1.5 . MBA dầu và MBAkhô
1.5.1. Khái niệm
MBA u tiên xu t hi n vào khođầ ấ ệ ảng năm 1890 là một MBAkhô. Cách điện khô tản nhi t kém, mệ ặt khác ban đầu chưa có cách điện chịu được nhiệt độ cao, độ ền cách điệ b n còn hạn ch nên MBA khô có cế ấp điện áp chưa cao, công suất cũng chưa đủ ớ l n.
S phát tri n cự ể ủa MBAđược nâng lên m t b c do s xu t hi n c a d u bi n áp. ộ ậ ự ấ ệ ủ ầ ế Nhiệt phát ra do năng lượng tổn hao trong máy đượ ản ra môi trườc t ng thông qua dầu đối lưu và b c x nhiứ ạ ệt, đối lưu không khí (hoặc nước) t h ng dàn cánh t n nhi t. n 1980 h u ừ ệ thố ả ệ Đế ầ h t các ế MBAđượ ảc s n xu t ph c v cho các toà cao c và trấ ụ ụ ố ạm điện ngoài tr i là MBAd u. ờ ầ Nhưng nhược điểm c a MBA d u là ủ ầ không đáp ứng được nh ng yêu c u nghiêm ng t v ữ ầ ặ ề môi trường và an toàn phòng ch ng cháy n , d u – ố ổ ầ MBA là chấ ễt d cháy và s n ph m cháy ả ẩ của nó lại gây ô nhiễm môi trường.
MBA khô đáp ứng đượ ối đa yêu cầc t u v an toàn phòng ch ng cháy n . T nh ng ề ố ổ ừ ữ năm 80 thu c th k ộ ế ỷXX, do tiến b khoa ho c k thu t, phát hi n thêm các v t li u cách ộ ạ ỹ ậ ệ ậ ệ điện khô có kh ả năng tản nhi t ệ cao hơn, chịu được nhiệt độ cao hơn, có bđộ ền cách điện cao hơn. MBA khô ngày càng được hoàn thiện và phát huy đươc những những ưu điểm của nó. Xu hướng hi n nay, nhệ ững địa điểm có yêu c u nghiêm ng t v ầ ặ ề môi trường và an toàn – phòng ch ng cháy n ố ổ như khách s n, các tòa nhà cao ạ ốc, văn phòng chính ph và ủ nh ng ữ nơi đông dân cư MBA khô s ẽ được ưu tiên sử ụ d ng.
Có hai loại MBA khô thường g p: MBA có cuặ ộn dây không đúc trong cách điện rắn và MBA có cuộn dây đúc trong cách điệ ắn r n.
1.5.2. MBA khô có cuộn dây không đúc trong cách điện rắn [2] và [4]
M khô có cuBA ộn dây không đúc trong cách điện r n là lo i máy có dây quắ ạ ấn được b c bọ ằng cách điện c p F ho c cấ ặ ấp H như giấy nomex, kaptofilm, v i thu tinh v.v... Hình ả ỷ 1.2 là MBA khô s d ng gi y nomex. ử ụ ấ
Hình 1.2: MBA khô được cách điện bằng giấy Nomex
Khi thi t k ph i ch n mế ế ả ọ ật độ ừ ả t c m trong lõi thép MBA khô thấp hơn mật độ ừ ả t c m trong lõi thép (cùng loại) MBA dầu để ả gi m ồn và giảm độ tăng nhiệt [17]. Cu n dây sau ộ khi quấn xong được đưa vào tẩm sấy trong môi trường chân không để chống ẩm, tăng độ b n ề cơ và cách điện cho cu n dây. ộ
Ưu điểm c a MBA khô có cuủ ộn dây không đúc trong cách điện r n là kh ắ ả năng làm mát t t do có các khe h ố ở làm mát hướng kính c a cuủ ộn dây cao vì nó thương được quấn theo ki u bánh xo n c liên t c. Do công ngh ể ắ ố ụ ệchế ạo đơn giả t n, làm vi c tin c y nên nó ệ ậ phù h p cho nhợ ững nơi không yêu cầu cao v phòng ch ng cháy n . Giá thành r ề ố ổ ẻ hơn cuộn dây đúc trong nhựa epoxy.
Nhược điểm MBA khô có cuộn dây không đúc trong cách điện r n là nh y c m v i ắ ạ ả ớ độ ẩ m, khói b i công nghiụ ệp và hơi mặn. Kh ả năng phòng chống cháy n ổ kém hơn loại máy đúc bằng nh a epoxy. Hi n nay ch làm vi c t i mự ệ ỉ ệ ớ ức điện áp là 17,5kV và th xung ử toàn sóng tới 95kV.
1.5.3. MBA khô có cuộn dây đúc trong cách điện rắn
MBA khô có cuộn dây đúc trong cách điện r n, là lo i v t li u có bắ ạ ậ ệ độ ền cơ, điện, nhi t cao, chệ ịu được môi trường b i b n, hoá chụ ẩ ất, độ ẩ m cao, g n bi n, có kh ầ ể ả năng chống cháy nổ, v.v…Chất cách điệ ắn r n ph bi n nh t hiổ ế ấ ện nay là composit có chứa gốc epoxy.
khô có cu n r n thích h p
MBA ộn dây đúc trong chất cách điệ ắ ợ ở những nơi có yêu
c u cao v phòng ch ng cháy nầ ề ố ổ, nơi đông ngươi qua lại, các công trình g n bi n, các toà ầ ể nhà cao tầng, dưới lòng đất v.v... Số lượ ng MBAkhô lo i này ngày càng chi m th ph n lạ ế ị ầ ớn trên th ị trương thế ớ gi i. So v MBA khô cuới ộn dây không đúc trong cách điệ ắn r n thì công ngh t o cu n dây ệchế ạ ộ đòi hỏi yêu cầu kỹthuật cao hơn và ứ ạp hơn nhiềph c t u. Hình 1.3 là lo i ạ MBA khô có cuộn dây đúc trong epoxy.
Hình 1.3: MBA khô có dây quấn đúc trong nhựa epoxy
1.5.4. Ưu nhược điểm MBA dầu và MBA khô
a. MBA d u ầ
1. Ưu điểm:
+ Ch tế ạo đơn giản, giá thành r ẻ hơn so với MBA khô cùng lo ại.
Hình 1.3: MBA khô có dây quấn đúc trong nhựa epoxy
Cuộn dây đúc epoxy
+ Dầu MBA có kh ả năng cách điện cao l i có kh ạ ả năng tuần hoàn làm mát t nhiên ự tốt nên có thể t o chế ạ MBAcó điện áp đến hàng trăm kV, công suất đế hàng trăm MVA.n
2. Nhược điểm:
+ Không thích h p nhợ ở ững nơi có yêu cầu cao v phòng ch ng cháy n , các công ề ố ổ trình gần biển, khu đông ngươi, các nhà máy hoá chất, hầm lò v.v...
+ Khi x y ra s c ả ự ố thì thương gây nên cháy nổ ầ, d u máy tràn ra và gây cháy t o nạ ên các khí thải ra môi trường xung quanh gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến s c kho ứ ẻ của con ngươi.
+ Thường xuyên ph i ki m tra m c d u, s rò r d u, chi phí bả ể ứ ầ ự ỉ ầ ảo dưỡng và v n hành ậ l n. ớ
+ Không gian lắp đặt máy rộng hơn so với MBA khô có cùng công su ất. + Kh ả năng vận chuyển đi xa khó khăn hơn và kém an toàn hơn.
b. MBA khô
1. Ưu điểm:
+ Có khả năng phòng chống cháy nổ cao, có khả năng tự dập cháy tốt. Hình 1.4 mô tả thí nghiệm về khả năng chống cháy cuộn dây đúc epoxy
+ Không gây ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức khỏe con ngươi: + Chịu được môi trường công nghiệp, nơi có độ ẩm lớn và nước biển;
Hình 1.4: Kh ả năng chống cháy cuộn dây đúc epoxy a) đốt trong hai phút; b) ngừng đốt; c) ngừng đốt sau 15 giây.
+ Cuộn dây được quấn bằng dây dẫn có hình dạng đặc biệt và được tẩm, đúc bằng nhựa epoxy tạo thành một khối vững chắc, có khả năng chịu được dòng ngắn mạch, lực điện từ tốt hơn;
+ Thời gian lắp đặt nhanh chúng, chi phí bảo dưỡng hàng năm ít;
+ Có khả năng chịu được xung điện áp lớn do cuộn dây được đúc trong epoxy tạo thành một khối vững chắc, mặt khác hai vùng dây kề nhau đóng vai trò như hai bản cực của một tụ điện làm phân bố điện áp các vùng dây đồng đều hơn.
+ Kích thước lắp đặt nhỏ hơn so với MBAdầu. + Có thể lắp đặt gần tải, tiết kiệm được cáp hạ áp; 2. Nhược điểm:
+ Công ngh ệ đúc cuộn dây cao áp ph c t p, giá thành cứ ạ ủa MBA khô cao hơn so với MBA d u cùng lo ầ ại.
+ Do kh ả năng làm mát và khả năng cách điện c a v t li u khô b h n ch , vì vủ ậ ệ ị ạ ế ậy công suất, cấp điện áp c MBA khô b ủa ịgiới hạn.
1.6. Xu hướng ưu tiên lựa chọn MBA hiệu suất cao
1.6.1. Xu hướng chế tạo MBA hiệu suất cao dùng vật liệu tôn VĐH
Xu th hiế ện nay người ta ưu tiên lựa ch n các ọ MBA có hi u su t cao ệ ấ [7],[8, [12]. Các nhà s n xu t tìm ki m v t li u mả ấ ế ậ ệ ới, đồng th i hoàn thi n thi t k có kh ờ ệ ế ế để ả năng chế ạ t o MBA có tổn hao th p. ấ
Gi m tả ổn hao trong dây qu n ấ
Dây dẫn đồng có điện tr t nhởsuấ ỏ, độ ền cơ học cao đã hầu như thay thế b dây nhôm làm dây qu n máy bi n áp, ti t di n dây quấ ế ế ệ ấn đồng nh ỏ hơn dây nhôm giảm được kích thước máy, gi m t n hao. Trong th c t , gi m ti t di n dây quả ổ ự ế ả ế ệ ấn 1% tương ứng giảm được t n hao Phu cô 1,5%. M t khác dây qu n ti t di n ch nhổ ặ ấ ế ệ ữ ật có độ dày theo chi u vuông góc ề t ừ trường t n nh ả ỏ cũng giảm được dòng điện Phu cô
Gi m tả ổn hao trong lõi thép
T n hao trong lõi thép gổ ần đúng bằng t n hao không t i MBA. Hình 1.5 mô t l ch s ổ ả ả ị ử t n hao không t i các ổ ả MBA 50 kVA do nâng cao chất lượng v t li u ch t o lõi thép t ậ ệ ế ạ ừ năm 1970 đến năm 1990 và t i 2010. ớ
Hình 1.5: Lịch sử tổn hao không tải của MBA50 kVA [1]
Có 4 yế ố cơ bản liên quan đế ổu t n t n hao lõi thép:
1. Đầu tiên ph i k n chả ể đế ất lượng thép. Lõi thép bi n áp u tiên (1885, Stanley) ế đầ làm b ng thép lá cacbon có t ằ ừ trường t ừ hóa cao và điện tr ở suất nh (r ~ 25-ỏ 30 μΩ.cm). Sau đó, lõi biến áp được làm b ng lá thép silicon (còn g i là tôn silic, Fe-ằ ọ Si) có điện tr ở suất cao hơn (r ~ 50 60 micro μΩ.cm)- [4], [5], [11], [13], [14]. Những năm 80-90 c a th ủ ế k ỷ XX, tôn silic định hướng (cán nguội) có điện tr t cao và l c kh t Hởsuấ ự ử ừ C nh ; càng ỏ ngày thép cán nguội được hoàn thiện đã được ch tế ạo và đưa vào sử ụ d ng thép cán nguội chất lượng cao, thép plasma có chi u dày m nề ỏ g. Cũng vào khoảng những năm 80 của th ế k ỷ XX, thép vô định hình (thép bi n th siêu mế ế ỏng) ra đời. Nh vào thành ph n và c u trúc ờ ầ ấ vi mô đặc biệt, thép vô định hình (VĐH) đáp ứng c 3 yêu cả ầu để ả gi m t n hao lõi là: l c ổ ự kháng t r t nh , Hừ ấ ỏ C ~ 5- 10 A/m (so v i ~50-100 A/m cớ ủa tôn silic); độ dày t nhiên cự ủa lá thép r t nh , t ~ 0.03 mm (so v i ~ 0,3-0,5 mm cấ ỏ ớ ủa tôn silic) và điện tr t r t l n, r ~ ở suấ ấ ớ 30-170 micro Om cm (so v i ~50-60 micro Om cm c a tôn silic). Nh vào các tính chớ ủ ờ ất trên mà t n hao Phu cô và t n hao t cổ ổ ừ trễ ủa thép VĐH giảm m nh so v i thép silicon loạ ớ ại t t nh t [37], [39], [41]ố ấ . Đồ trên hình 1.6 cho ththị ấy đường cong t hóa c a tôn silíc (M4) ừ ủ và thép vô định hình. Hình 1.7 mô t l ch s ng dả ị ử ứ ụng thép VĐH chế ạ t o MBAphân phối.
3. Thứ 3 là công ngh s p x p và ép lõi thép, ệ ắ ế 4. Thứ 4 là thi t k lõi thép ế ế
.
Hình 1.6: Đường cong từ hóa của tôn silíc (M4) và thép vô định hình ] [2
Hình 1.7: Lịch sử ứng dụng thép VĐH chế tạo MBAphân phối.
L a chự ọn phương án thiế ết k M có hi u suBA ệ ất cao mang ý nghĩa lớn, vì tu i th cổ ọ ủa MBAcó th t ể ừ 30 đến 50 năm, sai lầm trong l a ch n thi t k s ph i gánh ch u thi t thòi ự ọ ế ế ẽ ả ị ệ trong thời gian dài . [2]
1.6.2. Bài toán MBA hiệu suất cao dùng vật liệu thép VĐH
Nhưđã trình bày: MBA vớ ổi t n th t th p ấ ấ hơn hàm ý kích thước MBA ch c ch n l n ắ ắ ớ hơn, trọng lượng cao hơn và chi phí sản xuất tăng. Mặt khác s d ng v t li u m i có ch t ử ụ ậ ệ ớ ấ lượng cao hơn (tổn hao nh ỏ hơn) làm giảm kích thước MBA, trọng lượng nh ỏ hơn và chi
phí s n xu t có th ả ấ ể tăng do giá thành vật li u mệ ới tăng. Có sự thay đổi kích thước do yêu c u nâng cao chầ ất lượng thi t bế ị, đặt cho người thi t k ế ếchế ạ t o nhi m v m i trong tính ệ ụ ớ toán kinh tế ỹ, k thu ật.
Do đặc điểm thép VĐH dùng chế ạo lõi thép MBA có độ t dày t nhiên r t nh , t ~ ự ấ ỏ 0.03 mm (so v i ~ 0,3-0,5 mm c a tôn silic), m t khác chi u r ng lá thép ch t t i 26cm, ớ ủ ặ ề ộ ỉ đạ ớ do đó lõi thép thường có ti t di n hình ch nh t. Công ngh ch t o lõi thép, công ngh ế ệ ữ ậ ệ ế ạ ệ qu n dây, bài toán tính lấ ực điệ ừn t , tính toán phân b nhiố ệt, tìm ra hình dáng và kích thước tối ưu cho các công suất MBA [3] ,[16], [17], [18] có lõi thép VĐH đều là các vấn đề ấ c p thiết giúp nhanh chóng ch tế ạo được MBA loại này trong nước. Hiện nay đang có các dự án t các T ng Công ty ch t o MBA lừ ổ ế ạ ớn trong nước đệ trình để nhà nước phê duy t và h ệ ỗ trợ đầu tư nghiên cứu thi t k ch tế ế ế ạo MBA có lõi thép VĐH. Chọn th c hiự ện được m t ộ trong các khâu nghiên cứu trên có đóng góp thiết thực thúc đẩy các d ựán thành công.
1.7. Một số kết luận chương 1
MBA là thi t b n không th ế ị điệ ểthiếu trong h ng truy n t i, phân phệthố ề ả ối điện năng, s d ng MBA có hi u suử ụ ệ ất thấp s ẽ ảnh hưởng lớn đến hi u suệ ất của hệthống điện.
Chất lượng MBA có ảnh hưởng đáng kể đế n vi c gi m phát th i khí COệ ả ả 2. Trong thực t , các MBA v i t n hao ế ớ ổ thấp hơn sẽ có kích thước, trọng lượng l n ớ hơn và chi phí sản xuất cao hơn. Giá thành MBA có tổn hao p s thấ ẽ đắt hơn so với các MBA có t n hao ổ cao hơn, nhưng tổng chi phí, trong đó bao gồm c ả các chi phí mua và chi phí năng lượng do t n hao v n hành s ổ ậ ẽ thấp hơn.
Đố ới v i các MBA phân ph i, m t s quố ộ ố ốc gia đã đưa ra tiêu chuẩn b t bu c v ắ ộ ềgiới h n cho phép tạ ối đa của t n haoổ hoặc gi i h n cho phép t i thi u c a hi u su tớ ạ ố ể ủ ệ ấ, nhưng cũng có một số nước còn quy định cho phép áp d ng các tiêu chu n ụ ẩ trên cơ sở ự t nguy n. ệ
Tiêu chuẩn ở ộ ố m t s quốc gia v gi i h n cho phép tề ớ ạ ối đa tổn hao ho c gi i h n cho ặ ớ ạ phép t i thi u c a hi u su t MBA cung c p cho m t cái nhìn t ng quan v t n hao hoố ể ủ ệ ấ ấ ộ ổ ề ổ ặc hi u su t theo yêu c u hi n hành cệ ấ ầ ệ ủa quốc gia đó.
Xu th hiế ện nay người ta ưu tiên lựa ch n các MBA có hi u su t cao. Các nhà sọ ệ ấ ản xu t tìm ki m v t li u mấ ế ậ ệ ới, đồng th i hoàn thi n thi t k có kh ờ ệ ế ế để ả năng chế ạ t o MBA có t n hao th p dổ ấ ẫn đến s dử ụng MBA có lõi thép là tôn VĐH trở nên c p thi ấ ết.
L a chự ọn phương án thiế ết k MBA có hi u suệ ất cao mang ý nghĩa lớn, vì tu i th cổ ọ ủa MBA có th t ể ừ 30 đến 50 năm, sai lầm trong l a ch n thi t k s ự ọ ế ế ẽphải gánh ch u thi t thòi ị ệ trong thời gian dài.
Chương 2 PHÂN BỐ TỪ TRƯỜNG TẢN VÀ LỰC ĐIỆN TỪ
VÙNG DẤY QUẤN MÁY BIẾN ÁP
2.1. Khái niệm
D a vào h ự ệ phương trình Maxwell xây d ng m t mô hình tính toán phân b t ự ộ ố ừ trường t n, t ả ừ đó phân tích ứng su t trên dây quấ ấn MBA trong trường h p ng n m ch 3 ợ ắ ạ pha đố ứ g phương pháp giải x n i tích. Tham kh o k t qu trong [1], [30] v tính t c m t n ả ế ả ề ừ ả ả hướng kính Bx và hướng tr c By trong vùng không gian dây qu n h áp (ụ ấ ạ HA) và cao áp CA), đưa ra các kết qu v t ả ề ừ trường t n và ng su t lả ứ ấ ực hướng kính, hướng tr c tác d ng ụ ụ lên dây qu n. ng th i xấ Đồ ờ ét đến s phân b ự ố không đồng đề ứu ng l c chu vi dây qu n hình ự ấ thang do cấu trúc đặc bi t cệ ủa lõi thép VĐH. Tìm ra các điểm ch u l c nguy hiị ự ểm và đề xuất sử lý theo yêu c u kinh t k ầ ế ỹthuậ ốt đ i với MBA sử ụ d ng lõi thép b ng v t liằ ậ ệu VĐH.
2.2. Hệ phương trình Maxwell
Phân b n t ố điệ ừ trường trong c a s ử ổ MBA được bi u di n b ng h ể ễ ằ ệ phương trình Maxwell: rot t rot t