Tính toán khả năng mang tải của đường dây trên không bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Nội dung text: Tính toán khả năng mang tải của đường dây trên không bằng phương pháp phần tử hữu hạn

1. Tính Toán Khả Năng Mang Tải Của Đường Dây Trên Không Bằng Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn TS. Vũ Phan Tú (1) Trần Thiện Tường (2) (1) Trường Đại học Quốc gia TP.HCM , (2) Trường Cao đẳng Công thương TP.HCM TÓM TẮT Ngày nay, hầu hết các công nghệ phát điện mới của các nước trên thế giới được hòa vào mạng lưới phân phối điện và điều này dẫn đến một sự gia tăng đáng kể công suất truyền tải. Nâng cấp và xây dựng mới một đường dây thường là tốn kém cho các nhà khai thác mạng. Do đó, chúng ta cần phải đánh giá khả năng mang tải của các đường dây trên không hiện có với các điều kiện khí hậu và môi trường lắp đặt để có thể vận hành đường dây truyền tải và phân phối ở dòng cao hơn so với giới hạn dòng điện cho phép của nhà thiết kế. Trong bài báo này, chúng tôi tính toán khả năng mang tải của đường dây trên không ( Dây nhôm và nhôm lõi thép) bằng phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên nền tản của phần mềm Comsol Multiphysics. ABSTRACT Today, most of the new power generation technology in the world that the country was on the air distribution network and this leads to a significant increase in transmission capacity. Upgrade and build a line is often costly for network operators. Therefore, we need to evaluate the load carrying capacity of existing overhead lines to the climatic conditions and the environment can be installed to operate transmission lines and distribution lines higher than current limit allows the designers. In this paper, we calculate the load carrying capacity of overhead lines (aluminum cable and steel core aluminum cable) using the finite element method based on the software platforms of Comsol Multiphysics. Keywords: Ampacity, Heat transfer, FEM, ACSR, Overhead lines, Comsol Multiphysics 1. Giới thiệu vấn đề công nghệ nhiên liệu mới hiệu quả hơn và năng lượng tái tạo như là gió, sinh khối, năng Là một phần của hoạt động rộng rải để lượng mặt trời hiện đang diễn ra tại nhiều giảm khí thải CO2, một sự phát triển nhanh nước trên thế giới trong đó có Việt Nam. chóng các nhà máy điện bằng cách sử dụng 1
2. Trên thế giới hiện nay, hầu hết các đánh giá là thận trọng. Do đó, tính hợp lệ của công nghệ phát điện mới được hòa vào mạng các tiêu chuẩn được dựa trên giả định như vậy lưới phân phối điện và điều này dẫn đến một là một đề tài nghiên cứu cho nhiều nhà nghiên sự gia tăng đáng kể công suất truyền tải. Nâng cứu [6],[7],[8]. cấp và xây dựng mới một đường dây thường là Strbac [8] cho thấy rằng sự phát triển tốn kém cho các nhà khai thác mạng. Do đó, của các hệ thống điện trong tương lai đòi hỏi một giải pháp cần thiết là có thể vận hành phải có những thay đổi lớn đối với triết lý thiết đường dây truyền tải và phân phối ở dòng cao kế tổng thể. Cấu trúc của truyền tải điện và hơn tại nhiệt độ cao là một biện pháp có thể mạng lưới phân phối hiện nay được thiết kế cho kết quả tối ưu. Thay vì thiết kế một công đặc biệt phù hợp cho truyền tải và phân phối suất lớn hơn thì chúng ta có thể đạt được bằng một lượng lớn năng lượng và đảm bảo độ tin cách sử dụng các nguồn năng lượng hiện tại cậy của hệ thống điện. Tác động của sự phát vào đúng thời điểm và đúng nơi trong hệ triển của máy phát phân phối (DG) vào mạng thống. Một sự thận trọng cần thiết phải cân lưới phân phối đòi hỏi phải có những thay đổi bằng hệ thống vận hành gần với giới hạn của đáng kể trong sự phát triển của hệ thống điện nó và với một lượng công suất dự trữ tức thời. để tích hợp đầy đủ DG và chia sẻ trách nhiệm Do đó, khi vận hành gần với giới hạn độ tin trong việc cung cấp các dịch vụ hỗ trợ hệ cậy của hệ thống sẽ cho phép giảm được chi thống (ví dụ như phụ tải, tần số và điện áp quy phí đáp ứng nhu cầu tải của khách hàng. Vì lí định). do đó, một sự hiểu biết về phân bố nhiệt bên trong dây dẫn và các yếu tố thời tiết mà tại đó Các nhà khai thác mạng phân phối các biến đổi nhiệt sẽ cho phép quản lý hiệu quả phải đối mặt một thách thức đó là sự gia tăng mạng lưới điện. của tải tiêu thụ, các nhà máy phân phối điện cũng phát triển và vấn đề môi trường đối lập Lịch sử đông lực học quan trọng nhất đến việc xây dựng cơ sở hạ tầng mới. Vì vậy, cho các tiện ích đã được sử dụng để chứng nó trở nên rất quan trọng để cố gắng tăng khả minh các công nghệ để đáp ứng một nhu cầu năng sử dụng các hệ thống điện hiện có một ước tính, giả định trường hợp làm việc xấu cách hiệu quả, an toàn và tiết kiệm chi phí. nhất cho phụ tải lớn nhất, các kết quả được 2. Cơ Sở tính toán này có khả năng tản nhiệt kém có thể dẫn đến hiện tượng quá nhiệt. Do đó, đặc tính nhiệt Như đã giới thiệu, khi dây dẫn mang của môi trường có vai trò quan trọng trong dòng tải, một phần năng lượng sẽ bị tiêu hao việc tính toán khả năng tải của đường dây dưới dạng tổn thất nhiệt, ngoài ra nó còn chịu trên không. Hiện tượng truyền nhiệt trên sự đốt nóng của năng lượng mặt trời, dây dẫn được mô tả bởi phương trình Poisson. lúc này trở thành nguồn nhiệt. Nguồn nhiệt này sẽ tiêu tán ra môi trường không khí bởi Trong chương này, chúng tôi sẽ trình bày hiện tượng bức xạ và đối lưu. Khi môi trường các thủ tục xác định khả năng mang tải của 2
3. đường dây trên không dựa trên kết quả tính toán Giả sử độ dài của dây dẫn (theo trục z) lớn trường nhiệt bằng cách giải phương trình hơn rất nhiều so với đường kính của dây dẫn. Khi Poisson dùng A-FEM trong phần mềm Comsol đó, phương trình truyền nhiệt của dây dẫn trên Multiphysics 3.4 không có thể được biểu diễn như sau: 2.1 Phương trình truyền nhiệt của đường dây trên  2T  2T 1 T k q (1) không. x2 y 2  t Để xác định phương trình truyền nhiệt của dây Xét (1) trong trạng thái ổn định, chúng ta có dẫn trên không ta xát khối vi phân hình 1 [33] phương trình sau: 2T 2T 2T 2T k q 0 q 0 (2) 2 2 2 2 x y x y Như vậy, (2) chính là phương trình mô tả sự truyền nhiệt của dây dẫn ở trạng thái ổn định. Ngoài ra, để đơn giản trong vấn đề tính toán, một số giả thiết sau được chấp nhận: Hình 1 Khối vi phân trong phân tích sự dẫn nhiệt - Độ dẫn nhiệt của môi trường không khí là Trong đó: hằng số (môi trường đồng nhất). - Nguồn nhiệt được phân bố đều trên bề mặt o kx (W/ C/m) – độ dẫn nhiệt của môi trường theo dây dẫn hướng x. Như vậy với hai giả thiết trên để xác định o ρx = 1/kx ( Cm/W) – nhiệt trở suất của môi nhiệt độ của dây dẫn ta chỉ xác định nhiệt độ trên trường theo hướng x. bề mặt dây dẫn, hay chúng ta đi giải bài toán poision để xác định nhiệt độ phân bố trên đường dT/dx (oC/m) – gradient nhiệt độ theo hướng x. tròn đặt trong miền không khí xác định có độ dẫn 3 q (W/m ) – nhiệt lượng toả ra trong một đơn vị nhiệt là k. Như đã giới thiệu ở chương 2, phần mềm thể tích Comsol Multiphysics là một công cụ rất mạnh ngoài việc nó có thể giải các phương trình vi phân dT q k (W / m2 ) – thông lượng x x dx với miền khảo sát cho trước trong phần mềm nguồn nhiệt theo hướng x theo luật Fourier. Comsol Multiphysics còn có những Module chức năng khác trong đó có Module truyền nhiệt. Trong o cp (J/kg/ C) – nhiệt dung riêng của vật liệu môi khuôn khổ luận văn này chúng tôi sẽ sử dụng trường. Module này để mô phỏng trường nhiệt xung quanh dây dẫn, từ đó sẽ xác định nhiệt độ trên bề mặt dây k  – độ khuếch tán nhiệt của vật liệu. C p 3 3 γ (kg/m ) – mật độ khối của vật liệu môi trường.
4. dẫn và là cơ sở để chúng tôi đánh giá khả năng 2 q j I .RAC mang tải của đường dây trên không. (4) 2.2 Khả năng mang tải của đường dây trên không Trong đó : Khả năng mang tải của dây dẫn trên không I: là dòng điện chạy trong dây dẫn [A] là dòng ổn định cho phép lớn nhất mà dây dẫn có RAC : là điện trở xoay chiều của dây dẫn tại nhiệt độ thể chịu được trong suốt thời gian dài. Khả năng liên quan [Ω/m] mang dòng của dây dẫn trên không phụ thuộc vào vật liệu dây dẫn, và các yếu tố môi trường như: RAC được tính theo phương trình (5) nhiệt độ, gió, hướng gió , nhiệt bức xạ Nhiệt độ phát nóng ở thái xác lập của dây R R 1 T T  AC AC ,T0 C o (5) dẫn trên không đạt được khi một nguồn nhiệt bất kỳ thu được từ các nguồn nhiệt khác nhau chính là các RAC,To : là điện trở AC của dây dẫn của dây dẫn ở o tổn thất nhiệt lượng. Nó được thể hiện trong nhiệt độ To [ 20 C; 293K] phương trình (3) [5],[12],[13],[14]. o Tc: Nhiệt độ trên dây dẫn [ C, K] q j qs qr qc (3) Trong lu ận văn này chúng tôi xem nhiệt độ TC chính là nhiệt độ trên bề mặt của dây dẫn. Trong đó: α: là hệ số nhiệt của điện trở [K-1] phụ qj: là nhiệt sinh ra bởi hiệu ứng Joule thuộc vào vật liệu của dây dẫn, thông thường dây qs: Nhiệt lượng của mặt trời hấp thụ lên bề nhôm (Al) hoặc nhôm lõi thép (ACSR) được sử mặt dây dẫn dụng để truyền tải điện trên không do đó có thể xác định giá trị của α = (0,0036 ÷ 0,00403)K-1 qr: Tổn thất nhiệt do bức xạ 2.2.2 Nhiệt sinh ra do hấp thụ của bề mặt dây dẫn qc: Tổn thất nhiệt do bức xạ qs Phương trình (3) bỏ qua ảnh hưởng nhiệt của Lượng hấp thụ ánh sáng mặt trời của dây trường điện từ, tổn thất nhiệt do vầng quang hay dẫn phụ thuộc vào ánh nắng mặt trời, đường kính tổn thất nhiệt do bay hơi. dây dẫn, hệ số hấp thụ của bề mặt dây dẫn, độ cao 2.2.1 Nhiệt do hiệu ứng Joule qj mặt trời và góc phương vị của mặt trời, chiều cao của dây dẫn so với mực nươc biển. Các giá trị có Tổn thất nhiệt qj trong một dây dẫn phụ thể được xác định từ Bảng 4,5,6 của [12]. thuộc vào điện trở và dòng điện qua dây dẫn theo phương trình (4) q .k .Q .sin( ).D/1000 s s solar s (6) 4
5. Trong đó: 4 4 TC Ta qr 0,0178.D.. 100 100 (7) ascoscos(H )cos(Z Z ) q .D.. .(T 4 T 4 ) c c 1 r B C a (8) qs: Nhiệt hấp thụ từ mặt trời [W/m] Trong đó: αs: Hệ số hấp thụ của bề mặt dây dẫn phụ qr: Là tổn thất nhiệt do bức xạ [W/m] thuộc vào vật liệu và tuổi thọ của dây dẫn ε: Là hệ số phát xạ D: Là đường kính của dây dẫn [mm] -8 δB: Là hằng số Stefan – Boltzmann [δB = 5,67x10 ksolar : Là hệ số phụ thuộc và chiều cao của W.m-2.K-4] dây dẫn so với mực nước biển Tc: Là nhiệt độ của dây dẫn [K] φ: Góc hiệu quả của tia sáng mặt trời [ o , T : Là nhiệt độ của môi trường [K] rad] a 2.2.4 Tổn thất nhiệt đối lưu qc Qs: Là thông lượng của mặt trời xác định theo 2 bảng 5 của [W/ m ] q .D.h.(T T ) c c a (9) Nhiệt từ ánh nắng mặt trời thay đổi theo các điều kiện thời tiết, độ trong lành của không khí, qc: Là tổn thất nhiệt do đối lưu [W/m] vĩ độ địa lý và theo mùa. Về mặt địa lý nhiệt do mặt h: Là hệ số truyền nhiệt đối lưu [W/m2.K] trời chiếu lên dây dẫn phụ thuộc chủ yếu vào độ cao và góc phương vị của mặt trời với góc phương Tc: Là nhiệt độ của dây dẫn [K] vị của dây. Trong luận văn này chúng tôi sẽ sử Ta: Là nhiệt độ của môi trường [K] dụng các số liệu tính toán theo tiêu chuẩn IEEE 738 để xác định tổng thông lượng nhiệt của mặt trời lên Một mô hình chính xác để xác định hệ số một bề mặt dây dẫn với độ cao và góc phương vị truyền nhiệt đối lưu là bắt buộc đối với một dự được tính theo (6) đoán chính xác của các hành vi nhiệt của đường dây trên không. Nhưng truyền nhiệt đối lưu của dây 2.2.3 Tổn thất nhiệt bức xạ q r dẫn là một hiện tượng rất phức tạp không dể để xác Tổn thất nhiệt do bức xạ qr phụ thuộc vào định chính xác. nhiệt độ khác nhau của dây dẫn và môi trường, phụ Hệ số truyền nhiệt đối lưu thường được thuộc vào đường kính dây dẫn và hệ số phát xạ của tính theo công thức thực nghiệm. Từ lý thuyết đồng bề mặt dây dẫn. Nó được thể hiện trong phương dạng (hoặc lý thuyết phân tích thứ nguyên ) đã trình (7) và (8) phân tích trong điều kiện trao đổi nhiệt ổn định, phương trình tiêu chuẩn có dạng sau: Nu = f(Re, Gr, Pr) (10) 5
6. Trong đó: Nu C(Gr.Pr)n CRan f f f 11 hD Nu Trong đó: k - Tiêu chuẩn Nusselt Ra = (Gr.Pr) - Tiêu chuẩn Rayleigh V D f f Re w  - Tiêu chuẩn Reynolds Các thông số nhiệt vật lý trong công thức (11) được chọn theo nhiệt độ T Kích cở thông thường của  f Pr oC oC a - Tiêu chuẩn Prandtl các dây dẫn trên không có nhiệt độ từ 0 đến 120 . Theo lý thuyết truyền nhiệt ta có 104 < Gr.Pr < gD3 t Gr 109 và trong phạm vi này Gr. Pr của số Nusselt  2 - Tiêu chuẩn Grashof cho đối lưu tự nhiên từ không khí đến đường tròn nằm ngang cho bởi biểu thức: D: Đường kính ngoài của dây dẫn [m] 1/ 4 Nu 0,54.(Gr.Pr) (12) Vw: Tốc độ gió [m/s] h: Hệ số dẫn nhiệt của không khí [W/m.K] Ngoài ra tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên con được xác định theo biểu thức sau: ν: Độ nhớt động học của không khí [m2 /s] q 0,0205. 0,5.D0,75.(T T )1,25 cn f C a 13 k: Hệ số dẫn nhiệt của không khí [W.m-1.k-1] ρ : là mật độ của không khí ở nhiệt độ T a: Hệ số khuếch tán của không khí [m2/s] f f Tổn thất nhiệt đối lưu cưỡng bức g: Gia tốc trọng trường [m2/s] o Đối với trường hợp gió tác động theo β = 1/Tf : Hệ số giãn nở nhiệt [1/ K] phương ngang hoặc 1 hướng bất kỳ từ (0 đến 90o) Tf = 0,5.(Tc – Ta): Nhiệt độ trung bình của bề ta có: mặt dây dẫn và không khí xung quanh [K] 0,52 Theo nguyên nhân gây ra chuyển động, quá D V q 1,01 0,0372. f w .k .k .(T T ) (14) c1  f angle C a trình tỏa nhiệt đối lưu được phân thành hai dạng f chính: Tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên và tỏa nhiệt đối 0,6 D V lưu cưỡng bức. q 0,0119. f w .k .k .(T T ) (15) c2  f angle C a f Tổn thất nhiệt đối lưu tự nhiên Ở đây: Tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên xảy ra khi tốc độ gió xem như băng không được xác định bởi biểu kangle : là hệ số hướng gió và được xác định theo thức: biểu thức sau: 6
7. nhà sản xuất hoặc được tính toán theo thông số vật k 1,194 cos() 0,194cos(2) 0,368sin(2) angle (16) lý của không khí cũng như các tiêu chuẩn và bài báo đề cập [5],[12], [13], [14], [15], [23]. Tuy o θ: Góc của hướng gió so vơi trục dây dẫn [ , rad] nhiên, Các thông số vật lý của các tổn thất nhiệt này lại liên quan đến nhiệt độ dây dẫn T là giá trị Số Nu cho gió song song với trục dây dẫn c mà chúng ta cần xác định. Thông thường, người ta có thể được xác định theo công thức [13]: sẽ giới hạn nhiệt độ cho phép tối đa của dây dẫn (TC) nào đó, đây củng là số liệu để chúng ta đi xác Nu 1,5035 Re0,3038 định nguồn nhiệt tối đa mà dòng điện lớn nhất chạy (17) trên dây dẫn. Từ đó, ta tính toán phân bố nhiệt trên Tùy vào từng trường hợp mà ta sử dụng tổn dây dẫn bằng FEM để tính toán lại khả năng mang thất nhiệt đối lưu một cách thích hợp: khi tốc độ gió tải của dây dẫn trên không. bằng không thì tổn thất nhiệt đối lưu là tự nhiên, 3. Các kết quả tính toán khi tốc độ gió khác không nếu là trường hợp gió ngang thì tổn thất nhiệt đối lưu là giá trị lớn nhất 3.1 Tính toán trường nhiệt quanh dây dẫn bằng của (14) và (15), trường hợp gió song song với trục Comsol Multiphysics (FEM). dây dẫn thì tổn thất nhiệt đối lưu được tính dựa vào Dây dẫn được đặt trong một miền không biểu thức (17). Hệ số đối lưu cho trường hợp tổng khí hình vuông có kích thước đủ lớn để không gây quát được tính theo biểu thức (10) ra những lỗi hiệu ứng dòng chảy không khí. Ở đây, Từ phương trình (3) chúng ta xác định khả chúng ta chọn kích thước 1mx1m theo tài liệu [18]. năng mang tải của dây dẫn trên không theo phương trình sau: q q q I r c s R AC ( 18) Phương trình (18) dùng để tính toán khả năng mang tải lớn nhất của dây dẫn ứng với nhiệt độ cho phép lớn nhất của dây dẫn. Hình 2 Miền không khí khảo sát xung Như đã trình bày ở chương 1, khi quanh dây dẫn dây dẫn mang tải sẽ sinh ra một lượng nhiệt ứng Trong Hình 2: Ta là nhiệt độ môi trường với dòng tải đó (4) lượng nhiệt này sẽ thoát ra môi được thiết lập cho các biên ngoài [K], Tc là nhiệt độ trường thông qua bức xạ và đối lưu (9; 10). Ngoài của bề mặt dây dân [K], q là tổng nguồn nhiệt ra, dây dẫn trên không còn chịu sự đốt nóng của [W/m]. cường độ ánh sáng mặt trời (8). Các giá trị liên quan đến các phương trình đều được cung cấp bởi 7
8. 3.1.1 Trường hợp một Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Comsol Multiphysics (FEM) Trong trường hợp này, chúng ta mô phỏng truyền nhiệt trên dây dẫn ACSR. Số liệu của mô phỏng được lấy theo tiêu chuẩn IEC – 61597. Dây A1/Sxy có số liệu như sau [14]: Loại dây:A1/Sxy - 22/7 Đường kính tổng: 21,6mm Điện trở AC ở nhiệt độ 20oC: 121μΩ/m. Các điều kiện môi trường: Hình 4 Phân bố nhiệt xung quanh dây dẫn A1/Sxy Cường độ chiếu sáng của mặt trời: S = bằng FEM 900W/m2 Hệ số hấp thụ của bề mặt: αs = 0,5 Hệ số bức xạ của bề mặt: ε = 0,6 Tốc độ gió: Vw = 1m/s o Nhiệt độ môi trường : Ta = 20 C Miền không khí tính toán được chia thành 1758 phân tử tam giác và 921 điểm nút Dây dẫn được thay thế bằng 32 điểm nút Hình 3. Hình 5 Đồ thị nhiệt độ khi cắt theo phương x và theo phương y Như vậy, nhiệt độ dây dẫn chính là nhiệt độ o lớn nhất trên trường nhiệt: TC = 78,8 C. Ngoài ra, o giới hạn nhiệt độ theo IEC 61597 là TCp = 80 C, như vậy sai số là 1,5%. 3.1.2 Trường hợp hai Số liệu mô phỏng: Dây A1/Sxy có số liệu như sau [12]: Hình 3 Rời rạc hóa miền khảo sát bằng miền con dây dẫn A1/Sxy bởi COMSOL Loại dây: Drake - 26/7 Đường kính tổng: 28,1mm Điện trở AC ở nhiệt độ 25oC: 72,83μΩ/m. Điện trở AC ở nhiệt độ 75oC: 86,88 μΩ /m. Nhiệt độ cho phép tối đa của dây dẫn: Tcmax = 100oC 8
9. Các điều kiện môi trường và dòng tải: Cường độ chiếu sáng của mặt trời: S = 900W/m2 Hệ số hấp thụ của bề mặt: αs = 0,5 Hệ số bức xạ của bề mặt: ε = 0,5 Tốc độ gió ngang: Vw = 0,61m/s o Nhiệt độ của môi trường Ta = 40 C Đường dây theo hướng đông tây vơi góc o phương vị Z1 = 90 Hình 7 Đồ thị nhiệt độ khi cắt ngang bề mặt dây Vĩ độ là 30 độ bắc Drake theo phương x Môi trường khí quyển sạch Nhiệt độ trên bề mặt dây dẫn: TC = o Độ cao mặt trời (Hc) vào 11 giờ ngày 10 tháng 99,36 C. Nhiệt độ giới hạn theo IEEE -738: TCp = 6 100oC, như vậy sai số là 0,64%. Độ cao trung bình của dây dẫn là 100m * Nhận xét: Các kết quả tính toán mô phỏng trên cho Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Comsol chúng ta thấy tính phân tán của nhiệt độ trong Multiphysics không gian xung quanh dây dẫn được thể hiện bằng các phổ màu và đường phân bố nhiệt xung quanh dây dẫn, ở vị trí càng gần dây dẫn thì nhiệt độ càng cao. Nhiệt độ dây dẫn được tính toán bằng phần mềm có giá trị thấp hơn nhiệt độ cho phép danh định: 1,5% đối với IEC 61597 và 0,64% với IEEE 738 là do ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và điều kiện vật lý, điều này sẽ làm cho khả năng Hình 6 phân bố nhiệt xung quanh dây dẫn Drake mang tải của dây dẫn cũng thay đổi. Trong phần bằng FEM tiếp theo, chúng ta đi khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng mang tải của dây dẫn với mô hình nhiệt dựa theo tiêu chuẩn IEEE -738 2006 3.2 Khả năng mang tải của dây dẫn trên không dưới tác động của điều kiện môi trường và điều kiện vật lý 9
10. Trong [25], đã so sánh kết quả tính toán nhiệt độ dưới sự thay đổi của tốc độ gió và nhiệt độ môi trường của ba tiêu chuẩn thông dụng là IEC 61597, CIGRE, IEEE 738. Điều kiện thời tiết, nhiệt độ môi trường và thông số dây dẫn (được lựa chọn cho tính toán trường hợp này là dây (A3 – 400 IEC 61597) theo Bảng 4.1. Bây giờ chúng ta đi tính toán trường nhiệt xung quanh dây dẫn bằng FEM, kết quả đạt Hình 8 Đồ thị dòng tải khi thay đổi tốc độ gió được sẽ so sánh với nhiệt độ lớn nhất của dây theo phương pháp giải tích theo IEEE. Bảng 1 Điều kiện thời tiết, nhiệt độ môi trường và thông số dây dẫn. Hình 9 Đồ thị dòng tải khi thay đổi hướng gió 3.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường Khi nhiệt độ môi trường thay đổi sẽ ảnh hưởng đến tổn thất nhiệt đối lưu và tổn thất nhiệt bức xạ dẫn đến nguồn nhiệt tối đa do dòng tải gây Nhiệt độ cho phép tối đa bề mặt dây dẫn: ra cung thay đổi theo. Bây giờ, chúng ta đi xét sự o thay đổi của nhiệt độ môi trường với tốc độ gió Tcpmax = 80 C thay đổi từ 0,5 đến 10 m/s. 3.2.1 Ảnh hưởng của tốc độ gió và hướng gió. Khi tốc độ gió và hướng gió thay đổi ảnh hưởng đến hệ số đối lưu dẫn đến tổn thất nhiệt đối lưu thay đổi. Do đó, dòng nhiệt tối đa mà dòng điện gây ra trên dây dẫn cũng thay đổi theo. Hình 8 biểu diển mối quan hệ giữa khả năng mang tải của dây dẫn và tố độ gió ngang hướng 90o so với Hình 10 Đồ thị dòng tải khi nhiệt độ môi trường và trục dây dẫn, khi tốc độ gió càng lớn thì khả năng tốc độ gió thay đổi mang dòng của dây dẫn càng cao, Hình 9 biểu diển khả năng mang tải của dây dẫn khi thay đổi hướng gió từ 40o đến 90o 3.2.3 Ảnh hưởng của hệ số bức xạ ε 10
11. Theo [12] thì ε và αs có giá trị từ khoảng Trong phần này, chúng ta tính toán trường 0,2 đến 0,9 giá trị này thay đổi theo bề mặt nhẵn nhiệt của dây dẫn trên không cho 5 trường hợp của dây. Nguyên nhân của sự gia tăng này là do Bảng 2, kết quả đạt được sẽ so sánh với kết quả của mức độ ô nhiểm của không khí và điện áp vận hành IEEE, CIGRE và phương pháp thể tích hữu hạn đặt lên dây dẫn. Theo [12] thì ε thường nhỏ hơn hệ dùng phần mềm ANSYS. Dây dẫn dùng để mô số hâp thụ αs . Bây giờ, chúng ta xét 2 hệ số này phỏng trường nhiệt được chọn theo [31] kích thước đến khả năng mang tải của dây dẫn với αs = ε + 0,2 và tính chất của dây như sau: theo [23]. Số liệu tính toán theo tốc độ gió là 0,5 Mã dây: 429-AL1/56-ST1A m/s, nhiệt độ môi trường là 40oC và được biểu diển Loại dây dẫn: 428-A1/S1A-54/7 “Zera” trên Hình 11. Đường kính tổng: 28,6m Điện trở dây dẫn (20oC): 67,4μΩ/m Bảng 2 Các trường hợp xem xét Hình 11 Đồ thị dòng tải khi hệ số bức xạ thay đổi Như vậy, trên đây chúng tôi đã lần lượt xét đến các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng mang tải của dây dẫn trên không. Nhận thấy rằng, các yếu tố Nhiệt độ tính toán cho các trường hợp được xem xét điều ảnh hưởng đến khả năng mang tải của thể hiển trong Bảng 3 thể hiện sự sai lệch của kết dây dẫn trên không. Tốc độ gió là yếu tố ảnh hưởng quả mô phỏng so với phương pháp tính toán trong lớn đến khả năng mang tải của dây dẫn trên không. [31]. Kết quả tính toán bằng FEM thì gần như là trùng với phương pháp giải tích của IEEE – 738. Ngoài Bảng 3 Nhiệt độ dây dẫn cho các trường hợp những yếu tố xét trên, khả năng mang tải của dây dẫn trên không còn phụ thuộc vào độ cao, góc phương vị của mặt trời, sự ô nhiểm của không khí các yếu tố này, chúng tôi sẽ xem xét khi tính toán lại khả năng mang tải của đường dây trên không với điều kiện khí hậu vùng miền ở Việt nam. 3.3 Trường nhiệt của dây dẫn dưới ảnh hưởng của điều kiện môi trường và dòng tải. 11
12. 3.4 Tính toán khả năng mang tải của dây dẫn 3.4.1 Khả năng mang tải của dây dẫn trên không trên không theo điều kiện khí hậu thực tế ở Việt dưới ảnh hưởng của khí hậu miền Bắc. Nam Miền bắc Việt Nam bao gồm các tỉnh từ Như đã phân tích, điều kiện khí hậu và các Thanh Hóa (19 vĩ độ Bắc) trở ra với khi hậu thay yếu tố địa lý ảnh hưởng đến khả năng mang tải của đổi theo bốn mùa [4]. Trong phần này, chúng ta sẽ dây dẫn trên không. Trong phần này, chúng tôi sẽ đi tính toán khả năng mang tải của đường dây trên đi tính toán lại khả nang mang tải của đường dây không với khí hậu đặc trưng miền bắc thay đổi theo trên không cho một số vùng đặc trưng ở Việt Nam. từng tháng trong năm. Bảng 4trình bày khí hậu của Số liệu về điều kiện khí hậu chúng tôi sẽ tham khảo Nam Định theo 12 tháng thể hiện khí hậu cho miền trong [4]. Theo tài liệu [4], mỗi vùng miền, mỗi bắc. tỉnh thành điều có điều kiện khí hậu đặc trưng cho Bảng 4: Nhiêt độ môi trường, tốc độ gió, độ cao và vùng miền hay tỉnh thành đó. Khí hậu của các tỉnh góc phương vị của mặt trời theo 12 tháng của tỉnh thành thuộc cùng một vùng miền tương đối giống Nam Định nhau. Do đó, trong cuốn luận văn này, chúng tôi chỉ khảo sát 3 vùng miền khí hậu đó là vùng khí hậu miền Bắc, vùng khí hậu miền Trung và vùng khí hậu miền Nam với một số tỉnh thành đặc trưng thuộc 3 vùng miền và cùng với các giả thiết sau: Hướng gió ngang 90o so với trục dây dẫn Hướng gió chủ đạo là hướng Đông - Bắc Cường độ bức xạ của mặt trời xác định theo IEEE-738 2006 tại thời điểm bức xạ Từ Bảng 4 và các giả thiết ban đầu, chúng cực đại ứng với 12 giờ trưa ta tính toán lại khả năng mang tải của dây dẫn cho Hệ số bức xạ có trị số là 0,5 và hệ số hấp miền Bắc bằng FEM. Kết quả được thể hiện trong thụ có trị số là 0,7 Hình 12 Các thông số đặc trưng của không khí dựa theo lý thuyết truyền nhiệt và tiêu chuẩn IEEE – 738 2006. Nguồn nhiệt sinh ra bởi bức xạ nhiệt mặt trời phân bố đều trên dây dẫn Dây dẫn xem xét là dây ACSR 240/32 với đường kính dây là 21,6 mm Hình 12 Khả năng mang tải của dây dẫn ACSR 240/32 với điều kiện khí hậu miền Bắc 12
13. 3.4.2 Khả năng mang tải của dây dẫn trên không 3.4.3 Khả năng mang tải của dây dẫn trên không dưới ảnh hưởng của khí hậu miền Trung. dưới ảnh hưởng của khí hậu miền Nam Miền Trung Việt Nam bao gồm các tỉnh từ Miền Trung Việt Nam bao gồm các tỉnh thành Nghệ An trở vào đến Bình Thuận [4]. Trong phần thuộc Đông Nam Bộ và Tây Nam Bộ. Khí hậu gồm này, chúng ta sẽ đi tính toán khả năng mang tải của 2 mùa đó là mùa khô và mùa mưa, nhiệt độ miền đường dây trên không với khí hậu đặc trưng miền Nam khá cao so với các vùng còn lại [4]. Trong Trung thay đổi theo từng tháng trong năm. Bảng 5 phần này, chúng ta sẽ đi tính toán khả năng mang trình bày khí hậu của Đà Nẵng theo 12 tháng thể tải của đường dây trên không với khí hậu đặc trưng hiện khí hậu cho miền Trung. miền Trung thay đổi theo từng tháng trong năm. Bảng 4.19 trình bày khí hậu của Cần Thơ theo 12 Bảng 5: Nhiêt độ môi trường, tốc độ gió, độ cao và tháng thể hiện khí hậu cho miền Nam. góc phương vị của mặt trời theo 12 tháng của thành phố Đà Nẵng Bảng 6: Nhiêt độ môi trường, tốc độ gió, độ cao và góc phương vị của mặt trời theo 12 tháng của tỉnh Cần Thơ. Từ Bảng 5 và các giả thiết ban đầu, chúng ta tính toán lại khả năng mang tải của dây dẫn cho miền Trung bằng FEM. Kết quả được thể hiện trong Từ Bảng 6 và các giả thiết ban đầu, chúng ta tính Hình 13 toán lại khả năng mang tải của dây dẫn cho miền Nam bằng FEM. Kết quả được thể hiện trong Hình 12 Hình 13 Khả năng mang tải của dây dẫn ACSR 240/32 với điều kiện khí hậu miền Trung Hình 14 Khả năng mang tải của dây dẫn ACSR 240/32 với điều kiện khí hậu miền Nam  Nhận xét 13
14. Chúng ta thấy rằng, tại mọi thời điểm trong năm Việt Nam so với dữ liệu thiết kế. Kết quả tính toán điều có thể vận hành đường dây cao hơn so với số của đề tài cho thấy sự khác biệt lớn về khả năng tải liệu thiết kế. Hình 15 Biểu diễn khả năng mang tải của đường dây trong các điều kiện thời tiết khác của dây dẫn ACSR 240/32 của 3 vùng miền với nhau. Điều này có ý nghĩa rất lớn trong vận hành, điều kiện khí hậy được lấy trung bình hàng tháng đặc biệt là với những nơi thời tiết thay đổi lớn theo trong năm mùa trong năm. Nếu như trước đây, khả năng tải của đường dây được xác định cố định theo các thông số thiết kế, thì với kết quả tính toán này, khả năng tải của đường dây đã được xem xét toàn diện hơn, đem đến các biện pháp vận hành hợp lý hơn theo thời tiết từng vùng, từng mùa, từng thời điểm nhất định trong năm. Điều này rõ ràng có ý nghĩa rất lớn trong việc tận dụng tài nguyên lưới điện, cũng như giảm thiểu các sự cố nghiêm trọng đối Hình 15 Khả năng mang tải của dây dẫn ACSR với đường dây trong công tác truyền tải điện năng. 240/32 với điều kiện khí hậu miền Bắc , miền Trung Từ kết quả trên chúng ta có sử dụng phần , miền Nam và số liệu theo thiết kế mềm Comsol để kiểm tra khả năng mang tải của 4. Kết luận và khuyến nghị các đường dây trên không của các nhà sản xuất trước khi đưa vào vận hành cũng như kiểm tra nhiệt 4.1. Kết luận độ thưc tế của dây dẫn trên không đang mang tải để Luận văn đã xét đến các yếu tố của môi đưa ra các biện pháp vận hành tối ưu. trường như tốc độ gió, hướng gió, nhiệt độ môi trường, hệ số bức xạ đến khả năng mang tải của 4.2. Hạn chế của đề tài. đường dây trên không. Từ kết quả của luận văn Tuy tốc độ tính toán của phần mềm Comsol thấy rằng, tất cả các yếu tố đều có ảnh hưởng đến được sử dung trong luận văn rất nhanh nhưng việc khả năng mang tải của dây dẫn trên không. Tốc độ nhập dữ liệu vào phần mềm tốn nhiều tời gian, khi gió là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất so với các yếu tố một yếu tố thay đổi thi chúng ta phải tính lại các còn lại. thông số vào phần mềm đây là hạn chế thứ nhất của đề tài. Luận văn cũng đã tính toán nhiệt độ của dây dẫn khi mang dòng tải thực tế cùng với các Luận văn mới chỉ sét đến khả năng mang điều kiện môi trường. Kết quả cũng đã được kiểm tải của đường dây trên không ở trạng thái ổn định chứng với bài báo liên quan. cũng như bỏ qua các yếu tố ảnh hưởng khác như hiện tượng vầng quang hay trường điện từ Quan trọng hơn cả, luận văn đã tính toán lại khả năng mang tải của đường dây trên không Sử dụng các dữ liệu liên quan đến thời tiết (lưới phân phôi) ở điều kiện khí hậu thực tế được ở dạng giả định, theo thời tiết điển hình của từng tham khảo trong QCXDVN tại các vùng miền của vùng mà đường dây đi qua. Chính vì vậy, để nâng 14
15. cao độ chính xác của các tính toán, nhất thiết phải [3] Hoàng Đình Tín – Bùi Hải, Bài tập “ Nhiệt nghiên cứu xây dựng một hệ thống giám sát thời Động Học Kỹ Thuật Và Truyền Nhiệt” , Đại học tiết dọc theo tuyến đường dây, và điều này đã được Quốc gia Tp.hcm, 2011 thực hiện rất nhiều trên thế giới. Khi các dữ liệu [4] QCVN 02 “Quy Chuẫn Kỹ Thuật Quốc Gia Số thời tiết được lấy trực tuyến và chính xác, kết quả Liệu Điều Kiện Tự Nhiên Dùng Trong Xây tính toán sẽ đem đến những thông tin hết sức hữu Dựng”,Bộ xây dựng ban hành 2009 ích cho việc vận hành đường dây trên thực tế. Tài liệu nước ngoài 4.3. Hướng phát triển của đề tài. Từ kết quả đạt được cũng như ưu khuyết [5] Anjan K. Deb “Power line ampacity system: điểm của luận văn đã nêu ở trên chúng tôi đưa ra theory, modeling, and applications” . New York: hướng phát triển tiếp theo của đề tài: CRC press, 2000 Tiếp tục sử dụng FEM trong phần mềm [6] Yip, T., Chang, An., Lloyd, G., Aten, M. and Comsol để tính toán khả năng mang tải của Ferri, B. 2002. “Dynamic line rating protection for đường dây trên không ở trạng thái ổn định wind farm connections”. Magnetic Recording có xét đến các điều kiện không thường Conference Digest of the Asia-Pacific”, 27-29 Aug. xuyên như hiện tượng vầng quang hay bảo 2002, pp 1-5 từ [7] McClean, L., Fox, Bryans, L., Colandairaj J. Tiếp tục sử dụng FEM trong phần mềm and O’Sullivan, B. 2008. “Equipment and Comsol để tính toán khả năng mang tải của methodology for linking overhead line circuit đường dây trên không ở trạng thái quá độ. rating to the output of nearby windfarms”. The Sử dụng FEM trong phần mềm Comsol để 43rd International Universities Power Engineering tính toán nhiệt độ mối nối của các đường Conference, 1-4 September 2008, Padova, Italya dây trên không. [8] Strbac, G. 2007. “Electric Power Syst ems Research on Dispersed Generation”, Electric Tài liệu tham khảo Power Systems Research, 77:1143-1147 Tài liệu trong nước [9] Aggarwal R.K., Johns A.T., Jayasinghe J. [1] TS. Hồ Văn Hiến, Giáo trình “ Hệ Thống Điện A.S.B. and Su W. 2000. “An Overview of the Truyền Tải Và Phân Phối”, Đại học Quốc gia Condition Monitoring of Overhead Lines”. Tp.hcm, 2005 Electric Power Systems Research 53:15–22 [2] TS. Vũ Phan Tú “ Phương Pháp Số Trong [10] Bernauer, C., Bohme, H., Grossmann, S., Trường Điện Từ”, Đại học Quốc gia Tp.hcm, 2013 Hinrichsen, V., Markalous, S ., Muhr, M., Strehl T. and Teminova, R. 2007. “Temperature Measurement on Overhead Transmission Lines (OHTL), Utilizing Surface Acoustic Wave 15
16. Sensors”. CIRED, The 19th International [19] Morgan, V.T. 1982. “The Thermal Rating of Conference on Electricity Distribution, 21-24 May Overhead-Line Conductors. Part I. The Steady- 2007, Vienna State Thermal Model”. Electric Power Systems Research 5(2):119-139 [11] Douglass, D.A., Motlis Y. and Seppa, T.O. 2000. “IEEE’s Approach for Increasing [20] Black, W.Z., Collins, S.S. and Hall, J.F. 1988. Transmission Line Ratings in North America”. “Theoretical model for temperature gradients CIGRE 2000: The 38th Session of the International within bare overhead conductor”, IEEE Conference on Large High-Voltage Electric Transactions on Power Delivery 3(2):707-715 Systems (CIGRE), Aug. 27–Sept. 1, 2000, Paris [21] Morgan, V.T. 1983. “The Thermal Rating of [12] IEEE Standard 738. “IEEE Standard for Overhead-Line Conductors. Part II. A Sensitive Calculating the Current-Temperature Relationship Analysis of the Parameters in the Steady–State of Bare Overhead Conductors” pubslished 2006 Thermal Model”. Electric Power Systems Research 6:287-300 [13] CIGRE “Thermal Behaviour of Overhead Conductors”, ELECTRA No. 144, October 1992 [22] Isozaki, M. and Iwama, N. 2002. “Verificatio n of forced convective cooling from conductors in [14] IEC 61597 - 1995 - Technical report type 3 – breeze wind by wind tunnel testing”. Transmission “Overhead electrical conductors - Calcualtion and Distribution Conference and Exhibition 2002: methods for stranded bare conductors” Asia Pacific, IEEE/PES, 6-10 October, Volume 3, [15] Schmidt, N.1997. “Comparison between IEEE pp. 1890-1894. DOI 10.1109/TD and CIGRE Ampacity Standards” IEEE [23] W.Z.Black and R.L.Rehberg. “Simplified Transactions on Power Delivery 14(4): 1555-1562 Model For Steady Stateand Real-Time Ampacity Of [16] Alawar, Bosze, E.J. and Nutt, S.R. 2006. “A Overhead Conductors”. IEEE Transactions on hybrid numerical met hod to calculate the sag of Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-104,No. composite conductors”. Electric Power Systems 10, October 1985 Research 76: 389–394. [24] Ilgevicius, A. and Liess, H.D. 2003. “Thermal [17] Chen, S.L., Black, W.Z. and Fancher, M.L. Analysis of Electrical Wires by Finite Volume 2003. “High-Temperature Sag Model for Overhead Method”. ISSN 1392 – 1215. Electronika Ir Conductors”, IEEE Transactions on Power Electrotechnika 4(46):87-91 Delivery , 18(1):183-188 [25] Michael Strobach. “Smart Energy [18] Makhkamova, Irina (2011) “Numerical Transmission: Dynamic Thermal Rating” Investigations of the Thermal State of Overhead [26] Karabay, S. 2009. “ACSS/TW aerial high-tem Lines and Underground Cables in Distribution perature bare conductors as a remedy for Networks”. Doctoral thesis, Durham University. increasing transmission line capacity and Available at Durham 16
17. determination of processing parameters for manufacturing”. Materials and Design 30:816–825 [27] O.R.Schurig and C.W. Firck. “ Heating and current – carrying capacity of bare conductors for outdoor service”. March 1930 [28] House, Tuttle. “Current carrying capacity of ACSR”. February 1959 [29] HerbertC. Doepken,Jr. “Calculated Heat Transfer Characteristics Of Air And SF6, IEEE transactions on power apparatus and systems”, Vol.Pas-89, No.8, November/December 1970 [30] Glenna and Davidson.“Short-Time Thermal Ratings for Bare Overhead Conductors”. Manuscript received March7, 1968. [31] F.Alvarez Gomez “Numerical study of the thermal behaviour of bare overhead conductors in electrical power lines” Recent Researches in Communications, Electrical & Computer Engineering. ISBN: 978-960-474-286-8 [32] Bojan Pouckovic and Zeljko Djurisic. “Current carrying capacity of overhead line that connects wind power plant to the grid” Environment and Electrical Engineering (EEEIC), 2011 10th [33] Wei Xiong “applications of comsol multiphysics software to heat transfer processes” Arcada University of Applied Sciences, Department of Industrial Management, May, 2010, Helsinki 17
18. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.