Luận án tiến sĩ kỹ thuật điện nghiên cứu các quá trình điện từ của cuộn kháng bù ngang dùng trong lưới điện cao áp

Luận án tiến sĩ nghiên cứu kỹ thuật điện nghiên cứu các quá trình điện từ của cuộn kháng bù ngang dùng trong lưới điện cao áp, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng

• Tác giả: Phạm Minh Tú
• Người hướng dẫn: Bùi Đức Hùng
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu quá trình điện từ cuộn kháng bù ngang trong lưới điện cao áp
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ CKBN
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Vai trò của cuộn kháng trong hệ thống điện
• 1.3. Cuộn kháng bù ngang
• 1.4. Phân loại CKBN
• 1.5. Thông số kỹ thuật của CKBN
• 1.6. Những nghiên cứu ở trong và ngoài nước về CKBN
• 1.6.1. Những nghiên cứu trong nước
• 1.6.2. Những nghiên cứu ngoài nước
• 1.7. Những vấn đề còn tồn tại và đề xuất hướng nghiên cứu
• 1.8. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH MẠCH TỪ CKBN
• 2.1. Giới thiệu chung
• 2.2. Trường điện từ và hệ phương trình Maxwell
• 2.3. Vật liệu làm mạch từ
• 2.3.1. Đặc điểm của thép kỹ thuật điện
• 2.3.2. Đặc tính tuyến tính
• 2.3.3. Vai trò của khe hở trên trụ của CKBN
• 2.3.4. Cấu trúc của CKBN
• 2.3.4.1. Cấu trúc mạch từ
• 2.3.4.2. Cấu trúc dây quấn
• 2.4. Từ trường trong CKBN
• 2.5. Mô hình mạch từ tương đương
• 2.5.1. Từ trở phần lõi thép
• 2.5.2. Từ trở phần khe hở trên trụ
• 2.6. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT LẬP MÔ HÌNH VÀ THÔNG SỐ KÍCH THƯỚC CKBN
• 3.1. Giới thiệu chung
• 3.2. Tổng quan về công cụ Ansys Maxwell
• 3.2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn
• 3.2.2. Phần mềm Ansys Maxwell
• 3.3. Mô hình hóa và mô phỏng CKBN
• 3.3.1. Đối tượng mô phỏng
• 3.3.2. Thiết lập và dựng mô hình mô phỏng
• 3.3.3. Phân tích kết quả
• 3.4. Xác định thông số kích thước CKBN
• 3.4.1. Mô hình giải tích
• 3.4.2. Mô hình mô phỏng
• 3.5. Nghiên cứu xác định điện cảm rò trong CKBN
• 3.6. Kết luận chương
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ KHE HỞ ĐẾN ĐẶC TÍNH ĐIỆN TỪ CỦA CKBN
• 4.1. Giới thiệu chung
• 4.2. Nghiên cứu phân bố từ cảm các kiểu ghép lá thép trụ CKBN
• 4.2.1. Các kiểu ghép lá thép trụ và hệ tọa độ tương ứng
• 4.2.2. Mô hình nghiên cứu các kiểu ghép lá thép trụ
• 4.2.3. Phân tích phân bố từ cảm với các kiểu ghép lá thép trụ
• 4.3. Nghiên cứu lực điện từ trên các khối trụ
• 4.3.1. Xác định lực điện từ
• 4.3.2. Phân tích kết quả phân bố lực điện từ
• 4.4. Nghiên cứu xác định số lượng khe hở trên trụ
• 4.4.1. Mô hình nghiên cứu theo số lượng khe hở trên trụ
• 4.4.2. Phân tích kết quả
• 4.5. Nghiên cứu khoảng cách giữa các khe hở trên trụ
• 4.5.1. Mô hình nghiên cứu các trường hợp kích thước và khoảng cách khe hở khác nhau
• 4.5.2. Phân tích ảnh hưởng của khoảng cách giữa các khe hở tới thông số điện cảm
• 4.6. Kết luận chương
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

Tóm tắt

I. Nghiên cứu quá trình điện từ trong cuộn kháng bù ngang

Nghiên cứu quá trình điện từ trong cuộn kháng bù ngang (CKBN) là trọng tâm của luận án. Quá trình này bao gồm việc phân tích các hiện tượng điện từ xảy ra trong CKBN khi hoạt động trong lưới điện cao áp. Các hiện tượng như từ trường, điện cảm, và lực điện từ được nghiên cứu chi tiết để hiểu rõ cách CKBN hấp thụ công suất phản kháng và duy trì ổn định điện áp. Phương pháp phân tích điện từ học được áp dụng để mô hình hóa và mô phỏng các quá trình này, sử dụng phần mềm Ansys Maxwell.

1.1. Phân tích từ trường và điện cảm

Phân tích từ trường và điện cảm trong CKBN giúp xác định các thông số kỹ thuật quan trọng như điện cảm tổng, điện cảm rò, và điện cảm tản. Các kết quả này là cơ sở để thiết kế CKBN phù hợp với các yêu cầu của hệ thống điện cao áp. Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) được sử dụng để mô phỏng và phân tích các thông số này, đảm bảo độ chính xác cao trong các tính toán.

1.2. Lực điện từ và ứng suất

Nghiên cứu lực điện từ và ứng suất trên các khối trụ của CKBN giúp hiểu rõ tác động của từ trường lên cấu trúc vật lý của thiết bị. Các kết quả này là cơ sở để lựa chọn vật liệu và thiết kế các tấm ngăn cách giữa các khối trụ, đảm bảo độ bền và tuổi thọ của CKBN trong điều kiện vận hành thực tế.

II. Ứng dụng cuộn kháng bù ngang trong lưới điện cao áp

Cuộn kháng bù ngang (CKBN) được sử dụng rộng rãi trong lưới điện cao áp để hấp thụ công suất phản kháng dư thừa, duy trì ổn định điện áp và ngăn ngừa hiện tượng quá áp. Luận án nghiên cứu các ứng dụng cụ thể của CKBN trong hệ thống truyền tải điện, đặc biệt là trong việc giảm thiểu hiệu ứng Ferranti và cải thiện ổn định lưới điện.

2.1. Hiệu ứng Ferranti và vai trò của CKBN

Hiệu ứng Ferranti là hiện tượng tăng điện áp trên đường dây truyền tải khi tải điện giảm đột ngột. CKBN được sử dụng để hấp thụ công suất phản kháng dư thừa, giảm thiểu hiện tượng này và bảo vệ các thiết bị điện khỏi hư hỏng. Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách CKBN có thể được tối ưu hóa để đối phó với hiệu ứng Ferranti.

2.2. Ổn định lưới điện

CKBN đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định lưới điện bằng cách điều chỉnh công suất phản kháng và giảm thiểu sự dao động điện áp. Nghiên cứu này phân tích cách CKBN có thể được tích hợp vào hệ thống điện để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của lưới điện cao áp.

III. Thiết kế và chế tạo cuộn kháng bù ngang

Luận án cung cấp các hướng dẫn chi tiết về thiết kế và chế tạo cuộn kháng bù ngang (CKBN) dựa trên các kết quả nghiên cứu. Các yếu tố như kiểu ghép lá thép, số lượng khe hở, và khoảng cách giữa các khe hở được phân tích để tối ưu hóa hiệu suất của CKBN.

3.1. Kiểu ghép lá thép

Nghiên cứu các kiểu ghép lá thép khác nhau giúp xác định cấu trúc mạch từ tối ưu cho CKBN. Các kết quả này là cơ sở để lựa chọn phương pháp ghép lá thép phù hợp, đảm bảo hiệu suất cao và giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình vận hành.

3.2. Số lượng và khoảng cách khe hở

Nghiên cứu số lượng và khoảng cách khe hở trên các khối trụ của CKBN giúp giảm thiểu từ trường tản và cải thiện hiệu suất của thiết bị. Các kết quả này là cơ sở để thiết kế CKBN với các thông số kỹ thuật phù hợp, đáp ứng các yêu cầu của lưới điện cao áp.

IV. Giá trị và ứng dụng thực tiễn của luận án

Luận án không chỉ cung cấp các kiến thức khoa học sâu sắc về quá trình điện từ trong cuộn kháng bù ngang (CKBN) mà còn mang lại nhiều giá trị thực tiễn. Các kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trực tiếp vào việc thiết kế, chế tạo và vận hành CKBN trong hệ thống điện cao áp, góp phần nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của lưới điện.

4.1. Ứng dụng trong thiết kế và chế tạo

Các kết quả nghiên cứu giúp các nhà thiết kế và chế tạo xác định các thông số kỹ thuật tối ưu cho CKBN, từ đó nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh Việt Nam đang hướng tới nội địa hóa sản xuất các thiết bị điện cao áp.

4.2. Cải thiện hiệu suất lưới điện

Việc áp dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tế giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định của lưới điện cao áp, đặc biệt là trong việc quản lý công suất phản kháng và ngăn ngừa các sự cố điện áp. Điều này góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển bền vững của hệ thống điện quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ CKBN 1.1 Giới thiệu chung Trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng, cuộn kháng có thể được mắc nối tiếp trên đường dây hoặc mắc song song tùy thuộc vào vị trí, công dụng như: CKBN, cuộn kháng hạn chế dòng ngắn mạch, cuộn kháng hạn chế dòng xả của các bộ tụ trên lưới điện, cuộn kháng lọc sóng hài… Trong nội dung của chương này, luận án tập trung giới thiệu tổng quan về vai trò, vị trí, tầm quan trọng của CKBN sử dụng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp, đây là đối tượng nghiên cứu của luận án. Các CKBN được mắc song song với lưới điện cao áp và siêu cao áp để hấp thụ lượng công suất phản kháng dư thừa được sinh ra bởi dung dẫn đường dây khi đường dây quá non tải hoặc không tải, tránh quá áp dọc tuyến đường đây. Trên cơ sở tổng hợp, phân tích và đánh giá các nghiên cứu trong và ngoài nước về CKBN, tác giả phân tích những vấn đề còn tồn tại, đề ra hướng nghiên cứu cho luận án.2 Vai trò của cuộn kháng trong hệ thống điện Cuộn kháng điện được sử dụng phổ biến và có vai trò quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng, được mắc nối tiếp hay mắc song song với lưới điện hoặc nối với thiết bị khác theo từng ứng dụng cụ thể. Các cuộn kháng trên hệ thống điện có thể kể đến như CKBN, cuộn kháng hạn chế dòng ngắn mạch, cuộn kháng hạn chế dòng xả, cuộn kháng lọc sóng hài, cuộn kháng dập hồ quang, cuộn kháng dùng để điều chỉnh phân phối công suất từng nhánh và trong nhiều ứng dụng khác.

- Cuộn kháng bù ngang: là thiết bị điện từ đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong lưới truyền tải điện cao áp và siêu cao áp [2], [6]– [9]. Các CKBN này được mắc song song với lưới điện như Hình 1.1 [10], thường tại thanh cái của các trạm biến áp hoặc tại các trạm bù trên đường dây. Khi hệ thống vận hành ở chế độ quá non tải hoặc không tải, đặc biệt là khi cắt tải đột ngột ở một phía đường dây, sẽ xuất hiện hiện tượng tăng điện áp trên dọc tuyến đường dây. CKBN được sử dụng để cân bằng lượng công suất phản kháng dư thừa sinh ra Hình 1.1 Sơ đồ kết nối CKBN bởi dung dẫn giữa dây dẫn với đất, giúp duy trong lưới truyền tải điện [10] trì ổn định điện áp ở mức quy định.

6 - Cuộn kháng hạn chế dòng ngắn mạch: Được mắc nối tiếp trên đường dây truyền tải hoặc phân phối điện năng như mô tả trên Hình 1. Sử dụng cuộn kháng hạn chế dòng ngắn mạch giúp giới hạn dòng điện ngắn mạch ở mức phù hợp với độ bền cơ điện của các thiết bị trên hệ thống và phối hợp lựa chọn máy cắt có dòng cắt ngắn mạch nhỏ hơn với giá thành thấp hơn. Cũng với vai trò giảm dòng điện, cuộn kháng nối tiếp còn Hình 1.2 Sơ đồ kết nối cuộn kháng hạn chế dòng ngắn mạch [11] được sử dụng để giảm dòng điện khởi động khi khởi động động cơ công suất lớn Tụ điện gọi là cuộn kháng khởi động. - Cuộn kháng hạn chế dòng xả: Nhằm nâng cao khả năng truyền tải và tăng tính ổn định MOV của hệ thống, thường sử dụng cùng với các Cuộn kháng Khe hở bộ tụ điện bù dọc mắc nối tiếp trên đường dây cao áp.

Khi đó, cuộn kháng được sử dụng để hạn chế dòng xả của các bộ tụ này [12]. Máy cắt bypass - Cuộn kháng lọc sóng hài: dùng với các bộ Hình 1.3 Kết nối cuộn kháng hạn chế tụ để làm giảm, chặn hoặc lọc các thành phần dòng xả cùng tụ bù dọc [12] sóng hài bậc cao như bậc 3, 5, 7…gây ra bởi các thiết bị chuyển mạch điện tử công suất, các phụ tải phi tuyến trong hệ thống điện. Cuộn kháng này thường được mắc nối tiếp với các bộ tụ bù ngang. - Cuộn kháng dùng để điều chỉnh phân phối công suất: Cuộn kháng được mắc nối tiếp trên đường dây để tối ưu hóa và điều chỉnh tổng trở của đường dây, đảm bảo cân bằng công suất từng nhánh, tránh quá tải trên các hệ thống được kết nối với nhau.

- Cuộn kháng nối đất trung tính: Là các cuộn kháng một pha được nối giữa trung tính của MBA hay máy phát điện với đất nhằm hạn chế dòng ngắn mạch ở giá trị mong muốn khi sự cố ngắn mạch pha - đất xảy ra.3 Cuộn kháng bù ngang 1.1 Định nghĩa Cuộn kháng điện là thiết bị điện từ tĩnh bao gồm cuộn dây dùng để tạo ra giá trị điện kháng và tích lũy năng lượng từ trường trên đó. CKBN là cuộn kháng điện 7 được nối giữa pha với đất, pha với trung tính hoặc nối giữa các pha để bù cho dòng điện dung trong hệ thống điện cao áp hoặc siêu cao áp.2 Phân loại CKBN Cuộn kháng điện nói chung có nhiều cách phân loại khác nhau, có thể phân loại theo vai trò trong hệ thống điện như đã đưa ra ở trên; Phân loại theo chức năng, theo vị trí; Phân loại theo cấp điện áp như hạ áp, trung áp, cao áp và siêu cao áp; Phân loại theo số pha: một pha, ba pha và nhiều pha; Phân loại theo cuộn kháng dùng trong hệ thống truyền tải điện áp một chiều hay xoay chiều; Phân loại theo cuộn kháng không điều khiển hay có điều khiển; Phân loại theo thông số kỹ thuật, phân loại theo đặc điểm cấu tạo và cách thức cách điện, làm mát; Phân loại theo môi trường lắp đặt trong nhà hay ngoài trời… Hay với CKBN cũng vậy, cũng có nhiều cách phân loại khác nhau.4 dưới đây phân CKBN thành hai loại chính là cuộn kháng khô và cuộn kháng dầu. CKBN Cuộn kháng Cuộn kháng khô ngâm dầu Lõi không khí Lõi sắt từ CK kiểu trụ (Core-form) CK kiểu bọc (Shell-form) Hình 1.4 Phân loại CKBN Cuộn kháng khô bao gồm cuộn kháng khô lõi không khí và cuộn kháng khô lõi sắt từ, có môi trường làm mát là không khí tự nhiên. Cuộn kháng khô lõi không khí là loại cuộn kháng không dùng vật liệu sắt từ làm lõi trong dây quấn, không ngâm trong dầu cách điện mà dây quấn được cố định và được đúc trong cách điện thể rắn.5 mô tả cuộn kháng khô lõi không khí của hãng Trench [13].

Cuộn kháng khô lõi không khí ngoài cách mắc song song với lưới điện trong vai trò của CKBN, còn được mắc nối tiếp trên đường dây trong ứng dụng hạn chế dòng ngắn 8 mạch. Cuộn kháng hạn chế dòng ngắn mạch đều là cuộn kháng khô lõi không khí, không dùng lõi sắt từ do dòng điện sự cố lớn sẽ gây bão hòa mạch từ và giảm giá trị điện kháng. Thường cuộn kháng khô lõi không khí được chế tạo có bán kính cuộn dây lớn, chiều cao dây quấn nhỏ hơn so với dây quấn của MBA qua đó giảm chiều dài trung bình đường sức từ, tăng giá trị từ cảm, tăng năng lượng tích trữ. Khác với cuộn kháng khô, Hình 1.5 Cuộn kháng khô lõi không khí của với cuộn kháng dầu luôn có dây hãng Trench [13] quấn và mạch từ làm bằng vật liệu sắt từ.

Toàn bộ phần tác dụng gồm dây quấn và mạch từ được đặt trong thùng chứa dầu cách điện, dầu cách điện còn có vai trò làm mát, truyền nhiệt từ các bộ phận, chi tiết trong máy do tổn hao trên mạch từ và dây quấn ra ngoài vỏ máy.6 mô tả cuộn kháng dầu của hãng Siemens [14]. Cuộn kháng dầu được chia làm hai loại theo kiểu mạch từ, bao gồm cuộn kháng kiểu trụ và cuộn kháng kiểu bọc. Mặc dù có cùng cách phân loại và cùng tên gọi kiểu trụ hay kiểu bọc như ở MBA, nhưng cấu trúc mạch từ và dây quấn có một số khác biệt so với MBA. Lựa chọn cuộn kháng khô hay cuộn kháng dầu, kiểu ba pha hay tổ ba cuộn kháng một pha thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố như công suất phản kháng hay cấp điện áp của Hình 1.6 Cuộn kháng ba pha ngâm dầu của lưới điện.

Trong hệ thống truyền tải hãng Siemens [14] và phân phối điện năng tại Việt Nam, lưới truyền tải có cấp điện áp cao áp (110 kV, 220 kV) và cấp siêu cao áp 500 kV còn lưới phân phối điện năng có cấp trung áp (6, 10, 15, 22 và 35 kV) và hạ áp 0,4 kV. 9 Theo tiêu chuẩn IEEE C37.015 [15], CKBN sử dụng cho lưới điện có điện áp dưới 60 kV có thể là cuộn kháng khô hoặc cuộn kháng dầu kiểu ba pha ba trụ. Với lưới điện có điện áp từ 60 kV đến 245 kV phổ biến là cuộn kháng dầu ba pha ba trụ hoặc năm trụ, với mạch từ có khe hở trên trụ và dây quấn kiểu xoáy ốc liên tục hoặc kiểu dây quấn đan xen. Với lưới điện có điện áp từ 300 kV đến 500 kV thường cuộn kháng ngâm dầu là loại ba pha ba trụ hay năm trụ hoặc tổ ba cuộn kháng một pha.

Kiểu cấu trúc ba pha được sử dụng phổ biến ở các nước Châu Âu còn tổ ba cuộn kháng một pha được ưu chuộng hơn ở các nước Châu Mỹ. Tại cấp điện áp cao hơn, 735 kV hoặc 765kV đều là cuộn kháng một pha, có cấu trúc giống cuộn kháng một pha ở cấp điện áp 500 kV, tạo thành tổ cuộn kháng ba pha từ ba cuộn kháng một pha.3 Thông số kỹ thuật của CKBN Các thông số kỹ thuật của CKBN được quy định cụ thể trong các tiêu chuẩn như tiêu chuẩn IEC60076-6 [16] về CKBN, các CKBN được tính toán thiết kế và chế tạo với chế độ làm việc dài hạn, có các thông số định mức thể hiện trên nhãn máy, một số thông số chính như: - Số pha: m, thường lưới điện ba pha có thể dùng cuộn kháng ba pha hoặc tổ ba cuộn kháng một pha. - Công suất phản kháng định mức: Qđm (MVAr) là giá trị công suất phản kháng mà cuộn kháng nhận từ lưới điện tại điện áp và tần số định mức. Công suất thực tế khi hoạt động sẽ phụ thuộc vào điện áp lưới điện.

- Điện áp định mức: Uđm (kV) - Điện áp làm việc lớn nhất: Umax (kV), là giá trị điện áp lớn nhất cho phép đặt vào CKBN. CKBN có đặc tính tuyến tính trong dải điện áp tới giá trị điện áp lớn nhất này. Tương ứng với điện áp Umax khi đó công suất phản kháng mà CKBN nhận từ lưới điện sẽ là Qmax.