Tổng quan nghiên cứu MBA khô có cuộn dây đúc trong epoxy và lõi thép VĐH

5. Cấu trúc nội dung của luận án

1.4 Tổng quan nghiên cứu MBA khô có cuộn dây đúc trong epoxy và lõi thép VĐH

và lõi thép VĐH trên thế giới

Khi nghiên cứu đến lực ngắn mạch tổng hợp tác động lên MBA ta nghiên cứu cả về lực điện từ và lực nhiệt động (ứng suất nhiệt).

Lực điện từ tác dụng lên dây quấn của MBA được sinh ra là do sự tương tác giữa dòng điện và từ trường tản trong vùng dây quấn. Khi MBA hoạt động trong điều kiện bình thường, tác dụng của lực điện từ lên các dây quấn nhỏ do từ trường tản và dòng điện tương đối nhỏ nhưng khi MBA bị ngắn mạch sự cố (tức là MBA đang làm việc với điện áp sơ cấp định mức Uđm, xảy ra ngắn mạch), lúc này toàn bộ điện áp định mức đặt lên tổng trở ngắn mạch rất nhỏ của MBA nên dòng điện ngắn mạch quá độ sẽ rất lớn. Trong các trường hợp ngắn mạch thì ngắn mạch 3 pha đối xứng đầu cực thứ cấp MBA có trị số dòng điện ngắn mạch lớn hơn trường hợp ngắn mạch không đối xứng.

Lực nhiệt động tác dụng lên dây quấn MBA khi ngắn mạch là do sự thay đổi phân bố nhiệt, thay đổi nhiệt độ làm việc tạo ra ứng suất do phân bố nhiệt độ không đồng đều trong lớp epoxy, ứng suất do chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và lớp epoxy. Lực nhiệt động liên quan chặt chẽ đến phân bố nhiệt độ sau thời điểm ngắn mạch đồng thời liên quan đến bản chất vật liệu làm dây quấn và epoxy. Tình hình nghiên cứu về các vấn đề này được thể hiện trong mục này.

1.4.1 Nghiên cứu về lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA trên thế giới

Đối với MBA lõi thép silic

Trên thế giới đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA khô, có thể được liệt kê như sau:

Năm 2004, S.L. Ho đã tính toán lực ngắn mạch trên dây quấn MBA, trình bày tính toán lực hướng kính và hướng trục khi ngắn mạch ba pha trên một MBA 72MVA, phân tích từ trường tản và lực theo phương pháp PTHH. Các kết quả tính toán được so sánh với thử nghiệm [21].

Năm 2007, A. C. De Azevedo đã phân tích từ trường của MBA khi xảy ra ngắn mạch, dùng phương pháp PTHH theo miền thời gian để tính toán lực cơ học xảy ra trong cuộn dây biến áp trong điều kiện ngắn mạch [22]. Bài toán đã chỉ ra lực điện từ lớn nhất trên cuộn CA là 59,6 MPa nằm ở vùng 1/3 chiều cao cuộn dây, tuy chưa đạt tới ứng suất cho phép 100-160 MPa của dây đồng (Hình 1.8) nhưng sẽ là nguy hiểm nếu xuất hiện thêm các ứng lực do nguyên nhân khác.

19

Hình 1.8 Ứng suất điện từ phân bố theo chiều cao cuộn CA [22]

Nhóm tác giả: Hyun-Mo Ahn và Ji-Yeon Lee đã phân tích, tính toán lực điện từ ngắn mạch của MBA lõi thép silic có tiết diện tròn bằng phương pháp PTHH [23],[24],[25]. Nhóm tác giả thực hiện trên các MBA khô 1 pha với công suất 1 MVA, phân tích từ trường tản bằng phương pháp PTHH với phần mềm Maxwell. Kết quả mô phỏng lực điện từ hướng kính và hướng trục, phân bố trên cuộn CA, và HA như

Hình 1.9 và Hình 1.10. Trong nghiên cứu này, tác giả cũng đưa ra giá trị lực điện từ hướng trục lớn nhất trên cuộn HA là 2597N và cuộn CA là 2851N; lực điện từ hướng kính lớn nhất trên cuộn HA là 11698N và cuộn CA là 5568N.

(a) (b)

Hình 1.9 Lực hướng kính (a) và hướng trục (b) trên cuộn CA [23]

(a) (b)

20

MBA bị ngắn mạch vào lúc đang hoạt động trong hệ thống điện, các dòng điện ngắn mạch tương tác với từ thông tản gây ra ứng suất cơ học rất nghiêm trọng đối với dây quấn MBA. Vì vậy, yêu cầu thiết kế MBA phải chịu được dòng ngắn mạch từ ngắn mạch một pha chạm đất đến ngắn mạch ba pha…

Ngoài ra, tính toán từ trường tản và lực cơ khí sinh ra ở MBA khi ngắn mạch bằng phương pháp PTHH theo miền thời gian cũng được nhiều tác giả quan tâm được công bố trong các công trình [26],[27],[28],[29].

Đối với MBA lõi thép VĐH

MBA VĐH do có cấu trúc đặc biệt của lõi thép và dây quấn là hình chữ nhật nên phân bố từ trường, từ trường tản và phân bố lực sẽ không còn đồng đều trên cùng một vòng dây [30],[4],[31],[5]. Đặc biệt hơn là lúc xảy ra ngắn mạch thì lực này lớn sẽ rất nguy hiểm đối với dây quấn. Do đó phải tính toán cấu trúc hình dáng hợp lý dây quấn để phân bố lực trên vòng dây đồng đều hơn.

Nhóm tác giả B. Tomczuk, D. Koteras, K. Zakrzewski [7], đã phân tích từ trường và điện kháng ngắn mạch của MBA 3 pha lõi MBA VĐH. Nội dung của bài báo đề cập đến sự biến đổi của khe hở không khí d gây ra thay đổi phân bố từ thông. Giá trị từ thông thay đổi 25% khi d thay đổi từ 1 – 7mm. Tính toán này áp dụng cho cuộn dây tròn và có thể áp dụng lên cuộn dây hình chữ nhật [32]. Các kết quả tính toán phân bố từ trường và điện kháng ngắn mạch đã được so sánh với những kết quả thực nghiệm.

Nhóm tác giả Malick Mouhamad, Christophe Elleau [5], đã đưa ra tính toán lực điện động ngắn mạch giữa 2 cuộn dây cao áp và hạ áp của MBA VĐH sử dụng lõi thép 2605SA1 có cuộn dây hình chữ nhật có xét đến chiều dày cuộn dây. Kết quả của bài báo đã đưa ra khuyến cáo trong tính toán lực tác dụng lên dây quấn nên tính theo cách có xét đến bề dày cuộn dây và khoảng cách giữa hai cuộn dây, quan trọng hơn khi tính lực cho MBA có lõi VĐH vì các cuộn dây có hình chữ nhật mà không phải tròn, phân bố lực sẽ không đối xứng như Hình 1.11.

Hình 1.11 Cuộn HA và CA máy VĐH sau khi bị tác dụng của lực điện từ ngắn mạch [8]

1.4.2 Nghiên cứu về phân bố nhiệt ở MBA khô trên thế giới

MBA khô có cuộn dây được bọc trong epoxy thường là cách điện lớp F (155oC) hoặc cách điện cấp H (180℃). Cách điện lớp F có nhiệt độ giới hạn là 155℃ - là điểm mềm hóa của vật liệu. MBA khô có cuộn dây bọc trong epoxy thường được đặt ở những nơi công cộng, chung cư…đòi hỏi cao về an toàn phòng chống cháy nổ. Do

CA HA HA CA

21

điều kiện không gian lắp đặt thường rất chật hẹp, khả năng đối lưu của không khí làm mát thường rất kém kết hợp với khả năng dẫn nhiệt của lớp vật liệu cách nhiệt không tốt, một số điểm nóng cục bộ có thể xuất hiện trong quá trình vận hành máy gây ảnh hưởng lớn đến độ ổn định và an toàn của MBA khô.

Vì vậy, việc tìm ra phân bố nhiệt cũng như xác định các điểm phát nóng cục bộ ở những MBA khô là rất quan trọng. Nó giúp các nhà thiết kế, chế tạo cải tiến thiết bị để tăng tuổi thọ cũng như hiệu suất làm việc của MBA [33],[34],[35].

Từ những năm 1944 việc xác định điểm phát nóng trong cuộn dây MBA khô đã được tác giả Satterlee [36], Whiteman [37] đưa ra trong những nghiên cứu của mình. Tác giả Whiteman đã kết luận rằng độ tăng nhiệt độ cho phép của cuộn dây MBA khô là từ 30℃ đến 80℃.

Tác giả Pierce đưa ra mô hình toán giúp dự đoán điểm nóng nhất trong cuộn dây MBA khô [38]. Trên thế giới cũng có rất nhiều bài báo đã khảo sát kết quả thực nghiệm về sự phân bố nhiệt ở MBA khô [39], [40].

Năm 2007, tác giả Rahimpour cũng đưa ra mô hình toán nghiên cứu về phân bố nhiệt MBA khô, mô hình này được giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn và kết quả gần khớp thực nghiệm [35]. Nhiều tác giả cũng thực hiện nghiên cứu về phân bố nhiệt trong MBA khô bằng phương pháp phần tử hữu hạn [29], [40]. Để giải được các bài toán truyền nhiệt và mô phỏng phân bố nhiệt, các nhà nghiên cứu thường sử dụng các phương pháp nghiên cứu khác nhau, đó là: phương pháp giải tích hoặc “bán giải tích” (semi-analytic) như mạch nhiệt thay thếtương đương và các phương pháp số xây dựng mô hình trường nhiệt [45]

Trong đó, mô hình mạch nhiệt thay thế tương đương có ưu điểm là giải nhanh, mô hình có tính chất mở nên dễ dàng thay đổi cấu trúc và hiệu chỉnh các tham số để chuẩn hóa mô hình; nhược điểm của dạng mô hình này là: không có một dạng cấu trúc tiêu chuẩn cố định để có thể lập trình tự động tạo ra mô hình nhiệt cho một MBA riêng biệt, lời giải phân tích không đưa ra thông tin chi tiết về trường phân bố hoặc tương tác nhiệt đầy đủ cho một MBA, thêm nữa là trong mô hình sẽ phải sử dụng nhiều hệ số kinh nghiệm nên cần hiệu chỉnh lại các hệ số đó bằng các dữ liệu thực nghiệm.

Mô hình trường nhiệt sẽ sử dụng công cụ toán học là các bộ giải số để giải các phương trình vi phân của trường nhiệt được xây dựng từ mô hình vật lý của MBA. Ưu điểm của mô hình trường nhiệt là cho phép mô tả đầy đủ phân bố trường nhiệt trên MBA; đưa ra các thông tin chi tiết về quá trình truyền nhiệt trên từng phân vùng cục bộ của MBA bao gồm nhiệt độ tại phân vùng đó và tốc độ thay đổi nhiệt độ theo các hướng (gradient của trường nhiệt). Những nhược điểm chính của mô hình trường là: cần nhiều thời gian để xây dựng mô hình phân tích và đưa ra lời giải, cần sử dụng các máy tính có khả năng tính toán mạnh mẽ mà không thể tính toán bằng tay, khó khăn với những người mới tiếp cận, và các kết quả vẫn cần phải hiệu chỉnh do còn phụ thuộc vào đặc tính vật liệu và mức độ chi tiết của mô hình. Hiện nay, mô hình trường nhiệt cho MBA điện thường sử dụng hai phương pháp giải số: phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và phương pháp tính toán động học chất lưu (CFD) [45]

22

Nhóm tác giả Yifan Chen, Changgeng Zhang trong nghiên cứu [46] đã so sánh giữa phương pháp sử dụng mô hình mạch nhiệt thay thế tương đương (LPTN) và phương pháp PTHH. Nghiên cứu đã cho thấy việc áp dụng mô hình LPTN là có khả thi mặc dù kết quả tính toán nhiệt độ còn lệch khá nhiều (Hình 1.12). Đồng thời, trong nghiên cứu của mình tác giả chỉ ra rằng nhiệt độ nóng nhất tập trung ở phần giữa cuộn dây (Hình 1.14). Nhiệt độ nóng nhất cuộn CA là 60,89℃ và cuộn HA là 73,83℃, nhiệt độ nóng nhất ở lõi là 47,26℃.

(a) (b)

Hình 1.12 Mô hình MBA khô (a) phần nghiên cứu phân bố nhiệt, (b) Mạch nhiệt cho phần nghiên cứu [46]

Hình 1.13 So sánh điểm nghiên cứu nhiệt độ giữa phương pháp TLPN và FEM [46]

(a) (b) (c)

Hình 1.14 (a)Mô phỏng phân bố nhiệt độ MBA khô và (b) nhiệt độ cuộn cao áp, (c)nhiệt

độ cuộn HA [46]

Trong nghiên cứu [42], Wang Ning sử dụng COMSOL Multiphysics mô phỏng 3D phân bố nhiệt MBA khô có kiểm chứng kết quả mô phỏng với đo đạc thực nghiệm để chứng minh tính đúng đắn của mô hình Hình 1.15. Kết quả cho thấy nhiệt độ cao hơn tập trung vùng trên của các cuộn dây, pha B có nhiệt độ cao hơn pha A và pha C. Kết quả mô phỏng có kiểm chứng với kết quả đo đạc thực nghiệm để chứng minh được tính đúng đắn của mô hình.

23

Hình 1.15 Mô phỏng phân bố nhiệt MBA bằng phần mềm COMSOL Multiphysics [42]

Tác giả Yan Li và cộng sự đã thực hiện mô phỏng phân bố nhiệt 3D MBA khô lõi thép VĐH SCBH15-600/10. Kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm lệch 10% và độ tăng nhiệt độ của máy VĐH thấp hơn máy thép silic cùng gam. Điểm nóng nhất nằm ở cuộn HA pha B thể hiện trong phân bố nhiệt độ như Hình 1.16.

(a) (b) (c)

Hình 1.16 Phân bố nhiệt độ (a) lõi thép VĐH, (b) cuộn HA, (c) cuộn CA [47]

Tóm lại: Với các phân tích ở trên, chúng ta nhận thấy có rất nhiều các nhà nghiên cứu trên thế giới đã sử dụng các phương pháp khác nhau để tính toán, phân tích bài toán nhiệt trong MBA khô. Tuy nhiên, các phương nghiên cứu về nhiệt chủ yếu chỉ kể đến các thông số điện từ mà chưa kể đến ảnh hưởng của các thông số của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ khi MBA làm việc ở chế độ bình thường cũng như ở chế độ quá tải và ngắn mạch.

1.5 Những nghiên cứu ở trong nước về MBA lõi thép VĐH

Ngày 10 tháng 12 năm 2009, lần đầu tiên ở nước ta đưa việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu VĐH làm lõi thép MBA điện lực; Bộ trưởng Bộ Công Thương đã ký Quyết định số 6228/QĐ – BCT về: Kế hoạch khoa học công nghệ năm 2010 [48] với nội dung cụ thể như sau: “Thiết kế chế tạo chế tạo MBA giảm tổn hao không tải sử dụng vật liệu thép từ vô định hình siêu mỏng, chế tạo trong nước”.

Ở Việt Nam, công ty máy biến áp SANAKY Hà Nội đã chế tạo được thành công MBA khô lõi thép VĐH có cuộn dây đúc trong epoxy. MBA khô được sản xuất đã được thử nghiệm và đảm bảo chất lượng để vận hành.

Trong lĩnh vực nghiên cứu, đã có một vài luận án thạc sĩ nghiên cứu về MBA sử dụng lõi thép VĐH. Tác giả Bùi Đình Chi [49] đã nghiên cứu và tìm hiểu về công nghệ chế tạo MBA khô lõi thép VĐH. Tác giả Hoàng Tháp Mười [19] nghiên cứu về

24

phân bố nhiệt MBA khô có lõi thép VĐH tác giả sử dụng các thông số nhiệt của vật liệu epoxy là hằng số và phân bố nhiệt được nghiên cứu bằng phần mềm FlexPDE 2D.

Trong tài liệu [9], tác giả Đoàn Thanh Bảo đã nghiên cứu về lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH. Tác giả đã xây dựng được toán tổng quát của từ trường tản trong cửa sổ mạch từ MBA với từ thế vectơ A. Ứng dụng phương pháp giải tích và PTHH 2D để tính ứng suất lực hướng trục và hướng kính trên các dây quấn trong trường hợp ngắn mạch 3 pha đối xứng phía HA.

Tác giả Bảo cũng đã xác định vị trí có giá trị ứng suất lực điện từ lớn nhất trên vòng dây cuộn HA và CA hình chữ nhật của MBAVĐH trong trường hợp ngắn mạch 3 pha đối xứng bằng phương pháp PTHH 3D. Tính toán ứng suất nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và cách điện epoxy bằng phương pháp giải tích với các hằng số của vật liệu epoxy là hằng số, từ đó xác định ứng suất tổng hợp tác dụng lên dây quấn bọc epoxy. Kết quả này được so sánh với ứng suất tiêu chuẩn cho phép của dây quấn MBA. Cuối cùng tác giả Bảo đã xây dựng đường cong khái quát đánh giá độ tăng của giá trị ứng suất theo bán kính cong cuộn dây khác nhau. Thông qua đường cong này, nếu thay đổi bán kính từ tròn đến vuông thì ứng suất lực sẽ tăng lên 31%, khuyến cáo cho người thiết kế MBA lựa chọn hợp lý bán kính cong dây quấn.

Tuy nhiên, 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.

Tóm lại: nghiên cứu về MBA khô có lõi thép VĐH ở Việt Nam vẫn còn hạn chế số lượng công trình công bố và các vấn đề còn tồn tại như sau: Còn ít nghiên cứu tính lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn bao gồm lực điện từ và ứng suất nhiệt trong dây quấn MBA khô bọc epoxy. Trong việc tính toán mô phỏng phân bố nhiệt MBA khô bọc epoxy chưa tính đến việc các thông số của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ. Việc tính toán mô phỏng phân bố nhiệt MBA khô mới là dạng 2D đồng thời chưa có sự kiểm chứng với dữ liệu thực nghiệm.

1.6 Những nghiên cứu về thông số nhiệt của vật liệu epoxy

Trong việc tính toán mô phỏng phân bố nhiệt MBA khô, bên cạnh các điều kiện