Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của phân bố điện từ trường, và phân bố nhiệt ngắn mạch biến áp phân phối sử dụng lõi thép vô định hình

Chia sẻ: Sơ Dương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:104

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng của phân bố điện từ trường, và phân bố nhiệt ngắn mạch biến áp phân phối sử dụng lõi thép vô định hình" nghiên cứu về phân bố nhiệt trong MBA khô có lõi thép vô định hình nhằm xác định phân bố nhiệt phân bố trong dây quấn ở chế độ định mức và ngắn mạch góp phần nghiên cứu thiết kế kinh tế các MBA sử dụng vật liệu vô định hình ở Việt Nam

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của phân bố điện từ trường, và phân bố nhiệt ngắn mạch biến áp phân phối sử dụng lõi thép vô định hình

1 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ......................................................................... 6 DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................. 7 MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 8 1. Tính cấp thiết của đề tài: ........................................................................... 8 2. Sơ lược tình hình nghiên cứu về MBA trên thế giới và trong nước. ...... 10 3. Ý nghĩa khoa học – thực tiễn: ................................................................. 13 4. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu: ......................................... 13 5. Những thuận lợi, khó khăn khi tiến hành nghiên cứu: ............................ 15 6. Trong luận văn đã sử dụng các giả thiết khoa học sau: .......................... 15 7. Nội dung luận văn gồm phần mở đầu và 4 chương : .............................. 15 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP TRONG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI ĐIỆN ....................................................................................... 16 1.1. Tổng quan............................................................................................ 16 1.2. Tiêu chuẩn về MBA tiết kiệm năng lượng tại Hoa kỳ ........................ 18 1.3. Tiêu chuẩn MBA tiết kiệm năng lượng tại Úc và New Zealand ........ 22 1.4. Tiêu chuẩn MBA tiết kiệm năng lượng tại Việt nam và một số nước 24 1.5 . MBA dầu và MBA khô ........................................................................ 26 1.5.1. Khái niệm .......................................................................................... 26 1.5.2. MBA khô có cuộn dây không đúc trong cách điện rắn [2] và [4] .. 26 1.5.3. MBA khô có cuộn dây đúc trong cách điện rắn ............................. 27 1.5.4. Ưu nhược điểm MBA dầu và MBA khô ........................................... 28 1.6. Xu hướng ưu tiên lựa chọn MBA hiệu suất cao ................................. 30 1.6.1. Xu hướng chế tạo MBA hiệu suất cao dùng vật liệu tôn VĐH ....... 30 1.6.2. Bài toán MBA hiệu suất cao dùng vật liệu thép VĐH .................... 32 1.7. Một số kết luận chương 1 .................................................................... 33
2 CHƯƠNG 2: PHÂN BỐ TỪ TRƯỜNG TẢN VÀ LỰC ĐIỆN TỪ ................................. 35 VÙNG DẤY QUẤN MÁY BIẾN ÁP ........................................................... 35 2.1. Khái niệm ............................................................................................ 35 2.2. Hệ phương trình Maxwell ................................................................... 35 2.3. Hàm thế vô hướng ............................................................................... 39 2.4. Phân bố từ trường tản và lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA .... 44 2.5. Phân tích kết quả tính cho MBA 630 kVA có lõi thép VĐH [1] ........ 48 2.5.1. Biểu thức dòng điện ngắn mạch MBA 630 kVA ............................ 49 2.5.2. Phân tích ứng suất ngắn mạch trên cuộn dây CA và HA................ 51 2.5.3. Phân tích ứng suất dọc chu vi cuộn dây MBA có lõi thép VĐH .... 53 2.6. Cường độ điện trường trong cửa sổ MBA .......................................... 55 2.7. Kết luận chương 2 ............................................................................... 57 CHƯƠNG 3: PHÂN BỐ NHIỆT TRONG MÁY BIẾN ÁP KHÔ ................................... 59 3.1. Các phương thức truyền nhiệt ............................................................. 59 3.1.1 Dẫn nhiệt ......................................................................................... 61 3.1.2 Đối lưu............................................................................................. 64 3.1.3 Bức xạ.............................................................................................. 68 3.2. Nghiên cứu truyền nhiệt trong MBA khô có lõi thép VĐH ............... 71 3.2.1 Đặt vấn đề .......................................................................................... 71 3.2.2 Giới thiệu nội dung ............................................................................ 71 3.3. Thông số MBA.................................................................................... 73 3.4. Mô hình toán ....................................................................................... 75 3.5. Tính phân bố nhiệt nhiệt độ trong epoxy sau ngắn mạch MBA ......... 77 3.6. Thông số nhiệt thay đổi theo nhiệt độ ................................................. 78 3.6.1 Độ dẫn nhiệt phụ thuộc nhiệt độ môi trường truyền nhiệt ............. 78 3.6.2 Hệ số truyền nhiệt ........................................................................... 79
3 3.6.3 Phương thức truyền nhiệt ................................................................ 81 3.6.4 Lựa chọn nghiên cứu phân bố nhiệt trong MBA khô ...................... 82 3.6.5 Mô hình toán. .................................................................................. 82 3.6.6 Tính chất nhiệt của vật liệu epoxy .................................................. 82 CHƯƠNG 4 : SỰ THAY ĐỔI THÔNG SỐ NHIỆT CỦA EPOXY THEO NHIỆT ĐỘ 84 4.1. Khảo sát sự thay đổi nhiệt dẫn suất theo nhiệt độ ............................... 84 4.2 Khảo sát sự thay đổi hệ số khuếch tán nhiệt, điện dung theo nhiệt độ ... 85 4.3 Thí nghiệm xác định điều kiện biên ........................................................ 89 4.4 Kết luận chương 4 ................................................................................... 92 PHỤ LỤC: GIẢI THÍCH CÔNG THỨC GẦN ĐÚNG ............................ 93 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................... 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 101
4 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Lê Xuân Nghĩa
5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CHỮ VIẾT TẮT NGUYÊN VĂN MBA Máy biến áp VĐH Vô định hình KTĐ Kỹ thuật điện CA, HA Cao áp, hạ áp
6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 So sánh tổng chi phí MBA có tổn hao cao và tổn hao thấp ............17 Hình 1.2: MBA khô được cách điện bằng giấy Nomex.................................27 Hình 1.3: MBA khô có dây quấn đúc trong nhựa epoxy ..............................28 Hình 1.5: Lịch sử tổn hao không tải của MBA50 kVA ................................. 31 Hình 1.6: Đường cong từ hóa của tôn silíc (M4) và thép vô định hình .........32 Hình 1.7: Lịch sử ứng dụng thép VĐH chế tạo MBAphân phối. ..................32 Hình 2.2 vẽ phân bố của từ thông tản MBA ..................................................47 Hình 2.5: Phân bố ứng suất trên tại cạnh ngoài cuộn HA..............................52 Hình 2.6: Phân bố ứng suất trên tại cạnh trong cuộn CA ..............................53 Hình 2.9: Phân bố ứng suất trên các đường 1,2…10 cuộn HA .....................54 Hình 2.12: Các lớp cách điện giữa CA và HA ...............................................55 Hình 2.13: Phân bố điện trường Hình 2.14: Hệ số k phụ thuộc bán kính cong r ..............................................57 Hình 3.1: Dẫn nhiệt vật thể một lớp (a) và nhiều lớp (b)...............................61 Hình 3.3: Cấu tạo MBA khô, mẫu nghiên cứu ..............................................74 Hình 3.4: Mặt cắt cuộn dây CA .....................................................................75 Hình 4.1: Kết quả đo nhiệt dẫn suất thay đổi theo nhiệt độ ...........................84 Hình 4.2: Hệ số khuếch tán nhiệt của epoxy phụ thuộc nhiệt độ ..................87 Hình 4.3: Sự thay đổi nhiệt dung của epoxy theo nhiệt độ ............................88 Hình 4.4: 29 vị trí đo để xác định điều kiện biên ...........................................90
7 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng MĐ.1: Các chế độ làm mát máy biến áp ......................................................... 9 Bảng 1.1: MBA dầu tiết kiệm năng lượng theo NEMA và DOE [38] ................... 20 Bảng 1.2: MBA khô tiết kiệm năng lượng theo NEMA TP1-2002 [38] ............... 21 Bảng 1.3: MBA khô tiết kiệm năng lượng theo DOE 2010-01-01 [38] ................ 22 Bảng 1.4: MBA dầu tiết kiệm năng lượng theo MEPS, tải 50% định mức [38] ... 23 Bảng 1.5: MBA khô tiết kiệm năng lượng theo MEPS, tải 50% định mức [38] ... 24 Bảng 1.6: MBA dầu theo tiêu chuẩn tiết kiệm năng lượng .................................... 25 Bảng 3.1: Thông số về nhiệt một số vật liệu chế tạo máy biến áp. ........................ 62 Bảng 3.2: Giá trị ak, q k đối lưu tự nhiên, T0 = 200C, 1; 1 ................ 66 Bảng 3.3: Hệ số bức xạ tương đối của một số vật liệu ........................................... 69 Bảng 3.4. Hệ số đặc trưng truyền nhiệt bức xạ ...................................................... 70 Bảng 4.1: Nhiệt dẫn suất đo thực nghiệm và tính theo công thức 4.1 ...................85 Bảng 4.2: Hệ số khuếch tán nhiệt đo thực nghiệm và tính theo công thức 4.2 ...... 86 Bảng 4.3: Nhiệt dung đo thực nghiệm và tính theo công thức 4.3 ......................... 88 Bảng 4.4:Nhiệt độ biên tương ứng bốn giá trị của dòng điện ................................ 91 Bảng 4.5: Nguồn nhiệt từ tổn hao đồng ................................................................. 92
8 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Khi làm việc, MBA có lực điện từ tác dụng lên dây quấn, do tác động tương hỗ giữa từ trường tản và dòng điện trong dây quấn. Khi ngắn mạch từ trường tản và dòng điện đều tăng do đó lực điện từ tăng cao, lực ngắn mạch là nguy hiểm nhất. MBA sử dụng lõi thép vô định hình đang được qua tâm sử dụng nhằm nâng cao hiệu suất, phân bố từ trường tản trong loại này khác MBA sử dụng lõi thép silíc vì thế ảnh hưởng đến phân bố lực điện từ tác dụng vào dây quấn. Khi làm việc, các tổn hao trong MBA đều biến thành nhiệt, một phần nhiệt lượng tản ra môi trường xung quanh, một phần phát nóng làm nhiệt độ MBA tăng cao hơn so với nhiệt độ của môi trường, tạo ra độ chênh nhiệt độ ∆T. Độ chênh nhiệt độ càng lớn, nhiệt lượng tản ra môi trường xung quanh lớn theo, tới khi nhiệt lượng tản ra môi trường xung quanh bằng năng lượng tổ hao trong MBA (phần nhiệt lượng phát nóng MBA bằng “0”), khi đó nhiệt độ trong MBA đạt giá trị ổn định (xác lập). Nếu độ chênh nhiệt độ quá ∆T vượt quá giới hạn cho phép (∆T>∆Tcp), vật liệu cách điện chóng già cỗi, làm hỏng cách điện gây cháy MBA. Để giảm độ chênh nhiệt độ người ta phải tăng cường giải pháp làm mát MBA. Ngoài ra MBA cần được bảo vệ không cho làm việc lâu dài ở nhiệt độ quá giới hạn cho phép. Phương pháp truyền thống của việc bảo vệ MBA sử dụng các chức năng dựa trên đo dòng điện và điện áp. Các chức năng này rất hữu ích trong việc phát hiện quá tải, ngắn mạch MBA. Nhiệt độ tại điểm nóng nhất của cuộn dây là yếu tố quan trọng quyết định tuổi thọ của MBA, phân bố nhiệt độ trong cuộn dây một phần phụ thuộc vào hình dáng, kích thước của cuộn dây và chế độ làm mát . Nhiệt độ dầu cách điện phụ thuộc vào nhiệt độ dây quấn, người ta có thể theo dõi nhiệt độ dầu để để biết nhiệt độ dây quấn và biết tình trạng làm việc của MBA. Nhiều rơle số bảo vệ MBAcó chức năng bảo vệ hoạt động dựa trên nhiệt độ dầu, từ đó cho phép tính toán giảm tuổi thọ do nhiệt độ dầu tăng cao, và dự đoán nhiệt độ dầu do tải. Một yếu tố cần xem xét khi nhìn vào những chức năng nhiệt độ là nguy cơ lão hóa tăng tốc và suy biến ngày càng gia tăng. MBA là thiết bị điện không thể thiếu trong hệ thống điện, nghiên cứu để tránh hoặc hạn
9 chế được hiện tượng tăng quá nhiệt độ cho phép dẫn đến lão hóa giảm tuổi thọ là nhiệm vụ cần thiết đảm bảo không chỉ cho MBA mà mang ý nghĩa đảm bảo vận hành bình thường hệ thống điện.. Tùy yêu cầu thực tế mà người ta làm mát MBA bằng các phương pháp khác nhau, theo tiêu chuẩn IEC các phương pháp làm mát được ký hiệu thống nhất theo chế độ làm mát MBA (bảng MĐ.1). Bảng MĐ.1: Các chế độ làm mát máy biến áp Loại tác nhân làm mát Ký hiệu Dầu mỏ hoặc chất lỏng cách điện có điểm chớp cháy < 300 0C 0 Chất lỏng cách điện tổng hợp có điểm chớp cháy > 300 0C K Chất lỏng cách điện có điểm chớp cháy không xác định L Nước W Không khí A Cách điện rắn S Loại tuần hoàn Tự nhiên N Cưỡng bức F Cưỡng bức có định hướng trong dây quấn (định hướng) D Chế độ làm mát thông dụng MBA khô làm mát bằng không khí tự nhiên AN MBA khô làm mát bằng không khí cưỡng bức (có quạt gió) AF MBA làm mát bằng dầu tuần hoàn tự nhiên, thông gió cưỡng bức ONAN MBA làm mát bằng dầu và thông gió cưỡng bức (có bơm dầu, quạt gió) OFAF MBA làm mát bằng tuần hoàn dầu định hướng và thông gió cưỡng bức ODAF MBA làm mát bằng tuần hoàn dầu và nước cưỡng bức ODAF Ghi chú: Sự nhận dạng theo phương pháp làm mát được thể hiện bằng một mã có 2 chữ số (máy biến áp khô) hoặc 4 chữ số (máy dầu), trong đó: - Chữ thứ 1 chỉ tác nhân làm mát tiếp xúc với cuộn dây. - Chữ thứ 2 chỉ cơ cấu tuần hoàn với tác nhân làm mát bên trong.
10 - Chữ thứ 3 chỉ tác nhân làm mát bên ngoài. - Chữ thứ 4 chỉ cơ cấu tuần hoàn với tác nhân làm mát bên ngoài. Để giảm tổn hao năng lượng, MBA có lõi thép vô định hình (VĐH) đang được quan tâm nghiên cứu chế tạo và đưa vào sử dụng ở nước ta. Bài toán phân bố nhiệt trong MBA giúp ta giải bài toán thiết kế kinh tế kỹ thuật MBA đồng thời chỉ ra được phương pháp làm mát thích hợp cho MBA. 2. Sơ lược tình hình nghiên cứu về MBA trên thế giới và trong nước. a) Tình hình nghiên cứu trên thế giới: Những MBA đầu tiên xuất hiện vào khoảng năm 1890 là MBA khô. Do công nghệ vật liệu và công nghệ chế tạo thấp nên bị giới hạn bởi cấp điện áp và công suất. Thời gian sau, với sự xuất hiện của tôn silic có tổn hao thấp và dầu biến áp đã cải thiện đáng kể việc nâng cao công suất đơn chiếc và điện áp truyền tải MBA bằng việc sử dụng MBA dầu có lõi thép băng vật liệu tôn silíc. Khoảng những năm 60 của thế kỷ XX, thép vô định hình ra đời, đến những năm 80, thép từ VĐH bắt đầu được nghiên cứu chế tạo MBA điện lực. Thép từ VĐH đáp ứng các yêu cầu cao về giảm tổn hao không tải MBA. Tại Hoa kỳ, năm 1992 đặt ra yêu cầu cải thiện hệ thống lưới điện phân phối bằng cách giảm tổn thất MBA. Nghiên cứu của tác giả W. J. Ros, T. M. Taylor [34] chỉ ra rằng tổn thất MBA chiếm 60% trong đó tổn thất không tải 45% tổng tổn thất của hệ thống. Năm 1992, L. A. Johnson [26] đã nghiên cứu về ứng dụng vật liệu VĐH giảm tổn thất trong lõi thép của máy biến áp và động cơ. Năm 1992, H. Matsuki đã nghiên cứu về các hình dạng lõi của máy biến áp để giảm tổn hao công suất [29]. Vấn đề sử dụng MBA VĐH để giảm tổng thất điện năng ở nhiều nước Châu Á, trước hết là Nhật Bản, Đài Loan, Ấn độ, Hàn Quốc, Trung Quốc, Lào, Nepal, Philippine. MBA VĐH giảm được tổn hao không tải đến 80%.
11 Trong lĩnh vực nghiên cứu và thiết kế đã có nhiều đóng góp của những tác giả như: Pan-Seok Shin, Benedito Antonio Luciano, D. Lin, P. Zhou, W. N. Fu, Z. Badics, and Z. J. Cendes. Tác giả Pan-Seok Shin [31] đã sử dụng phương pháp đồng nhất để tính toán từ trường trong lõi thép của máy biến áp vô định hình bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Nhóm tác giả D. Lin, P. Zhou, W. N. Fu, Z. Badics, and Z. J. Cendes tại Mỹ năm 2003 [28] phân tích mô hình tổn thất lõi thép bằng phương pháp phần tử hữu hạn 2D và 3D ở chế độ quá độ. Nhóm tác giả M. Gilany, A. A. Adly, R. Radwan [20] và nhóm tác giả Tang Yun-Qiu [32], B. Tomczuk, D. Koteras [34], G. B. Kumbhar, S. V. Kulkarni [27] đã tính toán lý thuyết và thực nghiệm về thành phần từ trường và điện kháng ngắn mạch của máy biến áp 3 pha lõi vô định hình. Ảnh hưởng của khe hở không khí giữa các cuộn dây đến từ trường trong máy biến áp vô định hình cũng được tác giả Bronisław TOMCZUK [22] đề cập đến và đã dùng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 3D để phân tích từ trường máy biến áp vô định hình 1 pha công suất 10kVA, ảnh hưởng của kích thước giữa các cuộn dây đến giá trị tự cảm tản. Năm 2007 nhóm tác giả A. C. de Azevedo, A C. Delaiba, J. C. de Oliveira, B. C. Carvalho, H. de S. Bronzeado, đã viết bài: "Lực cơ khí sinh ra ở máy biến áp gây ra khi ngắn mạch: một phương pháp tiếp cận miền thời gian" [21]. Năm 2009, Robert U. Lenke [33] đã đưa ra đặc tính lõi thép của biến áp phân phối vô định hình sử dụng trong các tần số trung. Trong lĩnh vực điện tử công suất ở tần số kHz để giảm tổn hao, chịu điện áp kích thích dạng xung hay bảo đảm vấn đề về làm mát thì dùng MBA VĐH đáp ứng được những yêu cầu này. Năm 2013 nhóm tác giả: Salman Hajiaghasi, Hossein Paidarnia, Karim Abbaszadeh viết bài báo: "Phân tích lực điện từ trong máy biến áp phân phối dưới dòng điện ngắn mạch" [35]. Trong bài báo này tác giả tính toán lực điện từ theo hướng trục và hướng kính trong máy biến áp ba pha dưới lỗi ngắn mạch bên trong cuộn dây. MBA dầu không đáp ứng được những yêu cầu nghiêm ngặt về môi trường và an toàn – phòng chống cháy nổ. Từ những năm 80 thuộc thế kỷ XX, người ta sử dụng epoxy composite làm cách điện dây quấn cao áp MBA khô, MBA khô có cuộn dây cao
12 áp tẩm trong epoxy thay thế MBA dầu ở những địa điểm có yêu cầu nghiêm ngặt về môi trường và an toàn – phòng chống cháy nổ. Nhóm tác giả Thorsten Steinmetz, Bogdan Cranganu-Cretu [36] tiến hành nghiên cứu tổn thất không tải và có tải của MBA khô VĐH. Tác giả tập trung phân tích, đánh giá tổn hao không tải của máy biến áp phân phối khô lõi vô định hình 630kVA, đưa ra phương pháp cải tiến trong thiết kế mạch từ máy biến áp để tổn hao là thấp nhất. A.Garcıa, G.Espinosa-Paredes, I.Hernandez làm thực nghiệm xác định thông số nhiệt của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ, đồng thời xác định đo nhiệt độ phân bố mặt ngoài dây quấn ở các mức mang tải của MBA để xác định điêỳ kiện biên cho phương trình truyền nhiệt. b) Tình hình nghiên cứu trong nước Năm 2009 Bộ môn thiết bị điện – Điện tử Trường ĐHBK Hà Nội kết hợp với Cty chế tạo Biến áp Hà nội triển khai đề tài cấp Bộ (Công thương) “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo MBAcó tổn hao không tải thấp, sử dụng vật liệu thép từ vô định hình, siêu mỏng, chế tạo trong nước”, đây là lần đầu tiên ở nước ta nghiên cứu ứng dụng vật liệu VĐH làm lõi thép chế tạo MBA điện lực. Năm 2011, Mitsubishi UFJ Morgan Stanley Securities, Co., Ltd. (MUMSS) phối hợp với Trung tâm tiết kiệm năng lượng Tp. Hồ Chí Minh đã tổ chức “Hội thảo thúc đẩy sử dụng máy biến áp Amorphous (thép VĐH) hiệu suất cao trong hệ thống lưới điện tại Việt nam”. Năm 2012 Công ty Hitachi Metals đã phối hợp với với Trung tâm tiết kiệm năng lượng Tp. Hồ Chí Minh đã tổ chức hội thảo: “Máy biến áp lõi tôn vô định hình hiệu suất cao và ứng dụng hiệu quả tại Việt Nam”. Tại hội thảo đề xuất tiêu chuẩn mới cho máy biến áp này tại Việt Nam [32]. Từ năm 2010, Hitachi đã tiến hành lắp đặt và đo thử nghiệm MBA VĐH trên lưới điện ở Hà Nội, Tp.HCM, Bình Dương, Đồng Nai và Bến Tre. Kết quả vận hành thực tế cũng như những phương pháp đánh giá mới, tiêu chuẩn mới cho MBA đã được các chuyên gia phân tích, đánh giá và đề xuất tại hội thảo. MBA có lõi thép làm bằng vật liệu VĐH tuy nhiên nó còn rất mới mẻ với Việt Nam nhưng đang được nhà nước xét duyệt các dự án về sản xuất chế tạo tại hai công ty
13 chế tạo MBA tại Thành phố Hà nội cũng như Thành phố Hồ Chí Minh. Nhiều đề tài NCS được thực hiện thành công ở Bộ môn thiết bị điện Trường ĐHBK Hà nội: Luận văn Tiến sĩ “Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép vô định hình”, tác giả Đoàn Thanh Bảo (2015), Luận văn Thạc sĩ “Nghiên cứu phân bố nhiệt trong MBA khô có lõi thép VĐH” tác giả Hoàng Tháp Mười (2015), Luận văn Tiến sĩ “Nghiên cứu hiện tượng từ giảo trong MBA lõi thép VĐH” tác giả Đỗ Chí Phi (2016). Lý thuyết chuyên sâu tính toán, thiết kế cũng như về các bài toán từ hóa, tổn hao, dòng điện ngắn mạch, lực ngắn mạch, truyền nhiệt và thử nghiệm máy biến áp được thừa kế các tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước nước. Bài toán điện từ cũng như bài toán phân bố nhiệt MBA có lõi thép làm bằng vật liệu VĐH cũng khác bài toán đó ở MBA sử dụng mạch từ bằng lõi thép silíc [24] . MBA khô có lõi thép làm bằng vật liệu VĐH có cấu trúc mạch từ, cấu trúc cuộn dây và công nghệ chế tạo khác với MBA sử dụng mạch từ bằng lõi thép silíc. MBA VĐH do có cấu trúc đặc biệt của lõi thép và dây quấn là hình chữ nhật nên phân bố điện trường và phân bố lực tác dụng lên dây quấn cũng sẽ khác nhau trên cùng một vòng dây. Đặc biệt hơn là lúc xảy ra ngắn mạch thì lực này lớn sẽ rất nguy hiểm đối với dây quấn. Do đó phải tính toán độ lớn của lực tác dụng để từ đó tính toán tối ưu cách điện và cấu trúc hình dáng hợp lý dây quấn là rất cần thiết. 3. Ý nghĩa khoa học – thực tiễn: Nghiên cứu phân bố từ trường tản và phân bố lực điện từ để lựa chọn hình dáng kích thước hợp lý cua MBA. Luận văn cũng nghiên cứu về phân bố nhiệt trong MBA khô có lõi thép vô định hình nhằm xác định phân bố nhiệt phân bố trong dây quấn ở chế độ định mức và ngắn mạch góp phần nghiên cứu thiết kế kinh tế các MBAsử dụng vật liệu vô định hình ở Việt Nam 4. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu: a. Mục đích:
14 Mục đích xác định phân bố lực điện từ ngắn mạch tác dụng lên dây quấn và phân bố nhiệt trong dây quấn ở chế độ định mức góp phần nghiên cứu thiết kế kinh tế các MBA đặc biệt MBA sử dụng vật liệu vô định hình. b. Đối tượng: MBA phân phối sử dụng thép silíc và lõi thép sử dụng vật liệu VĐH: phân bố từ trường tản, phân bố lực điện từ và phân bố nhiệt trong dây quấn. c. Phạm vi nghiên cứu: Công nghệ chế tạo lõi thép, công nghệ quấn dây, bài toán tính lực điện từ, tính toán phân bố nhiệt, tìm ra hình dáng và kích thước tối ưu MBA có lõi thép VĐH đều là các vấn đề cấp thiết giúp nhanh chóng chế tạo được MBA loại này trong nước. Tính toán làm mát (bài toán truyền nhiệt) là lĩnh vực còn ít được đề cập trong các nghiên cứu trong nước. Điều kiện làm mát máy biến áp khô khác với MBA dầu, giải quyết làm mát cho máy biến áp khô cũng giúp giúp phần nghiên cứu làm mát MBA dầu và ngược lại [9], [10]. Tác giả đề ra hướng nghiên cứu như sau: - Nghiên cứu phân bố điện từ trường, phân bố nhiệt ngắn mạch MBA phân phối sử dụng lõi thép VĐH với các nội dung: - Tổng quan về MBA trong hệ thống phân phối điện, phân tích yêu cầu cơ bản, thiết yếu các MBA dùng trong lưới điện phân phối. Tính ưu việt và các đặc điểm MBA có lõi thép sử dụng vật liệu VĐH dẫn đến tính tất yếu sử dụng MBA có lõi thép sử dụng vật liệu VĐH. - Xây dựng phương trình truyền nhiệt mô hình truyền nhiệt trong cuộn dây của máy biến áp khô sử dụng lõi thép vô định hình. Các đặc tính nhiệt phụ thuộc nhiệt độ của vật liệu epoxy làm cơ sở khảo sát chính xác hơn phân bố nhiệt trong dây quấn. - Khảo sát suất dẫn nhiệt, nhiệt dung, độ khuếch tán nhiệt, điều kiện bờ (biên) thay đổi theo nhiệt độ vật liệu epoxy MBA khô có sử dụng lõi thép VĐH. Chọn tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của phân bố điện từ trường và phân bố nhiệt ngắn mạch biến áp phân phối sử dụng lõi thép vô định hình.
15 5. Những thuận lợi, khó khăn khi tiến hành nghiên cứu: a. Thuận lợi: Về lĩnh vực lý thuyết, thừa kế kho tài liệu về MBA là các tài liệu chuyên sâu, đề cập một cách chi tiết và có hệ thống những vấn đề cơ bản về lý thuyết, công nghệ chế tạo, kinh nghiệm vận hành, bảo dưỡng và thử nghiệm máy biến áp. Các phương pháp hiện đại trong nghiên cứu tính toán thiết kế kỹ thuật điện là tài liệu chuyên sâu trình bày đầy đủ và hệ thống các phương pháp hiện đại nghiên cứu từ trường trong các thiết bị điện. Có nhiều nghiên cứu về đặc tính kỹ thuật và tính chất từ của vật liệu vô định hình. Tập đoàn Hitachi là một trong những công ty đi đầu trong công nghệ chế tạo và đang có chương trình triển khai sử dụng MBA vô định hình tại Việt nam. Việc sản xuất và sử dụng MBA vô định hình ở một số nước như Mỹ, Hàn Quốc, Trung Quốc có nhiều kinh nghiệm ta có thể khai thác sử dụng. MBA có lõi thép sử dụng vật liệu VĐH là một trong những thiết bị điện góp phần giảm tổn thất điện năng và giảm phát thải khí CO2 làm sạch môi trường. b. Khó khăn Ở nước ta, vật liệu VĐH mới được đưa vào sử dụng và chưa có đơn vị nào có kinh nghiệm thiết kế chế tạo và sản xuất. 6. Trong luận văn đã sử dụng các giả thiết khoa học sau: - Mô hình trường điện từ của và mô hình mạch của MBA có lõi thép sử dụng vật liệu VĐH đã được nghiên cứu. - Kết quả nghiên cứu ở Việt nam về MBA có lõi thép sử dụng vật liệu VĐH. 7. Nội dung luận văn gồm phần mở đầu và 4 chương : a. Chương 1: Tổng quan về MBA trong hệ thống phân phối điện. b. Chương 2: Phân bố từ trường tản và lực điện từ vùng dây quấn MBA. c. Chương 3: Phân bố nhiệt trong MBA khô. d. Chương 4: Sự thay đổi thông số nhiệt của epoxy theo nhiệt độ
16 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP TRONG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI ĐIỆN 1.1. Tổng quan MBA là thiết bị điện không thể thiếu trong hệ thống truyền tải, phân phối điện năng, 1kW công suất đặt của máy phát điện thường cần từ 7đến 8kW công suất MBA trong hệ thống điện, sử dụng MBA có hiệu suất thấp sẽ ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của hệ thống điện. Điện năng được cung cấp từ các máy phát điện đều có phát thải khí CO2 do năng lượng đầu vào các động cơ sơ cấp có được do đốt các chất hữu cơ. Để đạt được mục tiêu đặt ra cho việc giảm lượng khí thải CO2 từ nhiều khâu. Đầu tiên phải kể đến các máy phát sử dụng năng lượng đầu vào các động cơ sơ cấp do đốt các chất hữu cơ. Tiếp theo là giảm thiểu tổn hao của các hệ thống truyền tải và phân phối điện năng đồng thời nâng cao hiệu suất của một loạt lớn các thiết bị tiêu thụ điện. MBA phân phối truyền thống ngoài việc đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật tối thiểu, được thiết kế dựa trên các chỉ tiêu kinh tế thuần túy, các yêu cầu đó đôi khi mâu thuẫn lẫn nhau: Một mặt yêu cầu giá thành MBA thấp nhất, mặt khác yêu cầu các chi phí phát sinh do tổn thất khi vận hành máy MBA là thấp. Chất lượng MBA có ảnh hưởng đáng kể đến việc giảm phát thải khí CO2. Nâng cao chất lượng thiết bị đồng nghĩa với việc tăng đầu tư, nâng cao giá thành sản phẩm, vì vậy không thể đặt yêu cầu các thiết bị phải ở mức độ giảm được phát thải CO2 cao nhất. Bài toán đặt ra như vậy trong thực tế không dễ để thực hiện. Để đưa ra yêu cầu đối với các các thiết bị nhằm đảm bảo giảm phát thải CO2 đáng kể cần có nhiều bước, trước khi kết quả có thể được áp dụng trên quy mô lớn rất cần nghiên cứu và thử nghiệm chắc chắn nhất là phải đạt các sản phẩm về phương diện tiết kiệm năng lượng có thể đạt được với công nghệ hiện có. Đối với các MBA phân phối, một số quốc gia đã đưa ra tiêu chuẩn giới hạn cho phép tối đa của tổn hao hoặc giới hạn cho phép tối thiểu của hiệu suất, trong khi một số nước còn quy định giới hạn và cho phép áp dụng trên cơ sở tự nguyện.
17 Tiêu chuẩn ở một số quốc gia về giới hạn cho phép tối đa tổn hao hoặc giới hạn cho phép tối thiểu của hiệu suất MBA cung cấp cho một cái nhìn tổng quan về tổn hao hoặc hiệu suất theo yêu cầu hiện hành của quốc gia đó. Các xu hướng rõ ràng đang đi theo là yêu cầu các tổn hao thấp hơn so với trong quá khứ. MBA với tổn thất thấp hơn hàm ý kích thước biến áp chắc chắn lớn hơn, trọng lượng cao hơn và chi phí sản xuất tăng. Giá thành MBA có tổn hao thấp sẽ đắt hơn so với các MBA có tổn thất cao hơn, nhưng tổng chi phí, trong đó bao gồm cả các chi phí mua và chi phí năng lượng tổn hao của các MBA trong hoạt động sẽ thấp hơn. Hình 1.1 mô tả so sánh chi phí tổng (gồm vốn đầu tư và chi phí vận hành) của hai loại MBA có tổn hao thấp và tổn hao cao hơn. Sử dụng MBA có tổn hao thấp tuy có vốn đầu tư ban đầu cao nhưng do chi phí vận hành thấp, sau thời gian dần dần có mức chi phí tổng sẽ cân bằng và tiến tới giảm nhỏ hơn việc mua, sử dụng MBA có tổn hao cao hơn. Hình 1.1 So sánh tổng chi phí MBA có tổn hao cao và tổn hao thấp Trong việc mua sắm MBA với tổn thất thấp hơn quy định được xác định bởi sự lựa chọn tự nguyện của người đầu tư theo quy định của pháp luật. Bên cạnh đó, để khuyến khích sử dụng thiết bị giảm phát thải CO2, trong đấu thầu có ưu tiên MBA có tổn thất thấp hơn hoặc hiệu suất cao hơn. Một phương pháp xác định giá trị giảm chi phí tổng được mô tả trong các sổ tay MBA. Phương pháp này được dựa trên các giả định liên quan đến sự phát triển tương lai của giá năng lượng và thời gian thu hồi vốn trong so sánh kinh tế các loại MBA. Tiêu chuẩn quốc tế, IEC 60.076, ban đầu chưa
18 quan tâm nhiều đến thời gian thu hồi vốn trong so sánh kinh tế các loại MBA. Tuy nhiên, một nghiên cứu mới đã được đề xuất với phạm vi phát hành một phần bổ sung mới của IEC 60.076. Tiêu chuẩn này được thiết kế để hướng dẫn sử dụng MBA trong việc lựa chọn các mức độ thích hợp nhất hiệu suất và các phương pháp thích hợp nhất trong việc chỉ định hiệu suất đó. Nó cũng sẽ cung cấp bảng tổn hao tiêu chuẩn cho một số loại MBA. Thực chất việc sử dụng các tiêu chuẩn IEC là do thỏa thuận giữa người mua và nhà cung cấp. Tiêu chuẩn quốc tế là EN 50.464-1 châu Âu [27] đặt ra yêu cầu về hiệu suất cũng như tổn hao trong MBA, thay váo đó có bảng liệt kê một số giá trị tiêu chuẩn tổn hao sắt từ (không tải) và tổn hao đồng (có tải) đối với MBA phân phối với công suất từ 50 kVA đến 2500 kVA. Những giá trị tổn thất là không bắt buộc. Đến nay Ủy ban châu Âu đã bắt đầu đặt ra yêu cầu cho người sử dụng trong các nước thành viên của Liên minh châu Âu về các giá trị tối thiểu của hiệu suất hoặc giá trị tối đa tổn thất của MBA. Một số tiêu chuẩn quốc gia như Trung Quốc và Ấn Độ chỉ định giới hạn bắt buộc tối đa tổn hao, trong khi các tiêu chuẩn của Hoa Kỳ, New Zealand và Úc quy định rõ giá trị tối thiểu hiệu suất MBA. 1.2. Tiêu chuẩn về MBA tiết kiệm năng lượng tại Hoa kỳ Năm 2002 Hiệp hội sản xuất điện quốc gia (NEMA) công bố các tiêu chuẩn TP1- 2002 với tiêu đề “Hướng dẫn xác định hiệu năng tối thiếu MBA phân phối. Tiêu chuẩn này cung cấp các phương pháp đơn giản hóa để xác định giá trị chi phí các tổn thất không tải và có tải tính tại thời điểm mua MBA. Những giá trị này cung cấp cho các nhà sản xuất có cơ hội để điều chỉnh các thiết kế MBAđể đạt được khả năng tổng chi phí thấp nhất (TOC) của máy biến áp. TOC là tổng của giá mua và các chi phí tính đến tổn hao khi vận hành máy. TP 1-2002 xác định hiệu suất tối thiểu đối với MBA phân phối đến 2500 kVA. Các yêu cầu của TP1 là không bắt buộc nhưng đã được sử dụng rộng rãi ở Mỹ và cũng đã được sử dụng như một phương châm trong nước khác như Canada, Australia, New Zealand và Mexico. MBA đạt các yêu cầu hiệu suấttheo tiêu chuẩn này được dán nhãn “hiệu suấtNEMA cấp 1”. Sau khi TP 1-2002 đã được ban hành, Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) đã chuẩn bị các yêu cầu hiệu suất mới và cao hơn, được công bố trong Liên
19 bang [2]. Những yêu cầu này đã trở thành bắt buộc từ ngày 01 tháng 1 năm 2010 và được tính với tải 50% định mức. Các yêu cầu về hiệu suất của NEMA TP1-2002 và của DOE được cho trong bảng 1.1. Các tiêu chuẩn Mỹ IEEE Std C57.12.00-2006 xác định theo hiệu suất của MBA. Hiệu suất được xác định theo biểu thức: Pt η= (1.1) Pt +ΔP Trong đó: η - là hiệu suất tính theo phần trăm tại tải Pt ∆P là tổng tổn hao của MBA tại tải P t, gồm tổn hao không tải P0 và tổn hao có tải Pđ: Pd = Pnβ 2 (1.2) Trong đó: P n – là công suất ngắn mạch (tổn hao đồng định mức). β – là hệ số mang tải của MBA. Khi đã biết hiệu suất, tổng tổn hao trong MBA được trính bằng công thức: 100 ΔP = Pt  -1 (1.3) η Bảng 1.1 liệt kê các yêu cầu hiệu suất theo NEMA TP 1-2002 và DOE 2010 tải 50% định mức cho các MBA lám mát bằng dầu. Cột bên phải của hiệu suất cho tổng số tổn hao tương ứng, đã được tính toán theo phương trình 1.3. Tổng tổn hao theo tiêu chuẩn DOE là ở mức trung bình thấp hơn so với tổng số tổn hao theo tiêu chuẩn NEMA 16%. Bảng 1.2 liệt kê các yêu cầu hiệu suất theo NEMA TP 1-2002 tại 50% tải định mức cho các MBA khô. Bảng 1.3 liệt kê các yêu cầu hiệu suất bắt buộc theo DOE tại 50% tải định mức cho các MBA khô. Theo DOE các MBA được nhóm lại trong các cấp điện áp khác nhau. Ngoài ra đối với MBA điện áp thấp, các giá trị hiệu suất được tính tại 35% tải định mức, trong khi tất cả các loại khác được tính tại 50% tải định mức. Các quy định theo DOE có hiệu lực từ 01 tháng 1 năm 2010 cho MBA khô có yêu cầu về hiệu suất cao hơn so với đề xuất trước đây của NEMA.
20 Theo [38] DEO đã bị chỉ trích vì đưa ra tiêu chuẩn hiệu suất MBA có hiệu suất chưa cao. DEO và NEMA bày quan điểm của họ đến Tòa án và thực tế là hiệu suất biến áp cao hơn chắc chắn sẽ liên quan đến việc sử dụng vật liệu vô định hình trong chế tạo lõi thép MBA. Bảng 1.1: MBA dầu tiết kiệm năng lượng theo NEMA và DOE [38]