Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu các quá trình điện từ của cuộn kháng bù ngang dùng trong lưới điện cao áp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:126

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện "Nghiên cứu các quá trình điện từ của cuộn kháng bù ngang dùng trong lưới điện cao áp" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quát về cuộn kháng trong hệ thống điện, đặc biệt vai trò của cuộn kháng bù ngang sử dụng trong lưới điện cao áp; cơ sở lý thuyết trường điện từ với hệ phương trình Maxwell; Thiết lập mô hình và thông số kích thước cuộn kháng bù ngang.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu các quá trình điện từ của cuộn kháng bù ngang dùng trong lưới điện cao áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM MINH TÚ NGHIÊN CỨU CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN TỪ CỦA CUỘN KHÁNG BÙ NGANG DÙNG TRONG LƯỚI ĐIỆN CAO ÁP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2022 1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM MINH TÚ NGHIÊN CỨU CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN TỪ CỦA CUỘN KHÁNG BÙ NGANG DÙNG TRONG LƯỚI ĐIỆN CAO ÁP Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9520201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Bùi Đức Hùng 2. TS. Trần Văn Thịnh Hà Nội - 2022 2
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các ấn phẩm được công bố chung với các cán bộ hướng dẫn khoa học và các đồng nghiệp đã được sự đồng ý của tác giả trước khi đưa vào luận án. Các kết quả trình bày trong luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Hà Nội, ngày … tháng … năm 2022 Người cam đoan Phạm Minh Tú TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Bùi Đức Hùng TS. Trần Văn Thịnh i
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu thực hiện luận án, tác giả đã nhận được nhiều góp ý về chuyên môn và sự giúp đỡ tận tình của tập thể cán bộ hướng dẫn khoa học, sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo và đồng nghiệp trong nhóm Máy điện và Bộ môn Thiết bị điện - Điện tử, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, cùng sự hỗ trợ tận tình của tập thể cán bộ Tổng công ty Thiết bị điện Đông Anh, luận án đến nay đã hoàn thành. Để hoàn thành luận án này, tác giả vô cùng biết ơn và bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất đến hai thầy giáo hướng dẫn khoa học trực tiếp là TS. Bùi Đức Hùng và TS. Trần Văn Thịnh đã luôn dành nhiều thời gian, công sức, quan tâm, động viên và tận tình hướng dẫn tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tác giả trân trọng cảm ơn ban lãnh đạo Tổng công ty Thiết bị điện Đông Anh đã cung cấp thông số cuộn kháng bù ngang ba pha 91 MVAr - 500kV hãng ABB khi sửa chữa bảo dưỡng tại nhà máy. Tác giả cũng trân trọng cảm ơn Trung tâm DASI trường Đại học Bách khoa Hà Nội và bộ môn Kỹ Thuật Điện, trường Đại học Quy Nhơn đã tạo điều kiện thuận lợi cho phép tác giả sử dụng phần mềm bản quyền Ansys Maxwell để thực hiện nghiên cứu cuộn kháng bù ngang. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, trường Điện - Điện tử, cùng các thầy, cô giáo và đồng nghiệp trong Bộ môn Thiết bị Điện - Điện tử đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về thời gian và cơ sở vật chất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới các bậc sinh thành, vợ và con gái yêu thương đã luôn luôn động viên, hỗ trợ mọi mặt trong những lúc khó khăn nhất để tác giả yên tâm dành trọn thời gian cho nghiên cứu, góp phần không nhỏ vào thành công của luận án. Tác giả luận án Phạm Minh Tú ii
MỤC LỤC MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................... vi DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................... ix DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................... xiii MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................... 1 2. Mục đích của luận án ................................................................................ 2 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................................. 2 4. Đối tượng nghiên cứu................................................................................ 3 5. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................... 3 6. Phương pháp nghiên cứu........................................................................... 3 7. Các đóng góp mới của luận án .................................................................. 4 8. Cấu trúc nội dung của luận án ................................................................... 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ CKBN ................................ 6 1.1 Giới thiệu chung ...................................................................................... 6 1.2 Vai trò của cuộn kháng trong hệ thống điện ........................................... 6 1.3 Cuộn kháng bù ngang.............................................................................. 7 1.3.1 Định nghĩa ........................................................................................ 7 1.3.2 Phân loại CKBN ............................................................................... 8 1.3.3 Thông số kỹ thuật của CKBN ........................................................ 10 1.4 Những nghiên cứu ở trong và ngoài nước về CKBN............................ 10 1.4.1 Những nghiên cứu trong nước ....................................................... 10 1.4.2 Những nghiên cứu ngoài nước ....................................................... 11 1.5 Những vấn đề còn tồn tại và đề xuất hướng nghiên cứu ...................... 17 1.6 Kết luận chương .................................................................................... 18 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH MẠCH TỪ CKBN ...... 19 2.1 Giới thiệu chung .................................................................................... 19 2.2 Trường điện từ và hệ phương trình Maxwell ........................................ 19 2.3 Vật liệu làm mạch từ ............................................................................. 20 2.3.1 Đặc điểm của thép kỹ thuật điện .................................................... 20 2.3.2 Đặc tính tuyến tính ......................................................................... 23 2.3.3 Vai trò của khe hở trên trụ của CKBN ........................................... 24 iii
2.4 Cấu trúc của CKBN............................................................................... 25 2.4.1 Cấu trúc mạch từ ............................................................................ 25 2.4.2 Cấu trúc dây quấn........................................................................... 28 2.5 Từ trường trong CKBN ......................................................................... 30 2.6 Mô hình mạch từ tương đương ............................................................. 30 2.6.1 Từ trở phần lõi thép ........................................................................ 31 2.6.2 Từ trở phần khe hở trên trụ ............................................................ 32 2.6.3 Điện cảm ........................................................................................ 36 2.7 Kết luận chương .................................................................................... 38 CHƯƠNG 3: THIẾT LẬP MÔ HÌNH VÀ THÔNG SỐ KÍCH THƯỚC CKBN ......................................................................................................................... 39 3.1 Giới thiệu chung .................................................................................... 39 3.2 Tổng quan về công cụ Ansys Maxwell ................................................. 39 3.2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn ....................................................... 39 3.2.2 Phần mềm Ansys Maxwell ............................................................ 41 3.3 Mô hình hóa và mô phỏng CKBN ........................................................ 43 3.3.1 Đối tượng mô phỏng ...................................................................... 43 3.3.2 Thiết lập và dựng mô hình mô phỏng ............................................ 46 3.3.3 Phân tích kết quả ............................................................................ 46 3.4 Xác định thông số kích thước CKBN ................................................... 52 3.4.1 Mô hình giải tích ............................................................................ 52 3.4.2 Mô hình mô phỏng ......................................................................... 58 3.5 Nghiên cứu xác định điện cảm rò trong CKBN .................................... 60 3.6 Kết luận chương .................................................................................... 64 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ KHE HỞ ĐẾN ĐẶC TÍNH ĐIỆN TỪ CỦA CKBN ...................................................... 65 4.1 Giới thiệu chung .................................................................................... 65 4.2 Nghiên cứu phân bố từ cảm các kiểu ghép lá thép trụ CKBN .............. 65 4.2.1 Các kiểu ghép lá thép trụ và hệ tọa độ tương ứng ......................... 65 4.2.2 Mô hình nghiên cứu các kiểu ghép lá thép trụ ............................... 68 4.2.3 Phân tích phân bố từ cảm với các kiểu ghép lá thép trụ ................ 69 4.3 Nghiên cứu lực điện từ trên các khối trụ ............................................... 73 4.3.1 Đặt vấn đề....................................................................................... 73 iv
4.3.2 Xác định lực điện từ ....................................................................... 74 4.3.3 Phân tích kết quả phân bố lực điện từ ............................................ 75 4.4 Nghiên cứu xác định số lượng khe hở trên trụ ...................................... 78 4.4.1 Đặt vấn đề....................................................................................... 78 4.4.2 Mô hình nghiên cứu theo số lượng khe hở trên trụ ........................ 79 4.4.3 Phân tích kết quả ............................................................................ 80 4.5 Nghiên cứu khoảng cách giữa các khe hở trên trụ ................................ 85 4.5.1 Đặt vấn đề....................................................................................... 85 4.5.2 Mô hình nghiên cứu các trường hợp kích thước và khoảng cách khe hở khác nhau ........................................................................................... 86 4.5.3 Phân tích ảnh hưởng của khoảng cách giữa các khe hở tới thông số điện cảm .................................................................................................. 87 4.6 Kết luận chương .................................................................................... 92 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 94 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........ 102 PHỤ LỤC ...................................................................................................... 103 Phụ lục 1 .................................................................................................... 103 Phụ lục 2 .................................................................................................... 107 Phụ lục 3 .................................................................................................... 108 Phụ lục 4 .................................................................................................... 110 v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu/ Đơn vị Ý nghĩa Viết tắt CKBN Cuộn kháng bù ngang MBA Máy biến áp PTHH Phần tử hữu hạn SR Vòng điện dung SER Vòng điện dung đầu cuộn dây Qđm MVAr Công suất phản kháng định mức Qmax MVAr Công suất phản kháng cực đại Uđm kV Điện áp định mức Umax kV Điện áp cực đại Iđm A Dòng điện định mức If A Dòng điện pha j A/m2 Mật độ dòng điện f Hz Tần số Pcu kW Tổn hao đồng Pfe kW Tổn hao sắt từ F A.vòng Sức từ động F N Lực điện từ XL  Điện kháng L H Điện cảm Ltot H Điện cảm tổng Lc H Điện cảm tương ứng phần từ thông chính trong lõi thép Lg H Điện cảm tương ứng phần khe hở giữa trụ Lf H Điện cảm tản Ll H Điện cảm rò Wtot J Năng lượng tổng Wc J Năng lượng tích trữ trong mạch từ Wg J Năng lượng tích trữ trong khe hở giữa trụ vi
Wf J Năng lượng tích trữ xung quanh khe hở  Wb.vòng Từ thông móc vòng m Wb Từ thông chính trong mạch từ f Wb Từ thông tản l Wb Từ thông rò rw  Điện trở dây quấn E V/m Cường độ điện trường D C/m2 Vectơ cảm ứng điện B T Từ cảm hay mật độ từ thông H A/m Cường độ từ trường  C/m3 Mật độ điện tích 𝜇 H/m Từ thẩm μ0 H/m Từ thẩm chân không, có giá trị 4.10-7 H/m μr Độ từ thẩm tương đối 𝜀 F/m Hằng số điện môi 0 F/m Hằng số điện môi của chân không J Độ phân cực từ M A/m Từ độ hay độ từ hóa m Độ cảm từ Dc m Đường kính trụ Ac m2 Tiết diện trụ Hc m Chiều cao trụ Dy m Chiều sâu gông Hy m Chiều cao của gông Ly m Chiều dài của gông Wy m Chiều rộng cửa sổ mạch từ Ag m2 Tiết diện khe hở lg m Tổng chiều dài khe hở trên trụ l1g m Chiều dài mỗi khe hở trên trụ g Khe hở Số khe hở trên trụ vii
Hg m Khoảng cách giữa các khe hở Hg_Min m Khoảng cách nhỏ nhất giữa các khe hở Hg_Max m Khoảng cách lớn nhất giữa các khe hở N Vòng Số vòng dây quấn Aw m2 Tiết diện cuộn dây Ww m Chiều rộng dây quấn Hw m Chiều cao dây quấn kw Hệ số hình dáng dây quấn ku Hệ số điền đầy dây quấn trong cửa sổ mạch từ bcw m Khoảng cách cách điện từ dây quấn đến trụ byw m Khoảng cách cách điện từ dây quấn đến gông Rtot H-1 Từ trở tổng Rci H-1 Từ trở phần mạch từ thứ i Rc H-1 Từ trở mạch từ Rg H-1 Từ trở khe hở khi bỏ qua từ trường tản Rf H-1 Từ trở tản xung quanh khe hở Pc H Từ dẫn mạch từ Pg H Từ dẫn khe hở khi bỏ qua từ trường tản Pgf H Từ dẫn khe hở kể đến ảnh hưởng bởi từ trường tản Pf H Từ dẫn tản xung quanh khe hở viii
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 0.1 Công suất phản kháng sinh ra từ đường dây [2] ........................................ 1 Hình 0.2 Hiệu ứng Ferranti ........................................................................................ 2 Hình 1.1 Sơ đồ kết nối CKBN trong lưới truyền tải điện [10] ................................... 6 Hình 1.2 Sơ đồ kết nối cuộn kháng hạn chế dòng ngắn mạch [11] ........................... 7 Hình 1.3 Kết nối cuộn kháng hạn chế dòng xả cùng tụ bù dọc [12] .......................... 7 Hình 1.4 Phân loại CKBN .......................................................................................... 8 Hình 1.5 Cuộn kháng khô lõi không khí của hãng Trench [13] ................................. 9 Hình 1.6 Cuộn kháng ba pha ngâm dầu của hãng Siemens [14] ............................... 9 Hình 1.7 Mô hình lõi thép trong nghiên cứu [19] .................................................... 11 Hình 1.8 Mặt cắt ngang trụ: (a) kiểu đúc kết dính thành khối, (b) kiểu ghép dùng bu lông kẹp giữ [25] ...................................................................................................... 12 Hình 1.9 Vết cắt trên mạch từ [27] .......................................................................... 12 Hình 1.10 Cấu trúc CKBN một pha: (a) một trụ, (b) hai trụ [28] .......................... 12 Hình 1.11 (a) Modul lõi thép và dây quấn, (b) Sơ đồ đấu dây [29] ........................ 13 Hình 1.12 (a) Sơ đồ mạch điện, (b)Thành phần sóng hài [30] ............................... 13 Hình 1.13 Mô hình cuộn cảm với vị trí khe hở khác nhau [31] ............................... 13 Hình 1.14 Mô hình mạch từ với sơ đồ mạch từ tương đương [32] .......................... 14 Hình 1.15 Biến đổi tương đương trụ tiết diện tròn sang trụ chữ nhật [33] ............. 14 Hình 1.16 Chia vùng tính từ dẫn tản: (a) trụ tiết diện chữ nhật, (b) trụ tròn [24] .. 15 Hình 1.17 Cấu trúc khe hở trên mạch từ ở hình (c) kết hợp giữa kiểu khe hở trên hình (a) và (b) [43] ........................................................................................................... 16 Hình 2.1 Đường cong từ hóa .................................................................................... 21 Hình 2.2 Quá trình hình thành các vách đômen [65] .............................................. 22 Hình 2.3 Sự xoay hướng của vectơ mômen từ trong vách Bloch giữa hai đômen ... 22 Hình 2.4 Đường cong từ hóa và chu trình từ trễ của vật liệu sắt từ [68] ................ 22 Hình 2.5 Các kiểu đặc tính từ của cuộn kháng điện [16] ........................................ 23 Hình 2.6 Thông số trên đặc tính phi tuyến [16] ....................................................... 23 Hình 2.7 Quan hệ điện áp và dòng điện trên cuộn kháng ........................................ 24 Hình 2.8 Đường cong B(H) khi có và không có khe hở trên mạch từ [70] .............. 24 Hình 2.9 CKBN một pha một cuộn dây: (a) có trụ giữa, (b) không có trụ giữa ...... 25 Hình 2.10 Tấm ceramic ngăn cách giữa các khối trụ .............................................. 26 Hình 2.11 Cấu trúc xà ép gông ................................................................................ 26 Hình 2.12 CKBN một pha hai cuộn dây có hoặc không có trụ ngoài ...................... 26 Hình 2.13 CKBN ba pha: (a) có trụ giữa, (b) không có trụ trong cuộn dây............ 27 Hình 2.14 CKBN ba pha: (a) năm trụ, (b) không có trụ trong cuộn dây ................. 27 ix
Hình 2.15 Từ thông trong mạch từ và từ thông rò móc vòng trên vách thùng [71] 27 Hình 2.16 CKBN ba pha kiểu bọc [71] .................................................................... 28 Hình 2.17 Phân bố điện áp ban đầu trên dây quấn [72] .......................................... 28 Hình 2.18 Dây quấn xoắn ốc liên tục [73] ............................................................... 29 Hình 2.19 Vòng điện dung (Static ring - SR) ........................................................... 29 Hình 2.20 Màn chắn quấn cùng trong cặp bánh dây [74] ....................................... 29 Hình 2.21 Các kiểu dây quấn đan xen [75] ............................................................. 29 Hình 2.22 Kiểu dây quấn với đầu đầu ở giữa cuộn dây [77]................................... 30 Hình 2.23 Phân bố từ trường trong CKBN: (a) một khe hở lớn, (b) chia nhiều khe hở .................................................................................................................................. 30 Hình 2.24 Thông số kích thước cơ bản của CKBN .................................................. 31 Hình 2.25 Sơ đồ mạch từ thay thế CKBN ................................................................. 31 Hình 2.26 Phân vùng xác định kích thước li và Ai [78] ............................................ 32 Hình 2.27 Hình dạng và kích thước khe hở cơ bản .................................................. 34 Hình 2.28 Các kiểu khe hở trên mạch từ CKBN: ..................................................... 35 Hình 2.29 Sơ đồ mạch từ tương đương CKBN một pha ........................................... 36 Hình 2.30 Sơ đồ mạch điện tương đương của CKBN một pha ................................ 37 Hình 3.1 Các phương pháp giải bài toán điện từ trường [88] ................................ 40 Hình 3.2 Các dạng PTHH được sử dụng trong quá trình rời rạc ............................ 40 Hình 3.3 Quá trình giải bài toán bằng phương pháp PTHH [93], [94] ................... 41 Hình 3.4 Minh họa điện cảm tự cảm và hỗ cảm [93] .............................................. 42 Hình 3.5 Lưu đồ thực hiện chia lưới mô hình đối tượng [93].................................. 43 Hình 3.6 Thông số kích thước CKBN ba pha ........................................................... 44 Hình 3.7 Hình ảnh thực tế các bộ phận chính của CKBN ba pha ABB 91 MVAr ... 45 Hình 3.8 Mô hình CKBN ba pha .............................................................................. 46 Hình 3.9 Không gian giới hạn mô phỏng và kích thước mở rộng các chiều ........... 46 Hình 3.10 Điện áp đặt vào các pha dây quấn CKBN 91 MVAr ............................... 47 Hình 3.11 Dòng điện các pha trên dây quấn CKBN 91 MVAr ................................ 47 Hình 3.12. Phân bố từ cảm trên mạch từ ................................................................. 48 Hình 3.13 Phân bố từ cảm trên đoạn C1-C2 giữa khối trụ ...................................... 48 Hình 3.14 Phân bố từ cảm trên đoạn G1-G2 dọc khe hở giữa các khối trụ ............ 49 Hình 3.15 Phân bố từ cảm trên đoạn D1-D2 dọc theo chiều cao mặt trong dây quấn .................................................................................................................................. 49 Hình 3.16 Tổn hao đồng trên CKBN 91 MVAr ........................................................ 51 Hình 3.17 Tổn hao sắt trên mạch từ CKBN 91MVAr .............................................. 51 Hình 3.18 Lưu đồ tính toán giải tích ........................................................................ 52 x
Hình 3.19 Lưu đồ tính toán mô phỏng bằng phương pháp PTHH........................... 58 Hình 3.20 Mô hình CKBN một pha .......................................................................... 59 Hình 3.21 Bộ biến dựng mô hình CKBN .................................................................. 59 Hình 3.22 Quan hệ giữa giá trị điện cảm rò so với điện cảm tổng theo công suất tại các cấp điện áp khác nhau ....................................................................................... 61 Hình 3.23 Thiết lập thay đổi giá trị hệ số hình dáng dây quấn................................ 62 Hình 3.24 Quan hệ giữa Ll/Ltot theo hệ số kw tại các cấp công suất khác nhau trên lưới điện 110 kV........................................................................................................ 62 Hình 3.25 Quan hệ giữa Ll/Ltot theo hệ số kw tại các cấp công suất khác nhau trên lưới điện 220 kV........................................................................................................ 63 Hình 3.26 Quan hệ giữa Ll/Ltot theo hệ số kw tại các cấp công suất khác nhau trên lưới điện 500 kV........................................................................................................ 63 Hình 4.1 Từ trường tản khu vực xung quanh khe hở................................................ 65 Hình 4.2 Hệ tọa độ lá thép RD-TD-LD .................................................................... 66 Hình 4.3 Các kiểu ghép lá thép các khối trụ của CKBN .......................................... 66 Hình 4.4 Tạo hệ tọa độ tương đối “RelativeCS1” ................................................... 68 Hình 4.5 Chia khối trụ thành từng phần .................................................................. 69 Hình 4.6 Phân bố từ cảm trên khối trụ với các kiểu ghép lá thép............................ 70 Hình 4.7 Từ cảm trên đoạn Y1-Y2 giữa khối trụ với các kiểu ghép lá thép ............. 71 Hình 4.8 Từ cảm trên đoạn Y1-Y2 giữa khối trụ và Y3-Y4 trên mặt khối trụ. ......... 71 Hình 4.9 Mô hình CKBN một pha có các khối trụ được cắt vát góc........................ 72 Hình 4.10 Phân bố từ cảm trên khối trụ trong trường hợp cắt vát mép khối trụ so với trường hợp không cắt vát. ........................................................................................ 72 Hình 4.11 Từ cảm trên đoạn Y1-Y2 giữa khối trụ và trên đoạn Y3-Y4 sát mép vát cạnh .................................................................................................................................. 73 Hình 4.12 Phân bố ứng suất lực pháp tuyến trên bề mặt các khối trụ..................... 76 Hình 4.13 Phân bố ứng suất lực trên hai đoạn Y1-Y2 và Y3-Y4 .............................. 76 Hình 4.14 Ứng suất lực hướng trục trên bề mặt trên và dưới của các khối trụ....... 77 Hình 4.15 Quan hệ giữa ứng suất lực trung bình trên bề mặt các khối trụ với từ cảm .................................................................................................................................. 77 Hình 4.16 Mô hình CKBN một pha khi không phân chia và chia khe hở trên trụ ... 79 Hình 4.17 Phân bố từ thông tản xung quanh khe hở................................................ 79 Hình 4.18 Phân bố từ cảm dọc đoạn D1-D2 theo chiều cao dây quấn.................... 80 Hình 4.19 Chênh lệch giữa điểm có từ cảm lớn nhất với giá trị từ cảm trung bình 81 Hình 4.20 Phân bố từ cảm trên đoạn X1-X2 ngang khối trụ ................................... 81 Hình 4.21 Phân bố từ cảm trên đoạn Y1-Y2 ............................................................ 82 xi
Hình 4.22 Quan hệ giữa điện cảm tổng và điện cảm tản với số lượng khe hở trên trụ .................................................................................................................................. 82 Hình 4.23 Quan hệ giữa điện cảm với số khe của CKBN 128/3 MVAr: (a) lưới 110 kV, (b) lưới 220 kV, (c) lưới 500 kV ......................................................................... 83 Hình 4.24 Số lượng khe hở trên trụ theo công suất và cấp điện áp ......................... 84 Hình 4.25 Dải lựa chọn chiều dài một khe hở theo cấp điện áp .............................. 84 Hình 4.26 Thay đổi khoảng cách giữa các khe hở Hg .............................................. 85 Hình 4.27 Quan hệ giữa điện cảm L theo khoảng cách giữa các khe hở Hg ứng với từng trường hợp số khe hở khác nhau ...................................................................... 88 Hình 4.28 Đặc tính quan hệ giữa các giá trị khoảng cách giữa các khe hở và giá trị điện cảm L_min ứng với số lượng khe hở trên trụ (trường hợp 1) .......................... 89 Hình 4.29 Quan hệ giữa khoảng cách giữa các khe hở và điện cảm L_min ứng với số khe hở “g” (trường hợp 2) ....................................................................................... 90 Hình 4.30 Quan hệ giữa khoảng cách giữa các khe hở và điện cảm L_min ứng với số khe hở “g” (trường hợp 3) ....................................................................................... 90 Hình 4.31 Quan hệ giữa khoảng cách giữa các khe hở và điện cảm L_min ứng với số khe hở “g” (trường hợp 4) ....................................................................................... 91 Hình 4.32 Quan hệ giữa khoảng cách giữa các khe hở và điện cảm L_min ứng với số khe hở “g” (trường hợp 5) ....................................................................................... 91 Hình 4.33 Quan hệ giữa số lượng khe hở trên trụ với tỉ lệ giữa tiết diện và chiều dài khe hở Ag/lg ............................................................................................................... 92 xii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Thông số chính của CKBN 91 MVAr ........................................................ 44 Bảng 3.2 Kết quả đo thực nghiệm CKBN 91 MVAr-500 kV .................................... 45 Bảng 3.3 So sánh giá trị dòng điện mô phỏng với giá trị định mức ........................ 47 Bảng 3.4 So sánh giá trị dòng điện mô phỏng với kết quả đo thực nghiệm ............. 48 Bảng 3.5 Điện cảm tự cảm và hỗ cảm của CKBN 91 MVAr .................................... 50 Bảng 3.6 So sánh giá trị điện kháng mô phỏng với giá trị định mức ....................... 50 Bảng 3.7 So sánh giá trị điện kháng mô phỏng với kết quả đo thực nghiệm ........... 50 Bảng 3.8 So sánh các giá trị tổn hao mô phỏng với kết quả đo thực nghiệm .......... 51 Bảng 3.9 Thông số chính CKBN một pha công suất 35 MVAr ................................ 60 Bảng 3.10 Sai số điện cảm giữa hai phương pháp của CKBN một pha 35 MVAr .. 60 Bảng 4.1 Quan hệ trục tọa độ tương ứng giữa các hệ tọa độ. ................................. 67 Bảng 4.2 Từ thông và từ cảm trung bình trên bề mặt khối trụ. ................................ 70 Bảng 4.3 Thông số chính CKBN ứng với 5 trường hợp kích thước khác nhau........ 86 Bảng 4.4 Gán biến tọa độ các điểm trên khối trụ trên hệ tọa độ global OXYZ ....... 87 xiii
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hệ thống truyền tải và phân phối điện năng tại Việt Nam đang được vận hành ở cấp điện áp siêu cao áp 500 kV, cao áp 220 kV, 110 kV và cấp điện áp trung áp 35 kV, 22 kV hay 6 kV. Việc trao đổi công suất giữa các vùng miền thường rất lớn và thông qua các đường dây liên kết khá dài. Đường dây 500 kV liên kết hệ thống điện các miền thành hệ thống điện hợp nhất, có thể coi là xương sống của hệ thống điện Việt Nam, đóng vai trò vô cùng quan trọng trong cân bằng năng lượng điện toàn quốc và ảnh hưởng lớn đến độ tin cậy cung cấp điện. Hệ thống truyền tải điện quốc gia ngày càng phát triển mạnh mẽ, lưới điện ngày càng mở rộng và phức tạp. Nếu như năm 1994, hệ thống truyền tải điện quốc gia chỉ có 1487 km đường dây 500 kV và hơn 1913 km đường dây 220 kV, thì hiện nay, hệ thống truyền tải đang vận hành với 9390 km đường dây 500 kV trên ba mạch và hơn 18798 km đường dây 220 kV, cùng với đó là sự tăng trưởng mạnh về công suất truyền tải và số trạm biến áp trên hệ thống [1]. Các hệ thống truyền tải điện cao áp và siêu cao áp do có chiều dài rất lớn nên thường sản sinh ra một lượng công suất phản kháng đáng kể [2]. Thông thường, ở chế độ vận hành vừa và đầy tải, lượng công suất phản kháng sinh ra từ đường dây có thể cân bằng bởi các Hình 0.1 Công suất phản kháng sinh phụ tải điện cảm và điện cảm đường ra từ đường dây [2] dây. Vấn đề cần lưu ý ở đây là khi đường dây quá non tải, đặc biệt là khi cắt tải đột ngột ở một phía đường dây sẽ xuất hiện hiện tượng tăng điện áp trên dọc tuyến đường dây, gây quá áp làm già hóa, giảm tuổi thọ, thậm chí đánh hỏng cách điện của các thiết bị nối trên đó, đặc biệt là các thiết bị cuối đường dây. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Ferranti, được nhiều tác giả đưa ra trong các nghiên cứu [3]–[5], được mô tả trên Hình 0.2. Các nghiên cứu này đều cho thấy, nguyên nhân chính của hiện tượng quá áp dọc tuyến đường dây là do dung dẫn giữa dây dẫn với đất sinh ra công suất phản kháng rất lớn mà không được cân bằng, công suất phản kháng đóng một vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống điện, đặc biệt là trên hệ thống truyền tải điện năng. Để khắc phục tình trạng này, nhằm duy trì ổn định điện áp ở mức quy định, hiện nay phương pháp sử dụng phổ biến là dùng các cuộn kháng điện mắc song song ( còn gọi là mắc “shunt”) với lưới điện cao áp. Cuộn kháng này được gọi là cuộn 1
kháng bù ngang (CKBN). Các CKBN thường được lắp đặt tại các thanh cái của trạm biến áp hoặc các trạm bù trên đường dây để hấp thụ lượng công suất phản kháng dư thừa được sinh ra bởi dung dẫn đường dây [2], [6]–[9]. Hình 0.2 Hiệu ứng Ferranti Đặc điểm của hệ thống truyền tải điện năng tại Việt Nam là phân bố từ Bắc vào Nam, với khoảng cách giữa các trạm tương đối lớn. Do đó, ngoài các CKBN được lắp đặt ngay tại các trạm biến áp, tùy thuộc vào chiều dài đường dây truyền tải điện và công suất truyền tải có thể cần thêm các trạm bù trên đường dây nhằm mục đích giới hạn điện áp tại giá trị cho phép. Những phân tích trên cho thấy các CKBN là thành phần rất quan trọng, không thể thiếu và được sử dụng rất phổ biến trong lưới điện cao áp và siêu cao áp. Tuy nhiên, hiện nay tất cả các CKBN đang được sử dụng trong lưới điện Quốc gia đều được cung cấp bởi các hãng nước ngoài như ABB, Siemens, Fuji electric… với giá thành cao. Một số đơn vị chế tạo máy biến áp (MBA) trong nước cũng đã bước đầu lên kế hoạnh nghiên cứu sản xuất song vẫn đang gặp những trở ngại và thách thức nhất định với nhiều câu hỏi cần được giải đáp từ kiểu ghép lá thép trụ, số lượng khe hở đến khoảng cách giữa các khe hở cần thêm trên trụ. Trong khi đó, nhu cầu phát triển lưới điện truyền tải ngày càng lớn theo sự phát triển của phụ tải kéo theo nhu cầu rất lớn về CKBN trên hệ thống. Trên cơ sở đó, đề tài “Nghiên cứu các quá trình điện từ của cuộn kháng bù ngang dùng trong lưới điện cao áp” là hết sức cần thiết và mang tính thời sự đối với các nhà nghiên cứu, các hãng chế tạo Máy điện. Dựa vào kết quả nghiên cứu sẽ đưa ra các kiến nghị trong vấn đề thiết kế, chế tạo CKBN, từng bước làm chủ công nghệ, tiến tới nội địa hóa sản xuất CKBN đáp ứng nhu cầu phát triển lưới điện Quốc gia. 2. Mục đích của luận án Nghiên cứu, phân tích quá trình điện từ trên mô hình đối tượng của CKBN dùng trong lưới điện cao áp. Phân tích đánh giá phân bố từ cảm trên các khối trụ của CKBN với các kiểu ghép lá thép trụ khác nhau. Nghiên cứu phân tích lực điện từ trên các khối trụ, ứng suất lực tác động trên các tấm vật liệu phi từ tính ngăn cách giữa các khối trụ, quan hệ giữa ứng suất lực với từ cảm trên khối trụ. Nghiên cứu xác định số lượng khe hở và khoảng cách giữa các khe hở hợp lý trên trụ của CKBN. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: 2
- Nghiên cứu xác định được quan hệ giữa tỉ lệ điện cảm rò so với điện cảm tổng theo công suất, điện áp và hệ số hình dáng dây quấn, là cơ sở tính chọn tỉ lệ điện cảm rò khi tính toán thông số CKBN. - Kết quả nghiên cứu về phân bố từ cảm trên các khối trụ giúp xác định kiểu ghép lá thép trụ phù hợp áp dụng cho CKBN dùng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp. - Nghiên cứu lực điện từ tác động trên các khối trụ, ứng suất lực nén lên các tấm ngăn cách giữa các khối trụ, quan hệ giữa ứng suất lực điện từ theo từ cảm trên mạch từ. Kết quả nghiên cứu này là cơ sở phối hợp lựa chọn từ cảm mạch từ và lựa chọn vật liệu phù hợp cho các tấm ngăn cách. - Nghiên cứu xác định được số lượng và khoảng cách giữa các khe hở phân bố trên trụ hợp lý nhằm giảm từ trường tản, điện cảm tản và điện cảm tổng, qua đó đạt công suất phản kháng của CKBN. Ý nghĩa thực tiễn: - Các kết quả đạt được giúp cho các nhà nghiên cứu, thiết kế, các hãng chế tạo xác định được thông số kích thước của CKBN cho các dải công suất và điện áp lưới điện, xác định được kiểu ghép lá thép phù hợp cho các khối trụ của CKBN, qua đó hoàn thiện công nghệ chế tạo mạch từ tiến tới sản xuất CKBN tại Việt Nam. Phối hợp lựa chọn từ cảm mạch từ cùng vật liệu, kích thước và số lượng các tấm ngăn cách dựa trên kết quả nghiên cứu lực điện từ tác động trên các khối trụ, ứng suất lực nén lên các tấm ngăn cách giữa các khối trụ. - Kết quả nghiên cứu quan hệ điện cảm theo số lượng khe hở cũng như khoảng cách giữa các khe hở giúp các nhà nghiên cứu, các hãng chế tạo xác định được số lượng và khoảng cách phù hợp giữa các khe hở phân bố trên trụ. 4. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là CKBN dùng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp. 5. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung vào nghiên cứu phân bố từ cảm trên các khối trụ ứng với các kiểu ghép lá thép trụ khác nhau. Nghiên cứu lực điện từ tác động trên các khối trụ với các giá trị từ cảm khác nhau, qua đó xác định được ứng suất lực nén lên các tấm ngăn cách giữa các khối trụ. Nghiên cứu xác định số lượng khe hở và khoảng cách giữa các khe hở phù hợp phân bố trên trụ để giảm từ trường tản, điện cảm tản và điện cảm tổng, qua đó đạt công suất phản kháng theo yêu cầu của CKBN. 6. Phương pháp nghiên cứu - Thực hiện nghiên cứu trên cơ sở tổng hợp, phân tích các tài liệu khoa học, các nghiên cứu trong nước và quốc tế. Thực hiện phân tích lý thuyết trường điện từ, 3
lý thuyết máy điện áp dụng cho CKBN dùng trong lưới điện cao áp. - Sử dụng phương pháp giải tích qua mô hình mạch từ kết hợp với phương pháp PTHH để xây dựng lưu đồ xác định các thông số kích thước, các thông số kỹ thuật như điện cảm và công suất, thực hiện mô hình hóa và mô phỏng bài toán điện từ trên đối tượng nghiên cứu. 7. Các đóng góp mới của luận án Nội dung của luận án đã tập trung nghiên cứu các quá trình điện từ của CKBN dùng trong lưới điện cao áp. Luận án đã đạt được một số kết quả nghiên cứu mới có thể được tóm lược như sau: - Nghiên cứu đưa ra được đặc tính và đa thức quan hệ giữa tỉ lệ điện cảm rò so với điện cảm tổng theo công suất, điện áp và hệ số hình dáng dây quấn của CKBN. - Nghiên cứu xác định được kiểu ghép lá thép các khối thép trụ phù hợp với CKBN có công suất lớn dùng trong lưới điện cao áp. - Đưa ra phân bố lực điện từ tác động trên bề mặt các khối trụ, mối quan hệ giữa lực điện từ hay ứng suất lực nén lên các tấm ngăn cách giữa các khối trụ theo giá trị từ cảm trên trụ, là cơ sở giúp các nhà thiết kế, các hãng chế tạo phối hợp lựa chọn các tấm ngăn cách giữa các khối trụ theo từ cảm mạch từ. - Nghiên cứu đưa ra được đặc tính và đa thức xác định số lượng khe hở trên trụ theo công suất và điện áp, đưa ra dải lựa chọn chiều dài mỗi khe hở theo các cấp điện áp cao áp và siêu cao áp để giảm từ trường tản, điện cảm tản và điện cảm tổng, qua đó đạt công suất phản kháng của CKBN. - Nghiên cứu xác định được dải lựa chọn khoảng cách phù hợp giữa các khe hở với các trường hợp có tiết diện hay đường kính trụ và chiều dài khe hở khác nhau, giúp các nhà thiết kế, các hãng chế tạo có cơ sở lựa chọn vị trí các khe hở trên trụ. 8. Cấu trúc nội dung của luận án Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 4 chương, mỗi chương được viết theo các nội dung sau: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ CKBN Trong chương này, luận án giới thiệu tổng quát về cuộn kháng trong hệ thống điện, đặc biệt vai trò của CKBN sử dụng trong lưới điện cao áp. Thực hiện tổng hợp, phân tích, đánh giá các nghiên cứu ở trong và ngoài nước về CKBN. Trên cơ sở những vấn đề còn tồn tại từ những nghiên cứu trước đó, đề ra hướng nghiên cứu cho luận án. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH MẠCH TỪ CKBN Luận án trình bày về cơ sở lý thuyết trường điện từ với hệ phương trình Maxwell. Từ đặc điểm phi tuyến của vật liệu chế tạo mạch từ, phân tích đặc tính điện từ của CKBN trong dải điện áp làm việc, đảm bảo CKBN có đặc tính tuyến tính ở giá 4
trị điện áp lớn nhất của lưới điện. Trong chương này, luận án cũng phân tích vai trò của khe hở được thêm vào mạch từ của CKBN, đồng thời, thực hiện phân tích mô hình mạch từ tương đương, các phương pháp xác định từ trở phần lõi thép, từ trở phần khe hở trên trụ có xét đến ảnh hưởng của từ trường tản khu vực xung quanh khe hở, đưa ra công thức xác định từ dẫn tản ứng với từ thông tản ở xung quanh khe hở giữa các khối trụ có tiết diện tròn. Xác định điện cảm qua mô hình mạch từ hoặc qua các thành phần năng lượng. CHƯƠNG 3: THIẾT LẬP MÔ HÌNH VÀ THÔNG SỐ KÍCH THƯỚC CKBN Trình bày tổng quan các phương pháp phân tích bài toán điện từ gồm phương pháp giải tích và các phương pháp số, thực hiện mô hình hóa và mô phỏng bằng phương pháp PTHH cho CKBN ba pha có công suất 91 MVAr do hãng ABB chế tạo, các kết quả thông số kỹ thuật được so sánh với các giá trị đo thực nghiệm để khẳng định tính đúng đắn của mô hình nghiên cứu bằng phương pháp PTHH. Thông qua mô hình giải tích kết hợp với mô hình mô phỏng, xác định thông số kích thước mạch từ và dây quấn của các CKBN một pha có công suất khác nhau dùng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp theo tổ ba cuộn kháng một pha. Dựa trên thông số của các CKBN này, luận án nghiên cứu phân tích quan hệ giữa tỉ lệ giá trị điện cảm rò so với điện cảm tổng ứng với các giá trị công suất tại từng cấp điện áp cao áp, siêu cao áp và hệ số hình dáng dây quấn kw khác nhau. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ KHE HỞ ĐẾN ĐẶC TÍNH ĐIỆN TỪ CỦA CKBN Áp dụng phương pháp số để phân tích và đánh giá, xác định phân bố từ cảm trên các kiểu ghép lá thép khác nhau cho các khối trụ của CKBN. Nghiên cứu phân tích lực điện từ tác động trên các khối trụ, ứng suất lực nén lên các tấm ngăn cách, xác định mối quan hệ giữa ứng suất lực theo giá trị từ cảm, giúp các nhà thiết kế chế tạo có cơ sở lựa chọn được kiểu ghép mạch từ, phối hợp lựa chọn từ cảm mạch từ và vật liệu phù hợp cho các tấm ngăn cách giữa các khối trụ. Nghiên cứu phân tích quan hệ giữa điện cảm tản, điện cảm tổng với số lượng khe hở khác nhau. Từ khe hở có chiều dài lớn cần chia thành nhiều khe hở nhỏ phân bố trên trụ, cơ sở phân chia số lượng khe hở phù hợp và phân bố các khe hở trên trụ được nghiên cứu và phân tích trong nội dung chương này. Luận án thực hiện nghiên cứu các mô hình CKBN có tỉ lệ giữa tiết diện khe hở và chiều dài khe hở khác nhau, tìm ra giải pháp xác định số lượng và dải lựa chọn khoảng cách giữa các khe hở phù hợp nhằm giảm từ trường tản, điện cảm tản và điện cảm tổng, qua đó đạt công suất phản kháng của CKBN. 5