Nghiên cứu chế tạo máy biến áp có lõi thép sử dụng vật liệu vô định hình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐOÀN THANH BẢO

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÁY BIẾN ÁP CÓ LÕI THÉP
SỬ DỤNG VẬT LIỆU VÔ ĐỊNH HÌNH
Chuyên ngành: Thiết bị điện – Điện tử

LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. PHẠM VĂN BÌNH

HÀ NỘI 2010


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

Đoàn Thanh Bảo


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT...................................................4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..........................................................................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG...............................................................................................9

MỞ ĐẦU .......................................................................................................................10
1.

Tính cấp thiết của đề tài: ........................................................................................10

2.

Ý nghĩa khoa học – thực tiễn: ................................................................................12

3.

Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu: ........................................................12

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM TỔN THẤT
ĐIỆN NĂNG CỦA MÁY BIẾN ÁP............................................................................15
1.1. Tình hình nghiên cứu của thế giới: .........................................................................19
1.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước: .......................................................................27
1.3. Hướng nghiên cứu của tác giả:................................................................................29
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1.......................................................................................30
CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU TỪ MỀM VÔ ĐỊNH HÌNH.............................................31
2. 1.

Tinh thể và vô định hình – Trật tự xa và trật tự gần: .........................................32

2. 2.

Các mô hình cấu trúc của hợp kim vô định hình: ..............................................33

2. 3.

Vật liệu từ mềm vô định hình và nanomet:........................................................34

2.3.1. Vật liệu từ mềm vô định hình: .......................................................................34
2.3.2

Vật liệu từ mềm nanomet:..............................................................................35

2.4. Các tính chất từ: ......................................................................................................36
2.4.1. Dị hướng từ tinh thể: ......................................................................................36
2.4.2. Dị hướng từ đàn hồi: ......................................................................................40
2.4.3. Dị hướng từ cảm ứng: ....................................................................................41
2.5.
2.5.1

Tổn hao công suất trong lõi dẫn từ và khả năng ứng dụng:...............................41
Tổn hao từ trễ ................................................................................................41

2.5.2. Tổn hao dòng xoáy.........................................................................................43

-1-


2.5.3. Tổn hao công suất trong lõi dẫn từ. ...............................................................43
2.5.4. Khả năng ứng dụng. .......................................................................................45
2.6.

Các phương pháp chế tạo vật liệu vô định hình:................................................46

2.7.

Công nghệ sản xuất vật liệu từ vô định hình: ....................................................47

2.7.1

Phương pháp làm nguội nhanh từ tinh thể lỏng:............................................47

2.7.2 Công nghệ sản xuất vật liệu từ vô định hình: ................................................48
2.8.

Một số sản phẩm và ứng dụng: ..........................................................................52
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2.......................................................................................54

CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MẠCH TỪ VÀ DÂY QUẤN MÁY
BIẾN ÁP VÔ ĐỊNH HÌNH.....................................................................................55
3.1. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MẠCH TỪ: ..................................................................55
3.1.1. Khái niệm chung về công nghệ chế tạo mạch từ: ............................................55
3.1.1.1. Nhiệm vụ của mạch từ: .............................................................................55
3.1.1.2. Kết cấu mạch từ: .......................................................................................55
3.1.1.3. Phương pháp ủ mạch từ: ...........................................................................58
3.1.2. Công nghệ chế tạo mạch từ của máy biến áp vô định hình: ............................59
3.1.2.1. Mạch từ được ghép từ nhiều lá thép với nhau: .........................................59
3.1.2.2. Mạch từ được quấn kiểu hình xuyến:........................................................59
3.1.2.3. Mạch từ được ghép từ những tẹp thép đã được định hình sẵn:.................62
3.2. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO DÂY QUẤN:................................................................64
3.2.1. Khái niệm chung: .............................................................................................64
3.2.1.1. Yêu vầu và nhiệm vụ của dây quấn: .........................................................64
3.2.1.2. Cách điện trong máy biến áp: ...................................................................65
3.2.2. Công nghệ chế tạo dây quấn: ...........................................................................66
3.2.2.1. Dây quấn hình trụ dây dẫn chữ nhật: ........................................................66
3.2.2.2. Dây quấn hình trụ dây dẫn tròn:................................................................71

3.2.2.3. Dây quấn hình xoắn: .................................................................................73

-2-


3.2.2.4. Dây quấn hình xoáy ốc liên tục:................................................................75
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3.......................................................................................77
CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT TỪ TRƯỜNG VÀ TỔN HAO KHÔNG TẢI MÁY
BIẾN ÁP SỬ DỤNG LÕI THÉP VẬT LIỆU VÔ ĐỊNH HÌNH BẰNG
PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ...............................................................78
4.1. Giới thiệu chung:....................................................................................................78
4.2. Phương pháp phần tử hữu hạn với chương trình FEMM:......................................78
4.2.1. Giới thiệu phần mềm FEMM:.........................................................................78
4.2.2. Các thông số thiết kế của MBA khi sử dụng phần mềm FEMM:...................80
4.3. Ứng dụng phần mềm FEMM trong việc khảo sát sự phân bố từ trường và tổn hao
không tải của máy biến áp 50kVA - 35kV/0,4kV..........................................................81
4.3.1. Các thông số thiết kế được sử dụng. ...............................................................81
4.3.1.1. Mô hình và kích thước mạch từ: ...............................................................81
4.3.1.2. Các thông số cuộn dây: .............................................................................82
4.3.1.3. Thông số về dòng điện trên các cuộn dây.................................................83
4.3.2. Nhập số liệu và kết quả hiển thị sau khi chạy chương trình: .........................84
4.3.2.1. Nhập số liệu: .............................................................................................84
4.3.2.2. Kết quả sau khi chạy chương trình với thép KTĐ 2211 ...........................84
4.3.2.3. Kết quả sau khi chạy chương trình với thép VĐH:...................................88
4.3.2.4. So sánh kết quả và kết luận:......................................................................91
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4.......................................................................................92
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................93
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................95
PHẦN PHỤ LỤC...........................................................................................................99

-3-


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CHỮ

NGUYÊN VĂN

VIẾT TẮT
MBA

Máy biến áp

PTHH

Phần tử hữu hạn

FEMM

Finite Elemnet Methode Magnetics

VĐH

Vô định hình

KTĐ

Kỹ thuật điện

TTĐN

EVN
VLKT
HTĐ

Tổn thất điện năng
Tập đoàn Điện lực Việt Nam.
Viện Vật lý kỹ thuật.
Hệ thống điện.

-4-


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình
1.1

Tên hình vẽ
Đồ thị biểu diễn xu hướng của thế giới sử dụng vật liệu tốt hơn
để giảm tổn hao không tải của máy biến áp.

Trang
22

1.2

Đường cong từ trễ của vật liệu vô định hình và thép silic.

23

1.3

Tổn hao từ phụ thuộc vào cảm ứng từ B của thép Si và VĐH.

23

1.4

2.1

So sánh tổn hao không tải của máy biến áp ở Nhật Bản (máy 3
pha, 50Hz, 300 kVA).
Năm loại mạng cơ bản trong cấu trúc trật tự gần theo mô hình
Berna.

24

34

2.2

Qui trình chế tạo hợp kim nanomet.

35

2.3

Dải kích thước của vật liệu.

36

2.4

Mô hình dị hướng ngẫu nhiên.

37

2.5

2.6

Dị hướng từ hiệu dụng <K> của vật liệu nanomet với định
hướng ngẫu nhiên của hạt phụ thuộc kích thước hạt D.
Lực kháng từ HC phụ thuộc vào kích thước hạt D của các vật
liệu mềm.

38

38

2.7

Các cấu trúc nguyên tử

48

2.8

Quy trình chế tạo vật liệu vô định hình

49

2.9

Mô hình các sản phẩm.

49

2.10

Sơ đồ thiết bị điều khiển công nghệ ampoule khép kín.

50

2.11

Sơ đồ thiết bị điều khiển công nghệ ampoule liên tục.

51

-5-


2.12

Sơ đồ mô tả các sản phẩm của vật liệu vô định hình.

52

2.13

Máy biến áp 1 pha 50kVA - 6 kV/210 V.

53

2.14

Máy biến áp 3 pha: a) 3 trụ ; b) 5 trụ.

53

2.15

Máy biến áp khô 3 pha 1000kVA - 6 kV/210V.

54

3.1

Tiết diện trụ của MBA.

56

3.2

a – Ghép vuông góc. b – Ghép chéo góc.

56

3.3

a- Hướng dẫn từ ghép vuông góc, b-ghép chéo góc.

57

3.4

Cách ghép trụ và gông.

57

3.5

Ép gông mạch từ bằng bulông ép.

57

3.6

Ép trụ bằng đai.

58

3.7

Phương pháp ủ mạch từ.

58

3.8

Cuộn tôn

59

3.9

Giá quay của máy quấn băng.

59

3.10

a) Bộ phận truyền động dẫn băng tôn. b) Máy quấn tôn.

60

3.11

Hàn cố định lõi tôn.

61

3.12

Tháo khuôn mạch từ.

61

3.13

Sơn và băng mạch từ.

61

3.14

Máy quấn dây.

62

3.15a

Sau khi quấn ba cuộn dây.

62

3.15b

Các đầu dây được hàn nối đưa ra ngoài.

62

-6-


3.16

Gá cố định cuộn dây.

63

3.17

Lõi thép vô định hình.

63

3.18

Ghép thép vào cuộn dây.

63

3.19

a – Nén chặt mạch từ. b- Hàn mạch từ.

64

3.20

Các phương pháp quấn dây.

67

3.21

Dây quấn hình trụ một lớp.

67

3.22

Dây quấn hình trụ hai lớp.

68

3.23

Sơ đồ dây quấn hai mạch nhánh song song.

69

3.24

Sơ đồ dây quấn đồng lá.

70

3.25

Dây quấn máy biến áp dạng “foil”

71

3.26

Dây quấn hình trụ nhiều lớp dây dẫn tròn.

71

3.27

Cách điện phần đầu của dây quấn hình ống nhiều lớp.

72

3.28

Dây quấn hình xoắn. a) mạch đơn. b) mạch kép.

73

3.29

Ví dụ về tăng chiều cao dây quấn của dây quấn mạch đơn có 4
sợi song song khi hoán vị.

74

3.30

Cách thực hiện hoán vị phân bố đều.

74

3.31

Dây quấn hình xoắn.

75

3.32

Dây quấn hình xoáy ốc liên tục.

75

3.33

Dây quấn xoáy ốc liên tục.

76

3.34

Chuyển tiếp giữa các bánh dây có hoán vị của 3 sợi dây song song.

76

4.1

Kích thước mạch từ của máy biến áp.

81

-7-


4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

Mô hình đường sức từ MBA lõi thép KTĐ 2211 mang tải định mức.
Đường MN khảo sát từ trường MBA lõi thép KTĐ 2211 mang
tải định mức.
Đồ thị biểu diễn độ lớn cảm ứng từ B dọc đường MN của
MBA lõi thép KTĐ 2211 mang tải định mức.
Đường MN khảo sát từ trường MBA lõi thép KTĐ 2211 khi
không tải.
Đồ thị biểu diễn độ lớn cảm ứng từ B dọc đường MN của MBA
lõi thép KTĐ 2211 khi không tải.

85
85

86

86

87

4.7

Mô hình đường sức từ MBA lõi thép VĐH mang tải định mức.

88

4.8

Đường MN khảo sát từ trường MBA lõi thép VĐH khi không tải.

88

4.9
4.10
4.11

Đồ thị biểu diễn độ lớn cảm ứng từ B dọc đường MN của MBA
lõi thép VĐH mang tải định mức.
Đường MN khảo sát từ trường MBA lõi thép VĐH khi không tải.
Đồ thị biểu diễn độ lớn cảm ứng từ B dọc đường MN của MBA
lõi thép VĐH khi không tải.

-8-

89
89
90


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng
1.1

1.2
1.3
2.1
3.1

Tên bảng
So sánh tổn hao không tải máy biến áp 1 pha và 3 pha có lõi
thép silic thông thường và lõi thép vô định hình.
Tổn hao sắt từ (Fe), tổn hao đồng và tổng tổn hao của máy biến
thế cùng công suất sử dụng hai loại vật liệu dẫn từ khác nhau.
Hiệu quả kinh tế khi sử dụng lõi dẫn từ VĐH.
So sánh một số thông số kỹ thuật của thép vô định hình và
thép cán nguội.

Trang
25

25
26
47

Kích thước lá đồng và nhôm thường gặp.

71

PL.1

Quan hệ B(H) của lá thép kỹ thuật điện cán nguội 2211.

100

PL.2

Quan hệ B(H) của lá thép vô định hình mã 1K101

101

PL.3

Một số thông số kỹ thuật của thép vô định hình: Mã
1K101(Fe-Si-B).

102

PL.4

Thông số kỹ thuật và kích thước lõi thép vật liệu VĐH.

103

PL.5

Một số máy biến áp vô định hình

103

PL.5.1

Máy biến áp dầu 3 pha – 1000kVA – 6kV/210V-60Hz

105

PL.5.2

Máy biến áp khô 3 pha – 1000kVA – 6kV/210V-60Hz

107

PL.5.3

Máy biến áp 1 pha – 50kVA – 6kV/210V-60Hz

-9-


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Máy biến áp đầu tiên, xuất hiện vào khoảng năm 1890, là kiểu máy biến áp khô,
bị giới hạn bởi cấp điện do độ cách điện của vật liệu cách điện hiện có lúc bấy giờ có
độ chịu nhiệt thấp còn bị giới hạn bởi công suất của máy do phương thức làm mát, mức
độ chịu nhiệt của cách điện dây dẫn và vật liệu làm lõi chưa đáp ứng hết yêu cầu để
giảm tổn hao. Thời gian sau, với sự xuất hiện của tôn silic đã tiếp tục làm giảm tổn
hao. Cho đến năm 1972, hàng ngàn máy biến áp ra đời phục vụ đời sống.
Máy biến áp là một thiết bị điện vô cùng quan trọng trong ngành điện. Khi điện
được sản xuất ra thì phải truyền tải điện năng tới nơi tiêu thụ, trong quá trình truyền tải
điện năng đó thì không thể vắng mặt các máy biến áp, nó dùng để tăng và giảm điện áp
lưới sao cho phù hợp nhất đối với việc tăng điện áp lên cao để tránh tổn thất điện năng
khi truyền tải cũng như giảm điện áp cho phù hợp với tiêu thụ.
Trong quá trình truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng đã phát sinh sự tổn
thất khá lớn. Cho nên giảm tổn thất điện năng là một vấn đề cần thiết không chỉ đối

với riêng ngành Điện Việt Nam mà đối với ngành điện các nước trên thế giới. Giảm
tổn thất điện năng có một ý nghĩa to lớn đối với nền kinh tế quốc dân và ngành điện.
Mỗi ngày trên thế giới có hàng chục triệu máy biến áp phân phối điện hoạt
động. Các máy biến áp đó làm nhiệm vụ cấp điện áp thích hợp cho các phụ tải. Công
suất của các máy biến áp có thể từ vài chục cho tới vài nghìn kVA.
Máy biến áp phân phối ở nước ta thường có cấp điện áp là 35kV, 22kV, 10kV,
6kV/ 0,4kV để cấp điện cho đa số các thiết bị điện công nghiệp và dân dụng.
Trong quá trình sản xuất và sử dụng máy biến áp, người ta luôn luôn phải có biện
pháp cải tiến thiết kế và công nghệ chế tạo nhằm hoàn thiện về cấu trúc, hình dạng,
thông số kỹ thuật, kinh tế….và quan trọng nhất đó là giảm tổn hao của máy biến áp.

- 10 -


Tổn hao điện năng trong máy biến áp là vấn đề kinh tế - kỹ thuật rất được quan
tâm, tổn hao này chủ yếu bao gồm tổn hao điện trên cuộn dây (tổn hao đồng) và tổn
hao trong lõi dẫn từ (tổn hao sắt). Để giảm tổn hao điện trong máy biến áp, cần thiết kế
máy sao cho độ dài cuộn dây đồng (nhôm) ngắn nhất và độ dẫn điện của chúng tốt
nhất. Mặt khác, phải tìm tòi các loại vật liệu dẫn từ (lõi từ) mới có tổn hao nhỏ nhất.
Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ đã
có nhiều loại vật liệu mới, với các tính chất vật lý đặc biệt đã được khám phá và
nghiên cứu rất mạnh mẽ ở các vật liệu nói chung và ở hệ vật liệu từ nói riêng. Khoảng
những năm 80 của thế kỷ XX, thép vô định hình (thép biến áp siêu mỏng) ra đời. Nhờ
vào thành phần và cấu trúc vi mô đặc biệt, thép vô định hình (VĐH) đáp ứng các yêu
cầu để giảm tổn hao lõi thép của máy biến áp .
Về hiệu quả kinh tế, mặc dầu giá thành của thép vô định hình hiện nay cao hơn
so với tôn silic, tuy nhiên, do tổn hao điện năng không tải nhỏ, nên hiệu quả kinh tế là
rõ ràng. Theo tính toán,[13] thời gian thu lời là 3-5 năm khi thay thế lõi từ tôn silic
bằng thép vô định hình.
Đứng trên góc độ bảo vệ môi trường thì tiết kiệm điện đồng nghĩa với giảm

khí thải CO2. Ngoài ra, vật liệu từ mềm nano tinh thể cũng được nghiên cứu phát triển
và ứng dụng. Ngoài khả năng giảm mạnh tổn hao điện năng trong lõi dẫn từ của các
máy biến áp 50 Hz, các vật liệu vô định hình và nano tinh thể còn được sử dụng trong
các thiết bị hoạt động ở giải tần số cao (400-30.000 Hz), rất cần trong công nghiệp
quân sự và kỹ thuật điện tử.
Ở nước ta, từ năm 1990, tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và sau đó nhiều
đơn vị khác đã triển khai nghiên cứu chế tạo vật liệu dẫn từ vô định hình và nano tinh
thể dưới dạng băng mỏng 0,03 mm bằng công nghệ nguội nhanh liên tục và triển khai
ứng dụng vật liệu này. Và khả năng vật liệu từ nguội nhanh này đưa vào ứng dụng
trong kỹ thuật làm các lõi dẫn từ của các máy biến áp ở tần số 50 Hz ở nước ta là rất
lớn.

- 11 -


2. Ý nghĩa khoa học – thực tiễn:
-

Luận văn đã nghiên cứu về vật liệu từ vô định hình và công nghệ chế tạo vật
liệu vô định hình.

-

Luận văn đã đưa ra đặc tính kỹ thuật và so sánh tính chất từ của vật liệu vô
định hình với thép kỹ thuật điện.

-

Luận văn đã nghiên cứu về sử dụng vật liệu vô định hình chế tạo lõi thép
MBA giảm tổn hao không tải và khả năng ứng dụng ở nước ta.

3. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
3.1. Mục đích:
Mục đích cơ bản của luận văn nhằm vào nghiên cứu về mặt lý thuyết vật
liệu vô định hình và đưa ra đặc điểm sử dụng vật liệu vô định hình chế tạo lõi thép
MBA giảm tổn hao không tải và khả năng ứng dụng ở nước ta.
3.2. Đối tượng:
-

Nghiên cứu vật liệu từ vô định hình và công nghệ chế tạo vật liệu vô định
hình.

-

Nghiên cứu chế tạo MBA có lõi thép sử dụng vật liệu vô định hình.

3.3. Phạm vi nghiên cứu:
-

Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp giảm tổn thất điện năng của máy
biến áp trong và ngoài nước.

-

Tìm hiểu về vật liệu từ vô định hình và công nghệ chế tạo vật liệu vô định
hình.

-

Trình bày đặc tính kỹ thuật và so sánh tính chất từ của vật liệu vô định hình

với thép kỹ thuật điện.

-

Nghiên cứu công nghệ chế tạo mạch từ và dây quấn của máy biến áp có lõi
thép vật liệu vô định hình.

-

Khảo sát từ trường và tổn hao không tải MBA sử dụng lõi thép bằng vật liệu
vô định hình bằng Phương pháp Phần tử hữu hạn.

- 12 -


™ Những thuận lợi và khó khăn khi tiến hành nghiên cứu:
-

Thuận lợi:
Về lĩnh vực lý thuyết, thừa kế kho tài liệu về MBA [1] [2], [9], [16],[19],

[20] là các tài liệu chuyên sâu, đề cập một cách chi tiết và có hệ thống những
vấn đề cơ bản về lý thuyết, công nghệ chế tạo, kinh nghiệm vận hành, bảo
dưỡng và thử nghiệm máy biến áp.
Các phương pháp hiện đại trong nghiên cứu tính toán thiết kế kỹ thuật
điện [6] là tài liệu chuyên sâu trình bày đầy đủ và hệ thống các phương pháp
hiện đại nghiên cứu từ trường trong các thiết bị điện.
Đặc tính kỹ thuật và tính chất từ của vật liệu vô định hình đã được
nghiên cứu đầy đủ và chi tiết [5], [11].
Ứng dụng vật liệu từ vô định hình vào sản xuất lõi biến áp, lõi dẫn từ đã

được triển khai phổ biến.
Việc sản xuất và sử dụng MBA vô định hình ở một số nước như Mỹ, Hàn
Quốc, Trung Quốc,…đã trở thành rộng rãi. Ở các nước này, một trong những
thiết bị điện góp phần giảm tổn thất điện năng và gánh nặng môi trường chính là
MBA vô định hình.
Tập đoàn Hitachi là một trong những công ty đi đầu trong công nghệ chế
tạo và triển khai sử dụng MBA vô định hình.
-

Khó khăn:
Vật liệu từ mềm VĐH được nghiên cứu và sử dụng chủ yếu cho tần số

cao, đưa vào sử dụng làm lõi thép MBA với tần số 50Hz là lĩnh vực mới đối với
nước ta.
Công nghệ chế tạo mạch từ và dây quấn của MBA VĐH đang được hoàn
thiện. Ở nước ta, MBA VĐH đang trong quá trình nghiên cứu và sản xuất thử
nghiệm.

- 13 -


™ Trong luận văn đã sử dụng các giả thiết khoa học sau:
-

Mô hình trường điện từ của và mô hình mạch của MBA VĐH đã được
nghiên cứu.

-

Mật độ dòng điện sơ cấp và thứ cấp của MBA trong trường hợp tính chất tải

là thuần trở.

-

Trong khi chạy phần mềm FEMM, xem lõi thép vô định hình là đồng nhất
và không bị thay đổi từ tính.

™ Nội dung luận văn: gồm 4 chương
• Chương 1: Tổng quan về các phương pháp giảm tổn thất điện năng của
máy biến áp.
• Chương 2: Vật liệu từ mềm vô định hình.
• Chương 3: Công nghệ chế tạo mạch từ và dây quấn của máy biến áp vô
định hình.
• Chương 4: Khảo sát từ trường và tổn hao không tải MBA sử dụng lõi
thép bằng vật liệu vô định hình bằng Phương pháp Phần tử
hữu hạn.

- 14 -


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG CỦA
MÁY BIẾN ÁP.
ĐẶT VẤN ĐỀ:
Trong sự phát triển kinh tế - xã hội của đất nước, ngành Điện lực giữ vai trò
quan trọng. Cùng với sự tăng trưởng kinh tế nhu cầu về điện năng của nước ta trong
những năm gần đây tăng rất nhanh, cụ thể:
− Năm 2005, sản lượng điện sản xuất (toàn hệ thống điện Quốc Gia) là: 44.922 GWh.
− Năm 2006, sản lượng điện sản xuất là: 51.318 GWh tăng 14,2% so với năm 2005.
− Năm 2007, sản lượng điện sản xuất là: 58.412 GWh tăng 13,8% so với năm 2006.

Theo dự báo nhu cầu điện năng từ năm 2010 đến 2015 là:
Đơn vị tính: GWh
Năm
Sản lượng

2010

2011

2012

2013

2014

2015

86.310

97.8784 110.720 125.090 141.100 158.890

Do vậy giải quyết bài toán về nhu cầu điện năng luôn là thách thức lớn của
ngành Điện nói riêng và cả Quốc Gia nói chung.
Nhiều năm qua, công tác giảm tổn thất điện năng (TTĐN) của Tập đoàn Điện
Lực Việt Nam (EVN) được triển khai rất quyết liệt và đã đạt được những kết quả đáng
khích lệ. Các đơn vị đã thực hiện đầu tư củng cố lưới điện, rút ngắn bán kính cấp điện,
nâng tiết diện dây, công suất máy biến áp để phù hợp với yêu cầu của tải và giảm
TTĐN. Bên cạnh đó, các giải pháp trong quản lý vận hành, quản lý kinh doanh đã được
thực hiện, góp phần vào kết quả giảm TTĐN chung của EVN.
Giai đoạn 2004-2010,[7] EVN đã chỉ đạo các đơn vị điện lực, truyền tải điện,

Trung tâm Điều độ HTĐ Quốc Gia triển khai đồng bộ các giải pháp, kết quả TTĐN
toàn EVN đã giảm từ 12,23% (năm 2003) xuống 9,21% (năm 2008). Để tiếp tục đẩy
mạnh công tác giảm TTĐN trên hệ thống lưới điện, Ban chỉ đạo giảm TTĐN của EVN

- 15 -


đã ban hành “Hướng dẫn các biện pháp cơ bản về quản lý kỹ thuật – vận hành và quản
lý kinh doanh để giảm TTĐN”. Hướng dẫn này hệ thống hóa lại các giải pháp giảm
TTĐN trong nhiều năm qua, phổ biến đến tận các tổ đội quản lý vận hành, quản lý kinh
doanh nhằm tiếp tục tăng cường các biện pháp quản lý giảm TTĐN.
Ngày 12/3/2010, [8] Bộ Công Thương đã có chỉ thị số 10/CT-BCT về tăng cường
công tác tiết kiệm điện năm 2010. Theo đó, Bộ yêu cầu UBND các tỉnh, thành phố trực
thuộc Trung ương giao Sở Công Thương các địa phương đẩy mạnh triển khai các biện
pháp tiết kiệm điện theo Chỉ thị số 19/2005/CT-TTg của Thủ Tướng Chính Phủ. Thực
hiện chỉ đạo của Bộ Công Thương, ngày 23/3/2010, Tập đoàn Điện lực Việt Nam đã ra
Chỉ thị số 993/CT-EVN về việc tăng cường công tác tiết kiệm điện năm 2010.
Đúng 20h30 tối 27/3/2010, 20 tỉnh thành trong cả nước đã đồng loạt tắt đèn và
các thiết bị sinh hoạt không cần thiết để hưởng ứng chiến dịch “Giờ Trái đất năm
2010”. Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) đã tích cực tham gia với vai trò là nhà tài
trợ chính và là một trong các Đại sự thiện chí của chương trình. Trung tâm Điều độ Hệ
thống điện Quốc gia cho biết: Trong Giờ trái đất, toàn hệ thống tiết kiệm được 500.000
kWh, tương đương khoảng 450 triệu đồng (với chương trình Giờ trái đất năm 2009. cả
nước tiết kiệm được 140.000 kWh) [8].
Chiều 26/07/2010, dưới sự chủ trì của Phó Thủ tướng Hoàng Trung Hải, Ban chỉ
đạo chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm, hiệu quả đã đánh
giá kết quả thực hiện giai đoạn I của Chương trình, bước đầu đề xuất các nội dung triển
khai giai đoạn II (2011-2015). Theo báo cáo của Ban chỉ đạo, trong 3 năm từ 2006 đến
2008, lượng năng lượng tiết kiệm được tương đương 15,2 tỷ kWh điện. Tỷ lệ tiết kiệm
tăng dần theo các năm với mức 1,56%, 3,15% và 3,48%. Kết luận cuộc họp, Phó Thủ

tướng Hoàng Trung Hải nhấn mạnh, cùng với việc đầu tư phát triển các nguồn năng
lượng mới, năng lượng tái tạo, yếu tố sống còn trong bài toán cân bằng năng lượng
quốc gia hiện nay là tiết kiệm năng lượng [50].
Trong đánh giá về tình hình tiêu thụ điện năng thì tính toán tổn thất điện năng là

- 16 -


quan trọng và không thể thiếu được. Đặc biệt là tính toán tổn thất điện năng của máy
biến áp.
Máy biến áp là thiết bị quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện.
Nhờ có máy biến áp mà việc truyền tải điện từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ rất kinh
tế, hiệu quả, giảm tổn hao năng lượng trên đường truyền, tiết kiệm trọng lượng và chi
phí dây dẫn. Mỗi ngày trên thế giới có hàng chục triệu máy biến áp phân phối điện
hoạt động. Các máy biến áp đó làm nhiệm vụ cấp điện áp thích hợp cho các phụ tải.
Công suất của các máy biến áp có thể từ vài chục cho với vài nghìn kVA. Máy biến
áp phân phối ở nước ta thường có cấp điện áp là 35kV, 22kV, 10kV, 6kV/0,4kV để
cấp điện cho đa số các thiết bị điện công nghiệp và dân dụng.
Khi MBA làm việc, có hai loại tổn hao chính là: Tổn hao sắt và tổn hao đồng.
Trong trường hợp gần đúng coi tổn hao sắt là tổn hao không tải. Tổn hao không tải là
tổn hao trong lõi dẫn từ. Tổn hao trong lõi dẫn từ bao gồm tổn hao dòng xoáy và tổn
hao từ trễ [51].
- Tổn hao dòng xoáy
+ tỉ lệ thuận với:
•

B - cảm ứng từ

•

d - độ dày của lá thép

•

f - tần số từ trường xoay chiều

+ tỉ lệ nghịch với:
•

γ - Khối lượng riêng vật liệu,

•

ρ - điện trở suất.

Muốn giảm tổn hao dòng xoáy thì vật liệu dẫn từ phải được chế tạo thành
các lá thép mỏng, điện trở suất cao và dùng ở tần số thấp.
- Tổn hao từ trễ được đặc trưng bởi đường cong từ trễ của vật liệu và thông số
quan trọng tạo ra chu trình trễ là lực kháng từ Hc, lực kháng từ Hc càng nhỏ thì tổn hao
từ trễ sẽ nhỏ.

- 17 -


Sự phát triển của Khoa học - công nghệ đã có nhiều loại vật liệu từ mềm với đặc
tính ngày càng tốt hơn và tổn hao ít hơn. Sau đây, là một số vật liệu từ mềm [51]:
- Tôn silic: Là hợp kim của sắt (khoảng 85%), với Silic (Si), hoặc chứa thêm
khoảng 5,4% nhôm (Al), còn được gọi là hợp kim Sendust, là một trong những vật liệu
sắt từ mềm được dùng phổ biến nhất có độ cứng cao, có độ từ thẩm cao và tổn hao trễ
thấp. Tuy nhiên, vật liệu này trên nền kim loại, nên có điện trở suất thấp.

- Hợp kim Permalloy: Là hợp kim của niken (Ni) và sắt (Fe), có lực kháng từ rất
nhỏ, độ từ thẩm rất cao (vật liệu Ni75Fe25 có độ từ thẩm ban đầu lớn tới 10000), có độ
bền cơ học và khả năng chống ăn mòn cao. Tuy nhiên, permalloy có từ độ bão hòa
không cao.
- Hợp kim FeCo: là các hợp kim từ mềm có từ độ bão hòa cao, nhiệt độ Curie cao.
- Các vật liệu gốm ferrite: Là hợp chất của ôxit Fe (Fe2O3) với một ôxit kim loại
hóa trị 2 khác, có công thức chung là MO.Fe2O3. Các ferrite mang bản chất gốm, nên
có điện trở suất rất cao nên tổn hao dòng xoáy của ferrite rất thấp, được dùng cho các
ứng dụng cao tần và siêu cao tần.
- Hợp kim vô định hình và nanô tinh thể: Là các hợp kim nền sắt hay cô ban
(Co), ở trạng thái vô định hình, có điện trở suất cao hơn nhiều so với các hợp kim tinh
thể, đồng thời có khả năng chống ăn mòn, độ bền cơ học cao, và có thể sử dụng ở tần
số cao hơn so với các vật liệu tinh thể nền kim loại. Vật liệu vô định hình không có cấu
trúc tinh thể, nên triệt tiêu dị hướng từ tinh thể, vì thế nó có tính từ mềm rất tốt. Vật
liệu vô định hình nền Co còn có từ giảo bằng 0 nên còn có lực kháng từ cực nhỏ. Khi
kết tinh từ trạng thái vô định hình, ta có vật liệu nano tinh thể, là các hạt nanô kết tinh
trên nền vô định hình dư, triệt tiêu từ giảo từ tổ hợp hai pha vô định hình và tinh thể
nên có tính từ mềm cực tốt và có thể sử dụng ở tần số cao.

- 18 -


1.1. Tình hình nghiên cứu của thế giới:
Máy biến áp (MBA) đầu tiên, xuất hiện vào khoảng năm 1890, là kiểu MBA khô
một pha, có cấp điện áp chưa cao và còn bị giới hạn bởi công suất của máy do phương
thức làm mát và mức độ chịu nhiệt của cách điện. Sự phát triển của MBA được nâng
lên một bậc do sự xuất hiện của tôn silic, của dầu, nhất là sự phát triển của chất lỏng có
khử clo có điểm chớp cháy rất cao cho phép nâng cao được cấp điện áp và công suất
MBA. Người ta đã chế tạo được những MBA có công suất hàng trăm MVA, điện áp
hàng trăm kV.

Trong những năm 1960, giấy cách điện kiểu màng mỏng và polyamit (như Mylar
cho cấp F và Nomex cho cấp H) được sử dụng để thiết kế MBA khô hiện đại và tin cậy
hơn. Các chất cách điện có độ chịu nhiệt cao hơn đã nâng cao được hiệu suất của MBA
mà lại sử dụng ít vật liệu hơn, do đó làm cho máy gọn nhẹ hơn, tổn hao ít hơn, tiết
kiệm chi phí vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa. Thêm vào đó, MBA dầu lại không đáp
ứng được những địa điểm có yêu cầu nghiêm ngặt về môi trường và an toàn – phòng
chống cháy nổ. Nhu cầu về sử dụng MBA khô đã tạo ra hướng nghiên cứu và phát
triển công nghệ chế tạo MBA khô tốt hơn, vận hành tin cậy và chống cháy tốt hơn.
Vào những năm 1950 ngành khoa học vật liệu mới composite phát triển mạnh ở
các nước phát triển và người ta đã ứng dụng nó làm vật liệu cách điện cho máy biến áp.
Kết quả là từ đó đến nay số lượng máy biến áp khô đúc epoxy được tiêu thụ rất nhiều
trên thế giới và là ngành sản xuất chủ lực của một số hãng nổi tiếng như ABB,
Schneider, Sismens,… MBA khô có cuộn dây đúc trong epoxy và công nghệ đúc
epoxy trong môi trường chân không đã làm cho cuộn dây MBA tránh được triệt để sự
xâm nhập của hơi ẩm và muối. Đây là các đặc tính lý tưởng thay thế cho các công nghệ
khác trong các phương tiện liên quan đến đường thủy, bãi biển và các nhà máy xử lý
nước.
Lõi biến áp đầu tiên (1885, Stanley) làm bằng thép lá cacbon có điện trở suất
nhỏ (ρ ~ 25-30 µΩ.cm). Sau đó, lõi biến áp được làm bằng lá thép silicon (còn gọi là

- 19 -


tôn silic, Fe-Si) có điện trở suất cao hơn (ρ ~ 50-60 µΩ.cm). Những năm 80-90 của thế
kỷ XX, tôn silic định hướng (cán nguội) có điện trở suất cao và lực khử từ HC nhỏ đã
được chế tạo và sử dụng.
Từ năm 1947, cấu trúc vô định hình của chất rắn được phát hiện và phát
triển cho đến nay gọi là vật liệu từ mềm vô định hình, quá trình phát triển trải qua
nhiều giai đoạn khác nhau, sau đây là quá trình phát triển của vật liệu từ mềm vô định
hình:

™ Ở Mỹ:
-

Năm 1947, Brenner nghiên cứu thành công cấu trúc vô định hình Ni-P.

-

Năm 1960, Prof.Duwer nghiên cứu thành công cấu trúc vô định hình của
Au-Si (75-25 at%).

-

Năm 1979, Allied Signal phát triển thành công kỹ thuật chế tạo sản phẩm
thép dạng băng mỏng.

-

Năm 1982, Sản xuất băng vô định hình ở Công Ty Allied Signal, Vật liệu
băng vô định hình: Nền Fe, Nền Co và Nền Fe-Ni.

-

Năm 1984, Máy biến áp sử dụng vật liệu vô định hình bắt đầu được sử
dụng ở Mỹ.

-

Năm 1989, Sản xuất băng vô định hình với công suất 60.000 tấn/năm tại
Công Ty Allied Signal.
Sau đó, hàng triệu máy biến áp vô định hình được sử dụng trên thế giới.

Bên cạnh nước Mỹ, các nước Tây Âu và Nhật Bản đã nghiên cứu và phát
triển vật liệu vô định hình.

™ Ở Trung Quốc:
-

Năm 1977, Thành lập nhóm nghiên cứu vật liệu tại Viện nghiên cứu sắt
và thép (CISRI), thiết bị (dạng nhỏ) làm nguội nhanh dạng băng ngoài
không khí đã được sản xuất và kiểm tra.

- 20 -


-

Năm 1980, từ 3÷10 kg sản phẩm vật liệu làm nguội nhanh đã được ra đời
ở CISRI và đã giới thiệu cho khách hàng.

-

Năm 1986, Băng vô định hình Nền Fe-Ni với 40 kg, bề rộng 100mm
được sản xuất tại CISRI.
Dự án sản xuất băng vô định hình nền Fe với công suất 100 tấn/năm được
bắt đầu.

-

Năm 1988, Thành công kỹ thuật quấn băng tự động tại CISRI. Nó là một
trong mười thành công mới của Khoa học – công nghệ trong năm tại
Trung Quốc.

Sau đó, Sản xuất pilot 100 tấn và 200.000 mẫu – lõi được triển khai sản
xuất ở CISRI.
Nghiên cứu về nano tinh thể cũng được bắt đầu nghiên cứu và sản xuất ở
CISRI.

-

Năm 1990-1995, Dự án chính được triển khai về vật liệu vô định hình và
nano tinh thể. Năm 1995, sản xuất hàng triệu mẫu – lõi vật liệu.

-

Năm 1996, Dự án quốc gia sản xuất băng vô định hình 1000 tấn/năm.

-

Năm 1999, sản xuất băng vô định hình với 1000 tấn và 600 tấn dùng cho
sản xuất máy biến áp tại Beijing, có bề rộng băng từ 100÷200 mm.

-

Năm 2000-2005, Công Ty AT&M (thành viên của CISRI) tiếp tục sản
xuất băng vô định hình và nano tinh thể để cung cấp cho thị trường.

Dự án của Quốc gia sản xuất băng vô định hình nền Fe có công suất
10.000÷40.000 tấn/năm. Mục tiêu, sản xuất tới 40.000 tấn/năm cung cấp cho thị
trường sản xuất máy biến áp vô định hình.

- 21 -

Nhờ vào thành phần và cấu trúc vi mô đặc biệt, thép vô định hình (VĐH) đáp
ứng cả 3 yêu cầu để giảm tổn hao lõi là: lực kháng từ rất nhỏ, HC ~ 5-10 A/m (so với
~50-100 A/m của tôn silic); độ dày tự nhiên của lá thép rất nhỏ, t ~ 0.03 mm (so với ~
0,3-0,5 mm của tôn silic) và điện trở suất rất lớn ρ ~ 130-170 micro Om cm (so với
~50-60 micro Om cm của tôn silic). Nhờ vào các tính chất trên mà tổn hao lõi của
thép VĐH giảm mạnh so với thép silicon loại tốt nhất.
PFe (W)

100

7 lần

150

Thép silic
3 lần

Tổn hao lõi thép

200

50
Vật liệu vô
định hình
1955

1960 1965

1970

1975

1980

1985

1990 năm

Hình 1.1: Đồ thị biểu diễn xu hướng của thế giới sử dụng vật liệu tốt
hơn để giảm tổn hao không tải của máy biến áp.
Nhìn đồ thị (hình 1.1) ta thấy xu hướng dùng thép để giảm tổn hao là một việc
làm hết sức cần thiết, bắt đầu từ năm 1955 đến năm 1990, ngày càng dùng loại thép
chất lượng tốt hơn, mặc dù hiện nay các máy biến áp chế tạo có tổn hao nhỏ nhưng vẫn
còn những máy biến áp cũ có tổn hao lớn đang được sử dụng trên lưới điện. Cho nên,
việc quyết định phương án chế tạo MBA tổn hao thấp hay cao không những là vấn đề
kinh tế - kỹ thuật hiện tại mà cả ảnh hưởng trong tương lai. Từ năm 1980, xu hướng

- 22 -


của thế giới chọn vật liệu vô định hình làm lõi thép cho máy biến áp để giảm tổn hao
không tải [25].
Máy biến áp vô định hình bắt đầu ra đời từ năm 1982. Và các nhà khoa học đã
nhận thấy rằng máy biến áp vô định hình chính là sự cải tiến lớn nhất trong công cuộc
nổ lực đi tìm lời giải cho giảm tổn thất điện năng máy biến áp.
Hình 1.2. Biểu thị đường cong từ trễ của vật liệu vô định hình và thép silic [25].
B (T)

Thép vô

định hình

1,6
1,2
0,8
04

1,4

1,2 1,0 0,8

0,6

0,4

0,2

0
0,2

04

Thép silic

0,4

0,6

0,8

1,0 1,2 1,4
H(A/m)

0,8
1,2
1,6

Hình 1.2: Đường cong từ trễ của vật liệu vô định hình và thép silic.

Hình 1.3: Tổn hao sắt từ phụ thuộc vào cảm ứng từ B của thép Si và VĐH.
(f=60 Hz). Nguồn: Yamoto et al, IEEE,TranMag.Vol.Mag.20.No3,1984

- 23 -