũng như thực nghiệm Khi các quá trình biến đổi về điện từ - cơ - nhiệt khi MBAhoạt động khá phức tạp, đồng thời các thí nghiệm, thử nghiệm ngắn mạch là rất tốnkém và khó thực hiện

Do đó, việc nghiên cứu các phương pháp tính toán hiện đại ứng dụng trong môphỏng trường điện từ, cơ khí, nhiệt các hệ thống thiết bị điện có kích thước lớn, và cấutrúc phức tạp như MBA và các thiết bị điện khác là rất cần thiết Với sự phát triển củakhoa học-kỹ thuật máy tính, việc sử dụng các phần mềm mô phỏng số luôn được ưutiên vì lý do tiết kiệm chi phí so với việc tạo ra thiết bị mẫu thực vì khi sử dụng môphỏng số, chúng ta có thể dễ dàng thay đổi các tham số, tạo ra nhiều mô hình ảo đáp

1

việc thiết kế và tối ưu hóa MBA cũng như những thiết bị điện khác Kết quả củaviệc nghiên cứu này cũng phục vụ cho việc theo dõi, xử lý sự cố, duy trì bảo dưỡngthiết bị.

Có hai loại tổn hao điện năng tồn tại trong MBA khi vận hành trong hệ thốngđiện: Tổn hao có tải (tổn hao đồng) thay đổi theo mức tải của MBA và tổn hao khôngtải (tổn hao sắt từ) sinh ra trong lõi từ và xảy ra suốt cuộc đời vận hành của MBA,không phụ thuộc vào tải Theo tính toán, tổn thất MBA chiếm 2-3% tổng sản lượngđiện năng trên toàn thế giới, bao gồm khoảng 30% tổn thất có tải và 70% tổn thấtkhông tải Hiện nay trên thế giới, theo xu thế tiết kiệm năng lượng, người ta đang dầnchuyển sang sử dụng những MBA phân phối hiệu suất cao giúp đáp ứng các tiêu chí vềmặt kỹ thuật nhưng cũng mang lại lợi ích kinh tế và lợi ích môi trường [1], [2]

MBA lõi thép vô định hình (VĐH) ngày càng được sử dụng rộng rãi do nó làmgiảm tổn thất hệ thống điện thông qua việc giảm tổn hao không tải của MBA Cáctài liệu [2], [3], [4], đã đề cập đến vấn đề kinh tế khi sử dụng MBAVĐH và đưa ra

so sánh chi phí do tổn thất giữa hai loại MBA lõi thép silic thông thường và lõiVĐH, từ đó khẳng định sử dụng MBAVĐH giảm tổn hao không tải từ 60-70% và sẽmang lại hiệu quả kinh tế cao

MBAVĐH có cấu trúc lõi thép đặc biệt và kéo theo cấu trúc cuộn dây là hìnhchữ nhật nên phân bố điện trường, từ trường tản và phân bố lực tác dụng lên cuộndây cũng không đối xứng trên cùng một vòng dây Đặc biệt hơn là lúc xảy ra ngắnmạch thì lực ngắn mạch sẽ rất lớn, gây nguy hiểm đối với cuộn dây [5], [6], [7], [8].Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp tác động lên dây quấn MBA bao gồm lựcđiện từ ngắn mạch và lực cơ học sinh ra do tác động phân bố nhiệt trong lớp cáchđiện epoxy (gọi là lực nhiệt động hay ứng suất nhiệt) Đặc biệt, thay đổi nhiệt độsau ngắn mạch làm các thông số α, , Cp của epoxy thay đổi, ảnh hưởng đến khảnăng truyền dẫn nhiệt, phân bố nhiệt cũng như làm thay đổi lực nhiệt động Nhữngvấn đề trên chưa được nghiên cứu và phân tích đánh giá cụ thể

Lực điện từ tác dụng lên dây quấn của MBA được sinh ra là do sự tương tácgiữa dòng điện và từ trường tản trong vùng dây quấn Khi MBA hoạt động trongđiều kiện bình thường, tác dụng của lực điện từ lên các dây quấn là khá nhỏ do giátrị 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 cấpxảy ra ngắn mạch), lúc này toàn bộ điện áp định mức đặt lên tổng trở ngắn mạch rấtnhỏ của MBA nên dòng điện ngắn mạch quá độ sẽ rất lớn Trong các trường hợpngắn mạch thì trường hợp ngắn mạch 3 pha đối xứng thường có trị số dòng điệnngắn 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 [9], [10], [11]

Bên cạnh lực điện từ, lực nhiệt động tác dụng lên dây quấn MBA khi ngắn mạch

là do sự thay đổi phân bố nhiệt đóng vai trò quan trọng và cần phải xét đến Sự thay đổinhiệt 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

2

liên quan chặt chẽ đến phân bố nhiệt độ sau thời điểm ngắn mạch đồng thời liênquan 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, ứngsuất nhiệt tác dụng lên dây quấn MBA khi ngắn mạch và các thông số nhiệt của vậtliệu 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 và luôn mang tính thời sự đối với các nhànghiên cứu, thiết kế và chế tạo MBA

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 trongMBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH có xét đến ảnh hưởng của đặc tính nhiệtcủa vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ

• Tính toán lực ngắn mạch tổng hợp MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thépVĐH 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

Phạm vi nghiên cứu

• Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp MBA khô bọc epoxy có xét đến hình dạng dây quấn hình chữ nhật

• Nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng nhiệt độ làm thay đổi các thông

số α(T0C), (T0C), Cp(T0C) (thông số nhiệt) của epoxy trong một số trạng thái làm việccủa MBA

• 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 gồmlực nhiệt động do phân bố nhiệt độ không đồng đều trong lớp epoxy và do chênh lệchnhiệt độ giữa dây quấn và lớp epoxy có tính đến thông số α(T0C), (T0C), Cp(T0C) thayđổi 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 phỏngtrường điện từ, cơ khí, nhiệt các hệ thống thiết bị điện có kích thước lớn, và cấu trúcphức tạp

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

3

• 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 thayđổi 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 cuộndây có cấu trúc hình trụ chữ nhật, cần quan tâm đến bán kính cong góc trụ chữ nhật đểgiảm xung lực vùng góc cuộn dây Đây cũng là nội dung có thể khai thác trong cácnghiên cứu sau này

• Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) với phần mềm AnsysStructure 3D cho phép tìm ra ứng suất nhiệt phân bố trong cuộn dây MBA đồng thờitìm ra điểm có ứng suất nhiệt lớn nhất Giúp ích cho các kỹ sư tìm giải pháp trong việcthiết kế giảm ứng suất tập trung (ví dụ: xác định bán kính cong thích hợp, chọn vị tríthổi 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 bốnhiệt

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

• 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 nguyhiểm nhất phía hạ áp MBA không chỉ hỗ trợ cho thiết kế chế tạo mà còn có vai tròquan trọng trong việc kiểm tra sản phẩm

• Phương pháp PTHH với phần mềm Ansys Structure 3D cho phép tìm ra ứngsuất nhiệt phân bố trong cuộn dây MBA đồng thời tìm ra điểm có ứng suất nhiệt lớnnhất Giúp ích cho các kỹ sư trong việc thiết kế MBA và giảm công sức thử nghiệmphá hủy khi chế tạo MBA

4

4 Các đóng góp mới của luận án

Nội dung của luận án đã tập trung nghiên cứu tính toán lực ngắn mạch tổnghợp tác dụng lên dây quấn MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH Luận án đãđạt được một số kết quả nghiên cứu mới có thể được tóm lược như sau:

• Xác định được phân bố lực ngắn mạch tổng hợp MBA khô bọc epoxy sửdụng lõi thép VĐH có tính đến ứng suất do phân bố nhiệt không đồng đều trong lớpepoxy và ứng suất do chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và lớp epoxy có tính đến sựthay đổi các thông số α(T0C), (T0C), Cp(T0C)

dây do ảnh hưởng của cấu trúc lõi thép VĐH Bán kính cong của cuộn dây sẽ

được lựa chọn cùng với yêu cầu về ứng suất lực điện từ ngắn mạch trong dây quấn

• Xây dựng được mạch nhiệt thay thế tương đương MBA khô giúp giải nhanh

và tìm được phân bố nhiệt độ MBA

• Phối hợp với TS Lê Kiều Hiệp – Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh– Đại học Bách Khoa Hà Nội chế tạo thành công thiết bị đo QTT01 phục vụ cho thựcnghiệm xác định biến động thông số nhiệt vật liệu epoxy theo nhiệt độ Và xây dựngquy trình thực nghiệm để xác định các thông số nhiệt α(T0C), (T0C), Cp(T0C) của vậtliệu epoxy

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:

Chương 1: Tổng quan

Trong chương này, luận án giới thiệu tổng quát về MBA khô có cuộn dây đúcepoxy, phân tích ưu và nhược điểm loại MBA này so với MBA dầu Sau đó phântích MBA lõi thép VĐH, đã được nghiên cứu trong nước và ngoài nước về: vấn đềgiảm tổn hao, tính toán và thiết kế MBAVĐH; nghiên cứu lực điện từ ở MBA silic,lực điện từ MBAVĐH Luận án tập trung vào nghiên cứu về lực nhiệt động ngắnmạch ở MBA khô có tính đến sự thay đổi các thông số α, , Cp của epoxy khi thayđổi nhiệt độ sau ngắn mạch, ảnh hưởng đến khả năng truyền dẫn nhiệt, phân bốnhiệt cũng như làm thay đổi lực nhiệt động

Trên cơ sở những vấn đề còn tồn tại về nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợpcủa MBA lõi thép VĐH mà các nghiên cứu trước đó chưa thực hiện được, tác giả đề

ra hướng nghiên cứu cho luận án

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

5

Trong chương này, luận án nghiên cứu các phương pháp tính toán điện từtrường cụ thể là các phương pháp giải tích và phương pháp số Các phương trìnhtích phân mô tả cấu trúc vật liệu phức tạp cũng được nghiên cứu và xây dựng.

Cũng trong nội dung chương này, tác giả nghiên cứu mô hình toán tính ứngsuất lực điện từ ngắn mạch viết theo phương trình từ thế vector A [12] Phươngtrình từ thế vector A cũng được TS Đoàn Thanh Bảo áp dụng để tính toán trong tàiliệu [9] Ngoài ra, tác giả cũng nghiên cứu mô hình toán tính ứng suất nhiệt MBAkhô khi ngắn mạch

Tác giả đã ứng dụng các mô hình toán trên để xác định ứng suất lực điện từngắn mạch và ứng suất nhiệt tác dụng lên dây quấn MBA cho MBA khô 22/0,4kV

có công suất 320kVA được thiết kế, sản xuất tại công ty chế tạo biến thế SANAKY

Hà Nội Các đo đạc thực nghiệm cũng được tác giả phối hợp với các kỹ sư công tychế tạo biến thế SANAKY thực hiện

Chương 3 Xây dựng mô hình toán tính phân bố nhiệt MBA khô với các đặc tính của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ

Trong chương này, tác giả nghiên cứu, trình bày đặc trưng của vật liệu epoxysử dụng trong việc đúc cuộn dây MBA khô chi tiết về các tính chất lý hóa của nó.Đồng thời, trong chương này tác giả cũng trình bày phương pháp xác định các đặctính nhiệt của epoxy, chế tạo thiết bị, làm thực nghiệm để xác định các đặc tính này

từ đó áp dụng khai triển Taylor biểu diễn các đặc tính này dưới dạng hàm bậc 2 củanhiệt độ

Hệ số dẫn nhiệt của 3 mẫu epoxy được đúc từ dây chuyền sản xuất MBA khôcủa nhà máy SANAKY khu công nghiệp Quất Động, Thường Tín, Hà Nội sẽ đượcxác định bằng phương pháp đo không ổn định cho các điểm nhiệt độ khác nhau, từnhiệt độ môi trường đến 140oC [13] Kết quả đo hệ số dẫn nhiệt được sử dụng làthông số đầu vào, từ đó giúp ước lượng giá trị của nhiệt dung riêng thông qua việc

mô phỏng CFD

Các kết quả về hệ số dẫn nhiệt, hệ số khuếch tán nhiệt, nhiệt dung riêng củavật liệu được sử dụng trong các bài toán tính toán mô phỏng quá trình truyền nhiệtMBA Kết quả về phân bố nhiệt MBA được thể hiện dưới dạng 3D bằng phần mềm

mô phỏng CFD Fluent Kết quả này được so sánh với kết quả đo đạc thực tế trênMBA 320kVA 22/0,4 được tác giả thực hiện tại nhà máy SANAKY khu côngnghiệp Quất Động, Thường Tín, Hà Nội

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

Trong chương này, tác giả thực hiện tính toán mô phỏng phân bố nhiệt MBA khôbằng phương pháp PTHH giải bài toán động lực học chất lưu CFD với các thông sốnhiệt của vật liệu epoxy được biểu diễn gần đúng dưới dạng hàm theo nhiệt độ Tác giả

sẽ thực hiện mô phỏng phân bố nhiệt MBA 320kVA 22/0,4kV ở trường hợp

6

tải định mức, 70% tải định mức, 50% tải định mức Kết quả mô phỏng được so sánhvới kết quả thử nghiệm thực tế

Trên cơ sở mô hình đã kiểm chứng, tác giả mô phỏng phân bố nhiệt MBA khô320kVA ở trường hợp quá tải và trường hợp ngắn mạch sự cố phía hạ áp MBA, xácđịnh phân bố nhiệt và ứng suất nhiệt động ngắn mạch Mô phỏng tính toán đượcthực hiện bằng phần mềm mô phỏng tương tác đa môi trường Ansys Workbench.Mục đích cuối cùng là ứng lực nhiệt động ngắn mạch lớn nhất trên dây quấn HA và

CA để so sánh với ứng suất cho phép của dây quấn Tính ứng suất tổng hợp tácdụng vào dây quấn MBA khô 320kVA bọc lớp epoxy bao gồm tổng ứng suất gây ra

do lực điện từ; ứng suất do độ chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và epoxy và ứngsuất do phân bố nhiệt độ không đồng đều của lớp epoxy

Trong nội dung của chương này, tác giả cũng thực hiện mô phỏng tính toánxác định ứng suất tổng hợp cho MBA khô VĐH 630 kVA-22/0,4 kV

Cũng trong chương 4, tác giả đã đánh giá sự phụ thuộc của phân bố điệntrường vào bán kính cong của cuộn dây do ảnh hưởng của cấu trúc lõi thép VĐH.Kết quả cho thấy rằng khi chế tạo cuộn dây MBA có bán kính cong r nhỏ, tức gầncuộn dây gần hình chữ nhật, chiều dài cuộn dây nhỏ nhất thì trọng lượng đồng lànhỏ nhất nhưng lúc đó phải trả giá là cường độ điện trường tại chỗ uốn cong dâyquấn là lớn nhất

7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung

Trong chương này, luận án giới thiệu tổng quan về bài toán mô phỏng số cácthiết bị điện - điện tử Tác giả trình bày về MBA khô có cuộn dây đúc epoxy, phântích ưu và nhược điểm loại MBA này so với MBA dầu Sau đó, các phân tích MBAlõi thép VĐH, tổng quan nghiên cứu trong nước và ngoài nước được giới thiệu, ưuđiểm nổi bật của MBA VĐH là về vấn đề giảm tổn hao, tính toán thiết kế MBAVĐH; nghiên cứu lực điện từ ở MBA sử dụng lõi thép silic truyền thống, lực điện từ

ở MBAVĐH, luận án tập trung vào nghiên cứu lực nhiệt động ngắn mạch ở MBAkhô có tính đến sự thay đổi các thông số α, , Cp của epoxy thay theo đổi nhiệt độ saungắn mạch, ảnh hưởng sự thay đổi dẫn đến khả năng truyền dẫn nhiệt, phân bố nhiệtcũng như làm thay đổi lực nhiệt động Trên cơ sở những vấn đề còn tồn tại vềnghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp của MBA lõi thép VĐH mà các nghiên cứutrước đó chưa thực hiện được, tác giả đề ra hướng nghiên cứu cho luận án

1.2 Mô phỏng số các thiết bị điện – điện tử

Các thiết bị điện là một phần không thể thiếu đối với nền văn minh dựa trênđiện năng của con người Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, cácthiết bị điện ngày này ngày càng tinh vi và hiện đại hơn Bên cạnh sự phức tạp vềhình dạng hình học từ dày đến mỏng, nhiều dạng thù hình, từ kích thước rất nhỏ đếnrất lớn, các thiết bị điện còn sử dụng rất nhiều vật liệu khác nhau: vật liệu dẫn điện,vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện (composit), vật liệu kết cấu Ngoài ra, các thiết bịđiện – điện tử còn hoạt động ở dải tần rộng Do đó, những diễn biến về điện từ, cơnhiệt trong thiết bị rất phức tạp Do vậy, việc nghiên cứu thiết kế chế tạo các thiết bịđiện tiên tiến là một thách thức không nhỏ đối với khoa học

Trong quá trình chế tạo các thiết bị điện, giảm được chi phí là một trongnhững 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 kiếnthức vật lý hiện đại, việc sử dụng các phương pháp số để tính toán mô phỏng các đạilượng trường trong máy điện nói chung và MBA nói riêng luôn được quan tâm Hơnnữa, 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 Ngoài ra, việc

áp dụng phương pháp số trong các ngành công nghiệp còn giúp:

+ Giảm số lượng mẫu thử cũng như thời gian kiểm tra sản phẩm;

+ Nhanh chóng thu hồi vốn do giảm được thời gian xây dựng sản phẩm mới;

ở các giai đoạn sau của quá trình xây dựng sản phẩm;

+ Giúp đưa sản phẩm vào thị trường nhanh hơn và với giá thành thấp hơn

8

Hơn nữa, các phần mềm công nghiệp ngày càng hoàn thiện có thể sử dụng đểgiải các bài toán cơ học vật rắn, cơ học thuỷ khí, các bài toán động, bài toán tườngminh và không tường minh, các bài toán tuyến tính và phi tuyến, các bài toán vềtrường điện từ, các bài toán về nhiệt, động lực học chất lỏng thậm chí là các bàitoán tương tác đa trường vật lý.

Để phân tích và mô phỏng các hiện tượng điện từ (tức là giải hệ phương trìnhMaxwell tương ứng), các nhà nghiên cứu, thiết kế có thể sử dụng phương pháp giảitích và phương pháp PTHH Với các các thiết bị điện có cấu trúc hình học đơn giản,người ta có thể sử dụng phương pháp giải tích để giải và đưa ra kết qủa Tuy nhiên,đối với các bài toán/thiết bị điện cấu trúc thiết bị điện phức tạp thì phương pháp sốđược sử dụng như một giải pháp duy nhất [14]

Các phương pháp số thường được áp dụng trong tính toán và mô phỏng bàitoán trường điện từ như sau:

+ Phương pháp PTHH;

+ Phương pháp phần tử biên (PTB);

+ Phương pháp sai phân hữu hạn (SPHH);

+ Phương pháp tích phân số PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) MoM (Method of Moment)

Việc lựa chọn một trong những phương pháp trên hoàn toàn phụ thuộc vào cáchiện tượng vật lý cần mô phỏng như là ở tần số cao hay thấp, có vật liệu từ hay không,

có xét đến hiệu ứng điện cảm hay điện dung, nguồn kích thích ngoài Tuy nhiên,không có một phương pháp là vạn năng và tối ưu trong mọi bài toán và việc lựa chọnphương pháp tốt nhất phụ thuộc vào tính chất thiết bị điện và dải hoạt động của nó

Trong các phương pháp được mô tả ở trên, phương pháp (PTHH) đã trở thànhmột phương pháp tổng quát cho việc giải các bài toán điện từ như là các bài toán từtĩnh và các bài toán từ động [15] Hiện nay, phương pháp này được phát triển và vàđược nhúng vào trong các phầm mềm, cụ thể: phần mềm Maxwell của Công tyAnsys, phần mềm Flux3D của Công ty Cedrat

Tuy nhiên khi sử dụng phương pháp này để mô phỏng các thiết bị điện phứctạp, có nhiều khoảng trống không khí, việc mô phỏng đúng trường điện từ ở gần vậtdẫn có xét đến hiệu ứng bề mặt (skin effect) và hiệu ứng gần (proximity effect) tạo

ra các phương trình PTHH với số bậc tự do lớn Điều này làm cho việc giải phương

trình bằng máy tính điện tử là rất khó khăn thậm chí là không thể thực hiện được.Như vậy, các phương pháp PTHH thực sự không thích hợp trong việc mô phỏng các

hệ thống thiết bị điện có cấu trúc phức tạp và kích thước lớn rất nhiều so với vùngdẫn cần nghiên cứu và tính toán

Các phương pháp tích phân số thường không tổng quát như phương pháp PTHH,tuy nhiên nó lại là phương pháp khá thích hợp trong từng bài toán mô phỏng cụ thể

9

Ưu điểm lớn nhất của các phương pháp này khi so sánh với phương pháp phần tửhữu hạn là việc không phải mô phỏng thành phần không khí xung quanh thiết bịđiện Do vậy khi mô phỏng các thiết bị điện lớn, phức tạp có nhiều không khí baoquanh, chúng ta chỉ cần sử dụng một số lượng biến vừa phải.

Một ví dụ điển hình là phương pháp tích phân số PEEC dùng để mô phỏngthiết bị điện không có vật liệu từ bằng mạch điện thay thế tương đương thông số tậptrung với các giá trị phần tử được tính bằng phương trình tích phân [16] Phươngpháp này chỉ có thể tính toán với các loại vật liệu dẫn điện mà không thể tính toánđược các loại khác như: vật liệu dẫn từ, vật liệu vừa dẫn điện vừa dẫn từ nhưphương pháp phần tử hữu hạn Tuy nhiên, các thành phần không khí bao quanh thiết

bị sẽ không cần phải xét đến trong quá trình mô phỏng Mạch điện thu được sẽ đượcsử dụng trong các phần mềm mô phỏng mạch điện thông dụng như SPICE, Saber…

từ đó hiện tượng điện từ của thiết bị điện sẽ được nghiên cứu trong một hệ thống cótính đến các thiết bị điện khác cùng tham gia

Bên cạnh việc nghiên cứu quá trình điện từ trường trong thiết bị điện, việcnghiên cứu về các quá trình nhiệt, cơ trong các thiết bị điện cũng quan trong khôngkém Bằng cách tận dụng sức mạnh của những phần mềm mô phỏng số công nghiệpcũng như sức mạnh của máy tính chúng ta có thể giải những bài toán tương tác đatrường vật lí điện từ - cơ – nhiệt

Trước đây, để có thể giải các bài toán phức tạp và kết hợp nhiều trường vật lý)cần phải đòi hỏi sự kết hợp nhiều phần mềm khác nhau Hiện nay, phần mềmANSYS Multiphysics cung cấp một công cụ phân tích đắc lực kết hợp các mô đun:tính toán kết cấu, nhiệt, động lực học dòng chảy (CFD), âm học, và điện từ trongmột sản phẩm tích hợp duy nhất

1.3 MBA trong hệ thống điện

Như chúng ta đã biết, MBA đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong hệ thốngđiện, được sử dụng vô cùng rộng rãi trong hệ thống điện, nhất là trong lưới điệnphân phối từ dân dụng đến công nghiệp và dịch vụ, thương mại Trong các MBAđiện lực có thể chia là hai loại chính:

• MBA truyền tải: là các MBA công suất lớn, điện áp cao thường ở vị trí trực tiếp truyền tải các công suất lớn trên lưới điện

• MBA phân phối: thường công suất tầm vài chục kVA đến 10MVA làmviệc ở lưới trung áp dùng để truyền tải điện năng tầm ngắn, và để biến

đổi điện áp xuống hạ áp phục vụ các phụ tải

Đến những năm cuối của thế kỷ XX, hầu như tất cả các MBA đều thuộc loạiMBA dầu, trong đó dầu đóng vai trò vừa hỗ trợ làm mát các cuộn dây, vừa làm tăng

độ bền cách điện của chúng Chất lượng dầu ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy, tuổithọ của MBA Trong quá trình vận hành cần phải thường xuyên theo dõi tình trạngdầu để kịp thời phát hiện những thay đổi tính chất của dầu thông qua việc xác địnhhàng loạt các chỉ tiêu quan trọng như tạp chất cơ khí và carbon lơ lửng, độ bền cách

10

điện, chỉ số acid, nhiệt độ chớp cháy của dầu, độ nhớt, độ trong, độ ổn định, góc tổnthất điện môi Để quản lý chất lượng dầu cần phải trang bị nhiều phương tiện kỹthuật, cần có các cán bộ quản lý, cán bộ kỹ thuật giỏi, biến chế công nhân đông đảovới tay nghề cao Mặt khác, với số lượng lớn MBA dầu thì nguy cơ cháy, nổ luônluôn thường trực, đe dọa sự cố thiết bị và gây tai nạn cho người, ô nhiễm môitrường xung quanh.

Ngoài ra, đối với các công trình hiện nay ở Việt Nam như: các chung cư caotầng, trung tâm thương mại, ngân hàng, văn phòng cao ốc, hầm lò, xưởng hoáchất…, việc lắp đặt MBA dầu không thể thực hiện được ở tầng hầm vì vi phạm Quychuẩn về an toàn phòng chống cháy nổ Do đó, các MBA dầu phải lắp đặt tại vị trítầng 1, điều này đã ảnh hưởng đến mỹ quan công trình, có độ ồn khi hoạt động, đặcbiệt là thiệt hại kinh tế Vì vị trí tầng 1 được xem như là đất vàng của các chủ đầu

tư Đây là bài toán kinh doanh mà không bất kỳ chủ đầu tư nào muốn

Hiện nay, để đáp ứng các yêu cầu về an toàn phòng chống cháy nổ, yêu cầu về

mỹ quan, cho các khu vực địa điểm như các trung tâm thương mại, nhà ga, sân bay,

ga tàu điện ngầm, các công trình cao tầng các chủ đầu tư phải sử dụng MBA khô.Một trong những đặc tính ưu việt của MBA khô so với MBA dầu truyền thống làMBA khô rất khó cháy nổ Ngoài ra còn nhiều yếu tố khác khiến MBA khô càngngày càng được ứng dụng rộng rãi Ví dụ ngoại quan MBA khô đẹp hơn, lắp đặt dễdàng hơn, gần như không phải bảo trì bảo dưỡng trong suốt quá trình sử dụng.Bắt đầu từ những năm 60 của thế kỷ trước, MBA khô đã dần được đưa vào ápdụng rộng rãi Ngày nay, với sự tiến bộ của công nghệ chế tạo và của các loại vậtliệu mới, MBA khô càng ngày càng có công suất cao hơn, điện áp cao hơn, hìnhthức đẹp hơn, và ngày càng thân thiện hơn với môi trường Hiện nay, MBA khô đã

có thể chế tạo tới công suất vài chục MVA, điện áp tới 110kV

Tỷ lệ MBA khô trên tổng số MBA sử dụng ở các nước phát triển đang ngàycàng tăng nhanh Ví dụ như ở châu Âu, ở Mỹ hiện nay là khoảng 30%, ở Trungquốc khoảng 20%

1.3.1 MBA khô

Có hai loại MBA khô thường gặp: MBA có cuộn dây không đúc trong cáchđiện rắn và MBA có cuộn dây đúc trong cách điện rắn

• MBA khô có cuộn dây đúc trong epoxy:

Cuộn dây MBA sau khi quấn xong được bao phủ (đúc trong) epoxy Loại này

đã bắt đầu được ứng dụng và phát triển rộng rãi trong những năm 60 của thế kỷtrước Hiện dung lượng máy lớn nhất có thể đạt được đến 20000kVA, điện áp lên

đến 36kV Hình 1.1 vẽ kết cấu một MBA kiểu đúc epoxy.

11

Hình 1.1 Hình ảnh minh hoạ MBA khô đúc epoxy kiểu khô [17]

Đối với MBA khô đúc epoxy, epoxy có khả năng chịu đựng nhiệt độ cao hơn,khả năng thay đổi chế độ thổi gió cưỡng bức thuận lợi hơn ở máy dầu nên máy cókhả năng chịu quá tải cao hơn hoặc lâu hơn so với máy dầu;

Máy không phải bảo dưỡng trong suốt quá trình vận hành: do bề mặt cuộn dâynhẵn, diện tích bề mặt tương đối ít nên ít có khả năng bụi và các tạp chất tích tụ.MBA trong quá trình vận hành hầu như không phải bảo dưỡng kiểm tra thay dầuhoặc lọc dầu Chỉ cần định kỳ lau sạch bề mặt máy và các cuộn dây;

Độ phóng điện cục bộ rất nhỏ: do các tiến bộ của kỹ thuật đúc epoxy trongchân không nên các khiếm khuyết của lớp keo epoxy ví dụ như rỗ khí, nứt ngậm ngày nay hầu như đã được loại bỏ Vì vậy mà hiện tượng phóng điện cục bộ đượcgiảm thiểu, tuổi thọ của MBA được nâng cao;

Không cháy: do đặc tính của epoxy sau khi đã hoá cứng rất khó cháy, chỉ cóthể cháy ở nhiệt độ rất cao Các vật tư khác của MBA khô epoxy như vật liệu cáchđiện, các vật tư đồng, sắt từ cũng rất khó cháy Do vậy MBA khô epoxy được coi

là rất an toàn về phòng chống cháy nổ;

Tính thẩm mỹ cao: đây là lý do chính khiến MBA khô đúc epoxy rất được ưachuộng MBA khô được lắp đặt ở nhiều vị trí yêu cầu cả về mỹ quan, như các cao

ốc, toà nhà văn phòng, trung tâm thương mại ;

Một hạn chế của MBA kiểu đúc epoxy là việc chế tạo khuôn đúc tương đối phứctạp và tốn kém, do vậy MBA khô kiểu này chỉ phù hợp cho sản xuất số lượng lớn

• MBA khô có dây quấn không đúc trong epoxy:

Cuộn dây của MBA được quấn theo kiểu liên tục hoặc quấn thành bánh Khiquấn dây sẽ thực hiện cách điện của dây quấn luôn bằng các vật liệu cách điện caothế như mica, polyimide Sau khi quấn cuộn dây sẽ được tẩm sấy bằng sơn cáchđiện cấp F hoặc cấp H, tuỳ theo cấp cách điện của MBA

12

Hình 1.2 MBA có dây quấn được quấn bằng giấy cách điện Nomex

MBA khô kiểu dây quấn không đúc trong epoxy cũng có những đặc điểmtương tự như MBA khô kiểu đúc epoxy, nhưng có một số điểm khác biệt sau đây:

Về ưu điểm:

+MBA khô kiểu không đúc trong epoxy rất thích hợp cho các thiết kế và chếtạo đơn lẻ, vì chế tạo cuộn dây không cần tới khuôn đúc với chi phí lớn như máy cócuộn dây đúc trong epoxy Chính vì vậy mà máy có thể thiết kế linh hoạt hơn, phùhợp hơn với một số các đối tượng sử dụng đặc thù

Về nhược điểm:

+Do hạn chế về đặc tính cách điện của vật liệu, MBA khô kiểu này chỉ áp dụng cho dãy điện áp bằng hoặc dưới 15kV

+Khả năng chịu đựng dòng ngắn mạch không cao như máy kiểu đổ epoxy,

do kết cấu cuộn dây không vững chắc bằng

+Bề mặt cuộn dây có tính chất xù xì, không nhẵn, dễ dàng tạo điều kiện tích

tụ bụi bẩn, gây khó khăn khi bảo dưỡng máy, dễ tạo đường lan truyền cho phóng điện

Đối với nước ta, trong những năm gần đây, đã có rất nhiều đơn vị trong nướctiến hành nghiên cứu, thiết kế và chế tạo MBA khô Trên thị trường phổ biến 2 dạngMBA khô đúc epoxy:

+ Máy được sản xuất, nhập khẩu nguyên chiếc từ nước ngoài chủ yếu từ TrungQuốc, Châu Âu, Châu Mỹ

Điện Cơ Hà Nội, công ty sản xuất thiết bị điện THIBIDI, công ty SANAKY Việt Nam.Trong đó, tính đến thời điểm hiện tại duy nhất công ty SANAKY Việt Nam là

13

có dây chuyền sản xuất cuộn dây đúc epoxy MBA tại Việt Nam từ đó chủ độngtrong việc sản xuất MBA khô cung cấp cho thị trường trong nước.

Hình 1.3 Hình ảnh tác giả cùng các thầy trong chuyến khảo sát điều kiện thử nghiệm MBA

khô tại nhà máy SANAKY

1.3.2 MBA có lõi thép VĐH

Tổng công suất MBA trên lưới điện là rất lớn, do vậy tổn hao của MBA chiếmmột phần đáng kể trên tổng tổn hao của toàn lưới điện Để hiệu suất sử dụng điệnđược cao hơn, một mặt phải tăng hiệu suất của các thiết bị sử dụng điện, mặt khácphải tăng hiệu suất của các MBA, tức là chế tạo các MBA với tổn hao nhỏ hơn.Công nghệ vật liệu phát triển và đã có nhiều phát hiện về các loại vật liệu mới,các tính năng mới của các loại vật liệu khác nhau Công nghệ chế tạo MBA cũng cónhiều thành tựu lớn và dần dần giảm tổn hao của MBA, nâng cao hiệu suất củaMBA Có nhiều cách để giảm tổn hao MBA như:

+ Sự tiến bộ trong công nghệ chế tạo các vật liệu dẫn từ Ngày nay các vậtliệu dẫn từ (làm lõi thép MBA) được nghiên cứu chế tạo theo hướng giảm thấp suấttổn hao Một số các vật liệu mới đã được ứng dụng trong phạm vi hẹp như thép silicsiêu mỏng, hợp kim không kết tinh với độ dẫn từ cao đã góp phần giúp chế tạo ranhững thế hệ MBA mới có tổn hao không tải giảm rõ rệt so với máy biến thế thôngthường hiện nay

+ Việc áp dụng các công nghệ mới trong chế tạo lõi thép MBA: sử dụng các dây chuyền tự động pha băng và cắt chéo lá thép, kết cấu lõi thép xếp nghiêng 45° theo kiểu step-lap, công nghệ chế tạo lõi sắt kiểu quấn (theo chiều ngang hoặc chiều đứng), công nghệ ủ hạ nhiệt lõi thép cũng làm cho tổn hao của MBA giảm một cách tương đối.

14

Hình 1.4 Hình ảnh lõi thép VĐH MBA

Vật liệu VĐH đã được nghiên cứu và sử dụng làm lõi thép của MBA do nó cónhiều ưu điểm hơn so với vật liệu thép silic thông thường như: mắt từ trễ nhỏ hơnnhằm giảm đi tổn hao từ trễ, mỏng và có điện trở suất lớn góp phần giảm tổn haodòng Foucault

Hình 1.5 Đường cong từ trễ của vật liệu VĐH và thép silic [18]

Trên thế giới hiện nay đã có nhiều nước dùng MBA có lõi thép làm bằng vậtliệu VĐH như: Mỹ, Nhật, Brazil, Trung Quốc, giúp cho MBA có tổn hao sắt từnhỏ hơn so với MBA có lõi thép bằng vật liệu thép silic Nó đã góp phần giảm tổnthất trong lưới điện Chính vì vậy mà xu hướng phát triển hiện nay ngoài sử dụngMBA lõi thép bằng vật liệu thép silic mà chuyển sang dùng cả MBA có sử dụng vậtliệu VĐH

Vật liệu VĐH là chất rắn không có trật tự xa (hay cấu trúc tuần hoàn) về vị trícấu trúc nguyên tử (chất rắn có trật tự xa về vị trí cấu trúc nguyên tử gọi là chất rắntinh thể)

15

Hình 1.6 Mô tả cấu trúc nguyên tử thép silic (trái) và thép VĐH (phải)

Khác với thép silic, thép VĐH không có cấu trúc mạng tinh thể Cấu trúc phântử của thép phụ thuộc cách làm nguội Nấu thép, làm nguội từ từ, các nguyên tửthép được sắp xếp mạng tinh thể Nếu là nguội đột ngột các nguyên tử có thể không

đủ thời gian sắp xếp theo mạng tinh thể mà theo dạng VĐH Hình 1.6.

Thép VĐH có cấu trúc tương tự thủy tinh vì vậy người ta cũng gọi là thủy tinhkim loại

Hình 1.7 Chu trình chế tạo vật liệu VĐH [19]

Kim loại được nấu chảy rồi chuyển đến bộ phận làm nguội Ở đây do kim loạilỏng bị hạ nhiệt độ đột ngột, kim loại được kết tinh lại không phải ở dạng tinh thể

mà tồn tại dưới dạng thép VĐH Thép VĐH được kéo thành dạng băng dày cỡ 0,03

mm Thông qua thiết bị điều khiển và cuộn băng nguyên liệu VĐH hình thành ta cóđược các cuộn nguyên liệu VĐH

Vật liệu VĐH có nhiều ứng dụng được dùng trong nhiều lĩnh vực khác nhaunhư: lõi MBA, biến dòng, lõi cuộn cảm Từ những năm 80 của thế kỷ XX, thìngười ta mới bắt đầu sử dụng vật liệu VĐH làm lõi MBA Đồng thời, cũng có nhiềunghiên cứu về tính ưu việt của MBA sử dụng lõi thép VĐH như:

+ Năm 1987, tác giả Lupi đã đề cập đến vấn đề kinh tế khi sử dụng MBA VĐH

và đưa ra so sánh kinh phí giữa việc sử dụng MBA VĐH với MBA thép silic từ đókhẳng định việc sử dụng MBA VĐH có hiệu quả kinh tế cao hơn [20]

16

+ Các tài liệu [2], [3], [4], 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 lõiVĐH, từ đó khẳng định sử dụng MBAVĐH giảm tổn hao không tải từ 60-70% và sẽmang lại hiệu quả kinh tế cao

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 kýQuyết định số 6228/QĐ – BCT về: Kế hoạch khoa học công nghệ năm 2010 [1] vớinội dung cụ thể như sau: “Thiết kế chế tạo chế tạo MBA giảm tổn hao không tải sửdụng vật liệu thép từ VĐH siêu mỏng, chế tạo trong nước”

Ngày 13 tháng 1 năm 2012, Công ty Hitachi Metals đã phối hợp với với Trungtâm tiết kiệm năng lượng Tp Hồ Chí Minh đã tổ chức hội thảo: “MBA lõi thépVĐH hiệu suất cao và ứng dụng hiệu quả tại Việt Nam”

Theo xu hướng phát triển sắp tới của lưới điện ta thấy:

+ Càng ngày các văn bản quy phạm về an toàn lưới điện, an toàn phòng chốngcháy nổ cho các tòa cao ốc, chung cư, văn phòng… càng trở nên hoàn thiện Do vậy,việc sử dụng MBA khô cho các trường hợp này sẽ là yêu cầu bắt buộc Và với tốc độ

đô thị hóa như hiện tại ta có thể thấy nhu cầu về MBA khô là rất lớn

+ Giá trị tổn hao của các MBA sản xuất ra giảm liên tục, nhất là các tổn haokhông tải Các tiêu chuẩn kỹ thuật về tổn hao MBA ngày càng nhỏ hơn Các nhà sảnxuất bắt buộc phải tuân thủ tiêu chuẩn kỹ thuật này

Như vậy có thể nhận định rằng, việc đưa vào sản xuất MBA khô có lõi thépbằng vật liệu VĐH đại trà tại Việt Nam là cần thiết Tuy nhiên, trước hết chúng tacần phải đầu tư triển khai các nghiên cứu về MBA khô có lõi thép VĐH là điều cấpthiết Những vấn đề cần giải quyết như:

+ Nắm bắt đặc tính kỹ thuật của vật liệu cách điện epoxy giúp tính toán thiết

kế tối ưu về thể tích, trọng lượng, giảm độ ồn, giảm tổn hao phù hợp với điều kiện môitrường, khí hậu Việt Nam

+ Nghiên cứu về các đặc tính điện từ - cơ – nhiệt của MBA khô lõi thép VĐHbằng cách sử dụng các phần mềm mô phỏng số Khi sử dụng mô phỏng số, chúng ta

có thể 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 Điều này tạo tiền đề cho việc thiết kế và tối ưu hóaMBA cũng như những thiết bị điện khác Kết quả của việc nghiên cứu này cũng phụcvụ cho việc theo dõi, xử lý sự cố, duy trì bảo dưỡng thiết bị

+ MBAVĐH do có cấu trúc đặc biệt của lõi thép và cuộn dây là hình chữ nhậtnên phân bố điện trường, từ trường tản và phân bố lực tác dụng lên cuộn dây cũng sẽkhông đối xứng trên cùng một vòng dây Đặc biệt hơn là lúc xảy ra ngắn mạch thì lựcnày lớn sẽ rất nguy hiểm đối với cuộn dây

+ Khi MBA khô có lõi thép VĐH ngắn mạch ngoài lực điện từ thì còn có lựcnhiệt động tác dụng lên dây quấn MBA Lực nhiệt động khi ngắn mạch là do sự thayđổi phân bố nhiệt, thay đổi nhiệt độ làm việc tạo ra ứng suất do phân bố nhiệt độkhông đồng đều trong lớp epoxy, ứng suất do chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn vàlớp epoxy Lực nhiệt động liên quan chặt chẽ đến phân bố nhiệt độ sau thời điểm ngắnmạch đồng thời liên quan đến bản chất vật liệu làm dây quấn và epoxy

17

1.4 Tổng quan nghiên cứu MBA khô có cuộn dây đúc trong epoxy

và lõi thép VĐH trên thế giới

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)

Lực điện từ tác dụng lên dây quấn của MBA được sinh ra là do sự tương tácgiữa dòng điện và từ trường tản trong vùng dây quấn Khi MBA hoạt động trongđiều kiện bình thường, tác dụng của lực điện từ lên các dây quấn nhỏ do từ trườngtản và dòng điện tương đối nhỏ nhưng khi MBA bị ngắn mạch sự cố (tức là MBAđang làm việc với điện áp sơ cấp định mức Uđm, xảy ra ngắn mạch), lúc này toàn bộđiện áp định mức đặt lên tổng trở ngắn mạch rất nhỏ của MBA nên dòng điện ngắnmạch quá độ sẽ rất lớn Trong các trường hợp ngắn mạch thì ngắn mạch 3 pha đốixứng đầu cực thứ cấp MBA có trị số dòng điện ngắn mạch lớn hơn trường hợp ngắnmạch không đối xứng

Lực nhiệt động tác dụng lên dây quấn MBA khi ngắn mạch là do sự thay đổiphân bố nhiệt, thay đổi nhiệt độ làm việc tạo ra ứng suất do phân bố nhiệt độ khôngđồng đều trong lớp epoxy, ứng suất do chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và lớpepoxy Lực nhiệt động liên quan chặt chẽ đến phân bố nhiệt độ sau thời điểm ngắnmạch đồng thời liên quan đến bản chất vật liệu làm dây quấn và epoxy Tình hìnhnghiên cứu về các vấn đề này được thể hiện trong mục này

1.4.1 Nghiên cứu về lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA trên thế giới

Đối với MBA lõi thép silic

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

Năm 2004, S.L Ho đã tính toán lực ngắn mạch trên dây quấn MBA, trình bàytính toán lực hướng kính và hướng trục khi ngắn mạch ba pha trên một MBA72MVA, phân tích từ trường tản và lực theo phương pháp PTHH Các kết quả tínhtoán được so sánh với thử nghiệm [21]

Năm 2007, A C De Azevedo đã phân tích từ trường của MBA khi xảy rangắn mạch, dùng phương pháp PTHH theo miền thời gian để tính toán lực cơ họcxảy ra trong cuộn dây biến áp trong điều kiện ngắn mạch [22] Bài toán đã chỉ ra lựcđiện từ lớn nhất trên cuộn CA là 59,6 MPa nằm ở vùng 1/3 chiều cao cuộn dây, tuy

chưa đạt tới ứng suất cho phép 100-160 MPa của dây đồng (Hình 1.8) nhưng sẽ là

nguy hiểm nếu xuất hiện thêm các ứng lực do nguyên nhân khác

18

Hình 1.8 Ứng suất điện từ phân bố theo chiều cao cuộn CA [22]

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 1MVA, 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; lựcđiện từ hướng kính lớn nhất trên cuộn HA là 11698N và cuộn CA là 5568N

MBA bị ngắn mạch vào lúc đang hoạt động trong hệ thống điện, các dòng điệnngắn mạch tương tác với từ thông tản gây ra ứng suất cơ học rất nghiêm trọng đốivới dây quấn MBA Vì vậy, yêu cầu thiết kế MBA phải chịu được dòng ngắn mạch

từ ngắn mạch một pha chạm đất đến ngắn mạch ba pha…

Ngoài ra, tính toán từ trường tản và lực cơ khí sinh ra ở MBA khi ngắn mạchbằng phương pháp PTHH theo miền thời gian cũng được nhiều tác giả quan tâmđược công bố trong các công trình [26],[27],[28],[29]

Đối với MBA lõi thép VĐH

MBA VĐH do có cấu trúc đặc biệt của lõi thép và dây quấn là hình chữ nhậtnên phân bố từ trường, từ trường tản và phân bố lực sẽ không còn đồng đều trêncùng một vòng dây [30],[4],[31],[5] Đặc biệt hơn là lúc xảy ra ngắn mạch thì lựcnày lớn sẽ rất nguy hiểm đối với dây quấn Do đó phải tính toán cấu trúc hình dánghợp lý dây quấn để phân bố lực trên vòng dây đồng đều hơn

Nhóm tác giả B Tomczuk, D Koteras, K Zakrzewski [7], đã phân tích từtrường và điện kháng ngắn mạch của MBA 3 pha lõi MBA VĐH Nội dung của bàibáo 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 chocuộn dây tròn và có thể áp dụng lên cuộn dây hình chữ nhật [32] Các kết quả tínhtoán phân bố từ trường và điện kháng ngắn mạch đã được so sánh với những kết quảthực nghiệm

Nhóm tác giả Malick Mouhamad, Christophe Elleau [5], đã đưa ra tính toánlực điện động ngắn mạch giữa 2 cuộn dây cao áp và hạ áp của MBA VĐH sử dụnglõi thép 2605SA1 có cuộn dây hình chữ nhật có xét đến chiều dày cuộn dây Kếtquả của bài báo đã đưa ra khuyến cáo trong tính toán lực tác dụng lên dây quấn nêntính theo cách có xét đến bề dày cuộn dây và khoảng cách giữa hai cuộn dây, quantrọng 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 như Hình 1.11.

Lõi thép VĐH

Hình 1.11 Cuộn HA và CA máy VĐH sau khi bị tác dụng của lực điện từ ngắn mạch [8]

1.4.2 Nghiên cứu về phân bố nhiệt ở MBA khô trên thế giới

(180℃) Cách điện lớp F có nhiệt độ giới hạn là 155℃ - là điểm mềm hóa của vật liệu MBA khô có cuộn dây bọc trong epoxy thường được đặt ở những nơi công cộng, chung cư…đòi hỏi cao về an toàn phòng chống cháy nổ Do

20

điều kiện không gian lắp đặt thường rất chật hẹp, khả năng đối lưu của không khílàm mát thường rất kém kết hợp với khả năng dẫn nhiệt của lớp vật liệu cách nhiệtkhông tốt, một số điểm nóng cục bộ có thể xuất hiện trong quá trình vận hành máygây ảnh hưởng lớn đến độ ổn định và an toàn của MBA khô.

Vì vậy, việc tìm ra phân bố nhiệt cũng như xác định các điểm phát nóng cục bộ

ở những MBA khô là rất quan trọng Nó giúp các nhà thiết kế, chế tạo cải tiến thiết

bị 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℃.

Tác giả Pierce đưa ra mô hình toán giúp dự đoán điểm nóng nhất trong cuộndây MBA khô [38] Trên thế giới cũng có rất nhiều bài báo đã khảo sát kết quả thựcnghiệm về sự phân bố nhiệt ở MBA khô [39], [40]

Năm 2007, tác giả Rahimpour cũng đưa ra mô hình toán nghiên cứu về phân

bố nhiệt MBA khô, mô hình này được giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn vàkết quả gần khớp thực nghiệm [35] Nhiều tác giả cũng thực hiện nghiên cứu vềphân bố nhiệt trong MBA khô bằng phương pháp phần tử hữu hạn [29], [40] Đểgiải được các bài toán truyền nhiệt và mô phỏng phân bố nhiệt, các nhà nghiên cứuthường sử dụng các phương pháp nghiên cứu khác nhau, đó là: phương pháp giải

tích hoặc “bán giải tích” (semi-analytic) như mạch nhiệt thay thế tương đương và các phương pháp số xây dựng mô hình trường nhiệt [45]

Trong đó, mô hình mạch nhiệt thay thế tương đương có ưu điểm là giải nhanh,

mô hình có tính chất mở nên dễ dàng thay đổi cấu trúc và hiệu chỉnh các tham số đểchuẩn hóa mô hình; nhược điểm của dạng mô hình này là: không có một dạng cấutrúc tiêu chuẩn cố định để có thể lập trình tự động tạo ra mô hình nhiệt cho mộtMBA riêng biệt, lời giải phân tích không đưa ra thông tin chi tiết về trường phân bốhoặc tương tác nhiệt đầy đủ cho một MBA, thêm nữa là trong mô hình sẽ phải sửdụng nhiều hệ số kinh nghiệm nên cần hiệu chỉnh lại các hệ số đó bằng các dữ liệuthực nghiệm

Mô hình trường nhiệt sẽ sử dụng công cụ toán học là các bộ giải số để giải cácphương trình vi phân của trường nhiệt được xây dựng từ mô hình vật lý của MBA Ưuđiểm của mô hình trường nhiệt là cho phép mô tả đầy đủ phân bố trường nhiệt trênMBA; đưa ra các thông tin chi tiết về quá trình truyền nhiệt trên từng phân vùng cục bộcủa MBA bao gồm nhiệt độ tại phân vùng đó và tốc độ thay đổi nhiệt độ theo cáchướng (gradient của trường nhiệt) Những nhược điểm chính của mô hình trường là:cần nhiều thời gian để xây dựng mô hình phân tích và đưa ra lời giải, cần sử dụng cácmáy tính có khả năng tính toán mạnh mẽ mà không thể tính toán bằng tay, khó khănvới những người mới tiếp cận, và các kết quả vẫn cần phải hiệu chỉnh do còn phụ thuộcvào đặc tính vật liệu và mức độ chi tiết của mô hình Hiện nay, mô hình trường nhiệtcho MBA điện thường sử dụng hai phương pháp giải số: phương pháp phần tử hữu hạn(FEM) và phương pháp tính toán động học chất lưu (CFD) [45]

21

Nhóm tác giả Yifan Chen, Changgeng Zhang trong nghiên cứu [46] đã so sánh giữaphương pháp sử dụng mô hình mạch nhiệt thay thế tương đương (LPTN) và phương phápPTHH 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 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 là47,26℃

Hình 1.12 Mô hình MBA khô (a) phần nghiên cứu phân bố nhiệt, (b) Mạch nhiệt

cho phần nghiên cứu [46]

Hình 1.13 So sánh điểm nghiên cứu nhiệt độ giữa phương pháp TLPN và FEM [46]

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

được tính đúng đắn của mô hình

22

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

Tác giả Yan Li và cộng sự đã thực hiện mô phỏng phân bố nhiệt 3D MBA khôlõi thép VĐH SCBH15-600/10 Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm lệch 10% và

độ tăng nhiệt độ của máy VĐH thấp hơn máy thép silic cùng gam Điểm nóng nhấtnằm ở cuộn HA pha B thể hiện trong phân bố nhiệt độ như Hình 1.16.

Hình 1.16 Phân bố nhiệt độ (a) lõi thép VĐH, (b) cuộn HA, (c) cuộn CA [47]

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, phântích bài toán nhiệt trong MBA khô Tuy nhiên, các phương nghiên cứu về nhiệt chủyếu chỉ kể đến các thông số điện từ mà chưa kể đến ảnh hưởng của các thông số củavật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ khi MBA làm việc ở chế độ bình thường cũngnhư ở chế độ quá tải và ngắn mạch

1.5 Những nghiên cứu ở trong nước về MBA lõi thép VĐH

Ngày 10 tháng 12 năm 2009, lần đầu tiên ở nước ta đưa việc nghiên cứu ứngdụng vật liệu VĐH làm lõi thép MBA điện lực; Bộ trưởng Bộ Công Thương đã kýQuyết định số 6228/QĐ – BCT về: Kế hoạch khoa học công nghệ năm 2010 [48]với nội dung cụ thể như sau: “Thiết kế chế tạo chế tạo MBA giảm tổn hao không tảisử dụng vật liệu thép từ vô định hình siêu mỏng, chế tạo trong nước”

Ở Việt Nam, công ty máy biến áp SANAKY Hà Nội đã chế tạo được thànhcông MBA khô lõi thép VĐH có cuộn dây đúc trong epoxy MBA khô được sản xuất

đã được thử nghiệm và đảm bảo chất lượng để vận hành

Trong lĩnh vực nghiên cứu, đã có một vài luận án thạc sĩ nghiên cứu về MBA sửdụng lõi thép VĐH Tác giả Bùi Đình Chi [49] đã nghiên cứu và tìm hiểu về công nghệchế tạo MBA khô lõi thép VĐH Tác giả Hoàng Tháp Mười [19] nghiên cứu về

23

phân bố nhiệt MBA khô có lõi thép VĐH tác giả sử dụng các thông số nhiệt của vậtliệu epoxy là hằng số và phân bố nhiệt được nghiên cứu bằng phần mềm FlexPDE2D.

Trong tài liệu [9], tác giả Đoàn Thanh Bảo đã nghiên cứu về lực ngắn mạchtổng 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 lựchướng trục và hướng kính trên các dây quấn trong trường hợp ngắn mạch 3 pha đốixứng phía HA

Tác giả Bảo cũng đã xác định vị trí có giá trị ứng suất lực điện từ lớn nhất trênvòng dây cuộn HA và CA hình chữ nhật của MBAVĐH trong trường hợp ngắn mạch

lệch nhiệt độ giữa dây quấn và cách điện epoxy bằng phương pháp giải tích với các hằng

số của vật liệu epoxy là hằng số, từ đó xác định ứng suất tổng hợp tác dụng lên dây quấnbọc epoxy Kết quả này được so sánh với ứng suất tiêu chuẩn cho phép của dây quấnMBA Cuối cùng tác giả Bảo đã xây dựng đường cong khái quát đánh giá độ tăng của giátrị ứng suất theo bán kính cong cuộn dây khác nhau Thông qua đường cong này, nếu thayđổi bán kính từ tròn đến vuông thì ứng suất lực sẽ tăng lên 31%, khuyến cáo cho ngườithiết kế MBA lựa chọn hợp lý bán kính cong dây quấn

Tuy nhiên, đối với ứng suất nhiệt ngắn mạch MBA VĐH 630kVA trong tài liệu

[9] mới chỉ sử dụng phương pháp giải tích đồng thời sử dụng các hệ số về nhiệt củavật liệu của epoxy là hằng số chưa xét đến ảnh hưởng phân bố nhiệt cũng như việc cácthông số nhiệt của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ Ứng suất nhiệt ngắn mạchđược tài liệu [9] tính toán là ứng suất nhiệt trung bình trên các biên chưa tìm đượcphân bố chi tiết ứng suất nhiệt cũng xác định chính xác vị trí điểm có ứng suất nhiệtlớn nhất

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 nghiêncứu tính lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn bao gồm lực điện từ và ứngsuất nhiệt trong dây quấn MBA khô bọc epoxy Trong việc tính toán mô phỏngphân bố nhiệt MBA khô bọc epoxy chưa tính đến việc các thông số của vật liệuepoxy 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 kiệnbiên, điều kiện thời gian và điều kiện hình học, điều kiện vật lý bao gồm hệ số dẫn

nhiệt , khối lượng riêng ρ, nhiệt dung riêng 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 sẽđược xác định qua đó giúp dự đoán các điểm nóng cục bộ bên trong máy

24

Các thông số nhiệt vật lý thường là những đại lượng vật lý khó xác định, đặcbiệt là hệ số dẫn nhiệt Hệ số dẫn nhiệt (λ) là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả) là đại lượng vật lý đặc trưng cho khảnăng dẫn nhiệt của các vật, nên chỉ có thể được xác định bằng thực nghiệm Về cơbản, các phương pháp thực nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt của tất cả các loại vậtliệu đều xuất phát từ nguyên lý chung là tạo một điều kiện thực nghiệm giống vớiđiều kiện mà ở phương trình định luật Fourier hoặc phương trình vi phân đạo hàmriêng mô tả quá trình dẫn nhiệt trong vật thể cần khảo sát Vì nghiệm của phươngtrình này bao giờ cũng chứa λ) là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả, do đó bằng cách đồng nhất kết quả đo đạc và kết quảtính toán về trường nhiệt độ, ta xác định được λ) là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả [50].

Có nhiều phương pháp xác định hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách điện trong đó

có thể kể đến 2 nhóm chính: phương pháp ổn định và phương pháp không ổn định[51]

Phương pháp ổn định cần tạo ra một trường nhiệt độ ổn định Điều kiện trạngthái ổn định đạt được khi nhiệt độ tại mỗi điểm của mẫu là không đổi theo thời gian.Thời gian cấp nhiệt lâu dẫn tới sự thay đổi về đặc tính vật liệu Hơn nữa, hệ số dẫnnhiệt λ) là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả đo được là giá trị trung bình cho 1 dải nhiệt độ lớn mà không xác định đượcgiá trị tức thời Ngoài ra phương pháp này cũng không sử dụng để xác định hệ sốdẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt (VLCN) có λ) là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả rất bé ( λ) là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả < 0,05 W/mK) [50]

Để khắc phục nhược điểm của phương pháp ổn định, đăc biệt là có thể xácđịnh được hệ số dẫn nhiệt trong khoảng thời gian ngắn hoặc rất ngắn, người ta sửdụng phương pháp không ổn định Đặc biệt trong các trường hợp vật liệu (VL) dễbiến tính, vật liệu ẩm hay có hệ số dẫn nhiệt thấp, phương pháp đo không ổn địnhđược sử dụng phổ biến Sự khác nhau giữa các phương pháp xác định hệ số dẫn

nhiệt được thể hiện trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Tổng hợp các phương pháp đo hệ số dẫn nhiệt [52]

pháp ổn

định

(Steady

pháp ống 2500oC 0,02 - 2W/mK khoáng đo dài

nhiệt độcaomàng

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

Trong phương pháp không ổn định thì phương pháp nguồn đường - dây nungđược sử dụng phổ biến nhất Phương pháp nguồn đường – dây nung hay còn gọi là

“phương pháp que thăm” do Schleiermacher [50] đề xuất vào năm 1880

Phương pháp đo không ổn định sử dụng nguồn dòng xác định hệ số dẫn nhiệtcủa 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 trongMBA, sau đó sử dụng kỹ thuật ước lượng tham số để xác định các hệ số còn lại như:

nhiệt dung riêng và hệ số khuếch tán nhiệt Trong nghiên cứu của mình tác giảGarcia đã nghiên cứu các thông số vật lý về nhiệt của vật liệu epoxy dựa trên

“phương pháp que thăm”, tuy nhiên trong quá trình đo sử dụng thiết bị đo dựa trênnguyên lý đo địa nhiệt khá phức tạp và cồng kềnh

26

Hình 1.17 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo địa nhiệt [57]

Trong nước, trong lĩnh vực kỹ thuật nhiệt có nhiều tác giả cũng đã nghiên cứu chếtạo 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 Tuy nhiên, dogiới hạn của thiết bị lấy dữ liệu chưa có datalogger lấy mẫu chuẩn đến 0,1K và 0,1s nênchưa có điều kiện chuyển dữ liệu thực nghiệm vào máy tính Quá trình lấy mẫu được

thực hiện bằng đồng hồ bấm giây Hình 1.18 và ghi kết quả bằng tay.

Hình 1.18 Cấu tạo que thăm và sơ đồ nguyên lý thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt [50]

Hiện nay, trên thị trường cũng có thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt của vật liệu Các

thiết bị khá đa dạng, từ những loại cầm tay đến đặt bàn Hình 1.19 Đây là những

thiết bị phải nhập khẩu

27

(a) (b) (c)

Hình 1.19 Thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt (a) cầm tay và (b), (c) đặt bàn

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.Những thông số này phục vụ cho việc tính toán thiết kế công trình, kho lạnh, hầmlạnh, thiết kế máy điện, lựa chọn vật liệu cách 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 loạivật liệu có hệ số dẫn nhiệt thấp theo nguyên lý nguồn đường Tuy nhiên, thiết bị đocòn cồng kềnh phải đặt cố định trong phòng thí nghiệm nên còn hạn chế trong khảnăng sử dụng Các số liệu thu được chưa tập hợp thành cơ sở dữ liệu Hơn nữa, đaphần thiết bị được chế tạo dựa trên cơ sở lý thuyết chưa dựa vào các tiêu chuẩn Do

đó, rất cần phải phát triển thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt có thể đo tự động, đo theo cáctiêu chuẩn đo lường quốc tế, và có kết cấu gọn nhẹ bền bỉ thích hợp sử dụng ở nhiềutrường hợp khác nhau

1.7 Những vấn đề còn tồn tại

Với những phân tích ở trên ta thấy rằng nghiên cứu về lực ngắn mạch ởMBAVĐH vẫn còn hạn chế số lượng công trình công bố và cũng như những vấn đề

mà công trình này chưa giải quyết hết Cụ thể 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 lớpepoxy và dây quấn trong trường hợp ngắn mạch MBA có tính đến các thông số của vậtliệu 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

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

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

28

• Nghiên cứu mô hình mô phỏng phân bố nhiệt MBA khô có cuộn dây bọcepoxy trên cơ sở các đặc tính nhiệt của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ tại cácđiều kiện tải khác nhau Từ đó áp dụng mô phỏng phân bố nhiệt MBA khô trongtrường hợp ngắn mạch.

• Xác định được phân bố lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBAkhô bọc epoxy và vị trí có ứng suất lực lớn nhất trên dây quấn của MBA có tính đếnảnh 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 và phân bốcường độ điện trường phù hợp bằng cách xác định bán kính cong thích hợp của cuộndây 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, vớinhững ưu điểm MBA này so với MBA dầu nên số lượng MBA khô ngày càngchiếm thị phần lớn trên thị trường thế giới Xu thế hiện nay người ta ưu tiên lựachọn các MBA có hiệu suất cao Đặc biệt, khi sử dụng MBA lõi thép bằng vật liệuVĐH 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 nênphân bố điện trường, từ trường tản và phân bố lực tác dụng lên cuộn dây cũng sẽkhông đối xứng trên cùng một vòng dây Hơn nữa, lúc xảy ra ngắn mạch thì lực nàylớn sẽ rất nguy hiểm đối với cuộn dây

Luận án cũng đã phân tích bức tranh khá đầy đủ về các công trình nghiên cứutrong và ngoài nước về phương pháp tính toán lực điện từ tác dụng lên dây quấn củaMBA lõi thép silic và MBA lõi thép VĐH, những nghiên cứu về phân bố nhiệtMBA khô, những nghiên cứu về thông số nhiệt của vật liệu epoxy Trên cơ sở phântích các công trình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài, luận án đã chỉ ra các vấn đề còntồn tại của các công trình trước đó, để từ đó đề ra mục tiêu và phương pháp nghiêncứu để giải quyết những mặt còn tồn tại đó Nội dung nghiên cứu của luận án đượctrình bày ở những chương tiếp theo

29

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TOÁN TÍNH LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP TÁC DỤNG VÀO DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP 2.1 Giới thiệu

Trong chương này, luận án nghiên cứu các phương pháp tính toán điện từtrường cụ thể là các phương pháp giải tích và phương pháp số Các phương trìnhtích phân mô tả cấu trúc vật liệu phức tạp cũng được nghiên cứu và xây dựng

Cũng trong nội dung chương này, tác giả nghiên cứu mô hình toán tính ứngsuất lực điện từ ngắn mạch viết theo phương trình từ thế vector A [12] Phươngtrình từ thế vector A cũng được TS Đoàn Thanh Bảo áp dụng để tính toán ứng suấtlực ngắn mạch lên cuộn dây MBA trong tài liệu [9] Kết quả cho thấy tính đúng đắncủa mô hình giải Ngoài ra, tác giả cũng nghiên cứu mô hình toán tính ứng suấtnhiệt MBA khô khi ngắn mạch

Tác giả đã ứng dụng các mô hình toán trên để xác định ứng suất lực điện từngắn mạch và ứng suất nhiệt tác dụng lên dây quấn MBA cho MBA khô 22/0,4kV

có công suất 320kVA được thiết kế, sản xuất và đo đạc thực nghiệm tại công ty chếtạo biến thế SANAKY Hà Nội

2.2 Hệ phương trình Maxwell và bài toán điện từ

Trường điện từ là một dạng tồn tại đặc biệt của vật chất, đặc trưng bởi tập hợp cáctính chất điện và từ Tất cả các hiện tượng điện từ xảy ra trong thiết bị điện và hệ thốngđiện đều được mô tả bởi hệ phương trình Maxwell cùng với các luật trạng thái củachúng Lý thuyết trường điện từ của Maxwell thống nhất giữa điện trường và từ trường,bằng cách phân tích những hiện tượng điện từ và các định luật chi phối chúng

Hệ phương trình Maxwell mô tả các quan hệ (các định luật) giữa các đại lượng

véctơ trường (h, e, b, d) và được viết trong không gian 3 chiều Eculidean 3 như sau[60], [61]:

curl h – ∂t d = j curl e + ∂t b =0, div b = 0 div d =

2

(2.1)(2.2)(2.3)(2.4)

Phương trình (2.1), (2.2), (2.3), (2.4) là các phương trình xuất phát từ các định

luật Ampere, định luật Faraday, định luật Gauss đối với véctơ từ trường và định luật

Gauss đối với véctơ điện trường Các véctơ trường h, e, b, d lần lượt là véctơ cường độ

từ trường (A/m), véctơ cường độ điện trường (V/m), véctơ mật độ từ thông (T) và

30

đặc trưng cho nguồn gây ra bởi các trường trong các môi trường có các hệ số: từ

thẩm (H/m); hệ số điện dẫn suất γ; hằng số điện môi (F/m) Khi miền nghiên cứu

không đổi theo thời gian, các đạo hàm theo thời gian trong hệ phương trìnhMaxwell trở nên bằng không và các hiện tượng điện và từ không liên kết với nhau

Bằng cách lấy div hai vế của phương trình (2.1), sau đó thay vào (2.4), ta được

phương trình bảo toàn điện tích được viết như sau:

trường chân không, giá trị của véctơ mật độ từ thông b và véctơ cảm ứng điện d

sáng Độ từ thẩm và hằng số điện môi có thể được biểu diễn theo tham số từ hóa m và

sự phân cực điện p Như vậy, b và d trong phương trình (2.7) và (2.8) được viết lại như

sau:

b = μ o h+ m

d = ε 0 e+p Trong môi trường từ tuyến tính, hệ số m được xác định m = χmb,

Trong đó: χ m - hệ số từ hóa (độ từ cảm),

p = ε 0 χ e e, với χ e là hệ số phân cực

31

Từ các mối quan hệ đã kể trên, mối quan hệ (2.7) và (2.8) được viết lại như sau:

độ dòng điện chảy trong cuộn dây, theo định luật bảo toàn dòng điện, j

được xác định như sau:

Đối với các vật liệu phi tuyến, μ, εε và σ sẽ không còn là các hằng số và

chúng có thể là “tensors” khi kể đến các trạng thái không đẳng hướng Các mối

quan hệ (2.11), (2.12) và (2.14) là các luật trạng thái

Trong phạm vi của đề tài này, chỉ xét đến những vật liệu tuyến tính và đẳnghướng và giả thiết rằng các thông số của vật liệu không thay đổi theo thời gian

2.2.2 Điều kiện bờ tổng quát

Trong các bài toán kỹ thuật điện, các thiết bị điện từ làm bằng các vật liệukhác nhau, vì thế miền giải bài toán trường sẽ chứa nhiều các miền con, các miềncon này có các đặc tính vật lý và nguồn khác nhau

Từ miền này qua miền kia tại biên giới, trường phải tuân theo các quy tắc nhấtđịnh phù hợp với các định luật của trường Các quy tắc ấy là điều kiện biên giới hay

là các điều kiện chuyển tiếp bề mặt (ICs) hay điều kiện bờ.

Để khảo sát các điều kiện ICs của sự phân bố trường điện từ qua hai vật liệu

khác nhau Hình 2.1 [61], bằng cách lấy tích phân hai lớp của hai vế của phương

trình Maxwell (2.1) – (2.4) trên một bề mặt S với đường bao quanh ∂S Áp dụng

định lý Stoke và div để phân tích định luật Ampere (2.1) và định luật Faraday (2.2),

trên một miền khối V với biên ∂V, lấy tích

Gauss cho các phương trình (2.3) và (2.4)

phân hai vế:

∮ =0

Phương trình (2.17) cho thấy thông lượng b qua một bề mặt kín S với đường

biên ∂V là bằng 0 Phương trình (2.18) ngụ ý rằng thông lượng d qua bề mặt S, vớiđường biên ∂V bằng tổng điện tích trong bề mặt đó

Xét Ω =Ω1 Ω2 là một miền nghiên cứu hữu hạn trong không gian ba chiềuEculidean, Г là bề mặt biên giữa hai miền liên tục Ω1 và Ω2 trong Hình 2.1 Véctơ

pháp tuyến n trên bề mặt Г có hướng từ Ω1 đến Ω2 Tại mặt biên Г có thể tồn tại cácmật độ điện tích mặt ρs và mật độ dòng điện mặt j s Các điều kiện chuyển tiếp bề

mặt cho các trường điện từ trên mặt tiếp giáp giữa hai miền khác nhau Hình 2.1

[61] có thể viết như sau:

Các phương trình (2.19) - (2.22) cho ta quan hệ giữa các thành phần pháp

tuyến hoặc tiếp tuyến của trường Điều này có nghĩa là thành phần pháp tuyến của b

và thành phần pháp tuyến của e là liên tục qua mặt chuyển tiếp Г Còn thành phần pháp tuyến của d và thành phần tiếp tuyến của h là không liên tục qua mặt chuyển

tiếp Г, nếu mật độ điện tích khối ρs và mật độ dòng điện j s khác 0 Chúng chỉ liêntục khi mật độ điện tích khối ρs và mật độ dòng điện j s bằng 0

Các điều kiện chuyển tiếp ICs (2.19) - (2.22) được sử dụng cho việc giải các

33

phương trình Maxwell với các miền khác nhau, sau đó kết nối các nghiệm để đạtđược các trường trong toàn bộ không gian của miền nghiên cứu.

2.2.3 Điều kiện biên tổng quát

Khi xây dựng mô hình toán cho bài toán nghiên cứu, cần xác định biên giới củatoàn miền và được ký hiệu là BC Các điều kiện biên BCs thường được sử dụng chocác thành phần pháp tuyến và tiếp tuyến của trường điện từ được xác định như sau:

• Một vật liệu dẫn từ lý tưởng (PM) được ký hiệu là Ωpm (tức là μ ~ ∞) Do đó,) Do đó,

phương trình (2.11) được coi h ~ 0 trên miền Ωpm Điều đó có nghĩa rằng điều kiệnchuyển tiếp IC (1.19) trở thành điều kiện biên BC, tức là:

×ℎ| =0

Trong đó: Гpm = ∂Ωpm là đường bao của Ωpm

• Một vật liệu dẫn điện lý tưởng (PE) được ký hiệu Ωpe (tức là σ ~ ∞) Do đó,) Điều này có nghĩa rằng điều kiện (1.20) cũng trở thành điều kiện BC, tức là:

×| =0

Trong đó: Гpe = ∂Ωpe là đường bao của Ωpe

2.2.4 Mô hình bài toán từ động

Đối với mô hình bài toán từ động, kích thước của miền nghiên cứu Ω được giảthiết nhỏ hơn rất nhiều so với chiều dài bước sóng λ = c/f trong mỗi môi trường Do

đó, mật độ dòng điện dịch ∂td trong phương trình (2.1) có thể bỏ qua Vì vậy,

phương trình Maxwell tổng quát (2.1) – (2.4) cùng với hai luật trạng thái (2.11) và(2.14) của vật liệu được viết lại như sau:

curl e = -∂ t b curl h = j div b = 0

b = μhh

j = εσe

Các phương trình (2.25), (2.26) được giải cùng với các điều kiện biên, đó là

các thành phần tiếp tuyến của trường n×e và trường n×h trên các biên Гh và Гe

Từ phương trình (2.27), mật độ từ cảm b được xác định thông qua một từ thế véctơ a, tức là:

b = curl a

đến có thể xác định điện thế vô hướng v như sau:

34

ẩn trong miền dẫn ΩC cho điện thế vô hướng υ bằng không trong toàn miền dẫn ΩC.

Từ đó dẫn đến có thể tổng quát hóa sự thay đổi công thức từ thế véctơ [65]

2.2.5 Mô hình bài toán từ tĩnh

Mô hình bài toán từ tĩnh là mô hình được xem xét với các hiện tượng điện từđộc lập về thời gian (đó là ∂td = 0, ∂tb = 0) Khi đó, các phương trình Maxwell (2.1)

– (2.4) và các luật trạng thái (2.11) được viết lại như sau:

curl h = j divb = 0

b = μh Trong đó: j = js là mật độ dòng điện áp được đặt vào miền Ωs Mật độ từ cảm b trong phương trình (2.33) có thể xác định từ một vector từ thế a trong toàn bộ miền

Ω, thật vậy:

Tuy nhiên, cũng giống như mô hình bài toán từ tĩnh, a không phải là duy nhất (a được xác định là một gradient của một hàm bất kỳ) Thật vậy, nếu a là một nghiệm thì một hàm bất kỳ có thể viết a’ = a + grad f cũng là một nghiệm và không phụ thuộc vào

f Để có được nghiệm duy nhất của a, một điều kiện “Gauss”phải được áp dụng.

Các điều kiện biên cần thiết có thể xác định như sau:

n × a = 0 trên miền Гe (2.36)

Điều đó có nghĩa rằng

n·b=0 trên miền Гe Điều đáng chú ý rằng bl luôn luôn

được xác định là duy nhất ngay cả khi a không xác định duy nhất.

Từ trường h trong công thức (2.32) được phân tích thành hai thành phần h s và

h r, đó là:

h = h r + h s Trong đó h s là một trường nguồn được xác định thông qua mật độ dòng điện

được đặt vào cuộn dây: curl h s = j s

Từ trường h s trong công thức (2.37) chỉ được xác duy nhất nếu điều kiện

Gauss được đặt vào Ngoài ra, trường này cũng có thể xác định thông qua định luật Biot – Savart.

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

Các phương pháp số ứng dụng trong mô phỏng tính toán trường điện từthường được chia thành hai loại: Các phương pháp hữu hạn (Finite Methods) nhưPhương pháp phần tử hữu hạn FEM (Finite Element Method), phương pháp thể tíchhữu hạn FVM (Finite Volume Method); Các phương pháp tích phân số, như làphương pháp tích phân bề mặt BEM (Boundary Element Method), phương phápmô-men MoM (Method of Moment), Phương pháp mạch điện thay thế tương đươngPEEC (Partial Element Equivalent Circuit)

35

Các phương pháp tích phân số thường không tổng quát như phương pháp phần

tử hữu hạn, tuy nhiên nó lại là phương pháp thích hợp nhất trong từng bài toán mô

phỏng cụ thể Ưu điểm lớn nhất của các phương pháp này khi so sánh với phương

pháp phần tử hữu hạn là việc không phải mô phỏng thành phần không khí xung

quanh thiết bị điện Do vậy khi mô phỏng các thiết bị điện lớn, phức tạp có nhiều

không khí bao quanh, chúng ta chỉ cần sử dụng một số lượng biến vừa phải [14]

Một trong những vấn đề khó khăn khi mô phỏng điện từ các MBA là những

cấu trúc dạng mỏng (ví dụ như vỏ MBA) và cấu trúc dạng dây (các cuộn dây

MBA) Trong các phần dưới đây, tác giả nghiên cứu và phát triển các phương trình

tích phân số nhằm giải quyết những khó khăn trên

Phương trình tích phân số mô tả điện từ trường vùng tấm mỏng

Xét một cấu trúc vùng mỏng (thể tích Ω)vừa dẫn điện, vừa dẫn từ với bề dày e,

điện trở suất và độ từ thẩm và Γ 1 , Γ 2 là mặt biên của tấm mỏng với vùng không khí bao quanh; Γ là bề mặt trung bình, nằm giữa 2 mặt Γ 1 , Γ 2 của tấm mỏng

- 1, 2 là các trường vô hướng giản lược tại mỗi mặt biên

- Δ = 1 − 2 gọi là chênh lệch trường vô hướng giữa hai bề mặt.

Phương trình (2.38) thể hiện hiện tượng điện từ nội tại bên trong vùng vỏ mỏng

Để tính đến vùng không khí xung quanh, chúng ta sẽ áp dụng phương pháp

tích phân

Tấm mỏng được đặt trong nguồn từ trường H0 Giả thiết từ trường H0 không

đổi dọc theo chiều dày của tấm mỏng ta có phương trình tích phân thể hiện quá trình

từ hóa tấm mỏng gây ra bởi H0 và dòng điện xoáy có thể viết [63]:

36

Để giải hệ phương trình (2.39)(2.40) bằng phương pháp số, người ta chia lưới

mặt thành n phần tử tam giác và p nút Giả thiết giá trị từ hóa và dòng điện tiếp

tuyến là đồng nhất trên mỗi phần tử

Áp dụng phép biến đổi Galerkin cho phương trình (2.38) ta thu được [62], [63]:

[ ]∙[∆ ]+[ ]∙[ ]=

Với [ ] là ma trận véc tơ phức kích thước 3n [∆ ] là ma trận véc tơ phức kích thước 3p

[ ] là ma trận (px3n)

[ ] là ma trận (pxp)

Xây dựng phương trình (2.41) cho mỗi phần tử ta thu được hệ phương trình có

thể biểu diễn dưới dạng ma trận như sau [63], [64]:

Phương trình tích phân số mô tả điện từ trường vùng dây dẫn

Để mô phỏng điện từ trường trong vùng vật dẫn, nhiều nhà nghiên cứu đã sử

dựng phương pháp tích phân số và đã minh chứng được hiệu năng và tính chính xác

trong tính toán Các nghiên cứu [16], [65], [66], đã sử dụng phương pháp mạch điện

thay thế tương đương PEEC Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là xây dựng