Đặc tính tuyến tính

8. Cấu trúc nội dung của luận án

2.3.2Đặc 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 thểlà 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].

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 trịđiện 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 kếđểcó điện kháng

thay đổi theo điện áp hay dòng điện khi

hoạt động, như cuộn kháng mắc nối tiếp trên đường dây đểđiều chỉnh dòng công suất qua các nhánh [69], thông qua việc thay đổi điện kháng có thểthay đổi được tổng trở

Hình 2.6 Thông sốtrên đặc tính phi tuyến [16]

(a) (b) (c)

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 từdùng 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

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 trịđiện 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 tảqua 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 dụđường 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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

dây quấn, mạch từ, cấu trúc cách điện hay vỏ

máy nên có thể chế tạo sản xuất tại các nhà máy chế tạo MBA. Việc tính toán cũng có nhiều phần giống như tính toán MBA. Tuy nhiên

Hình 2.7 Quan hệđiện áp và dòng điện trên cuộn kháng

Hình 2.8 Đường cong B(H) khi có và không có khe hở trên mạch từ[70]

Không khe hở Có khe hở

Không khe hở

Từtrường tản

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 từlưới 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 trụthường bằng các tấm vật liệu phi từ tính, ví dụnhư ceramic. Sức từđộng 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 sẽthay đổi đặc tính B(H) của mạch từ,

tăng được giá trị dòng điện trên dây quấn hay tăng cường độ từtrường tại mức bão hòa mạch từnhư 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.

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.

(a) (b)

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

Gông và trụ ngoài Các khối trụ

Dây quấn

Dây quấn Mạch từ

Để tạo khe hởngăn cách giữa các khối trụ thường dùng các tấm ceramic như

mô tả trên Hình 2.10. Phần gông trên và

gông dưới được ghép với phần trụ hai

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 trụnhư 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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

tránh thành phần từ thông cắt qua vách thùng dầu gây tăng tổn hao và tăng nhiệt trên vách thùng.

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 sẽtăng kích thước mạch từ và dây

Hình 2.10 Tấm ceramic ngăn cách giữa các khối trụ Xà ép gông Lá thép Bu lông Hình 2.11 Cấu trúc xà ép gông Xà ép gông Lá thép Bu lông (a) (b) Gông Dây quấn Các khối trụ Dây quấn

Gông và trụ ngoài

Các khối trụ

(a) (b)

quấn, để giảm bớt chiều cao máy tạo thuận lợi cho quá trình vận chuyển tới nơi lắp

đặt và giảm thành phần từtrường 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 trụnhư mô tả trên Hình 2.14a, loại tương ứng nhưng

không có trụ trong cuộn dây được mô tảnhư 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 trụnhưng có chiều cao thấp hơn và giảm ảnh hưởng bởi từ thông

Hình 2.15 Từ thông trong mạch từ và từ thông rò móc vòng trên vách thùng [71] (a) (b) Gông Dây quấn Khối trụ giữa Mạch từ Dây quấn (a) (b)

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

Mạch từ Dây quấn Khối trụ (a) Dây quấn Mạch từ (b)

Hình 2.14 CKBN ba pha: (a) năm trụ, (b) không có trụ trong cuộn dây

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

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

2.4.2 Cấu trúc dây quấn

Cấu trúc dây quấn của CKBN dùng

trong lưới điện cao áp cũng có những đặc

điểm tương tự như dây quấn cao áp của MBA, khác biệt là mỗi pha dây quấn của CKBN chỉ gồm một cuộn dây được mắc song song với lưới điện. Cấu trúc dây quấn CKBN cần phù hợp nhằm cải thiện phân bố 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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

trên Hình 2.17 [72]. Hệ số phân bố  càng lớn thì điện áp phân bốcàng không đồng

đều trên các bánh dây, ví dụ mô tả trên Hình 2.17, khi  = 10 thì điện áp trên 20% sốbánh 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 trịđiện 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 bốđiện áp ban đầu trên các bánh dây cần tăng điện dung nối tiếp trên cuộn dây

Hình 2.17 Phân bốđiện áp ban đầu trên dây quấn [72] Hình 2.16 CKBN ba pha kiểu bọc [71]

bằng cách dùng vòng điện dung (vòng tĩnh điện) phía trên đầu bánh dây hoặc giữa

các bánh dây như trên Hình 2.19.

Một kiểu khác để nâng cao giá trịđiện dung nối tiếp là sử dụng màn chắn tĩnh điện quấn cùng các vòng dây [74]. Sốlượng 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 trịđiện dung nối tiếp tương đương giữa các vòng dây và bánh dây.

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 sẽlàm tăng điện áp giữa các vòng dây cạnh nhau, từđó tăng đáng kểđiện 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 bốđiện áp ban đầu có gradient điện áp nhỏhơn, hay

Hình 2.19 Vòng điện dung (Static ring - SR)

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

Hình 2.18 Dây quấn xoắn ốc liên tục [73]

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 qua các khe hở có từ trở rất lớn làm xuất hiện từ thông tản xung quanh

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 trụkhông đồng đều, đây là nhược điểm của các CKBN khi có khe hở trên trụ. Từ thông tản xung quanh khe hởnhư mô tả trên Hình 2.23 của một CKBN một pha với hai trường hợp sốlượng khe hở khác nhau. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

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 nhỏnhư thế nào cho phù hợp sẽđược nghiên cứu và phân tích trong luận án này.

2.6 Mô hình mạch từ tương đương

Mô hình mạch từđược thiết lập từ từ trởtương đương ứng với các thành phần từthông trong CKBN nên cũng có thểđược gọi là mô hình từ trở. Thông qua mô hình

(a) (b)

Hình 2.23 Phân bố từ trường trong CKBN: (a) một khe hở lớn, (b) chia nhiều khe hở

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

mạch từ có thể dễdàng xác định được điện cảm của CKBN và xác định được kích thước khe hở cần thêm trên trụ theo từ cảm và công suất phản kháng của CKBN. Xét cấu trúc CKBN một pha có khe hở ngăn cách giữa các khối trụ, các thông sốkích thước cơ bản

được mô tảnhư trên Hình 2.24.

Từ cấu trúc cơ bản của CKBN, khi xét