Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật điện: 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

Chia sẻ: Dopamine Grabbi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:162

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nhằm nghiên cứu, tính toán, và mô phỏng bài toán điện từ và bài toán nhiệt trong MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH có xét đến ảnh hưởng của đặc tính nhiệt của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ; tính toán lực ngắn mạch tổng hợp MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH có tính đến lực nhiệt động do phân bố nhiệt độ không đồng đều trong lớp epoxy và do chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và lớp epoxy. Mời các bạn tham khảo nội dung đề tài!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật điện: 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

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2021
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: 1. PGS. TS. LÊ ĐỨC TÙNG 2. PGS. TS. PHẠM VĂN BÌNH Hà Nội – 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. XÁC NHẬN CỦA TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Hà Nội, ngày 30 tháng 09 năm 2021 GV. HƯỚNG DẪN 1 GV. HƯỚNG DẪN 2 TÁC GIẢ LUẬN ÁN PGS. TS Lê Đức Tùng PGS. TS. Phạm Văn Bình Phạm Hồng Hải
LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến hai thầy hướng dẫn khoa học trực tiếp, PGS. TS. Lê Đức Tùng và PGS. TS. Phạm Văn Bình đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu. Hai thầy đã dành nhiều thời gian và tâm huyết, hỗ trợ về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận án. Bên cạnh đó, tôi cũng xin được cảm ơn thầy PGS. TS. Đặng Quốc Vương cũng đã luôn đồng hành, hỗ trợ và chia sẻ với tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tác giả trân trọng cảm ơn ban lãnh đạo nhà máy sản xuất máy biến áp SANAKY – khu công nghiệp Quất Động, Thường Tín Hà Nội đã tạo điều kiện cho tác giả lấy mẫu epoxy, đo đạc thực nghiệm MBA khô 320kVA 22/0,4kV tại nhà máy. Tác giả xin trân trọng cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Việt Hùng, Giám Đốc Công ty cổ phần Advantech, đã tạo điều kiện thuận lợi cho phép tác giả sử dụng chương trình phần mềm Ansys được hỗ trợ bản quyền, tại phòng nghiên cứu của công ty để thực hiện bài toán mô phỏng máy biến áp. Tác giả cũng xin trân trọng TS. Lê Kiều Hiệp – Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh – Đại học Bách Khoa Hà Nội đã phối hợp cùng tác giả nghiên cứu, chế tạo thành công thiết bị đo QTT01 phục vụ cho quá trình thực nghiệm của luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng đào tạo, Viện Điện, Bộ môn Thiết bị Điện - Điện tử và Trung tâm đào tạo thực hành kỹ thuật điện đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Chân thành cảm ơn các thầy, cô và cán bộ Bộ môn Thiết bị điện - Điện tử, đã hỗ trợ tận tình giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi thực sự cảm động và từ đáy lòng mình xin bày tỏ lòng biết ơn đến các bậc sinh thành và người vợ yêu quý cùng hai con trai thân yêu đã luôn ở bên tác giả những lúc khó khăn nhất, những lúc mệt mỏi nhất, để động viên, để hỗ trợ về tài chính và tinh thần, giúp tác giả có thể đứng vững trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện bản luận án này. Tác giả luận án Phạm Hồng Hải
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... iii LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................iv MỤC LỤC ........................................................................................................................v DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ........................................................ix DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU ....................................................................................... xii DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ ..................................................................... xiii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... xvii MỞ ĐẦU ...........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................................1 2. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu.......................................3 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...................................................................4 4. Các đóng góp mới của luận án ..................................................................................5 5. Cấu trúc nội dung của luận án ...................................................................................5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ............................................................................................8 1.1 Giới thiệu chung ....................................................................................................8 1.2 Mô phỏng số các thiết bị điện – điện tử ................................................................8 1.3 MBA trong hệ thống điện ....................................................................................10 1.3.1 MBA khô ..............................................................................................11 1.3.2 MBA có lõi thép VĐH..........................................................................14 1.4 Tổng quan nghiên cứu MBA khô có cuộn dây đúc trong epoxy và lõi thép VĐH trên thế giới ......................................................................................................................18 1.4.1 Nghiên cứu về lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA trên thế giới..18 1.4.2 Nghiên cứu về phân bố nhiệt ở MBA khô trên thế giới .......................20 1.5 Những nghiên cứu ở trong nước về MBA lõi thép VĐH ....................................23 1.6 Những nghiên cứu về thông số nhiệt của vật liệu epoxy.....................................24 1.7 Những vấn đề còn tồn tại .....................................................................................28 1.8 Đề xuất hướng nghiên cứu...................................................................................28 1.9 Kết luận chương 1 ................................................................................................29
CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TOÁN TÍNH LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP TÁC DỤNG VÀO DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP ..............................................30 2.1 Giới thiệu .............................................................................................................30 2.2 Hệ phương trình Maxwell và bài toán điện từ .....................................................30 2.2.1 Các đặc tính vật liệu .............................................................................31 2.2.2 Điều kiện bờ tổng quát .........................................................................32 2.2.3 Điều kiện biên tổng quát .......................................................................34 2.2.4 Mô hình bài toán từ động .....................................................................34 2.2.5 Mô hình bài toán từ tĩnh .......................................................................35 2.3 Mô hình bài toán điện từ bằng phương pháp tích phân số ..................................35 2.4 Nghiên cứu mô hình toán tính ứng suất lực điện từ dây quấn theo từ thế vectơ A 41 2.4.1 Điều kiện biên:......................................................................................42 2.4.2 Tính hằng số tích phân Aj,k ...................................................................43 2.4.3 Phương trình ứng suất lực trên dây quấn viết theo từ thế vectơ A(x,y) 45 2.5 Bài toán áp dụng MBA 320kVA 22/0,4kV .........................................................45 2.5.1 Tính dòng ngắn mạch trên các cuộn dây ..............................................46 2.5.2 Kết quả về ứng suất lực điện từ trên cuộn CA và HA khi MBA ngắn mạch 48 2.6 Nghiên cứu mô hình giải tích tính ứng suất nhiệt trên dây quấn MBA khô khi ngắn mạch 53 2.6.1 Mô hình MBA 320 kVA 22/0,4kV.......................................................53 2.6.2 Tính ứng lực vào dây quấn khi có chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và epoxy 54 2.6.3 Tổng ứng suất vùng biên ......................................................................58 2.7 Kết luận chương 2 ................................................................................................60 CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN PHÂN BỐ NHIỆT MBA KHÔ VỚI CÁC ĐẶC TÍNH NHIỆT VẬT LIỆU EPOXY THAY ĐỔI THEO NHIỆT ĐỘ .........................................................................................................................................61 3.1 Giới thiệu .............................................................................................................61 3.2 Nghiên cứu mô hình tính toán phân bố nhiệt MBA khô .....................................61 3.2.1 Nguồn nhiệt trong MBA .......................................................................61 3.2.2 Dẫn nhiệt...............................................................................................63
3.2.3 Trao đổi nhiệt đối lưu ...........................................................................69 3.2.4 Trao đổi nhiệt bức xạ ............................................................................71 3.2.5 Mô hình toán quá trình truyền nhiệt MBA khô ....................................72 3.3 Nghiên cứu phương pháp mạch nhiệt thay thế tương đương MBA khô và áp dụng tính toán cho một bài toán cụ thể .....................................................................................74 3.3.1 Thiết lập mạch nhiệt thay thế tương đương MBA ...............................74 3.3.2 Mạch nhiệt thay thế tương đương MBA khô 320kVA 22/0,4kV.........77 3.4 Đặc tính nhiệt vật liệu epoxy ...............................................................................87 3.4.1 Cấu tạo và tính chất lí hóa vật liệu epoxy ............................................87 3.4.2 Hệ số dẫn nhiệt .....................................................................................90 3.4.3 Hệ số khuếch tán nhiệt và nhiệt dung riêng .........................................93 3.5 Thực nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt vật liệu epoxy ........................................94 3.5.1 Nguyên vật liệu sử dụng trong thực nghiệm ........................................94 3.5.2 Cấu tạo thiết bị đo QTT01 đo hệ số dẫn nhiệt ......................................95 3.5.3 Quy trình thí nghiệm và kết quả .........................................................100 3.6 Kết luận chương 3 ..............................................................................................106 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN PHÂN BỐ NHIỆT VÀ LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP MBA KHÔ ....................................................................................................................108 4.1 Giới thiệu ...........................................................................................................108 4.2 Mô phỏng 3D phân bố nhiệt MBA khô 320kVA ..............................................108 4.2.1 Thực nghiệm xác định điều kiện biên nhiệt độ MBA 320kVA 22/0,4kV 109 4.2.2 Mô phỏng phân bố nhiệt MBA 320kVA ở những điều kiện tải khác nhau 111 4.3 Mô phỏng phân bố nhiệt MBA 320kVA 22/0,4kV khi làm việc ở chế độ quá tải và khi có ngắn mạch sự cố .............................................................................................118 4.3.1 Mô phỏng phân bố nhiệt MBA 320kVA làm việc ở chế độ 150% tải định mức 118 4.3.2 Mô phỏng phân bố nhiệt MBA 320kVA trong trường hợp ngắn mạch sự cố 120 4.4 Phân tích ứng suất nhiệt MBA 320kVA ở trường hợp ngắn mạch bằng phương pháp PTHH ....................................................................................................................121 4.5 Tính ứng suất ngắn mạch tổng hợp MBA 320kVA ..........................................123
4.6 Áp dụng phân tích ứng suất ngắn mạch tổng hợp bằng phương pháp PTHH trên MBA khô lõi thép VĐH ................................................................................................124 4.6.1 Phân bố nhiệt MBA VĐH 630kVA ở chế độ ngắn mạch sự cố .........124 4.6.2 Ứng suất nhiệt ngắn mạch MBA VĐH 630kVA................................125 4.6.3 Ứng suất ngắn mạch tổng hợp MBA VĐH ........................................128 4.7 Đánh giá sự phụ thuộc cường độ điện trường lớn nhất vào bán kính cong r của cuộn dây .........................................................................................................................130 4.8 Kết luận chương 4 ..............................................................................................134 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................136 Đóng góp khoa học của luận án .....................................................................................136 Hướng phát triển của luận án .........................................................................................136 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .....................137 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................138 PHỤ LỤC 1 ..................................................................................................................144 PHỤ LỤC 2 ..................................................................................................................145
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Kí hiệu / Đơn vị Ý nghĩa Viết tắt Hc A/m Lực kháng từ td mm Độ dày của lá thép ρ µΩcm Điện trở suất  rad Tần số góc dòng điện S kVA Công suất máy biến áp u V Điện áp tức thời U V Điện áp hiệu dụng Uđm V Điện áp hiệu dụng định mức Un V Điện áp ngắn mạch ux% Thành phần phản kháng của điện áp ngắn mạch uR% Thành phần tác dụng của điện áp ngắn mạch uk% Điện áp ngắn mạch phần trăm i A Dòng điện tức thời Iđm A Dòng điện định mức hiệu dụng In A Dòng điện ngắn mạch hiệu dụng Imax A Dòng điện ngắn mạch cực đại  Wb Từ thông tức thời Φ Wb Từ thông hiệu dụng W1 vòng Số vòng dây của sơ cấp W2 vòng Số vòng dây của thứ cấp Ψ Wb.vòng Từ thông móc vòng  rad Góc ban đầu của điện áp Lt H Hệ số tự cảm của cuộn dây X1 (X2)  Điện kháng tản của dây quấn sơ cấp (thứ cấp) X’2  Điện kháng thứ cấp quy đổi Xn  Điện kháng tản ngắn mạch của dây quấn R1 (R2)  Điện trở của dây quấn sơ cấp (thứ cấp) R’2  Điện trở thứ cấp quy đổi Rn  Điện trở ngắn mạch của dây quấn Z  Tổng trở Zn  Tổng trở ngắn mạch φn rad Góc lệch pha của dòng điện và điện áp
F N Lực điện từ Fx N Lực hướng kính Fy N Lực hướng trục σx N/m2 Ứng suất hướng kính σy N/m2 Ứng suất hướng trục σxy N/m2 Ứng suất tổng theo 2D σxyz N/m2 Ứng suất tổng theo 3D σcp N/m2 Ứng suất cho phép E Vm-1 Vectơ cường độ điện trường D Cm-2 Vectơ cảm ứng điện H A.m-1 Vectơ cường độ từ trường B T = kg.m-2.A- Vectơ cảm ứng từ 1 J A/m2 Vectơ mật độ dòng điện A Wbm-1 Vectơ từ thế Aj,k Hằng số tích phân B T Cảm ứng từ (từ cảm) Bx T Từ cảm hướng kính By T Từ cảm hướng trục ε Fm-1 Hệ số điện môi μ Hm-1 Hệ số từ thẩm μ0 Hm-1 Hệ số từ thẩm không khí γ Ω-1m-1 Điện dẫn suất η Cm-3 Mật độ điện tích khối h mm Chiều cao cửa sổ mạch từ d mm Chiều rộng cửa sổ mạch từ tính đến trục đối xứng h1 1 mm Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành dưới cuộn HA h1 2 mm Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành dưới cuộn CA h2 1 mm Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành trên cuộn HA h2 2 mm Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành trên cuộn CA d1 1 mm Khoảng cách từ trụ đến thành trong cuộn HA d1 2 mm Khoảng cách từ trụ đến thành trong cuộn CA d2 1 mm Khoảng cách từ trụ đến thành ngoài cuộn HA d2 2 mm Khoảng cách từ trụ đến thành ngoài cuộn CA b1 mm Chiều cao cuộn dây HA b2 mm Chiều cao cuộn dây CA axb mm Kích thước mạch từ
htrụ mm Chiều cao trụ Ctrụ mm Khoảng cách tâm hai trụ Hcs mm Chiều cao cửa sổ mạch từ Ccs mm Chiều rộng cửa sổ mạch từ r mm Bán kính cong của dây quấn D’1 x D’1b a mm Kích thước bên trong cuộn HA D”1a x D”1b mm Kích thước bên ngoài cuộn HA D’2a x D’2b mm Kích thước bên trong cuộn CA D”2a x D”2b mm Kích thước bên ngoài cuộn CA
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU Viết tắt Ý nghĩa s.đ.đ sức điện động k Tỉ số biến áp  Toán tử Napla Δ Toán tử Laplace MBA Máy biến áp VĐH Vô định hình MBAVĐH Máy biến áp lõi thép vô định hình HA Hạ áp CA Cao áp PTHH Phần tử hữu hạn NM Ngắn mạch FEM Finite Element Method CFD Computational Fluid Daynamics
DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hình ảnh minh hoạ MBA khô đúc epoxy kiểu khô [17] ...................... 12 Hình 1.2 MBA có dây quấn được quấn bằng giấy cách điện Nomex ................. 13 Hình 1.3 Hình ảnh tác giả cùng các thầy trong chuyến khảo sát điều kiện thử nghiệm MBA khô tại nhà máy SANAKY ........................................................... 14 Hình 1.4 Hình ảnh lõi thép VĐH MBA .............................................................. 15 Hình 1.5 Đường cong từ trễ của vật liệu VĐH và thép silic [18] ....................... 15 Hình 1.6 Mô tả cấu trúc nguyên tử thép silic (trái) và thép VĐH (phải) ............ 16 Hình 1.7 Chu trình chế tạo vật liệu VĐH [19] .................................................... 16 Hình 1.8 Ứng suất điện từ phân bố theo chiều cao cuộn CA [22] ...................... 19 Hình 1.9 Lực hướng kính (a) và hướng trục (b) trên cuộn CA [23].................... 19 Hình 1.10 Lực hướng kính (a) và hướng trục (b) trên cuộn HA [23] ................. 19 Hình 1.11 Cuộn HA và CA máy VĐH sau khi bị tác dụng của lực điện từ ngắn mạch [8]................................................................................................................ 20 Hình 1.12 Mô hình MBA khô (a) phần nghiên cứu phân bố nhiệt, (b) Mạch nhiệt cho phần nghiên cứu [46] ..................................................................................... 22 Hình 1.13 So sánh điểm nghiên cứu nhiệt độ giữa phương pháp TLPN và FEM [46] ....................................................................................................................... 22 Hình 1.14 (a)Mô phỏng phân bố nhiệt độ MBA khô và (b) nhiệt độ cuộn cao áp, (c)nhiệt độ cuộn HA [46] ..................................................................................... 22 Hình 1.15 Mô phỏng phân bố nhiệt MBA bằng phần mềm COMSOL Multiphysics [42] ....................................................................................................................... 23 Hình 1.16 Phân bố nhiệt độ (a) lõi thép VĐH, (b) cuộn HA, (c) cuộn CA [47] . 23 Hình 1.17. Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo địa nhiệt [57] ......................................... 27 Hình 1.18 Cấu tạo que thăm và sơ đồ nguyên lý thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt [50] .............................................................................................................................. 27 Hình 1.19 Thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt (a) cầm tay và (b), (c) đặt bàn ................. 28 Hình 2.1 Điều kiện chuyển tiếp bề mặt giữa hai miền khác nhau Ω1 và Ω2 [61] 33 Hình 2.2 Mô hình mặt cắt vùng vỏ mỏng............................................................ 36 Hình 2.3 Mạch điện thay thế tương đương của một vòng dây ............................ 38 Hình 2.4 Cấu trúc nghiên cứu bao gồm vùng vỏ mỏng và hệ dây dẫn ............... 39 Hình 2.5 Thành phần từ cảm theo trục x, y tại các đường biên của cửa sổ mạch từ MBA [12] ............................................................................................................. 43 Hình 2.6 Dòng ngắn mạch cuộn CA ................................................................... 47 Hình 2.7 Dòng điện ngắn mạch cuộn HA ........................................................... 48 Hình 2.8 Các kích thước mạch từ và cuộn dây của MBA ................................... 49 Hình 2.9 Các điểm khảo sát theo bề dày cuộn CA và HA .................................. 51
Hình 2.10 Đồ thị lực điện từ (a) hướng kính và (b) hướng trục cuộn HA ứng với vị trí x1 và x2 ......................................................................................................... 51 Hình 2.11 Đồ thị lực điện từ (a) hướng kính và (b) hướng trục cuộn CA ứng với vị trí x3 và x4 ......................................................................................................... 51 Hình 2.12 Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh ngoài cùng cuộn HA(a) và tại cạnh trong cùng cuộn CA (b)........................................................................................ 52 Hình 2.13 Các kích thước của cuộn dây và lớp epoxy [9] .................................. 53 Hình 2.14 Áp suất thay đổi chiều cao dây quấn [9] ............................................ 55 Hình 3.1 Véc tơ Grad(t) [73] ............................................................................... 64 Hình 3.2 Cân bằng nhiệt cho phân tố thể tích dv ................................................ 65 Hình 3.3 Dẫn nhiệt qua vách trụ n lớp [50] ......................................................... 67 Hình 3.4 Dẫn nhiệt qua vách trụ khi có nguồn nhiệt bên trong .......................... 68 Hình 3.5 Tổn thất tại một nút (qm,n) trên một phần tử dây dẫn [35] .................... 75 Hình 3.6 Cấu hình nút nhiệt cho dòng chảy nhiệt theo một hướng duy nhất và không có nguồn nhiệt nội [74] ............................................................................. 76 Hình 3.7 Cấu hình nút nhiệt cho dòng chảy một chiều với nguồn nhiệt nội [74] 76 Hình 3.8 (a) Cấu hình nút nhiệt cho dòng chảy nhiệt hai chiều với nguồn nhiệt nội, (b) không có nguồn nhiệt nội ............................................................................... 77 Hình 3.9 (a) Mô hình hình học MBA khô 320kVA, (b) Mô hình mặt cắt lõi thép và dây quấn........................................................................................................... 77 Hình 3.10 Mô hình học các phần tử truyền nhiệt trong MBA ............................ 78 Hình 3.11 Sơ đồ chia phần tử nhiệt MBA ........................................................... 79 Hình 3.12 Sơ đồ chia các nút nhiệt (a) và cấu tạo nút nhiệt C1 trên lõi thép (b) 80 Hình 3.13 Mô hình mạch nhiệt trở cho phần lõi thép ......................................... 81 Hình 3.14 Mô hình mạch nhiệt thay thế tương đương MBA khô 320kVA ........ 85 Hình 3.15 Phân bố nhiệt độ MBA giải bằng mạch nhiệt thay thế tương đương . 86 Hình 3.16 So sánh phân bố nhiệt độ theo hướng kính giữa tính toán bằng mạch nhiệt thay thế tương đương và mô phỏng bằng CFD ........................................... 86 Hình 3.17 Phân bố nhiệt độ MBA 320kVA mô phỏng CFD 2D ........................ 87 Hình 3.18 Một số ứng dụng của epoxy [78] ........................................................ 88 Hình 3.19 Giai đoạn 1 của phản ứng tổng hợp nhựa epoxy [78] ........................ 89 Hình 3.20 Giai đoạn 2 của phản ứng tổng hợp nhựa epoxy [78] ........................ 89 Hình 3.21 Hệ tọa độ trụ của bài toán dẫn nhiệt nguồn đường............................. 91 Hình 3.22 Que thăm ống thủy tinh acryl của Wagner (a) và que thăm ceramic của Schneider (b) [50] ................................................................................................ 92 Hình 3.23 Vùng xử lí số liệu theo tiêu chuẩn ASTM D5334-00 [83] ................. 93 Hình 3.24 Mô hình (a) khối epoxy và (b) chia lưới tính toán ............................. 94 Hình 3.25 Đo kích thước mẫu (a,b) và sấy mẫu trong tủ ổn nhiệt (c)................. 95
Hình 3.26. Bộ thiết bị QTT01 đo hệ số dẫn nhiệt ............................................... 95 Hình 3.27 (a)Cấu tạo kim đo hệ số dẫn nhiệt theo tiêu chuẩn ASTM D 5334-00 [83] (b) cấu tạo que thăm nhiệt ............................................................................ 96 Hình 3.28 Que thăm (a) và ảnh nhiệt quá trình sinh nhiệt que thăm (b) ............. 96 Hình 3.29 Giản đồ của mẫu thử và thiết bị QTT 01 để đo hệ số dẫn nhiệt ......... 97 Hình 3.30 Sơ đồ nguyên lý board mạch thiết bị đo QTT01 ................................ 98 Hình 3.31 Hình ảnh board mạch của thiết bị QTT01 .......................................... 99 Hình 3.32 Hình ảnh giao diện phần mềm QTTsoftware1.2 ................................ 99 Hình 3.33 Buồng ổn nhiệt (a) và máy đo nhiệt độ Fluke (b) ............................ 100 Hình 3.34 Mẫu chuẩn Nylon 27004-885 (a) và giá trị hệ số dẫn nhiệt của mẫu chuẩn được cung cấp bởi nhà sản xuất (b) ......................................................... 100 Hình 3.35 Biến thiên nhiệt độ theo thời gian thu được từ phép đo ở 25℃ ....... 102 Hình 3.36 Đường thẳng tuyến tính giữa logarit thời gian và nhiệt độ .............. 102 Hình 3.37 Sự thay đổi hệ số dẫn nhiệt vật liệu epoxy theo nhiệt độ ................. 103 Hình 3.38 Đường cong mô phỏng sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian ứng với các nhiệt dung riêng khác nhau tại nhiệt độ thí nghiệm ban đầu 25 ℃ ................... 104 Hình 3.39 Sự thay đổi nhiệt dung riêng của epoxy theo nhiệt độ ..................... 105 Hình 3.40 Sự thay đổi của hệ số khuếch tán nhiệt của epoxy theo nhiệt độ ..... 106 Hình 4.1 Sơ đồ quá trình mô phỏng ứng suất nhiệt MBA khi ngắn mạch trên môi trường Ansys Workbench .................................................................................. 108 Hình 4.2 Hình ảnh đo nhiệt thực tế MBA (a) và sơ đồ điểm gắn can nhiệt trên cuộn CA và HA (b) ..................................................................................................... 110 Hình 4.3 Mô hình mô phỏng MBA khô 320 kVA ............................................ 111 Hình 4.4 Lưới mô phỏng MBA khô 320 kVA .................................................. 112 Hình 4.5 Phân bố nhiệt độ MBA 320kVA 22/0,4kV ở chế độ tải định mức. ... 112 Hình 4.6 Phân bố nhiệt độ và điểm nóng nhất trên (a) cuộn CA và (b) trên cuộn HA tại trường hợp tải định mức. ........................................................................ 113 Hình 4.7 MBA khô 320kVA trong thử nghiệm của tác giả tại nhà máy Sanaky Hà Nội ...................................................................................................................... 113 Hình 4.8 Phân bố nhiệt độ MBA 320kVA ở chế độ 70% tải định mức ............ 114 Hình 4.9 Phân bố nhiệt độ và điểm nóng nhất trên cuộn CA (a) và trên cuộn HA (b) tại trường hợp 70% tải định mức ........................................................... 114 Hình 4.10 Phân bố nhiệt độ MBA 320kVA ở chế độ 50% tải định mức .......... 115 Hình 4.11 Phân bố nhiệt độ và điểm nóng nhất trên cuộn CA (a) và trên cuộn HA (b) tại trường hợp 50% tải định mức .................................................................. 115 Hình 4.12 So sánh giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm tại các điều kiện tải khác nhau............................................................................................................ 116
Hình 4.13 Phân bố nhiệt độ MBA ở chế độ tải định mức với hệ số về nhiệt của epoxy thay đổi theo nhiệt độ (a) và hệ số về nhiệt của epoxy là hằng số (b) .... 117 Hình 4.14 So sánh giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm trong trường hợp hệ số về nhiệt epoxy là hằng số ................................................................................... 117 Hình 4.15 Phân bố nhiệt độ MBA 320 kVA 22/0,4 kV ở chế độ 150% tải định mức ..................................................................................................................... 119 Hình 4.16 Phân bố nhiệt độ và điểm nóng nhất trên (a) cuộn CA và (b) trên cuộn HA tại trường hợp 150% tải định mức............................................................... 119 Hình 4.17 Phân bố nhiệt độ MBA 320kVA ngắn mạch thứ cấp sau thời gian 3s ............................................................................................................................ 120 Hình 4.18 Đồ thị quá trình tăng nhiệt độ cuộn CA và HA trong trường hợp ngắn mạch sự cố .......................................................................................................... 121 Hình 4.19 Phân bố ứng suất nhiệt trên (a) cuộn CA và HA pha B và (b) điểm ứng suất lớn nhất trên cuộn HA pha B ...................................................................... 122 Hình 4.20 Giá trị ứng suất nhiệt lớn nhất và giá trị ứng suất nhiệt trung bình MBA trong trường hợp ngắn mạch sự cố .................................................................... 122 Hình 4.21 Vị trí ứng suất nhiệt lớn nhất ở góc trên cùng cuộn HA pha B ........ 122 Hình 4.22 Phân bố ứng suất ngắn mạch tổng hợp ở cạnh ngoài cùng cuộn HA123 Hình 4.23 Phân bố ứng suất ngắn mạch tổng hợp ở cạnh trong cùng cuộn CA 123 Hình 4.24 Mô hình MBAVĐH trong phân tích Ansys Maxwell 3D [9] .......... 125 Hình 4.25 Phân bố nhiệt (a) cuộn dây và (b) epoxy pha B MBA VĐH sau NM 3s ............................................................................................................................ 125 Hình 4.26 Phân bố ứng suất lực nhiệt động ngắn mạch pha B MBA VĐH ..... 126 Hình 4.27 Vị trí các đường khảo sát ứng suất lực nhiệt động ngắn mạch trên cuộn HA ...................................................................................................................... 126 Hình 4.28 Phân bố ứng suất trên (a) 11 đường khảo sát và (b) vị trí ứng suất lớn nhất ..................................................................................................................... 127 Hình 4.29 Phân bố ứng suất lực nhiệt động NM trên 2 đường khảo sát 4 và 8 127 Hình 4.30 Các đường khảo sát (a) trên cuộn HA và hình chiếu bằng 11 vị trí khảo sát (b) [9] ............................................................................................................ 128 Hình 4.31 Phân bố ứng suất lớn nhất trên cuộn HA [9] .................................... 129 Hình 4.32 Phân bố ứng suất ngắn mạch tổng hợp ở cạnh ngoài cuộn HA ....... 129 Hình 4.33 Bố trí cách điện giữa cuộn dây HA và cuộn dây CA ....................... 130 Hình 4.34 Phân bố điện trường hai đầu dây quấn [90] ..................................... 131 Hình 4.35 Hệ số tăng cao cường độ điện trường phụ thuộc vào tỉ số 𝑟 + 𝑎𝑟 [90] ............................................................................................................................ 131 Hình 4.36 Điểm xác định cường độ điện trường ............................................... 132 Hình 4.37 Sự phụ thuộc cường độ điện trường lớn nhất vào bán kính cong cuộn HA ...................................................................................................................... 134
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tổng hợp các phương pháp đo hệ số dẫn nhiệt [52] ............................ 25 Bảng 2.1 Các giá trị thông số điện cơ bản MBA ................................................. 45 Bảng 2.2 Bảng kết quả dòng điện ngắn mạch cực đại ......................................... 48 Bảng 2.3 Bảng các kích thước mạch từ và cuộn dây MBA ................................ 49 Bảng 2.4 Bảng giá trị lực điện từ lớn nhất trên cuộn HA và cuộn CA................ 52 Bảng 2.5 Các kích thước của cuộn dây và lớp epoxy máy 320kVA ................... 54 Bảng 2.6 Các hằng số của dây quấn [71] ............................................................ 54 Bảng 3.1 Sự tương quan giữa một số đại lượng điện và đại lượng nhiệt ............ 74 Bảng 3.2 Các kích thước cụ thể MBA ................................................................. 78 Bảng 3.3 Thông số tổn hao MBA 320kVA ......................................................... 80 Bảng 3.4 Thông số nhiệt trở và công suất nhiệt các phần tử trên lõi thép .......... 81 Bảng 3.5 Thông số nhiệt trở và công suất nhiệt các phần tử trên lõi cuộn HA .. 81 Bảng 3.6 Thông số nhiệt trở và thông lượng nhiệt các phần tử trên lõi cuộn CA .............................................................................................................................. 82 Bảng 3.7 Tính toán các thông số cho việc tính nhiệt trở đối lưu tự nhiên khe hở không khí .............................................................................................................. 83 Bảng 3.8 Thông số nhiệt trở và thông lượng nhiệt các phần tử epoxy tiếp giáp với cuộn HA ............................................................................................................... 84 Bảng 3.9 Thông số nhiệt trở từ bề mặt cuộn CA ra môi trường .......................... 85 Bảng 3.10 So sánh giữa mô hình mạch nhiệt thay thế tương đương và mô phỏng CFD 2D ................................................................................................................ 87 Bảng 3.11 Một số tên thương mại của nhựa epoxy và công ty sản xuất [47] ..... 89 Bảng 3.12 Kết quả đo hệ số dẫn nhiệt của mẫu chuẩn bằng thiết bị QTT01 .... 101 Bảng 3.13 Hệ số dẫn nhiệt từ thực nghiệm và tính toán theo công thức (3.74) 104 Bảng 3.14 Nhiệt dung riêng ước lượng bằng mô phỏng và tính toán theo công thức (3.75) .................................................................................................................. 105 Bảng 4.1 Các thông số đo đạc thực nghiệm của MBA 320 kVA - 22/0,4 kV .. 109 Bảng 4.2 Kết quả đo nhiệt độ trên vỏ cuộn CA và HA MBA khô .................... 110 Bảng 4.3 Sai số giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt độ theo chiều cao cuộn CA ở điều kiện tải định mức ..................................................................... 116 Bảng 4.4 Sai số giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng với hệ số về nhiệt vật liệu epoxy là hằng số ở điều kiện tải định mức ......................................................... 118 Bảng 4.5 Bảng giá trị ứng suất lực ở 3 vị trí theo bề dày cuộn HA và CA ....... 128 Bảng 4.6 Bảng kết quả phân bố ứng suất có giá trị lớn nhất giữa phương pháp PTHH 3D mặt cắt và PTHH 3D [9] ................................................................... 128 Bảng 4.7 Kết quả tính cường độ điện trường lớn nhất của 6 trường hợp .......... 133
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 khu dân cư lớn, trung tâm thương mại, các khu công nghiệp. Song song với sự phát triển kinh 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 còn phải đảm bảo các yếu tố về chất lượng. Điều đó dẫn đến những yêu cầu ngày càng cao về độ an toàn, hiệu suất cũng như độ thân thiện với môi trường của các thiết bị điện 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 máy biến áp (MBA) dầu. Dầu khoáng, ngoài việc là chất cách điện và môi chất làm mát tuyệt với, nó còn có khả năng gây cháy và khả năng nổ rất cao khi tiếp xúc với ngọn lửa. Do vậy, rất cần thiết phải có một hình thức truyền tải an toàn hơn khi dân cư phải 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 phân phối năng lượng, thay thế cho các MBA dầu. Các máy điện này có thể vận hành trong 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 các MBA đó là sự cố ngắn mạch. Điều này có thể dẫn tới quá trình phá hỏng MBA dưới tác 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 MBA khi 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 luôn được chú trọng và là chủ đề nghiên cứu chuyên sâu của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Tuy nhiên việc nghiên cứu vấn đề này gặp không ít khó khăn về cả lý thuyết cũng như thực nghiệm. Khi các quá trình biến đổi về điện từ - cơ - nhiệt khi MBA hoạt động khá phức tạp, đồng thời các thí nghiệm, thử nghiệm ngắn mạch là rất tốn kém và khó thực hiện. Do đó, việc nghiên cứu các phương pháp tính toán hiện đại ứng dụng trong mô phỏng trường điện từ, cơ khí, nhiệt các hệ thống thiết bị điện có kích thước lớn, và cấu trúc phức tạp như MBA và các thiết bị điện khác là rất cần thiết. Với sự phát triển của khoa học-kỹ thuật máy tính, việc sử dụng các phần mềm mô phỏng số luôn được ưu tiên vì lý do tiết kiệm chi phí so với việc tạo ra thiết bị mẫu thực vì 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 1
việc thiết kế và tối ưu hóa MBA cũng như những thiết bị điện khác. Kết quả của việc nghiên cứu này cũng phục vụ cho việc theo dõi, xử lý sự cố, duy trì bảo dưỡng thiết bị. Có hai loại tổn hao điện năng tồn tại trong MBA khi vận hành trong hệ thống điện: 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 cuộc đời vận hành của MBA, không phụ thuộc vào tải. Theo tính toán, tổn thất MBA chiếm 2-3% tổng sản lượng điện năng trên toàn thế giới, bao gồm khoảng 30% tổn thất có tải và 70% tổn thất không tải. Hiện nay trên thế giới, theo xu thế tiết kiệm năng lượng, người ta đang dần chuyển sang sử dụng những MBA phân phối hiệu suất cao giúp đáp ứng các tiêu chí về mặt 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 làm giảm tổn thất hệ thống điện thông qua việc giảm tổn hao không tải của MBA. 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 do tổn thất giữa hai loại MBA lõi thép silic thông thường và lõi VĐH, từ đó khẳng định sử dụng MBAVĐH giảm tổn hao không tải từ 60-70% và sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao. MBAVĐH có cấu trúc lõi thép đặc biệt và kéo theo cấu trúc cuộn dây là hình chữ nhật nên phân bố điện trường, từ trường tản và phân bố lực tác dụng lên cuộn dây cũng không đối xứng trên cùng một vòng dây. Đặc biệt hơn là lúc xảy ra ngắn mạch 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 lực điện từ ngắn mạch và lực cơ học sinh ra do tác động phân bố nhiệt trong lớp cách điện epoxy (gọi là lực nhiệt động hay ứng suất nhiệt). Đặc biệt, thay đổi nhiệt độ sau ngắn mạch làm các thông số α, , Cp của epoxy thay đổi, ảnh hưởng đến khả năng truyền dẫn nhiệt, phân bố nhiệt cũng như làm thay đổi lực nhiệt động. Những vấn 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 tác giữa dòng điện và từ trường tản trong vùng dây quấn. Khi MBA hoạt động trong điều kiện bình thường, tác dụng của lực điện từ lên các dây quấn là khá nhỏ do giá trị 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 cấp xảy ra ngắn mạch), lúc này toàn bộ điện áp định mức đặt lên tổng trở ngắn mạch rất nhỏ của MBA nên dòng điện ngắn mạch quá độ sẽ rất lớn. Trong các trường hợp ngắn mạch thì trường hợp ngắn mạch 3 pha đối xứng thường có trị số dòng 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 [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 đổi nhiệt độ làm việc tạo ra ứng suất do phân bố nhiệt độ không đồng đều trong lớp epoxy, ứng suất do chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và lớp epoxy. Lực nhiệt động 2
liên quan chặt chẽ đến phân bố nhiệt độ sau thời điểm ngắn mạch đồng thời liên quan đến bản chất vật liệu làm dây quấn và epoxy. Vì vậy, lời giải cho bài toán nghiên cứu lý thuyết, tính toán về lực điện từ, ứng suất nhiệt tác dụng lên dây quấn MBA khi ngắn mạch và các thông số nhiệt của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ là điều cần thiết phải nghiên cứu. Do đó, luận án: “Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp có tính đến ảnh hưởng phân bố nhiệt trong máy biến áp khô có lõi thép vô định hình” được đặt ra là cần thiết và có ý nghĩa quan trọng và luôn mang tính thời sự đối với các nhà nghiên 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 trong MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH có xét đến ảnh hưởng của đặc tính nhiệt của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ. • Tính toán lực ngắn mạch tổng hợp MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH có tính đến lực nhiệt động do phân bố nhiệt độ không đồng đều trong lớp epoxy và do chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và lớp epoxy. Đối tượng nghiên cứu • MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH có hình dạng dây quấn hình chữ nhật. 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 việc của 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 gồm lực nhiệt động do phân bố nhiệt độ không đồng đều trong lớp epoxy và do chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và lớp epoxy có tính đến thông số α(T0C), (T0C), Cp(T0C) thay đổi trong tình trạng làm việc của MBA. • Đánh giá lực tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA ngắn mạch. Phương pháp nghiên cứu • Áp dụng các phương pháp tính toán hiện đại ứng dụng trong mô phỏng trường điện từ, cơ khí, nhiệt các hệ thống thiết bị điện có kích thước lớn, và cấu trúc phức tạp. • Sử dụng các phần mềm mô phỏng số để tính toán và xác định điểm phát nóng cục bộ. 3