(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu ảnh hưởng của phân bố điện từ trường, và phân bố nhiệt ngắn mạch biến áp phân phối sử dụng lõi thép

1 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Sơ lược tình hình nghiên cứu MBA giới nước 10 Ý nghĩa khoa học – thực tiễn: 13 Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu: 13 Những thuận lợi, khó khăn tiến hành nghiên cứu: 15 Trong luận văn sử dụng giả thiết khoa học sau: 15 Nội dung luận văn gồm phần mở đầu chương : 15 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP TRONG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI ĐIỆN 16 1.1 Tổng quan 16 1.2 Tiêu chuẩn MBA tiết kiệm lượng Hoa kỳ 18 1.3 Tiêu chuẩn MBA tiết kiệm lượng Úc New Zealand 22 1.4 Tiêu chuẩn MBA tiết kiệm lượng Việt nam số nước 24 1.5 MBA dầu MBA khô 26 1.5.1 Khái niệm 26 1.5.2 MBA khơ có cuộn dây không đúc cách điện rắn [2] [4] 26 1.5.3 MBA khơ có cuộn dây đúc cách điện rắn 27 1.5.4 Ưu nhược điểm MBA dầu MBA khô 28 1.6 Xu hướng ưu tiên lựa chọn MBA hiệu suất cao 30 1.6.1 Xu hướng chế tạo MBA hiệu suất cao dùng vật liệu tơn VĐH 30 1.6.2 Bài tốn MBA hiệu suất cao dùng vật liệu thép VĐH 32 1.7 Một số kết luận chương 33 Luan van CHƯƠNG 2: PHÂN BỐ TỪ TRƯỜNG TẢN VÀ LỰC ĐIỆN TỪ 35 VÙNG DẤY QUẤN MÁY BIẾN ÁP 35 2.1 Khái niệm 35 2.2 Hệ phương trình Maxwell 35 2.3 Hàm vô hướng 39 2.4 Phân bố từ trường tản lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA 44 2.5 Phân tích kết tính cho MBA 630 kVA có lõi thép VĐH [1] 48 2.5.1 Biểu thức dòng điện ngắn mạch MBA 630 kVA 49 2.5.2 Phân tích ứng suất ngắn mạch cuộn dây CA HA 51 2.5.3 Phân tích ứng suất dọc chu vi cuộn dây MBA có lõi thép VĐH 53 2.6 Cường độ điện trường cửa sổ MBA 55 2.7 Kết luận chương 57 CHƯƠNG 3: PHÂN BỐ NHIỆT TRONG MÁY BIẾN ÁP KHÔ 59 3.1 Các phương thức truyền nhiệt 59 3.1.1 Dẫn nhiệt 61 3.1.2 Đối lưu 64 3.1.3 Bức xạ 68 3.2 Nghiên cứu truyền nhiệt MBA khơ có lõi thép VĐH 71 3.2.1 Đặt vấn đề 71 3.2.2 Giới thiệu nội dung 71 3.3 Thông số MBA 73 3.4 Mơ hình toán 75 3.5 Tính phân bố nhiệt nhiệt độ epoxy sau ngắn mạch MBA 77 3.6 Thông số nhiệt thay đổi theo nhiệt độ 78 3.6.1 Độ dẫn nhiệt phụ thuộc nhiệt độ môi trường truyền nhiệt 78 3.6.2 Hệ số truyền nhiệt 79 Luan van 3.6.3 Phương thức truyền nhiệt 81 3.6.4 Lựa chọn nghiên cứu phân bố nhiệt MBA khô 82 3.6.5 Mơ hình tốn 82 3.6.6 Tính chất nhiệt vật liệu epoxy 82 CHƯƠNG : SỰ THAY ĐỔI THÔNG SỐ NHIỆT CỦA EPOXY THEO NHIỆT ĐỘ 84 4.1 Khảo sát thay đổi nhiệt dẫn suất theo nhiệt độ 84 4.2 Khảo sát thay đổi hệ số khuếch tán nhiệt, điện dung theo nhiệt độ 85 4.3 Thí nghiệm xác định điều kiện biên 89 4.4 Kết luận chương 92 PHỤ LỤC: GIẢI THÍCH CƠNG THỨC GẦN ĐÚNG 93 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 Luan van LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Lê Xuân Nghĩa Luan van DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CHỮ VIẾT TẮT NGUYÊN VĂN MBA Máy biến áp VĐH Vô định hình KTĐ Kỹ thuật điện CA, HA Cao áp, hạ áp Luan van DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 So sánh tổng chi phí MBA có tổn hao cao tổn hao thấp 17 Hình 1.2: MBA khô cách điện giấy Nomex .27 Hình 1.3: MBA khơ có dây quấn đúc nhựa epoxy 28 Hình 1.5: Lịch sử tổn hao không tải MBA50 kVA 31 Hình 1.6: Đường cong từ hóa tơn silíc (M4) thép vơ định hình 32 Hình 1.7: Lịch sử ứng dụng thép VĐH chế tạo MBAphân phối 32 Hình 2.2 vẽ phân bố từ thông tản MBA 47 Hình 2.5: Phân bố ứng suất cạnh ngồi cuộn HA 52 Hình 2.6: Phân bố ứng suất cạnh cuộn CA 53 Hình 2.9: Phân bố ứng suất đường 1,2…10 cuộn HA .54 Hình 2.12: Các lớp cách điện CA HA .55 Hình 2.13: Phân bố điện trường Hình 2.14: Hệ số k phụ thuộc bán kính cong r 57 Hình 3.1: Dẫn nhiệt vật thể lớp (a) nhiều lớp (b) .61 Hình 3.3: Cấu tạo MBA khô, mẫu nghiên cứu 74 Hình 3.4: Mặt cắt cuộn dây CA .75 Hình 4.1: Kết đo nhiệt dẫn suất thay đổi theo nhiệt độ 84 Hình 4.2: Hệ số khuếch tán nhiệt epoxy phụ thuộc nhiệt độ 87 Hình 4.3: Sự thay đổi nhiệt dung epoxy theo nhiệt độ 88 Hình 4.4: 29 vị trí đo để xác định điều kiện biên 90 Luan van DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng MĐ.1: Các chế độ làm mát máy biến áp Bảng 1.1: MBA dầu tiết kiệm lượng theo NEMA DOE [38] 20 Bảng 1.2: MBA khô tiết kiệm lượng theo NEMA TP1-2002 [38] 21 Bảng 1.3: MBA khô tiết kiệm lượng theo DOE 2010-01-01 [38] 22 Bảng 1.4: MBA dầu tiết kiệm lượng theo MEPS, tải 50% định mức [38] 23 Bảng 1.5: MBA khô tiết kiệm lượng theo MEPS, tải 50% định mức [38] 24 Bảng 1.6: MBA dầu theo tiêu chuẩn tiết kiệm lượng 25 Bảng 3.1: Thông số nhiệt số vật liệu chế tạo máy biến áp 62 Bảng 3.2: Giá trị ak, q k đối lưu tự nhiên, T0 = 200C, 1; 66 Bảng 3.3: Hệ số xạ tương đối số vật liệu 69 Bảng 3.4 Hệ số đặc trưng truyền nhiệt xạ 70 Bảng 4.1: Nhiệt dẫn suất đo thực nghiệm tính theo cơng thức 4.1 85 Bảng 4.2: Hệ số khuếch tán nhiệt đo thực nghiệm tính theo cơng thức 4.2 86 Bảng 4.3: Nhiệt dung đo thực nghiệm tính theo cơng thức 4.3 88 Bảng 4.4:Nhiệt độ biên tương ứng bốn giá trị dòng điện 91 Bảng 4.5: Nguồn nhiệt từ tổn hao đồng 92 Luan van MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Khi làm việc, MBA có lực điện từ tác dụng lên dây quấn, tác động tương hỗ từ trường tản dòng điện dây quấn Khi ngắn mạch từ trường tản dòng điện tăng lực điện từ tăng cao, lực ngắn mạch nguy hiểm MBA sử dụng lõi thép vơ định hình qua tâm sử dụng nhằm nâng cao hiệu suất, phân bố từ trường tản loại khác MBA sử dụng lõi thép silíc ảnh hưởng đến phân bố lực điện từ tác dụng vào dây quấn Khi làm việc, tổn hao MBA biến thành nhiệt, phần nhiệt lượng tản mơi trường xung quanh, phần phát nóng làm nhiệt độ MBA tăng cao so với nhiệt độ môi trường, tạo độ chênh nhiệt độ ∆T Độ chênh nhiệt độ lớn, nhiệt lượng tản môi trường xung quanh lớn theo, tới nhiệt lượng tản môi trường xung quanh lượng tổ hao MBA (phần nhiệt lượng phát nóng MBA “0”), nhiệt độ MBA đạt giá trị ổn định (xác lập) Nếu độ chênh nhiệt độ ∆T vượt giới hạn cho phép (∆T>∆Tcp), vật liệu cách điện chóng già cỗi, làm hỏng cách điện gây cháy MBA Để giảm độ chênh nhiệt độ người ta phải tăng cường giải pháp làm mát MBA Ngoài MBA cần bảo vệ không cho làm việc lâu dài nhiệt độ giới hạn cho phép Phương pháp truyền thống việc bảo vệ MBA sử dụng chức dựa đo dòng điện điện áp Các chức hữu ích việc phát tải, ngắn mạch MBA Nhiệt độ điểm nóng cuộn dây yếu tố quan trọng định tuổi thọ MBA, phân bố nhiệt độ cuộn dây phần phụ thuộc vào hình dáng, kích thước cuộn dây chế độ làm mát Nhiệt độ dầu cách điện phụ thuộc vào nhiệt độ dây quấn, người ta theo dõi nhiệt độ dầu để để biết nhiệt độ dây quấn biết tình trạng làm việc MBA Nhiều rơle số bảo vệ MBAcó chức bảo vệ hoạt động dựa nhiệt độ dầu, từ cho phép tính tốn giảm tuổi thọ nhiệt độ dầu tăng cao, dự đoán nhiệt độ dầu tải Một yếu tố cần xem xét nhìn vào chức nhiệt độ nguy lão hóa tăng tốc suy biến ngày gia tăng MBA thiết bị điện thiếu hệ thống điện, nghiên cứu để tránh hạn Luan van chế tượng tăng nhiệt độ cho phép dẫn đến lão hóa giảm tuổi thọ nhiệm vụ cần thiết đảm bảo không cho MBA mà mang ý nghĩa đảm bảo vận hành bình thường hệ thống điện Tùy yêu cầu thực tế mà người ta làm mát MBA phương pháp khác nhau, theo tiêu chuẩn IEC phương pháp làm mát ký hiệu thống theo chế độ làm mát MBA (bảng MĐ.1) Bảng MĐ.1: Các chế độ làm mát máy biến áp Loại tác nhân làm mát Ký hiệu Dầu mỏ chất lỏng cách điện có điểm chớp cháy < 300 0C Chất lỏng cách điện tổng hợp có điểm chớp cháy > 300 0C K Chất lỏng cách điện có điểm chớp cháy khơng xác định L Nước W Khơng khí A Cách điện rắn S Loại tuần hoàn Tự nhiên N Cưỡng F Cưỡng có định hướng dây quấn (định hướng) D Chế độ làm mát thông dụng MBA khơ làm mát khơng khí tự nhiên AN MBA khơ làm mát khơng khí cưỡng (có quạt gió) AF MBA làm mát dầu tuần hồn tự nhiên, thơng gió cưỡng ONAN MBA làm mát dầu thơng gió cưỡng (có bơm dầu, quạt gió) OFAF MBA làm mát tuần hồn dầu định hướng thơng gió cưỡng ODAF MBA làm mát tuần hoàn dầu nước cưỡng Ghi chú: ODAF Sự nhận dạng theo phương pháp làm mát thể mã có chữ số (máy biến áp khô) chữ số (máy dầu), đó: - Chữ thứ tác nhân làm mát tiếp xúc với cuộn dây - Chữ thứ cấu tuần hoàn với tác nhân làm mát bên Luan van 10 - Chữ thứ tác nhân làm mát bên - Chữ thứ cấu tuần hoàn với tác nhân làm mát bên Để giảm tổn hao lượng, MBA có lõi thép vơ định hình (VĐH) quan tâm nghiên cứu chế tạo đưa vào sử dụng nước ta Bài toán phân bố nhiệt MBA giúp ta giải toán thiết kế kinh tế kỹ thuật MBA đồng thời phương pháp làm mát thích hợp cho MBA Sơ lược tình hình nghiên cứu MBA giới nước a) Tình hình nghiên cứu giới: Những MBA xuất vào khoảng năm 1890 MBA khô Do công nghệ vật liệu công nghệ chế tạo thấp nên bị giới hạn cấp điện áp công suất Thời gian sau, với xuất tơn silic có tổn hao thấp dầu biến áp cải thiện đáng kể việc nâng cao công suất đơn điện áp truyền tải MBA việc sử dụng MBA dầu có lõi thép băng vật liệu tơn silíc Khoảng năm 60 kỷ XX, thép vơ định hình đời, đến năm 80, thép từ VĐH bắt đầu nghiên cứu chế tạo MBA điện lực Thép từ VĐH đáp ứng yêu cầu cao giảm tổn hao không tải MBA Tại Hoa kỳ, năm 1992 đặt yêu cầu cải thiện hệ thống lưới điện phân phối cách giảm tổn thất MBA Nghiên cứu tác giả W J Ros, T M Taylor [34] tổn thất MBA chiếm 60% tổn thất khơng tải 45% tổng tổn thất hệ thống Năm 1992, L A Johnson [26] nghiên cứu ứng dụng vật liệu VĐH giảm tổn thất lõi thép máy biến áp động Năm 1992, H Matsuki nghiên cứu hình dạng lõi máy biến áp để giảm tổn hao công suất [29] Vấn đề sử dụng MBA VĐH để giảm tổng thất điện nhiều nước Châu Á, trước hết Nhật Bản, Đài Loan, Ấn độ, Hàn Quốc, Trung Quốc, Lào, Nepal, Philippine MBA VĐH giảm tổn hao không tải đến 80% Luan van 90 Hình 4.4: 29 vị trí đo để xác định điều kiện biên Luan van 91 Bảng 4.4 kết nhiệt độ biên tương ứng bốn giá trị dòng điện Từ kết này, ta xây dựng hàm T (r) T (z), biểu thức 3.29, 3.30 Bảng 4.4:Nhiệt độ biên tương ứng bốn giá trị dòng điện Những tổn thất điện tạo hiệu ứng Joule tính tốn cho giá tr ị tương ứng dòng điện để xác định giá trị nguồn nhiệt phương trình 3.28 Thể tích vật liệu đồng 2,95.10-3m Bảng 4.5 thống kê công suất tổn hao, nguồn nhiệt Luan van 92 Bảng 4.5: Nguồn nhiệt từ tổn hao đồng 4.4 Kết luận chương Để tính phân bố nhiệt máy biến áp cần giải phương trình truyền nhiệt 3.38 với điều kiện biên 3.29, 3.30 Đối với MBA khô có dây quấn cao áp tẩm epoxy, việc giải phương trình truyền nhiệt 3.38 với điều kiện biên 3.29, 3.30 liên quan đến việc nhận biết tính chất nhiệt vật liệu epoxy, tính chất lại thay đổi mạnh theo nhiệt độ Các biểu thức tốn mơ tả tính chất nhiệt theo nhiệt độ chưa có Trong nghiên cứu, tác giả dựa vào kết thí nghiệm tài liệu [29], áp dụng công thức Tay lo đưa biểu thức gần tính biểu thức λ(T) = 0,8305 – 0,2475.10-2T + 0,8699.10-5T2 4.1 α(T) = 0,3950.106 + 3,1056.10 2T - 4,6024T 4.2 Cp (T) = 1,1681 – 3,9812.10-4 T + 3,6732.10-6 T 4.3 Sai số so sánh số liệu tính biểu thức gần 4.1, 4.2, 4.3 số liệu đo thực nghiệm khoảng nhiệt độ làm việc vật liệu epoxy (từ nhiệt độ môi trường đến 1500C) nhỏ 1,3% Do sử dụng biểu thức gần đẻ tính phân bố nhiệtvới sai số cho phép Từ hướng đề tài phân tích tìm phân bố nhiệt độ, phân tích điểm nóng giải pháp liên quan giúp thiết kế kinh tế kỹ thuật MBA khơ nói chung MBA khơ sử dụng lõi thép VĐH nói riêng Luan van 93 PHỤ LỤC: GIẢI THÍCH CƠNG THỨC GẦN ĐÚNG Khảo sát thay đổi nhiệt dẫn suất theo nhiệt độ Nhóm tác giả A Garcıa, G Espinosa-Paredes, I Hern andez [23] sử dụng bốn mẫu epoxy thí nghiệm khảo sát thay đổi nhiệt dẫn suất λ theo nhiệt độ Thay đổi nhiệt độ mẫu 270C đến 151°C, kết đo ghi hình Hình 1: Kết đo nhiệt dẫn suất thay đổi theo nhiệt độ[23] Nhận xét: - T 0C tăng từ 27 ÷ 1500C → λ giảm từ 0.78 ÷ 0,66 W/m.K Giảm 15% - Các giá trị đo rời rạc, khơng tiện sử dụng cho tính tốn - Có thể sử dụng biến đổi Taylo biểu diễn gần quan hệ λ = f(T) dạng đa thức bậc 2: λ = f(T) = a + bT + cT2 1a Tơi làm sau: Từ hình dáng đường cong, giả sử đường λ = f(T) = a + bT + cT2 qua điểm λ1 , λ2, λ (hình 1), tơi có: Luan van 94 : 0,78 = a + b.27 + c 272 0,656 = a + b.129 + c 1292 0,655 = a + b.150 + c 1502 Giải hệ phương trình được: a= 0,835; b= -0,2475.10-2; c= 0,8699.10 -5 , thay vào công thức 1a có: λ(T) = 0,8305 – 0,2475.10-2T + 0,8699.10-5T2 1b So sánh kết tính theo cơng thức 4.1 so với kết đo thực nghiệm thống kê bảng 4.1, sai số