GIÁO TRÌNH hệ THỐNG điện chapter 2

Điện trở đường dây Điện trở là thông thố quan trọng của đường dây, nó ảnh hưởng đến hiệu quả truyền tải, nó là nguyên nhân sinh nhiệt.. Nếu xác định theo bán kính trung bình nhân giữa c

- GMD (Geometric Mean Distance): Khoảng cách trung bình nhân giữa các dây dẫn và còn có ký hiệu là Dm

- GMR (Geometric Mean Radius): Bán kính trung bình nhân giữa các dây cùng pha và được ký hiệu là Ds

2.2 Điện trở đường dây

Điện trở là thông thố quan trọng của đường dây, nó ảnh hưởng đến hiệu quả truyền tải, nó là nguyên nhân sinh nhiệt

Điện trở của dây dẫn tròn đồng nhất được xác định theo biểu thức

A

l

với: ρ là điện trở suất của dây dẫn

l: Chiều dài dây dẫn

A: Tiết diện dây dẫn

Điện trở của dây dẫn chịu ảnh hưởng của ba yếu tố: tần số, mức độ xoắn và nhiệt

độ

Khi dẫn dòng điện xoay chiều điện trở của dây dẫn tăng lên so với dẫn dòng điện một chiều; điều này là do ảnh hưởng của hiệu ứng mặt ngoài (skin effect) Ví dụ ở tần số 60Hz, điện trở tăng 2% do với dòng điện một chiều

Điện trở của dây cũng tăng lên khi nhiệt độ tăng với mối liên hệ như sau:

1

t T

t T R

+ +

với: R1, R2 là điện trở ứng với nhiệt độ t1, t2

T là hằng số nhiệt phụ thuộc vào vật liệu làm dây dẫn, ví dụ với nhôm T gần bằng 228

Chính vì những ảnh hưởng như vậy nên trong thực tiễn tốt nhất là dựa vào thông số của nhà sản xuất

2.3 Điện cảm của đường dây

2.3.1 Điện cảm của dây đơn (single conductor)

Trong phần này chủ yếu chúng ta đi tìm biểu thức xác định điện cảm L của đường dây đơn

Điện cảm của đường dây gồm điện cảm trong (internal inductance) và điện cảm ngoài (do từ thông móc vòng giữa các dây dẫn tạo ra- chúng ta hay gọi là hỗ cảm - external flux linkage)

Bằng các chứng minh đơn giản ta có được: điện cảm bên trong (hình 2.1):

D

D

−

Từ đó ta có điện cảm của đường dây một pha (hình 2.2) là:

Đối với dây thứ nhất:

Nếu xác định theo bán kính trung bình nhân giữa các dây cùng pha (GMR) và qui

về điện cảm trên một km chiều dài dây thì:

L=0.2ln

L

D

Trong trường hợp này GMRL=r’

Một cách chi tiết nếu chúng ta kể đến hỗ cảm giữa hai dây cùng pha (hình 2.3) thì giá trị điện cảm tương hỗ được xác định như sau:

•

Hình 2.3: Mô hình hỗ cảm đường dây

L12

Lúc này từ thông móc vòng λ được xác định:

λ1=(L11-L12)I1

2.3.2 Điện cảm của đường dây ba pha

2.3.2.1 Ba pha đặt đối xứng tại ba đỉnh của tam giác đều

Chứng minh đơn giản chúng ta có được điện cảm trên mỗi pha được xác định:

2.3.2.2 Ba dây pha đặt không đối xứng trong không gian

Giá trị điện cảm trên các pha được xác định:

Ở đây a là toán tử góc với: a=1∠ 120 0, a2=1∠ 240 0

Để đảm bảo cân bằng điện cảm trên các dây, trong thực tiển người ta thực hiện việc hoán đổi pha như sau (hình 2.6):

Khi đó giá trị điện cảm cho mỗi pha được xác định trung bình như sau:

L=

3

c b

Hình 2.6: Đường dây ba pha có hoán đổi pha

Thay các biểu thức trên vào và biến đổi đơn giản ta có:

L=2.10-7(ln 1,

r -ln

3 1 13 23

(

1

D D D

12D D

2.3.3 Điện cảm của đường dây hợp nhất

2.3.3.1 Đường dây hợp nhất một pha

Trong phần này chúng ta xem xét đường dây một mà trong đó mỗi dây pha được tạo ra từ tổ hợp các sợi dây dẫn - đường dây lộ kép (trong hệ thống truyền tải điều này thường xảy ra)

Xét trường hợp tổng quát đường dây một pha với mỗi dây được tổ hợp của n

và m sợi tương ứng như hình 2.7

Chứng minh tương tự (Người đọc tham khảo thêm tài liệu) ta có:

L =2.10 -7 ln

L

GMD

với: GMD=mn

nm nb na am

Áp dụng công thức (2.19) ta có:

GMRL=49(r'.2r.2 3r.4r.2 3r.2r.2r)6.r'(2r)6

= 7 0,25 6 76 76

)2()3()2()(e −

Với cách tính tương tự chúng ta có thể lập thành một bảng tra GMRL (bảng 2.1)

theo bán kính ngoài của các bó dây (R) như sau:

Một số giá trị GMRL đương của đường dây một pha được tạo từ nhiều bó dây phổ

biến trong thực tiễn (hình 2.9)

Nếu gọi ds là bán kính trung bình nhân tự thân của mỗi dây và Ds là bán kính trung

bình nhân lộ dây (cũng là GMRL của lộ dây) thì:

ở hình 2.9a: Ds= d s×d

ở hình 2.9c: Ds= 1,094 d s×d3

2.3.3.2 Đường dây hợp nhất ba pha (ba pha lộ kép)

Lúc này khoảng cách trung bình nhân tương hỗ giữa các pha khác nhau được xác

định:

DAB=4

2 2 1 2 2 1 1

1 b c b c b c c

Hình 2.10: Đường dây ba pha lộ kép

2 2 1 2 2 1

1 a c a c a c c

với Ds là bán kính trung bình nhân trong mỗi lộ pha

Khi đó GMR tính toán trong mỗi dây pha đối với trung tính là:

2.4 Điện dung của đường dây

Một thông số đặc trưng của đường dây truyền tải là điện dung C Điện dung đường dây phụ thuộc vào tiết diện dây dẫn, khoảng cách giữa các dây dẫn và độ cao của chúng so với đất

Trong phần này Sinh viên tự tìm hiểu các kiến thức cơ bản về cách xác định điện thế và hiệu điện thế (đã học trong lý thuyết trường điện từ) tài liệu này chỉ đưa

ra các biểu thức cơ bản để xác định điện dung của đường dây

2.4.1 Điện dung của đường dây một pha

Điện dung giữa hai dây dẫn được xác định theo biểu thức (2.26)

Biểu thức trên xác định điện dung giữa dây đến dây (line to line) Tuy nhiên

với đường dây tải điện để tiện lợi chúng ta tính điện dung giữa dây đến điểm trung

tính (neutral) được minh họa như hình vẽ 2.12b Lúc này giá trị điện dung dây đến

trung tính được xác định (vì điện áp từ một dây đến trung tính bằng một nữa đến

dây còn lại nên điện dung tăng lên gấp đôi: C=2C12):

Các biểu thức trên chưa xét đến ảnh hưởng của bó dây (bunding) Trong trường hợp

xét đến ảnh hưởng của bó dây chúng ta cũng xác định tương tự như phần điện cảm

Hình 2.12: Mô hình điện dung đường dây

2.4.2 Điện dung của đường dây ba pha

Trong trường hợp này chủ yếu chúng ta xác định điện dung giữa các dây pha với trung tính (đất) Trở lại với cách chứng minh tương tự ta có công thức xác định điện dung giữa dây pha với trung tính như sau (chú ý chúng ta xét trong mạng đường dây có hoán đổi pha):

GMD

ln

0556.0

(μF/km) (2.33)

2.4.3 Điện dung của đường dây ba pha lộ kép

Tương tự như vậy chúng ta xác định điện dung của đường dây ba pha lộ kép (hình 2.10) như sau:

GMD

ln

0556.0

a) Xác định khoảng cách trung bình bình phương giữa các dây pha (GMD) b) Xác định điện cảm và cảm kháng trên mỗi km đường dây trên mỗi pha

c) Xác định điện dung và dung kháng trên mỗi km đường dây trên mỗi pha

ab D D

D =312.5*12.5*(12.5+12.5)=15.749m b) Điện cảm trên mỗi km đường dây trên mỗi pha xác định theo biểu thức (2.25):

749 15

− =1.41(mH/km)

cảm kháng trên mỗi km đường dây là xo=2ПfL=0.442(Ω/km)

c) Điện dung trên mỗi km đường dây trên mỗi pha được xác định theo biểu thức (2.33)

=

2

10.2

416.3

749.15ln

0556.0

Biết rằng mỗi dây có đường kính hình học là 2,5(cm); GMRL (ds) là 1(cm)

a) Xác định khoảng cách trung bình bình phương giữa các dây pha (GMD) b) Xác định điện cảm và cảm kháng trên mỗi km đường dây trên mỗi pha c) Xác định điện dung và dung kháng trên mỗi km đường dây trên mỗi pha d) So sánh kết quả với ví dụ 2.2

thay vào ta có: L = 0,2ln

063 0

749 15

=1.103(mH/km)

cảm kháng trên mỗi km đường dây là xo=2πfL=0.3465(Ω/km)

c) Điện dung trên mỗi km đường dây trên mỗi pha được xác định theo biểu thức (2.33):

C=

b r

GMD

ln

0556.0

với rb được xác định theo (2.30): rb = 40

2

5

2 × =7.071(cm) (Chú ý rằng rb chính là GMRC)

Thay số vào ta được: C=

2

10

* 071 7

749 15 ln

0556 0

−

=0.01028(μF/km)

dung kháng trên mỗi km đường dây là bo= 1/(2πfC)=0.3096.106(Ω/km)

d) Người đọc tự so sánh kết quả và rút ra kết luận

2.4.4 Ảnh hưởng của mặt đất đến điện dung đường dây tải điện

Điện dung đường dây được xác định thông qua bài toán phân bố điện thế xung quanh dây dẫn Đối với đường dây tải điện, mặt đẳng thế là các mặt hình trụ tròn và sự hiện diện của mặt đất có tác động đến mặt đẳng thế này Sự ảnh hưởng này có thể tính toán bằng phương pháp ảnh điện (image charges) được Kelvin giới thiệu (đã học trong lý thuyết trường điện từ)

Nhìn chung sự ảnh hưởng của đất sẽ làm điện dung của đường dây tăng lên Trong thực tế chiều cao của dây dẫn lớn hơn khoảng cách giữa các dây pha; chính điều này mà ảnh hưởng này có thể bỏ qua khi phân tích mô hình đường dây đối xứng ở trạng thái tĩnh (steady-state) Tuy nhiên, khi phân tích ở điều kiện không đối xứng như trạng thái sự cố thì ảnh hưởng này phải được xem xét

2.5 Tác động của điện - từ trường đường dây truyền tải

Từ trường của đường dây truyền tải phụ thuộc vào cường độ dòng điện chạy trong dây dẫn, điện thế của dây dẫn Từ trường dây dẫn sẽ tác động đến các quá trình vật lý xảy ra xung quanh chúng; đặc biệt là các đường dây tín hiệu chạy song song

Đã có nhiều nghiên cứu cho thấy điện - từ trường của đường dây tải điện có tác động đến các thành phần của máu, sự tăng trưởng, hệ thống miễn dịch và một số chức năng thần kinh của con người Đặc biệt với đường dây dài và điện áp cao thì

sự ảnh hưởng này sẽ càng tăng Ngày nay vẫn còn nhiều nghiên cứu trên phạm vi toàn cầu về vấn đề này

% CHUONG TRINH MATLAB TINH THONG SO DUONG DAY TAI DIEN

clc, clear

thongbao = [

' Thong so duong day ba pha co hoan vi pha '

' '

' So lo day Enter '

' - - '

' Duong day ba pha lo don 1 '

' Duong day ba pha lo kep dat thang dung 2 '

' Duong day ba pha lo kep dat nam ngang 3 '

' Exit 0 '

' ' ];

disp(thongbao) nc = -1; while nc ~=1 & nc ~= 2 & nc ~=3 & nc~=0 nc = input( 'Chon ma so duong day ' ); if nc ~= 1 & nc ~= 2 & nc ~=3 & nc~=0 disp( 'Enter 1, 2 3 or 0' ), end end fprintf( ' \n' ) clc if nc == 0, return , end if nc == 1 loai1 = [ ' b '

' O * CHU Y: TAT CA CAC GIA TRI '

' / \ KHOAN CACH PHAI NHAP ' ' / \ CUNG LOAI DON VI '

' / \ (VD: m, ft, inch, cm, ) '

' D12 D23 '

' / \ a b c '

' / \ O D12 O D23 O '

' a/ \c '

' O -D13 -O OR -D13 - ' ];

disp(loai1) space = 0; while length(space) ~= 3 space = input( 'Nhap vao vector hang [D12, D23, D13] = ' ); if length(space) ~= 3 disp( ' Gia tri D12, D23, D13 phai nam trong dau ngoac[ ], nhap lai.' ), end end D12 = space(1); D23 = space(2);D13=space(3); GMD = (D12*D23*D13)^(1/3); elseif nc == 2 loai2 = [ ' a c`(a`) '

' So do bo tri day O -S11 -O * CHU Y: TAT CA CAC GIA TRI '

' - | KHOAN CACH PHAI NHAP ' ' (1) abc-c`b`a` H12 TRONG CUNG DON VI '

' (2) abc-a`b`c` b | b`(b`) (Vd:m, ft, inch, cm, ) '

' O -S22 -O '

' | '

' H23 '

' c| a`(c`) '

' O S33 O ' ];

disp(loai2)

nph = 0;

' Kieu bo tri * CHU Y: TAT CA CAC GIA TRI '

' - KHOAN CACH PHAI NHAP '

' (1) abc-a`b`c` TRONG CUNG DON VI '

Da1b1 = abs(a1 - b1); Da1b2 = abs(a1 - b2);

Da1c1 = abs(a1 - c1); Da1c2 = abs(a1 - c2);

Db1c1 = abs(b1 - c1); Db1c2 = abs(b1 - c2);

Da2b1 = abs(a2 - b1); Da2b2 = abs(a2 - b2);

Da2c1 = abs(a2 - c1); Da2c2 = abs(a2 - c2);

while nb ~= 1 & nb ~= 2 & nb ~= 3 & nb ~= 4

fprintf( ' Cam khang duong day Xo(ohm/km) o tan so 50(Hz)la = %8.5f ' ,Xo50), fprintf( ' \n' )

Kết quả

Khi chạy chương trình sẽ hiện bảng thông báo:

Thong so duong day ba pha co hoan vi pha

So lo day Enter

- -

Duong day ba pha lo don 1

Duong day ba pha lo kep dat thang dung 2

Duong day ba pha lo kep dat nam ngang 3

O * CHU Y: TAT CA CAC GIA TRI

/ \ KHOAN CACH PHAI NHAP

/ \ CUNG LOAI DON VI

Nhap vao vector hang [D12, D23, D13] = [12.5 12.5 25]

Duong kinh day dan-2r = 0.03416

Dien cam duong day L(mH/km) = 1.41188

Dien dung duong day C(uF/km) = 0.00814

Cam khang duong day Xo(ohm/km) o tan so 50(Hz)la = 0.44333

Cam khang duong day Xo(ohm/km) o tan so 60(Hz)la = 0.53200

Dung khang duong day Bo(ohm/km) o tan so 50(Hz)la = 391022.36145

Dung khang duong day Bo(ohm/km) o tan so 60(Hz)la = 325851.96787

=========== CAM ON CAC BAN DA SU DUNG CHUONG TRINH ===========

Ở ví dụ 2.3 các bạn cũng nhập tương tự; chú ý rằng số dây trong một bó là 2 và kết quả như sau:

Nhap vao vector hang [D12, D23, D13] = [12.5 12.5 25]

Duong kinh day dan-2r = 0.025

GMR-ds = 0.01

Nhap vao so day trong mot bo (nhap 1 cho 1 day) = 2

Khoang cach giua cac day trong bo-d = 0.4

GMD = 15.74901

GMRL = 0.06325 GMRC = 0.07071

Dien cam duong day L(mH/km) = 1.10350

Dien dung duong day C(uF/km) = 0.01028

Cam khang duong day Xo(ohm/km) o tan so 50(Hz)la = 0.34650

Cam khang duong day Xo(ohm/km) o tan so 60(Hz)la = 0.41580

Dung khang duong day Bo(ohm/km) o tan so 50(Hz)la = 309646.72523

Dung khang duong day Bo(ohm/km) o tan so 60(Hz)la = 258038.93769

=========== AM ON CAC BAN DA SU DUNG CHUONG TRINH ===========

2.6 Giới thiệu về cáp ngầm

Hiện nay tại các thành

phố lớn, dân số đông; đường

dây trên không trở nên không

an toàn, chi phí không gian lớn

và hơn nữa là không có tính

mỹ quan đô thị Do đó, giải

pháp dùng cáp ngầm

(underground cables) thay thế

cho đường dây trên không là

cần thiết Sự phát triển của

công nghệ chế tạo cáp ngầm

không chỉ giảm giá thành cáp

mà còn tăng khả năng dẫn của

Có nhiều loại cáp ngầm được sử dụng trong thực tế phụ thuộc vào đặc tính

cơ khí, cấp điện áp truyền tải và loại cách điện sử dụng trong cáp Vật liệu cách điện dùng cho cáp ngầm phải có chất lượng tốt, độ bền điện cao, không hút ẩm, không phản ứng với axít và kiềm Dòng điện lớn nhất cho phép của cáp ngầm phụ thuộc

vào tiết diện, loại cách điện, nhiệt độ của đất và phương pháp lắp đặt cáp trong đất Cáp ngầm được phân loại theo cấp điện áp truyền tải

Với điện áp thấp (dưới 1kV), cáp chủ yếu được dùng là cáp có vỏ cách điện bằng nhựa tổng hợp Trong cáp này nhôm có thể được dùng với vai trò vật dẫn và vật liệu cách điện Phần cách điện trong mỗi sợi dây thường được dùng bằng giấy tẩm dầu Để tăng độ bền cơ khí người ta dùng loại cáp có đai (belted) thường làm bằng thép (minh họa ở hình 2.16)

Với điện áp vận hành đế 33kV, các loại cáp cách điện bằng giấy được sử dụng như: cáp Hochstadler, cáp SL, cáp HSL,… minh họa ở hình 2.17

(b): Cáp SL (a): Cáp Hochstadler

Hình 2.17: Hình ảnh một số cáp trung thế

Trong cáp Hochstadler cách điện của mỗi dây dẫn được bọc riêng trong màng dẫn, sao cho có một điện trường xuyên tâm bao quanh dây dẫn Vỏ kim loại của cáp được nối về điện với từng màng Bằng cách này các ứng suất tiếp tuyến bị triệt tiêu Thiết kế này có thể chịu được điện áp lên đến 50kV Với cáp SL mỗi sợi được bọc bằng một lớp chì

Với cấp điện áp truyền tải từ 220kV trở lên cáp phải được thiết kế sao cho tránh các quá trình iôn hóa được hình thành bởi các khoảng trống bên trong cáp

Ống dẫn dầu

Vỏ Giấy tẩm dầu Dây dẫn

Hình 2.18: Cáp dầu dùng cho cấp điện áp trên 220kV

Để đạt được điều này người ta dùng các tấm film mỏng có tẩm dầu được nén dưới

áp suất tương đối lớn để làm vật liệu cách điện và chúng được gọi là cáp dầu filled cable) được minh họa như hình 2.18 Ngày nay để đơn giản trong việc lắp đặt

(oil-và bảo trì đối với cáp ngầm có điện áp vận hành lớn (có thể đến 500kV) đồng thời