Nghiên Cứu Các Quá Trình Điện Từ Của Cuộn Kháng Bù Ngang Dùng Trong Lưới Điện Cao Áp

• Tác giả: Phạm Minh Tú
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Đức Hùng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Các Quá Trình Điện Từ Cuộn Kháng Bù Ngang Dùng 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
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 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
• 2.4. Cấu trúc của CKBN
• 2.4.1. Cấu trúc mạch từ
• 2.4.2. Cấu trúc dây quấn
• 2.5. Từ trường trong CKBN
• 2.6. Mô hình mạch từ tương đương
• 2.6.1. Từ trở phần lõi thép
• 2.6.2. Từ trở phần khe hở trên trụ
• 2.7. 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. Tổng Quan Nghiên Cứu Cuộn Kháng Bù Ngang CKBN Cao Áp

Hệ thống truyền tải và phân phối điện năng tại Việt Nam đang vận hành ở nhiều cấp điện áp, từ siêu cao áp 500kV đến trung áp. Việc truyền tải công suất lớn qua các đường dây dài, đặc biệt là đường dây 500kV, đóng vai trò quan trọng trong việc cân bằng năng lượng điện. Tuy nhiên, các đường dây cao áp và siêu cao áp thường sinh ra lượng công suất phản kháng đáng kể. Khi đường dây non tải hoặc không tải, hiện tượng tăng điện áp (hiệu ứng Ferranti) có thể xảy ra, gây quá áp và ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị. Để khắc phục tình trạng này, cuộn kháng bù ngang (CKBN) được sử dụng rộng rãi. CKBN được mắc song song với lưới điện để hấp thụ công suất phản kháng dư thừa, duy trì ổn định điện áp. Các CKBN thường được lắp đặt tại các trạm biến áp hoặc trạm bù trên đường dây. Hiện nay, hầu hết CKBN được nhập khẩu từ nước ngoài với chi phí cao. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển công nghệ chế tạo CKBN trong nước là rất cần thiết.

1.1. Vai Trò Quan Trọng của Cuộn Kháng trong Lưới Điện

Công suất phản kháng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện, đặc biệt là trên hệ thống truyền tải điện năng. Khi đường dây quá non tải hoặc không tải, sẽ xuất hiện hiện tượng tăng điện áp trên dọc tuyến đường dây, gây quá áp làm già hóa, giảm tuổi thọ, thậm chí đánh hỏng cách điện của các thiết bị nối trên đó, đặc biệt là các thiết bị cuối đường dây. Để khắc phục tình trạng này, nhằm duy trì ổn định điện áp ở mức quy định, hiện nay phương pháp sử dụng phổ biến là dùng các cuộn kháng điện mắc song song với lưới điện cao áp.

1.2. Phân Loại và Ứng Dụng Cuộn Kháng Bù Ngang CKBN

Các CKBN thường được lắp đặt tại các thanh cái của trạm biến áp hoặc các trạm bù trên đường dây để hấp thụ lượng công suất phản kháng dư thừa được sinh ra bởi dung dẫn đường dây. Đặc điểm của hệ thống truyền tải điện năng tại Việt Nam là phân bố từ Bắc vào Nam, với khoảng cách giữa các trạm tương đối lớn. Do đó, ngoài các CKBN được lắp đặt ngay tại các trạm biến áp, tùy thuộc vào chiều dài đường dây truyền tải điện và công suất truyền tải có thể cần thêm các trạm bù trên đường dây nhằm mục đích giới hạn điện áp tại giá trị cho phép.

II. Thách Thức và Hướng Nghiên Cứu Quá Trình Điện Từ CKBN

Mặc dù CKBN đóng vai trò quan trọng, nhưng hiện nay Việt Nam vẫn phụ thuộc vào nhập khẩu. Một số đơn vị trong nước đã bắt đầu nghiên cứu sản xuất, nhưng gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong thiết kế và lựa chọn thông số. Các câu hỏi về kiểu ghép lá thép trụ, số lượng khe hở, và khoảng cách giữa các khe hở cần được giải đáp. Đề tài "Nghiên cứu các quá trình điện từ của cuộn kháng bù ngang dùng trong lưới điện cao áp" là cần thiết để giải quyết các vấn đề này. Nghiên cứu này sẽ cung cấp kiến thức và kinh nghiệm cho việc thiết kế, chế tạo CKBN, từng bước làm chủ công nghệ và nội địa hóa sản xuất.

2.1. Vấn Đề Cần Giải Quyết trong Thiết Kế Cuộn Kháng Bù Ngang

Một số đơn vị chế tạo máy biến áp (MBA) trong nước cũng đã bước đầu lên kế hoạch nghiên cứu sản xuất song vẫn đang gặp những trở ngại và thách thức nhất định với nhiều câu hỏi cần được giải đáp từ kiểu ghép lá thép trụ, số lượng khe hở đến khoảng cách giữa các khe hở cần thêm trên trụ. Trong khi đó, nhu cầu phát triển lưới điện truyền tải ngày càng lớn theo sự phát triển của phụ tải kéo theo nhu cầu rất lớn về CKBN trên hệ thống.

2.2. Mục Tiêu Nghiên Cứu Quá Trình Điện Từ trong Cuộn Kháng

Nghiên cứu, phân tích quá trình điện từ trên mô hình đối tượng của CKBN dùng trong lưới điện cao áp. Phân tích đánh giá phân bố từ cảm trên các khối trụ của CKBN với các kiểu ghép lá thép trụ khác nhau. Nghiên cứu phân tích lực điện từ trên các khối trụ, ứng suất lực tác động trên các tấm vật liệu phi từ tính ngăn cách giữa các khối trụ, quan hệ giữa ứng suất lực với từ cảm trên khối trụ.

III. Phương Pháp Mô Hình Hóa và Mô Phỏng Cuộn Kháng Bù Ngang

Luận án sử dụng phần mềm Ansys Maxwell để mô hình hóa và mô phỏng CKBN. Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) được áp dụng để giải bài toán điện từ trường. Mô hình hóa bao gồm việc thiết lập hình học, vật liệu, và điều kiện biên. Kết quả mô phỏng được phân tích để xác định các thông số như điện cảm, tổn hao, và phân bố từ trường. Nghiên cứu cũng tập trung vào việc xác định điện cảm rò, một thông số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của CKBN. Các kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả thực nghiệm để đánh giá độ chính xác của mô hình.

3.1. Tổng Quan về Công Cụ Mô Phỏng Ansys Maxwell

Tổng quan về công cụ Ansys Maxwell. Phương pháp phần tử hữu hạn. Phần mềm Ansys Maxwell. Tác giả cũng trân trọng cảm ơn Trung tâm DASI trường Đại học Bách khoa Hà Nội và bộ môn Kỹ Thuật Điện, trường Đại học Quy Nhơn đã tạo điều kiện thuận lợi cho phép tác giả sử dụng phần mềm bản quyền Ansys Maxwell để thực hiện nghiên cứu cuộn kháng bù ngang.

3.2. Xác Định Thông Số Kích Thước Cuộn Kháng Bù Ngang CKBN

Xác định thông số kích thước CKBN. Mô hình giải tích. Mô hình mô phỏng. Nghiên cứu xác định điện cảm rò trong CKBN. Các kết quả đạt được giúp cho các nhà nghiên cứu, thiết kế, các hãng chế tạo xác định được thông số kích thước của CKBN cho các dải công suất.

IV. Ảnh Hưởng Khe Hở Đến Đặc Tính Điện Từ Cuộn Kháng CKBN

Nghiên cứu này tập trung vào ảnh hưởng của thông số khe hở đến đặc tính điện từ của CKBN. Các kiểu ghép lá thép trụ khác nhau được phân tích để đánh giá phân bố từ cảm. Lực điện từ trên các khối trụ cũng được nghiên cứu, cùng với việc xác định số lượng và khoảng cách khe hở tối ưu. Kết quả cho thấy, việc điều chỉnh thông số khe hở có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và đặc tính của CKBN. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở để tối ưu hóa thiết kế CKBN.

4.1. Phân Bố Từ Cảm và Kiểu Ghép Lá Thép Trụ Cuộn Kháng

Nghiên cứu phân bố từ cảm các kiểu ghép lá thép trụ CKBN. Các kiểu ghép lá thép trụ và hệ tọa độ tương ứng. Mô hình nghiên cứu các kiểu ghép lá thép trụ. Phân tích phân bố từ cảm với các kiểu ghép lá thép trụ. Kết quả nghiên cứu về phân bố từ cảm trên các khối trụ giúp xác định kiểu ghép lá thép trụ phù hợp áp dụng cho CKBN dùng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp.

4.2. Tối Ưu Số Lượng và Khoảng Cách Khe Hở trên Trụ CKBN

Nghiên cứu xác định số lượng khe hở trên trụ. Mô hình nghiên cứu theo số lượng khe hở trên trụ. Phân tích kết quả. Nghiên cứu khoảng cách giữa các khe hở trên trụ. Mô hình nghiên cứu các trường hợp kích thước và khoảng cách khe hở khác nhau. Phân tích ảnh hưởng của khoảng cách giữa các khe hở tới thông số điện cảm. Nghiên cứu xác định được số lượng và khoảng cách giữa các khe hở phân bố trên trụ hợp lý nhằm giảm từ trường tản, điện cảm tản và điện cảm tổng, qua đó đạt công suất phản kháng của CKBN.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn và Kết Quả Nghiên Cứu Cuộn Kháng CKBN

Các kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn quan trọng. Chúng giúp xác định quan hệ giữa điện cảm rò và điện cảm tổng, cung cấp cơ sở để tính chọn tỉ lệ điện cảm rò khi tính toán thông số CKBN. Nghiên cứu về phân bố từ cảm giúp lựa chọn kiểu ghép lá thép trụ phù hợp. Nghiên cứu lực điện từ giúp lựa chọn vật liệu cho các tấm ngăn cách. Nghiên cứu xác định số lượng và khoảng cách khe hở hợp lý giúp giảm từ trường tản và cải thiện hiệu suất CKBN.

5.1. Ý Nghĩa Khoa Học của Nghiên Cứu Quá Trình Điện Từ

Nghiên cứu xác định được quan hệ giữa tỉ lệ điện cảm rò so với điện cảm tổng theo công suất, điện áp và hệ số hình dáng dây quấn, là cơ sở tính chọn tỉ lệ điện cảm rò khi tính toán thông số CKBN. Kết quả nghiên cứu về phân bố từ cảm trên các khối trụ giúp xác định kiểu ghép lá thép trụ phù hợp áp dụng cho CKBN dùng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp.

5.2. Ứng Dụng Thực Tế trong Thiết Kế và Chế Tạo CKBN

Các kết quả đạt được giúp cho các nhà nghiên cứu, thiết kế, các hãng chế tạo xác định được thông số kích thước của CKBN cho các dải công suất. Nghiên cứu lực điện từ tác động trên các khối trụ, ứng suất lực nén lên các tấm ngăn cách giữa các khối trụ, quan hệ giữa ứng suất lực điện từ theo từ cảm trên mạch từ. Kết quả nghiên cứu này là cơ sở phối hợp lựa chọn từ cảm mạch từ và lựa chọn vật liệu phù hợp cho các tấm ngăn cách.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Cuộn Kháng Bù Ngang

Luận án đã nghiên cứu thành công các quá trình điện từ trong CKBN dùng trong lưới điện cao áp. Các kết quả đạt được cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc thiết kế, chế tạo CKBN trong nước. Hướng phát triển tiếp theo có thể tập trung vào việc nghiên cứu các vật liệu mới cho mạch từ và dây quấn, cũng như phát triển các phương pháp điều khiển CKBN linh hoạt hơn để đáp ứng yêu cầu của lưới điện thông minh.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính về CKBN

Luận án đã nghiên cứu thành công các quá trình điện từ trong CKBN dùng trong lưới điện cao áp. Các kết quả đạt được cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc thiết kế, chế tạo CKBN trong nước.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng và Phát Triển CKBN Tương Lai

Hướng phát triển tiếp theo có thể tập trung vào việc nghiên cứu các vật liệu mới cho mạch từ và dây quấn, cũng như phát triển các phương pháp điều khiển CKBN linh hoạt hơn để đáp ứng yêu cầu của lưới điện thông minh.