NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HÀ BẢO LINH Phái : NamNgày, tháng, năm sinh: 01-02-1980 Nơi sinh : Lâm ĐồngChuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện MSHV : 10180086 I.TÊN Đ
GIỚI THIỆU
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN CAO ÁP MỘT CHIỀU
1.1.1 Lịch sử phát triển hệ thống truyền tải HVDC
Hệ thống truyền tải điện một cao áp chiều (HVDC – High Voltage Direct Current) là phương pháp truyền tải điện năng với công suất lớn và với khoảng cách xa Kỹ thuật truyền truyền tải một chiều này bắt đầu được phát triển mạnh từ thập niên 30 của thế kỉ trước.
Năm 1939, Uno Lamm đã phát minh ra van hồ quang thủy ngân cao áp bằng cách giới thiệu phương pháp phân loại điện cực giữa các lưới và anode để tạo ra nhiều các vùng đẳng thế
Sự phát triển ứng dụng công nghệ của các van hồ quang thủy ngân được sử dụng rộng rãi trong việc thiết kế các hệ thống truyền tải một chiều Năm 1954, đường dây truyền tải đầu tiên được xây dựng dùng liên kết giữa Thụy Điển và đảo Gotland sử dụng cáp ngầm vận hành ở điện áp 100 kV và công suất 20MW,… , Sau đó các hệ thống truyền tải một chiều chỉ còn sử dụng các thiết bị bán dẫn trạng thái rắn
Cùng với sự phát triển của các thịết bị điện tử công suất có điều khiển (Thyristor, GTO, IGBT,…) đã khiến công nghệ truyền tải điện một chiều có tính khả thi và phát triển mạnh Đến nay trên thế giới nhiều nước đã và đang áp d ụng. Điển hình như: Đường dây HVDC+/-600kV Itaipu (Paraguay) – Sao Paulo (Brazil): hệ thống HVDC nối thủy điện Itaipu 12600 MW (Paraguay) với thành phố Sao Paulo (Brazil) thông qua 4 mạch DC (2 mạch kép) Một số thông số kỹ thuật:
- Công suất truyền tải: 3150 (mạch 1) + 3150 (mạch 2) = 6300 MW.
- Chiều dài đường dây trên không: 785 km + 805 km.
- Lý do chính lựa chọn HVDC: Khoảng cách lớn, 2 hệ thống điện khác tần số (máy phát tại Itaipu có tần số 50Hz, nơi nhận Sao Paulo có tần số 60Hz).Lượng công suất còn lại 6300 MW của TĐ Itaipu được truyền tải về Sao Paulo bằng 3 mạch đường dây xoay chiều 750 kV. Đường dây HVDC 350kV Leyte – Luzon, Philipines: đường dây HVDC 350kV truyền tải công suất 440 MW từ nhà máy địa nhiệt trên đảo Leyte tới phía nam đảo Luzon liên kết với hệ thống xoay chiều Một số thông số cơ bản:
- Công suất truyền tải: 440 MW.
- Chiều dài đường dây trên không: 430 km.
- Chiều dài cáp biển: 21 km. Đường dây HVDC +/-500kV Rihand – Delhi, Ấn Độ: Tập đoàn nhiệt điện quốc gia Ấn Độ đã xây dựng một nhà máy nhiệt điện chạy than công suất 3000 MW tại quận Sonebhadra thuộc bang Uttar Pradesh, gọi tên là trung tâm nhiệt điện Rihand Một phần công suất ở Rihand được truyền về Delhi bằng đường dây một chiều lưỡng cực, công suất 1500 MW điện áp +/- 500kV Phần còn lại được phát lên lưới xoay chiều 400kV Một số thông số kỹ thuật:
- Công suất truyền tải: 1500 MW.
- Điện áp truyền tải: +/- 500 kV.
- Chiều dài đường dây trên không: 814 km.
- Lý do lựa chọn HVDC: chiều dài lớn, ổn định hệ thống điện.
1.1.2 Ưu nhược điểm của đường dây truyền tải HVDC Ưu điểm
Dưới đây là một số ưu điểm của phương pháp truyền tải điện cao áp một chiều so với đường dây truyền tải xoay chiều truyền thống.
Điều khiển dòng năng lượng rất nhanh, do đó nâng cao độ ổn định không chỉ đối với các liên kết HVDC mà còn đối với hệ thống xoay chiều xung quanh.
Hệ thống HVDC có thể truyền tải công suất lớn hơn đối với cùng một cỡ dây so với hệ thống xoay chiều,…
Cùng một công suất truyền tải thì cấp điện áp của đường dây HVDC thấp hơn đường dây AC do đó yêu cầu cách điện cũng đơn giản hơn.
Cho phép truyền tải điện năng giữa hai hệ thống điện xoay chiều có tần số khác nhau.
Giá thành các bộ biến đổi còn cao.
Rất phức tạp và tốn kém khi lấy công suất dọc đường dây.
Có nhiều ưu điểm so với đường dây truyền tải AC nhưng vầng quang mà nó tạo ra có mật độ điện tích và điện trường lớn hơn đường dây AC.
Ngoài các ưu nhược điểm trên, thuận lợi của truyền tải cao áp một chiều còn thể hiện ở chổ giảm tổn hao công suất truyền tải đối với truyền tải khoảng cách xa, công suất truyền tải lớn, có thể sử dụng đất như một đường trở về Vì thế mỗi dây dẫn trong hệ thống có thể vận hành như một mạng độc lập, hệ số công suất trên toàn đường dây đồng nhất do đó không cần phải bù công suất phản kháng.
Tuy nhiên vấn đề đi cùng với truyền tải HVDC là vầng quang phát ra từ bề mặt dây dẫn tạo ra các thác điện tích trong không gian gây ra tổn hao công suất và tác động đến môi trường Một số nghiên cứu trước đây chỉ ra sự ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và động vật Ngoài ra còn ảnh hưởng gây nhiễu sóng đối với các thiết bị thu phát sóng: radio, tivi, …
1.1.3 Ý nghĩa của việc nghiên cứu
Trong những năm qua, nhu cầu về điện cũng như sự phát triển của công nghệ đã kích thích sự phát triển của hệ thống truyền tải HVDC Song vầng quang và các trường ion mà nó tạo ra là đáng quan tâm Dưới tác động của điện trường làm cho các điện tích trong không gian chuyển hướng và tạo thành các dòng thác điện tích trong không gian Các nghiên cứu trước đây cho thấy điện trường tập trung ở khoảng cách 3.5 đến 5.5 lần chiều cao của đường dây HVDC gây nên mất cân bằng điện tích trong tự nhiên.
Việc tính toán vầng quang đường dây HVDC bao gồm tính toán điện trường và mật độ điện tích xung quanh dây dẫn.
Việc tính toán điện trường và mật độ điện tích trong không gian có ý nghĩa quan trọng giúp việc ước lượng sự tác động của đường dây HVDC đối vói con người và môi trường xung quanh.
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Ngày nay phương pháp số đã trở nên phổ biến và được ứng dụng trong hầu hết các bài toán kỹ thuật Phương pháp số có ưu điểm là giải nhanh được các bài toán phức tạp và có độ chính xác cao và nó gần như đã thay thế cho bài toán giải tích Mô hình toán học của các vấn đề trong Khoa học và Kỹ thuật thường dẫn đến hệ phương trình đạo hàm riêng (Partial Differential Equations - PDEs) Tuỳ theo điều kiện biên mà PDEs được chia thành hai loại chính: Bài toán điều kiện đầu và bài toán điều kiện biên Thông thường, không thể tìm được lời giải chính xác thoả mãn PDEs, vì vậy các phương pháp số được áp dụng để tìm lời giải gần đúng. Các phương pháp số: Phần tử hữu hạn (Finite Element Method), phần tử biên (Boundary Element Method - BEM), sai phân hữu hạn (Finite Differential Method - FDM), thể tích hữu hạn (Finite Volume Method - FVM)… đã và đang được phát triển, đạt nhiều thành công và đóng góp rất lớn vào nền khoa học kỹ thuật thế giới.
Các chuyên ngành kỹ thuật như cơ học ứng dụng, kỹ thuật hàng không, kỹ thuật xây dựng, kỹ thuật cơ khí,… đã ứng dụng phương pháp tính toán này rất phổ biến và gần như nó đã thay thế hoàn toàn các phương pháp cổ điển như việc ra đời các phần mềm ứng dụng hữu ích trên cơ sở của phương pháp số như: COMSOL,
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU NASTRAN, ANSYS, TITUS, MODULEF, SAP 2000, CASTEM 2000, SAMCEF v.v Đặc biệt trong trong ngành kỹ thuật điện việc ứng dụng phương pháp số để giải bài toán trường điện từ của antenna, máy điện, máy biến áp, mô phỏng quá độ của hệ thống nối đất, tính toán trường nhiệt của cáp,… đã và đang b ắt đầu được áp dụng rộng rãi.
Ngày nay việc nghiên cứu tính toán điện trường đường dây truyền tải cao áp một chiều đang được nghiên cứu khá phát triển Tuy nhiên việc nghiên cứu trong nước về vấn đề tính toán điện trường đường dây HVDC bằng phương pháp phần tử hữu hạn còn đang bị bỏ ngõ.
TÓM TẮT SƠ LƯỢC CÁC BÀI BÁO LIÊN QUAN
1.3.1 A New Approach to Calculate the Ionized Field of HVDC
Transmission in the Space and on the Earth Surface [1]
Tác giả: s Fortin, H Zhao, J Ma, Senior Member IEEE
Bài báo giới thiệu phương pháp giải bài toán Poission của hệ thống truyền tải HVDC.
Giới thiệu điều kiện biên cần thiết trong việc giải quyết phương trình Poission qua đó tính toán cường độ điện trường trong không gian xung quanh đường dây truyền tải HVDC.
Trong cách tiếp cận này, các dây dẫn được phân tách và tính toán riêng rẽ cho kết quả chính xác hơn.
1.3.2 DC Electric Fields From Corona-Generated Space Charge Near AC Transmission Lines [2]
Tác giả: T Dan Bracken, Fellow, IEEE, Russell S Senior, and William H. Biley, Member, IEEE
Bài báo giới thiệu sự biến đổi của điện trường và mật độ ion gần đường dây truyền tải xoay chiều.
Bài báo đã phân tích về cường độ điện trường, mật độ điện tích dựa trên sự đo đạt các số liệu thực tế.
Kết quả phân tích cho thấy sự ảnh hưởng của điện trường, mật độ ion theo hướng gió không gian xung quanh là rất rõ ràng tuy nhiên khi xét trung bình trong khoảng thời gian dài là tương đối nhỏ.
Kết quả của bài báo cho thấy có sự phù hợp với các nghiên cứu trước đây.
Cụ thể cho thấy các đường dây truyền tải AC rất dễ có tác động đến các điện tích không gian (mật độ ion, cường độ điện trường).
1.3.3 Analysis of Electric Field, Ion Flow Density, and Corona Loss of Same – Tower Double – Circuit HVDC Lines Using Improved FEM [3]
Tác giả: Jie Liu, Jun Zou, Jihuan Tian, and Jiansheng Yuan
Bài báo phân tích về điện trường và các dòng ion trong không khí xung quanh đường dây truyền tải cao áp một chiều HVDC Qua đó sử dụng phương pháp SUPG – FEM để giải quyết bài toán có tính đến tác động của gió.
SUPG – FEM đã phân tích đư ợc các thông số Emax, Jmax và P Các thông số có ý nghĩa rất lớn trong việc thiết kế đường dây HVDC.
1.3.4 Calculation and measurement of electric field under HVDC transmission line [4]
Tác giả: A Kasdia, Y Zebboudj, and H Yala
Tác giả đã đưa ra đư ợc các ưu điểm của đường dây truyền tải HVDC so với truyền tải AC ở khoảng cách xa Qua đó cho thấy sự tác động đối với môi trờng xung quanh do vầng quang và các trường ion hóa tạo ra là tương đối lớn so với đường dây AC.
Tác giả đã dùng phương pháp phần tử hữu hạn để giải phương trình Poission và phương pháp MOC (Method Of Characteristic) tìm mật độ phân bố điện tích,cường độ điện trường.
1.3.5 Finite Element Modelling of Ionized Field Quantities around a Monopolar HVDC Transmission Line [5]
Tác giả: Vinay Jaiswal and M Joy Thomas Deperment of High Voltage Engineering, Indian Institute of Science, Bangalore 560012
Trong bài báo này, phương thình Poission mô tả trường ion hóa xung quanh đường dây truyền tải HVDC dùng phương pháp cải tiến dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn Các thông số về điện trường và các đường đẳng thế được tính dựa trên phương pháp này Điện trường tại mặt đất trong điều kiện có và không có sự hiện diện của các điện tích trong không gian, mật độ điện tại mặt đất cũng được tính toán trong bài báo Kết quả đạt được cho thấy phù hợp các kết quả đã đư ợc công bố trước đây.
NHẬN XÉT
Do điều kiện kinh tế - xã hội, đặc tính và tình hình tiêu thụ điện năng trong nước chưa cao nên nước ta chưa có công trình truyền tải điện cao áp một chiều Do đó việc nghiên cứu, tính toán điện trường của đường dây HVDC còn bị bỏ ngõ.
Tuy nhiên trên thế giới hiện đang khai thác các tiện ích của đường dây HVDC rất nhiều vì thế cũng có rất nhiều các bài báo nghiên cứu, tính toán điện trường của đường dây HVDC Cùng với sự phát triển của công cụ tính toán nhiều công cụ, giải thuật đã đư ợc đề xuất hỗ trợ tính toán nên bài toán về điện trường được giải quyết có tính chính xác khá cao.
Từ các phân tích trên thấy rằng việc tính toán điện trường dường dây truyền tải HVDC là rất quan trọng, có ý nghĩa trong việc phát triển hệ thống điện cũng như các dự báo chính xác về tác động đối với con người và môi trường xung quanh nhằm giúp cho việc đưa ra các phương án khắc phục sự ảnh hưởng của điện trường.
Trên thế giới thì công nghệ truyền tải điện một chiều cao áp rất phát triển và việc nghiên cứu điện trường của nó cũng trở nên phổ biến Tuy nhiên việc nghiên cứu trong nước về vấn đề trên còn bị bỏ ngõ.
Do đó mục tiêu của bài luận này nhằm đề xuất phương pháp giải quyết bài toán điện trường đường dây truyền tải điện cao áp một chiều sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method).
Mục đích sau khi thực hiện xong luận văn có thể:
- Nắm vững cơ sở lý thuyết điện trường đường dây truyền tải HVDC.
- Nắm vững phương pháp phần tử hữu hạn trong giải các bài toán kỹ thuật Đặc biệt là vận dụng phân tích điện trường đường dây HVDC cả đơn cực (Monopolar line) và lưỡng cực (Bipolar line).
- Sử dụng các công cụ mô phỏng (Matlab, comsol, Ansys, …) để mô phỏng điện trường.
GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN CAO ÁP MỘT CHIỀU 19
Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ biến đổi điện cao áp và một số công cụ khác việc ứng dung công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC) trở nên phổ biến Thuận lợi của truyền tải HVDC so với AC là bao gồm tổn thất thấp với khoảng cách xa, công suất truyền tải lớn có thể sử dụng đất như đường trở về vì thế mỗi dây dẫn được vận hành một cách độc lập, không có hiệu ứng bề mặt, hệ số công suất không đổi trên toàn đường dây Do đó không cần bù công suất phản kháng, loại bỏ của hệ thống đồng bộ và các vấn đề ổn định, có thể liên kết các hệ thống AC có tần số khác nhau Tuy nhiên vấn đề ở truyền tải HVDC là sự phát vầng quang từ đường dây bao gồm: tổn thất công suất, gây nhiễu sóng radio, …
AC AC Đường trở về
Hình 1.1: mô hình đường dây monopolar
Hệ thống truyền tải HVDC bao gồm 3 loại chủ yếu sau: Đường dây đơn cực (Monopolar line): đường dây bao gồm một dây dẫn mang điện tích dương hoặc âm truyền công suất từ đầu phát đến đầu nhận Trong hệ thống này, đất hay nước được dùng như đường trở về (Hình 1.1). Đường dây lưỡng cực (Bipolar line): hệ thống gồm hai dây dẫn mang điện tích dương và điện tích âm Mỗi đầu đều có bộ biến đổi điện áp định mức bằng nhau mắc nối tiếp về phía một chiều Nếu trung tính là đất thì hai dây dẫn vận hành độc
Hình 1.3: mô hình đường dây Homopolar
Hình 1.2: mô hình đường dây bipolar
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU lập Bình thường hai dây vận hành với dòng điện bằng nhau nên dòng xuống đất là bằng khụng Trong hệ thống này nếu 1 dõy gặp sự cố thỡ dõy cũn lại cú thể mang ẵ tải Do đó hệ thống Bipolar vận hành ổn định hơn Monopolar nhưng chi phí lắp đạt cao hơn (Hình 1.2).
Homopolar line: hệ thống bao gồm 2 hoặc nhiều hơn 2 dây dẫn Các dây dẫn vận hành cùng điện cực và luôn luôn sử dụng đất làm đường trở về (Hình 1.3) Trong trường hợp xảy ra sự cố với một trong các dây dẫn khi đó các trạm đầu cuối vẫn được nối với các dây dẫn còn lại và đảm bảo công suất truyền tải được liên tục. Trong thực tế, dạng cấu trúc đường dây truyền tải này rất ít được sử dụng vì chi phí đầu tư cao không hiệu quả về kinh tế.
Việc tính toán tổn thất công suất vầng quang trên đường dây HVDC được gọi là tính toán phân bố trong không gian bao gồm điện trường và mật độ điện tích xung quanh vầng quang của đường dây Các giá trị của điện trường và mật độ điện tích tại đất có vai trò quan trọng trong việc đánh giá tác động của đường dây truyền tải HVDC đến con người và môi trường xung quanh.
Ý NGHĨA CỦA VIỆC PHÂN TÍCH TRƯỜNG ION HÓA (Ionized Field)
Trong những năm gần đây, với sự phát triển của kỹ thuật truyền tải điện một chiều Các đường dây truyền tải một chiều vận hành với điện áp trên 500 kV phổ biến khắp thế giới Tuy nhiên, đường dây truyền tải DC vận hành trên giá trị điện áp khởi tạo vầng quang khi đó sẽ có sự xuất hiện của các ion và điện tích không gian được tạo ra xung quanh đường dây Dưới tác động của điện trường, các điện tích không gian này chuyển hướng và lắp đầy vùng không gian xung quanh dây dẫn vì thế gây ra tổn thất công suất trên đường dây Sự xuất hiện của các điện tích không gian làm phá vỡ cân bằng tự nhiên điện tích âm và điện tích dương trong không khí và kết quả là một vài yếu tố sinh học có thể bị tác động Tất cả điều này đòi hỏi phải có những phân tích định lượng của trường bị ion hóa Trong trường hợp đường dâyHVAC, do sự đổi chiều định kỳ của các phân cực của điện áp, do đó điện tích không gian được giữ giới hạn trong một khu vực nhất định gần đường dây.
LÝ THUYẾT VẦNG QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU
LÝ THUYẾT VẦNG QUANG
Trong chương này giới thiệu vắn tắt về nền tảng vật lý của vầng quang một chiều Quá trình hình thành vầng quang trên dây dẫn.
Như đã trình bày ở phần trước, vầng quang là sự phóng điện một phần nó xảy ra tại lớp không khí lân cận của dây dẫn nhưng không đánh thủng điện trường. Điều này có thể xảy ra dọc chiều dài đường dây dẫn, hoặc tại các vùng xung quanh các điểm có hình dạng bất thường trên bề mặt dây dẫn điện áp cao.
Với giá trị điện cao áp truyền tải trên đường dây, vầng quang bắt đầu khi điện trường tại các vùng lân cận xung quanh đường dây đạt đến giá trị phá hủy không khí Lớp vầng quang xung quanh đường dây truyền tải gọi là lớp ion hóa. Lớp ion hóa xung quanh dây dẫn thẳng như hình 2.1 Trong đó điện trường của lớp ion hóa làlớn hơn điện trường của các electron do va đập Tùy thuộc vào sự sắp xếp của dây dẫn trên đường dây truyền tải mà lớp ion hóa thường không đối xứng qua dây dẫn Trong thực tế, bề dày của lớp ion hóa này được bỏ qua vì nó quá nhỏ so với chiều cao của dây dẫn so với đất.
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TRƯỜNG ION HÓA
Quá trình phóng điện bên trong lớp ion hóa tùy thuộc vào độ phân cực của điện áp và vầng quang trên dây dẫn mang điện âm và dương là khác nhau.
2.1.1 Vầng quang tại điện cực dương
Khi điện áp dây dẫn tương đối cao hơn giá trị điện áp khởi tạo vầng quang, độ lớn điện trường xung quanh dây dẫn đủ mạnh để làm tăng tốc các electron tự do tại lớp ion hóa di chuyển về phía điện cực dương Các electron này đạt được đủ năng lượng và ion hóa các phân tử không khí do va chạm Bỏ lại một ion dương phía sau, các electron mới hình thành tiếp tục di chuyển dọc theo điện trường và lặp lại sự va chạm hình thành nên thác điện tích Quá trình thứ 2 của thác điện tích này được bắt đầu bằng các electron được tạo ra từ các photon tỏa ra từ lõi của thác điện
Hình 2.1: Cấu trúc lớp ion hóa xung quanh dây dẫn
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TRƯỜNG ION HÓA tích ở tất cả các hướng Hình thức này của vầng quang bao gồm onset streamer tạo ra các xung ngẫu nhiên của dòng điện dương. Ở giá trị điện áp cao, các đám mây điện tích âm gần bề mặt điện cực dương. Điều này tạo ra điện trường gần đồng nhất giữa vùng điện tích không gian và điện cực Nếu đám mây điện tích âm này không có mật độ đủ lớn thì sẽ không xảy ra phóng điện trong vùng tại đó và các ion âm sẽ trở thành trung tính ở anode.
Khi điện áp cao, các đường điện trường này ngắn lại và chồng chéo nhau sinh ra sự phóng điện phát sáng tại vùng gần dây dẫn.
2.1.2 Vầng quang tại điện cực âm Ở giá trị điện áp khởi tạo và đủ lớn, vầng quang tại điện cực âm dao động nhanh chóng và đều đặn được biết như xung vầng quang Trickle Như đã giới thiệu trong chương trước, các ion âm và electron di chuyển ra khỏi cathode và các ion dương di chuyển theo chiều ngược lại hình thành các thác điện tích.
Hình 2.2: Sự hình thành thác điện tích trong phóng điện vầng quang của dây dẫn điện thế dương
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TRƯỜNG ION HÓA
GIÁ TRỊ ĐIỆN TRƯỜNG VÀ ĐIỆN ÁP KHỞI TẠO VẦNG QUANG
Như đã giới thiệu trong phần trước, sự phóng điện vầng quang xảy ra khi điện trường trên bề mặt dây dẫn vượt quá giới hạn đánh thủng không khí và được xác định bởi công thức Peek [7] như sau:
- Với dây dẫn đồng trục bán kính R (m), điện trường được xác định
- Điện trường khởi tạo vầng quang (kV/m) của dây dẫn thẳng bán kính R và đất là:
Hình 2.3: Sự hình thành thác điện tích trong phóng điện vầng quang của dây dẫn mang điện thế âm
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TRƯỜNG ION HÓA
2.2.1 Điện áp khởi tạo vầng quang của dây dẫn đồng trục
Dây dẫn đồng trục (hình 2.4), điện trường Ec tại bề mặt dây dẫn được xác định như sau: ln 0 c
- V: giá trị điện áp của đường dây.
- R, r0: bán kính trong và ngoài của dây dẫn đồng trục.
Khi đó, bên trong dây dẫn bắt đầu tạo vằng quang với giá trị điện áp tạo vầng quang được xác định như sau:
2.2.2 Giá trị điện áp khởi tạo vầng quang của đường dây đơn
Monopolar line: hình 2.6 chỉ ra rằng với đường dây bán kính R đặt ở độ cao
H so với đất Một điện tích đại diện của đường dây được chỉ ra ở hình B Điểm P(xp, yp), điện thếtại điện tích q được tính như sau:
Hình 2.4: Cấu trúc dây dẫn đồng trục
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TRƯỜNG ION HÓA
Trong đó R1, R2được tính như sau:
Với b: chiều cao của điện tích q so với đất.
Hình 2.5: mô hình đường dây – đất
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TRƯỜNG ION HÓA
Tại điểm P, ta có thể tính giá trị điện trường như sau:
Với H >> R khi đó ta có thể xem R1= 2H và R2= R, và b = H.
Suy ra giá trị điện trường tại điểm BP được tính như sau:
Hình 2.6: điện tích đặc trưng tại một điểm của mô hình dây dẫn – đất
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TRƯỜNG ION HÓA
Từ các phương trình trên, giá trị điện áp khởi tạo vầng quang tạo ra điện trường trên bề mặt đường dây truyền tải quan hệ với giá trị điện trường vầng quang
R gọi là hệ số điện thế Maxwell.
2.2.3 Giá trị điện áp vầng quang của đường dây kép Để xác định giá trị điện áp khởi tạo vầng quang cho đường dây kép ta làm như sau:
Tại điểm P bất kỳ có điện tích q, ta xác định điện thế:
Trong đó R1, R2, R3, R4 được tính như sau:
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TRƯỜNG ION HÓA
Khi đó, do H >> R và D >> R nên ta có R1 = R, R2 = D, R3 = 2H, và R 4 2H 2 D 2
Khi đó điện tích q được tính như sau:
Thế q và các phương trình trên và sắp xếp lại ta được giá trị điện áp khởi tạo vầng quang như sau:
Trong thực tế, bề mặt tất cả các dây dẫn không hoàn toàn nhẵn và cùng đường kính do đó sẽ làm giảm giá trị điện áp khởi tạo vầng quang Đường dây truyền tải trong thực tế có cấu trúc sợi và thường có bề mặt không bình thường chính điều này làm cho méo dạng vùng ion hóa lân cận của dây dẫn và do đó làm giảm giá trị điện áp khởi tạo vầng quang Điều này được xác định thông qua hệ số bế mặt dây dẫnvới 0 điện trường khi điện áp đường dây là ±400kV.
ĐƯỜNG DÂY HOMOPOLAR
Xét đường dây homopolar 3 cực với các thông số sau:
Hình 4.17: điện trường tại mặt đất
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN
- Điện áp khởi tạo vầng quang 600kV.
- Bán kính mỗi bó dây R = 212.1mm.
Ta chia miền cần khảo sát thành 96368 phần tử, ta được kết quả như sau:
Sau khi chạy phần mềm Comsol ta có kết quả điện trường dạng 3D và theo phương nằm ngang như sau:
Hình 4.18: cấu trúc đường dây homopolar
Hình 4.19: lưới phần tử hữu hạn
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN
Hình 4.21: Phân bố đường điện trường và đường đẳng thế theo mặt cắt ngang
Hình 4.20: Phân bố trường điện của đường dây homopolar 3 cực
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN Để thấy được phân bố trường điện tại mặt đất so điện trường ở gần đường dây, ta cắt ta cắt theo phương ngang tại vị trí y=0m, 1m, 2m, 5m, 10m và 15m Ta được kết quả như sau:
Ngoại trừ giá trị điện trường tại độ cao 15m (ở gần đường dây), điện trường có biên độ rất lớn Giá trị điện trường giảm dần theo độ cao từ 10m đến mặt đất.
Tại các vị trí y=0m, 1m và 2m, điện trường có dạng parabol, độ lớn xấp xỉ nhau.
Tại vị trí ym, điện trường có 3 đỉnh rõ rệt tương ứng với 3 bó dây dẫn.
ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC ĐƯỜNG DÂY
Xét đường dây đơn bố trí như hình:
Hình 4.22: Điện trường phân bố ở các độ cao khác nhau
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN
Ta chia miền cần khảo sát thành 23212 phần tử, ta được kết quả như sau:
Sau khi chạy phần mềm Comsol, để thấy được phân bố trường điện tại mặt đất, ta cắt ta cắt theo phương ngang tại vị trí y=0m Ta được kết quả như sau:
Hình 4.23: sơ đồ bố trí dây dẫn trong trường hợp 1
Hình 4.24: lưới phần tử hữu hạn trong trường hợp 1 Điện áp V = +600 kV Điện áp khởi tao vầng quang 288kV
Kết quả Điện trường tại(0 0 0) 19,25 kV
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN
- Điện trường tại mặt đất có giá trị E = 19,25kV/m và càng tăng khi ở gần đường dây.
Xét trường hợp dây dẫn được bố trí xoay 45 độ so sới trường hợp 1 được cho như hình vẽ
Ta chia miền cần khảo sát thành 40688 phần tử, ta được kết quả như sau:
Hình 4.25: điện trường tại mặt đất trong trường hợp 1
Hình 4.26: sơ đồ bố trí dây dẫn trong trường hợp 2
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN
Làm tương tự trường hợp 1, Ta được kết quả như sau:
Hình 4.27: lưới phần tử hữu hạn trong trường hợp 2
Hình 4.28: Điện trường phân bố tại đất trong trường hợp 2
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN Ghép 2 đồ thị lại ta có kết quả so sánh điện trường tại đất của 2 mô hình đường dây như hình:
Từ kết quả trên ta thấy trong trường hợp dây dẫn xoay 45 độ có điện trường tại đất là thấp so với điện trường sinh ra trong dây dẫn ở 0 độ.
Việc xoay dây dẫn có ảnh hưởng đến điện trường xung quanh đường dây.