Một số giải pháp chống quá điện áp trong máy biến áp truyền tải

 Nội dung luận văn: Gồm 3 chương  Chương 1: Tổng quan nghiên cứu  Chương 2: Xây dựng mô hình dây quấn đan xen  Chương 3: Tính toán phân bố điện áp trong bối dây quấn đan xen  Lời c

Trang 1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn “Một số giải pháp chống quá điện áp trong máy biến áp truyền tải” là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép của ai Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các cuốn sách, tạp phẩm, tạp chí và các website theo danh mục tài liệu của luận văn

Trang 2

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

MỞ ĐẦU 6

 Tính cấp thiết của đề tài 6

 Ý nghĩa khoa học – thực tiễn 7

 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 8

 Những thuận lợi và khó khăn 8

 Nội dung luận văn 9

 Lời cảm ơn 9

Chương 1 – TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 10

1.1 Các dạng quá điện áp trong máy biến áp 10

1.1.1 Quá điện áp khí quyển 10

1.1.2 Quá điện áp nội bộ 13

1.1.2.1 Quá điện áp xoay chiều 15

1.1.2.2 Cộng hưởng điện áp 17

1.2 Phóng điện trong dầu máy biến áp 17

1.2.1 Định nghĩa 17

1.2.2 Cơ chế phóng điện 18

1.2.3 Phóng điện trong dầu máy biến áp 18

1.3 Một số phương pháp chống quá điện áp 19

1.3.1 Sử dụng chấu phóng điện 19

1.3.2 Sử dụng chống sét van 20

1.3.3 Sử dụng vành điện dung 22

Kết luận: 24

Chương 2 – XÂY DỰNG MÔ HÌNH DÂY QUẤN ĐAN XEN 25

2.1 Phân bố điện áp ban đầu 25

Trang 3

2.2 Mô hình dây quấn đan xen 30

2.3 Các thông số cơ bản để tính toán phân bố điện áp ban đầu 33

2.3.1 Điện dung song song (điện dung đối với đất) 33

2.3.2 Điện dung nối tiếp trong dây quấn xoắn ốc liên tục 35

2.3.3 Điện dung nối tiếp trong dây quấn đan xen 38

2.3.4 Điện cảm 39

Kết luận: 43

Chương 3 – TÍNH TOÁN PHÂN BỐ ĐIỆN ÁP TRONG BỐI DÂY QUẤN ĐAN XEN 44

3.1 Mô hình mạch điện tương đương 44

3.2 Tính toán phân bố điện áp theo phương pháp biến trạng thái 48

3.2.1 Ma trận điện dung 50

3.2.2 Ma trận điện dẫn G 51

3.2.3 Ma trận điện cảm nút nghịch đảo 52

3.2.4 Mô hình biến trạng thái 53

3.2.5 Sử dụng Matlab và Simulink để giải mô hình biến trạng thái 54

3.2.5.1 Tính toán các ma trận 54

3.2.5.2 Xây dựng sơ đồ khối điện áp đầu vào 58

3.2.5.3 Xây dựng sơ đồ khối không gian trạng thái 59

3.2.5.4 Kết quả mô phỏng 60

Kết luận: 75

KẾT LUẬN 76

Tài liệu tham khảo 78

Trang 4

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô phỏng dòng và áp của sét 11

Hình 1.2: Dạng sóng sét 13

Hình 1.3: Tăng điện áp điện dung 16

Hình 1.4: Chấu phóng điện 19

Hình 1.5: Phương pháp xác định đặc tính của chấu phóng điện 19

Hình 1.6: Sơ đồ chống sét van 21

Hình 1.7: Bố trí 1 vành điện dung trong bối dây 23

Hình 1.8: Bố trí 2 vành điện dung trong cuộn dây 23

Hình 2.1: Phân bố điện áp trong bối dây 25

Hình 2.2: Mô hình nghiên cứu phân bố điện áp ban đầu 26

Hình 2.3: Phân bố dòng điện dung của dây quấn một lớp 27

Hình 2.4: Sơ đồ thay thế điện dung 28

Hình 2.5: Phân bố điện áp ban đầu 29

Hình 2.6: Một cặp gallet dây quấn kiểu xoắn ốc 31

Hình 2.7: Mặt cắt dọc trục dây quấn kiểu xoắn ốc liên tục 31

Hình 2.8: Một cặp gallet dây quấn kiểu đan xen 32

Hình 2.9: Mặt cắt dọc trục dây quấn kiểu đan xen 32

Hình 2.10: Mặt cắt dọc trục dây quấn đan xen 2 sợi chập 33

Hình 2.11: Mặt cắt bối dây trong cùng và lõi thép 34

Hình 2.12: Điện dung giữa hai bánh dây 36

Hình 2.13: Một cặp bánh dây kiểu quấn xoắn ốc liên tục, Cv 37

Hình 2.14: Mặt cắt hai vòng dây đồng trục 40

Hình 2.15: Mặt cắt và sơ đồ điện cảm cuộn dây xoắn ốc 3 vòng dây 41

Hình 2.16: Mặt cắt cuộn dây xoắn ốc liên tục gồm 3 bánh dây 42

mỗi bánh dây 3 vòng 42

Hình 3.1: Mô hình mạch máy biến áp 3 cuộn dây 44

Hình 3.2: Mạch điện tương đương của cuộn dây máy biến áp 45

Hình 3.3: Kích thước hình học của bánh dây 46

Hình 3.4: Một nút bất kỳ trong mạch điện tương đương 48

Hình 3.5: Sơ đồ khối tạo điện áp xung sét 59

Hình 3.6: Dạng điện áp đầu ra của khối Xung sét 59

Hình 3.7: Khối không gian trạng thái trong Simulink 59

Hình 3.7: Thiết lập thông số cho khối State-Space 60

Hình 3.8: Sơ đồ khối tổng 61

Hình 3.9: Điện áp nút 1 – dây quấn đan xen – mô phỏng 62

Trang 5

Hình 3.21: Điện áp tại 1 tại các nút - dây quấn đan xen 68

Hình 3.22: Điện áp nút 2 – dây quấn xoắn ốc – mô phỏng 69

Hình 3.33: Điện áp tại 1 tại các nút - dây quấn xoắn ốc 75

Trang 6

MỞ ĐẦU

 Tính cấp thiết của đề tài

Trong 60 năm qua, ngành Điện lực Việt Nam đã phát triển vượt bậc, từ chỗ chỉ có 31,5 MW công suất năm 1954, đến nay tổng công suất lắp đặt của hệ thống điện Quốc gia khoảng 34.000 MW, gấp hơn 1.000 lần! Từ một hệ thống điện nhỏ

bé, lạc hậu và manh mún, sau 60 năm, hệ thống điện Việt Nam đã trở thành hệ thống điện đứng thứ 31 thế giới và thứ 3 trong khu vực Đông Nam Á, với đa dạng các nguồn điện và hệ thống lưới điện siêu cao áp 220kV, 500 kV trải dài đất nước Chỉ trong 20 năm trở lại đây, ngành Điện đã đưa vào vận hành tổng công suất 10.416 MW nguồn điện, tổng công suất của toàn hệ thống điện tới cuối năm 2014 đạt 34.000 MW, có khả năng sản xuất cung cấp cho đất nước tới 160 tỷ kWh/năm

và niềm mong ước của nhiều thế hệ ngành Điện là hệ thống điện có dự phòng công suất đã trở thành hiện thực với mức dự phòng trên 20% từ năm 2013 Hệ thống lưới điện quốc gia đã là một thể thống nhất, vươn tới mọi miền của đất nước với trên 6.000 km đường dây 500 kV, 30.000 km đường dây từ 110 kV-220 kV, hơn 430.000 km lưới phân phối từ 0,4 kV tới 35 kV và hàng trăm nghìn trạm biến áp truyền tải - phân phối Năm 2005, đường dây 500 kV Bắc-Nam mạch 2 hoàn thành

và năm 2013, đường dây 500kV mạch 3 hoàn thành đã tạo nên trục truyền tải siêu cao áp 500 kV Bắc-Nam hoàn thiện gồm 3 mạch với tổng chiều dài gần 4.000 km, kết nối vững chắc hệ thống điện toàn quốc đáp ứng yêu cầu về độ an toàn và tin cậy Lưới điện của Việt Nam cũng đã kết nối với lưới điện các nước láng giềng Trung Quốc, Lào, Campuchia ở các cấp điện áp từ 22 kV tới 220 kV

Trong hệ thống điện lớn mạnh như vậy, máy biến áp là những mắt xích quan trọng nhất Người ta nói rằng, nếu coi đường dây là mạch máu thì máy biến áp giống như trái tim! Hoặc theo cách phân loại tài sản, máy biến áp lực là một trong những đầu tư lớn nhất của ngành điện Những sự cố của máy biến áp, đặc biệt là sự

cố các máy biến áp truyền tải ảnh hưởng đến vận hành của hệ thống điện và việc

Trang 7

cung cấp điện năng cho một vùng rộng tiêu thụ rộng lớn, gây thiệt hại không nhỏ về mặt kinh tế Điều này dẫn đến việc quản lý tình trạng thiết bị và khả năng chống chịu sự cố luôn được ưu tiên

Trong các dạng sự cố máy biến áp, sự cố sinh ra do quá điện áp là dạng sự cố

nặng nề và khó khắc phục, sữa chữa nhất Chính vì vậy việc bảo vệ quá áp cho máy biến áp trở thành một vấn đề cấp thiết nhất, và cũng là đòi hỏi hàng đầu của khách hàng đối với các kỹ sư thiết kế và các nhà cung cấp hiện nay Do đó, tôi chọn đề tài

“Một số giải pháp chống quá điện áp trong máy biến áp truyền tải” nhằm nghiên cứu sâu hơn về một số giải pháp đang sử dụng hiện nay, và đưa ra các giải pháp mới trong việc bảo vệ quá áp cho máy biến áp Đề tài đi sâu vào nghiên cứu giải pháp sử

dụng cách quấn dây đan xen để phân bố lại điện áp ban đầu trên bối dây, từ đó

chống quá điện áp nội bộ trong máy biến áp

Phương pháp quấn dây đan xen (the interleaved disk-type winding) được công

bố trong hai bài báo bởi Chadwick, Ferguson, Ryder, và Stearn vào năm 1950 Họ chỉ ra rằng việc đan xen các vòng dây đã làm tăng điện dung nối tiếp giữa các bánh dây, từ đó phân bố đều điện áp giữa các bánh dây và làm tăng khả năng chịu quá áp Phương pháp quấn dây đan xen đã trở thành phương pháp thiết yếu và sử dụng cho hầu hết các bối dây cao áp (110kV trở lên) trong các máy biến áp truyền tải Tại Tổng công ty thiết bị điện Đông Anh, phương pháp này được đưa vào nghiên cứu

và ứng dụng đầu tiên vào năm 2011 do kỹ sư Hoàng Anh, sau đó được kế thừa và phát triển trở thành một phương pháp quấn dây đặc biệt quan trọng, và đã góp mang lại thành công cho EEMC trong việc giành được chứng chỉ “Thử nghiệm ngắn mạch”

 Ý nghĩa khoa học – thực tiễn

Luận văn đã nghiên cứu sâu về một phương pháp quấn dây có hiệu quả rất lớn trong việc tăng khả năng chống chịu với điện áp cao của cuộn dây máy biến áp Bằng cách mô phỏng bài toán một cách trực quan, kết quả trả về chính xác, luận văn

đã đưa ra một hướng mới trong việc tính toán thiết kế bối dây, và kiểm nghiệm lại khả năng chịu điện áp cao của các bối dây

Trang 8

 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Mục đích: Xác định điện áp trên từng vị trí của bối dây khi chịu xung sét tác động vào đầu cực máy biến áp Xác định được phân bố điện áp trên cuộn dây tại một thời điểm bất kỳ, cụ thể là thời điểm xung sét có giá trị cực đại, từ đó kết luận về tính hiện quả của phương pháp quấn dây đan xen

 Đối tượng: Cuộn dây máy biến áp sử dụng phương pháp quấn dây đan xen và quấn dây xoắn ốc liên tục

 Phạm vi nghiên cứu: Tìm hiểu về quá điện áp và một số phương pháp chống quá điện áp trong máy biến áp truyền tải Nghiên cứu về mô hình dây quấn đan xen, mạch điện tương đương và các tham số của mạch điện Nghiên cứu về cách tính toán phân bố điện áp sử dụng phương pháp biến trạng thái, và mô phỏng quá trình tính toán bằng phần mềm Matlab&Simulink

 Những thuận lợi và khó khăn

 Thuận lợi:

- Về lý thuyết, thừa kế kho tài liệu về MBA là các tài liệu chuyên sâu, đề cập một cách chi tiết và có hệ thống những vấn đề cơ bản

về lý thuyết, công nghệ chế tạo, kinh nghiệm vận hành, bảo dưỡng

và thử nghiệm máy biến áp

- Về thực tiễn, được tiếp xúc trực tiếp với các phương pháp quấn dây trong máy biến áp, cụ thể là phương pháp quấn dây đan xen tại Tổng công ty Thiết bị điện Đông Anh

Trang 9

- Quá trình mô phỏng bằng phần mềm gặp khó khăn do việc xác định các điều kiện biên

 Nội dung luận văn: Gồm 3 chương

 Chương 1: Tổng quan nghiên cứu

 Chương 2: Xây dựng mô hình dây quấn đan xen

 Chương 3: Tính toán phân bố điện áp trong bối dây quấn đan xen

 Lời cảm ơn

Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Văn Bình, các thầy cô trong bộ môn Thiết bị điện – Điện tử, các thầy cô trong khoa Điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, cùng toàn bộ các đồng nghiệp tại Tổng công ty thiết bị điện Đông Anh đã giúp

đỡ em hoàn thành luận văn này

Trang 10

Chương 1 – TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1 Các dạng quá điện áp trong máy biến áp

1.1.1 Quá điện áp khí quyển

Có rất nhiều định nghĩa về quá điện áp khí quyển, tuy nhiên theo các nghiên cứu khoa học được đăng tải trên các cuốn sách và tạp chí gần đây ( [1] trang 307-

308, [7] trang 7-25) các tác giả nhận định rằng quá điện áp khí quyển, hay còn gọi

là sét, thực chất là một dạng phóng điện tia lửa trong không khí với khoảng cách rất lớn Chiều dài trung bình của khe sét khoảng 3÷5 km, phần lớn chiều dài đó phát triển trong các đám mây giông Quá trình phóng điện của sét tương tự như quá trình phóng điện tia lửa trong điện trường rất không đồng nhất với khoảng cách phóng điện lớn Đặc điểm của quá điện áp khí quyển là xảy ra trong khoảng thời gian ngắn (10-6 đến 10-4s), có độ dốc rất lớn (1010

đến 1012 V/s), vì vậy ở cùng một thời điểm ở những vị trí chỉ cách nhau vài mét trên đường dây sự quá áp đã khác nhau nhiều Căn cứ theo vị trí, quá điện áp khí quyển có thể chia làm ba loại:

+ Sét đánh từ xa: Sét đánh từ xa không xảy ra ngay lập tức tại vùng lân cận

của thiết bị đóng cắt Sét đánh từ xa gây ra một sóng lan truyền mà được mô phỏng bởi 1 điện áp xung sét với thời gian đầu sóng là 1,2 µs và thời gian chiều dài sóng là

50 µs Các sóng lan truyền tới thiết bị đóng cắt, và nó được cho rằng giá trị biên độ thấp hơn điện áp phóng điện của cách điện của đường dây trên không Vì thế, sét đánh từ xa không dẫn đến bất cứ một phóng điện nào ở cách điện đường dây ngay lập tức gần nơi thiết bị đóng cắt Biên độ của các sét này (90% giá trị điện áp chịu đựng) được tính toán từ 50% giá trị điện áp phóng điện của cách điện, lấy giá trị độ lệch chuẩn = 0,03 đối với các điện áp xung sét

U90 = U50 *(1+1,3 ) (1)

Ví dụ mô phỏng của việc sét đánh từ xa với biên độ là 1600kV đối với hệ thống 230kV được minh họa trong hình 1.1a

Trang 11

+ Sét đánh vào các cột: Khi sét đánh trực tiếp vào cột làm gia tăng điện thế

của cột và phụ thuộc vào mức điện trở bước và mức cách điện của đường dây trên không, dẫn đến phóng điện ngược lại từ cột tới đường dây Những phóng điện ngược này là do các sóng lan truyền dọc qua các dây dẫn tới thiết bị đóng cắt Mô phỏng của sét đánh này có dạng sóng lõm trong khi tăng với thời gian tới giá trị nữa xấp xĩ 100 µs Đối với biên độ của dòng sét, giá trị lớn nhất là 200kA khi sét đánh vào mức đất sẽ được cho là trường hợp tệ nhất Hình 1.1b mô tả dòng sét với giá trị

là 200kA

Hình 1.1: Mô phỏng dòng và áp của sét + Xung quanh khu vực sét đánh vào các vật dẫn của đường dây trên không: Biên độ dòng của sét mà đánh vào vật dẫn trên đường dây bị ảnh hưởng lớn

của hình dạng của cột và ảnh hưởng của dây chống sét trên không Các cột cao cộng với khoảng cách vật dẫn rộng và góc bảo vệ từ dây chống sét trên không sẽ dẫn tới các dòng sét đánh trực tiếp lên dây dẫn sẽ cao hơn Do đó, biên độ của dòng điện sét cũng được tính như là một hàm của hình dạng cột đối với các đường dây trên không Thông thường, dòng điện sét dao động trong khoảng từ 10kA đến 60kA Tương tự như sét đánh vào cột, dạng sóng lõm cũng xảy ra trong khi tăng, với thời

Trang 12

gian tới giá trị nữa xấp xĩ là 100 µs Một ví dụ của dạng sóng có cường độ dòng là 30kA được mô tả như hình 1.1c

Căn cứ theo đối tượng chịu quá điện áp, có thể phân làm hai loại: quá điện áp của pha – đất và quá điện áp của pha – pha Quá điện áp pha – đất có thể xảy ra ở một, hai hoặc cả ba pha Sự quá áp giữa hai hoặc ba dây dẫn gây nên mất đối xứng điện áp so với đất (ví dụ dọc dây dẫn thứ nhất có sóng dương, dọc dây dẫn thứ hai – cùng dạng nhưng sóng âm) Các dạng khác nhau của sóng sét có ảnh hưởng khác nhau đến dây quấn của máy biến áp

Cũng như bất cứ một kích động điện từ nào vào hệ thống điện (các quá trình đóng cắt bình thường, các trường hợp ngắn mạch, sự cố ) phóng điện sét gây nên sóng điện từ, tỏa ra xung quanh với tốc độ rất lớn, trong không khí tương đương với tốc độ ánh sáng Trường hợp sét đánh trực tiếp vào dây dẫn của đường dây, thì trị số của quá điện áp tùy thuộc vào biên độ của dòng sét có thể lên đến hàng triệu, thậm chí hàng chục triệu Volt Trường hợp sét đánh gần đường dây, gây nên quá điện áp cảm ứng, có biên độ tương đối bé, cao nhất khoảng vài trăm nghìn Volt Sóng quá điện áp xuất hiện trên đường dây truyền đến trạm biến áp sẽ tác dụng lên cách điện của các thiết bị trong trạm

Sóng sét trên đường dây bao giờ cũng có suy giảm, chủ yếu là vầng quang, tổn hao phát nhiệt trên dây dẫn, trên đất và vật liệu cách điện nằm trên đường truyền sóng Suy giảm làm giảm chiều cao đỉnh của sóng sét, giảm độ dốc đầu sóng Với khoảng cách 1,5km từ nơi bị sét đánh độ dốc phần lớn giảm còn lại không vượt quá 500kV/µs Để bảo vệ đường dây và máy biến áp người ta thường dùng chống sét kiểu chấu phóng điện, chúng được đặt ở các khoảng cách 0,5 ÷ 1,5 km dọc đường dây

Dòng điện của sét như Hình 1.2 có dạng một sóng xung Trung bình trong khoảng vài ba micro giây, dòng điện tăng nhanh đến trị số cực đại tạo nên phần đầu sóng và sau đó giảm xuống chầm chậm trong khoảng 20 ÷ 100µs, tạo nên phần đuôi sóng Dạng sóng sét xác định qua các thông số: giá trị đỉnh U, thời gian đầu sóng Tc

Trang 13

(thời gian từ thời điểm xuất hiện tới khi sóng sét đạt cực đại), thời gian thân sóng Tg(thời gian cho đến khi biên độ sóng giảm còn 1/2 biên độ)

Sóng 1/50 được biểu diễn gần đúng như sau:

1.1.2 Quá điện áp nội bộ

Quá điện áp nội bộ xảy ra khi có sự thay đổi chế độ làm việc trong hệ thống điện Sự chuyển từ một chế độ làm việc này sang chế độ làm việc khác gắn liền với

sự phân bố lại năng lượng điện trường và từ trường tích lũy trong các điện dung và điện cảm của mạch, kèm theo quá trình dao động quá độ và gây nên quá điện áp

T h © n

s ã ng

§Ç

sãg

Trang 14

Nguyên nhân trức tiếp làm phát sinh quá điện áp nội bộ có thể là những thao tác đóng cắt các phần tử của hệ thống trong chế độ làm việc bình thường (như đóng cắt một đường dây không tải, cắt một máy biến áp không tải), nhưng cũng có thể là

do bản thân của những tình trạng sự cố khác nhau trong hệ thống điện như chạm đất, ngắn mạch, đứt dây,

Nhóm I: Quá điện áp thao tác

Xảy ra khi đóng cắt các phần tử của hệ thống điện trong chế độ làm việc bình thường và sau sự cố cũng như khi xảy ra chạm đất bằng hồ quang Thuộc nhóm I có:

- Quá điện áp khi cắt phụ tải điện dung như cắt đường dây dài không tải, cắt

Nhóm II: Quá điện áp cộng hưởng

Gây nên bởi những dao động cộng hưởng trong hệ thống

- Quá điện áp cộng hưởng ở tần số làm việc (cộng hưởng điều hòa)

- Quá điện áp cộng hưởng ở tần số cao

- Quá điện áp cộng hưởng ở tần số thấp hơn tần số nguồn

- Quá điện áp cộng hưởng tham số, xảy ra do sự thay đổi chu kỳ tham số của

mạch

Quá điện áp nội bộ được đặc trưng bởi các tham số sau:

Trang 15

- Trị số cực đại, được đặc trưng bởi bội số của biên độ và điện áp pha định mức

- Thời gian duy trì của quá điện áp (thay đổi trong một phạm vi rộng từ một vài trăm micro giấy (quá điện áp thao tác) đến vài trăm giây, thậm chí hàng phút (quá điện áp cộng hưởng)

- Tính lặp lại và mức độ lan truyền: cục bộ trong phần tử sự cố hay lan truyền toàn hệ thống

Nói chung quá điện áp nội bộ có thể duy trì tương đối lâu nên đối với cách điện của trang thiết bị điện nó cũng không kém nguy hiểm so với các xung quá điện

áp khí quyển trong thời gian rất ngắn, đặc biệt đối với cách điện của các hệ thống siêu cao áp (330÷750kV) mà ở đó mức cách điện chỉ vào khoảng 2÷2,5

Quá điện áp nội bộ là những điều kiện mà sự xuất hiện và diễn biến của nó chịu sự chi phối của nhiều yếu tố ngẫu nhiên, nên các thông số của nó mang tính chất thống kê

Phương thức làm việc của điểm trung tính của hệ thống ảnh hưởng đến trị số của quá điện áp nội bộ

Trong lưới có trung tính cách điện, chạm đất một pha trong phần lớn các trường hợp không phá hoại sự làm việc của hệ thống, nhưng điện áp của hai pha không chạm đất tăng lên điện áp dây Quá điện áp nội bộ, do đó, có hệ số bội cao hơn so với trường hợp lưới có trung tính trực tiếp nối đất

Quá điện áp nội bộ có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn mức cách điện đường dây, của trang thiết bị, và cụ thể hơn là của các trạm phân phối Tiếp đây chúng ta sẽ đi sâu hơn vào hai dạng quá điện áp nội bộ cụ thể

1.1.2.1 Quá điện áp xoay chiều

Tăng điện áp lưới điện trong thời gian lâu dài cho phép từ 10 đến 20% Tăng

do dao động điện áp (trong vài giây) có thể 30 đến 35% xảy ra trong trường hợp đặc

Trang 16

biệt (ví dụ đóng tải đầu cuối đường dây dài cấp điện từ nhà máy thủy điện, hoặc xảy

ra ở đường dây dài khi tăng vòng quay của tuabin) Trường hợp đường dây kính sẽ không xảy ra dao động này Tăng điện áp lưới đôi khi không làm hỏng cách điện nhưng làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng cách điện Chọn điện áp định mức của chống sét sao cho không để chống sét làm việc trong trường hợp này

Tăng điện áp do ảnh hưởng điện dung giữa các dây quấn không nối đất Giả sử máy biến áp không tải, dây quấn 2 không nối đất đặt giữa dây quấn 1 và trụ, tạo thành điện dung chia điện áp giữa dây quấn này với đất (Hình 1.3a)

Xét máy biến áp hai dây quấn có tổ nối dây Nếu dây quấn có 1 điện áp định mức nối sao có trung tính cách điện với đất, nếu có một pha chạm đất thì điện áp trọng tâm tam giác điện áp dây so với đất là √ Trọng tâm của tam giác điện áp dây quấn 2 có điện áp so với đất:

√

Trang 17

Nếu dây quấn 2 nối tam giác thì một cực có điện áp lớn hơn lượng bằng (Hình 1.3b) như vậy cách điện phải chịu được:

√ Thí dụ , , , ta có Điện áp ở dây quấn khi có ngắn mạch một pha phía bằng điện áp thí nghiệm

Khắc phục tình trạng nguy hiểm này có thể thực hiện được bằng cách tăng điện dung đầu dây quấn 2 với đất (tăng ), như có thể nối thêm tụ điện, nối cáp các đầu ra của dây quấn, nối đất bất kỳ điểm nào của dây quấn qua điện trở

Lưới dưới 200kV không có trung tính nối đất ít xảy ra cộng hưởng

1.2 Phóng điện trong dầu máy biến áp

1.2.1 Định nghĩa

Phóng điện là hiện tượng đánh thủng điện môi cục bộ của một bộ phận nhỏ trong hệ thống cách điện rắn hoặc lỏng dưới tác động của điện áp cao Trong khi đó phóng điện vầng quang thường được phát hiện bởi sự phát sáng liên tục và tương đối ổn định hoặc phóng điện thoáng qua trong không khí, những hiện tượng phóng điện cục bộ trong một hệ thống cách điện có thể quan sát hoặc không quan sát được thường xuyên bằng mắt, và số lần phóng điện cục bộ trong hệ thống cách điện thường ít xảy ra hơn so với phóng điện vầng quang trong tự nhiên

Trang 18

Tại những khoảng trống chứa đầy khí trong chất điện môi thường xảy ra hiện tượng phóng điện cục bộ, do ở những vị trí này độ bền điện môi yếu Vì vậy cảm ứng điện xuất hiện ở những khoảng trống cao hơn so với các vị trí khác trong điện môi, nếu điện áp cảm ứng này cao hơn điện áp khởi đầu của vầng quang (CIV- Corona inception voltage) thì lúc đó phóng điện cục bộ bắt đầu xảy ra

Khi xảy ra phóng điện cục bộ nó sẽ phá hủy nhanh chóng vật liệu cách điện và cuối cùng dẫn đến phóng điện Phóng điện cục bộ có thể ngăn ngừa thông qua việc thiết kế và lựa chọn vật liệu cách điện Trong tiêu chuẩn thiết bị điện áp cao, chất lượng của cách điện được đánh giá khi sử dụng thiết bị phát hiện phóng điện trong suốt quá trình sản xuất cũng như kiểm tra định kỳ thiết bị điện Sự phòng ngừa và phát hiện phóng điện là cần thiết nhằm mục đích đảm bảo thiết bị điện hoạt động lâu dài, an toàn và tin cậy trong hệ thống điện

1.2.3 Phóng điện trong dầu máy biến áp

Với dầu biến áp ở theo Palmer và Sharply phóng điện phụ thuộc vào thể tích A ( )

( )

(

) Hai công thức trên cho ta tính toán điện áp đánh thủng với điện áp hiệu dụng

và với điện áp xung Dầu biến áp giả định có hằng số điện môi xấp xỉ 2,5

Trang 19

1.3 Một số phương pháp chống quá điện áp

1.3.1 Sử dụng chấu phóng điện

Thiết bị đơn giản nhất có thể giảm độ lớn đỉnh sóng là chấu phóng điện (hình 1.4), được chế tạo bằng hai thanh dẫn tròn, một thanh gắn vào đầu dây ra và thanh còn lại gắn trên mặt máy

Sau khi có phóng điện qua chấu, dòng hồ quang không bị dập tắt mà tồn tại ngắn mạch với đất, làm máy cắt hoặc cầu chì làm việc Loại bảo vệ này chỉ dùng cho phụ tải loại hai, cho phép ngừng cấp điện trong thời gian ngắn, được tự động đóng điện lặp lại Điện áp bảo vệ máy biến áp xác định nhờ so sánh tương quan đặc tính phóng điện của chấu và mặt bằng đặc tính của máy biến áp

Trang 20

Tác giả Phạm Văn Bình ([1]) đã chỉ ra cách xác định đặc tính của chấu phóng điện Lần lượt đặt lên điện cực của chấu phóng điện các xung điện áp a, b, c, d, e có cùng thời gian đầu sóng , thời gian thân sóng , nhưng chúng có điện áp đỉnh theo thứ tự giảm dần Xung có độ dốc lớn nhất (a) bị ngắt ở phần đầu sóng, , tiếp theo là xung bị ngắt (b) ngay ở thời điểm đạt giá trị đỉnh , tiếp đến (c, d)

là các xung bị cắt ở phần thân sóng với thời gian tồn tại là Nếu tiếp tục giảm đỉnh sóng, khả năng có phóng điện không xác định: có thể có phóng điện nhưng rất chậm, hoặc không thể phóng điện, xung (e); tiếp tục giảm nữa, sự phóng điện không xảy ra Như vậy giảm độ dốc đầu sóng là giảm điện áp đỉnh sẽ làm tăng thời gian trễ phóng điện Đường có dạng gần hyperbol gọi là đặc tính phóng điện Giá trị ứng với gọi là mặt bằng của đặc tính phóng điện Để xác định từng điểm của đặc tính, ứng với mỗi độ dốc của xung ta đo nhiều lần và lấy giá trị trung bình thời gian trễ Nếu lấy mặt bằng của đặc tính ứng với , nghĩa là ứng với đỉnh của xung đã cho có một nửa số lần thử có phóng điện Trong thực

tế người ta chọn mặt bằng bảo vệ là mặt bằng bảo vệ là mặt bằng đặc tính ứng với

, nghĩa là giá trị đỉnh nhỏ nhất mà còn có hiện tượng phóng điện 100% số lần thử Đặc tính phóng điện không phải là một đường cong duy nhất mà tương ứng với một dải khá rộng Độ rộng, hẹp của dải phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, độ ẩm không khí (sai số 10%) và ngoài ra còn phụ thuộc vào cực tính của xung (với xung

âm miền này rộng hơn)

1.3.2 Sử dụng chống sét van

Chống sét van được ghép bởi một số chấu phóng điện kết hợp với điện trở phi tuyến (hình 1.6) Để bảo vệ quá điện áp khí quyển, chống sét van được nối với cả ba pha và đất

Hoạt động của chống sét van có thể chia làm ba giai đoạn:

1 Giai đoạn điện áp tăng theo độ dốc của xung sét trên cực của chống sét (cuối cùng bắt đầu có phóng điện ở các chấu)

Trang 21

Hình 1.6: Sơ đồ chống sét van

2 Giai đoạn xuất hiện dòng điện qua chống sét

3 Giai đoạn dòng điện bị cắt, điện áp chỉ còn lại bằng điện áp lưới điện

Giai đoạn đầu tùy thuộc vào đặc tính phóng điện của chấu phóng điện, điện trở phi tuyến chưa có tác dụng Giai đoạn hai chấu phóng điện bị ngắn mạch, điện áp xung đặt hết lên điện trở phi tuyến Giai đoạn ba, điện trở hạn chế độ lớn của dòng điện, chấu phóng điện dập hồ quang

Đặc tính chống sét van được xác định bởi:

- Điện áp tắt của hồ quang

- Điện áp định mức

- Điện áp hồ quang ổn định

- Điện áp mồi hồ quang

- Dòng điện tải xung định mức

- Điện áp ở chế độ phóng điện định mức

- Điện áp mức bảo vệ (cũng gọi là an toàn cách điện)

1 Điện áp tắt của hồ quang là giá trị hiệu dụng lớn nhất của điện áp làm việc (50Hz) đặt trên cực chống sét, mà lúc đó hồ quang được dập tắt Người ta xác định bằng thí nghiệm

2 Điện áp định mức là điện áp làm việc lớn nhất cho phép (50Hz)

xác định dựa vào điện áp Thông thường chọn

Trang 22

3 Điện áp hồ quang ổn định là điện áp xoay chiều nhỏ nhất mà chống sét có phóng điện Nó có giá trị lớn hơn điện áp làm việc lớn nhất Thường người ta chọn giữ cho lưới khỏi quá áp

4 Điện áp mồi hồ quang là giá trị nhỏ nhất của xung dạng 1,2/50 để chống sét van phóng điện 100%

5 Dòng điện tải xung định mức là giá trị đỉnh của dòng điện xung, đảm bảo chống sét không bị hỏng sau một số lần làm việc

6 Điện áp ở chế độ phóng điện định mức Đặt xung chuẩn 1,2/50 lên cực của chống sét, điện áp tăng dần thay đổi cho đến khi phóng điện qua chấu, ta có thể đo được biến đổi điện áp trên cực chống sét, điện áp này thực chất là điện áp trên điện trở phi tuyến, cho nên tăng hay giảm tùy thuộc vào dòng điện qua nó Ứng với dòng điện xung bằng ta có điện áp ở chế độ phóng điện định mức Chống sét van thường được bố trí trên các cột trạm, là thiết bị bảo vệ máy tiên phong, tuy nhiên trong các trường hợp quá điện áp khí quyển thì bảo vệ bằng chống sét van là không đủ, bởi vì năng lượng của xung sét quá lớn Vì vậy cần phải tăng cường bảo vệ quá áp bằng các phương pháp dưới đây

1.3.3 Sử dụng vành điện dung

Ở tần số điện công nghiệp, vai trò của các thành phần điện dung là không đáng

kể và thường được không được nhắc tới Khi xung điện áp tác động vào đầu cực cuộn dây máy biến áp, có chứa các thành phần sóng hài bậc cao, vai trò của các thành phần điện dung lúc này trở nên đáng kể hơn nhiều Lúc này, điện áp đặt tại đầu cực cuộn dây rơi nhiều trên một vài bánh dây đầu tiên, vì vậy các bánh dây này thường được tăng cường cách điện hoặc được nối song song với một điện cực đẳng thế mà người ta vẫn hay gọi là “vành điện dung” (hình 1.7) Vành điện dung được

sử dụng hầu hết tại đầu bối dây các bối dây cao áp 110-500kV Cách tính toán vành điện dung và giá trị điện áp vành điện dung chịu được khi đặt bối dây vào điện áp cao được nêu cụ thể rõ ràng trong nghiên cứu của S.V.Kulkarni và S.A.Khapard [2], tuy nhiên do phạm vi nghiên cứu của luận văn tác giả không đề cập tại đây Vành điện dung là điện cực được chế tạo bằng lá kim loại, thường sử dụng đồng lá

Trang 23

dầy 0,25mm quấn đều quanh lõi vành được chế tạo bằng giấy ép hoặc gỗ Vành điện dung được bố trí ở đầu cuộn dây, nơi có điện áp rơi nhiều nhất, hay nói cách khác là nơi có gradient điện áp lớn nhất khi có xung điện áp tác động vào

Hình 1.7: Bố trí 1 vành điện dung trong bối dây

Đôi khi để tăng khả năng bảo vệ quá điện áp, người ta còn bố trí 02 vành điện dung tại vị trí đầu bối dây, cách nhau một bánh dây như hình 1.8 Vành điện dung tạo với bánh dây đầu tiên thành một tụ điện giả định, với bản cực có diện tích bằng diện tích bề mặt vành, và khoảng cách giữa hai bản cực là khoảng cách giữa vành

và gallet đó Qua thực nghiệm người ta thấy được rằng: quá điện áp giữa hai bánh dây đầu tiên là 0,5~0,7 với bối dây quấn xoắn ốc liên tục không có vành điện dung và là 0,3~0,5 với bối dây có vành điện dung (trang 361 tài liệu [1])

Hình 1.8: Bố trí 2 vành điện dung trong cuộn dây

Trang 24

Vành điện dung có tác dụng tăng cường điện dung của bối dây tại vị trí đầu cực, tuy nhiên với các máy biến áp công suất lớn, điện áp cao, giá thành sản xuất cao, người ta còn cần tăng cường điện dung của cả các bánh dây phía trong cuộn dây Phương pháp quấn dây đan xen là một phương pháp hiệu quả được sử dụng phổ biến hiện nay

Kết luận:

Quá điện áp là hiện tượng thường xảy ra trong máy biến áp, và thường để lại hậu quả hư hỏng nặng cho máy nếu như không thiết kế bảo vệ đầy đủ Quá điện áp khí quyển thường xảy ra trong một khoảng thời gian rất ngắn, nhưng điện áp đặt vào đầu cực có giá trị biên độ và độ dốc lớn, rất nguy hiểm cho thiết bị điện cụ thể

là máy biến áp Các phương pháp bảo vệ quá điện áp rất đa dạng, ở chương này tác giả đã nêu sơ qua về ba phương pháp: sử dụng chấu phóng điện, sử dụng chống sét van, và sử dụng vành điện dung

Trong chương kế tiếp hiệu ứng và vai trò cụ thể của điện dung trong bối dây trong việc chống lại quá điện áp sẽ được đề cập rõ ràng hơn Ngoài ra, một phương pháp quấn dây làm tăng hiệu ứng điện dung trong nội tại bối dây cũng được đề nêu

ra và là nội dung chính của luận văn Phương pháp quấn dây đan xen được tác giả S.V.Kulkarni và S.A.Khapard đề cập khá rõ trong [2], tác giả Phạm Văn Bình cũng đưa ra cách tính toán các thông số trong cuộn dây ở [1] Ở chương 2, tác giả sẽ xây dựng tường minh mô hình quấn dây đan xen: mô hình hình học, mạch điện tương đương, và cuối cùng là tính toán các thông số cơ bản của mạch

Trang 25

Chương 2 – XÂY DỰNG MÔ HÌNH DÂY QUẤN

ĐAN XEN 2.1 Phân bố điện áp ban đầu

Khi một xung vuông tác động vào đầu cực cuộn dây, điệp áp tại thời điểm ban đầu phân bố trong cuộn dây phụ thuộc vào điện dung giữa các vòng dây, điện dung giữa các bánh dây, điện dung giữa các bối dây với nhau và giữa bối dây với đất Điện cảm và điện dẫn của cuộn dây không có tác động gì đến sự phân bố điện áp ban đầu Vì từ trường đòi hỏi một khoảng thời gian hữu hạn để bão hòa nên dòng qua điện cảm không thể xác lập tức thời Do đó trong thực tế điện cảm không cho dòng điện chạy qua và sự phân bố điện áp được xác định bởi mạng điện dung Khi điện áp được duy trì trong một khoảng thời gian đủ dài (50 – 100 ) dòng bắt đầu chảy qua điện cảm đáng kể, cuối cùng tạo nên phân bố điện áp xác lập Vì thế có sự khác biệt giữa phân bố điện áp ban đầu và phân bố điện áp xác lập (hình 2.1)

(a)Phân bố điện áp ban đầu (b)Phân bố điện áp xác lập (c)Điện áp cực đại

Hình 2.1: Phân bố điện áp trong bối dây

Trang 26

Trong khoảng thời gian ngắn đó có sự trao đổi liên tục về năng lượng của từ trường

và điện trường Điện áp của bất kỳ điểm nào trên bối dây sẽ dao động quanh giá trị điện áp xác lập và được giới hạn bởi đường phân bố điện áp ban đầu (đường (a) hình 2.1) và đường điện áp cực đại (đường (c) hình 2.1) Qua đồ thị trên, ta thấy tại thời điểm ban đầu, điện áp giảm đột ngột tại khoảng 20% chiều dài đầu bối dây, sau

đó giảm từ từ tại phần còn lại Do đó cường độ điện trường giữa các gallet phần đầu bối dây (2-5 gallet đầu tiên) lớn hơn rất nhiều so với cường độ điện trường giữa các gallet còn lại Ngoài ra, có những thời điểm điện áp cực đại tại một điểm nào đó trên bối dây còn lớn hơn điện áp đặt Vì vậy, muốn tăng khả năng chịu quá áp của bối dây, chúng ta cần làm cho phân bố điện áp ban đầu tiến sát với phân bố điện áp xác lập

Hình 2.2: Mô hình nghiên cứu phân bố điện áp ban đầu

Hình 2.2 và hình 2.3 là mô hình để nghiên cứu phân bố điện áp ban đầu trên một lớp dây quấn Ta có một số nhận xét như sau:

1 Dòng dẫn chảy dọc dây quấn theo đường xoắn ốc nhỏ, do có điện kháng lớn

2 Dòng điện dung chảy vào lõi thép (được nối đất) qua điện dung cách điện chính, theo đường có điện cảm rất nhỏ

3 Dòng điện dung chảy qua điện dung cách điện giữa vòng dây, theo đường có điện cảm nhỏ

Trang 27

4 Trong khoảng thời gian đầu tiên, khi mạch từ chưa kịp bão hòa, dòng

điện cảm gần như bằng 0, hay nói cách khác: không có dòng điện chảy qua điện cảm

Xung có độ dốc càng lớn, thì trong phân tích chuỗi Fourier, thành phần điều hòa bậc cao càng đáng kể, khi đó lớn, rất nhỏ so với R, , thành phần dòng điện dung càng lớn và ngược lại dòng dẫn càng nhỏ, dòng điện cảm coi như không có Nếu độ dốc là vô cùng lớn, điện áp tăng đột nhiên từ giá trị 0 tới U, thì dòng dẫn coi như bằng 0 và mỗi vòng dây trở thành các vòng xuyến như không nối dẫn điện với nhau (hình 2.3) Phân bố điện áp trên các vòng dây lúc này phụ thuộc vào giá trị điện dung của dây quấn (với đất và giữa các vòng dây)

Hình 2.3: Phân bố dòng điện dung của dây quấn một lớp

Ký hiệu là điện dung tổng của nối tiếp giữa các vòng dây, là điện dung tổng giữa các xuyến song song với đất Lấy chiều cao dây quấn là 1 đơn vị, và chiều cao một vòng dây là dx (hình 2.4) Điện áp của phần tử dx đối với đất tính theo điện dung với đất của nó và điện tích theo công thức sau:

Điện áp giữa hai phần tử tính theo điện dung giữa chúng ⁄ và điện tích:

Trang 28

Đặt:

√

Nghiệm của phương trình trên có dạng:

Hệ số A và B có thể được tính bởi điều kiện biên

tại đầu và cuối cuộn dây Với cuộn dây có điểm

trung tính nối đất, ta có với x=0 thay vào

[

] [

]

Gradient điện áp ban đầu ở đầu cuộn dây là lớn nhất Với , cho ta gradient ban đầu ở đầu cuộn dây:

[ ] Trong khi đó gradient điện áp ở giai đoạn xác lập là ⁄ (vì ta đã giả định chiều dài cuộn dây là 1) Nên, gradient điện áp cực đại tại thời điểm ban đầu gấp lần so với gradient điện áp tại thời điểm xác lập Điện dung nối đất càng cao, thì

hệ số càng lớn, và điện áp càng tập trung tại đầu cuộn dây

Trang 29

Với bối dây có điểm trung tính cách điện với đất:

Áp dụng tương tự những suy luận trên, ta có phân bố điện áp ban đầu:

Với điều kiện trung tính cách điện với đất, gradient điện áp cực đại tại thời điểm ban đầu là:

[ ] Với , khi đó gradient điện áp ban đầu trở thành:

[ ]

Do đó, gradient điện áp ban đầu cực đại tại đầu cuộn dây giống nhau khi điểm trung tính nối đất hoặc cách điện với đất Phân bố điện áp ban đầu với các giá trị khác nhau của được thể hiện ở hình 2.5

Hình 2.5: Phân bố điện áp ban đầu

Tổng điện dung nối tiếp ) và tổng điện dung song song ) của cuộn dây máy biến áp chiếm vai trò chủ đạo trong việc quyết định phân bố điện áp ban đầu (với xung đặt vào là xung có độ dốc lớn) bao gồm điện dung giữa các vòng dây và điện dung giữa các bánh dây, hoặc điện dung giữa các phần của bối dây Trong khi

bao hàm điện dung giữa bối dây và lõi thép, điện dung giữa bối dây và vỏ máy,

Trang 30

và điện dung giữa các bối dây với nhau Như vậy, phân bố điện áp ban đầu được

quyết định bởi hệ số phân bố:

√

Hệ số này cho biết độ lệch của đường phân bố điện áp ban đầu với đường phân bố điện áp xác lập (đường phân bố điện áp xác lập được quyết định bởi điện cảm của cuộn dây) Hệ số càng cao, sự chênh lệch càng cao Với cuộn dây quấn theo kiểu xoắn ốc liên tục, giá trị của ở trong khoảng 5÷30 Mọi sự thay đổi trong thiết kế máy biến áp để giảm hệ số phân bố đều có thể giảm được sự chênh lệch điện áp giữa các phần của bối dây Muốn giảm hệ số phân bố ta có thể giảm điện dung song song hoặc tăng điện dung nối tiếp Tuy nhiên, việc giảm điện dung song song liên quan đến thay đổi khoảng cách giữa các bối dây (khoảng cách hướng kính), mà khoảng cách này thường được cố định bởi những yêu cầu thiết kế ban đầu Do đó, người ta thường lựa chọn việc tăng điện dung nối tiếp (bằng các phương pháp quấn dây) thay vì giảm điện dung song song, và phương pháp quấn dây kiểu đan xen là một phương pháp hiệu quả được sử dụng ngày nay

2.2 Mô hình dây quấn đan xen

Để xây dựng mô hình dây quấn đan xen, trước tiên chúng ta cần tìm hiểu về

mô hình dây quấn kiểu xoắn ốc liên tục (hay còn được hiểu là quấn kiểu bánh dây liên tục) Ở cách quấn dây kiểu xoắn ốc liên tục, dây quấn được quấn thành từng bánh dây, dọc theo chiều dài của bối dây Các gallet (bánh dây) được quấn thành từng cặp: thuận và nghịch, gallet đầu tiên được quấn từ ngoài vào trong, gallet tiếp theo được quấn từ trong ra ngoài, cứ như vậy dây quấn được quấn liên tục theo chiều dài bối dây Ưu điểm của dây quấn xoắn ốc là thực hiện dễ dàng, kết cấu cơ học chắc chắn, và có khả năng làm mát cao do có khoảng cách giữa các bánh dây Dây quấn kiểu xoắn ốc thường được thiết kế cho các bối trung và hạ áp trong các máy biến áp điện lực Dưới hình 2.6 và 2.7 là mô hình không gian và mô hình mạch của dây quấn xoắn ốc liên tục trong thực tế, mỗi gallet gồm 8 vòng dây

Trang 31

Hình 2.6: Một cặp gallet dây quấn kiểu xoắn ốc

Hình 2.7: Mặt cắt dọc trục dây quấn kiểu xoắn ốc liên tục

Dây quấn đan xen được phát minh bởi G F Stearn vào năm 1950 Dưới đây là

mô hình dây quấn đan xen đơn giản, gồm một mạch đơn, mỗi gallet có 8 vòng dây

Ở mô hình, hai vòng dây liền kề nhau được ngăn cách vật lý bởi một vòng dây có điện thế khác hoàn toàn cùng nằm trong cuộn dây Ban đầu, dây quấn đan xen được quấn giống hệt như dây quấn xoắn ốc liên tục, nhưng với hai dây quấn song song với nhau Vị trí hướng kính của hai dây này được đổi cho nhau tại điểm hoán vị nằm ở phía trong của bánh dây, và sau đó hai sợi được hàn nối tại mặt ngoài của bối dây, tạo thành một cặp gallet đan xen hoàn chỉnh mạch đơn Cùng số vòng dây trên mỗi gallet tương đương với cách quấn dây kiểu xoắn ốc, nhưng dây quấn đan xen

Trang 32

thực hiện phức tạp hơn, vì cần phải hàn nối trên từng cặp gallet Cách điện giữa các vòng dây ở dây quấn đan xen cũng cần được đòi hỏi tăng cường, bởi vì điện áp giữa các vòng dây liền kề thay vì giảm theo từng vòng như ở dây quấn xoắn ốc liên tục,

đã có sự nhảy cấp

Hình 2.8: Một cặp gallet dây quấn kiểu đan xen

Hình 2.9: Mặt cắt dọc trục dây quấn kiểu đan xen

Ngoài kiểu bố trí đơn giản trên, cách quấn dây đan xen còn được phát triển thành nhiều dạng khác: đan xen nhóm, đan xen sợi, đan xen vòng lẻ, Khi bối dây

có nhiều sợi chập trên một vòng, sơ đồ được mô tả như sau:

Trang 33

Hình 2.10: Mặt cắt dọc trục dây quấn đan xen 2 sợi chập

mỗi gallet có 6 vòng dây Dưới đây chúng ta sẽ tìm hiểu tại sao cách quấn dây đan xen phức tạp hơn cách quấn dây xoắn ốc liên tục, nhưng lại được sử dụng để tăng khả năng chịu điện áp xung

2.3 Các thông số cơ bản để tính toán phân bố điện áp ban đầu

2.3.1 Điện dung song song (điện dung đối với đất)

Để có thể tính toán được sự phân bố của điện áp xung trong bối dây máy biến

áp khi có quá điện áp, chúng ta cần biết điện dung nối tiếp và điện dung song song Điện dung song song giữa các bánh dây với lõi thép là điện dung của tụ điện hình trụ có một mặt là vòng dây trong cùng, một mặt là lõi thép Tụ điện này được lấp đầy bởi hai vùng điện môi là giấy cách điện và dầu biến áp Áp dụng công thức tính điện dung của tụ điện với môi trường đồng nhất, điện dung giữa hai bối dây đồng tâm, hoặc giữa bối dây trong cùng với lõi thép được tính như sau:

Trong đó, điện dung tụ điện được phủ bởi giấy cách điện là:

Trang 34

- là đường kính trung bình của khe hở giữa hai cuộn dây

- và lần lượt là chiều dầy của dầu và cách điện giữa hai cuộn dây

- h là chiều cao của bánh dây theo chiều hướng trục

- và lần lượt là hằng số điện môi của dầu và giấy cách điện

Điện dung của tụ điện được lấp đầy bằng dầu biến áp:

Hình 2.11: Mặt cắt bối dây trong cùng và lõi thép

Điện dung giữa một vật dẫn hình trụ và một mặt phẳng (mặt phẳng được nối đất) được tính theo công thức:

( )

Trang 35

Trong đó R và H lần lượt là bán kính và chiều cao của vật dẫn hình trụ, s là khoảng cách giữa đường tâm của hình trụ tới mặt phẳng Từ đó ta có công thức tính điện dung giữa bối dây ngoài cùng với một mặt của vỏ máy:

( )[

]

Đương nhiên, trong công thức 2.14 này, H và R lần lượt là chiều cao và bán kính của bối dây, s là khoảng cách từ tâm bối dây tới vỏ máy và lần lượt là chiều dầy của dầu và cách điện giữa bối dây ngoài cùng và vỏ máy Điện dung giữa hai cuộn dây ngoài cùng thuộc hai pha khác nhau được tính bằng một nửa giá trị của công thức 2.14, với s là một nửa khoảng cách giữa hai tâm của bối dây (chính là khoảng cách giữa tâm trụ của hai pha)

2.3.2 Điện dung nối tiếp trong dây quấn xoắn ốc liên tục

Để có thể xác định được điện dung nối tiếp của hai kiểu quấn dây trên, trước tiên chúng ta cần tính toán được điện dung giữa các vòng dây và điện dung giữa các bánh dây Điện dung giữa các vòng dây được tính toán bởi công thức:

Trong đó:

 là đường kính trung bình của bối dây

 là bề dầy của dây đồng trần theo chiều hướng trục

 là bề dầy giấy cách điện

 là hằng số điện môi của chân không

 là hằng số điện môi của giấy cách điện

Tương tự như tính toán điện dung song song, điện dung dọc trục giữa hai bánh dây liền kề vật lý với nhau (hình 2.11) là điện dung của ba tụ điện mắc nối tiếp với nhau Các tụ điện có bề mặt là các hình vành khăn tiết diện của bánh dây vuông góc với trục Hai tụ điện được lấp đầy bởi giấy cách điện, và một tụ điện là dầu cách

Trang 36

điện bao phủ khoảng không giữa hai bánh dây Lần lượt tính toán giá trị của từng tụ điện, điện dung của tụ điện có điện môi là giấy cách điện:

Hình 2.12: Điện dung giữa hai bánh dây

Trong đó:

 R là bề dầy bối dây hướng kính

 là đường kính trung bình của bối dây

 là bề dầy dầu cách điện giữa hai bánh

 là bề dầy của giấy cách điện

 là hằng số điện môi của chân không

 là hằng số điện môi của giấy cách điện

 là hằng số điện môi của dầu

Chúng ta sẽ tính điện dung của một cặp bánh dây quấn xoắn ốc liên tục như hình 2.11 với giả thiết rằng phân bố điện áp trên các vòng dây là tuyến tính Khái

Trang 37

niệm là điện dung giữa các vòng dây liền kề vật lý với nhau, còn là điện dung giữa hai vòng dây đối diện nhau thuộc cặp bánh dây đang xét

Hình 2.13: Một cặp bánh dây kiểu quấn xoắn ốc liên tục, Cv

Nếu gọi N là số vòng dây trên một bánh dây, thì số điện

dung vòng – nhỏ (hình 2.13) trên mỗi bánh dây là N – 1,

tương tự số điện dung bánh – nhỏ giữa hai bánh cũng là N

– 1 Điện dung nối tiếp của bối dây quấn kiểu xoắn ốc liên tục

là tổng hợp của các điện dung vòng – nhỏ và các điện dung

bánh – nhỏ Điện áp trên mỗi vòng dây của cặp gallet trên

hình 2.12 là ⁄ Sử dụng giả thiết rằng tổng năng lượng dự

trữ trên những điện dung nhỏ thì bằng năng lượng trên điện

dung tương đương, ta có đẳng thức sau:

( ) Trong đó: là điện dung vòng tương đương:

Tiếp theo, điện áp đặt giữa điện dung bánh – nhỏ thứ nhất, thứ hai, thứ ba (tính

từ trong ra) lần lượt là:

cuối cùng, điện áp đặt vào điện dung bánh – nhỏ ở ngoài cùng là Tổng năng lượng chứa trong các điện dung trên là:

Trang 38

[(

) (

) ]

Hay:

Với được tính theo công thức 2.16 Chúng ta sẽ sử dụng điện dung nối tiếp của một cặp bánh dây theo công thức 2.22 để tính toán điện áp phân bố trên chiều dài bối dây sử dụng phương pháp quấn dây kiểu xoắn ốc liên tục

2.3.3 Điện dung nối tiếp trong dây quấn đan xen

Như đã trình bày ở trên, ở kiểu quấn dây đan xen, hai vòng dây liền kề vật lý với nhau thì lại cách xa nhau về mặt điện áp Bằng cách đan xen các vòng dây như vậy, phân bố điện áp ban đầu đã tiến sát hơn với phân bố điện áp xác lập

Với cách quấn dây đan xen được thể hiện ở hình 2.9, số lượng điện dung vòng – nhỏ trên một bánh dây là N – 1, tổng số điện dung vòng – nhỏ ở một cặp bánh dây

sẽ là 2(N – 1) Cũng giống như ở kiển quấn xoắn ốc liên tục, ta giả sử điện áp đặt vào 2 đầu của cặp bánh dây đan xen là V Cụ thể ở hình 2.9, số lượng điện dung vòng – nhỏ ở cặp gallet là 14, điện áp đặt giữa vòng dây số 1 và số 2 là 8 (đơn vị điện áp vòng), điện áp đặt giữa vòng dây số 2 và số 3 là 7, sự chênh lệch điện áp

Trang 39

này lặp đi lặp lại ở trên các vòng dây liền kề thuộc 2 bánh dây Do đó, tổng quát hóa

có N điện dung đặt điện áp V/2, và N – 2 điện dung đặt điện áp

Năng lượng tổng cộng trong cặp bánh dây là:

) Ngoài ra:

Suy ra:

[ ( ) ] Với N>>1, ta có xấp xỉ:

Điện dung bánh trong kiểu quấn dây đan xen có giá trị rất nhỏ so với điện dung vòng, do đó ta có thể bỏ qua Do đó, điện dung nối tiếp giữa hai bánh dây thuộc kiểu quấn dây đan xen là:

2.3.4 Điện cảm

Ở những máy có điện áp nhỏ, để tính toán phân bố điện áp ban đầu, có thể bỏ qua vai trò của điện cảm Tuy nhiên, ở trong các máy biến áp có điện áp lớn, sự khác nhau giữa phân bố điện áp ban đầu và phân bố điện áp xác lập tạo nên một sự dao động điện áp trong bối dây Theo lý thuyết của Weed [6], một bối dây sẽ không dao động nếu điện dung (phân bố ban đầu) và điện cảm (phân bố xác lập) phấn bố giống nhau Sự dao động điện áp trong bối dây là nguyên nhân của những đột biến điện áp bất thường giữa các phần trong bối dây Ví dụ ở hình 2.1, tại đường phân bố điện áp cực đại, có vị trí điện áp còn cao hơn điện áp xung đặt vào đầu cực, ngoài ra

Định dạng
Số trang	78
Dung lượng	4,13 MB