BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
ĐOÀN THANH BẢO
NGHIÊN CỨU LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP TÁC DỤNG LÊN
DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP KHÔ BỌC EPOXY SỬ DỤNG LÕI THÉP
VÔ ĐỊNH HÌNH
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 62520202
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN
Hà Nội – 2015
Công trình này được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Phạm Văn Bình
2. TS. Phạm Hùng Phi
Phản biện 1: PGS.TS. Võ Quang Lạp
Phản biện 2: PGS.TS. Lê Tòng
Phản biện 3: PGS.TS. Kim Ngọc Linh
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá 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
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Vấn đề hư hỏng do bị ngắn mạch và cũng như giảm tổn hao công suất của máy biến
áp (MBA) phân phối có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật rất quan trọng. Việc sử dụng MBA lõi
thép vô định hình (MBAVĐH) giảm tổn hao không tải đến 60-70%, mang lại hiệu quả
kinh tế cao. Ở 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 là lúc xảy ra ngắn mạch thì lực này
lớn sẽ rất nguy hiểm đối với cuộn dây, nó làm uốn cong, xê dịch hoặc phá hủy dây quấn
MBA, thậm chí làm nổ MBA.
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, trên tàu bè và trên sàn ngoài khơi [2].
Tuy nhiên, khi tính toán ứng suất ở dây quấn MBA khi khô ngắn mạch, cần xét các ứng
suất thành phần: (1) Ứng suất gây ra do phân bố nhiệt độ không đồng đều lớp epoxy; (2)
Ứng suất do chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và lớp epoxy; (3) Ứng suất sẵn có giữa
lớp epoxy và dây quấn.
Vì vậy, lời giải cho bài toán nghiên cứu lý thuyết, tính toán về lực điện từ và ứng suất
nhiệt tác dụng lên dây quấn MBA khi ngắn mạch và kích thước hợp lí của bán kính cong
dây quấn theo độ tăng của ứng suất lực là nghiên cứu cần được thực hiện.
Do đó, luận án: “Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn máy
biến áp khô bọc epoxy sử dụng 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:
Xây dựng mô hình toán của từ trường tản trong cửa sổ mạch từ MBA với từ thế
vectơ A. Từ đó, tính ứng suất lực trên dây quấn MBA lõi VĐH, khi MBA xảy ra
ngắn mạch 3 pha đối xứng với dòng điện ngắn mạch cực đại.
Chỉ ra vị trí có giá trị ứng lực lớn nhất trên cuộn dây của MBAVĐH. Đưa ra
đường cong thay đổi ứng suất lực vào bán kính cong dây quấn, giúp sự lựa chọn
hợp lí bán kính cong tại góc của dây quấn theo độ tăng của ứng suất lực.
Tính toán lực ngắn mạch tổng hợp có tính đến sự xếp chồng ứng suất nhiệt giữa
dây quấn và lớp epoxy.
Đối tượng nghiên cứu
MBA khô bọc epoxy có hình dạng dây quấn hình chữ nhật sử dụng lõi thép bằng
vật liệu VĐH.
Phạm vi nghiên cứu
Tập trung vào xây dựng và giải mô hình toán của từ trường tản trong cửa sổ mạch
từ MBA với từ thế vectơ A. Tính ứng suất lực trên dây quấn trong điều kiện
MBA bị ngắn mạch 3 pha đối xứng.
Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) bằng phần mềm mô phỏng
Ansys Maxwell 2D và 3D để xác định vị trí có ứng suất lớn nhất trên dây quấn so
sánh với điều kiện tiêu chuẩn cho phép của dây quấn.
Tập trung vào đánh giá sự phụ thuộc của giá trị ứng suất lực vào bán kính cong
của dây quấn. Từ đó, đưa ra cách lựa chọn hợp lí giữa bán kính cong dây quấn
theo độ tăng của ứng suất lực.
2
Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp giải tích số Matlab để giải mô hình toán.
So sánh và đánh giá kết quả của hai phương pháp: giải tích số và PTHH 2D.
Ứng dụng phương pháp PTHH 3D bằng phần mềm mô phỏng Ansys Maxwell để
phân tích và tính toán ứng suất lực ngắn mạch sự cố trên dây quấn MBA.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học
Xây dựng và giải mô hình toán để phân tích và tính toán từ trường tản trong vùng
không gian dây quấn. Kết hợp phương pháp giải tích số và phương pháp PTHH
để tính toán lực điện từ tác dụng lên dây quấn khi ngắn mạch. Để từ đó chứng
minh tính hiệu quả của phương pháp PTHH.
Sử dụng phương pháp PTHH 3D để tính toán cho các bài toán có tính chất phi
tuyến và hình dạng phức tạp mà phương pháp giải tích rất khó thực hiện.
Ý nghĩa thực tiễn
Việc xác định vị trí có ứng suất lực lớn nhất trên dây quấn của MBA có ý nghĩa
thực tiễn giúp cho việc tính toán, thiết kế tối ưu cuộn dây của MBA. Phần nào
tham gia vào nghiên cứu hoàn thiện công nghệ và chế tạo MBA sử dụng vật liệu
VĐH ở Việt nam.
Phương pháp PTHH với phần mềm Ansys Maxell 3D, cho phép xác định ứng lực
trên từng vị trí vòng dây trong trường hợp ngắn mạch sự cố nguy hiểm nhất phía
hạ áp MBA mà phương pháp thực nghiệm không thực hiện được. Giúp ích cho
các kỹ sư trong việc thiết kế MBA và giảm công sức thử nghiệm phá hủy khi chế
tạo MBA.
4. 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. Mô hình toán của từ trường tản trong cửa sổ mạch từ máy biến áp
Chương 3. Tính toán ứng suất lực điện từ bằng phương pháp giải tích và PTHH 2D
Chương 4. Tính toán lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chương
1.2. Máy biến áp 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. Máy biến áp hiệu suất cao
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, vì tuổi thọ của MBA có thể
từ 30 đến 50 năm, sai lầm trong lựa chọn thiết kế sẽ phải gánh chịu thiệt thòi trong thời
gian dài.
Khoảng những năm 80 của thế kỷ XX, thép VĐH (thép biến áp siêu mỏng) ra đời.
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);
3
độ dày tự nhiên của lá thép rất nhỏ, t ~ 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 silicon loại tốt nhất
[6,18,34].
1.4. Những nghiên cứu ở ngoài nước về máy biến áp lõi vô định hình
1.4.1. Phương pháp chế tạo vật liệu vô định hình
Để chế tạo vật liệu VĐH, cho tới hiện nay người ta biết 20 phương pháp khác nhau.
Tuy nhiên, để đơn giản có thể theo phương pháp nguội nhanh từ tinh thể lỏng [26,58].
1.4.2. Giảm tổn hao máy biến áp lõi vô định hình
Vấn đề sử dụng MBAVĐH giảm tổn hao không tải, mang lại hiệu quả kinh tế và sự
phát triển trong tương lai được đề cập trong các tài liệu: S. Lupi [49]; Harry W. [34]; H.
Matsuki [56]; Robert U. Lenke [46]; W. J. Ros, T. M. Taylor [17,65]; Pháp [25]; L. A.
Johnson [42]
Trong lĩnh vực nghiên cứu và thiết kế đã có nhiều đóng góp của những tác giả như
G. Segers - A. Even -M.Desinedt [30]; Pan-Seok Shin [61], Benedito Antonio Luciano
[20], D. Lin; P. Zhou; W. N. Fu; Z. Badics and Z. J. Cendes [48], Stefan Sieradzki [67],
Pan-Seok Shin [61] … Tiếp đó, công suất MBAVĐH cũng được nâng cao lên đến
630kVA, tác giả Yinshun Wang, Xiang Zhao [77]. Vấn đề đi sâu vào thiết kế, thử
nghiệm MBAVĐH cũng được nghiên cứu kỹ càng và sâu sắc hơn, cụ thể tác giả
Benedito Antonio Luciano [20]; D. Lin, P. Zhou, W. N. Fu, Z. Badics, and Z. J. Cendes
tại Mỹ năm 2003 [48]; Thorsten Steinmetz, Bogdan Cranganu-Cretu [69].
1.5. Những nghiên cứu ở trong nước về máy biến áp lõi vô định hình
Đề tài Bộ Công Thương “Thiết kế chế tạo chế tạo MBA giảm tổn hao không tải sử
dụng vật liệu thép từ VĐH siêu mỏng, chế tạo trong nước” [1].
Năm 2011 và 2012, Công ty Mitsubishi và Hitachi Metals phối hợp với Trung tâm
tiết kiệm năng lượng Tp. Hồ Chí Minh đã tổ chức Hội thảo thúc đẩy sử dụng MBA
Amorphous (VĐH) hiệu suất cao trong hệ thống lưới điện tại Việt nam.
1.6. Nghiên cứu lực điện từ ở máy biến áp silic
Về vấn đề lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA lõi thép silic, trên thế giới đã có
nhiều tác giả nghiên cứu như năm 2001, Adly, A.A [12]; năm 2004, Tang Yun-Qiu [36];
Năm 2007, A. C. de Azevedo [16].
Nhóm Hyun-Mo Ahn, 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 [37,38,39,40]. Khi MBA
bị ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch tương tác với từ thông tản như Hình 1.15 gây ra
ứng suất cơ học rất nghiêm trọng đối với MBA. Vì vậy, yêu cầu thiết kế MBA phải chịu
được dòng ngắn mạch khi hệ thống bị lỗi như ngắn mạch một pha chạm đất, ngắn mạch
ba pha,…
Hình 1.15. Lực điện từ, dòng điện và từ
thông tản của mba [39]
Hình 1.18. Dòng điện ngắn mạch cuộn CA và
HA [38]
4
Nhóm tác giả thực hiện trên các MBA khô 1 pha với công suất 50 kVA và 1 MVA,
phân tích từ trường tản bằng phương pháp PTHH với phần mềm Maxwell V12.
Khi ngắn mạch xảy ra, MBA có thể bị hư hỏng bởi dòng điện quá độ. Phân tích lực
điện từ, dòng ngắn mạch sử dụng Maxwell Circuit Edit V12.1. Dòng điện đỉnh cuộn HA
là 6142,5 A và cuộn CA là 746,1 A được hiển thị ở Hình 1.18.
Kết quả là lực hướng kính và hướng trục trên cuộn dây HA và CA ở Hình 1.19; Hình
1.20; Hình 1.21; Hình 1.22.
Hình 1.19. Lực hướng kính trên cuộn CA [38] Hình 1.20. Lực hướng trục cuộn CA [38]
Hình 1.21. Lực hướng kính trên cuộn HA [38] Hình 1.22. Lực hướng trục cuộn HA [40]
Hình 1.23. Các vị trí khảo sát trên cuộn dây [38]
Hình 1.24. Lực hướng kính trên cuộn CA [38]
Ở Hình 1.23, tác giả đã khảo sát lực hướng kính trên cuộn dây HA ở 16 vị trí khác
nhau, kết quả giá trị phân bố lực trên 16 điểm tương đối đồng đều nhau ở Hình 1.24, do
phân bố đồng đều của từ thông tản trên cuộn dây của MBA lõi thép silic có tiết diện
tròn.
Ngoài ra, tính toán từ trường tản và lực cơ khí sinh ra ở MBA khi ngắn mạch bằng
phương pháp PTHH theo miền thời gian cũng được nhiều tác giả quan tâm được công bố
trong các công trình [12,13,19,28,44,45,51,74].
1.7. Nghiên cứu lực điện từ ở máy biến áp lõi vô định hình
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 [16,33,48,59].
5
Nhóm tác giả Haifeng Zhong – WenhaoNiu - Tao Lin - Dong Han - Guoqiang
Zhang [32], đã nghiên cứu phân tích khả năng chịu ngắn mạch của một MBAVĐH có
công suất 800kVA-10kV. Từ đó, đề xuất một kết cấu kẹp các cuộn dây MBA để có thể
chịu được lực ngắn mạch lớn gây ra.
Nhóm tác giả B. Tomczuk, D. Koteras [71,72] đã tính toán lý thuyết và thực nghiệm
về thành phần từ trường và điện kháng ngắn mạch của MBA 3 pha lõi VĐH công suất S
= 10kVA. Nhóm tác giả K. Zakrzewski; B. Tomczuk, D. Koteras [81] đã tính toán phân
bố từ thông của 2 loại MBA không đối xứng (AAT là MBA mạch từ phẳng) và MBA
đối xứng (AST là MBA mạch từ không gian) có công suất 10kVA.
Nhóm tác giả M.Mouhamad, C.Elleau [59], đã đưa ra kết quả thử nghiệm ngắn mạch
MBAVĐH sử dụng lõi thép vật liệu 2605SA1, có công suất từ 250 đến 630 kVA. Đồng
thời tính toán dòng điện ngắn mạch và lực điện động tác dụng lên cuộn dây hình chữ
nhật có xét đến chiều dày cuộn dây. Tính toán lực điện động theo định luật Ampe giữa
dây quấn CA và HA tương tác với nhau trong hai trường hợp: (1) Chưa xét đến chiều
dày của cuộn dây; (2) Có xét đến chiều dày cuộn dây.
Hình 1.26. Sơ đồ cuộn dây HA và CA Hình 1.27 MBAVĐH ba pha cuộn dây hình chữ nhật
Do vậy, nhóm tác giả khuyến cáo trong tính toán lực tác dụng lên dây quấn nên tính
theo cách thứ 2, quan trọng hơn khi tính lực cho MBA lõi VĐH vì các cuộn dây có hình
chữ nhật ở Hình 1.27 chứ không phải tròn, phân bố lực sẽ không đối xứng như Hình
1.29.
Hình 1.28. Cuộn dây HA và CA
Hình 1.29 Cuộn HA và CA sau khi bị tác động lực điện từ
Do cuộn dây hình chữ nhật nên có biến dạng không đối xứng, cuộn dây HA bị đẩy
vào trong lõi và cuộn CA có xu hướng đẩy ra ngoài lõi ở Hình 1.28 và có xu hướng căng
tròn như Hình 1.29.
1.8. Những vấn đề còn tồn tại
1) Tính lực điện từ tác dụng lên dây quấn chưa tính đến phân bố của từ trường tản
trong vùng không gian dây quấn của MBAVĐH có cuộn dây hình chữ nhật; cũng chưa
tìm ra vị trí có ứng suất lớn nhất hay lực tại chỗ góc mạch từ trên cuộn dây hình chữ
nhật.
2) Chưa xác định giá trị tại vị trí trên cuộn dây có ứng suất lớn nhất hay nhỏ nhất để
từ đó đưa ra giải pháp khắc phục. Cũng như chưa đưa ra cách lựa chọn hợp lí giữa bán
kính cong dây quấn theo độ tăng của ứng suất lực.
3) Chưa 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.
6
1.9. Đề xuất hướng nghiên cứu của tác giả
1) Nghiên cứu xây dựng mô hình toán tổng quát của từ trường tản trong cửa sổ mạch
từ MBA với từ thế vectơ A.
2) Tính toán ứng suất lực điện từ lớn nhất trên cuộn dây khi ngắn mạch. Xác định vị
trí có ứng suất lớn nhất trên vòng dây HA và CA. Sau đó so sánh với tiêu chuẩn ứng suất
cho phép của dây quấn.
3) Đánh giá sự thay đổi của giá trị ứng suất theo bán kính thay đổi từ tròn đến vuông.
Từ đó khuyến cáo về việc lựa chọn hợp lí giữa bán kính cong dây quấn theo độ tăng của
ứng suất lực.
4) Tính toán ứng suất lực tổng trên dây quấn MBA khô bọc epoxy có tính đến ứng
suất nhiệt tác dụng vào dây quấn do độ chêch nhiệt độ giữa dây quấn và epoxy; và phân
bố nhiệt độ không đồng đều ở lớp epoxy.
1.10. Kết luận chương 1
Trong chương này, luận án giới thiệu về ưu điểm MBA khô có cuộn dây đúc epoxy
và 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.
Sau đó trình bày về những nghiên cứu trong và ngoài nước về tính toán lực điện từ
tác dụng lên dây quấn của MBA lõi thép VĐH. Tổng kết các công trình nghiên cứu này
là những vấn đề còn tồn tại, luận án đề ta 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
MÔ HÌNH TOÁN CỦA TỪ TRƯỜNG TẢN TRONG CỬA SỔ MẠCH
TỪ MÁY BIẾN ÁP
2.1. Giới thiệu chương 2
2.2. Lý thuyết về dòng điện ngắn mạch và lực điện từ
2.2.1. Dòng điện ngắn mạch
2.2.1.1. Ngắn mạch ở trạng thái xác lập:
I n = I đm .
100
un %
(2.7)
Giả sử điện áp ngắn mạch un% =5, dòng ngắn mạch xác lập bằng 20 lần dòng định
mức sẽ gây nên sự cố phá hỏng kết cấu dây quấn MBA [8,10].
2.2.1.2. Quá trình quá độ của ngắn mạch:
Khi xảy ra ngắn mạch đột nhiên phía thứ cấp của MBA, dòng điện ngắn mạch có
dạng tổng quát sau:
trong đó:
i = i + i = I n 2 sin(ωt - ψ - φn
φn = arctg
ωL t
X
= arctg n
R
Rn
R
- n ωt
Xn
) + C.e
(2.11)
(2.12)
7
Hằng số C được xác định theo điều kiện ban đầu:
(2.13)
C = I n 2sin(ψ + φ n )
Thế (2.13) vào (2.11) ta có:
R
- n ωt
Xn
(2.14)
i = I n 2 sin(ωt - ψ - φ n ) + sin(ψ + φn ).e
Tại thời điểm nguy hiểm nhất là ngắn mạch khi điện áp về 0 (ψ=0), dòng điện cực
đại xảy ra ở gần thời điểm t0=(π/2+n)/, và có độ lớn bằng [8,21]:
i max = I n
u π
- R ( +φ n )
2 1 + sinφ n e u X 2
(2.17)
2.2.2. Lực điện từ
2.2.2.1. Khái niệm
Lực điện từ tác dụng lên dây quấn của MBA được sinh ra là do sự tương tác giữa
dòng điện và từ thông tản trong vùng dây quấn.
Theo lực Lorentz ta viết lực điện từ có công thức như sau [53,54,66]:
(2.21)
F dt = I.Bsin(I, B)dl
L
Khi đó lực điện từ cũng bao gồm các thành phần:
F = (JxB)dv = iFx + jFy + kFz
(2.24)
v
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;
Fx, Fy và Fz là các thành phần của lực.
Khi bị ngắn mạch dòng điện trong dây quấn và từ thông tản tăng lớn, lúc này sẽ sinh
lực điện từ lớn tác dụng lên dây quấn [79]. Quá trình này được tóm tắt ở Hình 2.3.
Dòng điện
<=> Từ trường
Lực điện từ: Fđt
Chế độ làm việc bình thường
I ≤ Iđm
nên Fđt < Fcp
Fđt B I
2
Fđt I
B I
Xảy ra ngắn mạch I rất lớn
Fđt rất lớn
Lực cơ khí phá hỏng
dây quấn
Nhiệt độ cao
Hình 2.3. Quá trình sinh ra cơ khí phá hỏng dây quấn MBA
2.2.2.2. Thành phần của lực điện từ [21,27,67]
a. Lực hướng kính Fx
Lực hướng kính được tạo ra có chiều vuông góc với chiều cao cuộn dây. Nó sinh ra
do sự tác dụng của dòng điện trong dây quấn nằm trong từ cảm tản dọc trục By.
b. Lực hướng trục Fy
Lực hướng trục được tạo ra có chiều song song với chiều cao cuộn dây. Nó sinh ra
do sự tác dụng của dòng điện trong dây quấn nằm trong từ cảm tản ngang Bx.
8
2.3. Xây dựng mô hình toán với từ thế vectơ A
2.3.1. Phương trình Maxwell [3,31,57]
2.3.2. Phương trình từ thế vectơ A
Khi miền nghiên cứu từ trường là trong vùng cửa sổ mạch từ có mật độ dòng điện
của nguồn ngoài J và các cuộn dây CA và HA không tồn tại dòng điện dịch:
D
0
t
Từ hệ phương trình Maxwell ta dẫn ra phương trình từ trường dừng:
(2.36)
rotH J
(2.37)
divB 0
(2.38)
B H
Điều kiện: divB= 0 ta đặt:
(2.39)
B = rotA hay B A
Do đó:
(2.40)
d iv ( ro t A ) = 0
Thế (2.38) và (2.39) vào (2.36) ta có phương trình viết cho từ thế vectơ có dạng
phương trình Laplace-Poisson:
-μJ trong d©y dÉn
(2.41)
2A =
0
®iÖn
m«i
Hay có thể viết lại như sau:
2A 2A 2A
+
+
= -μJ
x 2
y 2
z 2
(2.42)
Khảo sát từ thế vectơ trong cửa sổ MBA tọa độ Descartes (x,y), lúc này từ trường, và
từ thế biến thiên theo phương vuông góc với mặt phẳng bị triệt tiêu:
A
BZ 0 vµ
0
(2.43)
z
nên từ (2.42) viết lại như sau:
2A 2A
μJ
x 2
y 2
(2.44)
Từ (2.43) và (2.39) ta suy ra:
A
A
; By
; Bz 0
y
x
Bx
(2.45)
Xét một MBA và bỏ qua dòng điện từ hóa. Tổng sức từ động sẽ được viết:
g
W .i
s
s
= 0
(2.46)
s=1
Khi đó tổng mặt cắt của cuộn dây thứ s sẽ là aSbS và mật độ dòng (không xét hiệu
ứng dòng xoáy) có độ lớn và hướng theo công thức sau:
JS = ±
Ws i S
a SbS
(2.47)
g
Theo công thức (2.46) thì: JS.aSbS = 0
s=1
(2.48)
9
2.3.2.1. Điều kiện biên
Tại cửa sổ mạch từ của MBA có 2 dây quấn ở Hình 2.12. Thành phần mật độ từ
thông theo trục x, y tại các đường biên của cửa sổ mạch từ MBA: y = 0; y = h và x = 0; x
= d:
A
A
(2.51)
Bx
0
y y 0 y y=h
A
A
By
0
x x =0 x x =d
và
(2.52)
d2 2
y
d1 2
d21
•
+
h2 1
+
h2 2
•
h
b2
+
h12
h1 1
+
d11
b1
a2
a1
x
d
Hình 2.12. Mô hình các kích thước 2D của MBA
2.3.2.2. Tính hằng số tích phân Aj,k
Để giải phương trình (2.44) giả thiết A có nghiệm tổng quát dạng chuỗi điều hòa như
sau:
(2.53)
A(x,y) Aj,kcosmjx cosnk y
j
Để thỏa mãn ở (2.51) với y = 0 và (2.52) với x = 0 thì điều kiện cần là:
π
sinm jd = 0 víi mj = j-1
d
π
sinnkh =0 víi nk = k-1
h
k
(2.54)
(2.55)
Trong đó: j và k là số nguyên từ 1 →∞
Thế (2.53) vào (2.44) ta có được phương trình từ thế trong vùng dây quấn thứ s
(2.56)
m2j +n2k Aj,k cosmjx cosnky = μ0JS
j
k
Hằng số tích phân Aj,k trong hai trường hợp sau:
π
+ Với j = 1, k ≠ 1 ta có mj = 0, nk = (k -1) , giá trị hằng số tích phân Aj,k là:
h
10
2 μ0 g
A1,k 3
Jsa s (sinnk hs2 - sinnk h1s )
(2.63)
nk d.h s=1
+ Tương tự, với j ≠ 1, k = 1 ta có:
2 μ 0 g
A j,1 = 3
Js bs (sinm jds2 - sinm jd1s )
(2.64)
m j d.h s1
Trường hợp tổng quát hằng số tích phân Aj,k như sau:
g
4 μ 0
1
J sinm jd s2 - sinm jd1s (sinn k h s2 - sinn k h1s )
A j,k =
(2.65)
2
2 s
d.h m jn k (m j + n k ) s=1
Trường hợp khi j = k =1 và m1 = n1 = 0, suy ra chuỗi dao động là hằng số. Tuy nhiên
để biết sự phân bố mật độ từ thông ta phải biết các từ thế vectơ khác nhau. Hình dạng
của đường sức từ được xác định bởi giá trị hằng số của từ thế vectơ.
2.3.3. Phương trình ứng suất lực trên dây quấn viết theo từ thế vectơ A(x,y)
+ Ứng suất lực theo trục x
x,s = - Js
A j,k
(sinn k h s2 - sinn k h1s )(cosm jds2 - cosm jd1s )
(2.71)
n
j1 k=1
k
+ Ứng suất lực theo trục y
A
y,s = Js j,k (cosnk h s2 - cosnk h1s )(sinmjds2 - sinmjd1s )
(2.73)
n
j1 k 1
k
2.4. Kết luận chương 2
Trong trường hợp ngắn mạch vận hành (ngắn mạch sự cố) dòng điện ngắn mạch quá
độ (dòng điện đỉnh) sẽ rất lớn. Hơn nữa, tại thời điểm nguy hiểm nhất là ngắn mạch khi
điện áp pha về 0 (ψ=0). Mặt khác, hầu hết các trường hợp ngắn mạch không đối xứng,
dòng điện ngắn mạch không vượt quá trị số dòng điện ngắn mạch đối xứng. Do vậy,
chúng ta chỉ cần xem xét trạng thái ngắn mạch nguy hiểm nhất là ngắn mạch đối xứng.
Để tính toán lực điện từ tác dụng vào dây quấn MBA ta cần xác định 2 đại lượng:
Đại lượng thứ nhất, là độ lớn dòng điện ngắn mạch; đại lượng thứ hai là từ cảm tản. Do
vậy, chúng ta cần tìm ra mô hình toán của từ trường tản trong cửa sổ mạch từ.
Do đó, luận án tiến hành xây dựng mô hình toán của từ trường tản trong cửa sổ mạch
từ với từ thế vectơ A, để tính toán ứng suất lực tác dụng lên dây quấn MBA. Phương
trình từ thế vectơ A được viết có dạng phương trình Laplace-Poisson; Phương trình được
viết cho trường hợp tổng quát như: MBA có số dây quấn là: 1, 2, 3, …,s; các dây quấn
này có tỉ lệ chiều cao bằng nhau và không bằng nhau.
CHƯƠNG 3: TOÁN TÍNH ỨNG SUẤT LỰC ĐIỆN TỪ BẰNG
PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH VÀ PTHH 2D
3.1. Giới thiệu chương
3.2. Tính toán ứng suất lực ngắn mạch trên dây quấn bằng phương pháp
giải tích
11
Bắt đầu
Bước 1: Các thông số cơ bản của MBA
Bước 2: Tính toán dòng ngắn mạch
Bước 3: Tính từ cảm tản trên các cuộn dây
với từ thế vectơ A, tìm ra từ cảm tản lớn
nhất trên các cuộn dây
Bước 4: Tính ứng suất lực tác dụng lên
dây quấn HA và CA
Sai
So sánh với
tiêu chuẩn bền
Đúng
Kết thúc
Hình 3.1. Lưu đồ thuật toán tính ứng suất tác dụng trên dây quấn
3.2.1. Mô hình MBA 630kVA - 22/0,4kV: Mô hình được áp dụng cho một MBA phân phối
3 pha, công suất 630kVA điện áp 22/0,4kV của hãng SANAKY.
Bảng 3.1. Các giá trị thông số điện cơ bản MBA
Thứ tự
Thông số
Giá trị
1
Số vòng dây quấn pha CA/HA W2/W1 (vòng)
1715/18
2
Dòng điện pha CA/HA (A)
9,55/909,33
3
Điện áp ngắn mạch uk%
5,7
3.2.2. Tính dòng ngắn mạch trên các cuộn dây
Như đã phân tích ở mục 2.2.1 dòng điện quá độ đạt giá trị cực đại khi = 0. Giá trị
tức thời của dòng quá độ lớn nhất được thiết lập bởi công thức (2.14).
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:
Xn = 43,77 và Rn = 15,74
(3.3)
φ n = arctg
ωL t
X
= arctg n 1, 225(rad) = 70,21
R
Rn
(3.4)
Dòng điện ngắn mạch cuộn CA và HA:
Cuén
CuộnCao
CA¸p
400
Dßng ®iÖn ng¾n m¹ch In [A]
200
100
0
Dßng ®iÖn ng¾n m¹ch In [A]
300
-100
-200
-300
0
0.02
0.04
Thêi gian[s]
0.06
x 10
Cuộnh¹HA
Cuén
¸p
4
Dòng điện i’
- - - - Tắt dần i”
Dòng inHA = i’+i”
3
2
1
0
-1
-2
0.08
-3
0
0.02
Hình 3.2. Dòng điện ngắn mạch trên cuộn CA
4
Dòng điện i’
- - - - Tắt dần i”
Dòng inCA = i’+i”
0.04
Thêi gian[s]
0.06
0.08
Hình 3.3. Dòng điện ngắn mạch trên cuộn HA
12
Ở Hình 3.2 và Hình 3.3, giá trị dòng điện ngắn mạch cực đại (Imax), cuộn CA 317,59
(A); cuộn HA 30256 (A); giá trị Imax lớn gấp 23,5 lần biên độ dòng định mức.
3.2.3. Tính toán từ trường tản trên các cuộn dây hạ áp và cao áp
3.2.3.1. Vectơ từ thế A viết cho một máy biến áp hai dây quấn
3.2.3.2. Tính toán từ trường tản trên các cuộn dây hạ áp và cao áp
MBA công suất 630kVA - 22/0,4kV, thông số kích thước lấy từ bản vẽ thiết kế của
công ty chế tạo MBA SANAKY Hà Nội như Hình 3.4.
Từ Imax ta tính được mật độ dòng điện trên cuộn HA và CA:
J1 =
J2 =
W1i1 18.30256 6
=
.10 = 40,28.106 A / m2
a1b1
30.450
(3.23)
W2i2 1715.317,59 6
=
.10 = 23,89.106 A / m2
a 2 b2
55.414
Khi đó, phương trình từ thế vectơ A được viết lại dưới dạng:
A = A1,k + A j,1 + A j,k
A = cos(n y) 2 μ 0 J d1 - d1 sinn h1 - sinn h1 + J d 2 - d 2 sinn h 2 - sinn h 2
k
1
2
1
k 2
k 1
2
2
1
k 2
k 1
1,k
n 3k d.h
k=1
2 μ
(3.24)
A j,1 = cos(m jx) 3 0 J1 h12 - h11 sinm jd12 - sinm jd11 + J 2 h 22 - h12 sinm jd22 - sinm jd12
m
d.h
j=1
j
J1 sinm jd12 - sinm jd11 sinn k h12 - sinn k h11
4 μ0
1
A
=
co
s(n
y).cos(m
x)
.
j,k
k
j
2
2
2
2
2
2
d.h
m
n
(m
+ n
)
k=2
j=2
+J
sinm
d
sinm
d
x (sinn
h
sinn
h
)
j
k
j
k
j 2
j 1
k 2
k 1
2
Từ biểu thức (3.24) với A là tổng của các chuỗi số A1,k, Aj,1, Aj,k. Khi đó giá trị thành
phần từ cảm theo hướng x và y tại cửa sổ mạch từ được viết lại như sau:
2 μ 0
1
1
1
1
2
2
2
2
B x = - sin(n k y) n 3 d.h J1 d 2 - d1 sinn k h 2 - sinn k h1 + J 2 d 2 - d1 sinn k h 2 - sinn k h1
k =1
k
J1 sinm jd12 - sinm jd11 sinn k h12 - sinn k h11
4 μ 0
1
sin(n
y).c
o
s
(
m
x
)
.
k
j
d.h m jn k (m 2j + n 2k ) +J 2 sinm jd 22 - sinm jd12 x (sinn k h 22 - sinn k h12 )
k =2 j=2
(3.26)
2 μ
1
1
1
1
2
2
2
2
0
B y = sin(m j x)
J1 h 2 - h1 sinm jd 2 - sinm jd1 + J 2 h 2 - h1 sinm jd 2 - sinm jd1
m3j d.h
j=1
J1 sinm jd12 - sinm jd11 sinn k h12 - sinn k h11
4 μ 0
1
cos(n k y).sin(m jx)
.
d.h m jn k (m 2j + n 2k ) +J 2 sinm jd 22 - sinm jd12 x (sinn k h 22 - sinn k h12 )
k =2 j=2
VectorAA(Wbm
(T.m) -1)
Vectơ
Vậy để Bx, By có thể đạt độ chính xác tới 10-3 T thì khi đó ta cần j, k tiến tới 30.
Axy
Để giải phương trình từ thế vectơ A,
0.1
thực hiện bằng phương pháp giải tích số
0.05
hoặc PTHH.
0
Đầu tiên, thực hiện giải bằng phương
-0.05
pháp giải tích số (phần mềm Matlab).
-0.1
Thay tất cả những dữ liệu có được vào
60
60
x 40
biểu thức (3.24) và việc khai triển chuỗi
40
20
y
20
với j, k tiến đến n=30, ta được kết quả
0 0
biểu diễn dưới dạng đồ thị vectơ từ thế A Hình 3.5. Đồ thị vecto từ thế A(x,y) trong cửa
như Hình 3.5.
sổ mạch từ
13
Triển khai theo công thức (3.26), ta có được kết quả phân bố của từ cảm tản Bx và By
trên cuộn HA và CA như Hình 3.6 và Hình 3.7.
Bx
By
Vị trí giữa
hai cuộn dây
2
0.5
Tu cam By (T)
Tu cam Bx (T)
1
0
-0.5
-1
60
x
60
40
20
20
0 0
Vị trí giữa
hai cuộn dây
40
y
1
0
-1
60
60
40
x
40
20
20
0 0
Hình 3.6. Đồ thị từ cảm hướng kính Bx
y
Hình 3.7. Đồ thị từ cảm hướng trục By
Nhìn đồ thị Hình 3.6 ta thấy sự phân bố từ cảm Bx theo chiều y tập trung lớn ở hai
đầu cuộn dây có Bxmax = 0,324(T) và nhỏ dần khi vào giữa cuộn dây.
Nhìn đồ thị Hình 3.7 ta thấy sự phân bố từ cảm By theo trục y có giá trị nhỏ ở hai
đầu cuộn dây và ở giữa cuộn dây có giá trị lớn nhất Bymax = 1,491 (T).
3.2.4. Các kết quả về ứng suất lực trên dây quấn hạ áp và cao áp
Ứng suất lực (hay gọi là ứng suất): Công thức tính ứng suất: σ = F/A (N/m2); với F
là lực (N) và A là diện tích bề mặt (m2) [7].
3.2.5. Nhận xét các kết quả đạt được từ phương pháp giải tích
Hình 3.15. Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại
cạnh ngoài cùng cuộn HA
Hình 3.16. Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại
cạnh trong cùng cuộn CA
Các giá trị ứng suất lớn nhất xymax tại vị trí giữa cạnh ngoài cùng cuộn HA và trong
cùng cuộn CA, ở Hình 3.15 và Hình 3.16 được thể hiện ở Bảng 3.4.
Bảng 3.4. Bảng kết quả giá trị ứng suất cuộn HA và CA bằng giải tích
Cuộn HA
Cuộn CA
Ứng suất lực xymax (N/m2)
7
6,0138.10
3,567.107
Hướng kính xmax
1,889.107
1,124.107
Hướng trục ymax
5.107 < 6,0138.107 < 10.107
So sánh xymax và cp
Ở Bảng 3.4 ứng suất σxymax = 6,0138.107 N/m2. So với ứng suất cho phép của dây
đồng σtbcp = (5÷10).107 N/m2 [8]. 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.
3.3. Tính toán ứng suất lực ngắn mạch trên dây quấn bằng phương pháp
PTHH 2D
3.3.1. Mô hình kích thước MBA trên Ansys Maxwell
14
Sau khi phân tích bằng phần mềm Ansys Maxwell, ta có kết quả phân bố từ cảm tản
trên cạnh ngoài cùng của cuộn HA và cạnh trong cùng của cuộn CA:
cuon HA
Cuon
HA
1.50
Maxwell2DDesign3
x
BB_X
y
BB_Y
xy
BBxy
1.25
0.75
0.50
0.25
0.50
0.25
0.00
-0.25
Hình 3.19. Biểu diễn vecto từ
cảm B trong Maxwell
100
200
300
Chieu cao cuon HA (mm)
400
500
BB_Y
y
BB_X
x
BBxy
xy
0.75
-0.25
0
Curve Inf o
1.00
0.00
-0.50
Maxwell2DDesign3
1.25
Tu cam tan B(T)
Tu cam tan B(T)
1.00
Cuon CA
1.50
Curve Inf o
-0.50
Hình 3.21. Phân bố từ cảm tại
cạnh ngoài cùng cuộn HA
0
100
200
300
Chieu cao cuon CA (mm)
400
500
Hình 3.22. Phân bố từ cảm tại
cạnh trong cùng cuộn CA
Hình 3.21 (Hình 3.22), ta thấy từ cảm tản tại cạnh ngoài (trong) cùng cuộn dây HA
(CA) thành phần By là lớn hơn nhiều lần Bx với sự phân bố là lớn nhất ở giữa có giá trị
cực đại là Bymax=1,48T (Bymax=1,482T) và giảm dần sang hai bên. Giá trị lớn nhất của từ
cảm Bxmax = 0,37T (Bxmax = 0,277T) phân bố tập trung ở hai đầu cuộn dây và bằng 0 tại
chính giữa cuộn dây.
3.3.2. Ứng suất lực trên các cuộn hạ áp và cao áp
3.3.3. Nhận xét các kết quả đạt được từ phương pháp PTHH 2D
x
y
xy
x
y
xy
(mm)
Hình 3.28. Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại
Hình 3.29. Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại
cạnh ngoài cùng cuộn HA
cạnh trong cùng cuộn CA
(mm)
Các giá trị ứng suất lớn nhất xymax tại vị trí giữa cạnh ngoài cùng cuộn dây HA và
trong cùng CA được thể hiện ở Bảng 3.5.
Bảng 3.5. Bảng kết quả giá trị ứng suất lực trên cuộn HA và CA bằng phương pháp PTHH 2D
Cuộn HA
Cuộn CA
Ứng suất lực xymax (N/m2)
7
5,969.10
3,544.107
Hướng kính xmax
2,222.107
1,109.107
Hướng trục ymax
5.107 < 5,969.107 < 10.107
So sánh xymax và cp
Ở Bảng 3.5 ứng suất kéo lớn nhất là σxymax = 5,969.107 N/m2. So với ứng suất cho
phép của dây đồng σtbcp = (5÷10).107 N/m2 [8]. 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.
3.4. So sánh về ứng suất lực trên dây quấn giữa phương pháp giải tích và
phương pháp PTHH 2D
3.4.1. Từ cảm tản Bx, By và Bxy trên cuộn hạ áp và cao áp
So sánh các kết quả từ cảm tản Bxymax tại cạnh ngoài cùng cuộn HA và cạnh trong
cùng cuộn CA của PP giải tích và PTHH ở các mục 3.2.3 và 3.3.1 với sai số là 0,67%.
3.4.2. Ứng suất lực x và y trên cuộn hạ áp và cao áp
15
Hình 3.31. Đồ thị phân bố ứng suất lực x Hình 3.32. Đồ thị phân bố ứng suất lực y trên
trên cuộn HA giữa giải tích và PTHH 2D
cuộn HA giữa giải tích và PTHH 2D
Hình 3.33. Đồ thị phân bố ứng suất lực x Hình 3.34. Đồ thị phân bố ứng suất lực y
trên cuộn CA giữa giải tích và PTHH 2D
trên cuộn CA giữa giải tích và PTHH 2D
So sánh kết quả của hai phương pháp về các giá trị ứng suất lực hướng kính x và
hướng trục y lớn nhất trên cuộn HA và CA.
3.4.3. Nhận xét kết quả so sánh
Các đồ thị ở Hình 3.31, Hình 3.32, Hình 3.33, Hình 3.34, ta thấy rằng về phân bố
ứng suất lực x và y trên dây quấn HA và CA giữa phương pháp giải tích và PTHH 2D
là gần như trùng nhau với sai số ở Bảng 3.7.
Bảng 3.7. So sánh kết quả ứng suất lực có giá trị lớn nhất giữa phương pháp giải tích và PTHH 2D
Giải tích
PTHH 2D Sai số (%)
Ứng suất lực xymax (N/m2)
7
6,0138.10
5,969.107
Hướng kính xmax
1,889.107
2,222.107
Cuộn HA
Hướng trục ymax
6,0138.107
5,969.107
0,75
Tổng xymax
7
7
3,567.10
3,544.10
Hướng kính xmax
7
1,124. 10
1,109.107
Cuộn CA
Hướng trục ymax
3,567.107
3,544.107 0,65
Tổng xymax
(5÷10).107
Cho phép cp (N/m2)
7
7
7
5.10 < 6,0138.10 < 10.10
So sánh xymax và cp
Ở Bảng 3.7 ứng suất kéo lớn nhất là σxymax = 6,0138.107 N/m2. So với ứng lực cho
phép của dây đồng σtbcp = (5÷10).107 N/m2 [8,9]. 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.
3.5. Kết luận chương 3
Trong chương này, luận án đã trình bày quá trình tính toán ứng suất lực tác dụng lên
dây quấn MBA 630kVA -22/0,4kV đã được thiết kế, sản xuất và đo đạc thực nghiệm tại
công ty chế tạo biến thế SANAKY Hà Nội, bằng phương pháp giải tích và PTHH 2D.
Tiến hành so sánh kết quả ứng suất lực giữa hai phương pháp giải tích và PTHH 2D
sai số lớn nhất là 0,75%. Qua sai số này ta thấy tính đúng đắn và tin cậy của mô hình
giải tích thiết lập, cũng như sử dụng PTHH để giải quyết bài toán là thích hợp. Điều này
mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo ở chương sau là sử dụng phương pháp PTHH 3D cho
những bài toán có hình dạng phức tạp hơn.
16
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP TÁC
DỤNG LÊN DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP
4.1. Giới thiệu chương
4.2. Thuật toán tính ứng suất lực điện từ trên dây quấn máy biến áp lõi
thép vô định hình bằng phương pháp PTHH 3D
4.3. Xây dựng mô hình 3D MBA trên phần mềm Ansys Maxwell
4.3.1. Quá trình giải quyết bài toán trên Asys Maxwell
4.3.2. Thiết lập bài toán mô phỏng MBA 630kVA
Sử dụng một MBAVĐH 630 kVA-22/0,4 kV và thông số kích thước lấy từ bản vẽ
thiết kế của công ty chế tạo MBA SANAKY Hà Nội.
Lõi thép bằng vật liệu từ mềm VĐH có mã hiệu 2605SA1 có từ cảm bão hòa là
1,63T; các giá trị B(H) ở Phụ lục 1.
Hình 4.6 và Hình 4.7 là các hình ảnh tổng thể về lõi thép bằng vật liệu từ VĐH trước
khi và sau khi bố trí lắp đặt dây quấn tại công ty chế tạo MBA. MBA này đã tiến hành
thử nghiệm và có biên bản kiểm tra xuất xưởng ở Phụ lục 2.
Bắt đầu
Xây dựng mô hình mô phỏng 3D MBA
(Dựa trên các thông số điện và kích thước thiết kế
của MBA)
Mô phỏng 2 trường hợp:
không tải và NM thử nghiệm
Po, U1đm, U2đm và Pk, I1đm, I2đm
Sai
So sánh trùng khớp với
thực nghiệm: P0 và Pk
Đúng
Mô phỏng ngắn mạch sự cố:
INMmax và Bmax
Chỉ ra vị trí có max
-Ứng lực mặt phẳng 2D oxz: xz
-Ứng lực mặt phẳng 3D oxyz: xyz
So sánh tiêu chuẩn bền
xyz σgh
Đúng
Sai
Khuyến cáo cho
nhà sản xuất
Kết thúc
Hình 4.1. Lưu đồ thuật toán tính ứng suất trên các cuộn dây
Bảng 4.2. Các thông số đo đạc thực nghiệm của MBAVĐH 630 kVA - 22/0,4 kV
Thứ tự
Thông số
Giá trị
1
Dòng điện không tải i0%
0,2
2
Tổn hao không tải: P0 [W]
439,9
3
Tổn hao ngắn mạch Pk [W]
5039,0
4
Điện áp ngắn mạch uk%
5,7
17
Hình 4.6. Lõi thép MBA bằng vật liệu VĐH Hình 4.7.Mạch từ và cuộn dây của MBAVĐH
Các thông số về điện và kích thước thiết kế của MBA này là dữ liệu đầu vào phần
mềm Ansys Maxwell. Hình 4.8 cho thấy hình dạng của một mô hình MBA trong môi
trường phân tích Maxwell 3D. Để giảm thời gian tính toán và mô hình có tính chất đối
xứng nên khảo sát mô hình 3D mặt cắt ½ , vật liệu cách điện và cấu trúc hỗ trợ đang bị
bỏ qua trong mô hình.
Hình 4.8. Mô hình MBAVĐH Maxwell 3D Hình 4.10. Chia lưới mô hình MBA trong Maxwell
Tổng số lượng phần tử lưới chia là 215918 phần tử như Hình 4.10.
Thời gian phân tích được được thiết lập là 0,1s với bước thời gian là 0,001s.
4.4. Mô phỏng ở chế độ không tải và ngắn mạch thử nghiệm
4.4.3. Tổn hao không tải và tổn hao ngắn mạch thử nghiệm
Phân tích mô hình ta có kết quả mô phỏng về tổn hao không tải P0 và tổn hao ngắn
mạch Pk ở Hình 4.18 và Hình 4.19.
Hình 4.18. Tổn hao không tải MBA
Hình 4.19. Tổn hao ngắn mạch của MBA
Bảng 4.3. So sánh các giá trị mô phỏng và thực tế
Thứ tự
Thông số
Mô phỏng Thực tế Sai số %
1 Tổn hao không tải: P0 (W)
429,618
439,9
2,4
2 Tổn hao ngắn mạch Pk (W)
4978,3
5039,0
1,2
Từ kết quả so sánh ở Bảng 4.3, ta thấy sở dĩ giá trị mô phỏng nhỏ hơn giá trị thực tế
bởi vì bản thân phương pháp PTHH là phương pháp gần đúng và mô phỏng đã bỏ qua
các vật liệu cách điện và cấu trúc hỗ trợ MBA đang bị bỏ qua trong mô hình.
18
4.5. Mô phỏng ở chế độ ngắn mạch sự cố
Thời điểm tạo trạng thái ngắn mạch được thực hiện tại 15 ms, lúc này điện áp của
pha B về 0, khi đó dòng điện ngắn mạch có sẽ đạt trị số cực đại.
4.5.1. Dòng điện ngắn mạch
Hình 4.20. Dòng điện ngắn mạch cuộn CA
Hình 4.21. Dòng điện ngắn mạch cuộn HA
Tại thời điểm 25 ms, giá trị biên độ của dòng điện ngắn mạch cực đại trên pha B của
dây quấn CA (HA) là ICA_max= 305,07 A (IHA_max=29066,8 A), giá trị này lớn gấp 22,6
lần biên độ dòng điện định mức.
4.5.2. Phân bố từ trường tản
Hình 4.22. Phân bố từ cảm trên mạch từ và cuộn dây của MBA tại thời điểm t =25ms
Tại thời điểm t = 25 ms (dòng điện ngắn mạch trên pha B đạt cực đại). Từ cảm tản
tại cạnh ngoài cùng HA Bz_max = 1,454T, Bx_max = 0,393T và Bxzmax = 1,454T. Từ trường
tại cạnh trong cùng CA Bz_max = 1,492T, Bx_max = 0,248T và Bxzmax = 1,492T.
4.5.3. Phân tích ứng suất lực ngắn mạch trên cuộn dây HA và CA
Tổng ứng lực xz trên cuộn CA và HA như Hình 4.31 và Hình 4.32:
x
z
xz
x
z
xz
Chieu cao cuon HA (mm)
Chieu cao cuon CA (mm)
Hình 4.31. Tổng ứng suất xz trên cuộn HA Hình 4.32. Tổng ứng suất xz trên cuộn CA
Kết quả cho thấy: Thành phần ứng lực tổng xz lớn nhất này tại vị trí chính giữa biên
ngoài của cuộn HA và biên trong của cuộn CA. Tổng ứng suất lực là xzmax = 5,444.107
- Xem thêm -
.PDF 
28 
626 
87 
