(Luận văn thạc sĩ) mô phỏng trường điện của đường dây truyền tải cao thế một chiều (HVDC) bằng phần mềm comsol

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ BÙI XUÂN TRUỜNG MÔ PHỎNG TRUỜNG ÐIỆN CỦA ÐUỜNG DÂY TRUYỀN TẢI CAO THẾ MỘT CHIỀU (HVDC) BẰNG PHẦN MỀM COMSOL NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN - 60520202 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 3/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ BÙI XUÂN TRƯỜNG MÔ PHỎNG TRƯỜNG ĐIỆN CỦA ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI CAO THẾ MỘT CHIỀU (HVDC) BẰNG PHẦN MỀM COMSOL NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2017 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Bùi Xuân Trường Ngày, tháng, năm sinh: 13/10/1982 Quê quán: Hà Nam Giới tính: Nam Nơi sinh: Hà Nam Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 101 Lê Hồng Phái – Gị Vấp - TPHCM Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: 0966.899.789 Fax: E-mail:xuantruongbui@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 2002 đến 2007 Nơi học (trường, thành phố): Học viện Kỹ thuật Quân - Hà Nội Ngành học: Kỹ thuật điện, điện tử Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Thiết kế chuyển nguồn tự động cho Học viện Kỹ thuật Quân Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: Tháng 06/2007 Hà Nội Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Văn Minh III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2007 - 2008 Công ty TNHH Quang Tuấn CBKT 2008 - Công ty Lưới điện Cao MN CBKT i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 03 năm 2016 (Ký tên ghi rõ họ tên) ii LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cám ơn chân thành quý thầy cô trường, đặc biệt thầy cô khoa Điện - Điện tử trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TPHCM, tận tình dạy, truyền đạt kiến thức tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình học tập vừa qua Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Vũ Phan Tú dành nhiều thời gian, công sức, quan tâm theo dõi, tận tình hướng dẫn động viên nhắc nhở em hoàn thành tốt luận văn Em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình người thân động viên, giúp đỡ em chỗ tựa vững giúp em an tâm học tập suốt thời gian vừa qua Tp Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2016 iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Ngày đường dây truyền tải điện cao áp chiều (HVDC) ứng dụng nhiều nước giới Với tốc độ tăng trưởng phụ tải nay, hệ thống truyền tải vấn đề đặt tương lai Truyền tải điện Việt Nam Luận văn đưa thuật tốn để phân tích điện trường, dịng vầng quang xung quanh đường dây truyền tải cao áp chiều, phân tích điện trường tạo từ đường dây truyền tải cao áp chiều phương pháp phần tử hữu hạn Trong luận văn có sử dụng phần mềm COMSOL MULTIPHYSICS để phân tích tính tốn điện trường đường dây truyền tải cao áp chiều trường hợp khác Kết sở liệu tốt cho việc tính tốn, thiết kế đường dây truyền tải HVDC Truyền tải điện Việt Nam tương lai ABSTRACT Nowadays transmission lines of high voltage direct current (HVDC) have been applied in many countries around the world With the growth of current load in Vietnam power transmission , the transmission system will be concerned in the coming time This paper offers algorithms to analyze the electric field and the corona around the high voltage direct current transmission lines It also analyzes electric field generated from high voltage direct current transmission lines which uses Finite Element Method In this paper uses COMSOL Multiphysics software to analyze and calculate the electric field of the high voltage direct current transmission lines in different cases These results are also good data base for the calculation and design of HVDC transmission line of Vietnam Power transmission in the near future iv MỤC LỤC Trang tựa Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ ii Tóm tắt iv Mục lục v Danh sách chữ viết tắt ix Danh sách hình ix CHƯƠNG : TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI MỘT CHIỀU HVDC 1.1.1 Lịch sử phát triển hệ thống truyền tải HVDC 1.1.2 Ưu nhược điểm đường truyền tải HVDC 1.1.3 Ý nghĩa việc nghiên cứu 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC 1.3 TĨM TẮT SƠ LƯỢC 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 1.3.2 DC Electric Fields From Corona-Generated Space Charge Near AC Transmission Lines 1.3.3 Analysis of Electric Field, Ion Flow Density, and Corona Loss of Same – Tower Double – Circuit HVDC Lines Using Improved FEM 1.3.4 Calculation and measurement of electric field under HVDC transmission line v 1.3.5 Finite Element Modelling of Ionized Field Quantities around a Monopolar HVDC Transmission Line 1.4 NHẬN XÉT 1.4.1 Đánh giá 1.4.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.5 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI MỘT CHIỀU HVDC 1.6 LÝ THUYẾT VẦNG QUANG 10 1.6.1 Vầng quang điện cực dương 11 1.6.2 Vầng quang điện cực âm 12 1.7 GIÁ TRỊ ĐIỆN TRƯỜNG VÀ ĐIỆN ÁP KHỞI TẠO VẦNG QUANG 13 1.7.1 Điện áp khởi tạo vầng quang dây dẫn đồng trục 14 1.7.2 Giá trị điện áp khởi tạo vầng quang đường dây đơn 14 1.7.3 Giá trị điện áp khởi tạo vầng quang đường dây kép 17 1.8 PHƯƠNG TRÌNH TỐN HỌC CỦA TRƯỜNG ION HĨA 19 1.8.1 Phương trình toán học đường dây Bipolar 19 1.8.2 Phương trình tốn học đường dây Monopolar 20 1.9 PHƯƠNG PHÁP LẶP 20 1.10 ĐƠN GIẢN HÓA CÁC GIẢ THIẾT 21 1.11 ĐƠN GIẢN HĨA PHƯƠNG TRÌNH TỐN HỌC 22 1.11.1 Đơn giản hóa phương trình tốn học mơ tả trường ion hóa đường dây kép 22 1.11.2 Đơn giản hóa phương trình mơ tả trường ion hóa dây dẫn đơn 22 1.11.3 Điều kiện biên 23 1.12 PHƯƠNG PHÁP GIẢI PHƯƠNG TRÌNH MƠ TẢ 24 1.12.1 Giải tốn trường ion hóa cấu trúc đối xứng 24 1.12.2 Giải toán trường ion hóa cấu trúc bất đối xứng 26 vi CHƯƠNG : GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM COMSOL 28 2.1 PHẦM MỀM COMSOL SIMULATION 28 2.2 MÔI TRƯỜNG COMSOL 30 2.3 NHỮNG MODULE TRONG COMSOL 32 2.4 INTERNET RESOURCES 33 CHƯƠNG : PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TRƯỜNG ION HOÁ 34 3.1 GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 34 3.1.1 Định nghĩa hình học 36 3.1.2 Các dạng phần tử 36 3.1.3 Các phần tử qui chiếu , phần tử thực 38 3.2 TẠO LƯỚI PHẦN TỬ HỮU HẠN 2D 39 3.2.1 Lưới Delaunay 39 3.2.2 Giải thuật tạo lưới Delaunay thích nghi 40 3.2.3 Ưu điểm lưới Delaunay thích nghi 41 3.3 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRÊN NỀN COMSOL TÍNH TỐN TRƯỜNG ĐIỆN HVDC 43 3.3.1 Phương trình nội suy 43 3.3.2 Đạo hàm ma trận phần tử việc giải phương trình Poisson 43 3.3.3 Tạo lưới tĩnh điện 49 CHƯƠNG : KẾT QUẢ TÍNH TỐN VÀ THẢO LUẬN 55 4.1 ĐƯỜNG ĐÂY MONOPOLAR 55 4.1.1 Đối với dây dẫn đồng trục 55 4.1.2 Đường dây Monpolar mơ hình dây dẫn - đất 60 4.2 ĐƯỜNG DÂY HOMOPOLAR 63 4.3 ĐƯỜNG DÂY BIPORLAR 67 vii 4.4 ĐƯỜNG DÂY HVDC LƯỠNG CỰC MẠCH KÉP 71 4.5 ẢNH HƯỞNG CẤU TRÚC ĐƯỜNG DÂY 77 4.6 ẢNH HƯỞNG CỦA CHẮN ĐIỆN TRƯỜNG 82 CHƯƠNG : HƯỚNG PHÁT TRIỂN VÀ KẾT LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 87 5.1 KẾT LUẬN 87 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 viii CHƯƠNG KẾT QUẢ TÍNH TỐN VÀ THẢO LUẬN Hình 4.40 : Chia miền khảo sát trường hợp Sau chạy phần mềm Comsol, để thấy phân bố trường điện mặt đất, ta cắt theo phương ngang vị trí y=0m Ta kết sau: Hình 4.41 : Điện trường mặt đất trường hợp 78 CHƯƠNG KẾT QUẢ TÍNH TỐN VÀ THẢO LUẬN Điện trường mặt đất có giá trị E = 19,3kV/m tăng gần đường dây 4.5.2 Trường hợp Xét trường hợp dây dẫn bố trí xoay 45 độ so sới trường hợp cho hình vẽ Hình 4.42 : Mơ hình đường dây trường hợp Ta chia miền cần khảo sát thành 10172 phần tử, ta kết sau: Hình 4.43 : Chia miền khảo sát trường hợp 79 CHƯƠNG KẾT QUẢ TÍNH TỐN VÀ THẢO LUẬN Tương tự trường hợp ta kết sau : Hình 4.44 : Điện trường mặt trường hợp Ghép đồ thị lại ta có kết so sánh điện trường đất mơ hình đường dây hình: 80 CHƯƠNG KẾT QUẢ TÍNH TỐN VÀ THẢO LUẬN Hình 4.45 : So sánh điện trường mặt đất trường hợp Hình 4.46 : So sánh điện trường mặt đất trường hợp báo số [2] Nhận xét : Từ kết ta thấy trường hợp dây dẫn xoay 45 độ có điện trường đất thấp so với điện trường sinh dây dẫn độ 81 CHƯƠNG KẾT QUẢ TÍNH TỐN VÀ THẢO LUẬN Việc xoay dây dẫn có ảnh hưởng đến điện trường xung quanh đường dây 4.6 ẢNH HƯỞNG CỦA CHẮN ĐIỆN TRƯỜNG Xét đường dây cực bố trí hình vẽ lắp thêm sợi dây chắn độ cao 7.6m  Điện áp vận hành V=+600kV  Chiều cao H=13m  Dây dẫn 4x30.5mm  Bán kính bó dây r=0.232m , dây chắn rc=0.0205m Hình 4.47 : Mơ hình đường dây có chắn điện trường Ta chia miền khảo sát thành 29440 phần tử , ta kết sau: 82 CHƯƠNG KẾT QUẢ TÍNH TỐN VÀ THẢO LUẬN Hình 4.48 : Chia miền khảo sát Sau chạy phần mềm Comsol trường hợp, ta cắt theo phương ngang vị trí y từ 0m đến 12m Ta kết trường hợp có khơng có dây chắn sau: Hình 4.49 : Kết có chắn 83 CHƯƠNG KẾT QUẢ TÍNH TỐN VÀ THẢO LUẬN Hình 4.50 : Có chắn báo số [2] Hình 4.51 : Khơng có chắn 84 CHƯƠNG KẾT QUẢ TÍNH TỐN VÀ THẢO LUẬN Hình 4.52 : Khơng có chắn báo số [2] Để so sánh ảnh hưởng điện trường đến người Ta so sánh điện trường mặt đất trường hợp có dây chắn khơng có dây chắn đồ thị sau: Hình 4.53 : Điện trường mặt đất trường hợp 85 CHƯƠNG KẾT QUẢ TÍNH TỐN VÀ THẢO LUẬN Nhận xét : Từ kết ta nhận thấy với đường dây có sử dụng dây chắn điện trường vị trí phía dây chắn có độ lớn nhỏ trường hợp không sử dụng dây chắn Ngược lại điện trường phía dây chắn có biên độ lớn đường dây không sử dụng dây chắn Như vậy, dây chắn có tác dụng làm giảm giá trị điện trường vùng phía dây Do làm hạn chế tác động điện trường môi trường làm giảm khả ảnh hưởng đến người làm việc xung quanh đường dây 86 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Chương KẾT LUẬN HƯỚNG PHÁT TRIỂN VÀ CỦA ĐỀ TÀI 5.1 KẾT LUẬN COMSOL hướng tính tốn thường đạt nghiệm gần toán giá trị biên ngành kỹ thuật Một toán biên tốn tốn học có nhiều biến phụ thuộc phải thỏa mãn phương trình vi phân nơi miền chọn biến độc lập thỏa mãn điều kiện xác định biên miền Các toán giá trị biên gọi tốn trường Một trường miền xét đặc trưng cho cấu trúc vật lý Các biến trường biến phụ thuộc xét bị ảnh hưởng phương trình vi phân Các điều kiện biên giá trị xác định biến trường biên trường Phụ thuộc vào kiểu toán vật lý phân tích, biến trường bao gồm nhiệt độ, truyền nhiệt, thủy cơ, điện từ,… Trường điện từ lớn ảnh hưởng lớn đến môi sinh, đặc biệt sức khỏe người Do đó, cần phải giảm thiểu trường điện từ đường dây HVDC Các biện pháp để giảm thiểu ảnh hưởng trường điện đường dây HVDC gây người mơi trường, q trình thiết kế đường dây cần phải ý đến biện pháp tăng độ treo cao đường dây điện, bố trí khoảng cách pha cho hợp lý, phân pha đường dây truyền tải, Trong trình đường dây vận hành khó áp dụng biện pháp nên người ta dùng lưới kim loại nối đất đặt đường dây Đề tài giải vấn đề đặt ra: - Tìm hiểu hệ thống đường dây truyền tải cao áp chiều HVDC - Phân tích điện trường tạo từ đường dây truyền tải cao áp chiều - Đưa thuật tốn để phân tích điện trường, dòng vầng quang xung quanh đường dây truyền tải cao áp chiều 87 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI - Nắm vững phương pháp phần tử hữu hạn việc giải toán kỹ thuật Đặc biệt vận dụng phương pháp phân tích điện trường đường dây HVDC đơn cực (Monopolar line) lưỡng cực (Bipolar line) - Tìm hiểu số biện pháp để giảm thiểu ảnh hưởng trường điện đường dây HVDC gây người môi trường xung quanh - Sử dụng COMSOL để phân tích tính tốn điện trường, đường dây truyền tải cao áp chiều trường hợp khác 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Trong giới hạn đề tài giải toán dựa điều kiện biên giả thuyết nhằm đơn giản hóa mơ hình tốn : - Độ dày lớp ion hóa xung quanh dây dẫn khơng đáng kể - Điện tích không gian ảnh hưởng độ lớn không phụ thuộc vào hướng điện trường - Vận tốc chuyển động ion dương ion âm không đổi - Độ khuếch tán ion dương ion âm không đáng kể - Trường điện khởi tạo vầng quang bề mặt dây dẫn số - Bề mặt dây dẫn tương đối đồng - Đường dây hình trụ dài vơ hạn, song song với với đất (đất coi mặt phẳng nằm ngang - Bỏ qua ảnh hưởng gió, ẩm ướt, nhiệt độ… Trong thực tế, điện trường tạo xung quanh đường dây truyền tải cao áp chiều cịn chịu tác động mơi trường ảnh hưởng gió, nhiệt độ mơi trường, độ khuếch tán ion,… Do cần phải có giải pháp mở rộng để giải vấn đề cách xác phù hợp cho tất dạng đường dây Tiếp tục xây dựng chương trình tính tốn cho đường dây truyền tải dạng đường dây cáp ngầm, phân pha… Tiếp tục nghiên cứu tính tốn trường điện từ đường dây truyền tải phương pháp số khác, đồng thời kết hợp thiết bị đo đạc điện trường thực tế để từ có sở so sánh kết phương pháp tính 88 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu sâu biện pháp làm giảm cường độ điện trường tạo làm giảm tác động điện trường lên thể người Trong tương lai, kết luận văn sở liệu tốt cho việc tính tốn, thiết kế đường dây truyền tải HVDC truyền tải điện Việt Nam để giảm cường độ điện trường, chẳng hạn tính tốn độ treo cao đường dây hợp lý, khoảng cách pha hợp lý… 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S Fortin, H Zhao, J Ma, “ A New Approach to Calculate the Ionized Field of HVDC Transmission in the Space and on the Earth Surface,” Power System Technology, 2006 PowerCon 2006 International Conference on [2] T Dan Bracken, Fellow, “DC Electric Fields From Corona-Generated Space Charge Near AC Transmission Lines,’’ IEEE Transactions on Power Delivery., Vo 20, pp 1692–1702, April 2005 [3] Jie Liu, Jun Zou, Jihuan Tian, and Jiansheng Yuan, “Analysis of Electric Field, Ion Flow Density, and Corona Loss of Same – Tower Double – Circuit HVDC Lines Using Improved FEM,” IEEE Transactions on Power Delivery, Vol 24, No 1, January 2009 [4] A Kasdia, Y Zebboudj, and H Yala, “Calculation and measurement of electric field under HVDC transmission line,’’ The European Physical Journal Applied Physics, Vol 37, pp 323 – 329, Issue 03, March 2007 [5] Vinay Jaiswal and M Joy Thomas, “Finite Element Modelling of Ionized Field Quantities around a Monopolar HVDC Transmission Line,” Journal of Physics D: Applies Physics, Vol 36, No 23, pp 3089-3094, December 2003 [6] Bo Zhang, Jinliang He, Rong Zeng, Shanqiang Gu, and Lin Cao, “Calculation of Ion Flow Field Under HVdc Bipolar,” IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL 43, NO 4, APRIL 2007 [7] T Dan Bracken, Fellow, IEEE, Russell S Senior, and William H Bailey, Member, IEEE, DC Electric Fields From Corona-Generated Space Charge Near AC Transmission Lines, IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL 20, NO 2, APRIL 2005 [8] M Abdel-Salam and Z Al-Hamouz, “A finite-element analysis of bipolar ionized field,’’ IEEE Trans Ind Applicat., vol 31, no.3, pp 477-483, 1995 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO [9] Z Al-Hamouz, M Abdel-Salam and A AI-Shehri, “Inception voltage of corona in bipolar ionized fields- Effect on corona power loss,” IEEE Trans Ind Appl vol 34, pp 57-65, 1998 [10] Z Al-Hamouz, “Adaptive finite element ballooning analysis of bipolar ionized fields,” IEEE Trans Ind Appl., vol 32, pp 1266- 1277, 1996 [11] W.deutsch, “Über die Dichteverteilung unipolarer Ionenströme”, annalen derphysik, Vol 5, issue 5, pp 589-613, 1963 [12] Zakariya M Al-Hamouz, Member, IEEE “Corona Power Loss, Electric Field, and Current Density Profiles in Bundled Horizontal and Vertical Bipolar Conductors” IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL 38, NO 5, SEPTEMBER/OCTOBER 2002 [13] Nels E Jewell-Larsen, Sergey V Karpov, Igor A Krichtafovitch, Vivi Jayanty, Chih-Peng Hsu, Alexander V Mamishev, “Modeling of coronainduced electrohydrodynamic flow with COMSOL multiphysics”, Proc ESA Annual Meeting on Electrostatics 2008, Paper E1 [14] B Benamar, E Favre, A Donnot, A Donnot and M.O Rigo, “Finite Element Solution for Ionized Fields iPrecipitator”, Laboratoire LERMAB, UMR 1093 INRA/ENGREF/UHP, COMSOL Users Conference 2007 Grenoble 91 S K L 0 ... VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ BÙI XUÂN TRƯỜNG MÔ PHỎNG TRƯỜNG ĐIỆN CỦA ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI CAO THẾ MỘT CHIỀU (HVDC) BẰNG PHẦN MỀM COMSOL NGÀNH:... phân tích điện trường, dịng vầng quang xung quanh đường dây truyền tải cao áp chiều, phân tích điện trường tạo từ đường dây truyền tải cao áp chiều phương pháp phần tử hữu hạn Trong luận văn có... phần mềm COMSOL MULTIPHYSICS để phân tích tính tốn điện trường đường dây truyền tải cao áp chiều trường hợp khác Kết sở liệu tốt cho việc tính tốn, thiết kế đường dây truyền tải HVDC Truyền tải