Luận án Nghiên cứu lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn máy biến áp khô bọc epoxy sử dụng lõi thép vô định hình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐOÀN THANH BẢO NGHIÊN CỨU LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP TÁC DỤNG LÊN DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP KHÔ BỌC EPOXY SỬ DỤNG LÕI THÉP VÔ ĐỊNH HÌNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐOÀN THANH BẢO NGHIÊN CỨU LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP TÁC DỤNG LÊN DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP KHÔ BỌC EPOXY SỬ DỤNG LÕI THÉP VÔ ĐỊNH HÌNH Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 62520202 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. PHẠM VĂN BÌNH 2. TS. PHẠM HÙNG PHI Hà Nội – 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. XÁC NHẬN CỦA TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GV. HƯỚNG DẪN 1 PGS. TS Phạm Văn Bình GV. HƯỚNG DẪN 2 TS. Phạm Hùng Phi TÁC GIẢ LUẬN ÁN Đoàn Thanh Bảo ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến hai thầy hướng dẫn khoa học trực tiếp, PGS. TS. Phạm Văn Bình và TS. Phạm Hùng Phi đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu. Hai thầy đã dành nhiều thời gian và tâm huyết, hỗ trợ về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả trân trọng cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Việt Hùng, Viện trưởng Viện nghiên cứu quốc tế về Khoa học & Kĩ thuật tính toán (DASI), đã tạo điều kiện thuận lợi cho phép tác giả sử dụng chương trình phần mềm Ansys Maxwell được hỗ trợ bản quyền, tại phòng nghiên cứu của Viện để thực hiện bài toán mô phỏng máy biến áp. Tác giả trân trọng cảm ơn ThS Lê Xuân Đại, công tác tại Viện DASI thuộc trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Người đã hết lòng hỗ trợ tác giả trong việc hướng dẫn sử dụng phần mềm Ansys Maxwell. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Điện và Bộ môn Thiết bị Điện - Điện tử đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Chân thành cảm ơn các Giảng viên và cán bộ Bộ môn Thiết bị điện - Điện tử, đã hỗ trợ tận tình giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Quy Nhơn, Ban Chủ nhiệm khoa Kỹ thuật và Công nghệ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tác giả được tập trung nghiên cứu tại Hà Nội trong suốt thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ và động viên của các đồng nghiệp, nhóm NCS – Viện Điện. Cuối cùng, tác giả thực sự cảm động và từ đáy lòng mình xin bày tỏ lòng biết ơn đến các Bậc sinh thành và người vợ yêu quý cùng con gái và con trai thân yêu đã luôn ở bên tác giả những lúc khó khăn nhất, những lúc mệt mỏi nhất, để động viên, để hỗ trợ về tài chính và tinh thần, giúp tác giả có thể đứng vững trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện bản luận án này. Tác giả luận án Đoàn Thanh Bảo iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................... ii MỤC LỤC ............................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ................................................................ vii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU .................................................................................................. ix DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ .................................................................................. x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................................... xv MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1 1. Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................................. 1 2. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu ..................................... 2 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................... 3 4. Các đóng góp mới của luận án .................................................................................... 4 5. Cấu trúc nội dung của luận án .................................................................................... 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN .................................................................................................... 6 1.1. Giới thiệu ....................................................................................................................... 6 1.2. Máy biến áp khô ........................................................................................................... 6 1.2.1. Khái niệm: .............................................................................................................. 6 1.2.2. Máy biến áp khô có cuộn dây đúc trong cách điện rắn .......................................... 7 1.2.3. Ưu nhược điểm của máy biến áp dầu và máy biến áp khô ..................................... 7 1.3. Máy biến áp hiệu suất cao ........................................................................................... 8 1.4. Những nghiên cứu ở ngoài nước về máy biến áp lõi vô định hình ......................... 10 1.4.1. Phương pháp chế tạo vật liệu vô định hình .......................................................... 10 1.4.2. Giảm tổn hao máy biến áp lõi vô định hình .......................................................... 12 1.4.3. Thiết kế máy biến áp lõi vô định hình .................................................................. 13 1.5. Những nghiên cứu ở trong nước về máy biến áp lõi vô định hình ......................... 15 iv 1.6. Nghiên cứu lực điện từ ở máy biến áp lõi silic ......................................................... 16 1.7. Nghiên cứu lực điện từ ở máy biến áp lõi vô định hình .......................................... 19 1.8. Những vấn đề còn tồn tại ........................................................................................... 21 1.9. Đề xuất hướng nghiên cứu ......................................................................................... 22 1.10. Kết luận chương 1 ...................................................................................................... 22 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN CỦA TỪ TRƯỜNG TẢN TRONG CỬA SỔ MẠCH TỪ MÁY BIẾN ÁP ................................................................................................................. 23 2.1. Giới thiệu ..................................................................................................................... 23 2.2. Lý thuyết về dòng điện ngắn mạch và lực điện từ ................................................... 23 2.2.1. Dòng điện ngắn mạch ........................................................................................... 23 2.2.2. Lực điện từ ............................................................................................................ 27 2.3. Xây dựng mô hình toán với từ thế vectơ A .............................................................. 32 2.3.1. Phương trình Maxwell .......................................................................................... 32 2.3.2. Phương trình từ thế vectơ A ................................................................................. 33 2.3.3. Phương trình ứng suất lực trên dây quấn viết theo từ thế vectơ A(x,y) ............... 39 2.4. Kết luận chương 2 ...................................................................................................... 41 CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT LỰC ĐIỆN TỪ BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH VÀ PHẦN TỬ HỮU HẠN 2D .......................................................................... 42 3.1. Giới thiệu ..................................................................................................................... 42 3.2. Tính toán ứng suất lực ngắn mạch trên dây quấn bằng phương pháp giải tích .. 42 3.2.1. Mô hình máy biến áp 630kVA - 22/0,4kV ........................................................... 43 3.2.2. Tính dòng ngắn mạch trên các cuộn dây .............................................................. 43 3.2.3. Tính toán từ trường tản trên các cuộn dây hạ áp và cao áp .................................. 45 3.2.4. Các kết quả về ứng suất lực trên cuộn hạ áp và cao áp ........................................ 51 3.2.5. Nhận xét các kết quả đạt được từ phương pháp giải tích ..................................... 53 3.3. Tính toán ứng suất lực ngắn mạch trên dây quấn bằng phương pháp phần tử hữu hạn 2D .......................................................................................................................... 54 3.3.1. Mô hình kích thước máy biến áp trên Ansys Maxwell ......................................... 54 3.3.2. Ứng suất lực trên các cuộn dây hạ áp và cao áp ................................................... 55 3.3.3. Nhận xét các kết quả đạt được từ phương pháp PTHH 2D .................................. 57 3.4. So sánh về ứng suất lực trên dây quấn giữa phương pháp giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn 2D .................................................................................................. 58 3.4.1. Từ cảm tản Bx, By và Bxy trên cuộn hạ áp và cao áp ............................................ 59 v 3.4.2. Ứng suất lực x và y trên cuộn hạ áp và cao áp .................................................. 59 3.4.3. Nhận xét kết quả so sánh ...................................................................................... 60 3.5. Kết luận chương 3 ...................................................................................................... 61 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP TÁC DỤNG LÊN DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP ........................................................................................................... 63 4.1. Giới thiệu ..................................................................................................................... 63 4.2. Thuật toán tính ứng suất lực điện từ trên dây quấn máy biến áp lõi thép vô định hình bằng phương pháp PTHH 3D ................................................................................... 63 4.3. Xây dựng mô hình 3D máy biến áp trên phần mềm Ansys Maxwell ...................... 64 4.3.1. Quá trình giải quyết bài toán trên Ansys Maxwell ............................................... 64 4.3.2. Thiết lập bài toán mô phỏng máy biến áp 630kVA .............................................. 65 4.4. Mô phỏng ở chế độ không tải và ngắn mạch thử nghiệm ....................................... 69 4.4.1. Phân bố từ trường ................................................................................................. 69 4.4.2. Giá trị điện áp và dòng điện .................................................................................. 69 4.4.3. Tổn hao không tải và tổn hao ngắn mạch thử nghiệm .......................................... 70 4.5. Mô phỏng ở chế độ ngắn mạch sự cố ........................................................................ 71 4.5.1. Dòng điện ngắn mạch ........................................................................................... 71 4.5.2. Phân bố từ trường tản ........................................................................................... 72 4.5.3. Phân tích ứng suất lực ngắn mạch trên cuộn dây hạ áp và cao áp ........................ 73 4.5.4. Tìm vị trí có ứng suất lớn nhất trên vòng dây quấn hình chữ nhật ....................... 76 4.6. Tìm ứng suất lớn nhất trong các trường hợp thay đổi bán kính cong r của cuộn dây ...................................................................................................................................... 79 4.6.1. Các trường hợp khảo sát ....................................................................................... 79 4.6.2. Trường hợp r = 2 mm ........................................................................................... 80 4.6.3. Trường hợp r = 10 mm ......................................................................................... 82 4.6.4. Trường hợp r = 18 mm ......................................................................................... 83 4.6.5. Trường hợp r = 30 mm ......................................................................................... 84 4.6.6. Trường hợp r = 45 mm ......................................................................................... 85 4.6.7. Trường hợp r = 90 mm ......................................................................................... 86 4.6.8. Nhận xét 7 trường hợp r thay đổi .......................................................................... 88 4.6.9. Đánh giá sự phụ thuộc giá trị ứng suất lực ........................................................... 89 4.7. Tính ứng suất nhiệt trong dây quấn máy biến áp khô bọc epoxy .......................... 91 4.7.1. Phân bố nhiệt độ thời điểm sau ngắn mạch .......................................................... 91 4.7.2. Tính ứng lực vào dây quấn khi có chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và cách điện epoxy ........................................................................................................................ 93 vi 4.7.3. Tổng ứng suất vùng biên .................................................................................... 100 4.8. Tính ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp .................................................................. 101 4.9. Kết luận chương 4 .................................................................................................... 103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................................. 105 Đóng góp khoa học của luận án ....................................................................................... 105 Hướng phát triển của luận án ......................................................................................... 105 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .............................. 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 107 PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 114 vii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Kí hiệu / Viết tắt Đơn vị Ý nghĩa Hc A/m Lực kháng từ t mm Độ dày của lá thép ρ µΩcm Điện trở suất f Hz Tần số u V Điện áp tức thời U V Điện áp hiệu dụng Uđm V Điện áp hiệu dụng định mức u% Điện áp ngắn mạch phần trăm e V Sức điện động et V Sức điện động tản i A Dòng điện tức thời I A Dòng điện hiệu dụng In A Dòng điện ngắn mạch hiệu dụng  Wb Từ thông tức thời Φ Wb Từ thông hiệu dụng W vòng Số vòng dây của dây quấn  Wb.vòng Từ thông móc vòng Lt H Hệ số tự cảm X  Điện kháng tản của dây quấn Xn  Điện kháng tản ngắn mạch của dây quấn  rad Tần số góc dòng điện R  Điện trở của dây quấn Rn  Điện trở ngắn mạch của dây quấn Rm  Điện trở từ hóa Xm  Điện kháng từ hóa Z  Tổng trở Zn  Tổng trở ngắn mạch Zm  Tổng trở từ hóa viii φn rad Góc pha của dòng điện E Vm-1 Vectơ cường độ điện trường D Cm-2 Vectơ cảm ứng điện H A.m-1 Vectơ cường độ từ trường B T = kg.m-2.A-1 Vectơ cảm ứng từ J A/m2 Vectơ mật độ dòng điện A Wbm-1 Vectơ từ thế B T Cảm ứng từ (mật độ từ thông) ε Fm-1 Hệ số điện môi μ Hm-1 Hệ số từ thẩm μ0 Hm-1 Hệ số từ thẩm không khí γ Ω-1m-1 Điện dẫn suất h mm Chiều cao cửa sổ mạch từ d mm Chiều rộng cửa sổ mạch từ tính đến trục đối xứng h1 1 mm Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành dưới cuộn HA h1 2 mm Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành dưới cuộn CA h2 1 mm Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành trên cuộn HA h2 2 mm Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành trên cuộn CA d1 1 mm Khoảng cách từ trụ đến thành trong cuộn HA d1 2 mm Khoảng cách từ trụ đến thành trong cuộn CA d2 1 mm Khoảng cách từ trụ đến thành ngoài cuộn HA d2 2 mm Khoảng cách từ trụ đến thành ngoài cuộn CA b1 mm Chiều cao cuộn dây HA b2 mm Chiều cao cuộn dây CA a x b mm Kích thước mạch từ htrụ mm Chiều cao trụ Ctrụ mm Khoảng cách tâm hai trụ Hcs mm Chiều cao cửa sổ mạch từ Ccs mm Chiều rộng cửa sổ mạch từ D’1a x D’1b mm Kích thước bên trong cuộn HA D”1a x D”1b mm Kích thước bên ngoài cuộn HA D’2a x D’2b mm Kích thước bên trong cuộn CA D”2a x D”2b mm Kích thước bên ngoài cuộn CA ix DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU Viết tắt Ý nghĩa s.đ.đ sức điện động k Tỉ số biến áp  Toán tử Napla Δ Toán tử Laplace MBA Máy biến áp VĐH Vô định hình MBAVĐH Máy biến áp lõi thép vô định hình HA Hạ áp CA Cao áp PTHH Phần tử hữu hạn FEM Finite Element Method AAT Amorphous Asymmetrial Transformer AST Amorphous Symmetrial Transformer x DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Máy biến áp khô đúc bằng nhựa epoxy [8] ............................................................. 7 Hình 1.2. Khả năng chống cháy cuộn dây đúc epoxy; a) đốt cuộn dây trong hai phút; b) ngừng đốt; c) ngừng đốt sau 15 giây [8] .................................................................. 8 Hình 1.3. Lịch sử tổn hao không tải của MBA 50 kVA [34] .................................................. 9 Hình 1.4. Biểu thị đường cong từ trễ của vật liệu VĐH và thép silic [18] ............................ 10 Hình 1.5. Lịch sử ứng dụng thép VĐH chế tạo MBA phân phối [18] .................................. 10 Hình 1.6. Các cấu trúc nguyên tử [80] ................................................................................... 11 Hình 1.7. Qui trình chế tạo vật liệu VĐH [23,80] ................................................................. 11 Hình 1.8. Máy biến áp 3 pha: a) 3 trụ ; b) 5 trụ [35] ............................................................. 12 Hình 1.9. Tổn hao không tải và có tải của MBA khô VĐH [69]........................................... 14 Hình 1.10. Mô hình mạch từ của MBA khô VĐH trong phân tích FEM [69] ........................ 14 Hình 1.11. Phân bố từ thông của MBA dây quấn đồng tâm [16] ............................................ 16 Hình 1.12. Các thành phần lực hướng kính cuộn dây đồng tâm [16] ...................................... 16 Hình 1.13. Mật độ từ thông hướng kính và lực dọc trục [16] .................................................. 16 Hình 1.14. Ứng suất trên vòng dây của các cuộn dây [16] ...................................................... 16 Hình 1.15. Lực điện từ, dòng điện và từ cảm tản của MBA [39] ............................................ 17 Hình 1.16. Phân bố từ trường trong mạch từ và ngoài cuộn dây [40] ..................................... 17 Hình 1.17. Sơ đồ mạch điện liên kết........................................................................................ 18 Hình 1.18. Dòng điện ngắn mạch cuộn CA và HA [38].......................................................... 18 Hình 1.19. Lực hướng kính trên cuộn CA [38] ....................................................................... 18 Hình 1.20. Lực hướng trục cuộn CA [38] ............................................................................... 18 Hình 1.21. Lực hướng kính trên cuộn HA [38] ..................................