Bán kính cong r (mm) Hệ số tăng cao cường độ điện trường (k) Gmax (kV/mm) 2 2,6 8,39 5 2 6,46 12 1,65 5,33 20 1,45 4,68 30 1,3 4,19 40 1,22 3,94 90 1,1 3,53
Nhìn vào bảng cho thấy bán kính cong r của cuộn dây tăng thì giá trị điện trường lớn nhất tại phần đầu dây quấn (chỗ uốn cong điện cực) càng giảm. Ta có thể quan sát rõ hơn xu thế giảm của Gmax trên đồ thị Hình 4.37.
134
Hình 4.37 Sự phụ thuộc cường độđiện trường lớn nhất vào bán kính cong cuộn HA
Kết quả cho thấy rằng khi chế tạo cuộn dây MBA có bán kính cong r nhỏ, tức gần cuộn dây gần hình chữ nhật, chiều dài cuộn dây nhỏ nhất thì trọng lượng đồng là nhỏ nhất nhưng lúc đó phải trả giá là cường độ điện trường tại chỗ uốn cong dây quấn là lớn nhất. Đồ thị Hình 4.37 chỉ ra rằng khi thay đổi bán kính từ vuông đến tròn thì cường độ điện trường lớn nhất sẽ tăng lên 57,7%.
Khi tiến hành thiết kế cuộn dây hình chữ nhật của MBAVĐH việc tìm bán kính cong r của cuộn dây thỏa mãn đồng thời cả ứng suất lực điện từ và cường độ điện trường không vượt qua giới hạn cho phép. Khi đó, việc tìm ra bán kính cong r hợp lý để thỏa mãn các điều kiện về tản nhiệt, cách điện, trọng lượng dây quấn là nhỏ nhất đồng thời đảm bảo ứng suất lực ngắn mạch tác động lên cuộn dây là rất cần thiết.
4.8 Kết luận chương 4
Trong chương này, tác giả thực hiện tính toán mô phỏng phân bố nhiệt MBA khô bằng phương pháp PTHH giải bài toán động lực học chất lưu CFD với các thông số nhiệt của vật liệu epoxy được biểu diễn gần đúng dưới dạng hàm theo nhiệt độ. Các thông số nhiệt của vật liệu epoxy thu được từ thực nghiệm đã thực hiện ở CHƯƠNG 3. Tác giả đã thực hiện mô phỏng phân bố nhiệt MBA 320kVA 22/0,4kV ở trường hợp tải định mức, 70% tải định mức, 50% tải định mức. Kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả thử nghiệm thực tế cho thấy sai số không quá 5%.
Trên cơ sở mô hình đã kiểm chứng, tác giả đã mô phỏng phân bố nhiệt MBA ở chế độ 150% tải định mức và trường hợp ngắn mạch sự cố phía hạ áp MBA 320kVA. Từ kết quả phân bố nhiệt trong trường hợp MBA 320kVA ngắn mạch sự cố có thể mô phỏng và phân tích được ứng suất nhiệt động ngắn mạch. Mô phỏng tính toán được thực hiện bằng phần mềm mô phỏng tương tác đa môi trường Ansys Workbench.
Tại thời điểm MBA 320kVA ngắn mạch nhiệt độ nóng nhất là tại cuộn HA pha B, độ chênh nhiệt độ giữa dây quấn và lớp epoxy tiếp xúc dây quấn là 130℃. Ứng
135
suất nhiệt lớn tại vùng biên tiếp xúc giữa dây quấn và epoxy nhất là 33 MPa bằng 50% ứng lực điện từ lớn nhất. Ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp lớn nhất ∑_CA = 65,77 MPa tại vị trí giữa cuộn dây (theo chiều cao y).
Trong nội dung của chương này, tác giả cũng thực hiện mô phỏng tính toán xác định ứng suất tổng hợp cho MBA VĐH 630 kVA-22/0,4 kV. Kết quả mô phỏng cho thấy Ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp lớn nhất ∑_HA = 65,85 MPa tại vị trí giữa cuộn dây HA (theo chiều cao y). Ứng suất lực tổng hợp này vẫn nhỏ hơn ứng suất cho phép của đồng [Đồng] = 120 MPa [87] và epoxy [epoxy] = 100MPa [88].
Cũng trong chương 4, tác giả đã đánh giá sự phụ thuộc của phân bố điện trường vào bán kính cong của cuộn dây do ảnh hưởng của cấu trúc lõi thép VĐH. Kết quả cho thấy rằng khi chế tạo cuộn dây MBA có bán kính cong r nhỏ, tức gần cuộn dây gần hình chữ nhật, chiều dài cuộn dây nhỏ nhất thì trọng lượng đồng là nhỏ nhất nhưng lúc đó phải trả giá là cường độ điện trường tại chỗ uốn cong dây quấn là lớn nhất. Đồ thị Hình 4.37 chỉ ra rằng khi thay đổi bán kính từ vuông đến tròn thì cường độ điện trường lớn nhất sẽ tăng lên 57,7%.
136
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Đóng góp khoa học của luận án
Luận án gồm có 4 chương. Luận án đã áp dụng phương pháp PTHH (phần mềm Ansys Workbench) cho phép xác định được phân bố nhiệt trên từng vị trí vòng dây trong trường hợp ngắn mạch sự cố nguy hiểm nhất phía hạ áp MBA; đồng thời, xác định được ứng suất nhiệt phân bố trong cuộn dây MBA và điểm có ứng suất nhiệt lớn nhất. Luận án cũng sử dụng những kết quả thực nghiệm giúp kết quả tính toán có độ chính xác cao hơn.
Luận án đã đạt được một số kết quả nghiên cứu mới sau đây:
• Xác định được phân bố lực ngắn mạch tổng hợp MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH có tính đến ứng suất do phân bố nhiệt không đồng đều trong lớp epoxy và ứng suất do chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và lớp epoxy có tính đến sự thay đổi các thông số α(T0C), (T0C), Cp(T0C).
• Đã tính đến sự phụ thuộc của phân bố điện trường vào bán kính cong của cuộn dây do ảnh hưởng của cấu trúc lõi thép VĐH. Bán kính cong của cuộn dây sẽ được lựa chọn cùng với yêu cầu về ứng suất lực điện từ ngắn mạch trong dây quấn.
• Xây dựng được mạch nhiệt thay thế tương đương MBA khô giúp giải nhanh và tìm được phân bố nhiệt độ MBA.
• Chế tạo thành công thiết bị đo QTT01 phục vụ cho thực nghiệm xác định biến động thông số nhiệt vật liệu epoxy theo nhiệt độ. Và xây dựng quy trình thực nghiệm để xác định các thông số nhiệt α(T0C), (T0C), Cp(T0C) của vật liệu epoxy.
• Việc áp dụng phương pháp PTHH phần mềm Ansys Fluent 3D, Ansys Structure 3D cho phép tìm ra phân bố nhiệt, ứng suất nhiệt trên từng vị trí vòng dây trong trường hợp ngắn mạch sự cố nguy hiểm nhất phía hạ áp MBA không chỉ hỗ trợ cho thiết kế chế tạo mà còn có vai trò quan trọng trong việc kiểm tra sản phẩm, giảm công sức thử nghiệm phá hủy MBA. Từ đó, giúp cho các nhà chế tạo làm chủ công nghệ chế tạo MBA khô ở Việt Nam
Hướng phát triển của luận án
Nghiên cứu có thể phát triển tiếp theo các hướng như sau:
• Đối với MBAVĐH do có cấu trúc đặc biệt của lõi thép kéo theo cả 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 và phân bố cường độ điện trường phù hợp.
• Xây dựng một quy trình tính để xác định bề dày lớp epoxy tối ưu về cách điện đồng thời đem lại hiệu quả tản nhiệt tốt nhất cho các cuộn dây.
137
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG 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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
transformers via a finite element method, Tạp chí Nghiên cứu Khoa Học và công nghệ quân sự 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 toán điện từtrường bằng phương pháp tích phân số - ứng dụng cho bài toán có cấu trúc dạng dây Tạp chí Khoa học và 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 phỏng điện từ trường của trạm biến áp, Tạp chí Khoa học và công 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 Công (2021), Nghiên cứu đặc tính nhiệt của vật liệu epoxy trong máy biến áp khô, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng, ISSN 1859 -1531, số 7(19), trang 29-34.
138
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] S. Yurekten, A. Kara, and K. Mardikyan (2013), “Energy efficient green transformer manufacturing with amorphous cores,” Proc. 2013 Int. Conf. Renew. Energy Res. Appl. ICRERA 2013, no. October, pp. 534–536.
[2] T. Steinmetz, B. Cranganu-Cretu, and J. Smajic (2010), “Investigations of no- load and load losses in amorphous core dry-type transformers,” XIX Int. Conf. Electr. Mach. - ICEM 2010, pp. 1–6.
[3] Đoàn Thanh Bảo - luận văn thạc sĩ khoa học (2010), “Nghiên cứu chế tạo máy biến áp có lõi thép sử dụng vật liệu vô định hình,” Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà nội.
[4] W. N. Harry, R. Hasegawa, L. Albert, and L. A. Lowdermilk (1991), “Amorphous Alloy Core Distribution Transformers,” Proc. IEEE, vol. 79, no. 11, pp. 1608–1623.
[5] M. Mouhamad, C. Elleau, F. Mazaleyrat, C. Guillaume, and B. Jarry (2011), “Short-Circuit Withstand Tests of Metglas 2605SA1-Based,” IEEE Trans. Magn., vol. 47, no. 10, pp. 4489–4492.
[6] B. Tomczuk, K. Zakrzewski, and D. Koteras (2003), “Magnetic Field and Short-Circuit Reactance Calculation of the 3-phase Transformer with Symmetrical Amorphous Core,” Int. Symp. Electromagn. Fields Electr. Eng. ISEF 2003 – 11th, pp. 227–230.
[7] B. Tomczuk and D. Koteras (2011), “Magnetic flux distribution in the amorphous modular transformers,” J. Magn. Magn. Mater., vol. 323, no. 12, pp. 1611–1615.
[8] K. Zakrzewski, B. Tomczuk, and D. Koteras (2009), “Amorphous modular transformers and their 3D magnetic fields calculation with FEM,” Int. J. Comput. Math. Electr. Electron. Eng., vol. 28, no. 3, pp. 583–592.
[9] Đoàn Thanh Bảo - luận văn tiến sĩ (2016) - Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội (2016), “Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn máy biến áp khô bọc epoxy sử dụng lõi thép vô định hình.”
[10] S. Hajiaghasi and K. Abbaszadeh (2013), “Analysis of Electromagnetic Forces in Distribution Transformers Under Various Internal Short-Circuit Faults,” pp. 13–14.
[11] G. B. Watts, B. Sc, and A. Member, “A mathematical treatment of the dynamic behaviour of a power-transformer winding under axial short-circuit forces,” pp. 551–560.
[12] Milos Stafl (1967), “Electrodynamics of Electrical Machines,” Acad. Publ. house Czechoslov. Acad. Sci. Prague, pp. 1–183.
[13] A. García, G. Espinosa-Paredes, and I. Hernández (2002), “A thermal study of an encapsulated electrical transformer,” Comput. Electr. Eng., vol. 28, no. 6, pp. 417–445.
[14] M. V. K. C. Salon, Sheppard (1999), Numerical Methods in Electromagnetism. 1999.
139
Modeling,” Finite Elem. Method Electromagn. Model., pp. 1–602.
[16] C. Hoer and C. Love (1965), “Exact inductance equations for rectangular conductors with applications to more complicated geometries,” J. Res. Natl. Bur. Stand. Sect. C Eng. Instrum., vol. 69C, no. 2, p. 127.
[17] Nguyễn Trọng Tiếu (2008), “Nghiên cứu thiết kế công nghệ chế tạo MBA phân phối loại khô công suất đến 1000 kVA, điện áp 35kV,” Đề tài cấp bộ công thương.
[18] M. Mohan (2012), “An Overview on Amorphous Core Transformers,” Journal of Emerging Trends in Engineering and Applied Sciences (JETEAS), vol. 3, no. 2. pp. 217–220, 2012.
[19] Hoàng Tháp Mười - Luận văn thạc sĩ kỹ thuật (2015), “Nghiên cứu phân bố
nhiệt trong máy biến áp khô có lõi thép vô định hình,” Viện Điện - Đại Học Bách Khoa Hà Nội.
[20] S. LUPI (1987), “The application of amorphous magnetic alloys in induction heating medium-frequency transformers,” vol. 23, no. 5, pp. 3026–3028. [21] S. L. Ho et al. (2004), “Numerical Simulation of Transient Force and Eddy (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Current Loss in a 720-MVA Power Transformer,” vol. 40, no. 2, pp. 687–690. [22] A. C. De Azevedo, A. C. Delaiba, J. C. De Oliveira, B. C. Carvalho, and H. D. S. Bronzeado (2007), “Transformer mechanical stress caused by external short-circuit : a time domain approach.”
[23] H. Ahn, J. Lee, J. Kim, Y. Oh, and S. Jung (2011), “Finite-Element Analysis of Short-Circuit Electromagnetic Force in Power Transformer,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 47, no. 3, pp. 1267–1272.
[24] Hyun-mo Ahn - Yeon-ho Oh and - Joong-kyoung Kim - Jae-sung Song - Sung- chin Hahn (2012), “Experimental Verification and Finite Element Analysis of Short-Circuit Electromagnetic Force for Dry-Type Transformer,” IEEE Trans. Magn., vol. 48, no. 2, pp. 819–822, February.
[25] J. Y. Lee, H. M. Ahn, J. K. Kim, Y. H. Oh, and S. C. Hahn (2009), “Finite element analysis of short circuit electromagnetic force in power transformer,” 2009 Int. Conf. Electr. Mach. Syst., no. 4, pp. 1–4.
[26] A. A. Adly and S. Member (2001), “Computation of Inrush Current Forces on Transformer Windings,” vol. 37, no. 4, pp. 2855–2857.
[27] A. Ahmad, I. Javed, and W. Nazar (2013), “Short Circuit Stress Calculation in Power Transformer Using Finite Element Method on High Voltage Winding Displaced Vertically,” vol. 3, no. 11.
[28] V. Behjat and a. Vahedi (2011), “Numerical modelling of transformers interturn faults and characterising the faulty transformer behaviour under various faults and operating conditions,” IET Electr. Power Appl., vol. 5, no. 5, p. 415.
[29] J. Faiz, B. M. Ebrahimi, and T. Noori (2008), “Three- and Two-Dimensional Finite-Element Computation of Inrush Current and Short Circuit Electromagnetic Forces on Windings of a Three-Phase Core-Type Power Transformer,” IEEE Trans. Magn. ISSN 0018-9464, vol. 44, no. 5, pp. 590– 597.
140
High Power Transformers with Different Topologies,” Master Sci. Thesis Electr. Power Eng. - Chalmers Univ. Technol. - Sweden, pp. 1–65.
[31] D. Lin, P. Zhou, W. N. Fu, Z. Badics, and Z. J. Cendes (2004), “A Dynamic Core Loss Model for Soft Ferromagnetic and Power Ferrite Materials in Transient Finite Element Analysis,” IEEE Trans. Magn., vol. 40, no. 2, pp. 1318–1321.
[32] B. Tomczuk and D. Koteras (2008), “Influence of the air gap between coils on the magnetic field in the transformer with amorphous modular core,” vol. 28, no. 62, pp. 1–5.
[33] M. Xiao and B. X. Du (2016), “Effects of high thermal conductivity on temperature rise of epoxy cast winding for power transformer,” IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., vol. 23, no. 4, pp. 2413–2420.
[34] M. Eslamian, B. Vahidi, and A. Eslamian (2011), “Thermal analysis of cast- resin dry-type transformers,” Energy Convers. Manag., vol. 52, no. 7, pp. 2479–2488.
[35] E. Rahimpour and D. Azizian (2007), “Analysis of temperature distribution in cast-resin dry-type transformers,” Electr. Eng., vol. 89, no. 4, pp. 301–309. [36] W. Satterlee (1944), “Design and Operating Characteristics of Modern Dry-
Type Air-Cooled Transformers,” Trans. Am. Inst. Electr. …, vol. 63, pp. 701– 704.
[37] L. C. Whitman (1956), “Co-ordination Models Transformer witk Geometry,” Trans. Am. Inst. Electr. Eng. Part III Power Appar. Syst., vol. 75, no. 3, p. Papers (12).
[38] L. W. Pierce (1994), “Predicting hottest spot temperatures in ventilated dry type transformer windings,” IEEE Trans. Power Deliv., vol. 9, no. 2, pp. 1160– 1172.
[39] L. W. Pierce (1992), “An investigation of the temperature distribution in cast- resin transformer windings,” IEEE Trans. Power Deliv., vol. 7, no. 2, pp. 920– 926.
[40] Z. Dianchun and Y. Jiaxiang (2000), “Thermal Field and Hottest Spotaf the Ventilated Dry-type Transformer,” IEEE Conf. Publ., vol. 1, pp. 141–143. [41] H. Ahn, Y. Oh, J. Kim, J. Song, and S. Hahn (2012), “Experimental Veri fi
cation and Finite Element Analysis of Short-Circuit Electromagnetic Force for Dry-Type Transformer,” IEEE Trans. Magn., vol. 48, no. 2, pp. 819–822. [42] W. Ning and X. Ding (2012), “Three-Dimensional Finite Element Analysis on
Fluid Thermal Field of Dry-Type Transformer,” Instrumentation, Meas. Comput. Commun. Control (IMCCC), 2012 Second Int. Conf., pp. 516–519. [43] M. A. Arjona, R. B. B. Ovando-Martínez, and C. Hernandez (2012), “Thermal–
fluid transient two-dimensional characteristic-based-split finite-element model of a distribution transformer,” IET Electr. Power Appl., vol. 6, no. 5, p. 260. [44] M. A. Arjona, C. Hernandez, and E. Melgoza (2014), “Thermal Analysis of a
Dry-Type Distribution Power Transformer Using FEA,” IEEE Conf. Publ., pp. 2270–2274.
[45] A. Boglietti, A. Cavagnino, D. Staton, M. Shanel, M. Mueller, and C. Mejuto (2009), “Evolution and modern approaches for thermal analysis of electrical
141
machines,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 56, no. 3, pp. 871–882.
[46] Y. Chen, C. Zhang, Y. Li, Z. Zhang, W. Ying, and Q. Yang (2019), “Comparison between Thermal-Circuit Model and Finite Element Model for Dry-Type Transformer,” 2019 22nd Int. Conf. Electr. Mach. Syst. ICEMS 2019.
[47] Y. Li, Y. J. Guan, Y. Li, and T. Y. Li (2014), “Calculation of Thermal Performance in Amorphous Core Dry-Type Transformers,” Adv. Mater. Res., vol. 986–987, pp. 1771–1774.
[48] Bộ Công thương (2009), “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy biến áp có tổn hao không tải thấp, sử dụng vật liệu thép từvô định hình, siêu mỏng, chế tạo (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
trong nước,” Quyết định số 6228/GĐ – BCT của Bộ trưởng Bộ Công Thương, ngày 10 tháng 12 năm 2009 của Công ty cổ phần chế tạo biến áp và vật liệu điện Hà Nội.
[49] Bùi Đình Chi - luận văn thạc sĩ khoa học (2010), “Nghiên cứu chế tạo máy biến áp khô có lõi thép sử dụng vật liệu vô định hình,” Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà nội.
[50] Đinh Văn Thuận - Luận án Phó Tiến Sĩ Khoa Học (1996), “Xác định bằng thực nghiệm các đặc trưng truyền dẫn nhiệt của vật liệu cách điện và tính toán hợp lý cách nhiệt kho lạnh trong điều kiện Việt Nam,” Đại Học Bách Khoa Hà Nội, pp. 45–49.
[51] N. Yüksel (2016), “The Review of Some Commonly Used Methods and Techniques to Measure the Thermal Conductivity of Insulation Materials,” in
Insulation Materials in Context of Sustainability, 2016, pp. 114–136.
[52] N. Yüksel (2016), “The Review of Some Commonly Used Methods and Techniques to Measure the Thermal Conductivity of Insulation Materials,” Insul. Mater. Context Sustain., p. 114.
[53] Phạm Văn Bình - Lê Văn Doanh (2011), “Máy biến áp - Lý thuyết - Vận Hành - Bảo Dưỡng - Thử Nghiệm,” Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, vol. 2, pp. 1–619.
[54] Nguyễn Hoa Thịnh - Nguyễn Đình Đức (2002), “Vật liệu composite cơ học và công nghệ,” Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, pp. 1–351.
[55] Blackwell JH (1952), “Transient heat flow problems in cylindrical geometry,” Ph.D. Thesis, University of Western Ontario Canada, London, Canada, 1952. [56] J. H. Blackwell (1954), “A transient-flow method for determination of thermal
constants of insulating materials in bulk part I - Theory,” J. Appl. Phys., vol. 25, no. 2, pp. 137–144.
[57] A. Garcia, E. Contreras, and S. Lopez (1991), “Measurement of the thermal conductivity of insulating materials by a line-source technique,” High Temp. - High Press., vol. 23, no. 6, pp. 643–650.
[58] Nguyễn Đức Lợi, “Xác định thực nghiệm hệ số dẫn nhiệt của các vật liệu cách nhiệt,” Tạp chí Khoa học Công nghệ của 4 trường ĐHBK, vol. 4, pp. 31–35. [59] Đinh Văn Thuận, “Chế tạo dụng cụđo hệ số dẫn nhiệt của một số vật liệu cách
nhiệt tự nhiên ở Việt nam,” Tạp chí KHCN Nhiệt, vol. 6, pp. 9–11.
[60] Dang Quoc Vuong (2013), “Modeling of Electromagnetic Systmes by Coupling of Subproblems – Application to Thin Shell Finite Element Magnetic,” Ph.D.
142
thesis, Univ. Liege Appl. Mathet.
[61] C. G. Vuong Q. Dang, P. Dular, R.V. Sabariego, L. Krähenbühl (2012), “Subproblem approach for Thin Shell Dual Finite Element Formulations,” IEEE Trans. Magn., vol. 48, no. 2, pp. 407–410.
[62] T. Le-Duc, G. Meunier, O. Chadebec, and J. M. Guichon (2012), “A new integral formulation for eddy current computation in thin conductive shells,” IEEE Trans. Magn., vol. 48, no. 2, pp. 427–430.