Trên Hình 4.14, các giá trị ứng suất lực hướng trục trung bình tác động lên các bề mặt phía trên của từng khối trụ mang giá trị dương, ngược lại, các giá trị ứng suất lực hướng trục trung bình tác động lên các bề mặt phía dưới của từng khối trụ mang giá trị âm. Từ phân bố Hình 4.12 và kết quả trên Hình 4.14 nhận thấy, lực điện từ tác động lên bề mặt trên và dưới của mỗi khối trụ cùng phương nhưng ngược chiều nhau, có giá trị trung bình xấp xỉ nhau nên lực điện từ tác động lên cả khối trụ gần như bằng không.
Các tấm ngăn cách đặt tại khe hở giữa các khối trụ tiếp xúc với bề mặt dưới của khối trụ trên và bề mặt trên của khối trụ dưới, do đó sẽ chịu tác động của hai thành phần lực cùng phương ngược chiều. Các tấm ngăn cách này phải chịu ứng suất nén rất lớn, lên tới hơn 257,5 kN/m2 hay tương đương 26,3 Ton/m2, giá trị này càng lớn khi tiết diện tiếp xúc của
các tấm ngăn cách càng nhỏ hơn so với tiết diện bề mặt các khối trụ. Luận án tiếp tục thực hiện nghiên cứu mô hình CKBN với các trường hợp từ cảm trên trụ có giá trị khác nhau, từ đó đưa ra mối quan hệ giữa ứng suất lực trung bình trên bề mặt các khối trụ với giá
trị từ cảm. Hình 4.15 Quan hệ giữa ứng suất lực trung bình
trên bề mặt các khối trụ với từ cảm Hình 4.14 Ứng suất lực hướng trục trên bề mặt trên và dưới của các khối trụ
Kết quả trên Hình 4.15 cho thấy, nếu chọn từ cảm trên các khối trụ là 1,65 T thì ứng suất lực hướng trục tác động trên bề mặt khối trụ lên tới trên 1000 kN/m2. Kết quả này cho ta lời giải thích tại sao các nhà chế tạo thường chọn mật độ từ thông trên trụ của CKBN nhỏ hơn trên trụ của MBA, mặc dù cả hai đối tượng này có thể cùng sử dụng một loại vật liệu sắt từ như nhau.
Bức tranh quan hệ trên là cơ sở khoa học cho các nhà nghiên cứu, chế tạo, các nhà sản xuất có cơ sở lựa chọn phương án thiết kế chế tạo mạch từ có khe hở lớn để từ cảm nhỏ hay tính chọn khe hở nhỏ nhưng từ cảm lớn, kết hợp với lựa chọn vật liệu, kích thước, số lượng các tấm ngăn cách giữa các khối trụ để chịu được ứng suất lực.
4.4 Nghiên cứu xác định số lượng khe hở trên trụ
4.4.1 Đặt vấn đề
Như đã được phân tích chi tiết trong nội dung mục 2.3.3, cho thấy vai trò quan trọng của khe hở thêm vào trên trụ, CKBN có đặc tính tuyến tính trong dải điện áp làm việc và đạt công suất phản kháng theo yêu cầu. Với mỗi giá trị từ cảm sẽ xác định được thể tích khe hở tương ứng và qua đó xác định được tiết diện và chiều dài tổng của khe hở trên trụ. Thể tích khe hở phụ thuộc vào công suất của CKBN, máy có công suất càng lớn thì thể tích và chiều dài khe hở càng lớn. Tại cùng giá trị công suất, nếu tính chọn từ cảm như nhau thì thể tích khe hở cần thêm trên trụ cũng giống nhau dù CKBN này được xác định cho cấp điện áp cao áp hay siêu cao áp khác nhau, giá trị điện áp quyết định đến khoảng cách giữa dây quấn tới trụ, khoảng cách này được xác định theo khoảng cách cách điện tối thiểu, điện áp nhỏ hơn sẽ có khoảng cách từ dây quấn đến trụ nhỏ hơn. Với khe hở trên trụ có chiều dài lớn, thành phần từ thông tản mở rộng ra xung quanh khe hở với bán kính lớn cắt vào các vòng dây quấn, từ dẫn tản lớn, điện cảm tản lớn, dẫn đến điện cảm tổng lớn. Do đó cần thiết phải chia khe hở có chiều dài lớn này thành nhiều khe hở nhỏ phân bố trên trụ, qua đó giảm bán kính từ trường tản xung quanh khe hở, giảm từ dẫn tản và điện cảm tản. Số lượng khe hở cần chia nhỏ phụ thuộc vào tỉ lệ giữa tiết diện và chiều dài khe hở kg, công suất của CKBN và điện áp lưới điện. Một trong các yêu cầu đầu tiên cần xác định là số lượng khe hở cần chia trên trụ, số lượng khe hở càng nhiều thì càng tăng tính phức tạp, giảm tính bền vững và tăng chi phí trong chế tạo. Nội dung luận án sẽ nghiên cứu phân tích số khe hở phù hợp. Trong nội dung phần này, luận án thực hiện mô hình hóa và mô phỏng CKBN một pha ở các dải công suất khác nhau, dùng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp 500 kV. Từ đó đưa ra phân bố từ cảm trên các khối trụ, phân bố từ cảm dọc chiều cao dây quấn và phân tích quan hệ giữa các giá trị điện cảm tản, điện cảm tổng với số lượng khe hở khác nhau trên trụ. Kết quả nghiên cứu giúp cho
các nhà thiết kế chế tạo có cơ sở lựa chọn số khe hở phù hợp cần thêm trên trụ.
4.4.2 Mô hình nghiên cứu theo số lượng khe hở trên trụ
Để nghiên cứu đánh giá tác động của sự phân chia khe hở trên trụ tới thông số điện cảm, đầu tiên, luận án thực hiện nghiên cứu trên mô hình đối tượng và mô phỏng cho các trường hợp số lượng khe hở khác nhau của CKBN một pha công suất 35 MVAr với trường hợp tỉ lệ kg = 0,98 có đường kính trụ Dc = 698 (mm) và tổng chiều dài khe hở lg = 390 (mm). Từ chiều dài tổng của khe hở đã xác định, luận án đề xuất nghiên cứu các mô hình với số lượng khe hở thay đổi từ 1 khe đến 20 khe và mở rộng đến 30 khe hở trên trụ. Trên Hình 4.16 là mô hình CKBN trường hợp không chia khe hở, chỉ có một khe hở giữa trụ và mô hình đối tượng có phân chia thành các khe hở nhỏ trên trụ. Tiết diện và chiều dài khe hở này được tính toán ở phần trước. Tất cả các thông số kích thước của đối tượng ở các trường hợp khe hở khác nhau đều được gán biến hay được xác định qua các biến độc lập (chiều dài khe hở lg, đường kính trụ Dc, chiều cao mỗi khối trụ lc, khoảng cách giữa dây quấn với trụ và gông bcw, kích thước dây quấn Hw và Ww) qua đó có thể thực hiện nghiên cứu bài toán tổng quát với CKBN có thông số bất kỳ.
Hình 4.16 Mô hình CKBN một pha khi không phân chia và chia khe hở trên trụ
Hình 4.17 Phân bố từ thông tản xung quanh khe hở
Khe hở được thêm vào trên trụ để tăng từ trở mạch từ, tuy nhiên lại xuất hiện từ trường tản lớn xung quanh khe hở như trên Hình 4.17, gây ra những ảnh hưởng tới thông số CKBN. Trên Hình 4.17 có thể thấy, xuất hiện từ thông tản xung quanh khu
(c) (b) (a) D1 D2 (c) (b) (a)
vực khe hở, móc vòng giữa hai khối trụ. Thành phần từ thông này tản ra từ các khối trụ và quay về khối trụ lân cận, hướng vào các lá thép theo các góc khác nhau làm ảnh hưởng đến các thông số của CKBN, trong đó có sự gia tăng từ cảm xung quanh các khối trụ, dẫn đến sự phân bố từ cảm trên khối trụ không đồng đều, làm gia tăng tổn hao sắt từ. Thêm nữa, thành phần từ thông tản này móc vòng với dây quấn xung quanh khe hở, gây tăng điện cảm và tổn hao do dòng điện xoáy trên dây quấn. Ở trường hợp không chia thành các khe hở nhỏ như Hình 4.17a, do chỉ có một khe hở với chiều dài lớn, từ trường tản lớn móc vòng vào không gian dây quấn làm tăng thành phần điện cảm tản và do đó tăng điện cảm tổng lớn hơn giá trị theo yêu cầu. Do điện cảm lớn nên làm giảm dòng điện và công suất phản kháng thực nhận từ lưới điện. Để giảm ảnh hưởng của từ trường tản, cần chia khe hở có chiều dài lớn thành nhiều khe hở nhỏ phân bố dọc trên trụ, với tổng chiều dài khe hở không thay đổi. Qua đó tăng từ trở tổng vùng lân cận xung quanh khe hở, giảm điện cảm tản và điện cảm tổng của CKBN. Như mô tả trên Hình 4.17b khi chia thành 3 khe hở, từ trường tản có giảm nhưng vẫn cắt vào không gian dây quấn. Với trường hợp chia nhiều khe hở hơn như trên Hình 4.17c, từ trường tản giảm đáng kể so với trường hợp ít khe hở, thành phần từ trường này gần như không móc vòng tới không gian dây quấn, chỉ còn lại thành phần từ trường rò trên đó. Kết quả phân bố từ cảm và giá trị điện cảm của các trường hợp phân chia số lượng khe hở khác nhau được thể hiện ở phần tiếp theo.
4.4.3 Phân tích kết quả
Luận án thực hiện nghiên cứu với từng trường hợp có số lượng khe hở khác nhau, từ 1 cho đến 30 khe hở phân bố trên trụ, đưa ra phân bố biên độ từ cảm ở các vị trí khác nhau và xác định điện cảm trong từng trường hợp số lượng khe hở trên trụ. Phân bố từ cảm trên đoạn D1-D2 dọc theo chiều cao dây quấn ứng với số lượng khe hở khác nhau như Hình 4.18 dưới đây.
Kết quả phân bố từ cảm trên Hình 4.18 cho thấy, trường hợp không phân chia khe hở hoặc số khe hở ít, giá trị từ cảm có sự chênh lệch lớn dọc chiều cao cạnh dây quấn, điểm có từ cảm lớn nhất có từ cảm lớn gấp 1,7 lần giá trị trung bình. Giá trị từ cảm khu vực dây quấn lân cận khe hở có giá trị lớn hơn khu vực còn lại dọc theo chiều cao dây quấn. Khi tăng số lượng khe hở, chênh lệch từ cảm giảm đáng kể và phân bố đồng đều hơn tại mọi vị trí theo chiều cao dây quấn, qua đó giảm ảnh hưởng bởi từ trường tản lên dây quấn. Kết quả nghiên cứu chỉ ra trên Hình 4.19, ở trường hợp chia thành 8 khe hở, chênh lệch giữa điểm có từ cảm lớn nhất với giá trị từ cảm trung bình giảm đáng kể, từ cảm phân bố tương đối đồng đều dọc chiều cao dây quấn, chênh lệch là 6,4%. Chênh lệch này chỉ còn 5,5% nếu chia thành 9 khe hở.
Để thấy được phân bố từ cảm ở các khối trụ, xét hai đoạn vuông góc với nhau X1-X2 và Y1-Y2 trên khối trụ, giá trị từ cảm trên hai đoạn xét ứng với từng trường hợp số lượng khe hở khác nhau được thể hiện tương ứng trên hai Hình 4.20 và Hình 4.21 cùng hình chú thích mô tả vị trí xét.
Hình 4.20 Phân bố từ cảm trên đoạn X1-X2 ngang khối trụ Hình 4.19 Chênh lệch giữa điểm có từ cảm lớn nhất với giá trị từ
Kết quả trên Hình 4.20 và Hình 4.21 cho thấy sự phân bố không đồng đều từ cảm trên các khối trụ, có sự chênh lệch giữa giá trị từ cảm ở xung quanh cạnh khối trụ với từ cảm trong lòng khối trụ, nguyên nhân do xuất hiện thành phần từ thông tản xung quanh lân cận các khe hở nên từ thông ở bề mặt cạnh ngoài của các khối trụ lớn hơn phía trong khối trụ. Khi tăng số lượng khe hở sẽ giảm độ chênh lệch biên độ từ cảm giữa bề mặt ngoài khối trụ với từ cảm trong lòng khối trụ.
Tiếp theo, luận án xác định các thành phần điện cảm thông qua năng lượng, từ đó đưa ra mối quan hệ giữa điện cảm tản và điện cảm tổng ứng với các trường hợp số lượng khe hở trên trụ khác nhau. Điện cảm là thông số quyết định đến dòng điện trên dây quấn và công suất phản kháng khi hoạt động của CKBN. Kết quả các thành
Hình 4.21 Phân bố từ cảm trên đoạn Y1-Y2
Hình 4.22 Quan hệ giữa điện cảm tổng và điện cảm tản với số lượng khe hở trên trụ
phần điện cảm ứng với các trường hợp khe hở thay đổi từ 1 đến 30 khe hở thể hiện trên đặc tính Hình 4.22.
Từ đặc tính quan hệ giữa giá trị điện cảm tản và điện cảm tổng với số lượng khe hở phân bố trên trụ cho thấy, với số lượng khe hở nhỏ thì chiều dài mỗi khe hở lớn, thành phần từ thông tản và điện cảm tản lớn, dẫn đến điện cảm tổng lớn. Khi tăng số lượng khe hở từ 1 đến 8 khe điện cảm tản và điện cảm tổng giảm rõ rệt, do khi tăng số khe thì từ dẫn tổng vùng lân cận xung quanh khe hở giảm, hay ngược lại từ trở vùng xung quanh khe hở tăng, dẫn đến giảm từ trường tản và điện cảm tản. Tiếp tục tăng số khe hở lên tới 30 khe cho thấy điện cảm có giảm nhưng không đáng kể. Với kết quả trên, khi chia số khe hở từ 8 khe sẽ đạt được giá trị điện cảm theo yêu cầu.
Thực hiện nghiên cứu tương tự với các CKBN một pha có công suất khác nhau dùng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp. Kết quả quan hệ giữa điện cảm tản và điện cảm tổng theo số khe hở của CKBN có công suất 128/3 MVAr, trên lưới điện áp 110kV, 220 kV và 500 kV tương ứng trên Hình 4.23. Từ đặc tính quan hệ giữa điện cảm tản hay điện cảm tổng ứng với các máy có công suất và điện áp khác nhau đưa ra cơ sở lựa chọn số khe hở cần chia
(a)
(b)
(c)
Hình 4.23 Quan hệ giữa điện cảm với số khe của CKBN 128/3 MVAr: (a) lưới 110 kV, (b) lưới 220
trên trụ phù hợp, kết quả thể hiện trên Hình 4.24. Kết quả nghiên
cứu trên Hình 4.24 cho thấy cùng một cấp điện áp, do khoảng cách giữa dây quấn và trụ như nhau, được xác định theo khoảng cách cách điện tối thiểu nên máy có công suất càng lớn thì số lượng khe hở cần chia nhỏ trên trụ càng nhiều. Tại cùng một
giá trị công suất, CKBN có điện áp nhỏ hơn sẽ có khoảng cách giữa dây quấn và trụ ngắn hơn, do đó số lượng khe hở cần chia nhỏ nhiều hơn. Từ kết quả đạt được, luận án thiết lập đa thức quan hệ giữa số lượng khe hở cần chia trên trụ tại các dải công suất khác nhau từ 50/3 MVAr đến 330/3 MVAr trong lưới điện cao áp 110 kV, 220 kV và siêu cao áp 500 kV, kết quả được lấy theo giá trị nguyên từ phương trình (4.13):
𝑔 = 𝑓(𝑈, 𝑄) = −(7,331. 10−9𝑈2− 5,626. 10−6𝑈 + 12,17. 10−4)𝑄2 + (2,261. 10−6𝑈2− 17,39. 10−4𝑈 + 0,4305). 𝑄
+ 4,528. 10−5𝑈2− 35,46. 10−3𝑈 + 10,33
(4.13) Từ chiều dài tổng của khe hở và số khe hở cần chia nhỏ với các dải công suất và các cấp điện áp cao áp và siêu cao áp, luận án đưa ra khoảng lựa chọn chiều dài mỗi khe hở ứng với các cấp điện áp như trên Hình 4.25.
Hình 4.25 Dải lựa chọn chiều dài một khe hở theo cấp điện áp
Kết quả nghiên cứu này cho ra bức tranh quan hệ giữa số lượng khe hở trên trụ theo công suất và điện áp lưới điện cùng với dải lựa chọn chiều dài một khe hở theo cấp điện áp lưới điện, từ đó giúp các nhà thiết kế chế tạo có cơ sở lựa chọn được số lượng khe hở phù hợp khi tính toán thiết kế CKBN.
4.5 Nghiên cứu khoảng cách giữa các khe hở trên trụ
4.5.1 Đặt vấn đề
Như đã phân tích, xung quanh khe hở xuất hiện thành phần từ thông tản lan ra khỏi các khối trụ và quay về các khối trụ lân cận làm tăng từ dẫn phần khe hở. Để giảm ảnh hưởng của từ trường tản, các nhà thiết kế chế tạo CKBN cần xác định được chiều dài khe hở phù hợp và chia nhỏ thành “g” khe hở phân bố trên trụ qua đó giảm điện cảm tản. Với công suất phản kháng, mật độ từ thông và tần số lưới điện đã xác định thì thể tích khe hở là không đổi. Với cùng thể tích khe hở, muốn giảm chiều dài khe hở thì tiết diện khe hở tăng, tiết diện và đường kính trụ tăng, tỉ lệ giữa tiết diện