Luận án tiến sĩ 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.
3.2.2.
3.2.3.
3.2.4.

Mô hình máy biến áp 630kVA - 22/0,4kV ........................................................... 43
Tính dòng ngắn mạch trên các cuộn dây .............................................................. 43
Tính toán từ trường tản trên các cuộn dây hạ áp và cao áp .................................. 45
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.
4.5.2.
4.5.3.
4.5.4.

Dòng điện ngắn mạch ........................................................................................... 71
Phân bố từ trường tản ........................................................................................... 72
Phân tích ứng suất lực ngắn mạch trên cuộn dây hạ áp và cao áp ........................ 73
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.
4.6.5.
4.6.6.
4.6.7.
4.6.8.
4.6.9.

Trường hợp r = 18 mm ......................................................................................... 83
Trường hợp r = 30 mm ......................................................................................... 84
Trường hợp r = 45 mm ......................................................................................... 85
Trường hợp r = 90 mm ......................................................................................... 86
Nhận xét 7 trường hợp r thay đổi .......................................................................... 88
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 /

Đơn vị

Ý nghĩa

Viết tắt
Hc

A/m

Lực kháng từ

t

mm

Độ dày của lá thép

ρ

µΩcm

f

Hz

Tần số

u

V

Điện áp tức thời

U

V

Điện áp hiệu dụng

Uđm

V

Điện áp hiệu dụng định mức

Điện trở suất

Điện áp ngắn mạch phần trăm

u%
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

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

Từ thông móc vòng


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

J

A/m2

A

Wbm-1

B

T

Vectơ cảm ứng từ
Vectơ mật độ dòng điện
Vectơ từ thế
Cảm ứng từ (mật độ từ thông)

ε

Fm

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

h11

mm

Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành dưới cuộn HA

h12

mm

Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành dưới cuộn CA

h21

mm

Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành trên cuộn HA

h22

mm

Chiều cao từ gốc tọa độ tới thành trên cuộn CA

d11

mm

Khoảng cách từ trụ đến thành trong cuộn HA

d12

mm

Khoảng cách từ trụ đến thành trong cuộn CA

d21

mm

Khoảng cách từ trụ đến thành ngoài cuộn HA

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

axb

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

d2

-1

Hệ số điện môi


ix

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU
Ý nghĩa

Viết tắt
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] ....................................................................... 18
Hình 1.22. Lực hướng trục cuộn HA [40] ............................................................................... 18
Hình 1.23. Các vị trí khảo sát trên cuộn dây [38] .................................................................... 19
Hình 1.24. Lực hướng kính trên cuộn HA [38] ....................................................................... 19
Hình 1.25. Cấu trúc kẹp cuộn dây của MBAVĐH [32] .......................................................... 20
Hình 1.26. Sơ đồ cuộn HA và CA [59] ................................................................................... 21
Hình 1.27. MBAVĐH ba pha cuộn dây hình chữ nhật [59] .................................................... 21
Hình 1.28. Cuộn HA và CA..................................................................................................... 21
Hình 1.29. Cuộn HA và CA sau khi bị tác động lực điện từ ................................................... 21
Hình 2.1. Dòng điện ngắn mạch tại các thời điểm góc ban đầu điện áp ψ khác nhau [8] ..... 26
Hình 2.2. Hướng xác định lực điện từ [52]............................................................................ 28

Hình 2.3. Quá trình sinh ra lực cơ khí phá hỏng dây quấn MBA .......................................... 28
Hình 2.4. Dây quấn MBA bị uốn cong [11] .......................................................................... 29
Hình 2.5. Dạng sóng của lực điện từ [11,53]......................................................................... 29


xi
Hình 2.6. Biến dạng dây quấn gây ra bởi lực hướng trục [50] .............................................. 29
Hình 2.7. Biến dạng dây quấn gây ra bởi lực hướng kính [60] ............................................. 29
Hình 2.8. Uốn cong của dây quấn [63,64] ............................................................................. 29
Hình 2.9. Các thành phần của từ cảm tản và lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA ......... 30
Hình 2.10. Lực điện từ hướng kính của dây quấn đồng tâm đối xứng .................................... 30
Hình 2.11. Lực dọc trục của dây quấn đồng tâm không đối xứng........................................... 31
Hình 2.12. Mô hình các kích thước 2D của MBA ................................................................... 35
Hình 2.13. Thành phần từ cảm theo trục x, y tại các đường biên của cửa sổ mạch từ MBA
............................................................................................................................... 36
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] ................................................ 39
Hình 3.1. Lưu đồ thuật toán tính ứng suất tác dụng trên dây quấn........................................ 42
Hình 3.2. Dòng điện ngắn mạch trên cuộn CA...................................................................... 44
Hình 3.3. Dòng điện ngắn mạch trên cuộn HA ..................................................................... 44
Hình 3.4. Các kích thước mạch từ và cuộn dây của MBA .................................................... 47
Hình 3.5. Đồ thị vectơ từ thế A(x,y) trong cửa sổ mạch từ ................................................... 49
Hình 3.6. Đồ thị từ cảm hướng kính Bx ................................................................................. 49
Hình 3.7. Đồ thị từ cảm hướng trục By .................................................................................. 50
Hình 3.8. Phân bố từ cảm tại cạnh ngoài cùng cuộn HA....................................................... 50
Hình 3.9. Phân bố từ cảm tại cạnh trong cùng cuộn CA ....................................................... 51
Hình 3.10. Tọa độ các điểm khảo sát theo bề dày cuộn HA và CA ........................................ 52
Hình 3.11. Đồ thị phân bố ứng suất σx cuộn HA ứng với ba vị trí x khác nhau...................... 52
Hình 3.12. Đồ thị phân bố ứng suất σy cuộn HA ứng với ba vị trí x khác nhau...................... 52
Hình 3.13. Đồ thị phân bố ứng suất σx cuộn CA ứng với ba vị trí x khác nhau ...................... 52

Hình 3.14. Đồ thị phân bố ứng suất σy cuộn CA ứng với ba vị trí x khác nhau ...................... 52
Hình 3.15. Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh ngoài cùng cuộn HA ................................... 53
Hình 3.16. Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh trong cùng cuộn CA .................................... 53
Hình 3.17. Mô hình MBA trong Ansys Maxwell .................................................................... 54
Hình 3.18. Mô hình chia luới trong Ansys Maxwell ............................................................... 54
Hình 3.19. Biểu diễn vectơ từ cảm B ...................................................................................... 55
Hình 3.20. Biểu diễn độ lớn từ cảm B ..................................................................................... 55
Hình 3.21. Phân bố từ cảm tại cạnh ngoài cùng cuộn HA....................................................... 55
Hình 3.22. Phân bố từ cảm tại cạnh trong cùng cuộn CA ....................................................... 55
Hình 3.23. Phân bố lực trên cuộn HA và CA .......................................................................... 56
Hình 3.24. Đồ thị phân bố ứng suất x cuộn HA ứng với ba vị trí x khác nhau ..................... 56
Hình 3.25. Đồ thị phân bố ứng suất σy cuộn HA ứng với ba vị trí x khác nhau...................... 56
Hình 3.26. Đồ thị phân bố ứng suất x cuộn CA ứng với ba vị trí x khác nhau...................... 56
Hình 3.27. Đồ thị phân bố ứng suất y cuộn CA ứng với ba vị trí x khác nhau...................... 56


xii
Hình 3.28. Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh ngoài cùng cuộn HA ................................... 57
Hình 3.29. Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh trong cùng cuộn CA .................................... 57
Hình 3.30. Tóm tắt quá trình thực hiện so sánh giữa phương pháp giải tích và PTHH 2D
............................................................................................................................... 58
Hình 3.31. Đồ thị phân bố ứng suất lực x trên cuộn HA giữa giải tích và PTHH 2D ........... 59
Hình 3.32. Đồ thị phân bố ứng suất lực y trên cuộn HA giữa giải tích và PTHH 2D ........... 59
Hình 3.33. Đồ thị phân bố ứng suất lực x trên cuộn CA giữa giải tích và PTHH 2D ........... 59
Hình 3.34. Đồ thị phân bố ứng suất lực y trên cuộn CA giữa giải tích và PTHH 2D ........... 59
Hình 4.1. Lưu đồ thuật toán tính ứng suất trên các cuộn dây ................................................ 64
Hình 4.2. Quá trình giải quyết bài toán bằng phương pháp PTHH [15] ............................... 65
Hình 4.3. Đường cong từ hóa của vật liệu VĐH 2605SA1 [55] ........................................... 66
Hình 4.4. Mô hình cụ thể kích thước mạch từ và dây quấn MBAVĐH ................................ 66
Hình 4.5. Ký hiệu tọa độ của các đường thẳng khảo sát ....................................................... 66

Hình 4.6. Lõi thép MBA bằng vật liệu VĐH ........................................................................ 67
Hình 4.7. Mạch từ và cuộn dây của MBAVĐH .................................................................... 67
Hình 4.8. Mô hình MBAVĐH trong phân tích Ansys Maxwell 3D...................................... 67
Hình 4.9. Sơ đồ mạch điện CA và HA của MBA.................................................................. 68
Hình 4.10. Kết quả chia lưới mô hình MBA trong Ansys Maxwell........................................ 68
Hình 4.11. Không gian giới hạn mô phỏng ............................................................................. 68
Hình 4.12. Kích thước mở rộng theo các chiều ....................................................................... 68
Hình 4.13. Phân bố từ cảm B trong mạch từ khi chưa ngắn mạch .......................................... 69
Hình 4.14. Điện áp CA định mức ............................................................................................ 69
Hình 4.15. Điện áp HA định mức ............................................................................................ 69
Hình 4.16. Dòng điện CA định mức ........................................................................................ 70
Hình 4.17. Dòng điện HA định mức........................................................................................ 70
Hình 4.18. Tổn hao không tải MBA ........................................................................................ 70
Hình 4.19. Tổn hao ngắn mạch của MBA ............................................................................... 70
Hình 4.20. Dòng điện ngắn mạch trên cuộn CA...................................................................... 71
Hình 4.21. Dòng điện ngắn mạch trên cuộn HA ..................................................................... 71
Hình 4.22. Phân bố từ cảm trên mạch từ và cuộn dây của MBA tại thời điểm t =25ms ......... 72
Hình 4.23. Phân bố từ cảm trên mạch từ và cuộn dây của MBA tại thời điểm t =25ms ......... 72
Hình 4.24. Từ cảm tại cạnh ngoài cùng cuộn HA ................................................................... 72
Hình 4.25. Từ cảm tại cạnh trong cùng cuộn CA .................................................................... 72
Hình 4.26. Mặt cắt đối xứng của mô hình ½ MBA 3D ........................................................... 73
Hình 4.27. Đồ thị ứng suất x theo chiều cao cuộn HA ứng với ba vị trí x khác nhau ........... 74
Hình 4.28. Đồ thị ứng suất z theo chiều cao cuộn HA ứng với ba vị trí x khác nhau ........... 74
Hình 4.29. Đồ thị ứng suất x theo chiều cao cuộn CA ứng với ba vị trí x khác nhau ........... 74
Hình 4.30. Đồ thị ứng suất z theo chiều cao cuộn CA ứng với ba vị trí x khác nhau ........... 74


xiii
Hình 4.31. Tổng ứng suất xz trên cuộn HA............................................................................ 75
Hình 4.32. Tổng ứng suất xz trên cuộn CA ............................................................................ 75

Hình 4.33. Các đường thẳng khảo sát trên cuộn HA ............................................................... 76
Hình 4.34. Vị trí 10 đường khảo sát trên cuộn HA ứng với r =12 .......................................... 76
Hình 4.35. Phân bố ứng suất của 10 vị trí theo chiều cao cuộn HA ........................................ 76
Hình 4.36. Phân bố ứng suất trên cuộn HA ............................................................................. 76
Hình 4.37. Phân bố ứng suất lớn trên cuộn HA ....................................................................... 77
Hình 4.38. Phân bố ứng suất trên cuộn HA ............................................................................. 77
Hình 4.39. Các đường thẳng khảo sát trên cuộn CA ............................................................... 77
Hình 4.40. Vị trí 10 đường khảo sát ........................................................................................ 77
Hình 4.41. Phân bố ứng suất của 10 vị trí theo chiều cao cuộn CA ........................................ 78
Hình 4.42. Phân bố ứng suất trên cuộn CA ............................................................................. 78
Hình 4.43. Phân bố ứng suất lớn trên cuộn CA ....................................................................... 78
Hình 4.44. Phân bố ứng suất trên cuộn CA ............................................................................. 78
Hình 4.45. Bán kính r bên trong cuộn HA và các kích thước khác của cuộn dây ................... 79
Hình 4.46. Kích thước ½ của cuộn CA và HA ........................................................................ 80
Hình 4.47. Cuộn HA và CA trong Ansys Maxwell ................................................................. 80
Hình 4.48. Dòng điện ngắn mạch cuộn CA ............................................................................. 81
Hình 4.49. Dòng điện ngắn mạch cuộn HA............................................................................. 81
Hình 4.50. Phân bố ứng suất trên cuộn HA ............................................................................. 81
Hình 4.51. Phân bố ứng suất trên cuộn CA ............................................................................. 81
Hình 4.52. Kích thước ½ của cuộn CA và HA ........................................................................ 82
Hình 4.53. Cuộn HA và CA trong Ansys Maxwell ................................................................. 82
Hình 4.54. Phân bố ứng suất trên cuộn HA ............................................................................. 82
Hình 4.55. Phân bố ứng suất trên cuộn CA ............................................................................. 82
Hình 4.56. Kích thước ½ của cuộn CA và HA ........................................................................ 83
Hình 4.57. Cuộn HA và CA trong Ansys Maxwell ................................................................. 83
Hình 4.58. Phân bố ứng suất trên cuộn HA ............................................................................. 84
Hình 4.59. Phân bố ứng suất trên cuộn CA ............................................................................. 84
Hình 4.60. Kích thước ½ của cuộn CA và HA ........................................................................ 84
Hình 4.61. Cuộn HA và CA trong Ansys Maxwell ................................................................. 84
Hình 4.62. Phân bố ứng suất trên cuộn HA ............................................................................. 85

Hình 4.63. Phân bố ứng suất trên cuộn CA ............................................................................. 85
Hình 4.64. Kích thước ½ của cuộn CA và HA ........................................................................ 85
Hình 4.65. Cuộn HA và CA trong Ansys Maxwell ................................................................. 85
Hình 4.66. Phân bố ứng suất trên cuộn HA ............................................................................. 86
Hình 4.67. Phân bố ứng suất trên cuộn CA ............................................................................. 86
Hình 4.68. Kích thước ½ của cuộn CA và HA ........................................................................ 87


xiv
Hình 4.69. Cuộn HA và CA trong Ansys Maxwell ................................................................. 87
Hình 4.70. Phân bố ứng suất trên cuộn HA ............................................................................. 87
Hình 4.71. Phân bố ứng suất trên cuộn CA ............................................................................. 87
Hình 4.72. Phân bố ứng suất trên cuộn HA với 7 trường hợp bán kính r khác nhau .............. 88
Hình 4.73. Phân bố ứng suất trên cuộn CA với 7 trường hợp bán kính r khác nhau .............. 88
Hình 4.74. Đường cong (1): Giá trị ứng suất theo bán kính r.................................................. 89
Hình 4.75. Kích thước r và R................................................................................................... 90
Hình 4.76. Đường cong (2): Độ tăng của ứng suất lực theo tỉ số: (r + R)/r ............................ 90
Hình 4.77. Các kích thước của cuộn dây và lớp epoxy ........................................................... 92
Hình 4.78. Phân bố nhiệt độ theo hướng kính epoxy sau thời điểm ngắn mạch (thời điểm
ngắn mạch τ = 0 giây) [8] ...................................................................................... 93
Hình 4.79. Áp suất thay đổi chiều cao dây quấn ..................................................................... 94
Hình 4.80. Ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp ....................................................................... 102


xv

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

Bảng 3.3.
Bảng 3.4.

Các giá trị thông số điện cơ bản MBA .................................................................. 43
Bảng kết quả dòng điện ngắn mạch cực đại .......................................................... 45
Bảng các kích thước mạch từ và cuộn dây MBA .................................................. 47
Bảng kết quả giá trị ứng suất tổng lớn nhất trên cuộn HA và cuộn CA bằng
phương pháp giải tích ............................................................................................ 54

Bảng 3.5. Bảng kết quả giá trị ứng suất lực lớn nhất tại cạnh ngoài cuộn HA và cạnh
trong cuộn CA bằng phương pháp PTHH 2D ....................................................... 58
Bảng 3.6. So sánh kết quả từ cảm tản trên cuộn HA và CA giữa phương pháp giải tích
và PTHH 2D .......................................................................................................... 59
Bảng 3.7. So sánh kết quả ứng suất lực có giá trị lớn nhất giữa phương pháp giải tích và
PTHH 2D ............................................................................................................... 60
Bảng 4.1. Các kích thước cụ thể của MBAVĐH ................................................................... 65
Bảng 4.2. Các thông số đo đạc thực nghiệm của MBAVĐH 630 kVA - 22/0,4 kV ............. 66
Bảng 4.3. So sánh các giá trị mô phỏng và thực tế ................................................................ 70
Bảng 4.4. Bảng giá trị ứng suất lực ở 3 vị trí theo bề dày cuộn HA và CA........................... 74
Bảng 4.5. Bảng kết quả phân bố ứng suất có giá trị lớn nhất ................................................ 75
Bảng 4.6. Bảng so sánh kết quả của hai phương pháp giải tích và PTHH............................. 75
Bảng 4.7. Bảng kết quả phân bố ứng suất có giá trị lớn nhất giữa phương pháp PTHH
3D mặt cắt và PTHH 3D........................................................................................ 79
Bảng 4.8. Chiều dài cuộn dây và dòng điện ngắn mạch cực đại tại r =10 mm ...................... 82
Bảng 4.9. Chiều dài cuộn dây và dòng điện ngắn mạch cực đại tại r =18 mm ...................... 83
Bảng 4.10. Chiều dài cuộn dây và dòng điện ngắn mạch cực đại tại r =30 mm ...................... 84
Bảng 4.11. Chiều dài cuộn dây và dòng điện ngắn mạch cực đại tại r =45 mm ...................... 86
Bảng 4.12. Chiều dài cuộn dây và dòng điện ngắn mạch cực đại tại r =90 mm ...................... 87
Bảng 4.13. Chiều dài cuộn dây và dòng điện ngắn mạch của 7 trường hợp ............................ 88
Bảng 4.14. Vị trí ứng suất lớn nhất tại r =2; 10; 12; 18; 30; 45 và 90 mm .............................. 89

Bảng 4.15. Các kích thước của cuộn dây và lớp epoxy ........................................................... 92
Bảng 4.16. Các hằng số của dây quấn và vật liệu epoxy [5].................................................... 93
Bảng 4.17. Giải thích các kí hiệu thành phần ứng suất nhiệt ................................................... 94


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Máy biến áp (MBA) phân phối luôn đóng góp một 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 nghĩa 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 cuộc đời vận hành của MBA, không phụ thuộc vào tải. Để giảm tổn hao công suất trong
MBA, cần thiết kế máy sao cho tổng tổn hao của cuộn dây đồng và tổn hao sắt nhỏ nhất, trong
đó tổn hao sắt phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng loại thép. Trong thời gian gần đây, công nghệ
vật liệu từ đã có những tiến bộ nhảy vọt cho phép ứng dụng 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 thép VĐH đáp ứng các yêu cầu để giảm tổn hao lõi. Chính vì vậy, MBA lõi thép
VĐH (MBAVĐH) ngày càng được sử dụng rộng 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 sử dụng MBAVĐH và đưa ra so sánh chi phí tổn thất giữa hai loại MBA lõi
thép silic thông thường và lõi VĐH, từ đó khẳng định sử dụng MBAVĐH giảm tổn hao không
tải từ 60-70% và sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao.
MBAVĐH 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 lên cuộn dây cũng sẽ không đối xứng trên
cùng một vòng dây. Đặc biệt hơn là lúc xảy ra ngắn mạch thì lực này lớn sẽ rất nguy hiểm đối

với cuộn dây [59,71,72,81].
Lực điện từ tác dụng lên dây quấn của MBA được sinh ra là do sự tương tác giữa dòng điện
và từ trường tản trong vùng dây quấn. Khi MBA hoạt động trong điều kiện bình thường, tác
dụng của lực điện từ lên các dây quấn nhỏ do từ trường tản và dòng điện tương đối nhỏ nhưng
khi MBA bị ngắn mạch sự cố (tức là MBA đang làm việc với điện áp sơ cấp định mức Uđm,
phía đầu cực thứ cấp xảy ra ngắn mạch), lúc này toàn bộ điện áp định mức đặt lên tổng trở ngắn
mạch rất nhỏ của MBA nên dòng điện ngắn mạch quá độ sẽ rất lớn. Trong các trường hợp ngắn
mạch thì trường hợp ngắn mạch 3 pha đối xứng có trị số dòng 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 cuộn dây được đúc bằng nhựa epoxy với đặc tính ưu điểm không
bắt lửa, tự dập tắt lửa và chống cháy do tia lửa điện. Ngoài ra, nó có sức bền cơ, chịu quá tải
cao, khả năng chống ẩm, độ ồn thấp và bảo dưỡng dễ dàng. Do vậy, loại MBA này được sử
dụng nhiều ở các tòa nhà, khu dân cư, đường hầm, trên tàu bè và trên 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 độ không đồng đều trong lớp epoxy
(2) Ứng suất do chênh lệch nhiệt độ 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 dụng lên dây quấn MBA khi ngắn mạch và kích thước hợp lí của bán kính cong dây quấn
theo độ tăng của ứng suất lực là các nghiên cứu cần được thực hiện.
Do đó, 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” được đặt ra là cần thiết và có ý nghĩa quan
trọng trong giai đoạn hiện nay.

2. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu


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



Tìm ra vùng có ứng suất lực lớn giữa cuộn HA và CA. Từ đó xác định vị trí có ứng lực
lớn nhất trên vòng dây HA và CA của MBAVĐH trong điều kiện hình dạng của cuộn
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 đánh giá và khuyến cáo của sự
phụ thuộc ứng suất lực vào bán kính cong dây quấn, giúp sự lựa chọn hợp lí bán kính
cong tại góc của dây quấn theo độ tăng của ứng suất lực.



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

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

3
Phạm vi nghiên cứu


Tập trung vào xây dựng mô hình toán của từ trường tản trong cửa 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 dòng điện ngắn mạch cực đại.



Ứng dụng phương pháp PTHH bằng phần mềm mô phỏng Ansys Maxwell 2D và 3D
để xác 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 phụ thuộc của giá trị ứng suất lực vào bán kính cong của
dây quấn. Từ đó, đưa ra cách lựa chọn hợp lí giữa bán kính cong dây quấn theo độ tăng
của ứng suất lực.

Phương pháp nghiên cứu


Sử dụng phương pháp giải tích số bằng công cụ tính toán Matlab để giải mô hình toán.



Sử dụng phương pháp PTHH 2D để tính toán ứng suất lực trên dây quấn MBA. Kết

quả được so sánh với phương pháp giải tích số. Đồng thời, mở ra hướng nghiên cứu là
sử dụng phương pháp PTHH 3D cho những bài toán có tính chất phi tuyến và hình dạng
phức tạp.



Sử dụng phương pháp PTHH 3D bằng phần mềm mô phỏng Ansys Maxwell để phân
tích và tính toán ứng suất lực trên dây quấn MBA trong điều kiện ngắn mạch sự cố mà
phương pháp thực nghiệm không thực hiện được. Từ đó xác 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 bản dòng điện ngắn mạch, từ trường và lực
điện từ tác dụng 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 pháp giải tích số và phương pháp PTHH để tính toán lực điện từ tác
dụng lên dây quấn MBA. Để từ đó chứng minh tính hiệu quả của phương pháp PTHH.



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

Ý nghĩa thực tiễn


Bài toán nghiên cứu về phân bố từ trường, lực điện từ ngắn mạch tác dụng lên dây quấn
MBA, từ đó xác định vị trí có ứng suất lực lớn nhất trên dây quấn của MBA, có ý nghĩa
thực tiễn giúp cho việc tính toán, thiết kế tối ưu cuộn dây của MBA. Phần nào tham gia


4
vào nghiên cứu hoàn thiện công nghệ và chế tạo MBA sử dụng vật liệu VĐH ở Việt
Nam.


Phương pháp PTHH với phần mềm Ansys Maxell 3D cho phép tìm ra phân bố ứng lực
trên từng vị trí vòng dây trong trường hợp ngắn mạch sự cố nguy hiểm nhất phía hạ áp
MBA mà phương pháp thực nghiệm không thực hiện được. Giúp ích cho các kỹ sư
trong việc thiết kế MBA và giảm công sức thử nghiệm phá hủy khi chế tạo MBA.

4. Các đóng góp mới của luận án
Nội dung của luận án đã tập trung nghiên cứu tính toán lực ngắn mạch tổng hợp tác dụng
lên dây quấn MBA khô bọc epoxy sử dụng lõi thép VĐH. Luận án đã đạt được một 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 cửa sổ mạch từ MBA với từ
thế vectơ A. Ứng dụng phương pháp giải tích và PTHH 2D để tính ứng suất lực hướng trục và
hướng kính trên các dây quấn trong trường hợp ngắn mạch 3 pha đối xứng phía HA. Kết quả
về dòng điện ngắn mạch cực đại, từ trường tản và ứng suất lực trên cuộn dây HA và CA của
hai phương pháp này được so sánh với nhau.

(2) Xác định vị trí có giá trị ứng suất lực điện từ lớn nhất trên vòng dây cuộn HA và CA
hình chữ nhật của MBAVĐH trong trường hợp ngắn mạch 3 pha đối xứng bằng phương pháp
PTHH 3D. Tính toán ứng suất nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và cách điện
epoxy, từ đó xác định ứng suất tổng hợp tác dụng 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 khái quát đánh giá độ tăng của giá trị ứng suất theo bán kính
cong cuộn dây khác nhau. Thông qua đường cong này, nếu thay đổi bán kính từ tròn đến vuông
thì ứng suất lực sẽ tăng lên 31%, khuyến cáo 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 mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận án được trình
bày trong 4 chương và phụ lục, cụ thể:
Mở đầu: Trình bày các vấn đề chung của luận án, tóm tắt về nội dung nghiên cứu, những
đóng góp của luận án và kết cấu của luận án.
Chương 1: Tổng quan. Luận án giới thiệu tổng quát về MBA khô có cuộn dây đúc epoxy,
phân tích ưu và nhược điểm loại MBA này so với MBA dầu. Sau đó trình bày về MBA lõi thép
VĐH, đã được nghiên cứu trong nước và ngoài nước về vấn đề giảm tổn hao và thiết kế
MBAVĐH; nghiên cứu lực điện từ ở MBA silic; lực điện từ MBAVĐH. Trên cơ sở phân tích
những vấn đề nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài còn tồn tại, luận án đề ra mục tiêu, phương pháp
nghiên cứu để giải quyết và khắc phục những nhược điểm còn tồn tại đó.


5
Chương 2. Mô hình toán của từ trường tản trong cửa sổ mạch từ máy biến áp. Chương
này, luận án trình bày lý thuyết về dòng điện ngắn mạch ở trạng thái xác lập và quá độ, nguyên
nhân gây ra lực điện từ và các thành phần của lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA lõi thép
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.

Chương 3. Tính toán ứng suất lực điện từ bằng phương pháp giải tích và phần tử hữu
hạn 2D. Trong chương này, luận án tập trung vào việc xây dựng một mô hình tính toán ứng
suất trên dây quấn MBA công suất 630kVA trong trường hợp ngắn mạch 3 pha đối xứng. Quá
trình phân tích tính toán ứng suất trên dây quấn được tiến hành trên hai phương pháp 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 pháp lần lượt được so sánh với nhau, để có thể tìm ra được một phương pháp phân tích
tính toán phù hợp nhất. Đồng thời mở ra hướng nghiên cứu cho chương 4, sử dụng phương
pháp PTHH 3D cho mô hình MBA có kết cấu phức tạp hơn.
Chương 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 một thuật toán mô phỏng MBAVĐH 3 pha có
công suất 630kVA-22/0,4kV, trong trường hợp không tải và ngắn mạch thử nghiệm, các kết
quả về giá trị dòng điện, điện áp, tổn hao không tải và ngắn mạch được so sánh với các kết quả
thử nghiệm của nhà sản xuất. Trên cơ sơ đúng đắn của mô hình mô phỏng, tiến hành cho ngắn
mạch sự cố phía hạ áp MBA để phân tích và đưa ra kết quả từ trường tản, lực điện từ hướng
kính và hướng trục tác dụng vào cuộn dây CA và HA. Từ đó xác định vị trí có ứng lực lớn nhất
trên cuộn 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 tròn 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 dụng vào dây quấn MBA khô, tẩm cách điện epoxy là tổng xếp chồng ứng
suất do lực điện từ; ứng suất do độ chênh lệch nhiệt độ giữa dây quấn và epoxy; và ứng lực do
phân bố nhiệt độ không đồng đều ở lớp epoxy. Do đó, phần cuối của luận án đã tính toán ứng
suất tổng hợp tác dụng lên dây quấn MBA bọc lớp epoxy, có xét đến các ứng suất nhiệt này.


6

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu
Trong chương này, luận án giới thiệu tổng quát về MBA khô có cuộn dây đúc epoxy, phân
tích ưu và nhược điểm loại MBA này so với MBA dầu. Sau đó trình bày MBA lõi thép VĐH,
đã được nghiên cứu trong nước và ngoài nước về: vấn đề giảm tổn hao, tính toán và thiết kế
MBAVĐH; nghiên cứu lực điện từ ở MBA silic, lực điện từ MBAVĐH. Trên cơ sở những vấn
đề còn tồn tại về nghiên cứu lực điện từ của MBA lõi thép 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 một MBA khô. Cách điện khô tản nhiệt
kém, mặt khác ban đầu chưa có cách điện chịu được nhiệt độ cao, độ bền cách điện còn hạn chế
nên MBA khô có cấp điện áp chưa cao, công suất cũng chưa đủ lớn. Sự phát triển của MBA
được nâng lên một bậc do sự xuất hiện của dầu biến áp. Đến 1980 hầu hết các MBA được sản
xuất phục vụ cho các toà cao ốc và trạm điện ngoài trời là MBA dầu.
MBA dầu không đáp ứng được những yêu cầu nghiêm ngặt về môi trường và an toàn –
phòng chống cháy nổ, dầu MBA là chất dễ cháy và sản phẩm cháy của nó lại gây ô nhiễm môi
trường.
MBA khô đáp ứng được tối đa yêu cầu về an toàn phòng chống cháy nổ. Từ những năm
80 thuộc thế kỷ XX, MBA khô ngày càng được hoàn thiện và phát 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 phòng chính phủ và những nơi
đông dân cư thì MBA khô sẽ được ưu tiên sử dụng.
Có hai loại MBA khô thường gặp: MBA có cuộn dây không đúc trong cách điện rắn và
MBA có cuộn dây đúc trong cách điện rắn.
MBA khô có cuộn dây không đúc trong cách điện rắn là loại máy có dây quấn được bọc
bằng cách điện cấp F hoặc cấp H như giấy nomex, kaptofilm, vải thuỷ tinh v.v... Nhược điểm
MBA khô có cuộn dây không đúc trong cách điện rắn là nhạy cảm với độ ẩm, khói bụi công
nghiệp, hơi mặn và khả năng phòng chống cháy nổ kém hơn loại máy đúc bằng nhựa epoxy

nên hiện nay chỉ làm việc tới mức điện áp là 17,5kV và thử xung toàn sóng tới 95kV. Chính vì
thế, hiện nay người ta chủ yếu dùng loại MBA có cuộn dây đúc trong cách điện rắn [8].


7
1.2.2. Máy biến áp khô có cuộn dây đúc trong cách điện rắn
Cách điện rắn để đúc cuộn dây MBA khô là loại vật liệu có độ bền cơ, điện, nhiệt cao, chịu
được môi trường bụi bẩn, hoá chất, độ ẩm cao, gần biển, có khả năng chống cháy nổ, v.v…Chất
cách điện rắn phổ biến nhất hiện nay là composit có chứa gốc epoxy.
MBA khô có cuộn dây đúc trong chất cách điện rắn thích hợp ở những nơi có yêu cầu cao
về phòng chống cháy nổ, nơi đông người qua lại, các công trình gần biển, các toà nhà cao tầng,
dưới lòng đất v.v...Số lượng MBA khô loại này ngày càng chiếm thị phần lớn trên thị trường
thế giới. So với MBA khô cuộn dây không đúc trong cách điện rắn thì công nghệ chế tạo cuộn
dây loại máy này phức tạp hơn nhiều, đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao hơn. Hình 1.1 là loại MBA
khô có cuộn dây 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 cách điện cao lại có khả năng tuần hoàn làm mát tự nhiên tốt nên
có thể chế tạo MBA có điện áp đến hàng trăm kV, công suất đến hàng trăm MVA
+ Khả năng quá tải lớn do dầu MBA tản nhiệt tốt hơn không khí
b. Nhược điểm:
+ Không thích hợp ở những nơi có yêu cầu cao về phòng chống cháy nổ, các công trình

gần biển, khu đông người, các nhà máy hoá chất, hầm lò v.v...
+ 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 nhiễm 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


8
+ Khả năng vận chuyển đi xa khó khăn hơn và kém an toàn hơn.
1.2.3.2. Máy biến áp khô
a. Ưu điểm:
+ Có khả năng phòng chống cháy nổ cao, có khả năng tự dập cháy tốt.
Hình 1.2 mô tả thí nghiệm về khả năng chống cháy cuộn dây 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 nhiễm môi trường
+ Chịu được môi trường công nghiệp, nơi có độ ẩm lớn và nước biển
+ Cuộn dây được quấn bằng dây dẫn có hình dạng đặc biệt và được tẩm, đúc bằng nhựa
epoxy tạo thành một 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 ít
+ Có khả năng chịu được xung điện áp lớn do cuộn dây được đúc trong epoxy tạo thành
một khối vững chắc, mặt khác hai vùng dây kề nhau đóng vai trò như hai bản cực của một tụ
điện làm phân bố điện áp các vùng dây đồng đều hơn [8]
+ Kích 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 cuộn dây cao áp phức tạp, giá thành của MBA khô cao hơn so với MBA
dầu cùng loại
+ Do khả năng làm mát và khả năng cách điện của vật liệu khô bị hạn chế, vì vậy công
suất, cấp điện áp của MBA khô bị giới hạn
+ Khả năng quá tải kém hơn so với MBA dầu.

1.3. Máy biến áp hiệu suất cao
Xu thế hiện nay người ta ưu tiên lựa chọn các MBA có hiệu suất cao. Các nhà sản xuất
luôn tìm kiếm vật liệu mới, đồng thời hoàn thiện thiết kế để có khả năng chế tạo MBA có tổn
hao thấp. Nói cách khác người ta luôn luôn phải có biện pháp cải tiến thiết kế và công nghệ chế