Xây dựng mô hình và mô phỏng cáp trong trạng thái quá độ

Nội dung text: Xây dựng mô hình và mô phỏng cáp trong trạng thái quá độ

1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG CÁP TRONG TRẠNG THÁI QUÁ ĐỘ Design Model and Analysis High Voltage Underground Cable on System Transients Based on ATP-EMTP software Trương Thị Họa My- Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Tóm tắt: Bài báo này hướng dẫn cách ứng dụng chương trình con cho các hệ thống cáp cao thế thông thường. Nội dung nghiên cứu bao gồm cả cáp cách điện bằng phương pháp đùn (XLPE, PE) và cáp cách điện bằng giấy tẩm dầu. Trong tính toán quá độ, điều quan trọng là phải mô tả một cách chính xác ruột dẫn, lớp cách điện, lớp bán dẫn, và lớp chống nhiễu. Tần số phụ thuộc tiêu hao của lớp cách điện bằng giấy tẩm dầu cần phải đựơc đưa vào tính toán cho quá độ ở tần số cao. Abstract –The paper provides guidelines on how to apply CC routines to the most common types of high- voltage cable systems. The discussion considers both cables with extruded solid insulation (XLPE, PE) and cables with oil-impregnated paper. In transient calculations, it is always important to accurately represent the core conductor, insulation, semi conductive layers, and the metallic sheath. Frequency-dependent losses of paper-oil insulation need to be taken into account for very-high-frequency transients. Từ khóa: Cáp ngầm cao thế. Keywords: High voltage underground cable. I. GIỚI THIỆU Z và Y được tính bằng chương trình con CC, sử dụng Một vài mô hình đường dây đã được thực hiện đặc tính hình học và vật liệu của cáp như thông số đầu trong các chương trình EMTP phổ biến hiện nay vốn vào. có thể mô tả một cách chính xác sự phụ thuộc vào tần Thông thường, người sử dụng cần phải xác định: số của hệ thống cáp. Tất cả các mô hình này đòi hỏi 1) Hình dạng: cùng một loại thông số ngõ vào, cụ thể là ma trận trở - Vị trí của mỗi ruột dẫn kháng nối tiếp Z và ma trận tổng dẫn song song Y. Nói chung, đối với các hệ thống cáp, việc có được các - Độ sâu chôn ngầm của hệ thống cáp. thông số ngõ vào đủ mức chính xác thì hơn là hệ 2) Đặc điểm vật liệu: thống đường dây trên không do khoảng cách hình học - Điện trở suất ρ và độ từ thẩm tương đối μr nhỏ khiến cho các thông số của cáp rất nhạy so với của tất cả các ruột dẫn (μr là không đổi cho tất cả vật những sai lệch trong các hình dạng khác. Hơn nữa, liệu phi từ tính) vấn đề này lại trở nên phức tạp hơn do sự thiếu chính - Điện trở suất ρ và độ từ thẩm tương đối μr của xác trong các dữ liệu hình học do nhà sản xuất cung môi trường xung quanh. cấp vì họ chỉ định nghĩa các số đo cơ bản chứ không nhất thiết là các thiết là các số đo đo lường thực tế. - Độ từ thẩm tương đối của mỗi vật liệu cách điện ξr II. THÔNG SỐ ĐẦU VÀO Phương pháp tính Z và Y từ hình dạng và đặc Phương trình cơ bản sử dụng để mô tả cho đường tính vật liệu bên dưới tương tự với tất cả các bước dây trên không và cáp cách điện có dạng như sau: trong chương trình con CC. Người đọc được chỉ dẫn Z() R() jL() (1) chi tiết từ mục 4-6. Khó khăn chính là tính toán trở kháng, cái mà được dựa trên trở kháng bề mặt và trở Y() G() jC() (2) kháng truyền tải và lớp màn chắn kim loại hình trụ, cũng như trở kháng chính nó và trở kháng qua lại với Trong đó R, L, G và C lần lượt là điện trở nối đất tiếp, điện kháng nối tiếp, dây dẫn song song và điện III. VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN dung song song trong một đơn vị chiều dài của cáp. Ruột dẫn bện tròn cần được chế tạo như một khối Ma trận là ma trận vuông cấp nxn, trong đó n là số ruột dẫn chặt. Điện trở suất sẽ được tăng lên tỉ lệ dây dẫn song song trong hệ thống cáp. Giá trị của ω nghịch với hệ dố điền đầy bề mặt ruột dẫn, so as đưa chứng tỏ rằng khối lượng của chúng đựơc tính như ra giá trị điện trở ruột dẫn chính xác. hàm của tần số. Điện trở suất của đất xung quanh phụ thuộc vào độ liên kết của đất, phạm vi khỏang từ 1 Ωm ( đất ướt) đến khỏang 1 kΩm ( đá). Điện trở suất của nước 1
2. biển mằm trong khỏang giữa 0.1 đến 1 Ωm. Thông Z o11 Z o12   Z o1n  thường cáp ngầm được thiết kế với lớp áo giáp. Lớp Z  Z   Z  (9) Z o12 i22 o2n áo giáp bao gồm các sợi thép quấn quanh hay là một 0     lớp băng thép. Trong trường hợp lớp áo giáp làm bằng Z  Z   Z  sợi thép, độ dẫn từ phụ thuộc vào đường kính sợi, o1n o2n inn bước xoắn, và mật độ của vòng từ tính. Tất cả ma trận con nằm ngoài đường chéo của Z1 đều bằng 0. IV. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Một ma trận chéo biểu thị ma trận trở kháng mạch Hằng số điện môi lớp cách điện chính của cáp vòng của cáp một lõi. Khi cáp SC bao gồm một lõi, có thể tham khảo từ nhà sản xuất. Bảng 2 đưa ra một lớp áo giáp và lớp vỏ thì ma trận mạch vòng được cho vài giá trị điển hình cho vật liệu dẫn điện chung ở tần bởi công thức: số công nghiệp. XLPE là một lớp cách điện được hình Z ccj Z csj Z caj thành từ phương pháp đùn. Hầu hết lớp cách điện được tạo thành từ phương pháp Zij  Z csj Z ssj Z saj (10) đùn, bao gồm XLPE và PE, hầu như không tổn hao lên đến tần số 1Mhz trong khi đối với cách điện bằng Z caj Z saj Z aaj giấy tẩm dầu thì tổn hao là đáng kể ngay cả ở tần số Trong đó, thấp. Zccj Zcs Z sa Za4 2Z2m 2Z3m Zccj : trở kháng mạch vòng của lõi V. TRỞ KHÁNG VÀ DẪN NẠP Z ssj Z sa Za4 2Z3m d V / dx Z. I (3) Z : trở kháng mạch vòng của lớp cách điện ssj Z Z d I / dx Y . V (4) aaj a4 Zaaj: trở kháng mạch vòng của lớp áo giáp Trong đó, (V) và (I) là vectơ điện áp và dòng Z Z Z Z 2Z điện tại một khoảng cách x dọc theo chiều dài của csj sa a4 2m 3m cáp. Trong đó, [Z] và [Y] là ma trận vuông của trở Zcsj: trở kháng qua lại giữa lõi và lớp cách điện. kháng và dẫn nạp. Zcaj Z a4 Z3m Trong trường hợp tổng quát, ma trận trở kháng và dẫn Zcaj: trở kháng qua lại giữa lõi và lớp áo giáp. nạp của cáp có thể phân tích dưới dạng sau: Z Z saj caj Z Zi  Z p  Zc  Z0  5 Zsaj: trở kháng qua lại giữa lớp cách điện và lớp áo Y  s.P 1  giáp. (6) P Pi  Pp  Pc  P0   Trong đó, [P] là ma trận hệ số điện áp, và s=jω. Trong đó, Trong công thức bên trên, ma trận với chỉ số “i” quan hệ với cáp SC, và ma trận với chỉ số duới “p”, “c” zcs z11 z12 z2i  được áp dụng cho cáp trong ống. zsa z20 z23 z3i  (11) (1) Dòng dịch chuyển và tổn hao điện từ là không đáng kể. za4 z30 z34  (2) Màn chắn ruột dẫn của cáp có ệ số từ thẩm là Khi cáp SC core bao gồm 1 lõi và lớp vỏ thì ma trận 1 hằng số của công thức (11) được thay thế bởi một ma trận 1. Cáp một lõi vuông cấp 2: 1.1 Trở kháng Z Z Đối với cáp 1 lõi, trở kháng được tính theo công ccj csj Zij  (12) thức sau: Z csj Z ssj Z Zi  Z0  (7) Trong đó, Trong đó, Z ccj zcs zs3 2z2m Zi= ma trận trở kháng bên trong Z ssj zs3 (13) Z i1  0  0 0 Z   0 (8) Z z z Z i2 csj s3 2m i     Và zs3 z20 z23 0 0  Z  in Nếu cáp SC chi gồm một lõi thì ma trận sẽ được viết Z0= ma trận trở kháng của môi trường bên ngoài của lại cáp (trở kháng quay về đất) Z  Z z z (14) ij ccj 11 12 2
3. Một ma trận con của ma trận trở kháng tiếp đất [Z0] Trong đó, trong công thức (14) được biểu diễn như sau:  Zojk Z0 jk Z0 jk Pcj  (1/ 2  0 j1 .ln(r3 / r2 ) (15) P  (1/ 2   .ln(r / r ) (23) Z0 jk  Z0 jk Z0 jk Z0 jk sj 0 j2 5 4  P  (1/ 2   .ln(r / r ) Z0 jk Z0 jk Z0 jk aj 0 j3 7 6  Khi cáp SC chỉ bao gồm lõi vả lớp cách điện, ma trận Khi cáp SC chỉ bao gồm lõi vả lớp cách điện, ma trận bên trên sẽ bị khử đi một phần tử và trở thành ma trận bên trên sẽ bị khử đi một phần tử và trở thành ma trận như sau: như sau: P P P Zojk Zojk cj sj sj Z (16) Pij  (24)  ojk  P P Zojk Zojk sj sj Nếu cáp SC chỉ bao gồm ruột dẫn (lõi) thì ma trận chỉ Nếu cáp SC chỉ bao gồm ruột dẫn (lõi) thì ma trận chỉ gồm một phần tử: gồm một phần tử: Pij  Pcj (25) Zojk  Zojk (17) Ma trận con của [P0] được cho bởi công thức sau: 1.2 Hệ số điện áp Pojk Pojk Pojk Ma trận tổng dẫn của một hệ thống cáp được P P P P (26) ước tính từ ma trận hệ số điện áp như ở công thức  0 jk  ojk ojk ojk (17). Trong trường hợp cáp SC, [Pp] và [Pc] là 0, và Pojk Pojk Pojk khi hệ thống cáp là hệ thống chôn ngầm thì [Pc] cũng Trong đó, Pojk là hệ số điện áp không gian và được là 0. Vì vậy, ta được kết quả như sau: biểu diễn bởi công thức sau: (1) Đối với cáp treo trên không Pojj  (1/ 2  0 .ln(r2hj / r7 j )   (27) (18) (P) (Pi ) (P0 ) Pojk  (1/ 2  0 .ln(D2 / D1)  (2) Đối với cáp ngầm 2. Cáp đi trong ống (PT cable) 2.1 Trở kháng (P) (Pi ) (19) Ma trận trở kháng của của cáp PT, trong đó màn chắn ruột dẫn được giả định như cáp SC và được Trong đó, đưa ra phương pháp tính như trường hợp cáp SC. [Pi]: ma trận hệ số điện áp bên trong của cáp (1) Giả sử bề dày của ống là vô cùng Pi1  0 (Z) (Z ) (Z ) (28) i p P  P   (20) i i2 (2) Giả sử bề dày của ống là hữu hạn 0  Pin  (Z) (Zi ) (Z p ) (Zc ) (Z0 ) (29) [Po]: ma trận hệ số điện áp của hệ thống trong không khí Trong đó, P011 P012  P013 [Zi] : ma trận trở kháng nội của cáp SC P012 P022  P02n  (21) Zi1 0  0 0 Po      0 Z   0 0 i2 P  P   P  (30) 01n 02n 0nn Zi       Tất cả ma trận con của [Pi] đều bằng 0. Một ma trận 0 0  Zin  0 chéo biểu diễn ma trận hệ hế điện áp cho cáp SC. Khi 0 0  0 0 cáp SC bao gồm ruột dẫn, lớp cách điện và lớp áo giáp như trong thì ma trận đường chéo dược cho bởi: [Zp] : ma trận trở kháng bên trong ống P P P P P P cj sj aj sj aj aj Z  Z   Z  0 (22) p11 p12 p1n Pij  Psj Paj Psj Paj Paj Z p12 Z p22  Z p2n  0 (31) Paj Paj Paj Z p       Z p1n  Z p2n   Z pnn 0 0 0  0 0 [Zc] : ma trận trở kháng tiếp xúc giữa bề mặt bên trong và bên ngoài ống 3
4. Zc1 Zc1  Zc1 Zc2 U 500 Z Z  Z Z 0 m  c1  c1  c1 c2 (32) Zc       Zc1 Zc1  Zc1 Zc2 Zc2 Zc2  Zc2 Zc3 [Z0] : ma trận trở kháng nối đất Hình 1: Mô hinh đường dây cáp cao thế Z Z  Z Z ̀  0   0   0   0  Trong phần mềm EMTP không thể khảo sát Z Z  Z Z  0   0   0  0 mô phỏng trên cùng một đồ thị. Do đó, MATLAB (33) chính là công cụ giúp ta thấy được sự khác biệt khi Z0       thay đổi một trong các thông số này. MATLAB là Z  Z   Z  Z 0 0 0 0 một môi trường tính toán số và lập trình, được thiết kế Z0 Z0  Z0 Z0 bởi công ty MathWorks. MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ Ma trận chéo của [Z ] trong công thức (30) được suy i thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện ra từ công thức (31). Và ma trận chéo của [Z ] trong p người dùng và liên kết với những chương trình máy công thức (33) được viết lại như sau: tínhviết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác. Z pjk Z pjk Z pjk 1. Thiết lập mô hình đường dây trong ATP: Z pjk  Z pjk Z pjk Z pjk (34) Z pjk Z pjk Z pjk Ngoài ra, trong hệ thống điện, một số khái niệm khác cũng được đề cập đến đó là thông số tập trung và thông số phân bố. Thông số tập trung của mạch điện là các đại lương đặc tính điện xuất hiện hoặc tồn tại ở một vị trí nào đó được xác định của mạch điện. Thông số tập trung được biểu diễn bởi một phần tử điện tương ứng, có thể xác định hoặc đo đạc trực tiếp được. Chẳng hạn như các phần tử điện trở, điện cảm, điện dung, nguồn áp, nguồn diod, transitor đều là các phần tử thông số Hình 2: Mô hình cáp cao thế trong phần mềm ATP tập trung. Thiết lập thông số cho mô hình đường dây như hình Thông số phân bố hay còn gọi là thông số rải bên dưới: của một mạch điện cũng là các đại lượng đặc tính - System type : hệ thống cáp 1 lõi điện, nhưng chúng không tồn tại ở một vị trí nhất định - Phase: hệ thống 1 pha trong mạch điện, mà chúng được phân bố rải đều trên - Number of cables: Số lượng cáp là 3 chiều dài của mạch điện đó. Thông số phân bố thường - Ground: dạng cáp ngầm được dùng trong các hệ thống truyền sóng ( đường - Mô hình đuờng dây dạng JMarti dây truyền sóng, ống dẫn sóng trong không gian tự do, ) biểu thị các đặc tính tương đương về điện của hệ thống. Thông số phân bố thường là các thông số tuyến tính, được xác định trên một đơn vị chiều dài của phương trình truyền sóng. Vì vậy, chúng ta không thể đo đạc trực tiếp giá trị của các thông số phân bố, mà chỉ có thể suy ra chúng bằng các phép đo tương đương trên các thông số khác. VI. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Viêc̣ khảo sát đáp ứ ng quá đô ̣của cáp ngầm cao thế đươc̣ thưc̣ hiêṇ trên phần mềm EMTP . Các thông số của cáp , thông số mô phỏng và mô hình mô phỏng được thiết lập như sau: Hình 3: Bảng thiết lập mô hình mô phỏng 4
5. 2. Khảo sát độ dày của lớp bọc chì 2. Kết quả khảo sát độ dày của lớp bọc chì - Vật liệu: chì - Độ dày của lớp lead sheath lần lượt là d=1 mm, d=2 mm, d=3 mm. - Kích thích là hàm bước (step function) có biên độ là 1 pu. Bước 1: Thiết lập thông số cho mô hình đường dây, OK Bước 2: Run A Có thể nhận thấy rằng khi giảm độ dày của lớp bọc chì từ 2mm xuống 1mm nghĩa là tăng độ mạnh sự suy hao, ngược lại nếu giảm từ 3mm xuống 2mm thì sự ảnh hưởng thấp hơn. Điều này có thể hiểu bằng cách xem xét tần số trong trạng thái quá độ khoảng 10kHz. Vì vậy, khi tăng độ dày của lớp bọc chì càng lớn thì điện trở của lớp bảo vệ sẽ không có sự thay đổi đáng kể Bước 4: Kết quả mô phỏng như sau: 3. Kết quả khảo sát độ dày của lớp bán dẫn Bước 5 : Lưu kết quả, xuất qua phần mềm MATLAB Thông thường lớp bảo vệ ruột dẫn được nối đất cả 2 đầu, điện áp dọc theo ruột dẫn này sẽ thấp hơn so với từng ruột dẫn, ngay cả trong trường hợp quá độ. Quá độ tại tần số cao sẽ không ảnh hưởng đến ruột dẫn, đất, và lớp vỏ ngoài. 4. Kết quả khảo sát độ dày của lớp giáp 5
6. App. Syst., vol. PAS-99, no. 3, pp. 902–909, May/Jun. 1980. Điện áp cuối cùng của đáp ứng bước nhảy [7] Y. Yin and H. W. Dommel, “Calculation of được tính toán cho nhiều giá trị khác nhau với độ dẫn frequency-dependent impedances of underground từ của áp giáp lần lượt là r = 1, 10, 100. Điều này power cables with finite element method,” IEEE cho thấy rằng,khi tăng độ dẫn từ thì độ suy giảm hữu Trans. Magn., vol. 25, no. 4, pp. 3025–3027, Jul. hiệu của điện áp sẽ tăng lên,nguyên nhân này là do độ 1989. dẫn từ tăng lên thì độ xuyên sâu của lớp giáp sẽ [8] G. Bianchi and G. Luoni, “Induced currents and giảm,vì vậy phải tăng điện trở của sự thẩm thấu bề losses in single-core submarine cables,” IEEE mặt lớp giáp. Trans. Power App. Syst., vol. PAS-95, no. 1, pp. Đối với cáp có chiều dài là 5km, giá trị của 49–58, Jan./Feb. 1976. lớp áo giáp được xác định là nhỏ hơn so với từ trường [9] O. Breien and I. Johansen, “Attenuation of xuyên qua không đáng kể của lớp giáp bảo vệ. Vì vậy, traveling waves in single phase high-voltage phải tăng tần số của quá độ. cables,” in Proc. Inst. Elect. Eng., vol. 118, Jun. 1971, pp. 787–793. VI. KẾT LUẬN [10] B. Gustavsen, “Panel session on data for modeling system transients: Insulated cables,” in - Trong tính toán quá độ, điều quan trọng là Proc. IEEE Power Engineering Soc. Winter phải mô tả một cách chính xác ruột dẫn, lớp cách Meeting, 2001. điện, lớp bán dẫn và lớp giáp bảo vệ. Thông thường [11] K. Steinbrich, “Influence of semiconducting lớp bảo vệ ruột dẫn được nối đất cả 2 đầu layers on the attenuation behaviour of single-core - Độ dày của lớp bọc chì càng lớn thì độ suy power cables,” Proc. Inst. Elect. Eng., Gen., giảm điện áp là không đáng kể Transm. Distrib., vol. 152, no. 2, pp. 271–276, - Hầu hết lớp cách điện được làm từ vật liệu Mar. 2005. XLPE hoặc PE, hầu như không tổn hao tại tần số 12] A. Ametani, Y. Miyamoto, and N. Nagaoka, 1Mhz trong khi đối với lớp cách điện bằng giấy tẩm “Semiconducting layer impedance and its effect on dầu thì tổn hao là đáng kể ngay cả ở tần số thấp. cable wave-propagation and transient characteristics,” - Quá độ điện áp có thể ảnh hưởng lớn đến tính IEEE Trans. Power Del., vol. 19, no. 4, pp. 1523– từ thẩm của bất kỳ lớp giáp bằng thép nào khi có 1531, Oct. 2004. cường độ từ trường xuyên qua lớp bảo vệ. Trường [13] J. P. Noualy and G. L. Roy, “Wave-propagation hợp lớp giáp làm bằng sợi thép thì độ dẫn từ phụ modes on high-voltage cables,” IEEE Trans. Power thuộc vào đường kính sợi, bước xoắn và mật độ của App. Syst., vol. PAS-96, no. 1, pp. 158–165, Jan./Feb. vòng từ tính. 1977. VII.Tài liệu tham khảo [14] A. Ametani, “Wave propagation characteristics [1] L. Marti, “Simulation of transients in underground of cables,” IEEE Trans. Power App. Syst., vol. PAS- cables with frequency-dependent modal 99, no. 2, pp. 499–505, Mar./Apr. 1980. transformation matrices,” IEEE Trans. Power Del., vol. 11, no. 3, pp. 1099–1110, Jul. 1988. 2] T. Noda, N. Nagaoka, and A. Ametani, “Phase domain modeling of frequency-dependent transmission line models by means of an ARMA model,” IEEE Trans. Power Del., vol. 11, no. 1, pp. 401–411, Jan. 1996. [3]A. Morched, B. Gustavsen, and M. Tartibi, “A universal model for accurate calculation of electromagnetic transients on overhead lines and underground cables,” IEEE Trans. Power Del., vol. 14, no. 3, pp. 1032–1038, Jul. 1999. [4] H. W. Dommel, Electromagnetic Transients Program Manual (EMTP Theory Book). Portand, OR: Bonneville Power Administration, Aug. 1986. [5] L. M. Wedepohl and D. J. Wilcox, “Transient analysis of underground power-transmission systems. System-model and wave-propagation characteristics,” Proc. Inst. Elect. Eng., vol. 120, no. 2, pp. 253–260, Feb. 1973. [6] A. Ametani, “A general formulation of impedance and admittance of cables,” IEEE Trans. Power 6
7. 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.