Các điều kiện đơn trị như tính chất nhiệt vật lý của vật liệu epoxy được biểu diễn gần đúng dưới dạng hàm theo nhiệt độ được nhập vào phần mềm. Các thông số nhiệt của vật liệu epoxy thu được từ thực nghiệm đã thực hiện ở CHƯƠNG 3. Trong quá trình mô phỏng tác giả đã sử dụng máy tính Workstation HP Z440 có vi xử lý Xeon 2680V4: 14 cores, 28 threads, 64 Gb Ram. Thời gian để máy tính mô phỏng tính toán khoảng 12 tiếng. Kết quả mô phỏng được trình bày chi tiết trong phần tiếp theo.
Mô phỏng ởchế độ hoạt động tải định mức
Ở chế độ hoạt động tải định mức thực hiện mô phỏng MBA với IHA=461,9A và ICA = 8,4A. Phân bố nhiệt MBA qua mô phỏng bằng CFD thể hiện ở Hình 4.5
Hình 4.5 Phân bố nhiệt độ MBA 320kVA 22/0,4kV ở chếđộ tải định mức.
Qua phân bố nhiệt mô phỏng bằng phần mềm CFD ta thấy nhiệt độ phân bố không đồng đều trên các pha. Nhiệt độ cao tập trung ở phần trên các cuộn dây do hiện tượng đối lưu tự nhiên. Không khí nóng có xu hướng đi lên trên tạo lớp không khí nóng hơn bao quanh bề mặt trên của cuộn dây so với phần bên dưới từ đây làm cho nhiệt độ phần bên trên của cuộn dây MBA cao hơn. Do pha B nằm ở giữa MBA bị ảnh hưởng nhiệt độ từ 2 pha bên cạnh A, C và cuộn dây hạ áp nằm trong cuộn dây cao áp khiến cho việc không khí giải nhiệt trong khe hẹp giữa cuộn cao áp và hạ áp khó khăn hơn. Nhiệt độ cuộn HA cao hơn nhiệt độ cuộn CA.
113
(a) (b)
Hình 4.6 Phân bố nhiệt độvà điểm nóng nhất trên (a) cuộn CA và (b) trên cuộn HA tại
trường hợp tải định mức.
Kết quả mô phỏng cho thấy MBA khô lõi 320 kVA khi làm việc với tải định mức nhiệt độ cao nhất cuộn CA là 66,8℃ nằm ở lòng trong cuộn CA pha B độ cao z = 9 cm tính từ đỉnh cuộn dây CA. Nhiệt độ nóng nhất của cuộn HA là 75℃ nằm trong lòng cuộn HA pha B độ cao z = 8,2cm tính từ đỉnh cuộn HA xuống. Đây chính là ưu điểm của công cụ mô phỏng CFD. Phần mềm mô phỏng cho phép chúng ta xác định được phân bố nhiệt cũng như những điểm phát nóng cục bộ mà trong thực nghiệm khó có thể xác định được. Vậy với nhiệt độ như trên thì cách điện của dây quấn cấp F là hoàn toàn chịu được khi MBA làm việc lâu dài với tải định mức.
Hình 4.7 MBA khô 320kVA trong thử nghiệm của tác giả tại nhà máy Sanaky Hà Nội Mô phỏng ở chế độ 70% tải định mức
Tương tự như việc mô phỏng phân bố nhiệt độ MBA ở tải định mức ta thực hiện mô phỏng tại điều kiện 70% tải định mức. Cuộn dây được mô phỏng với ICA =
114
5,9A, IHA= 323,33 A. Phân bố nhiệt độ MBA ở chế độ 70% tải định mức như Hình 4.8.
Hình 4.8 Phân bố nhiệt độ MBA 320kVA ở chếđộ 70% tải định mức
Tương tự như trường hợp tải định mức, thấy nhiệt độ phân bố không đồng đều trên các pha. Nhiệt độ cao tập trung ở phần trên các cuộn dây do hiện tượng đối lưu tự nhiên nhiệt độ cao nhất nằm ở pha B do việc giải nhiệt ở cuộn ở giữa khó khăn hơn hai cuộn ở hai bên. Nhiệt độ cuộn HA cao hơn nhiệt độ cuộn CA.
(a) (b)
Hình 4.9 Phân bố nhiệt độvà điểm nóng nhất trên cuộn CA (a) và trên cuộn HA (b) tại
trường hợp 70% tải định mức
Kết quả mô phỏng cho thấy ở trường hợp 70% tải định mức nhiệt độ cao nhất cuộn CA là 41,8℃ nằm ở lòng trong cuộn CA pha B độ cao z = 11,4 cm tính từ đỉnh cuộn dây CA. Nhiệt độ nóng nhất của cuộn HA là 50,48℃ nằm trong lòng cuộn HA pha B độ cao z = 4,6 cm tính từ đỉnh cuộn HA xuống.
Mô phỏng ở chế độ 50% tải định mức
Tiếp tục thực hiện mô phỏng ở chế độ 50% tải định mức. Cuộn dây được mô phỏng với ICA = 4,2A, IHA= 230,95 A. Phân bố nhiệt độ như Hình 4.11. Ở trường hợp 50% tải nhiệt độ cao nhất cuộn CA là 32,3℃ nằm ở lòng trong cuộn CA pha B độ cao z = 11,6 cm tính từ đỉnh cuộn dây CA. Nhiệt độ nóng nhất của cuộn HA là 41,1℃ nằm trong lòng cuộn HA pha B độ cao z = 9,8 cm tính từ đỉnh cuộn HA xuống
115
Hình 4.10 Phân bố nhiệt độ MBA 320kVA ở chếđộ 50% tải định mức
(a) (b)
Hình 4.11 Phân bố nhiệt độvà điểm nóng nhất trên cuộn CA (a) và trên cuộn HA (b) tại
trường hợp 50% tải định mức
So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm
Sau khi thực hiện mô phỏng phân bố nhiệt MBA khô 320kVA tại 3 trường hợp tải khác nhau và so sánh với dữ liệu đo đạc thực tế các điểm nhiệt theo chiều cao cuộn CA pha A thực hiện tại nhà máy sản xuất MBA Sanaky. Kết quả cho thấy mô hình mô phỏng khớp với thực nghiệm như Hình 4.12. Mô hình mô phỏng được thực hiện với các thông số nhiệt của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ.
116
Hình 4.12 So sánh giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm tại các điều kiện tải khác nhau
Sai số giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm ở các điểm nhiệt theo chiều cao cuộn CA pha A trong điều kiện tải định mức thể hiện trong Bảng 4.3.
Bảng 4.3 Sai số giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt độ theo chiều cao cuộn CA ở điều kiện tải định mức Chiều cao cuộn CA (m) t℃ thực nghiệm t℃ mô phỏng Sai số (%) 0,02 40,9 41,6 1,79 0,14 51,1 50,3 1,57 0,19 48,5 49,1 1,15 0,26 51,6 50,3 2,5 0,30 53,4 55,6 4,12 0,33 51,7 51,5 0,43 0,37 54,6 54,2 0,73 0,40 51,1 51,3 0,38 0,47 52,6 50,9 3,24 0,53 58,8 61,5 4,59 0,58 58,4 60,2 3,08 0,62 55,0 56,0 1,82 0,64 53,3 52,1 2,25
So sánh kết quả giữa mô phỏng 3D phân bố nhiệt MBA và thực nghiệm ở điều kiện tải định mức không vượt quá 5% chứng tỏ tính đúng đắn của mô hình mô phỏng với các thông số về nhiệt của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ.
Thực hiện mô phỏng MBA 320 kVA với các thông số về nhiệt của vật liệu epoxy là hằng số [70]:
- Khối lượng riêng D = 1640 kg/m3 - Nhiệt dung C1000
C – 2000C = 1500 J/kg.0K - Hệ số dẫn nhiệt 1000C – 2000C = 0,32 W/m.0K - Modun đàn hồi của epoxy E1 = 3,6 (GN/m2)
- Hệ số poison epoxy 1 = 0,34
117
Thực hiện mô phỏng MBA với các thông số về nhiệt của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ để so sánh với kết quả mô phỏng MBA với các thông số vật liệu epoxy là hàm theo nhiệt độ xây dựng từ thực nghiệm. Phân bố nhiệt độ MBA trong hai trường hợp thể hiện ở Hình 4.13.
(a) (b)
Hình 4.13 Phân bố nhiệt độ MBA ở chếđộ tải định mức với hệ số về nhiệt của epoxy thay
đổi theo nhiệt độ (a) và hệ số về nhiệt của epoxy là hằng số (b)
Ta có kết quả so sánh giữa các phân bố nhiệt theo chiều cao cuộn CA pha A ở điều kiện tải định mức với các trường hợp khác nhau thể hiện trong đồ thị Hình 4.14
Hình 4.14 So sánh giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm trong trường hợp hệ số về nhiệt epoxy là hằng số
Sai số giữa kết quả mô phỏng MBA với các hệ số về nhiệt vật liệu epoxy là hằng số và kết quả thực nghiệm ở các điểm nhiệt theo chiều cao cuộn CA pha A ở điều kiện tải định mức thể hiện trong Bảng 4.4.
118
Bảng 4.4 Sai số giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng với hệ số về nhiệt vật liệu epoxy là hằng sốởđiều kiện tải định mức Chiều cao cuộn CA (m) t℃ thực nghiệm t℃ mô phỏng hệ số nhiệt epoxy là hằng số Sai số (%) 0,02 40,9 42,2 3,1 0,14 51,1 56,3 10,2 0,19 48,5 49,6 2,2 0,26 51,6 48,0 7,0 0,30 53,4 58,9 10,3 0,33 51,7 51,8 0,2 0,37 54,6 58,0 6,2 0,40 51,1 54,0 5,7 0,47 52,6 50,0 4,9 0,53 58,8 59,4 1,1 0,58 58,4 64,2 9,9 0,62 55,0 50,0 9,1 0,64 53,3 47,5 10,9
So sánh kết quả giữa mô phỏng 3D phân bố nhiệt MBA với các hệ số về nhiệt của epoxy là hằng số và thực nghiệm ở điều kiện tải định mức có thể lên đến 10,9%. Sai số này cao gấp 2 lần sai số khi mô phỏng phân bố nhiệt MBA với các hệ số về nhiệt của epoxy thay đổi theo nhiệt độ.
Đây là cơ sở khoa học đáng tin cậy để chúng ta tiếp tục sử dụng các hệ số epoxy thay đổi theo thực nghiệm đã được xác định ở CHƯƠNG 3 trong trường hợp mô phỏng MBA khi có sự cố ngắn mạch.
4.3 Mô phỏng phân bố nhiệt MBA 320kVA 22/0,4kV khi làm việc ở chế độ quá tải và khi có ngắn mạch sự cố
Khi nghiên cứu MBA làm việc quá tải và khi MBA gặp sự cố ngắn mạch, việc triển khai công tác thử nghiệm, thực nghiệm là rất khó thực hiện. Do đó, phương pháp mô phỏng số được coi là khả thi và thường được áp dụng trong thực tế.
Từ dữ liệu về phân bố nhiệt của MBA ở chế độ ngắn mạch, chúng ta có thể tiếp tục sử dụng phần mềm Ansys Workbench để mô phỏng, tính toán ứng suất nhiệt của MBA.
4.3.1 Mô phỏng phân bố nhiệt MBA 320kVA làm việc ở chế độ150% tải định mức 150% tải định mức
Cuộn dây của MBA khô có khả năng chịu đựng nhiệt độ cao hơn MBA dầu. Sự tăng nhiệt khi máy quá tải diễn ra cũng không nhanh như ở máy dầu nên máy khô có khả năng chịu quá tải cao hơn hoặc lâu hơn so với máy dầu. Do đó trong quá trình vận hành thực tế, MBA khô thường xuyên phải làm việc ở điều kiện quá tải, các nhà chế tạo MBA đã tính toán, thiết kế để MBA khô có thể đáp ứng được trong điều kiện vận hành này. Tuy nhiên khi hoạt động ở chế độ này trong thực tế do tổn hao đồng tăng làm nhiệt độ của cuộn dây tăng nên MBA thường được kết hợp với biện pháp làm mát cưỡng bức bằng quạt gió.
119
Đối với các thử nghiệm MBA trước khi MBA được đưa vào vận hành trong thực tế, nhà sản xuất thường không thử nghiệm ở trường hợp quá tải và tắt quạt giải nhiệt vì nó ảnh hưởng đến độ bền, tuổi thọ của MBA. Như vậy trong trường hợp MBA làm việc quá tải và được giải nhiệt bằng đối lưu tự nhiên trong thực tế việc triển khai công tác thử nghiệm là rất khó thực hiện.
Từ mô hình mô phỏng phân bố nhiệt MBA khô 320 kVA đã được kiểm chứng tính đúng đắn với kết quả đo đạc thực nghiệm trong mục 4.2, tác giả mô phỏng MBA trong điều kiện làm việc quá tải 150%, cuộn dây được mô phỏng với cường độ dòng điện ICA = 12,6 A và IHA= 692,9 A. Kết quả phân bố nhiệt độ như Hình 4.15.
Hình 4.15 Phân bố nhiệt độ MBA 320 kVA 22/0,4 kV ở chếđộ 150% tải định mức
Kết quả mô phỏng ở chế độ 150% tải định mức, nhiệt độ cao nhất cuộn CA là 105,1℃ nằm ở lòng trong cuộn CA pha B độ cao z = 10,2 cm tính từ đỉnh cuộn dây CA. Nhiệt độ nóng nhất của cuộn HA là 113,1℃ nằm trong lòng cuộn HA pha B độ cao z = 4,6 cm tính từ đỉnh cuộn HA xuống Hình 4.16.
(a) (b)
Hình 4.16 Phân bố nhiệt độvà điểm nóng nhất trên (a) cuộn CA và (b) trên cuộn HA tại
trường hợp 150% tải định mức
Với nhiệt độ như trên thì cách điện của dây quấn cấp F là có thể chịu được khi MBA làm việc ở chế độ quá tải 150%. Tuy nhiên, nhà sản xuất không khuyến cáo
120
việc máy biến áp làm việc lâu dài ở chế độ quá tải và nhiệt độ lên đến hơn 100°C, nó làm giảm tuổi thọ và sự ổn định trong vận hành của MBA.
Khi MBA làm việc trong các điều kiện khắc nghiệt ta thấy nhiệt độ của máy tăng cao. Để đảm bảo MBA làm việc ổn định cần làm mát cưỡng bức.
4.3.2 Mô phỏng phân bố nhiệt MBA 320kVA trong trường hợp ngắn mạch sự cố
Khi máy biến áp ngắn mạch, dòng điện chạy trong cuộn dây tăng đột ngột làm nhiệt độ cuộn dây tăng cao. Do khả năng dẫn nhiệt kém của lớp epoxy dẫn tới phân bố nhiệt độ không đồng đều trong lớp vật liệu này. Mặt khác, do khả năng dẫn nhiệt của vật liệu đồng lớn hơn rất nhiều so với vật liệu epoxy nên tạo sự phân bố nhiệt độ không đồng đều giữa hai lớp vật liệu đồng và epoxy. Sự phân bố nhiệt độ không đồng đều này sau khoảng thời gian ngắn mạch đã gây ra hiện tượng giãn nở không đồng đều từ đó xuất hiện ứng suất nhiệt trong cuộn dây của MBA khô.
Do đó, việc nghiên cứu phân bố nhiệt có tính đến sự thay đổi các tính chất nhiệt vật lý , cp, của epoxy khi thay đổi nhiệt độ sau ngắn mạch, là điều rất quan trọng với việc thiết kế cũng như sản xuất, sử dụng, vận hành MBA.
Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt MBA tại trường hợp sự cố ngắn mạch khi máy đang hoạt động ở tải định mức theo miền thời gian với thời gian phân tích được thiết lập là 3s bước thời gian là 0,01s. Số phần tử chia lưới để mô phỏng phân bố nhiệt MBA tại trường hợp này là 15.600.000 phần tử để đạt được kết quả hội tụ.
(a) (b)
Hình 4.17 Phân bố nhiệt độ MBA 320kVA ngắn mạch thứ cấp sau thời gian 3s
Khi ngắn mạch nhiệt độ cao nhất tập trung ở pha B, nhiệt độ cao nhất tập trung trên cuộn HA. Nhiệt độ cao nhất ở cuộn HA là: 171,73℃
121
Hình 4.18 Đồ thịquá trình tăng nhiệt độ cuộn CA và HA trong trường hợp ngắn mạch sự
cố
Để xác định được ứng suất nhiệt động ngắn mạch trên dây quấn MBA, chúng ta có thể áp dụng phương pháp giải tích với cơ sở lý thuyết đã được giới thiệu ở chương 2. Mặt khác, từ kết quả về phân bố nhiệt của MBA, chúng ta cũng có thể xác định ứng suất nhiệt động bằng PTHH 3D thông qua phần mềm Ansys Workbench 3D.
4.4 Phân tích ứng suất nhiệt MBA 320kVA ở trường hợp ngắn mạch bằng phương pháp PTHH
Khi thực hiện phân tích ứng suất nhiệt MBA ở trường hợp ngắn mạch các thông số của MBA được lấy từ bản thiết kế nhà máy sản xuất MBA Sanaky Hà Nội. Quá trình mô phỏng tính toán ứng suất nhiệt MBA khi ngắn mạch trên phần mềm Ansys Workbench là sự tương tác giữa 3 môi trường Maxwell – Fluent – Structure. Trong quá trình mô phỏng tính toán có xét đến việc các thông số của vật liệu epoxy thay đổi theo nhiệt độ. Các đường đặc tính về tính chất nhiệt của vật liệu epoxy theo nhiệt độ và các thông số này sẽ được sử dụng để tính toán, mô phỏng, phân tích ứng suất nhiệt ngắn mạch ở phần này.
Kết quả mô phỏng cho thấy nhiệt độ cao nhất tập trung ở pha B. Do vậy, tác giả tập trung mô phỏng ứng suất nhiệt tại pha B. Những dữ liệu mô phỏng từ mục 4.3
được sử dụng để phân tích và đưa ra kết quả, ứng suất lực nhiệt động trên cuộn CA và HA pha B.
Kết quả mô phỏng ứng suất lực nhiệt động ngắn mạch MBA 320kVA được trình bày trong các hình dưới
122
(a) (b)
Hình 4.19 Phân bốứng suất nhiệt trên (a) cuộn CA và HA pha B và (b) điểm ứng suất lớn nhất trên cuộn HA pha B
Ứng suất nhiệt trung bình trong MBA ở chế độ ngắn mạch sau thời gian 3s là: 8,256 MPa.
Hình 4.20 Giá trịứng suất nhiệt lớn nhất và giá trịứng suất nhiệt trung bình MBA trong
trường hợp ngắn mạch sự cố
Ứng suất nhiệt lớn nhất tập trung ở góc trên cùng của cuộn HA pha B với giá trị là 33,5 MPa
Hình 4.21 Vị trí ứng suất nhiệt lớn nhất ở góc trên cùng cuộn HA pha B
Như vậy, mô phỏng ứng suất nhiệt MBA khô trong trường hợp sự cố ngắn mạch