Kết luận chương 1

4. Cấu trúc nội dung của luận văn

1.4. Kết luận chương 1

Trong chương 1 luận văn đã trình bày các phương trình cân bằng điện áp của máy biến áp gồm có phương trình cân bằng sức điện động, phương trình cân bằng điện áp dây quấn sơ cấp và thứ cấp và mạch điện thay thế của máy biến áp. Luận văn đã đề cập đến những hiện tượng xuất hiện khi từ hóa lõi thép máy biến áp đó là khi MBA làm việc không tải, lõi thép MBA từ hóa, mạch từ bão hòa sẽ làm xuất hiện những hiện tượng mà trong một số trường hợp những hiện tượng ấy có thể ảnh hưởng đến tình trạng làm việc của MBA. Khi lõi thép bị bão hòa, dòng không tải i0 sẽ không sin mà có dạng nhọn đầu, nghĩa là dòng điện i0 ngoài thành phần sóng cơ bản i01, còn có các thành phần sóng điều hòa bậc cao: bậc 3 là i03, bậc 5 là i05, bậc 7 là i07, …, trong đó thành phần i03 lớn nhất và đáng kể hơn cả, còn các thành phần khác rất nhỏ, có thể bỏ qua. Ta có thể xem như chính thành phần bậc 3 có tác dụng làm cho dòng điện từ hóa có dạng nhọn đầu, dạng sóng này như thế nào còn phụ thuộc vào kết cấu mạch từ và cách đấu dây quấn.

+ Trường hợp máy biến áp nối Y/Y: Φ3 có trị số khá lớn, có thể đạt tới (15÷20)%Φ1, có các s.đ.đ bậc ba e3 khá lớn. Lúc đó biên độ của s.đ.đ pha tăng lên rõ rệt. Sự tăng vọt của s.đ.đ như vậy hoàn toàn không lợi và trong nhiều trường hợp rất nguy hiểm, như chọc thủng cách điện của dây quấn.

+ Trường hợp máy biến áp ba pha nối Δ/Y hoặc Y/Δ: vì có dây quấn nối Δ, nên dòng điện i03 sẽ khép kín trong tam giác đó; từ thông tổng và các s.đ.đ của dây quấn sơ cấp và thứ cấp đều có dạng hình sin. Do đó sẽ không có những hiện tượng bất lợi như trường hợp trên.

CHƯƠNG 2

DÒNG ĐIỆN KHI ĐÓNG MÁY BIẾN ÁP VÀO LƯỚI ĐIỆN

2.1. Từ thông và dòng điện khi đóng máy biến áp một pha vào lưới điện

Khi MBA làm việc không tải, dòng điện không tải I0 rất nhỏ và không vượt quá 10%Iđm. Nhưng trong quá trình quá độ khi đóng MBA không tải vào lưới điện thì dòng điện I0 tăng gấp nhiều lần dòng điện định mức [1,2,4].

Xét hiện tượng này đối với MBA 1 pha ở Hình 2.1

Hình 2.1. Sơ đồ đóng MBA vào lưới điện lúc không tải

Khi đóng MBA vào nguồn điện áp hình sin thì theo định luật cân bằng s.đ.đ ta có [5, 8,19].

1m 0 1 1

dΦ U sin(ωt + ψ) = i r + ω

dt (1.30)

Trong đó ψ là góc pha của điện áp lúc đóng mạch.

Quan hệ giữa Φ và i0 trong máy biến áp là quan hệ của đường cong từ hóa, vì vậy đây là phương trình vi phân phi tuyến. Để việc tính toán được đơn giản, ta giả thiết rằng từ thông tỉ lệ với dòng điện i0 nghĩa là:

1 0 1 ω Φ i = L (1.31)

Trong đó điện cảm của dây quấn sơ cấp L1 là hằng số phương trình (1.30) có dạng:

1m 1

1 1

U r dΦ

sin(ωt + ψ) = Φ +

W L dt (1.32)

Giải phương trình (1.32) tìm từ thông Φ, trong trường hợp quá trình quá độ đóng nguồn điện hình sin vào bằng phương pháp tích phân kinh điển hoặc toán tử Laplace. Nghiệm của phương trình là từ thông gồm 2 thành phần xác lập và tự do[7, 13]. xl td Φ = Φ + Φ (1.33) Trong đó: - Thành phần xác lập của từ thông có dạng: xl m m Φ Φ sin(ωt + ψ - ) = - Φ cos(ωt + ψ) 2   (1.34) Với: m 21 1m 2 1 1 1 L U W r (ωL )    - Thành phần tự do của từ thông có dạng: 1 1 r t /L td C.e   (1.35)

Hằng số tích phân C được xác định theo điều kiện ban đầu, khi t = 0 trong lõi thép có một từ thông dư ±Φdư nào đó:

  t=0 xl td t=0 m du Φ = Φ + Φ  Φ cosψ+C= Φ Hay là: CΦ cosψ Φm  du Như vậy: 1 1 r t /L td (Φ cosψm Φ ).edu     (1.36)

Theo các công thức (1.33); (1.34) và (1.36) ta được:

1 1

r t /L

xl td m m du

Từ biểu thức (1.37) ta thấy, điều kiện thuận lợi nhất khi đóng MBA không tải vào lưới điện xảy ra lúc ψ = π/2 (điện áp có trị số cực đại) và Φdư= 0; Lúc đó:

m m

Φ = - Φ cos(ωt + ) = Φ sinωt 2



(1.38)

Nghĩa là trạng thái xác lập được thành lập ngay và không xảy ra quá trình quá độ.

Ngược lại điều kiện bất lợi nhất xảy ra nếu khi đóng mạch ψ = 0, (điện áp lúc đó bằng không) và Φdư có dấu dương. Lúc đó:

1 1

r t /L

m m du

Φ - Φ cosωt (Φ + Φ ).e   (1.39)

Và đường biểu diễn tương ứng trình bày Hình 2.2

Hình 2.2. Sự biến thiên từ thông Φ=f(t)lúc đóng mạch bất lợi nhất

Từ Hình 2.2 ta thấy từ thông Φ sẽ đạt tới trị số cực đại ở thời gian nữa chu kỳ sau khi đóng mạch, nghĩa là khi ωt = π.

Vì r1<<ωL1, nên:

1 1 1 1

(r /L )t (r / L )

e e   1

Φmax = 2 Φm + Φdư(1.40)

Giá trị từ thông Φdư phụ thuộc vào cấu tạo mạch từ, đồng thời phụ thuộc vào loại lá thép. Mạch từ có mối ghép tù (vuông góc) như Hình 2.3, có giá trị từ thông dư rất nhỏ. Ngược lại mạch từ xếp xen kẽ như Hình 2.4 có từ dư đạt tới:

- Đối với thép cán nóng: B = 0,6 ÷ 0,7T - Đối với thép cán nguội: B = 0,9 ÷ 1,0T

Hình 2.3. Mạch từ có mối ghép tù

Hình 2.4. Mạch từ có mối ghép xen kẽ 450

Như vậy Φmax lớn gấp hai lần trị số từ thông lúc làm việc bình thường cho nên lõi thép rất bão hòa và dòng điện từ hóa i0 trong quá trình quá độ sẽ lớn gấp hàng trăm lần trị số dòng điện từ hóa xác lập I0.

Giả sử khi làm việc bình thường I0 = 5% Iđm, thì trong trường hợp đóng mạch nói trên, dòng điện quá độ bằng 100I0 ≈ 5 Iđm.

Vì thời gian quá độ rất ngắn 6 ÷ 8s nên dòng điện quá độ không nguy hiểm đối với MBA, nhưng có thể làm cho rơle bảo vệ tác động cắt MBA ra khỏi lưới điện, vì vậy cần phải chú ý để tính toán chỉnh định rơle cho đúng [8, 24, 25].

2.2.Tính ước lượng cường độ từ cảmB cực đại:

Phương trình (1.40) có thể viết dưới dạng

Φmax = 2 St Bm+ St Bdư = St (Bdư + 2Bm) (1.41) Trong đó: St – diện tích tiết diện trụ

Bm – giá trị cực đại cường độ từ cảm trong trụ khi MBA làm việc ở chế độ bình thường.

Bmax = Φmax /St= Bdư + 2Bm (nếu tất cả từ thông tập trung trong trụ)

Trường hợp sử dụng thép cán nguội, thường chọn Bm = 1,65T, lúc đó Bdư = 0,95T và Bmax= 4,25T. Vượt quá giá trị bão hòa, từ thông đi ngoài không khí trong giới hạn cuộn dây. Ta có thể viết

du bh max p m m B B U 2 I = (2 + - ) X B B (1.42)

2.3. Đóng máy biến áp ba pha vào lưới điện

Ở MBA ba pha hiện tượng xảy ra phức tạp hơn ở MBA một pha, do nguyên nhân [14,21,22].

- Khó xác định trị số và chiều từ dư từng trụ MBA;

- Ảnh hưởng của trụ với mạch vòng bão hòa tới điện kháng trụ khác; - Dòng điện khi đóng MBA vào lưới còn phụ thuộc vào tổ nối dây; - Có khả năng các pha không đồng thời được đóng vào lưới.

Xét cho một số trường hợp cụ thể:

1. Phía sơ cấp nối sao, có đưa trung tính ra ngoài. Ở cách nối dây này các pha được coi như làm việc độc lập. Vì vậy có thể dùng công thức (1.42) trong

đó U Ud / 3, với Ud là điện áp dây của lưới. Nếu đóng điện không đồng thời các pha, thì kết quả tương tự.

2. Phía sơ cấp nối tam giác. Ở phía sơ cấp, mỗi pha giống như trường hợp vừa xét, từ hóa độc lập. Dòng đóng MBA được tính theo công thức (1.42) với U = Ud; Khi xét ảnh hưởng của tất cả các yếu tố, dòng xung lớn nhất sẽ vượt giá trị tính theo (1.42) từ 20% đến 30%. Cả hai trường hợp đều không cần xét đến cách nối của dây quấn thứ cấp.

3. Phía sơ cấp nối sao, thứ cấp nối tam giác. Thay đổi cường độ từ cảm từng pha của mạch từ ba pha đưa đến làm thay đổi điện kháng X = 2πfN2μ(S/L) của dây quấn ở các trụ này (thay đổi hệ số từ thẩm μ khi thay đổi cường độ từ cảm). Thứ cấp nối tam giác nên trường hợp phụ tải không đối xứng, điện áp phía sơ cấp đối xứng. Từ đó suy ra ampe-vòng lớn nhất là tích ImN, trong đó N – số vòng dây; Im – dòng điện tính theo (1.42)với U Ud / 3; Ampe - vòng này một phần cấp từ lưới, một phần do dòng điện ở dây quấn nối tam giác. Hình 2.5.

Hình 2.5. Phân bố dòng điện khi đóng MBA nối sao – tam giác ở thời điểm

dòng điện pha A cực đại

Thể hiện phân bố dòng điện sơ cấp và thứ cấp, giả thiết dòng điện cực đại xuất hiện ở pha A. Ta thấy, dòng điện từ lưới I’maxbằng 2/3 lần dòng điện tính theo công thức (1.42)khi U Ud / 3, Ampe - vòng pha B, C bằng 0.

4. Hai dây quấn nối sao, không nối đất điểm trung tính. Trường hợp này tính dòng điện xung khi đóng MBA còn khó khăn hơn. Điểm trung tính sẽ bị xê dịch do thay đổi điện kháng ở các pha (do thay đổi cường độ từ cảm).

Ở đây dẫn ra công thức tính gần đúng: d du bh max p m m U 2 B B I'' = (2 + - ) 2X B B (1.43)

Để tính dòng xung khi đóng MBA ba pha, cần tìm điện kháng Xp theo công thức (1.43), với chiều cao dây quấn pha Lu (giả thiết dây quấn đồng tâm) thay cho giá trị L, còn N là số vòng dây nối tiếp một pha.