(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu quá trình điện từ của máy biến áp khi đóng vào lưới điện

Máy biến áp khi đóng vào lưới điện, xảy ra các trường hợp nguy hiểm như sau: Thứ nhất, từ thông trong mạch từ tăng lên khoảng 50% gây bão hòa mạch từ, Thời gian bão hòa mạch từ xảy ra có

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 văn này 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

LỜI CẢM ƠN

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

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

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Ban Quản lý Cấp và Thoát nước huyện Tây Sơn, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi được tập trung học tập và nghiên cứu tại trường ĐH Quy Nhơn trong suốt thời gian qua Xin chân thànhcảm 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 học tập và nghiên cứu

Tác giả luận văn

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Máy biến áp (MBA) là một thiết bị điện vô cùng quan trọng trong ngành điện Khi điện năng được sản xuất ra thì phải truyền tải điện năng tới nơi tiêu thụ, 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 tổn thất 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 số các thiết bị điện công nghiệp và dân dụng

Máy biến áp luôn đóng góp một vai trò hết sức quan trọng trong cơ sở hạ tầng của hệ thống điện, nó chiếm tỉ lệ lớn trong tổng công suất của hệ thống MBA, vì thế các vấn đề quá trình làm việc bình thường và bất bình thường của MBA có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật Trước khi cho máy biến áp đi vào vận hành, đó là quá trình đóng máy biến áp vào lưới điện, quá trình này đã phát sinh 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 những ảnh hưởng lâu dài hoặc nhưng hư hỏng đáng kể Do vậy, quan tâm đến quá trình biến đổi điện từ MBA trong khoảng thời gian ngắn này có một ý nghĩa không nhỏ trong kỹ thuật điện

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

Thứ nhất, từ thông trong mạch từ tăng lên (khoảng 50%) gây bão hòa mạch từ, Thời gian bão hòa mạch từ xảy ra có thể lên đến một chu kỳ dòng điện (20ms) Đồng thời, dạng sóng dòng điện sơ cấp chứa thành phần sóng hài khá lớn và có thể gây ra sự tác động nhầm cho các thiết bị rơle hoặc ảnh hưởng 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 phần điện trở cuộn dây sơ cấp làm cho dòng điện trong cuộn dây tăng cao Khi dòng 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 đứt dây Đây là sự cố làm hư hỏng máy biến áp Đối với, các máy biến áp lớn có điện trở cuộn dây thấp và độ tự cảm cao, các dòng điện đóng này có thể tồn tại 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 hợp đóng 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 phân phối vào lưới điện

 Tính toán dòng điện khi đóng máy biến áp phân phối vào lưới điện trường 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 đóng MBA 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 của luận 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 cấp thiết đề tài, mục tiêu, đối tượng nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài, 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 mang tải Quá trình từ hóa và tổn hao trong lõi thép của máy biến áp, phương trình cân bằng và đồ thị vec tơ của máy biến áp, thành phần diện kháng tản của dây quấn 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 đóng máy 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 dòng điện xung khi đóng máy biến áp vào lưới điện, từ thông trong mạch từ, từ trường 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 Biến thế 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 đồng thời các pha, ở chế độ tải định mức và không tải Từ đó, đưa các kết quả về dòng điện, từ thông Tiến hành so sánh các kết quả để nhà sản xuất và vận hành lựa chọn phương án thiết kế cũng như đóng điện vào lưới sao cho phù hợp

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]

φ, theo định luật cảm ứng điện từ ở mỗi dây quấn sẽ cảm ứng sức điện động (s.đ.đ):

dψ dφ

e = N

dt dt

(1.2)

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 thứ cấp ứng với từ thông chính φ

Ngoài từ thông chính φ móc vòng hai dây quấn còn có những từ thông chỉ móc vòng với một dây quấn Từ thông φ có vai trò truyền năng lượng từ sơ cấp sang thứ cấp của máy biến áp, thường được gọi là từ thông chính; từ thông φt1, φt2 chỉ móc vòng một dây quấn không tham gia truyền tải năng lượng 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 từ thông tản φt2 do dòng điện sơ cấp i2 gây ra Các từ thông tản φt1 và φt2 biến thiên theo thời gian nên cũng cảm ứng trong dây quấn sơ cấp s.đ.đ tản et1 và thứ cấp s.đ.đ tản et2, có trị số tức thời là:

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

trong đó: X1= ω.Lt1 ; X2= ω.Lt2 gọi là điện kháng tản của dây quấn sơ cấp

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 sau:

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:

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 không đổi

Sđđ quy đổi bằng sđđ dây quấn sơ cấp:

I

I =k

I = I = I

k

 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:

- E = (R + jX ) I  Z I (1.26)

trong đó: Zm = Rm + jXm là tổng trở từ hóa đặc trưng cho mạch từ Rm là điện trở từ hóa đặt trưng cho tổn hao sắt từ, Xm là điện kháng từ hóa đặc trưng cho 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 những hiện tượng mà trong một số trường hợp những hiện tượng ấy có thể ảnh hưởng đến tình trạng làm việc của MBA Chúng ta hãy xét những ảnh hưởng đáng kể đó khi MBA làm việc không tải, nghĩa là khi đặt vào dây quấn sơ cấp điện 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 =Umsinωt Hình 1.4 Từ thông trong mạch từ

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

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 cho dòng điện từ hóa có dạng 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 có dạng nhọn đầu nhưng vượt qua với Φ một góc α nào đó Góc α lớn hay bé là tùy theo mức độ trễ của B đối với H nhiều hay ít, nghĩa là tổn hao từ trễ trong lõi thép nhiều hay ít Vì thế α được gọi là góc tổn hao từ trễ Hình 1.6 biểu

diễn vectơ dòng điện I0và từ thông mkhi 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 gần đúng với thành phần bậc 1 của i0, hoặc là phải thay i0 bằng một dòng điện hình 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]

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: 03A 03m

i = I sin3(ωt -120 ) = I  sin3ωt (1.28) 03C 03m 03m

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 có dạng vạt đầu (đường đậm nét trên Hình 1.7a) Như vậy có thể xem từ thông tổng Φ gồm sóng cơ bản Φ1 và các sóng điều hòa bậc cao Φ3,Φ5,…Vì các thành phần điều hòa bậc cao hơn 3 rất nhỏ có thể bỏ qua do đó trên đồ thị Hình 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 thép như từ thông Φ1 (Hình 1.8a) Do từ trở của lõi thép rất bé, nên Φ3 có trị

số khá lớn, 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 có các 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 pha tăng 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 ảnh hưởng đến đường dây thông tin (Hình 1.12)

Thiết bị thông tin

Hình 1.9 Dòng điện điều hòa bậc 3

trong dây quấn nối Y/Δ

Hình 1.10 Từ thông điều hòa bậc 3

trong MBA 3 pha 3 trụ

Bởi những lý do đó, trên thực tế người ta không dùng kiểu đấu Y/Y cho tổ MBA ba pha Cũng cần nói thêm rằng, dù s.đ.đ pha có trị số và hình dáng biến 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) cũng tương tự như vậy, do đó những kết luận trên đây cũng được áp dụng cho loại biến áp này

Đối với MBA ba pha ba trụ, vì thuộc hệ thống mạch từ chung nên hiện tượng sẽ khác đi Từ thông Φ3 bằng nhau và cùng chiều trong ba trụ thép tại mọi 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 khí hoặc 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 là hình sin Song cần chú ý rằng vì từ thông bậc 3 nên những tổn hao phụ làm hiệu suất của MBA ba pha ba trụ cũng chỉ áp dụng cho các MBA với dung lượng 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 Cũng tương tự như đối với MBA một pha đã xét ở trên, từ thông tổng và các s.đ.đ của dây quấn sơ cấp và thứ cấp đều có dạng hình sin Do đó sẽ không có những 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 có thành 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 3Ysẽ cảm ứng ra trong dây quấn thứ cấp s.đ.đ bậc 3 là E chậm sau 23

3Y

 một góc 900 (Hình 1.13) Đến lượt E gây ra dòng điện bậc 3 trong 23

mạch vòng thứ cấp nối tam giác I23 Vì điện kháng của dây quấn lớn nên có thể xem I23chậm so với E một góc 9023 0 (Hình 1.13), rõ ràng I23sẽ 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 bị triệt tiêu Ảnh hưởng của từ thông bậc 3 trong mạch từ không đáng kể, s.đ.đ pha sẽ gần hình sin

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

Hình 1.12 Dòng điện điều hòa bậc 3

trong dây quấn nối Y/Δ

Hình 1.13 Tác dụng của dòng điện

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 áp của máy biến áp gồm có phương trình cân bằng sức điện động, phương trình cân bằng điện áp dây quấn sơ cấp và thứ cấp và mạch điện thay thế của máy biến áp Luận văn đã đề cập đến những hiện tượng xuất hiện khi từ hóa lõi thép 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 trường hợp 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 nhọn đầu, nghĩa là dòng điện i0 ngoài thành phần sóng cơ bản i01, còn có các thành phần sóng điều hòa bậc cao: 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 thể xem như chính thành phần bậc 3 có tác dụng làm cho dòng điện từ hóa có dạng nhọn đầu, dạng sóng này như thế nào còn phụ thuộc vào 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 pha tăng 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

+ 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.đ của dây quấn sơ cấp và thứ cấp đều có dạng hình sin Do đó sẽ không có những hiện tượng bất lợi như trường hợp trên

CHƯƠNG 2 DÒNG ĐIỆN KHI ĐÓNG MÁY BIẾN ÁP VÀO LƯỚI ĐIỆN 2.1 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 vượt quá 10%Iđm Nhưng trong quá trình quá độ khi đóng MBA không tải vào lưới điện 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

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,

ta giả thiết rằng từ thông tỉ lệ với dòng điện i0 nghĩa là:

Từ biểu thức (1.37) ta thấy, 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; Lúc đó:

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

1 1

r t /L

Φ - Φ cosωt (Φ + Φ ).e    (1.39)

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 ωt = π

Φmax = 2 Φm + Φdư(1.40) Giá trị từ thông Φdư phụ thuộc vào cấu tạo mạch từ, đồng thời phụ thuộc vào loại lá thép Mạch từ có mối ghép tù (vuông góc) như Hình 2.3, có giá trị từ thông 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 đóng mạch 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

du bh max

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 hợp vừa 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 trị tính theo (1.42) từ 20% đến 30% Cả hai trường hợp đều không cần xét đến cách nối của dây quấn thứ cấp

3 Phía sơ cấp nối sao, thứ cấp nối tam giác Thay đổi cường độ từ cảm từng pha của mạch từ ba pha đưa đến làm thay đổi điện kháng X = 2πfN2μ(S/L) của dây 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 sơ cấp đối xứng Từ đó suy ra ampe-vòng lớn nhất là tích ImN, trong đó N – số vòng dây; Im – dòng điện tính theo (1.42)với U U d / 3; Ampe - vòng này một 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 xuất hiện ở pha A Ta thấy, dòng điện từ lưới I’maxbằng 2/3 lần dòng điện tính theo công 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 tính

dòng 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)

Để tính dòng xung khi đóng MBA ba pha, cần tìm điện kháng Xp theo công

thức (1.43), với chiều cao dây quấn pha Lu (giả thiết dây quấn đồng tâm) thay

cho giá trị L, còn N là số vòng dây nối tiếp một pha

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 trong

mạch từ MBA sau khi ngắt điện khỏi MBA, giảm được từ dư Công suất tụ điện

thường 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 khỏi

mạch Như vậy đóng MBA diễn ra thành hai giai đoạn Điện trở này có thể dùng

đồng thời đặt ở máy ngắt phía cao áp MBA

Cũng nên nhớ đóng MBA vào lưới, bản thân lưới và thiết bị (thường là

cao áp) tự nhiên đã hạn chế dòng lúc đóng MBA Dòng đóng MBA không nguy

hiểm 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 bằng 250kVA

+ 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

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 phụ tải định mức

7 Khả năng chịu đựng ngắn mạch: Máy biến áp phải chịu được dòng ngắn 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 áp lúc đó bằng không ψ = 0, dòng điện có giá trị cực đại có nghĩa lúc đó từ thông

có giá trị cực đại

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

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

MAXWELL 3.1 Giới thiệu

Trong chương này, luận văn tập trung vào việc xây dựng một mô hình mô phỏng 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 và 2200kVA Thông số thiết kế 3MBA này được lấy từ công ty chế tạo biến thế SANAKY Hà Nội

Quá trình phân tích bằng phần mềm Maxwell 3D Kết quả về các giá trị dòng 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

7 Dòng điện pha hiệu dụng CA/HA (A) 4,12/361

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

3 Lưới Hoạt động

Giải quyết

Giải quyết Cập nhật

Hội tụ

2 Vòng lặp S

Đ

Thông số kích thước lấy từ bản vẽ thiết kế của công ty chế tạo MBA SANAKY 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 vào phần mềm Ansys Maxwell

Phần mềm Ansys Maxwell là một gói nằm trong phần mềm ANSYS Electronics 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

Kích thước bên trong cuộn HA D’1a(mm) 171

Kích thước bên ngoài cuộn HA D”1a(mm) 212

Kích thước bên trong cuộn CA D’2a(mm) 248

Kích thước bên ngoài cuộn CA D”2a(mm) 302

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 phân tích Maxwell 3D Để giảm thời gian tính toán và mô hình có tính chất đối xứng nên 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 trình giải quyết bài toán mô phỏng MBA có chính xác hay không Ta tiến hành, mô phỏng 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

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: CA

( ) 10 1,13.10 (m ) 2

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

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

là 𝐼ℎ𝑑𝐻𝐴 =𝐼𝑏đ𝐻𝐴

√2 = 515,9

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

Tương tự ở Hình 3.8, giá trị dòng điện hiệu dụng pha CA là 𝐼ℎ𝑑𝐶𝐴 = 𝐼𝑏đ𝐶𝐴

√2 =6,0

√2 = 4,24 A so với giá trị dòng điện pha định mức CA là 4,12 A Ta thấy là kết quả sai lệch dòng điện khoảng 3%

Các kết quả giá trị điện áp và dòng điện mô phỏng được so sánh với giá trị tính toán ở Bảng 3.3

Bảng 3 3 So sánh các giá trị trung bình mô phỏng và tính toán

Thứ

Mô phỏng

Tính toán

Sai lệch

%

1 Điện áp pha cao áp U1đm (kV) 20,08 20,2 0,6

2 Điện áp pha hạ áp U2đm (V) 223 231 3,4

3 Dòng điện cao áp I1đm (A) 4,24 4,12 3,0

4 Dòng điện hạ áp I2đm (A) 364,8 361 1,0

Từ kết quả so sánh ở Bảng 3.3, ta thấy sở dĩ giá trị mô phỏng và tính toán có

độ sai lệch vì bản thân phương pháp PTHH là phương pháp gần đúng và mô phỏng đã bỏ qua các vật liệu cách điện và cấu trúc hỗ trợ MBA đang bị bỏ qua trong mô hình

3.2.3.2 Phân bố từ trường tại thời điểm dòng điện xung lớn nhất

+ Từ cảm tại thời điểm t = 10ms dòng điện CA đạt xung nhọn biên độ cao nhất Ixk=75,6A

Hình 3.9 Phân bố từ cảm B tại thời điểm t = 10ms (dạng Mag)