Hình 2 .2 vẽ phân bố của từ thông tản MBA
Hình 2.12 Các lớp cách điện giữa CA và HA
Đố ới v i MBA vấn đề điện trường quyết định thông s k t cố ế ấu cách điện c a máy. ủ Tính toán chính xác b trí cách n là bài toán ph c t p vì v t khi thi t k ố điệ ứ ạ ậ ế ếchọn kho ng ả
cách cách điện c n ph i h p v i k t qu th c nghi m. i v i MBA phân ph i, c n chú ý ầ ố ợ ớ ế ả ự ệ Đố ớ ố ầ hơn khảo sát điện trường khoở ảng cách điện chính.
Khoảng cách điện chính gi a dây CA và HA gữ ồm cách điện epoxy, ống cách điện và không khí, ki m tra vùng này c n dể ầ ựa vào điện áp thử, điện áp th ử được xác định qua điện áp làm việc định m c. ứ
Cường độ ện trườđi ng c a ủ ống cách điện đồng tâm và không khí được xác định theo F.W.Peek: max 3 4 2 3 1 1 2 1 2 3 1 2 ln ln ln ln ... x n x n n U G D D D D D D D D D − − = + + + + 2.80
N u thay lôgarit t nhiên bế ự ằng lôgarit cơ số 10 ta có:
max 3 4 2 3 1 1 2 1 2 3 1 2 2,3 lg lg lg lg ... x n x n n U G D D D D D D D D D − − = + + + + 2.81 Trong đó:
D1, D2, …,Dn- Đường kính mặt trụcác lớp điện môi (hình 2.12) Gx – Cường độ điện trường ng vứ ới đường kính Dx.
εx H ng s n môi c– ằ ố điệ ủa vật liệ ạu t i điểm xét. Chọn:
H ng s n môi không khí b ng 1, ằ ố điệ ằ cường độ đánh thủng Gmax = 3kV/mm. H ng s n môi cằ ố điệ ủa epoxy ε= 5 và cường độ đánh thủng Gmax = 15kV/mm. Biểu thức đã dẫn ch ỉ đúng với môi trường đồng tính, ph n nguy hi m nh t ầ ể ấ c n kiầ ểm tra là các phần đầu dây CA và HA đối di n nhau, u cuệ ở đầ ối đường s c t ứ ừ trường không còn đều nhau và sát đầu dây đường sức dày hơn (hình 2.13)
Hình 2.13: Phân bố điện trường Hình 2.14: Hệ số k phụ thuộc bán kính cong r
S ự tăng cao cường độ ừ trườ t ng ph ụ thuộc bán kính cong, bán kính càng nhỏ, độ tăng cao cường độ ừ trườ t ng càng l n. ớ
Tiến hành tính sường độ ừ t trường ng v i các giá tr ứ ớ ị đường kính cong như sau: Tính cường độ ừ t trường Gxtheo công thức 2.80, Gmax đượctính theo công th ức:
Gmax = k.Gx. 2.82
k được xác định d a vào tr s ự ị ố kích thước r và a và tra theo hình 2.13.
Theo thí nghi m c a Hurrl [2], t ệ ủ ừ trường Gmax nguy hi m nhể ất ở hướng l ch mệ ột góc 300, vì thành ph n ti p tuy n cầ ế ế ủa cường độ điện trường d c theo các l p có t m quan ọ ớ ầ trọng hơn, khi đó:
G1 = 0,5Gmax . 2.83
Nếu cách điện có nhi u l p bề ớ độ ền cách điện theo phương này rất yếu.
2.7. Kết luận chương 2
D a vào h ự ệ phương trình Maxwell xây dựng m t mô hình tính toán phân b t 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 ứng phương pháp giải tích. Đểi x gi i h ả ệ phương trình Maxwell ta có thể ử ụ s d ng phương pháp giải tích ho c tính gặ ần đúng bằng phương pháp phầ ử ữn t h u h n. Th c ch t ạ ự ấ phương pháp giải tích cũng phả ựa trên cơ sở ần đúng, hầi d g u h t h ế ệ phương trình vi phân đạo hàm riêng viết theo Maxwell đều không có đáp án giải tích, do đó phả ần đúng đểi g
đưa về ạ d ng có nghi m gi i tích. Nh ệ ả ờ phương pháp tính dựa trên h th ng máy tính hi n ệ ố ệ đại, các ph n m m h tr thông minh, giúp ta giầ ề ỗ ợ ải các bài toán điệ ừn t thu n lậ ợi hơn.
K t c u dây qu n MBA ế ấ ấ có liên quan đến phân b t ố ừ trường tản do đó làm ảnh hưởng lớn đến phân b lố ực điệ ừn t tác d ng lên dây quụ ấn. MBA kinh điển, s d ng lõi thép ử ụ bằng tôn silic, thường có ti t di n hình tròn. Dây quế ệ ấn CA và HA thường cùng chi u cao, ề đặt cân xứng thì có độ ề b n ch u l c là t t nh t, ph n do không có thành ph n ng l c d c ị ự ố ấ ầ ầ ứ ự ọ trục, ph n do ng su t lầ ứ ấ ực đồng đều kh p chu vi dây quắ ấn. Trường h p có nhiợ ều đầu phân áp, b t bu c có n c phân áp t o nên chi u cao dây qu n CA và HA không bắ ộ ấ ạ ề ấ ằng nhau, để gi m thi u l c d c trả ể ự ọ ục cũng như phân bố ứ ng lực đồng đều hơn người ta b trí ph n chênh ố ầ lệch chiều hai dây quấn đối xứng.
Để ế ti t kiệm năng lượng, s dử ụng lõi thép VĐH, do tính chất đặc bi t công ngh ch ệ ệ ế t o mà ti t di n lõi thép là hình ch nh t. Bài toán tính phân b l c giúp ta chạ ế ệ ữ ậ ố ự ọn được hình dáng tối ưu dây quấn là bài toán kinh t k ế ỹthuật đang được quan tâm nghiên c u. ứ
Tham kh o k t qu trong [1] v tính t c m tả ế ả ề ừ ả ản hướng kính Bx và hướng tr c By ụ trong không gian dây qu n HA và CA MBA 630kVA, ấ đượ ức ng su t lấ ực hướng kính, hướng tr c tác d ng lên dây quụ ụ ấn. Tìm ra các điểm ch u l c nguy hiị ự ểm và đề xu t s lý ấ ử theo yêu c u kinh t k ầ ế ỹthuật đố ới v i MBA s d ng lõi thép b ng v t liử ụ ằ ậ ệu VĐH. Tuy nhiên mới có ý tưởng thông qua tính toán v gi nh k t c u cu n dây về ả đị ế ấ ộ ới các kích thước lõi thép khác nhau. Nghiên c u ch ng ứ ứ minh được bi u th c t ng quát tính toán hình dáng dây ể ứ ổ qu n s h nhi u cho nghiên c u thi t k ấ ẽ ỗ trợ ề ứ ế ế chế ạ t o MBA s d ng lõi thép b ng v t liử ụ ằ ậ ệu VĐH.
Có nhi u n i dung nghiên cề ộ ứu liên quan đến s d ng v t liử ụ ậ ệu VĐH trong MBA khô mà điển hình là bài toán nhi t, cệ ần tính đến s ự thay đổi các thông s v nhi t c a epoxy ố ề ệ ủ theo nhiệt độ ẽ trình bày trong chương 3. s
Chương 3 PHÂN BỐ NHIỆT TRONG MÁY BIẾN ÁP KHÔ
3.1. Các phương thức truyền nhiệt
M ch t và dây qu n là ngu n phát nhiạ ừ ấ ồ ệt làm tăng nhiệt độ các b ộphận khác nhau c a m t máy bi n áp [42]. T n hao lõi thép và tủ ộ ế ổ ổn hao đồng g i là t n hao chính, ngoài ra ọ ổ còn các t n hao ph ổ ụ như tổn hao ph dây qu n ụ ấ (do đầu n i, dòng Phu cô trong dây d n)ố ẫ , t n hao ph lõi thép (t ổ ụ ừ trường t n móc vòng v t li u k t c u, v ả ậ ệ ế ấ ỏ thùng)… đều bi n thành ế nhiệt trong máy biến áp.
K t nế ối điện không t t bên trong các máy bi n áp, dố ế ẫn đến một điện tr p xúc ở tiế cao, gây ra nhiệt độ cao hơn. Nhiệt độ quá cao do s nóng lên c a bu lông n m trong ự ủ ằ đường d n c a t ẫ ủ ừtrường t n, có th làm hả ể ỏng gioăng. Nhiệt sinh ra do t t c nh ng t n hao ấ ả ữ ổ phải được truyền ra môi trường tránh làm lõi thép, dây qu n và các b để ấ ộphận c u trúc quá ấ nhiệt độ cho phép, tránh làm v t liậ ệu cách điện chóng hóa già. Nếu cách điện ch u nhiị ệt độ cao hơn giá trị cho phép trong m t th i gian dài, nó s m t tính chộ ờ ẽ ấ ất cách điện; nói cách khác là gi m tu i th ả ổ ọ cách điệ ảnh hưởn, ng nghiêm trọng đến tu i th biổ ọ ến áp. Có hai đặc tính cơ bản c a v t liủ ậ ệu cách điện: độ ề b n cách diện và độ ền cơ học. Độ ề b b n cách di n ệ c a v t liủ ậ ệu cách điện trong d u c a v t li u ch ầ ủ ậ ệ ỉ được đảm bảo đến m t nhiộ ệt độ nhất định, quá mức đó sẽ ảm nhanh chóng, lúc đó các vậ gi t li u cách nhi t tr ệ ệ ở nên giòn và độ ền cơ b học cũng giảm. Ngượ ại, độ ền cơ kc l b hí mà b ị ảnh hưởng b i nhiở ệ ột đ cao hơn và lão hóa, ảnh hưởng đến độ ền điện môi. Do đó, độ ề b b n cách di n không không ph i tiêu chu n duy ệ ả ẩ nhất đánh giá s tác độự ng của nhiệt độ trên các vật liệu cách nhi ệt.
Ước tính chính xác c a nhiủ ệt độ trên t t c các b m t là r t quan tr ng trong thi t ấ ả ề ặ ấ ọ ế k c a MBA quyế ủ để ết định mật độ ừ t thông hoạt động trong lõi và mật độ dòng điện trong cuộn dây. Nó giúp trong vi c kiệ ểm tra tính đầy đủ ủ c a các gi i pháp làm mát lõi thép và ả cuộn dây. Nó cũng giúp trong việc đảm b o v n hành tin c y c a MBA t tu i th cách ả ậ ậ ủ ừ ổ ọ điện có th ể được ước tính cho phép điều ki n quá t i và các tính toán khác. ệ ả
Các giá tr c a nhiị ủ ệt độ ầ d u và cu n dây tộ ối đa phụthuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh, thi t k biế ế ến áp, điều ki n tệ ải và phương pháp làm mát. Các gi i h n cho nhiớ ạ ệt
độ môi trường xung quanh và các gi i hớ ạn tương ứng với độ tăng nhiệt độ ầu, độ tăng d nhiệt độ dây quấn được quy định trong các tiêu chu n qu c t . Khi nhiẩ ố ế ệt độ môi trường xung quanh được quy định thay đổi theo các qu c gia khác nhau ố do đó độ tăng nhiệt độ cho phép cũng thay đổi theo.
Ví d trong IEC 60.076-2 ( n b n th hai: 1993), nhiụ ấ ả ứ ệt độ môi trường xung quanh tối đa 40°C, độ tăng nhiệt độ ớ l p d u trên b m t cho phép là 60°C. mầ ề ặ Ở ột đất nước mà nhiệt độ môi trường xung quanh tối đa là 50°C, giớ ạn tăng nhiệt độ ới h l p d u trên b mầ ề ặt có thể được giảm tương ứng còn 50°C.
N u các náy biế ến áp đặt ở độ cao lớn hơn 1000 m so với mực nước biển, độ tăng nhiệt độ cho phép đố ới v i MBA được giảm theo các hướng dẫn được đưa ra trong các tiêu chuẩn vì th c t r ng mự ế ằ ật độ không khí gi m vả ớ ự gia tăng đội s cao làm gi m hi u qu làm ả ệ ả mát. Độ cao v ề cơ bả ảnh hưởng đến n s ự trao đổi nhiệ ối lưu. Như vậy khi đặt đ t MBA ở độ cao trên 1.000 m ta không th s d ng tr c ti p các tiêu chu n ể ử ụ ự ế ẩ ở dưới 1000 m mà ph hi u ải ệ chỉnh theo hướng d n. ẫ
D u làm mát MBA dùng cho c hai mầ ả ục đích làm mát và cách điệ: n. Nhiệt năng từ lõi thép, cu n dây và các thành ph n cộ ầ ấu trúc được d u tu n hoàn truy n tầ ầ ề ải ra môi trường xung quanh là không khí hoặc là nước thông qua các phương thức làm mát khác nhau.
Ba phương thức truy n nhi t: ề ệ
Các cơ chế truy n nhi t trong MBA di n ra bề ệ ễ ằng ba phương thức: d n nhiẫ ệt, đối lưu và b c x . Trong v t d n và chứ ạ ậ ẫ ất cách điện thì d n nhiẫ ệt đóng vai trò quan trọng. Trong d u làm mát máy biầ ến áp, đối lưu đóng vai trò quan trọng nh t và vi c d n nhi t là ít quan ấ ệ ẫ ệ trọng nh t. B m t làm mát ti p xúc vấ ề ặ ế ới môi trường không khí thì đối lưu và bức x ạ đóng vai trò quan trọng hơn. ửX lý toán h c ch t ch hi n nhọ ặ ẽ để thể ệ ững phương thức truy n ề nhiệt là khá khó khăn và do đó chủ ế y u là dựa vào công thức kinh nghiệm.
Để xét các phương thức truy n nhiề ệt, người ta chia máy bi n áp làm hai nhóm: ế Nhóm ngu n nhi t (g m dây quân, lõi thép) và nhóm truy n nhiồ ệ ồ ề ệt (gồ cách điệm n, d u, ầ vách thùng, môi trường).
Như vậy, nhiệt được truy n t máy biề ừ ến áp ra môi trường qua các v t li u th ậ ệ ể r n, l ng, khí. Nhi t truy n qua th rắ ỏ ệ ề ể ắn dưới d ng d n nhi t, truy n qua th l ng khí ạ ẫ ệ ề ể ỏ dướ ạng đối lưu. Ở ỏi d v thùng nhiệt được truyền ra môi trường xung quanh dướ ại d ng bức xạ.
3.1.1 Dẫn nhiệt
1. Vật thể không ch a ngu n nhi ứ ồ ệt:
Hình 3.1 mô tả kích thước vật thể đơn (mộ ớt l p) và vật thểcó nhiề ớu l p.
Hình 3.1: Dẫn nhiệt vật thể một lớp (a) và nhiều lớp (b)
Xét vật thể đơn (hình 3.1a), dòng nhiệt chạy d c vọ ật thể, ta có:
S Q
l
= 3.1 Trong đó:
Q ng nhi– lượ ệt truyền trong một đơn vị i gian. W; thờ θ = T1 T– 2 –chênh lệch nhiệ ột đ ạ t o nên dòng nhiệt, 0C; λ – nhi t d n xu t, W/m.ệ ẫ ấ 0C .
S – ế ti t diện d n nhi t, mẫ ệ 2;
l –chiều dài đường truy n nhi ề ệt. Chia 2 v ế phương trình 2 cho S ta có:
Q qS = = l 3.2
Trong đó q là nhiệt lượng truy n qua ti t di n 1mề ế ệ 2 trong một đơn vị i gian, hay thờ còn gọi là ph t i nhi t cụ ả ệ ủa tiết diện, W/m2.
Trường h p v t th g m nhi u lợ ậ ể ồ ề ớp cách điện k nhau (hình 3.1b) có chi u dày khác ề ề nhau, nhi t d n khác nhau, ệ ẫ ta có thể dùng công thức 3.3, trong đó:
1 2 3 1 2 1 2 3 1 ..., 3 ... l l l l= + + + =l l l + + + 3.3
B ng 3.1 ng kê giá tr h s ả thố ị ệ ố λ, nhiệt dung và khC ối lượng riêng c a m t s i vủ ộ ốloạ ật liệu dùng ch t o ế ạ MBA.
Bảng 3.1: Thông số về nhiệ một số vật liệu chế tạo máy biến áp.t
Vật liệu Nhiệt dẫn xuất
W/m.λ, 0C
Nhiệt dung C. W/kg. 0C
Khối lượng riêng. Kg/m3 Đồng 380 390 8,93.103 Nhôm 220 920 2,7.103 Lá thép MBA có chiều dày 0.35mm (trong dầu) Chiều dọc 19 ÷ 30 Chiều vuông góc Cách điện giấy 2,0 Cách điện sơn 3,6 490 (7,5÷7,65).103 Bìa Khô 0,19 Ngâm dầu 0,25 Khô ~ 1300 Khô (1÷1,35).103 Giấy cứng 0,25 1400 ÷ 1500 (1,15 ÷ 1,42).103 Giấy cáp Khô 0,1 Trong dầu 0,17 Khô 1150 ÷ 1350 Khô 0,8. 103 Trong dầu 1,0. 103 Dầu MBA 0,125 1900 ÷ 2000 (0,88 ÷ 0,9). 103. ở 200C. Sứ 1,55 880 (2,2 ÷ 2,4). 103 Nước 0,59 4180 1,0. 103
2. Vật thể ngu n nhi là ồ ệt:
Hình 3.2 vẽ lăng trụ là nguồn nhiệt, ở đó là nhiệt phát sinh trên đơn vị thể tích, p
nhiệt tỏa đi đồng đều và truyền ra ngoài theo bề mặt S1, S2.
Hình : 3.2 Phân bố nhiệt độ dọc hình lăng trụ là nguồn nhiệt
Giả thiết nhiệt độ lớn nhất nằm ở mặt phẳng đối xứng O, truyền đồng đều ra hai mắt phẳng S1 và.
Xét lớp nguyên tố dx cách mặt phẳng đối xứng khoảng x.
Trong một dơn vị thời gian chảy qua lớp nguyên tố đó năng lượng p.S.xvà năng lượng chảy qua tính trên một đơn vị diện tích là: qx=p.x.
Áp dụng biểu thức 3.3 cho lớp vô cùng bé ta có độ chênh nhiệt độ:
dx
d =−px 3.4
λ – nhiệt dẫn xuất của vật thể theo phương ±x.
Dấu “ “ trong công thức - 3.4 chỉ rằng khi càng tăng khoảng cách x nhiệt độ càng giảm. Tích phân 3.4 ta có: 2 2 px A =− + 3.5
A=p.a2/8λ, thay vào biểu thức 3.5 ta được: 2 2 2 2 1 2 2 8 8 px pa pa x a = − + = − 3.6
Phân b nhiố ệt độ có đường đặc tính là parabol (hình 1.2). Khi đó độ chênh nhiệt độ giữa điểm x = 0 và m t Sặ 1 hoặc S2 là:
2
/2 8
a = pa 3.7 Độtăng trung bình của nhiệ ột đ là:
/2 2 /2 /2 1 x 2 12 3 a tb a a pa d a− = = = 3.8 Nhiệt lượng mở ột đơn vị tích là p (W/mthể 3), chi u dài v t th là a(m) và nhi t dề ậ ể ệ ẫn