Phân tích lực điện từ ngắn mạch của máy biến áp vô định hình

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Phân tích lực điện từ ngắn mạch của máy biến áp vô định hình đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) với phần mềm Maxwell để tính toán lực điện từ tác dụng lên cuộn dây MBA VĐH trong trường hợp ngắn mạch. Mô phỏng 3D MBA 1 pha 50kVA để tính toán lực điện từ hướng kính và hướng trục tác dụng lên cuộn dây cao áp và hạ áp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Phân tích lực điện từ ngắn mạch của máy biến áp vô định hình

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84).2014, QUYỂN 2 1 PHÂN TÍCH LỰC ĐIỆN TỪ NGẮN MẠCH CỦA MÁY BIẾN ÁP VÔ ĐỊNH HÌNH ANALYSES OF SHORT-CIRCUIT ELECTROMAGNETIC FORCE FOR AMORPHOUS TRANSFORMER Đoàn Thanh Bảo1, Đỗ Chí Phi1, Phạm Văn Bình1, Đoàn Đức Tùng2, Võ Khánh Thoại3 1 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; Email: dtbao@ftt.edu.vn, binhpv-fee@mail.hust.edu.vn, dochiphi@gmail.com 2 Trường Đại học Quy Nhơn; Email: ddtung@ftt.edu.vn 3 Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng; Email: vkthoai@gmail.com Tóm tắt - Hiện tượng ngắn mạch tạo ra lực điện từ lớn tác động Abstract - Short circuit events generate high electromagnetic force lên cuộn dây máy biến áp. Các lực điện từ này gây ra lực cơ khí conditions in transformer windings. These transient forces cause nghiêm trọng có thể uốn cong, xê dịch, phá hủy cuộn dây và thậm serious mechanical damages that may bend or move or even chí làm nổ máy biến áp. Bài báo này đã sử dụng phương pháp cause the transformer itself to explode. This paper used the finite phần tử hữu hạn với phần mềm Maxwell mô phỏng máy biến áp element method with ansoft Maxwell to simulate 50kVA, 22/0.4kV một pha vô định hình công suất 50kVA, điện áp 22/0.4kV để phân single phase amorphous transformer for analyze and provide tích và đưa ra kết quả từ trường tản, lực điện từ hướng kính và results from the leakage field, electromagnetic forces consisting of hướng trục tác động vào cuộn dây cao và hạ áp trong trường hợp radial and axial directions acting on the high-voltage (HV) and máy biến áp bị ngắn mạch đột nhiên phía hạ áp. Việc tính toán lực lower-voltage (LV) windings of a transformer under suddenly short- điện từ khi máy biến áp ngắn mạch có ích trong thiết kế, sản xuất circuit on LV windings. The calculation of the short circuit và thử nghiệm máy biến áp vô định hình tiết kiệm điện năng. electromagnetic force of transformer is useful in the structural design, manufacturing and testing of power savings amorphous transformers. Từ khóa - ngắn mạch; lực điện từ; máy biến áp; vô định hình; phần Key words - short circuit; electromagnetic force; transformer; tử hữu hạn. amorphous; Finite element. 1. Đặt vấn đề với thử nghiệm ngắn mạch của MBA VĐH phân phối có Vật liệu từ mềm vô định hình được phát hiện từ năm công suất 400kVA. Tác giả chưa tính toán đến phân bố từ 1970 [1], kể từ đây nó đã có triển vọng giảm tổn thất hệ trường tản, lực hướng kính và hướng trục tác dụng lên cuộn thống điện thông qua việc giảm tổn hao không tải của máy dây. Nhìn chung các tác giả có tính toán đến lực điện từ biến áp (MBA) vô định hình (VĐH). Vào năm 1987, tác nhưng còn giới hạn về số lượng và chất lượng của công trình. giả S.Lupi - Padua [2] đã đề cập đến vấn đề kinh tế khi sử Bài báo này chúng tôi đã sử dụng phương pháp phần tử dụng MBA VĐH và đưa ra so sánh chi phí tổn thất giữa hai hữu hạn (PTHH) với phần mềm Maxwell để tính toán lực loại MBA lõi thép silic thông thường và lõi VĐH, từ đó điện từ tác dụng lên cuộn dây MBA VĐH trong trường hợp khẳng định sử dụng MBA VĐH sẽ mang lại hiệu quả kinh ngắn mạch. Mô phỏng 3D MBA 1 pha 50kVA để tính toán tế cao. Jerry C.F. Li [3] trình bày vấn đề sử dụng điện năng lực điện từ hướng kính và hướng trục tác dụng lên cuộn tiết kiệm và hiệu quả với máy biến áp vô định hình ở Nhật dây cao áp và hạ áp. Bản và ở Châu Á như ở các nước: Lào, Nepal, Philippines, Đài Loan, Ấn độ, Hàn Quốc, Trung Quốc,…Việc dùng 2. Nội dung MBA VĐH sẽ giảm tổn hao không tải từ 70-80% đồng thời 2.1. Lý thuyết lực điện từ đưa ra kinh nghiệm sử dụng cũng như khả năng phát triển a. Phương trình từ trường cơ bản sử dụng MBA VĐH trong tương lai. Xuất phát từ mô hình trường điện từ tổng quát viết cho MBA VĐH do có cấu trúc đặc biệt của lõi thép và cuộn từ thế vectơ A. Ta có mô hình đặc trưng cho từ trường trong dây là hình chữ nhật nên phân bố điện trường và phân bố lực MBA như sau [9]: tác dụng lên cuộn dây cũng sẽ khác nhau trên cùng một vòng A dây [4] [5]. Đặc biệt hơn là lúc xảy ra ngắn mạch thì lực này lớn sẽ rất nguy hiểm đối với cuộn dây. Do đó phải tính toán  1 μ ( )   A = JS - σ t (1) độ lớn của lực tác dụng để từ đó tính toán tối ưu cách điện Trong đó: µ - độ từ thẩm (H/m), A vectơ từ thế, J S mật và cấu trúc hình dáng hợp lý cuộn dây là rất cần thiết. độ dòng điện (A/m2), σ: điện dẫn suất (Ω-1m-1) Yinshun Wang, Xiang Zhao [6] mô tả thiết kế và hoạt động của MBA 3 pha với công suất trên 630kVA, thực hiện thí b. Lực điện từ nghiệm ngắn mạch và không tải theo tiêu chuẩn thiết kế. B. Lực điện từ quá độ trong cuộn dây của MBA được sinh Tomczuk, D. Koteras, K. Zakrzewski [7], phân tích từ ra là một sự kết hợp giữa các dòng điện quá độ và từ thông trường và điện kháng ngắn mạch của máy biến áp 3 pha lõi tản trong các vùng dây quấn [11]. Lực điện từ này được MBA VĐH. Kết quả tính toán phân bố từ trường và điện viết theo công thức lực Lorentz như sau: kháng ngắn mạch đã được so sánh với những kết quả thực d F = idl× B (2) nghiệm. Malick Mouhamad, Christophe Elleau [8] đã đưa ra tính toán lực điện động ngắn mạch giữa 2 cuộn dây cao áp trong đó: F là lực (N); B là mật độ từ cảm (T) và hạ áp của MBA VĐH có cuộn dây hình chữ nhật có xét Các thành phần của từ cảm tản viết theo vectơ từ thế đến chiều dày cuộn dây. Kết quả tính toán đã được so sánh như sau:
2 Đoàn Thanh Bảo, Đỗ Chí Phi, Phạm Văn Bình, Đoàn Đức Tùng, Võ Khánh Thoại B =  A = iBx + jBy + kBz (3) Trong đó: Bx, B y và Bz là các thành phần mật độ từ cảm B trong tọa độ Descartes. Khi đó lực điện từ cũng bao gồm các thành phần: F =  ( J  B )dv = iFx + jFy + kFz (4) v Tương tự: Fx , Fy và Fz là các thành phần của lực F 2.2. Dòng điện ngắn mạch Khi xảy ra ngắn mạch đột nhiên phía thứ cấp của MBA, dòng điện ngắn mạch lớn sinh ra lực điện từ có cường độ cao có thể phá hỏng MBA. Dòng điện quá độ gồm có hai thành phần: một thành phần biến thiên theo quy luật hình sin và một thành phần không chu kỳ:  - R n ωt   X  Hình 2. Mô hình chia lưới trong Maxwell i = I n 2 sin(ωt - ψ - φ n ) + sin(ψ + φ n ).e n  (5)   Bảng 1. Các thông số của mô hình máy biến áp   U đm Thứ tự Thông số Giá trị Trong đó: I n = ; φ n = arctg X n Zn Rn 1 số pha 1 Và 2 tần số [Hz] 50 t Thời gian (s) 3 Công suất [VA] 50 ψ góc phụ thuộc vào thời điểm xảy ra ngắn mạch [rad] 4 Điện áp cao áp/hạ áp [kV] 22/0,4 ω Tần số góc dòng điện [rad/s] 5 Dòng điện cao áp/hạ áp [A] 2,27/125 In Dòng điện ngắn mạch (A) 6 Số vòng cuộn dây cao áp/hạ áp [vòng] 3652/66 Uđm Điện áp định mức (V) 2.3.1. Dòng điện ngắn mạch Zn Tổng trở ngắn mạch (Ω) Model Xn, Rn Điện kháng và điện trở ngắn mạch V 10 2.3. Mô hình máy biến áp và kết quả mô phỏng 100ohm Sử dụng một MBA VĐH 1 pha 22/0.4 kV, 50kVA, mỗi LWindingCA1 LWindingHA1 100ohm cuộn dây cao áp (CA) và hạ áp (HA) được quấn trên 2 trụ. + 22000V Hình 1 cho thấy hình dạng của một mô hình biến áp trong SW V + môi trường Maxwell. Để giảm thời gian tính toán hiệu quả, LWindingCA2 0V 1V vật liệu cách điện và cấu trúc hỗ trợ đang bị bỏ qua trong LWindingHA1 mô hình này. Ngoài ra, dây quấn sắp xếp đồng tâm được 0 0 0 xét trong mô hình. Thông số kỹ thuật của mô hình biến áp Cuon day ha ap Cuon day cao ap Mach dieu khien SW được thể hiện trong Bảng 1. Hình 3a. Sơ đồ mạch điện ngắn mạch Khi ngắn mạch xảy ra, MBA có thể bị hư hỏng bởi dòng điện quá độ. Ở đây MBA ngắn mạch trên cuộn dây HA được điều khiển bằng khóa (SW) ở Hình 3a, sử dụng Maxwell Circuit Editor ta liên kết mạch điện ngắn mạch này vào môi trường Maxwell. 8000 Chu ki Tatdan 6000 Dong ngan mach 4000 Dongdien[A] 2000 0 -2000 -4000 -6000 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 Thoigian[s] Hình 1. Mô hình máy biến áp Hình 3b. Dòng điện ngắn mạch ở cuộn hạ áp
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84).2014, QUYỂN 2 3 Xét ngắn mạch (5) tại ở thời điểm nguy hiểm nhất tại góc ψ bằng 0 và xảy ra ở t = (π/2+φn)/ω. Phương trình (5) với các thông số của MBA, ta có dòng điện quá độ lớn nhất trong thời gian từ 0 ÷ 10ms, dòng điện đỉnh của cuộn HA là 7.25 kA và cuộn CA là 0.21 kA, dòng điện ngắn mạch được hiển thị ở hình 3b. 2.3.2. Từ cảm tản và lực điện từ a. Từ cảm tản Sử dụng vectơ từ thế để phân tích từ trường, mật độ từ cảm trong vùng cuộn dây. Hình 4 hiển thị sự phân bố mật độ từ cảm B(T) đồng đều trong lõi thép và có một số khu vực bị bão hòa cục bộ, Hình 5 cho thấy vectơ từ cảm tản trên cuộn dây CA và HA. Hình 7. Từ cảm tản hướng kính By và hướng trục Bz trên cuộn dây hạ áp b. Lực điện từ Lực hướng kính Fy có chiều vuông góc với chiều cao cuộn dây. Nó được sinh ra do sự tác dụng của dòng điện trong dây quấn nằm trong từ trường tản hướng trục Bz Lực hướng trục Fz có chiều song song với chiều cao cuộn dây. Nó được sinh ra do sự tác dụng của dòng điện trong dây quấn nằm trong từ trường tản hướng kính By Luc - cuon cao ap Maxwell3DDesign2 ANSOFT 75000.00 Hình 4. Mật độ từ cảm trong lõi thép 50000.00 25000.00 Luc dien tu [N/m3] 0.00 Curve Info FZ Setup1 : Transient Time='0.02s' -25000.00 FY Setup1 : Transient Time='0.02s' -50000.00 -75000.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 Chieu cao cuon day [mm] Hình 8. Mật độ lực từ hướng kính Fy và hướng trục Fz tác dụng lên cuộn dây cao áp Hình 5. Vectơ từ cảm tản dọc đường MN trên cuộn dây hạ áp và cao áp Tương tự, sử dụng chức năng xuất kết quả từ chức năng Bài toán được phân tích theo miền thời gian, sử dụng của phần mềm ta cũng nhận được kết quả đồ thị phân bố chức năng xuất kết quả từ chức năng của phần mềm lực từ hướng kính và hướng trục dọc đường MN theo chiều (Results > Report) ta nhận được kết quả đồ thị phân bố từ cao cuộn dây CA và HA như ở Hình 8, 9. cảm tản hướng kính và hướng trục dọc đường MN theo Luc - cuon ha ap Maxwell3DDesign2 chiều cao cuộn dây CA và HA như ở Hình 6, 7. ANSOFT 3000.00 Tu tan - Cuon cao ap Maxwell3DDesign2 ANSOFT 0.03 2500.00 2000.00 Curve Info Luc dien tu [N/m3] FZ 0.01 1500.00 Setup1 : Transient Time='0.02s' CamUngTu (T) 1000.00 FY Setup1 : Transient Time='0.02s' 0.00 500.00 0.00 Curve Info By -0.01 Setup1 : Transient -500.00 Time='0.02s' Bz Setup1 : Transient -1000.00 Time='0.02s' -0.03 -1500.00 0.00 25.00 50.00 75.00 100.00 125.00 150.00 175.00 200.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 Chieu cao cuon day [mm] Chieu cao cuon day [mm] Hình 6. Từ cảm tản hướng kính By Hình 9. Mật độ lực từ hướng kính Fy và hướng trục Bz trên cuộn dây cao áp và hướng trục Fz tác dụng lên cuộn dây hạ áp
4 Đoàn Thanh Bảo, Đỗ Chí Phi, Phạm Văn Bình, Đoàn Đức Tùng, Võ Khánh Thoại Ở hình 8, đồ thị biểu diễn mật độ lực hướng kính Fy và 1410,7 N/m3. Các kết quả này bước đầu chỉ ra nguyên nhân hướng trục Fz tác dụng lên cuộn dây CA. Mật độ lực hướng gây ra phá hủy cuộn dây từ đó đưa ra phương án thiết kế kính Fy tác dụng lên mỗi vòng dây, có xu hướng kéo cuộn MBA cho phù hợp. dây ra ngoài có giá trị lớn nhất là 36621 N/m3. Mật độ lực hướng trục Fz như lực nén lên cuộn dây, nửa cuộn dây phía TÀI LIỆU THAM KHẢO: dưới (-z) và nửa cuộn dây phía trên là (+z) và có giá trị lớn [1] W. J. Ros, T. M. Taylor, "Amorphous metal transformer cores save nhất là 64469 N/m3. energy and capacity investment", USA, 1992, pp 5241-5244 Ở Hình 9, đồ thị biểu diễn mật độ lực từ hướng kính Fy [2] S. LUPI, Padua, "The application of amorphous magnetic alloys và hướng trục Fz tác dụng lên cuộn dây HA. Mật độ lực induction heating medium frequency transformers", IEEE Transactions on magnetics, vol. mag-23, no. 5, september 1987 hướng kính Fy tác dụng lên mỗi vòng dây và có xu hướng [3] Jerry C.F. Li, "Use of Energy Efficient Transformers in Asia", 25/F, kéo cuộn dây vào lõi và có giá trị lớn nhất là 2889,7 N/m3. Honeywell Tower, 255 King’s Road, Hong Kong, 2002 Mật độ lực hướng trục Fz như lực nén lên cuộn dây, nửa [4] Pan-Seok Shin’; "Magnetic field analysis of amorphous core cuộn dây phía dưới (-z) và nửa cuộn dây phía trên là (+z) transformer using homogenization technique"; IEEE transactions on và có giá trị lớn nhất là 1410,7 N/m3. magnetics, vol. 33, no. 2, march 1997 [5] Thorsten Steinmetz, Bogdan Cranganu-Cretu and Jasmin Smajic, 3. Kết quả và thảo luận "Investigations of no-load and load losses in amorphous core dry- type transformers", IEEE XIX International Conference on Trong bài báo này, phương pháp PTHH được sử dụng Electrical Machines - ICEM 2010, Rome để tính toán lực điện từ tác động lên các cuộn dây của MBA [6] Yinshun Wang, Xiang Zhao, Junjie Han, Huidong Li, Ying Guan, VĐH. Sử dụng phương pháp PTHH với phần mềm Qing Bao, Liye Xiao, "Development of a 630 kVA Three-Phase Maxwell để giải quyết các bài toán 2D & 3D trường điện, HTS Transformer With Amorphous Alloy Cores", IEEE transactions on applied superconductivity, vol. 17, no. 2, june 2007, trường từ, từ tĩnh, dòng xoáy và bài toán quá trình quá độ. pp 2051-2054 Mọi quá trình biến đổi điện từ trường của thiết bị điện đều [7] B. Tomczuk, D. Koteras, K. Zakrzewski, "Magnetic field and short được xây dựng bằng hệ phương trình Maxwell vì thế, bài circuit reactange calculation of the 3 phase transformer with viết đã sử dụng phần mềm Maxwell để tính toán lực điện symmetrical amorphous core", ISEF 2003 – 11th International từ là rất hiệu quả. Symposium on Electromagnetic Fields in Electrical Engineering Maribor, Slovenia, Sep 18-20, 2003, pp 237-230 Một mô Hình 3-D MBA VĐH đã được xem xét để tính [8] Malick Mouhamad, Christophe Elleau, Frédéric Mazaleyrat, toán lực điện từ quá độ tác dụng lên cuộn dây. Vector từ Christian Guillaume, and Bertrand Jarry, "Short-Circuit Withstand thế, mật độ từ cảm tản và lực điện từ do dòng điện ngắn Tests of Metglas 2605SA1-Based Amorphous Distribution Transformers", IEEE transactions on magnetics, vol. 47, no. 10, oct mạch quá độ của MBA được phân tích bởi phương pháp 2011, pp 4489-4492 PTHH. Mật độ lực điện từ hướng trục và hướng kính của [9] S. J. Salon, "Finite Element Analysis of Electrical Machines", Troy, mô hình biến áp được tính toán và phân tích. New York: Rensselaer Polytech. Inst., 1995 Dòng điện ngắn mạch quá độ cực đại của MBA đã được [10] S. V. Kulkarni and S. A. Khaparde, “Transformer Engineering”, tính toán, trong trạng thái quá độ này mật độ lực hướng NewYork, Marcel Dekker, 2004 kính và hướng trục trên các cuộn dây CA được xác định là [11] G. Bertagnolli, "Short-Circuit Duty of Power Transformer", Zurich, Switzerland: ABB Ltd., 2007 36621 và 64469 N/m3; và trên cuộn dây HA là 2889,7 và (BBT nhận bài: 12/03/2014, phản biện xong: 06/04/2014)