TÍNH TOÁN CƠ HỌC ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN TRÊN KHÔNG

Chương TÍNH TỐN CƠ HỌC ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN TRấN KHễNG Đ5.1 KHI quát chung đờng dâY TRấN KHƠNG 5.1.1 Đường dây khơng Đường dây khơng bao gồm dãy cột điện, có xà dây dẫn treo vào xà qua xứ cách điện Cột điện chôn xuống đất móng vững chắc, làm nhiệm vụ ỡ dây cao so với mặt đất, gọi đường dây khơng Trên cột cịn treo dây chống sét để sét không đánh trực tiếp vào dây dẫn 1.Dây dẫn Dây dẫn làm đồng (M), nhôm (A), nhôm lõi thép (AC), thép ( ∏K, TK) Có loại dây dẫn sau: - Dây đơn có sợi nhất: thường dây thép, dây lưỡng kim lõi thép hủ đồng ngoài; - Dây vặn xoắn đồng nhất: nhiều sợi nhỏ (đồng, nhôm hay thép) vặn xoắn lại với nhau; - Dây vặn xoắn nhôm lõi thép, để tăng độ bền người ta làm lõi thép trong, sợi nhôm bên ngồi; - Dây vặn xoắn nhơm lõi thép có thêm sợi phụ chất cách điện để tăng bán kính dùng cho điện áp 220 kV trở lên 2.Cột điện Cột điện làm gỗ, bêtông cốt thép hay thép Theo chức cột điện gồm có: - Cột néo néo góc: cột néo để giữ đầu dây nối vào cột qua chuỗi sứ néo; cột néo góc dùng đường dây đổi hướng; - Cột đỡ đỡ góc làm nhiệm vụ đỡ dây dẫn nối vào cột qua chuỗi sứ đỡ Cột đỡ chia cột đỡ thẳng cột đỡ góc Khi dường dây đổi hướng, góc đổi hướng từ 10 đến 20 dùng cột đỡ góc, góc lớn dùng cột néo góc Nếu dùng cột đỡ góc thường treo thêm tạ cân để chuối sứ không bị lệch quá; - Cột cuối dùng đầu cuối đường dây; - Cột vượt cột cao cao sử dụng đường dây qua chướng ngại cao rộng đường dây điện, đường dây thơng tin, sơng rộng, Cột vượt cột néo hay đỡ; - Cịn có cột dùng để chuyển vị dây pha (cột đảo pha) cột để nối nhánh rẽ (cột rẽ) Cũng có cột đặc biệt đặt dao cách ly, tụ bù, Khoảng cách hai điểm treo dây hai cột kề gọi khoảng cột Nếu hai cột kề cột néo gọi khoảng cột néo Khoảng hai cột néo gồm nhiều cột đỡ liên tiếp gọi khoảng néo Khoảng néo bao gồm nhiều khoảng cột thường Khi đường dây vượt qua chướng ngại ta có khoảng vượt, khoảng vượt có nhiều khoảng cột 3.Sứ cách điện phụ kiện 205 Sứ cách điện sứ dứng hay sứ treo Sư đứng dùng cho điện áp trung trở xuống, dây pha dùng sứ cắm cọc dỡ đặt xà cột Sứ treo gồm bát sứ treo nối tiếp thành chuỗi dùng cho điện áp trung đến siêu cao Có chuỗi sứ đỡ chuối sứ néo dùng cho cột đỡ cột néo Trên chuỗi sứ có kim khe hở chống sét thiết bị điều hòa phân bố điện chuỗi sứ Dây dẫn gắn vào chuối sứ nhờ kẹp dây Đối với đường dây khơng cịn có thiết bị khác như: - Quả tạ chống rung để tiêu hao lượng dao động riêng dây dẫn, chống tượng cộng hưởng tần số dao động riêng với tần số công nghiệp, đảm bảo dây không bị rung; - Để chống điện áp đường dây dùng dây chông sét, nối đát cột điện, đặt chống sét ống, tạo khe hở phóng điện Trên bảng 5.1 giới thiệu vài thông số đặc trưng đường dây không Bảng 5.1 Một vài số liệu đặc trưng đường dây không Điện ap;kV 10 35 110 220 500 Cột Bê tông cốt thép Bê tông Thép Bê tông Thép Bê tông Thép Bê tơng Thép Khoảng cột; m 80÷150 200÷260 220÷270 220÷270 250÷350 220÷300 350÷450 250÷300 300÷450 5.1.2 Các trạng thái làm việc đường dây không Xét mặt hoc, đường dây không vận hành trạng thái khác mà trạng thái chúng chịu tác động lực tương ứng Mỗi trạng thái đặc trưng tập hợp thông số mơi trường tình tạng dây dẫn dây chống sét Trạng thái môi trường dây tốc độ gió nhiệt độ khơng khí Có trạng thái để xem xét học cho đường dây sau: 1.Trạng thái nhiệt độ thấp nhất: Khi nhiệt độ thấp nhất, dây dẫn bị co lại, gây ứng suất dây lớn Dây bị co lại gây lực kéo ngược chuỗi sứ nhổ cột Trạng thái bão: Trạng thái dây dẫn chịu tải trọng học lớn nhất, ứng suất dây lớn dây bị lệch khỏi mặt phẳng đứng Trạng thái nhiệt độ trung bình: Đây trạng thái làm việc lâu dài dây dẫn Dây dẫn chịu rung động thường xuyên gió gây mỏi dây gây nguy đứt sợi dây chỗ kẹp dây Trạng thái nhiệt độ cao nhất: Dây dẫn bị giãn nhiều làm cho khoảng cách từ dây dẫn thấp đến đất nhỏ Độ võng trạng thái độ võng lớn 206 Trạng thái điện áp khí quyển: Trạng thái xảy giông sét, dây dẫn bị gió làm dao động đến gần gần cột, làm cho khả gây phóng điện cao Trạng thái dùng để tính dây chống sét kiểm tra độ lệch chuỗi sứ Bảng 5.2 giới thiệu số liệu điều kiện tính tốn học cho đường dây tải điện không Bảng 5.2 Số liệu điều kiện tính tốn học cho đường dây không Trạng thái Nhiệt độ khơng khí thấp Trạng thái bão Nhiệt độ khơng khí trung bình Nhiệt độ khơng khí cao Quá điện áp khí quyên Điều kiện tính tốn Nhiệt độ; Áp lực gió; Tốc độ C daN gió; m/s 0 25 qmax vmax 25 0 40 0 20 0,1qmax, v≈0,3vmax ≤ 6,25 daN/mm2 1kG lực =0,98 daN (deca Newton); qmax áp lực gió lớn khu vực đường dây qua 5.1.3 Tải trọng học đường dây khơng Có hai tải trọng tác động lên dây dẫn là: - Tải trọng trọng lượng dây gây ra; - Tải trọng áp lực gió tác động lên dây dẫn Tải trọng học trọng lượng dây Trọng lượng 1m dây G [kg/m], thành đơn vị [kg/m] = 9,81[daN//m] Khi tỉ tải g1 trọng lượng thân dây dẫn xác định theo công thức: g1 = G0 ; F [kg / m.mm ] ; hay g = 9,81 G0 ; F [daN / m.mm ] (5.1) F tiết diện dây dẫn;[mm2] Do cấu tạo dây vặn xoắn gồm nhiều sợi vặn xoắn với nên chiều dài thực tế lớn hơn, tỉ tải g1 tính theo cơng thức (5.1) nhân thêm với hệ số khoảng 1,02÷1,03 2.Tải trọng gió Giả thiết gió thổi ngang vng góc với chiều dài dây dẫn, gây áp lực (sức ép) dây dẫn Áp lực gió Pv 1m dây dẫn tính theo cơng thức sau: Pv = a.k.q.S ; [ kg / m] : a- hệ số khơng gió; k- hệ số động lực khơng khí; S- bề mặt cản gió; m2 q- động gió; [kg/m2] 207 Nếu gió thổi chếch phải nhân thêm với sinφ (φ góc hợp tuyến dây chiều gió) Hệ số khơng gió dọc theo khoảng vượt phụ thuộc vào tốc độ v gió sau: Tốc độ gió; m/s Hệ số a 20 25 0,85 30 0,75 40 0,7 Hệ số động lực k khơng khí phụ thuộc vào hình dáng, bề mặt mà gió tác dụng vào, đường kính dây dẫn, cụ thể sau: - Dây dẫn có đường kính d≥20 mm k=1,1 - Dây dẫn có đường kính dhB điểm thấp gần B, dấu thành phần thứ hai (5.14) thay đổi a>b Độ võng khoảng cột fC (hình 5.3) : b= ∆0,C h x fC = h A − − yC (5.15) yC độ cao dây xC: 213 xC = σ ∆h  −a = o g. (5.16) Thay xC vào (5.12) ta được: yC = Thay b = σ o  ∆h    2g    (5.17)   σ ∆h + xC = + o vào (5.13) ta được: 2 g. 2 σ o   σ o ∆h  σ o    .σ o ∆h σ o2 ∆h   +  = hA = + 2  =   + 2g  2g.  2s   g. g   g.2 ∆h σ o ∆h = + + 8σ o 2g.2 (5.18) Thay (5.16), (5.17) (5.18) vào (5.15) ta được: fC = g.2 8σ o (5.19) Ta thấy độ võng điểm khoảng cột f C tính giống hai điểm treo dây ngang Khoảng cột tương đương Ta có đường dây hình 5.5, kéo dài đường parabol A đến điểm B’ ngang với điểm B có điểm A’ ngang với điểm A Đặt trục tọa độ vào điểm thấp C có trường hợp hai điểm treo độ cao tương đương Đường B’AB tạo đường căng dây tương đương lớn, AA’ tạo đường căng dây tương đương bé Khoảng cột tương đương là: 2σ ∆h 2σ ∆h ′td = 2b =  + o ; ′td′ = 2a =  − o (5.20a) g. g. Các thông số khoảng cột tương đương tuân theo quy luật khoảng cột thật Khoảng cột tương đương dùng để tính toán dây dẫn trạng thái khác y ′td  B’ o B ∆h A o ′ ′td A’ hB Ta dùng khoảng cột tương đương để tính độ võng đường căng dây tương đương hhAB tính theo (5.13): lớn f’, C O a a 214 b b Hình 5.5 Khoảng cột tương đương g o 2 3,36.10 −3.450 σo = = = 5,75daN / mm 8f 8.14,8 (3,36.10 ) 8900.450 A = 5,75 − −3 B= 24.5,75 (3,36.10 ) 2 − 18,3.10 −6.8900( 40 − 15) = −23,96 −3 8900.450 = 847,78 24 847,78 = −23,96 σ2 Giải ta σ=5,376 daN/mm2 σ− Tính độ võng: f = g.2 3,36.10 −3.450 = = 15,82m 8σ 8.5,376 Đây độ võng lớn dây dẫn b) Trường hợp b) tính tương tự trường hợp a) có khác trị số nhiệt độ c) Trạng thái bão θ =2 5oC, v =40 m/s Trước tiên tính gc có xét theo tốc độ gió (xem mục 5.1.3): [ ] Pv a.k.d.v = ; kg / m.mm F 16.F.1000 0,7.1,1.27,7.40 g2 = = 4,6.10 −3 daN / mm 16.453,5.1000 g2 = g c = g 12 + g 22 = (3,36.10 ) + ( 4,6.10 ) −3 −3 = 5,697.10 −3 daN / m.mm A = -21,52 B = 2437,23 σc − 2437,23 = −21,52 σ c2 Giải phương trình ta σc = 8,944 daN/mm2 f = g c 2 5,697.10 −3.450 = = 16,123m 8.σ c 8.8,944 Trên giá trị độ võng theo đường chéo, cịn tính độ võng theo thành phần dọc f d ngang fn sễ là: g1 3,36.10 −3 cos ϕ = = = 0,589 → sin ϕ = 0,808 g 5,697.10 −3 f d = f cos ϕ = 16,123.0,589 = 9,496m f n = f sin ϕ = 16,123.0,808 = 13,027m §5.4 KHOẢNG CỘT TỚI HẠN CỦA DÂY DẪN 5.4.1 Khái niệm chung 218 Ứng suất dây dẫn thay đổi tùy theo điều kiện khí hậu điều kiện phụ tải giới tác động lên Vậy khoảng cột, dây dẫn có ứng suất lớn hay nói cách khác lúc dây dẫn dễ đứt Để dây dẫn làm việc ứng suất σ dây dẫn trạng thái phải nhỏ ứng suất cho phép σcp Việc xác định ứng suất σ cho trạng thái dây dẫn phải tiến hành sở phương trình trạng thái nêu mục §5.3, cần chọn trạng thái xuất phát ban đầu, mà thơng thường chọn trạng thái ứng suất σ lớn Trạng thái đưa lại ứng suất lớn là: (i) Nhiệt độ môi trường tháp nhất, lúc dây dẫn có độ dài ngắn khoảng cột định; (ii) Phụ tải tác dụng lên dây dẫn lớn (tương ứng với lúc gió to nhất: bão); Hai trạng thái xảy ứng suất lớn Ngồi trạng thái thứ ba: trạng thái nhiệt độ trung bình, có ứng suất khơng lớn hai trạng thái trạng thái ứng suất cho phép thấp nên có nguy vượt ứng suất cho phép Người ta quy định ứng suất cho phép chế độ theo công thức sau [1a] : σ cp = σ ben K at (5.24) đó, σ cp - ứng suất cho phép chế độ; [daN/mm2] σ ben - giới hạn bền kéo dây; [daN/mm2] Kat- hệ số an toàn; Kat = 2,5 chế độ cực đại; Kat = 4,0 chế độ nhiệt độ trung bình Đối với trạng thái xuất phát ta coi σ = σcp ứng xuất tính tất trạng thái khác thoản mãn điều kiện nhỏ ứng suất cho phép Sự diễn biến ứng suất trạng thái định phụ thuộc vào khoảng cột Do khoảng cột điểm xuất phát để xác định xem ứng suất vượt khung xảy trạng thái nào? Khi thiết kế đường dây ta chọn khoảng cột  (m) Ta cần biết với khoảng cột phải chọn trạng thái làm trạng thái xuất phát? Muốn trước hết ta phải xác định khoảng cột tới hạn  th Khoảng cột tới hạn  th xác định cho cặp trạng thái ba trạng thái ứng suất, ví dụ cặp trạng thái (i) (ii), khoảng cột mà muốn lấy trạng thái để làm trạng thái xuất phát được; Còn  <  th phải lấy trạng thái (i) (ii)  >  th phải lấy trạng thái (ii) làm trạng thái xuất phát Ta có ba khoảng cột tới hạn: 1th - khoảng cột tới hạn trạng thái nhiệt độ trung bình trạng thái nhiệt độ thấp nhất; 219  th - khoảng cột tới hạn trạng thái nhiệt độ thấp trạng thái bão; 3 th - khoảng cột tới hạn trạng thái nhiệt độ trung bình trạng thái bão; 5.4.2 Khoảng cột tới hạn  th Khoảng cột tới hạn  th khoảng cột hai trạng thái nhiệt độ môi trường thấp trạng thái bão, hai trạng thái xảy ứng suất lớn Để đảm bảo ứng suất cho phép hai trạng thái ta thực hai cách sau đây: 1- Lấy trạng thái bão làm trạng thái xuất phát, lấy ứng suất trạng thái σcp, nghĩa ứng suất trạng thái bão đảm bảo Ta tính xem trạng thái nhiệt độ nhỏ ứng suất diễn biến khoảng cột  thay đổi σ θ = f ( ) 2- Lấy trạng thái nhiệt độ thấp làm trạng thái xuất phát, lấy ứng suất trạng thái σcp, nghĩa ứng suất trạng thái nhiệt độ thấp đảm bảo Ta tính xem trạng thái bão ứng suất diễn biến khoảng cột  thay đổi σ bao = f ( ) Cách tính giải phương trình trạng thái sau cho  biến đổi từ đến ∞, cụ thể là: - Cho σ θ = f ( ) : σ θ − 2 g θ2 2 g 2bao α = σ − − ( θ − θ bao ) CP β 24βσ θ2 24βσ CP (5.25) - Cho σ bao = f ( ) σ bao 2 g 2bao 2 g θ2 α − = σ CP − − ( θ bao − θ ) β 24βσ 2bao 24βσ CP (5.26) thơng số σ θ , g θ ứng suất tỷ tải trạng thái nhiệt độ thấp nhất, σ bao , g b ứng suất tỷ tải trạng thái bão, σcp ứng suất cho phép Sau tính ta lập đồ thị hình 5.6 σ σ θ σcp σbao Lấy trạng thái nhiệt độ thấp làm trạng thái xuất phát Lấy trạng thái bão làm trạng thái xuất phát Hình 5.6 Đường cong biến thiên ứng suất theo khoảng cột 220 Từ hình 5.6 thấy hai đường cong σ θ = f ( ) , σ bao = f ( ) cắt điểm σcp Với đường cong σ θ = f ( ) , ta thấy  >  th σ θ có giá trị thấp giá trị cho phép,  <  th σ θ lớn giá trị cho phép Với đường cong σ bao = f ( ) , ta thấy  >  th σ bao có giá trị lớn giá trị cho phép,  <  th σ bao thấp giá trị cho phép Như khoảng cột cho trước, thiết kế  <  th để đảm bảo ứng suất trạng thái không vượt giá trị cho phép ta phải chọn trạng thái nhiệt độ làm trạng thái xuất phát để tính ứng suất từ tính độ võng thi cơng khí ứng suất trạng thái bão nhỏ ứng suất cho phép Cịn  >  th ta chọn trạng thái bão làm trạng thái xuất phát ứng suất trạng thái nhiệt độ bảo đảm nhỏ giới hạn Khoảng cột tới hạn  th giới hạn để lựa chọn trạng thái xuất phát Khi  =  th , chọn tùy ý hai trạng thái làm trạng thái xuất phát chúng có ứng suất Để tính khoảng cột tới hạn  th ta dùng hai cơng thức (5.25) (5.26), σ θ σ bao lấy σcp, kết được: 24α( θ bao − θ ) g 2bao − g θ2 2 th = σ cp (5.27a) Theo số liệu điều kiện tính tốn học cho đường dây khơng (bảng 5.2), ta có g bao = g 12 + g 22 ; g θ2 = g 12 , g1-tỷ tải trọng lượng dây g2 – tỷ tải gió, thay vào công thức (5.27) ta được: σ cp 24α( θ bao − θ ) (5.27b) g2 Khoảng cột tới hạn  th khoảng cột ứng suất hai trạng thái nhiệt độ thấp bão ứng suất cho phép σcp  th = Sau tính khoảng cột giới hạn  th ta lấy khoảng cách thực tế so với khoảng cột tới hạn - Nếu  >  th , ứng suất lớn xảy trạng bão Vậy ta phải lấy trạng thái bão làm trạng thái xuất phát, ứng suất ứng suất cho phép để tính tốn - Nếu  <  th ứng suất lớn xảy trạng thái nhiệt độ thấp ta phải chọn trạng thái làm trạng thái xuất phát để tính Ứng suất xảy trạng thái ứng suất cho phép - Khi  =  th xuất phát từ trạng thái 5.4.2 Khoảng cột tới hạn 1th 3 th 221 Như trình bày mục 5.4.2,  <  th ta lấy trạng thái nhiệt độ nhỏ để làm trạng thái xuất phát,  >  th ta lấy trạng thái bảo làm trạng thái xuất phát Như ứng suất dây ln nhỏ ứng suất cho phép (hình 5.7) σ σcp σ θ = σ cp σ bao = σ cp σbao σθmin Từ hình 5.7 thấy  >  th ứng suất lúc bão ứng suất cho phép, ứng suất nhiệt độ nhỏ hơn;  <  th ứng suất lúc nhiệt độ ứng suất cho phép, ứng suất bão nhỏ Nếu không hạn chế ứng suất trạng thái nhiệt độ trung bình cần tính dây dẫn theo  th ứng suất trạng thái trung bình nhỏ trạng thái bão nhiệt độ Hình 5.7 Đường cong biến thiên ứng suất theo khoảng cột xác định khoảng cột tới hạn Tuy nhiên ứng suất cho phép lúc nhiệt độ trung bình, đặt σ cptb nhỏ trạng thái bão trạng thái nhiệt độ (xem công thức 5.24) Để xét đến khả ta tính ứng suất trạng thái nhiệt độ trung bình theo khoảng cột  : σ tb = f () Đối với khoảng cột tới hạn ta xây dựng hai quan hệ: σ tb1 = f ( ) σ tb = f ( ) , cụ thể trình bày tiếp sau 1) 1th - khoảng cột tới hạn trạng thái nhiệt độ trung bình trạng thái nhiệt độ thấp nhất: - Cho σ tb1 = f ( ) , trạng thái xuất phát trạng thái nhiệt độ min, ta có: σ θtb − 2 g θ2tb 2 g θ2 α = σ − − ( θ tb − θ ) CP β 24βσ θ2tb 24βσ CP (5.28a) - Cho σ tb = f ( ) , trạng thái suất phát trạng thái nhiệt độ trung bình, ta có: σ θ 222 2 g θ2 2 g θ2tb α − = σ CPtb − − ( θ − θ tb ) 2 24βσ θ 24βσ CPtb β (5.28b) thơng số σ θ , g θ ứng suất tỷ tải trạng thái nhiệt độ thấp nhất, σ θtb , g θtb ứng suất tỷ tải trạng thái nhiệt độ trung bình, σcp ứng suất cho phép nhiệt độ min, σcptb ứng suất cho phép nhiệt độ trung bình Hai đường cong (5.28a) (5.28b) cắt điểm, mà chiếu chúng trục hoành ta khoảng cột tới hạn 1th Biểu thức để xác định 1th cách thay giá trị điểm cắt vào hai phương trình trên, ví dụ phương trình (5.28a) với σ θtb = σ cptb ,  = 1th ; ta có: σ CPtb 12th g θ2tb 12th g θ2 α − = σ CP − − ( θ tb − θ ) 2 β 24βσ CPtb 24βσ CP Giải phương trình ta được: 1th = = α ( θ − θ tb ) + ( σ CP − σ CPtb ) β 2  g θ   g θtb    −    24β  σ CP   σ CPtb     αE ( θ − θ tb ) + ( σ CP − σ CPtb ) 2 E  g θ   g θtb    −    24  σ CP   σ CPtb     (5.29) 1) 3 th - khoảng cột tới hạn trạng thái nhiệt độ trung bình trạng thái bão: - Cho σ tb1 = f ( ) , trạng thái xuất phát trạng thái bão, ta có: σ θtb 2 g θ2tb 2 g 2bao α − = σ CP − − ( θ tb − θ bao ) β 24βσ θ2tb 24βσ CP (5.30a) - Cho σ tb = f ( ) , trạng thái suất phát trạng thái nhiệt độ trung bình, ta có: σ bao − 2 g 2bao 2 g θ2tb α = σ − − ( θ bao − θ tb ) CPtb 2 24βσ bao 24βσ CPtb β (5.30b) thơng số σ θtb , g θtb ứng suất tỷ tải trạng thái nhiệt độ trung bình, cịn σ bao , g bao ứng suất tỷ tải trạng thái bão, σcp ứng suất cho phép bão, σcptb ứng suất cho phép nhiệt độ trung bình Hai đường cong (5.30a) (5.30b) cắt điểm, mà chiếu chúng trục hoành ta khoảng cột tới hạn 3 th Biểu thức để xác định 3 th cách thay giá trị điểm cắt vào hai phương trình trên, ví dụ phương trình (5.30a) với σ θtb = σ cptb ,  = 1th ; ta có: 223 σ CPtb − 23 th g θ2tb 23 th g 2bao α = σ − − ( θ tb − θ bao ) CP 2 β 24βσ CPtb 24βσ CP Giải phương trình ta được: 1th = = α ( θ bao − θ tb ) + ( σ CP − σ CPtb ) β 2  g bao   g θtb    −    24β  σ CP   σ CPtb     αE ( θ bao − θ tb ) + ( σ CP − σ CPtb ) 2 E  g bao   g θtb    −    24  σ CP   σ CPtb     (5.31) Khoảng cột tới hạn 1th xác định từ phương trình (5.28a) với trạng thái xuất phát trạng thái nhiệt độ đường cong phương trình gọi đường cong (c) Khoảng cột tới hạn 3 th xác định từ phương trình (5.30a) với trạng thái xuất phát trạng thái bão đường cong phương trình gọi đường cong (d) Ta vẽ đường cong (c) (d) lên đồ thị  th thể hình 5.8a Trên trục tung đặt ứng suất cho phép σ CPtb trạng thái nhiệt độ trung bình kẻ đường nằm ngang, đường cắt đương (c) C đường (d) D Chiếu hai điểm C D lên trục hoành giá trị khoảng cột 1th , 3 th hình 5.8a Tại điểm C, lấy trạng thái nhiệt độ làm trạng thái xuất phát ứng suất trạng thái nhiệt độ trạng thái nhiệt độ trung bình ứng suất cho phép hai trạng thái Nếu  < 1th ứng suất trạng thái nhiệt độ trung bình nhỏ cho phép Như  < 1th ta lấy trạng thái nhiệt độ để làm trạng thái xuất phát Tại điểm D, lấy trạng bão làm trạng thái xuất phát ứng suất trạng thái bão trạng thái nhiệt độ trung bình ứng suất cho phép hai trạng thái Nếu  > 3 th ứng suất trạng thái nhiệt độ trung bình nhỏ cho phép Như  > 3 th ta lấy trạng thái bão để làm trạng thái xuất phát Nếu  < 3th lớn  th ứng suất trạng thái nhiệt độ trung bình lớn ứng suất cho phép, dod phải lấy trạng thái nhiệt độ trung bình làm trạng thái xuất phát Như 1th <  < 3 th lấy trạng thái nhiệt độ trung bình làm trạng thái xuất phát Tóm lại, trường hợp 1th <  th < 3 th hình 5.8 ta phải áp dụng trạng thái xuất phát dùng cơng thức để tính ứng suất σ x trạng thái x có gx θx sau: (i) Khi  < 1th , trạng thái xuất phát trạng thái nhiệt độ công thức tính : 224 σx − 2 g θ2 α 2 g 2x = σ − − ( θ x − θ ) CP β 24βσ 2x 24βσ CP (5.32) (ii) Khi 1th <  < 3 th , trạng thái xuất phát trạng thái nhiệt độ trung bình cơng thức tính: 2 g θ2tb 2 g 2x α σx − = σ CPtb − − ( θ x − θ tb ) 2 24βσ x 24βσ CPtb β (5.33) (iii) Khi  > 3 th , trạng thái xuất phát trạng thái bão cơng thức tính : 2 g 2bao α 2 g 2x σx − = σ CP − − ( θ x − θ bao ) β 24βσ 2x 24βσ CP (5.34) Ngoài trường hợp vừa xét trên, xảy trường hợp khác Trường hợp 3 th <  < 1th (hình 5.8b): Trong trường hợp này,  <  th ứng suất trang trạng thái nhiệt độ trung bình ln thấp σ CPtb , cịn  >  th ứng suất trạng thái nhiệt độ trung bình ln thấp σ CPtb Do trường hợp khơng phải tính đến 1th 3 th Dây dẫn cần tính theo  th , tức  <  th lấy trạng thái nhiệt độ làm trạng thái xuất phát,  >  th lấy trạng thái bão làm trạng thái xuất phát σ σcp σcptb σ θ = σ cp σbao C σ bao = σ cp D (c) σθmin σ σcp σcptb σ θ = σ cp σbao D (c) (d) σ bao = σ cp σθmin C (d) a) σ σcp σcptb σ θ = σ cp σbao (c) σ bao = σ cp D σθmin (d) b) σ σcp σcptb σ θ = σ cp σbao (c) C σ bao = σ cp (d)  σθmin d) c) 225 Hình 5.8 Đường cong biến thiên ứng suất theo loại khoảng cột Trường hợp khơng có 1th , có  th 3 th (hình 5.8c) Trong trường hợp  < 3th phải lấy trạng thái nhiệt độ trung bình làm trạng thái xuất phát,  > 3 th phải lấy trạng thái bão làm trạng thái xuất phát, cịn  th khơng có vai trị Trường hợp khơng có 3 th , có 1th  th (hình 5.8d) Trong trường hợp  th không dùng đến,  < 1th phải lấy trạng thái nhiệt độ làm trạng thái xuất phát,  > 1th lấy trạng thái nhiệt độ trung bình làm trạng thái xuất phát §5.5 TÍNH TỐN DÂY NHƠM LÕI THÉP AC 5.5.1 Khái niệm chung Các công thức dùng cho dây đồng kim loại, dây lưỡng kim mà thông dụng dây nhơm lõi thép AC cần phải có phân tích hiệu chỉnh Đối với dây AC, nhiệt độ thay đổi giãn nở chung phải một, bên sợi nhôm thép xuất lực tương tác chúng với Thực ví dụ nhiệt độ tăng phần nhơm giãn nhiều hơn, phần thép hơn, chúng bên chặt vào chế tạo nên phần thép bị phần nhồm kéo dài thêm, cịn phần nhơm bị phần thép co ngắn lại, kết chúng có mức co giãn Như hai phần chịu ứng suất phụ nhiệt độ gây ra, ứng suất cộng với ứng suất tải trọng gây tạo thành ứng suất thực phần dây Bài toán dây AC phải xác định thông chung cho chúng : môđun đàn hồi E0, ứng suất giả tưởng σ gt , hệ số giãn nở nhiệt đẳng trị α o , hệ số kéo dài đàn hồi đẳng trị β o Sau phân tích việc xác định thông số chung 5.5.2 Môđun đàn hồi E0 ứng suất giả thiết σ gt Khi dây AC chịu lực kéo T, lực phân cho hai phần nhôm T AL thép TFe : T = TAL+ TFe Khi ứng suất giả thiết : σ gt = T T = F FAL + FFe (5.35) FAL,FFe thiết diện phần nhôm phần thép Khi thay đổi trạng thái, dây bị thay đổi độ dài ∆ ta có: ∆ = Ta rút ra: 226 σ gt Eo = σ AL σ Fe = E AL E Fe (5.36) σ AL  E o  σ Fe   = σ gt E o  σ AL = σ gt σ Fe hay σ gt = σ AL Eo E = σ Fe o E AL E Fe (5.37) Theo (5.35) ta có : T = TAL+ TFe, mà T=σ.F nên σ gt F =σ AL FAL + σ Fe FFe Chia hai vế biểu thức cho ∆ được: σ gt ∆ mà ( FAL + FFe ) = σ AL FAL + σ Fe FFe , ∆ ∆ σ = E , nên E o ( FAL + FFe ) = E AL FAL + E Fe FFe , rút : ∆ Eo = Đặt a = E AL FAL + E Fe FFe = ( FAL + FFe ) E Fe FFe E AL FAL + F  F  FFe  AL + 1 FFe  AL + 1  FFe   FFe  E AL a.E AL + E Fe , ta có : E o = FFe (1 + a ) (5.38) Công thức (5.38) cho phép tính mơđun đàn hồi tồn dây AC, thay chúng vào (5.37) ta được: E AL E (1 + a )  = σ gt AL Eo E Fe + aE AL  E E (1 + a )   = σ gt Fe = σ gt FE Eo E Fe + aE AL  σ AL = σ gt σ Fe (5.39) Cơng thức (5.39) cho phép tính ứng suất thép nhôm theo ứng suất giả tưởng ngược lại 5.5.3 Hệ số kéo dài đàn hồi đẳng trị β o hệ số giãn nở nhiệt đẳng trị αo Hệ số kéo dài đàn hồi đẳng trị β o xác định theo biểu thức: βo = 1+ a = E o aE AL + E Fe (5.40) Hệ số giãn nở nhiệt đẳng trị αo cần xây dựng cơng thức tính Giả thiết phần nhôm thép tự dãn nở, không ảnh hưởng lẫn Lúc đầu, nhiệt độ nhiệt độ lúc chế tạo, hai phận nhôm thép có độ dài (vạch AB hình 5.9) Khi nhiệt độ tăng lên phần nhơm dãn nở nhiều phần thép, độ dài phần nhôm chiếm vị trí EF, cịn thép dãn nở chiếm vị trí IK Trên thực tế phần nhôm phần thép gắn chặt với nhau, nhôm thép dãn nở chiếm tới vị trí CD (nhơm bị nén lại từ EF tới CD, thép bị kéo dài thêm từ IK đến CD) 227 Thép A C I K B Nhơm E D F Hình 5.9 Sự dãn nở dây AC T , σ = ∆.E, ∆ = ∆α.∆θ F ta có T = σ.F = ∆.E.F = ∆α.∆θ.E.F ; Áp dụng biểu thức cho phần cho dây AC ta được: Theo mối liên hệ đại lượng σ, T, ∆, E, ∆θ σ = TFe = ( α Fe − α o )( θ − θ o ).E Fe FFe TAL = ( α AL − α o )( θ − θ o ).E AL FAL θo nhiệt độ ban đầu, θ nhiệt độ trạng thái xem xét Qui ước lực kéo có dấu cộng , cịn lực nén có dấu trừ, lực T AL có dấu cộng, cịn lực TFe có dấu trừ Theo luật cân lực ta viết: TFe + TAL = ⇒ ( α Fe − α o )( θ − θ o ).E Fe FFe + ( α AL − α o )( θ − θ o ).E AL FAL = ⇔ ( α Fe − α o ).E Fe FFe + ( α AL − α o ) E AL FAL = ⇔ α Fe E Fe − α o E Fe = −α AL E AL Đặt a = FAL F + α o E AL AL FFe FFe FAL thay vào phương trình trên, giải ta được: FFe αo = α Fe E Fe + a.α AL E AL E Fe + a.E AL (5.41) 5.5.4 Phương trình trạng thái đối tính toán học với dây AC Cũng giống dây đơn chất, dây AC điều kiện khí hậu khác ứng suất độ võng thay đổi khác Để xác định đại lượng cho trạng thái điều kiện khí hậu ta sử dụng phương trình trạng thái (5.22a) phải thay thông số σ gt , E o , β o , α o , cụ thể là: σ gtn 228 α 2 g 2n 2 g 2m − = σ gtm − − o ( θn − θm ) 2 24βσ gtn 24βσ gtm β o (5.42) Từ phương trình trạng thái (5.42) tùy theo trạng thái khí hậu xác định ứng suất σ gt theo phương pháp luận trình bày trước đây, từ xác định độ võng theo công thức quen thuộc f = 2 g 8σ gt §5.6 CHỐNG RUNG CHO DÂY 5.6.1 Hiện tượng rung dây Khi gió thổi lê dây dẫn khoảng cột tạo nên dịng xốy gần dây, dẫn đến tốc độ gió phía dây lớn phía lamg cho áp lực gió tác động lên dây trở thành không đồng Sự xuất thành phần dọc áp lực gió làm cho dây chuyển động lên, có xung lực tác động liên tục theo chiều lên xuống Nếu tần số xung lực gần tần số dao động riêng dây dây dao động mạnh trì Đó tượng rung dây dẫn khoảng cột Dây dẫn thường bị rung trì tốc độ gió điều hịa, xung lực tác động cách chu kỳ liên tục Sự rung dây dẫn phụ thuộc vào tốc độ gió, thường rung hay xảy tốc độ gió v = ÷ m/s thường có khoảng trống (cánh đồng chẳng hạn) khoảng vượt sông lớn Nếu gió q nhỏ, xung lực khơng đủ gây dao động Tần số rung dây tỷ lệ với tốc độ gió phụ thuộc vào đường dây xác định theo biểu thức sau: v f d = 200 ; [ Hz] d (5.43) : fd - tần số riêng dây dẫn; [Hz] v - vận tốc gió; [m/s] d - đường kính dây dẫn; mm Sự rung dây xảy hướng gió tạo với trục dây dẫn gúc chng ò = 45 ữ 900 Khi gúc khoảng 300 ÷ 450, rung khơng trì Khi ß < 30 khơng có tượng rung 5.6.2 Ảnh hưởng rung dây Khi bị rung dây dẫn chóng bị hư hỏng, đặc biệt chỗ kẹp nối dây Khi bị rung xuất ứng lực tác động chu kỳ Ngoài ứng lực tĩnh cịn có ứng lực động uốn gây kéo dài dây dẫn bị rung Bên cạnh đó, chỗ kẹp dây, sợi phải chịu thêm ứng lực riêng gây thiết bị kẹp dây Những ứng lực tahy đổi chu kỳ làm vật liệu bị „mỏi”, vượt giới hạn „mỏi” ( giới hạn 20 ÷ 25 % ứng lực phá hoại vật liệu) dây bị đứt sợi nhỏ, đứt sợi sợi lại bị đứt nhanh Phần dây chỗ kẹp bị hư hại mau phần xa kẹp 229 Muốn đường dây ổn định khơng rung mà khơng có biện pháp chống rung ứng suất trung bình hàng năm vật liệu khơng vượt q ÷ kg/mm với dây AC ÷ 10 kg/mm2 dây đồng Khi bị rung, dây dẫn dùng kẹp cố định bị hư hỏng nhanh dùng kẹp động (dây xê dịch được) chỗ kẹp cố định lực tập trung gây uốn dây dẫn xuất ứng lực phụ chỗ kẹp Nếu dùng kẹp động, hư hỏng dây giảm nhiều so với kẹp cố định rung sợi nhỏ bị đứt kẹp nặng khối lượng phần động kẹp lớn nhiều so với lượng dao động Ngay dùng kẹp quay, ta khơng thể loại trừ hồn tồn hư hỏng dây dẫn rung chu kỳ góc pha dao động hai pha dao động hai khoảng vượt kề không phù hợp với nên chỗ kẹp xuất uốn gây nên ứng lực động phụ Tóm lại dù kẹp loại gì, với loại dây dẫn phải có biện pháp giảm tối đa rung dây dẫn 5.6.3 Các biện pháp chống rung Biện pháp chống rung có hiệu thường áp dụng rộng rãi dùng tạ chống rung (hình 5.10) Tạ chống rung gồm hai đối trọng (quả tạ) nối với cán thép treo dây nhờ kẹp chuyên dụng Khi có rung, thiết bị triệt tiêu lượng dao động ma sát sợi cáp treo hai đối trọng Theo quy phạm trang bị điện cần phải đặt tạ chống rung trường hợp [1]: đường dây qua khu vực trống, phăng, khoảng cột 110m, ứng lực vận hành lúc bình thường hàng năm vượt trị số sau: 11,8 daN/mm dây đồng; 3,9 daN/mm dây nhôm; 5,9 daN/mm2 dây AC-35, 50, 70, 95; 20 daN/mm dây thép, 4,9 da N/mm2 dây AC-120 trở lên [1]; Khi khoảng cột 500 m bắt buộc phải dùng tạ chống rung Kẹp Dây dẫn Tạ Hình 5.10 Tạ chống rung Khoảng cách đặt tạ chống rung tính từ vị trí đặt tạ (vị trí kẹp) điểm treo dây dẫn xác định theo công thức sau [1]:  ta = 1,75 σ tb hay 230 F g1  ta = 0,0013d σ tb (5.44) F g1 (5.44a) :  ta - khoảng cách đặt tạ; [mm] σ tb - ứng suất trạng thái nhiệt độ trung bình năm; [daN/mm2] d - đường kính dây dẫn; [mm] F - tiết diện dây dẫn; [mm2] g1 – tỷ tải trọng lượng thân dây dẫn; [daN/m.mm2] Nói chung khoảng cách đặt tạ nằm khoảng 0,5÷1,2 m tính từ kẹp tạ đến điểm treo dây dẫn Loại tạ chống rung phụ thuộc vào tiết diện dây dẫn dây chống sét (xem bảng 5.3) Bảng 5.3 Khoảng cách đặt tạ khối lượng tạ Kích thước tạ chống rung Loại dây Độ dài; Trọng lượng;kg mm Quả tạ Toàn Dây thép 50 mm2 300 0,8 2,30 A-70-95; AC-70-95 350 0,8 2,35 Dây thép 70 mm2 400 1,6 4,05 A-120-185; AC-120-150; ACO-150; ACY120-150 450 1,6 4,13 A-240; AC-185-240; ACO-185-240; ACY185-240 500 2,4 5,60 A-300; ACO-300 550 3,2 8,10 A-400-500; AC-300-400; ACO-400-500; ACY-300-400 550 3,2 8,20 A-600; AC0-600 600 3,2 8,30 Trên giới thiệu kiến thức cách tính thơng số ứng suất, độ võng, khoảng cột tới hạn tạ chống rung chưa thể tính tốn chi tiết vấn đề thiết kế khí đường dây Các vấn đề thiết kế khí đường dây tham khảo tài liệu [1], [1a] 231 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]Trần Bách, “Lưới điện &Hệ thống điện- Tập 1,2&3”, NXB Khoa học&Kỹ thuật- 2004 [1a] Hoàng Hữu Thận, „Hướng dẫn thiết kế đường dây tải điện”, NXB Khoa học&Kỹ thuật2005 [2] Narain G.Hingorani & Laszio Gyugyi, “Understanding FACTS, Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems”, IEEE Press, 1999 [3] C.A Canizares, “Power flow and transient stability models of FACTS controllers for voltage and angle stability studies”, IEEE/PES WM on Modeling, Simulation and Application of FACTS Controllers in Angle and Voltage Stability Studies, Singapore, January 2000 [4] N Martins, H.Pinto, J Paserba, “ Using a TCSC for Power System Scheduling and System Oscillation Damping-Small Signal and Transient Stability Studies” In Proc IEEE/PES Winter Meeting, Singapore, January [5] R.Rajaraman, F.Alvarado, A.Maniaci, R Camfield, S Jalali, “Determination of location and amount of series compensation to increase power transfer capability”, IEEE Trans, on Power Systems, Vol.13, No 2, May 1998, pp.294-299 [6] R.J Piwko, C.A Wegner, B.L Damsky, B.C Furumasu, J.D Eden, “The Slatt Thyristor Controlled Series Capacitor Project-Dsign, Installation, Commissoning, and System Testing”, CIGRE paper 14-104 pans 1991 [7]S.Nyati, C.A Wegner, R.W Delmerico, D.H Baker, R.J Piwko, A Edns, “Effectiveness of Thyristor Controlled Series Capacitor in Enhancing Power System Dynamics: An Analog Simulator Study” IEEE Transactions on Power Delivery, April, 1994, pp 1018-1027 MỤC LỤC Trang Lời nói đầu .4 Danh mục chữ viết tắt .5 Chương Phân tích tính tốn thiết kế lưới điện 232 ... 201 Chương Tính tốn học đường dây tải điện không 205 5.1 Khái quát chung đường dây không 205 5.2 Phương trình thơng số cở đường dây khơng .210 5.3 Phương trình trạng thái đường dây dẫn ... 5.1.3 Tải trọng học đường dây khơng Có hai tải trọng tác động lên dây dẫn là: - Tải trọng trọng lượng dây gây ra; - Tải trọng áp lực gió tác động lên dây dẫn Tải trọng học trọng lượng dây Trọng... dụng vào, đường kính dây dẫn, cụ thể sau: - Dây dẫn có đường kính d≥20 mm k=1,1 - Dây dẫn có đường kính d