Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu phân pha tới tham số đường dây cao áp và siêu cao áp trong quá trình vận hành

E0 phụ thuộc vào bán kính dây dẫn và mật độ không khí tương đối, đại lượng thứ 2 thường thay đổi rất ít nên cường độ điện trường trên bề mặt dây dẫn chủ yếu phụ thuộc vào bán kính dây dẫ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU PHÂN PHA TỚI THAM SỐ ĐƯỜNG DÂY CAO ÁP VÀ SIÊU CAO ÁP TRONG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục 1

Mở đầu 1 Sự cần thiết của đề tài 3

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5

Chương I: Tổng quan về phân pha và ảnh hưởng của nó đến các tham số cơ bản của đường dây 7

1 Các tham số cơ bản của đường dây siêu cao áp 7

2 Tác dụng của phân pha đối với vầng quang 17

3 Một vài thông số cơ khí của đường dây 220 kV và 500 kV 21

4 Ảnh hưởng của phân pha đến các tham số cơ bản của đường dây 24

Chương II: Ảnh hưởng của phân pha tới quá trình quá độ khi tiến hành đóng cắt đường dây 500 kV 28

1 Mở đầu 28

2 Ảnh hưởng của phân pha tới điện áp cuối đường dây ở chế độ cuối đường dây hở mạch 30

3 Ảnh hưởng của phân pha tới quá điện áp khi đóng cắt đường dây 500 kV 37

Chương III: Ảnh hưởng của phân pha đến khả năng tải của đường dây 220 kV và 500 kV 53

1 Ảnh hưởng của phân pha đến khả năng tải của đường dây theo điều kiện phát nóng 53

2 Ảnh hưởng của phân pha đến khả năng tải của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh 60

Chương IV: Ảnh hưởng của phân pha đến tổn thất công suất trên đường dây

siêu cao áp 67

1 Tổn thất năng lượng do vầng quang cục bộ và ảnh hưởng của phân pha đến tổn thất năng lượng do vầng quang cục bộ 67

2 Tổn thất công suất trên điện trở của đường dây 84

3 Ảnh hưởng của điện áp vận hành đến tổn thất công suất trên đường dây 97

Kết luận chung và kiến nghị 103

Danh sách tài liệu tham khảo 105 Phụ lục

Tóm tắt luận văn

MỞ ĐẦU

1, Sự cần thiết của đề tài

Lịch sử phát triển của hệ thống điện đã trải qua nhiều thời kỳ khác nhau Trong giai đoạn đầu, các nguồn điện là các nguồn điện một chiều, lưới điện truyền tải điện năng đến các phụ tải cũng là các lưới điện một chiều Do đó việc truyền tải điện năng được thực hiện trực tiếp theo cấp điện áp máy phát, vì vậy việc truyền tải điện năng đi xa bị giới hạn bởi các chỉ tiêu về tổn thất (tổn thất công suất và tổn thất điện năng) không đáp ứng được các chỉ tiêu kỹ thuật Cùng với việc ra đời của dòng điện xoay chiều và đặc biệt là máy biến áp điện lực vấn

đề đã được giải quyết cơ bản: quá trình truyền tải điện năng đi xa sử dụng máy biến áp để nâng điện áp truyền tải lên cao đề giảm được tổn thất công suất Khi

đó truyền tải điện năng bị giới hạn bởi phát nóng của đường dây và yêu cầu điều chỉnh điện áp ở cuối đường dây Sau đó cùng với sự phát triển của các phụ tải sử dụng điện, xuất hiện nhu cầu về các đường dây truyền tải điện liên lạc giữa các vùng hay giữa các quốc gia với nhau để cung cấp điện có độ tin cậy cao hơn, độ

dự phòng lớn hơn … Điều này làm xuất hiện các đường dây truyền tải điện với điện áp ngày càng cao (đường dây truyền tải điện cao áp và siêu cao áp) với khoảng cách truyền tải điện ngày càng dài hơn Lúc này xuất hiện các vấn đề mới đối với truyền tải điện năng, đó là: tổn thất vầng quang trên đường dây truyền tải điện và giới hạn truyền tải công suất theo điều kiện ổn định tĩnh

Để khắc phục hiện tượng tổn thất vầng quang trên đường dây truyền tải điện cao áp, người ta đã đề ra nhiều phương án khác nhau Ta có tổn thất vầng quang phụ thuộc vào cường độ điện trường trên bề mặt dây dẫn Trong điều kiện thời tiết tốt khi cường độ điện trường trên bề mặt dây dẫn đạt đến giá trị cường độ điện trường khởi đầu thì sẽ xuất hiện phóng điện vầng quang Từ đây nảy sinh vấn đề làm sao cho cường độ điện trường E trên bề mặt dây dẫn luôn có giá trị nhỏ hơn cường độ điện trường khởi đầu của phóng điện vầng quang E0 thì sẽ loại

bỏ được vầng quang và kèm theo đó là tổn hao năng lượng do nó gây ra

E0 phụ thuộc vào bán kính dây dẫn và mật độ không khí tương đối, đại lượng thứ 2 thường thay đổi rất ít nên cường độ điện trường trên bề mặt dây dẫn chủ yếu phụ thuộc vào bán kính dây dẫn hay nói một cách khác là nếu lựa chọn bán kính dây dẫn thích hợp thì có thể đảm bảo được điều kiện điện áp khởi đầu phóng điện vầng quang lớn hơn điện áp làm việc lớn nhất của đường dây

Để giảm cường độ điện trường trên bề mặt dây dẫn ta phải tăng bán kính dây dẫn đến giới hạn phụ thuộc vào cấp điện áp Tuy nhiên tại các cấp điện áp cao (>330kV) có thể trong nhiều trường hợp đường kính dây dẫn để triệt tiêu tổn thất vầng quang sẽ lớn hơn đường kính được chọn cho việc truyền tải công suất cho trước Trong các trường hợp như vậy cần có loại dây dẫn phù hợp cả 2 yếu tố: đường kính dây dẫn lớn và tiết kiệm vật liệu làm dây

Có 2 phương pháp được đưa ra là:

- Thay thế dây dẫn bằng một dây dẫn rỗng hoặc lõi bằng sợi thủy tinh

- Cách giải quyết khác hiện nay được sử dụng rộng rãi theo đề nghị của Viện sĩ Mitkevitr là phân pha dây dẫn

Trong trường hợp phân pha này mỗi dây dẫn đơn pha được thay thế bằng một chùm n dây dẫn nhỏ với khoảng cách giữa các dây dẫn nhỏ là a, điều chỉnh khoảng cách a và số dây phân nhỏ n sẽ làm biến thiên cường độ điện trường trên

bề mặt dây dẫn, ứng với mỗi giá trị n ta tìm được một giá trị của a mà tại đó cường độ điện trường là nhỏ nhất Từ một tiết diện dây dẫn tổng ban đầu theo phương pháp này có thể tìm được một bộ số (a, n) mà tại đó tổn hao vầng quang

là nhỏ nhất

Mục đích chính của phân pha là giảm tổn thất vầng quang trên đường dây, nhưng bên cạnh đó kỹ thuật phân pha cũng làm thay đổi các tham số của đường dây mà trước tiên là điện dung C và điện cảm L của đường dây Điện kháng điện dung thay đổi làm ảnh hưởng đến quá trình quá độ và các quá trình năng lượng của đường dây

Mức dự trữ cách điện của đường dây cao áp và siêu cao áp rất thấp, quá điện áp nội bộ trở nên nguy hiểm đối với cách điện của đường dây và các thiết bị khác Cho nên cần thiết phải nghiên cứu ảnh hưởng của phân pha đến quá điện áp

ở cuối đường dây siêu cao áp khi đường dây vận hành hở mạch và nghiên cứu quá trình quá độ khi tiến hành đóng cắt đường dây

Thông số điện cảm và điện dung của đường dây thay đổi kéo theo đó là thay đổi khả năng tải theo điều kiện ổn định tĩnh Vấn đề này cũng cần thiết phải nghiên cứu

Khi tiến hành phân pha dây dẫn thì diện tích bề mặt của dây dẫn tăng lên khéo theo đó là tăng khả năng tỏa nhiệt của dây dẫn, một cách định tính có thể nhận thấy khả năng tải của dây dẫn theo điều kiện phát nóng có thể tăng lên, nhưng tỷ lệ tăng đó là bao nhiêu chúng ta cũng cần phải nghiên cứu và tính toán Việc này là cần thiết trong một số trường hợp dây dẫn được chọn theo phương pháp tiết diện kinh tế nhưng không thỏa mãn điều kiện ổn định nhiệt

Một vấn đề nữa cũng đang rất được quan tâm trong hệ thống điện, đó là vấn đề tổn hao công suất Luận văn cũng tập trung khai thác ảnh hưởng của phân pha và điện áp vận hành đến tổn thất công suất trên đường dây 500 kV (bao gồm

cả tổn thất vầng quang và tổn thất công suất trên điện trở R của đường dây) để đưa ra kiến nghị nhằm giảm tổn thất trên đường dây

Chính vì các lý do trên tác giả chọn đề tài “Nghiện cứu ảnh hưởng của

kết cấu phân pha tới tham số của đường dây cao áp và siêu cao áp trong quá trình vận hành” làm đề tài cho luận văn tốt nghiệp cao học của mình

2, Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Hệ thống điện Việt Nam đang trong giai đoạn phát triển rất mạnh, các đường dây 220 kV và 500 kV sử dụng kết cấu phân pha đang được xây dựng rất nhiều Việc nghiên cứu ảnh hưởng của phân pha đến tham số của đường dây cao

áp và siêu cao áp trong quá trình vận hành sẽ góp phần làm sáng tỏ các vấn đề còn tồn tại khi thiết kế đường dây Các nghiên cứu này sẽ hạn chế được các sự cố

trong quá trình vận hành ngay từ khi thiết kế xây dựng đường dây, đồng thời cũng đưa ra một số lựa chọn mới cho người thiết kế nhằm đảm bảo đường dây được xây dựng và vận hành một cách kinh tế nhất có thể

Chương I:

TỔNG QUAN VỀ PHÂN PHA VÀ ẢNH HƯỞNG

CỦA NÓ ĐẾN CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA ĐƯỜNG DÂY

Trước khi đi vào tìm hiểu ảnh hưởng của kết cấu phân pha đến tham số đường dây cao áp vào siêu cao áp trong quá trình vận hành, chúng ta cần thiết phải tìm hiểu những tác động của phân pha lên các tham số cơ bản của đường dây Những thay đổi ban đầu này làm tiền đề cho những thay đổi khác khi vận hành đường dây

Nội dung chương này là xem xét ảnh hưởng của phân pha đến các tham số

cơ bản của đường dây như: điện cảm, điện dung và cường độ điện trường cực đại trên bề mặt dây dẫn

1, Các tham số cơ bản của đường dây cao áp và siêu cao áp

1.1, Điện dung hệ 3 dây – đất

A, Trường hợp không có dây chống sét

Cho hệ “3 dây dẫn – đất” mỗi dây có độ cao treo dây hi, bán kính ri và có mật độ điện tích trên đơn vị dài τ (i i=1÷3) (hình 1.3):

τα+τα+τα

=ϕ

τα+τα+τα

=ϕ

3 33 2 32 1 31 3

3 23 2 22 1 21 2

3 13 2 12 1 11 1

(1.1)

Trong phương trình trên ϕ , 1 ϕ , 2 ϕ là điện thế các dây còn 3 α , ii α là các ik

hệ số thế riêng và tương hỗ giữa dây i và dây k

Các hệ số thế riêng có trị số:

1

1 0

h2ln2

1πε

=α

2

2 0

22

r

h2ln2

1πε

=

3

3 0

33

r

h2ln2

1πε

=α

Và các hệ số thế tương hỗ có trị số:

12

' 12 0

21 12

d

Dln2

1πε

=α

=α

23

' 23 0

32 23

d

Dln2

1πε

=α

=

31

' 31 0

13 31

d

Dln2

1πε

=α

=α

0

ε là hằng số điện môi của không khí có trị số bằng với trị số của chân

1094

1

9

ε ) Các kích thước biểu thị trên hình vẽ 1.3:

Nếu đường dây không hoán vị, khi đường dây vận hành đối xứng ta có:

ϕ

=τα+τα+τα

=ϕ

τα+τα+τα

=ϕ

1 3 33 2 32 1 31 3

1

2 3 23 2 22 1 21 2

3 13 2 12 1 11 1

aa

Có được kết quả τ theo i ϕ 1

Từ đó xác định được điện dung thứ tự thuận của các pha:

i

i i

Cϕ

13

3

' 33 ' 22 ' 11 0

33 22 11 ii

πε

=α+α+α

3

' 31 ' 23 ' 12 0

31 23 12 ik

ddd

DDDln2

1

α+α+α

)

ik 1 ii

Từ đó xác định được điện dung thứ tự thuận:

ik ii 1

C

α

−α

=ϕ

τ

Thay thế α và ii α bằng các giá trị của chúng ta có: ik

)DDD

DDDdddr

1ln(

2C

3

' 31 ' 23 ' 12

' 33 ' 22 ' 11 31 23 12

0

πε

B, Trường hợp có treo 1 dây chống sét

Khi xét đến dây chống sét hệ phương trình Maxwell trở thành:

τα+τα+τα+τα

=ϕ

τα+τα+τα+τα

=ϕ

τα+τα+τα+τα

=ϕ

S SS 3 3 2 2 1 1 S

S S 3 33 2 32 1 31 3

S S 3 23 2 22 1 21 2

S S 3 13 2 12 1 11 1

(1.10)

Với:

i

i 0 ii

r

h2ln2

1πε

=α

ij

' ij 0 ji

ij

d

Dln2

1πε

=α

=α

Cần lưu ý rằng, dây chống sét được nối đất cho nên điện thế của dây chống sét bằng 0 (ϕS =0) Vì vậy từ phương trình 4 của hệ 1.10 ta có:

SS

3 3 2 2 1 1 S

α

τα+τα+τα

α

−α+τα

αα

−α+τα

αα

−α

=ϕ

τα

αα

−α+τα

α

−α+τα

αα

−α

=ϕ

τα

αα

−α+τα

αα

−α+τα

α

−α

=ϕ

3 SS

2 S 33 2 SS

S S 32 1 SS

S S 31 3

3 SS

S S 23 2

SS

2 S 22 1 SS

S S 21 2

3 SS

S S 13 2 SS

S S 12 1 SS

2 S 11 1

)(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

(1.12)

Đặt:

SS

2 iS ii

'

α

−α

=

SS

jS iS ij

'

αα

−α

=ϕ

τα+τα+τα

=ϕ

τα+τα+τα

=ϕ

3 33 2 32 1 31 3

3 23 2 22 1 21 2

3 13 2 12 1 11 1

''

'

''

'

''

Giải hệ phương trình trên ta có được kết quả τ theo i ϕ , Từ đó xác định 1được điện dung thứ tự thuận của các pha:

i

i i

Cϕ

ii

α+α+α

=

3

'''

ij

α+α+α

''ii 1 ik 2 3 1 ii ik

Từ đó xác định được điện dung thứ tự thuận:

ik ii 1

1

''

1C

α

−α

=ϕ

τ

C, Trường hợp có treo 2 dây chống sét

Khi xét đến dây chống sét hệ phương trình Maxwell trở thành:

=ϕ

τα+τα+τα+τα+τα

=ϕ

τα+τα+τα+τα+τα

=ϕ

τα+τα+τα+τα+τα

=ϕ

τα+τα+τα+τα+τα

=ϕ

' S ' S ' S S S ' S 3 3 ' S 2 2 ' S 1 1 ' S ' S

' S ' SS S SS 3 3 2 2 1 1 S

' S ' S S S 3 33 2 32 1 31 3

' S ' S S S 3 23 2 22 1 21 2

' S ' S S S 3 13 2 12 1 11 1

(1.19)

Với:

i

i 0 ii

r

h2ln2

1πε

=

ij

' ij 0 ji

ij

d

Dln2

1πε

=α

=αTiến hành giải hệ phương trình trên với điều kiện:

0

' S

Cϕτ

dx x r

1.2, Điện cảm và điện kháng thứ tự thuận của đường dây 3 pha

Điện cảm của đường dây gồm có 2 thành phần:

- Điện cảm của bản thân dây dẫn (internal inductance)

Cho dây dẫn có bán kính r:

Nếu bỏ qua hiệu ứng bề mặt ta có:

Dòng điện chảy trong vùng có bán kính x:

I)r

x(

x = (1.21) Theo phương trình Maxwell – Ampere:

∫

S

tp L

sd.jld

r2

x

π

Năng lượng từ trường trong thể tích V giới hạn bởi đoạn đường dây có đáy

là đường tròn bán kính r với chiều cao là h được tính:

1dVH2

1

dxxr4

hI

4

2

πµ

µ

=π

µ

= ∫x dx I 16h

r4

hI

0

3 4

Năng lượng từ trường cũng được tính theo công thức:

2

LI2

W2

Với µ=4π.10− 7 H/m thì điện cảm L có giá trị bằng:

h10.58

h10.4

- Điện cảm ngoài của đường dây (external inductance)

Cho hệ 3 dây dẫn cùng tiết diện:

Các dây dẫn được hoán vi nên

Khoảng cách trung bình các pha là D0

Dòng điện chảy trong dây dẫn 2, 3 gây ra từ thông sinh ra sức điện động động tác dụng lên dây dẫn 1 là:

r

Dln2

lIdxx2

lI

r

Dln2

lIdxx2

lI

0 3 D

r

3 31

0 2 D

r

2 21

0 0

π

µ

=π

µ

=Ψ

π

µ

=π

µ

=Ψ

Dln2

lr

Dln2

lIr

Dln2

lI

2 3 0 0

3 0 2 31

π

µ

=π

µ+π

µ

=Ψ+Ψ

=Ψ

1

0Ir

Dln2

lπ

dx

D 0

L= − 4 0 = − 4 0 (H/km) (1.34) Như vậy điện cảm và điện kháng đơn vị toàn phần của đường dây là:

4

0)10r

Dlg6,45,0(

0157,0r

Dlg145,0

1.3, Điện dung và điện cảm của đường dây ba pha dùng dây phân pha

Cho phân pha là kết cấu gồm chùm n dây nhỏ có độ cao so với mặt đất là h (hình 1.4) Khoảng cách giữa hai dây nhỏ lân cận nhau là a, bán kính khung định

vị là R, a và R được liên hệ với nhau qua công thức:

nsin2a

k'

h i

d ik k i

D ik

a 4 3 2 1

=

=α++α+α+α

=

=α++α+α+α

=

U)

(n

qU

U)

(n

qU

U)

(n

qU

n 33

32 31 3

n 23

22 21 2

n 13

12 11 1

(1.39)

Do khoảng cách giữa các dây nhỏ (lớn nhất là 2R) rất bé so với độ treo cao của chùm dây nhỏ (h) nên có thể viết gần đúng các hệ số thế riêng và hệ số thế tương hỗ giữa các dây nhỏ theo công thức:

ik 0 ik

' ik 0 ik

0 0 0

i 0 ii

d

h2ln2

1d

Dln21

r

h2ln2

1r

h2ln21

πε

≈πε

=α

πε

≈πε

=α

Từ hệ phương trình (1.13) ta có được:

)d

h2

d

h2d

h2r

h2ln(

nU2

nUq

1 n 2 1 0

0 in

2 i 1 i

−

πε

=α++α+α

=

=

)d

ddr

h2ln(

U2

n

1 n 2 1 0

ddr

h2ln(

2U

qC

n

1 n 2 1 0

Thay thế:

nsinR2a

n

2sinR2a

n

)1n(sinR2a

−

Sẽ được: n

0 dtr

n

)1n(sinR2

n

2sinR2nsinR2r

Với quan hệ:

1 n

2

nn

)1n(sin

n

2sinn

DDDdddr

1ln(

2C

3

' 31 ' 23 ' 12

' 33 ' 22 ' 11 31 23 12 dtr

0 0

πε

=

m

F (1.46)

4 dtr

0

r

Dlg6,4n

5,0(

km

H (1.48)

Với D là khoảng cách trung bình giữa các pha khi có xét đến ảnh hưởng của mặt đất:

3

' 31 ' 23 ' 12

' 33 ' 22 ' 11 31 23 12

DDD

DDDddd

2, Tác dụng của phân pha đối với vầng quang

2.1, Vầng quang trên đường dây ba pha dùng dây đơn

Điện trường trên mặt dây dẫn ở mỗi pha được xác định theo định luật Gauss:

E: điện trường trên mặt dây dẫn;

q: điện tích trên đơn vị dài của dây dẫn, được xác định theo:

3

2UC

U: điện áp định mức của đường dây;

C: điện dung đường dây

Thay q vào công thức 1.50 ta có:

r

Dlnr

1U3

2

Khi điện trường trên mặt dây vượt ngưỡng Evq là trị số điện trường khởi đầu của phóng điện vầng quang thì sẽ xuất hiện vầng quang trong miền không khí bao quanh dây dẫn Điện trường Evq được xác định bằng thực nghiệm của Peek:

)r

3,01(m3,30

Evq

δ+

⋅δ

⋅

Trong đó:

m: hệ số nhám phụ thuộc và độ tròn bóng của bề mặt dây với dây

nhiều sợi thì m = 0,82, dây một sợi nhẵn m = 1

t: nhiệt độ môi trường không khí t=400C

r: bán kính dây dẫn

δ: mật độ không khi

273t

p386,0+

=

p: là áp suất khí quyển (mm Hg)

a 4 3

r 0

r 0

0

r 2

p0 : áp suất khí quyển ở mức nước biển p0 = 760 mmHg

H: cao độ so với mức nước biển H = 1000 m

=> p=760(1−10− 41000)=684 (mmHg)

845,027340

684386,0273t

p386,

+

⋅

=+

=δChọn dây nhám để tính Evq: m = 0,82

)845,0r

3,01(82,0845,03,30)r

3,01(m3,30

δ+

⋅δ

Điện trường tại điểm M xác định bởi góc θ (hình 1.6) ở trường hợp tổng quát khi có n dây nhỏ được xác định theo công thức:

r1n(21E)(

S

=

nr2

qE

0 0

r

Dlnnr

U3

' 33 ' 22 ' 11 13 23 12

DDD

DDDdddD

r1n(21r

Dlnnr

U3

2

dtr 0

n

1 n 0

3,01m3,30n

sina

r1n(21)nsin2

a(rn

Dln

nr

U3

2

Khi thay thế

n

1 n 0

nsin2

a(rn

r1n(21)nsin2

a(rn

Dln

nr

U3

2

n

1 n 0

0 max

để không có xuất hiện vầng quang trong điều kiện vận hành bình thường phải đảm bảo sao cho điện trường cực đại trên mặt dây nhỏ không vượt quá giới hạn khởi đầu của phóng điện vầng quang, như vậy:

Trong điều kiện điện áp và tiết diện dây đã xác định thì từ bất đẳng thức trên sẽ xác lập được quan hệ a(n) để không có vầng quang

3, Một vài thông số cơ khí của đường dây 220 kV và 500 kV:

Xét 1 đường dây, trong phạm vi khoảng vượt dây dẫn tuân theo phương trình dây xích

dd h

h 0

1

v

l/2 l/2

Hình 1.7 Phương trình dây xích lấy gần đúng theo parabol:

2

2 0

l

fx.4h

Trong đó:

f: độ võng của dây dẫn

f = hdd – h0

hdd: độ treo cao của dây dẫn của cột

l : chiều dài của khoảng vượt

Độ treo cao trung bình của dây dẫn được tính theo công thức:

f3

2h3

fhdx)l

fx4h(l

1

l

2 l

0 2

2 0

Đường dây có bố trí dây dẫn trên cột như phụ lục 2:

Lấy khoảng vượt để tính toán cho toàn tuyến là 475m, độ cao cột là 38m,

độ võng là 17,5m, khoảng cách giữa các pha d là 12,4m, độ cao dây dẫn là 27,5m

1' 2' 3'

3 2

Hình 1.8 Bố trí dây dẫn tại độ treo cao trung bình đường dây 500 kV

Như vậy độ treo cao trung bình của dây dẫn là:

83,155,173

25,27

- Đường dây 220 kV một mạch:

Đường dây có bố trí dây dẫn trên cột như phụ lục 1

Lấy khoảng vượt để tính toán cho toàn tuyến là 300m, độ cao cột là 30m,

độ võng là 6,5m, khoảng cách giữa các pha d là 8 và 6 m, độ cao dây dẫn là

16,5m

Như vậy độ treo cao trung bình của dây dẫn là:

2,125,63

25,16

1' 2'

2 1

d

13' = 1,5 m

Hình 1.9: Bố trí dây dẫn tại độ treo cao trung bình đường dây 220 kV

4, Ảnh hưởng của phân pha đến các tham số cơ bản của đường dây

Dựa trên cơ sở lý thuyết đã đề cập ở trên tiến hành lập trình để khảo sát ảnh hưởng của phân pha đến các tham số đường dây như: điện dung, điện cảm, cường

độ điện trường cực đại trên bề mặt dây dẫn

Chương trình được viết bằng ngôn ngữ lập trình VB 6.0

A, Các thông số đầu vào của chương trình bao gồm:

1 Tiết diện tổng của các dây dẫn trong một pha S

2 Số lượng dây phân nhỏ n cần khảo sát: n1 đến n2

3 Khoảng cách 2 dây nhỏ gần nhau a được cho trong khoảng a1 đến a2

4 Bố trí dây dẫn tại độ treo cao trung bình của đường dây (hình 1.3)

- Độ cao của các dây pha: h1, h2, h3

- Khoảng cách giữa các dây pha so với tâm đường dây (thường là dây pha A, C so với pha B): d1, d2

B, Sơ đồ khối của chương trình:

Trong phần trình bày về sơ đồ khối của chương trình, để giúp người đọc dễ dàng theo dõi tôi chỉ chình bày các ý chính trong sơ đồ khối, code chương trình được lưu trong đĩa đi kèm luận văn hoặc có thể tải về từ địa chỉ ghi trong phần phụ lục

Sau khi xây dựng chương trình, chọn một đường dây 500 kV để khảo sát với tiết diện tổng của dây dẫn trong 1 pha là 2000 mm2 bố trí các pha tại độ cao trung bình như hình 1.8, ta có đồ thị phản ánh sự phụ thuộc của điện dung, điện cảm và cường độ điện trường cực đại trên bề mặt dây dẫn vào n và a như sau:

Nhập thông số đầu vào:

Hình 1.10: Sự phụ thuộc của điện dung vào a và n

Hình 1.11: Sự phụ thuộc của điện kháng vào a và n

Hình 1.12: Sự phụ thuộc của Emax vào a và n

Kết luận:

Phân pha có các ảnh hưởng cơ bản sau:

- Điện dung của đường dây tăng lên theo n và a

- Điện cảm của đường dây giảm đi khi n tăng và a tăng

Cường độ điện trường cực đại trên bề mặt dây dẫn giảm khi số lượng dây nhỏ tăng lên và cực tiểu khi tại một giá trị của a nằm trong khoảng từ 20 đến 40

Cm Điều này có nghĩa là tổn thất vầng quang của đường dây giảm đi khi tăng số dây nhỏ, ứng với mỗi một n tìm được một khoảng cách a sao cho tổn thất vầng quang là nhỏ nhất

Việc các thông số cơ bản L0 , C0, Z0 của đường dây thay đổi dẫn đến kết luận của một số tác giả chưa thỏa đáng [3], [5], trong bản luận văn này tôi xin được đề cập lại các vấn đề đó và xem xét chúng một cách toàn diện hơn

Chương II:

ẢNH HƯỞNG CỦA PHÂN PHA TỚI QUÁ TRÌNH

QUÁ ĐỘ KHI ĐÓNG CẮT ĐƯỜNG DÂY 500 kV

1, Mở đầu

Các thao tác chuyển mạch, ngắn mạch, sét đánh và các nhiễu loạn trong khi vận hành hệ thống điện thường là nguyên nhân gây ra các quá điện áp và các dao động điện Hệ thống điện phải có khả năng chịu được các quá điện áp mà không gây nguy hiểm cho các thiết bị Việc mô phỏng các dòng điện và điện áp quá độ

là một phần quan trọng trong phối hợp cách điện thiết bị điện

Quá trình quá độ thường xảy ra trong hệ thống điện khi lưới điện thay đổi

từ trạng thái xác lập sang này một trạng thái khác Nó có thể là trường hợp sét đánh xuống đất trong vùng lân cận một đường dây truyền tải điện cao áp hoặc khi sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp, tuy nhiên phần lớn trong hệ thống truyền tải điện lại là do hoạt động chuyển mạch Hoạt động này có thể là thao tác đóng cắt máy biến áp dưới tải hoặc không tải, đóng cắt kháng bù ngang trong chế độ phụ tải min/max hoặc cắt đường dây sự cố (cô lập sự cố) Khoảng thời gian khi dao động dòng điện và điện áp quá độ xảy ra trong khoảng từ µs đến ms

Các phần tử trong hệ thống điện có thể bị tách ra khỏi hệ thống trong trường hợp thiết bị bảo vệ tác động để cô lập sự cố trên phần tử, hoặc do người vận hành chủ động cắt ra để bảo dưỡng hoặc vì lý do khác Việc đóng điện các phần tử được diễn ra sau khi đảm bảo các điều kiện vận hành Hoạt động đóng cắt này là thao tác diễn ra thường xuyên khi vận hành hệ thống điện Máy cắt là một trong những phần tử quan trọng nhất, máy cắt thường phải chịu một quá điện áp xuất hiện giữa hai cực của máy cắt, quá điện áp lớn có thể phá hỏng cách điện trong máy cắt Do đó, cần có những nghiên cứu cụ thể về quá trình quá độ điện áp xảy ra khi vận hành máy cắt cũng như xem xét đến các ảnh hưởng của quá điện

áp đối với các phần tử khác trong hệ thống truyền tải điện

Hệ thống điện được xem như một tổng thể gồm các phần tử R, L, C trong

đó L và C là các phần tử cấu thành mạch dao động đó chính là nguyên nhân dẫn đến điện áp tăng cao trong hệ thống điện Những dao động có tần số bằng hoặc tương đương tần số nguồn sẽ gây nên quá điện áp duy trì, do được nguồn điện tiếp sức nên chúng có thể tồn tại lâu dài

Các thao tác đóng cắt trong hệ thống gây nên sự thay đổi tham số mạch điện và làm xuất hiện các quá trình quá độ bằng dao động L – C Những dao động này (thường là dao động cao tần) gây nên quá điện áp quá độ hay còn được gọi là quá điện áp thao tác Việc phân pha đường dây làm thay đổi các thông số L và C

do đó ảnh hưởng đến quá trình quá độ trong mạch

Bảng 2.1 cho các trị số tính toán của quá điện áp nội bộ là cơ sở để tính toán thiết kế cách điện

Khi đường dây không tải hoặc hở mạch đầu cuối dòng điện trên đường dây

là dòng điện điện dung, dòng điện này khi đi qua điện kháng của đường dây và nguồn sẽ làm tăng áp phía cuối đường dây Vì điện dung đường dây tăng theo chiều dài đường dây nên khi đường dây càng dài thì hậu quả tăng áp càng trầm trọng

Đối tượng nghiên cứu trong chương này chính là ảnh hưởng của phân pha đến quá trình quá độ khi tiến hành đóng cắt đường dây 500 kV

Phân loại quá điện áp nội bộ trong hệ thống điện:

Các thao tác đóng cắt trong hệ thống điện sẽ gây nên sự thay đổi tham số trong mạch điện và làm xuất hiện các quá trình quá độ bằng dao động L – C những giao động này gây nên quá điện áp nội bộ, người ta có thể phân loại chúng theo từng quá trình quá độ như:

- Quá điện áp khi đóng đường dây không tải

- Quá điện áp khi tự động đóng lại hay tự động đóng nguồn dự phòng

- Quá điện áp chuyển mạch khi cắt các tụ điện tập trung và đường dây không tải

- Quá điện áp khi cắt dòng điện lớn

- Quá điện áp khi chạm đất chập trờn

2, Ảnh hưởng của phân pha tới điện áp cuối đường dây ở chế độ cuối đường dây hở mạch

2.1, Mô hình đường dây dài với tham số phân bố

Đường dây dài với tham số phân bố và có đầy đủ 4 tham số R, L, C, G được biểu thị như trên hình với:

R: điện trở tác dụng của dây dẫn ứng với đơn vị dài;

L: điện cảm đơn vị dài của đường dây;

C: điện dung đối với đất ứng với đơn vị dài của đường dây;

G: điện dẫn rò ứng với đơn vị dài của đường dây

dx x

) x ( u u

Từ sơ đồ ta viết được biểu thức qua mạch kín là:

t

ixLxiRu

∂

∂

∂+

u

∂

∂+

=

∂

∂

(2.1) t

uxCxuGi

∂

∂

∂+

i

∂

∂+

t thay vào các phương trình trên ta được:

=

∂

∂

ω+

=

∂

∂

)CjG(UxI

)LjR(xU

+

=

∂

∂ω+

=

∂

∂

ω+ω

+

=

∂

∂ω+

=

∂

∂

ICjG)(

LjR(x

U)CjG(xI

U)CjG)(

LjR(x

I)LjR(xU

2 2 2 2

I

Ux

U

2 2 2

2 2 2

K(LjRdx

UdLjR

1

2

x 1

γ γ

−ω+

γ

=ω

γ γ

−

ZC =

LjR

CjGω+

ω+

là tổng trở sóng của đường dây

Các hằng số K1 và K2 là các hằng số phức được xác định từ các điều kiện

bờ

Phương trình đường dây dài xác lập quan hệ điện áp và dòng điện giữa 2 điểm bất kỳ trên đường dây, cho tọa độ x tính từ đầu cuối đường dây 2 và tại đó cho trước các giá trị U& và 2 I& sẽ được: 2

2 1 2

Z

KKI

KKU

1K

)ZIU(2

1K

C C 2 2

C C 2 1

=

−+

+

=

γ

− γ

γ

− γ

l C 2 2

l C 2 2 C

1

l C 2 2

l C 2 2 1

e)ZIU(2

1e)ZIU(2

1ZI

e)ZIU(2

1e)ZIU(2

1U

−

=

−+

+

=

γ

− γ γ

− γ

γ

− γ γ

− γ

2

)ee(I2

)ee(Z

UI

2

)ee(ZI2

)ee(UU

l l 2

l l

C

2 1

l l C 2

l l 2 1

=

γ+

γ

=

lchIlshZ

UI

lshZIlchUU

2 C

2 1

C 2 2

=

α+

α

=

lcosIlsinZ

UI

lsinZIlcosUU

2 C

2 1

C 2 2

U&1 = &2 γ =>

lch

U&1 = &2 α =>

lcos

DDDdddr

1ln(

2C

3

' 31 ' 23 ' 12

' 33 ' 22 ' 11 31 23 12 dtr

0 0

πε

mF

2

=

kmF

4 dtr

0

r

Dlg6,4n

5,0(

kmHĐiện áp cuối đường dây sẽ tăng lên rất lớn nếu lcosα tiến đến 0 tương đương với lα tiến đến

2

kπ+π

ứng với chiều dài ¼ bước sóng

Tính toán cho một tiết diện tổng cụ thể là 1600 mm2 và với cấu trúc cột 500

kV như chương I ta có:

1' 2' 3'

3 2

Hình 2.1: Bố trí dây dẫn trên cột ở độ cao trung bình

a, Nếu phân pha làm 3 thì:

Bán kính 1 dây phân nhỏ là:

02,133

1600n

S

⋅π

=

⋅π

Lấy khoảng cách phân pha a là 45 cm ta có bán kính đẳng trị của dây dẫn:

3sin2

45n

sin2

π

=π

8,1326

302,13R

rn

' 33 ' 22 ' 11 31 23 12

DDD

DDDddd

D=

2.40.34.34

7,31.7,31.7,318,24.4,12.4,12

D =

=312,4.12,4.24,8=15,63 (m) Điện dung và điện cảm thứ tự thuận của đường dây ba pha dùng dây phân pha phân làm 3 dây nhỏ là:

9 3

9 3

dtr

0

8,13

1376ln

1094

12

10r

Dln

2

km

F)

4 dtr

0

r

Dlg6,4n

5,0(

8,13

1563lg6,43

5,0

km

H)

Hệ số biến đổi pha ứng với trường hợp phân pha làm 3 dây nhỏ là:

0

0CLω

=α

=2.π.50 12.10−9.0,96.10−3 =1,065.10−3 )

km

rad(

b, Nếu phân pha làm 4 thì:

Bán kính 1 dây phân nhỏ là:

3,114

1600n

S

⋅π

=

⋅π

Lấy khoảng cách phân pha a là 45 cm ta có bán kính đẳng trị của dây dẫn:

4sin2

45n

sin2

5,198

,3113,14R

rn

9 3

9 3

dtr

0

5,19

1376ln

1094

12

10r

Dln

2

km

F)

4 dtr

0

r

Dlg6,4n

5,0(

5,19

1563lg6,44

5,0

km

H)

Hệ số biến đổi pha ứng với trường hợp phân pha làm 4 dây nhỏ là:

0

0CLω

=α

=2.π.50 13,05.10−9.0,889.10−3 =1,069.10−3 )

km

rad(

c, Nếu phân pha làm 5 thì:

Bán kính 1 dây phân nhỏ là:

1,105

1600n

S

⋅π

=

⋅π

Lấy khoảng cách phân pha a là 45 cm ta có bán kính đẳng trị của dây dẫn:

5sin2

45n

sin2

π

=π

5,253

,3801,15R

rn

9 3

dtr

0

5,25

1376ln

1094

12

10r

Dln

2

km

F)

4 dtr

0

r

Dlg6,4n

5,0(

)10 4 0,83.10 3

5,25

1563lg6,45

5,0

km

H)

Hệ số biến đổi pha ứng với trường hợp phân pha làm 5 dây nhỏ là:

0

0CLω

=α

3 3

9

10.07,110.833,0.10.93,1350

km

rad(

Từ công thức tính điện áp cuối đường dây của đường dây không tổn thất trong chế độ không tải ta có:

lcos

3, Ảnh hưởng của phân pha tới quá điện áp khi đóng cắt đường dây 500 kV

Phần này sử dụng chương trình EMTP – ATP để khảo sát ảnh hưởng của phân pha khi đóng cắt đường dây 500 kV

3.1, Ảnh hưởng của phân pha tới quá trình quá độ khi đóng điện đường dây không tải

Trên các đường dây dài trong nhiều trường hợp xảy ra chế độ làm việc cuối đường dây hở mạch Đó là khi thay đổi chế độ làm việc bình thường của đường dây, lúc hòa đồng bộ hoặc khi có sự cố hệ thống bảo vệ 2 đầu đường dây làm việc không đồng bộ

III IV II

I

Hình 2.2

Đồ thị hình 2.2 cho thấy các giai đoạn biến đổi điện áp khi đóng đường dây

ở chế độ không tải Giai đoạn I và II ứng với sức điện động của nguồn ứng với giá trị cũ trước khi đóng đường dây, giai đoạn I là quá trình quá độ, dao động kéo dài trong vài chu kỳ và khi các dao động tự do tắt sẽ chuyển sang giai đoạn II là giai đoạn xác lập

Ở giai đoạn III do có tác động của điều chỉnh điện áp, trị số điện áp giảm dần cho tới trị số xác lập mới (giai đoạn IV)

Giai đoạn I và II có thể xuất hiện quá điện áp với các giá trị lớn nhất, giai đoạn I là quá trình quá độ rất ngắn Giai đoạn II là chế độ làm việc cuối đường dây hở mạch hay còn gọi là chế độ không tải xác lập

Xét một phần của đường dây 500 kV 2 mạch như hình 2.3 ở dưới, và tiến hành đóng cắt không tải mạch 1, trong khi mạch 2 đang vận hành và không xét tụ

bù khi số lượng dây nhỏ là khác nhau

2Hình 2.3

Điện áp nguồn là 500 kV, như vậy biên độ điện áp là:

4083

2.500

Với các chiều dài các đoạn đường dây là:

+ đoạn 1 – 2 là 300 km

+ đoạn 2 – 3 là 250 km

+ đoạn 3 – 4 là 150 km + đoạn 1 – 4 là 600 km Dây pha đường dây 500 kV xét đến ở đây được phân làm 4 dây phân nhỏ

và sử dụng loại dây dẫn ACKΠ−330/43, trước tiên ta sẽ tính toán cho trường hợp này sau đó dựa vào tiết diện tổng của 4 dây phân nhỏ này để tính toán cho đường dây khi phân làm 3 và làm 5 dây phân nhỏ

Dây chống sét được sử dụng là loại dây AC-70/72 Mỗi dây chống sét bao gồm cả phần dây nhôm, lõi thép và cáp quang Ở đây ta không quan tâm đến phần cáp quang vì cáp quang không dẫn điễn

Thông số Đơn vị ACKΠ−330/43 AC-70/72

Nhập dữ liệu tính toán vào chương trình EMTP-ATP

Trong mô hình mô phỏng các phần tử được sử dụng là: đường dây, máy cắt, nguồn điện, các phần tử đo

Hình 2.4

a, Đường dây