Nghiên cứu phân bố nhiệt của máy biến áp lõi thép vô định hình khi bị sự cố ngắn mạch

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

LÊ HOÀNG GIA TRƢỜNG

NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ NHIỆT CỦA MÁY BIẾN ÁP
LÕI THÉP VƠ ĐỊNH HÌNH KHI BỊ SỰ CỐ NGẮN MẠCH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Bình Định – Năm 2022


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

LÊ HOÀNG GIA TRƢỜNG

NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ NHIỆT CỦA MÁY BIẾN ÁP
LÕI THÉP VƠ ĐỊNH HÌNH KHI BỊ SỰ CỐ NGẮN MẠCH

Ngành: Kỹ thuật điện
Mã số:

8520201

Ngƣời hƣớng dẫn: TS. Đoàn Thanh Bảo


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất
cứ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn

Lê Hoàng Gia Trƣờng


ii

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến thầy hướng
dẫn khoa học trực tiếp, TS. Đoàn Thanh Bảo đã trực tiếp hướng dẫn, định
hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu. Thầy đã dành nhiều thời gian và
tâm huyết, hỗ trợ về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận văn.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo khoa Kỹ thuật & Công nghệ,
trường Đại học Quy Nhơn đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong suốt quá
trình học tập và nghiên cứu. Chân thành cảm ơn quý Thầy Bộ môn Kỹ thuật
điện và khoa Kỹ thuật & Công nghệ đã cung cấp bản quyền phần mềm
ANSYS tại Phịng Tính tốn mơ phỏng để tơi hồn thiện luận văn.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Xí nghiệp Thốt nước - Cơng ty
Cổ phần Mơi trường Bình Định, nơi tác giả đang công tác, đã tạo điều kiện
thuận lợi về công việc và thời gian để tác giả hoàn thành luận văn.
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ l ng iết ơn đến mẹ, anh chị trong gia đình
đã ln ở

n tác giả những lúc khó khăn nhất, để hỗ trợ về tài chính và tinh

thần, giúp tác giả có thể hồn thiện luận văn này.

iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... ii
MỤC LỤC .......................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................. v
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .................................................... vii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ CỦA MÁY BIẾN
ÁP LÕI THÉP VÔ ĐỊNH HÌNH........................................................................ 4
1.1. Máy biến áp lõi thép vơ định hình .......................................................... 4
1.2. Mơ hình tính tốn phân bố nhiệt MBA .................................................. 9
1.2.1. Nguồn nhiệt MBA ............................................................................... 9
1.2.2. Dẫn nhiệt............................................................................................ 12
1.2.3. Trao đổi nhiệt đối lưu ........................................................................ 19
1.2.4. Trao đổi nhiệt bức xạ ......................................................................... 23
1.3. Các cơng trình nghiên cứu về phân bố nhiệt của MBA ...................... 24
1.3.1. Lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA .......................................... 24
1.3.2. Phân bố nhiệt MBA ........................................................................... 27
1.4. Kết luận chƣơng 1 ................................................................................... 30
CHƢƠNG 2: MƠ HÌNH GIẢI TÍCH TÍNH ỨNG SUẤT NHIỆT TRÊN
DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP KHI NGẮN MẠCH ......................................... 31
2.1. Tính dòng ngắn mạch trên cuộn dây CA và HA của MBA ................ 31
2.2. Tính lực điện từ trên cuộn dây CA và HA khi MBA ngắn mạch ...... 35

iv
2.3. Mơ hình giải tích MBA VĐH cơng suất 1000kVA, điện áp 22/0,4kV 40
2.3.1. Thông số dây quấn HA và lớp epoxy ................................................ 40
2.3.2. Tính ứng lực vào dây quấn khi có chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn
và epoxy ....................................................................................................... 42
2.3.3. Tổng ứng suất vùng biên ................................................................... 49
2.3.4. Tính ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp ............................................. 50
2.4. Kết luận chƣơng 2 ................................................................................... 51
CHƢƠNG 3: PHÂN TÍCH PHÂN BỐ NHIỆT CỦA MÁY BIẾN ÁP LÕI
THÉP VƠ ĐỊNH HÌNH BẰNG CHUỖI PHẦN MỀM ANSYS ................... 53
3.1. Mơ hình MBA VĐH................................................................................ 53
3.2. Mô phỏng 3D phân bố nhiệt MBA ........................................................ 53
3.3. Mô phỏng phân bố nhiệt MBA lõi thép VĐH khi làm việc ở chế độ
định mức ......................................................................................................... 55
3.4. Mô phỏng phân bố nhiệt MBA lõi thép VĐH khi làm việc ở chế độ
quá tải và khi có ngắn mạch sự cố ............................................................... 56
3.4.1. Mô phỏng phân bố nhiệt MBA 1000kVA làm việc ở chế độ 150% tải
định mức ...................................................................................................... 56
3.4.2. Mô phỏng phân bố nhiệt MBA 1000kVA trong trường hợp ngắn
mạch sự cố ................................................................................................... 58
3.5. Kết luận chƣơng 3 ................................................................................... 60
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 62
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................... 63
PHỤ LỤC............................................................................................................ 67


v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Số

thứ tự

Tên gọi

Từ viết tắt

1

Vô định hình

VĐH

2

Máy biến áp

MBA

3

Cuộn cao áp

CA

4

Cuộn hạ áp

HA

5

Phần tử hữu hạn

PTHH

6

Finite Element Method

FEM

7

Computational Fluid Daynamics

CFD


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

Bảng 2.1

Các giá trị thông số điện cơ ản của MBA

31

Bảng 2.2

Bảng kết quả d ng điện ngắn mạch cực đại

35

Bảng 2.3

Bảng kích thước mạch từ và cuộn dây của MBA

36

Bảng 2.4

Bảng giá trị lực điện từ lớn nhất trên cuộn HA và cuộn CA

40

Bảng 2.5

Kích thước của cuộn dây và lớp epoxy MBA 1000kVA

41

Bảng 2.6

Các hằng số dây quấn [16]

42

Bảng 2.7

Giải thích các kí hiệu thành phần ứng suất nhiệt

43

Bảng 3.1

Phân bố nhiệt độ lớn nhất trong 3 trường hợp

59


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Số hiệu
hình ảnh

Tên hình vẽ

Trang

Hình 1.1

Lõi thép VĐH của MBA

5

Hình 1.2

Đường cong từ trễ của vật liệu VĐH là thép Silic [18]

5

Hình 1.3

Cấu trúc nguyên tử thép silic (trái) và thép VĐH (phải)

6

Hình 1.4

Chu trình chế tạo vật liệu VĐH [3]

6

Hình 1.5

Vecto Grad(t)

13

Hình 1.6

Cân bằng nhiệt cho phân tố thể tích dv

14

Hình 1.7

Dẫn nhiệt qua vách trụ n lớp [6]

16

Hình 1.8

Dẫn nhiệt qua vách trụ khi có nguồn nhiệt bên trong

18

Hình 1.9

Ứng suất điện từ phân bố theo chiều cao cuộn CA [22]

25

Hình 1.10 Lực hướng kính (a) và hướng trục (b) trên cuộn CA [23]

25

Hình 1.11 Lực hướng kính (a) và hướng trục (b) trên cuộn HA [23]

26

Hình 1.12

Cuộn HA và CA MBA lõi thép VĐH sau khi ị tác dụng
của lực điện từ ngắn mạch [26]

27

Hình 1.13

(a) Nghiên cứu phân bố nhiệt; (b) Mạch nhiệt của MBA
khơ [12]

28

Hình 1.14

(a) Mơ phỏng phân bố nhiệt độ MBA khô; (b) nhiệt độ
cuộn cao áp và (c) nhiệt độ cuộn HA [12]

28

Hình 1.15

Mơ phỏng phân bố nhiệt MBA bằng phần mềm COMSOL
Multiphysics [13]

29

Hình 1.16

Phân bố nhiệt độ (a) lõi thép, (b) cuộn HA, (c) cuộn CA
[14]

29

Hình 2.1

D ng điện ngắn mạch trên cuộn CA

34

Hình 2.2

D ng điện ngắn mạch trên cuộn HA

34


viii
Hình 2.3

Các kích thước mạch từ và cuộn dây của MBA

36

Hình 2.4

Đồ thị lực điện từ hướng kính Fx của cuộn HA

37

Hình 2.5

Đồ thị lực điện từ hướng trục Fy của cuộn HA

37

Hình 2.6

Đồ thị lực điện từ hướng kính Fx của cuộn CA

38

Hình 2.7

Đồ thị lực điện từ hướng trục Fy của cuộn CA

38

Hình 2.8

Đồ thị phân bố lực điện từ Fxy tại cạnh ngồi cùng cuộn
HA

39

Hình 2.9

Đồ thị phân bố lực điện từ Fxy tại cạnh trong cùng cuộn
CA

39

Hình 2.10 Các kích thước của cuộn dây và lớp epoxy [6]

41

Hình 2.11 Áp suất thay đổi chiều cao dây quấn [6]

43

Hình 2.12 Ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp

51

Hình 3.1

Mơ hình MBA VĐH 1000kVA

53

Hình 3.2

Mơ hình mơ phỏng MBA khơ 1000 kVA

54

Hình 3.3

Lưới mơ phỏng MBA khơ 1000 kVA

54

Hình 3.4

Phân bố nhiệt độ MBA 1000kVA 22/0,4kV ở chế độ tải
định mức

55

Hình 3.5

Phân bố nhiệt độ và điểm nóng nhất trên cuộn CA (a) và
trên cuộn HA (b) trong trường hợp tải định mức

56

Hình 3.6

Phân bố nhiệt độ MBA 1000kVA ở chế độ 150% tải định
mức

57

Hình 3.7

Phân bố nhiệt và điểm nóng nhất trên cuộn CA (a) và cuộn
HA (b) ở trường hợp 150% tải định mức

58

Hình 3.8

Phân bố nhiệt độ MBA 1000kVA ngắn mạch HA sau thời
gian 3s

59


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Máy biến áp (MBA) ln đóng góp một vai trị hết sức quan trọng trong
cơ sở hạ tầng của hệ thống điện, nó chiếm tỉ lệ lớn trong tổng công suất của
hệ thống MBA. Trong điều kiện làm việc ình thường, MBA có sự tản nhiệt
tốt nên lớp cách điện vẫn đảm bảo, không ảnh hưởng đến độ bền của cuộn
dây. Tuy nhiên, khi xảy ra ngắn mạch hay các sự cố dòng, áp bị tăng cao thì
lực từ, điện trường này lớn sẽ rất nguy hiểm đối với cuộn dây. Thực tế, trong
quá trình vận hành nó đã xảy ra các sự cố về hư hỏng cuộn dây, cháy cách
điện như ở Hình 1. Các dạng sự cố này gây ra làm cho MBA hư hỏng nặng
nề, khó khắc phục và sửa chữa. Chính vì vậy, việc nghiên cứu phân bố nhiệt
trong MBA ở các chế độ khi bị quá dòng hoặc quá áp, rất quan trọng. Nó giúp
chúng ta phát hiện ra các vùng phân bố nhiệt độ cao và nhiệt độ ình thường
của MBA. Từ đó, đưa ra được các phương án để giảm thiểu thiệt hại từ các sự
cố, trở thành một vấn đề cấp thiết trong thiết kế, sản xuất, thử nghiệm và vận
hành MBA.

Hình 1: Lớp cách điện của máy biến áp bị phá hủy khi sự cố ngắn mạch
MBA lõi thép vơ định hình (VĐH) do có cấu trúc đặc biệt của lõi thép và

cuộn dây là hình chữ nhật nên phân bố điện trường, từ trường tản sẽ không


2

đối xứng trên cùng một vịng dây. Q trình làm mát và tản nhiệt của MBA
gặp nhiều khó khăn.

Hình 2: MBA lõi thép vơ định hình
Vì vậy, để mục đích nghi n cứu chuy n sâu hơn n n tôi chọn đề tài:
‘‘Nghiên cứu phân bố nhiệt của máy biến áp lõi thép vơ định hình khi bị sự
cố ngắn mạch” là rất cần thiết và có ý nghĩa khoa học.
2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu đề tài
3.1. Mục đích nghiên cứu
Dựa trên tính cấp thiết cũng như về tình hình nghiên cứu trong và ngồi
nước, đề tài hướng đến mục tiêu sau:
Xây dựng cơ sở lý thuyết tính tốn, mơ phỏng phân bố nhiệt độ khi xảy
ra sự cố ngắn mạch của MBA lõi thép VĐH.
3.2. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tìm hiểu tổng quan về MBA VĐH.
- Lý thuyết về nhiệt độ, tản nhiệt, làm mát và sự già hóa cách điện MBA.
- Phân tích phân bố nhiệt của máy biến áp bằng chuỗi phần mềm
ANSYS.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
4.1. Đối tượng nghiên cứu
MBA phân phối lõi thép VĐH có cơng suất 1000 kVA dùng trong hệ
thống lưới điện phân phối 22kV của Điện lực Bình Định.


3

4.2. Phạm vi nghiên cứu
- Tập trung vào mơ hình phân bố nhiệt dây quấn sự bị sự cố ngắn mạch.
- Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm mơ phỏng
Ansys Maxwell 2D và 3D để tìm phân bố nhiệt độ trên cuộn dây.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Thực hiện mô phỏng trên phần mềm để đánh quá về sự phân bố nhiệt
độ của dây quấn MBA trong các trường hợp sự cố ngắn mạch.
- Dựa trên các bộ giải ANSYS: Ansys Maxwell 3D; Ansys Mechanical;
Ansys Workbench.
5. Cấu trúc nội dung luận văn
Nội dung nghiên cứu của luận văn được trình ày trong 3 chương và phụ
lục, cụ thể:
Mở đầu: Trình bày các vấn đề chung của luận văn, tóm tắt về nội dung
nghiên cứu;
Chƣơng 1: Tổng quan về phân bố nhiệt độ của máy biến áp lõi thép vơ
định hình;
Chƣơng 2: Mơ hình giải tích tính ứng suất nhiệt trên dây quấn MBA khi
ngắn mạch;
Chƣơng 3: Phân tích phân bố nhiệt của máy biến áp lõi thép vơ định
hình bằng chuỗi phần mềm ANSYS.


4

CHƢƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ CỦA MÁY BIẾN ÁP LÕI
THÉP VƠ ĐỊNH HÌNH
1.1. Máy biến áp lõi thép vơ định hình
Tổng cơng suất MBA tr n lưới điện là rất lớn, do vậy tổn hao của MBA

chiếm một phần đáng kể trên tổng tổn hao của toàn lưới điện. Để hiệu suất sử
dụng điện được cao hơn, một mặt phải tăng hiệu suất của các thiết bị sử dụng
điện, mặt khác phải tăng hiệu suất của các MBA, tức là chế tạo các MBA với
tổn hao nhỏ hơn.
Cơng nghệ vật liệu phát triển và đã có nhiều phát hiện về các loại vật
liệu mới, các tính năng mới của các loại vật liệu khác nhau. Công nghệ chế
tạo MBA cũng có nhiều thành tựu lớn và dần dần giảm tổn hao của MBA,
nâng cao hiệu suất của MBA. Có nhiều cách để giảm tổn hao MBA như:
+ Sự tiến bộ trong công nghệ chế tạo các vật liệu dẫn từ. Ngày nay các
vật liệu dẫn từ (làm lõi thép MBA) được nghiên cứu chế tạo theo hướng giảm
thấp suất tổn hao. Một số các vật liệu mới đã được ứng dụng trong phạm vi
hẹp như thép Silic siêu mỏng, hợp kim không kết tinh với độ dẫn từ cao... đã
góp phần giúp chế tạo ra những thế hệ MBA mới có tổn hao khơng tải giảm
rõ rệt so với máy biến thế thông thường hiện nay.
+ Việc áp dụng các công nghệ mới trong chế tạo lõi thép MBA: sử dụng
các dây chuyền tự động pha ăng và cắt chéo lá thép, kết cấu lõi thép xếp
nghiêng 45° theo kiểu Step-lap, công nghệ chế tạo lõi sắt kiểu quấn (theo
chiều ngang hoặc chiều đứng), công nghệ ủ hạ nhiệt lõi thép... cũng làm cho
tổn hao của MBA giảm một cách tương đối.


5

Hình 1.1: Lõi thép VĐH của MBA
Vật liệu VĐH đã được nghiên cứu và sử dụng làm lõi thép của MBA do
nó có nhiều ưu điểm hơn so với vật liệu thép silic thông thường như: mắt từ
trễ nhỏ hơn nhằm giảm đi tổn hao từ trễ, mỏng và có điện trở suất lớn góp
phần giảm tổn hao dịng Foucault.

Hình 1.2: Đường cong từ trễ của vật liệu VĐH là thép Silic [18]

Trên thế giới hiện nay đã có nhiều nước dùng MBA có lõi thép làm bằng
vật liệu VĐH như: Mỹ, Nhật, Brazil, Trung Quốc,... giúp cho MBA có tổn
hao sắt từ nhỏ hơn so với MBA có lõi thép bằng vật liệu thép silic. Nó đã góp
phần giảm tổn thất trong lưới điện. Chính vì vậy mà xu hướng phát triển hiện


6

nay ngoài sử dụng MBA lõi thép bằng vật liệu thép silic mà chuyển sang
dùng cả MBA có sử dụng vật liệu VĐH.
Vật liệu VĐH là chất rắn khơng có trật tự xa (hay cấu trúc tuần hồn) về
vị trí cấu trúc nguy n tử (chất rắn có trật tự xa về vị trí cấu trúc nguy n tử gọi
là chất rắn tinh thể).

Hình 1.3: Cấu trúc nguyên tử thép silic (trái) và thép VĐH (phải)
Khác với thép silic, thép VĐH khơng có cấu trúc mạng tinh thể. Cấu trúc
phân tử của thép phụ thuộc cách làm nguội. Nấu thép, làm nguội từ từ, các
nguy n tử thép được sắp xếp mạng tinh thể. Nếu là nguội đột ngột các nguy n
tử có thể khơng đủ thời gian sắp xếp theo mạng tinh thể mà theo dạng VĐH
(Hình 1.3).
Thép VĐH có cấu trúc tương tự thủy tinh vì vậy người ta cũng gọi là
thủy tinh kim loại.

Hình 1.4: Chu trình chế tạo vật liệu VĐH [3]


7

Kim loại được nấu chảy rồi chuyển đến bộ phận làm nguội. Ở đây do
kim loại lỏng bị hạ nhiệt độ đột ngột, kim loại được kết tinh lại không phải ở

dạng tinh thể mà tồn tại dưới dạng thép VĐH. Thép VĐH được kéo thành
dạng ăng dày cỡ 0,03 mm. Thông qua thiết bị điều khiển và cuộn ăng
nguyên liệu VĐH hình thành ta có được các cuộn ngun liệu VĐH.
Vật liệu VĐH có nhiều ứng dụng được dùng trong nhiều lĩnh vực khác
nhau như: lõi MBA, biến dòng, lõi cuộn cảm... Từ những năm 80 của thế kỷ
XX, thì người ta mới bắt đầu sử dụng vật liệu VĐH làm lõi MBA. Đồng thời,
cũng có nhiều nghiên cứu về tính ưu việt của MBA sử dụng lõi thép VĐH
như:
+ Năm 1987, tác giả Lupi đã đề cập đến vấn đề kinh tế khi sử dụng
MBA VĐH và đưa ra so sánh kinh phí giữa việc sử dụng MBA VĐH với
MBA thép silic từ đó khẳng định việc sử dụng MBA VĐH có hiệu quả kinh tế
cao hơn [20].
+ Các tài liệu [6], [1], [17], đã đề cập đến vấn đề kinh tế khi sử dụng
MBA VĐH và đưa ra so sánh chi phí tổn thất giữa hai loại MBA lõi thép silic
thơng thường và lõi VĐH, từ đó khẳng định sử dụng MBA VĐH giảm tổn
hao không tải từ 60 - 70% và sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Ngày 10 tháng 12 năm 2009, lần đầu tiên ở nước ta đưa việc nghiên cứu
ứng dụng vật liệu VĐH làm lõi thép MBA điện lực; Bộ trưởng Bộ Công
Thương đã ký Quyết định số 6228/QĐ – BCT về: Kế hoạch khoa học công
nghệ năm 2010 [1] với nội dung cụ thể như sau: “Thiết kế chế tạo chế tạo
MBA giảm tổn hao không tải ử d ng vật liệu thép từ VĐH siêu mỏng, chế tạo
trong nước”.
Ngày 13 tháng 1 năm 2012, Công ty Hitachi Metals đã phối hợp với với
Trung tâm tiết kiệm năng lượng Tp. Hồ Chí Minh đã tổ chức hội thảo: “MBA
lõi thép VĐH hiệu suất cao và ứng d ng hiệu quả tại Việt Nam”
Theo xu hướng phát triển sắp tới của lưới điện ta thấy:


8

+ Càng ngày các văn ản quy phạm về an tồn lưới điện, an tồn phịng
chống cháy nổ cho các tòa cao ốc, chung cư, văn ph ng… càng trở nên hồn
thiện. Do vậy, việc sử dụng MBA khơ cho các trường hợp này sẽ là yêu cầu
bắt buộc. Và với tốc độ đơ thị hóa như hiện tại ta có thể thấy nhu cầu về MBA
khơ là rất lớn.
+ Giá trị tổn hao của các MBA sản xuất ra giảm li n tục, nhất là các tổn
hao không tải. Các tiêu chuẩn kỹ thuật về tổn hao MBA ngày càng nhỏ hơn.
Các nhà sản xuất bắt buộc phải tuân thủ tiêu chuẩn kỹ thuật này.
Như vậy có thể nhận định rằng, việc đưa vào sản xuất MBA khơ có lõi
thép bằng vật liệu VĐH đại trà tại Việt Nam là cần thiết. Tuy nhi n, trước hết
chúng ta cần phải đầu tư triển khai các nghiên cứu về MBA khơ có lõi thép
VĐH là điều cấp thiết. Những vấn đề cần giải quyết như:
+ Nắm bắt đặc tính kỹ thuật của vật liệu cách điện epoxy giúp tính tốn
thiết kế tối ưu về thể tích, trọng lượng, giảm độ ồn, giảm tổn hao phù hợp với
điều kiện môi trường, khí hậu Việt Nam.
+ Nghiên cứu về các đặc tính điện từ - cơ - nhiệt của MBA khô lõi thép
VĐH ằng cách sử dụng các phần mềm mô phỏng số. Khi sử dụng mơ phỏng
số, chúng ta có thể dễ dàng thay đổi các tham số, tạo ra nhiều mơ hình ảo đáp
ứng u cầu thiết kế mà khơng tốn th m chi phí nào. Điều này tạo tiền đề cho
việc thiết kế và tối ưu hóa MBA cũng như những thiết bị điện khác. Kết quả
của việc nghiên cứu này cũng phục vụ cho việc theo dõi, xử lý sự cố, duy trì
bảo dưỡng thiết bị.
+ MBA VĐH do có cấu trúc đặc biệt của lõi thép và cuộn dây là hình
chữ nhật nên phân bố điện trường, từ trường tản và phân bố lực tác dụng l n
cuộn dây cũng sẽ không đối xứng trên cùng một v ng dây. Đặc biệt hơn là lúc
xảy ra ngắn mạch thì lực này lớn sẽ rất nguy hiểm đối với cuộn dây.
+ Khi MBA khơ có lõi thép VĐH ngắn mạch ngồi lực điện từ thì cịn có
lực nhiệt động tác dụng lên dây quấn MBA. Lực nhiệt động khi ngắn mạch là

9

do sự thay đổi phân bố nhiệt, thay đổi nhiệt độ làm việc tạo ra ứng suất do
phân bố nhiệt độ không đồng đều trong lớp epoxy, ứng suất do chênh lệch
nhiệt độ giữa dây quấn và lớp epoxy. Lực nhiệt động liên quan chặt chẽ đến
phân bố nhiệt độ sau thời điểm ngắn mạch đồng thời li n quan đến bản chất
vật liệu làm dây quấn và epoxy.
1.2. Mô hình tính tốn phân bố nhiệt MBA
1.2.1. Nguồn nhiệt MBA
Nguồn phát nhiệt chủ yếu trong MBA là mạch từ và dây quấn. Tổn hao
lõi thép và tổn hao đồng gọi là tổn hao chính, ngồi ra cịn các tổn hao phụ
như tổn hao phụ dây quấn (do đầu nối, dòng Foucault trong dây dẫn), tổn hao
phụ lõi thép (từ trường tản móc vịng vật liệu kết cấu, vỏ th ng)… đều biến
thành nhiệt trong MBA.
Kết nối điện không tốt bên trong các MBA, dẫn đến một điện trở tiếp
xúc cao, gây ra nhiệt độ cao hơn. Nhiệt độ quá cao do sự nóng lên của bu lơng
nằm trong đường dẫn của từ trường tản, có thể làm hỏng gioăng. Nhiệt sinh ra
do tất cả những tổn hao phải được truyền ra môi trường để tránh làm lõi thép,
dây quấn và các bộ phận cấu trúc quá nhiệt độ cho phép, tránh làm vật liệu
cách điện chóng hóa già. Nếu cách điện chịu nhiệt độ cao hơn giá trị cho phép
trong một thời gian dài, nó sẽ mất tính chất cách điện; nói cách khác là giảm
tuổi thọ cách điện, ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ biến áp.
- Tổn hao trong dây quấn:
Tổn hao trong dây quấn ∆𝑃’u gây ra bởi d ng điện xoay chiều sẽ lớn hơn
giá trị tính theo cơng thức [5]:

Pu'  mI12 R1d  mI 22R 2d

(1.1)

Trong đó: m – số pha
R1d, R2d – điện trở pha của dây quấn sơ cấp và thứ cấp đo với
dòng một chiều


10

I1, I2 – giá trị hiệu dụng d ng điện sơ cấp, thứ cấp MBA
Tổn hao ∆𝑃’u trong công thức gọi là tổn hao chính, sai khác giữa tổn hao
do d ng điện xoay chiều tạo nên và tổn hao chính ∆𝑃’u được gọi là tổn hao
phụ trong dây quấn. Tổn hao phụ do d ng điện cảm ứng trong kim loại do từ
trường tản gây nên, và còn do dùng dây quấn song song khơng được hốn vị
triệt để [5].
Tổn hao phụ thường được đặc trưng ằng hệ số tổn hao phụ k 1 [5]

Pu  k1m1I12R1d  k 2 m 2 I 22R 2d

(1.2)

Hệ số k phụ thuộc vào độ dẫn điện và cách tạo dây quấn, vào tần số, vào
vật liệu chế tạo dây dẫn và vào nhiệt độ. Vì vậy k được xác định riêng cho
từng dây quấn.
Theo quy định nhà nước, đo tổn thất dây quấn ở nhiệt độ 75℃ từng dây
quấn phải thỏa mãn điều kiện:
Pu 75C  k 75C mI 2 R 75C  k 75C mI 2

l tb N
 75Cs

(1.3)

Trong đó: ltb – chiều dài trung bình vịng dây
N – số vịng dây
s – tiết diện dây

 75C - điện dẫn suất dây dẫn ở 75оC
6 1 1
Dây quấn đồng có  75C  47.10  m
6 1 1
Dây quấn nhơm có  75C  28,5.10  m

Tổn hao lõi thép gồm có hai loại: tổn hao từ trễ và tổn hao do d ng điện
xốy (dịng Foucault). Tổn hao từ trễ phụ thuộc vào thành phần hóa học của lá
thép, vào nhiệt độ và phương pháp gia cơng cơ khí. Tạp chất như cac on, lưu
huỳnh, oxy,… làm tăng tổn hao từ trễ. Không để cac on vượt quá 0,01% ở
thép cán nguội. Tăng thành phần silic làm giảm tổn hao từ trễ, giảm tổn hao
Foucault (do tăng điện trở suất của vật liệu). Nhưng lượng silic quá nhiều


11

nhanh làm mòn dụng cụ cắt thép, vật liệu sắt từ hiện nay chỉ chứa khoảng
3%Si. Tổn hao từ trễ còn phụ thuộc vào chu kỳ từ trễ, từ là phụ thuộc vào tần
số d ng điện từ hóa.
Tổn hao từ trễ có thể biểu diễn bằng cơng thức [5]:

Ph  fBx

(1.4)

Trong đó: f – tần số dịng từ hóa (Hz)
B – trị số cực đại của cường độ từ cảm (T)
η - hằng số phụ thuộc thành phần hóa học & gia công mạch từ
Tổn hao Foucault được biểu diễn bằng công thức [5]:
pw 

p w 4 1
2

 dk fB 
mt
3 p

(1.5)

Trong đó: d – chiều dày lá thép (m)
mt – khối lượng lá thép (kg)
σk - hệ số hình dạng (d ng điện xoay chiều hình sin 𝜎𝑘 = 1,11)
𝜌 – điện trở suất (Ωm)
Ta thấy tổn hao dịng Foucault tỉ lệ với bình phương chiều dày lá thép,
tần số, cường độ từ cảm, hệ số hình dạng, đồng thời tỉ lệ nghịch với điện trở
suất và khối lượng riêng lá thép.
D ng Foucault cũng như tổn hao cơng suất do nó gây nên trong lõi thép
MBA sẽ khơng thay đổi khi MBA có tải hay khơng tải. Vì vậy tổn hao sắt từ
sau này sẽ tính tương ứng là tổn hao khơng tải MBA.
Ước tính chính xác của nhiệt độ trên tất cả các bề mặt là rất quan trọng
trong thiết kế của MBA để quyết định mật độ từ thông hoạt động trong lõi và
mật độ d ng điện trong cuộn dây. Nó giúp trong việc kiểm tra tính đầy đủ của
các giải pháp làm mát lõi thép và cuộn dây. Nó cũng giúp trong việc đảm bảo
vận hành tin cậy của MBA từ tuổi thọ cách điện có thể được ước tính cho

phép điều kiện q tải và các tính tốn khác.


12

Các cơ chế truyền nhiệt trong MBA diễn ra bằng a phương thức: dẫn
nhiệt, đối lưu và ức xạ. Trong vật dẫn và chất cách điện thì dẫn nhiệt đóng
vai tr quan trọng. Đối với bề mặt cách điện epoxy của MBA khơ đối lưu
đóng vai tr quan trọng nhất và việc dẫn nhiệt là ít quan trọng nhất. Bề mặt
làm mát tiếp xúc với mơi trường khơng khí thì đối lưu và ức xạ đóng vai tr
quan trọng hơn. Xử lý toán học chặt chẽ để thể hiện những phương thức
truyền nhiệt là khá khó khăn và do đó chủ yếu là dựa vào công thức kinh
nghiệm.
Để xét các phương thức truyền nhiệt, người ta chia MBA làm hai nhóm:
Nhóm nguồn nhiệt (gồm dây quấn, lõi thép) và nhóm truyền nhiệt (gồm cách
điện, khơng khí, epoxy, mơi trường).
1.2.2. Dẫn nhiệt
Dẫn nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt giữa các phần tử của một vật hay
giữa các vật có nhiệt độ khác nhau khi chúng tiếp xúc với nhau. Dựa vào
thuyết động học phân tử, Fourier đã đưa ra định luật cơ ản về dẫn nhiệt như
sau: Nhiệt lượng truyền qua một đơn vị bề mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị
thời gian tỷ lệ thuận với gradient nhiệt độ.
Biểu thức xác định nhiệt lượng dưới dạng vecto [5]:

q  .grad(t)  W / m 2 

(1.6)

Dưới dạng vô hướng:

q  

t
 W / m 2 
n

Trong đó: q - mật độ d ng điện (W/m2)

t
- gradient nhiệt độ (K/m)
n
λ - hệ số dẫn nhiệt của môi trường (W/m.K)

(1.7)


13

Vecto mật độ d ng điện có phương tr ng với phương của grad(t), chiều
dương là chiều giảm nhiệt độ (ngược chiều với grad(t))

n

x
Δn

Δx
t + Δt
t

t - Δt
Hình 1.5: Vecto Grad(t) [5]
Từ biểu thức của định luật Fourier ta suy ra cơng thức tính nhiệt lượng Q
truyền qua mặt phẳng đẳng nhiệt diện tích F trong một khoảng thời gian τ như
sau [5]:

Q  



0



F



t
dFd
n

(1.8)

Nếu bề mặt Fψ nghiêng với bề mặt đẳng nhiệt một góc ψ thì dịng nhiệt
qua bề mặt sẽ là:
Q  Q cos 

(1.9)

1.2.2.1. Phương trình vi phân dẫn nhiệt
Phương trình vi phân dẫn nhiệt là phương trình cân ằng nhiệt cho một
phân tố bất kì nằm hoàn toàn bên trong vật dẫn nhiệt.
Để thiết lập phương trình vi phân dẫn nhiệt trong một mơi trường ta giả
thiết: Môi trường đứng y n, đồng chất đẳng hướng, các đại lượng vật lý như
khối lượng riêng ρ, nhiệt dung riêng c, hệ số dẫn nhiệt λ không đổi.


14

Hình 1.6: Cân bằng nhiệt cho phân tố thể tích dv [5]
Tách phân tố thể tích dv có các cạnh dx, dy, dz tương ứng với các trục
tọa độ của hệ trục tọa độ như Hình 1.6.
Dịng nhiệt truyền qua bề mặt (dx, dy) tại tọa độ z, theo phương z được
xác định [5]:

dQz  dxdy

t
z

(1.10)

Dòng nhiệt truyền qua bề mặt (dx, dy) tại tọa độ z + dz, theo phương z
được xác định:
dQ z dz  dxdy


t 
 t  dz 

z  z 

(1.11)

Lượng nhiệt cịn tích lại trong khối hộp phân tố theo phương z là:
dQz  dQz dz

2t
 dxdydz 2
z

(1.12)

Tương tự, lượng nhiệt tích lại theo các phương y và x là:

2t
dQ y  dQ ydy  dxdydz 2
y

(1.13)

2t
 dxdydz 2
z

(1.14)

dQz  dQz dz

Tổng lượng nhiệt tích tụ trong khối hộp theo 3 phương x, y, z là:

15

 2t 2t 2t 
dQ  dxdydz  2  2  2 
y
z 
 x

(1.15)

Theo định luật bảo toàn năng lượng, lượng nhiệt tích tụ này sẽ đúng
bằng độ biến thiên nội năng của phân tố thể tích dv trong một đơn vị thời
gian:
dQ  Cdxdydz

t
 dxdydz.q v


(1.16)

Suy ra trong trường hợp có nguồn nhiệt bên trong 𝑞𝑣 ≠ 0:
t
  2t 2t 2t  qv






 C  x 2 y 2 z 2  C

Đặt a 

(1.17)


(m2 / s) - hệ số dẫn khuếch tán nhiệt, ta có:
C

 2t 2t 2t  q v
t
 a 2  2  2  

y
z  C
 x

(1.18)

1.2.2.2. Điều kiện đơn trị
Giải phương trình vi phân dẫn nhiệt trên ta sẽ có nghiệm tổng quát chứa
nhiều hằng số tùy ý. Do vậy để có nghiệm riêng của phương trình vi phân dẫn
nhiệt cần phải cho trước một số điều kiện cụ thể, các điều kiện đó được gọi là
điều kiện đơn trị.
Trong thực tế có các điều kiện đơn trị sau:
+ Điều kiện thời gian: Cho biết sự phân bố nhiệt độ tại thời điểm 𝜏 = 𝜏0
bất kỳ t = t (x, y, z, 𝜏0). Thông thường người ta cho phân bố nhiệt độ tại thời
điểm 𝜏0 = 0 do đó c n gọi là điều kiện an đầu.

+ Điều kiện hình học: Cho biết thơng số hình học để xác định hình dáng,
kích thước của vật trong đó xảy ra quá trình trao đổi nhiệt.