Mô phỏng độ võng và lực căng của dây ACCC sử dụng phần mềm CCP

Bài viết Mô phỏng độ võng và lực căng của dây ACCC sử dụng phần mềm CCP thực hiện mô phỏng độ võng và lực căng của dây cáp ACCC® sử dụng phần mềm CCP (Conductor Comparison Program Software) của CTC Global và kết quả được so sánh với dây thường dùng ACSR trong cùng điều kiện làm việc.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) MÔ PHỎNG ĐỘ VÕNG VÀ LỰC CĂNG CỦA DÂY ACCC SỬ DỤNG PHẦN MỀM CCP SAG-TENSION SIMULATIONS OF ACCC CABLE USING CONDUCTOR COMPARISON PROGRAM SOFTWARE Vũ Thị Thu Nga*, Phạm Thị Thanh Đam Trường Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 24/03/2021, Ngày chấp nhận đăng: 28/12/2021, Phản biện: TS Trần Bách Tóm tắt: Hệ thống đường dây tải điện không hệ thống quan trọng, truyền tải điện từ nguồn phát đến phụ tải Nhu cầu truyền tải lượng điện ngày tăng gia tăng dân số, phát triển công nghệ giao thơng mở rộng kinh tế, dẫn đến tải cho hệ thống đường dây không (OHL) Vì vậy, tối ưu hóa nguồn điện có cách tăng công suất truyền tải cho đường dây điện giải pháp thiết thực để đáp ứng vấn đề nhu cầu lượng Tuy nhiên, đường dây ACSR sử dụng phổ biến có nhược điểm hệ số giãn nở nhiệt cao, dây bị giãn nở tăng độ võng làm gia tăng điện trở công suất truyền tải tăng lên, gây nhiệt Giải pháp để tăng khả truyền tải lưới điện mà xây dựng hệ thống đường dây truyền tải thay dây ACSR dây nhơm lõi composite (ACCC®) Lõi composite sợi carbon cứng tới 25% so với lõi thép có hệ số giản nở nhiệt thấp, làm tăng lực kéo dây dẫn giảm đáng kể độ võng đường dây ACCC® nhiệt độ cao Điều có nghĩa dây dẫn ACCC® mang cơng suất cao độ võng cáp ACSR Trong báo này, tác giả thực mô độ võng lực căng dây cáp ACCC® sử dụng phần mềm CCP (Conductor Comparison Program Software) CTC Global kết so sánh với dây thường dùng ACSR điều kiện làm việc Từ khóa: Dây nhơm lõi composite (ACCC®), tăng cơng suất truyền tải, giảm độ võng, đường dây truyền tải điện không Abstract: The overhead power line system is an important system that transmits power from the source to the load The demand for electric energy transmission is increasing due to population growth, development of transport technology and the economic expansion, which are cause of overload of the overhead line system (OHL) Therefore, increasing the transmission capacity of the power lines is a practical solution to meet energy demand problems However, the commonly used Aluminium Conductor Steel Reinforced (ACSR) line expands and deflects, increasing resistance as the transmission capacity increases, causing overheating because of the disadvantage of having a high coefficient of thermal expansion To increase the transmission capacity of systems without building new transmission lines is to replace the ACSR wire by Aluminum conductor Composite core (ACCC®) wire The carbon fiber composite core is up to 25% stiffer than the steel core, greatly reducing the deflection of the ACCC® line at high temperatures This means that ACCC® conductors can carry higher capacity while deflection less than ACSR cables In this paper, the authors performed sag- Số 27 35 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) tension simulations of ACCC® cables using Conductor Comparison Program Software and the results compared with conventional wires using ACSR in the same working conditions Keywords: Aluminum conductor Composite core (ACCC®), high-temperature low-sag, overhead power line GIỚI THIỆU CHUNG Việc mở rộng lưới điện truyền tải nhu cầu cấp thiết hệ thống điện tác động đáng kể phát triển phụ tải, nguồn lượng tái tạo kết nối vào hệ thống [1] Xây dựng dự án đường dây vận hành lưới điện cần thiết, nhiên, khó khăn việc giải phóng mặt mức đầu tư vốn vào việc xây dựng đường truyền làm giảm hội đạt kết mong muốn Do đó, sử dụng tối đa sở hạ tầng lưới điện truyền tải có với việc mở rộng tối đa cơng nghệ vào hệ thống đường dây có với mức đầu tư kinh tế đảm bảo kỹ thuật cao Nâng cấp đường dây truyền tải có chủ đề quan trọng, thảo luận nghiên cứu rộng rãi thập kỷ gần đây, giải pháp khác đưa áp dụng để thực mục tiêu như: xây dựng lại đường dây khơng có điện áp cao hơn, thay dây dẫn có dây dẫn khác có tiết diện lớn hơn, nhẹ hơn, lắp đặt thiết bị bù, sử dụng thiết bị điều khiển mạng điện… nhằm tăng dòng phụ tải cho phép đường dây truyền tải [2] Trong nghiên cứu này, tác giả xem xét giải pháp việc thay dây dẫn thiết 36 kế lõi thông thường dây dẫn có thiết kế lõi composite (ACCC®) hay cịn gọi dây dẫn HTLS (High temperature Lowsag) Dây dẫn ACCC® bao gồm lõi hỗn hợp sợi thủy tinh cacbon lai sử dụng ma trận nhựa epoxy nhiệt độ cao để liên kết hàng trăm nghìn sợi riêng lẻ thành phận chịu lực chịu tải thống Lõi sợi carbon trung tâm bao quanh sợi thủy tinh cao cấp để cải thiện tính linh hoạt độ dẻo dai đồng thời ngăn chặn ăn mòn điện sợi carbon sợi nhơm (hình 1) Lõi composite thể độ bền cao, cao ngành, có hệ số giãn nở nhiệt thấp giúp giảm độ võng dây dẫn điều kiện tải cao/nhiệt độ cao [3] Dây dẫn ACCC® đời giải pháp đặc biệt hiệu kỹ thuật kinh tế dự án cải tạo lưới điện thay đường dây đường dây có chiều dài ngắn (phụ thuộc vào điện áp tiết diện dây giới hạn nhiệt thấp giới hạn điện áp) Nhờ có hệ số giãn nở nhiệt thấp, dây ACCC® đạt mục tiêu giảm đáng kể độ võng nhiệt so với dây dẫn có sẵn thị trường khác Nhiệt độ làm việc giảm điều kiện tải cao phản ánh mức giảm đáng kể tổn thất đường dây làm giảm yêu cầu phát điện, giảm tiêu thụ nhiên liệu (và lượng khí thải liên quan), nâng công suất truyền tải giảm thời gian thu hồi vốn [4] Số 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Hình Cấu trúc dây dẫn ACCC Đánh giá so sánh loại dây dẫn ACSR ACCC® điều kiện làm việc đường dây không dựa vào kết mô độ võng lực căng dây sử dụng phần mềm CCP phân tích trình bày phần báo PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG ĐỘ VÕNG, LỰC CĂNG CỦA DÂY DẪN Độ võng dây dẫn bị ảnh hưởng số tượng thay đổi nhiệt độ, thay đổi tải độ rão thời gian dài Khoảng cách mà dây dẫn bị võng phụ thuộc vào chiều dài khoảng dây dẫn, trọng lượng dây dẫn, sức căng ban đầu đặc tính vật liệu Mỗi dây dẫn có đơn vị trọng lượng, tiết diện lõi, tiết diện dẫn, đường cong ứng suất cho lõi dây dẫn với hệ số giãn dài nhiệt Khi dây dẫn trải qua trình giãn dài nhiệt, chiều dài dây tăng lên khoảng cột giữ nguyên Điều dẫn đến giảm lực căng dây dẫn Vì vậy, để tìm độ võng dây dẫn nhiệt độ cao, phải xét giãn nở nhiệt biến dạng căng [5] Có nhiều phương pháp tính tốn độ căng võng sử dụng khắp Số 27 giới Mỗi phương pháp có ưu điểm riêng cho kết chấp nhận dựa kinh nghiệm nhà thiết kế đường dây hệ thống điện Trong hầu hết trường hợp, tính tốn thực phương pháp số khác độ giãn dài dây dẫn để đáp ứng với thay đổi lực căng dây, nhiệt độ thời gian Có thể nhóm phương pháp tiếp cận khác thành ba mơ hình độ giãn dài dây dẫn: (1) Độ giãn dài tuyến tính (Linear Elongation LE); (2) Độ giãn dài dẻo đơn giản hoá (Simplified Plastic Elongation-SPE); (3) Độ giãn dài dẻo thử nghiệm (Experimental Plastic Elongation-EPE) Trong đó, mơ hình EPE có tính đến tất thành phần độ giãn dài, tạm thời vĩnh viễn cách sử dụng liệu độ đàn hồi độ giãn dài thu thập từ thử nghiệm ứng suất độ rão Mơ hình EPE sở tính tốn cho hầu hết tất công việc thực Bắc Mỹ, bao gồm công cụ phương pháp đồ họa Varney chương trình phần mềm phổ biến: PLS-CADD ™ SAG10 [6] Tuy nhiên, phương pháp tính tốn, mơ độ võng, nhiệt, cơng suất, tổn thất đường truyền khía cạnh kinh tế điều kiện khác để so sánh dây dẫn ACCC® với loại dây ACSR sử dụng thực dễ dàng qua phần mềm CCP (Conductor Comparison Program Software) CTC Global xây dựng phát triển (hình 2) Người dùng cần chọn loại kích thước dây dẫn từ menu nhập giá trị, giả thiết thích hợp 37 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) đánh dấu phần mềm Chương trình có đầy đủ chức sử dụng công thức tiêu chuẩn ngành (như IEEE 738-2006) Đầu dễ dàng so sánh với Sag10®, PLS CADD ™ chương trình tương tự khác CCP sử dụng trực tuyến trang web CTC Global giúp dễ dàng cập nhật tệp dây liệu khác, đồng thời thêm cải tiến chúng thực Tất liệu cần thiết cho tính tốn nhập trang Dây dẫn ACCC® cần so sánh chọn tự động dựa dây dẫn chọn Một số trường nhập tự động dựa mục nhập trước tùy chọn người dùng lưu Người dùng chỉnh sửa hầu hết liệu đầu vào, bao gồm liệu mặc định chọn tự động Người dùng đăng ký lưu nhiều dự án, gọi lại, sửa đổi chúng lưu chúng dạng dự án ghi đè lên dự án có Kết so sánh CCP hiển thị trang riêng biệt Đầu vào thường xuyên thay đổi sử dụng để phân tích độ nhạy cung cấp thuận tiện trang để giảm thiểu việc chuyển đổi trang Người dùng đăng ký xuất báo cáo chia nhỏ phần đầu thành tệp PDF Excel Hơn nữa, với nhiều ngôn ngữ sử dụng khác nhau, phần mềm giúp người sử dụng dễ dàng tiếp cận ứng dụng vào dự án thiết kế hệ thống đường dây truyền tải khơng [7] MƠ PHỎNG ĐỘ VÕNG, LỰC CĂNG CỦA DÂY DẪN 3.1 Mô độ võng - lực căng dây ACCC Giả thiết tính tốn mơ cho đoạn đường dây truyền tải 220 kV với điều kiện làm việc cụ thể, có thơng số như: Số lượng mạch: 2; số pha/mạch: Số sợi dây/pha: Chiều dài đoạn đường dây: 15,57 km Hệ số mang tải: 70% Dịng cơng suất u cầu: 800 A Khoảng cột đại biểu: 400 m Hình Giao diện nhập thơng số đầu vào phần mềm CCP 38 Số 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Đường dây chuyển đổi sử dụng dây dẫn loại ACCC421, mô độ võng lực căng thực phần mềm CCP, kết xuất từ phần mềm điều kiện nhiệt độ khác hình 3.2 So sánh dây dẫn ACCC với ACSR Để so sánh với dây ACCC421, ta sử dụng loại dây ACSR417 có ngân hàng dây ACSR phần mềm CCP có thơng số tiết diện gần Từ đó, ta so sánh độ võng lực căng thông số khác đặc điểm điện từ, hiệu truyền tải điện tính kinh tế loại dây Hình thể độ võng cường độ dịng điện làm việc theo nhiệt độ hai loại dây dẫn: ACCC421 ACSR417 điều kiện làm việc nhau, tính tốn từ phần mềm CCP (a) Hình Kết độ võng đường dây ACCC421 sử dụng phần mềm CCP Kết độ võng lực căng dây tính thể chi tiết nhiệt độ khởi tạo, dòng điện vận hành định mức, nhiệt độ vận hành định mức, nhiệt độ lớn nhiệt độ độ võng cho phép lớn Số 27 (b) Hình So sánh độ võng (a) khả mang đòng điện (b) theo nhiệt độ dây ACCC421 ACSR417 39 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Từ hình 4a ta so sánh độ võng dây dẫn theo nhiệt độ dây ACCC421 ACSR417 Độ võng dây ACSR tăng nhanh nhiệt độ tăng từ 18 đến 100oC vượt độ võng cho phép nhiệt độ 78oC, đó, dây ACCC cho phép làm việc độ võng lớn tới nhiệt độ 200oC Độ võng dây ACCC tăng nhanh theo nhiệt độ từ 18 đến 80oC tăng không đáng kể nhiệt độ cao việc giảm đáng kể sụt giảm nhiệt, độ võng tổn thất đường dây, dây dẫn ACCC cịn có lực căng dây tương đương vượt trội so với dây ACSR số nhiệt độ vận hành định mức, điều kiện băng giá nhiệt độ chuyển tiếp (hình 5) Hình 4b thể hai loại dây làm việc nhiệt độ làm việc tối đa khả mang dòng điện lớn Nhiệt độ làm việc cực đại ACSR 100oC dòng tối đa 2400 A, nhiệt độ hoạt động tối đa dây dẫn ACCC 200oC khả mang dòng cực đại 3600 A Như vậy, khả mang dòng nhiệt độ làm việc ACCC cao so với dây dẫn ACSR điều kiện làm việc kích thước tương đương Ngồi thơng số trên, chương trình CCP cịn cho nhiều kết khác so sánh dây ACCC ACRS lực kéo đứt, lực căng dây số nhiệt độ khác số giá trị phân tích kinh tế (hình 5) Dây ACCC có lõi composite, có trọng lượng nhẹ loại ACSR, cho phép tăng hàm lượng nhơm (sử dụng sợi hình thang nhỏ gọn) mà không bị tăng trọng lượng dây dẫn (trọng lượng tương ứng ACCC421 ACSR 417 1,264.7 kg/km 1,455.3 kg/km), cho phép cáp mang nhiều dòng điện tổn thất điện thấp Do vậy, ngồi 40 Hình 5: Một số kết so sánh dây ® ACCC ACRS Độ bền kéo đứt ưu điểm khác ACCC so với ACSR (lực kéo đứt ACCC ACSR tính tốn tương Số 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) ứng 135,7 kN 125 kN) Điều cho phép khoảng cột dài yêu cầu cấu trúc hỗ trợ ngắn hơn; giảm sức căng cho kết cấu có dự án cải tạo, khơng bị ăn mòn kim loại liên kết với lõi thép; khả chịu tải trọng băng cao lõi composite có độ bền độ đàn hồi cao; cải thiện khả chống tải theo chu kỳ - phục vụ cho việc cải thiện hiệu suất tuổi thọ dây dẫn HTLS lựa chọn để khơi phục lại đường truyền có giải nhu cầu điện có trọng lượng hơn, độ võng lực kéo đứt cao đường kính với ACSR Hơn nữa, dây dẫn HTLS có khả mang dịng điện cao dây dẫn thông thường Hiệu suất dây dẫn ACCC lõi composite gần nghiên cứu [8] Độ võng dây dẫn ACCC thấp nhiều so với ACSR chúng vượt nhiệt độ knee-point tương ứng 90oC 70oC, đặc tính học ACCC, có độ bền kéo lõi thấp ACSR đường kính xấp xỉ Như vậy, có thơng số làm việc cụ thể tuyến đường dây, phần mềm CCP dễ dàng tính tốn lực căng độ võng dây dẫn, thơng số điện từ phân tích kinh tế điều kiện làm việc thực tế Từ đó, giúp người thiết kế, vận hành đường dây tiếp cận dễ dàng, nhanh chóng với thơng số vận hành đường dây đưa giải pháp phù hợp để tăng suất làm việc hệ thống điện KẾT LUẬN Sử dụng ứng dụng mô tính tốn sử dụng thiết kế đường dây truyền tải điện phần mềm CCP, nhóm tác giả thực tính tốn độ võng, lực kéo đứt, đặc tính điện từ phân tích kinh tế dây dẫn ACCC cho đường dây cụ thể, đồng thời so sánh với dây dẫn ACSR sử dụng phổ biến thực tế Với số đặc tính điện học quan trọng khả mang dòng, trọng lượng, khả chống ăn mòn, tốc độ rão, hệ số giãn nở nhiệt, tự giảm chấn, phạm vi nhiệt độ hoạt động, khả ngắn mạch ổn định nhiệt, thay dây dẫn ACSR có ACCC mang lại lợi ích sau:  Tăng khả mang công suất;  Giảm tổn thất điện trình truyền tải;  Giảm mức độ phát điện làm giảm phát thải khí nhà kính; Cấu trúc ngắn để hỗ trợ cáp ACCC, điều làm giảm chi phí tác động mơi trường dự án truyền tải điện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Số 27 D.M Larruskain, I Zamora, O Abarrategui, A Iraolagoitia, M.D and Gutiérrez, E Lorono, and F Bodega, “Power transmission capacity upgrade of overhead lines,” Int Conf Renew Energy Power Qual., p 2006 41 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) [2] M Ntuli, R Xezile, N Mbuli, L Motsoeneng, JHC Pretorius, “Increasing the Capacity of Transmission Lines via Current Uprating: An Updated Review of Benefits, Considerations and Developments,” Australas Univ Power Eng Conf., 2016, doi: 10.1109/AUPEC.2016.7749338 [3] CTC GLOBAL, Engineering Transmission Lines with High Capacity Low Sag ACCC® Conductors 2011 [4] S Berjozkina, A Sauhats, E.Vanzovich, “Evaluation of the Profitability of High Temperature Low Sag Conductors,” Power Electr Eng., vol 31, pp 18–24, 2013 [5] Motlis, Y., et al., “Limitations of the ruling span method for overhead line conductors at high operating temperatures,” IEEE Trans Power Deliv., vol 14, no 2, 1999 [6] “Sag-tension calculation methods for overhead lines”, 2016 [7] “Finding the right solution is easy with Free CCPTM Software.” https://www.ctcglobal.com/ccpsoftware/ [8] K Qiao, A Zhu, B Wang, C Di, J Yu, and B Zhu, “Characteristics of heat resistant aluminum alloy composite core conductor used in overhead power transmission line,” Materials, vol 13, no 4, p 1592, 2020 Giới thiệu tác giả: Tác giả Vũ Thị Thu Nga tốt nghiệp đại học ngành hệ thống điện năm 2004, nhận Thạc sĩ ngành kỹ thuật điện năm 2007 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; nhận Tiến sĩ ngành kỹ thuật điện Đại học Toulouse - Pháp năm 2014 Hiện tác giả giảng viên Trường Đại học Điện lực Lĩnh vực nghiên cứu: tích điện khơng gian, HVDC, vật liệu cách điện, kỹ thuật điện cao áp, rơle tự động hóa trạm Tác giả Phạm Thị Thanh Đam tốt nghiệp đại học ngành hệ thống điện năm 2007, nhận Thạc sĩ ngành kỹ thuật điện năm 2011 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Hiện tác giả giảng viên Trường Đại học Điện lực Lĩnh vực nghiên cứu: vật liệu cách điện, kỹ thuật điện cao áp 42 Số 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Số 27 43 ... tính tốn từ phần mềm CCP (a) Hình Kết độ võng đường dây ACCC4 21 sử dụng phần mềm CCP Kết độ võng lực căng dây tính thể chi tiết nhiệt độ khởi tạo, dòng điện vận hành định mức, nhiệt độ vận hành... Hình Cấu trúc dây dẫn ACCC Đánh giá so sánh loại dây dẫn ACSR ACCC? ? điều kiện làm việc đường dây không dựa vào kết mô độ võng lực căng dây sử dụng phần mềm CCP phân tích trình bày phần báo PHƯƠNG... KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Đường dây chuyển đổi sử dụng dây dẫn loại ACCC4 21, mô độ võng lực căng thực phần mềm CCP, kết xuất từ phần mềm điều