Đánh giá độ bền cơ học dây quấn khi bị sự cố ngắn mạch của máy biến áp lõi thép vô định hình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN HUỲNH TẤN LÂN ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN CƠ HỌC DÂY QUẤN KHI BỊ SỰ CỐ NGẮN MẠCH CỦA MÁY BIẾN ÁP LÕI THÉP VƠ ĐỊNH HÌNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Bình Định – Năm 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN HUỲNH TẤN LÂN ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN CƠ HỌC DÂY QUẤN KHI BỊ SỰ CỐ NGẮN MẠCH CỦA MÁY BIẾN ÁP LÕI THÉP VƠ ĐỊNH HÌNH Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201 Người hướng dẫn: TS Đoàn Thanh Bảo i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ đề tài ‘‘Đánh giá độ bền học dây quấn bị cố ngắn mạch máy biến áp lõi thép vơ định hình” cơng trình nghiên cứu thân tơi hướng dẫn Thầy giáo TS ĐOÀN THANH BẢO Các kết khoa học trình bày luận văn thành nghiên cứu thân tơi suốt thời gian thực đề tài chưa xuất công bố tác giả khác Các kết đạt xác trung thực Tác giả luận văn HUỲNH TẤN LÂN ii LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp bước quan trọng khóa học Tác giả hạnh phúc thực xong luận văn tốt nghiệp quan trọng tác giả học thời gian qua Bên cạnh kiến thức thu được, tác học phương pháp nghiên cứu cách độc lập Sự thành công không đơn nỗ lực cá nhân, mà có hỗ trợ giúp đỡ giảng viên hướng dẫn, gia đình bạn bè Nhân hội này, cho phép bày tỏ lời cảm ơn tơi đến họ Để hồn thành luận văn này, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc kính trọng đến Thầy giáo TS ĐỒN THANH BẢO trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trình nghiên cứu Thầy dành nhiều thời gian, bảo hỗ trợ nhiều cho suốt trình thực đề tài Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Quy Nhơn, Phòng Đào tạo Sau Đại học, Khoa Kỹ thuật & Công nghệ cung cấp phần mềm quyền ANSYS tạo điều kiện thuận lợi cho học viên suốt trình học tập nghiên cứu Tác giả xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện (PECC2) hỗ trợ, tạo điều tạo điều kiện công tác để tác giả có thời gian học tập Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình ln đồng hành động viên suốt thời gian học tập lẫn làm luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn HUỲNH TẤN LÂN iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu .3 2.1 Mục đích nghiên cứu 2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu 3.2 Phạm vi nghiên cứu 4 Phƣơng pháp nghiên cứu Cấu trúc nội dung luận văn Chƣơng TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VƠ ĐỊNH HÌNH - MÁY BIẾN ÁP LÕI THÉP VƠ ĐỊNH HÌNH 1.1 Giới thiệu 1.2 Máy biến áp vơ định hình 1.2.1 Khái niệm cấu tạo máy biến áp vô định hình 1.2.2 Lợi ích lõi thép kim loại vơ định hình 1.2.3 Cách xử lý lõi từ máy biến áp vơ định hình 1.3 Vật liệu vơ định hình 1.3.1 Khái niệm 1.3.2 Công nghệ sản xuất vật liệu từ vơ định hình 10 1.4 Một số sản phẩm ứng dụng: 12 1.5 Đặc tính giảm tổn hao MBA lõi thép VĐH: 15 iv 1.5.1 Đường cong từ trễ vật liệu vơ định hình 15 1.5.2 Một số cơng trình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 16 1.6 Kết luận chƣơng 21 Chƣơng PHÂN TÍCH Q TRÌNH QUÁ ĐỘ VỀ DÒNG ĐIỆN TỪ TRƢỜNG LỰC ĐIỆN TỪ KHI MÁY BIẾN ÁP XẢY RA NGẮN MẠCH 22 2.1 Giới thiệu 22 2.2 Tính tốn ngắn mạch 22 2.2.1 Lý thuyết dòng điện ngắn mạch lực điện từ 22 2.2.2 Thành phần lực điện từ 32 2.3 Từ trƣờng tản 36 2.4 Ứng suất lực tác dụng lên dây quấn 38 2.4.1 Ứng suất lực hướng kính  x 38 2.4.2 Ứng suất lực hướng trục  y 39 2.5 Kết luận chƣơng 40 Chƣơng PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT NGẮN MẠCH TÁC DỤNG VÀO CUỘN DÂY CỦA MÁY BIẾN ÁP BẰNG CHUỖI PHẦN MỀM ANSYS MAXWELL 41 3.1 Giới thiệu 41 3.2 Phần mềm Ansys Maxwell 41 3.3 Tính tốn lực điện từ phần mềm mô Ansys Maxwell 42 3.3.1 MBA lõi thép VĐH thiết kế phần mềm Maxwell 42 3.3.2 Tính tốn lực điện từ tác dụng lên dây quấn 46 3.4 Kết mơ phân tích điện từ MBA VĐH 49 3.4.1 Chế độ định mức 49 3.4.2 Chế độ ngắn mạch 51 3.5 Các kết mô lực điện từ hƣớng kính hƣớng trục cuộn cao áp hạ áp 53 3.5.1 Kết mô 53 3.5.2 Nhận xét kết mô 55 v 3.6 Tính tốn ứng suất kiểm tra độ bền dây quấn sử dụng chuỗi phần mềm ANSYS 57 3.6.1 Quy trình phân tích chuỗi phần mềm Ansys 57 3.6.2 Kết phân tích ứng suất dây quấn với công cụ Mechanical 58 3.7 Kết luận chƣơng 60 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 PHỤ LỤC 63 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Kí hiệu / Viết tắt Đơn vị Ý nghĩa ρ µΩcm f Hz Tần số u V Điện áp tức thời U V Điện áp hiệu dụng Uđm V Điện áp hiệu dụng định mức Điện trở suất Điện áp ngắn mạch phần trăm u% X  Điện kháng tản dây quấn Xn  Điện kháng tản ngắn mạch dây quấn  rad Tần số góc dịng điện R  Điện trở dây quấn Rn  Điện trở ngắn mạch dây quấn Z  Tổng trở Zn  Tổng trở ngắn mạch Zm  Tổng trở từ hóa I A Dịng điện hiệu dụng In A Dịng điện ngắn mạch hiệu dụng  Wb Từ thơng tức thời Φ Wb Từ thơng hiệu dụng W vịng Số vịng dây dây quấn  Wb.vịng Từ thơng móc vịng vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Viết tắt Tên gọi s.đ.đ Sức điện động k Tỉ số biến áp  Toán tử Napla Δ Toán tử Laplace MBA Máy biến áp VĐH Vơ định hình MBAVĐH HA Hạ áp CA Cao áp 10 DDP Máy biến áp lõi thép vơ định hình Diamend Dot Paper viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Bảng kết dòng điện ngắn mạch cực đại 30 Bảng 3.1 Các giá trị thông số điện MBA VĐH 43 Bảng 3.2 Bảng kích thước mạch từ cuộn dây MBA 44 Bảng 3.3 So sánh giá trị trung bình mơ thực tế 51 Bảng 3.4 So sánh dòng điện ngắn mạch HA với dòng điện định mức HA sau: 52 Bảng 3.5 Bảng kết phân bố Lực điện từ có giá trị lớn Fxy 56 59 Hình 3.27 Lực điện từ Fxy nhập từ Maxwell Chúng ta phân tích kết thu ứng suất dây quấn đồng HA Hình 3.28 Hình 3.28 Kết phân tích ứng suất Từ kết phân tích Hình 3.28, cho thấy ứng suất lớn dây dẫn 16.47 Mpa Như kết phân tích ta nhận thấy với ứng suất lớn 16.5 MPa kết cấu dây dẫn nhỏ tiêu chuẩn an toàn vật liệu đồng nhiều [σ]=100Mpa = 100 N/mm2 Do vậy, phương án nghiên cứu tối ưu tìm số lượng gá phù hợp nhỏ đảm bảo độ bền Mục đích ta tiến hành tối giảm số gá khung dây xuống để cải thiện đặc tính làm mát cho hệ 60 3.7 Kết luận chƣơng Trong chương này, luận văn áp dụng MBA pha VĐH có cơng suất 400 kVA – 22/0,4kV; tính tốn dịng điện ngắn mạch lớn thời điểm t =34ms, kết từ trường tản, lực điện từ lớn tác dụng lên cuộn dây HA CA bị cố ngắn mạch pha Tiếp đó, kết phân bố lực điện từ lớn sử dụng trở thành liệu đầu vào cho công cụ Mechanical để phân tích ứng suất dây quấn Kết phân tích ứng suất lớn 16.5 MPa kết cấu dây dẫn nhỏ tiêu chuẩn an toàn vật liệu đồng nhiều [σ]=100Mpa = 100 N/mm2 Trong trạng thái ngắn mạch dây dẫn MBA đảm bảo độ bền học chưa bị phá huỷ lực điện từ 61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận A) Những vấn đề luận văn nghiên cứu giải là: (1) Luận văn tìm hiểu vật liệu VĐH, công nghệ phương pháp sản xuất vật liệu VĐH, ưu điểm MBA lõi thép VĐH sử dụng vật liệu VĐH làm mạch từ cho MBA làm giảm tổn hao khơng tải đến 60% -70% so với thép silic loại tốt (2) Luận văn phân tích cơng thức tính tốn dịng điện ngắn mạch cực đại cuộn dây HA CA MBA VĐH có cơng suất 400kVA Tiếp theo trình bày tính tốn từ tản, lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA trường hợp ngắn mạch sinh dòng điện ngắn mạch lớn ngắn mạch ba pha đối xứng bên phía HA Từ đó, lực điện từ sinh lớn chu kì đầu tiên, thời điểm nguy hiểm làm phá hủy dây quấn MBA (3) Luận văn, sử dụng phương pháp PTHH chuỗi phần mềm ANSYS, áp dụng MBA pha lõi thép VĐH với cơng suất 400 kVA – 22/0,4 kV, phân tích, tính tốn kết sau: - Dịng điện ngắn mạch cực đại cuộn dây CA HA lớn gấp 27,8 lần biên độ dòng điện định mức - Kết phân bố lực điện từ hướng kính Fx; hướng trục Fy lực tổng Fxy cuộn HA CA - Phân tích ứng suất dây quấn với công cụ Mechanical; kết ứng suất lớn 16,5 MPa kết cấu dây dẫn nhỏ tiêu chuẩn an toàn vật liệu đồng Từ đó, đưa khuyến cáo sản xuất vận hành MBA dây dẫn MBA đảm bảo an tồn độ bền học; giảm số gá khung dây xuống để cải thiện đặc tính làm mát cho hệ 62 B) Kiến nghị: Định hướng nghiên cứu đề tài: - Mở rộng tốn cho mơ hình máy biến áp công suất lớn với kiểu quấn dây - Phân tích ảnh hưởng nhiệt độ tới đặc tính điện từ, học hệ 63 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Vũ Gia Hanh – Phan Tử Thụ - Trần Khánh Hà - Nguyễn Văn Sáu (2009) “Máy điện I,” Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, p 2009 Phạm Văn Bình - Lê Văn Doanh (2011) “Máy biến áp – lý thuyết – vận hành – bảo dưỡng – thử nghiệm,” Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, vol 2, pp 1– 619 Tiêu chuẩn Việt Nam - TCVN 6306-5: 2006 (IEC 60076-5: 2006) (2006) “Máy biến áp điện lực, Phần 5: Khả chịu ngắn mạch,” p Hà Nội, 2006 Đồn Thanh Bảo, Phạm Văn Bình, Huỳnh Đức Hồn, Đỗ Chí Phi (2012), Sử dụng điện tiết kiệm hiệu với máy biến áp vơ định hình, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ trường Đại học Kỹ thuật, ISSN 0868 -3980, số 91, trang 18-22 Nguyễn Hồng Nghị - Phạm Văn Bình (2009) “Sử dụng vật liệu từ tiên tiến để chế tạo lõi biến - Xu giới khả nước ta,” vol 5, pp 1–33 Đoàn Thanh Bảo, Đỗ Chí Phi, Huỳnh Đức Hồn, Phạm Văn Bình, Phạm Hùng Phi (2015), Phân tích lực điện từ ngắn mạch tác dụng lên dây quấn máy biến áp lõi thép vơ định hình phương pháp phần tử hữu hạn, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ trường Đại học Kỹ thuật, ISSN 2354-1083, số 108, trang 12-18 Đặng Văn Đào - Lê Văn Doanh (2001) “Các phương pháp đại nghiên cứu tính tốn thiết kế kỹ thuật điện,” Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, pp 1–291 ABB (2012) “Short Circuit withstand capability,” Transformer for reliable power quality, pp 1–58 Hitachi industrial Equiqment systems Co.Ltd (2005) “Hitachi Amorphous Transformers,” http://www.hitachi-ies.co.jp/english/, pp 1–10 64 10 Materials Magic - Hitachi Metals (2014) “Amorphous Alloys for Transformer Cores,” Metglas, Inc 11 Steinmetz Thorsten, Bogdan Cranganu-Cretu, Jasmin Smajic (2010) “Investigations of no-load and load losses in amorphous core dry-type transformers,” The XIX International Conference on Electrical Machines ICEM 2010, pp 1–6 12 Hyun Mo Ahn - Byuk-jin Lee - Cheri-jin Kim - Heung-kyo Shin - Sung-chin Hahn (2012) “Finite Element Modeling of Power Transformer for Short-circuit Electromagnetic Force Analysis,” International conference on Electrical Machines and Systems, vol 15, pp 5–8 13 Hyun-mo Ahn - Yeon-ho Oh, - Joong-kyoung Kim - Jae-sung Song - Sungchin Hahn (2012) “Experimental Verification and Finite Element Analysis of Short-Circuit Electromagnetic Force for Dry-Type Transformer,” IEEE Transactions on Magnetics, vol 48, no 2, pp 819–822, February 14 J Y Lee - H.M Ahn -J K Kim, - Y H.Oh - S C Hahn (2009) “Finite element analysis of short circuit electromagnetic force in power transformer,” 2009 International Conference on Electrical Machines and Systems, no 4, pp 1–4 15 Haifeng Zhong – WenhaoNiu - Tao Lin - Dong Han - Guo qiang Zhang (2012) “The Analysis of Short-Circuit Withstanding Ability for A 800KVA/10KV Shell-Form Power Transformer with Amorphous Alloy Cores,” 2012 IEEE International Conference on Electricity Distribution (CICED), no 2161–7481, pp 1–5 16 Madin A B., J D Whitaker, Associate Member (1963) “The dynamic behaviour of a transformer winding under axial short-circuit forces An experimental and theoretical investigation,” vol 110, no 17 Mahomed Nadim (2011) “Electromagnetic forces in transformers under short circuit conditions,” no March, p 36 65 18 Faiz Jawad, B M Ebrahimi, Wejdan Abu-Elhaija (2011) “Computation of static and dynamic axial and radial forces on power transformer windings due to inrush and short circuit currents,” 2011 IEEE Jordan Conference on Applied Electrical Engineering and Computing Technologies (AEECT), pp 1–8 19 http://www.hitachimerica.us/products/business/transformer/support/technical_support_library/ind ex 20 ANSYS Inc, “ANSYS 3D V19,” ansysinfo@ansys.com, vol 19, no REV5.0, pp 1–1011, 2019 66 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Đƣờng cong từ hóa B(H) thép VĐH 2605SA1 H A/m 0,0 0,5 0,9 1,3 1,6 1,8 1,9 1,9 2,0 2,0 2,0 2,0 2,1 2,1 2,1 2,1 2,1 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,3 2,3 2,3 2,3 2,4 2,4 2,4 2,5 B Tesla 0,000 0,111 0,259 0,424 0,576 0,689 0,758 0,795 0,814 0,829 0,844 0,858 0,873 0,887 0,901 0,915 0,927 0,939 0,949 0,959 0,969 0,980 0,991 1,002 1,013 1,025 1,037 1,048 1,059 1,070 1,080 1,090 Mur 150000 191957 231430 265934 292986 310920 321359 326743 329512 331711 333785 335783 337753 339727 341665 343510 345205 346713 348068 349607 351246 352939 354593 356104 357366 358277 358725 358601 357808 356310 354283 351944 3,9 4,0 4,1 4,3 4,4 4,5 4,6 4,8 4,9 5,0 5,2 5,3 5,5 5,6 5,8 6,0 6,2 6,4 6,7 6,9 7,2 7,4 7,7 7,9 8,2 8,5 8,8 9,1 9,4 9,7 10,1 10,4 1,273 1,280 1,286 1,292 1,297 1,302 1,306 1,311 1,315 1,321 1,326 1,332 1,338 1,344 1,350 1,356 1,362 1,368 1,373 1,378 1,383 1,387 1,391 1,394 1,397 1,400 1,403 1,406 1,409 1,412 1,415 1,418 260499 254045 247466 241014 234887 229196 223864 218792 213899 209119 204385 199636 194825 189915 184890 179742 174470 169104 163755 158532 153514 148740 144164 139731 135402 131152 126996 122951 119031 115246 111601 108095 67 2,5 2,5 2,6 2,6 2,7 2,7 2,8 2,9 2,9 3,0 3,1 3,1 3,2 3,3 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 3,8 1,100 1,110 1,119 1,129 1,138 1,148 1,158 1,167 1,176 1,185 1,194 1,202 1,210 1,219 1,227 1,235 1,243 1,251 1,259 1,266 349495 347048 344415 341353 337652 333222 328345 323351 318526 314043 309793 305619 301384 296990 292418 287669 282749 277645 272283 266585 10,8 11,1 11,5 13,9 14,5 15,1 22,0 27,6 30,4 31,9 57,2 59,8 62,5 82,8 87,6 96,8 112,8 137,1 168,2 203,8 1,420 1,421 1,423 1,430 1,431 1,432 1,442 1,447 1,449 1,450 1,461 1,462 1,463 1,468 1,468 1,468 1,468 1,468 1,468 1,468 104726 101475 98281 81994 78764 75610 52274 41702 37978 36209 20332 19460 18642 14102 13338 12068 10357 8522 6946 5732 68 Phụ lục 2: Bản vẽ thiết kế máy biến áp lõi thép vơ định hình, công suất 400kVA 22/0,4kV PHIẾU THỬ NGHIỆM XUẤT XƯỞNG MÁY BIẾN ÁP Công suất: 400 kVA Số máy: Điện áp: 22 / 0.4 kV Dòng điện: 10.50 / 577.4 A Số nấc điều chỉnh: Tổ đấu dây: Dyn-11 Phần trăm điều chỉnh: ± x 2.5 % Dầu: Kixx Trans I Năm sản xuất: 2022 Tần số: 50 Hz Số pha: TỶ SỐ MÁY BIẾN ÁP ĐIỆN TRỞ CÁCH ĐIỆN Nấc Nấc Nấc Nấc Nấc Nấc Điện áp thử : 2500 V Điện áp (V) 23100 R60/R15 Vị trí đo R60(MΩ) 22550 22000 21450 20900 10200 1.72 Tỷ số Cao- vỏ 57.750 56.375 55.000 53.625 52.250 7250 1.84 Hạ- vỏ Pha A 57.743 56.365 54.985 53.610 52.234 14200 2.21 Cao- Hạ Pha B 57.744 56.367 54.987 53.614 52.236 Kết Pha C 57.747 56.367 54.987 53.611 52.236 Đạt Luận % 0.01 0.02 0.03 0.03 0.03 ĐO ĐIỆN TRỞ MỘT CHIỀU CUỘN DÂY Nhiệt độ : 34 °C Cao (Ω) Hạ (mΩ) Pha Kết luận 0.4 kV Nấc Nấc Nấc Nấc Nấc AB 10.23 9.969 9.701 9.435 9.166 Rab 2.983 BC 10.23 9.971 9.703 9.437 9.168 Rbc 2.981 Đạt CA 10.23 9.972 9.705 9.436 9.166 Rca 3.002 % 0.00 0.03 0.04 0.02 0.02 % 0.70 TỔN THẤT VÀ DỊNG ĐIỆN KHƠNG TẢI Điện áp thử (V) Dịng điện khơng tải (A) Io (%) Tổn hao không tải (W) 400 1.02 1.09 0.18 125 Ia Ic Po TỔN THẤT CĨ TẢI VÀ DỊNG ĐIỆN NGẮN MẠCH QUY VỀ 75°C Dòng điện ngắn mạch (A) Uk (%) Pk (W) Điện áp thử (V) Pk75 (W) 731 7.94 7.92 4.40 3323 3766 Ia Ic THỬ CÁCH ĐIỆN CẢM ỨNG (1 Phút) : 7.THỬ ĐIỆN ÁP TĂNG CAO (1 phút) Kết luận Tần số 100 Hz Kết luận Tần số 50 Hz U đm (V) 400 Cao áp (kV) 50 Đạt Đạt U thử (V) 800 Hạ áp (kV) THỬ ĐIỆN ÁP ĐÁNH THỦNG DẦU VÀ KIỂM TRA ĐỘ KÍN Khoảng cách điện cực (mm): 2.5 Điện áp đánh thủng (kV): 72 Áp lực thử nghiệm (at): 0.3 Thời gian trì áp lực (giờ): TRỌNG LƯỢNG (kg) VÀ KÍCH THƯỚC MÁY (mm) Trọng lượng dầu 359 Trọng lượng ruột 1309 Trọng lượng tổng 1918 Chiều dài 1470 Chiều rộng 970 Chiều cao 1350 Bánh xe 670 A 80 Dnc Khoảng cách Cao-Hạ Nẹp Nẹp H A Lớp Lớp Lớp 1 1709 48 H 48 Cách điện lớp Yêu Cầu Kỹ Thuật : 48 - Đo điện trở bối dây trước lắp ráp - Cuộn dây chuẩn kích thước , đảm bảo chặt chẽ không bị nở mức cho phép - Độ nở cho phép