Độ tăng
nhiệt θ,0C qbx
Đơn vị
Nhiệt độ môi trường t0, 0C
αbx -100C 0 +10 +20 +30 +40 30 qbx W/m2 129 145 161 177 193 209 αbx W/m2.0C 4,3 4,85 5,58 5,91 6,43 6,96 40 qbx W/m2 185 209 232 254 277 299 αbx W/m2.0C 4,63 5,22 5,79 6,35 6,92 7,49 50 qbx W/m2 244 275 305 334 365 396 αbx W/m2.0C 4,88 5,5 6,1 6,68 7,3 7,92 60 qbx W/m2 306 346 383 420 459 496 αbx W/m2.0C 5,1 5,76 6,38 7,0 7,64 8,29 75 qbx W/m2 405 458 506 557 608 655 αbx W/m2.0C 5,4 6,1 6,75 7,42 8,1 8,75
Công suất truyền nhiệt từ vật thể sang môi trường có thể biểu diễn dưới dạng:
0 0
k k k k k k k
Trong đó 3.27 – hệ số tải nhiệt tương ứng với độ tăng nhiệt θ0.
3.2. Nghiên cứu truyền nhiệt trong MBA khô có lõi thép VĐH
3.2.1 Đặt vấn đề
Nghiên c u truy n nhi t c a MBA khô 50 kVA có dây quứ ề ệ ủ ấn đúc trong epoxy. Khi mang t i, có t n hao trong dây quả ổ ấn và trong lõi thép do đó các dây dẫn và cách điện h ệ thống b ị tăng nhiệt. Để xác định s phân b nhiự ố ệt độ trong dây quấn và cách điện, ta c n ầ bi t các thông s nhi t c a h ế ố ệ ủ ệthống cách điện và các điều ki n biên. ệ Ta xác định được các điểm phát nóng vượt quá giá tr ị bình thường nh mô hình s . ờ ố Dưới đây sẽ tính thông qua các bi u th c d n nhi t, lan truy n nhiể ứ ẫ ệ ề ệt trong cách điện và nhi t dung c a v t li uệ ủ ậ ệ . Độ ẫ d n nhiệt thu được b ng th c nghiằ ự ệm nh các ngu n nhi có th u chờ ồ ệt ể điề ỉnh được nhiệt độ trong ph m vi t nhiạ ừ ệt độ trong phòng t i 155ớ 0C, đó là giớ ại h n nhiệt củ ớ cách điệa l p n cấp F. Các thông s ốtruyền nhiệt trong điện môi thu được nh ờ ước lượng tham s b ng cách l p ố ằ ắ mô hình phân tích x p x d u nhiấ ỉ ữliệ ệt độ- i gian c a thí nghi m d n n t. Nhi t dung thờ ủ ệ ẫ hiệ ệ riêng được thu th p t ậ ừ các định nghĩa khả năng ảt i nhi t và mệ ật độ cách điện-h thệ ống. Để c i thi n c tính ả ệ đặ điện theo các tiêu chí MBA, ta s d ng m t mô ph ng s c a các c u ử ụ ộ ỏ ố ủ ấ trúc điện môi khác nhau đã được th c hi n bự ệ ằng chương trình máy tính. Các điều ki n biên ệ cho giai đoạn mô ph ng nhiỏ ệt cũng được xác định b ng th c nghi m t ki m tra nhiằ ự ệ ừ ể ệt độ. Cuối cùng, để có được d li u cho thi t k nhi t, m t mô ph ng s c a ữ ệ ế ế ệ ộ ỏ ố ủ gia tăng dòng điện trong dây qu nấ . Giai đoạn mô ph ng nhiỏ ệt được th c hi n các mự ệ ở ật độ dòng điện khác nhau trong dây d n có và không có ẫ màntĩnh điện để xác định trường nhiệt độ và nhiệt độ có thể đạ t tối đa. Nhiệt độ ố t i đa t đưđạ ợc chỉ ấp hơn giá trị th cho phép 15-200 C.
3.2.2 Giới thiệu nội dung
MBA khô đượ ử ục s d ng nh ng ở ữ nơi có yêu cầu cao v phòng ch ng cháy nề ố ổ: nơi đông ngươi qua lại, các công trình g n bi n, các toà nhà cao tầ ể ầng, dưới lòng đất. Nhiệ ột đ cho phép t 150°C và 180 C (l p nhi t F và H). MBA epoxy ừ ớ ệ thường hoạ ột đ ng ởchế độ đầ ải. Do đó, nhiệ độy t t do t n haổ o đồng làm nóng dây dẫn và cách điệ ớ Cách điện l n. n
b ng nh a epoxy n vằ ự trộ ới bột silica theo m t t l ộ ỷ ệ xác định, cung cấp đầy đủ tính chất nhiệt, cơ khí và điện. H ệthống cách điện c p ấ F chịu giới hạn nhi t 155°Cệ . Do đó MBA được thi t k sao cho khi làm viế ế ệc định m c nhiứ ệ ộ không được vượt đ t quá tr s cho ị ố phép. M t khác, vi c tính toán ặ ệ thực hiện trong điều ki n cệ ủa trường nhiệ ột đ ổn định. Việc tính toán trong trạng thái quá độ nhi b ng thệt ằ ực nghiệm.
Tìm hiểu tính ch t nhi t cấ ệ ủa h p chợ ất nh a epoxy, silự ic và chấ ết k t dính thông qua sáu mẫu v t liậ ệu cách điện c p F. ấ Trong đó ba m u tr n epoxy v i ph gia theo t l , bẫ ộ ớ ụ ỷ ệ ột silic 50% và khối lượng chất kết dính 0,5%. Ba m u ẫ còn lại theo tỷ ệ ộ l b t silic 50% và khối lượng ch t kấ ết dính 0,5%. Các phép đo được ti n hành 25 ° C. ế ở
Các bước:
a) Thiết lập quan h truy n nhi t trong dây qu n, truy n nhiệ ề ệ ấ ề ệt và nhiệt dung trong điện môi theo hàm c a nhiủ ệ ột đ theo t l ph gia silic 50%, k t dính 0,5%. ỷ ệ ụ ế
b) Thực nghiệm đo nhiệt độ biên theo 4 ch tế độ ải khác nhau.
c) Giải bằng mô hình s theo các ch khác nhau cố ế độ ủa nhiệt độ, xác định giá tr và ị v ịtrí nhiệt độ ớ l n nh ất.
d n nhiĐộ ẫ ệt được xác định b ng các ngu n nhiằ ồ ệt thay đổi tám mức nhiệ ột đ trong kho ng nhiả ệ ột đ môi trường và 151°C [23]. Trong mô hình này, tính d n nhiẫ ệt và khuy ch ế tán nhiệt trong cách điệ xác địn nh s ự gia tăng nhiệ ột đ trong môi trường vô h n gây ra bạ ởi một nguồn nhi t [23]. Khuy ch tán nhiệ ế ệt được xác định t các d u nhiừ ữliệ ệ ột đ theo mô hình d n nhiẫ ệt sử ụng ướ d c lượng tham số. Đólà bài toán d n nhi troẫ ệt ng môi trường vô hạn được thu th p t các d u xây d ng ậ ừ ữliệ để ự mô hình toán học thích hợp, trong đó mô tả vật lý của thí nghiệm.
u ki n biên nhi c MBA 29 v a ch n d c theo
Các điề ệ ệt độ ủa được đo ở ị trí được lự ọ ọ
b n c nh cố ạ ủa tiết diện ngang s d ng c p nhi ng u và h ng máy tính thu th p d u. ử ụ ặ ệt ẫ ệthố ậ ữliệ MBA được cấp nguồn và được theo dõi cho đến khi điều ki n tr ng thái ệ ạ ổn định đã đạt được. Cuối cùng, các điều kiện biên và độ ẫ d n nhi t c a lệ ủ ớp cách điện F được cài v i m t ớ ộ mã máy tính b ng ph n t h u hằ ầ ử ữ ạn đểtính toán trường nhiệt trạng thái ổn định mở ậ ột đ dòng điện khác nhau. B ng cách này, nhiằ ệ ộ ối đa mà t đ t MBA s ẽ đạt được trong điều ki n ệ hoạ ộng bình thườt đ ng không đượ vược t quá nhiệ ột đ ối đa cho phép. t
Mục tiêu của nghiên cứu để đưa ra các tiêu chí v n môi và nhi t cho ch t o ề điệ ệ ế ạ MBA khô b c trong epoxy. MBA có công suọ ấ ầt đ u vào 70 kVA - 22 0,4kV/ . Đểtránh phóng điện, trong dây qu n s dấ ử ụng màn tĩnh điện. Trong nghiên c u v i các mô ph ng, ứ ớ ỏ các khu v c ự quá áp s dđã ử ụng phương pháp ngoại suy, tính đến điện áp n 35 kV. đế
Trong phần tính nhi t, các tính ch t nhiệ ấ ệ ủt c a vật liệu đã được xác định là hàm c a ủ nhiệ ộ. Sau đó, các điềt đ u ki n biên nhiệ ệt cho giai đoạn mô ph ng nhiỏ ệt đư c xác đợ ịnh t ừ kiểm tra nhiệ ột đ ở ộ ố m t s ng tháitrạ . Để có được dữ u cho thiliệ ết kế nhiệt, thực hiện thông qua m t mô ph ng s c a nh ng dây qu n quá ápộ ỏ ố ủ ữ ấ . Giai đoạn mô ph ng nhiỏ ệt được thực hiệ ởn các ph t i ụ ả thay đổi s d ng Callie-2D. Cu i cùng, ử ụ ố xác định được nhiệt độcó thể đạt được tối đa khi thay đổi tả ẽ ỗi s h trợ nhi u cho m c ề ụ đích thiế ết k và v n hành an ậ toàn.
3.3. Thông số MBA
Thông s ố cơ bản c a MBA g m: Tr kháng, hi u su t, t n hao không t i và t n hao ủ ồ ở ệ ấ ổ ả ổ ng n m . S khác bi t là các tiêu chuắ ạch ự ệ ẩn điện môi s dử ụng thu đượ ừc t mô hình MBA với các mẫu nh . ỏ
Mẫu được thi t k và ch t o có các cế ế ế ạ ấp điện áp 15, 22 và 35kV. Các dây qu n h ấ ạ áp được ch n vọ ới kích thướ ớn hơn đểc l ch y th nghi m nhiạ ử ệ ệt độ nhi t mệ ở ật độ dòng điện khác nhau trong dây d n. M c tiêu ẫ ụ ở đây là để tìm ra mật độ dòng điện thích hợp để đạt được nhiệt độ dung n p tạ ối đa trong c hai dây dả ẫn và epoxy. Điện áp 22/ 0,4kV, v i ớ các điện áp đầu phân áp 24, 23, 22, 21, 20, 19kV.
Cuộn dây HA b ng nhôm lá có 24 vòng. Hai lá nhôm, v i m t c t ngang 700x0,4 ằ ớ ặ ắ mm2, được n i song song. Cuố ộn dây CA là dây đồng tròn đường kính 0,914mm. Các thông số khác c a dây qu n ủ ấ là:
S bánh dây: 4 ố Vòng dây mỗi bánh dây 660 : Vòng dây mỗi m i lỗ ớp: 132 S l p: 5 ố ớ
S vòng dây: 2640, 2 0, 2420, 2310, 2200, 2090 ng v i các nố 53 ứ ớ ấc điều ch nh. ỉ
Hình 3.3: Cấu tạo MBA khô, mẫu nghiên cứu
Dây quấn CA có 4 b i dây gi ng nhau, m i m i b i 5 l p và 132 vòng. ố ố ỗ ỗ ố ớ Căn ép ở đầ u vá cu i c a cu n dây. ố ủ ộ Có thể chia cách điện thành ba ph n. Phầ ần đầu là cách n l p trong điệ ớ dày 15 mm, cách điệ ớ ngoài dày 18 mm; cách điệ ớn l p n l p dày 3 mm. Ph n th hai là cách ầ ứ điện giữa đầu cu n dây vộ ới căn ép, có độ dày 41 mm. Ph n th ba là ầ ứ cách điện gi a các b i ữ ố dây 35 mm. Hình 3.4 v ẽ các kích thước của cuộn dây CA.
Hình 3.4: Mặt cắt cuộn dây CA
3.4. Mô hình toán
Nhiệt độ phát nóng t MBA do nhi u tác nhân: ngu n nhi t do từ ề ồ ệ ổn hao đồng dây ở qu n, t n hao s t t ấ ổ ắ ừ ở lõi thép và các phương thức truyền nhiệt ở MBA. Đối với trường h p MBA khô có dây qu n t m trong nh a epoxy ba hình th c truy n nhi t: Truyợ ấ ẩ ự có ứ ề ệ ền nhi t b ng d n nhi t trong dây qu n, truy n nhi t bệ ằ ẫ ệ ấ ề ệ ằng đối lưu không khí xung quanh MBA và truyền nhi t bệ ằng b c xứ ạ (hi u qu bệ ả ức xạ ở đây thấ p).
Hai phương thức truy n nhi t ề ệ được xem xét trong nghiên c u này gứ ồm, truyền d n ẫ nhi t và t n nhiệ ả ệt đối lưu tự nhiên không khí xung quanh bao quanh b m t c a cu n dây. ề ặ ủ ộ
Điều ki n biên có th ệ ểđược mô hình hóa b ng cách s d ng nhiằ ử ụ ệt độ đo được trên ranh gi i ớ c ph n t c nghi m. ủa ầ ửthự ệ
Xây d ng mô hình mô t toàn di n v hiự ả ệ ề ện tượng nhi t là nhi m v ph c t p do cệ ệ ụ ứ ạ ấu trúc hình học MBA và t n tồ ại đa dạng các ngu n nhi t. Không t n t i v trí trên các cuồ ệ ồ ạ ị ộn dây cao áp có nhiệt độtrên 155 ° C.
Các mô hình toán h c cho ọ MBA dựa trên các giả định sau đây: - Dây quấn MBA hình tr ụ tròn đố ứi x ng.
- Vật liệu epoxy đồng tính và đẳng hướng. - Chế độ xác l p. ậ
T ừ các điều ki n trên ta có th việ ể ết phương trình truyền nhi t theo tệ ọa độ : trụ
2 2 2 2 0 k T k T k T Q r r + r + z + = 3.28 Trong đó r,z – là tọa độ ụ tr bán kính và d c tr c. ọ ụ T – là nhiệt độ.
Q – là nhiệt lượng do tổn hao đồng. Điều ki n b : ệ ờ
T = T(r) – đáy và đỉ ( nh) 3.29 T = T(r) – (di n tích m t trong và m t ngoài) 3.30 ệ ặ ặ
Phương pháp sử ụng để xác định điề d u kiện biên được trong th c t vự ế ới các đối lưu t nhiên. ự Điều ki n biên 3.29 và 3.20 s ệ ẽ được gi i thi uớ ệ . Điều ki n biên 3.20 ệ đã được giải quy t cho m t s mô hình hình hế ộ ố ọc đơn giản. Tuy nhiên, giđể ải bài toán trường h p b ợ ề m t dây qu n ph c tặ ấ ứ ạp, không đồng nhất khó khăn Khi đó ả. gi i pháp c a các mô hình tr ng ủ ạ thái ổn định được dựa trên các chương trình phầ ử ữn t h u hạn để phân b nhitìm ố ệ ột đ .
Tìm được phân b nhiố ệt độ trên biên đóng vai trò quan trọng để tìm được phân b ố nhiệ ột đ c a bài toán phân b nhiủ ố ệ ột đ trong máy bi n áp mang t ế ải.
3.5. Tính phân bố nhiệt nhiệt độ trong epoxy sau ngắn mạch MBA
Đối v i MBA khô có dây qu n cao áp t m trong epoxy, khi ng n m ch, do quán ớ ấ ẩ ắ ạ tính nhiệt, ban đầ ổu t n hao ng n m ch trong dây qu n ch y u nâng nhiắ ạ ấ ủ ế ệt độ dây qu n, sau ấ đó làm thay đổi nhiệ ộ ớt đ l p epoxy [2].
Xét phân bố nhi t ng n mệ ắ ạch MBA cho trường h p : ợ
a. Dây quấn hình trụ được tẩm epoxy, hình 3.5, bề dày lớp epoxy 10 mm.
b. Thời gian ngắn mạch là 2sec, nhiệt độ dây quấn tăng tuyến tính từ nhiệt độ ổn định 1000C lên 2000C. Thực tế cho thấy, dây quấn chịu ứng suất nhiệt lớn nhất ở giây đầu tiên.
c. Hằng số vật lý của vật liệu epoxy được tính theo giá trị trung bình trong phạm vi 1000C đến 2000C:
Khối lượng riêng D = 1640 kg/m3. Nhiệt dung C1000C – 2000C = 1500 J/kg.0K. Nhiệt dẫn suất 1000 C – 2000C = 0,32 W/m.0K.
d. Nhiệt độ môi trường T0 = 200C, hệ số truyền nhiệt (bức xạ và đối lưu) chọn bằng δ = 14 W/m2.0K.
Hình 3.5: Dây quấn cao áp và lớp epoxy
Hình 3.6 Phân bố nhiệt độ theo hướng kính epoxy sau ngắn mạch
Phân b nhi t mô t trên hình 3.6 ố ệ ả chưa tính thay đổi thông s nhi t theo nhiố ệ ệt độ, nh ng nghiên c u chi tiữ ứ ết hơn cần đề cập đến s ự thay đổi này. Tính đúng phân bố nhi t l p ệ ớ epoxy còn giúp xác định được các loạ ứi ng l c ng n mự ắ ạch như:
a. Ứng lực gây ra do phân bố nhiệ ộ không đồ g đề ớt đ n u l p epoxy; b. ng lỨ ực do chênh lệch nhiệ ột đ gi a dây qu n và l p epoxy; ữ ấ ớ c. ng lỨ ự ẵc s n có giữa lớp epoxy và dây qu n; ấ
3.6. Thông số nhiệt thay đổi theo nhiệt độ
3.6.1 Độ dẫn nhiệt phụ thuộc nhiệt độ môi trường truyền nhiệt
Việc xác định độ ẫ d n nhiệt được d a trên m i quan h giự ố ệ ữa độ ẫ d n và s ự gia tăng nhiệt độ ủ c a một môi trường ng nh t vô h n, gây ra b i m t ngu n nhi t liên t c phát ra đồ ấ ạ ở ộ ồ ệ ụ t ngu n d ng ừ ồ ạ đường th ng. V i nhiẳ ớ ệt độ ban đầ đồng đều u và ngu n nhiồ ệt đầu vào liên t c ụ ta có:
2
( , ) 4Q i 4r
T r t =− LE − t 3.31
Trong đó T là nhiệt độ, Q là nhiệt được cung cấp, λ là độ ẫ d n nhi t (nhi t d n su t), ệ ệ ẫ ấ L là chiều dài m u, ẫ α là hệ ố s khu ch tán nhi t, ế ệ r là bán kính, t là thời gian và
( ) x e u Ei x du u − − − = là tích phân hàm mũ 3.32 V i x<< 1, ta có ớ 3.33 Trong đó γ = 0,5772 – ệ ố Euler. Đố ớ h s i v i t đủ dài, t 3.31 ta có: ừ
2 4 ( , ) ln 4Q t T r t L r = − 3.34
Phương trình 3.34 mô tả đường th ng T là hàm cẳ ủa ln(t), độ ố d c của hàm xác định độ ẫ d n nhi t. Trong th c t , nhiệ ự ế ệt độ tăng nhi t T(r,t) là ệ ngược v i ln(t) ớ và độ ố d c m thu đượ ừ ộ bình phương tốc t m t i thi u phù h p v i các d li u th c nghi m. d n nhiể ợ ớ ữ ệ ự ệ độ ẫ ệt được