Đặc tính tuyến tính

8. Cấu trúc nội dung của luận án

2.3.2 Đặc tính tuyến tính

Đặc tính từ của cuộn kháng điện phụ thuộc vào vật liệu điện từ dùng để chế tạo mạch từ, là quan hệ giữa từ thông móc vòng trên dây quấn với dòng điện. Đặc tính từ của cuộn kháng điện có thể là đặc tính tuyến tính như mô tả trên Hình 2.5a, đặc tính phi tuyến như Hình 2.5b hay đặc tính bão hòa như Hình 2.5c [16].

(a) (b) (c)

Hình 2.5 Các kiểu đặc tính từ của cuộn kháng điện [16]

Để có đặc tính tuyến tính như trên Hình 2.5a thì cuộn kháng này không sử dụng vật liệu sắt từ và có giá trị điện kháng không đổi, coi là hằng số khi có sai số trong giới hạn cho phép của giá trị điện kháng được quy định cụ thể trong tiêu chuẩn IEC 60076-6 [16], nằm trong khoảng ±5% giá trị điện kháng tại điện áp định mức. Cuộn kháng này thường là cuộn kháng khô lõi không khí mắc nối tiếp trên lưới điện để hạn chế dòng điện ngắn mạch. Cuộn

kháng có đặc tính phi tuyến và đặc tính bão hòa như trên Hình 2.5b và Hình 2.5c đều có cấu trúc mạch từ làm bằng vật liệu sắt từ. Với cuộn kháng có đặc tính như Hình 2.5c là cuộn kháng bão hòa, cuộn kháng này được thiết kế để có điện kháng

thay đổi theo điện áp hay dòng điện khi Hình 2.6 Thông số trên đặc tính phi tuyến [16] hoạt động, như cuộn kháng mắc nối tiếp trên đường dây để điều chỉnh dòng công

suất qua các nhánh [69], thông qua việc thay đổi điện kháng có thể thay đổi được tổng trở

của đường dây. Cuộn kháng có dạng đặc tính phi tuyến như Hình 2.5b có đoạn đặc tính tuyến tính phụ thuộc vào vật liệu điện từ dùng để chế tạo mạch từ. Khi làm việc ở vùng tuyến tính này điện kháng có giá trị

không đổi. Các thông số của đặc tính phi tuyến được mô tả trên Hình 2.6, đường thẳng a tiếp tuyến với đoạn tuyến tính của đường cong từ hóa cắt đường thẳng b là đường tiếp tuyến với đoạn bão hòa tại điểm

k, gọi là điểm bão hòa. Góc 1 và 2 tương ứng là góc dốc của đoạn đặc tính tuyến tính và đoạn đặc tính bão hòa. Các CKBN dùng

Hình 2.7 Quan hệ điện áp và dòng điện trên cuộn kháng

trong lưới điện cao áp và siêu cao áp có dạng đặc tính này, làm việc ở vùng tuyến tính nên là cuộn kháng tuyến tính. Thông thường, vai trò của CKBN trên lưới điện cao áp và siêu cao áp để tránh quá áp gây ra bởi dung dẫn đường dây khi không tải hoặc tải nhỏ, do đó cần tính chọn thông số cuộn kháng đảm bảo vùng làm việc tuyến tính ở giá trị điện áp lớn nhất của lưới điện. Giá trị điện áp đảm bảo cho cuộn kháng làm việc ở vùng tuyến tính càng cao hơn so với giá trị điện áp định mức thì tiết diện mạch từ cần lớn hơn hay thể tích khe hở lớn hơn để tránh bão hòa mạch từ. Đặc tính tuyến tính của cuộn kháng điện cũng có thể mô tả qua đặc tính quan hệ giữa điện áp và dòng điện trên cuộn kháng như Hình 2.7. Các nhà chế tạo cuộn kháng cần tính toán thiết kế các thông số sao cho cuộn kháng làm việc ở

đoạn đặc tính tuyến tính, dòng điện trên dây quấn tăng tỉ lệ thuận với điện áp đặt vào, thường chọn điện áp đến 1,1 lần điện áp lớn nhất của lưới điện. Ở ví dụ đường đặc tính trên Hình 2.7, CKBN có đặc tính tuyến tính khi điện áp đạt đến cỡ 1,3 lần điện áp định mức.

2.3.3 Vai trò của khe hở trên trụ của CKBN

Đặc điểm cấu tạo của CKBN cũng có những phần tương tự với MBA điện lực như dây quấn, mạch từ, cấu trúc cách điện hay vỏ máy nên có thể chế tạo sản xuất tại các nhà

Không khe hở Có khe hở Từ trường

Có khe hở Không khe hở

máy chế tạo MBA. Việc tính toán cũng có nhiều

phần giống như tính toán MBA. Tuy nhiên Hình 2.8 Đường cong B(H) khi có và

khác biệt chính ở CKBN so với MBA thông thường là ở phần dây quấn và mạch từ: dây quấn cuộn kháng mỗi pha chỉ có một cuộn dây nên khi làm việc, toàn bộ dòng điện trên dây quấn là dòng từ hóa. Để CKBN nhận vào công suất phản kháng đủ lớn theo yêu cầu từ lưới điện, kích thước máy phù hợp, cần tăng từ trở bằng cách thêm khe hở trên mạch từ qua đó tăng năng lượng tích trữ khu vực khe hở. Các khe hở được bố trí trên trụ, ngăn cách các khối trụ thường bằng các tấm vật liệu phi từ tính, ví dụ như ceramic. Sức từ động tỉ lệ với dòng điện và số vòng dây quấn hay tỉ lệ với từ thông và từ trở. Khi thêm khe hở trên trụ sẽ thay đổi đặc tính B(H) của mạch từ, tăng được giá trị dòng điện trên dây quấn hay tăng cường độ từ trường tại mức bão hòa mạch từ như mô tả trên Hình 2.8 [70] .

2.4 Cấu trúc của CKBN

Như đã đưa ra ở phần phân loại, tùy theo loại cuộn kháng là cuộn kháng khô hay cuộn kháng dầu mà cấu trúc của cuộn kháng sẽ khác nhau. CKBN dùng trong lưới điện cao áp thường là loại cuộn kháng dầu có dây quấn và mạch từ, tùy theo kiểu mạch từ mà cấu trúc mạch từ có thể có trụ hoặc không có trụ trong cuộn dây. Dưới đây trình bày tương ứng cấu trúc các phần chính của CKBN là cấu trúc mạch từ và dây quấn.

2.4.1 Cấu trúc mạch từ

Cũng giống như MBA điện lực, mạch từ của CKBN dùng để dẫn từ thông, được chế tạo bằng các lá thép kỹ thuật điện cán nguội có từ thẩm lớn và suất tổn hao nhỏ ghép lại với nhau tạo thành phần trụ và phần gông. Cuộn kháng cho lưới điện ba pha có thể có cấu trúc ba pha hoặc tổ ba cuộn kháng một pha. Có nhiều kiểu cuộn kháng một pha và ba pha với cấu trúc mạch từ khác nhau. Hình 2.9 mô tả cấu trúc mạch từ cuộn kháng một pha một cuộn dây.

Gông và trụ ngoài Các khối trụ Dây quấn

Mạch từ Dây quấn

(a) (b)

Hình 2.9 CKBN một pha một cuộn dây: (a) có trụ giữa, (b) không có trụ giữa

Cấu trúc CKBN Hình 2.9a có cuộn dây quấn xung quanh trụ giữa, phần trụ này được chia thành nhiều khối trụ xen giữa bởi các khe hở để tăng từ trở mạch từ.

Xà ép gông Lá thép

Hình 2.10 Tấm ceramic ngăn cách giữa các khối trụ

Để tạo khe hở ngăn cách giữa các khối trụ thường dùng các tấm ceramic như mô tả trên Hình 2.10. Phần gông trên và (a) (b) Bu lông Xà ép gông Lá thép Bu lông gông dưới được ghép với phần trụ hai Hình 2.11 Cấu trúc xà ép gông

bên và được ép chặt bằng xà ép gông, hai tấm xà ép gông đặt ở hai mặt trước và sau của gông được giữ chặt bằng bu lông xuyên qua gông với máy cỡ nhỏ hoặc bu lông xuyên ngoài gông với máy lớn như mô tả trên Hình 2.11.

Ngoài cấu trúc CKBN một pha một dây quấn, CKBN một pha còn có cấu trúc hai dây quấn trên hai trụ như mô tả trên Hình 2.12. So với cấu trúc ở Hình 2.12a, cấu trúc CKBN như Hình 2.12b có thêm hai trụ phía bên ngoài không có khe hở trên đó và không có dây quấn, phần mạch từ này để khép kín từ thông chính trong mạch từ tránh thành phần từ thông cắt qua vách thùng dầu gây tăng tổn hao và tăng nhiệt trên vách thùng.

Gông Dây quấn Các khối trụ

Gông và trụ ngoài Dây quấn

Các khối trụ

(a) (b)

Hình 2.12 CKBN một pha hai cuộn dây có hoặc không có trụ ngoài

Tương tự như CKBN một pha, CKBN ba pha cũng có kiểu mạch từ có trụ trong cuộn dây với khe hở phân bố trên trụ và kiểu mạch từ không có trụ trong cuộn dây. CKBN có cấu trúc như Hình 2.13a còn được gọi là cuộn kháng ba pha ba trụ, dây quấn từng pha quấn trên các trụ tương ứng. Cuộn kháng kiểu này có tiết diện phần gông trên và gông dưới tối thiểu bằng tiết diện trụ. Ở Hình 2.13b là loại cuộn kháng không có trụ trong cuộn dây, do không có trụ trong cuộn dây nhằm định hướng từ thông nên kiểu cuộn kháng này có thành phần từ thông rò lớn ảnh hưởng

tới dây quấn. Với CKBN ba pha ba trụ, khi tăng công suất sẽ tăng kích thước mạch từ và dây

ng y quấn ối trụ

Mạch từ

y quấn

Hình 2.13 CKBN ba pha: (a) có trụ giữa, (b) không có trụ trong cuộn dây

quấn, để giảm bớt chiều cao máy tạo thuận lợi cho quá trình vận chuyển tới nơi lắp đặt và giảm thành phần từ trường móc vòng với vỏ máy, CKBN dùng trong lưới điện cao áp có công suất lớn thường có cấu trúc ba pha năm trụ. Ngoài ba trụ giữa đặt dây

quấn từng pha trên đó còn có hai trụ ngoài

cùng, từ thông trên từng trụ cơ bản độc lập và được khép mạch qua gông và trụ ngoài cùng này. Do từ thông trên gông và hai trụ ngoài chỉ bằng một nửa từ thông trên các trụ giữa, nên giảm tiết diện gông và hai trụ bên, khi đó sẽ

giảm được chiều cao tổng thể của mạch từ. Cấu trúc CKBN ba pha năm trụ như mô tả trên Hình 2.14a, loại tương ứng nhưng Gô

Dâ Kh (a)

(b) Dâ

Mạch từ Dây quấn Khối Mạch từ Dây quấn (b) Hình 2.14 CKBN ba pha: (a) năm trụ, (b) không có trụ trong cuộn dây

không có trụ trong cuộn dây được mô tả như trên Hình 2.14b.

Cấu trúc CKBN ba pha năm trụ mặc dù có kích thước bề rộng lớn hơn, nặng hơn loại ba pha ba trụ nhưng có chiều cao thấp hơn và giảm ảnh hưởng bởi từ thông

(a) (b) Hình 2.15 Từ t h ô n g t r o n g m ạ c h từ và từ thông rò móc vòng trên vách thùng [71]

rò lên vách thùng như mô tả trên Hình 2.15 nên được sử dụng phổ biến ở các CKBN có công suất lớn dùng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp.

Hình 2.16 mô tả CKBN ba pha kiểu bọc (shell form) [71], khác so với MBA kiểu bọc, ở CKBN kiểu bọc có cấu trúc mạch từ bao xung quanh dây quấn. Với

Hình 2.16 CKBN ba pha kiểu bọc [71]

mạch từ kiểu bọc, từ thông chảy khép kín trong phần mạch từ độc lập giữa các pha.

2.4.2 Cấu trúc dây quấn

C ấ u t r ú c d â y q u ấ n c ủ a C K B N

d ù n g t r o n g l ư ớ i đ i ệ n c a o á p c ũ n g c ó n h ữ n g đ ặ c đ i ể m t ư ơ n g t ự n h ư d â y q u ấ n c

a o á p c ủ a M B A , k h á c b i ệ t l à m ỗ i p h a d

điện áp ban đầu không đồng đều trên dây quấn. Phân bố điện áp ban đầu trên dây quấn CKBN có trung tính nối đất như mô tả

Hình 2 . 1 7 P h â n b ố đ i ệ n á p b a n đ ầ u t r ê n d â y q

u ấ n [ 7 2 ] trên Hình 2.17 [72]. Hệ số phân bố  càng lớn thì điện áp phân bố càng không đồng đều trên các bánh dây, ví dụ mô tả trên Hình 2.17, khi  = 10 thì điện áp trên 20% số bánh dây đầu chiếm đến 80% điện áp trên cả cuộn dây, trong khi 80% số bánh dây còn lại chỉ chịu có 20% điện áp. Để giảm giá trị hệ số  cần tăng giá trị điện dung nối tiếp, là điện dung giữa các vòng dây và điện dung giữa các bánh dây. Để tăng thành phần điện dung nối tiếp tương đương có thể thay đổi cách quấn dây để tăng được điện áp giữa các vòng dây liền kề hay các bánh dây cạnh nhau, hoặc bổ xung vòng điện dung vào các vị trí khác nhau trên cuộn dây, trong hai kiểu dây quấn thường dùng cho CKBN là dây quấn kiểu xoắn ốc liên tục và dây quấn kiểu đan xen.

2.4.2.1 Dây quấn xoắn ốc liên tục

Dây quấn CKBN kiểu xoắn ốc liên tục được chia thành các bánh dây

[73], số bánh dây được chọn sao cho điện áp mỗi bánh dây vào khoảng 1000V đến 3000V với điện áp cao áp hay lên tới trên 6000V với điện áp siêu cao áp. Để giảm độ chênh lệch phân bố điện áp ban đầu trên các bánh dây cần tăng điện dung nối tiếp trên cuộn dây

Hình 2.18 Dây quấn xoắn ốc liên tục [73]

bằng cách dùng vòng điện dung (vòng tĩnh điện) phía trên đầu bánh dây hoặc giữa các bánh dây như trên Hình 2.19.

Hình 2.19 Vòng điện dung (Static ring - SR)

Hình 2.20 Màn chắn quấn cùng trong cặp bánh dây [74]

Một kiểu khác để nâng cao giá trị điện dung nối tiếp là sử dụng màn chắn tĩnh điện quấn cùng các vòng dây [74]. Số lượng màn chắn giảm dần trên các bánh dây từ bánh dây có đầu dây vào, để phù hợp với ứng suất điện áp dọc chiều cao của dây quấn.

2.4.2.2 Dây quấn đan xen

Kiểu dây quấn đan xen thường được sử dụng cho MBA hay CKBN dùng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp. Cách quấn dây đan xen giúp tăng đáng kể giá trị điện dung nối tiếp tương đương giữa các vòng dây và bánh dây.

Hình 2.21 Các kiểu dây quấn đan xen [75]

Ở kiểu dây quấn đan xen [75], điện áp giữa 2 vòng dây liền kề vật lý với nhau lớn hơn nhiều lần kiểu dây quấn xoắn ốc liên tục. Thông qua việc đan xen dây quấn sẽ làm tăng điện áp giữa các vòng dây cạnh nhau, từ đó tăng đáng kể điện dung nối tiếp tương đương trên dây quấn mà không thay đổi số vòng dây và kích

thước dây quấn, cải thiện đường cong phân bố điện áp ban đầu có gradient điện áp nhỏ hơn, hay

phân bố điện áp ban đầu đồng đều hơn. Có nhiều kiểu và cách thức thực hiện quấn dây đan xen [76].

Các CKBN dùng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp, do có điện áp và công suất lớn nên mỗi pha dây quấn thường được chia thành hai nửa cuộn dây thành hai nhánh song song, quấn ngược chiều nhau trên cùng một trụ, nhờ đó có thể chuyển đầu đầu pha dây quấn vào khoảng giữa trụ [77]. Cách quấn dây này giúp tăng điện dung nối tiếp, giảm khoảng cách cách điện giữa dây quấn với gông, chia đôi dòng điện trong dây quấn nên giảm được lực điện từ tác động lên dây quấn.

2.5 Từ trường trong CKBN

Cấu trúc của CKBN dùng trong lưới điện cao áp gồm có mạch từ và dây quấn. Trên trụ của CKBN có các khe hở ngăn cách, nên ngoài thành phần từ thông rò, từ thông chính trong mạch từ khi

Hình 2.22 Kiểu dây quấn với đầu đầu ở giữa cuộn dây [77]

(a) (b) qua các khe hở có từ trở rất lớn làm xuất hiện từ thông tản xung quanh Hình 2.23 Phân bố từ trường trong CKBN: (a) một khe hở lớn, (b) chia nhiều khe hở

các khe hở đó. Từ thông tản hướng từ khối trụ này tới khối trụ khác gây ảnh hưởng đến thông số của CKBN, phân bố từ cảm trên trụ không đồng đều, đây là nhược điểm của các CKBN khi có khe hở trên trụ. Từ thông tản xung quanh khe hở như mô tả trên Hình 2.23

của một CKBN một pha với hai trường hợp số lượng khe hở khác nhau.

Khe hở có chiều dài càng lớn thì thành phần từ thông tản càng mở rộng ra xung quanh khe hở, mô tả trên Hình 2.23a là trường hợp có một khe hở có chiều dài lớn trên trụ. Do đó cần chia một khe hở lớn thành nhiều khe hở nhỏ phân bố trên trụ. Số lượng khe hở cần chia nhỏ như thế nào cho phù hợp sẽ được nghiên cứu và phân tích trong luận án này.

2.6 Mô hình mạch từ tương đương

Mô hình mạch từ được thiết lập từ từ trở tương đương ứng với các thành phần từ