Tính toán ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp trên dây quấn của máy biến áp lõi thép vô định hình

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

5
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Tính toán ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp trên dây quấn của máy biến áp lõi thép vô định hình tính toán ứng suất điện từ tác dụng lên dây quấn cao áp và hạ áp của MBA 3 pha có lõi thép bằng vật liệu vô định hình công suất 630 kVA, điện áp 22/0,4 kV, trong trường hợp ngắn mạch sự cố đồng thời 3 pha phía hạ áp bằng phương pháp phần tử hữu hạn với phần mềm Ansys Maxwell theo miền thời gian.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tính toán ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp trên dây quấn của máy biến áp lõi thép vô định hình

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 2 5 TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP TRÊN DÂY QUẤN CỦA MÁY BIẾN ÁP LÕI THÉP VÔ ĐỊNH HÌNH CALCULATION OF THE SUM SHORT CIRCUIT STRESS ON WINDINGS OF AMORPHOUS CORE TRANSFORMERS Đoàn Thanh Bảo2, Đoàn Đức Tùng2, Phạm Hùng Phi1, Phạm Văn Bình1 1 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; phamvanbinh00@yahoo.com; phi.phamhung@hust.edu.vn 2 Trường Đại học Quy Nhơn; dtbao@ftt.edu.vn; ddtung@ftt.edu.vn Tóm tắt - Máy biến áp (MBA) khi bị sự cố ngắn mạch, dòng điện Abstract - When the transformer takes short circuit, the current, và từ thông tản tăng lớn, sinh ra lực điện từ lớn và nhiệt độ cao leakage field, electromagnetic force and temperature will increase tác động lên dây quấn MBA. Hiện tượng này gây ra lực cơ khí much. It can bend, move, demolish windings and even crack the nguy hiểm, nó có thể uốn cong, xê dịch, phá hủy cuộn dây và transformer even. This paper used the finite element method thậm chí làm nổ MBA. Bài báo này tính toán ứng suất điện từ tác based on the time domain with simulation software Ansys dụng lên dây quấn cao áp và hạ áp của MBA 3 pha có lõi thép Maxwell of a 630 kVA-22/0.4 kV three phase amorphous core bằng vật liệu vô định hình công suất 630 kVA, điện áp 22/0,4 kV, transformer in case of short circuit at the low voltage to calculate trong trường hợp ngắn mạch sự cố đồng thời 3 pha phía hạ áp the electromagnetic stress acting on high-voltage and low voltage bằng phương pháp phần tử hữu hạn với phần mềm Ansys windings. Then, calculation resultant stresses include stresses Maxwell theo miền thời gian. Sau đó, tính ứng suất tổng hợp bao caused by the electromagnetic force; the stress caused by the gồm ứng suất do lực điện từ; ứng suất do độ chênh lệch nhiệt độ temperature difference between the windings and epoxy; and the giữa dây quấn và epoxy; và ứng suất do phân bố nhiệt độ không stress caused by the uneven temperature distribution in epoxy. đồng đều ở lớp epoxy. Qua đó giúp nhà thiết kế đặt vị trí gá nẹp The results can help designers put of clamps on the transformer trên cuộn dây MBA một cách phù hợp. windings accordingly. Từ khóa - ngắn mạch; nhiệt độ; dây quấn; ứng suất; máy biến Key words - short circuit; temperature; winding; stress; áp; vô định hình; phần tử hữu hạn. transformer; amorphous; finite element. 1. Đặt vấn đề lửa và chống cháy do tia lửa điện, có sức bền cơ và chịu Máy biến áp (MBA) phân phối luôn đóng góp một vai ngắn mạch cao, khả năng chống ẩm và quá tải cao, độ ồn trò hết sức quan trọng trong cơ sở hạ tầng của hệ thống thấp và bảo dưỡng dễ dàng. Do vậy, MBA khô có cuộn điện, nó chiếm tỉ lệ lớn trong tổng công suất của hệ thống dây đúc nhựa epoxy được sử dụng nhiều ở các tòa nhà, MBA, vì thế vấn đề giảm tổn hao công suất và cũng như khu dân cư, đường hầm, trên tàu bè và trên sàn ngoài khơi giảm hư hỏng do bị ngắn mạch của MBA phân phối có ý [8]. Tuy nhiên, khi tính toán ứng suất ở dây quấn khi nghĩa kinh tế - kỹ thuật rất quan trọng. Có hai loại tổn hao MBA khô ngắn mạch, cần xét các ứng suất thành phần: điện tồn tại trong khi MBA vận hành: Tổn hao có tải (tổn (1) Ứng suất gây ra do phân bố nhiệt độ không đồng đều hao đồng) thay đổi theo mức tải của MBA và tổn hao lớp epoxy; (2) Ứng suất do chênh lệch nhiệt độ giữa dây không tải (tổn hao sắt từ) phát sinh trong lõi từ và xảy ra quấn và lớp epoxy. suốt cuộc đời vận hành của MBA, không phụ thuộc vào Các tác giả [9], đã nghiên cứu phân tích khả năng chịu tải nhưng phụ thuộc vào chất lượng loại thép. Với MBA ngắn mạch của một MBA VĐH có công suất 800kVA- có lõi từ bằng vật liệu vô định hình (VĐH), tổn hao trong 10kV. Từ đó, đề xuất một kết cấu kẹp các cuộn dây MBA lõi từ có thể giảm xuống từ 60-70% so với MBA lõi từ để có thể chịu được lực ngắn mạch lớn gây ra và chứng bằng tôn cán lạnh định hướng [1], [2]. minh tính khả thi của phương pháp kết cấu mới của mình Khi MBA hoạt động trong điều kiện bình thường, tác dưới sự hỗ trợ của phần mềm ANSYS. Nhóm tác giả, đề dụng của lực điện từ lên các dây quấn nhỏ do dòng điện và cập đến ưu điểm của MBA phân phối có lõi hợp kim từ thông tản là tương đối nhỏ. Tuy nhiên, khi ngắn mạch VĐH là khả năng giảm tổn hao và sử dụng rộng rãi nhưng dòng điện trong dây quấn và từ thông tản tăng lớn, lúc này rất nhạy cảm với lực cơ khí, từ trường tác động lên, mức sẽ sinh lực điện từ lớn tác dụng lên dây quấn [3], [4]. Trong độ tiếng ồn cao hơn và khả năng chịu đựng ngắn mạch tất cả các sự cố của MBA thì sự cố về dây quấn chiếm tỉ lệ kém hơn MBA lõi tôn silic. 33%. Khi đó sinh ra lực cơ khí làm uốn cong hoặc phá hủy Các tác giả [10] đã sử dụng phần tử hữu hạn (PTHH) dây quấn và vật liệu cấu trúc khác của MBA [5], [6]. tính toán ứng suất lực điện từ tác dụng lên từng phần cuộn MBA lõi thép bằng vật liệu VĐH, do có cấu trúc đặc hạ áp (HA) và cao áp (CA) của MBA khô 50kVA - biệt của lõi thép và cuộn dây là hình chữ nhật, nên phân 220/400V - 60Hz trong điều kiện sự cố ngắn mạch phía bố điện trường, từ trường tản và phân bố lực tác dụng lên HA. Đồng thời, kết luận sơ đồ thuật toán và phương pháp cuộn dây cũng sẽ không đối xứng trên cùng một vòng PTHH có hữu ích trong thiết kế cấu trúc cuộn dây MBA. dây. Đặc biệt hơn là lúc xảy ra ngắn mạch thì lực này lớn Với những phân tích ở trên, ta thấy rằng nghiên cứu về sẽ rất nguy hiểm đối với cuộn dây [7]. lực điện từ ngắn mạch ở MBA khô VĐH đã tính toán đến Ở MBA khô phân phối có cuộn dây được đúc bằng ứng suất điện từ, nhưng chưa tính đến ứng suất nhiệt giữa nhựa epoxy với đặc tính ưu điểm không bắt lửa, tự dập tắt dây quấn và lớp epoxy.
6 Đoàn Thanh Bảo, Đoàn Đức Tùng, Phạm Hùng Phi, Phạm Văn Bình Bài báo này đã sử dụng phương pháp PTHH với phần Xuất phát từ hệ phương trình Maxwell, ta viết phương mềm Ansys Maxwell theo miền thời gian để mô phỏng trình riêng đối với trường điện từ dừng (∂/∂t = 0) trong MBA 3 pha có lõi thép bằng vật liệu từ mềm VĐH công vùng không gian dây quấn của MBA, có mật độ dòng suất 630 kVA, điện áp 22/0,4 kV. Thực hiện mô phỏng ở điện nguồn J. Phương trình này được viết cho từ thế vectơ chế độ không tải và ngắn mạch thực nghiệm để so sánh A có dạng phương trình Laplace-Poisson như sau [12][3]: các kết quả tổn hao không tải và ngắn mạch với giá trị - μJ trong d©y dÉn thực nghiệm. Sau khi mô hình đã đúng đắn, thực hiện 2 A =  (5) ngắn mạch sự cố đồng thời 3 pha phía HA mà phương  0 ®iÖn m«i pháp thực nghiệm rất khó thực hiện được, để tính ứng Trong đó: A: từ thế véctơ; µ: độ từ thẩm [H/m]; J: mật suất lực điện từ hướng kính và hướng trục tác dụng vào độ dòng điện [A/m2]. cuộn dây CA và HA. Sau đó, tính ứng suất tổng hợp bao Khi đó, vector từ thế A được định nghĩa là: gồm ứng suất do lực điện từ, ứng suất do chênh lệch nhiệt × A = B (6) độ giữa dây quấn và epoxy; và ứng suất do phân bố nhiệt độ không đồng đều lớp epoxy. Qua đó giúp nhà thiết kế Hay:    đặt vị trí gá nẹp trên cuộn dây MBA một cách phù hợp. B   A  iBx  jBy  kBz (7) 2. Dòng điện ngắn mạch, lực điện từ và từ trường tản Khi đó lực điện từ cũng bao gồm các thành phần:       2.1. Dòng điện ngắn mạch F =  (J × B)dv = iFx + jFy + kFz (8) v Dòng điện quá độ gồm có hai thành phần: một thành Trong đó: Bx, By, Bz và Fx, Fy, Fz là các thành phần từ phần biến thiên theo qui luật hình sin và một thành phần cảm và lực theo 3 phương x, y,z. không chu kỳ [4], [11]: Các biến J và B trong khối V có thể được tính bằng  R  - n ωt  (1) phương pháp giải tích hoặc phương pháp số. Phương pháp X i = I n 2 sin(ωt - ψ - φ n ) + sin(ψ + φ n ).e n  giải tích thường nhanh hơn, tuy nhiên không thể sử dụng     ở mô hình với vật liệu phi tuyến, cấu trúc hình học Trong đó: và/hoặc điều kiện biên phức tạp. Chính vì vậy, sử dụng PTHH có thể giải quyết các bài toán phức tạp nói trên và In: dòng điện ngắn mạch xác lập [A]; tính được ứng lực trên từng phần của cuộn dây. X n : góc lệch pha giữa In và điện áp [rad]; φ n = arctg Rn 3. Phương pháp phần tử hữu hạn với phần mềm Ansys ψ: góc phụ thuộc vào thời điểm xảy ra ngắn mạch [rad]; Maxwell ω: tần số góc dòng điện [rad/s]; 3.1. Mô hình máy biến áp Xn, Rn, Zn: điện kháng, điện trở, tổng trở ngắn mạch [Ω]; Sử dụng một MBA VĐH 630 kVA-22/0,4 kV có các thông số điện cơ bản ở Bảng 1 và thông số kích thước lấy Biểu thức (1) cho thấy rằng nguy hiểm nhất là ngắn mạch từ bản vẽ thiết kế của nhà máy chế tạo biến áp Sanaky Hà tại thời điểm điện áp bằng 0 (ψ = 0), lúc này giá trị dòng điện Nội. Tiết diện lõi thép VĐH có kích thước hình chữ nhật cực đại xảy ra ở gần thời điểm t0 = (π/2+n)/ và có độ lớn: có bề dày: a = 180 mm; bề rộng băng b = 292 mm và các  R  - n   n   (2) kích thước khác được thể hiện ở Hình 1. Xn  2  i max = I n 2 1+ sinφ n .e      2.2. Lực điện từ Lực điện từ này được viết theo công thức lực Lorentz (3) hay dạng vi phân (4) như sau [4], [10]:   Fdt =  I.Bsin(I, B)dl (3) L Hay:      d F = B × Idl = B × J.ds.dl (4) Trong đó: I [A] và J [A/m2] là cường độ và mật độ dòng điện trong dây dẫn; B [T] và F [N] là từ cảm và lực điện từ tác động lên dây dẫn; Hình 1. Mô hình cụ thể kích thước mạch từ và cuộn dây MBA ds, dl là các thành phần vi phân diện tích và chiều dài. Vậy để tính được lực điện từ tác động lên dây dẫn, ta Bảng 1. Thông số điện cơ bản của MBA VĐH cần phải xác định các thành phần của từ cảm B trong kết Thứ tự Thông số Giá trị cấu khung dây dẫn và mật độ dòng điện trong dây dẫn đó. 1 Số pha 3 2.3. Từ trường trong khung dây 2 Tần số [Hz] 50
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 2 7 3 Công suất [kVA] 630 bỏ qua trong mô hình. 4 Nối dây Δ/Y 5 Điện áp dây CA/HA [kV] 22/0,4 6 Dòng điện pha định mức CA/HA [A] 9,55/909,33 7 Số vòng dây của cuộn CA/HA [vòng] 1715/18 Lõi thép bằng vật liệu từ mềm VĐH, mã hiệu 2605SA1, có từ cảm bão hòa là 1,63 T. Hình 2 là hình ảnh thực tế của MBA VĐH sau khi bố trí lắp đặt dây quấn. Hình 5. Tổn hao ngắn mạch của MBA 3.3. Chế độ ngắn mạch sự cố Mô hình tiếp tục thực hiện cho ngắn mạch phía HA MBA mà thực nghiệm không thực hiện được, để phân tích và đưa ra kết quả dòng điện ngắn mạch, từ trường tản Hình 2. Mô hình MBA trong thực tế và ứng suất lực điện từ tác dụng vào cuộn dây CA và HA. Hình 3 cho thấy hình dạng của một mô hình MBA trong môi trường Maxwell. Hình 3. Mô hình MBA trong Maxwell Hình 6. Dòng điện ngắn mạch trên cuộn CA 3.2 Chế độ không tải và ngắn mạch thử nghiệm Quá trình ngắn mạch sự cố phía HA thực hiện tại thời Phân tích mô hình, ta có kết quả mô phỏng về tổn hao điểm 15 ms vì tại thời điểm này giá trị điện áp của pha B không tải P0 và tổn hao ngắn mạch Pk ở Hình 4 và Hình 5. bằng 0, khi đó dòng điện ngắn mạch có giá trị lớn nhất. Phân tích theo miền thời gian với thời gian phân tích được được thiết lập là 0,1s với bước thời gian là 0,001s Hình 4. Tổn hao không tải MBA Các kết quả tổn hao được so sánh với giá trị đo đạc thực tế ở Bảng 2. Hình 7. Dòng điện ngắn mạch trên cuộn HA Bảng 2. So sánh các giá trị mô phỏng và thực tế Kết quả phân tích dòng điện ngắn mạch cuộn CA, HA Thứ tự Thông số Mô phỏng Thực tế Sai số % được biểu diễn như Hình 6 và Hình 7, cho thấy rằng: Tại thời Tổn hao không điểm 25 ms, giá trị biên độ của dòng điện ngắn mạch cực đại 1 429,618 439,9 2,4 trên pha B của cuộn CA là ICA_max= 305,07 A và của cuộn tải: P0 [W] Tổn hao ngắn HA IHA_max=29066,8 A. Do đó, độ lớn dòng điện ngắn mạch 2 4978,3 5039,0 1,2 cực đại này lớn gấp 22,6 lần biên độ dòng điện định mức. mạch Pk [W] Từ kết quả so sánh ở Bảng 2, ta thấy sở dĩ giá trị mô 3.3.1. Phân bố từ trường tản phỏng nhỏ hơn giá trị thực tế, bởi vì bản thân phương Bài toán được phân tích theo miền thời gian, ta nhận pháp PTHH là phương pháp gần đúng và mô phỏng đã bỏ được kết quả phân bố từ cảm trên mạch từ và cuộn dây qua các vật liệu cách điện và cấu trúc hỗ trợ MBA đang bị khi ngắn mạch như ở Hình 8.
8 Đoàn Thanh Bảo, Đoàn Đức Tùng, Phạm Hùng Phi, Phạm Văn Bình 4. Tính ứng suất nhiệt trong dây quấn khi có chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và cách điện epoxy Tính toán ứng suất tổng hợp ở dây quấn khi MBA ngắn mạch, cần xét hàng loạt ứng suất thành phần: a. Ứng suất lực điện từ ngắn mạch; b. Ứng suất gây ra do phân bố nhiệt độ không đồng đều lớp epoxy; c. Ứng suất do chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và lớp epoxy; Ứng suất lực điện từ đã được tính toán ở các mục Hình 8. Vectơ từ cảm trong cuộn dây khi ngắn mạch 3.3.2, còn các ứng suất ở b, c có liên quan chặt chẽ với Tại thời điểm t = 25 ms, ở Hình 8, ta thấy từ cảm tản phân bố nhiệt độ thời điểm sau ngắn mạch đồng thời liên phân bố tập trung ở khu vực giữa hai cuộn quấn CA và quan đến bản chất vật liệu làm dây quấn và epoxy [4][13]. HA là lớn nhất và có giá trị Bmax = 1,492T. Xét trường hợp cụ thể sau: 3.3.2. Phân tích ứng suất lực điện từ ngắn mạch Dây quấn hình trụ được tẩm epoxy, có hình dáng mô Ứng suất lực tổng tác dụng lên cuộn dây của MBA tả ở Hình 11, bề dày lớp epoxy là d2 – d1 = d4 – d3 = 5 mm trên mặt phẳng 0xyz: xyz = Bxyz.Ixyz /S = Fxyz/S (N/m2) Kết quả ứng suất lực tổng lớn nhất trên cuộn dây HA và CA thể hiện ở hình dưới đây: Hình 9. Phân bố ứng suất trên cuộn HA Hình 11. Các kích thước của dây quấn và lớp epoxy (mm) Thời gian ngắn mạch là 2 giây, nhiệt độ dây quấn tăng tuyến tính từ nhiệt độ ổn định 1000C lên 2000C. Thực tế cho thấy, dây quấn chịu ứng suất nhiệt lớn nhất ở giây đầu tiên. Bảng 3. Các hằng số của dây quấn và vật liệu epoxy [14] Nhiệt độ tăng thêm 100 0C 373,15 Độ dãn nở nhiệt của đồng d 0,00000165 Modun đàn hồi của đồng E2 (GN/m2) 110 Hình 10. Phân bố ứng suất trên cuộn CA Hệ số poison đồng  0,33 Từ đồ thị phân bố ứng suất trên cuộn HA và CA ở Hình Modun đàn hồi của epoxy E1 (GN/m2) 3,5 9 và Hình 10 ta nhận thấy ứng suất lực lớn nhất cuộn dây Hệ số poison epoxy  0,23 HA và CA tại vị trí giữa cuộn dây và có giá trị ở Bảng 3. Bảng 3. Ứng suất lực tổng xzmax trên cuộn HA và CA Khi MBA ngắn mạch, dòng điện tăng đột ngột làm tăng tổn hao, tăng nhiệt độ của máy. Do dây quấn tăng Ứng suất max[N/m2] Cuộn HA Cuộn CA thêm nhiệt độ θ, dây quấn dãn nở, tăng kính thước d3 lên Tổng ứng suất xyzmax 5,789.107 3,975.107 d3 + d3 và d2 lên d2 + d2 So sánh xyzmax với tbcp 5,789.107
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 2 9 tăng kích thước epoxy từ d3 lên d3 - d”3. Ta có phương 4.4. Tổng ứng suất vùng biên trình cân bằng: + Ứng suất hai đầu dây quấn: d3  d3  d3 (9) pz = - ’z2 - ’z3 - z4 Theo định luật Hook đối với biến dạng dây quấn và Trong đó: epoxy ta có: ’z3; ’z2 và z4 (kết quả từ (16, 19, 21)) Dây quấn: t3  1 (t3  1 d3  1 z3 )  d3 (10) E2 m2 m2 d3 Do vậy: pz = 3208,9 (kN/m2) 1 1 1 d  Epoxy: t3  (t3  d3  z3 )  3 (11) + Ứng suất dây quấn với lớp epoxy ngoài E1 m1 m1 d3 p = p’3 + p’32 + p3z + p”32 Ngoài ra:  t 3   t 3   d . (12) Trong đó: p’3; p3z (kết quả từ (16, 21)) Trong đó: ’t3, ’d3, ”t3, ”d3 được xác định: p’32 được xác định từ phương trình: p3 .(d32 + d12 );  p2 d22  d24  t3 = - d3 = - p3; (13a) d23 - d12  = p32 1   (22) d24 - d22  d32  p3 (d24 + d32 ) t3 = ; d3  p3; (13b) Thế các giá trị vào (22) ta có: p’32 = 114,2 (kN/m2) d24 - d23 p”32 được xác định từ phương trình: Thay thành phần (13a,b) vào (10) và (11) lưu ý ”z = 0 kết hợp với (12) ta có: z2 p32  d32 +d22  p32  1 d24 +d32 1  (23) - =  2 2   p32  2 2   m2E2 E2  d3 -d1  m2E2  E1 d4 -d3 m1E1   1 d32 +d12 1 1 d24 +d32 1  z3 p3  2 2 - + 2 2 + + = d . (14) Thế các giá trị vào (23) ta có: p”32 = 0,83 (kN/m2) E d  2 3 1 - d m E 2 2 E d 1 4 - d3 m1E1  m2 E2 Áp suất p’3 làm thay đổi chiều cao dây quấn từ h1 lên Do vậy: p = - 1505,6 (kN/m2) h1+h1. Bên cạnh đó ’z3 làm giảm chiều cao h1 đi một + Ứng suất dây quấn với lớp epoxy trong lượng h’1 và phần epoxy bị nén, giảm chiều cao đi một p2 = p’2 + p’23 + p2z + p”23 lượng bằng h”1. Ta thiết lập được phương trình: Trong đó: h1 2d 2 h h p’2; p2z (kết quả từ (19, 21)) p3 . . 2 3 2  σz 3 ( 1 + 2 )  0 (15) m 2 E 2 d3  d1 E 2 E1 2 2 p’23 được xác định: p23 = - p2 3 d3 2  d32  1 (24) Thế các dữ liệu và giải 2 phương trình (14) và (15), ta d3 - d1  d 2  có nghiệm p’3 và ’z3 2 Thế các giá trị vào (24) ta có: p’23 = - 599,6 (kN/m2)  z3  605,2(kN / m )  (16)  2 p”23 được xác định từ phương trình: p3  583,5(kN / m ) 1 p  d2 + d2 1  p  d2 + d2 1  4.2. Ứng suất xuất hiện ở dây quấn và phần epoxy lớp trong = - 23  42 22    32  32 21   (25) m2 E2 E2  d4 - d2 m2  E1  d3 - d1 m1  Tương tự như cách xác định ở trên, ta lập được hệ Thế các giá trị vào (25) ta có: p”23 = - 4,66 (kN/m2) phương trình đối với các áp suất p’2 và ’z2 như sau: Do vậy: p2 = 1427,2 (kN/m2)  1 d2 +d2 1 1 d22 +d12 1  z2 - p2  42 22  + 2 2 + = d. (17) 4.5. Tính ứng suất ngắn mạch tổng hợp  E2 d4 -d2 m2E2 E1 d2 -d1 mE 1 1  mE 2 2 Ứng suất tác dụng vào dây quấn MBA khô, tẩm cách điện h1 2d2 h h - p2 . . 2 2 2  σz 2 ( 1  2 )  0 (18) epoxy là tổng xếp chồng ứng suất do lực điện từ, ứng suất do m2E2 d4  d2 E2 E1 độ chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và epoxy, đồng thời ứng Thay thế các dữ liệu và giải 2 phương trình (17) và lực do phân bố nhiệt độ không đồng đều ở cách điện. (18), ta có nghiệm p’2 và ’z2 Ứng suất ngắn mạch tổng hợp này được thể hiện 2   z2  2897,1( kN / m ) Hình 12.  (19) 2 p2  682,9( kN / m ) 4.3. Ứng suất ở hai đầu dây quấn và epoxy Tương tự như cách xác định ở trên, ta lập được hệ phương trình đối với các áp suất p2z, p3z và z4 như sau: -2, 726 p 3 z - 8,870 p 2 z    z4  0  (20) 10, 437 p 3 z ,811p 2 z    z4  0  5 12, 9 p 3 z  p 2 z  96, 2330 z4  26, 475.10 Giải hệ 3 phương trình (20), ta có nghiệm p3z; p2z và z4 như sau:  p 3 z   2202, 5( kN / m 2 )   p 2 z  2714, 4(kN / m ) (21) 2 Hình 12. Ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp  2   z4  5500,8(kN / m ) + Ứng suất tổng ở lớp epoxy ngoài:
10 Đoàn Thanh Bảo, Đoàn Đức Tùng, Phạm Hùng Phi, Phạm Văn Bình 7 2 TÀI LIỆU THAM KHẢO xyz = xyz + p = 5,9395. 10 (N/m ) + Ứng suất tổng ở lớp epoxy trong: [1] T. Steinmetz, B. Cranganu-Cretu, and J. Smajic, “Investigations of xyz = xyz - p2 = 1,805. 107 (N/m2) no-load and load losses in amorphous core dry-type transformers,” The XIX International Conference on Electrical Machines - ICEM + Ứng suất tổng ở hai đầu dây quấn: 2010, Sep. (2010), pp.1–6. xyz = y + pz = 2,392. 107 (N/m2) [2] Đoàn Thanh Bảo, Đỗ Chí Phi, Phạm Văn Bình, Đoàn Đức Tùng, Võ Khánh Thoại, “Phân tích lực điện từ ngắn mạch của máy biến Ta thấy ứng suất do lực điện từ tác động tại vùng biên áp vô định hình” Tạp chí Khoa học & Công nghệ Đại học Đà bên ngoài của cuộn HA là lớn và nguy hiểm nhất, sau thời Nẵng, số 11(84), Quyển 2, trang 1–9, 2014. gian ngắn mạch lại cộng thêm (cùng chiều) ứng suất nhiệt [3] Hyun-mo Ahn - Ji-yeon Lee, - Joong-kyoung Kim, and Yeon-ho nên càng nguy hiểm hơn. Oh - Sang-yong Jung, “Finite-Element Analysis of Short-Circuit Electromagnetic Force in Power Transformer,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 47, no. 3, pp. 1267–1272, May 2011. 5. Kết luận [4] Phạm Văn Bình, Lê Văn Doanh, Máy biến áp – lý thuyết – vận Bài báo đã sử dụng phần mềm Ansys Maxwell 3D hành - bảo dưỡng - thử nghiệm, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà theo miền thời gian mô phỏng MBA có lõi thép VĐH 3 Nội, lần 2, năm 2011. pha công suất 630 kVA, điện áp 22/0,4 kV trong trường [5] Hajiaghasi, S. and K. Abbaszadeh, “Analysis of Electromagnetic Forces hợp ngắn mạch sự cố đồng thời cả 3 pha phía HA MBA. in Distribution Transformers Under Various Internal Short-Circuit Faults,” CIRED Regional - Iran, Tehran, vol. 13–14, pp. 1–9, 2013. Tại thời điểm t = 25 ms, dòng điện ngắn mạch cực đại [6] Marcel Dekler, “Transformer_Engineering_-_Design_and_Practice - trên pha B của cuộn CA và HA lớn gấp 22,6 lần biên độ Chapter 6: Short Circuit Stresses and Strength,” no. year 2000, pp. 231–275. Iđm, phân tích kết quả từ cảm tản và tính tổng ứng suất lực [7] Mouhamad, M., C. Elleau, F. Mazaleyrat, C. Guillaume, and B. Jarry, điện từ lớn nhất trên cuộn HA xyz = 5,789.107 N/m2, trên “Short-Circuit Withstand Tests of Metglas 2605SA1-Based,” IEEE cuộn CA xyz = 3,975.107 N/m2. Sau đó, so sánh với ứng Transactions on Magnetics, vol. 47, no. 10, pp. 4489–4492, 2011. suất cho phép của dây quấn thì khi xảy ra ngắn mạch với [8] Catalogue - Máy biến áp khô loại đúc, “Công ty cổ phần thiết bị điện - (Electrical Equipment Joint Stock Company) - Tổng công ty thiết bị dòng điện cực đại thì ứng suất lớn nhất trên dây quấn điện Việt Nam,” www.thibidi.com.vn, p. 23, 2009. chưa vượt quá giới hạn cho phép. [9] Haifeng Zhong – WenhaoNiu - Tao Lin - Dong Han - Guo qiang Vì ứng suất điện từ trên cuộn HA lớn hơn cuộn CA, Zhang, “The Analysis of Short-Circuit Withstanding Ability for A nên tính toán ứng suất nhiệt được tính cho cuộn HA. Tính 800KVA/10KV Shell-Form Power Transformer with Amorphous Alloy Cores,” 2012 IEEE International Conference on Electricity ứng suất nhiệt trên cuộn HA khi có chênh lệch nhiệt độ Distribution (CICED), no. 2161–7481, pp. 1–5, 2012. giữa dây quấn và cách điện epoxy. Kết quả, ứng suất ở [10] Hyun-mo Ahn - Yeon-ho Oh and - Joong-kyoung Kim - Jae-sung lớp epoxy ngoài cùng chiều với ứng suất điện từ nên giá Song - Sung-chin Hahn, “Experimental Verification and Finite trị ứng suất tổng hợp: xyz = 5,9395. 107 (N/m2) > xyz. Element Analysis of Short-Circuit Electromagnetic Force for Dry- Type Transformer,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 48, Do vậy, để tính ứng suất tổng hợp tác dụng vào dây no. 2, pp. 819–822, February, 2012. quấn MBA khô, tẩm cách điện epoxy, chúng ta phải tính [11] J. Y. Lee - H.M Ahn -J. K. Kim and - Y. H.Oh - S. C. Hahn, tổng xếp chồng ứng suất do lực điện từ; ứng suất do độ “Finite element analysis of short circuit electromagnetic force in chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và epoxy; và ứng suất power transformer,” 2009 International Conference on Electrical Machines and Systems, no. 4, pp. 1–4, 2009. do phân bố nhiệt độ không đồng đều ở lớp epoxy. Từ đó [12] M. R. Feyzi and M. Sabahi, “Finite element analyses of short circuit forces in đưa ra khuyến cáo cho kỹ thuật cần đặt vị trí gá nẹp cuộn power transformers with asymmetric conditions,” 2008 IEEE International dây cho phù hợp. Symposium on Industrial Electronics, no. 1, (2008), pp. 576–581. Việc tính toán tìm ứng suất lực tổng lớn nhất trên cuộn [13] Nhữ Mai Phương, Lý thuyết đàn hồi, NXB Giáo Dục Việt Nam, tr. 81, 2009. dây trong điều kiện ngắn mạch là rất cần thiết trong thiết [14] Nguyễn Hoa Thịnh - Nguyễn Đình Đức, Vật liệu composite cơ học kế, sản xuất, thử nghiệm và vận hành MBA VĐH. và công nghệ, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, tr. 351, 2002. (BBT nhận bài: 14/07/2015, phản biện xong: 02/09/2015)