18075 61876 1 pb 4982

SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 17, No.K1- 2014 Tính tốn trường nhiệt Ampacity ñường dây truyền tải ñiện khơng phương pháp phần tử hữu hạn • Võ Văn Hồng Long Trường Cao đẳng LILAMA 2, ðồng Nai • Vũ Phan Tú ðHQG-HCM (Bài nhận ngày 22 tháng 10 năm 2013, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 16 tháng năm 2014) TÓM TẮT: Sự bùng nổ dân số kinh tế quốc toán khả mang dịng đường dân hai ngun nhân dẫn đến việc dây dựa sở tính tốn trường gia tăng nhu cầu sử dụng ñiện Bên nhiệt thể đầy đủ cạnh ñó, việc xuất nguồn phát phân tiêu chuẩn IEEE [1], IEC [2] bố làm tăng đáng kể cơng suất truyền CIGRE [3] Trong báo này, chúng tơi đường dây điện Thơng thường, để giải trình bày tiếp cận việc ứng vấn ñề trên, ngành ñiện xây lắp dụng phương pháp phần tử hữu hạn tuyến ñường dây truyền tải phân phối phần mềm Comsol ñể nâng cao khả truyền tải điện, Multiphysics cho việc mơ trường cung cấp ñầy ñủ nhu cầu phụ tải ñiện Tuy nhiệt ñường dây truyền tải ñiện nhiên, số trường hợp, việc xây không ðặc biệt, chúng tơi khảo sát ảnh ảnh hưởng đến mơi trường hưởng điều kiện mơi trường vận chí hiệu kinh tế khơng cao Vấn đề ngày tốc gió, hướng gió, nhiệt độ hệ số ñược xem xét sử dụng hiệu xạ mơi trường đến đường điển hình đường dây truyền tải phân phối điện dây nhơm lõi thép Việc so sánh hữu thông qua việc tính tốn giám kết số chúng tơi với kết tính sát khả mang dịng nhiệt độ theo tiêu chuẩn IEEE cho thấy tính cao hơn, việc sử dụng tối ưu xác khả áp dụng phương ñường dây mang lại hiệu kinh tế cao pháp phần tử hữu hạn cho việc tính tốn cho cơng ty điện Tổng qt, việc tính trường nhiệt đường dây khơng Keywords: đường dây truyền tải cao thế, trường nhiệt, khả mang dòng GIỚI THIỆU Chiến lược tồn cầu việc giảm khí thải CO2 ñã tác ñộng mạnh mẽ ñến việc phát triển nguồn ñiện phân tán (Distributed Generation Trang 16 –DG) sở công nghệ lượng tái tạo gió, sinh khối, lượng mặt trời, sóng biển,…Các nguồn DG ñược kết nối vào mạng phân phối ñiện, dẫn ñến gia tăng ñáng kể cơng suất truyền đường dây TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 17, SỐ K1- 2014 Strbac [4] cho thấy phát triển hệ thống ñiện tương lai địi hỏi phải có thay đổi lớn ñối với triết lý thiết kế tổng thể Cấu trúc mạng truyền tải phân phối ñiện phải ñược thiết kế ñặc biệt phù hợp cho việc truyền tải lượng lớn cơng suất đảm bảo độ tin cậy hệ thống ñiện Tác ñộng phát triển DG vào mạng phân phối địi hỏi phải có thay đổi đáng kể phát triển hệ thống điện để tích hợp đầy đủ DG chia sẻ trách nhiệm việc cung cấp dịch vụ hỗ trợ hệ thống (ví dụ phụ tải, tần số ñiện áp quy ñịnh) Bên cạnh ñó, nhu cầu phát triển phụ tải việc gia tăng dân số phát triển kinh tế quốc gia buộc ngành điện phải có biện pháp làm tăng khả truyền tải hệ thống ñiện quốc gia Việc này, thực tế, thường ñược thực việc xây lắp tuyến, mạng truyền tải phân phối ñiện Ngày giới, quan ñiểm xây tuyến ñường dây thay việc nghiên cứu tính tốn khả mang dịng (Ampacity) đường dây hữu, sở vận hành chúng nhiệt ñộ cao tiêu chuẩn Tiếp cận cho phép hệ thống ñiện vận hành gần với giới hạn truyền tải cơng suất bảo đảm tính ổn định hệ thống, hệ thống ñiện ñáp ứng ñầy ñủ nhu cầu phụ tải ñặc biệt giảm ñáng kể chi phí vận hành Vì vậy, hiểu biết phân bố trường nhiệt bên trong, xung quanh dây dẫn yếu tố mơi trường mà biến ñổi nhiệt cho phép quản lý hiệu mạng truyền tải phân phối ñiện bắt buộc cá nhà nghiên cứu, tính tốn thiết kế đường dây Tổng qt, khả mang dịng đường dây khơng cáp ngầm tính tốn dựa phân bố nhiệt xung quang dây dẫn Sự phân bố nhiệt ñược biểu diễn, tốn học, dạng phương trình vi phân riêng phần bậc hai không gian ba chiều (3D) Trong thực tế, chiều dài dây dẫn thường lớn nhiều so với bán kính nó, nên để đơn giản việc tính tốn người ta chuyển việc khảo sát trường nhiệt miền 3D miền hai chiều (2D) Cho ñến ngày nay, việc giải phương trình truyền nhiệt chủ yếu thực hai phương pháp phương pháp giải tích phương pháp số Phương pháp số, phương pháp sai phân hữu hạn (FDM), phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), phương pháp phần tử biên (BEM), phương pháp thể tích hữu hạn (FVM), phương pháp khơng lưới (Meshfree method) –[14] với ưu điểm tạo nên lời giải số có độ xác cao cho tốn kỹ thuật, đặc biệt miền hình học phức tạp nơi mà khơng thể tìm lời giải giải tích, ứng dụng cho việc giải toán truyền nhiệt cáp ngầm [5]-[8], đường dây khơng [9]-[10] Trong báo này, tiếp tục cơng trình nghiên cứu chúng tơi tính tốn trường nhiệt cáp ngầm [7]-[8], chúng tơi trình việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho tính tốn trường nhiệt ampacity ñường dây truyền tải ñiện không dây nhôm lõi thép ðặc biệt, khảo sát ảnh hưởng yếu tố mơi trường tốc độ gió, hướng gió, nhiệt độ mơi trường đến khả mang dịng ñường dây Phần cuối so sánh kết tính tốn chúng tơi so sánh với kết tính cơng thức tiêu chuẩn IEEE –[1] MƠ HÌNH TÍNH TỐN 2.1 Phương trình truyền nhiệt đường dây khơng Tổng qt, ñể xác ñịnh phương trình truyền nhiệt ñường dây truyền tải điện khơng, phải khảo sát khơng gian 3D Hình - [10] Trang 17 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 17, No.K1- 2014  ∂ 2T ∂ 2T  ∂T k + + P = 2  ∂ x ∂ y λ ∂t   (1) Trong trạng thái ổn định, nghĩa khơng có biến thiên nhiệt theo thời gian, (1) ñược viết lại sau  ∂2T ∂2T  ∂2T ∂2T k + +P = ⇔ + +ρ P =0 ∂x ∂y  ∂x ∂y  Hình Khối vi phân phân tích truyền nhiệt Trong đó: • kx (W/oC/m) – độ dẫn nhiệt mơi trường theo hướng x • ρ x = (oCm/W) – nhiệt trở suất k x hướng x môi trường theo (2) Như vậy, (2) phương trình mơ tả phân bố nhiệt trường nhiệt dây dẫn trạng thái ổn định Ngồi ra, để đơn giản vấn đề tính tốn, số giả thiết sau chấp nhận - ðộ dẫn nhiệt mơi trường khơng khí số (mơi trường đồng nhất) - Nguồn nhiệt phân bố ñều bề mặt dây dẫn (oC/m) – gradient nhiệt độ theo 2.2 Khả mang dịng đường dây khơng • P (W/m3) – nhiệt lượng toả đơn vị thể tích Khả mang dịng đường dây khơng dịng ổn định cho phép lớn mà đường dây chịu ñược suốt thời gian • dT dx hướng x dT (W/m2)– thơng lượng • Px = − k x dx nguồn nhiệt theo hướng x, theo luật Fourier dài Nó phụ thuộc vào vật liệu dây dẫn yếu tố mơi trường nhiệt độ, tốc độ gió, • C p (J/kg/oC) – nhiệt dung riêng vật liệu mơi trường hướng gió, nhiệt xạ…nghĩa phụ thuộc vào vật liệu phân bố trường nhiệt xung quang • λ = k Cp liệu • - ñộ khuếch tán nhiệt vật (kg/m3) – mật ñộ khối vật liệu mơi trường γ Như trình bày phần giới thiệu, thực tế, chiều dài dây dẫn (theo trục z) thường lớn nhiều so với đường kính Vì vậy, để thuận tiện cho việc tính tốn khơng đánh tính tổng qt tốn, phương trình truyền nhiệt đường dây truyền tải điện khơng ñược biểu diễn 2D sau Trang 18 dây dẫn Cả hai phương pháp tính trình bày IEEE CIGRE ñều dựa sở nguyên lý cân nhiệt trạng thái xác lập, nghĩa độ tăng nhiệt tổn thất nhiệt Theo CIGRE, ngun lý trình bày biểu thức sau –[3] Pj + Ps + PM + Pi = Pr + Pc + PW Trong đó, (3) TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 17, SỐ K1- 2014 • Pj ñộ tăng nhiệt hiệu ứng Joule, Ps ñộ tăng nhiệt xạ mặt trời, PM ñộ tăng nhiệt cộng hưởng từ, Pi ñộ tăng nhiệt hiệu ứng vầng quang (ion hoá) • Pr tổn thất nhiệt xạ, Pc tổn thất nhiệt ñối lưu, PW tổn thất nhiệt bay theo IEEE, (3) ñược viết gọn lại sau -[1] Pj + Ps = Pr + Pc (4) Như vậy, tiêu chuẩn IEEE bỏ qua ba thành phần ñộ tăng nhiệt trường từ, ñộ tăng nhiệt hiệu ứng vầng quang tổn thất nhiệt bay 2.2.1 Nhiệt hiệu ứng Joule Tổng quát, nhiệt ñộ ñường dây Pj phụ thuộc vào điện trở dịng điện chạy dây dẫn tính tốn phương trình sau Pj = I R AC (5) Trong đó, I dịng ñiện chạy dây dẫn [A], RAC ñiện trở xoay chiều dây dẫn nhiệt ñộ khảo sát [Ω/m] tính R AC = R AC ,T0 1 + α (TC − To )  (6) RAC,To ñiện trở AC dây dẫn nhiệt ñộ To [ 20oC; 293oK], Tc nhiệt ñộ bề mặt dây dẫn [oC, K], α hệ số nhiệt ñiện trở [K-1] phụ thuộc vào vật liệu dây dẫn, thông thường dây nhôm (Al) nhôm lõi thép (ACSR) ñược sử dụng ñể làm ñường dây truyền tải điện khơng, xác định giá trị α = (0,0036 ÷ 0,00403)K-1 2.2.2 Nhiệt xạ mặt trời Lượng hấp thụ ánh sáng mặt trời dây dẫn phụ thuộc vào cường ñộ ánh nắng mặt trời, góc phương vị mặt trời, vị trí tương đối mặt trời dây dẫn, ñường kính dây dẫn, hệ số hấp thụ bề mặt dây dẫn, chiều cao dây dẫn so với mực nước biển –[1] ðộ tăng nhiệt dây dẫn xạ mặt trời ñược xác ñịnh biều thức sau Ps = α s k s Qs sin (θ ) D (7) 1000 Trong đó: θ = arc cos ( cos( H c ) cos( Z c − Z ) ) αs hệ số hấp thụ bề mặt dây dẫn phụ thuộc vào vật liệu tuổi thọ dây dẫn, D đường kính dây dẫn [mm], ks hệ số phụ thuộc vào chiều cao dây dẫn so với mực nước biển, QS thông lượng mặt trời [W/ m2], θ góc tới hiệu tia mặt trời [o, rad] Hc góc chiều cao mặt trời [ o], Zc góc phương vị mặt trời [ o], Z1 góc phương vị trục đường dây [ o] Nhiệt từ ánh nắng mặt trời thay ñổi theo ñiều kiện thời tiết, ñộ ẩm khơng khí, vĩ độ địa lý theo mùa Về mặt ñịa lý, nhiệt mặt trời chiếu lên dây dẫn phụ thuộc chủ yếu vào ñộ cao góc phương vị mặt trời với góc phương vị dây dẫn Trong báo này, sử dụng số liệu tính tốn theo tiêu chuẩn IEEE -[1] để xác định tổng thơng lượng nhiệt mặt trời tác dụng lên bề mặt dây dẫn 2.2.3 Tổn thất nhiệt xạ Tổn thất nhiệt xạ Pr phần tổn thất nhiệt tổng dây dẫn, phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt dây dẫn, nhiệt độ mơi trường xung quanh dây dẫn, đường kính Trang 19 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 17, No.K1- 2014 dây dẫn hệ số phát xạ bề mặt dây dẫn theo biểu thức sau 4 Pr = π Dεδ B  (TC + 273 ) − (Ta + 273 )    (8) Trong Pr tổn thất nhiệt xạ [W/m], ε hệ số phát xạ thay ñổi phạm vi từ 0.27 ñến 0.95, δB số Stefan – Boltzmann (5,67x10-8 W.m2.K4 - [12]), Ta nhiệt độ mơi trường xung quanh dây dẫn 2.2.4 Tổn thất nhiệt ñối lưu Tổn thất nhiệt ñối lưu ñược xác ñịnh sau Pc = π Dhc (TC − Ta ) = πλ f (TC − Ta ) Nu (9) Trong Pc tổn thất nhiệt ñối lưu [W/m], D ñường kính dây dẫn, λf nhiệt dẫn suất khơng khí [W.m-1.K-1], hc hệ số truyền nhiệt ñối lưu [W/m2.K] thường ñược tính theo cơng thức thực nghiệm Số Nusselt có dạng sau –[11] Nu = f ( Re , Gr , Pr ) (10) hc D Trong đó: Nu = λ f Bên cạnh số Nu tính (10), vài hệ số sử dụng để tính tốn tổn thất nhiệt đối lưu trình bày [1], [3] sau Với c nhiệt riêng khơng khí [J/kgK], µ độ nhớt động học khơng khí [kg/ms] Gr = g D (T C − T a ) (T f + )ν - số Grashof Ở ñây, nhiệt ñộ trung bình dây dẫn T f = 0.5 (TC + Ta ) 2.2.4.1 Làm mát ñối lưu tự nhiên Q trình làm mát đối lưu tự nhiên xảy tốc độ gió xem khơng xác định biểu thức sau (11) Nu f = C (GrPr ) nf = CRa nf Trong đó: Raf = (Gr.Pr)f số Rayleigh Các thơng số (11) chọn theo nhiệt ñộ Tf Nhiệt ñộ thông thường dây dẫn khơng nằm khoảng từ 0oC đến 120oC Theo lý thuyết truyền nhiệt có 102 ≤ (Gr.Pr)f ≤ 3x105 phạm vi (Gr.Pr)f số Nusselt cho ñối lưu tự nhiên cho biểu thức Nu = 0, 54(GrPr )1/f (12) Ngồi ra, q trình làm mát đối lưu tự nhiên cịn xác định theo biểu thức sau– [1] 0,75 Pcn = 0, 0205 ρ 0,5 (TC − Ta )1,25 f D (13) Với ρf: mật ñộ khơng khí nhiệt độ Tf ρ V D - số Reynolds Re = r w ν Ở ñây Vw tốc độ gió [m/s], ν độ nhớt động học [m/s2], ρr mật độ khơng khí tương đối (ρr= ρ/ ρo, ρ mật độ khơng khí độ cao khảo sát, ρo mật độ khơng khí mặt biển) Pr = Trang 20 cµ λf - số Prandtl 2.2.4.2 Làm mát ñối lưu cưỡng ðối với trường hợp gió tác động theo phương ngang với trục dây dẫn, nghĩa theo hướng từ đến 90o, có biểu thức sau   D ρ f Vw  Pc1 = 1, 01 + 0, 0372    µ  f    0,52   k f ka (TC − Ta )   (14) TAÏP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 17, SỐ K1- 2014   D ρ f Vw Pc =  0, 0119   µf       0,6   k f k a (TC − Ta )   (15) Ở ñây ka hệ số hướng gió xác định theo biểu thức sau 1,194 − cos(θ ) + 0,194 cos(2θ ) ka =   + 0, 368 sin(2θ ) (16) Với θ góc hướng gió so vơi trục dây dẫn [o , rad] Trong trường hợp hướng gió song song với trục dây dẫn số Nusselt Nu xác định theo cơng thức sau - [3] Nu = 1, 5035 × Re 0,3038 (17) Tóm lại, trường hợp tổng quát hệ số ñối lưu tính theo biểu thức (10) Trong tính tốn thực tế, tùy vào trường hợp cụ thể Một ñiều khác biệt tính tốn ampacity đường dây khơng cáp ngầm cáp ngầm khoảng cách dây bé nên phải khảo sát trường nhiệt sinh hệ thống cáp, nghĩa có nghiên cứu ảnh hưởng tương hỗ nhiệt dây với nhau, cịn với đường dây không, khoảng cách dây lớn tăng theo cấp ñiện áp, ảnh hưởng nhiệt dây dẫn bé bỏ qua, ñó khảo sát cho dây dẫn thay khảo sát hệ thống đường dây khơng ðể thuận tiên cho việc tính tốn, dây dẫn giả thiết đặt miền khơng khí hình vng có kích thước đủ lớn để khơng gây hiệu ứng vách dịng chảy khơng khí xung quanh dây dẫn Ở đây, chọn kích thước 1mx1m Hình - [9] mà sử dụng cơng thức tính tổn thất nhiệt đối lưu cách thích hợp Ví dụ trường hợp tốc độ gió khơng tổn thất nhiệt ñối lưu tự nhiên; trường hợp tốc ñộ gió khác khơng, gió theo phương ngang với dây dẫn tổn thất nhiệt đối lưu chọn giá trị lớn (14) (15), gió có hướng song song với trục dây dẫn tổn thất nhiệt đối lưu tính theo biểu thức (17) Từ phương trình (4) xác định khả mang dịng dây dẫn khơng theo biểu thức sau –[1] I= Pr + Pc − Ps R AC (18) KẾT QUẢ TÍNH TỐN 3.1 Tính tốn trường nhiệt dây dẫn khơng Hình Mơ hình miền khơng khí khảo sát xung quanh dây dẫn khơng Trong báo này, chúng tơi khảo sát đường dây truyền tải không kiểu dây nhôm lõi thép (ACSR) A1/Sxy với số liệu sau - [5]: Loại dây Drake - 26/7; ðường kính tổng 28,1mm; ðiện trở AC nhiệt ñộ 25oC 72,83µΩ/m; ðiện trở AC nhiệt độ 75oC 86,88 µΩ /m; Nhiệt ñộ cho phép tối ña dây dẫn Tcmax = 100oC Ngồi ra, điều kiện mơi trường dịng tải chọn sau: Cường ñộ chiếu sáng Trang 21 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 17, No.K1- 2014 mặt trời S = 900W/m2; hệ số hấp thụ bề mặt αs = 0,5; hệ số xạ bề mặt ε Kết mơ Hình cho thấy nhiệt độ nóng bề mặt = 0,5; tốc độ gió ngang: Vw = 0,61m/s; nhiệt ñộ môi trường Ta = 40oC; ñường dây theo hướng đơng tây với góc phương vị Z1 = 90o; vĩ độ 30 độ bắc; mơi trường khí sạch; độ cao mặt trời (Hc) vào 11 ngày 10 tháng 6; độ cao trung bình dây dẫn 100m; hệ số dẫn nhiệt không khí k = dây dẫn Tc = 99,366045oC, thấp nhiệt độ cho phép danh định ñược tính theo IEC 61597 1,5% , 0,64% so với IEEE (IEEE 738 TCp = 100oC) Kết cho thấy tính xác phương pháp phần tử hữu hạn Bên cạnh cịn thể ưu ñiểm phương pháp phần tử hữu hạn dễ 0,0291W/(K.m); mật độ khơng khí ρ = 1,029 kg/m3; cơng suất tỏa nhiệt khơng khí Cρ = 1,005 kJ/(kg.k); hệ số ñối lưu h = 15,5 (W/m2.K); ñộ tăng nhiệt ñộ Joule Pj = 94 W/m; ñộ tăng nhiệt xạ mặt trời Ps =14,36 W/m dàng quan sát phân bố trường nhiệt xung quanh dây dẫn, ñặc biệt hiệu cao khảo sát thay ñổi yếu tố mơi trường đến trường nhiệt xung quanh dây dẫn ðây điều mà phương pháp giải tích tiêu chuẩn khơng thể Kết mơ trường nhiệt xung quanh dây dẫn không phương pháp phần tử hữu hạn cho Hình Ở ñó, nhận thấy gió thổi theo phương ngang so với trục dây dẫn nên đường đẳng nhiệt bị biến dạng phía sau dây dẫn, điểm có giá trị nhiệt ñộ cao (nóng nhất) dây dẫn nằm phía bên dây dẫn so với hướng tác động gió tới dây dẫn Hình ðồ thị nhiệt ñộ cắt ngang bề mặt dây Drake theo phương x Hình kết mơ giá trị trường nhiệt xung quanh dây dẫn mặt cắt ngang bề Hình Phân bố nhiệt xung quanh dây dẫn Drake FEM Trang 22 mặt dây dẫn, theo độ cao tương ứng vị trí bề mặt dây dẫn vị trí Kết tính tốn cho thấy đường phân bố nhiệt hai bên dây dẫn theo phương ngang (trục x), cho thấy vị trí gần dây dẫn nhiệt độ cao Ngồi ra, gió thổi ngang trục dây dẫn nên nhiệt độ phía bên trái dây dẫn cao phía bên tay phải Sự khác biệt nhiệt ñộ thể rõ rệt điểm xa dây dẫn, giảm dần tiến tới gần bề mặt dây ... sau   D ρ f Vw  Pc1 = ? ?1, 01 + 0, 0372    µ  f    0,52   k f ka (TC − Ta )   (14 ) TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 17 , SOÁ K1- 2 014   D ρ f Vw Pc =  0, 011 9   µf      ... Trang 17 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 17 , No.K1- 2 014  ∂ 2T ∂ 2T  ∂T k + + P = 2  ∂ x ∂ y λ ∂t   (1) Trong trạng thái ổn định, nghĩa khơng có biến thiên nhiệt theo thời gian, (1) ... Rayleigh Các thông số (11 ) ñược chọn theo nhiệt ñộ Tf Nhiệt ñộ thông thường dây dẫn không nằm khoảng từ 0oC ñến 12 0oC Theo lý thuyết truyền nhiệt có 10 2 ≤ (Gr.Pr)f ≤ 3x105 phạm vi (Gr.Pr)f số