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
TRƢỜNG 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
TRƢỜNG 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.
T c giả tr n trọng cảm ơn PGS.TS. Nguy n Việt H ng, Viện trưởng Viện nghi n cứu
quốc tế về Khoa học

K thuật t nh to n D SI , đã tạo điều kiện thuận lợi cho ph p t c giả

s d ng chương trình phần mềm

nsys Maxwell được hỗ trợ bản quyền, tại ph ng nghi n

cứu của Viện để thực hiện ài to n mô phỏng m y iến áp.
T c giả tr n trọng cảm ơn ThS L Xu n Đại, công t c tại Viện D SI thu c trường Đại
học B ch khoa Hà N i. Người đã hết l ng hỗ trợ t c giả trong việc hướng dẫn s d ng phần
mềm nsys Maxwell.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà N i, Viện Đào
tạo Sau Đại học, Viện Điện và B môn Thiết bị Điện - Điện t 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 c c
Giảng viên và cán b B môn Thiết bị điện - Điện t , đã hỗ trợ tận tình giúp đỡ trong quá
trình thực hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Gi m 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 N i trong suốt thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn sự quan t m, giúp đỡ
và đ ng viên của c c đồng nghiệp, nhóm NCS – Viện Điện.
Cuối cùng, tác giả thực sự cảm đ ng và từ đ y l ng mình xin ày tỏ l ng iết ơn đến các
Bậc sinh thành và người vợ yêu quý cùng con gái và con trai th n y u đã luôn ở bên tác giả
những lúc khó khăn nhất, những lúc mệt mỏi nhất, để đ ng vi n, 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 tƣợng, phƣơng 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

CHƢƠNG 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 cu n d y đúc trong c ch 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 ........................................................................................... 9
1.4. Những nghiên cứu ở ngoài nƣớc về máy biến áp lõi vô định hình......................... 10
1.4.1. Phương ph p chế tạo vật liệu vô định hình .......................................................... 10
1.4.2. Giảm tổn hao máy biến p lõi vô định hình.......................................................... 12
1.4.3. Thiết kế máy biến p lõi vô định hình .................................................................. 13
1.5. Những nghiên cứu ở trong nƣớc 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 hƣớng nghiên cứu......................................................................................... 22
1.10. Kết luận chƣơng 1 ...................................................................................................... 22
CHƢƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN CỦA TỪ TRƢỜNG TẢN TRONG CỬA SỔ MẠCH
TỪ MÁY BIẾN ÁP................................................................................................................. 24
2.1. Giới thiệu ..................................................................................................................... 24
2.2. Lý thuyết về dòng điện ngắn mạch và lực điện từ ................................................... 24
2.2.1. D ng điện ngắn mạch ........................................................................................... 24
2.2.2. Lực điện từ ............................................................................................................ 28
2.3. Xây dựng mô hình toán với từ thế vectơ A .............................................................. 33
2.3.1. Phương trình Maxwell .......................................................................................... 33
2.3.2. Phương trình từ thế vectơ ................................................................................. 35
2.3.3. Phương trình ứng suất lực trên dây quấn viết theo từ thế vectơ x,y ............... 41
2.4. Kết luận chƣơng 2 ...................................................................................................... 42
CHƢƠNG 3 TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT LỰC ĐIỆN TỪ BẰNG PHƢƠNG PHÁP
GIẢI TÍCH VÀ PHẦN TỬ HỮU HẠN 2D .......................................................................... 44
3.1. Giới thiệu ..................................................................................................................... 44
3.2. Tính toán ứng suất lực ngắn mạch trên dây quấn bằng phƣơng pháp giải tích .. 44
3.2.1.
3.2.2.
3.2.3.
3.2.4.
3.2.5.

Mô hình máy biến áp 630kVA - 22/0,4kV ........................................................... 45
Tính dòng ngắn mạch trên các cu n dây .............................................................. 45
Tính toán từ trường tản trên các cu n dây hạ áp và cao áp .................................. 47
Các kết quả về ứng suất lực trên cu n hạ áp và cao áp ........................................ 53
Nhận xét các kết quả đạt được từ phương ph p giải tích ..................................... 55

3.3. Tính toán ứng suất lực ngắn mạch trên dây quấn bằng phƣơng pháp phần tử

hữu hạn 2D .......................................................................................................................... 57
3.3.1. Mô hình k ch thước máy biến áp trên Ansys Maxwell ......................................... 57
3.3.2. Ứng suất lực trên các cu n dây hạ áp và cao áp ................................................... 59
3.3.3. Nhận xét các kết quả đạt được từ phương ph p PTHH 2D .................................. 61
3.4. So sánh về ứng suất lực trên dây quấn giữa phƣơng pháp giải tích và phƣơng
pháp phần tử hữu hạn 2D .................................................................................................. 62
3.4.1. Từ cảm tản Bx, By và Bxy trên cu n hạ áp và cao áp ............................................ 63


v
3.4.2. Ứng suất lực x và y trên cu n hạ áp và cao áp .................................................. 63
3.4.3. Nhận xét kết quả so sánh ...................................................................................... 64
3.5. Kết luận chƣơng 3 ...................................................................................................... 65
CHƢƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰC NGẮN MẠCH TỔNG HỢP TÁC DỤNG LÊN DÂY
QUẤN MÁY BIẾN ÁP ........................................................................................................... 67
4.1. Giới thiệu ..................................................................................................................... 67
4.2. Thuật toán tính ứng suất lực điện từ trên dây quấn máy biến áp lõi thép vô định
hình bằng phƣơng pháp PTHH 3D ................................................................................... 67
4.3. Xây dựng mô hình 3D máy biến áp trên phần mềm Ansys Maxwell ...................... 68
4.3.1. Quá trình giải quyết bài toán trên Ansys Maxwell ............................................... 68
4.3.2. Thiết lập bài toán mô phỏng máy biến áp 630kVA .............................................. 69
4.4. Mô phỏng ở chế độ không tải và ngắn mạch thử nghiệm ....................................... 73
4.4.1. Phân bố từ trường ................................................................................................. 73
4.4.2. Giá trị điện p và d ng điện .................................................................................. 73
4.4.3. Tổn hao không tải và tổn hao ngắn mạch th nghiệm .......................................... 74
4.5. Mô phỏng ở chế độ ngắn mạch sự cố ........................................................................ 75
4.5.1.
4.5.2.
4.5.3.
4.5.4.

D ng điện ngắn mạch ........................................................................................... 76
Phân bố từ trường tản ........................................................................................... 76
Phân tích ứng suất lực ngắn mạch trên cu n dây hạ áp và cao áp ........................ 78
Tìm vị trí có ứng suất lớn nhất trên vòng dây quấn hình chữ nhật ....................... 81

4.6. Tìm ứng suất lớn nhất trong các trƣờng hợp thay đổi bán kính cong r của cuộn
dây ...................................................................................................................................... 84
4.6.1. C c trường hợp khảo sát ....................................................................................... 84
4.6.2.
4.6.3.
4.6.4.
4.6.5.
4.6.6.
4.6.7.
4.6.8.
4.6.9.

Trường hợp r = 2 mm ........................................................................................... 85
Trường hợp r = 10 mm ......................................................................................... 87
Trường hợp r = 18 mm ......................................................................................... 88
Trường hợp r = 30 mm ......................................................................................... 90
Trường hợp r = 45 mm ......................................................................................... 91
Trường hợp r = 90 mm ......................................................................................... 92
Nhận x t 7 trường hợp r thay đổi .......................................................................... 93
Đ nh gi sự ph thu c giá trị ứng suất lực ........................................................... 95

4.7. Tính ứng suất nhiệt trong dây quấn máy biến áp khô bọc epoxy .......................... 97
4.7.1. Phân bố nhiệt đ thời điểm sau ngắn mạch .......................................................... 97
4.7.2. Tính ứng lực vào dây quấn khi có chênh lệch nhiệt đ giữa dây quấn và

c ch điện epoxy ................................................................................................................ 99


vi
4.7.3. Tổng ứng suất vùng biên .................................................................................... 106
4.8. Tính ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp.................................................................. 107
4.9. Kết luận chƣơng 4 .................................................................................................... 109
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................................. 111
Đóng góp khoa học của luận án....................................................................................... 111
Hƣớng phát triển của luận án ......................................................................................... 111
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .............................. 112
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................... 113
PHỤ LỤC

......................................................................................................................... 120


vii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
Kí hiệu /

Đơn vị

Ý nghĩa

Viết tắt
Hc

A/m

Lực kháng từ

t

mm

Đ dày của lá thép

ρ

µΩcm

f

Hz

Tần số

u

V

Điện áp tức thời

U

V

Điện áp hiệu d ng

Uđm

V

Điện áp hiệu d ng định mức

Điện trở suất

Điện áp ngắn mạch phần trăm

u%
e

V

Sức điện đ ng

et

V

Sức điện đ ng tản

i

A

D ng điện tức thời

I

A

D ng điện hiệu d ng

In

A

D ng điện ngắn mạch hiệu d ng



Wb

Từ thông tức thời

Φ

Wb

Từ thông hiệu d ng

W

vòng

Số vòng dây của dây quấn



Wb.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 d ng 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

Từ thông móc vòng


viii
υn

rad

Góc pha của d ng điện

E

Vm-1

Vectơ cường đ điện trường

D

Cm-2

Vectơ cảm ứng điện

H

A.m-1

Vectơ cường đ từ trường

B

T = kg.m-2.A-1

J

A/m2

A

Wbm-1

B

T

Vectơ cảm ứng từ
Vectơ mật đ d ng điện
Vectơ từ thế
Cảm ứng từ (mật đ từ thông)

-1

Hệ số điện môi

Hm

-1

Hệ số từ thẩm

μ0

Hm

-1

Hệ số từ thẩm không khí

γ

-1

Ω m

h

mm

Chiều cao c a sổ mạch từ

d

mm

Chiều r ng c a sổ mạch từ t nh đến tr c đối xứng

h11

mm

Chiều cao từ gốc tọa đ tới thành dưới cu n HA

h12

mm

Chiều cao từ gốc tọa đ tới thành dưới cu n CA

h21

mm

Chiều cao từ gốc tọa đ tới thành trên cu n HA

h22

mm

Chiều cao từ gốc tọa đ tới thành trên cu n CA

d11

mm

Khoảng cách từ tr đến thành trong cu n HA

d12

mm

Khoảng cách từ tr đến thành trong cu n CA

d21

mm

Khoảng cách từ tr đến thành ngoài cu n HA

2

mm

Khoảng cách từ tr đến thành ngoài cu n CA

b1

mm

Chiều cao cu n dây HA

b2

mm

Chiều cao cu n dây CA

axb

mm

K ch thước mạch từ

htr

mm

Chiều cao tr

Ctr

mm

Khoảng cách tâm hai tr

Hcs

mm

Chiều cao c a sổ mạch từ

Ccs

mm

Chiều r ng c a sổ mạch từ

D’1a x D’1b

mm

K ch thước bên trong cu n HA

D”1a x D”1b

mm

K ch thước bên ngoài cu n HA

D’2a x D’2b

mm

K ch thước bên trong cu n CA

D”2a x D”2b

mm

K ch thước bên ngoài cu n CA

ε

Fm

μ

d2

-1

Điện dẫn suất


ix

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU
Ý nghĩa

Viết tắt
s.đ.đ

sức điện đ ng

k

Tỉ số biến áp



Toán t Napla

Δ

Toán t Laplace

MBA

Máy biến áp

VĐH

Vô định hình

MB VĐH

Máy biến p lõi th p vô định hình

HA

Hạ áp

CA

Cao áp

PTHH

Phần t 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 p khô đúc ằng nhựa epoxy [8] ............................................................. 7
Hình 1.2. Khả năng chống cháy cu n d y đúc epoxy; a đốt cu n dây trong hai phút;
b) ngừng đốt; c) ngừng đốt sau 15 giây [8] ............................................................. 8
Hình 1.3. Lịch s tổn hao không tải của MBA 50 kVA [34] .................................................. 9
Hình 1.4. Biểu thị đường cong từ tr của vật liệu VĐH và th p silic [18] ............................ 10
Hình 1.5. Lịch s ứng d ng th p VĐH chế tạo MBA phân phối [18] .................................. 10
Hình 1.6. Các cấu trúc nguyên t [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 tr ; b) 5 tr [35] ............................................................. 12
Hình 1.9. Tổn hao không tải và có tải của MB khô VĐH [69]........................................... 14
Hình 1.10. Mô hình mạch từ của MB khô VĐH trong ph n t ch FEM [69] ........................ 15
Hình 1.11. Phân bố từ thông của MBA dây quấn đồng tâm [16] ............................................ 17
Hình 1.12. Các thành phần lực hướng kính cu n d y đồng tâm [16] ...................................... 17
Hình 1.13. Mật đ từ thông hướng kính và lực dọc tr c [16].................................................. 17
Hình 1.14. Ứng suất trên vòng dây của các cu n dây [16] ...................................................... 17

Hình 1.15. Lực điện từ, d ng điện và từ cảm tản của MBA [39] ............................................ 17
Hình 1.16. Phân bố từ trường trong mạch từ và ngoài cu n dây [40] ..................................... 18
Hình 1.17. Sơ đồ mạch điện liên kết........................................................................................ 18
Hình 1.18. D ng điện ngắn mạch cu n CA và HA [38].......................................................... 18
Hình 1.19. Lực hướng kính trên cu n CA [38] ....................................................................... 19
Hình 1.20. Lực hướng tr c cu n CA [38] ............................................................................... 19
Hình 1.21. Lực hướng kính trên cu n HA [38] ....................................................................... 19
Hình 1.22. Lực hướng tr c cu n HA [40] ............................................................................... 19
Hình 1.23. Các vị trí khảo sát trên cu n dây [38] .................................................................... 19
Hình 1.24. Lực hướng kính trên cu n HA [38] ....................................................................... 19
Hình 1.25. Cấu trúc kẹp cu n dây của MB VĐH [32] .......................................................... 20
Hình 1.26. Sơ đồ cu n HA và CA [59] ................................................................................... 21
Hình 1.27. MB VĐH a pha cu n dây hình chữ nhật [59] .................................................... 21
Hình 1.28. Cu n HA và CA..................................................................................................... 21
Hình 1.29. Cu n HA và CA sau khi bị t c đ ng lực điện từ ................................................... 21
Hình 2.1. D ng điện ngắn mạch tại các thời điểm góc an đầu điện p ψ kh c nhau [8] ..... 27
Hình 2.2. Hướng x c định lực điện từ [52]............................................................................ 29
Hình 2.3. Quá trình sinh ra lực cơ kh ph hỏng dây quấn MBA .......................................... 30
Hình 2.4. Dây quấn MBA bị uốn cong [11] .......................................................................... 30
Hình 2.5. Dạng sóng của lực điện từ [11,53]......................................................................... 30


xi
Hình 2.6. Biến dạng dây quấn gây ra bởi lực hướng tr c [50] .............................................. 31
Hình 2.7. Biến dạng dây quấn gây ra bởi lực hướng kính [60] ............................................. 31
Hình 2.8. Uốn cong của dây quấn [63,64] ............................................................................. 31
Hình 2.9. Các thành phần của từ cảm tản và lực điện từ tác d ng lên dây quấn MBA ......... 31
Hình 2.10. Lực điện từ hướng kính của dây quấn đồng t m đối xứng .................................... 32
Hình 2.11. Lực dọc tr c của dây quấn đồng t m không đối xứng........................................... 33
Hình 2.12. Mô hình c c k ch thước 2D của MBA ................................................................... 37

Hình 2.13. Thành phần từ cảm theo tr c x, y tại c c đường biên của c a sổ mạch từ
MBA ...................................................................................................................... 38
Hình 2.14. a) Phân bố từ cảm khi chiều cao hai dây quấn bằng nhau; b) Phân bố từ cảm
khi chiều cao hai dây quấn không bằng nhau [57] ................................................ 40
Hình 3.1. Lưu đồ thuật toán tính ứng suất tác d ng trên dây quấn........................................ 44
Hình 3.2. D ng điện ngắn mạch trên cu n CA...................................................................... 46
Hình 3.3. D ng điện ngắn mạch trên cu n HA ..................................................................... 47
Hình 3.4. C c k ch thước mạch từ và cu n dây của MBA .................................................... 49
Hình 3.5. Đồ thị vectơ từ thế A(x,y) trong c a sổ mạch từ ................................................... 51
Hình 3.6. Đồ thị từ cảm hướng kính Bx ................................................................................. 52
Hình 3.7. Đồ thị từ cảm hướng tr c By .................................................................................. 52
Hình 3.8. Phân bố từ cảm tại cạnh ngoài cùng cu n HA....................................................... 53
Hình 3.9. Phân bố từ cảm tại cạnh trong cùng cu n CA ....................................................... 53
Hình 3.10. Tọa đ c c điểm khảo sát theo bề dày cu n HA và CA ........................................ 54
Hình 3.11. Đồ thị phân bố ứng suất σx cu n HA ứng với ba vị trí x khác nhau...................... 55
Hình 3.12. Đồ thị phân bố ứng suất σy cu n HA ứng với ba vị trí x khác nhau...................... 55
Hình 3.13. Đồ thị phân bố ứng suất σx cu n CA ứng với ba vị trí x khác nhau ...................... 55
Hình 3.14. Đồ thị phân bố ứng suất σy cu n CA ứng với ba vị trí x khác nhau ...................... 55
Hình 3.15. Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh ngoài cùng cu n HA ................................... 56
Hình 3.16. Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh trong cùng cu n CA .................................... 56
Hình 3.17. Mô hình MBA trong Ansys Maxwell .................................................................... 58
Hình 3.18. Mô hình chia luới trong Ansys Maxwell ............................................................... 58
Hình 3.19. Biểu di n vectơ từ cảm B ...................................................................................... 58
Hình 3.20. Biểu di n đ lớn từ cảm B ..................................................................................... 58
Hình 3.21. Phân bố từ cảm tại cạnh ngoài cùng cu n HA....................................................... 59
Hình 3.22. Phân bố từ cảm tại cạnh trong cùng cu n CA ....................................................... 59
Hình 3.23. Phân bố lực trên cu n HA và CA .......................................................................... 60
Hình 3.24. Đồ thị phân bố ứng suất x cu n HA ứng với ba vị trí x khác nhau ..................... 60
Hình 3.25. Đồ thị phân bố ứng suất σy cu n HA ứng với ba vị trí x khác nhau...................... 60
Hình 3.26. Đồ thị phân bố ứng suất x cu n CA ứng với ba vị trí x khác nhau...................... 60

Hình 3.27. Đồ thị phân bố ứng suất y cu n CA ứng với ba vị trí x khác nhau...................... 60


xii
Hình 3.28. Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh ngoài cùng cu n HA ................................... 61
Hình 3.29. Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh trong cùng cu n CA .................................... 61
Hình 3.30. Tóm tắt quá trình thực hiện so sánh giữa phương ph p giải tích và PTHH
2D .......................................................................................................................... 62
Hình 3.31. Đồ thị phân bố ứng suất lực x trên cu n HA giữa giải tích và PTHH 2D ........... 63
Hình 3.32. Đồ thị phân bố ứng suất lực y trên cu n HA giữa giải tích và PTHH 2D ........... 63
Hình 3.33. Đồ thị phân bố ứng suất lực x trên cu n CA giữa giải tích và PTHH 2D ........... 63
Hình 3.34. Đồ thị phân bố ứng suất lực y trên cu n CA giữa giải tích và PTHH 2D ........... 63
Hình 4.1.
Hình 4.2.
Hình 4.3.
Hình 4.4.
Hình 4.5.
Hình 4.6.
Hình 4.7.
Hình 4.8.
Hình 4.9.

Lưu đồ thuật toán tính ứng suất trên các cu n dây ................................................ 68
Quá trình giải quyết bài toán bằng phương ph p PTHH [15] ............................... 69
Đường cong từ hóa của vật liệu VĐH 2605S 1 [55] ........................................... 70
Mô hình c thể k ch thước mạch từ và dây quấn MB VĐH ................................ 70
Ký hiệu tọa đ của c c đường thẳng khảo sát ....................................................... 70
Lõi thép MBA bằng vật liệu VĐH ........................................................................ 71
Mạch từ và cu n dây của MB VĐH .................................................................... 71
Mô hình MB VĐH trong ph n t ch nsys Maxwell 3D...................................... 71

Sơ đồ mạch điện CA và HA của MBA .................................................................. 72

Hình 4.10. Kết quả chia lưới mô hình MBA trong Ansys Maxwell........................................ 72
Hình 4.11. Không gian giới hạn mô phỏng ............................................................................. 73
Hình 4.12. K ch thước mở r ng theo các chiều ....................................................................... 73
Hình 4.13. Phân bố từ cảm B trong mạch từ khi chưa ngắn mạch .......................................... 73
Hình 4.14. Điện p C định mức ............................................................................................ 74
Hình 4.15. Điện p H định mức ............................................................................................ 74
Hình 4.16. D ng điện C định mức ........................................................................................ 74
Hình 4.17. D ng điện H định mức........................................................................................ 74
Hình 4.18. Tổn hao không tải MBA ........................................................................................ 75
Hình 4.19. Tổn hao ngắn mạch của MBA ............................................................................... 75
Hình 4.20. D ng điện ngắn mạch trên cu n CA...................................................................... 76
Hình 4.21. D ng điện ngắn mạch trên cu n HA ..................................................................... 76
Hình 4.22. Phân bố từ cảm trên mạch từ và cu n dây của MBA tại thời điểm t =25ms ......... 77
Hình 4.23. Phân bố từ cảm trên mạch từ và cu n dây của MBA tại thời điểm t =25ms ......... 77
Hình 4.24. Từ cảm tại cạnh ngoài cùng cu n HA ................................................................... 78
Hình 4.25. Từ cảm tại cạnh trong cùng cu n CA .................................................................... 78
Hình 4.26. Mặt cắt đối xứng của mô hình ½ MBA 3D ........................................................... 78
Hình 4.27. Đồ thị ứng suất x theo chiều cao cu n HA ứng với ba vị trí x khác nhau ........... 79
Hình 4.28. Đồ thị ứng suất z theo chiều cao cu n HA ứng với ba vị trí x khác nhau ........... 79
Hình 4.29. Đồ thị ứng suất x theo chiều cao cu n CA ứng với ba vị trí x khác nhau ........... 79
Hình 4.30. Đồ thị ứng suất z theo chiều cao cu n CA ứng với ba vị trí x khác nhau ........... 79


xiii
Hình 4.31. Tổng ứng suất xz trên cu n HA............................................................................ 80
Hình 4.32. Tổng ứng suất xz trên cu n CA ............................................................................ 80
Hình 4.33. C c đường thẳng khảo sát trên cu n HA ............................................................... 81
Hình 4.34. Vị tr 10 đường khảo sát trên cu n HA ứng với r =12 .......................................... 81

Hình 4.35. Phân bố ứng suất của 10 vị trí theo chiều cao cu n HA ........................................ 82
Hình 4.36. Phân bố ứng suất trên cu n HA ............................................................................. 82
Hình 4.37. Phân bố ứng suất lớn trên cu n HA ....................................................................... 82
Hình 4.38. Phân bố ứng suất trên cu n HA ............................................................................. 82
Hình 4.39. C c đường thẳng khảo sát trên cu n CA ............................................................... 83
Hình 4.40. Vị tr 10 đường khảo sát ........................................................................................ 83
Hình 4.41. Phân bố ứng suất của 10 vị trí theo chiều cao cu n CA ........................................ 83
Hình 4.42. Phân bố ứng suất trên cu n CA ............................................................................. 83
Hình 4.43. Phân bố ứng suất lớn trên cu n CA ....................................................................... 84
Hình 4.44. Phân bố ứng suất trên cu n CA ............................................................................. 84
Hình 4.45. Bán kính r bên trong cu n H và c c k ch thước khác của cu n dây ................... 85
Hình 4.46. K ch thước ½ của cu n CA và HA ........................................................................ 85
Hình 4.47. Cu n HA và CA trong Ansys Maxwell ................................................................. 85
Hình 4.48. D ng điện ngắn mạch cu n CA ............................................................................. 86
Hình 4.49. D ng điện ngắn mạch cu n HA............................................................................. 86
Hình 4.50. Phân bố ứng suất trên cu n HA ............................................................................. 87
Hình 4.51. Phân bố ứng suất trên cu n CA ............................................................................. 87
Hình 4.52. K ch thước ½ của cu n CA và HA ........................................................................ 88
Hình 4.53. Cu n HA và CA trong Ansys Maxwell ................................................................. 88
Hình 4.54. Phân bố ứng suất trên cu n HA ............................................................................. 88
Hình 4.55. Phân bố ứng suất trên cu n CA ............................................................................. 88
Hình 4.56. K ch thước ½ của cu n CA và HA ........................................................................ 89
Hình 4.57. Cu n HA và CA trong Ansys Maxwell ................................................................. 89
Hình 4.58. Phân bố ứng suất trên cu n HA ............................................................................. 89
Hình 4.59. Phân bố ứng suất trên cu n CA ............................................................................. 89
Hình 4.60. K ch thước ½ của cu n CA và HA ........................................................................ 90
Hình 4.61. Cu n HA và CA trong Ansys Maxwell ................................................................. 90
Hình 4.62. Phân bố ứng suất trên cu n HA ............................................................................. 91
Hình 4.63. Phân bố ứng suất trên cu n CA ............................................................................. 91
Hình 4.64. K ch thước ½ của cu n CA và HA ........................................................................ 91

Hình 4.65. Cu n HA và CA trong Ansys Maxwell ................................................................. 91
Hình 4.66. Phân bố ứng suất trên cu n HA ............................................................................. 92
Hình 4.67. Phân bố ứng suất trên cu n CA ............................................................................. 92
Hình 4.68. K ch thước ½ của cu n CA và HA ........................................................................ 92


xiv
Hình 4.69. Cu n HA và CA trong Ansys Maxwell ................................................................. 92
Hình 4.70. Phân bố ứng suất trên cu n HA ............................................................................. 93
Hình 4.71. Phân bố ứng suất trên cu n CA ............................................................................. 93
Hình 4.72. Phân bố ứng suất trên cu n HA với 7 trường hợp bán kính r khác nhau .............. 94
Hình 4.73. Phân bố ứng suất trên cu n CA với 7 trường hợp bán kính r khác nhau .............. 94
Hình 4.74. Đường cong (1): Giá trị ứng suất theo bán kính r.................................................. 95
Hình 4.75. K ch thước r và R................................................................................................... 96
Hình 4.76. Đường cong 2 : Đ tăng của ứng suất lực theo tỉ số: (r + R)/r ............................ 96
Hình 4.77. C c k ch thước của cu n dây và lớp epoxy ........................................................... 98
Hình 4.78. Phân bố nhiệt đ theo hướng kính epoxy sau thời điểm ngắn mạch (thời
điểm ngắn mạch τ = 0 gi y [8] ............................................................................. 99
Hình 4.79. Áp suất thay đổi chiều cao dây quấn ................................................................... 100
Hình 4.80. Ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp ....................................................................... 108


xv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 3.1.
Bảng 3.2.
Bảng 3.3.
Bảng 3.4.

Bảng 3.5.
Bảng 3.6.
Bảng 3.7.
Bảng 4.1.
Bảng 4.2.

Các giá trị thông số điện cơ bản MBA .................................................................. 45
Bảng kết quả d ng điện ngắn mạch cực đại .......................................................... 47
Bảng c c k ch thước mạch từ và cu n dây MBA .................................................. 49
Bảng kết quả giá trị ứng suất tổng lớn nhất trên cu n HA và cu n CA bằng
phương ph p giải tích ............................................................................................ 57
Bảng kết quả giá trị ứng suất lực lớn nhất tại cạnh ngoài cu n HA và cạnh
trong cu n CA bằng phương ph p PTHH 2D ....................................................... 62
So sánh kết quả từ cảm tản trên cu n HA và CA giữa phương ph p giải tích
và PTHH 2D .......................................................................................................... 63
So sánh kết quả ứng suất lực có giá trị lớn nhất giữa phương ph p giải tích
và PTHH 2D .......................................................................................................... 64
C c k ch thước c thể của MB VĐH ................................................................... 69
Các thông số đo đạc thực nghiệm của MB VĐH 630 kV - 22/0,4 kV ............. 71

Bảng 4.3.
Bảng 4.4.
Bảng 4.5.
Bảng 4.6.
Bảng 4.7.

So sánh các giá trị mô phỏng và thực tế ................................................................ 75
Bảng giá trị ứng suất lực ở 3 vị trí theo bề dày cu n HA và CA ........................... 80
Bảng kết quả phân bố ứng suất có giá trị lớn nhất ................................................ 80
Bảng so sánh kết quả của hai phương ph p giải tích và PTHH............................. 81

Bảng kết quả phân bố ứng suất có giá trị lớn nhất giữa phương ph p PTHH
3D mặt cắt và PTHH 3D........................................................................................ 84
Bảng 4.8. Chiều dài cu n d y và d ng điện ngắn mạch cực đại tại r =10 mm ...................... 88
Bảng 4.9. Chiều dài cu n d y và d ng điện ngắn mạch cực đại tại r =18 mm ...................... 89
Bảng 4.10. Chiều dài cu n d y và d ng điện ngắn mạch cực đại tại r =30 mm ...................... 90
Bảng 4.11. Chiều dài cu n d y và d ng điện ngắn mạch cực đại tại r =45 mm ...................... 92
Bảng 4.12. Chiều dài cu n d y và d ng điện ngắn mạch cực đại tại r =90 mm ...................... 93
Bảng 4.13. Chiều dài cu n d y và d ng điện ngắn mạch của 7 trường hợp ............................ 93
Bảng 4.14. Vị trí ứng suất lớn nhất tại r =2; 10; 12; 18; 30; 45 và 90 mm .............................. 94
Bảng 4.15. C c k ch thước của cu n dây và lớp epoxy ........................................................... 98
Bảng 4.16. Các hằng số của dây quấn và vật liệu epoxy [5].................................................... 99
Bảng 4.17. Giải thích các kí hiệu thành phần ứng suất nhiệt ................................................. 100


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Máy biến áp (MBA) phân phối luôn đóng góp m t vai trò 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, vì thế
vấn đề giảm tổn hao công suất và cũng như giảm hư hỏng do bị ngắn mạch của MBA phân
phối có ý ngh a kinh tế kỹ thuật rất quan trọng.
Có hai loại tổn hao điện tồn tại trong MBA khi vận hành: Tổn hao có tải (tổn hao đồng)
thay đổi theo mức tải của MBA và tổn hao không tải (tổn hao sắt từ) sinh ra trong lõi từ và
xảy ra suốt cu c đời vận hành của MBA, không ph thu c vào tải. Để giảm tổn hao công suất
trong MBA, cần thiết kế máy sao cho tổng tổn hao của cu n d y đồng và tổn hao sắt nhỏ nhất,
trong đó tổn hao sắt ph thu c rất nhiều vào chất lượng loại thép. Trong thời gian gần đ y,
công nghệ vật liệu từ đã có những tiến b nhảy vọt cho phép ứng d ng vật liệu từ vô định
hình VĐH trong việc chế tạo mạch từ cho MBA phân phối [8,23,24,34,43,76].
Vật liệu từ mềm VĐH được phát hiện từ năm 1970, nhờ vào thành phần và cấu trúc vi mô

đặc biệt nên th p VĐH đ p ứng các yêu cầu để giảm tổn hao lõi. Chính vì vậy, MBA lõi thép
VĐH MB VĐH ngày càng được s d ng r ng rãi do nó làm giảm tổn thất hệ thống điện
thông qua việc giảm tổn hao không tải của MBA. Các tài liệu [4,34,47,69,70] đã đề cập đến
vấn đề kinh tế khi s d ng MBAVĐH và đưa ra so s nh chi ph tổn thất giữa hai loại MBA
lõi th p silic thông thường và lõi VĐH, từ đó khẳng định s d ng MB VĐH giảm tổn hao
không tải từ 60-70% và sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao.
MB VĐH do có cấu trúc đặc biệt của lõi thép và cu n dây là hình chữ nhật nên phân bố
điện trường, từ trường tản và phân bố lực tác d ng lên cu n d y cũng sẽ không đối xứng trên
cùng m t v ng d y. Đặc biệt hơn là lúc xảy ra ngắn mạch thì lực này lớn sẽ rất nguy hiểm đối
với cu n dây [59,71,72,81].
Lực điện từ tác d ng lên dây quấn của MB được sinh ra là do sự tương t c giữa dòng
điện và từ trường tản trong vùng dây quấn. Khi MBA hoạt đ ng trong điều kiện ình thường,
tác d ng của lực điện từ lên các dây quấn nhỏ do từ trường tản và d ng điện tương đối nhỏ
nhưng khi MBA bị ngắn mạch sự cố (tức là MB đang làm việc với điện p sơ cấp định mức
Uđm, phía đầu cực thứ cấp xảy ra ngắn mạch), lúc này toàn b điện p định mức đặt lên tổng
trở ngắn mạch rất nhỏ của MB n n d ng điện ngắn mạch qu đ sẽ rất lớn. Trong các
trường hợp ngắn mạch thì trường hợp ngắn mạch 3 pha đối xứng có trị số d ng điện ngắn
mạch lớn hơn trường hợp ngắn mạch không đối xứng. Do vậy, lực điện từ sinh ra là rất lớn,
nó làm uốn cong, xê dịch hoặc phá hủy dây quấn MBA, thậm chí làm nổ MBA [22,33,75,78].


2
Ở MBA khô phân phối có cu n dây được đúc bằng nhựa epoxy với đặc tính ưu điểm
không bắt l a, tự dập tắt l a và chống cháy do tia l a điện. Ngoài ra, nó có sức bền cơ, chịu
quá tải cao, khả năng chống ẩm, đ ồn thấp và bảo dưỡng d dàng. Do vậy, loại MBA này
được s d ng nhiều ở c c t a nhà, khu d n cư, đường hầm, trên tàu è và tr n sàn ngoài khơi
[2]. Tuy nhiên, khi tính toán ứng suất ở dây quấn khi MBA khô bị ngắn mạch, cần xét thêm
các ứng suất thành phần như:
(1) Ứng suất gây ra do phân bố nhiệt đ không đồng đều trong lớp epoxy
(2) Ứng suất do chênh lệch nhiệt đ giữa dây quấn và lớp epoxy

(3) Ứng suất sẵn có giữa lớp epoxy và dây quấn.
Vì vậy, lời giải cho bài toán nghiên cứu lý thuyết, tính toán về lực điện từ, ứng suất nhiệt
tác d ng lên dây quấn MBA khi ngắn mạch và k ch thước hợp lí của bán kính cong dây quấn
theo đ tăng của ứng suất lực là các nghiên cứu cần được thực hiện.
Do đó, luận n: “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” được đặt ra là cần thiết và có ý ngh a
quan trọng trong giai đoạn hiện nay.

2. Mục tiêu, đối tƣợng, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu


Xây dựng mô hình toán của từ trường tản trong c a sổ mạch từ MBA với từ thế vectơ
A. Từ đó, t nh ứng suất lực trên dây quấn MB lõi VĐH với hình dạng của lõi thép là
hình chữ nhật, khi MBA xảy ra ngắn mạch 3 pha đối xứng với d ng điện ngắn mạch
cực đại.



Tìm ra vùng có ứng suất lực lớn giữa cu n HA và CA. Từ đó x c định vị trí có ứng
lực lớn nhất trên vòng dây HA và CA của MB VĐH trong điều kiện hình dạng của
cu n dây là hình chữ nhật.



Tìm ra phân bố ứng suất lớn nhất trên vòng dây quấn khi bán kính cong của dây quấn
thay đổi từ tròn đến vuông. Từ đó, đưa ra đường cong đ nh gi và khuyến cáo của sự
ph thu c ứng suất lực vào bán kính cong dây quấn, giúp sự lựa chọn hợp lí bán kính
cong tại góc của dây quấn theo đ tăng của ứng suất lực.



Tính toán lực ngắn mạch tổng hợp có t nh đến sự xếp chồng ứng suất nhiệt, đó là: ứng
suất gây ra do phân bố nhiệt đ không đồng đều trong lớp epoxy và ứng suất do
chênh lệch nhiệt đ giữa dây quấn và lớp epoxy.

Đối tượng nghiên cứu
MBA khô bọc epoxy có hình dạng dây quấn hình chữ nhật s d ng lõi thép bằng vật
liệu VĐH.


3
Phạm vi nghiên cứu


Tập trung vào xây dựng mô hình toán của từ trường tản trong c a sổ mạch từ MBA
với từ thế vectơ A. Giải mô hình toán và tính ứng suất lực trên dây quấn trong điều
kiện MBA bị ngắn mạch 3 pha đối xứng nguy hiểm nhất với d ng điện ngắn mạch
cực đại.



Ứng d ng phương ph p PTHH ằng phần mềm mô phỏng Ansys Maxwell 2D và 3D
để x c định vị trí có ứng suất lớn nhất trên dây quấn và so sánh với điều kiện tiêu
chuẩn cho phép của dây quấn.



Tập trung vào phân tích sự ph thu c của giá trị ứng suất lực vào bán kính cong của
dây quấn. Từ đó, đưa ra c ch lựa chọn hợp lí giữa bán kính cong dây quấn theo đ

tăng của ứng suất lực.

Phương pháp nghiên cứu


S d ng phương ph p giải tích số bằng công c tính toán Matlab để giải mô hình
toán.



S d ng phương ph p PTHH 2D để tính toán ứng suất lực trên dây quấn MBA. Kết
quả được so sánh với phương ph p giải tích số. Đồng thời, mở ra hướng nghiên cứu
là s d ng phương ph p PTHH 3D cho những bài toán có tính chất phi tuyến và hình
dạng phức tạp.



S d ng phương ph p PTHH 3D bằng phần mềm mô phỏng nsys Maxwell để phân
tích và tính toán ứng suất lực trên dây quấn MBA trong điều kiện ngắn mạch sự cố
mà phương ph p thực nghiệm không thực hiện được. Từ đó x c định vị trí có giá trị
ứng suất lớn nhất trên dây quấn, kết quả được so sánh với ứng suất cho phép của dây
quấn.

3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học


Nghiên cứu có hệ thống các lý thuyết cơ ản d ng điện ngắn mạch, từ trường và lực
điện từ tác d ng dây quấn MBA khi bị ngắn mạch.



Nghiên cứu xây dựng mô hình toán để phân tích và tính toán từ trường tản và lực điện
từ trên dây quấn.



Kết hợp phương ph p giải tích số và phương ph p PTHH để tính toán lực điện từ tác
d ng lên dây quấn MBA. Để từ đó chứng minh tính hiệu quả của phương ph p
PTHH.



S d ng phương pháp PTHH 3D để tính toán cho các bài toán có tính chất phi tuyến
và hình dạng phức tạp mà phương ph p giải tích rất khó thực hiện.

Ý nghĩa thực tiễn


4


Bài toán nghiên cứu về phân bố từ trường, lực điện từ ngắn mạch tác d ng lên dây
quấn MBA, từ đó x c định vị trí có ứng suất lực lớn nhất trên dây quấn của MBA, có
ý ngh a thực ti n giúp cho việc tính toán, thiết kế tối ưu cu n dây của MBA. Phần nào
tham gia vào nghiên cứu hoàn thiện công nghệ và chế tạo MBA s d ng vật liệu
VĐH ở Việt Nam.



Phương ph p PTHH với phần mềm Ansys Maxell 3D cho phép tìm ra phân bố ứng
lực trên từng vị tr v ng d y trong trường hợp ngắn mạch sự cố nguy hiểm nhất phía
hạ p MB mà phương ph p thực nghiệm không thực hiện được. Giúp ích cho các kỹ
sư trong việc thiết kế MBA và giảm công sức th nghiệm phá hủy khi chế tạo MBA.

4. Các đóng góp mới của luận án
N i dung của luận n đã tập trung nghiên cứu tính toán lực ngắn mạch tổng hợp tác d ng
lên dây quấn MBA khô bọc epoxy s d ng lõi thép VĐH. Luận n đã đạt được m t số kết quả
nghiên cứu mới có thể được tóm lược như sau:
(1) Xây dựng mô hình toán tổng quát của từ trường tản trong c a sổ mạch từ MBA với từ
thế vectơ . Ứng d ng phương ph p giải t ch và PTHH 2D để tính ứng suất lực hướng tr c và
hướng kính trên các dây quấn trong trường hợp ngắn mạch 3 pha đối xứng phía HA. Kết quả
về d ng điện ngắn mạch cực đại, từ trường tản và ứng suất lực trên cu n dây HA và CA của
hai phương ph p này được so sánh với nhau.
(2) X c định vị trí có giá trị ứng suất lực điện từ lớn nhất trên vòng dây cu n HA và CA
hình chữ nhật của MB VĐH trong trường hợp ngắn mạch 3 pha đối xứng bằng phương ph p
PTHH 3D. Tính toán ứng suất nhiệt do sự chênh lệch nhiệt đ giữa dây quấn và c ch điện
epoxy, từ đó x c định ứng suất tổng hợp tác d ng lên dây quấn bọc epoxy. Kết này được so
sánh với ứng suất tiêu chuẩn cho phép của dây quấn MBA.
(3) Xây dựng đường cong kh i qu t đ nh gi đ tăng của giá trị ứng suất theo bán kính
cong cu n d y kh c nhau. Thông qua đường cong này, nếu thay đổi bán kính từ tr n đến
vuông thì ứng suất lực sẽ tăng l n 31%, khuyến c o cho người thiết kế MBA lựa chọn hợp lí
bán kính cong dây quấn.

5. Cấu trúc nội dung của luận án
Ngoài phần mở đầu và các m c theo quy định, n i dung nghiên cứu của luận n được
trình ày trong 4 chương và ph l c, c thể:
Mở đầu: Trình bày các vấn đề chung của luận án, tóm tắt về n i dung nghiên cứu, những
đóng góp của luận án và kết cấu của luận án.
Chƣơng 1: Tổng quan. Luận án giới thiệu tổng quát về MBA khô có cu n d y đúc

epoxy, phân tích ưu và nhược điểm loại MBA này so với MBA dầu. Sau đó trình bày về
MB lõi th p VĐH, đã được nghiên cứu trong nước và ngoài nước về vấn đề giảm tổn hao và


5
thiết kế MB VĐH; nghiên cứu lực điện từ ở MBA silic; lực điện từ MB VĐH. Tr n cơ sở
phân tích những vấn đề nghiên cứu thu c l nh vực đề tài còn tồn tại, luận án đề ra m c tiêu,
phương ph p nghi n cứu để giải quyết và khắc ph c những nhược điểm còn tồn tại đó.
Chƣơng 2. Mô hình toán của từ trƣờng tản trong cửa sổ mạch từ máy biến áp.
Chương này, luận án trình bày lý thuyết về d ng điện ngắn mạch ở trạng thái xác lập và quá
đ , nguyên nhân gây ra lực điện từ và các thành phần của lực điện từ tác d ng lên dây quấn
MB lõi th p VĐH có cấu trúc đặc biệt hình chữ nhật. Đề ra sự cần thiết xây dựng mô hình
toán để tính toán lực điện từ. Sau đó, luận án tiến hành xây dựng mô hình toán tính toán từ
trường tản trong vùng không gian dây quấn của MBA với từ thế vectơ A.
Chƣơng 3. Tính toán ứng suất lực điện từ bằng phƣơng pháp giải tích và phần tử
hữu hạn 2D. Trong chương này, luận án tập trung vào việc xây dựng m t mô hình tính toán
ứng suất trên dây quấn MBA công suất 630kV trong trường hợp ngắn mạch 3 pha đối xứng.
Quá trình phân tích tính toán ứng suất trên dây quấn được tiến hành tr n hai phương ph p giải
tích và PTHH 2D. Kết quả về thời gian phân tích và các giá trị về từ cảm tản và ứng suất của
cả hai phương ph p lần lượt được so sánh với nhau, để có thể tìm ra được m t phương ph p
phân tích tính toán phù hợp nhất. Đồng thời mở ra hướng nghiên cứu cho chương 4, s d ng
phương ph p PTHH 3D cho mô hình MBA có kết cấu phức tạp hơn.
Chƣơng 4. Tính toán lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng lên dây quấn máy biến áp.
Trong chương này, luận án tiến hành xây dựng m t thuật toán mô phỏng MB VĐH 3 pha có
công suất 630kVA-22/0,4kV, trong trường hợp không tải và ngắn mạch th nghiệm, các kết
quả về giá trị d ng điện, điện áp, tổn hao không tải và ngắn mạch được so sánh với các kết
quả th nghiệm của nhà sản xuất. Tr n cơ sơ đúng đắn của mô hình mô phỏng, tiến hành cho
ngắn mạch sự cố phía hạ p MB để ph n t ch và đưa ra kết quả từ trường tản, lực điện từ
hướng k nh và hướng tr c tác d ng vào cu n dây CA và HA. Từ đó x c định vị trí có ứng lực
lớn nhất trên cu n dây HA và CA có hình dạng chữ nhật; giá trị ứng suất lớn nhất được so

sánh với ứng suất cho phép của dây quấn.
Sau đó, luận án đã tiến hành mô phỏng nhiều trường hợp với bán kính cong dây quấn
thay đổi từ tr n đến vuông. Từ đó đưa ra hai đường cong quan hệ giữa ứng suất với bán kính
cong dây quấn. Kết quả giúp cho sự lựa chọn hợp lí giữa bán kính cong dây quấn theo hệ số
gia tăng của ứng suất lực.
Ứng suất tác d ng vào dây quấn MBA khô, tẩm c ch điện epoxy là tổng xếp chồng ứng
suất do lực điện từ; ứng suất do đ chênh lệch nhiệt đ giữa dây quấn và epoxy; và ứng lực do
phân bố nhiệt đ không đồng đều ở lớp epoxy. Do đó, phần cuối của luận án đã tính toán ứng
suất tổng hợp tác d ng lên dây quấn MBA bọc lớp epoxy, có x t đến các ứng suất nhiệt này.


6

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu
Trong chương này, luận án giới thiệu tổng quát về MBA khô có cu n d y đúc epoxy,
ph n t ch ưu và nhược điểm loại MBA này so với MBA dầu. Sau đó trình ày MB lõi th p
VĐH, đã được nghiên cứu trong nước và ngoài nước về: vấn đề giảm tổn hao, tính toán và
thiết kế MB VĐH; nghi n cứu lực điện từ ở MBA silic, lực điện từ MB VĐH. Tr n cơ sở
những vấn đề còn tồn tại về nghiên cứu lực điện từ của MB lõi th p VĐH, tác giả đề ra
hướng nghiên cứu cho luận án.

1.2. Máy biến áp khô
1.2.1. Khái niệm:
MBA đầu tiên xuất hiện vào khoảng năm 1890 là m t MBA khô. C ch điện khô tản nhiệt
kém, mặt kh c an đầu chưa có c ch điện chịu được nhiệt đ cao, đ bền c ch điện còn hạn
chế nên MBA khô có cấp điện p chưa cao, công suất cũng chưa đủ lớn. Sự phát triển của
MBA được nâng lên m t bậc do sự xuất hiện của dầu biến p. Đến 1980 hầu hết các MBA
được sản xuất ph c v cho các toà cao ốc và trạm điện ngoài trời là MBA dầu.

MBA dầu không đ p ứng được những yêu cầu nghiêm ngặt về môi trường và an toàn –
phòng chống cháy nổ, dầu MBA là chất d cháy và sản phẩm cháy của nó lại gây ô nhi m môi
trường.
MBA khô đ p ứng được tối đa y u cầu về an toàn phòng chống cháy nổ. Từ những năm
80 thu c thế kỷ XX, MBA khô ngày càng được hoàn thiện và ph t huy đươc những những ưu
điểm của nó. Xu hướng hiện nay, những địa điểm có yêu cầu nghiêm ngặt về môi trường và
an toàn – phòng chống cháy nổ, khách sạn, các tòa nhà cao ốc, văn ph ng ch nh phủ và những
nơi đông d n cư thì MBA khô sẽ được ưu ti n s d ng.
Có hai loại MBA khô thường gặp: MBA có cu n d y không đúc trong c ch điện rắn và
MBA có cu n d y đúc trong c ch điện rắn.
MBA khô có cu n d y không đúc trong c ch điện rắn là loại máy có dây quấn được bọc
bằng c ch điện cấp F hoặc cấp H như giấy nomex, kaptofilm, vải thuỷ tinh v.v... Nhược điểm
MBA khô có cu n d y không đúc trong c ch điện rắn là nhạy cảm với đ ẩm, khói b i công
nghiệp, hơi mặn và khả năng ph ng chống cháy nổ k m hơn loại m y đúc ằng nhựa epoxy


7
nên hiện nay chỉ làm việc tới mức điện áp là 17,5kV và th xung toàn sóng tới 95kV. Chính
vì thế, hiện nay người ta chủ yếu dùng loại MBA có cu n d y đúc trong c ch điện rắn [8].

1.2.2. Máy biến áp khô có cuộn dây đúc trong cách điện rắn
C ch điện rắn để đúc cu n dây MBA khô là loại vật liệu có đ bền cơ, điện, nhiệt cao,
chịu được môi trường b i bẩn, hoá chất, đ ẩm cao, gần biển, có khả năng chống cháy nổ,
v.v…Chất c ch điện rắn phổ biến nhất hiện nay là composit có chứa gốc epoxy.
MBA khô có cu n d y đúc trong chất cách điện rắn thích hợp ở những nơi có y u cầu cao
về phòng chống cháy nổ, nơi đông người qua lại, các công trình gần biển, các toà nhà cao
tầng, dưới l ng đất v.v...Số lượng MBA khô loại này ngày càng chiếm thị phần lớn trên thị
trường thế giới. So với MBA khô cu n d y không đúc trong c ch điện rắn thì công nghệ chế
tạo cu n dây loại máy này phức tạp hơn nhiều, đ i hỏi yêu cầu kỹ thuật cao hơn. Hình 1.1 là
loại MBA khô có cu n d y đúc trong epoxy.

Hình 1.1. Máy biến áp khô đúc bằng nhựa epoxy [8]

1.2.3. Ưu nhược điểm của máy biến áp dầu và máy biến áp khô
1.2.3.1.

Máy biến áp dầu

a. Ưu điểm:
+ Chế tạo đơn giản, giá thành rẻ hơn so với MBA khô cùng loại
+ Dầu MBA có khả năng c ch điện cao lại có khả năng tuần hoàn làm mát tự nhiên tốt
nên có thể chế tạo MBA có điện p đến hàng trăm kV, công suất đến hàng trăm MV
+ Khả năng qu tải lớn do dầu MBA tản nhiệt tốt hơn không kh
b. Nhược điểm:
+ Không thích hợp ở những nơi có y u cầu cao về phòng chống cháy nổ, các công trình
gần biển, khu đông người, các nhà máy hoá chất, hầm lò v.v...


8
+ Khi xảy ra sự cố thì thường gây nên cháy nổ, dầu máy tràn ra và gây cháy tạo nên các
khí thải ra môi trường xung quanh gây ô nhi m môi trường và ảnh hưởng đến sức khoẻ của
con người.
+ Thường xuyên phải kiểm tra mức dầu, sự rò rỉ dầu, chi phí bảo dưỡng và vận hành lớn
+ Không gian lắp đặt chiếm nhiều diện tích hơn so với MBA khô có cùng công suất
+ Khả năng vận chuyển đi xa khó khăn hơn và k m an toàn hơn.
1.2.3.2. Máy biến áp khô
a. Ưu điểm:
+ Có khả năng ph ng chống cháy nổ cao, có khả năng tự dập cháy tốt.
Hình 1.2 mô tả thí nghiệm về khả năng chống cháy cu n d y đúc epoxy

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]

+ Không gây ô nhi m môi trường
+ Chịu được môi trường công nghiệp, nơi có đ ẩm lớn và nước biển
+ Cu n d y được quấn bằng dây dẫn có hình dạng đặc biệt và được tẩm, đúc ằng nhựa
epoxy tạo thành m t khối vững chắc, có khả năng chịu được dòng ngắn mạch, lực điện từ tốt
hơn
+ Thời gian lắp đặt nhanh, chi phí bảo dưỡng hàng năm t
+ Có khả năng chịu được xung điện áp lớn do cu n d y được đúc trong epoxy tạo thành
m t khối vững chắc, mặt khác hai vùng dây kề nhau đóng vai tr như hai ản cực của m t t
điện làm phân bố điện p c c v ng d y đồng đều hơn [8]
+ K ch thước lắp đặt nhỏ hơn so với MBA dầu
+ Có thể lắp đặt gần tải, tiết kiệm được cáp hạ áp.
2. Nhược điểm:
+ Công nghệ đúc cu n dây cao áp phức tạp, giá thành của MBA khô cao hơn so với
MBA dầu cùng loại
+ Do khả năng làm m t và khả năng c ch điện của vật liệu khô bị hạn chế, vì vậy công
suất, cấp điện áp của MBA khô bị giới hạn
+ Khả năng qu tải k m hơn so với MBA dầu.