Nghiên cứu phân bố nhiệt trong máy biến áp khô có lõi thép vô định hình

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

HOÀNG THÁP MƯỜI

NGHI£N CøU Ph©n bè nhiÖt trong m¸y biÕn ¸p kh«
cã lâi thÐp v« ®Þnh h×nh

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN

HÀ NỘI – 2015


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

HOÀNG THÁP MƢỜI

NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ NHIỆT TRONG

MÁY BIẾN ÁP KHÔ CÓ LÕI THÉP VÔ ĐỊNH HÌNH

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN – THIẾT BỊ ĐIỆN
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. PHẠM VĂN BÌNH

HÀ NỘI – 2015


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT..........................................4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................7
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................8
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP KHÔ LÕI THÉP VÔ ĐỊNH
HÌNH ........................................................................................................................10
1.1. Giới thiệu về vật liệu vô định hình sử dụng trong kỹ thuật điện .......................10
1.1.1.Lịch sử phát triển: ........................................................................................10
1.1.2.Công nghệ sản xuất vật liệu từ vô định hình: ..............................................12
1.1.3.Cấu trúc nguyên tử:......................................................................................13
1.1.4. So sánh tổn hao vật liệu vô định hình và tôn Silic......................................14
1.2 Ứng dụng vật liệu vô định hình ..........................................................................17
1.3. Hướng nghiên cứu của tác giả:...........................................................................20
CHƢƠNG 2 - XÂY DỰNG PHƢƠNG TRÌNH TRUYỀN NHIỆT VÀ MÔ
HÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG DÂY QUẤN ..................................................21
2.1. Quá trình nhiệt trong máy biến áp .....................................................................21
2.1.1. Tổn hao dây quấn:.......................................................................................21
2.1.2. Tổn hao lõi thép: .........................................................................................23
2.2. Các phương pháp trao đổi nhiệt trong máy biến áp khô lõi thép vô định hình ..24
2.2.1. Dẫn nhiệt .....................................................................................................24
2.2.2. Đối lưu ........................................................................................................26
2.2.3. Bức xạ .........................................................................................................29
2.2.4. Tính toán hệ số trao đổi nhiệt tổng .............................................................30
2.3. Phương trình vi phân đạo hàm riêng cho các bài toán truyền nhiệt: .................30
2.4. Mô hình nghiên cứu cho việc khảo sát nhiệt dây quấn máy biến áp .................31

2.4.1. Mô hình hóa đối tượng nghiên cứu bằng mô hình tương tự .......................32
2.4.2. Mô hình phân bố nhiệt ................................................................................34
2.4.3. Ví dụ............................................................................................................35

1


2.5. Kết luận ..............................................................................................................36
CHƢƠNG 3 - KHẢO SÁT SỰ PHÂN BỐ NHIỆT TRONG CUỘN DÂY MÁY
BIẾN ÁP KHÔ LÕI VÔ ĐỊNH HÌNH BĂNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ
HỮU HẠN VÀ PHẦN MỀM ỨNG DỤNG ..........................................................37
3.1.Phương pháp phần tử hữu hạn ............................................................................37
3.1.1.Đặc trưng nổi bật của phương pháp phần tử hữu hạn: ................................37
3.1.2. Thiết lập các phương trình phần tử hữu hạn ...............................................37
3.2. Phương pháp phần tử hữu hạn với chương trình FlexPDE: ..............................38
3.2.1. Giới thiệu phần mềm FlexPDE: .................................................................38
3.2.2.Các thông số nghiên cứu nhiệt của MBA khi sử dụng phần mềm FlexPDE:
...............................................................................................................................39
3.3. Ứng dụng phần mềm FlexPDE trong việc khảo sát sự phân bố nhiệt của máy
biến áp khô lõi thép VĐH 250kVA - 35kV/0,4kV. ..................................................40
3.3.1. Mô hình và kích thước mạch từ: .................................................................40
3.3.2.Mô hình các cuộn dây biến áp khô ..............................................................40
3.4.Kết quả sau khi chạy chương trình FlexPDE: .....................................................43
3.4.1. Kết quả sau khi chạy chương trình FlexPDE với thép VĐH ......................43
3.4.2. Kết quả sau khi chạy chương trình FlexPDE với thép KTĐ ......................46
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................50
1. Kết luận: ................................................................................................................50
2. Những kiến nghị về hướng nghiên cứu mở rộng: .................................................51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................52

2


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

Hoàng Tháp Mƣời

3


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CHỮ VIẾT TẮT

NGUYÊN VĂN

MBA

Máy biến áp

VĐH

Vô định hình

KTĐ

Kỹ thuật điện

MQH

Mối quan hệ

ECM

Enterprise Content Management

DFE

Partial Differential Equations

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Tên hình vẽ

Hình

Trang

1.1

Quy trình chế tạo vật liệu vô định hình

12

1.2

Mô hình các sản phẩm

13

1.3

Các cấu trúc nguyên tử

13

1.4

So sánh tổn hao không tải của máy biến áp ở Nhật Bản (máy 3 pha,
50Hz, 300 kVA)

14

1.5

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

18

1.6

Máy biến áp 1 pha 50 kVA - 6 kV/210 V

19

1.7

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

19

1.8

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

20

2.1

Đường cong từ trễ của thép vô định hình và thép silic

23

2.2

Lõi thép vô định hình

24

2.3

Nhiệt truyền qua vách phẳng

25

2.4

Dẫn nhiệt qua vách hình trụ

26

2.5

Nhiệt truyền từ chất lỏng này tới chất lỏng khác qua vách trụ

28

2.6:a

Bố trí cách điện trong dây quấn máy biến áp

34

2.6:b

Mô hình 1/2 pha cuộn dây máy biến áp

34

2.7

Mạng các nút cho một nửa pha máy biến áp

35

3.1

Kích thước mạch từ của máy biến áp

40

3.2

Mô hình các cuộn dây của biến áp khô

40

3.3

Phân bố nhiệt trong dây quấn MBA lõi thépVĐH khi chạy tải định
mức theo bán kính r (cm) và chiều cao z(cm) của dây quấn

5

43


Đồ thị biểu diễn MQH của nhiệt độ T(C0) theo bán kính r(cm) của
3.4

3.5

3.6

dây quấn hạ áp MBA lõi thépVĐH khi chạy tải định mức
Phân bố nhiệt trong dây quấn MBA lõi thépVĐH khi tải bằng 2/3
định mức theo bán kính r (cm) và chiều cao z(cm) của dây quấn
Đồ thị biểu diễn MQH của nhiệt độ T(C0) theo bán kính r(cm) của
dây quấn hạ áp MBA lõi thép VĐH khi tải bằng 2/3 định mức

43

44

44

Phân bố nhiệt trong dây quấn MBA lõi thép VĐH khi ngắn mạch
3.7

dây quấn hạ áp theo bán kính r (cm) và chiều cao z(cm) của dây

45

quấn
3.8

3.9

3.10

3.11

3.12

3.13

Đồ thị biểu diễn MQH của nhiệt độ T(C0) theo bán kính r(cm) của
dây quấn hạ áp MBA lõi thép VĐH khi ngắn mạch dây quấn hạ áp
Phân bố nhiệt trong dây quấn MBA lõi thép KTĐ khi tải định mức
theo bán kính r (cm) và chiều cao z(cm) của dây quấn
Đồ thị biểu diễn MQH của nhiệt độ T(C0) theo bán kính r(cm) của
dây quấn hạ áp MBA lõi thép KTĐ khi tải định mức
Phân bố nhiệt trong dây quấn MBA lõi thép KTĐ khi tải bằng 2/3
định mức theo bán kính r (cm) và chiều cao z(cm) của dây quấn
Đồ thị biểu diễn MQH của nhiệt độ T(C0) theo bán kính r(cm) của
dây quấn hạ áp MBA lõi thép KTĐ khi tải bằng 2/3 định mức
Phân bố nhiệt trong dây quấn MBA lõi thép KTĐ khi ngắn mạch
dây quấn hạ áp

45

46

46

47

47

48

Đồ thị biểu diễn MQH của nhiệt độ T(C0) theo bán kính r(cm) của
3.14

dây quấn hạ áp MBA lõi thép KTĐ khi ngắn mạch dây quấn hạ áp
áp

6

48


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng
1.1

1.2
1.3
1.4

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 tổn hao của máy biến áp
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 silic thông thường.

Trang
15

15
16
17

2.1

Bảng hệ số trao đổi nhiệt ở một số điều kiện

29

2.2

Bảng các giá trị điển hình của hệ số phát xạ

29

7


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
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.
Máy biến áp đầu tiên, xuất hiện vào khoảng năm 1890 là kiểu máy biến áp khô sau
đó sử dụng máy biến áp môi trường làm mát bằng dầu.
Đến những năm 90 của thế kỷ thứ XX, do yêu cầu cao về an toàn phòng chống
cháy nổ người ta lại trở về với máy biến áp khô. Điều kiện làm mát máy biến áp khô

khó khăn hơn máy biến áp dầu bắt buộc người ta phải quan tâm hơn đến tính toán và
lựa chọn chế độ làm mát cho loại máy.
Hiện nay, ở Việt Nam, nhu cầu tiêu thụ điện năng rất lớn, nếu tiếp tục sử
dụng loại máy biến áp có lõi truyền thống thì lượng điện năng tiêu hao lớn, gây lãng
phí và thiếu hiệu quả. Với máy biến áp có lõi thép bằng kim loại vô định hình, tổn
hao trong lõi thép có thể giảm xuống tới 75% so với máy biến áp lõi từ bằng tôn cán
lạnh định hướng [13]. Điều đó sẽ góp phần tích cực vào việc giảm tiêu hao năng
lượng và phát khí thải ra môi trường. Với lý do đó MBA khô có lõi từ bằng kim loại
vô định hình sẽ ngày càng được sử dụng rông rãi ở Việt Nam.
Vì vậy nghiên cứu về phân bố nhiệt trong máy biến áp khô có lõi thép vô
định hình nhằm xác định phân bố nhiệt phân bố trong dây quấn góp phần quan trọng
cho giúp ta tìm phương án tối ưu trong việc nâng cao công suất đơn chiếc máy và là
tiền đề cho việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo MBA khô lõi sử dụng vật liệu vô định
hình ở Việt Nam.
Với nhận thức trên, tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu phân bố nhiệt trong
máy biến áp khô có lõi thép vô định hình” làm luận văn tốt nghiệp của mình.

8


2. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
2.1. Mục đích
Mục đích xác định phân bố nhiệt phân bố trong dây quấn ở chế độ định mức
góp phần nghiên cứu thiết kế kinh tế các máy biến áp sử dụng vật liệu vô định hình
đầu tiên ở Việt Nam.
2.2.Đối tƣợng
Nghiên cứu phân bố nhiệt trong dây quấn MBA có lõi thép sử dụng vật liệu
vô định hình.
2.3. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp truyền nhiệt của MBA khô có

lõi thép vật liệu vô định hình.
- Nghiên cứu phương trình truyền nhiệt và mô hình truyền nhiệt trong dây
quấn của MBA khô có lõi thép vật liệu vô định hình.
- Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn khảo sát phân bố nhiệt trong dây
quấn MBA khô có lõi thép vô định hình và lõi thép KTĐ.
3. Nội dung luận văn
Luận văn gồm 3 chương:
- Chương 1: Tổng quan về máy biến áp khô lõi thép vô định hình.
- Chương 2: Xây dựng phương trình truyền nhiệt và mô hình truyền nhiệt
trong quận dây máy biến áp khô có lõi thép vô định hình.
- Chương 3: Khảo sát sự phân bố nhiệt trong dây quấn máy biến áp lõi thép
vô định hình bằng phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm ứng dụng.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Tổng hợp các tài liệu có liên quan đến đề tài.
- Sử dụng các phương pháp phần tử hữu hạn nghiên cứu phân bố nhiệt trong
dây quấn của MBA khô lõi thép VĐH.
- Sử dụng phần mềm FlexPDE để mô phỏng phân bố nhiệt trong dây quấn.
Khi mô phỏng xem lõi thép vô định hình là đồng nhất và đẳng hướng, coi hình dáng
mạch từ giống như máy biến áp thép kỹ thuật điện và và sự phân bố nhiệt ở chế độ
xác lập.

9


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP KHÔ LÕI THÉP VÔ ĐỊNH HÌNH
1.1. Giới thiệu về vật liệu vô định hình sử dụng trong kỹ thuật điện
1.1.1. Lịch sử phát triển [14], [9]
Lõi thép vô định hình đầu tiên được phát minh và đưa vào sản xuất vào
những năm 1970 bởi công ty Allied Signal Hoa Kỳ. Công ty Hitachi mua lại bộ

phận kinh doanh của công ty Allied Signal năm 2003.
Lõi thép vô định hình có tổn hao ít hơn nhiều so với lõi thép thông thường,
chính vì vậy mà thép vô định hình bắt đầu được sử dụng trong việc sản xuất lõi thép
năm 1980. Bắt đầu từ năm 2000, khi việc tiết kiệm năng lượng và giảm khí thải
CO2 được đặt ra thì máy biến áp lõi thép vô định hình ngày càng được sử dụng rộng
rãi không những ở Mỹ, Nhật mà còn ở các nước có tốc độ kinh tế phát triển nhanh
như Trung Quốc, Ấn Độ. Sau đây là quá trình phát triển của vật liệu từ mềm vô
định hình:
Ở Mỹ:
- Thập niêm 70 nghiên cứu và phát triển sản phẩm.
- 1973 Công ty Metglas thông báo phát minh ra hợp kim vô định hình.
- 1978 máy biến áp sử dụng lõi thép vô định hình được phát triển và giới
thiệu.
- 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

10


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.
- 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.

11


1.1.2. Công nghệ sản xuất vật liệu từ vô định hình [6], [9]

Để chế tạo vật liệu vô định hình (VĐH), cho tới hiện nay có nhiều phương
pháp khác nhau. Tuy nhiên, để đơn giản có thể đưa chúng về 4 nhóm sau đây
+ Nguội nhanh từ tinh thể lỏng;
+Bắn phá vật liệu nguồn bằng chùm điện tử, ion có năng lượng cao;
+ Nghiền cơ học động năng cao: Cho các bột kim loại hoặc hợp kim vô
định hình;
+ Thiêu kết áp lực cao từ bột hợp kim.
Phương pháp nguội nhanh từ tinh thể lỏng là phương pháp được dùng phổ
biến trong công nghệ luyện kim, nguyên tắc là dùng một môi trường làm lạnh, thu
nhiệt của hợp kim nóng chảy trong thời gian rất ngắn để chúng không kịp kết tinh
trong quá trình hóa rắn. Phương pháp nguội nhanh phổ biến nhất là phương pháp
"nóng chảy - quay", được mô tả như sau:
Hợp kim được nóng chảy và phun lên bề mặt một trống kim loại được quay
với tốc độ rất nhanh (thường làm bằng cách kim loại truyền nhiệt tốt ví dụ như
đồng) đóng vai trò môi trường thu nhiệt. Hợp kim sẽ bị dàn mỏng thành dạng băng
mỏng và làm lạnh với tốc độ rất nhanh (tốc độ tới hàng triệu độ một giây) và tạo ra
các hợp kim có cấu trúc vô định hình.
Công nghệ nguội nhanh loại ampoule ngoài không khí
Công nghệ liên tục.

Trong đó: (A) Lò nấu chảy; (B) Hệ thống rót; (C) Trục quay;
(D1) (D2) Thiết bị kiểm tra độ dày và bề rộng băng; (E) Thiết bị
quấn băng
Hình:1.1 Qui trình chế tạo vật liệu vô định
hình.

12


Các loại vật liệu VĐH thu được từ phương pháp làm nguội nhanh:

Vật liệu từ mềm vô
định hình và nano tinh
thể.

Vật liệu từ vô định

Vật liệu từ nano tinh

hình

thể

Vật liệu vô định hình

Vật liệu vô định hình

Vật liệu vô định hình

Fe-based

Co-based

Fe-Ni-based

Hình 1.2: Mô hình các sản phẩm.
1.1.3.Cấu trúc nguyên tử [3], [5]

Cấu trúc nguyên tử thép thừng (trái), thép vô định hình (phải).

Cấu trúc Tinh thể

Cấu trúcVô định hình

Cấu trúc Nano tinh

Hình :1.3: Các cấu trúc nguyên tử.

13

thể


Thép thường cấu trúc nguyên tử theo trật tự, giảm điện trở suất và dày
khoảng 0,3-0,5 mm
Thép vô định hình hệ thống nguyên tử kết nối ngẫu nhiên giảm cấu trúc đẳng
hướng, tăng điện trở suất và có độ dày khoảng 0.03-0.05mm.
1.1.4. So sánh tổn hao vật liệu vô định hình và tôn Silic [10]
Máy biến áp 1 pha lõi thép silic có công suất 30kVA tổn hao không tải là
149W, còn máy biến áp lõi thép vô định hình tổn hao không tải là 38W. Như vậy,
so với máy biến áp lõi thép silic thì máy biến áp vật liệu vô định hình đã giảm 70%
đến 80% tổn hao không tải. Bảng 1.1. minh họa điều này.
Bảng 1.3. Ví dụ cho một MBA 3 pha, 500kVA – 22kV, thay thế lõi tôn silic
bằng thép VĐH đã tiết kiệm được 1770 W (trong một năm đã tiết kiệm

Tổn hao không tải (W)

15.505kWh) có nghĩa nó đã tiết kiệm 1.395 USD.

1500

1000

500

Thép silic (thường

Thép silic

Thép silic

Vật liệu vô

- năm 1970)

(chuẩn)

(hiệu suất cao)

định hình

Hình 1.4: So sánh tổn hao không tải của máy biến áp ở Nhật
Bản (máy 3 pha, 50Hz, 300 kVA)

14


Bảng 1.1: 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 không tải, W

Công
Máy biến áp

suất

Độ giảm
Lõi thép biến áp thông

Lõi thép vô

(kVA)

thường, tôn silic

định hình

50

149

38

75

100

245

62

75

300

1400

200

86

1000

3000

390

87

tổn hao, %

1 pha

3 pha
Nguồn: Tổng Công ty Điện lực Hàn Quốc KEPOCO’s
Bảng 1.2: Tổn hao sắt từ (Fe), tổn hao đồng và tổng tổn hao của máy biến áp
cùng công suất sử dụng hai loại vật liệu dẫn từ khác nhau.
Tổn hao PL(W) (~50% tải)
Loại tổn hao

Thép vô định

Thép silicon cán nguội

hình

định hướng

Tổn hao từ trễ, Ph

99

155

Tổn hao dòng điện xoáy, Pe

33

311

Tổng tổn hao sắt từ

132

466

Tổn hao đồng

966

1.084

1.098

1.550

Tổng tổn hao máy biến thế

Chú ý: máy biến áp 3 pha, 250 kVA, tần số công nghiệp.
nguồn: Hasegawa & Pruess,Proc. IEEE, 2001, p. 1820.

15


Số liệu trong bảng 1.2 cho thấy, đối với máy biến áp 3 pha, 250kVA, tổn
hao từ giảm từ 466W (lõi thép silic cán nguội) xuống 132W (lõi VĐH), tức là
tổn hao lõi VĐH chỉ bằng ~1/3 so với thép silic. Trong khi đó tổn hao đồng gần
như nhau (966 W và 1.084 W). Tổn hao tổng cộng của máy biến áp giảm từ 1.550
W xuống 1.098 W khi dùng lõi VĐH.
Bảng 1.3. Hiệu quả kinh tế khi sử dụng lõi dẫn từ VĐH
Biến áp 500 kVA, 3 pha, cấp điện áp 22 kV
1

2

Tổn hao không tải khi sử dụng

270 W

thép vô định hình
Tổn hao không tải khi sử dụng

2.040W

tôn silic
3

Tiết kiệm công suất điện

1.770 W (2040W-270W)

Tiết kiệm điện trong 1 năm

15.505 kWh (1.770 W x 24 h x 365

4
(chạy không tải)

ngày)/1.000

Tiết kiệm tiền điện trong 1 năm

1.395 USD

5
(chạy không tải)

(15.505 x 0,09 USD/kWh)

Ghi chú: 1 - Nếu máy biến áp chạy không tải 8 h/ngày, thì các con số trong
cột 4 và 5 tương ứng là: ~5.168 kWh và ~ 465 USD.

2 - Nguồn Kim Tae-ho, Cty Công nghiệp Cherong, Seoul, Hàn Quốc.

Hệ thống thiết bị công nghiệp của Công ty Hitachi, đại diện cho công nghệ
tiến tiến và siêu tiết kiệm năng lượng chính là máy biến áp lõi thép VĐH. Máy biến
áp lõi thép VĐH là giảm pháp tiết kiệm năng lượng, giảm khí thải CO2 và ngăn
chặn sự nóng lên của toàn cầu. Nếu tất cả máy biến áp ở Hàn Quốc sử dụng lõi
thép vô định hình thay tôn silic truyền thống thì dự tính trong năm 2010, Hàn
Quốc tiết kiệm được khoảng 7 tỷ kWh điện, bằng lượng điện năng cung cấp cho
một thành phố khoảng 1,4 triệu dân, điều đó cũng đồng nghĩa với việc giảm
khoảng 1 triệu tấn khí CO2, tương đương với lượng CO2 của khoảng 220.000 ô tô

16


thải ra. Việc sử dụng vật liệu dẫn từ vô định hình trong dải tần số 50-60 Hz đã
và đang được triển khai mạnh mẽ ở Hoa Kỳ, Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn
Quốc, Nga…Hiện nay, tại 7 nước châu Á đã có khoảng 515.000 máy biến áp làm
bằng vật liệu từ vô định hình.
Bảng1.4. Thông số kỹ thuật một số vật liệu vô định hình [7]:
Hợp kim vô định hình

Loại 2605SA1

Loại 2605HB1

Từ cảm 60 Hz và 80A/m*(T)

>= 1.35

>= 1.5

ở 60Hz và 1,3 T

<= 0.17

<= 0.17

ở 60Hz và 1,4 T

<= 0.20

<= 0.20

<= 0.10

<= 0.50

Suất tổn hao*
Suất tổn hao* ở 60Hz và 1,4 T

Thông số kích cỡ và chỉ số dát mỏng
Hợp kim

Độ dày

Các kích thước bề ngang chuẩn

Chỉ số dát mỏng

(µm)

(mm)

(%)

2605SA1

213.4±1.4
2.5±5

142.2±1.0

>=84

170.2±1.1

2605HB1

>=82

1.2 Ứng dụng vật liệu vô định hình [5]
Vật liệu vô định hình được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp quân sự
trong một vài thập kỷ qua. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, vật liệu
VĐH đã ngày càng được sử dụng nhiều hơn. Đáng chú ý nhất là sử dụng vào chế
tạo lõi thép cho máy biến áp. Sau đây là sơ đồ mô tả các sản phẩm và ứng dụng của
vật liệu VĐH như hình1.5.

17

Lõi máy biến áp
Tần số 50Hz

Lõi

Biến tần
ứng dụng cho hệ thống trung tần
Các dạng băng

Lõi máy biến áp

Lõi cuộn cảm
Dạng băng

Thiết bị khác
ứng dụng cho tần số cao
Cuộn chặn

- Hệ thống điện
- Hệ thống điện tử
- Thông tin
- EMC

Hình 1.5: Sơ đồ mô tả các sản phẩm của vật liệu vô định hình.

18


- Ứng dụng vào chế tạo lõi máy biến áp phân phối 1 pha và 3 pha:
Dùng vật liệu vô định hình làm lõi thép máy biến áp 1 pha, 3 pha (máy biến

áp dầu và máy biến áp khô) là một giải pháp tiết kiệm năng lượng của Công ty
Hitachi.
Sau đây là các máy biến áp lõi thép vô định hình:
+ Máy biến áp 1 pha:

Đầu sơ cấp
Đầu thứ cấp

Lõi thép vô
định hình
Cuộn dây
Vỏ
Hình 1.6: Máy biến áp 1 pha 50 kVA - 6 kV/210 V.
+ Máy biến áp dầu 3 pha:
Lõi thép
vô định hình

Cuộn dây

a)

b)

Hình 1.7: Máy biến áp 3 pha: a) 3 trụ ; b) 5 trụ.

19


+ Máy biến áp khô 3 pha:

Hình 1.8: Máy biến áp khô 3 pha 1000 kVA - 6 kV/210V.
1.3. Hƣớng nghiên cứu của tác giả
Vấn đề sử dụng năng lượng hiệu quả đặt ra một cách cấp thiết. Vì vậy vật liệu
vô định hình ngày càng được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực đặc biệt trong
lĩnh truyền tải điện năng. Máy biến áp khô sử dụng vật liệu vô định hình làm lõi ngày
càng được dùng phổ biến. Tính toán làm mát (bài toán truyền nhiệt) là phần quan
trọng cho giúp ta tìm phương án tối ưu trong việc nâng cao công suất đơn chiếc máy
biến áp. Điều kiện làm mát máy biến áp khô khó khăn hơn máy biến áp dầu do đó ta
phải quan tâm hơn đến tính toán và lựa chọn chế độ làm mát cho loại máy. Tác giả đề
ra hướng nghiên cứu như sau:
- Khảo phương pháp truyền nhiệt máy biến áp khô có sử dụng lõi thép vô
định hình.
- Xây dựng phương trình truyền nhiệt mô hình truyền nhiệt trong cuộn dây
của máy biến áp khô sử dụng lõi thép vô định hình.
- Khảo sát quá trình nhiệt trong dây quấn bằng phương pháp sử dụng phần tử
hữu hạn và phần mềm ứng dụng.

20


CHƢƠNG 2
XÂY DỰNG PHƢƠNG TRÌNH TRUYỀN NHIỆT
VÀ MÔ HÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG DÂY QUẤN
2.1. Quá trình nhiệt trong máy biến áp
Khi máy biến áp mang tải, tổn hao trong máy biến áp sẽ biến đổi thành
nhiệt, làm nóng máy biến áp. Các tổn hao trong máy biến áp gồm:
+ Tổn hao dây quấn;
+ Tổn hao lõi thép;
+ Tổn hao phụ khác.
Trong đó khi làm việc với tải định mức trong các tổn hao trên thì tổn hao

trong dây quấn là chiếm phần lớn. Các tổn hao khác trong một số trường hợp nhỏ so
với tổn hao dây quấn nên có thể bỏ qua.
2.1.1. Tổn hao dây quấn [1], [7]
- Tổn hao dây quấn là năng lượng tiêu tán trên điện trở của dây quấn của
máy biến áp. Thông thường dây quấn làm bằng đồng điện trở suất của nó ở nhiệt độ
200C khoảng 1.73x 10-8 Ωm. Trong thực tế nhiệt độ làm việc các cuộn dây phụ
thuộc vào cấp cách điện của vật liệu, đối với máy biến áp làm việc với nhiệt độ môi
trường là 400C, với độ tăng nhiệt độ cho phép là 600C, nhiệt độ các cuộn dây cho
phép tới 1000C.
Công suất tổn hao do điện trở trên dây quấn tính theo công thức:
Pdq = I2*Rdq

(2.1)

Nhiệt tỏa ra trên dây quấn trong thời gian t là:
Qdq = I2*Rdq*t

(2.2)

Điện trở dây quấn tính cho dẫn dòng điện một chiều theo công thức:
RDC = ρ l/s

(2.3)

Trong đó:
I: cường độ dòng điện chạy trong dây quấn;
t: Thời gian dòng điện đi qua dây quấn;
ρ: Điện trở suất của vật liệu làm dây quấn;
l: Chiều dài dây dẫn;

21


s: Tiết diện dây dẫn.
- Trong thực tế, máy biến áp làm việc với dòng điện xoay chiều, điện trở dây
quấn bị thay đổi vì các hiệu ứng mặt ngoài và hiệu ứng gần, có thể giải thích :
+ Hiệu ứng mặt ngoài:
Khi dẫn dòng điện xoay chiều, do từ ảnh hưởng của trường tản xoay chiều,
dòng điện có xu hướng chảy trong một phần của vật dẫn phía mặt ngoài, gọi là hiệu
ứng mặt ngoài. Độ dày phần dẫn điện mặt ngoài phụ thuộc vào tần số dòng điện, hệ
số từ thẩm và điện trở của vật dẫn, được tính theo công thức:
 R 
Ds  1,98. 

 . f 

(2.4)

Trong đó:
R: Điện trở theo một đơn vị thể tích;
Ds: Bề dày dẫn điện, cũng được gọi là hệ số thấm sâu của dòng điện;
f: Tần số;
µ: Độ từ thẩm của vật liệu.
+ Hiệu ứng gần:
Dòng điện trong dây quấn máy biến áp cũng bị phân bố không đồng đều
trong dây dẫn do ảnh hưởng từ trường móc vòng từ các dây dẫn lân cận, do đó làm
cho điện trở thay đổi.
Do đó điện trở một dây dẫn tính cho dẫn dòng điện xoay chiều được tính:
RAC = Fr x RDC
Fr =1+

(2.5)

π 2ω2μ 02 N2 n 2d c6 k
768ρc 2 bc2

(2.6)

Trong đó:
ω: Tần số góc của dòng điện xoay chiều;
n: số dây dẫn;
bc: Bề rộng của sổ mạch từ;
dc: Đường kính của mỗi sợi dây;
k: Hệ số phụ thuộc vào sự phân bố của từ trường;
ρc: Điện trở xuất của dây dẫn

22


Do đó công suất tổn hao trên dây quấn máy biến áp khi có dòng xoay chiều
là:
Pxc = I2 * RAC

(2.7)

Trong đó:
I: Cường độ hiệu dụng của dòng xoay chiều
Như vậy công suất tổn hao trên dây quấn phụ thuộc vào dòng điện tải, vật
liệu làm dây quấn và kích thước dây quấn.
2.1.2. Tổn hao lõi thép:

a) Tổn hao từ trễ [1], [7]:
Với mỗi vật liệu sắt từ làm lõi thép khi máy biến áp làm việc sẽ xuất hiện
hiệu ứng từ trễ. Diện tích của mắt từ trễ đặc trưng cho tổn hao năng lượng một chu
kỳ từ trễ và được tính theo công thức:
B

W   HdB

( 2.8)

0

Như vậy diện tích của mắt từ trễ càng lớn thì tổn hao càng lớn.
Tổn hao từ trễ còn phụ thuộc vào tần số.
Tóm lại công suất tổn hao từ trễ có thể tính theo công thức :
Ph = khfBn

(2.9)

Trong đó: kh: Hệ số phụ thuộc vào vật liệu làm lõi
n= 1,3 – 1,6

Thép vô
định hình

B (T)
1,6
1,2

Hc

1,4

0,8

0,4
1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

Thép silic

0

H
0,2 0,4

0,4

0,6

0,8 1,0 1,2 1,4

H(A/m)

0,8
1,2
1,6

Hình 2.1 : Đường cong từ trễ của thép vô định hình và thép silic [9].

23