Nghiên cứu tính toán từ trường tản trong cuộn kháng điện bằng phương pháp phần tử hữu hạn

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu tính tốn từ trường tản cuộn kháng điện, phương pháp phần tử hữu hạn Phan Hoài Nam Ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Đặng Quốc Vương TS Phạm Minh Tú Trường: Điện – Điện tử HÀ NỘI Lời cảm ơn Tôi muốn cám ơn thầy PGS.TS Đặng Quốc Vương, TS Phạm Minh Tú, KS Trương Cơng Trình giúp đỡ tơi thời gian tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Tơi muốn cám ơn gia đình thành viên nghiên cứu trung tâm kỹ thuật điện khuyến khích hỗ trợ tơi suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận văn tốt nghiệp Lời cam đoan Tôi cam đoan kết nghiên cứu luận văn thân Đây sản phẩm dựa nghiên cứu lý thuyết trải nghiệm trình phân tích tốn, mơ hình cuộn kháng bù ngang với hướng dẫn giảng viên PGS.TS Đặng Quốc Vương, TS Phạm Minh Tú Hà Nội, ngày tháng năm 2023 NGƯỜI HƯỚNG DẪN Người cam đoan PGS.TS Đặng Quốc Vương Phan Hồi Nam Tóm tắt nội dung luận văn Luận văn trình bày nghiên cứu tính tốn từ trường tản cuộn kháng điện, phương pháp phần tử hữu hạn Hệ thống truyền tải điện cao áp thường có chiều dài đường dây tương đối dài , nên không tải non tải, lượng điện dung ký sinh dọc tuyến đường dây, đặc biệt với đường dây dài có giá trị lớn làm tăng công suất phản kháng đường dây, gây áp cuối đường dây Do người ta lắp đặt cuộn kháng bù ngang cuối đường dây Cấu trúc cuộn kháng bù ngang tương tự máy biến áp cấu trúc mạch từ, dây quấn Tuy nhiên cuộn kháng bù ngang dây quấn thứ cấp, tồn dịng điện chạy cuộn dây dịng từ hóa, dẫn đến sức từ động lớn, từ thông lớn nên mật độ từ thơng lớn dễ bị bão hịa Như cần thiết thêm khe hở khơng khí trụ Khi bổ sung khe hở trụ xuất từ thông tản vùng khe hở khơng khí, lượng từ thơng làm giảm công suất phản kháng cuộn kháng Luận văn thực nghiên cứu lý thuyết từ trường vùng khe hở khơng khí lõi thép đưa tính tốn giải tích Sau áp dụng phương pháp giải tích để xác định thông số điện từ CKBN Tiếp theo, áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phân bố điện áp dòng điện cuộn dây, điện cảm, từ trường mạch từ vùng khe hở khơng khí CKBN Cuối cùng, xây dựng phần mềm tính tốn thơng số CKBN dựa cơng cụ Microsoft visual Nghiên cứu phát triển phương pháp giải tích phương pháp phần tử hữu hạn để tính tốn điện cảm tản, phân bố từ trường vùng khe hở khơng khí CKBN Trên sở đó, giúp cho nhà sản xuất lựa chọn số khe hở khơng khí tối ưu Các kết đạt có khả giúp cho nhà nghiên cứu, thiết kế, hãng chế tạo cải thiện độ xác tính tốn thơng số kích thước CKBN cho dải công suất điện áp lưới điện Trong hướng nghiên cứu luận văn, tác giả nghiên cứu: Sự ảnh hưởng ngăn cách lên khối trụ; ảnh hưởng việc vát góc khối trụ đến từ giá trị từ thông tản HỌC VIÊN Ký, ghi rõ họ tên Phan Hoài Nam MỤC LỤC MỞ ĐẦU 11 Lý chọn đề tài 11 Mục tiêu đề tài: 12 Phương pháp nghiên cứu: 12 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài: 12 Đối tượng nghiên cứu: 13 Phạm vi nghiên cứu: 13 Cấu trúc luận văn: 13 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CUỘN KHÁNG BÙ NGANG 15 1.1 Khái niệm cuộn kháng bù ngang 15 1.2 Phân loại cuộn kháng: 17 1.3 Vai trò cuộn kháng bù ngang hệ thống điện 19 1.4 Thông số kỹ thuật CKBN 20 1.5 Tình hình nghiên cứu CKBN nước CKBN 21 1.5.1 Tình hình nghiên cứu nước 21 1.5.2 Tình hình nghiên cứu nước 21 1.5.3 Đề xuất hướng nghiên cứu 22 CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN CÁC THƠNG SỐ ĐIỆN TỪ CỦA 24 CUỘN KHÁNG BÙ NGANG 24 2.1 Cơ sở lý thuyết 24 2.2 Xác định thông số CKBN phương pháp giải tích 26 2.2.1 Mơ hình mạch từ tương đương CKBN 26 2.2.2 Xác định thành phần từ trở CKBN 27 a Phương pháp Roters: 29 b Phương pháp dùng công thức kinh nghiệm 29 c Phương pháp tính từ dẫn cách vẽ từ trường 34 d Phép biến đổi Schwarz – Christoffel 35 2.3 Tính tốn thơng số kích thước CKBN 38 2.3.1 Xác định từ thông tản khối lõi trụ 41 2.3.2 Xác định từ thông tản đoạn lõi gần gông 43 2.4 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 45 2.4.1 Hệ phương trình Maxwell 45 2.4.2 Điều kiện biên 47 CHƯƠNG : MÔ PHỎNG CUỘN KHÁNG BÙ NGANG XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA TỪ TRƯỜNG TẢN VÙNG KHE HỞ 49 Tài liệu tham khảo 78 Phụ lục A 80 Phụ lục B 89 CÁC KÝ HIỆU CÓ TRONG BÀI F Sức từ động nam châm Q Công suất phản kháng U Điện áp I Dòng điện Ltot Điện cảm tổng Lleak Điện cảm rị Lmain Điện cảm Bm Điện cảm sơ Vg Thể tích khe hở khơng khí μo Độ từ thẩm khe hở khơng khí N Số vòng dây Acu Tổng tiết diện đồng Aw Tổng tiết diện thực đồng Hd Chiều cao dây quấn Wd Chiều dày dây quấn Ds Đường kính trụ bwc Khoảng cách khe hở khơng khí từ lõi thép đến dây quấn Hs Chiều cao trụ Dg Chiều dày gông Ag Tiết diện gông Hg Chiều cao gông Lg Chiều dài gơng Vs Thể tích trụ Vg Thể tích gơng Lfringing Điện cảm tản Wm Năng lượng wm Mật độ lượng H Cường độ từ thông DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1- Nhu cầu tiêu thụ công suất phản kháng từ năm 2025 đến 2035 16 Bảng 1- Các CKBN lắp đặt lưới điện 500kV Việt Nam 16 Bảng 2- Bảng thơng số cuộn kháng tính tốn 44 Bảng 3- Các thông số cuộn kháng FEM 50 Bảng 3- Mật độ từ thông tối đa đoạn Y1Y2 từ đến 12 khe hở khơng khí 72 Bảng 3- Giá trị điện cảm theo số khe hở trụ 73 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1- Lưới điện 500kV giai đoạn 2020 – 2030, tầm nhìn 2045 15 Hình 1- Phân loại cuộn kháng bù ngang 17 Hình 1- Cuộn kháng khơ lõi khơng khí hãng Hilkar 18 Hình 1- Cuộn kháng ba pha ngâm dầu hãng Siemens 19 Hình 1- Cuộn kháng bù ngang hãng ABB 19 Hình 2- (a) Mạch điện hình π đường dây khơng tải (b) Biều đồ pha 24 Hình 2- Thơng số kích thước CKBN 26 Hình 2- Sơ đồ mạch từ tương đương cuộn kháng bù ngang 27 Hình 2- (a) cuộn kháng pha (b) cuộn kháng ba pha ba trụ (c) cuộn kháng ba pha năm trụ (8) 29 Hình 2- 5: Phương pháp vẽ từ trường 35 Hình 2- Mơ hình cho tính tốn điện cảm điện dung 36 Hình 2- Lưu đồ tính tốn giải tích 39 Hình 2- Thành phần từ dẫn tản 41 Hình 2- Thành phần từ dẫn tản khối trụ gần gơng khe hở 43 Hình 2- 10 Q trình giải tốn phương pháp PTHH 45 Hình 2- 11 Phân tích lưới phần mềm Ansys Maxwell 48 Hình 3- Mơ hình 3D CKBN 51 Hình 3- Điện áp đặt vào dây quấn CKBN 16MVar 51 Hình 3- Dòng điện dây quấn CKBN 16MVar 52 Hình 3- Phân bố từ cảm mạch từ 52 Hình 3- Các giá trị điện cảm 53 Hình 3- Vị trí xét phân bố từ thơng CKBN khe hở khơng khí 53 Hình 3- Sự phân bố mật độ từ cảm khe hở không khối trụ trục T1T2 T3T4 khe hở khơng khí 54 Hình 3- Sự phân bố mật độ từ cảm khe hở không khối trụ trục 54 Hình 3- Sự phân bố mật độ từ cảm khe hở không khối trụ trục Y1Y2 M1M2 khe hở khơng khí 55 Hình 3- 10 Sự phân bố lực điện từ bề mặt khối trụ trục K1K2 khe hở khơng khí 56 Hình 3- 11 Vị trí xét phân bố từ thơng CKBN khe hở khơng khí 56 Hình 3- 12 Sự phân bố mật độ từ cảm khe hở không khối trụ trục T1T2, T3T4, T5T6 T7T8 khe hở khơng khí 57 Hình 3- 13 Sự phân bố mật độ từ cảm khe hở không khối trụ trục Y1Y2 M1M2 khe hở khơng khí 58 Hình 3- 14 Sự phân bố lực điện từ bề mặt khối trụ trục K1K2 khe hở khơng khí 59 Hình 3- 15 Vị trí xét phân bố từ thơng CKBN khe hở khơng khí 60 Hình 3- 16 Sự phân bố mật độ từ cảm khe hở không khối trụ trục T1T2, T3T4, T5T6 T7T8 khe hở khơng khí 61 Hình 3- 17 Sự phân bố mật độ từ cảm khe hở không khối trụ trục Y1Y2 M1M2 khe hở không khí 61 Hình 3- 18 Sự phân bố lực điện từ bề mặt khối trụ trục K1K2 khe hở khơng khí 63 Hình 3- 19 Vị trí xét phân bố từ thông CKBN khe hở khơng khí 63 Hình 3- 20 Sự phân bố mật độ từ cảm khe hở không khối trụ trục T1T2, T3T4, T5T6 T7T8 khe hở khơng khí 64 Hình 3- 21 Sự phân bố mật độ từ cảm khe hở không khối trụ trục Y1Y2 M1M2 khe hở khơng khí 65 Hình 3- 22 Sự phân bố lực điện từ bề mặt khối trụ trục K1K2 khe hở không khí 66 Hình 3- 23 Vị trí xét phân bố từ thông CKBN khe hở không khí 67 Hình 3- 24 Sự phân bố mật độ từ cảm khe hở không khối trụ trục T1T2, T3T4, T5T6 T7T8 khe hở khơng khí 68 Hình 3- 32 Mối quan hệ Lrate với số lượng khe hở trụ Hình trình bày giá trị điện cảm theo số khe hở khơng khí, ta tăng số lượng khe hở khơng khí tỉ lệ giá trị điện cảm giảm Như kết đạt đến khe hở khơng khí giá trị tỉ lệ điện cảm bắt đầu không thay đổi nhiều chênh lệch khoảng 5% đảm bảo sai số theo tiêu thuẩn cho phép (5) Bên cạnh lực điện từ khe hở khơng khí trở khơng thay đổi nhiều, để đảm bảo độ bền cho khối trụ, đặc biệt ngăn cách khối trụ nên tác giả chọn thiết kế theo số khe hở để phù hợp với công nghệ sản xuất Kết luận chương 3: Nội dung chương thực đánh giá ảnh hưởng mật độ từ thông, lực điện từ vùng khe hở không khí Qua phân tích mật độ từ thơng, lực điện từ, điện cảm từ đến 29 khe hở khơng khí giúp cho nhà chế tạo, thiết kế lựa chọn mật độ từ cảm mạch từ vật liệu cho ngăn cách, lựa chọn số lượng khe hở khơng khí hiệu 75 Kết luận chương: Toàn nội dung luận văn tác giả thực chương Tác giả áp dụng phát triển phương pháp giải tích FEM để tính tốn mơ thơng số điện từ CKBN Các kết đạt luận văn tóm lược sau: Đầu tiên nghiên cứu đưa phương pháp tính tốn điện cảm tản - Xác định số lượng khe hở khơng khí tối ưu theo tỉ lệ điện cảm tổng điện cảm khe hở khơng khí - Xác định phân bố mật độ từ cảm phân khe hở khơng khí dọc theo cuộn cuộn dây khối trụ; - Xác định phân bố lực điện từ tác động lên bề mặt khối trụ ứng với số lượng khe hở khơng khí khác nhau; - Xác định giá trị điện cảm theo khe hở khơng khí quan hệ giá trị điện cảm số lượng khe hở khơng khí - Nghiên cứu đưa phần mềm tính tốn thiết kế tối ưu tự động giúp xác định số lượng khe hở trụ theo công suất điện áp, đưa thông số tối ưu để giảm từ trường tản, điện cảm tản điện cảm tổng qua đạt công suất phản kháng CKBN Các kết đạt kết tham khảo, nhằm giúp cho nhà nghiên cứu sản xuất lựa chọn vật liệu cách điện phù hợp cho CKBN Hướng nghiên cứu tiếp theo: Trong hướng nghiên cứu luận văn, tác giả nghiên cứu: - Sự ảnh hưởng ngăn cách lên khối trụ; - Sự ảnh hưởng việc vát góc khối trụ đến từ giá trị từ thơng tản 76 Các cơng trình khoa học cơng bố [1] T P Minh, Hung B Duc, Nam P Hoai, Trinh Tr Cong, Minh B Cong, Bao D Thanh, Vuong D Quoc (2021) “Finite Element Modeling of Shunt Reactors Used in High Voltage Power Systems”, Engineering, Technology & Applied Science Research 11, (Aug 2021), 7411–7416 Doi: https://doi.org/10.48084/etasr.4271 [2] Phạm Minh Tú, Bùi Đức Hùng, Đặng Chí Dũng, Phùng Anh Tuấn, Phan Hồi Nam, Trương Cơng Trình, Đặng Quốc Vương (2021) “Tính tốn mơ cuộn kháng bù ngang phương pháp giải tích phương pháp phần tử hữu hạn - ứng dụng lưới điện cao áp siêu cao áp” Tạp chí Nghiên cứu Khoa Học công nghệ quân (JMST) năm 2021, ISSN:1859 -1043, số 74 - tháng 8/2021, trang 36-43 [3] V D Quoc , H B Duc, T P Minh, D B Minh, N P Hoai An Investigation of Magnetic Field Influence in Underground High Voltage Cable Shields 2022 Engineering, Technology & Applied Science Research 77 Tài liệu tham khảo (1) Deb G Ferranti Effect in Transmission Line Int J Electr Comput Eng 2012;2(4):447–51 (2) Sri ADS Depiction and Compensation of Ferranti Effect in Transmission Line Int J Res Appl Sci Eng Technol 2018;6(3):1522–6 (3) Đại NV Nghiên cứu tính chọn thông số cho cuộn kháng bù ngang đường dây 500 kV,2011 (4) Balakrishnan A, Joines WT, Wilson TG Air-gap reluctance and inductance calculations for magnetic circuits using a schwarz-christoffel transformation IEEE Trans Power Electron 1997;12(4):654–63 (5) ISO 7267 International Standard International Standard 61010-1 © Iec2001 2003;2003:13 (6) Hu J, Yuan P, Li X, Liu Y Analysis on the Necessity of High-Voltage Shunt Reactors in Power Grid 2020 10th Int Conf Power Energy Syst ICPES 2020 2020;83–7 (7) Lê Thành Chung Nghiên cứu chế độ vận hành kháng bù ngang đường dây 500kV Việt Nam,2014 (8) Phạm Minh Tú Nghiên cứu trình điện từ cuộn kháng bù ngang lưới điện cao áp,2022 (9) Andrade AF, Alves HMM, Diniz L, Luciano BA Analytical and computational study of the inductance in a power reactor SBSE 2018 7th Brazilian Electr Syst Symp 2018;1–5 (10) Donuk A, Rotaru M, Sykulski JK Defining and computing equivalent inductances of gapped iron core reactors Prz Elektrotechniczny 2012;88(7 B):52–5 (11) Ayachit A, Kazimierczuk MK Sensitivity of effective relative permeability for gapped magnetic cores with fringing effect IET Circuits, Devices Syst 2017;11(3):209–15 (12) Phạm Văn Chới, Bùi Tín Hữu, and Nguyễn Tiến Tơn Khí cụ điện,2008 (13) Taylor and Francis Group PERMANENT MAGNET MOTOR TECHNOLOGY 2010 (14) Pokharel S, Dimitrovski A Analytical Modeling of A Ferromagnetic Core Reactor 51st North Am Power Symp NAPS 2019 2019; (15) Ansoft Online Technical Support [Internet] Available from: 78 https://ansyshelp.ansys.com/account/secured?returnurl=/Views/Secured/ main_page.html 79 Phụ lục A Xây dựng phần mềm thiết kế cuộn kháng bù ngang cao áp Private Sub Command1_Click() If 16000