Tiến Sĩ Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn máy biến áp khô bọc epoxy sử dụng lõi thép v

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2015
MỞ ĐẦU . 1
1. Tính cấp thiết của đề tài 1
2. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu . 2
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài . 3
4. Các đóng góp mới của luận án 4
5. Cấu trúc nội dung của luận án 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 6
1.1. Giới thiệu . 6
1.2. Máy biến áp khô . 6
1.2.1. Khái niệm: 6
1.2.2. Máy biến áp khô có cu n d y đúc trong c ch điện rắn 7
1.2.3. Ưu nhược điểm của máy biến áp dầu và máy biến áp khô . 7
1.3. Máy biến áp hiệu suất cao . 9
1.4. Những nghiên cứu ở ngoài nước về máy biến áp lõi vô định hình . 10
1.4.1. Phương ph p chế tạo vật liệu vô định hình 10
1.4.2. Giảm tổn hao máy biến p lõi vô định hình 12
1.4.3. Thiết kế máy biến p lõi vô định hình 13
1.5. Những nghiên cứu ở trong nước về máy biến áp lõi vô định hình . 15
1.6. Nghiên cứu lực điện từ ở máy biến áp lõi silic . 16
1.7. Nghiên cứu lực điện từ ở máy biến áp lõi vô định hình 19
1.8. Những vấn đề còn tồn tại . 21
1.9. Đề xuất hướng nghiên cứu . 22
1.10. Kết luận chương 1 22
CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN CỦA TỪ TRƯỜNG TẢN TRONG CỬA SỔ MẠCH
TỪ MÁY BIẾN ÁP . 24
2.1. Giới thiệu . 24
2.2. Lý thuyết về dòng điện ngắn mạch và lực điện từ . 24
2.2.1. D ng điện ngắn mạch . 24
2.2.2. Lực điện từ 28
2.3. Xây dựng mô hình toán với từ thế vectơ A 33
2.3.1. Phương trình Maxwell 33
2.3.2. Phương trình từ thế vectơ . 35
2.3.3. Phương trình ứng suất lực trên dây quấn viết theo từ thế vectơ x,y . 41
2.4. Kết luận chương 2 42
CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT LỰC ĐIỆN TỪ BẰNG PHƯƠNG PHÁP
GIẢI TÍCH VÀ PHẦN TỬ HỮU HẠN 2D 44
3.1. Giới thiệu . 44
3.2. Tính toán ứng suất lực ngắn mạch trên dây quấn bằng phương pháp giải tích 44
3.2.1. Mô hình máy biến áp 630kVA - 22/0,4kV . 45
3.2.2. Tính dòng ngắn mạch trên các cu n dây 45
3.2.3. Tính toán từ trường tản trên các cu n dây hạ áp và cao áp 47
3.2.4. Các kết quả về ứng suất lực trên cu n hạ áp và cao áp 53
3.2.5. Nhận xét các kết quả đạt được từ phương ph p giải tích . 55
3.3. Tính toán ứng suất lực ngắn mạch trên dây quấn bằng phương pháp phần tử
hữu hạn 2D 57
3.3.1. Mô hình k ch thước máy biến áp trên Ansys Maxwell . 57
3.3.2. Ứng suất lực trên các cu n dây hạ áp và cao áp . 59
3.3.3. Nhận xét các kết quả đạt được từ phương ph p PTHH 2D 61
3.4. So sánh về ứng suất lực trên dây quấn giữa phương pháp giải tích và phương
pháp phần tử hữu hạn 2D 62
3.4.1. Từ cảm tản Bx, By và Bxy
trên cu n hạ áp và cao áp 63
3.4.2. Ứng suất lực x và y trên cu n hạ áp và cao áp 63
3.4.3. Nhận xét kết quả so sánh 64
3.5. Kết luận chương 3 65
CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP TÁC DỤNG LÊN DÂY
QUẤN MÁY BIẾN ÁP . 67
4.1. Giới thiệu . 67
4.2. Thuật toán tính ứng suất lực điện từ trên dây quấn máy biến áp lõi thép vô định
hình bằng phương pháp PTHH 3D . 67
4.3. Xây dựng mô hình 3D máy biến áp trên phần mềm Ansys Maxwell 68
4.3.1. Quá trình giải quyết bài toán trên Ansys Maxwell . 68
4.3.2. Thiết lập bài toán mô phỏng máy biến áp 630kVA 69
4.4. Mô phỏng ở chế độ không tải và ngắn mạch thử nghiệm . 73
4.4.1. Phân bố từ trường . 73
4.4.2. Giá trị điện p và d ng điện 73
4.4.3. Tổn hao không tải và tổn hao ngắn mạch th nghiệm 74
4.5. Mô phỏng ở chế độ ngắn mạch sự cố 75
4.5.1. D ng điện ngắn mạch . 76
4.5.2. Phân bố từ trường tản . 76
4.5.3. Phân tích ứng suất lực ngắn mạch trên cu n dây hạ áp và cao áp 78
4.5.4. Tìm vị trí có ứng suất lớn nhất trên vòng dây quấn hình chữ nhật . 81
4.6. Tìm ứng suất lớn nhất trong các trường hợp thay đổi bán kính cong r của cuộn
dây 84
4.6.1. C c trường hợp khảo sát . 84
4.6.2. Trường hợp r = 2 mm . 85
4.6.3. Trường hợp r = 10 mm . 87
4.6.4. Trường hợp r = 18 mm . 88
4.6.5. Trường hợp r = 30 mm . 90
4.6.6. Trường hợp r = 45 mm . 91
4.6.7. Trường hợp r = 90 mm . 92
4.6.8. Nhận x t 7 trường hợp r thay đổi 93
4.6.9. Đ nh gi sự ph thu c giá trị ứng suất lực . 95
4.7. Tính ứng suất nhiệt trong dây quấn máy biến áp khô bọc epoxy 97
4.7.1. Phân bố nhiệt đ thời điểm sau ngắn mạch 97
4.7.2. Tính ứng lực vào dây quấn khi có chênh lệch nhiệt đ giữa dây quấn và
c ch điện epoxy 99 4.7.3. Tổng ứng suất vùng biên 106
4.8. Tính ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp 107
4.9. Kết luận chương 4 109
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 111
Đóng góp khoa học của luận án . 111
Hướng phát triển của luận án . 111
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 112
TÀI LIỆU THAM KHẢO 113
PHỤ LỤC . 120 1. Tính cấp thiết của đề tài
MỞ ĐẦU
Máy biến áp (MBA) phân phối luôn đóng góp m t 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
vấn đề giảm tổn hao công suất và cũng như giảm hư hỏng do bị ngắn mạch của MBA phân
phối có ý ngh a kinh tế kỹ thuật rất quan trọng.
Có hai loại tổn hao điện tồn tại trong MBA khi vận hành: Tổn hao có tải (tổn hao đồng)
thay đổi theo mức tải của MBA và tổn hao không tải (tổn hao sắt từ) sinh ra trong lõi từ và
xảy ra suốt cu c đời vận hành của MBA, không ph thu c vào tải. Để giảm tổn hao công suất
trong MBA, cần thiết kế máy sao cho tổng tổn hao của cu n d y đồng và tổn hao sắt nhỏ nhất,
trong đó tổn hao sắt ph thu c rất nhiều vào chất lượng loại thép. Trong thời gian gần đ y,
công nghệ vật liệu từ đã có những tiến b nhảy vọt cho phép ứng d ng vật liệu từ vô định
hình VĐH trong việc chế tạo mạch từ cho MBA phân phối [8,23,24,34,43,76].
Vật liệu từ mềm VĐH được phát hiện từ năm 1970, nhờ vào thành phần và cấu trúc vi mô
đặc biệt nên th p VĐH đ p ứng các yêu cầu để giảm tổn hao lõi. Chính vì vậy, MBA lõi thép
VĐH MB VĐH ngày càng được s d ng r ng rãi do nó làm giảm tổn thất hệ thống điện
thông qua việc giảm tổn hao không tải của MBA. Các tài liệu [4,34,47,69,70] đã đề cập đến
vấn đề kinh tế khi s d ng MBAVĐH và đưa ra so s nh chi ph tổn thất giữa hai loại MBA
lõi th p silic thông thường và lõi VĐH, từ đó khẳng định s d ng MB VĐH giảm tổn hao
không tải từ 60-70% và sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao.
MB VĐH do có cấu trúc đặc biệt của lõi thép và cu n dây là hình chữ nhật nên phân bố
điện trường, từ trường tản và phân bố lực tác d ng lên cu n d y cũng sẽ không đối xứng trên
cùng m t v ng d y. Đặc biệt hơn là lúc xảy ra ngắn mạch thì lực này lớn sẽ rất nguy hiểm đối
với cu n dây [59,71,72,81].
Lực điện từ tác d ng lên dây quấn của MB được sinh ra là do sự tương t c giữa dòng
điện và từ trường tản trong vùng dây quấn. Khi MBA hoạt đ ng trong điều kiện ình thường,
tác d ng của lực điện từ lên các dây quấn nhỏ do từ trường tản và d ng điện tương đối nhỏ
nhưng khi MBA bị ngắn mạch sự cố (tức là MB đang làm việc với điện p sơ cấp định mức
U
, phía đầu cực thứ cấp xảy ra ngắn mạch), lúc này toàn b điện p định mức đặt lên tổng



trở ngắn mạch rất nhỏ của MB n n d ng điện ngắn mạch qu đ sẽ rất lớn. Trong các
trường hợp ngắn mạch thì trường hợp ngắn mạch 3 pha đối xứng có trị số d ng điện ngắn
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 [22,33,75,78].
**
Ở MBA khô phân phối có cu n dây được đúc bằng nhựa epoxy với đặc tính ưu điểm
không bắt l a, tự dập tắt l a và chống cháy do tia l a điện. Ngoài ra, nó có sức bền cơ, chịu
quá tải cao, khả năng chống ẩm, đ ồn thấp và bảo dưỡng d dàng. Do vậy, loại MBA này
được s d ng nhiều ở c c t a nhà, khu d n cư, đường hầm, trên tàu è và tr n sàn ngoài khơi
[2]. Tuy nhiên, khi tính toán ứng suất ở dây quấn khi MBA khô bị ngắn mạch, cần xét thêm
các ứng suất thành phần như:
(1) Ứng suất gây ra do phân bố nhiệt đ không đồng đều trong lớp epoxy
(2) Ứng suất do chênh lệch nhiệt đ giữa dây quấn và lớp epoxy
(3) Ứng suất sẵn có giữa lớp epoxy và dây quấn.
Vì vậy, lời giải cho bài toán nghiên cứu lý thuyết, tính toán về lực điện từ, ứng suất nhiệt
tác d ng lên dây quấn MBA khi ngắn mạch và k ch thước hợp lí của bán kính cong dây quấn
theo đ tăng của ứng suất lực là các nghiên cứu cần được thực hiện.
Do đó, luận n: “Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn máy biến
áp khô bọc epoxy sử dụng lõi thép vô định hình” được đặt ra là cần thiết và có ý ngh a
quan trọng trong giai đoạn hiện nay.
2. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu
 Xây dựng mô hình toán của từ trường tản trong c a sổ mạch từ MBA với từ thế vectơ
A. Từ đó, t nh ứng suất lực trên dây quấn MB lõi VĐH với hình dạng của lõi thép là
hình chữ nhật, khi MBA xảy ra ngắn mạch 3 pha đối xứng với d ng điện ngắn mạch
cực đại.
 Tìm ra vùng có ứng suất lực lớn giữa cu n HA và CA. Từ đó x c định vị trí có ứng
lực lớn nhất trên vòng dây HA và CA của MB VĐH trong điều kiện hình dạng của
cu n dây là hình chữ nhật.
 Tìm ra phân bố ứng suất lớn nhất trên vòng dây quấn khi bán kính cong của dây quấn
thay đổi từ tròn đến vuông. Từ đó, đưa ra đường cong đ nh gi và khuyến cáo của sự
ph thu c ứng suất lực vào bán kính cong dây quấn, giúp sự lựa chọn hợp lí bán kính
cong tại góc của dây quấn theo đ tăng của ứng suất lực.
 Tính toán lực ngắn mạch tổng hợp có t nh đến sự xếp chồng ứng suất nhiệt, đó là: ứng
suất gây ra do phân bố nhiệt đ không đồng đều trong lớp epoxy và ứng suất do
chênh lệch nhiệt đ giữa dây quấn và lớp epoxy.
Đối tượng nghiên cứu
MBA khô bọc epoxy có hình dạng dây quấn hình chữ nhật s d ng lõi thép bằng vật
liệu VĐH.
Phạm vi nghiên cứu
 Tập trung vào xây dựng mô hình toán của từ trường tản trong c a sổ mạch từ MBA
với từ thế vectơ A. Giải mô hình toán và tính ứng suất lực trên dây quấn trong điều
kiện MBA bị ngắn mạch 3 pha đối xứng nguy hiểm nhất với d ng điện ngắn mạch
cực đại.
 Ứng d ng phương ph p PTHH ằng phần mềm mô phỏng Ansys Maxwell 2D và 3D
để x c định vị trí có ứng suất lớn nhất trên dây quấn và so sánh với điều kiện tiêu
chuẩn cho phép của dây quấn.
 Tập trung vào phân tích sự ph thu c của giá trị ứng suất lực vào bán kính cong của
dây quấn. Từ đó, đưa ra c ch lựa chọn hợp lí giữa bán kính cong dây quấn theo đ
tăng của ứng suất lực.