Nghiên cứu xác định điện cảm rò trong CKBN

8. Cấu trúc nội dung của luận án

3.5 Nghiên cứu xác định điện cảm rò trong CKBN

Điện cảm rò là một trong những thành phần điện cảm cần được xác định ngay tại những bước đầu khi tính toán thông số CKBN. Trên lưu đồ Hình 3.18 cho thấy, thông số dây quấn của CKBN được xác định thông qua thành phần điện cảm khe hở

trên trụ, tổng thành phần điện cảm này cùng với điện cảm tản xung quanh khe hở và

điện cảm rò là điện cảm tổng của CKBN. Điện cảm tổng dễ dàng xác định được từ

cảm rò so với điện cảm tổng là cần thiết đối với các nhà nghiên cứu, thiết kế hay chế

tạo CKBN. Đây là một trong những đại lượng chính cần lựa chọn sơ bộ trong quá trình tính toán giải tích, giá trị phần trăm điện cảm rò chọn sơ bộ càng chính xác sẽ

giúp giảm sốlượng mô hình ảo đối tượng khi thực hiện nghiên cứu.

Tương ứng với từng CKBN có công suất, điện áp và các thông sốkích thước

đã xác định được ở nội dung trước và được tổng hợp trong Phụ lục 3, luận án thực hiện xác định các thành phần điện cảm thông qua năng lượng, từđó đưa ra quan hệ

giữa tỉ lệ giá trịđiện cảm rò so với điện cảm tổng ứng với các giá trị công suất tại từng cấp điện áp như thể hiện trên Hình 3.22. Từ kết quả trên Hình 3.22 cho thấy, tại cùng một cấp điện áp, khi

tăng công suất của CKBN thì tỉ lệ giữa

điện cảm rò so với

điện cảm tổng tăng. Từ kết quả nhận được, tác giả thiết lập đa thức là hàm quan hệ

giữa % điện cảm rò theo công suất và điện áp, thông qua phương pháp nội suy Lagrange. Theo lý thuyết nội suy Lagrange [96], có thể xác định được đa thức P(x) có bậc nhỏhơn hoặc bằng n thỏa mãn các điều kiện P(xi) = yi với i từ1 đến n+1. Chi tiết phương pháp nội suy Lagrange mô tả trong Phụ lục 4. Công thức tổng quát như phương trình: 𝑃(𝑥) = ∑ 𝑦𝑖 𝑛+1 𝑖=1 ∏ 𝑥 − 𝑥𝑗 𝑥𝑖 − 𝑥𝑗 𝑗≠𝑖 (3.35) Áp dụng công thức (3.35) thông qua công cụ Matlab dựng được đa thức quan hệ giữa tỉ lệđiện cảm rò theo công suất và các cấp điện áp 110 kV, 220 kV, 500 kV:

%𝐿𝑙 = 𝑓(𝑄, 𝑈)

= (−9,913. 10−10. 𝑈2+ 6,116. 10−7. 𝑈 − 3,451. 10−4). 𝑄2

+ (1,329. 10−7. 𝑈2− 8,83. 10−5. 𝑈 + 9,037. 10−2). 𝑄 − (9,008. 10−7. 𝑈2+ 3,002. 10−5. 𝑈 − 8,289)

(3.36)

Hình 3.22 Quan hệ giữa giá trịđiện cảm rò so với điện cảm tổng theo công suất tại các cấp điện áp khác nhau

Đa thức (3.36) giúp dễ dàng

xác định % điện cảm rò tại các giá trị công suất và điện áp khác nhau. Thêm nữa, điện cảm rò phụ thuộc

đáng kể vào hình dáng cao thấp của mạch từ hay cửa sổ mạch từ. Theo phương pháp tính toán kích thức mạch từ cho thấy, hệ số hình dáng dây quấn kw trong cửa sổ mạch từ quyết định đến hình dáng tổng thể

của mạch từ. Tại mỗi CKBN có công suất và điện áp khác nhau, luận án thực tính

toán điện cảm rò với các giá trị kw thay đổi từ4 đến 12 với bước thay đổi 0,2 như giá

trị thiết lập trên Hình 3.23. Quan hệ giữa tỉ lệ giá trị điện cảm rò so với điện cảm tổng ứng với hệ số hình dáng dây quấn kw khác nhau cho một số cấp công suất trên

lưới điện cao áp và siêu cao áp thể hiện trên các Hình 3.24, Hình 3.25 và Hình 3.26. Từ kết quả đạt được, tương tự, luận án thiết lập đa thức

quan hệ giữa tỉ lệđiện cảm rò Ll theo hệ số hình dáng dây quấn khi thay đổi từ4 đến 12 tại các dải công suất khác nhau trên lưới điện cao áp 110 kV:

%𝐿𝑙 (110𝑘𝑉) =𝑓(𝑘𝑤, 𝑄)

= (−7,313. 10−6. 𝑄2+ 14,22. 10−4. 𝑄 + 105,7. 10−3). 𝑘𝑤2

+ (16,5. 10−5. 𝑄2 − 0,03371. 𝑄 − 2,536). 𝑘𝑤 + (−12,32. 10−4. 𝑄2+ 0,2689. 𝑄 + 19,77)

(3.37)

Với U = 110 kV; kw = 4  12; Q = 50/3 MVAr  330/3 MVAr. Kết quả tính từđa

thức có giá trị sai khác trung bình 1,9% so với đặc tính trên Hình 3.24.

Hình 3.24 Quan hệ giữa Ll/Ltot theo hệ số kw tại các cấp công suất khác nhau trên lưới điện 110 kV

Hình 3.23 Thiết lập thay đổi giá trị hệ số hình dáng dây quấn

Tương tự, đa thức quan hệ giữa tỉ lệđiện cảm rò theo hệ số hình dáng dây quấn và công suất của CKBN trên lưới điện cao áp 220 kV:

%𝐿𝑙 (220𝑘𝑉) = 𝑓(𝑘𝑤, 𝑄)

= (−8,258. 10−6. 𝑄2+ 14,75. 10−4. 𝑄 + 97,92. 10−3). 𝑘𝑤2

+ (17,68. 10−5. 𝑄2− 0,0338. 𝑄 − 2,387). 𝑘𝑤

+ (−12,53. 10−4. 𝑄2+ 0,2648. 𝑄 + 19,01)

(3.38)

Với U = 220 kV; kw = 4  12; Q = 50/3 MVAr  330/3 MVAr. Kết quả tính từđa

thức có giá trị sai khác trung bình 1,8% so với đặc tính trên Hình 3.25.

Hình 3.26 Quan hệ giữa Ll/Ltot theo hệ số kw tại các cấp công suất khác nhau trên lưới điện 220 kV

Hình 3.25 Quan hệ giữa Ll/Ltot theo hệ số kw tại các cấp công suất khác nhau trên lưới điện 500 kV

Đa thức quan hệ giữa tỉ lệđiện cảm rò theo hệ số hình dáng dây quấn và công suất của CKBN trên lưới điện siêu cao áp 500 kV:

%𝐿𝑙 (500𝑘𝑉) =𝑓(𝑘𝑤, 𝑄) = (−7,277. 10−6. 𝑄2+ 13,36. 10−4. 𝑄 + 97,43. 10−3). 𝑘𝑤2 + (16,12. 10−5. 𝑄2− 0,0316. 𝑄 − 2,361). 𝑘𝑤 + (−11,73. 10−4. 𝑄2+ 0,2531. 𝑄 + 18,86) (3.39) Với U = 500 kV; kw = 4  12; Q = 50/3 MVAr  330/3 MVAr. Kết quả tính từđa thức có giá trị sai khác trung bình 1,8% so với đặc tính trên Hình 3.26.

Các kết quảđạt được thể hiện trên đặc tính Hình 3.24, Hình 3.25 và Hình 3.26

hay qua các đa thức quan hệ giữa tỉ lệđiện cảm rò theo hệ số hình dáng dây quấn tại các dải công suất khác nhau trên lưới điện cao áp và siêu cao áp giúp các nhà nghiên cứu, thiết kế và các hãng chế tạo có cơ sở lựa chọn tra cứu giá trịđiện cảm rò Ll (%) khi tính toán thiết kế, qua đó giảm sốlượng mô hình đối tượng ảo cần thực hiện.

3.6 Kết luận chương

Trong chương này, luận án thực hiện mô hình hóa và mô phỏng CKBN ba pha có công suất Qđm = 91 MVAr, kết quảđược so sánh với giá trị định mức và so với các kết quảđo thực nghiệm được thực hiện tại tổng công ty Thiết bị điện Đông Anh

EEMC có sai số chấp nhận được, điều đó cho thấy tính đúng đắn của mô hình nghiên cứu. Trên cơ sở này, trong các nội dung tiếp theo, luận án tiếp tục sử dụng phương pháp PTHH để nghiên cứu, phân tích, đánh giá đặc tính điện từ của CKBN. Tiếp theo, luận án xác định thông số kích thước CKBN kết hợp giữa mô hình giải tích và mô hình mô phỏng, đưa ra kết quả của các CKBN một pha có công suất khác nhau dùng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp theo tổ ba cuộn kháng một pha, thể hiện trong Phụ lục 3. Cũng trong chương này, luận án thực hiện nghiên cứu và xây dựng đặc tính cùng đa thức thể hiện quan hệ giữa tỉ lệ giá trịđiện cảm rò so với điện cảm tổng

ứng với các giá trị công suất tại từng cấp điện áp cao áp, siêu cao áp và hệ số hình dáng dây quấn kw khác nhau. Kết quả nhận được từchương này là cơ sởđể dựng mô

hình đối tượng nghiên cứu trong những nội dung ởchương tiếp theo của luận án. Các kết quảchương 3 được công bố trong bài báo số [1], [2] và [6].

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ KHE HỞ ĐẾN ĐẶC TÍNH ĐIỆN TỪ CỦA CKBN

4.1 Giới thiệu chung

Trên cơ sở kết quả từ mô hình mô phỏng đã được kiểm chứng giữa phương pháp PTHH với kết quả đo thực nghiệm cùng bộ thông số của CKBN đã tính toán ở chương 3, trong chương này, luận án nghiên cứuảnh hưởng của các thông số khe hở trên trụđến đặc tính điện từ của CKBN. Luận ánnghiên cứuđánh giá ảnh hưởng của các kiểu ghép lá thép các khối trụ đến phân bố từ cảm trên trụ, từ đó đưa ra kiểu ghép phù hợp để chế tạo các khối trụcủa CKBN. Tiếp theo, dựa vào lý thuyết tính toán lực điện từ, nghiên cứuphân bố ứng suấtlực điện từ tác động trên các khối trụ và các tấm ngăn cách giữa các khối trụ này. Trong CKBN, với mỗi giá trị từ cảm sẽ xác định được thể tích và qua đó xác định được chiều dài tổng của khe hở trên trụ. Tuy nhiên,

từ khe hở có chiều dài lớn, cần chia nhỏ thành bao nhiêu khe, khoảng cách giữa các khe hở này thế nào được nghiên cứu phân tích và đánh giá để đưa ra khuyến nghị về số khe và khoảng cách giữa các khe phù hợp nhằm mục đích giảm từ trường tản qua đó giảm điện cảm tản và điện cảm tổng, đạt giá trị công suất phản kháng mà CKBN

nhận từ lưới điện.

4.2 Nghiên cứu phân bố từ cảm các kiểu ghép lá thép trụ CKBN

4.2.1 Các kiểu ghép lá thép trụ và hệ tọa độtương ứng

Do có các khe hở được thêm vào trên trụ của CKBN, nên xuất hiện thành phần từ trường tản xung quanh khe hở. Thành phần từ trường tản hướng từ khối trụ này tới khối trụ khác như mô tả trên Hình 4.1 sẽ khiến phân bố từ cảm trên các khối trụ không đồng đều.

Để thiết lập được hướng ghép lá thép trên mô hình mô phỏng đối tượng và xác

định hướng ghép lá thép cho các khối trụ trên

mô hình, cầnthiết lập hệ tọa độ lá thép với các hướng RD, TD và LD vuông góc với nhau, qua đó xác định quan hệ tương ứng với hệ tọa độ OXYZ khi dựng mô hình đối tượng như mô tả trên Hình 4.2.

Thông qua hệ tọa độ lá thép RD, TD và

LD có thể xác định vị trí tương đối của các lá

thép trong không gian phân tích. Từ thông tản hướng vào lá thép theo các hướng có đặc tính

từ khác nhau làm ảnh hưởng đến các thông số của CKBN, trong đó có sự gia tăng từ cảm xung quanh các khối trụ, khiến phân bố từ cảm trên khối trụ không đồng đều. Sự phân bố từ cảm trên khối trụ thay đổi đáng kể ứng với các cách ghép lá thép có hướng

ghép khác nhau.

Mạch từ của CKBN gồm phần trụ và gông, cả hai phần này đều được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện. Riêng phần gông có cách ghép xếp lớp giống như cách ghép lá thép ở MBA, phần trụ gồm các khối trụ có thể ghép theo các cách khác nhau như

trên Hình 4.3.

Cách ghép các khối trụ như trên Hình 4.3a giống như cách ghép lá thép phần

Hình 4.2 Hệ tọa độ lá thép RD-TD-LD Lá thép X Z Y TD LD RD (a) Kiểu 1 (b) Kiểu 2 (c) Kiểu 3 (d) Kiểu 4 X Y X Y No1 No1 No2 No2 TD LD X Y TD LD X Y No1 No2 No3 No4 No1 No2 No3 No4 X1 Y1 Hình 4.3 Các kiểu ghép lá thép các khối trụ của CKBN

gông và như cách ghép xếp lớp lá thép cho mạch từ MBA. Với kiểu ghép thứ hai ở

Hình 4.3b, ta chia khối trụ thành bốn phần ghép theo hai hướng theo trục X và Y. Sang kiểu ghép thứ 3 ở Hình 4.3c chia khối trụ thành 8 phần ghép theo nhiều hướng theo trục X, Y, X1 và Y1. Ở kiểu ghép này, cần tạo hệ tọa độ 0X1Y1Z1 xoay góc 450

so với hệ tọa độ 0XYZ. Sau cùng là kiểu ghép như mô tả trên Hình 4.3d, ghép các lá

thép có kích thước khác nhau theo hướng kính kiểu hình quạt xung quanh trục Z, là trục của các khối trụ. Các lá thép ở các kiểu ghép được ép định hình, băng đai bằng vải thủy tinh và được ngâm tẩm kết dính bằng epoxy thành các khối trụ.

Bảng 4.1 Quan hệ trục tọa độtương ứng giữa các hệ tọa độ.

Kiểu ghép Bộ phận RD TD LD

Gông trên và dưới Trục X Trục Z Trục Y

Mạch từ 2 bên Trục Z Trục X Trục Y

Kiểu 1 Khối trụ Trục Z Trục X Trục Y

Kiểu 2 Khối trụ-No1 Trục Z Trục X Trục Y

Khối trụ-No2 Trục Z Trục Y Trục X

Kiểu 3

Khối trụ-No1 Trục Z Trục X Trục Y

Khối trụ-No2 Trục Z1 Trục X1 Trục Y1

Khối trụ-No3 Trục Z Trục X Trục Y

Khối trụ-No4 Trục Z1 Trục Y1 Trục X1

Kiểu 4 Khối trụ Trục Z Vuông góc với trục Z Ghép hình quạt hướng kính Kiểu ghép đầu tiên có thành phần từ thông tản hướng vuông góc với bề mặt phẳng của lá thép, các lá thép kỹ thuật điện đều phủ lớp cách điện trên bề mặt này.

Hướng ghép lá thép của phần gông trên, gông dưới và mạch từ hai bên giống nhau trong tất cả các kiểu ghép, riêng các khối trụ sẽ được xác định cụ thể với từng kiểu ghép. Mối quan hệ giữa hệ tọa độ RD, TD và LD của từng bộ phận gông và các khối trụ với hệ tọa độ không gian toàn cục 0XYZ và hệ tọa độ tương đối 0X1Y1Z1 ứng với từng cách ghép lá thépđược thể hiện trong Bảng 4.1.

Như mô tả trong Bảng 4.1, ứng với mỗi bộ phận trên mạch từ, một vectơ Q bất kỳ trong hệ tọa độ tương ứng được xác định theo phương trình (4.1a) cho phần gông trên và gông dưới, phần gông hai bên xác định theo phương trình (4.1b).

{QQRDTD = Q= QXZ

QLD = QY

(a) {QQRDTD = Q= QXZ

QLD = QY

(𝑏) (4.1)

Với các khối trụ ghép hướng kính theo kiểu 4, vectơ Q bất kỳ được xác định theo phương trình (4.2). { QRD = QZ QTD = √Q2X+ Q2Y QLD = 0 (4.2) 4.2.2 Mô hình nghiên cứu các kiểu ghép lá thép trụ

Để nghiên cứu xác định kiểu ghép lá thép phù hợp áp dụng cho các khối trụ

của CKBN, luận án phân tích phân bố từ cảm trên các khối trụ với các kiểu ghép khác nhau, thực hiện mô hình hóa và mô phỏng CKBN bằng phương pháp PTHH với CKBN một pha có công suất 35 MVAr, dùng trong tổ ba cuộn kháng một pha trên

lưới điện 500 kV. Kích thước mạch từ và dây quấn thay đổi theo hệ số hình dáng khe hở kg = Ag/lg được lựa chọn, trong nghiên cứu này, luận án xét bộ thông sốkích thước của CKBN với trường hợp tỉ lệ kg = 0,75; đường kính và chiều cao trụ Dc = 653 (mm), Hc = 1907 (mm); tổng chiều dài khe hở lg = 446 (mm); kích thước dây quấn Hw = 1637 (mm), Ww = 273 (mm); số vòng dây quấn N = 2262 (vòng).

Mô hình mạch từ của các kiểu ghép lá thép trụnhư mô tả trên Hình 4.3 đều có chung cách ghép cho các phần gông trên, gông dưới và phần trụhai bên. Hướng ghép lá thép của các phần này đều theo các trục tương ứng của hệ tọa độ Descartes toàn cục OXYZ như mô tả trong Bảng 4.1. Riêng các khối trụở các kiểu ghép khác nhau, tùy theo kiểu ghép lá thép mà ta cần tạo các hệ tọa độ cục bộđể chia các khối trụ thành các phần tương ứng, từ đó xác định hướng ghép lá thép trên các phần của khối trụ. Ở kiểu khép thứ nhất trên Hình 4.3a, các lá thép được ghép xếp lớp có hướng ghép lá thép theo trục Y của hệ tọa độ

toàn cục, ở kiểu ghép thứ hai và

kiểu ghép thứ ba cần tạo hệ tọa độtương đối “RelativeCS1” dịch góc 450 quanh trục Z của hệ tọa độ toàn cục, từđó chia các khối trụ thành từng phần tương ứng nhằm

gán hướng ghép lá thép.

Trên mỗi phần của khối trụđược gán đặc tính vật liệu và thiết lập hướng ghép

lá thép ứng với kiểu ghép thứ hai và kiểu ghép thứba theo hướng trục X hoặc trục Y của hệ tọa độ toàn cục “Global” và hệ tọa độtương đối “RelativeCS1”.

Ở kiểu ghép thứ tư, các lá thép được ghép dạng hình quạt hướng kính xoay quanh trục Z nên cần thiết lập hệ tọa độ trụ khi khai báo vật liệu và xác định hướng ghép theo hệ tọa độ trụ này.

4.2.3 Phân tích phân bố từ cảm với các kiểu ghép lá thép trụ

Thực hiện nghiên cứu phân bố từ cảm ứng với từng kiểu ghép các lá thép trụ như mô tả trên Hình 4.3 và Bảng 4.1. Khi thiết lập mô hình mô phỏng, giữ nguyên các thông số kích thước, điều kiện biên hay nguồn cấp như nhau trong từng trường hợp tương ứng các cách ghép trụ.Kết quả phân bố từ cảm trên các khối trụ ứng với