4.4 Kết luận chương 4
Để tính phân bố nhiệt trong máy biến áp cần giải phương trình truyền nhiệt 3.38 với điều kiện biên 3.29, 3.30. Đối với MBA khô có dây quấn cao áp tẩm trong epoxy, việc giải phương trình truyền nhiệt 3.38 với điều kiện biên 3.29, 3.30 liên quan đến việc nhận biết tính chất nhiệt của vật liệu epoxy, các tính chất này lại thay đổi mạnh theo nhiệt độ.
Các biểu thức toán mô tả tính chất nhiệt theo nhiệt độ chưa có.
Trong nghiên cứu, tác giả đã dựa vào kết quả thí nghiệm trong tài liệu [29], áp dụng công thức Tay lo đưa ra biểu thức gần đúng tính các biểu thức
λ(T) = 0,8305 – 0,2475.10-2T + 0,8699.10-5T2 4.1 α(T) = 0,3950.106 + 3,1056.102T - 4,6024T2 4.2 Cp(T) = 1,1681 – 3,9812.10-4T + 3,6732.10-6T2 4.3
Sai số so sánh giữa số liệu tính bằng biểu thức gần đúng 4.1, 4.2, 4.3 và số liệu đo thực nghiệm trong khoảng nhiệt độ làm việc của vật liệu epoxy (từ nhiệt độ môi trường đến 1500C) nhỏ hơn 1,3%. Do đó có thể sử dụng biểu thức gần đúng đẻ tính phân bố nhiệtvới sai số cho phép.
Từ đó hướng tiếp theo của đề tài sẽ phân tích tìm phân bố nhiệt độ, phân tích điểm nóng nhất và các giải pháp liên quan giúp thiết kế kinh tế kỹ thuật MBA khô nói chung và MBA khô sử dụng lõi thép VĐH nói riêng.
PHỤ LỤC: GIẢI THÍCH CÔNG THỨC GẦN ĐÚNG 1. Khảo sát sự thay đổi nhiệt dẫn suất theo nhiệt độ 1. Khảo sát sự thay đổi nhiệt dẫn suất theo nhiệt độ
Nhóm tác giả A. Garcıa, G. Espinosa-Paredes, I. Hern andez [23] đã sử dụng bốn mẫu epoxy thí nghiệm khảo sát sự thay đổi nhiệt dẫn suất λ theo nhiệt độ.
Thay đổi nhiệt độ mẫu 270C đến 151°C, kết quả đo ghi trên hình 1
Hình 1: Kết quả đo nhiệt dẫn suất thay đổi theo nhiệt độ[23]
Nhận xét:
- T0C tăng từ 27 ÷ 1500C → λ giảm từ 0.78 ÷ 0,66 W/m.K. Giảm 15% - Các giá trị đo là rời rạc, không tiện sử dụng cho tính toán.
- Có thể sử dụng biến đổi Taylo biểu diễn gần đúng quan hệ λ = f(T) dưới dạng đa thức bậc 2: λ = f(T) = a + bT + cT2 1a
Tôi làm như sau: Từ hình dáng đường cong, giả sử đường λ = f(T) = a + bT + cT2 qua 3 điểm λ1, λ2, λ3 (hình 1), tôi có:
:
0,78 = a + b.27 + c 272 0,656 = a + b.129 + c 1292 0,655 = a + b.150 + c 1502
Giải hệ phương trình được: a= 0,835; b= -0,2475.10-2; c= 0,8699.10-5, thay vào công thức 1a tôi có:
λ(T) = 0,8305 – 0,2475.10-2T + 0,8699.10-5T2 1b
So sánh kết quả tính theo công thức 4.1 so với kết quả đo bằng thực nghiệm được thống kê ở bảng 4.1, sai số <1,5%.
Bảng 1: Nhiệt dẫn suất đo thực nghiệm và tính theo công thức 1
Nhiệt độ (0C) λ(Wm1-K-1), đo λ(Wm1-K-1), tính Sai khác
27 0,780 0,770 0,0100 58 0,707 0,716 -0,0090 86 0,675 0,682 -0,0070 105 0,667 0,666 0,0010 129 0,661 0,656 0,0050 151 0,660 0,655 0,0050
2. Khảo sát sự thay đổi hệ số khuếch tán nhiệt theo nhiệt độ.
Tương tự như trường hợp trên: Bằng thực nghiệm ta đo được hệ số khuếc tán nhiệt khi thay đổi nhiệt độ từ 270C ÷ 1500C. Kết quả quan hệ α = f(T) đươc vẽ trên hình 2.
Hình 2: Hệ số khuếch tán nhiệt của epoxy phụ thuộc nhiệt độ
Nhận xét:
- T0C tăng từ 27 ÷ 1500C → Điện dung giảm từ 0,40.10-6 m2 s-1 ÷ 0,34.10-6 m2 s-1, giảm khoảng 10%.
- Các giá trị đo là rời rạc, không tiện sử dụng cho tính toán.
- Có thể sử dụng biến đổi Taylo biểu diễn gần đúng quan hệ α = f(T) dưới dạng đa thức bậc 2: α = f(T) = a + bT + cT2 2a
Từ hình dáng đường cong, giả sử đường α = f(T) = a + bT + cT2 qua 3 điểm α1, α2, α3 (hình 2), tôi có:
0,400.106 = a + b.27 + c 272 0,3975.106 = a + b.58 + c 582 0,338.106 = a + b.150 + c 1502
Giải hệ phương trình được: a= 0,3950.106; b= 3,1056.102; c= -4,6024, thay vào công thức 2a tôi có:
α(T) = 0,3950.106 + 3,1056.102T - 4,6024T2 2b
So sánh kết quả tính theo công thức 2 so với kết quả đo bằng thực nghiệm được thống kê ở bảng 2, sai số < 2,7%.
Bảng 2: Hệ số khuếch tán nhiệt đo thực nghiệm và tính theo công thức 2
Nhiệt độ (0C) α(m2s-1).106, đo α(m2s-1).106, tính Sai khác
27 0,400 0,400 0,000
58 0,397 0,397 0,0000
86 0,388 0,388 0,0000
130 0,367 0,357 0,0100
150 0,338 0,338 0,0000
3. Khảo sát sự thay đổi điện dung theo nhiệt độ.
Hình 3 vẽ sự thay đổi nhiệt dung theo nhiệt độ. Từ đồ thị cho thấy, nhiệt dung gần như hằng số tới nhiệt độ 800C, sau đó tăng nhanh theo nhiệt độ.
Hình 3: Sự thay đổi nhiệt dung của epoxy theo nhiệt độ
Áp dụng cách xây dựng biểu thức quan hệ Cp = f(T) dựa vào kết quả thực nghiệm được vẽ trên hình 4.3. Giả sử đường cong Cp = f(T) = a + bT + cT2 qua 3 điểm Cp1, Cp2, Cp3 (hình 3), tôi có:
1,160 = a + b.27 + c 272 1,161 = a + b.86 + c 862 1,191 = a + b.150 + c 1502
Giải hệ phương trình được: a= 1,1681; b= -3,9812.10-4; c= 3,6732.10-6, thay vào công thức Cp = f(T). tôi có:
Cp(T) = 1,1681 – 3,9812.10-4T + 3,6732.10-6T2 3
So sánh kết quả tính theo công thức 3 so với kết quả đo bằng thực nghiệm được thống kê ở bảng 3, sai số < 1%.
Bảng 3: Nhiệt dung đo thực nghiệm và tính theo công thức 3
Nhiệt độ (0C) Cp(J.g-1K-1), đo Cp(J.g-1K-1), tính Sai khác
27 1,160 1,167 -0.0070
58 1,162 1,166 -0.0040
86 1,161 1,161 0,0000
130 1,170 1,178 -0,0080
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận:
Công nghệ chế tạo MBA khô nói chung cũng như MBA VĐH còn xa lạ và mới đối với nước ta. Do yêu cầu cấp thiết của đời sống về giảm phát thải khí CO2, cần tiết kiệm năng lượng, nhà nước đã ban hành các quy chuẩn về hiệu năng tối thiểu và tổn hao không tải tối đa đối với MBA phân phối được phép đưa vào sử dụng trong lưới điện. MBA có lõi thép VĐH đủ khả năng đáp ứng các yêu cầu cao về tiết kiệm năng lượng. Trong thành phố và những nơi có yêu cầu khắt khe về môi trường, an toàn và phòng chống cháy nổ thường được sử dụng MBA khô.
MBA khô có lõi thép làm bằng vật liệu VĐH có cấu trúc mạch từ, cấu trúc cuộn dây và công nghệ chế tạo khác với MBA sử dụng mạch từ bằng lõi thép silíc.
Về phân bố từ trường tán: MBA VĐH có tiết diện lõi thép hình chữ nhật kéo theo tiết diện dây quấn là hình chữ nhật do đó phân bố điện trường và phân bố lực tác dụng lên dây quấn không đồng đều dọc chu vi vòng dây. Do đó phải tính được phân bố từ trường tản để tìm được phân bố lực điện từ cũng như lực tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA, tránh sự phân bố cục bộ, có địa điểm lực điện từ cũng như lực tổng hợp vượt quá giá trị cho phép. Cũng từ đó lựa chọn hình dáng và kích thước tối ưu cho dây quấn và cấu trúc mạch từ MBA.
Về phân bố nhiệt: MBA khô có lõi thép VĐH có tiết diện lõi thép hình chữ nhật kéo theo tiết diện dây quấn là hình chữ nhật, vật liệu epoxy thường có nhiệt độ làm việc cho phép tới 1500C. Thông sồ nhiệt như: suất dẫn nhiệt, nhiệt dung cũng như độ khuếch tán nhiệt đều là hàm số của nhiệt độ. do đó tính phân bố nhiệt vùng dây quấn là bài toán khá phức tạp. Dựa vào kết quả thực nghiệm, mô tả các quan hệ λ(T), α(T), Cp(T) bằng biểu thức đại số giúp việc xây dựng mô hình của bài toán truyền nhiệt để tìm phân bố nhiệt trong MBA. Từ đó thiết kế cấu trúc hình dáng và kích thước các chi tiết dây quấn, cách điện hợp lý, tránh sự phân bố cục bộ, có địa điểm đội tăng nhiệt vượt quá giá trị cho phép.
2. Kiến nghị và phương hướng nghiên cứu chuyên sâu:
Để nhanh chóng làm chủ thiết kế chế tạo MBA có lõi thép VĐH ở nước ta, bên cạnh đầu tư chuyển giao công nghệ cần đầu tư nghiên cứu, như vậy sẽ làm chủ công nghệ nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm giá thành. Theo hướng nghiên cứu của đề tài chia làm hai phần gồm một số nội dung nghiên cứu cấp thiết như sau:
a. Các nghiên cứu chuyên sâu về từ trường tản và lực điện từ:
- Nghiên cứu phân bố lực điện từ ngắn mạch dọc chu vi dây quấn MBA VĐH ở các công suất 50 đến 1000kVA.
- Tính phân bố lực tổng hợp ngắn mạch tác dụng vào dây quấn MBA khô có lõi thép VĐH có tính đến giới hạn đàn hồi của epoxy do tăng nhiệt lúc ngắn mạch
b. Các nghiên cứu chuyên sâu về phân bố nhiệt trong MBA:
- Nghiên cứu phân bố nhiệt dây quấn MBA khô có lõi thép VĐH kể đến sự thay đổi các thông số nhiệt theo nhiệt độ.
- Tính phân bố nhiệt dây quấn MBA khô có lõi thép VĐH, tìm cấu tạo dây quấn hợp lý giảm phân bố không đồng đều dọc chu vi cuộn dây.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng việt
[1] Đoàn Thanh Bảo (2015), Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép vô định hình, Luận văn Tiến sĩ.
[2] Phạm Văn Bình, Lê Văn Doanh (2002), Thiết kế Máy biến áp, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[3] Phạm Văn Bình, Ngô Xuân Thành, “Tính tối ưu đường kính lõi thép MBA”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường Đại học Kỹ thuật, (số 42+43), trang 31-36.
[4] Phạm Văn Bình, Lê Văn Doanh (2006), MBA– lý thuyết – vận hành – bảo dưỡng – thử nghiệm, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[5] Bộ Công thương (2009), Quyết định số 6228/GĐ – BCT của Bộ trưởng Bộ Công Thương, ngày 10 tháng 12 năm 2009 về Nghiên cứu thiết kế và chế tạo MBA có tổn hao không tải thấp, sử dụng vật liệu thép từ vô định hình, siêu mỏng, chế tạo trong nước, của Công ty cổ phần chế tạo biến áp và vật liệu điện Hà Nội..
[6] Đặng Văn Đào, Lê Văn Doanh (2001), Các phương pháp hiện đại trong nghiên cứu tính toán thiết kế kỹ thuật điện, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
[7] Điện lực, số 11 tháng 11/2009, “Giảm tổn thất điện năng – nhìn từ góc độ quản lý” [8] Điện lực, tháng 3/2010. “Tăng cường tiết kiệm điện năm 2010”, Tạp chí Điện lực.
[9] Trần Khánh Hà, Nguyễn Hồng Thanh (2001), Thiết kế máy điện, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[10] Vũ Khánh Hà, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu (2001), Máy điện, Tập 1, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[11] Lê Thị Mai Hoa (2001), Các tính chất từ của vật liệu vô định hình và nano tinh thể sản xuất pilot - Luận văn Cao học.
[12] Nguyễn Hoàng Nghị, Phạm Văn Bình (2009), Tạp chí Hoạt động Khoa học, (Số 5), trang 33-34.
[13] Nguyễn Hoàng Nghị (2006), “Một dự án sản xuất thử nghiệm: “Nợ” mà không “Nợ”, Nhà nước và nhà khoa học cùng được lãi”, Tạp chí Hoạt động Khoa học, (Số 3), trang 33-34.
[14] Nguyễn Hoàng Nghị (2008), “Vấn đề thép biến áp: Hiện nay chúng ta có thể làm gì được?,” Tạp chí Hoạt động Khoa học (Số 5), trang 34-35.
[15] Nguyễn Đức Sỹ (2009), Công nghệ chế tạo thiết bị điện, NXB Giáo Dục, Hà Nội. [16] Nguyễn Đức Sỹ (2009), Sửa chũa Máy điện và MBA, NXB Giáo Dục, Hà Nội.
[17] Nguyễn Văn Thắng (2007), Luận văn Thạc sĩ Khoa học, Nghiên cứu công nghệ chế tạo MBAkhô có cuộn dây cao áp tẩm trong epoxy điện áp tới 35 kV công suất tới 30000 kVA.
[18] Phan Tử Thụ(2001), Thiết kế MBAđiện lực, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[19] Đỗ Doãn Tuấn (2002), Luận văn Cao học, Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để khảo sát sự phân bố từ trường và nhiệt độ của MBA220kV.
Tài liệu tiếng Anh
[20] A. A. Adly, “Computation of inrush current forces on transformer windings,” IEEE Trans. Magn., vol. 37, no. 4, pp. 2855–2857, Jul. 2001
[21] C. de Azevedo, A C. Delaiba, J. C. de Oliveira, B. C. Carvalho, H. de S. Bronzeado;
Transformer mechanical stress caused by external short-circuit: a time domain approach; Presented at the International Conference on Power Systems - Transients (IPST’07) in Lyon, France on June 4-7, 2007
[22] Bronisław TOMCZUK; Influence of the air gap between coils on the magnetic field in the transformer with amorphous modular core; 2008 [24] Buschow K.H.J, de Boer F.R. (2004). Physics of Magnetism and Magnetic Materials. Kluwer Academic / Plenum Publishers.
[23] A.Garcıa, G.Espinosa-Paredes, I.Hernandez, A thermal study of an encapsulated electrical transformer, Computers and Electrical Engineering 28 (2002) 417–445 [24] R. Hasegawa (2007), “Energy Efficiency of Amorphous metal based Transformers”,
[25] HARRY W. NG, SENIOR Amorphous Alloy Core Distribution Transformers;
member, ryusuke hasegawa, fellow, IEEE, năm 1991
[26] L. A. Johnson; Application of low loss amorphous metals in motors and transformers; Member IEEE - IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-101, No. 7 July 1982
[27] G. B. Kumbhar and S. V. Kulkarni, “Analysis of short-circuit performance of split- winding transformer using coupled field-circuit approach,” IEEE Trans. Power Del., vol. 22, no. 2, pp. 936–943, Apr. 2007.
[28] D. Lin, P. Zhou, W. N. Fu, Z. Badics, and Z. J. Cendes; A Dynamic Core Loss Model for Soft Ferromagnetic and Power Ferrite Materials in Transient Finite Element Analysis - USA 2003
[29] H. Matsuki, H. Takada, K. Murakami, and T. Yamamoto; A Study on Suitable Shapes of the Cloth Transformers for Reducing Power Loss – 1992.
[30] Milos Stafl, Electrodynamics of Electrical Machines, University of Nottingham.
[31] Pan-Seok Shin’; Magnetic field analysis of amorphous core transformer using homogenization technique; IEEE transactions on magnetics, vol. 33, no. 2, march 1997 Hongik University, Chochiwon, Chungnam 339-701, Korea
[32] T. Y. Qiu, Q. J. Qiu, and X. Z. Hong, “Numerical Calculation of Short Circuit Electromagnetic Force on the Transformer winding,” IEEE Trans.Magn., vol. 26, no. 2, pp. 1039–1041, Mar. 1990.
[33] Robert U. Lenke; Characterization of Amorphous Iron Distribution Transformer Core for Use in High-Power Medium - Frequency Applications; Student Member, IEEE E.ON Energy - Research Center RWTH Aachen University Germany – 2009
[34] W. J. Ros, T. M. Taylor; Amorphous metal transformer cores save energy and capacity investment; Tác giả: – USA – 1992
[35] Salman Hajiaghasi, Hossein Paidarnia, Karim Abbaszadeh, Analysis of Electromagnetic Forces in Distribution Transformers Under Various Internal Short- Circuit Faults, CIRED Regional – Iran, Tehran, 13-14 Jan 2013, Paper No:12-E-100- 0112
[36]. Thorsten Steinmetz, Bogdan Cranganu-Cretu; Investigations of no-load and load losses in amorphous core dry-type transformers; Member, IEEE, and Jasmin Smajic, Member, IEEE XIX International Conference on Electrical Machines - ICEM 2010, Rome
[37] Yinshun Wang, Xiang Zhao; Development of a 630 kVA Three-Phase HTS Transformer With Amorphous Alloy Cores; IEEE transactions on applied superconductivity, vol. 17, no. 2, june 2007
[38] J.B Sund/ J.Maruszczyk Design of distribution transformers in an energy saving perspective BU Transformers report 22.3.2011 (ABB)