Từ Hình 3.40 cho thấy hệ số khuếch tán nhiệt giảm khi tăng nhiệt độ và giảm nhanh trong khoảng nhiệt độ từ 25oC đến 75oC, giảm đến 42,3%. Mối quan hệ a = f(t) được biểu diễn gần đúng dưới dạng đa thức như sau:
𝛼(𝑡) = 2,33 − 0,031𝑡 + 21,05. 10−5𝑡2 (3.76) Trên cơ sở kết quả thực nghiệm, tác giả đã xây dựng được 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 trường phân bố nhiệt trong MBA khô.
3.6 Kết luận chương 3
Trong chương này, luận án nghiên cứu mô hình toán phân bố nhiệt trong MBA khô và mô hình mạch nhiệt thay thế tương đương. Áp dụng mô hình mạch nhiệt thay thế tương đương cho MBA khô 320kVA. Tiến hành so sánh kết quả nhiệt độ trung bình tại giữa MBA (chiều cao tính theo phương y) giữa phương pháp mạch nhiệt thay thế tương đương và phương pháp PTHH (phần mềm CFD 2D) ta thấy kết quả sai khác không lớn. Nếu coi phương pháp phần tử hữu hạn là chuẩn để so sánh, sai khác trên là chấp nhận được. Đặc biệt, ưu điểm của phương pháp mạch nhiệt là tính toán nhanh, đơn giản.
Tuy nhiên, trong các trường hợp tổng quát, với các bài toán phức tạp về cấu trúc thiết bị, đa dạng các loại vật liệu thì phương pháp PTHH 3D sẽ là một giải pháp có ưu thế vượt trội. Trong các mô phỏng, tính toán sau của luận án, tác giả sẽ áp dụng phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán phân bố nhiệt và xác định ứng xuất nhiệt.
Ngoài ra, để xác định các tính chất nhiệt vật lý của vật liệu epoxy sử dụng trong MBA khô, tác giả đã lựa chọn phương pháp đo nhanh hay đo không ổn định dựa trên cơ sở lý thuyết về nguồn đường để đo hệ số dẫn nhiệt kết hợp cùng với mô phỏng CFD.
Trên cơ sở kế thừa các nghiên cứu lý thuyết, các tài liệu và công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về phương pháp xác định hệ số dẫn nhiệt, nhóm tác giả đã
107
tìm hiểu chế tạo và 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 của Mỹ có độ chính xác cao. Kết quả đo đạc được lấy mẫu tự động và chuyển về máy tính qua giao tiếp USB. Kết quả thực nghiệm sau đó được xử lí bằng phần mềm QTT software 1.2 do nhóm tác giả tự phát triển tính toán hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cần đo.
Trên cơ sở kết quả thực nghiệm, tác giả đã xây dựng được 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 trường phân bố nhiệt trong MBA khô.
Mối quan hệ hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ với các dữ liệu thu được từ thực nghiệm được biểu diễn gần đúng λ = f(t) dưới dạng đa thức và có kết quả như sau:
𝜆(𝑡) = 0,5612 + 0,002044𝑡 − 1,68. 10−5𝑡2
Mối quan hệ hệ số nhiệt dung riêng theo nhiệt độ 𝑐𝑝= f(t) dưới dạng đa thức như sau:
𝑐𝑝(𝑡) = 82,61 + 4,77𝑡 + 0,031𝑡2
Mối quan hệ 𝛼 = f(t) được biểu diễn gần đúng dưới dạng đa thức như sau: 𝛼(𝑡) = 2,33 − 0,031𝑡 + 21,05. 10−5𝑡2
108
CHƯƠNG 4
TÍNH TOÁN PHÂN BỐ NHIỆT VÀ LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP MBA KHÔ
4.1 Giới thiệu
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 sẽ 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.
Trên cơ sở mô hình đã kiểm chứng, tác giả mô phỏng phân bố nhiệt MBA ở trường hợp MBA hoạt động quá tải và trường hợp ngắn mạch sự cố phía hạ áp MBA, xác định phân bố nhiệt và 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 (Hình 4.1). Mục đích cuối cùng là ứng lực nhiệt động ngắn mạch lớn nhất trên dây quấn HA và CA để so sánh với ứng suất cho phép của dây quấn. Tính ứng suất tổng hợp tác dụng vào dây quấn MBA khô bọc lớp epoxy bao gồm tổng ứng suất gây ra do lực điện từ; ứng suất do độ chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và epoxy và ứng suất do phân bố nhiệt độ không đồng đều của lớp epoxy.
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.
Hình 4.1 Sơđồ quá trình mô phỏng ứng suất nhiệt MBA khi ngắn mạch trên môi trường Ansys Workbench
4.2 Mô phỏng 3D phân bố nhiệt MBA khô 320kVA
Tác giả tính phân bố nhiệt MBA khô có cuộn dây bọc trong epoxy bằng cách thực hiện mô hình hóa phối hợp các quá trình xảy ra trong MBA khô làm mát tự nhiên bằng không khí. Do MBA khô có sử dụng cách điện epoxy, thuộc tính của epoxy này lấy từ kết quả thực nghiệm ở CHƯƠNG 3. Khi thực hiện tính toán mô phỏng phân bố nhiệt MBA ta dựa trên một số quy ước sau:
109
- Tổn hao năng lượng điện từ phụ thuộc cấu hình và nhiệt độ lõi thép và dây quấn. Tính toán tổn hao đồng theo dòng điện làm việc, điện trở suất được coi là phụ thuộc vào nhiệt độ. Tổn hao lõi thép được sử dụng biểu thức Steinmetz.
- Nhiệt độ và phân bố nhiệt độ phụ thuộc vào truyền nhiệt dẫn, đối lưu và bức xạ và các phân bố nhiệt độ vùng biên (điều kiện bờ).
- Trong phân tích đồng thời kết hợp xét cả hai quá trình: điện từ và truyền nhiệt của môi trường.
- Tính chất truyền nhiệt không đẳng hướng trong lõi thép và dây quấn. Lõi thép được ghép từ các lá thép và có độ dẫn nhiệt qua lá thép khác với dẫn nhiệt dọc lá thép. Đồng thời độ dẫn nhiệt dọc bối dây tốt hơn so với mặt phẳng cắt ngang của bối dây. Do đó, các mô hình phân tích đã được sử dụng có xét đến các thuộc tính này. Tuy nhiên, trong mặt phẳng cắt ngang dây quấn, độ dẫn nhiệt như nhau đối với hai hướng.
4.2.1 Thực nghiệm xác định điều kiện biên nhiệt độ MBA 320kVA 22/0,4kV (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Kích thước hình học của MBA khô 3 pha 320 kVA – 22/0,4kV sử dụng làm thực nghiệm là: 1340 mm × 930 mm × 1550 mm. Trong quá trình thực nghiêm, MBA được làm mát tự nhiên. Các thông số khác của MBA đã được ghi trong biên bản kiểm tra xuất xưởng ở PHỤ LỤC 1 và một vài thông số thử nghiệm cụ thể được ghi lại trong Bảng 4.1 sau đây
Bảng 4.1 Các thông sốđo đạc thực nghiệm của MBA 320 kVA - 22/0,4 kV
Thứ tự
Thông số Giá trị
1 Dòng điện không tải i0% 0,59 2 Tổn hao không tải: P0 (W) 835 3 Tổn hao ngắn mạch Pk (W) 3545 4 Điện áp ngắn mạch uk% 6
110
(a) (b)
Hình 4.2 Hình ảnh đo nhiệt thực tếMBA (a) và sơ đồđiểm gắn can nhiệt trên cuộn CA và HA (b)
Nhiệt độ được đo tại 27 điểm thể hiện ở Hình 4.2. Can nhiệt loại T được dán vào các vị trí như trên hình và dữ liệu về nhiệt độ được ghi lại thông qua datalogger. Các thử nghiệm ở trạng thái: tải định mức, 70% tải và 50% tải được ghi lại khi nhiệt độ đạt đến trạng thái bình ổn nghĩa là trong 2h liên tiếp nhiệt độ không tăng quá 1℃
Kết quả đo nhiệt độ trên vỏ cuộn CA và HA được thể hiện ở Bảng 4.2
Bảng 4.2 Kết quảđo nhiệt độ trên vỏ cuộn CA và HA MBA khô
Can
nhiệt Tải định mức định mức 70% Tải định mức 50% Tải
1 53,3 39,3 31,1 2 55,0 38,8 31,7 3 58,4 41,3 32,8 4 58,8 40,4 31,7 5 52,6 40 32,1 6 51,1 36,5 30,7 7 54,6 35,6 29,4 8 51,7 35,7 29,6 9 53,4 36,4 29,4 10 51,6 36,3 29,8 11 51,1 33,2 27,7 12 40,9 30,6 25,6 13 53,3 36,3 29,4 14 58,6 41,8 33,9 15 48 38 31,9
111 16 66,5 43,3 34 17 26,6 23,5 21,7 18 33,2 27,2 24,1 19 33,4 27 24,2 20 32,7 27,1 23,8 21 62,6 42,1 33,2 22 29,5 23,9 21,3 23 67,5 44,7 35,5 24 42,6 32,1 27,8 25 51,1 34,4 27,7 26 57,5 42,1 34,9 27 45,8 37,1 30,8
Phần mềm ANSYS Workbench được sử dụng để tính toán sự mô phỏng phân bố nhiệt độ ở trạng thái ổn định hai chiều do dẫn nhiệt trong cách điện MBA. Công cụ này cho phép tính toán trường nhiệt độ thông qua việc giải phương trình (3.47) bằng phương pháp phần tử hữu hạn với các điều kiện biên xác định thông qua đo đạc thực nghiệm [86]. Kết quả mô phỏng và so sánh với thực nghiệm được trình bày ở phần dưới đây.
4.2.2 Mô phỏng phân bố nhiệt MBA 320kVA ở những điều kiện tải khác nhau
Mô hình 3D MBA khô 320 KVA được dựng trên phần mềm Ansys Workbench, với các kích thước thực của máy được nhà sản xuất cung cấp. Chi tiết mô hình được thể hiện trong Hình 4.3.