Nghiên cứu tính toán vầng quang và biến dạng sóng trên đường dây truyền tải điện do quá điện áp khí quyển

1 CHƯƠNG I MỞ ĐẦU I Đặt vấn đề Cùng với phát triển kinh tế đất nước, ngành Điện Lực Việt Nam phát triển mạnh nhu cầu áp lực phát triển lớn từ phía phụ tải Vì ngành điện phải đầu tư xây dựng hệ thống điện truyền tải với cấp điện áp cao, việc truyền tải điện cấp điện áp cao nảy sinh nhiều vấn đề mặt kỹ thuật khác với lưới điện có cấp điện áp thấp Vì điện áp vận hành hệ thống cao nên biên độ điện áp độ lớn từ gây áp lực nguy hiểm cho cách điện đường dây cách điện thiết bị Hệ thống điện 500KV hình thành Việt Nam từ năm 1994 tiếp tục phát triển đường dây 500KV mạch đóng điện kip thời vào mùa khô năm 2005 giải tình trạng thiếu điện Miền Bắc, điều cho thấy việc thiết kế, tính toán vận hành đường dây theo qui trình chặt chẽ Đường dây truyền tải đóng vai trò quan trọng hệ thống điện, liên kết nhà máy điện hộ tiêu thu điện Do đường dây truyền tải có chiều dài lớn cấp điện áp cao, với chiều dài lớn trải dài từ Bắc chí Nam nước ta nên việc xảy cố hứng chịu nhiều đợt thiên tai cố vận hành đường dây không tránh khỏi Hiện tượng vầng quang xuất đường dây truyền tải chủ yếu điện áp gây (quá điện áp khí điện áp nội bộ) Vì vầng quang vấn đề cần khảo sát nghiên cứu, vầng quang làm giảm biên độ điện áp điện áp xung khí gây vầng quang yếu tố bỏ qua Khi tính toán thiết kế cần xem xét cách kỹ lưỡng tượng tổn hao vầng Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân GVHD: TS Dương Vũ Văn quang đường dây để tiết kiệm cách điện cho đường dây thiết bị điện nhà máy điện trạm biến áp Vì việc nghiên cứu tính toán vầng quang đường dây tải điện cao áp cần thiết mục đích hổ trợ công việc thiết kế đường dây dự báo cố xảy đường dây vận hành cách liên tục, ổn định để tránh tổn thất kinh tế II Nhiệm vụ luận văn Nghiên cứu vầng quang chiều Nghiên cứu vầng quang xoay chiều Nghiên cứu vầng quang xung Nghiên cứu mô hình vầng quang có Chương trình mô Matlab III Phạm vi luận văn Nghiên cứu vầng quang chiều Nghiên cứu vầng quang xoay chiều Nghiên cứu vầng quang xung Nghiên cứu mô hình vầng quang có Lựa chọn mô hình Chương trình mô Matlab Kiểm chứng, đánh giá độ xác mô hình IV Các bước tiến hành - Nghiên cứu phần mềmï Matlab - Nghiên cứu mô hình vầng quang có - Thu thập tài liệu Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân GVHD: TS Dương Vũ Văn - Lựa chọn mô hình - Thực thi mô hình - Đánh giá mô hình V Tính đề tài - Nghiên cứu đặc tính động (phụ thuộc điện áp) mô hình vầng quang cho pha đường dây truyền tải điện - Phương pháp giải dùng hệ phương trình trạng thái giải mô hình vầng quang - Giải toán mô hình vầng quang pha với hệ phương trình trang thái so sánh độ xác với mô hình thí nghiệm VI Tính thực tiễn - Là công cụ hữu ích để phân tích thí nghiệm mô vầng quang thiết kế lựa chọn tối ưu thiết bị cho đường dây tải điện, nhà máy điện trạm biến áp - Là công cụ quan trọng việc xem xét phối hợp cách điện nghiên cứu độ biến dạng điện áp xung đường dây - Với phần mềm Matlab quen thuộc thông dụng giúp ích cho việc nghiên cứu, phục vụ công tác thiết kế đường dây tải điện VII Nội dung luận án Chương Mở đầu Chương Tổng quan vầng quang Chương Các mô hình tính toán vầng quang xung có Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân GVHD: TS Dương Vũ Văn Chương4 Phương pháp phân tích độ không gian trang thái đường dây tải điện với vầng quang Chương Kết qủa mô kết luận Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân GVHD: TS Dương Vũ Văn CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ VẦNG QUANG I Giới thiệu: - Điện áp xung truyền đường dây tải điện không bị tổn hao méo dạng phụ thuộc vào nhiều yếu tố Vầng quang yếu tố làm giảm giá trị biên độ độ dốc điện áp xung Vầng quang có vai trò quan trọng việc bảo vệ điện áp cách điện đường dây - Hiệu ứng vầng quang truyền đường dây nhà khoa học nghiên cứu từ đầu kỷ 19 Vầng quang tượng độ đường dây truyền tải Tuy nhiên vầng quang tính cách định lượng nhiều lý do: Tính chất vật lý phức tạp vầng quang, ảnh hưởng qua lại vầng quang điện áp xung - Mặc dù vầng quang đường dây truyền tải gây tổn hao điện áp, nhiễu tín hiệu thông tin, vô tuyến, hiệu ứng điện trường, thay đổi điện dung đường dây… vầng quang điện làm suy hao biến dạng sóng điện áp xung đường dây vầng quang làm tiết kiệm vật liệu cách điện, thiết bị bảo vệ cho đường dây, cho nhà máy điện trạm biến áp… II Sự hình thành vầng quang: Vầng quang dạng phóng điện tự trì xuất điện trường không đồng Khi điện áp tác dụng đạt đến trị số đấy, cường độ điện trường gần điện cực có bán kính cong bé đạt đến trị số tới hạn để gây ion hoá va chạm không khí, phóng điện trì thực Nhưng, thác dòng plasma Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân GVHD: TS Dương Vũ Văn tạo nên tồn lớp khí mỏng xung quanh điện cực bán kính cong bé (nơi có ion hoá va chạm) Trong khoảng cách lại, không khí giữ tính chất cách điện Đây dạng phóng điện không hoàn toàn hay phóng điện cục Quá trình kết hợp lại điện tích trái dấu trình trở trạng thái bình thường phân tử khí bị kích thích phát nhiều photon, làm cho lớp khí mỏng bao quanh điện cực có kính cong bé toả sáng, tạo nên vầng sáng, mà có tên gọi vầng quang (corona) III CÁC DẠNG PHÓNG ĐIỆN VẦNG QUANG TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN: Phóng điện vầng quang đường dây tải điện dạng điện áp khác xét ba dạng sau: vầng quang điện chiều, vầng quang điện xoay chiều tần số công nghiệp vầng quang điện áp xung 1.Vầng quang đường dây tải điện chiều: Đường dây truyền tải điện chiều nước ta chưa xây dựng phát triển số nước Bắc Mỹ có ngành điện lực phát triển mạnh họ xây dựng vận hành đường dây truyền tải điện chiều có tính vượt trội Do vầng quang truyền tải điện chiều cần nghiên cứu a Khái niệm: Xung quanh dây dẫn đường dây tải điện có điện áp cao (điện cực có bán kính cong bé) nơi có điện trường đủ cao để gây ion hoá va chạm chất khí gây nên phóng điện vầng quang Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân GVHD: TS Dương Vũ Văn b Phân loại: - Vầng quang đơn cực: trường hợp vầng quang xuất cực, cực cường độ điện trường bé nên không xảy ion hoá không khí Ví dụ: trường hợp dây dẫn mang điện chiều mặt đất I + + + + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + + + +u + + + + + + + + + + + + + + ++ + + + + + - Hình 1.1: Vầng quang đơn cực đường dây tải điện chiều - Vầng quang lưỡng cực: vầng quang đồng thời xuất cực trái dấu Ví dụ: đường dây tải điện chiều gồm dây dẫn điện ±U + + + + + + + + + + + + + + + + ++ + + + + + + + ++ + + + + +u + + + + + + + + + ++ + + + + + ++++++ + + + + + Hình 1.2: Vầng quang lưỡng cực đường dây tải điện chiều Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân GVHD: TS Dương Vũ Văn c Một số công thức: - Cường độ điện trường tới hạn bề mặt dây dẫn vầng quang ổn định: Evq = 30.3m δ ( ro.δ ) [kV/cm] (1.1) - Điện áp phát sinh vầng quang: Uvq=Evq.r0.ln s [kV] r0 (1.2) Với: m - hệ số nhẵn dây dẫn, dây vặn xoắn m = 0.82- 0.9 r0 - bán kính dây dẫn (cm) s - khoảng cách hai dây dẫn s >> ro (cm) δ - Mật độ tương đối không khí - Tổng quát, tổn hao vầng quang ứng với đơn vị chiều dài đường dây (km) P = U.ivq - (1.3) Lượng ion rời khỏi vầng sáng phụ thuộc điện áp tác dụng U, suy ivq = f(U) Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân GVHD: TS Dương Vũ Văn ivq(µA/k m) 20 10 26 3 u(kV) Hình 1.3: Dòng điện vầng quang đường dây tải điện chiều phụ thuộc vào điện áp Trên sở vầng quang ổn định, ta xác định biểu thức gần cho ivq=(U) ta có: Evq = Eo ivq / đơn vị dài = const ivq = với A = 8.π εo.ε k U.(U - Uvq) = k.A.U.(U-Uvq) R ln( R / ro) (1.4) 8.π εo.ε hệ số phụ thuộc kích thước hình học dây dẫn R ln( R / ro) - Tổn hao vầng quang đơn vị chiều dài đường dây tải điện chiều P = U.ivq = k.A U2 (U - Uvq) Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân [kw/km] (1.5) GVHD: TS Dương Vũ Văn 10 P(kW/k m) 0.8 0.6 0.4 0.2 100 U(kV) 300 200 – Thời tiết tốt – Mưa phùn Hình 3.3: Tổn hao vầng quang đường dây tải điện chiều, đường kính dây dẫn 25 mm Vầng quang đường dây tải điện xoay chiều: a Sự di chuyển điện tích không gian: Trên đường dây tải điện xoay chiều, cực tính dây dẫn thay đổi chu kỳ Trong nửa chu kỳ này, xuất phóng điện vầng quang, số điện tích không gian dấu với cực tính dây dẫn bị đẩy xa, sang nửa chu kỳ sau, cực tính dây dẫn thay đổi, số điện tích không gian lại bị kéo phía dây dẫn Cũng dựa tính chất cường độ điện trường bề mặt dây dẫn suốt trình phóng điện vầng quang nửa chu kỳ không đổi trị số tới hạn Evq = Eo, mật độ điện tích không gian ρ vầng quang ổn định không đổi ta có Er = const Như vậy, điểm cách xa trục dây dẫn đoạn r có quan heä: E * r = Eo * ro = const Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân GVHD: TS Dương Vũ Văn 58 CHƯƠNG V KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN Ứng dụng cho đường dây truyền tải với thông số sau: - Chiều dài l = 2185.4m - Dạng điện áp xung chuẩn 1.3/6.2 µs - Biên độ điện áp xung V=1560 KV - Điện áp ngưỡng phát sinh vầng quang: Vc = 550 KV - Độ treo cao trung bình đường dây: h = 18.9 m - Bán kính dây dẫn là: r = 2.54 cm Tham số đường dây tần số cao: - Điện trở đơn vị dây dẫn: r0 = 11.35Ω / km - Cảm kháng đơn vị đường dây: l0 = 1.73mH / km - Điện dung đơn vị đường dây: C0 = 7.8ηF / km Giá trị điện áp thay đổi theo phương pháp trạng thái không gian đường dây x = 655.6m, x = 1291.4m vaø x = 2185.4m khác với dạng điện áp xung x = Hằng số vầng quang cho bỡi mô hình vầng quang Skilling-Umoto laø: - σ c = 30 - σ G = 10x106 Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân GVHD: TS Dương Vũ Văn 59 Kết mô phỏng: Mô hình Gary: Với dạng xung 1.3/6.2 µs Hình 4.1 Đáp ứng xung vầng quang đường dây với r = 2.54 cm Mô hình Umoto: Với dạng xung 1.3/6.2 µs Hình 4.2 Đáp ứng xung vầng quang đường dây với r = 2.54 cm x=0m x = 655.6 m x = 1291.4 m x = 2185.4 m Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân GVHD: TS Dương Vũ Văn 60 Hình 4.3 Đáp ứng xung với vầng quang thí nghiệm đường dây truyền tải x=0m x = 658.4 m x = 2185.4 x = 1295.5 So sánh kết mô phỏ n g mô hình vầ n g Umoto Gary với mô m m hình thực nghiệm: - Dạng sóng độ biến dạng sóng có kết giống - Đường dây dài độ biến dạng suy giảm sóng điện áp lớn Với dạng xung 1.3/6.2 µs Hình 4.4 Đáp ứng xung vầng quang đường dây với r = 2.54 cm Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân GVHD: TS Dương Vũ Văn 61 Hình 4.5 Đáp ứng xung vầng quang đường dây với r = 2.54 cm x=0m x = 198.6 m x = 1291.4 m x = 2185.4 m Hình 4.6 Đáp ứng xung vầng quang đường dây với r = 2.54 cm độ treo cao trung bình h=12.8m Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân GVHD: TS Dương Vũ Văn 62 Hình 4.7 Đáp ứng xung vầng quang đường dây với r = 2.54 cm Độ treo cao trung bình dây dẫn h=12.8m x=0m x = 198.6 m x = 1291.4 m x = 2185.4 m So sánh kết hình 4.1 4.2 độ treo cao trung bình dây dẫn h=18.9m với hình vẽ 4.6 4.7 độ treo cao trung bình dây dẫn h=12.8m ta thấy dạng sóng vầng quang không ảnh hưởng nhiều vào độ treo cao dây dẫn Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân GVHD: TS Dương Vũ Văn 63 %************************************** % Chuong trinh chinh MainProgram.m %************************************** clear all; Initial; k=1; disp('Nhap kieu mo hinh vang quang') disp('1 Gary Model'); disp('2 Umoto Model'); q=input('Option : '); while k0) if q==1 Học viên: Nguyễn Bửu Phạm Nhật Tân GVHD: TS Dương Vũ Văn 64 % -% Dien dung dong cua mo hinh Gary % C=Cn*neta*(V/Vc)^(neta-1); else % -% Dien dung dong cua mo hinh Umoto % -C=2*Kc*(1-Vc/V)+Cn; end G=Kr*(1-Vc/V)^2; A(i,i-1)=1/C; A(i,i)=-G/C; if i