Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp có tính đến ảnh hưởng phân bố nhiệt trong máy biến áp khô có lõi thép vô định hình

Chia sẻ: Minh Tú | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp có tính đến ảnh hưởng phân bố nhiệt trong máy biến áp khô có lõi thép vô định hình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM HỒNG HẢI NGHIÊN CỨU LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP CÓ TÍNH ĐẾN ẢNH HƯỞNG PHÂN BỐ NHIỆT TRONG MÁY BIẾN ÁP KHÔ CÓ LÕI THÉP VÔ ĐỊNH HÌNH Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9520201 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2021
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Lê Đức Tùng 2. PGS. TS. Phạm Văn Bình Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Vào hồi ….. giờ, ngày … tháng…. năm ………. Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Khi nghiên cứu đến lực ngắn mạch tổng hợp tác động lên MBA ta nghiên cứu cả về lực điện từ và lực nhiệt động (ứng suất nhiệt). Bài toán về lực điện từ do sự tương tác giữa dòng điện và từ trường tản trong vùng dây quấn MBA đã có nhiều nghiên cứu. Khi ngắn mạch dòng ngắn mạch lớn, lực điện từ sinh ra rất lớn có thể làm uốn cong, xê dịch thậm chí làm phá hủy dây quấn, làm nổ MBA [1],[2],[3] Ở MBA khô phân phối có cuộn dây đúc nhựa epoxy với đặc tính ưu điểm được sử dụng nhiều ở các tòa nhà, khu dân cư, đường hầm, những nơi yêu cầu cao về an toàn phòng chống cháy nổ. Lực nhiệt động tác dụng lên dây quấn MBA khi ngắn mạch là do sự thay đổi phân bố nhiệt, thay đổi nhiệt độ làm việc tạo ra ứng suất do phân bố nhiệt độ không đồng đều trong lớp epoxy, ứng suất do chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và lớp epoxy. Lực nhiệt động liên quan chặt chẽ đến phân bố nhiệt độ sau thời điểm ngắn mạch đồng thời liên quan đến bản chất vật liệu làm dây quấn và epoxy. Vì vậy, lời giải cho bài toán nghiên cứu lý thuyết, tính toán về lực điện từ, ứng suất nhiệt tác dụng lên dây quấn MBA khi ngắn mạch và các thông số nhiệt của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ là điều cần thiết phải nghiên cứu. Do đó, luận án: “Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp có tính đến ảnh hưởng phân bố nhiệt trong máy biến áp khô có lõi thép vô định hình” được đặt ra là cần thiết và có ý nghĩa quan trọng trong giai đoạn hiện nay. 2. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: • Nghiên cứu, tính toán, và mô phỏng bài toán điện từ và bài toán nhiệt trong MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH có xét đến ảnh hưởng của đặc tính nhiệt của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ. • Tính toán lực ngắn mạch tổng hợp MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH có tính đến lực nhiệt động do phân bố nhiệt độ không đồng đều trong lớp epoxy và do chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và lớp epoxy. Đối tượng nghiên cứu • MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH có hình dạng dây quấn hình chữ nhật. Phạm vi nghiên cứu • Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp MBA khô bọc epoxy có xét đến hình dạng dây quấn hình chữ nhật. • Nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng nhiệt độ làm thay đổi các thông số α(T0C), (T0C), Cp(T0C) (thông số nhiệt) của epoxy trong một số trạng thái làm việc của MBA. • Xây dựng mô hình toán với các đặc tính nhiệt của epoxy phụ thuộc vào nhiệt độ. • Xây dựng đặc tính lực ngắn mạch tổng hợp MBA khô trong đó có bao gồm lực nhiệt động do phân bố nhiệt độ không đồng đều trong lớp epoxy và do chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và lớp epoxy có tính đến thông số α(T0C), (T0C), Cp(T0C) thay đổi trong tình trạng làm việc của MBA. • Đánh giá lực tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA ngắn mạch. Phương pháp nghiên cứu • Áp dụng các phương pháp tính toán hiện đại ứng dụng trong mô phỏng trường điện từ, cơ khí, nhiệt các hệ thống thiết bị điện có kích thước lớn, và cấu trúc phức tạp. 1
• Sử dụng các phần mềm mô phỏng số để tính toán và xác định điểm phát nóng cục bộ. • Sử dụng phần mềm tương tác đa môi trường Ansys Workbench để mô phỏng bài toán Điện từ - Nhiệt – Cơ của MBA khi ngắn mạch. • Kết hợp một số nghiên cứu thực nghiệm. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học • Xác định được phân bố lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA và vị trí có ứng suất lực lớn nhất trên dây quấn của MBA có tính đến ảnh hưởng thay đổi theo nhiệt độ các thông số α(T0C), (T0C), Cp(T0C). • Đối với MBAVĐH do có cấu trúc đặc biệt của lõi thép kéo theo cả cuộn dây có cấu trúc hình trụ chữ nhật, cần quan tâm đến bán kính cong góc trụ chữ nhật để giảm xung lực vùng góc cuộn dây. Đây cũng là nội dung có thể khai thác trong các nghiên cứu sau này. • Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) với phần mềm Ansys Structure 3D cho phép tìm ra ứng suất nhiệt phân bố trong cuộn dây MBA đồng thời tìm ra điểm có ứng suất nhiệt lớn nhất. Giúp ích cho các kỹ sư tìm giải pháp trong việc thiết kế giảm ứng suất tập trung (ví dụ: xác định bán kính cong thích hợp, chọn vị trí thổi gió cưỡng bức…). Ý nghĩa thực tiễn • Xác định được phân bố lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA và vị trí có ứng suất lớn nhất trên dây quấn của MBA có tính đến ảnh hưởng phân bố nhiệt. • Các kết quả đạt được giúp cho việc tính toán, thiết kế tối ưu kết cấu của MBA. Từ đó, giúp cho các nhà chế tạo làm chủ công nghệ chế tạo MBA khô ở Việt Nam. • Việc áp dụng phương pháp PTHH phần mềm Ansys Fluent 3D cho phép tìm ra phân bố nhiệt trên từng vị trí vòng dây trong trường hợp ngắn mạch sự cố nguy hiểm nhất phía hạ áp MBA không chỉ hỗ trợ cho thiết kế chế tạo mà còn có vai trò quan trọng trong việc kiểm tra sản phẩm. • Phương pháp PTHH với phần mềm Ansys Structure 3D cho phép tìm ra ứng suất nhiệt phân bố trong cuộn dây MBA đồng thời tìm ra điểm có ứng suất nhiệt lớn nhất. Giúp ích cho các kỹ sư trong việc thiết kế MBA và giảm công sức thử nghiệm phá hủy khi chế tạo MBA. 4. Các đóng góp mới của luận án Nội dung của luận án đã tập trung nghiên cứu tính toán lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH. Luận án đã đạt được một số kết quả nghiên cứu mới có thể được tóm lược như sau: • Tính phân bố lực ngắn mạch tổng hợp MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH có tính đến ứng suất gây ra do phân bố nhiệt độ không đồng đều trong lớp epoxy và ứng suất do chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và lớp epoxy có tính đến sự thay đổi các thông số α(T0C), (T0C), Cp(T0C) (thông số nhiệt) trong các tình trạng làm việc của MBA. • Xây dựng được đường cong thực nghiệm thông số nhiệt của vật liệu epoxy phụ thuộc nhiệt độ. • Xây dựng được mạch nhiệt thay thế tương đương MBA khô giúp giải nhanh và tìm được phân bố nhiệt độ MBA. • Đánh giá lực tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA khi ngắn mạch. 2
5. Cấu trúc nội dung của luận án Ngoài phần mở đầu, nội dung của luận án gồm 4 chương và phụ lục, cụ thể: Chương 1: Tổng quan. Chương 2. Nghiên cứu mô hình toán tính lực ngắn mạch tổng hợp tác đụng vào dây quấn MBA. Chương 3. Xây dựng mô hình toán tính phân bố nhiệt MBA khô với các đặc tính vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ. Chương 4. Tính toán phân bố nhiệt và lực ngắn mạch tổng hợp MBA. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu chương 1.2. Mô phỏng số các thiết bị điện – điện tử Trong quá trình chế tạo các thiết bị điện, giảm được chi phí là một trong những vấn đề quan trọng và luôn được các nhà nghiên cứu, thiết kế và chế tạo trong và ngoài nước quan tâm. Cùng với sự phát triển của khoa học máy tính và các kiến thức vật lý hiện đại, việc sử dụng các phương pháp số để tính toán mô phỏng các đại lượng trường trong máy điện nói chung và MBA nói riêng luôn được quan tâm. Hơn nữa, phương pháp số cũng giúp cho việc dễ dàng thay đổi các tham số, tạo ra nhiều mô hình ảo đáp ứng yêu cầu thiết kế mà không tốn thêm chi phí nào. 1.3. Máy biến áp trong hệ thống điện 1.3.1. MBA khô MBA khô có cuộn dây đúc trong nhựa epoxy thích hợp ở những nơi có yêu cầu cao về phòng chống cháy nổ, nơi đông người qua lại, các công trình gần biển, các toà nhà cao tầng, dưới lòng đất v.v... Số lượng MBA khô loại này ngày càng chiếm thị phần lớn trên thị trường thế giới. Nhưng giá thành của MBA khô cao hơn, công suất và cấp điện áp của MBA khô bị giới hạn so với MBA dầu [8]. 1.3.2. Máy biến áp có lõi thép VĐH Xu thế hiện nay người ta ưu tiên lựa chọn các MBA có hiệu suất cao. Lựa chọn phương án thiết kế MBA có hiệu suất cao mang ý nghĩa lớn, Nhờ vào thành phần và cấu trúc vi mô đặc biệt, thép VĐH đáp ứng cả 3 yêu cầu để giảm tổn hao lõi là: lực kháng từ rất nhỏ, HC ~ 5-10 A/m (so với ~50-100 A/m của tôn silic); độ dày tự nhiên của lá thép rất nhỏ, td ~ 0,03 mm (so với ~ 0,3-0,5 mm của tôn silic) và điện trở suất rất lớn ρ ~ 130-170 μΩcm (so với ~50-60 μΩcm của tôn silic). Nhờ vào các tính chất trên mà tổn hao lõi của thép VĐH giảm mạnh so với thép silic loại tốt nhất [6]. 1.4. Tổng quan nghiên cứu MBA khô có cuộn dây đúc trong epoxy và lõi thép VĐH trên thế giới 1.4.1. Về vấn đề lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA trên thế giới 1.4.1.1. Đối với MBA lõi thép silic Trên thế giới đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA khô, có thể được liệt kê như sau: Nhóm tác giả: Hyun-Mo Ahn và Ji-Yeon Lee đã phân tích, tính toán lực điện từ ngắn mạch của MBA lõi thép silic có tiết diện tròn bằng phương pháp PTHH [23],[24],[25]. Nhóm tác giả thực hiện trên các MBA khô 1 pha với công suất 1 MVA, phân tích từ trường tản bằng 3
phương pháp PTHH với phần mềm Maxwell. Kết quả mô phỏng lực điện từ hướng kính và hướng trục, phân bố trên cuộn CA, và HA như Hình 1.9 và Hình 1.10. Trong nghiên cứu này, tác giả cũng đưa ra giá trị lực điện từ hướng trục lớn nhất trên cuộn HA là 2597N và cuộn CA là 2851N; lực điện từ hướng kính lớn nhất trên cuộn HA là 11698N và cuộn CA là 5568N. 1.4.1.2. Đối với MBA sử dụng lõi thép silic 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 [30],[4],[31],[5]. Nhóm tác giả B. Tomczuk, D. Koteras, K. Zakrzewski [7], đã phân tích từ trường và điện kháng ngắn mạch của MBA 3 pha lõi MBA VĐH. Nội dung của bài báo đề cập đến sự biến đổi của khe hở không khí d gây ra thay đổi phân bố từ thông. Giá trị từ thông thay đổi 25% khi d thay đổi từ 1 – 7mm. Tính toán này áp dụng cho cuộn dây tròn và có thể áp dụng lên cuộn dây hình chữ nhật [32]. Các kết quả tính toán phân bố từ trường và điện kháng ngắn mạch đã được so sánh với những kết quả thực nghiệm. Nhóm tác giả Malick Mouhamad, Christophe Elleau [5], đã đưa ra tính toán lực điện động ngắn mạch giữa 2 cuộn dây cao áp và hạ áp của MBA VĐH sử dụng lõi thép 2605SA1 có cuộn dây hình chữ nhật có xét đến chiều dày cuộn dây. Kết quả của bài báo đã đưa ra khuyến cáo trong tính toán lực tác dụng lên dây quấn nên tính theo cách có xét đến bề dày cuộn dây và khoảng cách giữa hai cuộn dây, quan trọng hơn khi tính lực cho MBA có lõi VĐH vì các cuộn dây có hình chữ nhật mà không phải tròn, phân bố lực sẽ không đối xứng như Hình 1.11. Lõi thép VĐH CA HA HA CA Hình 1.11 Cuộn HA và CA máy VĐH sau khi bị tác dụng của lực điện từ ngắn mạch [8] 1.4.2. Nghiên cứu về phân bố nhiệt ở MBA khô trên thế giới Vì vậy, việc tìm ra phân bố nhiệt cũng như xác định các điểm phát nóng cục bộ ở những MBA khô là rất quan trọng. Nó giúp các nhà thiết kế, chết tạo cải tiến thiết bị để tăng tuổi thọ cũng như hiệu suất làm việc của MBA [33][34][35]. Từ những năm 1944 việc xác định điểm phát nóng trong cuộn dây MBA khô đã được tác giả Satterlee [36], Whiteman [37] đưa ra trong những nghiên cứu của mình. Tác giả Whiteman đã kết luận rằng độ tăng nhiệt độ cho phép của cuộn dây MBA khô là từ 30℃ đến 80℃. Nhóm tác giả Yifan Chen, Changgeng Zhang trong nghiên cứu [46] đã so sánh giữa phương pháp sử dụng mô hình mạch nhiệt thay thế tương đương (LPTN) và phương pháp PTHH. Nghiên cứu đã cho thấy việc áp dụng mô hình LPTN là có khả thi mặc dù kết quả tính toán nhiệt độ còn lệch khá nhiều (Hình 1.12). Đồng thời, trong nghiên cứu của mình tác giả chỉ ra rằng nhiệt độ nóng nhất tập trung ở phần giữa cuộn 4
dây (Hình 1.14). Nhiệt độ nóng nhất cuộn CA là 60,89℃ và cuộn HA là 73,83℃, nhiệt độ nóng nhất ở lõi là 47,26℃. (a) (b) Hình 1.11 Mô hình MBA khô (a) phần nghiên cứu phân bố nhiệt, (b) Mạch nhiệt cho phần nghiên cứu [46] Trong nghiên cứu [42], Wang Ning sử dụng COMSOL Multiphysics mô phỏng 3D phân bố nhiệt MBA khô có kiểm chứng kết quả mô phỏng với đo đạc thực nghiệm để chứng minh tính đúng đắn của mô hình Hình 1.15. Kết quả cho thấy nhiệt độ cao hơn tập trung vùng trên của các cuộn dây, pha B có nhiệt độ cao hơn pha A và pha C. Kết quả mô phỏng có kiểm chứng với kết quả đo đạc thực nghiệm để chứng minh được tính đúng đắn của mô hình. Hình 1.15 Mô phỏng phân bố nhiệt MBA bằng phần mềm COMSOL Multiphysics [42] Tóm lại: Với các phân tích ở trên, chúng ta nhận thấy có rất nhiều các nhà nghiên cứu trên thế giới đã sử dụng các phương pháp khác nhau để tính toán, phân tích bài toán nhiệt trong MBA khô. Tuy nhiên, các phương nghiên cứu về nhiệt chủ yếu chỉ kể đến các thông số điện từ mà chưa kể đến ảnh của các thông số của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ khi MBA làm việc ở chế độ quá tải và ngắn mạch. 1.5. Những nghiên cứu ở trong nước về máy biến áp lõi vô định hình Trong lĩnh vực nghiên cứu, đã có một vài luận án thạc sĩ nghiên cứu về MBA sử dụng lõi thép VĐH. Tác giả Bùi Đình Chi [49] đã nghiên cứu và tìm hiểu về công nghệ chế tạo MBA khô lõi thép VĐH. Tác giả Hoàng Tháp Mười [18] nghiên cứu về phân bố nhiệt MBA khô có lõi thép VĐH tác giả sử dụng các thông số nhiệt của vật liệu epoxy là hằng số và phân bố nhiệt được nghiên cứu bằng phần mềm FlexPDE 2D. Trong tài liệu [9], tác giả Đoàn Thanh Bảo đã nghiên cứu về lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH. Tác giả đã xây dựng được toán tổng quát của từ trường tản trong cửa sổ mạch từ MBA với từ thế vectơ A. Ứng dụng phương pháp giải tích và PTHH 2D để tính ứng suất lực hướng trục và hướng kính trên các dây quấn trong trường hợp ngắn mạch 3 pha đối xứng phía HA. Tóm lại: nghiên cứu về MBA khô có lõi thép VĐH ở Việt Nam vẫn còn hạn chế số lượng công trình công bố và các vấn đề còn tồn tại như sau: Còn ít nghiên cứu tính lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn bao gồm lực điện từ và ứng suất nhiệt trong dây quấn MBA khô bọc epoxy. Trong việc tính toán mô phỏng phân bố nhiệt MBA khô bọc epoxy chưa tính đến việc các thông số của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ. Việc tính toán mô 5
phỏng phân bố nhiệt MBA khô mới là dạng 2D đồng thời chưa có sự kiểm chứng với dữ liệu thực nghiệm. 1.6. Những nghiên cứu về thông số nhiệt của vật liệu epoxy Trong việc tính toán mô phỏng phân bố nhiệt MBA khô, bên cạnh các điều kiện biên, điều kiện thời gian và điều kiện hình học, điều kiện vật lý bao gồm hệ số dẫn nhiệt 𝜆, khối lượng riêng ρ, nhiệt dung riêng 𝑐𝑝 cần phải được biết trước. Trên cơ sở giải xấp xỉ bài toán dẫn nhiệt bên trong lớp epoxy, trường nhiệt độ của lớp cách nhiệt này sẽ được xác định qua đó giúp dự đoán các điểm nóng cục bộ bên trong máy. Các thông số nhiệt vật lý thường là những đại lượng vật lý khó xác định, đặc biệt là hệ số dẫn nhiệt. Hệ số dẫn nhiệt (λ) là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của các vật, nên chỉ có thể được xác định bằng thực nghiệm. Theo các tài liệu [53],[54] thì hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách điện epoxy sử dụng trong MBA nằm trong khoảng 0,33 – 0,5 W/mK, đây là loại vật liệu có hệ số dẫn nhiệt thấp. Do đó phương pháp không ổn định phù hợp hơn cả để xác định hệ số dẫn nhiệt của các vật liệu cách nhiệt nói chung và vật liệu epoxy nói riêng. Phương pháp đo không ổn định sử dụng nguồn dòng xác định hệ số dẫn nhiệt 𝜆 của vật liệu cách điện cũng được sử dụng rộng rãi [55]-[56]. García và cộng sự [57] đã thực nghiệm đo hệ số dẫn nhiệt trên vật liệu cách điện epoxy sử dụng trong MBA, sau đó sử dụng kỹ thuật ước lượng tham số để xác định các hệ số còn lại như: nhiệt dung riêng 𝑐𝑝 và hệ số khuếch tán nhiệt 𝛼. Trong nước, trong lĩnh vực kỹ thuật nhiệt có nhiều tác giả cũng đã nghiên cứu chế tạo thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt bằng thực nghiệm như các tác giả Nguyễn Đức Lợi, Đặng Quốc Phú, Đinh Văn Thuận [58], [59]. Năm 1996, tác giả Đinh Văn Thuận [50] đã trình bày thiết kế chi tiết thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt dạng que thăm. Tóm lại: Việc đo các thông số nhiệt vật lý của vật liệu là cần thiết, là nhu cầu cấp của nhiều ngành công nghiệp từ xây dựng, đến sản xuất chế tạo thiết bị điện. Một số công trình nghiên cứu đã xây dựng và nghiên cứu thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt và dẫn nhiệt độ của nhiều loại vật liệu có hệ số dẫn nhiệt thấp theo nguyên lý nguồn đường. Tuy nhiên, thiết bị đo còn cồng kềnh phải đặt cố định trong phòng thí nghiệm nên còn hạn chế trong khả năng sử dụng. Các số liệu thu được chưa tập hợp thành cơ sở dữ liệu. Hơn nữa, đa phần thiết bị được chế tạo dựa trên cơ sở lý thuyết chưa dựa vào các tiêu chuẩn. 1.7. Những vấn đề còn tồn tại Với những phân tích ở trên ta thấy rằng nghiên cứu về lực ngắn mạch ở MBAVĐH vẫn còn hạn chế số lượng công trình công bố và cũng như những vấn đề mà công trình này chưa khai thác hết. Cụ thể là các vấn đề còn tồn tại như sau: 1. Còn ít nghiên cứu tính lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn bao gồm lực điện từ và ứng suất nhiệt trong dây quấn MBA khô bọc epoxy. 2. Trong việc tính toán mô phỏng phân bố nhiệt MBA khô bọc epoxy chưa tính đến việc các thông số của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ. 3. Chưa tính được phân bố ứng suất nhiệt do chênh lệch nhiệt độ giữa lớp epoxy và dây quấn trong trường hợp ngắn mạch MBA có tính đến các thông số của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ. 6
4. Chưa xác định bán kính cong giới hạn của cuộn dây trụ chữ nhật trong việc thiết kế giảm ứng suất tập trung. 1.8. Đề xuất hướng nghiên cứu của tác giả Những nghiên cứu thực nghiệm về hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách điện epoxy sử dụng trong MBA chưa đủ tin cậy để ứng dụng, do sự khác biệt về phương pháp chế tạo và tỉ lệ phối trộn các phụ gia dẫn đến sai số. Vì vậy tác giả để xuất hướng nghiên cứu như sau: • Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt, dẫn nhiệt độ của vật liệu epoxy theo tiêu chuẩn ASTM D5334 dạng que thăm nhiệt. Trên cơ sở đó xác định các đặc tính nhiệt của vật liệu epoxy sử dụng trong sản xuất MBA khô tại Việt Nam bằng thực nghiệm. • Nghiên cứu mô hình mô phỏng phân bố nhiệt MBA khô có cuộn dây bọc epoxy trên cơ sở các đặc tính nhiệt của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ tại các điều kiện tải khác nhau. Từ đó áp dụng mô phỏng phân bố nhiệt MBA khô trong trường hợp ngắn mạch. • Xác định được phân bố lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA khô bọc epoxy và vị trí có ứng suất lực lớn nhất trên dây quấn của MBA có tính đến ảnh hưởng thay đổi theo nhiệt độ các thông số α(T0C), (T0C), Cp(T0C). • Đánh giá lực tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA ngắn mạch. • Đề xuất định hướng giảm ứng suất tập trung vùng góc bối dây bằng cách xác định bán kính cong thích hợp của cuộn dây trụ chữ nhật của MBA sử dụng lõi thép VĐH. 1.9. Kết luận chương 1 Trong chương này, luận án giới thiệu về MBA khô có cuộn dây đúc epoxy, với những ưu điểm MBA này so với MBA dầu nên số lượng MBA khô ngày càng chiếm thị phần lớn trên thị trường thế giới. Xu thế hiện nay người ta ưu tiên lựa chọn các MBA có hiệu suất cao. Đặc biệt, khi sử dụng MBA lõi thép bằng vật liệu VĐH làm giảm tổn hao không tải đến 60% -70% so với thép silic loại tốt. MBAVĐH do có cấu trúc đặc biệt của lõi thép và cuộn dây là hình chữ nhật nên phân bố điện trường, từ trường tản và phân bố lực tác dụng lên cuộn dây cũng sẽ không đối xứng trên cùng một vòng dây. Hơn nữa, lúc xảy ra ngắn mạch thì lực này lớn sẽ rất nguy hiểm đối với cuộn dây. Luận án cũng đã phân tích bức tranh khá đầy đủ về các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về phương pháp tính toán lực điện từ tác dụng lên dây quấn của MBA lõi thép silic và MBA lõi thép VĐH. Trên cơ sở phân tích các công trình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài, luận án đã chỉ ra các vấn đề còn tồn tại của các công trình trước đó, để từ đó đề ra mục tiêu và phương pháp nghiên cứu để giải quyết những mặt còn tồn tại đó. Nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày ở những chương tiếp theo. CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TOÁN TÍNH LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP TÁC DỤNG VÀO DÂY QUẤN Mba 2.1. Giới thiệu 2.2. Hệ phương trình Maxwell và bài toán điện từ 2.3. Mô hình bài toán điện từ bằng phương pháp tích phân số 2.4. Nghiên cứu mô hình toán tính ứng suất lực diện từ dây quấn theo từ thế vectơ A 7
Xuất phát từ hệ phương trình Maxwell đã được trình bày ở phần 2.2, khi miền nghiên cứu từ trường là trong vùng cửa sổ mạch từ có mật độ dòng điện của nguồn ngoài J. Giả thiết rằng MBA được đặt trong môi trường không tồn tại điện trường do vậy chỉ tồn tại thành phần dòng điện chảy trong các cuộn CA và HA mà không tồn tại dòng điện dịch Khảo sát từ thế vectơ A trong cửa sổ MBA theo tọa độ Descartes (x,y), lúc này từ trường, và từ thế biến thiên theo phương vuông góc với mặt phẳng bị triệt tiêu: 𝐵𝑍 = 0 (2.68) {𝜕𝑨 =0 𝜕𝑧 Phương trình (2.67) viết lại như sau: 𝜕2𝑨 𝜕2𝑨 (2.69) + = −𝜇𝑱 𝜕𝑥 2 𝜕𝑦 2 Phương trình (2.69) là phương trình đạo hàm riêng cấp hai với biến số x, y độc lập. Từ phương trình (2.66) và (2.68) ta suy ra: 𝜕𝑨 (2.70) 𝐵𝑥 = 𝜕𝑦 𝜕𝑨 𝐵𝑦 = − 𝜕𝑥 {𝐵𝑧 = 0 2.4.1. Điều kiện biên Trên cơ sở lý thuyết về điều kiện biên và bờ tổng quát đã trình bày ở phần 2.2.2 và 2.2.3, các đặc tính của vật liệu (xem mục 2.2.1) làm lõi MBA có độ từ thẩm lớn hơn rất nhiều lần so với độ tự thẩm của không khí cho nên tại lớp tiếp xúc giữa hai bề mặt này, thành phần từ cảm theo phương tiếp tuyến bị triệt tiêu. Điều này được thể hiện như sau: 𝐵𝑥 (𝑦=0,ℎ) = 0 (2.74) {𝐵 𝑦 (𝑥=0,𝑑) = 0 2.4.2. Tính hằng số tích phân Aj,k Để giải phương trình (2.69) giả thiết A có nghiệm tổng quát dạng chuỗi điều hòa. Trường hợp tổng quát hằng số tích phân Aj,k như sau: 𝑔 4 𝜇0 1 (2.86) 𝐴𝑗,𝑘 = ∑ 𝑱𝑠 (𝑠𝑖𝑛𝑚𝑗 𝑑2𝑠 − 𝑠𝑖𝑛𝑚𝑗 𝑑1𝑠 )(𝑠𝑖𝑛𝑛𝑘 ℎ2𝑠 𝑑. ℎ 𝑚𝑗 𝑛𝑘 (𝑚𝑗2 + 𝑛𝑘2 ) 𝑠=1 − 𝑠𝑖𝑛𝑛𝑘 ℎ1𝑠 ) 2.4.3. Phương trình ứng suất lực trên dây quấn viết theo từ thế vecto A(x,y) + Ứng suất lực theo trục x   A j,k  x,s = - J s  (sinn k h s2 - sinn k h1s )(cosm jd s2 - cosm jd1s ) (2.87) j=1 k=1 nk + Ứng suất lực theo trục y 8
  A j,k  y,s = J s  (cosn k h s2 - cosn k h1s )(sinm jds2 - sinm jd1s ) (2.90) j=1 k =1 nk 2.5. Bài toán áp dụng MBA 320kVA 22,0,4kV Trên cơ sở phát triển lý thuyết ở các phần trước, trong phần này, luận án áp dụng lý thuyết vào để tính toán cho bài toán thực thế là một máy MBA phân phối 3 pha, công suất 320 kVA, điện áp 22/0,4kV (do SANAKY chế tạo). Các thông số kỹ thuật của MBA khô được cho tại Bảng 2.1 2.5.1. Tính dòng ngắn mạch trên các cuộn dây Với các thông số có được của MBA, ta tính toán giá trị điện kháng tản, điện trở ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch. Thay các giá trị có được (2.95), (2.98) và (2.99) vào công thức (2.93) và giải bằng phần mềm Matlab ta có dòng ngắn mạch trên cuộn CA và HA: Hình 2.6 Dòng ngắn mạch cuộn CA Hình 2.7 Dòng điện ngắn mạch cuộn HA Hình 2.6 và Hình 2.7 cho thấy dạng sóng của dòng điện ngắn mạch của cuộn CA và HA, đạt giá trị cực đại ở chu kì đầu tiên và giảm dần ở những chu kì sau cho đến khi đạt giá trị xác lập. Kết quả cho thấy rằng dòng điện quá độ cực đại trên cuộn HA cực đại là IHA_max=17090 A trong khi biên độ của dòng điện định mức là IHAđm= 462 A. 2.5.2. Kết quả về ứng suất lực điện từ trên cuộn CA và HA khi MBA ngắn mạch Ứng suất lực điện từ là đại lượng biểu thị nội lực phát sinh trong dây quấn dưới tác dụng của lực điện từ. Công thức tính ứng suất: σ = F/A (N/m2). Kết quả trên cho thấy ứng suất tập trung lớn nhất tại khu vực cạnh ngoài của cuộn HA và cạnh trong cùng của cuộn CA. Giá trị ứng suất tổng trên cuộn HA và CA thể hiện ở Hình 2.12 (a) (b) Hình 2.12 Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh ngoài cùng cuộn HA(a) và tại cạnh trong cùng cuộn CA (b) 9
Nhìn Hình 2.12 ta thấy vị trí có giá trị ứng suất tổng lớn nhất nằm ở giữa cuộn dây (theo chiều cao y) và bằng giá trị ứng suất lực hướng kính vì tại vị trí này ứng suất lực hướng trục bằng không. Ứng suất kéo lớn nhất là σxymax = 6,0798.107 N/m2, so với ứng suất cho phép của dây đồng σtbcp = (5÷10).107 N/m2 [69]. Do đó khi xảy ra ngắn mạch với dòng điện cực đại thì ứng suất lớn nhất của dây quấn chưa vượt quá giới hạn cho phép. 2.6. Nghiên cứu mô hình giải tích tính ứng suất nhiệt trên dây quấn MBA khô khi ngắn mạch Để nghiên cứu mô hình giải tích tính ứng suất ở dây quấn khi MBA ngắn mạch, cần xét hàng loạt ứng suất thành phần: a. Ứng suất điện động 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; d. Ứng suất sẵn có giữa lớp epoxy và dây quấn; 2.6.1. Mô hình MBA 320kVA 22/0,4kV Mô hình MBA 320 kVA 22/0,4kV trong nghiên cứu có thông số như sau: Dây quấn hình trụ được tẩm epoxy, có hình dáng mô tả ở Hình 2.13, bề dày lớp epoxy là d2 – d1 = d4 – d3 = 5 mm. 2.6.2 Tính ứng lực vào dây quấn khi có chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và cách điện epoxy Khi MBA ngắn mạch, dòng điện tăng đột ngột làm tăng tổn hao, tăng nhiệt độ của máy. Giả thiết trong khoảng thời gian ngắn sau ngắn mạch, nhiệt lượng do dòng ngắn mạch sinh ra chưa kịp truyền ra môi trường xung quanh, chỉ làm tăng nhiệt độ dây quấn, gây ra chênh lệch nhiệt độ đáng kể giữa dây quấn và cách điện [69][9]. Do dây quấn tăng thêm nhiệt độ θ, dây quấn dãn nở, tăng kính thước d3 lên d3 + d3 và d2 lên d2 + d2 𝛥𝑑3 = 𝛼𝑑 . 𝜃. 𝑑3 và 𝛥𝑑2 = 𝛼𝑑 . 𝜃. 𝑑2 (2.109) 2.6.2.1. Ứng suất xuát hiện ở dây quấn và phần epoxy lớp ngoài: Thế các dữ liệu có được vào phương trình (2.115) và (2.121), ta có: 8,25𝑝3′ + 0,003𝜎𝑧3 ′ = 61,57.105 (2.122) { ′ ′ 122,11𝑝3 + 88,75𝜎𝑧3 = 0 Giải hệ 2 phương trình (2.122), Ta có nghiệm p’3 và ’z3 ′ 𝜎𝑧3 = −1109,3 (𝑘𝑁/𝑚2 ) (2.123) { 𝑝3′ = 806,2 (𝑘𝑁/𝑚2 ) 2.6.2.2. Ứng suất xuát hiện ở dây quấn và phần epoxy lớp trong: Tham khảo mô hình trong tài liệu [9]. Thay thế các dữ liệu có được vào phương trình (2.128) và (2.129), ta có: −6,7𝑝2′ + 0,003𝜎𝑧2 ′ = 66,51.105 (2.130) { ′ ′ −86,33𝑝2 − 31,612𝜎𝑧2 = 0 Giải hệ 2 phương trình (2.130), Ta có nghiệm p’2 và ’z2 𝜎 ′ = 2707 𝑘𝑁/𝑚2 (2.131) { 𝑧2 ′ 𝑝2 = −991,1 𝑘𝑁/𝑚2 2.6.2.3. Ứng suất ở hai đầu dây quấn và epoxy: 10
Thay thế các dữ liệu có được vào phương trình (2.133), (2.137) và (2.138) ta có hệ 3 phương trình 3 ẩn số: −2,144 𝑝3𝑧 − 6,60 𝑝2𝑧 − 0,0657 𝜎𝑧4 = 0 (2.139) {8,167 𝑝3𝑧 + 1,33𝑝2𝑧 − 0,0657 𝜎𝑧4 = 0 19,86 𝑝3𝑧 + 19,86 𝑝2𝑧 − 88,753𝜎𝑧4 = 44,03.105 Giải hệ 3 phương trình (2.139), Ta có nghiệm p3z; p2z và z4 𝑝3𝑧 = −5068,7 𝑘𝑁/𝑚2 (2.140) 2 {𝑝2𝑧 = 6583,43 𝑘𝑁/𝑚 𝜎𝑧4 = −9916,48 𝑘𝑁/𝑚2 2.6.3 Tổng ứng suất vùng biên 2.6.3.1. Ứng suất hai đầu dây quấn: 𝑝𝑧 = −’z2 − ’z3 − ’z4 (2.141) Trong đó: ’z2 (từ kết quả của (2.131), ’z3 (từ kết quả của (2.123), z4 (từ kết quả của (2.140) Do vậy: 𝑝𝑧 = 8,318 (MPa) 2.6.3.2. Ứng suất dây quấn với lớp epoxy phía ngoài: p = p’3 + p’32 + p3𝑧 + p′ ’32 (2.142) Trong đó: p’3 từ kết quả của (2.123), p3z từ kết quả của (2.140), p’32 từ kết quả của (2.143), p”32 từ kết quả của (2.144) Do vậy: p = −4,107 (MPa) 2.6.3.3. Ứng suất dây quấn với lớp epoxy phía trong: p2 = p’2 + p’23 + p2z + p”23 (2.145) Trong đó: p’2 từ kết quả của (2.131), p2z từ kết quả của (2.140), p’23 từ kết quả của (2.140) p”23 từ kết quả của (2.140) Do vậy: p2 = 4,691 (MPa) 2.7. Kết luận chương 2 Trong chương này, luận án đã giới thiệu về lý thuyết trường điện từ như hệ hệ phương trình Maxwell, các điều kiện bờ và điều kiện biên. Tác giả cũng đã nghiên cứu, phát triển các phương trình tích phân số mô phỏng các cấu trúc đặc biệt dạng vỏ mỏng, dạng dây dẫn và so sánh kết quả mô phỏng với phương pháp PTHH. Ngoài ra, chương này cũng đã trình bày nghiên cứu về mô hình giải tích dựa trên công thức từ thế véc tơ A. Tiếp theo, để minh chứng cho tính đúng đắn của lý thuyết và mô hình toán đã xây dụng, luận áp đã áp dụng mô hình toán và bài toán thực tế để tính ứng suất lực ngắn mạch điện động cho MBA 320kVA 22/0,4kV. Các kết quả được đã chỉ ra về giá trị dòng điện ngắn mạch cực đại trên cuộn HA và CA lớn gấp 37 lần biên độ dòng điện định mức. Với giá trị dòng điện ngắn mạch cực đại, tác giả đã áp dụng tính toán ứng suất lực ngắn mạch trên dây quấn HA và CA. Đặc biệt, đã phân tích và đưa ra ứng suất lực hướng kính x và hướng trục y theo bề dày cuộn HA và CA, và chỉ ra được giá trị ứng suất lực điện từ tổng xymax lớn nhất nằm ở giữa cuộn dây (theo chiều cao y) và bằng giá trị ứng suất lực hướng kính vì tại vị trí này ứng suất lực hướng trục bằng không. Cụ thể, tại cạnh ngoài cùng (x2) của cuộn HA _x_x2_HA = 6,0798.107 N/m2; tại cạnh trong 11
cùng (x3) của cuộn CA _x_x3_CA = 4,198.107 N/m2, ứng suất lực hướng trục y có giá trị lớn nhất ở cạnh (x1) cuộn HA và (x4) cuộn CA y_x1_HA = 2,453.107 N/m2 và y_x4_CA = 1,693.107 N/m2. Kết quả giá trị ứng suất tổng xymax = 6,0798.107 N/m2 chưa vượt quá giới hạn bền cho phép của dây quấn. Cũng trong chương này, tác giả đã nghiên cứu mô hình giải tích ứng suất nhiệt tác dụng lên dây quấn MBA khô bọc lớp epoxy. Sau khi xác định được giá trị ứng suất lực điện từ và ứng suất nhiệt, ta có thể tính ứng suất tổng hợp tác dụng vào dây quấn MBA. Ứng suất tổng hợp tác dụng vào dây quấn MBA khô, tẩm cách điện epoxy khi ngắn mạch là tổng xếp chồng ứng suất do lực điện từ; ứng suất do độ chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và epoxy; và ứng lực do phân bố nhiệt độ không đồng đều ở lớp epoxy. CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN PHÂN BỐ NHIỆT MBA KHÔ VỚI CÁC ĐẶC TÍNH NHIỆT VẬT LIỆU EPOXY THAY ĐỔI THEO NHIỆT ĐỘ 3.1. Giới thiệu 3.2. Nghiên cứu mô hình toán tính phân bố nhiệt MBA khô 3.2.1. Nguồn nhiệt trong MBA 3.2.2. Dẫn nhiệt 3.2.3. Trao đổi nhiệt đối lưu 3.2.4 Trao đổi nhiệt bức xạ 3.2.5 Mô hình toán quá trình truyền nhiệt MBA khô Các mô hình toán học cho MBA dựa trên các giả định sau đây: - Dây quấn MBA hình trụ tròn đối xứng. - Vật liệu epoxy đồng tính và đẳng hướng. - Chế độ xác lập. Từ các điều kiện trên ta có thể viết phương trình truyền nhiệt theo tọa độ trụ: 𝜆 𝜕𝑇 𝜕2𝑇 𝜕2𝑇 (3.47) +𝜆 2 +𝜆 2 +𝑄 =0 𝑟 𝜕𝑟 𝜕𝑟 𝜕𝑧 Trong đó: r,z – là tọa độ trụ bán kính và dọc trục. T – là nhiệt độ. Q – là nhiệt lượng do tổn hao đồng. Điều kiện biên: T = T(r) – (phân bố nhiệt hướng kính trên đáy và đỉnh) T = T(z) – (phân bố nhiệt dọc trục các diện tích mặt trong và mặt ngoài) Phương pháp thực nghiệm được sử dụng để xác định các điều kiện biên này vì trong thực tế rất khó để xác định các hệ số đồng dạng của trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên. Điều kiện biên giúp giải quyết được mô hình truyền nhiệt đơn giản. Tuy nhiên, để giải bài toán phân bố nhiệt với các nguồn nhiệt không đồng nhất, bề mặt dây quấn phức tạp phương pháp giải tích gặp khó khăn. 3.3. Nghiên cứu phương pháp mạch nhiệt thay thế tương đương MBA khô và áp dụng tính toán cho một bài toán cụ thể 3.3.1. Thiết lập mạch nhiệt thay thế tương đương MBA Để xây dựng mô hình mạch nhiệt, đối tượng nghiên cứu sẽ được chia thành các phần tử nhiệt cơ bản và được biểu diễn bởi một cấu hình nút mạng. Các phần tử nhiệt này sẽ được liên kết với nhau dưới dạng một mạch gồm các nút và các nhiệt trở mắc xung quanh. Khi xét 12
đến các nguồn phát nhiệt (các dạng tổn thất trong MBA), mạch nhiệt này giống như một mạch điện với các điện trở và nguồn dòng, đồng thời các đại lượng điện được thay thế bởi các đại lượng nhiệt tương đương như Bảng 3.1 sao cho khi áp dụng các định luật cơ bản của mạch điện cho mạch nhiệt nói trên thì nó phản ánh đầy đủ các quá trình truyền nhiệt trong đối tượng cần phân tích nhiệt. Bảng 3.1 Sự tương quan giữa một số đại lượng điện và đại lượng nhiệt Các đại lượng điện Các đại lượng nhiệt tương đương Thế φ [V] Nhiệt độ θ [oC] Dòng điện I [A] Nguồn nhiệt Q [W] Mật độ dòng J [A/m2] Thông lượng q [W/m2] nhiệt Điện dẫn G [S] Nhiệt dẫn Gth [W/oC] Điện trở R [Ω] Nhiệt trở Rth [oC/W] Điện dung C [F] Nhiệt dung Cth [J/oC] 3.3.2. Mạch nhiệt thay thế tương đương MBA khô 320kVA 22/0,4kVA Mô hình được áp dụng cho một MBA khô 320kVA-22/0,4kV (do SANAKY chế tạo) với các thông số kỹ thuật của được cho tại Bảng 3.2. Từ những dữ liệu tính toán nhiệt trở và nút nhiệt ta có mạch nhiệt thay thế tương đương MBA khô VĐH như sau: Hình 3.14 Mô hình mạch nhiệt thay thế tương đương MBA khô 320kVA Mạch nhiệt thay thế tương đương này được giải như một mạch điện. Điện thế tại mỗi nút chính là nhiệt độ của phần tử nhiệt đó. Mạch điện được giải bằng phần mềm ANSYS Simplorer. Phân bố nhiệt độ của MBA được thể hiện ở Hình 3.15 Hình 3.15 Phân bố nhiệt độ MBA giải bằng mạch nhiệt thay thế tương đương 13
Từ phân bố nhiệt độ MBA giải bằng phương pháp mạch nhiệt thay thế tương đương ta có thể thấy được rằng nhiệt độ nóng nhất tập trung ở giữa máy biến áp tính theo chiều cao cuộn dây. Nhiệt độ nóng nhất cuộn CA là 65,22℃ và cuộn HA là 74,86℃, nhiệt độ nóng nhất ở lõi thép là 46,91℃. Khảo sát phân bố theo hướng kính tại điểm giữa MBA tính theo chiều cao cuộn dây đồng thời so sánh với mô phỏng bằng phần mềm CFD 2D Ansys Fluent cho kết quả như trong Hình 3.16 Hình 3.16 So sánh phân bố nhiệt độ theo hướng kính giữa tính toán bằng mạch nhiệt thay thế tương đương và mô phỏng bằng CFD Tiến hành so sánh kết quả nhiệt độ trung bình tại giữa MBA (tính theo chiều cao y) giữa phương pháp mạch nhiệt thay thế tương đương và phương pháp PTHH (phần mềm CFD 2D) Hình 3.16 ta thấy kết quả nhiệt độ trung bình tại tâm MBA với kết quả mô phỏng sai khác 6,52%. Nếu coi phương pháp số PTHH là chuẩn để so sánh, sai khác trên là chấp nhận được. Đặc biệt, ưu điểm của phương pháp mạch nhiệt là tính toán nhanh, đơn giản. Tuy nhiên, trong các trường hợp tổng quát, với các bài toán phức tạp về cấu trúc thiết bị, đa dạng các loại vật liệu thì phương pháp phần tử hữu hạn vẫn đã, đang và sẽ là một giải pháp có ưu thế vượt trội. Trong các mô phỏng, tính toán sau của luận án, tác giả sẽ áp dụng phần mềm sử dụng phương pháp PTHH để giải bài toán phân bố nhiệt và xác định ứng xuất nhiệt. 3.4. Đặc tính vật liệu epoxy 3.4.1. Cấu tạo và tính chất lí hóa vật liệu epoxy 3.4.2. Hệ số dẫn nhiệt 3.4.3. Hệ số khuếch tán nhiệt và nhiệt dung riêng 3.5. Thực nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt vật liệu epoxy 3.5.1. Nguyên vật liệu sử dụng trong thực nghiệm Sử dụng 3 mẫu epoxy được đúc từ dây chuyền sản xuất MBA khô của nhà máy Sanaky khu công nghiệp Quất Động, Thường Tín, Hà Nội. Epoxy được phối trộn từ nhựa nền có mã sản phẩm 8055A và chất đóng rắn có mã sản phẩm 8055B của hãng Jiang Te – Trung Quốc. Tỉ lệ phối trộn của hai thành phần trên là 1:1. 3.5.2. Cấu tạo thiết bị đo QTT01 đo hệ số dẫn nhiệt Bộ thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt Quick Thermal Test 01 sau đây được viết tắt là QTT01. QTT01 là thiết bị được tác giả hợp tác cùng tiến sĩ Lê Kiều Hiệp, nghiên cứu chế tạo tại Trung tâm thí nghiệm quá trình Nhiệt Lạnh, Viện Khoa học và Công Nghệ Nhiệt Lạnh, Đại học Bách Khoa Hà Nội. Bộ thiết bị gồm có: Que thăm nhiệt, Board mạch phần cứng, phần mềm kết nối phần cứng với máy vi tính. 14
Hình 3.26. Bộ thiết bị QTT01 đo hệ số dẫn nhiệt 3.5.3. Quy trình thí nghiệm và kết quả Trước khi bắt đầu thí nghiệm thiết bị được kiểm tra sai số với mẫu chuẩn có ID: 27004- 885 Nylon của hãng Thermtest được nhà sản xuất công bố có hệ số dẫn nhiệt  = 0,34 W/mK ở nhiệt độ thí nghiệm 23,7 °C. Hệ số dẫn nhiệt trung bình của 3 phép đo là Tb = 0,334 ± 0,004 W/mK có sai số 1,76 ± 1,18%. Đối với sai số này của thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt là chấp nhận được, đạt yêu cầu kỹ thuật đo lường. 3.5.3.1. Kết quả hệ số dẫn nhiệt Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số dẫn nhiệt được biểu diễn bằng đồ thị trong Hình 3.37. Hình 3.37 Sự thay đổi hệ số dẫn nhiệt vật liệu epoxy theo nhiệt độ Từ hình dạng của đồ thị, thực hiện khai triển Taylor biểu diễn gần đúng quan hệ λ = f(t) dưới dạng đa thức và có kết quả như sau: 𝜆(𝑡 ) = 0,5612 + 0,002044𝑡 − 1,68. 10−5 𝑡 2 (3.74) 3.5.3.2. Kết quả hệ số khuếch tán nhiệt và nhiệt dung riêng Nhiệt dung riêng 𝑐𝑝 được ước lượng bằng cách đưa dữ liệu thực nghiệm của hệ số dẫn nhiệt  thu được từ phần 3.5.3.1 và khối lượng riêng 𝜌 vào phần mềm mô phỏng động lực học chất lưu CFD.Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số khuếch tán nhiệt biểu diễn dưới dạng một đường cong. Tương tự như hệ số dẫn nhiệt từ hình dạng của đường cong có thể thực hiện khai triển Taylor biểu diễn gần đúng quan hệ 𝑐𝑝 = f(t) dưới dạng đa thức như sau: 𝑐𝑝 (𝑡 ) = 82,61 + 4,77𝑡 + 0,031𝑡 2 (3.75) Kết quả nhiệt dung riêng ở trên áp dụng vào công thức 3.27 ta thu được hệ số khuếch tán nhiệt của epoxy. Mối quan hệ a = f(t) được biểu diễn gần đúng dưới dạng đa thức như sau: 𝛼(𝑡 ) = 2,33 − 0,031𝑡 + 21,05. 10−5 𝑡 2 (3.74) Trên cơ sở kết quả thực nghiệm, tác giả đã xây dựng được các đường đặc tính về tính chất nhiệt của vật liệu epoxy theo nhiệt độ và các thông số này sẽ được sử dụng để tính toán, mô phỏng, phân tích trường phân bố nhiệt trong MBA khô. 15
3.6. Kết luận chương 3 Trong chương này, luận án nghiên cứu mô hình toán phân bố nhiệt trong MBA khô và mô hình mạch nhiệt thay thế tương đương. Áp dụng mô hình mạch nhiệt thay thế tương đương cho MBA khô 320kVA. Tiến hành so sánh kết quả nhiệt độ trung bình tại giữa MBA (chiều cao tính theo phương y) giữa phương pháp mạch nhiệt thay thế tương đương và phương pháp PTHH (phần mềm CFD 2D) ta thấy kết quả sai khác không lớn. Nếu coi phương pháp phần tử hữu hạn là chuẩn để so sánh, sai khác trên là chấp nhận được. Đặc biệt, ưu điểm của phương pháp mạch nhiệt là tính toán nhanh, đơn giản. Tuy nhiên, trong các trường hợp tổng quát, với các bài toán phức tạp về cấu trúc thiết bị, đa dạng các loại vật liệu thì phương pháp PTHH 3D sẽ là một giải pháp có ưu thế vượt trội. Trong các mô phỏng, tính toán sau của luận án, tác giả sẽ áp dụng phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán phân bố nhiệt và xác định ứng xuất nhiệt. Ngoài ra, để xác định các tính chất nhiệt vật lý của vật liệu epoxy sử dụng trong MBA khô, tác giả đã lựa chọn phương pháp đo nhanh hay đo không ổn định dựa trên cơ sở lý thuyết về nguồn đường để đo hệ số dẫn nhiệt kết hợp cùng với mô phỏng CFD. Trên cơ sở kế thừa các nghiên cứu lý thuyết, các tài liệu và công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về phương pháp xác định hệ số dẫn nhiệt, nhóm tác giả đã tìm hiểu chế tạo và sử dụng que thăm nhiệt đo hệ số dẫn nhiệt 𝜆. Que thăm hoạt động theo nguyên lý đo không ổn định với nguồn nhiệt đường, áp dụng tiêu chuẩn ASTM D5334-00 của Mỹ có độ chính xác cao. Kết quả đo đạc được lấy mẫu tự động và chuyển về máy tính qua giao tiếp USB. Kết quả thực nghiệm sau đó được xử lí bằng phần mềm QTT software 1.2 do nhóm tác giả tự phát triển tính toán hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cần đo. Trên cơ sở kết quả thực nghiệm, tác giả đã xây dựng được các đường đặc tính về tính chất nhiệt của vật liệu epoxy theo nhiệt độ và các thông số này sẽ được sử dụng để tính toán, mô phỏng, phân tích trường phân bố nhiệt trong MBA khô. Mối quan hệ hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ với các dữ liệu thu được từ thực nghiệm được biểu diễn gần đúng λ = f(t) dưới dạng đa thức và có kết quả như sau: 𝜆(𝑡 ) = 0,5612 + 0,002044𝑡 − 1,68. 10−5 𝑡 2 Mối quan hệ hệ số nhiệt dung riêng theo nhiệt độ 𝑐𝑝 = f(t) dưới dạng đa thức như sau: 𝑐𝑝 (𝑡 ) = 82,61 + 4,77𝑡 + 0,031𝑡 2 Mối quan hệ 𝛼 = f(t) được biểu diễn gần đúng dưới dạng đa thức như sau: 𝛼(𝑡 ) = 2,33 − 0,031𝑡 + 21,05. 10−5 𝑡 2 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN PHÂN BỐ NHIỆT VÀ LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP MBA KHÔ 4.1. Giới thiệu 4.2. Mô phỏng 3D phân bố nhiệt MBA khô 320kVA Tác giả tính phân bố nhiệt MBA khô có cuộn dây bọc trong epoxy bằng cách thực hiện mô hình hóa phối hợp các quá trình xảy ra trong MBA khô làm mát tự nhiên bằng không khí. Do MBA khô có sử dụng cách điện epoxy, thuộc tính của epoxy này lấy từ kết quả thực nghiệm ở CHƯƠNG 3. 4.2.1. Thực nghiệm xác định điều kiện biên nhiệt độ MBA 320kVA 22/0,4kV Kích thước hình học của MBA khô 3 pha 320 kVA – 22/0,4kV sử dụng làm thực nghiệm là: 1340 mm × 930 mm × 1550 mm. Trong quá trình thực nghiêm, MBA được làm mát tự nhiên. Các thông số khác của MBA đã được ghi trong biên bản kiểm tra xuất xưởng ở PHỤ LỤC 1. 16
Nhiệt độ được đo tại 27 điểm thể hiện ở Hình 4.2. Can nhiệt loại T được dán vào các vị trí như trên hình và dữ liệu về nhiệt độ được ghi lại thông qua datalogger. Các thử nghiệm ở trạng thái: tải định mức, 70% tải và 50% tải được ghi lại khi nhiệt độ đạt đến trạng thái bình ổn nghĩa là trong 2h liên tiếp nhiệt độ không tăng quá 1℃ 4.2.2. Mô phỏng phân bố nhiệt MBA 320kVA ở những điều kiện tải khác nhau Trong quá trình mô phỏng tác giả đã sử dụng máy tính Workstation HP Z440 có vi xử lý Xeon 2680V4: 14 cores, 28 threads, 64 Gb Ram. Thời gian để máy tính mô phỏng tính toán khoảng 12 tiếng. Kết quả mô phỏng được trình bày chi tiết trong phần tiếp theo. 4.2.2.1. Với chế độ hoạt động tải định mức Ở chế độ hoạt động tải định mức thực hiện mô phỏng MBA với IHA=461,9A và ICA = 8,4A. Phân bố nhiệt MBA qua mô phỏng bằng CFD thể hiện ở Hình 4.6 (a) (b) Hình 4.6 Phân bố nhiệt độ và điểm nóng nhất trên (a) cuộn CA và (b) trên cuộn HA tại trường hợp tải định mức. Kết quả mô phỏng cho thấy MBA khô lõi 320 kVA khi làm việc với tải định mức nhiệt độ cao nhất cuộn CA là 66,8℃ nằm ở lòng trong cuộn CA pha B độ cao z = 9 cm tính từ đỉnh cuộn dây CA. Nhiệt độ nóng nhất của cuộn HA là 75℃ nằm trong lòng cuộn HA pha B độ cao z = 8,2cm tính từ đỉnh cuộn HA xuống. 4.2.2.2. Với chế độ 70% tải định mức Kết quả mô phỏng cho thấy ở trường hợp 70% tải định mức nhiệt độ cao nhất cuộn CA là 41,8℃ nằm ở lòng trong cuộn CA pha B độ cao z = 11,4 cm tính từ đỉnh cuộn dây CA. Nhiệt độ nóng nhất của cuộn HA là 50,48℃ nằm trong lòng cuộn HA pha B độ cao z = 4,6 cm tính từ đỉnh cuộn HA xuống 4.2.2.4 Với chế độ 50% tải định mức Ở trường hợp 50% tải nhiệt độ cao nhất cuộn CA là 32,3℃ nằm ở lòng trong cuộn CA pha B độ cao z = 11,6 cm tính từ đỉnh cuộn dây CA. Nhiệt độ nóng nhất của cuộn HA là 41,1℃ nằm trong lòng cuộn HA pha B độ cao z = 9,8 cm tính từ đỉnh cuộn HA xuống. 4.2.2.5. So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm Kết quả cho thấy mô hình mô phỏng khớp với thực nghiệm Hình 4.12. 17
Hình 4.12 So sánh giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm tại các điều kiện tải khác nhau So sánh kết quả giữa mô phỏng 3D phân bố nhiệt MBA và thực nghiệm ở điều kiện tải định mức không vượt quá 5% chứng tỏ tính đúng đắn của mô hình mô phỏng với các thông số về nhiệt của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ. Thực hiện mô phỏng MBA với các thông số về nhiệt của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ để so sánh với kết quả mô phỏng MBA với các thông số vật liệu epoxy là hàm theo nhiệt độ xây dựng từ thực nghiệm. Ta có kết quả so sánh giữa các phân bố nhiệt theo chiều cao cuộn CA pha A ở điều kiện tải định mức với các trường hợp khác nhau thể hiện trong đồ thị Hình 4.14 Hình 4.14 So sánh giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm trong trường hợp hệ số về nhiệt epoxy là hằng số So sánh kết quả giữa mô phỏng 3D phân bố nhiệt MBA với các hệ số về nhiệt của epoxy là hằng số và thực nghiệm ở điều kiện tải định mức có thể lên đến 10,9%. Sai số này cao gấp 2 lần sai số khi mô phỏng phân bố nhiệt MBA với các hệ số về nhiệt của epoxy thay đổi theo nhiệt độ. Đây là cơ sở khoa học đáng tin cậy để chúng ta tiếp tục sử dụng các hệ số epoxy thay đổi theo thực nghiệm đã được xác định ở Chương 3 trong trường hợp mô phỏng MBA khi có sự cố ngắn mạch. 4.3. Mô phỏng phân bố nhiệt MBA 320kVA 22/0,4kV khi làm việc ở chế độ quá tải và khi ngắn mạch sự cố 4.3.1. Mô phỏng phân bố nhiệt MBA 330kVA làm việc ở 150% tải định mức Từ mô hình mô phỏng phân bố nhiệt MBA khô 320 kVA đã được kiểm chứng tính đúng đắn với kết quả đo đạc thực nghiệm trong mục 4.2, tác giả mô phỏng MBA trong điều kiện làm việc quá tải 150%, cuộn dây được mô phỏng với cường độ dòng điện ICA = 12,6 A và IHA= 692,9 A. 18