Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp có tính đến ảnh hưởng phân bố nhiệt trong máy biến áp khô có lõi thép vô định hình TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM HỒNG HẢI NGHIÊN CỨU LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP CĨ TÍNH ĐẾN ẢNH HƯỞNG PHÂN BỐ NHIỆT TRONG MÁY BIẾN ÁP KHƠ CĨ LÕI THÉP VƠ ĐỊNH HÌNH Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9520201 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2021 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Đức Tùng PGS TS Phạm Văn Bình Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi … giờ, ngày … tháng… năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Khi nghiên cứu đến lực ngắn mạch tổng hợp tác động lên MBA ta nghiên cứu lực điện từ lực nhiệt động (ứng suất nhiệt) Bài toán lực điện từ tương tác dòng điện từ trường tản vùng dây quấn MBA có nhiều nghiên cứu Khi ngắn mạch dịng ngắn mạch lớn, lực điện từ sinh lớn làm uốn cong, xê dịch chí làm phá hủy dây quấn, làm nổ MBA [1],[2],[3] Ở MBA khô phân phối có cuộn dây đúc nhựa epoxy với đặc tính ưu điểm sử dụng nhiều tịa nhà, khu dân cư, đường hầm, nơi yêu cầu cao an tồn phịng chống cháy nổ Lực nhiệt động tác dụng lên dây quấn MBA ngắn mạch thay đổi phân bố nhiệt, thay đổi nhiệt độ làm việc tạo ứng suất phân bố nhiệt độ không đồng lớp epoxy, ứng suất chênh lệch nhiệt độ dây quấn lớp epoxy Lực nhiệt động liên quan chặt chẽ đến phân bố nhiệt độ sau thời điểm ngắn mạch đồng thời liên quan đến chất vật liệu làm dây quấn epoxy Vì vậy, lời giải cho tốn nghiên cứu lý thuyết, tính tốn lực điện từ, ứng suất nhiệt tác dụng lên dây quấn MBA ngắn mạch thông số nhiệt vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ điều cần thiết phải nghiên cứu Do đó, luận án: “Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp có tính đến ảnh hưởng phân bố nhiệt máy biến áp khơ có lõi thép vơ định hình” đặt cần thiết có ý nghĩa quan trọng giai đoạn Mục tiêu, đối tượng, phương pháp phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: • Nghiên cứu, tính tốn, mơ tốn điện từ tốn nhiệt MBA khơ bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH có xét đến ảnh hưởng đặc tính nhiệt vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ • Tính tốn lực ngắn mạch tổng hợp MBA khơ bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH có tính đến lực nhiệt động phân bố nhiệt độ không đồng lớp epoxy chênh lệch nhiệt độ dây quấn lớp epoxy Đối tượng nghiên cứu • MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH có hình dạng dây quấn hình chữ nhật Phạm vi nghiên cứu • Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp MBA khơ bọc epoxy có xét đến hình dạng dây quấn hình chữ nhật • Nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng nhiệt độ làm thay đổi thông số α(T0C), (T0C), Cp(T0C) (thông số nhiệt) epoxy số trạng thái làm việc MBA • Xây dựng mơ hình tốn với đặc tính nhiệt epoxy phụ thuộc vào nhiệt độ • Xây dựng đặc tính lực ngắn mạch tổng hợp MBA khơ có bao gồm lực nhiệt động phân bố nhiệt độ không đồng lớp epoxy chênh lệch nhiệt độ dây quấn lớp epoxy có tính đến thơng số α(T0C), (T0C), Cp(T0C) thay đổi tình trạng làm việc MBA • Đánh giá lực tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA ngắn mạch Phương pháp nghiên cứu • Áp dụng phương pháp tính tốn đại ứng dụng mơ trường điện từ, khí, nhiệt hệ thống thiết bị điện có kích thước lớn, cấu trúc phức tạp • Sử dụng phần mềm mơ số để tính tốn xác định điểm phát nóng cục • Sử dụng phần mềm tương tác đa mơi trường Ansys Workbench để mơ tốn Điện từ - Nhiệt – Cơ MBA ngắn mạch • Kết hợp số nghiên cứu thực nghiệm Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Ý nghĩa khoa học • Xác định phân bố lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA vị trí có ứng suất lực lớn dây quấn MBA có tính đến ảnh hưởng thay đổi theo nhiệt độ thông số α(T0C), (T0C), Cp(T0C) • Đối với MBAVĐH có cấu trúc đặc biệt lõi thép kéo theo cuộn dây có cấu trúc hình trụ chữ nhật, cần quan tâm đến bán kính cong góc trụ chữ nhật để giảm xung lực vùng góc cuộn dây Đây cũng nội dung khai thác nghiên cứu sau • Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) với phần mềm Ansys Structure 3D cho phép tìm ứng suất nhiệt phân bố cuộn dây MBA đồng thời tìm điểm có ứng suất nhiệt lớn Giúp ích cho kỹ sư tìm giải pháp việc thiết kế giảm ứng suất tập trung (ví dụ: xác định bán kính cong thích hợp, chọn vị trí thổi gió cưỡng bức…) Ý nghĩa thực tiễn • Xác định phân bố lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA vị trí có ứng suất lớn dây quấn MBA có tính đến ảnh hưởng phân bố nhiệt • Các kết đạt giúp cho việc tính tốn, thiết kế tối ưu kết cấu MBA Từ đó, giúp cho nhà chế tạo làm chủ công nghệ chế tạo MBA khô Việt Nam • Việc áp dụng phương pháp PTHH phần mềm Ansys Fluent 3D cho phép tìm phân bố nhiệt vị trí vịng dây trường hợp ngắn mạch cố nguy hiểm phía hạ áp MBA không hỗ trợ cho thiết kế chế tạo mà cịn có vai trị quan trọng việc kiểm tra sản phẩm • Phương pháp PTHH với phần mềm Ansys Structure 3D cho phép tìm ứng suất nhiệt phân bố cuộn dây MBA đồng thời tìm điểm có ứng suất nhiệt lớn Giúp ích cho kỹ sư việc thiết kế MBA giảm công sức thử nghiệm phá hủy chế tạo MBA Các đóng góp luận án Nội dung luận án tập trung nghiên cứu tính toán lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH Luận án đạt số kết nghiên cứu tóm lược sau: • Tính phân bố lực ngắn mạch tổng hợp MBA khơ bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH có tính đến ứng suất gây phân bố nhiệt độ không đồng lớp epoxy ứng suất chênh lệch nhiệt độ dây quấn lớp epoxy có tính đến thay đổi thơng số α(T0C), (T0C), Cp(T0C) (thơng số nhiệt) tình trạng làm việc MBA • Xây dựng đường cong thực nghiệm thông số nhiệt vật liệu epoxy phụ thuộc nhiệt độ • Xây dựng mạch nhiệt thay tương đương MBA khơ giúp giải nhanh tìm phân bố nhiệt độ MBA • Đánh giá lực tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA ngắn mạch Cấu trúc nội dung luận án Ngoài phần mở đầu, nội dung luận án gồm chương phụ lục, cụ thể: Chương 1: Tổng quan Chương Nghiên cứu mơ hình tốn tính lực ngắn mạch tổng hợp tác đụng vào dây quấn MBA Chương Xây dựng mơ hình tốn tính phân bố nhiệt MBA khơ với đặc tính vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ Chương Tính tốn phân bố nhiệt lực ngắn mạch tổng hợp MBA CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Mô số thiết bị điện – điện tử Trong trình chế tạo thiết bị điện, giảm chi phí vấn đề quan trọng nhà nghiên cứu, thiết kế chế tạo nước quan tâm Cùng với phát triển khoa học máy tính kiến thức vật lý đại, việc sử dụng phương pháp số để tính tốn mơ đại lượng trường máy điện nói chung MBA nói riêng ln quan tâm Hơn nữa, phương pháp số cũng giúp cho việc dễ dàng thay đổi tham số, tạo nhiều mơ hình ảo đáp ứng u cầu thiết kế mà khơng tốn thêm chi phí 1.3 Máy biến áp hệ thống điện 1.3.1 MBA khô MBA khô có cuộn dây đúc nhựa epoxy thích hợp nơi có u cầu cao phịng chống cháy nổ, nơi đơng người qua lại, cơng trình gần biển, tồ nhà cao tầng, lịng đất v.v Số lượng MBA khô loại ngày chiếm thị phần lớn thị trường giới Nhưng giá thành MBA khô cao hơn, công suất cấp điện áp MBA khô bị giới hạn so với MBA dầu [8] 1.3.2 Máy biến áp có lõi thép VĐH Xu người ta ưu tiên lựa chọn MBA có hiệu suất cao Lựa chọn phương án thiết kế MBA có hiệu suất cao mang ý nghĩa lớn, Nhờ vào thành phần cấu trúc vi mô đặc biệt, thép VĐH đáp ứng yêu cầu để giảm tổn hao lõi là: lực kháng từ nhỏ, HC ~ 5-10 A/m (so với ~50-100 A/m tôn silic); độ dày tự nhiên thép nhỏ, td ~ 0,03 mm (so với ~ 0,3-0,5 mm tôn silic) điện trở suất lớn ρ ~ 130-170 μΩcm (so với ~50-60 μΩcm tôn silic) Nhờ vào tính chất mà tổn hao lõi thép VĐH giảm mạnh so với thép silic loại tốt [6] 1.4 Tổng quan nghiên cứu MBA khơ có cuộn dây đúc epoxy lõi thép VĐH giới 1.4.1 Về vấn đề lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA giới 1.4.1.1 Đối với MBA lõi thép silic Trên giới có nhiều cơng trình nghiên cứu lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA khô, liệt kê sau: Nhóm tác giả: Hyun-Mo Ahn Ji-Yeon Lee phân tích, tính tốn lực điện từ ngắn mạch MBA lõi thép silic có tiết diện trịn phương pháp PTHH [23],[24],[25] Nhóm tác giả thực MBA khô pha với cơng suất MVA, phân tích từ trường tản phương pháp PTHH với phần mềm Maxwell Kết mơ lực điện từ hướng kính hướng trục, phân bố cuộn CA, HA Hình 1.9 Hình 1.10 Trong nghiên cứu này, tác giả cũng đưa giá trị lực điện từ hướng trục lớn cuộn HA 2597N cuộn CA 2851N; lực điện từ hướng kính lớn cuộn HA 11698N cuộn CA 5568N 1.4.1.2 Đối với MBA sử dụng lõi thép silic MBA VĐH có cấu trúc đặc biệt lõi thép dây quấn hình chữ nhật nên phân bố điện trường phân bố lực tác dụng lên dây quấn cũng khác vòng dây [30],[4],[31],[5] Nhóm tác giả B Tomczuk, D Koteras, K Zakrzewski [7], phân tích từ trường điện kháng ngắn mạch MBA pha lõi MBA VĐH Nội dung báo đề cập đến biến đổi khe hở khơng khí d gây thay đổi phân bố từ thông Giá trị từ thông thay đổi 25% d thay đổi từ – 7mm Tính tốn áp dụng cho cuộn dây trịn áp dụng lên cuộn dây hình chữ nhật [32] Các kết tính tốn phân bố từ trường điện kháng ngắn mạch so sánh với kết thực nghiệm Nhóm tác giả Malick Mouhamad, Christophe Elleau [5], đưa tính tốn lực điện động ngắn mạch cuộn dây cao áp hạ áp MBA VĐH sử dụng lõi thép 2605SA1 có cuộn dây hình chữ nhật có xét đến chiều dày cuộn dây Kết báo đưa khuyến cáo tính tốn lực tác dụng lên dây quấn nên tính theo cách có xét đến bề dày cuộn dây khoảng cách hai cuộn dây, quan trọng tính lực cho MBA có lõi VĐH vì cuộn dây có hình chữ nhật mà khơng phải trịn, phân bố lực khơng đối xứng Hình 1.11 Lõi thép VĐH CA HA HA CA Hình 1.11 Cuộn HA CA máy VĐH sau bị tác dụng lực điện từ ngắn mạch [8] 1.4.2 Nghiên cứu phân bố nhiệt MBA khô giới Vì vậy, việc tìm phân bố nhiệt cũng xác định điểm phát nóng cục MBA khơ quan trọng Nó giúp nhà thiết kế, chết tạo cải tiến thiết bị để tăng tuổi thọ cũng hiệu suất làm việc MBA [33][34][35] Từ năm 1944 việc xác định điểm phát nóng cuộn dây MBA khơ tác giả Satterlee [36], Whiteman [37] đưa nghiên cứu Tác giả Whiteman kết luận độ tăng nhiệt độ cho phép cuộn dây MBA khô từ 30℃ đến 80℃ Nhóm tác giả Yifan Chen, Changgeng Zhang nghiên cứu [46] so sánh phương pháp sử dụng mơ hình mạch nhiệt thay tương đương (LPTN) phương pháp PTHH Nghiên cứu cho thấy việc áp dụng mơ hình LPTN có khả thi kết tính tốn nhiệt độ cịn lệch nhiều (Hình 1.12) Đồng thời, nghiên cứu tác giả nhiệt độ nóng tập trung phần cuộn dây (Hình 1.14) Nhiệt độ nóng cuộn CA 60,89℃ cuộn HA 73,83℃, nhiệt độ nóng lõi 47,26℃ (a) (b) Hình 1.11 Mơ hình MBA khô (a) phần nghiên cứu phân bố nhiệt, (b) Mạch nhiệt cho phần nghiên cứu [46] Trong nghiên cứu [42], Wang Ning sử dụng COMSOL Multiphysics mô 3D phân bố nhiệt MBA khơ có kiểm chứng kết mơ với đo đạc thực nghiệm để chứng minh tính đắn mơ hình Hình 1.15 Kết cho thấy nhiệt độ cao tập trung vùng cuộn dây, pha B có nhiệt độ cao pha A pha C Kết mơ có kiểm chứng với kết đo đạc thực nghiệm để chứng minh tính đắn mơ hình Hình 1.15 Mô phân bố nhiệt MBA phần mềm COMSOL Multiphysics [42] Tóm lại: Với phân tích trên, nhận thấy có nhiều nhà nghiên cứu giới sử dụng phương pháp khác để tính tốn, phân tích tốn nhiệt MBA khô Tuy nhiên, phương nghiên cứu nhiệt chủ yếu kể đến thông số điện từ mà chưa kể đến ảnh thông số vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ MBA làm việc chế độ tải ngắn mạch 1.5 Những nghiên cứu nước máy biến áp lõi vơ định hình Trong lĩnh vực nghiên cứu, có vài luận án thạc sĩ nghiên cứu MBA sử dụng lõi thép VĐH Tác giả Bùi Đình Chi [49] nghiên cứu tìm hiểu công nghệ chế tạo MBA khô lõi thép VĐH Tác giả Hoàng Tháp Mười [18] nghiên cứu phân bố nhiệt MBA khơ có lõi thép VĐH tác giả sử dụng thông số nhiệt vật liệu epoxy số phân bố nhiệt nghiên cứu phần mềm FlexPDE 2D Trong tài liệu [9], tác giả Đoàn Thanh Bảo nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH Tác giả xây dựng toán tổng quát từ trường tản cửa sổ mạch từ MBA với từ vectơ A Ứng dụng phương pháp giải tích PTHH 2D để tính ứng suất lực hướng trục hướng kính dây quấn trường hợp ngắn mạch pha đối xứng phía HA Tóm lại: nghiên cứu MBA khơ có lõi thép VĐH Việt Nam cịn hạn chế số lượng cơng trình cơng bố vấn đề tồn sau: Còn nghiên cứu tính lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn bao gồm lực điện từ ứng suất nhiệt dây quấn MBA khô bọc epoxy Trong việc tính tốn mơ phân bố nhiệt MBA khơ bọc epoxy chưa tính đến việc thơng số vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ Việc tính tốn mơ phân bố nhiệt MBA khơ dạng 2D đồng thời chưa có kiểm chứng với liệu thực nghiệm 1.6 Những nghiên cứu thông số nhiệt vật liệu epoxy Trong việc tính tốn mơ phân bố nhiệt MBA khơ, bên cạnh điều kiện biên, điều kiện thời gian điều kiện hình học, điều kiện vật lý bao gồm hệ số dẫn nhiệt 𝜆, khối lượng riêng ρ, nhiệt dung riêng 𝑐𝑝 cần phải biết trước Trên sở giải xấp xỉ toán dẫn nhiệt bên lớp epoxy, trường nhiệt độ lớp cách nhiệt xác định qua giúp dự đốn điểm nóng cục bên máy Các thơng số nhiệt vật lý thường đại lượng vật lý khó xác định, đặc biệt hệ số dẫn nhiệt Hệ số dẫn nhiệt (λ) đại lượng vật lý đặc trưng cho khả dẫn nhiệt vật, nên xác định thực nghiệm Theo tài liệu [53],[54] hệ số dẫn nhiệt vật liệu cách điện epoxy sử dụng MBA nằm khoảng 0,33 – 0,5 W/mK, loại vật liệu có hệ số dẫn nhiệt thấp Do phương pháp không ổn định phù hợp để xác định hệ số dẫn nhiệt vật liệu cách nhiệt nói chung vật liệu epoxy nói riêng Phương pháp đo khơng ổn định sử dụng nguồn dịng xác định hệ số dẫn nhiệt 𝜆 vật liệu cách điện cũng sử dụng rộng rãi [55]-[56] García cộng [57] thực nghiệm đo hệ số dẫn nhiệt vật liệu cách điện epoxy sử dụng MBA, sau sử dụng kỹ thuật ước lượng tham số để xác định hệ số lại như: nhiệt dung riêng 𝑐𝑝 hệ số khuếch tán nhiệt 𝛼 Trong nước, lĩnh vực kỹ thuật nhiệt có nhiều tác giả cũng nghiên cứu chế tạo thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt thực nghiệm tác giả Nguyễn Đức Lợi, Đặng Quốc Phú, Đinh Văn Thuận [58], [59] Năm 1996, tác giả Đinh Văn Thuận [50] trình bày thiết kế chi tiết thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt dạng que thăm Tóm lại: Việc đo thơng số nhiệt vật lý vật liệu cần thiết, nhu cầu cấp nhiều ngành công nghiệp từ xây dựng, đến sản xuất chế tạo thiết bị điện Một số cơng trình nghiên cứu xây dựng nghiên cứu thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt dẫn nhiệt độ nhiều loại vật liệu có hệ số dẫn nhiệt thấp theo nguyên lý nguồn đường Tuy nhiên, thiết bị đo cịn cồng kềnh phải đặt cố định phịng thí nghiệm nên hạn chế khả sử dụng Các số liệu thu chưa tập hợp thành sở liệu Hơn nữa, đa phần thiết bị chế tạo dựa sở lý thuyết chưa dựa vào tiêu chuẩn 1.7 Những vấn đề tồn Với phân tích ta thấy nghiên cứu lực ngắn mạch MBAVĐH hạn chế số lượng cơng trình cơng bố cũng vấn đề mà cơng trình chưa khai thác hết Cụ thể vấn đề tồn sau: Cịn nghiên cứu tính lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn bao gồm lực điện từ ứng suất nhiệt dây quấn MBA khơ bọc epoxy Trong việc tính tốn mô phân bố nhiệt MBA khô bọc epoxy chưa tính đến việc thơng số vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ Chưa tính phân bố ứng suất nhiệt chênh lệch nhiệt độ lớp epoxy dây quấn trường hợp ngắn mạch MBA có tính đến thơng số vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ Chưa xác định bán kính cong giới hạn cuộn dây trụ chữ nhật việc thiết kế giảm ứng suất tập trung 1.8 Đề xuất hướng nghiên cứu tác giả Những nghiên cứu thực nghiệm hệ số dẫn nhiệt vật liệu cách điện epoxy sử dụng MBA chưa đủ tin cậy để ứng dụng, khác biệt phương pháp chế tạo tỉ lệ phối trộn phụ gia dẫn đến sai số Vì tác giả để xuất hướng nghiên cứu sau: • Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt, dẫn nhiệt độ vật liệu epoxy theo tiêu chuẩn ASTM D5334 dạng que thăm nhiệt Trên sở xác định đặc tính nhiệt vật liệu epoxy sử dụng sản xuất MBA khô Việt Nam thực nghiệm • Nghiên cứu mơ hình mơ phân bố nhiệt MBA khơ có cuộn dây bọc epoxy sở đặc tính nhiệt vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ điều kiện tải khác Từ áp dụng mơ phân bố nhiệt MBA khô trường hợp ngắn mạch • Xác định phân bố lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA khô bọc epoxy vị trí có ứng suất lực lớn dây quấn MBA có tính đến ảnh hưởng thay đổi theo nhiệt độ thông số α(T0C), (T0C), Cp(T0C) • Đánh giá lực tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA ngắn mạch • Đề xuất định hướng giảm ứng suất tập trung vùng góc bối dây cách xác định bán kính cong thích hợp cuộn dây trụ chữ nhật MBA sử dụng lõi thép VĐH 1.9 Kết luận chương Trong chương này, luận án giới thiệu MBA khơ có cuộn dây đúc epoxy, với ưu điểm MBA so với MBA dầu nên số lượng MBA khô ngày chiếm thị phần lớn thị trường giới Xu người ta ưu tiên lựa chọn MBA có hiệu suất cao Đặc biệt, sử dụng MBA lõi thép vật liệu VĐH làm giảm tổn hao không tải đến 60% -70% so với thép silic loại tốt MBAVĐH có cấu trúc đặc biệt lõi thép cuộn dây hình chữ nhật nên phân bố điện trường, từ trường tản phân bố lực tác dụng lên cuộn dây cũng không đối xứng vòng dây Hơn nữa, lúc xảy ngắn mạch lực lớn nguy hiểm cuộn dây Luận án cũng phân tích tranh đầy đủ cơng trình nghiên cứu ngồi nước phương pháp tính tốn lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA lõi thép silic MBA lõi thép VĐH Trên sở phân tích cơng trình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài, luận án vấn đề tồn cơng trình trước đó, để từ đề mục tiêu phương pháp nghiên cứu để giải mặt cịn tồn Nội dung nghiên cứu luận án trình bày chương CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH TỐN TÍNH LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP TÁC DỤNG VÀO DÂY QUẤN Mba 2.1 Giới thiệu 2.2 Hệ phương trình Maxwell tốn điện từ 2.3 Mơ hình tốn điện từ phương pháp tích phân số 2.4 Nghiên cứu mơ hình tốn tính ứng suất lực diện từ dây quấn theo từ vectơ A Xuất phát từ hệ phương trình Maxwell trình bày phần 2.2, miền nghiên cứu từ trường vùng cửa sổ mạch từ có mật độ dịng điện nguồn J Giả thiết MBA đặt môi trường không tồn điện trường tồn thành phần dòng điện chảy cuộn CA HA mà khơng tồn dịng điện dịch Khảo sát từ vectơ A cửa sổ MBA theo tọa độ Descartes (x,y), lúc từ trường, từ biến thiên theo phương vng góc với mặt phẳng bị triệt tiêu: 𝐵𝑍 = {𝜕𝑨 =0 𝜕𝑧 Phương trình (2.67) viết lại sau: 𝜕2𝑨 𝜕2𝑨 + = −𝜇𝑱 𝜕𝑥 𝜕𝑦 (2.68) (2.69) Phương trình (2.69) phương trình đạo hàm riêng cấp hai với biến số x, y độc lập Từ phương trình (2.66) (2.68) ta suy ra: 𝜕𝑨 𝜕𝑦 𝜕𝑨 𝐵𝑦 = − 𝜕𝑥 {𝐵𝑧 = 𝐵𝑥 = (2.70) 2.4.1 Điều kiện biên Trên sở lý thuyết điều kiện biên bờ tổng quát trình bày phần 2.2.2 2.2.3, đặc tính vật liệu (xem mục 2.2.1) làm lõi MBA có độ từ thẩm lớn nhiều lần so với độ tự thẩm khơng khí lớp tiếp xúc hai bề mặt này, thành phần từ cảm theo phương tiếp tuyến bị triệt tiêu Điều thể sau: 𝐵𝑥 (𝑦=0,ℎ) = (2.74) {𝐵 𝑦 (𝑥=0,𝑑) = 2.4.2 Tính số tích phân Aj,k Để giải phương trình (2.69) giả thiết A có nghiệm tổng quát dạng chuỗi điều hòa Trường hợp tổng quát số tích phân Aj,k sau: 𝑔 𝐴𝑗,𝑘 𝜇0 ∑ 𝑱𝑠 (𝑠𝑖𝑛𝑚𝑗 𝑑2𝑠 − 𝑠𝑖𝑛𝑚𝑗 𝑑1𝑠 )(𝑠𝑖𝑛𝑛𝑘 ℎ2𝑠 = 𝑑 ℎ 𝑚𝑗 𝑛𝑘 (𝑚𝑗2 + 𝑛𝑘2 ) (2.86) 𝑠=1 − 𝑠𝑖𝑛𝑛𝑘 ℎ1𝑠 ) 2.4.3 Phương trình ứng suất lực dây quấn viết theo từ vecto A(x,y) + Ứng suất lực theo trục x    x,s = - J s  j=1 k=1 A j,k nk (sinn k h s2 - sinn k h1s )(cosm jd s2 - cosm jd1s ) + Ứng suất lực theo trục y (2.87) Thay liệu có vào phương trình (2.133), (2.137) (2.138) ta có hệ phương trình ẩn số: (2.139) −2,144 𝑝3𝑧 − 6,60 𝑝2𝑧 − 0,0657 𝜎𝑧4 = {8,167 𝑝3𝑧 + 1,33𝑝2𝑧 − 0,0657 𝜎𝑧4 = 19,86 𝑝3𝑧 + 19,86 𝑝2𝑧 − 88,753𝜎𝑧4 = 44,03.105 Giải hệ phương trình (2.139), Ta có nghiệm p3z; p2z z4 (2.140) 𝑝3𝑧 = −5068,7 𝑘𝑁/𝑚2 {𝑝2𝑧 = 6583,43 𝑘𝑁/𝑚 𝜎𝑧4 = −9916,48 𝑘𝑁/𝑚2 2.6.3 Tổng ứng suất vùng biên 2.6.3.1 Ứng suất hai đầu dây quấn: 𝑝𝑧 = −’z2 − ’z3 − ’z4 (2.141) Trong đó: ’z2 (từ kết (2.131), ’z3 (từ kết (2.123), z4 (từ kết (2.140) Do vậy: 𝑝𝑧 = 8,318 (MPa) 2.6.3.2 Ứng suất dây quấn với lớp epoxy phía ngồi: (2.142) p = p’3 + p’32 + p3𝑧 + p′ ’32 Trong đó: p’3 từ kết (2.123), p3z từ kết (2.140), p’32 từ kết (2.143), p”32 từ kết (2.144) Do vậy: p = −4,107 (MPa) 2.6.3.3 Ứng suất dây quấn với lớp epoxy phía trong: p2 = p’2 + p’23 + p2z + p”23 (2.145) Trong đó: p’2 từ kết (2.131), p2z từ kết (2.140), p’23 từ kết (2.140) p”23 từ kết (2.140) Do vậy: p2 = 4,691 (MPa) 2.7 Kết luận chương Trong chương này, luận án giới thiệu lý thuyết trường điện từ hệ hệ phương trình Maxwell, điều kiện bờ điều kiện biên Tác giả cũng nghiên cứu, phát triển phương trình tích phân số mơ cấu trúc đặc biệt dạng vỏ mỏng, dạng dây dẫn so sánh kết mơ với phương pháp PTHH Ngồi ra, chương cũng trình bày nghiên cứu mô hình giải tích dựa cơng thức từ véc tơ A Tiếp theo, để minh chứng cho tính đắn lý thuyết mơ hình tốn xây dụng, luận áp áp dụng mơ hình tốn tốn thực tế để tính ứng suất lực ngắn mạch điện động cho MBA 320kVA 22/0,4kV Các kết giá trị dòng điện ngắn mạch cực đại cuộn HA CA lớn gấp 37 lần biên độ dòng điện định mức Với giá trị dòng điện ngắn mạch cực đại, tác giả áp dụng tính tốn ứng suất lực ngắn mạch dây quấn HA CA Đặc biệt, phân tích đưa ứng suất lực hướng kính x hướng trục y theo bề dày cuộn HA CA, giá trị ứng suất lực điện từ tổng xymax lớn nằm cuộn dây (theo chiều cao y) giá trị ứng suất lực hướng kính vị trí ứng suất lực hướng trục khơng Cụ thể, cạnh ngồi (x2) cuộn HA _x_x2_HA = 6,0798.107 N/m2; cạnh 11 (x3) cuộn CA _x_x3_CA = 4,198.107 N/m2, ứng suất lực hướng trục y có giá trị lớn cạnh (x1) cuộn HA (x4) cuộn CA y_x1_HA = 2,453.107 N/m2 y_x4_CA = 1,693.107 N/m2 Kết giá trị ứng suất tổng xymax = 6,0798.107 N/m2 chưa vượt giới hạn bền cho phép dây quấn Cũng chương này, tác giả nghiên cứu mơ hình giải tích ứng suất nhiệt tác dụng lên dây quấn MBA khô bọc lớp epoxy Sau xác định giá trị ứng suất lực điện từ ứng suất nhiệt, ta tính ứng suất tổng hợp tác dụng vào dây quấn MBA Ứng suất tổng hợp tác dụng vào dây quấn MBA khô, tẩm cách điện epoxy ngắn mạch tổng xếp chồng ứng suất lực điện từ; ứng suất độ chênh lệch nhiệt độ dây quấn epoxy; ứng lực phân bố nhiệt độ không đồng lớp epoxy CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN PHÂN BỐ NHIỆT MBA KHƠ VỚI CÁC ĐẶC TÍNH NHIỆT VẬT LIỆU EPOXY THAY ĐỔI THEO NHIỆT ĐỘ 3.1 Giới thiệu 3.2 Nghiên cứu mơ hình tốn tính phân bố nhiệt MBA khô 3.2.1 Nguồn nhiệt MBA 3.2.2 Dẫn nhiệt 3.2.3 Trao đổi nhiệt đối lưu 3.2.4 Trao đổi nhiệt xạ 3.2.5 Mơ hình tốn q trình truyền nhiệt MBA khơ Các mơ hình tốn học cho MBA dựa giả định sau đây: - Dây quấn MBA hình trụ trịn đối xứng - Vật liệu epoxy đồng tính đẳng hướng - Chế độ xác lập Từ điều kiện ta viết phương trình truyền nhiệt theo tọa độ trụ: (3.47) 𝜆 𝜕𝑇 𝜕2𝑇 𝜕2𝑇 +𝜆 +𝜆 +𝑄 =0 𝑟 𝜕𝑟 𝜕𝑟 𝜕𝑧 Trong đó: r,z – tọa độ trụ bán kính dọc trục T – nhiệt độ Q – nhiệt lượng tổn hao đồng Điều kiện biên: T = T(r) – (phân bố nhiệt hướng kính đáy đỉnh) T = T(z) – (phân bố nhiệt dọc trục diện tích mặt mặt ngoài) Phương pháp thực nghiệm sử dụng để xác định điều kiện biên thực tế khó để xác định hệ số đồng dạng trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên Điều kiện biên giúp giải mơ hình truyền nhiệt đơn giản Tuy nhiên, để giải toán phân bố nhiệt với nguồn nhiệt không đồng nhất, bề mặt dây quấn phức tạp phương pháp giải tích gặp khó khăn 3.3 Nghiên cứu phương pháp mạch nhiệt thay tương đương MBA khơ áp dụng tính toán cho toán cụ thể 3.3.1 Thiết lập mạch nhiệt thay tương đương MBA Để xây dựng mơ hình mạch nhiệt, đối tượng nghiên cứu chia thành phần tử nhiệt biểu diễn cấu hình nút mạng Các phần tử nhiệt liên kết với dạng mạch gồm nút nhiệt trở mắc xung quanh Khi xét 12 đến nguồn phát nhiệt (các dạng tổn thất MBA), mạch nhiệt giống mạch điện với điện trở nguồn dòng, đồng thời đại lượng điện thay đại lượng nhiệt tương đương Bảng 3.1 cho áp dụng định luật mạch điện cho mạch nhiệt nói phản ánh đầy đủ q trình truyền nhiệt đối tượng cần phân tích nhiệt Bảng 3.1 Sự tương quan số đại lượng điện đại lượng nhiệt Các đại lượng điện Các đại lượng nhiệt tương đương Thế φ [V] Nhiệt độ θ [oC] Dòng điện I [A] Nguồn nhiệt Q [W] Mật độ dòng J [A/m2] q [W/m2] Điện dẫn G [S] Thông lượng nhiệt Nhiệt dẫn Gth [W/oC] Điện trở R [Ω] Nhiệt trở Rth [oC/W] Điện dung C [F] Nhiệt dung Cth [J/oC] 3.3.2 Mạch nhiệt thay tương đương MBA khô 320kVA 22/0,4kVA Mô hình áp dụng cho MBA khô 320kVA-22/0,4kV (do SANAKY chế tạo) với thông số kỹ thuật cho Bảng 3.2 Từ liệu tính tốn nhiệt trở nút nhiệt ta có mạch nhiệt thay tương đương MBA khơ VĐH sau: Hình 3.14 Mơ hình mạch nhiệt thay tương đương MBA khô 320kVA Mạch nhiệt thay tương đương giải mạch điện Điện nút nhiệt độ phần tử nhiệt Mạch điện giải phần mềm ANSYS Simplorer Phân bố nhiệt độ MBA thể Hình 3.15 Hình 3.15 Phân bố nhiệt độ MBA giải mạch nhiệt thay tương đương 13 Từ phân bố nhiệt độ MBA giải phương pháp mạch nhiệt thay tương đương ta thấy nhiệt độ nóng tập trung máy biến áp tính theo chiều cao cuộn dây Nhiệt độ nóng cuộn CA 65,22℃ cuộn HA 74,86℃, nhiệt độ nóng lõi thép 46,91℃ Khảo sát phân bố theo hướng kính điểm MBA tính theo chiều cao cuộn dây đồng thời so sánh với mô phần mềm CFD 2D Ansys Fluent cho kết Hình 3.16 Hình 3.16 So sánh phân bố nhiệt độ theo hướng kính tính tốn mạch nhiệt thay tương đương mô CFD Tiến hành so sánh kết nhiệt độ trung bình MBA (tính theo chiều cao y) phương pháp mạch nhiệt thay tương đương phương pháp PTHH (phần mềm CFD 2D) Hình 3.16 ta thấy kết nhiệt độ trung bình tâm MBA với kết mô sai khác 6,52% Nếu coi phương pháp số PTHH chuẩn để so sánh, sai khác chấp nhận Đặc biệt, ưu điểm phương pháp mạch nhiệt tính tốn nhanh, đơn giản Tuy nhiên, trường hợp tổng quát, với toán phức tạp cấu trúc thiết bị, đa dạng loại vật liệu thì phương pháp phần tử hữu hạn đã, giải pháp có ưu vượt trội Trong mơ phỏng, tính tốn sau luận án, tác giả áp dụng phần mềm sử dụng phương pháp PTHH để giải toán phân bố nhiệt xác định ứng xuất nhiệt 3.4 Đặc tính vật liệu epoxy 3.4.1 Cấu tạo tính chất lí hóa vật liệu epoxy 3.4.2 Hệ số dẫn nhiệt 3.4.3 Hệ số khuếch tán nhiệt nhiệt dung riêng 3.5 Thực nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt vật liệu epoxy 3.5.1 Nguyên vật liệu sử dụng thực nghiệm Sử dụng mẫu epoxy đúc từ dây chuyền sản xuất MBA khô nhà máy Sanaky khu công nghiệp Quất Động, Thường Tín, Hà Nội Epoxy phối trộn từ nhựa có mã sản phẩm 8055A chất đóng rắn có mã sản phẩm 8055B hãng Jiang Te – Trung Quốc Tỉ lệ phối trộn hai thành phần 1:1 3.5.2 Cấu tạo thiết bị đo QTT01 đo hệ số dẫn nhiệt Bộ thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt Quick Thermal Test 01 sau viết tắt QTT01 QTT01 thiết bị tác giả hợp tác tiến sĩ Lê Kiều Hiệp, nghiên cứu chế tạo Trung tâm thí nghiệm q trình Nhiệt Lạnh, Viện Khoa học Công Nghệ Nhiệt Lạnh, Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ thiết bị gồm có: Que thăm nhiệt, Board mạch phần cứng, phần mềm kết nối phần cứng với máy vi tính 14 Hình 3.26 Bộ thiết bị QTT01 đo hệ số dẫn nhiệt 3.5.3 Quy trình thí nghiệm kết Trước bắt đầu thí nghiệm thiết bị kiểm tra sai số với mẫu chuẩn có ID: 27004885 Nylon hãng Thermtest nhà sản xuất cơng bố có hệ số dẫn nhiệt  = 0,34 W/mK nhiệt độ thí nghiệm 23,7 °C Hệ số dẫn nhiệt trung bình phép đo Tb = 0,334 ± 0,004 W/mK có sai số 1,76 ± 1,18% Đối với sai số thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt chấp nhận được, đạt yêu cầu kỹ thuật đo lường 3.5.3.1 Kết hệ số dẫn nhiệt Ảnh hưởng nhiệt độ đến hệ số dẫn nhiệt biểu diễn đồ thị Hình 3.37 Hình 3.37 Sự thay đổi hệ số dẫn nhiệt vật liệu epoxy theo nhiệt độ Từ hình dạng đồ thị, thực khai triển Taylor biểu diễn gần quan hệ λ = f(t) dạng đa thức có kết sau: (3.74) 𝜆(𝑡 ) = 0,5612 + 0,002044𝑡 − 1,68 10−5 𝑡 3.5.3.2 Kết hệ số khuếch tán nhiệt nhiệt dung riêng Nhiệt dung riêng 𝑐𝑝 ước lượng cách đưa liệu thực nghiệm hệ số dẫn nhiệt  thu từ phần 3.5.3.1 khối lượng riêng 𝜌 vào phần mềm mô động lực học chất lưu CFD.Ảnh hưởng nhiệt độ đến hệ số khuếch tán nhiệt biểu diễn dạng đường cong Tương tự hệ số dẫn nhiệt từ hình dạng đường cong thực khai triển Taylor biểu diễn gần quan hệ 𝑐𝑝 = f(t) dạng đa thức sau: (3.75) 𝑐𝑝 (𝑡 ) = 82,61 + 4,77𝑡 + 0,031𝑡 Kết nhiệt dung riêng áp dụng vào công thức 3.27 ta thu hệ số khuếch tán nhiệt epoxy Mối quan hệ a = f(t) biểu diễn gần dạng đa thức sau: (3.74) 𝛼(𝑡 ) = 2,33 − 0,031𝑡 + 21,05 10−5 𝑡 Trên sở kết thực nghiệm, tác giả xây dựng đường đặc tính tính chất nhiệt vật liệu epoxy theo nhiệt độ thơng số sử dụng để tính tốn, mơ phỏng, phân tích trường phân bố nhiệt MBA khô 15 3.6 Kết luận chương Trong chương này, luận án nghiên cứu mơ hình tốn phân bố nhiệt MBA khơ mơ hình mạch nhiệt thay tương đương Áp dụng mơ hình mạch nhiệt thay tương đương cho MBA khô 320kVA Tiến hành so sánh kết nhiệt độ trung bình MBA (chiều cao tính theo phương y) phương pháp mạch nhiệt thay tương đương phương pháp PTHH (phần mềm CFD 2D) ta thấy kết sai khác không lớn Nếu coi phương pháp phần tử hữu hạn chuẩn để so sánh, sai khác chấp nhận Đặc biệt, ưu điểm phương pháp mạch nhiệt tính tốn nhanh, đơn giản Tuy nhiên, trường hợp tổng quát, với toán phức tạp cấu trúc thiết bị, đa dạng loại vật liệu thì phương pháp PTHH 3D giải pháp có ưu vượt trội Trong mơ phỏng, tính tốn sau luận án, tác giả áp dụng phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải toán phân bố nhiệt xác định ứng xuất nhiệt Ngoài ra, để xác định tính chất nhiệt vật lý vật liệu epoxy sử dụng MBA khô, tác giả lựa chọn phương pháp đo nhanh hay đo không ổn định dựa sở lý thuyết nguồn đường để đo hệ số dẫn nhiệt kết hợp với mô CFD Trên sở kế thừa nghiên cứu lý thuyết, tài liệu cơng trình nghiên cứu nước phương pháp xác định hệ số dẫn nhiệt, nhóm tác giả tìm hiểu chế tạo sử dụng que thăm nhiệt đo hệ số dẫn nhiệt 𝜆 Que thăm hoạt động theo nguyên lý đo không ổn định với nguồn nhiệt đường, áp dụng tiêu chuẩn ASTM D5334-00 Mỹ có độ xác cao Kết đo đạc lấy mẫu tự động chuyển máy tính qua giao tiếp USB Kết thực nghiệm sau xử lí phần mềm QTT software 1.2 nhóm tác giả tự phát triển tính toán hệ số dẫn nhiệt vật liệu cần đo Trên sở kết thực nghiệm, tác giả xây dựng đường đặc tính tính chất nhiệt vật liệu epoxy theo nhiệt độ thơng số sử dụng để tính tốn, mơ phỏng, phân tích trường phân bố nhiệt MBA khô Mối quan hệ hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ với liệu thu từ thực nghiệm biểu diễn gần λ = f(t) dạng đa thức có kết sau: 𝜆(𝑡 ) = 0,5612 + 0,002044𝑡 − 1,68 10−5 𝑡 Mối quan hệ hệ số nhiệt dung riêng theo nhiệt độ 𝑐𝑝 = f(t) dạng đa thức sau: 𝑐𝑝 (𝑡 ) = 82,61 + 4,77𝑡 + 0,031𝑡 Mối quan hệ 𝛼 = f(t) biểu diễn gần dạng đa thức sau: 𝛼(𝑡 ) = 2,33 − 0,031𝑡 + 21,05 10−5 𝑡 CHƯƠNG TÍNH TOÁN PHÂN BỐ NHIỆT VÀ LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP MBA KHƠ 4.1 Giới thiệu 4.2 Mơ 3D phân bố nhiệt MBA khơ 320kVA Tác giả tính phân bố nhiệt MBA khơ có cuộn dây bọc epoxy cách thực mơ hình hóa phối hợp q trình xảy MBA khơ làm mát tự nhiên khơng khí Do MBA khơ có sử dụng cách điện epoxy, thuộc tính epoxy lấy từ kết thực nghiệm CHƯƠNG 4.2.1 Thực nghiệm xác định điều kiện biên nhiệt độ MBA 320kVA 22/0,4kV Kích thước hình học MBA khơ pha 320 kVA – 22/0,4kV sử dụng làm thực nghiệm là: 1340 mm × 930 mm × 1550 mm Trong trình thực nghiêm, MBA làm mát tự nhiên Các thông số khác MBA ghi biên kiểm tra xuất xưởng PHỤ LỤC 16 Nhiệt độ đo 27 điểm thể Hình 4.2 Can nhiệt loại T dán vào vị trí hình liệu nhiệt độ ghi lại thông qua datalogger Các thử nghiệm trạng thái: tải định mức, 70% tải 50% tải ghi lại nhiệt độ đạt đến trạng thái bình ổn nghĩa 2h liên tiếp nhiệt độ không tăng 1℃ 4.2.2 Mô phân bố nhiệt MBA 320kVA điều kiện tải khác Trong trình mơ tác giả sử dụng máy tính Workstation HP Z440 có vi xử lý Xeon 2680V4: 14 cores, 28 threads, 64 Gb Ram Thời gian để máy tính mơ tính tốn khoảng 12 tiếng Kết mơ trình bày chi tiết phần 4.2.2.1 Với chế độ hoạt động tải định mức Ở chế độ hoạt động tải định mức thực mô MBA với IHA=461,9A ICA = 8,4A Phân bố nhiệt MBA qua mô CFD thể Hình 4.6 (a) (b) Hình 4.6 Phân bố nhiệt độ điểm nóng (a) cuộn CA (b) cuộn HA trường hợp tải định mức Kết mô cho thấy MBA khô lõi 320 kVA làm việc với tải định mức nhiệt độ cao cuộn CA 66,8℃ nằm lòng cuộn CA pha B độ cao z = cm tính từ đỉnh cuộn dây CA Nhiệt độ nóng cuộn HA 75℃ nằm lòng cuộn HA pha B độ cao z = 8,2cm tính từ đỉnh cuộn HA xuống 4.2.2.2 Với chế độ 70% tải định mức Kết mô cho thấy trường hợp 70% tải định mức nhiệt độ cao cuộn CA 41,8℃ nằm lòng cuộn CA pha B độ cao z = 11,4 cm tính từ đỉnh cuộn dây CA Nhiệt độ nóng cuộn HA 50,48℃ nằm lòng cuộn HA pha B độ cao z = 4,6 cm tính từ đỉnh cuộn HA xuống 4.2.2.4 Với chế độ 50% tải định mức Ở trường hợp 50% tải nhiệt độ cao cuộn CA 32,3℃ nằm lòng cuộn CA pha B độ cao z = 11,6 cm tính từ đỉnh cuộn dây CA Nhiệt độ nóng cuộn HA 41,1℃ nằm lòng cuộn HA pha B độ cao z = 9,8 cm tính từ đỉnh cuộn HA xuống 4.2.2.5 So sánh kết mô với thực nghiệm Kết cho thấy mơ hình mơ khớp với thực nghiệm Hình 4.12 17 Hình 4.12 So sánh kết mô thực nghiệm điều kiện tải khác So sánh kết mô 3D phân bố nhiệt MBA thực nghiệm điều kiện tải định mức không vượt 5% chứng tỏ tính đắn mơ hình mơ với thông số nhiệt vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ Thực mô MBA với thông số nhiệt vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ để so sánh với kết mô MBA với thông số vật liệu epoxy hàm theo nhiệt độ xây dựng từ thực nghiệm Ta có kết so sánh phân bố nhiệt theo chiều cao cuộn CA pha A điều kiện tải định mức với trường hợp khác thể đồ thị Hình 4.14 Hình 4.14 So sánh kết mô thực nghiệm trường hợp hệ số nhiệt epoxy số So sánh kết mô 3D phân bố nhiệt MBA với hệ số nhiệt epoxy số thực nghiệm điều kiện tải định mức lên đến 10,9% Sai số cao gấp lần sai số mô phân bố nhiệt MBA với hệ số nhiệt epoxy thay đổi theo nhiệt độ Đây sở khoa học đáng tin cậy để tiếp tục sử dụng hệ số epoxy thay đổi theo thực nghiệm xác định Chương trường hợp mơ MBA có cố ngắn mạch 4.3 Mô phân bố nhiệt MBA 320kVA 22/0,4kV làm việc chế độ tải ngắn mạch cố 4.3.1 Mô phân bố nhiệt MBA 330kVA làm việc 150% tải định mức Từ mơ hình mô phân bố nhiệt MBA khô 320 kVA kiểm chứng tính đắn với kết đo đạc thực nghiệm mục 4.2, tác giả mô MBA điều kiện làm việc tải 150%, cuộn dây mơ với cường độ dịng điện ICA = 12,6 A IHA= 692,9 A 18 Kết mô chế độ 150% tải định mức, nhiệt độ cao cuộn CA 105,1℃ nằm lòng cuộn CA pha B độ cao z = 10,2 cm tính từ đỉnh cuộn dây CA Nhiệt độ nóng cuộn HA 113,1℃ nằm lòng cuộn HA pha B độ cao z = 4,6 cm tính từ đỉnh cuộn HA xuống 4.3.1 Mô phân bố nhiệt MBA 330kVA trường hợp ngắn mạch cố Kết mô phân bố nhiệt MBA trường hợp cố ngắn mạch máy hoạt động tải định mức theo miền thời gian với thời gian phân tích thiết lập 3s bước thời gian 0,01s Số phần tử chia lưới để mô phân bố nhiệt MBA trường hợp 15.600.000 phần tử để đạt kết hội tụ (a) (b) Hình 4.17 Phân bố nhiệt độ MBA 320kVA ngắn mạch thứ cấp sau thời gian 3s Khi ngắn mạch nhiệt độ cao tập trung pha B, nhiệt độ cao tập trung cuộn HA Nhiệt độ cao cuộn HA là: 171,73℃ Độ tăng nhiệt độ cuộn CA HA thể đồ thị Hình 4.18 Hình 4.18 Đồ thị trình tăng nhiệt độ cuộn CA HA trường hợp ngắn mạch cố Để xác định ứng suất nhiệt động ngắn mạch dây quấn MBA, áp dụng phương pháp giải tích với sở lý thuyết giới thiệu chương Mặt khác, từ kết phân bố nhiệt MBA, cũng xác định ứng suất nhiệt động PTHH 3D thông qua phần mềm Ansys Workbench 3D 4.4 Phân tích ứng suất nhiệt MBA 320kVA trường hợp ngắn mạch phương pháp PTHH Kết mô cho thấy nhiệt độ cao tập trung pha B Do vậy, tác giả tập trung mô ứng suất nhiệt pha B Những liệu mô từ mục 4.3 sử dụng để phân tích đưa kết quả, ứng suất lực nhiệt động cuộn CA HA pha B Kết mô ứng suất lực nhiệt động ngắn mạch MBA 320kVA trình bày hình 19 (a) (b) Hình 4.19 Phân bố ứng suất nhiệt (a) cuộn CA HA pha B (b) điểm ứng suất lớn cuộn HA pha B Ứng suất nhiệt trung bình MBA chế độ ngắn mạch sau thời gian 3s là: 8,256 MPa Ứng suất nhiệt lớn tập trung góc cuộn HA pha B với giá trị 33,5 MPa Hình 4.21 Vị trí ứng suất nhiệt lớn góc cuộn HA pha B Như vậy, mơ ứng suất nhiệt MBA khô trường hợp cố ngắn mạch trình bày giúp xác định xác vị trí ứng suất nhiệt lớn Từ đó, nhà thiết kế MBA xem xét, gia cố điểm yếu để MBA chịu đựng ứng suất lực nhiệt động ngắn mạch, cao chịu đựng ứng suất lực tổng hợp lớn 4.5 Ứng suất ngắn mạch tổng hợp MBA 320kVA Sau xác định giá trị ứng suất lực điện từ ứng suất nhiệt, ta tính ứng suất tổng hợp vị trí cuộn dây Giá trị ứng suất lực điện từ cạnh cuộn HA lấy mục 2.5 Phân bố ứng suất ngắn mạch tổng hợp cạnh cuộn HA thể đồ thị Hình 4.22 Hình 4.22 Phân bố ứng suất ngắn mạch tổng hợp cạnh cuộn HA 20 Ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp lớn ∑_HA = 85,462 MPa vị trí cuộn dây HA (theo chiều cao y) Hình 4.23 Phân bố ứng suất ngắn mạch tổng hợp cạnh cuộn CA Ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp lớn ∑_CA = 65,77 MPa vị trí cuộn dây CA (theo chiều cao y) Như ứng suất lực tổng hợp nhỏ ứng suất cho phép đồng [Đồng] = 120 MPa [85] epoxy [epoxy] = 100MPa [86] Ta thấy ứng suất lực điện từ tác động vùng biên đầu cuộn HA lớn nguy hiểm, sau thời gian ngắn mạch lại cộng theo ứng suất nhiệt lại nguy hiểm ứng suất lớp epoxy tạo chiều với ứng suất điện từ Nên cần phải gia cố - xử lý mặt công nghệ chế tạo để giảm nguy hiểm vùng biên 4.6 Áp dụng phân tích ứng suất ngắn mạch tổng hợp phương pháp PTHH MBA khô lõi thép VĐH 4.6.1 Phân bố nhiệt MBA VĐH 630kVA chế độ ngắn mạch cố 4.6.2 Ứng suất nhiệt ngắn mạch MBA VĐH 630kVA Kết mô phân bố ứng suất lực nhiệt động ngắn mạch MBA thể Hình 4.26 Ứng suất lực nhiệt động ngắn mạch lớn tập trung cuộn HA Để xác định vị trí cuộn HA có giá trị ứng suất lực lớn ta khảo sát 11 đường thẳng dọc biên theo chiều cao cuộn HA Hình 4.27 (b), đường thẳng có 11 vị trí khảo sát nhìn từ hình chiếu đứng Hình 4.27 (a) (a) (b) Hình 4.27 Vị trí đường khảo sát ứng suất lực nhiệt động ngắn mạch cuộn HA Kết phân bố ứng suất 11 đường thẳng khảo sát theo chiều cao cuộn HA thể Hình 4.27 21 (a) (b) Hình 4.28 Phân bố ứng suất (a) 11 đường khảo sát (b) vị trí ứng suất lớn Từ Hình 4.28 ta thấy ứng suất phân bố không đồng dọc theo chiều cao (hướng trục) hướng kính cuộn dây Ứng suất lớn tập trung mặt cuộn hạ áp, đường thẳng khảo sát ứng suất lớn nằm vị trí đầu đường thẳng (tức góc đầu cuộn dây), 11 đường khảo sát ứng suất đường có giá trị lớn nhất, tức vùng vách cong phía cuộn hạ áp chịu ứng suất lớn Như cuộn dây hạ áp có vị trí tương ứng với góc cong phía chịu ứng suất lớn đạt giá trị σMax = 42.82 MPa 4.6.3 Ứng suất ngắn mạch tổng hợp MBA VĐH 4.6.3.1 Ứng suất lực điện từ ngắn mạch Để khảo sát chi tiết lực điện từ ngắn mạch khu vực cạnh cuộn HA, tài liệu [9] khảo sát 11 vị trí Hình 4.30 Đường thẳng khảo sát (a) (b) Hình 4.30 Các đường khảo sát (a) cuộn HA hình chiếu 11 vị trí khảo sát (b) [9] Trên đường thẳng khảo sát ta thấy ứng lực điện từ ngắn mạch lớn nằm vị trí đường thẳng (tức cuộn dây theo chiều cao) Nhìn đồ thị Hình 4.31 ta thấy 10 đường khảo sát vị trí đường thẳng vị trí có giá trị lớn nhất, tức vùng vách cong phía ngồi cuộn HA có ứng suất lực lớn Kết ứng suất lực điện từ ngắn mạch MBA VĐH 630 kVA từ tài liệu [9] sử dụng để tính tốn ứng suất ngắn mạch tổng hợp phần 4.6.3.2 Ứng suất ngắn mạch tổng hợp MBA VĐH 630 kVA Ứng suất tác dụng vào dây quấn MBA khô, tẩm cách điện epoxy tổng xếp chồng ứng suất lực điện từ; ứng suất độ chênh lệch nhiệt độ dây quấn epoxy; ứng lực phân bố nhiệt độ không đồng lớp epoxy Sau xác định giá trị ứng suất lực điện từ ứng suất nhiệt, ta tính ứng suất tổng hợp phân bố theo chiều cao cuộn HA Phân bố ứng suất ngắn mạch tổng hợp cạnh cuộn HA thể đồ thị Hình 4.32 22 Hình 4.32 Phân bố ứng suất ngắn mạch tổng hợp cạnh cuộn HA Ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp lớn ∑_HA = 65,85 MPa vị trí cuộn dây HA (theo chiều cao y) Như ứng suất lực tổng hợp nhỏ ứng suất cho phép đồng [Đồng] = 120 MPa [85] epoxy [epoxy] = 100MPa [86] 4.7 Kết luận chương Trong chương này, tác giả thực tính tốn mơ phân bố nhiệt MBA khơ phương pháp PTHH giả tốn động lực học chất lưu CFD với thông số nhiệt vật liệu epoxy biểu diễn gần dạng hàm theo nhiệt độ Các thông số nhiệt vật liệu epoxy thu từ thực nghiệm thực CHƯƠNG Tác giả thực mô phân bố nhiệt MBA 320kVA 22/0,4kV trường hợp tải định mức, 70% tải định mức, 50% tải định mức Kết mô so sánh với kết thử nghiệm thực tế cho thấy sai số không 5% Trên sở mô hình kiểm chứng, tác giả mô phân bố nhiệt MBA chế độ 150% tải định mức trường hợp ngắn mạch cố phía hạ áp MBA 320kVA Từ kết phân bố nhiệt trường hợp MBA 320kVA ngắn mạch cố mơ phân tích ứng suất nhiệt động ngắn mạch Mơ tính tốn thực phần mềm mô tương tác đa môi trường Ansys Workbench Tại thời điểm MBA 320kVA ngắn mạch nhiệt độ nóng cuộn HA pha B, độ chênh nhiệt độ dây quấn lớp epoxy tiếp xúc dây quấn 130℃ Ứng suất nhiệt lớn vùng biên tiếp xúc dây quấn epoxy 33 MPa 50% ứng lực điện từ lớn Ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp lớn ∑_CA = 65,77 MPa vị trí cuộn dây (theo chiều cao y) Trong nội dung chương này, tác giả cũng thực mô tính tốn xác định ứng suất tổng hợp cho MBA VĐH 630 kVA-22/0,4 kV Kết mô cho thấy Ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp lớn ∑_HA = 65,85 MPa vị trí cuộn dây HA (theo chiều cao y) Ứng suất lực tổng hợp nhỏ ứng suất cho phép đồng [Đồng] = 120 MPa [85] epoxy [epoxy] = 100MPa [86] 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Đóng góp khoa học luận án Tồn nội dung gồm có chương, luận án áp dụng phương pháp tính tốn đại ứng dụng mơ trường điện từ, có khí, nhiệt MBA Luận án áp dụng phương pháp PTHH phần mềm Ansys Workbench cho phép tìm phân bố nhiệt vị trí vịng dây trường hợp ngắn mạch cố nguy hiểm phía hạ áp MBA mà phương pháp thực nghiệm khơng thực Đồng thời, luận án cũng tìm ứng suất nhiệt phân bố cuộn dây MBA điểm có ứng suất nhiệt lớn Luận án đạt số kết nghiên cứu sau đây: • Xây dựng đường cong thực nghiệm thông số nhiệt vật liệu epoxy phụ thuộc nhiệt độ • Xây dựng mạch nhiệt thay tương đương MBA khơ giúp giải nhanh tìm điểm nhiệt độ MBA • Tính tốn lực ngắn mạch tổng hợp MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép vô định hình có tính đến: ứng suất gây phân bố nhiệt độ không đồng lớp epoxy ứng suất chênh lệch nhiệt độ dây quấn lớp epoxy có tính đến thơng số α(T0C), (T0C), Cp(T0C) thay đổi tình trạng MBA • Đánh giá lực tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA ngắn mạch Hướng phát triển luận án Nghiên cứu phát triển hướng sau: • Đối với MBAVĐH có cấu trúc đặc biệt lõi thép kéo theo cuộn dây có cấu trúc hình trụ chữ nhật, cần quan tâm đến bán kính cong góc trụ chữ nhật để giảm xung lực vùng góc cuộn dây • Xây dựng q trình tính Điện từ - Cơ - Nhiệt để tìm bề dày lớp epoxy tối ưu đồng thời đem lại hiệu tản nhiệt tốt cho cuộn dây 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN [1] Phạm Hồng Hải, Lê Đức Tùng, Đặng Quốc Vương, Phạm Văn Bình (2020), Analysis of temperature distribution in amorphous core dry-type cast-resin transformers via a finite element method, Tạp chí Nghiên cứu Khoa Học cơng nghệ qn năm 2020, ISSN 1859 -1043, số 65, trang 55-62 [2] Phạm Hồng Hải, Lê Đức Tùng, Đặng Quốc Vương, Phạm Văn Bình (2020), Tính tốn điện từ trường phương pháp tích phân số - ứng dụng cho tốn có cấu trúc dạng dây Tạp chí Khoa học Công nghệ Trường đại học Công Nghiệp Hà Nội, ISSN 1859 -3585, số 2(56), trang 33-37 [3] Lê Đức Tùng, Phạm Hồng Hải (2020), Áp dụng phương pháp tích phân số mô điện từ trường trạm biến áp, Tạp chí Khoa học cơng nghệ Đại học Đà Nẵng, ISSN 1859 -1531, số 5(18), trang 1-5 [4] Phạm Hồng Hải, Lê Đức Tùng, Đặng Quốc Vương, Đặng Chí Dũng, Lê Kiều Hiệp, Đỗ Tiến Cơng (2021), Nghiên cứu đặc tính nhiệt vật liệu epoxy máy biến áp khơ, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Đà Nẵng, ISSN 1859 -1531, số 7(19), trang 29-34 25 ... ngắn mạch thông số nhiệt vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ điều cần thiết phải nghiên cứu Do đó, luận án: ? ?Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp có tính đến ảnh hưởng phân bố nhiệt máy biến áp. .. nghiên cứu tính tốn lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH Luận án đạt số kết nghiên cứu tóm lược sau: • Tính phân bố lực ngắn mạch tổng hợp MBA khô. .. khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH có xét đến ảnh hưởng đặc tính nhiệt vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ • Tính tốn lực ngắn mạch tổng hợp MBA khơ bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH có tính đến