Việc nghiên cứu về cuộn kháng điện dùng trong hệ thống truyền tải điện cao áp và siêu cao áp đã được thực hiện từ rất sớm trên thế giới, nhiều công trình công bố về các hướng nghiên cứu liên quan đến CKBN Có thể chia ra thành các nhóm công trình nghiên cứu về cấu trúc mạch từ với khe hở trên trụ; nghiên cứu về tổn hao; nghiên cứu về tính toán, mô hình mạch từ và mô hình mô phỏng bằng phương pháp PTHH, có thể tổng hợp thành các nhóm như sau:
1 4 2 1 Nhóm nghiên cứu về cấu trúc mạch từ với khe hở trên trụ
Một số công trình của các nhóm tác giả cho thấy vai trò của khe hở trên trụ của cuộn kháng Công trình của nhóm tác giả Radoslaw Jez và cộng sự [19] đã trình bày vai trò của khe hở thêm vào trên mạch từ và thực hiện mô hình hóa và mô phỏng bằng phương pháp PTHH qua công
cụ COMSOL Multiphysics với lõi thép có tiết diện chữ Hình 1 7 Mô hình lõi théptrong nghiên cứu [19] nhật để đánh giá ảnh hưởng của kích thước khe hở trên
mạch từ tới giá trị từ thông như mô tả trên Hình 1 7 Tiếp nối nghiên cứu này ở một công trình sau đó, tác giả Radoslaw Jez thực hiện hai mô hình thực nghiệm cuộn kháng trong các ứng dụng mắc nối tiếp trên đường dây, để xác định dòng điện bão hòa với các trường hợp để 1 khe hở hoặc chia thành 3 khe hở nhỏ trên trụ [20] Hay
trong các công trình [21]–[26] đều cho thấy khi thêm khe hở trên trụ sẽ giúp tăng từ trở, tránh bão hòa mạch từ, tăng năng lượng tích trữ khu vực khe hở,
giảm kích thước mạch từ (a) (b)
Công trình của nhóm tác giả M Kuwata và cộng sự [25]
Hình 1 8 Mặt cắt ngang trụ: (a) kiểu đúc kết dính thành khối, (b) kiểu ghép dùng bu lông kẹp giữ [25] đã đề xuất kiểu ghép xếp lớp các
thép trụ được đúc kết dính thành khối đa giác áp dụng cho CKBN có công suất nhỏ, kiểu ghép này được so sánh với kiểu truyền thống có bu lông xuyên qua các lá thép tạo thành khối thép (Hình 1 8), do không dùng bu lông xuyên trụ nên giảm được đường kính trụ Kết quả thử nghiệm cho thấy giảm độ ồn so với kiểu truyền thống So sánh với phương pháp ghép truyền thống thì phương pháp ghép này giảm được kích thước và khối lượng máy do giảm
đường kính trụ, từ cảm trên trụ, tuy nhiên chưa đưa ra và phân tích phân bố từ cảm trên trụ
Công trình của nhóm tác giả S
Trụ Gông Vùng xét
Nogawa, M Kuwata và cộng sự [27] đã
đề xuất ra phương án tạo vết cắt trên trụ Khe hở Dây quấn
của mạch từ để giảm tổn hao do dòng Hình 1 9 Vết cắt trên mạch từ [27] xoáy
Công trình của tác giả Martin Christtoffel [28] đã trình bày tổng quan vai trò, ứng dụng và cấu tạo của CKBN trong lưới điện cao áp Kiểu cấu trúc một pha một trụ với mạch từ kiểu bọc được mô tả trên Hình 1 10a và cấu trúc một pha hai trụ như mô tả trên Hình 1 10b Các cấu trúc mạch từ này đều có thêm các khe hở
(a) (b) trên trụ Tuy nhiên, tác giả không đưa ra
Hình 1 10 Cấu trúc CKBN một pha: (a) một trụ, (b) hai trụ [28]
số lượng khe hở trên đó Tiếp theo, tác giả đã khái quát các phép thử nghiệm trên CKBN và so sánh những khó khăn so với thử nghiệm MBA Các công trình trên đều đề cập đến cấu trúc mạch từ có khe hở trên trụ, tuy nhiên không chỉ ra phương
pháp xác định số lượng khe hở cần thêm trên trụ
Nhóm tác giả Jitendrakumar P Vora và cộng sự với công trình [29] đề xuất ra cấu trúc CKBN được ghép (a) (b)
từ các mô đul bao gồm Hình 1 11 (a) Modul lõi thép và dây quấn, (b) Sơ đồ đấu dây [29] lõi thép mỏng và bánh dây như mô tả trên Hình 1 11 và thực hiện thử nghiệm đo phân
bố điện áp trên các bánh dây, cho thấy phân bố điện áp đồng đều trên kiểu dây quấn thực nghiệm Công trình của nhóm tác giả Yue Hao và cộng sự [30] thực hiện mô hình mô phỏng cuộn kháng một pha dùng trong lưới điện 1000 kV Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đưa ra sơ đồ mạch điện thay thế với phần tử điện cảm phi tuyến đặc trưng cho tính phi tuyến của vật liệu sắt từ
và kể đến thành phần tổn hao như mô tả trên Hình 1 12a Từ sơ đồ mạch điện thay thế bằng công cụ PSCAD/EMTDC nhóm tác giả đưa ra đặc tính Volt–Ampere trên cuộn kháng, thực hiện phân tích sóng hài tại các mức quá áp khác nhau Kết quả cho thấy cuộn kháng có đặc tính tuyến tính trong dải điện áp định mức của lưới điện, vùng bão hòa trên đặc tính Volt–Ampere và biên độ các thành phần sóng hài tăng mạnh khi tăng điện áp trên giá trị định mức như mô tả trên Hình 1 12b
(a)
(b)
Hình 1 12 (a) Sơ đồ mạch điện, (b)Thành phần sóng hài [30] Công trình của nhóm tác giả Abozar Alabakhshizadeh và cộng sự [31] đã thực hiện nghiên cứu bốn mô hình với sự thay đổi khe hở ở các vị trí giữa trụ, trên đỉnh trụ và trên gông từ khác nhau trên công cụ Ansys Maxwell, từ đó đưa ra phân bố từ trường tản, tuy nhiên không xét đến lực điện từ ảnh hưởng đến kết cấu của mạch từ Công trình của nhóm tác giả
Agasthya Ayachit Hình 1 13 Mô hình cuộn cảm với vị trí khe hở khác nhau [31]
và cộng sự [32] đưa ra mô hình mạch từ xét đến từ trở ứng với từ trường tản và đánh giá ảnh hưởng của vật liệu làm mạch từ có từ thẩm khác nhau tới từ trường tản xung quanh khe hở cùng quan hệ giữa từ thẩm tương đối theo chiều dài của khe hở trên trụ
Nhóm tác giả đưa ra mô hình mạch từ tương đương với các thành phần từ trở tương ứng với các thành
phần từ thông như mô tả trên Hình 1 14, tuy nhiên chưa xét đến từ thông rò trên mô hình nghiên cứu
Công trình của nhóm tác giả Arun Balakrishnan và cộng sự
Hình 1 14 Mô hình mạch từ với sơ đồ mạch từ tương đương [32]
[23] đã đưa ra phương pháp xác định từ trở dựa trên sự tương quan giữa điện dung của tụ điện và từ trở của khe hở Thực hiện phép biến hình bảo giác Schwarz
Christoffel từ đa giác theo cấu trúc khe hở trên mạch từ thành dạng bản cực song song của tụ điện, đưa ra công thức xác định từ trở của khe hở trên trụ Kết quả tính toán được so sánh với kết quả mô phỏng theo phương pháp PTHH cho thấy tính chính xác của phương pháp nghiên cứu
Công trình của nhóm tác giả L M Escribano và cộng sự [33] cũng dựa trên phép biến hình bảo giác Schwarz Christoffel để xác định năng lượng tích trữ trong không gian khe hở giữa các khối trụ của với cấu trúc mạch từ đối xứng Cách tiếp cận của nhóm tác giả được đề xuất trong nghiên cứu này là thực hiện biến đổi tương đương trụ có tiết diện tròn sang trụ có tiết diện chữ nhật mô tả
Hình 1 15 Biến đổi tương đương trụ tiết diện tròn sang trụ chữ nhật [33] trên Hình 1 15
Công trình của nhóm tác giả Alex Van den Bossche và cộng sự [24], [34] đã đề xuất ra phương pháp tính từ dẫn tương ứng với từ trường tản xung quanh khe hở với các trường hợp khác nhau Cách tiếp cận của nhóm tác giả là thực hiện tính toán từ dẫn tản xung quanh không gian khe hở trong cấu trúc 3D qua các vùng từ dẫn điển hình xét trên mặt cắt 2D như mô tả trên Hình 1 16 Đầu tiên, nhóm tác giả đưa ra công thức xác định hệ số từ dẫn tản khu vực khe hở với các dạng điển hình theo cách
bố trí dây quấn và mạch từ khác nhau, kết quả này tương ứng với từ dẫn tản trên từng mặt cắt 2D của đối tượng Sau đó, nhóm tác giả thực hiện phân chia không gian 3D xung quanh khe hở thực thành các vùng khác nhau tương ứng với từng trường hợp đã xác định được ở mặt cắt 2D
Công trình của nhóm tác giả Erika Stenglein và cộng sự [35] đã xác định từ trở khe hở với các kiểu và vị trí khe hở trên mạch từ, đưa ra công thức xác định tiết diện tác dụng của khe hở và thực hiện mô hình hóa và mô phỏng bằng công cụ Comsol Multiphysics
Lực điện từ tác động lên mạch từ và dây quấn là nguyên nhân chính gây ra rung ồn trong cuộn kháng điện Có một số tác giả nghiên cứu tính toán về lực điện từ Công trình của nhóm tác giả Kamran Dawood [36] và nhóm tác giả Ling Lu [37] sử dụng phương
(a)
(b)
Hình 1 16 Chia vùng tính từ dẫn tản: (a) trụ tiết diện chữ
nhật, (b) trụ tròn [24] pháp PTHH xác định lực điện từ trên dây quấn của CKBN
1 4 2 2 Nhóm nghiên cứu về tổn hao trong cuộn kháng
Các thành phần tổn hao trên dây quấn và tổn hao trên mạch từ như tổn hao từ trễ, tổn hao do dòng xoáy, tổn hao phụ hay tổn hao khe hở được đưa ra và xác định trong một số công trình nghiên cứu Công trình của nhóm tác giả Alex Van den Bossche và cộng sự [38] đã xác định tổn hao do dòng xoáy trên dây quấn khi có khe hở trên mạch từ Công trình của nhóm tác giả Ivana Kovacevic-Badstubner và cộng sự [39] đề xuất phương pháp xác định tổn hao trên dây quấn dạng lá qua sơ đồ mạch tương đương từng phần PEEC, kết quả được so sánh với phương pháp PTHH qua công cụ Ansys Maxwell
Công trình của nhóm tác giả Eddy So và cộng sự [40] đưa ra phương pháp đo tổn hao trong CKBN dùng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp Công trình của nhóm tác giả W A Rsshen và cộng sự [41] xác định tổn hao do dòng xoáy ở hai kiểu quấn dây có tiết diện chữ nhật, chỉ ra vị trí có tổn hao lớn nhất với từng kiểu dây quấn
Công trình của nhóm tác giả Alex Van den Bossche và cộng sự [42] đã đề xuất ra công thức xác định tổn hao dây quấn kể đến hệ số gia tăng tổn hao do từ trường tản khu vực khe hở Công trình của nhóm tác giả Satyaki Mukherjee và cộng sự [43] đã đề xuất kiểu khe hở trên mạch từ như mô tả trên Hình 1 17, qua đó giảm tổn hao dây quấn Tuy nhiên trong nghiên cứu, nhóm tác giả chưa xét đến thành phần lực điện từ tác động đến các phần mạch từ như cấu trúc được đề xuất