Tài liệu 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  GV. HƯỚNG DẪN 2                  PGS. TS Phạm Văn Bình 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. 3.2.5. 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 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. 4.6.2. 4.6.3. 4.6.4. 4.6.5. 4.6.6. 4.6.7. 4.6.8. 4.6.9. Các trường hợp khảo sát ................................................................................... 79 Trường hợp r = 2 mm ........................................................................................ 80 Trường hợp r = 10 mm ...................................................................................... 82 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  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  Điện trở suất  Điện áp ngắn mạch phần trăm  Từ thông móc vòng  viii   Góc pha của dòng điện  φn   rad  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  Vectơ cảm ứng từ  J A/m2  A Wbm-1  B  T  -1 Vectơ mật độ dòng điện  Vectơ từ thế  Cảm ứng từ (mật độ từ thông)  ε  Fm   Hệ số điện môi  μ  Hm-1  Hệ số từ thẩm  μ0  Hm-1  Hệ số từ thẩm không khí  γ  Ω-1m-1  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  Điện dẫn suất  mm  Khoảng cách từ trụ đến thành ngoài cuộn HA  2 d2   mm  Khoảng cách từ trụ đến thành ngoài cuộn CA   b1  mm  Chiều cao cuộn dây HA  b2  mm  Chiều cao cuộn dây CA  a x b  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        ix   DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU Viết tắt Ý nghĩa 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 Hình 2.6. Hình 2.7. Hình 2.8. Hình 2.9. Hình 2.10. Hình 2.11. Hình 2.12. Hình 2.13. Hình 2.14. Hình 3.1. Hình 3.2. Hình 3.3. Hình 3.4. Hình 3.5. Hình 3.6. Hình 3.7. Hình 3.8. Hình 3.9. Hình 3.10. Hình 3.11. Hình 3.12. Hình 3.13. Hình 3.14. Hình 3.15. Hình 3.16. Hình 3.17. Hình 3.18. Hình 3.19. Hình 3.20. Hình 3.21. xi   Biến dạng dây quấn gây ra bởi lực hướng trục [50] ............................................ 29 Biến dạng dây quấn gây ra bởi lực hướng kính [60] ........................................... 29 Uốn cong của dây quấn [63,64] .......................................................................... 29 Các thành phần của từ cảm tản và lực điện từ tác dụng lên dây quấn MBA ........ 30 Lực điện từ hướng kính của dây quấn đồng tâm đối xứng .................................. 30 Lực dọc trục của dây quấn đồng tâm không đối xứng ......................................... 31 Mô hình các kích thước 2D của MBA ................................................................ 35 Thành phần từ cảm theo trục x, y tại các đường biên của cửa sổ mạch từ MBA  .......................................................................................................................... 36 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 Lưu đồ thuật toán tính ứng suất tác dụng trên dây quấn ...................................... 42 Dòng điện ngắn mạch trên cuộn CA ................................................................... 44 Dòng điện ngắn mạch trên cuộn HA .................................................................. 44 Các kích thước mạch từ và cuộn dây của MBA .................................................. 47 Đồ thị vectơ từ thế A(x,y) trong cửa sổ mạch từ ................................................. 49 Đồ thị từ cảm hướng kính Bx ............................................................................. 49 Đồ thị từ cảm hướng trục By .............................................................................. 50 Phân bố từ cảm tại cạnh ngoài cùng cuộn HA .................................................... 50 Phân bố từ cảm tại cạnh trong cùng cuộn CA ..................................................... 51 Tọa độ các điểm khảo sát theo bề dày cuộn HA và CA ...................................... 52 Đồ thị phân bố ứng suất σx cuộn HA ứng với ba vị trí x khác nhau..................... 52 Đồ thị phân bố ứng suất σy cuộn HA ứng với ba vị trí x khác nhau..................... 52 Đồ thị phân bố ứng suất σx cuộn CA ứng với ba vị trí x khác nhau ..................... 52 Đồ thị phân bố ứng suất σy cuộn CA ứng với ba vị trí x khác nhau ..................... 52 Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh ngoài cùng cuộn HA .................................. 53 Đồ thị phân bố ứng suất σxy tại cạnh trong cùng cuộn CA .................................. 53 Mô hình MBA trong Ansys Maxwell ................................................................. 54 Mô hình chia luới trong Ansys Maxwell ............................................................ 54 Biểu diễn vectơ từ cảm B ................................................................................... 55 Biểu diễn độ lớn từ cảm B.................................................................................. 55 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. Hình 4.2. Hình 4.3. Hình 4.4. Hình 4.5. Hình 4.6. Lưu đồ thuật toán tính ứng suất trên các cuộn dây .............................................. 64 Quá trình giải quyết bài toán bằng phương pháp PTHH [15] .............................. 65 Đường cong từ hóa của vật liệu VĐH 2605SA1 [55] ......................................... 66 Mô hình cụ thể kích thước mạch từ và dây quấn MBAVĐH .............................. 66 Ký hiệu tọa độ của các đường thẳng khảo sát ..................................................... 66 Lõi thép MBA bằng vật liệu VĐH ..................................................................... 67 Hình 4.7. Hình 4.8. Hình 4.9. Hình 4.10. Hình 4.11. Hình 4.12. Hình 4.13. Hình 4.14. Hình 4.15. Hình 4.16. Hình 4.17. Hình 4.18. Hình 4.19. Hình 4.20. Hình 4.21. Hình 4.22. Hình 4.23. Hình 4.24. Hình 4.25. Hình 4.26. Mạch từ và cuộn dây của MBAVĐH ................................................................. 67 Mô hình MBAVĐH trong phân tích Ansys Maxwell 3D .................................... 67 Sơ đồ mạch điện CA và HA của MBA ............................................................... 68 Kết quả chia lưới mô hình MBA trong Ansys Maxwell ...................................... 68 Không gian giới hạn mô phỏng .......................................................................... 68 Kích thước mở rộng theo các chiều .................................................................... 68 Phân bố từ cảm B trong mạch từ khi chưa ngắn mạch ........................................ 69 Điện áp CA định mức ........................................................................................ 69 Điện áp HA định mức ........................................................................................ 69 Dòng điện CA định mức .................................................................................... 70 Dòng điện HA định mức .................................................................................... 70 Tổn hao không tải MBA .................................................................................... 70 Tổn hao ngắn mạch của MBA ............................................................................ 70 Dòng điện ngắn mạch trên cuộn CA ................................................................... 71 Dòng điện ngắn mạch trên cuộn HA .................................................................. 71 Phân bố từ cảm trên mạch từ và cuộn dây của MBA tại thời điểm t =25ms ........ 72 Phân bố từ cảm trên mạch từ và cuộn dây của MBA tại thời điểm t =25ms ........ 72 Từ cảm tại cạnh ngoài cùng cuộn HA ................................................................ 72 Từ cảm tại cạnh trong cùng cuộn CA ................................................................. 72 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. Hình 4.34. Hình 4.35. Hình 4.36. Hình 4.37. Hình 4.38. Hình 4.39. Hình 4.40. Hình 4.41. Hình 4.42. Hình 4.43. Hình 4.44. Hình 4.45. Hình 4.46. Hình 4.47. Hình 4.48. Hình 4.49. Hình 4.50. Hình 4.51. Hình 4.52. Hình 4.53. Hình 4.54. Hình 4.55. Hình 4.56. Hình 4.57. Hình 4.58. Hình 4.59. Hình 4.60. Hình 4.61. Hình 4.62. Hình 4.63. Hình 4.64. Hình 4.65. Các đường thẳng khảo sát trên cuộn HA ............................................................ 76 Vị trí 10 đường khảo sát trên cuộn HA ứng với r =12 ......................................... 76 Phân bố ứng suất của 10 vị trí theo chiều cao cuộn HA ...................................... 76 Phân bố ứng suất trên cuộn HA .......................................................................... 76 Phân bố ứng suất lớn trên cuộn HA .................................................................... 77 Phân bố ứng suất trên cuộn HA .......................................................................... 77 Các đường thẳng khảo sát trên cuộn CA ............................................................ 77 Vị trí 10 đường khảo sát ..................................................................................... 77 Phân bố ứng suất của 10 vị trí theo chiều cao cuộn CA ...................................... 78 Phân bố ứng suất trên cuộn CA .......................................................................... 78 Phân bố ứng suất lớn trên cuộn CA .................................................................... 78 Phân bố ứng suất trên cuộn CA .......................................................................... 78 Bán kính r bên trong cuộn HA và các kích thước khác của cuộn dây .................. 79 Kích thước ½ của cuộn CA và HA ..................................................................... 80 Cuộn HA và CA trong Ansys Maxwell .............................................................. 80 Dòng điện ngắn mạch cuộn CA.......................................................................... 81 Dòng điện ngắn mạch cuộn HA ......................................................................... 81 Phân bố ứng suất trên cuộn HA .......................................................................... 81 Phân bố ứng suất trên cuộn CA .......................................................................... 81 Kích thước ½ của cuộn CA và HA ..................................................................... 82 Cuộn HA và CA trong Ansys Maxwell .............................................................. 82 Phân bố ứng suất trên cuộn HA .......................................................................... 82 Phân bố ứng suất trên cuộn CA .......................................................................... 82 Kích thước ½ của cuộn CA và HA ..................................................................... 83 Cuộn HA và CA trong Ansys Maxwell .............................................................. 83 Phân bố ứng suất trên cuộn HA .......................................................................... 84 Phân bố ứng suất trên cuộn CA .......................................................................... 84 Kích thước ½ của cuộn CA và HA ..................................................................... 84 Cuộn HA và CA trong Ansys Maxwell .............................................................. 84 Phân bố ứng suất trên cuộn HA .......................................................................... 85 Phân bố ứng suất trên cuộn CA .......................................................................... 85 Kích thước ½ của cuộn CA và HA ..................................................................... 85 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 Hình 4.69. Hình 4.70. Hình 4.71. Hình 4.72. Hình 4.73. Hình 4.74. Hình 4.75. Hình 4.76. Hình 4.77. Hình 4.78. Hình 4.79. Hình 4.80. xiv   Cuộn HA và CA trong Ansys Maxwell .............................................................. 87 Phân bố ứng suất trên cuộn HA .......................................................................... 87 Phân bố ứng suất trên cuộn CA .......................................................................... 87 Phân bố ứng suất trên cuộn HA với 7 trường hợp bán kính r khác nhau.............. 88 Phân bố ứng suất trên cuộn CA với 7 trường hợp bán kính r khác nhau .............. 88 Đường cong (1): Giá trị ứng suất theo bán kính r ............................................... 89 Kích thước r và R............................................................................................... 90 Đường cong (2): Độ tăng của ứng suất lực theo tỉ số: (r + R)/r ........................... 90 Các kích thước của cuộn dây và lớp epoxy ......................................................... 92 Phân bố nhiệt độ theo hướng kính epoxy sau thời điểm ngắn mạch (thời điểm  ngắn mạch τ = 0 giây) [8]................................................................................... 93 Áp suất thay đổi chiều cao dây quấn .................................................................. 94 Ứng suất lực ngắn mạch tổng hợp .................................................................... 102 xv   DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang 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 Bảng 3.1. Bảng 3.2. Bảng 3.3. Bảng 3.4. 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