Tổng quan luận án

Trong hệ thống truyền tải điện năng siêu cao áp và cao áp tại Việt Nam, đặc điểm địa lý kéo dài từ Bắc vào Nam khiến khoảng cách truyền tải giữa các trung tâm nguồn điện và phụ tải rất lớn. Khi đường dây vận hành ở chế độ không tải hoặc non tải (đặc biệt trong các sự cố cắt tải đột ngột), dung dẫn giữa dây dẫn và đất sinh ra một lượng công suất phản kháng lớn không được cân bằng, dẫn đến hiện tượng gia tăng điện áp dọc tuyến truyền tải—thường được gọi là hiệu ứng Ferranti. Tình trạng quá áp này làm gia tăng ứng suất cách điện, đẩy nhanh quá trình già hóa vật liệu và có nguy cơ gây đánh thủng cách điện của các thiết bị nối trên lưới, đặc biệt ở các trạm biến áp cuối đường dây.

Để khắc phục hiện tượng trên, cuộn kháng bù ngang (CKBN) được đấu nối song song (mắc shunt) tại thanh cái của các trạm biến áp hoặc các trạm bù trên đường dây nhằm hấp thu lượng công suất phản kháng dư thừa và duy trì ổn định điện áp theo quy định vận hành. Tuy nhiên, toàn bộ các thiết bị CKBN đang vận hành trên hệ thống truyền tải điện quốc gia đều phải nhập khẩu từ các tập đoàn nước ngoài (như ABB, Siemens, Fuji Electric) với chi phí cao. Mặc dù các đơn vị chế tạo máy biến áp trong nước đã có năng lực cơ sở hạ tầng, nhưng việc nghiên cứu chế tạo CKBN vẫn gặp nhiều trở ngại kỹ thuật liên quan đến cấu trúc mạch từ đặc thù: kiểu ghép lá thép trụ, sự xuất hiện của từ trường tản xung quanh khe hở, việc xác định số lượng khe hở cũng như khoảng cách phân bố giữa các khe hở trên trụ mạch từ. Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Phạm Minh Tú với đề tài "Nghiên cứu các quá trình điện từ của cuộn kháng bù ngang dùng trong lưới điện cao áp" đã được thực hiện nhằm giải quyết các vấn đề lý thuyết và thực tiễn này.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm 4 nội dung:

  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 quy luật phân bố từ cảm trên các khối trụ của CKBN tương ứng với các kiểu ghép lá thép trụ khác nhau.
  3. Nghiên cứu phân tích lực điện từ tác động trên các khối trụ, xác định ứng suất lực nén tác dụng lên các tấm vật liệu phi từ tính ngăn cách giữa các khối trụ và mối quan hệ giữa ứng suất lực với mật độ từ cảm trên khối trụ.
  4. Nghiên cứu xác định số lượng khe hở và khoảng cách hợp lý giữa các khe hở phân bố trên trụ của CKBN nhằm giảm từ trường tản, điện cảm tản và điện cảm tổng, đảm bảo công suất phản kháng yêu cầu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cuộn kháng bù ngang dùng trong lưới truyền tải điện cao áp và siêu cao áp (các cấp điện áp 110 kV, 220 kV và 500 kV).
  • Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào các quá trình điện từ trường, phân bố từ cảm trên các khối trụ theo các kiểu ghép lá thép; phân tích lực điện từ tác động lên khối trụ và ứng suất nén lên tấm ngăn cách phi từ tính; xác định quy luật biến thiên của tỉ lệ điện cảm rò trên điện cảm tổng ($L_l/L_{tot}$) theo công suất, cấp điện áp và hệ số hình dáng cuộn dây ($k_w$); xác định số lượng khe hở tối thiểu và dải khoảng cách phân bố giữa các khe hở trên trụ mạch từ.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án được phân chia thành các nhóm nghiên cứu trong nước và quốc tế theo từng khía cạnh kỹ thuật chuyên biệt:

1. Các nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, các công trình đã công bố chủ yếu tập trung vào bài toán ứng dụng và chế độ vận hành CKBN trên hệ thống điện:

  • Tác giả Nguyễn Văn Đại [17] nghiên cứu phương pháp tính chọn thông số công suất cho CKBN lắp đặt trên các tuyến đường dây truyền tải cao áp.
  • Tác giả Lê Thành Chung [18] phân tích chế độ vận hành của kháng bù ngang trên hệ thống truyền tải 500 kV Bắc - Nam.
  • Các vấn đề về tính toán thiết kế chi tiết cấu trúc mạch từ, phân bố từ trường tản cục bộ và lực điện từ trong quá trình chế tạo CKBN tại các nhà máy sản xuất thiết bị điện trong nước vẫn chưa được giải quyết đầy đủ.

2. Các nghiên cứu quốc tế

Các công trình quốc tế được tác giả tổng hợp thành ba nhóm chính:

  • Nhóm nghiên cứu cấu trúc mạch từ và khe hở không khí: Radoslaw Jez và cộng sự [19], [20] sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics để khảo sát ảnh hưởng của khe hở lõi thép chữ nhật đến dòng điện bão hòa; M. Kuwata và cộng sự [25] đề xuất phương pháp ghép xếp lớp lá thép đúc kết dính thành khối đa giác không dùng bu-lông xuyên tâm để giảm kích thước và độ ồn; S. Kuwata và cộng sự [27] nghiên cứu tạo vết cắt trên trụ mạch từ nhằm giảm tổn hao dòng xoáy; Martin Christtoffel [28] tổng kết cấu trúc CKBN một pha một trụ và hai trụ cùng các quy trình thử nghiệm; Jitendrakumar P. Vora và cộng sự [29] đề xuất mô-đun hóa lõi thép và bánh dây; Yue Hao và cộng sự [30] sử dụng phần mềm PSCAD/EMTDC phân tích sóng hài trên cuộn kháng 1000 kV; Abozar Alabakhshizadeh và cộng sự [31] dùng Ansys Maxwell khảo sát các vị trí đặt khe hở khác nhau; Agasthya Ayachit và cộng sự [32] xây dựng mô hình mạch từ tương đương có xét từ trở tản; Arun Balakrishnan và cộng sự [23] cùng L. Escribano và cộng sự [33] ứng dụng phép biến đổi bảo giác Schwarz-Christoffel để tính toán từ trở khe hở và chuyển đổi tương đương giữa trụ tròn và trụ chữ nhật; Alex Van den Bossche và cộng sự [24], [34] đề xuất phương pháp phân vùng 2D để tính từ dẫn tản 3D; Erika Stenglein và cộng sự [35] nghiên cứu diện tích tác dụng hiệu dụng của khe hở; Kamran Dawood [36] và Ling Lu [37] áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) để tính toán lực điện từ tác dụng lên cuộn dây.
  • Nhóm nghiên cứu về tổn hao: Alex Van den Bossche và cộng sự [38], [42] khảo sát tổn hao dòng xoáy trên dây quấn và hệ số gia tăng tổn hao do từ trường tản; Ivana Kovacevic-Badstubner và cộng sự [39] phát triển mô hình mạch tương đương từng phần PEEC; Eddy So và cộng sự [40] nghiên cứu phương pháp đo tổn hao ở hệ số công suất thấp; W. Rsshen và cộng sự [41] khảo sát phân bố dòng xoáy trong dây quấn tiết diện chữ nhật; Satyaki Mukherjee và cộng sự [43] đề xuất cấu trúc kết hợp các dạng khe hở; Anagha E R và cộng sự [44] tính toán phát nhiệt qua mạch nhiệt tương đương; Takashi Kohsaka và cộng sự [45] phân tích tổn hao sắt từ trên mạch từ có khe hở; B. Mircea Alexandru và cộng sự [46] cùng A. Cancino và cộng sự [47] nghiên cứu các giải pháp hiệu chỉnh khi thử nghiệm tổn hao CKBN ba pha và CKBN kiểu bọc.
  • Nhóm nghiên cứu phương pháp tính toán và mô phỏng: Các công trình [48]–[51] đưa ra phương pháp giải tích cho cuộn cảm có khe hở nhưng bỏ qua từ thông rò; 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; Yanzhen Zhao và cộng sự [53] xây dựng phần mềm tối ưu hóa trên Visual Basic; Hsu Mon Aung và cộng sự [54] và Soe Win Naing và cộng sự [55] tính toán thiết kế CKBN 25 MVA và 20 MVA cấp 230 kV nhưng chọn kiểu ghép mạch từ theo máy biến áp truyền thống; H. Tsai và cộng sự [63] và Kamran Dawood và cộng sự [64] ứng dụng Ansys Maxwell để xác định đặc tính bão hòa và tổn hao.

3. Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Tổng quan cho thấy các nghiên cứu trước đây tồn tại các hạn chế kỹ thuật:

  • Chưa phân tích định lượng ảnh hưởng của các kiểu ghép lá thép trụ khác nhau đến sự phân bố mật độ từ cảm trên trụ CKBN.
  • Chưa thiết lập mối quan hệ định lượng giữa lực điện từ hướng trục tác dụng lên khối trụ và ứng suất nén cơ học tác động lên các tấm ngăn cách phi từ tính theo mật độ từ cảm.
  • Bỏ qua thành phần điện cảm rò ($L_l$) trong mô hình tính toán thiết kế giải tích của CKBN.
  • Chưa có công trình nào xác lập cơ sở khoa học và các hệ thức toán học cụ thể để xác định số lượng khe hở tối thiểu cần chia cũng như khoảng cách phân bố giữa các khe hở trên trụ nhằm kiểm soát điện cảm tản và đảm bảo công suất phản kháng yêu cầu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

1. Cơ sở lý thuyết và mô hình toán học

Hiện tượng điện từ trong CKBN được mô tả bởi hệ phương trình vi phân Maxwell: $$\text{rot} \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}$$ $$\text{div} \mathbf{B} = 0$$ $$\text{rot} \mathbf{H} = \mathbf{j} + \frac{\partial \mathbf{D}}{\partial t}$$ $$\text{div} \mathbf{D} = \rho$$ Phương trình bảo toàn điện tích liên hệ giữa mật độ dòng điện $\mathbf{j}$ và mật độ điện tích $\rho$: $$\text{div} \mathbf{j} + \frac{\partial \rho}{\partial t} = 0$$

Vật liệu làm mạch từ là thép kỹ thuật điện cán nguội (vật liệu từ mềm), có đặc tính từ hóa phi tuyến $B = \mu_r \mu_0 H = \mu_0(H + M)$. Theo lý thuyết miền từ hóa tự nhiên Weiss và vách chuyển tiếp Bloch, khi có từ trường ngoài tác động, các vách đô-men dịch chuyển và quay hướng mô-men từ cho đến khi đạt trạng thái bão hòa.

Khác với máy biến áp, toàn bộ dòng điện chạy trong cuộn dây CKBN là dòng từ hóa. Để cuộn kháng duy trì đặc tính làm việc tuyến tính theo tiêu chuẩn IEC 60076-6 và IEEE C37.015 (điện áp làm việc tuyến tính đạt tới $1,1 U_{max}$, thực tế thiết kế lên đến xấp xỉ $1,3 U_{đm}$), mạch từ phải được chèn các khe hở không khí ngăn cách bằng các tấm phi từ tính (gốm ceramic) để tăng từ trở và lưu trữ năng lượng từ trường.

Mô hình mạch từ tương đương của CKBN được xác lập thông qua các thành phần từ trở:

  • Từ trở phần lõi thép thứ $i$: $$R_{ci} = \frac{l_i}{\mu_r \mu_0 A_i}$$
  • Từ trở khe hở trên trụ (khi chưa xét từ trường tản): $$R_g = \frac{l_g}{\mu_0 A_g}$$
  • Từ dẫn tản quanh khe hở giữa các khối trụ tròn ($P_{f.b}$) được mở rộng từ phép biến hình bảo giác Schwarz-Christoffel: $$P_{f.b} = \mu_0 \pi D_c \left[ \frac{4}{\pi} \left( \frac{\pi h}{2l} + 1 \right) \ln\left( \frac{\pi h}{2l} + 1 \right) - \frac{\pi h}{2l} \ln\left( \frac{\pi h}{2l} \right) \right]$$
  • Điện cảm tổng của CKBN được phân tách thành các thành phần điện cảm chính và điện cảm rò: $$L_{tot} = \frac{\Psi}{I} = L_m + L_l = L_c + L_g + L_l$$ Trong đó: $L_c = \frac{N^2}{R_c}$ (tương ứng phần sắt từ), $L_g = \frac{N^2}{R_g}$ (tương ứng phần khe hở), $L_l = \frac{N^2}{R_l}$ (tương ứng từ thông rò móc vòng qua không gian cuộn dây và vách thùng).
Thông số ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa vật lý
$Q_{đm}, U_{đm}, I_{đm}$ $\text{MVAr, kV, A}$ Công suất phản kháng, điện áp và dòng điện định mức
$B, H, \mu_r, \mu_0$ $\text{T, A/m, -, H/m}$ Từ cảm, cường độ từ trường, từ thẩm tương đối, từ thẩm chân không
$L_{tot}, L_c, L_g, L_l$ $\text{H}$ Điện cảm tổng, điện cảm lõi thép, điện cảm khe hở, điện cảm rò
$D_c, A_c, H_c$ $\text{m, m}^2\text{, m}$ Đường kính, diện tích tiết diện và chiều cao của trụ mạch từ
$l_g, l_{1g}, g, H_g$ $\text{m, m, -, m}$ Chiều dài tổng khe hở, chiều dài 1 khe hở, số khe hở, khoảng cách giữa các khe
$k_w, k_u$ $-$ Hệ số hình dáng dây quấn và hệ số điền đầy cửa sổ mạch từ

2. Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp giải tích: Thiết lập hệ thống công thức giải tích tính toán mạch từ tương đương kết hợp từ dẫn tản mở rộng cho cấu trúc không gian 3 chiều.
  • Phương pháp số: Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) 3D trên phần mềm bản quyền Ansys Maxwell để mô phỏng sự phân bố từ trường, dòng xoáy, lực điện từ và các thành phần điện cảm.
  • Phương pháp đối chứng thực nghiệm: Sử dụng các thông số đo kiểm kỹ thuật thực tế từ cuộn kháng bù ngang ba pha 91 MVAr - 500 kV do hãng ABB chế tạo tại Tổng công ty Thiết bị điện Đông Anh để kiểm chứng độ chính xác của mô hình số.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu về CKBN

Chương này phân tích vai trò của cuộn kháng trong hệ thống điện: cuộn kháng bù ngang hạn chế quá áp do hiệu ứng Ferranti, cuộn kháng nối tiếp hạn chế dòng ngắn mạch, cuộn kháng nối tiếp cùng tụ bù dọc để hạn chế dòng xả của tụ, cuộn kháng lọc sóng hài và cuộn kháng trung tính. Phân loại chi tiết CKBN theo cấu tạo:

  • Cuộn kháng khô lõi không khí (môi trường làm mát không khí tự nhiên, ví dụ của hãng Trench).
  • Cuộn kháng ngâm dầu (dây quấn và mạch từ đặt trong thùng dầu, ví dụ của hãng Siemens), phân nhánh thành cuộn kháng kiểu trụ (core-form) và cuộn kháng kiểu bọc (shell-form).
  • Phân loại theo kết cấu mạch từ: 3 pha 3 trụ, 3 pha 5 trụ (sử dụng 2 trụ bên để dẫn từ thông khép kín, giảm chiều cao tổng thể và tránh từ thông rò tản vào vách thùng), hoặc tổ ba cuộn kháng một pha.

Chương 1 cũng tổng thuật hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật (IEC 60076-6, IEEE C37.015), tổng hợp các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, chỉ ra các khoảng trống khoa học về tối ưu hóa khe hở, phân bố từ cảm theo kiểu ghép lá thép và phân tích lực điện từ tác động lên khối trụ.

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

Tác giả trình bày hệ phương trình vi phân Maxwell, lý thuyết vật liệu sắt từ, hiện tượng dịch chuyển vách miền từ hóa Bloch và sự hình thành đường cong từ hóa $B(H)$. Chương này làm rõ cơ chế tạo đặc tính tuyến tính của CKBN khi làm việc trong vùng điện áp định mức và quá áp cho phép nhờ việc bổ sung các khe hở không khí trên trụ.

Chương 2 mô tả chi tiết các dạng kết cấu:

  • Cấu trúc mạch từ 1 pha (1 trụ, 2 trụ, có hoặc không có trụ ngoài), 3 pha 3 trụ, 3 pha 5 trụ và mạch từ kiểu bọc.
  • Cấu trúc dây quấn xoắn ốc liên tục có gắn vòng điện dung tĩnh điện (Static Ring - SR), màn chắn tĩnh điện, và dây quấn đan xen. Với các cuộn kháng cấp điện áp cao và siêu cao áp, cuộn dây được chia thành hai nửa quấn song song ngược chiều để đưa đầu pha vào giữa trụ, giúp phân bố điện áp ban đầu đồng đều, giảm khoảng cách cách điện với gông và triệt tiêu một phần lực điện từ hướng trục.
  • Xây dựng mô hình mạch từ tương đương, ứng dụng phép biến đổi bảo giác Schwarz-Christoffel để xác định giải tích từ dẫn tản $P_f$ cho trụ tiết diện tròn và thiết lập sơ đồ mạch điện tương đương hoàn chỉnh gồm các điện trở tổn hao $r_w, r_c, r_g$ và các nhánh điện cảm $L_c, L_g, L_l$.

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

Chương 3 trình bày việc xây dựng mô hình phần tử hữu hạn 3D trên phần mềm Ansys Maxwell. Đối tượng mô phỏng kiểm chứng là CKBN ba pha 91 MVAr - 500 kV hãng ABB. Tác giả thực hiện so sánh đối chứng giữa kết quả mô phỏng số và số liệu đo đạc thực nghiệm tại nhà máy:

  • Mức độ sai lệch về các giá trị dòng điện pha, điện kháng định mức và tổn hao công suất ($P_{cu}, P_{fe}$) giữa kết quả mô phỏng và kết quả đo thực tế đều nằm trong giới hạn sai số cho phép, khẳng định độ tin cậy của mô hình số.

Dựa trên quy trình tính toán phối hợp giữa mô hình giải tích và mô hình mô phỏng PTHH, tác giả xác định bộ thông số kích thước hình học (mạch từ và cuộn dây) cho các tổ CKBN 1 pha tại các cấp điện áp 110 kV, 220 kV và 500 kV trên dải công suất phản kháng khác nhau. Khảo sát sự phụ thuộc của tỉ lệ điện cảm rò trên điện cảm tổng ($L_l/L_{tot}$) theo công suất và hệ số hình dáng cuộn dây $k_w = H_w/W_w$, cho thấy tỉ lệ $L_l/L_{tot}$ biến thiên có quy luật và là tham số quan trọng cần được tính chọn chính xác khi thiết kế sơ bộ.

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

Chương 4 tập trung phân tích chuyên sâu các yếu tố ảnh hưởng của khe hở:

  • Phân bố mật độ từ cảm theo các kiểu ghép lá thép trụ: Mô phỏng các phương án ghép lá thép trụ khác nhau. Kết quả chỉ ra rằng tại các cạnh biên của khối trụ xuất hiện hiện tượng tập trung từ thông cục bộ làm mật độ từ cảm tăng cao. Giải pháp cắt vát mép cạnh các khối trụ giúp làm đều phân bố từ cảm trên toàn bộ tiết diện trụ.
  • Phân bố lực điện từ và ứng suất nén cơ học: Xác định lực điện từ hướng trục tác dụng lên bề mặt các khối trụ. Lực này nén trực tiếp lên các tấm đệm cách điện ceramic đặt tại các khe hở. Tác giả xác lập đồ thị và hàm quan hệ giữa ứng suất lực nén trung bình theo mật độ từ cảm trên trụ, cung cấp căn cứ tính toán độ bền cơ học và lựa chọn vật liệu đệm.
  • Xác định số lượng khe hở $g$ và chiều dài một khe hở $l_{1g}$: Khi tăng số lượng khe hở $g$ trên cùng một tổng chiều dài khe $l_g$, từ thông tản giảm rõ rệt, làm giảm điện cảm tản $L_f$ và điện cảm tổng $L_{tot}$. Tác giả xây dựng đa thức thực nghiệm xác định số lượng khe hở tối thiểu theo công suất và điện áp, đồng thời đưa ra dải khuyến nghị cho chiều dài mỗi khe hở $l_{1g}$ ứng với từng cấp điện áp 110 kV, 220 kV và 500 kV.
  • Khảo sát khoảng cách giữa các khe hở ($H_g$): Khảo sát biến thiên khoảng cách $H_g$ từ giá trị $H_{g_Min}$ đến $H_{g_Max}$ trên 5 trường hợp kích thước hình học khác nhau, thiết lập mối liên hệ giữa số lượng khe hở với tỉ lệ diện tích tiết diện trên tổng chiều dài khe hở ($A_g/l_g$) nhằm đạt giá trị điện cảm cực tiểu mong muốn.

Kết quả và những đóng góp mới

Nội dung nghiên cứu của luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp mới sau:

  1. Xác lập quan hệ điện cảm rò: Xây dựng được đặc tính và hệ phương trình đa thức biểu diễn mối quan hệ giữa tỉ lệ điện cảm rò so với điện cảm tổng ($L_l/L_{tot}$) theo công suất phản kháng, cấp điện áp làm việc và hệ số hình dáng dây quấn ($k_w$) của CKBN.
  2. Xác định kiểu ghép lá thép trụ tối ưu: Xác định được kiểu ghép lá thép cho các khối trụ mạch từ phù hợp với CKBN công suất lớn dùng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp, kết hợp giải pháp vát mép cạnh khối trụ để giảm thiểu hiện tượng tập trung từ cảm cục bộ.
  3. Định lượng lực điện từ và ứng suất nén cơ học: Xác định quy luật phân bố lực điện từ tác động trên bề mặt các khối trụ và mối quan hệ định lượng giữa ứng suất lực nén cơ học tác dụng lên các tấm vật liệu phi từ tính ngăn cách (ceramic) theo mật độ từ cảm mạch từ. Kết quả này là cơ sở kỹ thuật để lựa chọn loại vật liệu, kích thước và độ bền cơ của các tấm đệm khe hở.
  4. Xác định số lượng và kích thước khe hở: Đưa ra đường đặc tính và đa thức giải tích xác định số lượng khe hở ($g$) phân bố trên trụ theo công suất phản kháng và cấp điện áp; đồng thời xác định dải lựa chọn kích thước chiều dài cho mỗi khe hở ($l_{1g}$) theo các cấp điện áp 110 kV, 220 kV và 500 kV nhằm hạn chế từ trường tản.
  5. Xác định dải phân bố khoảng cách khe hở: Xác định được dải lựa chọn khoảng cách phù hợp giữa các khe hở ($H_g$) ứng với các tỷ lệ tiết diện trụ và chiều dài khe hở ($A_g/l_g$) khác nhau, phục vụ cho việc định vị chính xác các khối trụ và khe hở trong kết cấu mạch từ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của luận án:

    • Nghiên cứu chủ yếu tập trung vào bài toán điện từ trường ở chế độ xác lập tần số công nghiệp (50 Hz), chưa khảo sát sâu các quá trình quá độ điện từ khi đóng cắt cuộn kháng vào lưới điện.
    • Quá trình phân tích lực điện từ mới dừng lại ở lực tĩnh và phân bố ứng suất nén cơ học trên các tấm đệm phẳng, chưa kết hợp mô hình hóa tương tác đa trường vật lý (điện từ - dao động cơ học - phát xạ tiếng ồn) trên toàn bộ kết cấu vỏ thùng và hệ thống xà ép gông.
    • Mô hình thực nghiệm kiểm chứng quy mô đầy đủ được thực hiện trên một đối tượng cụ thể là máy ba pha 91 MVAr - 500 kV của ABB; các cấp công suất và điện áp khác chủ yếu dựa trên mô phỏng số và tính toán giải tích.

  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:

    • Mở rộng phân tích các quá trình quá độ điện áp và dòng điện xung kích khi đóng cuộn kháng vào lưới điện có tính đến đặc tính bão hòa sâu của vật liệu từ.
    • Nghiên cứu mô hình bài toán đa vật lý liên kết: Điện từ - Nhiệt động lực học - Dao động cơ học và tiếng ồn lan truyền nhằm phục vụ hoàn thiện thiết kế giảm âm cho CKBN.
    • Chế tạo thử nghiệm mẫu cuộn kháng quy mô công nghiệp hoàn chỉnh dựa trên các kết quả tính toán của luận án để tiến hành thử nghiệm nghiệm thu toàn diện tại hiện trường.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị ứng dụng cụ thể cho các nhóm đối tượng:

  • Các đơn vị thiết kế và nhà máy chế tạo thiết bị điện (như Tổng công ty Thiết bị điện Đông Anh và các doanh nghiệp sản xuất máy biến áp trong nước): Có thể trực tiếp sử dụng lưu đồ tính toán thiết kế giải tích kết hợp mô phỏng PTHH, áp dụng các đa thức xác định tỉ lệ $L_l/L_{tot}$, số lượng khe hở $g$, chiều dài khe $l_{1g}$ và dải khoảng cách $H_g$ để thiết kế, chế tạo mạch từ CKBN cao áp và siêu cao áp.
  • Các viện nghiên cứu và trường đại học: Cung cấp tài liệu tham khảo chuyên sâu cho giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật điện, Thiết bị điện - Điện tử trong việc mô hình hóa điện từ trường, ứng dụng phép biến đổi bảo giác Schwarz-Christoffel cho mạch từ có khe hở 3D và phương pháp mô phỏng số trên phần mềm Ansys Maxwell.
  • Các kỹ sư quản lý vận hành hệ thống truyền tải điện: Cung cấp cơ sở lý thuyết về phân bố từ cảm, đặc tính phi tuyến và khả năng chịu ứng suất cơ điện của CKBN trong các chế độ vận hành quá áp trên hệ thống điện 500 kV, 220 kV và 110 kV.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao mạch từ của cuộn kháng bù ngang cao áp bắt buộc phải chia thành nhiều khối trụ và có khe hở không khí?

Dây quấn mỗi pha của CKBN chỉ gồm một cuộn dây mắc song song với lưới điện, toàn bộ dòng điện chạy trong dây quấn là dòng từ hóa. Nếu sử dụng lõi thép liền mạch như máy biến áp thông thường, mạch từ sẽ nhanh chóng bị bão hòa ở điện áp làm việc, làm mất tính tuyến tính của điện kháng. Việc chèn các khe hở không khí (ngăn cách bằng tấm gốm ceramic phi từ tính) giúp tăng từ trở của mạch từ, tăng khả năng tích trữ năng lượng từ trường tại khu vực khe hở và đảm bảo cuộn kháng duy trì đặc tính làm việc tuyến tính ở dải điện áp vận hành cao nhất (đạt tới $1,1 U_{max}$).

2. Phép biến đổi bảo giác Schwarz-Christoffel được tác giả ứng dụng như thế nào trong luận án?

Tác giả sử dụng phép biến hình bảo giác Schwarz-Christoffel dựa trên sự tương quan giữa điện dung tĩnh điện và từ trở không gian. Từ mô hình 2D cơ bản của khe hở, phương pháp này cho phép biến đổi cấu trúc đa giác phức tạp thành dạng bản cực phẳng song song để thiết lập công thức tính toán từ trở và từ dẫn tản chính xác. Từ kết quả 2D, tác giả tiếp tục phát triển công thức giải tích xác định hệ số từ dẫn tản ($P_{f.b}$) cho kết cấu trụ mạch từ có tiết diện tròn trong không gian 3 chiều.

3. Mô hình mô phỏng phần tử hữu hạn trong luận án được kiểm chứng tính chính xác qua đối tượng nào?

Mô hình mô phỏng 3D trên phần mềm Ansys Maxwell được tác giả đối chứng trực tiếp với các số liệu đo kiểm thực nghiệm của cuộn kháng bù ngang ba pha 91 MVAr - 500 kV do hãng ABB chế tạo trong quá trình bảo dưỡng, sửa chữa tại Tổng công ty Thiết bị điện Đông Anh. Các thông số so sánh gồm dòng điện pha, điện kháng định mức, tổn hao đồng ($P_{cu}$) và tổn hao sắt ($P_{fe}$), cho kết quả sai lệch nằm trong phạm vi cho phép của tiêu chuẩn kỹ thuật.

4. Việc chia nhỏ một khe hở lớn thành nhiều khe hở trên trụ mang lại lợi ích gì và khoảng cách giữa các khe được xác định ra sao?

Nếu chỉ sử dụng một khe hở có chiều dài lớn trên trụ, từ trường tản xung quanh khe hở sẽ mở rộng với bán kính lớn, cắt xuyên vào các vòng dây quấn gây gia tăng tổn hao dòng xoáy cục bộ và làm tăng điện cảm tản $L_f$, dẫn đến sai lệch điện cảm tổng $L_{tot}$. Chia thành nhiều khe hở nhỏ ($g$) giúp nén vùng từ trường tản, giảm tổn hao và giảm điện cảm tổng. Khoảng cách giữa các khe ($H_g$) được lựa chọn trong dải từ $H_{g_Min}$ đến $H_{g_Max}$ dựa trên tỷ lệ giữa diện tích tiết diện trụ và chiều dài khe hở ($A_g/l_g$) nhằm cực tiểu hóa điện cảm tản và đạt giá trị công suất phản kháng thiết kế.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Phạm Minh Tú đã giải quyết bài toán phân tích các quá trình điện từ trong cuộn kháng bù ngang dùng cho lưới điện cao áp và siêu cao áp thông qua sự kết hợp giữa mô hình mạch từ giải tích và phương pháp mô phỏng số phần tử hữu hạn. Công trình đã làm rõ quy luật phân bố từ cảm theo kiểu ghép lá thép trụ, xác lập mối quan hệ định lượng giữa lực điện từ hướng trục và ứng suất nén lên tấm đệm ceramic, đồng thời cung cấp hệ phương trình xác định tỉ lệ điện cảm rò $L_l/L_{tot}$, số lượng và khoảng cách tối ưu của các khe hở trên trụ. Các kết quả nghiên cứu đã được đối chứng tin cậy với số liệu thực nghiệm của CKBN 91 MVAr - 500 kV, đóng góp cơ sở khoa học trực tiếp cho việc tính toán thiết kế và thúc đẩy công nghệ chế tạo nội địa hóa cuộn kháng bù ngang tại Việt Nam.