Luận văn Mô phỏng truờng điện của đuờng dây truyền tải cao thế một chiều (HVDC) bằng phần mềm Comsol (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Mô phỏng truờng điện của đuờng dây truyền tải cao thế một chiều (HVDC) bằng phần mềm Comsol (Phần 1)

1. 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 0 4 8 2 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3/2016
2. 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 2 năm 2017
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Bùi Xuân Trường Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 13/10/1982 Nơi sinh: Hà Nam Quê quán: Hà Nam Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 101 Lê Hoàng Phái – Gò Vấp - TPHCM Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0966.899.789 Fax: E-mail:xuantruongbui@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. 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 sự - Hà Nội Ngành học: Kỹ thuật điện, điện tử Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế bộ chuyển nguồn tự động cho Học viện Kỹ thuật Quân sự. Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Tháng 06/2007 tại Hà Nội Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Văn Minh III. QUÁ TRÌNH CÔNG 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 - nay Công ty Lưới điện Cao thế MN CBKT i
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 03 năm 2016 (Ký tên và ghi rõ họ tên) ii
5. LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cám ơn chân thành quý các thầy cô trong trường, đặc biệt là các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TPHCM, đã tận tình chỉ dạy, truyền đạt kiến thức cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập vừa qua. Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Vũ Phan Tú đã dành nhiều thời gian, công sức, quan tâm theo dõi, tận tình hướng dẫn và động viên nhắc nhở em hoàn thành tốt luận văn này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và người thân đã động viên, giúp đỡ em và là chỗ tựa vững chắc giúp em an tâm học tập trong suốt thời gian vừa qua. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2016 iii
6. TÓM TẮT LUẬN VĂN Ngày nay đường dây truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC) đã và đang được ứng dụng tại nhiều nước trên thế giới. Với tốc độ tăng trưởng phụ tải như hiện nay, hệ thống truyền tải này sẽ là vấn đề được đặt ra trong tương lai của Truyền tải điện Việt Nam. Luận văn này đưa ra thuật toán để phân tích điện trường, dòng vầng quang xung quanh đường dây truyền tải cao áp một chiều, phân tích được điện trường tạo ra từ đường dây truyền tải cao áp một chiều bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Trong luận văn có sử dụng phần mềm COMSOL MULTIPHYSICS để phân tích và tính toán điện trường của đường dây truyền tải cao áp một chiều trong các trường hợp khác nhau. Kết quả này cũng là cơ sở dữ liệu tốt cho việc tính toán, thiết kế các đường dây truyền tải HVDC của Truyền tải điện Việt Nam trong 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
7. 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 các chữ viết tắt ix Danh sách các hình ix CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1 1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI MỘT CHIỀU HVDC 1 1.1.1 Lịch sử phát triển hệ thống truyền tải HVDC 1 1.1.2 Ưu nhược điểm của đường đây truyền tải HVDC 2 1.1.3 Ý nghĩa của việc nghiên cứu 3 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 4 1.3 TÓM TẮT SƠ LƯỢC BÀI BÁO LIÊN QUAN 5 1.3.1 A New Approach to Calculate the Ionized Field of HVDC Transmission in the Space and on the Earth Surface 5 1.3.2 DC Electric Fields From Corona-Generated Space Charge Near AC Transmission Lines 5 1.3.3 Analysis of Electric Field, Ion Flow Density, and Corona Loss of Same – Tower Double – Circuit HVDC Lines Using Improved FEM 6 1.3.4 Calculation and measurement of electric field under HVDC transmission line 6 v
8. 1.3.5 Finite Element Modelling of Ionized Field Quantities around a Monopolar HVDC Transmission Line 6 1.4 NHẬN XÉT 6 1.4.1 Đánh giá 7 1.4.2 Mục tiêu nghiên cứu 7 1.5 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI MỘT CHIỀU HVDC 8 1.6 LÝ THUYẾT VẦNG QUANG 10 1.6.1 Vầng quang tại điện cực dương 11 1.6.2 Vầng quang tại 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 của dây dẫn đồng trục 14 1.7.2 Giá trị điện áp khởi tạo vầng quang của đường dây đơn 14 1.7.3 Giá trị điện áp khởi tạo vầng quang của đường dây kép 17 1.8 PHƯƠNG TRÌNH TOÁN HỌC CỦA TRƯỜNG ION HÓA 19 1.8.1 Phương trình toán học đường dây Bipolar 19 1.8.2 Phương trình toán học đường dây Monopolar 20 1.9 PHƯƠNG PHÁP LẶP 20 1.10 ĐƠN GIẢN HÓA CÁC GIẢ THIẾT 21 1.11 ĐƠN GIẢN HÓA PHƯƠNG TRÌNH TOÁN HỌC 22 1.11.1 Đơn giản hóa phương trình toán học mô tả trường ion hóa của đường dây kép 22 1.11.2 Đơn giản hóa phương trình mô tả trường ion hóa của dây dẫn đơn 22 1.11.3 Điều kiện biên 23 1.12 PHƯƠNG PHÁP GIẢI PHƯƠNG TRÌNH MÔ TẢ 24 1.12.1 Giải bài toán trường ion hóa trong cấu trúc đối xứng 24 1.12.2 Giải bài toán trường ion hóa trong cấu trúc bất đối xứng 26 vi
9. CHƯƠNG 2 : 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 3 : 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 của lưới Delaunay thích nghi 41 3.3 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRÊN NỀN COMSOL TÍNH TOÁN TRƯỜNG ĐIỆN HVDC 43 3.3.1 Phương trình nội suy 43 3.3.2 Đạo hàm ma trận phần tử và việc giải phương trình Poisson 43 3.3.3 Tạo lưới tĩnh điện 49 CHƯƠNG 4 : KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 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 trong mô hình dây dẫn - đất 60 4.2 ĐƯỜNG DÂY HOMOPOLAR 63 4.3 ĐƯỜNG DÂY BIPORLAR 67 vii
10. 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 5 : 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
11. CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN HVDC : High Voltage Direct Current PDEs : Partial Differential Equations FEM : Finite Element Method MOC : Method Of Characteristic DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1. 1 : Mô hình đường dây Monopolar 8 Hình 1. 2 : Mô hình đường dây Bipolar 8 Hình 1. 3 : Mô hình đường dây Homopolar 9 Hình 1. 4 : Cấu trúc lớp ion hoá xung quanh dây dẫn 11 Hình 1. 5 : Sự hình thành thác điện tích trong phóng điện vầng quang của dây dẫn điện thế dương 12 Hình 1. 6 : Sự hình thành thác điện tích trong phóng điện vầng quang của dây dẫn điện thế âm 13 Hình 1. 7 : Cấu trúc dây dẫn đồng trục 14 Hình 1. 8 : Mô hình đường dây - đất 15 Hình 1. 9 : Điện tích đặc trưng tại một điểm của mô hình dây dẫn – đất 16 Hình 1. 10 : Điện tích đặc trưng tại một điểm của mô hình dây kép 18 Hình 1. 11 : Lưu đồ phép lặp xác định E và 20 Hình 1. 12 : Điều kiện biên đối với mô hình dây dẫn đồng trục 23 Hình 1. 13 : Điều kiện biên đối với mô hình đường dây - đất 24 Hình 1. 14 : Điều kiện biên đối với mô hình đường dây kép 24 Hình 2. 1 : Giao diện các module trong FEMLAB 30 Hình 3. 1 : Các dạng biên chung giữa các phần tử 36 Hình 3. 2 : Phần tử quy chiếu và các phần tử thực tam giác 38 ix
12. Hình 3. 3 : Minh hoạ Delaunay và Locally Delaunay 39 Hình 3. 4 : Lưới tam giác Delaunay 40 Hình 3. 5 : Rời rạc hoá miền khảo sát bài toán Poisson 42 Hình 3. 6 : Tham số của phần tử tam giác 46 Hình 3. 7 : Đường điện trường của đường dây Bipolar 50 Hình 3. 8 : Đường điện trường và đường đẳng thế của đường dây Bipolar 52 Hình 3. 9 : Đường điện trường của đường dây Bipolar 53 Hình 4. 1 : Cấu trúc đường dây Monopolar 55 Hình 4. 2 : Lưới phần tử hữu hạn dây dẫn đồng trục 56 Hình 4. 3 : Phân bố trường điện 56 Hình 4. 4 : Phân bố đường điện trường theo mặt cắt ngang 57 Hình 4. 5 : Phân bố đường đẳng thế theo mặt cắt ngang 57 Hình 4. 6 : Phân bố đường điện trường tại vị trí cách dây dẫn khoảng cách y=0.285m 58 Hình 4. 7 : Phân bố đường điện trường tại các độ cao khác nhau 59 Hình 4. 8 : Phân bố điện trường tại các độ cao khác nhau trong bài báo số [1] 59 Hình 4. 9 : Cấu trúc đường dây Monpolar 60 Hình 4. 10 : Chia lưới phần tử đường dây dẫn – đất 60 Hình 4. 11 : Phân bố điện trường 61 Hình 4. 12 : Phân bố điện trường theo mặt cắt ngang 61 Hình 4. 13 : Mặt đẳng thế theo phương ngang 62 Hình 4. 14 : Phân bố trường điện tại các độ cao khác nhau 62 Hình 4. 15 : Phân bố trường điện tại các độ cao khác nhau trong bài báo số [1] 63 Hình 4. 16 : Cấu trúc đường dây Homopolar 64 Hình 4. 17 : Lưới phần tử hữu hạn 64 Hình 4. 18 : Phân bố điện trường của đường dây Homopolar 3 cực 65 Hình 4. 19 : Phân bố đường điện trường theo mặt cắt ngang 65 Hình 4. 20 : Phân bố đường đẳng thế theo mặt cắt ngang 66 Hình 4. 21 : Điện trường phân bố ở các độ cao khác nhau 66 x
13. Hình 4. 22 : Điện trường phân bố ở các độ cao khác nhau trong bài báo số [2] 67 Hình 4. 23 : Mô hình đường dây và miền khảo sát 68 Hình 4. 24 : Lưới phần tử hữu hạn 68 Hình 4. 25 : Phân bố điện trường của đường dây Bipolar 69 Hình 4. 26 : Phân bố đường điện trường thao mặt cắt ngang 69 Hình 4. 27 : Phân bố đường đẳng thế theo mặt cắt ngang 70 Hình 4. 28 : Điện trường phân bố ở các độ cao khác nhau 70 Hình 4. 29 : Điện trường phân bố ở các độ cao khác nhau trong bài báo số [2] 71 Hình 4. 30 : Mô hình đường dây HVDC lưỡng cực kép với 2 dây chống sét 72 Hình 4. 31 : Chia miền khảo sát 72 Hình 4. 32 : Phân bố điện trường của đường dây HVDC lưỡng cực có dây chống sét 73 Hình 4. 33 : Phân bố đẳng thế theo mặt cắt ngang 73 Hình 4. 34 : Phân bố điện trường theo mặt cắt ngang 74 Hình 4. 35 : Phân bố điện trường ở các độ cao khác nhau 74 Hình 4. 36 : Phân bố điện trường khi càng gần dây chống sét 75 Hình 4. 37 : Điện trường thay đổi khi thay đổi S1 75 Hình 4. 38 : Điện trường thay đổi khi thay đổi h2 76 Hình 4. 39 : Mô hình đường dây trường hợp 1 77 Hình 4. 40 : Chia miền khảo sát trường hợp 1 76 Hình 4. 41 : Điện trường tại mặt đất của trường hợp 1 78 Hình 4. 42 : Mô hình đường dây trường hợp 2 79 Hình 4. 43 : Chia miền khảo sát trường hợp 2 79 Hình 4. 44 : Điện trường tại mặt mất trường hợp 2 80 Hình 4. 45 : So sánh điện trường tại mặt đất của 2 trường hợp 81 Hình 4. 46 : So sánh điện trường tại mặt đất trong 2 trương hợp trong bài báo số [2] 81 Hình 4. 47 : Mô hình đường dây có màn chắn điện trường 82 Hình 4. 48 : Chia miền khảo sát 83 Hình 4. 49 : Có màn chắn 83 Hình 4. 50 : Có màn chắn trong bài báo số [2] 84 xi
14. Hình 4. 51 : Không có màn chắn 84 Hình 4. 52 : Không có màn chắn trong bài báo số [2] 85 Hình 4. 53 : Điện trường tại mặt đất của 2 trường hợp 85 xii
15. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Chương 1 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 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 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 thiết 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 dụng. 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: - Năm vận hành: 1984-1987. - Công suất truyền tải: 3150 (mạch 1) + 3150 (mạch 2) = 6300 MW. 1
16. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN - Điện áp 1 chiều: +/- 600 kV. - 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: - Năm vận hành: 1998. - Công suất truyền tải: 440 MW. - Điện áp 1 chiều: 350 kV. - 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: - Năm vận hành: 1990. - 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 đây 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: 2
17. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN - 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. Nhược điểm - 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 chỗ 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 3
18. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 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 với con người và môi trường xung quanh. 1.2 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, NASTRAN, ANSYS, TITUS, MODULEF, SAP 2000, CASTEM 2000, SAMCEF v.v. Đặc biệt 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 bắt đầu được áp dụng rộng rãi. 4
19. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 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. 1.3 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). 5
20. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 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 được 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 được 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 trường 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 trình 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 được công bố trước đây. 1.4 NHẬN XÉT 6
21. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.4.1 Đánh giá 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 nhiều công cụ tính toán, giải thuật đã được 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 đường 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 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 luận văn 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). 1.4.2 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu sau khi thực hiện xong luận văn có thể: - Tìm hiểu về hệ thống đường dây truyền tải cao áp một chiều HVDC. - Nắm vững cơ sở lý thuyết điện trường của đường dây truyền tải HVDC. - Nắm vững phương pháp phần tử hữu hạn trong việc giải các bài toán kỹ thuật. Đặc biệt là vận dụng phương pháp trong 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 của đường dây HVDC trong các trường hợp khác nhau. - Tìm hiểu một số biện pháp để giảm thiểu ảnh hưởng của trường điện do đường dây HVDC gây ra đối với con người và môi trường xung quanh. 7
22. S K L 0 0 2 1 5 4