kế các thông số sao cho cuộn kháng làm việc ở
đoạn đặc tính tuyến tính, dịng điện trên dây quấn tăng tỉ lệ thuận với điện áp đặt vào, thường chọn điện áp đến 1,1 lần điện áp lớn nhất của lưới điện. Ở ví dụđường 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.
2.3.3 Vai trò của khe hở trên trụ của CKBN
Đặc điểm cấu tạo của CKBN cũng có 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 tốn cũng có nhiều phần giống như tính tốn MBA. Tuy nhiên
Hình 2.7 Quan hệ điện áp và dòng điện trên cuộn kháng trên cuộn kháng
Hình 2.8 Đường cong B(H) khi có và khơng có khe hở trên mạch từ [70]
Khơng khe hở Có khe hở
Khơng khe hở
Từ trường tản
khác biệt chính ở CKBN so với MBA thơng thường là ở phần dây quấn và mạch từ: dây quấn cuộn kháng mỗi pha chỉ có một cuộn dây nên khi làm việc, tồn bộ dịng điện trên dây quấn là dịng từ hóa. Để CKBN nhận vào cơng suất phản kháng đủ lớn theo yêu cầu từlưới 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 trụthường bằng các tấm vật liệu phi từ tính, ví dụnhư ceramic. Sức từđộng 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 sẽthay đổi đặc tính B(H) của mạch từ, tăng được giá trị dịng điện trên dây quấn hay tăng cường độ từtrường tại mức bão hịa mạch từnhư mơ 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 khơng 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.
Cấu trúc CKBN Hình 2.9a có cuộn dây quấn xung quanh trụ giữa, phần trụ này được chia thành nhiều khối trụ xen giữa bởi các khe hở để tăng từ trở mạch từ.
(a) (b)
Hình 2.9 CKBN một pha một cuộn dây: (a) có trụ giữa, (b) khơng có trụ giữa
Gơng và trụ ngồi Các khối trụ Dây quấn
Dây quấn Mạch từ
Để tạo khe hở ngăn cách giữa các khối trụ thường dùng các tấm ceramic như mơ tả trên Hình 2.10. Phần gơng trên và gông dưới được ghép với phần trụ hai
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 xun ngồi gơng với máy lớn như mơ tả trên Hình 2.11.
Ngoài cấu trúc CKBN một pha một dây quấn, CKBN một pha cịn có cấu trúc hai dây quấn trên hai trụnhư mơ 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 ngồi khơng có khe hở trên đó và khơng có dây quấn, phần mạch từnày để khép kín từ thơng chính trong mạch từ tránh thành phần từ thông cắt qua vách thùng dầu gây tăng tổn hao và tăng nhiệt trên vách thùng.
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 khơng có trụ trong cuộn dây. CKBN có cấu trúc như Hình 2.13a cịn 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 khơng có trụ trong cuộn dây, do khơng có trụ trong cuộn dây nhằm định hướng từ thông nên kiểu cuộn kháng này có thành phần từ thơng rị lớn ảnh hưởng tới dây quấn. Với CKBN ba pha ba trụ, khi tăng cơng suất sẽtăng kích thước mạch từ và dây
Hình 2.10 Tấm ceramic ngăn cách giữa các khối trụ Xà ép gông Lá thép Bu lông Hình 2.11 Cấu trúc xà ép gơng Xà ép gơng Lá thép Bu lông (a) (b) Gông Dây quấn Các khối trụ Dây quấn Gơng và trụ ngồi Các khối trụ (a) (b)
quấn, để giảm bớt chiều cao máy tạo thuận lợi cho quá trình vận chuyển tới nơi lắp đặt và giảm thành phần từtrường móc vịng với vỏ máy, CKBN dùng trong lưới điện cao áp có cơng suất lớn thường có cấu trúc ba pha năm trụ. Ngoài ba trụ giữa đặt dây quấn từng pha trên đó cịn có
hai trụ ngồi cùng, từ thơng trên từng trụ cơ bản độc lập và được khép mạch qua gơng và trụ ngồi cùng này. Do từ thơng trên gơng và hai trụ ngồi chỉ bằng một nửa từ thông trên các trụ giữa, nên giảm tiết diện gơng và hai trụ bên, khi đó sẽ giảm được chiều cao tổng thể của mạch từ. Cấu trúc CKBN ba pha năm trụnhư mô tả trên Hình 2.14a, loại tương ứng nhưng
khơng có trụ trong cuộn dây được mơ tảnhư 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 trụnhưng có chiều cao thấp hơn và giảm ảnh hưởng bởi từ thơng
Hình 2.15 Từ thơng trong mạch từ và từ thơng rị móc vịng trên vách thùng [71] (a) (b) Gông Dây quấn Khối trụ Mạch từ Dây quấn (a) (b)
Hình 2.13 CKBN ba pha: (a) có trụ giữa, (b) khơng có trụ trong cuộn dây
Mạch từ Dây quấn Khối trụ (a) Dây quấn Mạch từ (b)
Hình 2.14 CKBN ba pha: (a) năm trụ, (b) khơng có trụ trong cuộn dây trong cuộn dây
rị lên vách thùng như mơ tả trên Hình 2.15 nên được sử dụng phổ biến ở các CKBN có cơng suất lớn dùng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp.
Hình 2.16 mơ 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 thơng chảy khép kín trong phần mạch từđộc 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 mơ tả
trên Hình 2.17 [72]. Hệ số phân bố α càng lớn thì điện áp phân bốcàng khơng đồng đều trên các bánh dây, ví dụ mơ tả trên Hình 2.17, khi α = 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 α cần tăng giá trị điện dung nối 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 bốđiện áp ban đầu trên các bánh dây cần tăng điện dung nối tiếp trên cuộn dây
Hình 2.17 Phân bố điện áp ban đầu trên dây quấn [72]
bằng cách dùng vòng điện dung (vịng tĩnh điện) phía trên đầu bánh dây hoặc giữa các bánh dây như trên Hình 2.19.
Một kiểu khác để nâng cao giá trịđiện dung nối tiếp là sử dụng màn chắn tĩnh điện quấn cùng các vòng dây [74]. Sốlượng 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 trịđiện dung nối tiếp tương đương giữa các vòng dây và bánh dây.
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 sẽlàm tăng điện áp giữa các vịng dây cạnh nhau, từđó tăng đáng kểđiện dung nối tiếp tương đương trên dây quấn mà khơng thay đổi số vịng dây và kích thước dây quấn, cải thiện đường cong phân bốđiện áp ban đầu có gradient điện áp nhỏhơn, hay
Hình 2.19 Vịng điện dung (Static ring - SR)
Hình 2.20 Màn chắn quấn cùng trong cặp bánh dây [74]
Hình 2.18 Dây quấn xoắn ốc liên tục [73]
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 cơng 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 gơng, chia đơi dịng điện trong dây quấn nên giảm được lực điện từ tác động lên dây quấn.
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 thơng rị, từ thơng chính trong mạch từ khi qua các khe hở có từ trở rất lớn làm xuất hiện từ thông tản xung quanh
các khe hở đó. Từ thơng tản hướng từ khối trụ này tới khối trụ khác gây ảnh hưởng đến thông số của CKBN, phân bố từ cảm trên trụkhông đồng đều, đây là nhược điểm của các CKBN khi có khe hở trên trụ. Từ thông tản xung quanh khe hởnhư mô tả trên Hình 2.23 của một CKBN một pha với hai trường hợp sốlượng 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, mơ 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 nhỏnhư thế nào cho phù hợp sẽđược nghiên cứu và phân tích trong luận án này.
2.6 Mơ hình mạch từ tương đương
Mơ hình mạch từđược thiết lập từ từ trởtương đương ứng với các thành phần từthơng trong CKBN nên cũng có thểđược gọi là mơ hình từ trở. Thơng qua mơ hình
(a) (b)
Hình 2.23 Phân bố từ trường trong CKBN: (a) một khe hở lớn, (b) chia nhiều khe hở
Hình 2.22 Kiểu dây quấn với đầu đầu ở giữa cuộn dây [77]
mạch từ có thể dễdàng 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 thơng sốkích thước cơ bản được mơ tảnhư trên Hình 2.24.
Từ cấu trúc cơ bản của CKBN, khi xét từ thơng chính trong mạch từ, có thể chia mạch từ thành các phần hay các phân đoạn khác nhau để dựng mơ hình mạch từtương đương qua từ trở của các phần mạch từnhư được mơ
tả trên Hình 2.25a, biến đổi tương đương thành sơ đồnhư Hình 2.25b và Hình 2.25c.
Sức từ động do dòng điện I trong N vòng dây sinh ra được biểu diễn bằng nguồn sức từđộng F thể hiện trên sơ đồ mạch từ thay thế.
Điện cảm của CKBN có N vịng dây xác định qua từ trở tổng:
L𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = 𝑁𝑁2 R𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡
(2.18) Đểxác 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 từthơng trên đó, từ trở của phần thứ i bất kỳđược xác định qua cơng thức tổng qt:
𝑅𝑅𝑐𝑐𝑐𝑐 = 𝜇𝜇1 𝑟𝑟𝜇𝜇0 𝑙𝑙𝑐𝑐 𝐴𝐴𝑐𝑐 (2.19) Trong đó: µr là từ thẩm tương đối của vật liệu sắt từ; µ0 = 4π.10-7 H/m là từ thẩm chân khơng (từ thẩm khơng khí); li và Ai thứ tự là chiều dài từ thơng trung bình và tiết diện phần lõi thép thứ i. Hình 2.25 Sơ đồ mạch từ thay thế CKBN R1 R2 R3 R4 R5 Rg R7 R6 F=IN Rg Rc (c) R135 Rg R7 R246 (b) (a) F=IN F=IN Hình 2.24 Thơng số kích thước cơ bản của CKBN Dc Wy Hw Ww Hy Dy Hc bcw
Các giá trị kích thước li, Ai cần được xác định để từđó tính được từ trởtương ứng, tuy nhiên với các phần góc nối giữa hai trụ ngồi, trụ giữa với gơng trên và gơng dưới khó xác định chính xác các kích thước này. Tại các góc ghép nối, từ thơng thường có xu hướng tập trung vào phía trong do đó giảm chiều dài từ thơng trung bình trên các góc ghép nối. Các giá trị kích thước li, Ai có thể xác định theo [78] như mơ tả trên Hình 2.26.
Các góc trên chỉđại 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 mơ tả trên Hình 2.26 có thểđược tính cùng vào từ trở của phần trụ và gơng. Do tính đối xứng của mạch từnhư mơ tả trên Hình 2.24 và Hình 2.25a, từ trở từng phần gông trên, gông dưới, phần trụhai bên được xác định theo phương trình sau:
𝑅𝑅1 =𝑅𝑅2 =𝑅𝑅3 =𝑅𝑅4 = 1𝜇𝜇2𝑊𝑊𝑦𝑦2.+𝐻𝐻𝑦𝑦.𝜕𝜕𝑐𝑐𝜕𝜕𝑦𝑦+𝐻𝐻𝑦𝑦 (2.20)
𝑅𝑅5 =𝑅𝑅6 = 1𝜇𝜇𝐻𝐻𝑐𝑐𝐻𝐻+𝐻𝐻𝑦𝑦
𝑦𝑦.𝜕𝜕𝑦𝑦 (2.21)
Phần trụ giữa gồm các khối trụngăn cách bởi các khe hở, khi tính tốn từ trở phần này ta xác định từ trởtương đương của trụ giữa gồm các từ trở của các khối trụ nối tiếp nhau, được xác định theo phương trình:
𝑅𝑅7 = 𝜇𝜇14. (𝐻𝐻𝑐𝑐+𝜋𝜋𝜕𝜕𝐻𝐻𝑦𝑦− 𝑙𝑙𝑔𝑔)
𝑐𝑐2
(2.22) Trong các công thức trên lg là tổng chiều dài khe hở trên trụ, Wy, Dc, Hy, Dy, là các thơng sốkích thước như được mơ tả trên Hình 2.24.
Từ trở tương đương phần sắt từ sau khi biến đổi tương đương sơ đồ mạch từ