Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Hệ thống truyền tải điện năng tại Việt Nam trải dài theo chiều dài địa lý Bắc - Nam với khoảng cách giữa các trung tâm nguồn điện và phụ tải lớn. Tuyến đường dây 500 kV đóng vai trò trục liên kết hệ thống điện hợp nhất quốc gia. Theo số liệu thống kê trong luận án, nếu như năm 1994 hệ thống truyền tải điện quốc gia chỉ có 1.487 km đường dây 500 kV và hơn 1.913 km đường dây 220 kV, thì đến giai đoạn thực hiện nghiên cứu, hệ thống đã vận hành với 9.390 km đường dây 500 kV trên ba mạch và hơn 18.798 km đường dây 220 kV.

Đặc tính dung dẫn giữa dây dẫn với đất trên các đường dây cao áp (110 kV, 220 kV) và siêu cao áp (500 kV) có chiều dài lớn sinh ra một lượng công suất phản kháng đáng kể. Ở chế độ vận hành non tải hoặc khi xảy ra sự cố cắt tải đột ngột ở một phía đường dây, sự mất cân bằng giữa công suất phản kháng sinh ra và công suất phản kháng tiêu thụ sẽ dẫn đến hiện tượng tăng điện áp dọc tuyến đường dây (hiệu ứng Ferranti). Tình trạng quá áp này làm già hóa cách điện, giảm tuổi thọ và có nguy cơ đánh thủng cách điện của các thiết bị nối trên lưới, đặc biệt là các thiết bị ở cuối đường dây. Để duy trì điện áp trong giới hạn cho phép, giải pháp kỹ thuật là lắp đặt cuộn kháng bù ngang (CKBN) mắc song song (shunt) tại thanh cái các trạm biến áp hoặc tại các trạm bù trên đường dây để hấp thụ lượng công suất phản kháng dư thừa.

Toàn bộ các thiết bị CKBN đang vận hành trên hệ thống truyền tải điện quốc gia đều phải nhập khẩu từ các hãng nước ngoài như ABB, Siemens, Fuji Electric với chi phí cao. Mặc dù các đơn vị chế tạo máy biến áp trong nước (như Tổng công ty Thiết bị điện Đông Anh) đã có định hướng nghiên cứu sản xuất CKBN, song quá trình thiết kế và chế tạo gặp nhiều thách thức kỹ thuật chưa được giải quyết đầy đủ:

  • Chưa xác định được quy luật phân bố từ cảm trên các khối trụ mạch từ tương ứng với các kiểu ghép lá thép khác nhau.
  • Chưa có cơ sở tính toán lực điện từ tác động lên các khối trụ và ứng suất nén cơ học lên các tấm vật liệu phi từ tính (ceramic) đặt xen giữa các khối trụ.
  • Chưa có phương pháp xác định định lượng số lượng khe hở cần phân chia trên trụ cũng như dải khoảng cách tối ưu giữa các khe hở để giảm từ trường tản, giảm điện cảm tản và đảm bảo công suất phản kháng yêu cầu.
  • Chưa khảo sát đầy đủ mối quan hệ giữa tỷ lệ điện cảm rò và điện cảm tổng theo công suất, cấp điện áp và hệ số hình dáng cuộn dây.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định các mục tiêu nghiên cứu cụ thể sau:

  1. Nghiên cứu, phân tích quá trình điện từ trên mô hình đối tượng của CKBN dùng trong lưới điện cao áp.
  2. Phân tích, đánh giá phân bố từ cảm trên các khối trụ của CKBN với các kiểu ghép lá thép trụ khác nhau.
  3. Nghiên cứu, phân tích lực điện từ trên các khối trụ, xác định ứng suất lực tác động lên các tấm vật liệu phi từ tính ngăn cách giữa các khối trụ và mối quan hệ giữa ứng suất lực với từ cảm trên khối trụ.
  4. Nghiên cứu xác định số lượng khe hở và khoảng cách giữa các khe hở hợp lý trên trụ của CKBN.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Cuộn kháng bù ngang (CKBN) kiểu ngâm dầu dùng trong lưới truyền tải điện cao áp (110 kV, 220 kV) và siêu cao áp (500 kV).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Nghiên cứu phân bố từ cảm trên các khối trụ theo các kiểu ghép lá thép;
    • Khảo sát lực điện từ tác động lên các khối trụ và ứng suất lực nén lên các tấm ngăn cách ceramic;
    • Nghiên cứu quy luật phân chia số lượng khe hở và khoảng cách giữa các khe hở trên trụ mạch từ;
    • Dữ liệu đối chứng thực nghiệm dựa trên cuộn kháng bù ngang ba pha 91 MVAr - 500 kV do hãng ABB chế tạo trong quá trình sửa chữa, bảo dưỡng tại Tổng công ty Thiết bị điện Đông Anh;
    • Không gian áp dụng tính toán và mô phỏng cho các dải công suất và các cấp điện áp 110 kV, 220 kV và 500 kV của lưới điện Việt Nam (năm hoàn thành: 2022).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Tác giả đã tổng hợp và phân loại các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước thành các nhóm chính:

                                  CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN CKBN
  Nghiên cứu trong nước                      Nghiên cứu cấu trúc mạch từ & khe hở           Nghiên cứu tổn hao & mô phỏng số
  - Nguyễn Văn Đại (tính công suất CKBN)     - Radoslaw Jez và cs (COMSOL, 1 vs 3 khe hở)   - A. Van den Bossche và cs (tổn hao dòng xoáy)
  - Lê Thành Chung (vận hành trên lưới 500kV)- M. Kuwata và cs (khối trụ đúc kết dính)      - I. Kovacevic-Badstubner (mô hình PEEC)
                                             - S. Kuwata và cs (vết cắt giảm dòng xoáy)     - Eddy So và cs (phương pháp đo tổn hao)
                                             - M. Christtoffel (tổng quan 1 pha 1/2 trụ)    - S. Mukherjee, E. R. Anagha (từ trở tản)
                                             - J. P. Vora và cs (ghép mô đun lõi & bánh dây)- I. Topaloglu, Y. Zhao, H. M. Aung (tối ưu hóa)
                                             - Yue Hao và cs (PSCAD/EMTDC cho lưới 1000kV)  - K. Dawood, Ling Lu, H. Tsai (PTHH Maxwell)
                                             - A. Alabakhshizadeh (vị trí khe hở trên trụ)
                                             - A. Balakrishnan, L. Escribano, A. Van den Bossche
                                               (biến hình Schwarz-Christoffel, từ dẫn tản 2D/3D)

  1. Các nghiên cứu trong nước:

    • Nguyễn Văn Đại [17] nghiên cứu tính chọn thông số công suất cho CKBN trên đường dây cao áp.
    • Lê Thành Chung [18] phân tích chế độ vận hành của kháng bù ngang trên đường dây truyền tải 500 kV Việt Nam.

  2. Các nghiên cứu quốc tế về cấu trúc mạch từ có khe hở:

    • Radoslaw Jez và cộng sự [19], [20] sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics mô phỏng mạch từ tiết diện chữ nhật và thử nghiệm mô hình cuộn kháng mắc nối tiếp có 1 khe hở hoặc chia thành 3 khe hở nhỏ để xác định dòng điện bão hòa.
    • M. Kuwata và cộng sự [25] đề xuất kiểu ghép lá thép trụ đúc kết dính thành khối đa giác cho cuộn kháng công suất nhỏ nhằm loại bỏ bu lông xuyên tâm, giảm đường kính trụ và giảm tiếng ồn.
    • S. Kuwata và cộng sự [27] khảo sát phương án tạo vết cắt trên trụ mạch từ để hạn chế tổn hao do dòng điện xoáy.
    • Martin Christtoffel [28] trình bày cấu trúc CKBN một pha một trụ và hai trụ kiểu bọc có khe hở trên trụ, đồng thời phân tích quy trình thử nghiệm CKBN so với máy biến áp.
    • Jitendrakumar P. Vora và cộng sự [29] đề xuất mô hình CKBN ghép từ các mô đun gồm lõi thép mỏng và bánh dây để cải thiện phân bố điện áp.
    • Yue Hao và cộng sự [30] sử dụng phần mềm PSCAD/EMTDC mô phỏng cuộn kháng một pha lưới 1000 kV, đánh giá đặc tính Volt - Ampere phi tuyến và phân tích các thành phần sóng hài ở các mức quá áp.
    • Abozar Alabakhshizadeh và cộng sự [31] dùng Ansys Maxwell khảo sát từ trường tản với các vị trí khe hở khác nhau (giữa trụ, đỉnh trụ, trên gông), nhưng chưa tính toán lực điện từ tác động lên kết cấu.
    • Agasthya Ayachit và cộng sự [32] xây dựng mô hình mạch từ tương đương có xét đến từ trở tản xung quanh khe hở và ảnh hưởng của độ từ thẩm vật liệu, nhưng chưa xét thành phần từ thông rò.
    • Arun Balakrishnan và cộng sự [23], L. Escribano và cộng sự [33] ứng dụng phép biến hình bảo giác Schwarz - Christoffel để tính toán từ trở khe hở và năng lượng tích trữ dựa trên sự tương quan giữa điện dung tụ điện và từ trở không gian 2D.
    • Alex Van den Bossche và cộng sự [24], [34] đề xuất phương pháp phân chia miền không gian 3D thành các vùng từ dẫn 2D điển hình để tính toán từ dẫn tản xung quanh khe hở.
    • Erika Stenglein và cộng sự [35] mô phỏng phần tử hữu hạn trên COMSOL xác định tiết diện tác dụng của khe hở.
    • Kamran Dawood [36] và Ling Lu [37] ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) để tính toán lực điện từ tác động lên dây quấn cuộn kháng.

  3. Các nghiên cứu quốc tế về tổn hao, tính toán thiết kế và mô phỏng:

    • Alex Van den Bossche và cộng sự [38], [42] xác định tổn hao dòng xoáy trong dây quấn và đề xuất công thức tính tổn hao có xét hệ số gia tăng do từ trường tản.
    • Ivana Kovacevic-Badstubner và cộng sự [39] tính tổn hao dây quấn dạng lá bằng mô hình mạch tương đương từng phần PEEC, đối chứng với Ansys Maxwell.
    • Eddy So và cộng sự [40], B. Mircea Alexandru và cộng sự [46], A. Cancino và cộng sự [47] nghiên cứu các phương pháp đo lường và hiệu chỉnh phép đo tổn hao công suất trong CKBN có hệ số công suất rất thấp.
    • Satyaki Mukherjee và cộng sự [43] đề xuất cấu trúc khe hở bậc kết hợp để giảm tổn hao cuộn dây.
    • Anagha E R và cộng sự [44], Takashi Kohsaka và cộng sự [45] tính toán phân bố tổn hao và độ tăng nhiệt trên mạch từ có khe hở.
    • Ismail Topaloglu và cộng sự [52] tối ưu hóa kích thước khe hở cho cuộn kháng 480 kVAr - 2,2 kV với 4 và 16 khe hở tại các mức từ cảm $B_{max}$ từ 0,85 T đến 1,35 T.
    • Yanzhen Zhao và cộng sự [53], Hsu Mon Aung và cộng sự [54], Soe Win Naing và cộng sự [55] tính toán thiết kế CKBN ba pha cấp điện áp 230 kV nhưng vẫn sử dụng kiểu ghép lá thép bậc như máy biến áp truyền thống và chưa đưa ra cơ sở xác định số lượng khe hở tối ưu.
    • H. Tsai và cộng sự [63], Kamran Dawood và cộng sự [64] ứng dụng PTHH trên Ansys Maxwell để khảo sát hình dáng khe hở và đối chứng tổn hao đồng, tổn hao sắt với số liệu đo thực nghiệm.

Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết

Từ tổng quan tài liệu, luận án chỉ ra các vấn đề còn tồn tại mà các nghiên cứu trước chưa giải quyết:

  • Chưa có nghiên cứu khảo sát phân bố từ cảm trên các khối trụ mạch từ với các kiểu ghép lá thép khác nhau và giải pháp vát mép khối trụ đối với CKBN công suất lớn.
  • Chưa làm rõ phân bố lực điện từ và ứng suất nén cơ học tác động lên các tấm ngăn cách ceramic giữa các khối trụ theo mức từ cảm làm việc.
  • Các mô hình tính toán thiết kế trước đây thường bỏ qua từ thông rò hoặc chưa lượng hóa được tỷ lệ giữa điện cảm rò và điện cảm tổng ($L_l/L_{tot}$).
  • Chưa xây dựng được cơ sở giải tích và mô phỏng để xác định chính xác số lượng khe hở $g$ tối thiểu cần chia cũng như dải khoảng cách $H_g$ giữa các khe hở trên trụ nhằm khống chế điện cảm tản và đảm bảo công suất phản kháng theo yêu cầu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

  1. Hệ phương trình Maxwell: Mô tả toàn bộ các quá trình điện từ trong CKBN dưới dạng vi phân: $$\text{rot} \vec{E} = -\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}$$ $$\text{div} \vec{B} = 0$$ $$\text{rot} \vec{H} = \vec{j} + \frac{\partial \vec{D}}{\partial t}$$ $$\text{div} \vec{D} = \rho$$ Phương trình liên tục của dòng điện trong hệ tọa độ Descartes: $$\text{div} \vec{j} + \frac{\partial \rho}{\partial t} = 0$$

  2. Vật liệu sắt từ và đặc tính tuyến tính: Mạch từ được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện cán nguội (vật liệu từ mềm) có độ từ thẩm $\mu = \mu_r \mu_0$ cao, tổn hao từ trễ và dòng xoáy thấp. Mối quan hệ giữa từ cảm $\vec{B}$, cường độ từ trường $\vec{H}$, độ từ hóa $\vec{M}$ và độ phân cực từ $\vec{J}$: $$\vec{B} = \mu_0 (\vec{H} + \vec{M}) = \mu_0 \vec{H} + \vec{J} = \mu_r \mu_0 \vec{H}$$ Độ cảm từ $\chi_m = \mu_r - 1$. Để đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật IEC 60076-6 và IEEE C37.015, CKBN phải duy trì đặc tính từ hóa tuyến tính trong toàn bộ dải điện áp vận hành đến giá trị $U_{max}$ (thường thiết kế tuyến tính đến $1,1 - 1,3 , U_{đm}$). Do cuộn kháng chỉ có một cuộn dây mỗi pha và toàn bộ dòng điện là dòng từ hóa, việc bổ sung các khe hở không khí/ceramic trên trụ làm tăng từ trở mạch từ, dịch chuyển điểm bão hòa từ sang vùng cường độ từ trường $H$ cao hơn và tích trữ năng lượng từ trường chủ yếu tại các khe hở.

  3. Cấu trúc mạch từ và dây quấn:

    • Mạch từ: Sử dụng cấu trúc ba pha năm trụ (ba trụ giữa quấn dây, hai trụ bên khép kín từ thông) hoặc tổ ba cuộn kháng một pha để giảm chiều cao tổng thể máy, thuận tiện vận chuyển và hạn chế từ thông rò khép mạch qua vách thùng dầu. Các khối trụ được ngăn cách bởi tấm ceramic và ép chặt bằng hệ thống xà ép gông, bu lông phi từ tính.
    • Dây quấn: Áp dụng kiểu dây quấn xoắn ốc liên tục có bố trí vòng điện dung (Static Ring - SR), màn chắn tĩnh điện hoặc kiểu dây quấn đan xen. Các giải pháp này làm tăng điện dung nối tiếp dọc cuộn dây, giảm hệ số phân bố $\alpha$, tạo gradient điện áp đồng đều khi chịu sóng điện áp xung kích và đưa đầu phân chia vào giữa trụ để giảm ứng suất điện cách điện với gông.

  4. Mô hình mạch từ tương đương (mô hình từ trở): Năng lượng từ trường tổng $W_{tot} = W_c + W_g + W_f$. Điện cảm tổng được xác định qua từ trở tổng $R_{tot}$: $$L_{tot} = \frac{N^2}{R_{tot}}$$

    • Từ trở phần lõi thép thứ $i$: $$R_{ci} = \frac{1}{\mu_r \mu_0} \frac{l_i}{A_i}$$
    • Từ trở khe hở khi bỏ qua từ trường tản: $$R_g = \frac{1}{\mu_0} \frac{l_g}{A_g}$$
    • Từ trở khe hở cơ bản xác định qua phép biến hình bảo giác Schwarz - Christoffel: $$R_{basic} = \frac{1}{\mu_0 \left[ \frac{w}{2l} + \frac{2}{\pi} \left( 1 + \ln \frac{\pi h}{4l} \right) \right]}$$
    • Mở rộng công thức tính toán từ dẫn tản $P_f$ và từ dẫn khe hở $P_{gf} = P_g + P_f$ cho trụ có tiết diện tròn trong không gian 3D đối với hai kiểu liên kết: giữa trụ với gông ($R_{kiểu.a}$) và giữa các khối trụ với nhau ($R_{kiểu.b}$).

Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu

  • Phương pháp giải tích: Thiết lập sơ đồ mạch từ thay thế, xác định các thông số từ trở, từ dẫn và xây dựng lưu đồ tính toán kích thước hình học, số vòng dây, điện cảm và công suất phản kháng.
  • Phương pháp số (Phần tử hữu hạn - PTHH): Ứng dụng phần mềm Ansys Maxwell 3D để mô hình hóa hình học, chia lưới phần tử, gán điều kiện biên, giải bài toán điện từ trường tĩnh và quá độ, trích xuất dữ liệu phân bố từ cảm, lực điện từ và các thành phần điện cảm.
  • Phương pháp thực nghiệm: Sử dụng số liệu đo kiểm thực tế của cuộn kháng bù ngang ba pha 91 MVAr - 500 kV hãng ABB (tại xưởng sửa chữa Tổng công ty Thiết bị điện Đông Anh) gồm: dòng điện pha, điện trở, điện kháng, tổn hao không tải và có tải để hiệu chỉnh, đối chứng và xác thực mô hình tính toán.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu về CKBN

Chương 1 hệ thống hóa vai trò của các loại cuộn kháng trong hệ thống điện: cuộn kháng bù ngang, cuộn kháng hạn chế dòng ngắn mạch, cuộn kháng hạn chế dòng xả tụ bù dọc, cuộn kháng lọc sóng hài, cuộn kháng điều chỉnh phân phối công suất và cuộn kháng nối đất trung tính.

Tác giả phân loại CKBN thành cuộn kháng khô (lõi không khí, lõi sắt từ) và cuộn kháng ngâm dầu (kiểu trụ, kiểu bọc). Theo tiêu chuẩn IEEE C37.015, phạm vi ứng dụng kết cấu CKBN theo cấp điện áp được tổng hợp:

  • Lưới dưới 60 kV: CKBN khô hoặc ngâm dầu ba pha ba trụ;
  • Lưới 60 kV đến 245 kV: CKBN ngâm dầu ba pha ba trụ hoặc năm trụ có khe hở;
  • Lưới 300 kV đến 500 kV: CKBN ngâm dầu ba pha năm trụ hoặc tổ ba cuộn kháng một pha;
  • Lưới 735 kV đến 765 kV: Tổ ba cuộn kháng một pha.

Chương này phân tích các thông số định mức cốt lõi ($Q_{đm}, Q_{max}, U_{đm}, U_{max}, I_{đm}, f, X_L, L$), tổng thuật chi tiết các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, chỉ ra các khoảng trống khoa học và xác định mục tiêu nghiên cứu của luận án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và mô hình mạch từ CKBN

Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết trường điện từ với hệ phương trình Maxwell và bản chất vật lý của vật liệu sắt từ dựa trên lý thuyết đômen từ Weiss, chuyển động của vách Bloch và chu trình từ trễ. Phân tích điều kiện tuyến tính hóa đặc tính điện từ của CKBN làm việc ở dải điện áp lớn nhất của lưới điện.

Nội dung chương đi sâu vào phân tích cấu trúc các bộ phận:

  • Mạch từ một pha một trụ/hai trụ, ba pha ba trụ/năm trụ và kiểu bọc;
  • Cấu trúc dây quấn xoắn ốc liên tục có vòng điện dung SR/màn chắn và dây quấn đan xen;
  • Phân loại các thành phần từ trường trong máy: từ thông chính $\Phi_m$, từ thông tản xung quanh khe hở $\Phi_f$ và từ thông rò $\Phi_l$.

Tác giả thiết lập sơ đồ mạch từ thay thế tương đương, đưa ra phương pháp xác định từ trở lõi thép $R_{ci}$ qua việc phân chia các khối hình học $l_i, A_i$, đồng thời áp dụng phép biến hình bảo giác Schwarz - Christoffel để xây dựng công thức tính toán từ trở, từ dẫn của các khe hở cơ bản và khe hở giữa các khối trụ tròn 3D có xét đến từ trường tản.

                           SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH TỪ THAY THẾ CKBN MỘT PHA
             
                   R5                                Rg                               R6

Chương 3: Thiết lập mô hình và thông số kích thước CKBN

Chương 3 trình bày phương pháp giải bài toán trường điện từ bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) trên phần mềm Ansys Maxwell. Tác giả xây dựng mô hình mô phỏng 3D đối tượng CKBN ba pha 91 MVAr - 500 kV của hãng ABB. Kết quả tính toán mô phỏng được so sánh trực tiếp với số liệu đo kiểm thực nghiệm:

Thông số kỹ thuật Đơn vị Giá trị định mức / Thực nghiệm Giá trị mô phỏng PTHH
Dòng điện pha ($I_f$) A 105,08 (thực nghiệm) 105,08
Điện kháng ($X_L$) $\Omega$ 2747,25 (định mức) 2748,30
Điện cảm tự cảm ($L_{11}$) H — 8,748
Hỗ cảm pha ($L_{12}$) H — -0,0012
Tổn hao đồng ($P_{cu}$) kW 134,84 (thực nghiệm) 134,73
Tổn hao sắt từ ($P_{fe}$) kW 74,80 (thực nghiệm) 73,83

Sự sai khác giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm nằm trong giới hạn rất nhỏ, khẳng định tính chính xác của mô hình phần tử hữu hạn.

Tiếp đó, tác giả xây dựng lưu đồ tính toán giải tích kết hợp mô phỏng để xác định toàn bộ thông số kích thước mạch từ ($D_c, A_c, H_c, D_y, H_y, L_y, W_y$) và dây quấn ($A_w, W_w, H_w, k_w, k_u, N$). Kiểm chứng trên mô hình CKBN một pha 35 MVAr cho thấy sai số điện cảm giữa phương pháp giải tích và mô phỏng chỉ là 0,69%.

Chương 3 cũng thực hiện khảo sát mối quan hệ giữa tỷ lệ điện cảm rò so với điện cảm tổng ($L_l/L_{tot}$) theo công suất phản kháng định mức, cấp điện áp lưới (110 kV, 220 kV, 500 kV) và hệ số hình dáng cuộn dây $k_w = H_w / W_w$, cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng cho việc thiết kế kích thước CKBN.

Chương 4: Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số khe hở đến đặc tính điện từ của CKBN

Chương 4 tập trung vào 4 nội dung nghiên cứu thực nghiệm số:

  1. Phân bố từ cảm theo kiểu ghép lá thép trụ: Khảo sát phân bố mật độ từ cảm $\vec{B}$ trên các khối trụ trong hệ tọa độ vật liệu RD - TD - LD và hệ tọa độ tương đối. Kết quả chứng minh việc áp dụng giải pháp cắt vát mép cạnh các khối trụ giúp phân bố lại từ trường tản, loại bỏ hiện tượng tập trung từ cảm cục bộ tại các mép khối trụ (đoạn $Y_1-Y_2$ và $Y_3-Y_4$), giảm tổn hao và nâng cao tính đồng đều của từ trường.

  2. Lực điện từ và ứng suất nén trên các khối trụ: Xác định lực điện từ hướng trục và pháp tuyến tác động lên bề mặt các khối trụ. Lực điện từ này ép trực tiếp lên các tấm đệm ceramic đặt giữa các khối trụ. Kết quả chỉ ra mối quan hệ giữa ứng suất nén trung bình trên bề mặt khối trụ tỷ lệ thuận với bình phương giá trị từ cảm $B^2$. Dữ liệu này cho phép các kỹ sư thiết kế lựa chọn chính xác diện tích chịu lực và độ bền cơ học của vật liệu ceramic tương ứng với mức từ cảm làm việc.

  3. Xác định số lượng khe hở $g$ trên trụ: So sánh mô hình trụ không chia khe hở và chia nhiều khe hở nhỏ. Khi chia nhỏ khe hở, từ trường tản $\Phi_f$ xung quanh mỗi khe hở giảm rõ rệt, làm giảm điện cảm tản $L_f$ và điện cảm tổng $L_{tot}$, giúp cuộn kháng đạt đúng giá trị công suất phản kháng yêu cầu. Luận án xây dựng đường đặc tính quan hệ và các đa thức thực nghiệm xác định số khe hở $g$ theo công suất và cấp điện áp lưới (110 kV, 220 kV, 500 kV) cho đối tượng CKBN (như loại 128/3 MVAr), đồng thời xác lập dải lựa chọn chiều dài mỗi khe hở đơn vị vị $l_{1g}$.

  4. Xác định khoảng cách giữa các khe hở $H_g$: Khảo sát 5 trường hợp kích thước hình học khác nhau với các khoảng cách thay đổi từ $H_{g_Min}$ đến $H_{g_Max}$. Phân tích ảnh hưởng của $H_g$ đến giá trị điện cảm cực tiểu $L_{min}$ và xác lập mối tương quan giữa số lượng khe hở $g$ với tỷ lệ giữa tiết diện và tổng chiều dài khe hở $A_g / l_g$.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt khoa học và kỹ thuật

  1. Thiết lập được đường đặc tính và đa thức thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ giữa tỷ lệ điện cảm rò so với điện cảm tổng ($L_l/L_{tot}$) theo công suất phản kháng, cấp điện áp lưới và hệ số hình dáng dây quấn $k_w$ của CKBN.
  2. Xác định được quy luật phân bố từ cảm trên các khối trụ theo các phương pháp ghép lá thép, đưa ra giải pháp kỹ thuật cắt vát mép khối trụ phù hợp cho các CKBN công suất lớn dùng trong lưới điện cao áp.
  3. Xác định được quy luật phân bố lực điện từ trên bề mặt các khối trụ và mối quan hệ định lượng giữa ứng suất nén cơ học tác động lên các tấm ngăn cách ceramic theo mức từ cảm làm việc trên trụ.
  4. Xây dựng được tập đặc tính và hệ đa thức xác định số lượng khe hở $g$ tối thiểu cần chia trên trụ theo cấp điện áp và công suất, cùng dải lựa chọn chiều dài mỗi khe hở $l_{1g}$ nhằm giảm thiểu từ trường tản và điện cảm tản.
  5. Xác định được dải khoảng cách hợp lý $H_g$ giữa các khe hở trên trụ mạch từ ứng với các tỷ lệ kích thước tiết diện và chiều dài khe hở $A_g/l_g$ khác nhau.
                           QUY TRÌNH PHỐI HỢP THIẾT KẾ MẠCH TỪ CKBN

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đưa quy trình tính toán kết hợp mô hình giải tích mở rộng (dựa trên phép biến hình Schwarz - Christoffel cho trụ tròn 3D) và mô phỏng PTHH 3D trên Ansys Maxwell vào tiêu chuẩn thiết kế chế tạo CKBN tại các nhà máy sản xuất thiết bị điện trong nước.
  • Áp dụng đồng bộ các giải pháp: phân chia đa khe hở, vát mép khối trụ và lựa chọn khoảng cách $H_g$ phù hợp để kiểm soát điện cảm tản và tổn hao cục bộ.
  • Sử dụng công thức quan hệ giữa ứng suất nén cơ học và mật độ từ cảm $B$ để tính chọn độ bền cơ lý, chiều dày và diện tích tiếp xúc của các tấm đệm ceramic cách điện giữa các khối trụ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Dữ liệu thực nghiệm đối chứng trực tiếp trong luận án chủ yếu dựa trên đối tượng cuộn kháng ba pha 91 MVAr - 500 kV của hãng ABB và mô hình tính toán 35 MVAr; chưa có điều kiện thử nghiệm thực tế trên toàn bộ các dải công suất khác nhau được chế tạo hoàn chỉnh tại Việt Nam.
  • Nghiên cứu tập trung vào bài toán trường điện từ và lực điện từ tĩnh/chu kỳ ở chế độ xác lập; chưa đi sâu khảo sát chi tiết trường nhiệt độ kết hợp thủy lực dầu làm mát trong thùng máy hoặc các quá trình quá độ phức tạp khi đóng cắt xung kích trên lưới điện thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng nghiên cứu bài toán đa vật lý (Multiphysics) kết hợp tương tác giữa trường điện từ, trường nhiệt độ, dao động cơ học và tiếng ồn âm học của CKBN.
  • Phối hợp với các doanh nghiệp chế tạo thiết bị điện trong nước (như Tổng công ty Thiết bị điện Đông Anh) tiến hành chế tạo thử nghiệm mẫu cuộn kháng thực tế và thử nghiệm đầy đủ các thông số theo tiêu chuẩn IEC 60076-6.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật điện, Máy điện và Thiết bị điện: Tài liệu tham khảo về phương pháp giải tích biến hình bảo giác Schwarz - Christoffel mở rộng cho không gian 3D, lý thuyết đômen từ và kỹ thuật mô phỏng phần tử hữu hạn trên phần mềm Ansys Maxwell.
  • Kỹ sư thiết kế, bộ phận R&D tại các công ty chế tạo máy biến áp và thiết bị điện: Ứng dụng trực tiếp hệ đa thức tính chọn tỷ lệ $L_l/L_{tot}$, công thức xác định số lượng khe hở $g$, khoảng cách khe hở $H_g$ và phương pháp tính toán lực nén cơ học để thiết kế các dòng sản phẩm CKBN.
  • Kỹ sư quản lý vận hành tại Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia (EVNNPT): Cung cấp cơ sở lý thuyết về đặc tính từ hóa tuyến tính, hiệu ứng từ trường tản và phân bố dòng áp để phục vụ công tác quản lý vận hành, bảo dưỡng và chẩn đoán sự cố CKBN trên hệ thống 110 kV, 220 kV và 500 kV.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao mạch từ của CKBN phải bố trí các khe hở phi từ tính thay vì sử dụng lõi thép liền như máy biến áp?

Trong máy biến áp, dòng điện từ hóa chỉ chiếm vài phần trăm dòng định mức do sức từ động sơ cấp được cân bằng bởi sức từ động thứ cấp. Ngược lại, CKBN chỉ có một cuộn dây duy nhất cho mỗi pha mắc song song với lưới điện, do đó toàn bộ dòng điện chạy trong cuộn dây là dòng từ hóa. Nếu sử dụng lõi sắt từ liền, mạch từ sẽ nhanh chóng bị bão hòa sâu ở điện áp làm việc, làm mất tính tuyến tính của điện kháng và gây méo dạng dòng điện. Việc bố trí các khe hở phi từ tính (chèn tấm ceramic) làm tăng từ trở của mạch từ, nâng cao năng lượng từ trường tích trữ tại khe hở ($W_g$), duy trì đặc tính từ hóa tuyến tính trong dải điện áp vận hành đến $1,1 - 1,3 , U_{đm}$ và hạn chế kích thước tổng thể của thiết bị.

2. Việc chia nhỏ khe hở lớn thành nhiều khe hở nhỏ trên trụ mang lại tác dụng gì về mặt phân bố từ trường?

Nếu chỉ sử dụng một hoặc một vài khe hở có kích thước lớn, từ trường tản ($\Phi_f$) xung quanh khu vực khe hở sẽ mở rộng rất mạnh vào không gian cuộn dây và vách thùng máy, gây ra tổn hao dòng xoáy cục bộ cao, tăng nhiệt độ và làm tăng điện cảm tản ($L_f$), dẫn đến sai lệch công suất phản kháng của thiết bị. Khi chia tổng chiều dài khe hở $l_g$ thành nhiều khe hở nhỏ $l_{1g}$ phân bố đều dọc theo chiều cao trụ $H_c$, từ trường tản tại mỗi khe hở bị thu hẹp đáng kể, từ thông được định hướng chạy dọc trong lõi thép, giảm điện cảm tản và tổn hao phụ, đồng thời giúp phân bố từ cảm đồng đều hơn trên toàn bộ chiều cao dây quấn.

3. Lực điện từ tác động lên các khối trụ trong CKBN có đặc điểm gì và ảnh hưởng thế nào đến độ bền cơ học của máy?

Lực điện từ sinh ra giữa các bề mặt khối trụ ngăn cách bởi khe hở có xu hướng hút các khối trụ lại với nhau, tạo ra ứng suất lực nén hướng trục rất lớn tác động trực tiếp lên các tấm đệm ceramic. Mối quan hệ định lượng chỉ ra rằng ứng suất nén trung bình tỷ lệ thuận với bình phương mật độ từ cảm ($B^2$). Nếu mật độ từ cảm phân bố không đồng đều trên tiết diện khối trụ, lực nén lệch tâm sẽ xuất hiện, dẫn đến nguy cơ nứt vỡ tấm ceramic, làm lỏng kết cấu ép gông, gây rung động mạnh và tăng độ ồn âm học trong quá trình vận hành dài hạn.

4. Luận án sử dụng đối tượng thực nghiệm nào để kiểm chứng độ tin cậy của mô hình mô phỏng số?

Tác giả sử dụng số liệu đo kiểm thực nghiệm từ cuộn kháng bù ngang ba pha 91 MVAr - 500 kV do hãng ABB sản xuất trong đợt sửa chữa, bảo dưỡng tại Tổng công ty Thiết bị điện Đông Anh. Các thông số đo đạc thực tế gồm: dòng điện pha (105,08 A), điện kháng ($2747,25 , \Omega$), tổn hao đồng (134,84 kW) và tổn hao sắt từ (74,80 kW) được so sánh trực tiếp với kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn 3D trên Ansys Maxwell, với mức sai số tương ứng đều dưới 1,3%, xác thực độ chính xác của phương pháp nghiên cứu.

5. Tỷ lệ điện cảm rò so với điện cảm tổng ($L_l/L_{tot}$) có ý nghĩa như thế nào trong thiết kế CKBN?

Điện cảm rò $L_l$ sinh ra từ thành phần từ thông rò không khép mạch hoàn toàn trong mạch từ chính. Việc xác định tỷ lệ $L_l/L_{tot}$ thông qua hệ đa thức thực nghiệm phụ thuộc vào công suất phản kháng, cấp điện áp (110 kV, 220 kV, 500 kV) và hệ số hình dáng cuộn dây $k_w = H_w / W_w$ giúp người thiết kế tính toán chính xác số vòng dây $N$ và kích thước hình học cửa sổ mạch từ ngay từ bước giải tích ban đầu, tránh sai số lớn về công suất phản kháng khi đưa vào mô hình kiểm chứng phần tử hữu hạn.

Kết luận

Luận án đã giải quyết bài toán phân tích các quá trình điện từ trong cuộn kháng bù ngang ngâm dầu dùng cho lưới điện truyền tải cao áp và siêu cao áp. Thông qua việc kết hợp mô hình giải tích biến hình bảo giác Schwarz - Christoffel mở rộng cho không gian 3D với mô phỏng phần tử hữu hạn trên Ansys Maxwell và đối chứng thực nghiệm trên mẫu máy 91 MVAr - 500 kV, tác giả đã làm rõ quy luật phân bố từ cảm, phân bố lực điện từ và xây dựng các biểu thức xác định số lượng, khoảng cách khe hở trên trụ mạch từ. Các kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu kỹ thuật phục vụ quá trình tính toán thiết kế, tiến tới làm chủ công nghệ sản xuất cuộn kháng bù ngang tại Việt Nam.