Nghiên cứu đặc tính từ trường của các máy biến áp công suất lớn

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH TỪ TRƯỜNG CỦA CÁC MÁY BIẾN ÁP CÔNG SUẤT LỚN RESEARCH ON PROPERTIES OF MAGNETIC FIELD OF HIGH POWER TRANSFORMERS LÊ THÀNH BẮC – LÊ KIM HÙNG Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng ALECXANDROP G. N Viện Đại học Bách Khoa Xanh-Pêtecbua, Liên Bang Nga TÓM TẮT Bài báo phân tích từ trường trong các máy biến áp công suất lớn khi tiến hành các phương án bố trí sun từ nhằm giảm tổn thất do từ trường tản gây ra. Bố trí sun từ dưới gông cải thiện đáng kể đặc tính phân bố của từ trường trong các máy biến áp. Các kết quả nghiên cứu chứng minh hiệu quả kinh tế - kỹ thuật đạt được của phương án bố trí sun từ mới. ABSTRACT This article proposes an analysis of the magnetic field inside high power transformers during the process of positioning magnetic shunts in order to reduce the loss caused by diverging megnetic fields. It was noticed that positioning those shunts under yoke has improved significantly the distribution of the magnetic field inside transformers. The recommended variant of positioning magnectic shunt gives significant economic-technical benefits. . I. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong nghiên cứu và chế tạo các máy biến áp lực công suất lớn (điện áp trên 220 kV) đã bổ xung hàng loạt các đặc tính từ trường của chúng, các đặc tính bổ xung này là quy định cần thiết được đưa vào trong thiết kế chế tạo làm thay đổi nhiều chi tiết cấu trúc của máy biến áp công suất lớn so với máy điện áp thấp. Các thay đổi như là việc tách các dây dẫn thành nhiều dây tiết diện nhỏ song song, việc sử dụng sun từ trên vách thùng máy biến áp và sun từ chắn trên hai đầu các cuộn dây. Khi thay đổi cấu trúc máy biến áp như vậy dẫn đến một điều là nếu chỉ ứng dụng trong phạm vi các nghiên cứu lý thuyết về máy biến áp đã có trước đây không cho ta được kết quả mong muốn. Trong bài báo này, các tác giả đưa ra kết quả phân tích từ trường trong máy biến áp lực công suất lớn nhằm mục tiêu hoàn thiện hơn cấu trúc của các máy biến áp. II. TỪ TRƯỜNG TRONG MÁY BIẾN ÁP Khi không tải (không tồn tại dòng trong cuộn dây thứ cấp) thì dòng điện trong cuộn sơ cấp của máy biến áp được xác định theo điều kiện cân bằng của điện áp đặt vào với dòng cảm ứng chạy trong cuộn dây theo hai phương trình sau: tmph FBNfФNfU .01011. ....2...22   ; (1)    0 . 001 . .2 B F ФIN tm  , (2) ở đây Uph.1- điện áp pha trong cuộn dây sơ cấp; N1- số vòng dây của cuộn sơ cấp; I0- dòng điện không tải; Ф0- từ thông trong chế độ không tải;  - chiều dài của đường sức từ trung bình trong mạch từ;  - độ từ thẩm của vật liệu sắt từ; Fm.t- tiết diện tác dụng của mạch từ; B0- cảm ứng từ trong trụ của mạch từ. Từ phương trình (1) và (2) ta rút ra được biểu thức của dòng điện không tải trong máy biến áp: tm ph FNf U I . 2 1 1. 0 ....2    . (3) Từ phương trình (3) ta thấy rằng dòng điện không tải của máy biến áp tỷ lệ thuận với điện áp và với chiều dài đường sức trung bình, đồng thời tỷ lệ nghịch với bình phương của số vòng của dây cuộn sơ cấp và tiết diện tác dụng của lõi sắt từ. Khi ở đây từ thông là: tm ph FB Nf U Ф .0 1 1. 0 ..2   , (4) toàn bộ tập trung trong mạch từ của máy biến áp. Khi máy biến áp có tải (có dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp) xuất hiện từ trường phụ bên ngoài trụ của mạch từ, bởi vì dòng điện tải (trong cuộn thứ cấp) gây cảm ứng ngược lại trong cuộn sơ cấp, độ lớn của dòng phụ tải liên quan mật thiết với từ thông phụ. Khi dòng trong cuộn dây thứ cấp định mức thì từ thông phụ đạt giá trị tương ứng giống như khi đặt điện áp ngắn mạch lên cuộn sơ cấp của máy biến áp trong thí nghiệm ngắn mạch (điện áp trên cuộn sơ cấp khi ngắn mạch cuộn dây thứ cấp để dòng bằng định mức). Khi ở đây từ thông phụ được xác định theo quan hệ: ng11. ...22 ФNfUn  , (5) hoặc 1 1. ng ..2 Ф Nf Un   , (6) ở đây điện áp ngắn mạch: 1.1. %100 % ph n n U U U  , (7) Фng-phần từ thông bên ngoài trụ của mạch từ, chúng mắc vòng qua tất cả các vòng dây của cả hai cuộn. Hình. 1. Sơ đồ đơn giản phân bố của các cuộn dây và mạch từ trong máy biến áp 1 pha công suất lớn và sự phân bố của các đường sức từ khi dòng điện nhỏ (không tải) biểu diễn bằng các đường nét liền và khi dòng điện lớn (có tải định mức) bằng các đường gạch nét; 1- trụ; 2- gông; 3-sườn gông; 4- sun từ; 5- cuộn dây hạ áp; 6- cuộn dây cao áp. В0 0l 0 d12 a2 a12 a1 Вmaк 6 5 4 3 2 1 Thông thường điện áp ngắn mạch của máy biến áp lực công suất lớn tạo thành bằng khoảng 10- 15% của điện áp định mức. Tuỳ thuộc từ thông Фng tạo thành 10-15% từ từ thông chính (xem biểu thức 4), ta có: %100 %1. 1. 1. 0 ng n ph n U U U Ф Ф  . (8) Tuy vậy tính toán tiếp theo lưu ý rằng phần từ thông bên ngoài trụ không mắc vòng qua tất cả các vòng của cuộn dây (xem hình 1). Bởi vì toàn bộ giá trị của thông lượng bên ngoài trụ lớn hơn thông lượng Фng trong quan hệ [1]: 3 2 21 12 21 12 ph 1. aa a aa a Ф Ф K t      , (9) ở đây a12- khe hở giữa các cuộn dây; a1 và a2- kích thước đường kính của cuộn dây. Ở đây quan hệ này có thể đạt tới Kt.l =1,25 và lớn hơn phụ thuộc từ quan hệ của các kích thước a12, a1 và a2. Như vậy thì từ thông bên ngoài lõi chính tạo nên sẽ là: 3 2 ..2%.100 %. 21 12 21 12 1 1.1. aa a aa a Nf UU Ф phn       . (10) Khi tăng công suất của các máy biến áp, quan hệ giữa điện áp định mức pha tới số vòng dây (điện áp trên một vòng dây) tăng lên, đạt tới 0,6 đến 0,7 kV/vòng và có thể lớn hơn nữa. Ví dụ khi mà Un%= 15%, f=50 Hz, Kt.l= 1,25 ta nhận được: 58,05,025,1 50.2 0,7).100,15.(0,6 3     Ф Wb. Từ thông ở đây đi ra từ vùng giữa các cuộn dây và còn gọi là vùng của các cuộn dây làm việc, chúng đi theo ba hướng sau [1, 2]: - Đến trụ và gông của mạch từ, đi qua các góc nối tiếp giáp trụ và gông của các lá tôn kỹ thuật điện và tạo ra dòng điện xoáy trong các lá tôn. - Đến nắp thùng, xuyên qua các phần tử cấu trúc của máy biến áp như là bộ phận giằng gông từ, các bu lông,gây cảm ứng trên bề mặt chúng các dòng điện xoáy. - Đến vách thùng, cắt qua dây quấn của các cuộn dây làm xuất hiện các dòng điện xoáy trên bề mặt dây dẫn và vách thùng máy biến áp. Tất cả các hướng đi của từ thông khuếch tán như thường được gọi ở đây là từ thông bên ngoài mạch từ ảnh hưởng trực tiếp đến các tổn hao phụ công suất trong máy biến áp và gây ra sự quá nhiệt cục bộ trong các phần tử cấu trúc của máy biến áp như là: các lá tôn kỹ thuật điện, dây dẫn điện, các tấm chắn trong thùng biến áp, có thể làm phá huỷ cách điện của chúng. Để giảm tổn thất phụ trên thùng máy biến áp công suất lớn người ta thường lắp đặt sun từ trên vách thùng [5]. Tuy nhiên biện pháp này dẫn đến tăng phần từ thông khuếch tán hướng đến vách thùng đi cắt qua phần dây dẫn ở mép ngoài cuộn dây tiếp giáp so với lượng từ thông trung bình khi đến mặt phẳng dây dẫn và kết quả là làm phần dây dẫn này bị phát nóng cục bộ. Để khắc phục nhược điểm như vậy của các sun từ trên vách thùng người ta thực hiện phân nhỏ dây dẫn mép ngoài ở phần phía trên và phía dưới của các cuộn dây, cùng với tăng cường cách điện, còn ở phần đầu ra dây quấn phải uốn cong so với mặt phẳng dây dẫn để sao cho phần dây dẫn này song song với hướng từ thông. Tất cả các giải pháp này đều dẫn đến tăng độ phức tạp kết cấu của các máy biến áp và việc lắp ráp chúng khó khăn hơn. III. GIẢI PHẤP BỐ TRÍ SUN TỪ DƯỚI GÔNG Hợp lý hơn là giải pháp đảm bảo hướng từ thông khuếch tán thẳng theo hướng trục của cuộn dây và vùng giữa các cuộn dây. Để đạt được điều đó bài báo này trình bày việc đưa ra giải pháp bố trí sun từ đặc biệt che phủ hai mặt trên và dưới của các cuộn dây máy biến áp (sun từ dưới gông). Khi ở đây tiếp theo xét tới phần che của gông từ trên mặt đầu của các cuộn dây, từ các cuộn dây phần từ thông đi vào trực tiếp gông là: 12. 2. d b ФФ g g   . Phần từ thông mà sun từ cần thu nhận giảm xuống so với từ thông chính một lượng là:          12. .2 1 d b ФФФФ g gs  , (11) ở đây bg-là độ rộng của gông; d12- là đường kính trung bình của khe hở giữa các cuộn dây. Đối với máy biến áp công suất lớn thừa số trong ngoặc của biểu thức (11) tạo ra xấp xỉ 0,5. Nghĩa là phần từ thông đến sun từ dưới gông ước chừng khoảng bằng một nửa từ thông khuếch tán. Hơn nữa sun từ dưới gông cần không chỉ thu được phần từ thông nhất định, mà còn định hướng của từ thông đến gông qua đường tiếp giáp giữa gông và sun từ (xem hình 1). Khi ở đây (sun từ) từ thông đi về phía gông theo 4 hướng khác nhau (xem hình 2,b). Như vậy thì lượng từ thông đi về phía một phần tử sun (hình quạt) là:          12 1. . 2 -1.25,0 d b ФФ g s  , (12) thường thì đối với các máy biến áp công suất lớn tạo ra: 0725,00625,0)58,05,0(5,025,01. sФ Wb. Để tải được lượng từ thông như vậy mà không gây bão hòa thì tiết diện ngang của mỗi sun từ hình quạt cần phải bằng:           1200 1. 1. 2 125,0 d b B Ф B Ф F gs s  , (13) ở đây B0- là mật độ từ thông cho phép hay còn gọi là cảm ứng từ. Khi cảm ứng từ B0=1,65 Ts, ta có: Hình. 2. Sun hình quạt trong máy biến áp; a) sơ đồ bố trí sun từ dưới gông; b) các hướng đi của đường sức từ thông tản trong sun. Sun từ Gông Trụ Cuộn dây a) b) Cách điện Gông Gông Sun từ Sun từ Trụ Trụ Cuộn           12 1. 2 115,0 d b ФF g s  , (14) Đối với máy biến áp công suất lớn tiết diện ngang của sun từ tạo thành thường là: 043,00375,05,0)58,05,0(15,01. sF m 2 . Khi độ rộng của sun từ (bs) che kín hoàn toàn hai mặt đầu của các cuộn dây (hình 2,a) thì chiều cao cần thiết của sun từ sẽ là:           12 2 -1 15,0 d b Ф b h g s s  , (15) Cụ thể khi mà bs= 0,5 m; từ thông Ф=0,50,58 Wb và khi hệ số trong dấu ngoặc của biểu thức (15) bằng 0,5 thì chiều cao sun từ là: 087,0075,05,0)58,05,0( 5,0 15,0 sh m. Như vậy ta thấy rằng chiều cao cần thiết của sun từ tạo ra có ý nghĩa quan trọng liên quan đến chiều cao của gông từ, nó quyết định vai trò lớn từ các đường rãnh của các sun từ đến hệ thống kênh từ thông tản trong các máy biến áp. Nắn thẳng hướng đi của các đường sức từ thông tới các vùng mặt đầu của các cuộn dây sẽ làm đơn giản hoá khi tính toán trở kháng của các máy biến áp [2, 4]:                        2 )( 3 1 3 21 1221 21 1212 0 2 10 aaaaa aa ad N X   , (16) ở đây 0 - là chiều cao của cửa sổ mạch từ, chính bằng khoảng cách giữa các sun ở hai đầu cuộn dây. Chi phí để lắp đặt rãnh sun từ dưới gông hoàn toàn có thể bù lại được qua việc giảm chi phí khi tiến hành sản xuất phần mặt đầu các cuộn dây khi dùng sun từ trên vách thùng, đồng thời sun từ dưới gông góp phần giảm đáng kể tổn thất công suất của các máy biến áp và nâng cao độ tin cậy làm việc của chúng. Đánh giá về độ lớn của từ thông tản, cường độ từ trường cực đại trong vùng giữa các cuộn dây bằng: 1 0 2 NIH dm   . (17) Tương ứng với cảm ứng từ trong vùng giữa các cuộn dây là: 1 0 0 0 2 NIHB dm     . (18) Năng lượng từ trường trong vùng giữa các cuộn dây máy biến áp là: 1212 2 1 0 0 ...v.g.c.d )( 2 1 W adNIBHV dmdcgv     , (19) ở đây Vv.g.c.d= 01212.. ad - là thể tích của vùng giữa các cuộn dây mà từ thông đi qua (xem hình 1 và 3). + . a 1 a 1 2 a 2 d 1 2 a ) + . a 1 a 1 2 a 2 B м ак b ) Hình 3. Từ trường khuếch tán một pha của máy biến áp với hai cuộn dây đồng tâm và các cuộn dây vật liệu coi là đồng nhất phân bố theo chiều cao; a) Hình ảnh phân bố thực tế của từ trường; b) Sơ đồ thay thế khi tính toán. Cường độ từ trường H và cảm ứng từ B suy giảm từ giá trị cực đại ở vùng giữa các cuộn dây (biên phía trong cuộn dây) đến bằng 0 trên biên ngoài của cuộn dây (xem hình 3,b). Tương ứng năng lượng từ trường trong các cuộn dây của một pha máy biến áp bằng:        212122112121 2 1 0 0 c.d 3 W aadaaadaIN dm            3 21 12 0 2 10 aad IN dm   . (20) Tổng hao năng lượng từ trường tản một pha của máy biến áp là (gần đúng lấy a1 a2):                          c.dv.g.c.d 21 1221 21 1212 2 1 0 0 .tan WW 23 1 3 W aa aaa aa adIN dm            3 21 1212 0 2 10 aaad IN dm   . (21) Công suất của từ trường tản một pha của máy biến áp:   dmndmn dm ph IUIX aa ad IN Q            221 1212 0 2 10 .tantan. 3 W    , (22) ở đây Un=Xn.Idm- là điện áp ngắn mạch của máy biến áp. Bởi vậy ta thấy rằng công suất từ trường tản trong máy biến áp bằng công suất ngắn mạch của máy biến áp. Năng lượng từ trường trong mạch từ của máy biến áp ở chế độ không tải bằng:    tmtm F B VHB . 2 0 .000 2 1 2 1 W , (23) ở đây Vm.t- là thể tích của mạch từ máy biến áp; Fm.t- là tiết diện tác dụng của trụ;  - chiều dài trung bình của đường sức từ thông trong mạch từ; B0- cảm ứng từ trong mạch từ máy biến áp: 10000 2 NIHB      , (24) ở đây H0- là cường độ từ trường trong mạch từ; I0-là dòng điện không tải của máy biến áp. Tính toán theo biểu thức (23) và (22) ta có được dạng sau:   tmFNI . 2 100W     . (25) Công suất từ trường trong lõi thép (tính cho 1 pha của máy biến áp) là:   tmFNIQ . 2 1000 W      . (26) Liên hệ giữa công suất từ trường trong mạch từ của máy biến áp ở chế độ không tải với phần từ trường bên ngoài mạch từ trong chế độ ngắn mạch của máy biến áp là: 2 . 0 21 1212 .0 0tan. 0 3                md tm ph I I aa ad F Q Q      . (27) Đối với các máy biến áp công suất lớn thì dòng điện không tải tạo ra thường không nhỏ hơn 0,5% trị số dòng điện định mức, quan hệ tmF aa ad . 21 1212 / 3 .         1; quan hệ 0/ 3 ; quan hệ 0/ =3000, khi với các dữ liệu này thì quan hệ tan.0 / phQQ 0,025. Trong trường hợp này toàn bộ công suất của từ trường trong mạch từ tạo ra chỉ bằng gần 2,5% từ trường tản. IV. KẾT LUẬN Do vậy vai trò chính trong việc truyền tải công suất từ cuộn dây sơ cấp sang cuộn dây thứ cấp là thông qua từ thông bên ngoài mạch dẫn từ (thường gọi là từ thông tản). Khi đó để nhấn mạnh vai trò của phần từ thông này trong việc truyền tải công suất trong máy biến áp thì hợp lý nhất là nên gọi đây là từ thông làm việc, còn phần từ thông trong mạch dẫn từ nên gọi là từ thông từ hoá. Thay đổi cách gọi như vậy đúng với bản chất vật lý xảy ra trong máy biến áp và phù hợp các kết quả nghiên cứu hiện nay. Và như vậy đối với máy biến áp thì phần từ trường mắc vòng khép kín trong trong mạch dẫn từ có công suất rất nhỏ, điều này loại trừ khả năng bão hoà mạch từ do phần từ thông này gây ra. Đối với từ thông làm việc (hiện nay thường gọi là từ thông tản) công suất từ trường càng lớn càng cần phải tạo nên điều kiện thuận lợi khép mạch các đường sức từ để không có bão hoà trong các phần tử cấu trúc của máy biến áp, hạn chế nhỏ nhất phần từ thông xuyên đến các phần tử cấu trúc của máy biến áp như là vách thùng, đai giằng, ... Với sun từ dưới gông áp dụng trong chế tạo máy biến áp công suất lớn thực tế cho thấy đã cải thiện đáng kể tính kinh tế - kỹ thuật, ngoài ra còn nâng cao độ tin cậy làm việc và tuổi thọ của máy biến áp. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Александров Г. Н. Режимы работы трансформаторов - РАО “ЕЭС России”- Санкт- Петербург, 2003- 142 trang. [2]. Александров Г. Н. Магнитный шунт - Свидетельство на полезную модель №22580, приоритет от 05.11.2001. [3]. Александров Г. Н. Исследование переходных режимов работы управляемого шунтирующего компенсатора трансформаторного типа с помощью магнитоэлектрических схем замещения. – Электричество- журнал РАН, 2005, №6, trang 1926. [4]. Александров Г. Н. Передача электрической энергии переменным током.- Знак, 1998-271 trang.