ứng là góc dốc của đoạn đặc tính tuyến tính
trên cuộn kháng
và đoạn đặc tính bão hòa. Các CKBN dùng
trong lưới điện cao áp và siêu cao áp có dạng đặc tính này, làm việc ở vùng tuyến tính nên là cuộn kháng tuyến tính. Thông thường, vai trò của CKBN trên lưới điện cao áp và siêu cao áp để tránh quá áp gây ra bởi dung dẫn đường dây khi không tải hoặc tải nhỏ, do đó cần tính chọn thông số cuộn kháng đảm bảo vùng làm việc tuyến tính ở giá trị điện áp lớn nhất của lưới điện. Giá trị điện áp đảm bảo cho cuộn kháng làm việc ở vùng tuyến tính càng cao hơn so với giá trị điện áp định mức thì tiết diện mạch từ cần lớn hơn hay thể tích khe hở lớn hơn để tránh bão hòa mạch từ. Đặc tính tuyến tính của cuộn kháng điện cũng có thể mô tả qua đặc tính quan hệ giữa điện áp và dòng điện trên cuộn kháng như Hình 2.7. Các nhà chế tạo cuộn kháng cần tính toán thiết
kế các thông số sao cho cuộn kháng làm việc ở Không khe hở Có khe hở
đoạn đặc tính tuyến tính, dòng điện trên dây quấn tăng tỉ lệ thuận với điện áp đặt vào,
Từ trường
thường chọn điện áp đến 1,1 lần điện áp lớn tản
nhất của lưới điện. Ở ví dụ đường đặc tính trên
Hình 2.7, CKBN có đặc tính tuyến tính khi điện áp đạt đến cỡ 1,3 lần điện áp định mức.
Không khe hở
2.3.3 Vai trò của khe hở trên trụ của CKBN
Đặc điểm cấu tạo của CKBN cũng có
Có khe hở
những phần tương tự với MBA điện lực như dây quấn, mạch từ, cấu trúc cách điện hay vỏ máy nên có thể chế tạo sản xuất tại các nhà máy chế tạo MBA. Việc tính toán cũng có nhiều
phần giống như tính toán MBA. Tuy nhiên Hình 2.8 Đường cong B(H) khi có và
không có khe hở trên mạch từ [70]
khác biệt chính ở CKBN so với MBA thông thường là ở phần dây quấn và mạch từ: dây quấn cuộn kháng mỗi pha chỉ có một cuộn dây nên khi làm việc, toàn bộ dòng điện trên dây quấn là dòng từ hóa. Để CKBN nhận vào công suất phản kháng đủ lớn theo yêu cầu từ lưới điện, kích thước máy phù hợp, cần tăng từ trở bằng cách thêm khe hở trên mạch từ qua đó tăng năng lượng tích trữ khu vực khe hở. Các khe hở được bố trí trên trụ, ngăn cách các khối trụ thường bằng các tấm vật liệu phi từ tính, ví dụ như ceramic. Sức từ động tỉ lệ với dòng điện và số vòng dây quấn hay tỉ lệ với từ thông và từ trở. Khi thêm khe hở trên trụ sẽ thay đổi đặc tính B(H) của mạch từ, tăng được giá trị dòng điện trên dây quấn hay tăng cường độ từ trường tại mức bão
hòa mạch từ như mô tả trên Hình 2.8[70] .
2.4 Cấu trúc của CKBN
Như đã đưa ra ở phần phân loại, tùy theo loại cuộn kháng là cuộn kháng khô hay cuộn kháng dầu mà cấu trúc của cuộn kháng sẽ khác nhau. CKBN dùng trong lưới điện cao áp thường là loại cuộn kháng dầu có dây quấn và mạch từ, tùy theo kiểu mạch từ mà cấu trúc mạch từ có thể có trụ hoặc không có trụ trong cuộn dây. Dưới đây trình bày tương ứng cấu trúc các phần chính của CKBN là cấu trúc mạch từ và dây quấn.
2.4.1 Cấu trúc mạch từ
Cũng giống như MBA điện lực, mạch từ của CKBN dùng để dẫn từ thông, được chế tạo bằng các lá thép kỹ thuật điện cán nguội có từ thẩm lớn và suất tổn hao nhỏ ghép lại với nhau tạo thành phần trụ và phần gông. Cuộn kháng cho lưới điện ba pha có thể có cấu trúc ba pha hoặc tổ ba cuộn kháng một pha. Có nhiều kiểu
cuộn kháng một pha và ba pha với cấu trúc mạch từ khác nhau. Hình 2.9 mô tả cấu
trúc mạch từ cuộn kháng một pha một cuộn dây.
Gông và trụ ngoài Mạch từ
Các khối trụ Dây quấn
Dây quấn
(a) (b)
Hình 2.9 CKBN một pha một cuộn dây: (a) có trụ giữa, (b) không có trụ giữa
Cấu trúc CKBN Hình 2.9a có cuộn dây quấn xung quanh trụ giữa, phần trụ
Hình 2.10 Tấm ceramic ngăn cách giữa các khối trụ
Để tạo khe hở ngăn cách giữa các khối trụ thường dùng các tấm ceramic như mô tả trên Hình 2.10. Phần gông trên và gông dưới được ghép với phần trụ hai
Xà ép gông Lá thép Bu lông (a) Xà ép gông Lá thép Bu lông (b) Hình 2.11 Cấu trúc xà ép gông
bên và được ép chặt bằng xà ép gông, hai tấm xà ép gông đặt ở hai mặt trước và sau của gông được giữ chặt bằng bu lông xuyên qua gông với máy cỡ nhỏ hoặc bu lông
xuyên ngoài gông với máy lớn như mô tả trên Hình 2.11.
Ngoài cấu trúc CKBN một pha một dây quấn, CKBN một pha còn có cấu
trúc hai dây quấn trên hai trụ như mô tả trên Hình 2.12. So với cấu trúc ở Hình
2.12a, cấu trúc CKBN như Hình 2.12b có thêm hai trụ phía bên ngoài không có khe hở trên đó và không có dây quấn, phần mạch từ này để khép kín từ thông chính trong mạch từ tránh thành phần từ thông cắt qua vách thùng dầu gây tăng tổn hao và tăng nhiệt trên vách thùng.
Gông Gông và trụ ngoài
Dây quấn Dây quấn
Các khối trụ Các khối trụ
(a) (b)
Hình 2.12 CKBN một pha hai cuộn dây có hoặc không có trụ ngoài
Tương tự như CKBN một pha, CKBN ba pha cũng có kiểu mạch từ có trụ trong cuộn dây với khe hở phân bố trên trụ và kiểu mạch từ không có trụ trong cuộn dây. CKBN có cấu trúc như Hình 2.13a còn được gọi là cuộn kháng ba pha ba trụ, dây quấn từng pha quấn trên các trụ tương ứng. Cuộn kháng kiểu này có tiết diện phần gông trên và gông dưới tối thiểu bằng tiết diện trụ. Ở Hình 2.13b là loại cuộn kháng không có trụ trong cuộn dây, do không có trụ trong cuộn dây nhằm định hướng từ thông nên kiểu cuộn kháng này có thành phần từ thông rò lớn ảnh hưởng tới dây quấn. Với CKBN ba pha ba trụ, khi tăng công suất sẽ tăng kích thước mạch từ và dây
Gông
Mạch từ
Dây quấn Dây quấn
Khối trụ
(b) (a)
Hình 2.13 CKBN ba pha: (a) có trụ giữa, (b) không có trụ trong cuộn dây
quấn, để giảm bớt chiều cao máy tạo thuận lợi cho quá trình vận chuyển tới nơi lắp đặt và giảm thành phần từ trường móc vòng với vỏ máy, CKBN dùng trong lưới điện cao áp có công suất lớn thường có cấu trúc ba pha năm trụ. Ngoài ba trụ giữa đặt dây
quấn từng pha trên đó còn có Mạch từ
hai trụ ngoài cùng, từ thông Dây quấn
trên từng trụ cơ bản độc lập
và được khép mạch qua gông Khối trụ
và trụ ngoài cùng này. Do từ (a)
thông trên gông và hai trụ
ngoài chỉ bằng một nửa từ Mạch từ
thông trên các trụ giữa, nên
giảm tiết diện gông và hai trụ Dây quấn
bên, khi đó sẽ giảm được (b)
chiều cao tổng thể của mạch từ. Cấu trúc CKBN ba pha
năm trụ như mô tả trên Hình Hình 2.14 CKBN ba pha: (a) năm trụ, (b) không có trụ
trong cuộn dây
2.14a, loại tương ứng nhưng
không có trụ trong cuộn dây được mô tả như trên Hình 2.14b.
Cấu trúc CKBN ba pha năm trụ mặc dù có kích thước bề rộng lớn hơn, nặng hơn loại ba pha ba trụ nhưng có chiều cao thấp hơn và giảm ảnh hưởng bởi từ thông
(a) (b)
Hình 2.15 Từ thông trong mạch từ và từ thông rò móc vòng trên vách thùng [71]
rò lên vách thùng như mô tả trên Hình
2.15 nên được sử dụng phổ biến ở các
CKBN có công suất lớn dùng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp.
Hình 2.16 mô tả CKBN ba pha kiểu
bọc (shell form) [71], khác so với MBA kiểu bọc, ở CKBN kiểu bọc có cấu trúc mạch từ bao xung quanh dây quấn. Với
mạch từ kiểu bọc, từ thông chảy khép kín trong phần mạch từ độc lập giữa các pha.
2.4.2 Cấu trúc dây quấn
Cấu trúc dây quấn của CKBN dùng trong lưới điện cao áp cũng có những đặc điểm tương tự như dây quấn cao áp của MBA, khác biệt là mỗi pha dây quấn của CKBN chỉ gồm một cuộn dây được mắc song song với lưới điện. Cấu trúc dây quấn CKBN cần phù hợp nhằm cải thiện phân bố điện áp ban đầu không đồng đều trên dây quấn. Phân bố điện áp ban đầu trên dây quấn CKBN có trung tính nối đất như mô tả
trên Hình 2.17 [72]. Hệ số phân bố càng lớn thì điện áp phân bố càng không đồng
đều trên các bánh dây, ví dụ mô tả trên Hình 2.17, khi = 10 thì điện áp trên 20% số
bánh dây đầu chiếm đến 80% điện áp trên cả cuộn dây, trong khi 80% số bánh dây còn lại chỉ chịu có 20% điện áp. Để giảm giá trị hệ số cần tăng giá trị điện dung nối
đầu trên dây quấn [72]
Hình 2.17 Phân bố điện áp ban Hình 2.16 CKBN ba pha kiểu bọc [71]
tiếp, là điện dung giữa các vòng dây và điện dung giữa các bánh dây. Để tăng thành phần điện dung nối tiếp tương đương có thể thay đổi cách quấn dây để tăng được điện áp giữa các vòng dây liền kề hay các bánh dây cạnh nhau, hoặc bổ xung vòng điện dung vào các vị trí khác nhau trên cuộn dây, trong hai kiểu dây quấn thường dùng cho CKBN là dây quấn kiểu xoắn ốc liên tục và dây quấn kiểu đan xen.
2.4.2.1 Dây quấn xoắn ốc liên tục
Dây quấn CKBN kiểu xoắn ốc liên tục được chia thành các bánh dây [73], số bánh dây được chọn sao cho điện áp mỗi bánh dây vào khoảng 1000V đến 3000V với điện áp cao áp hay lên tới trên 6000V với điện áp siêu cao áp. Để giảm độ chênh lệch phân bố điện áp ban đầu trên các bánh dây cần tăng điện dung nối tiếp trên cuộn dây
Hình 2.18 Dây quấn xoắn ốc liên tục [73]
bằng cách dùng vòng điện dung (vòng tĩnh điện) phía trên đầu bánh dây hoặc giữa
các bánh dây như trên Hình 2.19.
Hình 2.19 Vòng điện dung Hình 2.20 Màn chắn quấn cùng trong (Static ring - SR) cặp bánh dây [74]
Một kiểu khác để nâng cao giá trị điện dung nối tiếp là sử dụng màn chắn tĩnh điện quấn cùng các vòng dây [74]. Số lượng màn chắn giảm dần trên các bánh dây từ bánh dây có đầu dây vào, để phù hợp với ứng suất điện áp dọc chiều cao của dây quấn.
2.4.2.2 Dây quấn đan xen
Kiểu dây quấn đan xen thường được sử dụng cho MBA hay CKBN dùng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp. Cách quấn dây đan xen giúp tăng đáng kể giá trị điện dung nối tiếp tương đương giữa các vòng dây và bánh dây.
Hình 2.21 Các kiểu dây quấn đan xen [75]
Ở kiểu dây quấn đan xen [75], điện áp giữa 2 vòng dây liền kề vật lý với nhau lớn hơn nhiều lần kiểu dây quấn xoắn ốc liên tục. Thông qua việc đan xen dây quấn sẽ làm tăng điện áp giữa các vòng dây cạnh nhau, từ đó tăng đáng kể điện dung nối tiếp tương đương trên dây quấn mà không thay đổi số vòng dây và kích thước dây quấn, cải thiện đường cong phân bố điện áp ban đầu có gradient điện áp nhỏ hơn, hay
phân bố điện áp ban đầu đồng đều hơn. Có nhiều kiểu và cách thức thực hiện quấn dây đan xen [76].
Các CKBN dùng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp, do có điện áp và công suất lớn nên mỗi pha dây quấn thường được chia thành hai nửa cuộn dây thành hai nhánh song song, quấn ngược chiều nhau trên cùng một trụ, nhờ đó có thể chuyển đầu đầu pha dây quấn vào khoảng giữa trụ [77]. Cách quấn dây này giúp tăng điện dung nối tiếp, giảm khoảng cách cách điện giữa dây quấn với gông, chia đôi dòng điện trong dây quấn nên giảm được lực điện từ tác động lên dây quấn.
Hình 2.22 Kiểu dây quấn với đầu đầu
ở giữa cuộn dây [77]
2.5 Từ trường trong CKBN
Cấu trúc của CKBN dùng trong lưới điện cao áp gồm có mạch từ và dây quấn. Trên trụ của CKBN có các khe hở ngăn cách, nên ngoài thành phần từ thông rò, từ thông chính trong mạch từ khi qua các khe hở có từ trở rất lớn làm xuất hiện từ thông tản xung quanh
(a) (b)
Hình 2.23 Phân bố từ trường trong CKBN: (a) một khe hở lớn, (b) chia nhiều khe hở
các khe hở đó. Từ thông tản hướng từ khối trụ này tới khối trụ khác gây ảnh hưởng đến thông số của CKBN, phân bố từ cảm trên trụ không đồng đều, đây là nhược điểm của các CKBN khi có khe hở trên trụ. Từ thông tản xung quanh khe hở như mô tả trên Hình
2.23 của một CKBN một pha với hai trường hợp số lượng khe hở khác nhau.
Khe hở có chiều dài càng lớn thì thành phần từ thông tản càng mở rộng ra
xung quanh khe hở, mô tả trên Hình 2.23a là trường hợp có một khe hở có chiều dài
lớn trên trụ. Do đó cần chia một khe hở lớn thành nhiều khe hở nhỏ phân bố trên trụ. Số lượng khe hở cần chia nhỏ như thế nào cho phù hợp sẽ được nghiên cứu và phân tích trong luận án này.
2.6 Mô hình mạch từ tương đương
Mô hình mạch từ được thiết lập từ từ trở tương đương ứng với các thành phần từ thông trong CKBN nên cũng có thể được gọi là mô hình từ trở. Thông qua mô hình
mạch từ có thể dễ dàng xác định được điện cảm của CKBN và xác định được kích thước khe hở cần thêm trên trụ theo từ cảm và công suất phản kháng của CKBN. Xét cấu trúc CKBN một pha có khe hở ngăn cách giữa các khối trụ, các thông số kích thước cơ bản được mô tả như trên Hình 2.24.
Từ cấu trúc cơ bản của CKBN, khi xét từ thông chính trong mạch từ, có thể chia mạch từ thành các phần hay các phân đoạn khác nhau để dựng mô hình mạch từ tương đương qua từ trở của các phần mạch từ như được mô tả trên Hình
2.25a, biến đổi tương đương thành
Dy Wy H y bcw Hc Hw Dc Ww Hình 2.24 Thông số kích thước cơ bản của CKBN sơ đồ như Hình 2.25b và Hình 2.25c. R R 1 2 Rg R5 F =IN R6 R7 R3 R4 (a) R g R F =IN R 246 135 R 7 (b) Rg F =IN (c) Rc Hình 2.25 Sơ đồ mạch từ thay thế CKBN
Sức từ động do dòng điện I trong N vòng dây sinh ra được biểu diễn bằng
nguồn sức từ động F thể hiện trên sơ đồ mạch từ thay thế.
Điện cảm của CKBN có N vòng dây xác định qua từ trở tổng: L =
2 (2.18)
R
Để xác định được từ trở tổng Rtot cần xác định từ trở từng phần tương ứng.
2.6.1 Từ trở phần lõi thép
Chia lõi thép thành các phần tương ứng với từ thông trên đó, từ trở của phần thứ i bất kỳ được xác định qua công thức tổng quát:
=
1 (2.19)
0
Trong đó: µr là từ thẩm tương đối của vật liệu sắt từ; µ0 = 4 .10-7 H/m là từ thẩm
chân không (từ thẩm không khí); li và Ai thứ tự là chiều dài từ thông trung bình và
tiết diện phần lõi thép thứ i.
Các giá trị kích thước li, Ai cần được xác định để từ đó tính được từ trở tương ứng, tuy nhiên với các phần góc nối giữa hai trụ ngoài, trụ giữa với gông trên và gông dưới khó xác định chính xác các kích thước này. Tại các góc ghép nối, từ thông thường có xu hướng tập trung vào phía trong do đó giảm chiều dài từ thông trung bình trên các góc ghép nối. Các giá trị kích thước li, Ai có thể xác định theo [78] như mô tả trên Hình 2.26.
Các góc trên chỉ đại diện cho một phần nhỏ của lõi thép, thường lõi thép của CKBN được ghép chéo giữa trụ và gông nên từ trở của các góc
nối phần III như mô tả trên Hình 2.26 có thể được tính cùng vào từ trở của phần trụ