Nghiên cứu chế tạo máy biến áp khô có lõi thép sử dụng vật liệu vô định hình

Máy biến áp khô có lõi sắt làm bằng vật liệu vô định hình thay cho vật liệu thép kỹ thuật điện truyền thống có ưu điểm nổi trội về nâng cao hiệu quả trong quá trình phân phối truyền tải

- - -

-Bùi đình chi

Nghiên cứu chế tạo máy biến áp khô

có lõi thép sử dụng vật liệu vô định hình

Chuyên ngành: Thiết bị điện - điện tử

LUậN VĂN THạC Sĩ KHOA HọC

thiết bị điện - điện tử

Người hướng dẫn khoa học: pgs ts phạm văn bình

Hà Nội - 2010

toán có ý nghĩa thực tiễn, nhằm sớm đưa vào sản xuất trọn bộ và hạ giá thành máy biến áp khô ở nước ta hiện nay Song đây cũng là một vấn đề còn khá mới mẻ, lạ lẫm bởi trong nước chưa có nhiều tài liệu nghiên cứu sâu về vật liệu, công nghệ và quy trình chế tạo loại máy biến áp này

Tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn Phó Giáo sư, Tiến sỹ Phạm Văn Bình đã nhận hướng dẫn và giúp đỡ tận tình trong suốt quá trình làm luận văn Cảm ơn toàn thể thầy cô trong bộ môn Thiết Bị Điện-Điện Tử, khoa Điện trường Đại học Bách khoa

Hà Nội đã dạy bảo, động viên tôi trong thời gian học tập và thực hiện luận văn

Cảm ơn Trung tâm Đào tạo và bồi dưỡng sau đại học trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành khóa học cao học Thiết Bị

Điện-Điện Tử 2008-2010

Tôi cũng biết ơn sự hỗ trợ to lớn về mặt tinh thần, vật chất từ cha mẹ, anh chị

em trong gia đình Ngoài ra, tôi cũng rất cảm ơn các anh em, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn bên cạnh động viên, giúp tôi hoàn thành luận văn

Do thời gian có hạn, trình độ hạn chế và khó khăn về tài liệu tham khảo, luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự thông cảm

và đóng góp ý kiến của các thầy cô, bạn đọc

Xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Bùi Đình Chi

Lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i C¸c sè liÖu vµ kÕt qu¶ nªu trong luËn v¨n nµy dùa trªn kÕt qu¶ tù nghiªn cøu, kh«ng sao chÐp c¸c c«ng tr×nh khoa häc hay luËn v¨n cña c¸c t¸c gi¶ kh¸c

T¸c gi¶ luËn v¨n

Bïi §×nh Chi

Mục lục

Trang

Danh mục các bảng 1

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 2

Mở đầu 6

1 Tính cấp thiết của đề tài 6

2 ý nghĩa khoa học và thực tiễn 10

3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 10

4 Các giả thiết khoa học 11

Chương I: Tổng quan về máy biến áp 12

1.1 Khái niệm chung về máy biến áp 12

1.2 Nguyên lý làm việc của máy biến áp 15

1.3 Giới thiệu máy biến áp phân phối 16

1.3.1 Máy biến áp dầu 17

1.3.2 Máy biến áp khô 17

1.4 So sánh ưu điểm, nhược điểm của máy biến áp dầu và máy biến áp khô 22

1.4.1 Máy biến áp dầu 22

1.4.2 Máy biến áp khô 23

1.5 Những ứng dụng chính của máy biến áp khô 24

1.6 Kết luận chương 1 25

Chương II: Giới thiệu về vật liệu vô định hình 27

2.1 Các đặc điểm của vật liệu vô định hình 27

2.2 Cấu trúc tinh thể 30

2.2.1 Vật liệu vô định hình dựa trên nguyên tố cơ bản là sắt 32

2.2.2 Vật liệu vô định hình dựa trên nguyên tố cơ bản là coban 33

2.2.3 Vật liệu vô định hình dựa trên nguyên tố cơ bản là sắt-niken 35

2.3 Công nghệ sản xuất vật liệu từ vô định hình 36

2.3.1 Phương pháp làm nguội nhanh từ tinh thể lỏng 36

2.3.2 Công nghệ sản xuất vật liệu từ vô định hình 37

2.4 Một số ứng dụng 40

2.4.1 Lõi cho máy biến áp nhỏ 40

2.4.2 Lõi cho máy biến áp trung tần 41

2.4.3 Lõi cho máy biến áp đóng cắt công suất lớn 41

2.4.4 Máy biến dòng điện 42

2.4.5 Tích hợp dịch vụ mạng kỹ thuật số (ISDN) 42

2.4.6 Cuộn cảm lọc 42

2.4.7 Sức điện động cảm ứng 43

2.4.8 Lõi cuộn cảm có khe hở 43

2.4.9 Bộ lọc nén các xung nhọn 44

2.4.10 Chỉnh lưu từ trường 44

2.4.11 Bộ ngắt khi có lỗi chạm đất 44

2.4.12 Thiết bị cảm nhận dòng điện 45

2.4.13 Hệ thống chống trộm cắp 45

2.4.14 Vật liệu chống trường điện từ 46

2.4.15 ứng dụng vào sản xuất máy biến áp phân phối tần số 50Hz 46

2.5 Kết luận chương 2 48

Chương III: Từ hóa và tổn hao trong lõi thép máy biến áp 49

3.1 Khái niệm chung 49

3.2 Từ hóa lõi thép 51

3.3 Cấu tạo mạch từ máy biến áp 52

3.4 Tổn hao lõi thép 55

3.4.1 Tổn hao từ trễ 55

3.4.2 Tổn hao phucô 57

3.4.3 Tổn hao tổng 59

3.5 Tổn hao sắt từ trong máy biến áp 61

3.6 Kết luận chương 3 63

Chương IV: công nghệ chế tạo máy biến áp khô có lõi thép bằng vật liệu vô định hình 64

4.1 Công nghệ chế tạo mạch từ và cuộn dây máy biến áp có lõi thép bằng vật liệu vô định hình 65

4.1.1 Giới thiệu chung về mạch từ 65

4.1.2 Giới thiệu chung về công nghệ chế tạo dây quấn 66

4.1.3 Các phương pháp chế tạo mạch từ và cuộn dây cho máy biến áp có lõi thép bằng vật liệu vô định hình 72

4.2 Phương pháp cắt vật liệu vô định hình thành các tấm, sau đó ghép lại, cuộn dây được làm sẵn và được cho vào trụ máy biến áp sau 73

4.2.1 Phương pháp ghép mạch từ 73

4.2.2 Phương pháp ép gông và trụ 74

4.2.3 Quấn dây và hoàn chỉnh kết cấu máy 76

4.3 Phương pháp chế tạo lõi thép vô định hình trước, sau đó mới quấn dây 77

4.4 Phương pháp chế tạo cuộn dây trước, sau đó ghép lõi thép vô định hình 82

4.5 Kết luận chương 4 84

Chương V: Thử nghiệm máy biến áp khô 86

5.1 Thử nghiệm thường xuyên 86

5.2 Thử nghiệm điển hình 86

5.3 Thử nghiệm đặc biệt 87

5.3.1 Những yêu cầu chung về môi trường làm việc đối với máy biến áp

khô 87

5.3.2 Phương pháp làm mát máy biến áp 88

5.4 Thử nghiệm thường xuyên 88

5.4.1 Thử nghiệm điện trở cách điện 88

5.4.2 Đo điện trở cuộn dây 89

5.4.3 Đo tỷ số điện áp và kiểm tra tổ đấu dây 89

5.4.4 Đo điện áp ngắn mạch và tổn hao có tải 90

5.4.5 Đo tổn hao không tải và dòng điện không tải 91

5.4.6 Thử nghiệm thường xuyên đối với điện môi 91

5.4.7 Thử nghiệm điện áp xoay chiều cảm ứng 91

5.5 Thử nghiệm điển hình 92

5.5.1 Thử nghiệm xung sét 92

5.5.2 Thử nghiệm độ tăng nhiệt cuộn dây 93

5.6 Thử nghiệm đặc biệt 94

5.6.1 Thử nghiệm phóng điện cục bộ 94

5.7 Kết luận chương 5 95

Kết luận và kiến nghị 96

Tài liệu tham khảo 98

Danh mục các bảng trong luận văn

Chương II: Giới thiệu về vật liệu vô định hình

thép vô định hình

cán nguội

Chương III: Từ hóa và tổn hao trong lõi thép máy biến áp

0,35mm, chiều từ hóa trùng với chiều cán, ủ khôi phục

Chương V: Thử nghiệm máy biến áp khô

Danh mục các hình vẽ và đồ thị STT Hình các chương và nội dung các hình

Chương I: Tổng quan về máy biến áp

Chương II: Giới thiệu về vật liệu vô định hình

kVA

Berna

cơ bản là sắt

coban sau khi được già hóa trong trường điện từ vuông góc và song song

18

Hình 2.11: Đường cong từ hóa của vật liệu vô định hình dựa trên nguyên tố sắt-niken sau khi được già hóa trực tiếp trong trường điện từ vuông góc và song song

20 Hình 2.13: Công nghệ ampun và sản phẩm của công nghệ ampun

lõi sắt bằng vật liệu vô định hình

ISDN

tính

trạm điện

thép

Chương III: Từ hóa và tổn hao trong lõi thép máy biến áp

lá thép

42 Hình 3.3: Sự phụ thuộc của suất tổn hao theo chiều cán và cường độ từ cảm của thép cán nguội

giữa phương từ hóa và chiều cán)

Chương IV: Công nghệ chế tạo máy biến áp khô

68 Hình 4.12b: Công nghệ ghép Step - lap 7

ghép mạch từ, cuộn dây đúc riêng biệt

Chương V: Thử nghiệm máy biến áp khô

mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Năng lượng, đặc biệt là điện năng đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế xã hội Điện năng được sản xuất từ các dạng năng lượng khác nhau như: cơ năng của dòng nước, nhiệt năng của than đá, dầu mỏ… các nhà máy điện thường được xây dựng tại nơi có các nguồn năng lượng để đảm bảo tính kinh tế và trong sạch về môi trường Do đó, xuất hiện vấn đề tải điện đi xa và phân phối điện đến nơi tiêu thụ Trong quá trình truyền tải và phân phối điện năng đã phát sinh sự tổn thất khá lớn Đây là một bộ phận cấu thành chi phí lưu thông quan trọng của ngành điện

Để dẫn điện từ các nhà máy điện đến hộ tiêu thụ cần phải có đường dây tải

điện Nếu khoảng cách giữa nơi sản xuất điện và hộ tiêu thụ lớn thì một vấn đề rất lớn đặt ra và cần được giải quyết là việc truyền tải điện năng đi xa làm sao cho kinh

tế nhất

Như ta đã biết, cùng một công suất truyền tải trên đường dây, nếu điện áp được tăng cao thì dòng điện chạy trên đường dây sẽ giảm xuống, như vậy có thể làm tiết diện dây dẫn nhỏ đi, do đó trọng lượng và chi phí dây dẫn sẽ giảm xuống Vì thế, muốn truyền tải công suất lớn đi xa, ít tổn hao và tiết kiệm kim loại màu, trên đường dây người ta phải dùng điện áp cao, thường là 35, 66, 110, 220 và 500 kV Trên thực

tế, các máy phát điện ít có khả năng phát ra những điện áp cao như vậy, thường là chỉ từ 3 đến 21 kV, do đó phải có thiết bị để tăng điện áp ở đầu dây lên Mặt khác các hộ tiêu thụ thường yêu cầu điện áp thấp, từ 0,4 đến 6 kV, do đó tới đây phải có thiết bị giảm điện áp xuống Những thiết bị dùng để tăng điện áp ở đầu ra của máy phát điện, tức là ở đầu đường dây dẫn điện và giảm điện áp khi tới các hộ tiêu thụ, tức là ở cuối đường dây dẫn điện gọi là các máy biến áp Máy biến áp là một thiết bị

điện từ tĩnh làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi hệ thống

dòng điện I2 với tần số f2 bằng tần số f1

Việc tải điện năng từ nhà máy điện đến hộ tiêu thụ trong các hộ tiêu thụ trong các hệ thống điện hiện nay cần phải có tối thiểu 4 đến 5 lần tăng giảm điện áp Do

đó tổng công suất đặt của các máy biến áp gấp mấy lần công suất của máy phát

điện Gần đây người ta tính ra rằng nó còn có thể gấp 6 đến 8 lần hoặc hơn nữa Trong quá trình sản xuất và sử dụng máy biến áp, người ta luôn luôn phải có biện pháp cải tiến thiết kế và công nghệ chế tạo nhằm hoàn thiện về cấu trúc, hình dáng, thông số kỹ thuật để đáp ứng tốt những yêu cầu đa dạng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng

máy biến áp dầu dường như có ưu việt tuyệt đối trong hệ thống truyền tải điện năng, công suất của máy được nâng cao do khả năng tuần hoàn làm mát tự nhiên của dầu rất tốt Điện áp của máy được nâng cao do dầu có khả năng nâng cao độ cách điện của giấy cách điện và một số vật liệu cách điện khác ngâm trong dầu Máy biến áp dầu đã được chế tạo lên tới công suất hàng trăm MVA, hiệu suất có thể đạt tới 99,8% Người ta hy vọng rằng máy biến áp ngâm dầu đã thoả mãn hầu hết các yêu cầu đảm bảo an toàn truyền tải điện năng

có công suất nhỏ, làm nhiệm vụ phân phối điện đến các hộ tiêu thụ điện

chung cư, trong các toà nhà cao tầng, công sở, bệnh viện, trong hầm mỏ, các nhà máy hoá chất, các nơi có yêu cầu cao về phòng chống cháy nổ và đảm bảo điều kiện môi trường thì máy biến áp dầu không còn ưu việt nữa mà lại trở thành đối tượng

có thể gây nguy hiểm Vì dầu có thể là nguyên nhân gây cháy nổ, tạo ra các khí độc hại thải ra môi trường xung quanh

biến áp dầu về an toàn phòng chống cháy nổ trong phân phối điện năng

truyền tải điện năng ngày càng nhiều Nguyên nhân là do quá trình đô thị hoá nhanh

ở các thành phố lớn và cùng với sự phát triển của nền kinh tế nên rất nhiều trung tâm

thương mại, các toà nhà cao ốc, khu đô thị mới, nhà hàng khách sạn, khu vui chơi giải trí, khu liên hiệp thể thao, bệnh viện, khu công nghiệp mới mọc lên

máy biến áp khô chưa được sản xuất rộng rãi tại Việt Nam như máy biến áp dầu Công nghệ chế tạo máy biến áp khô ngày càng được nâng cao, hoàn thiện để từng bước chế tạo được máy biến áp khô Công ty cổ phần chế tạo biến thế Hà Nội, cũng

đã nhập máy đúc cuộn dây, khuôn đúc dây quấn và cũng đã chế tạo được thành công máy biến áp khô có cuộn dây đúc epoxy Máy biến áp khô được sản xuất đã được thử nghiệm và đảm bảo chất lượng để vận hành Những máy biến áp này được đánh giá là đảm bảo chất lượng, tuy nhiên giá thành vẫn còn cao gấp khoảng từ 3 cho đến 3,5 lần máy biến áp dầu tương đương

Trong quá trình truyền tải điện năng Việc sử dụng các máy biến áp để tăng

áp và hạ áp là rất phổ biến và thông dụng Trong quá trình truyền tải điện năng tồn tại hai loại tổn thất chủ yếu là: tổn thất kỹ thuật và tổn thất thương mại Các loại máy biến áp hiện nay sử dụng vật liệu thép kỹ thuật điện đã trở thành thông dụng để

sử dụng chế tạo lõi thép máy biến áp Trong quá trình nghiên cứu và sử dụng vật liệu vô định hình cho các thiết bị cao tần, trung tần, con người đã phát hiện ra được những tính năng ưu điểm của loại vật liệu này như: có đường đặc tính từ trễ bé, mỏng hơn, điện trở suất cao Góp phần giảm tổn hao lõi thép của máy biến áp

Máy biến áp khô có lõi sắt làm bằng vật liệu vô định hình thay cho vật liệu thép kỹ thuật điện truyền thống có ưu điểm nổi trội về nâng cao hiệu quả trong quá trình phân phối truyền tải điện năng Những ưu điểm nổi bật có thể kể ra đây như sau:

- Khả năng phát nhiệt thấp:

+ Yêu cầu nơi lắp đặt nhỏ hơn

+ Giảm khối lượng dây quấn và vật liệu cách điện

+ Có độ tăng nhiệt nhỏ trong dây quấn nhằm tăng khả năng quá tải của máy biến áp

- Giảm tổn hao, chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp

+ Tăng và làm cho tuổi thọ của máy biến áp được kéo dài hơn

- Có được đặc tính từ tốt ở tần số cao và cung cấp được những băng vật liệu

có hiệu suất cao và tổn hao nhỏ

- ảnh hưởng tốt tới môi trường

+ Khả năng tăng nhiệt kém góp phần ngăn chặn sự nóng lên của toàn cầu

+ Giảm được các khí thải độc hại ra môi trường

+ Bảo tồn môi trường thiên nhiên khi mà các dự án về xây dựng các công trình năng lượng tăng nhanh

Để sản xuất máy biến áp khô có lõi thép bằng vật liệu vô định hình ở Việt Nam cần quan tâm đến nhiều vấn đề về mặt lý thuyết thiết kế cũng như về công nghệ chế tạo Những vấn đề chủ yếu cần quan tâm nghiên cứu để ứng dụng vào sản xuất máy biến áp khô sử dụng vật liệu vô định hình hiện nay cũng có nhiều thuận lợi

và khó khăn so với máy biến áp dùng tôn silic thông thường như:

+ Vật liệu vô định hình có nhiều điểm khác biệt so với vật liệu tôn silic thường dùng làm máy biến áp như: mỏng hơn, khi chế tạo gia công đặc tính từ của vật liệu cũng thay đổi nhiều Chính vì vậy khó khăn cho việc gia công và ủ phục hồi đặc tính từ

+ Khi máy biến áp bị sự cố lõi thép Rất ít các nhà máy có thể chế tạo

và phục hồi được lõi thép máy biến áp dạng này Gây khó khăn cho việc sửa chữa và bảo dưỡng

- Về thuận lợi:

+ Đường đặc tính từ trễ có mắt từ nhỏ hơn nhiều so với vật liệu tôn silic thông thường, góp phần giảm được tổn hao từ trễ trong máy biến áp

+ Vật liệu có dạng băng mỏng hơn nhiều so vói tôn silic thường sử dụng, điện trở suất lớn, góp phần giảm tổn hao dòng phu cô

+ Các nước phát triển trên thế giới hiện tại đã hoàn thiện phương pháp chế tạo vật liệu vô định hình, chế tạo máy biến áp có sử dụng vật liệu vô định hình, và các loại máy biến áp này đã được sử dụng thực

tế trong hệ thống điện phân phối

+ Lý thuyết về chế tạo máy biến áp khô, bảo dưỡng vận hành đã được nghiên cứu nhiều và ngày dần hoàn thiện tại Việt Nam

2 ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

Để góp phần giải quyết những vấn đề trên luận văn đã tập trung nghiên cứu các phần sau:

- Luận văn đã nghiên cứu tìm hiểu về máy biến áp khô, những ưu điểm và nhược điểm của máy biến áp khô so với máy biến áp dầu

- Luận văn đã nghiên cứu vật liệu vô định hình sử dụng trong máy biến áp khô

- Luận văn đã nghiên cứu công nghệ chế tạo lõi thép vô định hình cho máy biến áp khô

- Luận văn đã nghiên cứu các dạng tổn hao trong lõi thép máy biến áp

- Luận văn đã nghiên cứu về phương pháp kiểm tra thử nghiệm máy biến áp khô

Kết quả của luận văn góp phần hoàn thiện nghiên cứu về mặt lý thuyết cũng như hoàn thiện công nghệ chế tạo máy biến áp khô Kết quả của luận văn còn là cơ

sở về mặt lý thuyết và thực tế từ đó từng bước làm chủ được công nghệ chế tạo máy biến áp khô có lõi thép làm bằng vật liệu vô định hình và ứng dụng đưa vào chế tạo sản xuất máy biến khô có lõi thép làm bằng vật liệu vô định hình tại Việt Nam

3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

3.1 Mục đích:

Nội dung cơ bản của luận văn nhằm vào mục đích nghiên cứu về mặt lý thuyết về vật liệu vô định hình, các ưu điểm khi sử dụng máy biến áp dùng vật liệu

vô định hình với các loại vật liệu truyền thống để đưa ra được công nghệ chế tạo máy biến áp khô phù hợp nhằm làm chủ được công nghệ sản xuất và từng bước sản xuất được máy biến khô tại Việt Nam với giá thành cạnh tranh với các máy biến áp khô nhập ngoại

3.2 Đối tượng:

hình

3.3 Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu tổng quan về máy biến áp khô

- Nghiên cứu về tổn hao trong lõi thép máy biến áp khô

- Nghiên cứu vật liệu vô định hình dùng cho máy biến áp khô

- Công nghệ chế tạo máy biến áp khô có lõi thép được làm bằng vật liệu vô

định hình

- Tìm hiểu về phương pháp thử nghiệm máy biến áp khô

4 Các giả thiết khoa học:

Máy biến áp khô có lõi thép bằng vật liệu vô định hình là rất còn mới mẻ với Việt Nam Chính vì vậy trong quá trình nghiên cứu và tìm hiểu về máy biến áp khô

có lõi thép bằng vật liệu vô định hình này cần dựa trên một số các giả thiết khoa học như:

- Trong quá trình gia công và chế tạo thép vô định hình, đặc tính từ của loại vật liệu này cũng thay đổi Sau khi tiến hành ủ khôi phục đặc tính từ ta

được vật liệu từ vô định hình này khôi phục được đặc tính từ như ban đầu của nhà sản xuát

- Khi tính toán và khảo sát ta dùng phương pháp tuyến tính hóa gần đúng

đường cong từ hóa

- Trong quá trình chế tạo bỏ qua các sai số về công nghệ

Chương I Tổng quan về Máy biến áp

1.1 Khái niệm chung về máy biến áp:

Máy biến áp là một phần tử quan trọng nhất trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng Việc phát minh ra máy biến áp vào khoảng năm 1885 đã đột ngột thay đổi hệ thống truyền tải và phân phối điện năng Dòng điện xoay chiều phát ra ở

điện áp thấp có thể được nâng lên để truyền tải ở điện áp cao và dòng điện nhỏ, do vậy làm giảm được điện áp rơi trên dây dẫn và tổn hao trên đường truyền Máy biến

áp tăng áp ở nhà máy phát điện làm nhiệm vụ nâng điện áp có thể lên tới hàng nghìn

kV để truyền tải đi xa đến nơi tiêu thụ Sau đó tại nơi tiêu thụ máy biến áp sẽ giảm

điện áp từ điện áp cao xuống điện áp tiêu chuẩn phù hợp với các thiết bị điện Trong thực tế điện năng được sản xuất thường xa nơi tiêu thụ, để truyền điện năng từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ thường phải sử dụng máy biến áp để nâng điện áp và giảm

điện áp 3 đến 4 lần Máy biến áp làm cho hệ thống điện xoay chiều trở nên linh hoạt bởi vì những phần khác nhau và thiết bị của hệ thống năng lượng có thể hoạt động ở mức điện áp kinh tế bằng cách sử dụng máy biến áp với tỷ số thích hợp Người ta cũng chia máy biến áp trên hệ thống truyền tải, phân phối điện năng thành máy biến

áp truyền tải và máy biến áp phân phối Máy biến áp phân phối có nhiệm vụ biến

đổi điện áp phù hợp và cung cấp trực tiếp cho phụ tải Nói cách khác máy biến áp phân phối thường đặt gần phụ tải nơi liên quan trực tiếp đến môi trường sống của con người vì vậy càng ngày người ta càng tìm cách hoàn thiện để các máy biến áp phân phối không chỉ đạt các yêu cầu về các chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế mà còn phải

đạt các chỉ tiêu về an toàn, bảo vệ môi trường,

Sơ đồ 1 sợi giới thiệu hệ thống truyền tải năng lượng sử dụng máy biến áp như hình 1.1

Hình 1.1: Các loại máy biến áp khác nhau trong hệ thống điện

Có thể nói việc phát minh ra máy biến áp liên quan mật thiết với việc thí nghiệm đóng ngắt cuộn Ruhmkorff của Elih-Thomson Chiếc máy biến áp đầu tiên

đ−ợc chế tạo vào năm 1878 khi Ia-blốt-skốp dựa vào quan hệ điện từ đã dùng hai cuộn dây quấn độc lập trên một lõi thép hở để làm một nguồn điện chiếu sáng Vào năm 1886 chiếc máy biến áp lần đầu tiên đ−ợc đ−a vào sử dụng tại Massachusetts

Mỹ Sau đó vào năm 1889 Mikhail Dolivo-Dobrovolsky chế tạo ra chiếc máy biến

áp 3 pha đầu tiên Sau đó máy biến áp không ngừng đ−ợc hoàn thiện, vào năm 1900 chiếc máy biến áp dầu lần đầu tiên đ−ợc đ−a vào sử dụng Dầu máy biến áp có −u

điểm cách điện tốt có khả năng nâng cao cách điện của giấy cách điện và một số vật liệu cách điện khác, dầu còn có −u điểm làm mát rất tốt nên có thể chế tạo máy biến

áp có điện áp hàng trăm kV và công suất đến hàng trăm MVA Tuy nhiên do sử

Bộ chỉnh luu

Máy biến áp cho hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều

400V 400V

Máy biến áp khô

Máy biến áp hạ áp

Điểm nối 1 chiều

dụng dầu làm chất cách điện và làm mát nên dầu máy biến áp lại là nguyên nhân gây nên khả năng cháy nổ và ô nhiễm môi trường Vì vậy máy biến áp dầu không

đảm bảo an toàn cho những nơi có yêu cầu cao về phòng chống cháy nổ, các nhà máy hoá chất, hầm lò, các toà nhà cao tầng, các khu chung cư, trường học, bệnh viện Vào những năm 50 của thế kỷ trước, sự phát triển của khoa học vật liệu mới như vật liệu compozit và hợp chất cao phân tử phát triển mạnh Máy biến áp khô đã khắc phục được những nhược điểm của máy biến áp dầu và có những ưu điểm vượt trội so với máy biến áp dầu về đảm bảo an toàn chống cháy nổ và thân thiện với môi trường Do đó máy biến áp khô ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn và dần thay thế các máy biến áp phân phối ngâm dầu trong hệ thống điện lực Tuy nhiên máy biến

áp khô bị giới hạn về công suất, cấp điện áp và kích thước so với máy biến áp dầu Mặt khác giá thành của máy biến áp khô vẫn đắt hơn so với máy biến áp dầu có công suất cùng loại Hiện nay vẫn tồn tại song song cả hai loại máy biến áp dầu và máy biến áp khô do những ưu nhược điểm của từng loại máy

Công nghệ vật liệu phát triển và đã có nhiều phát hiện về các loại vật liệu mới, các tính năng mới của các loại vật liệu khác nhau Công nghệ chế tạo máy biến

áp cũng có nhiều thành tựu lớn và dần dần giảm tổn hao của máy biến áp, nâng cao hiệu suất của máy biến áp Có nhiều cách để giảm tổn hao máy biến áp như:

+ Dùng các loại vật liệu tốt như: vật liệu làm dây quấn, vật liệu cách điện, vật liệu làm lõi thép

+ Phát triển về công nghệ chế tạo máy biến áp, nhằm tạo ra được các máy biến áp có tổn hao thấp

Vật liệu vô định hình đã được nghiên cứu và sử dụng làm lõi thép của máy biến áp do nó có nhiều ưu điểm hơn so với vật liệu tôn silic thông thường như: mắt

từ trễ nhỏ hơn nhằm giảm đi tổn hao từ trễ, mỏng và có điện trở suất lớn góp phần giảm tổn hao dòng phu cô Giúp cho máy biến áp có tổn hao lõi sắt nhỏ hơn so với máy biến áp có lõi thép bằng vật liệu tôn silic Trên thế giới hiện nay đã có nhiều nước dùng máy biến áp có lõi thép làm bằng vật liệu vô định hình như: Mỹ, Nhật, Brazil, Trung Quốc, Nó đã góp phần giảm tổn thất trong lưới điện Chính vì vậy

mà xu hướng phát triển hiện nay ngoài sử dụng máy biến áp lõi thép bằng vật liệu tôn silic mà chuyển sang dùng cả máy biến áp có sử dụng vật liệu vô định hình

1.2 Nguyên lý làm việc của máy biến áp:

Nguyên lý làm việc cơ bản của máy biến áp là dựa trên hiện tượng cảm ứng

điện từ Ta xét nguyên lý làm việc của máy biến áp 1 pha 2 dây quấn như trên hình

được truyền từ dây quấn 1 sang dây quấn 2

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy biến áp

e1 = ư 1. Φ = ư 1ωΦmcosω

dt

d w

e2 = ư 2. Φ = ư 2ωΦmcosω

Giá trị hiệu dụng của các sức điện động là:

E = f w Φm = 4 , 44 f.w Φm

2

2

1 1

1π

và E = f w Φm = 4 , 44 f.w Φm

2

2

2 2

1

w

w E

E U

U

Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh dùng để biến đổi hệ thống điện xoay

điện áp u2 với tần số không thay đổi (tần số f2 = f1)

Các thông số cơ bản của máy biến áp thường là:

1.3 Giới thiệu máy biến áp phân phối:

Như đã giới thiệu máy biến áp phân phối thường đặt gần phụ tải nơi liên quan trực tiếp đến môi trường sống của con người vì vậy càng ngày người ta càng tìm cách hoàn thiện để các máy biến áp phân phối không chỉ đạt các yêu cầu về các chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế mà còn phải đạt các chỉ tiêu về an toàn, bảo vệ môi trường

Từ khi phát minh ra dầu máy biến áp, do dầu có khả năng tăng cường cách

điện cho dây quấn đồng thời tăng cường khả năng làm mát, người ta đã chế tạo được các máy biến áp dầu có công suất lớn và điện áp cao; máy biến áp dầu có ưu thế rất lớn, nhưng bên cạnh đó các máy biến áp dầu được sử dụng phân phối điện năng lại

có các nhược điểm sau: Loại máy này khi xảy ra sự cố thì thường gây nên cháy nổ,

lúc này dầu máy lại chính là tác nhân gây cháy và tạo nên các khí độc như NOx,

con người Do vậy máy biến áp dầu cũng không thích hợp lắp ở những nơi có yêu cầu cao về phòng chống cháy nổ và gần nơi tiêu thụ, gần khu dân cư Trong khi đó máy biến áp khô lại có ưu điểm lớn về an toàn phòng chống cháy nổ Khi bị sự cố thì cuộn dây không có khả năng cháy, không tạo nên các khí độc hại, không gây ô nhiễm môi trường và an toàn cho sức khoẻ của con người Vì vậy dưới đây xin trình bày đôi nét về đặc điểm, tương lai các loại máy biến áp phân phối

1.3.1 Máy biến áp dầu:

Hình 1.3: Máy biến áp dầu 750kVA 22/0,4kV (Công ty CTAMA)

Là máy biến áp mà mạch từ và các cuộn dây đều được ngâm trong dầu Máy biến áp loại này sử dụng dầu làm cách điện và làm mát Kết cấu của máy bao gồm lõi thép, cuộn dây cao áp và hạ áp, bộ chuyển mạch Khi máy biến áp ngâm dầu làm việc, dầu bao quanh lõi sắt và dây quấn sẽ bị nóng lên và chuyển nhiệt lượng ra ngoài vách thùng nhờ đối lưu dầu Nhiệt lượng lại từ vách thùng truyền ra không khí

xung quanh bằng đối lưu và bức xạ Loại máy này hiện nay được sử dụng rộng rãi

1.3.2 Máy biến áp khô:

Máy biến áp đầu tiên, xuất hiện vào khoảng năm 1890, là kiểu máy biến áp khô, bị giới hạn bởi cấp điện áp do độ cách điện của vật liệu cách điện hiện có lúc bấy giờ có độ chịu nhiệt thấp và còn bị giới hạn bởi công suất của máy do phương thức làm mát và mức độ chịu nhiệt của cách điện dây dẫn Sự phát triển của máy biến áp được nâng lên một bậc nữa với mức độ chịu nhiệt và cách điện cao hơn do

sự xuất hiện của dầu, cho phép nâng cao được cấp điện áp nhưng không nâng được

xuất hiện của tôn silic đã tiếp tục làm giảm tổn hao Các thiết bị có độ cách điện cấp

A được nâng lên độ cách điện cấp B có độ tăng nhiệt cho phép cao hơn Cuối cùng,

sự phát triển của chất lỏng có khử clo có điểm chớp cháy rất cao đã giải quyết được các giới hạn về độ cháy của các chất lỏng cách điện Cho đến năm 1972, hàng ngàn máy biến áp dầu đã được sản xuất với những chất lỏng loại này, phục vụ cho các toà cao ốc và cả trạm điện ngoài trời

Trong lúc đó, với sự phát triển của giấy cách điện kiểu màng mỏng và polyamit (như Mylar cho cấp F và Nomex cho cấp H) trong những năm 1960 dây dẫn có phủ vécni có độ chịu nhiệt cao hơn được sử dụng để thiết kế máy biến áp kiểu khô hiện đại và tin cậy hơn Các chất cách điện có độ chịu nhiệt cao hơn đã nâng cao được hiệu suất của máy biến áp mà lại sử dụng ít vật liệu hơn, do đó làm cho máy gọn nhẹ hơn, chi phí vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa giảm Thêm vào đó, máy biến áp dầu lại không đáp ứng được những địa điểm có yêu cầu nghiêm ngặt về môi trường và an toàn - phòng chống cháy nổ do dầu máy biến áp là chất dễ cháy và sản phẩm cháy của nó lại gây ô nhiễm môi trường rất nặng Máy biến áp khô còn

đáp ứng tối đa yêu cầu về an toàn đối với các nhà máy giấy, xăng dầu, hoá chất, khai thác mỏ Với công nghệ đúc epoxy trong môi trường chân không đã làm cho cuộn dây máy biến áp tránh được triệt để sự xâm nhập của hơi ẩm và muối, đây là các đặc tính lý tưởng thay thế cho các công nghệ khác trong các phương tiện liên quan đến đường thuỷ, bãi biển, các nhà máy xử lý nước

Khi công nghệ sản xuất vật liệu phát triển mạnh Con người đã chế tạo thành công các loại máy biến áp khô đảm bảo yêu cầu công nghệ Cùng với sự phát triển

đó, máy biến áp càng được đề cao hơn vấn đề về tăng hiệu suất của máy, giảm tồn hao của máy biến áp càng nhỏ càng tốt Người ta đã nghiên cứu rất nhiều về vấn đề này bằng cách dần dần nâng cao công nghệ chế tạo hoặc bằng cách dùng các loại vật liệu mới có tổn hao thấp hơn Với vật liệu vô định hình đã được tìm ra cách đây nhiều thế kỷ, nhưng với các yêu cầu mới của công nghệ, công nghệ thí nghiệm, hiện nay với đặc điểm dẫn từ tốt hơn các loại vật liệu thông dụng khác Nó đã được nghiên cứu và phát triển nhiều hơn trong việc sử dụng để làm vật liệu dẫn từ trong lõi sắt của máy biến áp Với các ưu điểm dẫn từ tốt, có tổn hao không tải nhỏ, ngày nay các nước phát triển đã sử dụng rất nhiều các máy biến áp dùng vật liệu vô định

hình để truyền tải điện năng Đây cũng chính là nhu cầu và sự quan tâm cấp thiết của các nhà chế tạo máy biến áp, của các nhà khoa học cần nghiên cứu và phát triển ứng dụng vật liệu vô định hình này vào chế tạo máy biến áp trong lưới điện Việt Nam

Máy biến áp khô là loại máy biến áp mà trong đó lõi thép và cuộn dây không

được ngâm trong bất kỳ một loại chất lỏng cách điện nào

Máy biến áp khô bao gồm 2 loại chính (phân chia theo vật liệu làm lõi sắt):

- Máy biến áp khô có lõi thép được làm bằng vật liệu tôn silic thông thường

- Máy biến áp khô lõi thép được làm bằng vật liệu vô định hình

1.3.2.1 Máy biến áp có lõi thép được làm bằng vật liệu tôn silic thông thường:

Loại máy này có cấu tạo mạch từ dạng như máy biến áp dầu Các lá thép tôn silic được cắt ra thành các tấm nhỏ Sau đó chúng được ghép lại với nhau thành mạch từ hoàn chỉnh, bao gồn có gông và trụ

Dây quấn được bọc cách điện bằng giấy như giấy nomex, kaptofilm, vải thuỷ tinh, hoặc đúc bằng nhựa epoxy Cuộn dây sau khi quấn xong được đưa vào tẩm sấy trong môi trường chân không để tăng độ bền cơ và cách điện cho cuộn dây Hình

1.4 là một máy biến áp khô loại này

Hình 1.4: Máy biến áp khô có lõi thép bằng vật liệu tôn silic

a dây quấn được quấn bằng giấy cách điện Nomex

b Dây quấn được đúc bằng epoxy

Ưu điểm của loại máy này là mạch từ được ghép bằng các lá tôn có bề dày lớn, gia công dễ dàng, phương pháp gia công hiện nay luôn làm chủ được công nghệ Các lý thuyết về chế tạo, giảm tổn hao đã được nghiên cứu nhiều Sau khi gia

b

a

công lõi máy biến áp xong, thì phương pháp ủ phục hồi đường đặc tính từ của máy biến áp cũng được phát triển và đã ứng dụng tốt trong các nhà máy chế tạo biến thế của Việt Nam Khi máy biến áp bị hỏng mạch từ, việc gia công lại và bảo dưỡng máy biến áp cũng dễ dàng hơn vì vật liệu tôn silic được sử dụng làm máy biến áp là rất thông dụng

Nhược điểm máy biến áp khô có lõi thép bằng tôn silic là có tổn hao lõi thép lớn hơn so với máy biến áp dùng vật liệu vô định hình

1.3.2.2 Máy biến áp có lõi thép làm bằng vật liệu vô định hình:

Đây là loại máy biến áp mà có lõi thép làm bằng vật liệu vô định hình Do có các đặc điểm mắt từ trễ nhỏ hơn so với tôn silic, điện trở suất lớn hơn với vật liệu tôn silic, nhạy với các công nghệ gia công làm thay đổi nhiều đặc tính từ của loại vật liệu này mà công nghệ chế tạo mạch từ và cuộn dây cũng khác nhiều so với máy biến áp có lõi thép bằng vật liệu tôn silic Vật liệu vô định hình có bề dày băng thép thường là 0.03mm nhỏ hơn nhiều so với tôn silic có bề dày 0.18mm đến 0.27mm Việc chế tạo lõi thép được gia công theo phương pháp riêng Các phương pháp gia công lõi thép máy biến áp:

- Cắt vật liệu vô định hình thành các tấm có kích thước khác nhau sau đó ghép lại thành gông và trụ, cuộn dây được làm sẵn và được cho vào trụ máy biến áp sau (phương pháp thông dụng đối với vật liệu tôn silic)

- Chế tạo lõi thép máy biến áp trước, sau đó quấn dây sau

- Chế tạo cuộn dây trước, sau đó ghép tôn sau

Thông thường mạch từ của máy biến áp có lõi thép làm bằng vật liệu vô định hình có dạng giống như hình 1.6:

Hình 1.5: Các dạng lõi thép dùng vật liệu vô định hình

Hình 1.6: Lõi thép máy biến áp phân phối bằng vật liệu vô định hình

Hình 1.6 là hình dạng thực tế của máy lõi thép máy biến áp và máy biến áp

có lõi thép bằng vật liệu vô định hình

Việc nghiên cứu công nghệ chế tạo máy biến áp có lõi thép bằng vật liệu vô

định hình sẽ được nghiện cứu kỹ hơn trong các chương sau

Dây quấn được bọc cách điện bằng giấy như giấy nomex, kaptofilm, vải thuỷ tinh hoặc đúc epoxy Máy biến áp khô cuộn dây không đúc thì công nghệ chế tạo cuộn dây loại máy dễ dàng hơn so với cuộn dây đúc epoxy Đặc điểm của máy biến

áp khô có cuộn dây không đúc là: hút ẩm, độ bền điện kém, khả năng chống chịu bụi bẩn kém hơn, Đặc điểm của máy biến áp khô có cuộn dây đúc epoxy là: cuộn dây có độ bền cơ và điện cao hơn, chống chịu được nhiệt độ và môi trường, Với các ưu điểm nổi trội này mà máy biến áp có cuộn dây đúc bằng epoxy này ngày càng được sử dụng rộng rãi

Ưu điểm của máy biến áp dùng vật liệu vô định hình làm lõi sắt là có tổn hao lõi sắt nhỏ hơn nhiều so với máy biến áp sử dụng tôn silic làm lõi thép Qua đó làm tăng hiệu suất của máy biến áp, tiết kiệm năng lượng trong quá trình phân phối điện năng Độ ồn và độ tăng nhiệt thấp, làm cho khả năng làm việc quá tải của máy biến

áp cũng tăng lên Góp phần tạo bảo vệ môi trường, sự nóng lên của toàn cầu

Nhưng nó cùng tồn tại nhiều nhược điểm: Vật liệu vô định hình được dùng làm lõi thép máy biến áp khô có chiều rộng bản mạch từ nhỏ, mỏng, nhạy với công nghệ gia công nên khó khăn việc chế tạo mạch từ, sau khi chế tạo mạch từ cần có phương pháp ủ nhiệt và ử từ đặc biệt để khôi phục lại đặc tính từ của loại vật liệu này đúng với đặc tính từ ban đầu của nhà sản xuất

1.4 So sánh ưu điểm, nhược điểm của máy biến áp dầu và máy biến áp khô: 1.4.1 Máy biến áp dầu:

+ Giá thành rẻ hơn rất nhiều so với máy biến áp khô cùng loại

+ Khả năng quá tải lớn do dầu máy biến áp toả nhiệt nhanh hơn không khí

- Nhược điểm:

+ Không thích hợp ở những nơi có yêu cầu cao về phòng chống cháy nổ, các công trình gần biển, các khu đông người, các nhà máy hoá chất, hầm lò,

+ Các máy này khi xảy ra sự cố thì thường gây nên cháy nổ, dầu máy tràn ra

gây ô nhiễm và ảnh hưởng đến sức khoẻ của con người

+ Vì lý do trên nên không thuận tiện cho lắp đặt gần tải tiêu thụ do có thể xảy

ra hoả hoạn, cháy nổ

+ Do làm mát và cách điện bằng dầu nên thường xuyên phải kiểm tra mức dầu, sự rò rỉ dầu do đó chi phí bảo dưỡng và vận hành lớn

+ Do phải tính đến vấn đề tràn dầu của máy biến áp trong quá trình vận hành, bảo dưỡng nên khi máy đặt trong nhà thì thường phải thiết kế thêm bể tràn dầu do đó không gian lắp đặt máy yêu cầu phải rộng hơn so với máy biến

áp khô có cùng công suất

+ Việc thay thế loại máy này thường khó khăn do khi máy đã bị sự cố thì thường là phải thay cả máy Trong khi đối với máy biến áp khô thì có thể thay thế từng cuộn dây riêng biệt

+ Khả năng vận chuyển đi xa khó khăn hơn và mất an toàn hơn

Do đó phạm vi ứng dụng của máy biến áp dầu là những nơi có ít người qua lại, nơi không có yêu cầu cao về phòng chống cháy nổ

1.4.2 Máy biến áp khô

- Ưu điểm

+ Không gây ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức khỏe con người: do máy biến

áp khô không sử dụng dầu cách điện nên không sinh ra khí gas, khí độc khi làm việc cũng như khi bị sự cố Do vậy ở nhiệt độ không quá cao thì không sinh ra các khí độc hại ảnh hưởng con người và môi trường

+ Chịu được môi trường công nghiệp, nơi có độ ẩm lớn và nước biển Do cuộn dây sau khi đúc gần như không có khả năng thấm nước nên rất phù hợp cho những nơi có độ ẩm lớn, các công trình trên biển, các giàn khoan, trên các tàu vận tải lớn, các công trình gần biển Chịu được môi trường làm việc có nhiều khói bụi cao, môi trường sản xuất công nghiệp

+ Có khả năng kháng được dòng ngắn mạch lớn Cuộn dây hạ áp, cao áp

được quấn bằng dây dẫn có hình dạng đặc biệt và được tẩm, đúc tạo thành một khối vững chắc nên có khả năng chịu được lực điện từ lớn

+ Chi phí cho bảo dưỡng hàng năm ít Do máy biến áp khô không sử dụng dầu nên hàng năm không cần kiểm tra cách điện

+ Chi phí lắp đặt sửa chữa nhanh chóng Khi máy bị sự cố thì có thể tháo rời cuộn dây ra khỏi lõi thép và đưa ngay cuộn dây mới vào thay thế

+ Có khả năng chịu quá tải thêm đến 50% nếu có thêm quạt thổi làm mát cưỡng bức

+ Có khả năng chịu được xung điện áp lớn (đến 200kV với điện áp định mức 35kV)

+ Tổng kích thước lắp đặt nhỏ hơn so với máy biến áp dầu

+ Có thể lắp đặt gần tải tiêu thụ nên tiết kiệm được cáp hạ áp và diện tích lắp

đặt

- Nhược điểm:

+ Công nghệ chế tạo cả về cuộn dây và mạch từ rất phức tạp đòi hỏi kỹ thuật cao và phải có các thiết bị phù hợp đáp ứng cho việc đúc cuộn dây trong môi trường chân không, quấn các mạch từ cho chính xác, đúng kỹ thuật nhằm giảm tổn hao của máy

+ Công suất, cấp điện áp bị giới hạn Nguyên nhân do điều kiện làm mát và khả năng cách điện của vật liệu khô

+ Khả năng quá tải kém hơn so với máy biến áp dầu

+ Khả năng làm mát kém

+ Giá thành của máy biến áp khô cao hơn so với máy biến áp dầu cùng loại Một mặt do công nghệ chế tạo phức tạp hơn, mặt khác do hiện nay trong nước chưa chủ động sản xuất được loại máy này nên phải nhập khẩu máy nguyên chiếc hoặc mua cuộn dây từ nước ngoài về lắp ráp nên giá thành đắt gấp ba đến bốn lần máy biến áp dầu cùng loại

1.5 Những ứng dụng chính của máy biến áp khô:

- Máy biến áp khô thích hợp lắp đặt tại các giàn khoan trên biển, tại các sân bay, trên tàu điện và nhà ga, lắp đặt trên các cẩu tự hành

- Lắp đặt trên các tàu vận tải biển cỡ lớn, tại các trung tâm máy tính, tại bệnh viện, các toà nhà cao tầng, lắp đặt trong các hầm mỏ, các trạm điện trong nhà và ngoài trời, các nhà máy công nghiệp và chế biến xăng dầu, hoá chất, các giếng khoan dầu, trạm cấp nước, hệ thống vận tải, nơi chịu bụi bẩn và mài mòn nhiều

- Có khả năng tái sử dụng: khi máy bị hỏng thì dây quấn được tách ra dễ dàng, với cuộn dây đúc epoxy đập ra được lọc lại để tái sử dụng Việc này tiết kiệm giá thành sản xuất, bảo vệ môi trường và tài nguyên

1.6 Kết luận chương 1:

Do những ưu điểm: phòng chống cháy nổ, bảo vệ môi trường của máy biến

áp khô mà hiện nay trên thế giới loại máy này ngày càng được sử dụng rộng rãi trong mạng lưới điện phân phối Công nghệ chế tạo biến áp khô trên thế giới đã có

từ vài chục năm nay

ở Việt Nam hiện nay chưa có nhà máy nào chế tạo được máy biến áp dùng vật liệu vô định hình Máy biến áp khô dùng vật liệu vô định hình thường được dùng tại những nơi đòi hỏi sự an toàn cao như: những nơi đông dân cư, nhà cao tầng, hầm

mỏ, Giá thành của máy biến áp khô hiện nay tương đối cao Nó gấp khoảng 3 đến

4 lần máy biến áp dầu tương đương Hiện nay lưới điện nước ta có xu hướng hạ ngầm các tuyến cáp cao áp trong các đô thị, các khu nhà cao tầng được xây dựng ngày càng nhiều, các khu đô thị mới hiện đại đang ngày càng tăng Do vậy máy biến

áp khô sẽ được lựa chọn để đưa vào sử dụng do những ưu điểm của máy biến áp khô Việc đưa sản xuất máy biến áp khô có lõi thép bằng vật liệu vô định hình đại trà tại Việt Nam là cần thiết Vì vậy cần nghiên cứu công nghệ chế tạo máy biến áp khô có lõi thép bằng vật liệu vô định hình và từng bước triển khai sản xuất tại Việt Nam là một yêu cầu cấp thiết Nếu như máy biến áp khô được chế tạo trong nước một mặt làm chủ được công nghệ sản xuất, mặt khác làm giảm được giá thành máy,

giảm được thời gian cấp máy cũng như thay thế sửa chữa, chắc chắn giảm cả giá so với máy biến áp khô nhập khẩu

Để giải quyết những yêu cầu đặt ra đối với việc chế tạo máy biến áp khô dùng vật liệu vô định hình tại nước ta tác giả đã theo hướng nghiên cứu như sau:

1 Nghiên cứu về vật liệu vô định hình, các ứng dụng của vật liệu vô định hình trong các thiết bị cao tần, trung tần và đặc biệt là ứng dụng vật liệu vô định hình trong việc chế tạo lõi thép máy biến áp khô tần số 50Hz

2 Nghiên cứu công nghệ chế tạo máy biến áp khô và công nghệ chế tạo cuộn dây, lõi sắt máy biến áp khô có lõi thép bằng vật liệu vô định hình

CHƯƠNG II vật liệu vô định hình và các ứng dụng của vật liệu vô

định hình 2.1 Giới thiệu chung về vật liệu vô định hình:

Với các tính chất từ rất tốt của vật liệu vô định hình đã được các nhà công nghệ quan tâm Số lượng các công trình được công bố tại các hội nghị khoa học Quốc tế từ năm 1996 đến nay đã cho thấy sự quan tâm đặc biệt của các nhà công nghệ, các nhà nghiên cứu dành cho nhóm vật liệu này Hiện nay việc sử dụng vật liệu vô định hình vào trong sản xuất cũng như trong đời sống xã hội đã được phổ biến hơn Nhất là đối với các nước phát triển nhờ vào các thành tựu khoa học, khám phá ra các loại vật liệu mới, tìm hiểu rõ hơn về các thuộc tính vật lý của vật liệu Qua đó nhằm ứng dụng các thành tựu đó vào trong thực tiễn

ở nước ta, từ năm 1990, tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và sau đó nhiều đơn vị khác đã triển khai nghiên cứu chế tạo vật liệu dẫn từ vô định hình và nano tinh thể dưới dạng băng mỏng 0,03 mm và triển khai ứng dụng vật liệu này làm các lõi biến thế tần số 400Hz và cao hơn, phục vụ việc sửa chữa khí tài quân dụng Vài nghìn sản phẩm, chủ yếu là lõi dẫn từ công suất nhỏ, tần số 400 Hz đã

được chuyển đến tay người sử dụng Trong giai đoạn 2005-2007, Trường ĐHBK Hà Nội cũng đã chuyển giao công nghệ các vật liệu từ hiện đại (băng từ vô định hình, nano tinh thể, nam châm đất hiếm kết dính và thiêu kết …) cho một nhà máy thuộc

Bộ Quốc phòng Qua đó đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm quý về cả phương diện công nghệ vật liệu cũng như khả năng và phạm vi ứng dụng chúng Qua quá trình nghiên cứu vật liệu vô định hình, các nhà khoa học của Việt Nam mong muốn ứng dụng vật liệu này làm máy biến áp phân phối là loại máy biến áp có tổn hao lõi thép nhỏ góp phần tiết kiệm năng lượng trong hệ thống điện Năm 2009, Đã có đề tài cấp Bộ về sản xuất máy biến áp công suất 50KVA dùng vật liệu vô định hình,

điện áp 35/0.4kV (theo tài liệu 6) Qua đó cho ta thấy sự hỗ trợ, quan tâm của Nhà nước trong giai đoạn đầu nhằm sản xuất máy biến áp dùng vật liệu vô định hình tại nước ta hiện nay Như vậy, có thể hy vọng nghành công nghiệp sản xuất

máy biến áp của nước ta sẽ dần không phụ thuộc vào nguồn cung cấp thép silicon

từ nước ngoài, vấn đề tiết kiệm điện năng cũng như bảo vệ môi trường sẽ tiến triển thêm một bước và theo một cách cơ bản hơn trong việc sản xuất máy điện có độ tổn hao điện rất thấp

máy biến áp phân phối bắt đầu từ năm 1982 (theo tài liệu 21)

Hình 2.1: Xu hướng phát triển về tổn hao không tải cho máy biến áp 50kVA

Hình 2.1 cho ta thấy được xu thế phát triển của công nghệ sản xuất vật liệu từ làm lõi thép máy biến áp từ những năm 1955 đến những năm 1990 Những năm

1955 chế tạo được những loại thép kỹ thuật điện có tổn hao lõi sắt lớn do sự phát triển kém của công nghệ vật liệu Công nghệ sản xuất vật liệu từ ngày dần được phát triển qua các năm và có xu thế giảm tổn hao lõi thép nhiều hơn Đến những năm

1980 vật liệu vô định hình được phát hiện để làm lõi thép máy biến áp Nó góp phần giảm tổn hao lõi thép máy biến áp, đến những năm 1990 tổn hao lõi thép máy biến

áp có sử dụng vật liệu vô định hình nhỏ hơn khoảng 3 lần so với vật liệu thép kỹ thuật điện loại tốt nhất và nhỏ hơn khoảng 7 lần so với vật liệu thép kỹ thuật điện loại tồi nhất Do máy biến áp thường có tuổi thọ làm việc lớn Nên trong quá trình

sử dụng, vận hành vẫn còn tồn tại những máy biến áp có tổn hao lõi sắt lớn Nhưng

xu hướng càng trở về các năm phía sau thì máy biến áp sử dụng vật liệu tôn silic chất lượng cao và vật liệu vô định hình càng tăng lên

Hình 2.2: Đường cong từ hoá của vật liệu vô định hình và thép silic

Đường đặc tính từ trễ của vật liệu vô định hình so với vật liệu thép silic có:

mắt từ trễ rất nhỏ so với vật liệu thép từ thông thường được sử dụng Nó làm giảm đi

tổn hao từ trễ lớn hơn, qua đó làm giảm đi tổn hao lõi sắt máy biến áp

Tổn hao không tải (W) Công suất định mức

(kVA) Vật liệu silic thông

thường

Vật liệu silic tổn hao

thấp

Vật liệu vô định hình Máy biến áp 1 pha

Bảng tổng hợp 2.1 so sánh giữa máy biến áp dùng vật liệu vô định hình với vật liệu sắt từ của máy biến áp 1 pha và máy biến áp 3 pha Qua bảng tổng hợp ta nhận thấy rằng, đối với vật liệu tôn silic thông thường có tổn hao gấp khoảng 2 lần

so với máy biến áp có sử dụng tôn silic loại tốt nhất Nhưng với máy biến áp có sử dụng vật liệu vô định hình thì có tổn hao không tải nhỏ hơn nhiều so với vật liệu loại tôn silic tốt nhất

2.2 Cấu trúc tinh thể:

Vật vật liệu vô định hình là chất rắn không có trật tự xa (hay cấu trúc tuần hoàn) về vị trí cấu trúc nguyên tử (chất rắn có trật tự xa về vị trí cấu trúc nguyên tử gọi là chất rắn tinh thể) Hầu hết các nhóm vật liệu có thể thấy hoặc được cấu trúc từ dạng vô định hình Ví dụ như: thủy tinh là gốm vô định hình, nhiều polymer (như polystyrene) là vô định hình

Bernal J.D và Finney J.K đề ra mô hình cấu trúc của hợp kim vô định hình: như cái túi bằng cao su được lèn chặt các quả cầu cứng, sau đó ép chặt lại để các quả cầu cứng xếp sít chặt với nhau một cách ngẫu nhiên Bernal cho rằng mối quan hệ ba chiều trong cấu trúc xếp chặt ngẫu nhiên có thể hình dung ở các dạng đa diện khác nhau Nếu cho rằng sự dao động chiều dài các cạnh của các đa diện tới 15% thì cấu trúc xếp chặt ngẫu nhiên có thể được cấu thành từ năm loại đa diện (hình 2.4) Trong mô hình này các quả cầu cứng xếp khít chặt nhưng ngẫu nhiên, dẫn đến việc tồn tại trật tự gần và không có trật tự xa Mật độ nguyên tử trong quá trình xếp chặt ngẫu nhiên đạt khoảng 65%, còn lại là lỗ trống khoảng 35% (trong đó có tới 21% lỗ trống lớn, ở đó có thể xen vào các nguyên tử có kích thước nhỏ làm cho mật độ và độ ổn

định cấu trúc tăng lên Trong các hợp kim vô định hình thường được chọn % nguyên

tử á kim có bán kính nhỏ hơn nên đã điền đầy vào các lỗ trống giữa các nguyên tử kim loại Trong mô hình Bernal quanh mỗi nguyên tử có thể tồn tại năm nguyên tử lân cận (thay vì phải có sáu nguyên tử trong tinh thể), tức là có cấu trúc bậc 5 Trong năm loại đa diện (hình 2.4) khối tứ diện a) và bát diện b) là đặc trưng cho tinh thể (gần 91%), ngoài ra còn có các khối 14 mặt (khoảng 9%) Trong khoảng 9% khối đa diện phi tinh thể này, khối 14 mặt có kích thước lỗ trống lớn nhất

Hình 2.3: Năm loại mạng cơ bản trong cấu trúc trật tự gần theo mô hình Berna

Mô hình xếp chặt ngẫu nhiên Bernal cho phép kết luận rằng: trong hợp kim vô định hình:

- Các quả cầu nguyên tử xếp khít chặt tạo nên trật tự gần

- Tồn tại các đa diện phi tinh thể và do tính sắp xếp ngẫu nhiên làm mất trật

tự xa dẫn tới việc giảm mật độ

Khác với tôn silic, thép vô định hình không có cấu trúc mạng tinh thể Cấu trúc vô định hình giảm thiểu tổn hao từ trễ và tổn hao dòng phu cô trong lõi thép

Cấu trúc phân tử của thép phụ thuộc cách làm nguội Nấu thép, làm nguội từ

từ, các nguyên tử thép được sắp xếp mạng tinh thể Nếu là nguội đột ngột các nguyên tử có thể không đủ thời gian sắp xếp theo mạng tinh thể mà theo dạng vô

định hình (hình 2.4)

Hình 2.4: Cấu trúc nguyên tử thép thường (trái), thép vô định hình (phải)

Có các loại vật liệu vô định hình dựa trên những nguyên tố khác nhau: (hình 2.5)

Hình 2.5: Sơ đồ các dạng vật liệu vô định hình

2.2.1 Vật liệu vô định hình dựa trên nguyên tố cơ bản là sắt:

Theo tiêu chuẩn của trung Quốc: 1K101-1K106

1K101： Fe 76-81( Si B) 19-24

* Thuộc tính:

- Có tổn hao lõi sắt nhỏ (khoảng 1/3 đến 1/5 so với lõi thép kỹ thuận điện)

- Mật độ từ thông cao, cường độ từ trường cao

- Dòng điện kích thích nhỏ

- Chịu được nhiệt độ cao và độ già hóa

* ứng dụng:

- Máy biến áp phân phối (tần số 50-60Hz)

- Máy biến áp trung tần (tần số 400-15kHz)

- Máy biến áp nguồn đóng cắt (dưới 15kHz)

- Bộ lọ xung vuông, cuộn cảm lọc và tích năng lượng (dưới 50Hz)

- Bộ nén xung, điện kháng bão hoà

Hình 2.6: Vật liệu vô định hình dựa trên nguyên tố sắt

(Fe-Ni-based amorphous)

2.2.2 Vật liệu vô định hình dựa trên nguyên tố cơ bản là Coban:

Theo tiêu chuẩn của trung Quốc: 1K201-1K206

1K201： Co67-69Fe3.5-5 Si7-10 B 16-19 M1.2-2.2

* Thuộc tính:

- Có tổn hao lõi sắt nhỏ

- Có thuộc tính chống ăn mòn

- Chịu đ−ợc nhiệt độ cao và độ già hóa

* ứng dụng:

- Máy biến áp chính với nguồn tần số đóng cắt cao (tần số 20kHz-200kHz)

- Bộ lọc xung vuông, lọc sóng và tích năng l−ợng