Nghiên cứu quá trình điện từ của máy biến áp khi đóng vào lưới điện

Trước khi cho máy biến áp đi vào vậnhành, đó là quá trình đóng máy biến áp vào lưới điện, quá trình này đã phátsinh những thay đổi điện từ trong mạch từ và dây quấn mạch từ khá phức tạp.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

HÀ HUỲNH HUY VŨ

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ĐIỆN TỪ

CỦA MÁY BIẾN ÁP KHI ĐÓNG VÀO LƯỚI ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Bình Định – 2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

HÀ HUỲNH HUY VŨ

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ĐIỆN TỪ

CỦA MÁY BIẾN ÁP KHI ĐÓNG VÀO LƯỚI ĐIỆN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 8 52 02 01

Người Hướng Dẫn: TS Đoàn Thanh Bảo

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận vănnày là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian nghiên cứu.Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực

Tác giả luận văn

Hà Huỳnh Huy Vũ

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn đến thầy hướng dẫn khoa học trựctiếp, TS Đoàn Thanh Bảo đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trongquá trình nghiên cứu Thầy đã dành nhiều thời gian hỗ trợ về mọi mặt để tôihoàn thành luận văn

Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Khoa Kỹ thuật & Công nghệ, trườngĐại học Quy Nhơn, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho học viên trongsuốt quá trình học tập và nghiên cứu Chân thành cảm ơn các Giảng viên vàcán bộ Khoa Kỹ thuật & Công nghệ, đã hỗ trợ tận tình giúp đỡ trong quá trìnhthực hiện luận văn

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Ban Quản lý Cấp và Thoát nướchuyện Tây Sơn, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi được tập trung họctập và nghiên cứu tại trường ĐH Quy Nhơn trong suốt thời gian qua Xin chânthànhcảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ và động viên của các đồng nghiệp

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các cha mẹ, vợvà cùng các con

đã luôn ở bên tôi những lúc khó khăn, hỗ trợ về tinh thần trong quá trình họctập và nghiên cứu

Tác giả luận văn

Hà Huỳnh Huy Vũ

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Máy biến áp (MBA) là một thiết bị điện vô cùng quan trọng trong ngànhđiện Khi điện năng được sản xuất ra thì phải truyền tải điện năng tới nơi tiêuthụ, trong quá trình truyền tải điện năng đó thì không thể vắng mặt các MBA,

nó dùng để tăng và giảm điện áp lưới sao cho phù hợp nhất, nhằm giảm tổnthất điện năng khi truyền tải, tới nơi tiêu thụ

Các MBA ở các nhà máy nước ta sản xuất, cấp điện áp cao áp có cấp điện

áp là 220kV, 110kV, 35kV, 22kV, 10kV, 6kV/0,4kV để cấp điện cho đa sốcác thiết bị điện công nghiệp và dân dụng

Máy biến áp luôn đóng góp một vai trò hết sức quan trọng trong cơ sở hạtầng của hệ thống điện, nó chiếm tỉ lệ lớn trong tổng công suất của hệ thốngMBA, vì thế các vấn đề quá trình làm việc bình thường và bất bình thườngcủa MBA có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật Trước khi cho máy biến áp đi vào vậnhành, đó là quá trình đóng máy biến áp vào lưới điện, quá trình này đã phátsinh những thay đổi điện từ trong mạch từ và dây quấn mạch từ khá phức tạp.Nếu trong công tác thiết kế và sản xuất không tính toán đến sẽ xảy ra nhữngảnh hưởng lâu dài hoặc nhưng hư hỏng đáng kể Do vậy, quan tâm đến quátrình biến đổi điện từ MBA trong khoảng thời gian ngắn này có một ý nghĩakhông nhỏ trong kỹ thuật điện

Máy biến áp khi đóng vào lưới điện, xảy ra các trường hợp nguy hiểm nhưsau:

Thứ nhất, từ thông trong mạch từ tăng lên (khoảng 50%) gây bão hòamạch từ, Thời gian bão hòa mạch từ xảy ra có thể lên đến một chu kỳ dòngđiện (20ms) Đồng thời, dạng sóng dòng điện sơ cấp chứa thành phần sónghài khá lớn và có thể gây ra sự tác động nhầm cho các thiết bị rơle hoặc ảnhhưởng đến sự làm việc cho các thiết bị điện xung quanh khác

Thứ hai, khi đó độ tự cảm của cuộn dây giảm đáng kể, chỉ còn thành phầnđiện trở cuộn dây sơ cấp làm cho dòng điện trong cuộn dây tăng cao Khidòng điện lớn gây ra lực điện từ tác dụng lên vòng dây quấn Điều này đã làm

hư hỏng các cố định vòng dây quấn, làm dây quấn xê dịch, thậm chí làm đứtdây Đây là sự cố làm hư hỏng máy biến áp Đối với, các máy biến áp lớn cóđiện trở cuộn dây thấp và độ tự cảm cao, các dòng điện đóng này có thể tồntại trong vài giây (thời gian tắt dần suy giảm tỷ lệ với XL/R)

Ngoài ra, trong 2 trường hợp xảy ra này, cũng phải tính đến trường hợpđóng MBA ba phavào lưới điện trong trường hợp tải định mức hay không tải.Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, em chọn đề tài:

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ĐIỆN TỪ CỦA MÁY BIẾN ÁP KHI ĐÓNG VÀO LƯỚI ĐIỆN

2 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu

 Phân tích dòng điện, điện áp và từ thông khi đóng máy biến áp phânphối vào lưới điện

 Tính toán dòng điện khi đóng máy biến áp phân phối vào lưới điệntrường hợp tải định mức và không tải

Đối tượng nghiên cứu

 Máy biến áp phân phối điện lực có công suất từ 250kVA đến 2200kVA

Phạm vi nghiên cứu

 Nghiên cứu về từ thông của máy biến áp phân phối

 Tính toán dòng điện, điện áp khi máy biến áp đóng vào lưới điện.

Phương pháp nghiên cứu

 Phân tích, tổng hợp về từ thông, dòng điện trong các trường hợp đóngMBA phân phốivào lưới điện

 Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn 3D bằng phần mềm mô phỏng Ansys maxwell.

 Phân tích số liệu trong các trường hợp khác nhau

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa thực tiễn

 Đánh giá chính xác giá trị từ thông trong mạch từ, dòng điện dây quấn

và khi đóng MBA phân phối vào lưới điện

 Góp phần đưa ra các khuyến cáo kỹ thuật, tiêu chuẩn cho công tác trước khi đóng MBA phân phối vào lưới điện

4 Cấu trúc nội dung của luận văn

Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu củaluận văn được trình bày trong 3 chương và phụ lục, cụ thể:

Mở đầu: Trình bày các vấn đề chung của luận văn, tóm tắt về tính cấpthiết đề tài, mục tiêu, đối tượng nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn đềtài, và kết cấu của luận văn

Chương 1: Tổng quan về quá trình điện từ của máy biến áp.

Ở chương này đề tài giới thiệu trường hợp máy biến áp không tải và mangtải Quá trình từ hóa và tổn hao trong lõi thép của máy biến áp, phương trìnhcân bằng và đồ thị vec tơ của máy biến áp, thành phần diện kháng tản của dâyquấn Đồng thời, đề tài cũng đề cấp đến tiêu chuẩn thí nghiệm máy biến áp,

quy trình đóng máy biến áp vào lưới điện và một số tiêu chuẩn quy định đóngmáy biến áp vào lưới điện.

Chương 2 Dòng điện khi đóng máy biến áp vào lưới điện.

Ở chương này đề tài giải quyết các vấn đề dòng điện khi đóng máy biến

áp một pha, Đóng máy biến áp ba pha vào lưới điện, phương pháp giảm dòngđiện xung khi đóng máy biến áp vào lưới điện, từ thông trong mạch từ, từtrường trong khung dây quấn

Chương 3 Phân tích các hiện tượng điện từ khi đóng máy biến áp vào lưới điện bằng phần mềm ansys maxwell

Chương này, đề tài sử dụng ba mô hình máy biến áp công suất 250kVA;1500kVA và 2200kVA cấp điện áp 22/0,4kV và 35/0,4kV của Công Ty Biếnthế SANAKY Hà Nội đã sản xuất với mô hình kích thước thiết kế đã có sẵn;Tiến hành mô phỏng các máy biến áp phân phối trong trường hợp đóng đồngthời các pha, ở chế độ tải định mức và không tải Từ đó, đưa các kết quả vềdòng điện, từ thông Tiến hành so sánh các kết quả để nhà sản xuất và vậnhành lựa chọn phương án thiết kế cũng như đóng điện vào lưới sao cho phùhợp

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ĐIỆN TỪ CỦA MÁY BIẾN ÁP

1.1 Các phương trình cân bằng điện áp của máy biến áp

Xét sơ đồ nguyên lý của một máy biến áp vẽ trên Hình 1.1 Đây là máy

biến áp một pha hai dây quấn Dây quấn 1 (sơ cấp) có N1 vòng dây và dây

quấn 2 (thứ cấp) có N2 vòng dây được quấn trên lõi thép 3[1,2,4]

3



i 1

i 2 o o

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý của máy biến áp 1 pha

1.1.1 Phương trình cân bằng sức điện động

Khi nối điện áp u1 vào dây quấn sơ cấp, trong dây quấn sơ cấp có dòng

điện i1 chạy qua Nếu phía thứ cấp có tải thì trong dây quấn thứ cấp sẽ có

dòng điện i2 chạy qua Do hệ số dẫn từ của lõi thép lớn hơn nhiều lần hệ số

dẫn từ của vật liệu phi từ tính (dây quấn, dầu, cách điện, không khí, ) nên

phần lớn từ thông do hai s.t.đ i1N1 và i2N2 sinh ra được khép mạch qua lõi

thép móc vòng với cả dây quấn sơ cấp và thứ cấp được gọi là từ thông chính

φ, theo định luật cảm ứng điện từ ở mỗi dây quấn sẽ cảm ứng sức điện động

trong đó: e1 và e2 giá trị tức thời của s.đ.đ các dây quấn tương ứng φ giá trị tức thời của từ thông trong lõi thép.

-ψ1 = N1φ và ψ2 = N2φ là từ thông móc vòng với dây quấn sơ cấp và thứcấp ứng với từ thông chính φ

Ngoài từ thông chính φ móc vòng hai dây quấn còn có những từ thông chỉmóc vòng với một dây quấn Từ thông φ có vai trò truyền năng lượng từ sơcấp sang thứ cấp của máy biến áp, thường được gọi là từ thông chính; từthông φt1, φt2 chỉ móc vòng một dây quấn không tham gia truyền tải nănglượng được gọi là từ thông tản Từ thông tản qua môi trường không từ tính(dây quấn, dầu, không khí) có từ trở lớn, do đó từ thông tản nhỏ hơn rất nhiều

so với từ thông chính Từ thông tản φt1 do dòng điện sơ cấp i1 gây ra và từthông tản φt2 do dòng điện sơ cấp i2 gây ra Các từ thông tản φt1 và φt2 biếnthiên theo thời gian nên cũng cảm ứng trong dây quấn sơ cấp s.đ.đ tản et1 vàthứ cấp s.đ.đ tản et2, có trị số tức thời là:

dφt1

 

dψt1dt

trong đó: ψt1 = N1φt1là từ thông tản móc vòng với dây quấn sơ cấp;

N2φt2 là từ thông tản móc vòng với dây quấn thứ cấp

Lt1, Lt2 là hệ số tự cảm đối với từ trường tản của từng dây quấn

Từ thông tản chủ yếu đi qua môi trường không từ tính, có thể coi Lt1, Lt2

là hằng số đối với mỗi dây quấn

và của dây quấn thứ cấp

1.1.2 Phương trình cân bằng điện áp dây quấn sơ cấp và thứ cấp

Từ sơ đồ nguyên lý Hình 1.2, ta vẽ lại sơ đồ điện của máy biến áp như

Hình 1.2. Sơ đồ điện của máy biến áp mang tải

Áp dụng định luật Kirchhoff 2 ta có phương trình cân bằng điện áp sơ cấp

viết dưới dạng trị số tức thời là:

Biểu diễn dưới dạng số phức:

U1 = - E1 - E t1 + I1 R1

U 2 = E 2  E t2  I 2 R 2Thay (1.9); (1.10) vào (1.13) ta có:

1.2 Mạch điện thay thế của máy biến áp

Để có thể nối trực tiếp mạch sơ cấp và thứ cấp với nhau thành một mạch

điện, các dây quấn sơ cấp và thứ cấp có cùng một cấp điện áp Vì vậy phải

quy đổi một trong hai dây quấn về dây quấn kia để cho chúng có cùng một

cấp điện áp Khi quy đổi thứ cấp sang sơ cấp, ta quy đổi dây quấn thứ cấp

bằng một dây quấn quy đổi có số vòng dây bằng dây quấn sơ cấp, yêu cầu của

việc quy đổi là quá trình vật lý và năng lượng xảy ra trong máy biến áp vẫn

s.t.đ i0N1 lúc không tải để bảo đảm cũng sinh ra được một từ thông chính Φ.

Do đó ta có phương trình cân bằng s.t.đ dưới dạng phức như sau:

I 1 N 1 +I 2 N 2 = I 0 N 1

(1.21)Chia hai vế cho N1 và chuyển vế, ta có:

trong đó: I 2 = I 1 = k1 I 2 là dòng điện thứ cấp qui đổi về sơ cấp

Thay các đại lượng qui đổi vào các phương trình cân bằng s.đ.đ và s.t.đ ở

trên, ta được hệ thống các phương trình đó viết dưới dạng qui đổi như sau:

I1 = I0+ (-I2)

(1.25)

Phương trình (1.23) ta thấy - E1 là điện áp rơi trên tổng trở Zm đặc trưng

cho từ thông chính và tổn hao sắt từ Từ thông chính do dòng điện không tải

sinh ra, ta có thể viết:

trong đó: Zm = Rm + jωLXm là tổng trở từ hóa đặc trưng cho mạch từ Rm làđiện trở từ hóa đặt trưng cho tổn hao sắt từ, Xm là điện kháng từ hóa đặc trưngcho từ thông chính Φ.

Hình 1.3 Sơ đồ thay thế của MBA (hệ số biến đổi k=1:1)

1.3 Những hiện tượng xuất hiện khi từ hóa lõi thép máy biến áp

Khi từ hóa lõi thép MBA, do mạch từ bão hòa sẽ làm xuất hiện nhữnghiện tượng mà trong một số trường hợp những hiện tượng ấy có thể ảnhhưởng đến tình trạng làm việc của MBA Chúng ta hãy xét những ảnh hưởngđáng kể đó khi MBA làm việc không tải, nghĩa là khi đặt vào dây quấn sơ cấpđiện áp hình sin, còn dây quấn thứ cấp hở mạch [1,2,4,16]

1.3.1 Máy biến áp một pha:

Điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp sẽ

sinh ra dòng điện không tải i0 chạy

trong nó, dòng điện i0 sinh ra từ

thông Φ chạy trong lõi thép Hình 1.4

Như ta đã biết, nếu điện áp đặt

vào biến thiên theo thời gian:

u =UmsinωLt Hình 1.4 Từ thông trong mạch từ

và bỏ qua điện áp rơi trên điện trở dây quấn, thì:

u  e  W d

dtNghĩa là từ thông sinh ra cũng biến thiên hình sin theo thời gian:

ngoài thành phần sóng cơ bản i01, còn có các thành phần sóng điều hòa bậccao: bậc 3 là i03, bậc 5 là i05, bậc 7 là i07, …, trong đó thành phần i03 lớn nhất

và đáng kể hơn cả, còn các thành phần khác rất nhỏ, có thể bỏ qua Ta có thểxem như chính thành phần bậc 3 có tác dụng làm cho dòng điện từ hóa códạng nhọn đầu Cũng từ lý luận đó ta thấy, nếu mạch từ càng bão hòa thì i0

càng nhọn đầu, nghĩa là thành phần i03 càng lớn [15, 18]

Khi có kể đến tổn hao trong lõi thép thì quan hệ giữa Φ(t) và Φ(i0) là quan

hệ trễ B(H) Từ quan hệ Φ(t) và Φ(i0) ta có thể vẽ được đường biểu diễn quan

hệ i0(t) như ở Hình 1.5 Đường cong i0(t) cho thấy nếu Φ là hình sin thì i0 códạng nhọn đầu nhưng vượt qua với Φ một góc α nào đó Góc α lớn hay bé làtùy theo mức độ trễ của B đối với H nhiều hay ít, nghĩa là tổn hao từ trễ tronglõi thép nhiều hay ít Vì thế α được gọi là góc tổn hao từ trễ Hình 1.6 biểu

diễn vectơ dòng điện I0 và từ thông m khi có kể đến tổn hao trong lõi thép.Nhưng cần chú ý, vì dòng điện i0 là không sin nên trên đồ thị vectơ chỉ vẽ gầnđúng với thành phần bậc 1 của i0, hoặc là phải thay i0 bằng một dòng điệnhình sin đẳng trị có trị số hiệu dụng bằng trị số hiệu dụng của dòng điện i0

thực Ta thấy lúc này dòng điện không tải I0 gồm hai thành phần: thành phần

phản kháng I0x là dòng điện từ hóa lõi thép, tạo nên từ thông và cùng chiều

với từ thông; thành phần tác dụng I0r, vuông góc với thành phần trên, là dòng

điện gây nên tổn hao sắt từ trong lõi thép [17,23]

I 0  I or2  Iox2Trên thực tế I0r< 10%I0, nghĩa là góc α thường rất bé, nên dòng điện I0r

thực ra không ảnh hưởng đến dòng điện từ hóa bao nhiêu và như vậy ta coi I0x

1.3.2 Máy biến áp ba pha:

Khi không tải nếu xét từng pha riêng lẻ thì dòng điện bậc 3 trong các pha:

i 03B = I 03m sin3(ωLt -120) = I 03m sin3ωLt (1.28)

i 03C = I 03m sin3(ωLt - 240) = I 03msin3ωLt (1.29)Trùng pha nhau về thời gian, nghĩa là tại mọi thời điểm chiều của dòng

điện trong cả ba pha hoặc hướng từ đầu đến cuối dây quấn hoặc hướng ngược

lại Song chúng có tồn tại hay không và dạng sóng như thế nào còn phụ thuộc

vào kết cấu mạch từ và cách đấu dây quấn [11,20]

1.3.2.1 Trường hợp máy biến áp nối Y/Y:

Vì dây quấn sơ cấp nối Y nên thành phần dòng điện bậc 3 không tồn tại,

do đó dòng điện từ hóa i0 sẽ có dạng hình sin và từ thông do nó sinh ra sẽ códạng vạt đầu (đường đậm nét trên Hình 1.7a) Như vậy có thể xem từ thôngtổng Φ gồm sóng cơ bản Φ1 và các sóng điều hòa bậc cao Φ3,Φ5,…Vì cácthành phần điều hòa bậc cao hơn 3 rất nhỏ có thể bỏ qua do đó trên đồ thịHình 1.7a ta chỉ vẽ các từ thông Φ1 vàΦ3

Hình 1.7 Đường cong biểu diễn từ thông a) s.đ.đ; b) của tổ MBA ba pha nối Y/Y

Hình 1.8. Từ thông điều hòa bậc ba a) Trong tổ MBA ba pha; b) trong MBA ba pha năm trụ

Đối với tổ MBA ba pha, vì mạch từ của cả ba pha riêng rẽ, từ thông Φ3 của

cả ba pha cùng chiều tại mọi thời điểm sẽ dễ dạng khép kín trong từng lõi thépnhư từ thông Φ1 (Hình 1.8a) Do từ trở của lõi thép rất bé, nên Φ3 có trị số khálớn, có thể đạt tới (15÷20)%Φ1 Kết quả là trong dây quấn sơ cấp và thứ cấp,ngoài s.đ.đ cơ bản e1 do từ thông Φ1 tạo ra và chậm sau Φ1 một góc 900, còn cócác s.đ.đ bậc ba e3 khá lớn (có thể đạt đến trị số E3 = (45÷60)%E1) do từ thông

Φ3 tạo ra và chậm sau Φ3 một góc 900 Do đó s.đ.đ tổng trong pha

e = e1 + e3 sẽ có dạng nhọn đầu (Hình 1.7b), nghĩa là biên độ của s.đ.đ phatăng lên rõ rệt Sự tăng vọt của s.đ.đ như vậy hoàn toàn không lợi và trong

nhiều trường hợp rất nguy hiểm, như chọc thủng cách điện của dây quấn, làm

hư hỏng thiết bị đo lường và nếu trung tính nối đất dòng điện bậc 3 sẽ dây ảnhhưởng đến đường dây thông tin (Hình 1.12)

Thiết bị thông tin

Hình 1.9 Dòng điện điều hòa bậc 3 Hình 1.10. Từ thông điều hòa bậc 3

trong dây quấn nối Y/Δ trong MBA 3 pha 3 trụ

Bởi những lý do đó, trên thực tế người ta không dùng kiểu đấu Y/Y cho tổMBA ba pha Cũng cần nói thêm rằng, dù s.đ.đ pha có trị số và hình dángbiến đổi nhiều nhưng các s.đ.đ dây vẫn luôn luôn là hình sin, vì dây quấn nối

Y thì s.đ.đ dây không có thành phần bậc 3

Những hiện tượng xuất hiện trong MBA ba pha năm trụ (Hình 1.8b) cũngtương tự như vậy, do đó những kết luận trên đây cũng được áp dụng cho loạibiến áp này.

Đối với MBA ba pha ba trụ, vì thuộc hệ thống mạch từ chung nên hiệntượng sẽ khác đi Từ thông Φ3 bằng nhau và cùng chiều trong ba trụ thép tạimọi thời điểm, nên chúng không thể khép mạch từ trụ này qua trụ khác được

mà bị đẩy ra ngoài và khép mạch từ gông này đến gông kia qua không khíhoặc dầu là môi trường có từ trở lớn (Hình 1.10) Vì thế Φ3 không lớn lắm và

có thể xem từ thông trong mạch từ là hình sin, nghĩa là s.đ.đ pha thực tế làhình sin Song cần chú ý rằng vì từ thông bậc 3 nên những tổn hao phụ làmhiệu suất của MBA ba pha ba trụ cũng chỉ áp dụng cho các MBA với dunglượng hạn chế từ 6300 kVA trở xuống

1.3.2.2 Trường hợp máy biến áp ba pha nối Δ/Y: Hình 1.11

Dây quấn sơ cấp nối Δ, nên dòng điện i03 sẽ khép kín trong tam giác đó,như vậy dòng điện từ hóa vì có thành phần bậc 3 sẽ có dạng nhọn đầu Cũngtương tự như đối với MBA một pha đã xét ở trên, từ thông tổng và các s.đ.đcủa dây quấn sơ cấp và thứ cấp đều có dạng hình sin Do đó sẽ không cónhững hiện tượng bất lợi như trường hợp trên

Hình 1.11. Dòng điện điều hòa bậc 3 trong dây quấn nối Δ/Y khi không tải

1.3.2.3 Trường hợp máy biến áp ba pha nối Y/Δ: Hình 1.12

Do dây quấn sơ cấp nối Y nên dòng điện từ hóa trong đó sẽ không cóthành phần điều hòa bậc 3, như vậy ta lại có kết luận như trường hợp 1, từ

thông sẽ có dạng vạt đầu, nghĩa là thành phần từ thông bậc 3 là 3Y Từ

thông 3Y sẽ cảm ứng ra trong dây quấn thứ cấp s.đ.đ bậc 3 là E23 chậm sau

3Y một góc 900 (Hình 1.13) Đến lượt E23 gây ra dòng điện bậc 3 trongmạch vòng thứ cấp nối tam giác I23 Vì điện kháng của dây quấn lớn nên có

thể xem I23 chậm so với E23 một góc 900 (Hình 1.13), rõ ràng I23 sẽ sinh ra từ

thông cấp 3 (coi gần trùng pha với I23 ) gần như ngược pha với 3Y

Do đó từ thông tổng bậc 3 trong lõi thép  '3Y   3Y  3 gần như bịtriệt tiêu Ảnh hưởng của từ thông bậc 3 trong mạch từ không đáng kể, s.đ.đpha sẽ gần hình sin

Tóm lại khi MBA làm việc không tải, các cách đấu dây quấn Δ/Y hay Y/Δđều tránh được tác hại của từ thông và s.đ.đ điều hòa bậc 3

Hình 1.12 Dòng điện điều hòa bậc 3 Hình 1.13 Tác dụng của dòng điện

trong dây quấn nối Y/Δ i 23 khi đấu dây quấn Y/Δ

1.4 Kết luận chương 1

Trong chương 1 luận văn đã trình bày các phương trình cân bằng điện ápcủa máy biến áp gồm có phương trình cân bằng sức điện động, phương trìnhcân bằng điện áp dây quấn sơ cấp và thứ cấp và mạch điện thay thế của máybiến áp Luận văn đã đề cập đến những hiện tượng xuất hiện khi từ hóa lõithép máy biến áp đó là khi MBA làm việc không tải, lõi thép MBA từ hóa,mạch từ bão hòa sẽ làm xuất hiện những hiện tượng mà trong một số trườnghợp những hiện tượng ấy có thể ảnh hưởng đến tình trạng làm việc của MBA.Khi lõi thép bị bão hòa, dòng không tải i0 sẽ không sin mà có dạng nhọnđầu, nghĩa là dòng điện i0 ngoài thành phần sóng cơ bản i01, còn có các thànhphần sóng điều hòa bậc cao: bậc 3 là i03, bậc 5 là i05, bậc 7 là i07, …, trong đóthành phần i03 lớn nhất và đáng kể hơn cả, còn các thành phần khác rất nhỏ,

có thể bỏ qua Ta có thể xem như chính thành phần bậc 3 có tác dụng làm chodòng điện từ hóa có dạng nhọn đầu, dạng sóng này như thế nào còn phụ thuộcvào kết cấu mạch từ và cách đấu dây quấn

+ Trường hợp máy biến áp nối Y/Y: Φ3 có trị số khá lớn, có thể đạt tới(15÷20)%Φ1, có các s.đ.đ bậc ba e3 khá lớn Lúc đó biên độ của s.đ.đ phatăng lên rõ rệt Sự tăng vọt của s.đ.đ như vậy hoàn toàn không lợi và trongnhiều trường hợp rất nguy hiểm, như chọc thủng cách điện của dây quấn

+ Trường hợp máy biến áp ba pha nối Δ/Y hoặc Y/Δ: vì có dây quấn nối

Δ, nên dòng điện i03 sẽ khép kín trong tam giác đó; từ thông tổng và các s.đ.đcủa dây quấn sơ cấp và thứ cấp đều có dạng hình sin Do đó sẽ không cónhững hiện tượng bất lợi như trường hợp trên

CHƯƠNG 2 DÒNG ĐIỆN KHI ĐÓNG MÁY BIẾN ÁP VÀO LƯỚI ĐIỆN2.1 Từ thông và dòng điện khi đóng máy biến áp một pha vào lưới điện

Khi MBA làm việc không tải, dòng điện không tải I0 rất nhỏ và không vượtquá 10%Iđm Nhưng trong quá trình quá độ khi đóng MBA không tải vào lướiđiện thì dòng điện I0 tăng gấp nhiều lần dòng điện định mức [1,2,4]

Xét hiện tượng này đối với MBA 1 pha ở Hình 2.1

Hình 2.1. Sơ đồ đóng MBA vào lưới điện lúc không tải

Khi đóng MBA vào nguồn điện áp hình sin thì theo định luật cân bằng s.đ.đ

ta có [5, 8,19]

U1m sin(ωLt + ψ) = i 0 r1 + ωL1 dΦ

(1.30)dt

Trong đó ψ là góc pha của điện áp lúc đóng mạch

Quan hệ giữa Φ và i0 trong máy biến áp là quan hệ của đường cong từ hóa,

vì vậy đây là phương trình vi phân phi tuyến Để việc tính toán được đơn giản, tagiả thiết rằng từ thông tỉ lệ với dòng điện i0 nghĩa là:

i 0 =

ωL1Φ

(1.31)

L1Trong đó điện cảm của dây quấn sơ cấp L1 là hằng số phương trình (1.30) códạng:

Hằng số tích phân C được xác định theo điều kiện ban đầu, khi t = 0 trong

lõi thép có một từ thông dư ±ΦΦdư nào đó:

Φ = Φxl + Φtd  - Φm cos(ωLt + ψ)  (Φm cosψ  Φdu ).er1t / L1 (1.37)

Từ biểu thức (1.37) ta thấy, điều kiện thuận lợi nhất khi đóng MBA khôngtải vào lưới điện xảy ra lúc ψ = π/2 (điện áp có trị số cực đại) và Φdư= 0; Lúc đó:

2Nghĩa là trạng thái xác lập được thành lập ngay và không xảy ra quá trìnhquá độ

Ngược lại điều kiện bất lợi nhất xảy ra nếu khi đóng mạch ψ = 0, (điện áplúc đó bằng không) và Φdư có dấu dương Lúc đó:

Φ  - Φm cosωLt  (Φm + Φdu ).er1 t / L

Và đường biểu diễn tương ứng trình bày Hình 2.2

Hình 2.2 Sự biến thiên từ thông Φ=f(t)lúc đóng mạch bất lợi nhất

Từ Hình 2.2 ta thấy từ thông Φ sẽ đạt tới trị số cực đại ở thời gian nữa chu

kỳ sau khi đóng mạch, nghĩa là khi ωLt = π

Φmax = 2 Φm + Φdư(1.40)Giá trị từ thông Φdư phụ thuộc vào cấu tạo mạch từ, đồng thời phụ thuộc vàoloại lá thép Mạch từ có mối ghép tù (vuông góc) như Hình 2.3, có giá trị từthông dư rất nhỏ Ngược lại mạch từ xếp xen kẽ như Hình 2.4 có từ dư đạt tới:

Giả sử khi làm việc bình thường I0 = 5% Iđm, thì trong trường hợp đóngmạch nói trên, dòng điện quá độ bằng 100I0 ≈ 5 Iđm

Vì thời gian quá độ rất ngắn 6 ÷ 8s nên dòng điện quá độ không nguy hiểm

đối với MBA, nhưng có thể làm cho rơle bảo vệ tác động cắt MBA ra khỏi lưới

điện, vì vậy cần phải chú ý để tính toán chỉnh định rơle cho đúng [8, 24, 25]

2.2.Tính ước lượng cường độ từ cảmB cực đại:

Phương trình (1.40) có thể viết dưới dạng

Φmax = 2 St Bm+ St Bdư = St (Bdư + 2Bm) (1.41)Trong đó: St – diện tích tiết diện trụ

Bm – giá trị cực đại cường độ từ cảm trong trụ khi MBA làm việc ở chế độ

bình thường

Bmax = Φmax /St= Bdư + 2Bm (nếu tất cả từ thông tập trung trong trụ)

Trường hợp sử dụng thép cán nguội, thường chọn Bm = 1,65T, lúc đó Bdư =

0,95T và Bmax= 4,25T Vượt quá giá trị bão hòa, từ thông đi ngoài không khí

trong giới hạn cuộn dây Ta có thể viết

2.3 Đóng máy biến áp ba pha vào lưới điện

Ở MBA ba pha hiện tượng xảy ra phức tạp hơn ở MBA một pha, do nguyên

nhân [14,21,22]

- Khó xác định trị số và chiều từ dư từng trụ MBA;

- Ảnh hưởng của trụ với mạch vòng bão hòa tới điện kháng trụ khác;

- Dòng điện khi đóng MBA vào lưới còn phụ thuộc vào tổ nối dây;

- Có khả năng các pha không đồng thời được đóng vào lưới

Xét cho một số trường hợp cụ thể:

1 Phía sơ cấp nối sao, có đưa trung tính ra ngoài Ở cách nối dây này các

pha được coi như làm việc độc lập Vì vậy có thể dùng công thức (1.42) trong

đó U  U d / 3 , với Ud là điện áp dây của lưới Nếu đóng điện không đồng thời các pha, thì kết quả tương tự.

2 Phía sơ cấp nối tam giác Ở phía sơ cấp, mỗi pha giống như trường hợpvừa xét, từ hóa độc lập Dòng đóng MBA được tính theo công thức (1.42) với U

= Ud; Khi xét ảnh hưởng của tất cả các yếu tố, dòng xung lớn nhất sẽ vượt giá trịtính theo (1.42) từ 20% đến 30% Cả hai trường hợp đều không cần xét đến cáchnối của dây quấn thứ cấp

3 Phía sơ cấp nối sao, thứ cấp nối tam giác Thay đổi cường độ từ cảm từngpha của mạch từ ba pha đưa đến làm thay đổi điện kháng X = 2πfN2μ(S/L) củadây quấn ở các trụ này (thay đổi hệ số từ thẩm μ khi thay đổi cường độ từ cảm).Thứ cấp nối tam giác nên trường hợp phụ tải không đối xứng, điện áp phía sơcấp đối xứng Từ đó suy ra ampe-vòng lớn nhất là tích ImN, trong đó N – sốvòng dây; Im – dòng điện tính theo (1.42)với U  U d / 3 ; Ampe - vòng nàymột phần cấp từ lưới, một phần do dòng điện ở dây quấn nối tam giác Hình 2.5

Hình 2.5 Phân bố dòng điện khi đóng MBA nối sao – tam

giác ở thời điểm dòng điện pha A cực đại

Thể hiện phân bố dòng điện sơ cấp và thứ cấp, giả thiết dòng điện cực đại xuấthiện ở pha A Ta thấy, dòng điện từ lưới I’maxbằng 2/3 lần dòng điện tính theocông thức (1.42)khi U  U d / 3 , Ampe - vòng pha B, C bằng 0

4 Hai dây quấn nối sao, không nối đất điểm trung tính Trường hợp này tínhdòng điện xung khi đóng MBA còn khó khăn hơn Điểm trung tính sẽ bị xê dịch

do thay đổi điện kháng ở các pha (do thay đổi cường độ từ cảm)

2.4 Phương pháp giảm dòng điện xung khi đóng máy biến áp vào lưới điện

Tùy theo các trường hợp cụ thể, ta có thể hạn chế được dòng điện khi đóng

MBA Thông thường người ta sử dụng hai phương pháp sau đây:

a) Nối song song tụ điện với MBA Tụ điện sẽ phân tán năng lượng trongmạch từ MBA sau khi ngắt điện khỏi MBA, giảm được từ dư Công suất tụ điệnthường chọn bằng 40 đến 50% công suất từ hóa MBA

b) Đóng MBA qua một điện trở nối tiếp, sau thời gian ngắn lại cắt khỏimạch Như vậy đóng MBA diễn ra thành hai giai đoạn Điện trở này có thể dùngđồng thời đặt ở máy ngắt phía cao áp MBA

Cũng nên nhớ đóng MBA vào lưới, bản thân lưới và thiết bị (thường làcao áp) tự nhiên đã hạn chế dòng lúc đóng MBA Dòng đóng MBA không nguyhiểm về phương diện nhiệt, cũng như về lực điện động nhưng ảnh hưởng đến

thiết bị bảo vệ và đo lường

2.5 Một số tiêu chuẩn về quá dòng điện của MBA[3]

Theo: QUY ĐỊNH TIÊU CHUẨN KỸ THUẬT VẬT TƯ THIẾT BỊ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TRONG TỔNG CÔNG TY ĐIỆN LỰC MIỀN TRUNG

Của EVNCPC-KT/QĐ.57 Ban hành 01/7/2013;

Tại Mục

III 2.1 Máy biến áp: III.2.1.1 Máy biến áp phụ tải:

1 Phạm vi áp dụng: Tiêu chuẩn này áp dụng cho máy biến áp phụ tải 3 pha

và 1 pha loại ngâm trong dầu kiểu kín hoặc có bình dầu phụ; tản nhiệt kiểu cánh sóng hoặc với các cánh tản nhiệt; lắp đặt trong nhà, ngoài trời

2 Tiêu chuẩn chế tạo: TCVN 6306-1:2006, IEC60076

3 Công suất danh định: chọn các giá trị công suất danh định trong dãy sau:Máy biến áp 1 pha: 25; 31,5; 50kVA; Máy biến áp 3 pha: 100; 160; 250; 400;560; 630; 1.000; 1.600; 2.000 kVA

4 Tổ đấu dây MBA:

- Tổ đấu dây máy biến áp 3 pha:

+ D/y0-11, Y/y0-12, Y0/y0-12 cho các MBA có công suất nhỏ hơn hoặc bằng250kVA

+ D/y0-11 cho các MBA có công suất lớn hơn 250kVA

- Tổ đấu dây máy biến áp 1 pha: I/I0 hoặc I/2I0

5 Khả năng quá tải:

- Máy biến áp lực phải đảm bảo vận hành ở các chế độ quá tải bình

thường, thời gian và mức độ quá tải cho phép như Bảng 2.1

Bội số Thời gian quá tải (giờ- phút) với mức tăng nhiệt độ củaquá tải theo lớp dầu trên cùng so với nhiệt độ không khí trước khi quá

Bội số Thời gian quá tải (giờ- phút) với mức tăng nhiệt độ củaquá tải theo lớp dầu trên cùng so với nhiệt độ không khí trước khi quá

Ngoài ra, máy biến áp phải đảm bảo vận hành quá tải với dòng điện cao hơnđịnh mức tới 40% với tổng thời gian đến 6 giờ trong một ngày đêm trong 5 ngàyliên tiếp

6 Khả năng chịu quá áp: MBA phải đảm bảo vận hành quá áp liên tục 5%khi phụ tải không quá phụ tải định mức và 10% khi phụ tải không quá 0,25 phụtải định mức

7 Khả năng chịu đựng ngắn mạch: Máy biến áp phải chịu được dòngngắn mạch có trị số gấp 25 lần dòng định mức trong thời gian 4 giây (tại nấc phân áp cơ bản) mà không hư hại hoặc biến dạng

8 Độ tăng nhiệt: Độ tăng nhiệt độ cho phép so với nhiệt độ môi trường xung quanh

Điều kiện thuận lợi nhất khi đóng MBA không tải vào lưới điện xảy ra lúc ψ

= π/2 (điện áp có trị số cực đại) và Φdư = 0 Ngược lại, khi đóng mạch điện áplúc đó bằng không ψ = 0, dòng điện có giá trị cực đại có nghĩa lúc đó từ thông cógiá trị cực đại

Bên cạnh đó, chương 2 còn trình bày, các trường hợp, phương pháp giảmdòng điện xung khi đóng máy biến áp vào lưới điện, và một số tiêu chuẩn về quádòng điện của MBA

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN TỪ KHI ĐÓNG MÁY BIẾN ÁP VÀO LƯỚI ĐIỆN BẰNG PHẦN MỀM ANSYS

MAXWELL3.1 Giới thiệu

Trong chương này, luận văn tập trung vào việc xây dựng một mô hình môphỏng tính dòng điện đóng MBA trong trường hợp định mức và không tải.Trong đề tài tiến hành mô phỏng 3 MBA có công suất 250kVA; 1500kVA và2200kVA Thông số thiết kế 3MBA này được lấy từ công ty chế tạo biến thếSANAKY Hà Nội

Quá trình phân tích bằng phần mềm Maxwell 3D Kết quả về các giá trịdòng điện, điện áp và từ cảm của mỗi máy lần lượt được phân tích [9,10,12]

Quá trình giải quyết bài toán trên Ansys Maxwell

Quá trình giải quyết bài toán trên Ansys Maxwell theo 4 bước chính sau đây:

1) Chọn mô hình thiết kế 2D hoặc 3D

Hình 3.1 Quá trình giải quyết bài toán bằng phương pháp PTHH [6].

Các thông số về điện và kích thước thiết kế của máy biến áp là dữ liệu đầu

vào phần mềm Ansys Maxwell V19.02

3.2 Mô phỏng MBA 3 pha250kVA– 35/0,4kV

3.2.1 Các thông số điện và kích thước của MBA

Đối tượng máy biến áp công suất S = 250kVA – U1/U2 = 35/0,4kV Có các

thông số điện cơ bản như Bảng 3.1

Bảng 3 1 Các giá trị thông số điện cơ bản MBA công suất 250kVA

6 Số vòng dây quấnpha CA/HA W2/W1(vòng) 2800/32

9 Dòng điện không tải biên độ (A) (2,5%x5,8) 0,15

Thông số kích thước lấy từ bản vẽ thiết kế của công ty chế tạo MBASANAKY Hà Nội Tiết diện lõi thép có kích thước hình tròn đường kính d =150mm, chiều cao cửa sổ mạch Hcs = 400 mm; khoảng cách giữa hai tâm trụ

Mo = 320 mm và các kích thước khác được thể hiện ở Bảng 3.2

Bảng 3 2 Các kích thước cụ thể của MBAcông suất 250kVA

Các thông số MBA Bảng 3.2 như trong Phụ lục 2

Các thông số về điện và kích thước thiết kế của MBA này là dữ liệu đầu vàophần mềm Ansys Maxwell

Phần mềm Ansys Maxwell là một gói nằm trong phần mềm ANSYSElectronics Desktop V19.R1; là một trong 1 gói phần mềm bản quyền tại phòng

mô phỏng tính toán của khoa Kỹ thuật & Công nghệ, trường ĐH Quy Nhơn

3.2.2 Xác định các điều kiện đầu vào mô phỏng MBA

Hình 3.1 Máy biến áp 250kVA trong phần mềm

a) Ansys Maxwell 2D và b) Ansys Maxwell 3D

Hình 3.1 cho thấy hình dạng của một mô hình MBA trong môi trường phântích Maxwell 3D Để giảm thời gian tính toán và mô hình có tính chất đối xứngnên khảo sát mô hình 3D mặt cắt ½ , vật liệu cách điện và cấu trúc hỗ trợ đang

bị bỏ qua trong mô hình

Tổng số phần tử lưới là 99 131 phần tử

Hình 3.2 Chia lưới trong mô hình 3D

3.2.3 Mô phỏng đóng MBA khi dòng hạ áp định mức (đầy tải)

Để kiểm tra tất cả dữ liệu đầu vào của bước xây dựng mô hình và quá trìnhgiải quyết bài toán mô phỏng MBA có chính xác hay không Ta tiến hành, môphỏng MBA làm việc ở chế độ định mức, đo đạc các giá trị điện áp và dòng điện

CA và HA của MBA

Cách nhập dữ liệu cuộn dây HA và CA

Hình 3.3 Nhập giá trị cuộn CA Hình 3.4 Nhập giá trị cuộn HA

Nguồn điện áp cuộn cao áp:

VA = 28577.5*sin(2*pi*50*time-120deg) V;

VB = 28577.5*sin(2*pi*50*time+0deg) V;

VC = 28577.5*sin(2*pi*50*time+120deg)

V; Tính điện trở cuộn cao áp: R = 36,8 Ω

Tính điện trở phía mạch nguồn phía cao áp: R

CA()

S

CAVới:

 )

Tính điện trở tải ở chế độ định mức: R

ptphadm) 

U f ()

3.2.3.1.Kết quả mô phỏng giá trị điện áp và dòng điện của cuộn dây cao và hạ

áp a.Giá trị điện áp

Hình 3.5. Điện áp cuộn CA

Hình 3.6. Điện áp cuộn HA

Từ Hình 3.5 cho thấy giá trị điện áp hiệu dụng mô phỏng là ℎ =

đ = 28,4 = 20,08 kV so với giá trị tính toán điện áp pha CA là 20,2 kV.

√2 √2

Tương tự, Hình 3.6 giá trị điện áp hiệu dụng pha HA mô phỏng là ℎ =

+ Về giá trị: Hình 3.7 ta có giá trị dòng điện HA pha hiệu dụng mô phỏng là ℎ = đ

√2 = 515,9√2 = 364,8A so với giá trị dòng điện pha HA là 361A.