5. Cấu trúc nội dung của luận án
4.5 Tính ứng suất ngắn mạch tổng hợp MBA 320kVA
Ứng suất tác dụng vào dây quấn MBA khô, tẩm cách điện epoxy là tổng xếp chồng ứng suất do lực điện từ; ứng suất do độ chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và epoxy; và ứng lực do phân bố nhiệt độ không đồng đều ở lớp epoxy.
Sau khi xác định được giá trị ứng suất lực điện từ và ứng suất nhiệt, ta có thể tính ứng suất tổng hợp tại bất kì vị trí nào trên cuộn dây. Giá trị ứng suất lực điện từ ở cạnh ngoài cuộn HA được lấy ở mục 2.5. Phân bố ứng suất ngắn mạch tổng hợp ở cạnh trong cuộn HA được thể hiện trong đồ thị Hình 4.22
Hình 4.22 Phân bốứng suất ngắn mạch tổng hợp ở cạnh ngoài cùng cuộn HA
Ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp lớn nhất ∑_HA = 85,462 MPa tại vị trí giữa cuộn dây HA (theo chiều cao y)
124
Ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp lớn nhất ∑_CA = 65,77 MPa tại vị trí giữa cuộn dây CA (theo chiều cao y)
Như vậy ứng suất lực tổng hợp này vẫn nhỏ hơn ứng suất cho phép của đồng [Đồng] = 120 MPa [87] và epoxy [epoxy] = 100MPa [88]
Ta thấy ứng suất do lực điện từ tác động tại vùng biên ở đầu của cuộn HA là lớn và nguy hiểm, sau thời gian ngắn mạch lại cộng theo ứng suất nhiệt lại càng nguy hiểm hơn do ứng suất của lớp epoxy tạo ra cùng chiều với ứng suất điện từ. Nên cần phải gia cố - xử lý về mặt công nghệ chế tạo để giảm nguy hiểm vùng biên này.
4.6 Áp dụng phân tích ứng suất ngắn mạch tổng hợp bằng phương pháp PTHH trên MBA khô lõi thép VĐH
Trong tài liệu [9], các nhà nghiên cứu đã tính ứng suất lực ngắn mạch điện động cho mô hình MBA VĐH 630kVA 22/0,4kV bằng phương pháp số và phương pháp giải tích. Đối với ứng suất nhiệt ngắn mạch MBA VĐH 630kVA trong tài liệu [9] mới chỉ sử dụng phương pháp giải tích đồng thời sử dụng các hệ số về nhiệt của vật liệu của epoxy là hằng số chưa xét đến ảnh hưởng phân bố nhiệt cũng như việc các thông số nhiệt của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ. Ứng suất nhiệt ngắn mạch được tài liệu [9] tính toán là ứng suất nhiệt trung bình trên các biên chưa tìm được phân bố chi tiết ứng suất nhiệt cũng xác định chính xác vị trí điểm có ứng suất nhiệt lớn nhất.
Vì vậy, trong phần này, tác giả áp dụng kết quả về thông số nhiệt của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ thu được từ thực nghiệm, kết hợp với mô hình mô phỏng phân bố nhiệt để xác định phân bố nhiệt MBA VĐH 630kVA ở chế độ ngắn mạch sự cố. Từ dữ liệu về phân bố nhiệt của MBA ở chế độ ngắn mạch, chúng ta có thể tiếp tục sử dụng phần mềm Ansys Workbench để mô phỏng, tính toán ứng suất nhiệt của MBA. Quá trình mô phỏng tính toán ứng suất nhiệt MBA khi ngắn mạch trên phần mềm Ansys Workbench là sự tương tác giữa 3 môi trường Maxwell – Fluent – Structure. Trong quá trình mô phỏng tính toán có xét đến việc các thông số của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ. Các đường đặc tính về tính chất nhiệt của vật liệu epoxy theo nhiệt độ và các thông số này sẽ được sử dụng để tính toán, mô phỏng, phân tích ứng suất nhiệt ngắn mạch ở phần này.
4.6.1 Phân bố nhiệt MBA VĐH 630kVA ở chếđộ ngắn mạch sự cố
Chúng ta xem xét MBAVĐH 630 kVA-22/0,4 kV, sơ đồ nối dây Δ/Υ với các thông số kích thước như trong tài liệu [9], PHỤ LỤC 2. Tiết diện lõi thép VĐH có kích thước hình chữ nhật có bề dày a = 180 mm; bề rộng băng b = 292 mm, chiều cao cửa sổ mạch Hcs = 510 mm; khoảng cách giữa hai tâm trụ Mo = 415 mm.
Từ các thông số trên, tác giả đã xây dựng mô hình MBA trong môi trường phân tích Maxwell 3D. Để giảm thời gian tính toán và mô hình có tính chất đối xứng nên khảo sát mô hình 3D mặt cắt ½. Vật liệu cách điện và cấu trúc hỗ trợ đang bị bỏ qua trong mô hình tài liệu [9] được luận văn bổ sung nghiên cứu trong phần này.
125
Hình 4.24 Mô hình MBAVĐH trong phân tích Ansys Maxwell 3D[9]
Khi MBA ngắn mạch, dòng điện tăng đột ngột làm tăng tổn hao, tăng nhiệt độ của máy. Trong khoảng thời gian ngắn sau ngắn mạch, nhiệt lượng do dòng ngắn mạch sinh ra chưa kịp truyền ra môi trường xung quanh, chỉ làm tăng nhiệt độ dây quấn, gây ra chênh lệch nhiệt độ đáng kể giữa dây quấn và epoxy. Kết quả mô phỏng cho thấy nhiệt độ cao nhất tập trung ở pha B Hình 4.25.
(a) (b)
Hình 4.25 Phân bố nhiệt (a) cuộn dây và (b) epoxy pha B MBA VĐH sau NM 3s
Nhiệt độ phần dây quấn HA cao hơn phần dây quấn CA. Những dữ liệu mô phỏng từ mục này được sử dụng để phân tích và đưa ra kết quả ứng suất lực nhiệt động trên cuộn CA và HA pha B.
4.6.2 Ứng suất nhiệt ngắn mạch MBA VĐH 630kVA
Kết quả mô phỏng phân bố ứng suất lực nhiệt động ngắn mạch MBA thể hiện ở
126
Hình 4.26 Phân bốứng suất lực nhiệt động ngắn mạch pha B MBA VĐH
Để xác định vị trí nào trên cuộn HA có giá trị ứng suất lực lớn ta khảo sát 11 đường thẳng dọc biên trong theo chiều cao cuộn HA như Hình 4.27 (b), mỗi một đường thẳng có 11 vị trí khảo sát nhìn từ hình chiếu đứng như Hình 4.27(a)
(a) (b)
Hình 4.27 Vịtrí các đường khảo sát ứng suất lực nhiệt động ngắn mạch trên cuộn HA
Kết quả phân bố ứng suất trên 11 đường thẳng khảo sát theo chiều cao cuộn HA được thể hiện ở Hình 4.27.
127
(a) (b)
Hình 4.28 Phân bốứng suất trên (a) 11 đường khảo sát và (b) vị trí ứng suất lớn nhất
Từ Hình 4.28 ta thấy ứng suất phân bố không đồng đều dọc theo chiều cao (hướng trục) và hướng kính của cuộn dây. Ứng suất lớn nhất tập trung ở mặt trong của cuộn hạ áp, trên mỗi đường thẳng khảo sát ứng suất lớn nhất nằm tại vị trí 2 đầu của đường thẳng (tức 2 góc trong trên đầu của cuộn dây), trên 11 đường khảo sát thì ứng suất tại 2 đường 4 và 8 có giá trị lớn nhất, tức là vùng vách cong phía trong của cuộn hạ áp sẽ chịu ứng suất lớn nhất. Tuy nhiên ứng suất giảm đột ngột ngày khi tiến vào giữa cuộn hạ áp và tăng đến điểm chính giữa cuộn. Ứng suất trên 2 đường 4, 8 được thể hiện rõ hơn ở Hình 4.29 dưới đây.
Hình 4.29 Phân bốứng suất lực nhiệt động NM trên 2 đường khảo sát 4 và 8
Từ Hình 4.29, ta thấy trên mỗi đường thẳng khảo sát thì ứng suất lực lớn nhất nằm tại vị trí 2 đầu của đường thẳng. Vì cuộn dây có tính đối xứng nên ứng suất phân bố tại 2 đường thẳng 4 và 8 là gần như nhau. Như vậy trong cuộn dây hạ áp sẽ có 8 vị trí tương ứng với 4 góc cong phía trong chịu ứng suất lớn nhất đạt giá trị σMax = 42.82 MPa.
128
4.6.3 Ứng suất ngắn mạch tổng hợp MBA VĐH
Ứng suất lực điện từ ngắn mạch
Kết quả từ tài liệu [9] cho thấy giá trị ứng lực x và z theo bề dày cuộn HA và CA với các đường thẳng ở các tọa độ: vị trí biên trong (x0), ở giữa (x1) và biên ngoài (x2) cuộn CA và HA được thể hiện ở Bảng 4.5
Bảng 4.5 Bảng giá trịứng suất lực ở 3 vị trí theo bề dày cuộn HA và CA
Ứng suất lực lớn nhất tại các vị trí (N/m2) Cuộn HA Cuộn CA Hướng kính (x) Hướng trục (z) Hướng kính (x) Hướng trục (z) Biên trong (x0) 0,11. 107 1,948. 107 -3,427. 107 0,94. 107 Ở giữa (x1) 2,872. 107 2,071. 107 -1,616. 107 1,153. 107 Biên ngoài (x2) 5,444. 107 1,558. 107 0,12. 107 0,57. 107 Từ các kết quả phân bố ứng lực lớn nhất ở trên có thể tính được tổng ứng lực xz cho như Bảng 4.6. Thành phần tổng suất lực điện từ ngắn mạch lớn nhất là ở cạnh ngoài cuộn HA (tính theo bề dày cuộn dây)
Bảng 4.6 Bảng kết quả phân bốứng suất có giá trị lớn nhất giữa phương pháp PTHH 3D
mặt cắt và PTHH 3D [9] Phân bốứng suất max PTHH 3D (mặt cắt) PTHH 3D Tổng ứng suất xyz (N/m2) Cuộn HA 5,444.107 5,789.107 Cuộn CA 3,427.107 3,975.107
Để khảo sát chi tiết hơn về lực điện từ ngắn mạch tại khu vực cạnh ngoài cùng cuộn HA, tài liệu [9] đã khảo sát tại 11 vị trí như Hình 4.30
(a) (b)
Hình 4.30 Các đường khảo sát (a) trên cuộn HA và hình chiếu bằng 11 vị trí khảo sát (b)
[9]
Trên mỗi đường thẳng khảo sát ta thấy ứng lực điện từ ngắn mạch lớn nhất nằm tại vị trí giữa của đường thẳng (tức giữa cuộn dây theo chiều cao). Nhìn đồ thị Hình 4.31 ta thấy rằng trên 10 đường khảo sát thì vị trí giữa của đường thẳng tại các vị trí
Đường thẳng khảo sát
129
4 và 6 có giá trị lớn nhất, tức vùng vách cong phía ngoài của cuộn HA có ứng suất lực lớn nhất.
Hình 4.31 Phân bốứng suất lớn nhất trên cuộn HA [9]
Kết quả về ứng suất lực điện từ ngắn mạch MBA VĐH 630 kVA từ tài liệu [9] được sử dụng để tính toán ứng suất ngắn mạch tổng hợp ở phần tiếp theo
Ứng suất ngắn mạch tổng hợp MBA VĐH 630 kVA
Ứng suất tác dụng vào dây quấn MBA khô, tẩm cách điện epoxy là tổng xếp chồng ứng suất do lực điện từ; ứng suất do độ chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và epoxy; và ứng lực do phân bố nhiệt độ không đồng đều ở lớp epoxy.
Sau khi xác định được giá trị ứng suất lực điện từ và ứng suất nhiệt, ta có thể tính ứng suất tổng hợp phân bố theo chiều cao cuộn HA. Phân bố ứng suất ngắn mạch tổng hợp ở cạnh ngoài cuộn HA được thể hiện trong đồ thị Hình 4.32
Hình 4.32 Phân bốứng suất ngắn mạch tổng hợp ở cạnh ngoài cuộn HA
Ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp lớn nhất ∑_HA = 65,85 MPa tại vị trí giữa cuộn dây HA (theo chiều cao y). Như vậy ứng suất lực tổng hợp này vẫn nhỏ hơn ứng suất cho phép của đồng [Đồng] = 120 MPa [87] và epoxy [epoxy] = 100MPa [88].
130
4.7 Đánh giá sự phụ thuộc cường độ điện trường lớn nhất vào bán kính cong r của cuộn dây
Đối với MBA, vấn đề phân bố cường độ điện trường trong môi trường cách điện là vô cùng quan trọng và luôn chi phối việc quyết định thông số kết cấu cách điện của máy. Tính toán chính xác bố trí cách điện là bài toán phức tạp thường phải giả thiết môi trường cách điện là đồng nhất; vì vậy kết quả tính toán cần được kiểm chứng với kết quả thực nghiệm.
Khoảng cách cách điện chính giữa cuộn CA và cuộn HA cần xác định phân bố cường độ điện trường qua epoxy và vùng không khí này.
Hình 4.33 Bốtrí cách điện giữa cuộn dây HA và cuộn dây CA
Cường độ điện trường của ống trụ đồng tâm được tính theo công thức Peek như sau [89]: 𝐺𝑥 = 2 𝜀𝑥⋅ 𝐷𝑥 ⋅ 𝑈𝑚𝑎𝑥 ln𝐷2 𝐷1 𝜀1 + ln𝐷𝐷3 2 𝜀2 + ⋯ + ln𝐷𝐷𝑛 𝑛−1 𝜀𝑛−1 (4.1)
Nếu thay logarit cơ số tự nhiên, bằng logarit cơ số 10, ta có: 𝐺𝑥 = 2 2,3 ⋅ 𝜀𝑥 ⋅ 𝐷𝑥 ⋅ 𝑈𝑚𝑎𝑥 lg𝐷𝐷2 1 𝜀1 + lg𝐷𝐷3 2 𝜀2 + ⋯ + lg𝐷𝐷𝑛 𝑛−1 𝜀𝑛−1 (4.2) Trong đó
Gx : gradient ứng với đường kính Dx
D1, D2, D3… là đường kính mặt trụ các lớp điện môi 𝜀𝑥 là hằng số điện môi của vật liệu tương ứng
131
Vùng nguy hiểm nhất cần kiểm tra cường độ điện trường ở đây là phần đầu dây quấn đối diện nhau. Ở phần cuối, các đường sức điện trường dày hơn bởi cường độ điện trường lớn hơn. Sự tăng cao của cường độ điện trường phần cuộn dây tỷ lệ với 𝑟+𝑎
𝑟 đặc trưng chỗ uốn cong của điện cực.
Hình 4.34 Phân bốđiện trường hai đầu dây quấn [90]
Quy trình tính cường độ điện trường tại vị trí này được thực hiện như sau: ta tính cường độ điện trường Gx (G1, G2…) ở vùng tương ứng với Dx (D1, D2 …), sau đó tính cường độ điện trường Gmax:
Gmax = k.Gx (4.3)
k là hệ số xác định theo đồ thị ở Hình 4.35.
Hình 4.35 Hệ sốtăng cao cường độđiện trường phụ thuộc vào tỉ số𝑟+𝑎
𝑟 [90]
Kết quả tính toán từ công thức Peek được ứng dụng mở rộng cho trường hợp dây quấn hình chữ nhật.
Với máy biến áp MBAVĐH 630 kVA-22/0,4 kV có điện áp sơ cấp 22kV thì theo TCVN-6306-3 (IEC 60076-3) điện áp chịu thử tần số công nghiệp ngắn hạn (giá trị hiệu dụng) là 50kV.
Trường hợp bán kính bên trong của cuộn HA: r = 12mm. Hằng số điện môi của epoxy[79]: 𝜀𝑒𝑝𝑜 = 4,2
132
D1(mm) 124 D2(mm) 129 D3(mm) 159 D4(mm) 164
Hình 4.36 Điểm xác định cường độđiện trường
Cường độ điện trường tại điểm 1: 𝐺1 = 2 2,3.4,2⋅ 50 lg129124 4,2 + lg159129 1,0059+ lg164159 1,0059 = 3,23 𝑘𝑉/𝑚𝑚 (4.4)
Cường độ điện trường tại điểm 2: 𝐺2 = 2 2,3.1,0059⋅ 50 lg129124 4,2 + lg159129 1,0059+ lg164159 1,0059 = 0,74 𝑘𝑉/𝑚𝑚 (4.5)
Cường độ điện trường tại điểm 3: 𝐺3 = 2 2,3.1,0059⋅ 50 lg129124 4,2 + lg159129 1,0059+ lg164159 1,0059 = 0,60 𝑘𝑉/𝑚𝑚 (4.6)
Cường độ điện trường tại điểm 4: 𝐺4 = 2 2,3.4,2⋅ 50 lg129124 4,2 + lg159129 1,0059+ lg164159 1,0059 = 2,44 𝑘𝑉/𝑚𝑚 (4.7)
Cường độ điện trường tính toán như trên chỉ đúng với môi trường đồng tính. Vùng nguy hiểm nhất cần kiểm tra là phần đầu của dây quấn đối diện nhau. Sự tăng
133
cao của cường độ điện trường phần đầu dây quấn phụ thuộc vào tỷ số 𝑟+𝑎
𝑟 , đặc trưng ở chỗ uốn cong của điện cực
Như tính toán trên ta thấy cường độ điện trường tại điểm 1 là lớn nhất. Bán kính cong của dây đồng tại vị trí tiếp giáp epoxy là 12mm khi đó 𝑟+𝑎
𝑟 =12+30
12 = 3,5 đó k =1,65
Gmax = 1,65. G1 = 5,33 kV/mm
Cường độ điện trường này nhỏ hơn điện trường đánh thủng của epoxy[79]: Gmax epoxy = 20kV/mm do đó MBA bị đánh thủng cách điện.
Để đánh giá sự phụ thuộc giá trị cường độ điện trường lớn nhất vào bán kính cong r của dây quấn ta tiến hành tính toán cho các trường hợp bán kính cong dây quấn khác nhau. Vì kích thước bề ngang lõi thép là 180 mm nên chọn r lớn nhất là 90 mm và nhỏ nhất là 2mm, để vừa mang tính tổng quát và cũng vừa giảm thời gian tính toán, mô phỏng, ta chọn 6 trường hợp khảo sát: r = 2; 5; 12; 30; 40; 90 mm. Kết quả tính toán được thể hiện trong Bảng 4.7.
Bảng 4.7 Kết quảtính cường độđiện trường lớn nhất của 6 trường hợp
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.