Tính toán trường nhiệt và Ampacity của đường dây truyền tải điện trên không bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Sự bùng nổ dân số và nền kinh tế quốc dân là hai nguyên nhân chính dẫn đến việc gia tăng nhu cầu sử dụng ñiện năng. Bên cạnh đó, việc xuất hiện các nguồn phát phân bố cũng làm tăng đáng kể công suất truyền trên đường dây điện. Thông thường, để giải quyết các vấn đề trên, ngành điện sẽ xây lắp các tuyến đường dây truyền tải và phân phối mới để nâng cao khả năng truyền tải điện, cung cấp đầy ñủ nhu cầu phụ tải điện. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, việc xây mới này sẽ ảnh hưởng đến môi trường và thậm chí hiệu quả kinh tế không cao.
Bạn đang xem tài liệu "Tính toán trường nhiệt và Ampacity của đường dây truyền tải điện trên không bằng phương pháp phần tử hữu hạn", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
Tóm tắt nội dung tài liệu: Tính toán trường nhiệt và Ampacity của đường dây truyền tải điện trên không bằng phương pháp phần tử hữu hạn
![Tính toán trường nhiệt và Ampacity của đường dây truyền tải điện trên không bằng phương pháp phần tử hữu hạn Tính toán trường nhiệt và Ampacity của đường dây truyền tải điện trên không bằng phương pháp phần tử hữu hạn](https://s1.tailieubachkhoa.net/rl6k7x3q9zfh00j8/thumb/2024/01/09/tinh-toan-truong-nhiet-va-ampacity-cua-duong-day-truyen-tai_lGM1kibYAS.jpg)
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 17, No.K1- 2014 Trang 16 Tính toán trường nhiệt và Ampacity của ñường dây truyền tải ñiện trên không bằng phương pháp phần tử hữu hạn • Võ Văn Hoàng Long Trường Cao ñẳng LILAMA 2, ðồng Nai • Vũ Phan Tú ðHQG-HCM (Bài nhận ngày 22 tháng 10 năm 2013, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 16 tháng 1 năm 2014) TÓM TẮT: Sự bùng nổ dân số và nền kinh tế quốc dân là hai nguyên nhân chính dẫn ñến việc gia tăng nhu cầu sử dụng ñiện năng. Bên cạnh ñó, việc xuất hiện các nguồn phát phân bố cũng làm tăng ñáng kể công suất truyền trên ñường dây ñiện. Thông thường, ñể giải quyết các vấn ñề trên, ngành ñiện sẽ xây lắp các tuyến ñường dây truyền tải và phân phối mới ñể nâng cao khả năng truyền tải ñiện, cung cấp ñầy ñủ nhu cầu phụ tải ñiện. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, việc xây mới này sẽ ảnh hưởng ñến môi trường và thậm chí hiệu quả kinh tế không cao. Vấn ñề ngày nay ñược xem xét là làm sao sử dụng hiệu quả ñường dây truyền tải và phân phối ñiện hiện hữu thông qua việc tính toán và giám sát khả năng mang dòng của nó tại nhiệt ñộ cao hơn, và như thế việc sử dụng tối ưu ñường dây sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao cho các công ty ñiện. Tổng quát, việc tính toán khả năng mang dòng của ñường dây là dựa trên cơ sở tính toán trường nhiệt của nó ñược thể hiện ñầy ñủ trong các bộ tiêu chuẩn IEEE [1], IEC [2] hoặc CIGRE [3]. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày một tiếp cận mới ñó là việc ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trên nền của phần mềm Comsol Multiphysics cho việc mô phỏng trường nhiệt của ñường dây truyền tải ñiện trên không. ðặc biệt, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của ñiều kiện môi trường như vận tốc gió, hướng gió, nhiệt ñộ và hệ số bức xạ môi trường ñến ñường ñiển hình là dây nhôm lõi thép. Việc so sánh giữa kết quả số của chúng tôi với kết quả tính theo tiêu chuẩn IEEE cho thấy tính chính xác và khả năng áp dụng của phương pháp phần tử hữu hạn cho việc tính toán trường nhiệt của ñường dây trên không. Keywords: ñường dây truyền tải cao thế, trường nhiệt, khả năng mang dòng. 1. GIỚI THIỆU Chiến lược toàn cầu về việc giảm khí thải CO2 ñã tác ñộng mạnh mẽ ñến việc phát triển các nguồn ñiện phân tán (Distributed Generation –DG) trên cơ sở của công nghệ năng lượng tái tạo như gió, sinh khối, năng lượng mặt trời, sóng biển,Các nguồn DG này ñược kết nối vào mạng phân phối ñiện, dẫn ñến một sự gia tăng ñáng kể công suất truyền trên ñường dây. TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 17, SOÁ K1- 2014 Trang 17 Strbac [4] cho thấy rằng sự phát triển của các hệ thống ñiện trong tương lai ñòi hỏi phải có những thay ñổi lớn ñối với triết lý thiết kế tổng thể. Cấu trúc của mạng truyền tải và phân phối ñiện phải ñược thiết kế ñặc biệt phù hợp cho việc truyền tải một lượng lớn công suất và ñảm bảo ñộ tin cậy của hệ thống ñiện. Tác ñộng của sự phát triển của DG vào mạng phân phối ñòi hỏi phải có những thay ñổi ñáng kể trong sự phát triển của hệ thống ñiện ñể tích hợp ñầy ñủ DG và chia sẻ trách nhiệm trong việc cung cấp các dịch vụ hỗ trợ hệ thống (ví dụ như phụ tải, tần số và ñiện áp quy ñịnh). Bên cạnh ñó, nhu cầu phát triển phụ tải do việc gia tăng dân số và sự phát triển của nền kinh tế quốc gia ñã buộc ngành ñiện phải có những biện pháp làm tăng khả năng truyền tải của cả hệ thống ñiện quốc gia. Việc này, trên thực tế, thường ñược thực hiện bằng việc xây lắp mới các tuyến, mạng truyền tải và phân phối ñiện. Ngày nay trên thế giới, quan ñiểm xây mới các tuyến ñường dây ñang ñược thay thế bởi việc nghiên cứu tính toán khả năng mang dòng (Ampacity) của các ñường dây hiện hữu, và trên cơ sở ñó vận hành chúng tại các nhiệt ñộ cao hơn tiêu chuẩn. Tiếp cận này sẽ cho phép hệ thống ñiện vận hành gần với giới hạn truyền tải công suất của nó nhưng vẫn bảo ñảm tính ổn ñịnh của hệ thống, và như thế hệ thống ñiện sẽ ñáp ứng ñầy ñủ nhu cầu phụ tải và ñặc biệt là giảm ñáng kể chi phí vận hành. Vì vậy, một sự hiểu biết về phân bố trường nhiệt bên trong, xung quanh dây dẫn và yếu tố môi trường mà tại ñó các biến ñổi nhiệt này sẽ cho phép quản lý hiệu quả mạng truyền tải và phân phối ñiện là bắt buộc ñối với cá nhà nghiên cứu, tính toán thiết kế ñường dây. Tổng quát, khả năng mang dòng của ñường dây trên không cũng như cáp ngầm là ñược tính toán dựa trên sự phân bố nhiệt xung quang dây dẫn. Sự phân bố nhiệt này ñược biểu diễn, trong toán học, dưới dạng phương trình vi phân riêng phần bậc hai trong không gian ba chiều (3D). Trong thực tế, do chiều dài dây dẫn thường là lớn hơn rất nhiều so với bán kính của nó, nên ñể ñơn giản trong việc tính toán người ta chuyển việc khảo sát trường nhiệt trong miền 3D về miền hai chiều (2D). Cho ñến ngày nay, việc giải phương trình truyền nhiệt này chủ yếu ñược thực hiện bằng hai phương pháp ñó là phương pháp giải tích và phương pháp số. Phương pháp số, như phương pháp sai phân hữu hạn (FDM), phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), phương pháp phần tử biên (BEM), phương pháp thể tích hữu hạn (FVM), phương pháp không lưới (Meshfree method) –[14] với ưu ñiểm của nó là tạo nên lời giải số có ñộ chính xác cao cho các bài toán kỹ thuật, ñặc biệt là trong các miền hình học phức tạp nơi mà không thể tìm ñược lời giải giải tích, ñã và ñang ñược ứng dụng cho việc giải các bài toán truyền nhiệt trong cáp ngầm [5]-[8], ñường dây trên không [9]-[10]. Trong bài báo này, tiếp tục các công trình nghiên cứu của chúng tôi về tính toán trường nhiệt của cáp ngầm [7]-[8], chúng tôi trình việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho tính toán trường nhiệt và ampacity của ñường dây truyền tải ñiện trên không dây nhôm lõi thép. ðặc biệt, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của yếu tố môi trường như tốc ñộ gió, hướng gió, nhiệt ñộ môi trường ñến khả năng mang dòng của ñường dây. Phần cuối là sự so sánh các kết quả tính toán của chúng tôi ñược so sánh với các kết quả ñược tính bằng công thức trong tiêu chuẩn IEEE –[1]. 2. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN 2.1. Phương trình truyền nhiệt của ñường dây trên không. Tổng quát, ñể xác ñịnh phương trình truyền nhiệt của ñường dây truyền tải ñiện trên không, chúng ta phải khảo sát nó trong không gian 3D như trên Hình 1 - [10]. SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 17, No.K1- 2014 Trang 18 Hình 1. Khối vi phân trong phân tích truyền nhiệt Trong ñó: • kx (W/oC/m) – ñộ dẫn nhiệt của môi trường theo hướng x. • 1 x xk ρ = (oCm/W) – nhiệt trở suất của môi trường theo hướng x. • dT dx (oC/m) – gradient nhiệt ñộ theo hướng x. • P (W/m3) – nhiệt lượng toả ra trong một ñơn vị thể tích. • x x dTP k dx = − (W/m2)– thông lượng nguồn nhiệt theo hướng x, theo luật Fourier. • pC (J/kg/ oC) – nhiệt dung riêng của vật liệu môi trường. • p k C λ = - ñộ khuếch tán nhiệt của vật liệu. • γ (kg/m3) – mật ñộ khối của vật liệu môi trường. Như ñã trình bày trong phần giới thiệu, trong thực tế, chiều dài của dây dẫn (theo trục z) thường lớn hơn rất nhiều so với ñường kính của nó. Vì vậy, ñể thuận tiện cho việc tính toán nhưng vẫn không ñánh mất tính tổng quát của bài toán, phương trình truyền nhiệt của ñường dây truyền tải ñiện trên không có thể ñược biểu diễn trong 2D như sau 2 2 2 2 1T T Tk P x y tλ ∂ ∂ ∂ + + = ∂ ∂ ∂ (1) Trong trạng thái ổn ñịnh, nghĩa là không có sự biến thiên nhiệt theo thời gian, (1) ñược viết lại như sau 2 2 2 2 2 2 2 20 0 T T T Tk P P x y x y ρ ∂ ∂ ∂ ∂+ + = ⇔ + + = ∂ ∂ ∂ ∂ (2) Như vậy, (2) chính là phương trình mô tả phân bố nhiệt hoặc trường nhiệt của dây dẫn trong trạng thái ổn ñịnh. Ngoài ra, ñể ñơn giản trong vấn ñề tính toán, một số giả thiết sau ñược chấp nhận - ðộ dẫn nhiệt của môi trường không khí là hằng số (môi trường ñồng nhất). - Nguồn nhiệt ñược phân bố ñều trên bề mặt dây dẫn. 2.2. Khả năng mang dòng của ñường dây trên không Khả năng mang dòng của ñường dây trên không là dòng ổn ñịnh cho phép lớn nhất mà ñường dây có thể chịu ñược trong suốt thời gian dài. Nó phụ thuộc vào vật liệu dây dẫn và các yếu tố môi trường như nhiệt ñộ, tốc ñộ gió, hướng gió, nhiệt bức xạnghĩa là nó phụ thuộc vào vật liệu và phân bố trường nhiệt xung quang dây dẫn. Cả hai phương pháp tính ñược trình bày trong IEEE và CIGRE ñều dựa trên cơ sở của nguyên lý cân bằng nhiệt trong trạng thái xác lập, nghĩa là ñộ tăng nhiệt chính bằng tổn thất nhiệt. Theo CIGRE, nguyên lý này ñược trình bày bởi biểu thức sau –[3] j s M i r c WP P P P P P P+ + + = + + (3) Trong ñó, TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 17, SOÁ K1- 2014 Trang 19 • Pj là ñộ tăng nhiệt bởi hiệu ứng Joule, Ps là ñộ tăng nhiệt do bức xạ mặt trời, PM là ñộ tăng nhiệt do cộng hưởng từ, Pi là ñộ tăng nhiệt bởi hiệu ứng vầng quang (ion hoá). • Pr là tổn thất nhiệt do bức xạ, Pc là tổn thất nhiệt do ñối lưu, PW là tổn thất nhiệt do bay hơi. và theo IEEE, (3) ñược viết gọn lại như sau -[1] j s r cP P P P+ = + (4) Như vậy, tiêu chuẩn IEEE bỏ qua ba thành phần ñộ tăng nhiệt do trường từ, ñộ tăng nhiệt bởi hiệu ứng vầng quang và tổn thất nhiệt do bay hơi. 2.2.1. Nhiệt do hiệu ứng Joule Tổng quát, nhiệt ñộ ñường dây Pj phụ thuộc vào ñiện trở và dòng ñiện chạy trong dây dẫn ñược tính toán bởi phương trình sau 2 .j ACP I R= (5) Trong ñó, I là dòng ñiện chạy trong dây dẫn [A], RAC là ñiện trở xoay chiều của dây dẫn tại nhiệt ñộ khảo sát [Ω/m] và ñược tính bởi ( ) 0, 1AC AC T C oR R T Tα= + − (6) RAC,To là ñiện trở AC của dây dẫn ở nhiệt ñộ To [ 20oC; 293oK], Tc là nhiệt ñộ trên bề mặt dây dẫn [oC, K], α là hệ số nhiệt của ñiện trở [K-1] phụ thuộc vào vật liệu dây dẫn, thông thường dây nhôm (Al) hoặc nhôm lõi thép (ACSR) ñược sử dụng ñể làm ñường dây truyền tải ñiện trên không, do ñó có thể xác ñịnh giá trị của α = (0,0036 ÷ 0,00403)K-1. 2.2.2. Nhiệt do bức xạ mặt trời Lượng hấp thụ ánh sáng mặt trời của dây dẫn phụ thuộc vào cường ñộ ánh nắng mặt trời, góc phương vị của mặt trời, vị trí tương ñối giữa mặt trời và dây dẫn, ñường kính dây dẫn, hệ số hấp thụ của bề mặt dây dẫn, chiều cao của dây dẫn so với mực nước biển –[1]. ðộ tăng nhiệt dây dẫn do bức xạ mặt trời ñược xác ñịnh bằng biều thức sau ( )sin 1000 s s s s k Q D P α θ = (7) Trong ñó: ( )1cos cos( ) cos( )c carc H Z Zθ = − αs là hệ số hấp thụ của bề mặt dây dẫn phụ thuộc vào vật liệu và tuổi thọ của dây dẫn, D là ñường kính của dây dẫn [mm], ks là hệ số phụ thuộc vào chiều cao của dây dẫn so với mực nước biển, QS là thông lượng của mặt trời [W/ m2], θ là góc tới hiệu quả của các tia mặt trời [o, rad] Hc là góc chiều cao mặt trời [ o], Zc là góc phương vị của mặt trời [ o], Z1 là góc phương vị của trục ñường dây [ o]. Nhiệt từ ánh nắng mặt trời thay ñổi theo các ñiều kiện thời tiết, ñộ sạch và ẩm của không khí, vĩ ñộ ñịa lý và theo mùa. Về mặt ñịa lý, nhiệt do mặt trời chiếu lên dây dẫn phụ thuộc chủ yếu vào ñộ cao và góc phương vị của mặt trời với góc phương vị của dây dẫn. Trong bài báo này, chúng tôi sẽ sử dụng các số liệu tính toán theo tiêu chuẩn IEEE -[1] ñể xác ñịnh tổng thông lượng nhiệt của mặt trời tác dụng lên bề mặt dây dẫn. 2.2.3. Tổn thất nhiệt bức xạ Tổn thất nhiệt do bức xạ Pr là một phần trong tổn thất nhiệt tổng của dây dẫn, nó phụ thuộc vào nhiệt ñộ trên bề mặt dây dẫn, nhiệt ñộ môi trường xung quanh dây dẫn, ñường kính SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 17, No.K1- 2014 Trang 20 dây dẫn và hệ số phát xạ của bề mặt dây dẫn theo biểu thức sau ( ) ( )4 4273 273r B C aP D T Tpi εδ = + − + (8) Trong ñó Pr là tổn thất nhiệt do bức xạ [W/m], ε là hệ số phát xạ thay ñổi trong phạm vi từ 0.27 ñến 0.95, δB là hằng số Stefan – Boltzmann (5,67x10-8 W.m2.K4 - [12]), Ta là nhiệt ñộ của môi trường xung quanh dây dẫn. 2.2.4. Tổn thất nhiệt ñối lưu Tổn thất nhiệt ñối lưu ñược xác ñịnh như sau ( ) ( )c c C a f C aP Dh T T T T Nupi piλ= − = − (9) Trong ñó Pc là tổn thất nhiệt do ñối lưu [W/m], D là ñường kính dây dẫn, λf là nhiệt dẫn suất của không khí [W.m-1.K-1], hc là hệ số truyền nhiệt ñối lưu [W/m2.K] và thường ñược tính theo công thức thực nghiệm. Số Nusselt có dạng như sau –[11] ( ), ,eNu f R Gr Pr= (10) Trong ñó: c f h DNu λ= Bên cạnh số Nu ñược tính bởi (10), một vài hệ số cũng ñược sử dụng ñể tính toán tổn thất nhiệt ñối lưu ñược trình bày trong [1], [3] như sau r wV DRe ρ ν = - số Reynolds. Ở ñây Vw là tốc ñộ gió [m/s], ν là ñộ nhớt ñộng học [m/s2], ρr là mật ñộ không khí tương ñối (ρr= ρ/ ρo, ở ñây ρ là mật ñộ không khí tại ñộ cao khảo sát, ρo là mật ñộ không khí tại mặt biển). f cP r µλ= - số Prandtl Với c là nhiệt riêng của không khí [J/kgK], µ là ñộ nhớt ñộng học của không khí [kg/ms]. ( ) ( ) 3 22 7 3 C a f g D T T G r T ν − = + - số Grashof Ở ñây, nhiệt ñộ trung bình của dây dẫn là ( )0.5f C aT T T= + 2.2.4.1. Làm mát do ñối lưu tự nhiên Quá trình làm mát do ñối lưu tự nhiên xảy ra khi tốc ñộ gió ñược xem như bằng không và như thế nó ñược xác ñịnh bởi biểu thức sau ( )n nf f fNu C GrPr CRa= = (11) Trong ñó: Raf = (Gr.Pr)f là số Rayleigh. Các thông số trong (11) ñược chọn theo nhiệt ñộ Tf . Nhiệt ñộ thông thường của các dây dẫn trên không là nằm trong khoảng từ 0oC ñến 120oC . Theo lý thuyết truyền nhiệt chúng ta có 102 ≤ (Gr.Pr)f ≤ 3x105 và trong phạm vi này (Gr.Pr)f của số Nusselt cho ñối lưu tự nhiên cho bởi biểu thức 1/ 40,54( ) fNu GrPr= (12) Ngoài ra, quá trình làm mát do ñối lưu tự nhiên còn ñược xác ñịnh theo biểu thức sau– [1] 0,5 0,75 1,250, 0205 ( )cn f C aP D T Tρ= − (13) Với ρf: là mật ñộ của không khí ở nhiệt ñộ Tf. 2.2.4.2. Làm mát do ñối lưu cưỡng bức ðối với trường hợp gió tác ñộng theo phương ngang với trục dây dẫn, nghĩa là theo một hướng bất kỳ từ 0 ñến 90o, chúng ta có biểu thức sau ( ) 0,52 1 1,01 0,0372 f w c f a C a f D V P k k T T ρ µ = + − (14) TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 17, SOÁ K1- 2014 Trang 21 ( ) 0,6 2 0, 0119 f w c f a C a f D V P k k T T ρ µ = − (15) Ở ñây ka là hệ số hướng gió và ñược xác ñịnh theo biểu thức sau 1,194 cos( ) 0,194 cos(2 ) 0,368sin(2 )ak θ θ θ − + = + (16) Với θ là góc của hướng gió so vơi trục dây dẫn [o , rad]. Trong trường hợp khi hướng gió là song song với trục dây dẫn thì số Nusselt Nu có thể ñược xác ñịnh theo công thức sau - [3] 0,30381,5035 ReNu = × (17) Tóm lại, trong trường hợp tổng quát hệ số ñối lưu ñược tính theo biểu thức (10). Trong tính toán thực tế, tùy vào từng trường hợp cụ thể mà chúng ta sẽ sử dụng công thức tính tổn thất nhiệt ñối lưu một cách thích hợp. Ví dụ như trong trường hợp tốc ñộ gió bằng không thì tổn thất nhiệt ñối lưu là tự nhiên; trường hợp tốc ñộ gió khác không, nếu gió theo phương ngang với dây dẫn thì tổn thất nhiệt ñối lưu ñược chọn là giá trị lớn nhất của (14) và (15), nếu gió có hướng song song với trục dây dẫn thì tổn thất nhiệt ñối lưu ñược tính theo biểu thức (17). Từ phương trình (4) chúng ta xác ñịnh khả năng mang dòng của dây d ... ngang (trục x), và nó cũng cho thấy rằng ở vị trí càng gần dây dẫn thì nhiệt ñộ càng cao. Ngoài ra, do gió thổi ngang trục dây dẫn nên nhiệt ñộ phía bên trái dây dẫn sẽ cao hơn phía bên tay phải. Sự khác biệt nhiệt ñộ này thể hiện rõ rệt tại các ñiểm ở xa dây dẫn, và nó sẽ giảm dần khi tiến tới gần bề mặt dây TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 17, SOÁ K1- 2014 Trang 23 dẫn, tại ñó nhiệt ñộ sẽ là lớn nhất trong miền tính toán, tương ứng với Hình 3. 3.2. Khả năng mang dòng của dây dẫn trên không có xét tác ñộng của ñiều kiện môi trường Ở phần trên, chúng ta ñã tính toán nhiệt ñộ của dây dẫn bằng phương pháp phần tử hữu hạn với các ñiều kiện giả ñịnh theo IEEE – 738 - [1]. Kết ñạt ñược cho thấy ñộ tin cậy cao khi sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn. ðể tiếp tục chứng minh khả năng áp dụng và tính hiệu quả của phương pháp phần tử hữu hạn, trong mục này, chúng tôi sẽ tính toán ampacity của ñường dây trên không dưới ảnh hưởng của các ñiều kiện môi trường như là sự thay ñổi của tốc ñộ gió, hướng gió so với trục dây dẫn, nhiệt ñộ môi trường xung quanh dây dẫn, hệ số bức xạðiều kiện thời tiết, nhiệt ñộ môi trường và thông số dây dẫn ñược lựa chọn cho tính toán trong trường hợp này là dây A3 – 400 – [2], tất cả ñược trình bày trong Bảng 1. Các thông số về môi trường ñược chọn như sau: hệ số dẫn nhiệt của không khí k = 0,0283 W/(K.m); mật ñộ không khí ρ = 1,076kg/m3; công suất tỏa nhiệt của không khí Cρ = 1,005 kJ/(kg.k); hệ số ñối lưu h = 14 (W/m2.K); ñộ tăng nhiệt ñộ bởi Joule Pj =49 W/m; ñộ tăng nhiệt do bức xạ mặt trời Ps =15,12 W/m. Bảng 1. Số liệu về ñiều kiện thời tiết, nhiệt ñộ môi trường và thông số dây dẫn. Ở ñây, nhiệt ñộ cho phép tối ña trên bề mặt dây dẫn ñược cho là TCpmax = 80oC. Tổng quát, sau khi tính toán ñược trường nhiệt xung quanh dây dẫn, chúng ta sẽ tính ñược ampacity của ñường dây trên không bằng việc sử dụng (18). Trong mục này, chúng tôi sẽ sử dụng FEM tính trường nhiệt và ampacity của ñường dây trên không. Kết quả số của chúng tôi sẽ ñược so sánh với kết quả ñược tính theo phương pháp giải tích như trong tiêu chuẩn IEEE –[1]. 3.2.1. Ảnh hưởng của tốc ñộ gió Trong mục này, chúng tôi nghiên cứu ảnh hưởng của tốc ñộ gió ñến khả năng mang dòng của ñường dây trên không. Kết quả tính toán bằng FEM và IEEE ñược trình bày như trên Hình 5. Về mặt lý thuyết, chúng ta biết rằng khi tốc ñộ gió thay ñổi nó sẽ ảnh hưởng trực tiếp ñến hệ số ñối lưu của không khí, như thế nó sẽ dẫn ñến tổn thất nhiệt ñối lưu thay ñổi và là nguyên nhân làm cho ampacity của dây dẫn cũng thay ñổi theo. Kết quả trình bày trên Hình 5. cho thấy sự thay ñổi ampacity của dây dẫn theo tốc ñộ gió, nó ñược thổi theo phương ngang, hướng 90o, so với trục dây dẫn. Kết quả tính toán này cho thấy khi tốc ñộ gió càng lớn thì khả năng mang dòng của dây dẫn càng cao, xem trong Bảng 2 vả 3. Hình 5. Khả năng mang dòng của dây dẫn trên không thay ñổi theo tốc ñộ gió ñược tính bởi FEM và IEEE. SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 17, No.K1- 2014 Trang 24 3.2.2. Ảnh hưởng của hướng gió Như kết quả trình bày trong Mục 3.1., hướng gió sẽ làm méo dạng phân bố trường nhiệt của dây dẫn, và là nguyên nhân làm thay ñổi khả năng mang dòng của dây dẫn. ðể khảo sát chi tiết hơn mức ñộ tác ñộng của hướng gió ñến khả năng mang dòng của dây dẫn, trong phần này, chúng tôi sẽ khảo sát hướng gió thay ñổi trong khoảng 40o ñến 90o so với trục dây dẫn. Kết quả tính toán bằng FEM và IEEE ñược trình bày như trên Hình 6, và trong các Bảng 4.-5. Bảng 2. Hệ số ñối lưu và nguồn nhiệt tối ña của dây dẫn khi tốc ñộ gió thay ñổi Tốc ñộ gió (m/s) 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Hệ số ñối lưu (W/m2.K) 14 19,95 28,47 35 40,7 45,6 50,15 54,31 58,19 61,85 65,31 Nguồn nhiệt Pj (W/m) 49 69,85 99,82 123 142,8 160,3 176 190,7 204,4 217,3 229,5 Bảng 3. Kết quả ñược tính nhiệt ñộ và Ampacity bằng FEM khi tốc ñộ gió thay ñổi Tốc ñộ gió (m/s) 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Nhiệt ñộ dây dẫn (oC) 78,95 79,18 79,4 79,5 79,5 79,6 79,6 79,67 79,69 79,7 79,73 Dòng tải cực ñại (A) - FEM 751 897 1071 1189 1281 1357 1423 1480 1533 1580 1624 Bảng 4. Hệ số ñối lưu và nguồn nhiệt cực ñại của dây dẫn khi hướng gió thay ñổi Hướng gió (ñộ) 40 50 60 70 80 90 Hệ số ñối lưu (W/m2.K) 16,4 17,5 18,2 18,75 19,23 19,95 Nguồn nhiệt Pj (W/m) 58 61,94 64,45 66,15 67,83 70,37 Bảng 5. Khả năng mang dòng của dây dẫn trên không thay ñổi theo hướng gió ñược tính bằng FEM và IEEE Hướng gió (o) 40 50 60 70 80 90 Nhiệt ñộ dây dẫn (oC) - FEM 79,1 79,2 79,24 79,14 79,16 79,18 Dòng tải cực ñại - FEM (A) 817 844 861 873 884 990 Dòng tải cực ñại - IEEE (A) 816 843 860 871 882 899 Bảng 6. Hệ số ñối lưu và nguồn nhiệt Pj khi thay ñổi nhiệt ñộ môi trường TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 17, SOÁ K1- 2014 Trang 25 Tốc ñộ gió (m/s) 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Hệ số ñối lưu (W/m2.K) 14 19,95 28,47 35 40,7 45,6 50,15 54,31 58,19 61,85 65,31 Pj1 80 111 156,6 192 221 247 271 293 314 333 352 Pj2 65 91,28 128,9 158 183 205 225 243 260 277 292 Pj3 49 69,85 99,82 123 142,8 160,3 176 190,7 204,4 217,3 229,5 Bảng 7. Kết quả của nhiệt ñộ dây dẫn và dòng tải tính toán bằng FEM và IEEE Tốc ñộ gió (m/s) 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tdd1 (oC) và I1 (A) tính bằng FEM 78,6 78,77 79,3 79,7 79,45 79,54 79,6 79,6 79,7 79,7 79,8 959 1132 1342 1484 1595 1688 1767 1837 1900 1958 2011 TC1 (oC) và I1(A) tính theo IEEE 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 958 1131 1340 1483 1594 1686 1765 1835 1899 1957 2010 Tdd2 (oC) và I2 (A) tính bằng FEM 78,8 79,18 79,44 79,6 79,67 79,8 79,8 79,78 79,78 79,95 79,92 865 1024 1217 1348 1450 1535 1608 1672 1730 1783 1832 TC2 (oC) và I2(A) tính theo IEEE 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 864 1023 1216 1347 1449 1533 1606 1671 1728 1781 1830 Tdd3 (oC) và I3 (A) tính bằng FEM 78,9 79,18 79,4 79,5 79,5 79,6 79,6 79,67 79,69 79,7 79,73 754 900 1074 1192 1283 1359 1425 1483 1535 1582 1623 TC3 (oC) và I3(A) tính theo IEEE 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 753 898 1073 1191 1282 1358 1424 1481 1533 1581 1624 Ghi chú: Pj1, Pj2 , và Pj3 là các nguồn nhiệt tương ứng với nhiệt ñộ môi trường là 20oC, 30oC, 40oC. Tdd1, Tdd2, vàTdd3 là nhiệt ñộ của dây dẫn tính bằng FEM với nhiệt ñộ môi trường là 20oC, 30oC, 40oC. SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 17, No.K1- 2014 Trang 26 Hình 6. Khả năng mang dòng của dây dẫn trên không thay ñổi theo hướng gió ñược tính bởi FEM và IEEE. Tương tự như trong Mục 3.2.1., ở ñây khả năng mang dòng của dây dẫn cũng tăng theo hướng gió, ñặc biệt với trường hợp hướng gió vuông góc với trục dây dẫn thì khả năng mang dòng sẽ ñạt giá trị lớn nhất. ðiều này cũng có thể ñược giải thích như sau: khi hướng gió xiên theo trục dây dẫn thì dòng nhiệt toả ra trên các ñoạn của dây dẫn (theo mô hình 3D) theo hướng gió sẽ chồng lấn lên nhau, nó là nguyên nhân làm giảm khả năng tản nhiệt của dây dẫn, khi hướng gió vuông góc với trục dây dẫn thì dòng nhiệt sẽ toả ra trực tiếp từ các ñoạn dây dẫn ra miền không khí phía sau nó và không có sự ảnh hưởng nhiệt giữa các ñoạn dây này. Vì thế khả năng mang dòng trong trường hợp này là lớn nhất. 3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt ñộ môi trường Trong Mục này, chúng tôi sẽ nghiên cứu sự thay ñổi của khả năng mang dòng của dây dẫn trên không trong ba trường hợp nhiệt ñộ môi trường là 20oC, 40oC, và 60oC với tốc ñộ gió thay ñổi từ 0,5 ñến 10 m/s. Kết quả tính toán bằng FEM và IEEE ñược trình bày trên Hình 7. và các Bảng 6.-7. Kết quả tính toán như trên Hình 7. cho thấy khi nhiệt ñộ môi trường tăng thì khả năng mang dòng của dây dẫn sẽ giảm. ðiều này có thể hiểu rằng nhiệt ñộ môi trường tăng sẽ làm giảm khả năng truyền nhiệt từ trong dây dẫn ra môi trường xuang quanh, nghĩa là khả năng làm mát dây dẫn giảm. Như vậy nó sẽ làm giảm giá trị dòng ñiện I ñược tính theo(18). Hình 7. Khả năng mang dòng của dây dẫn trên không thay ñổi theo nhiệt ñộ môi trường và tốc ñộ gió ñược tính bởi FEM và IEEE. 3.2.4. Ảnh hưởng của hệ số bức xạ Ngoài các yếu tố môi trường ảnh hưởng ñến khả năng mang dòng của dây dẫn trên không ñã ñược khảo sát trong các Mục trên. Trong phần này, chúng tôi sẽ khảo sát ảnh hưởng của hệ số bực xạ ñến khả năng mang dòng của dây dẫn trên không. Kết quả tính toán bằng FEM ñược trình bày trong Hình 8. Hình 8. ðồ thị dòng tải khi hệ số bức xạ thay ñổi Bảng 8. Hệ số ñối lưu hc, nguồn nhiệt Pj và nguồn nhiệt Ps khi thay ñổi hệ số bức xạ TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 17, SOÁ K1- 2014 Trang 27 Hệ số bức xạ ε 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Hệ số ñối lưu (W/m2.K) 14 14 14 14 14 14 Nguồn nhiệt Pj (W/m) 45,5 46 46,5 47 47,5 48 Nguồn nhiệt Ps (W/m) 9,7 12,1 14,6 17 19,4 21,9 Bảng 9. Nhiệt ñộ dây dẫn và dòng ñiện cực ñại ñược tính bằng FEM khi thay ñổi hệ số bức xạ Hệ số bức xạ ε 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Nhiệt ñộ dây dẫn - FEM (oC) 78,765 78,797 78,886 78,9 78,93 79 Dòng tải cho phép - FEM (A) 724 728 732 736 740 744 Theo [1] thì ε và αs có giá trị từ khoảng 0,2 ñến 0,9. Giá trị này thay ñổi theo bề mặt nhẵn của dây. Nguyên nhân của sự gia tăng này là do mức ñộ ô nhiểm của không khí và ñiện áp vận hành ñặt lên dây dẫn. Cũng theo [12], ε thường nhỏ hơn hệ số hấp thụ αs. Ở ñây, chúng tôi chọn αs = ε + 0,2 theo [13], số liệu tính toán ñược cho như trong Bảng 8 tương ứng với tốc ñộ gió là 0,5 m/s, nhiệt ñộ môi trường là 40oC. Kết quả tính toán nhiệt và dòng cho phép của dây dẫn bởi FEM ñược trình bày trong Bảng 9. Ngoài ra, với các số liệu cho trước như trong Bảng 8, kết quả tính toán dòng ñiện cực ñại theo IEEE Stñ. 738- [1] là Icpmax = 750A. 4. KẾT LUẬN Bài báo trình bày khả năng ứng dụng của phương pháp phần tử hữu hạn trong việc mô phỏng trường nhiệt và tính toán khả năng mang dòng của ñường dây truyền tải trên không. Ưu ñiểm của việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn là nó cho phép chúng ta quan sát và giám sát trực quan ñược phân bố trường nhiệt xung quanh dây dẫn, và nó cũng cho kết quả tính toán chính xác của khả năng mang dòng của ñường dây. Bài báo cũng trình bày ñược các kết quả nghiên cứu của ảnh hưởng ñiều kiện môi trường ñến trường nhiệt và khả năng mang dòng của ñường dây truyền tải trên không. ðây là vấn ñề mà ngành ñiện hết sức quan tâm trong vận hành mạng truyền tải và phân phối ñiện. GHI NHẬN: Nghiên cứu này ñược tài trợ bởi trường ðại học Bách khoa Tp.HCM trong khuôn khổ ðề tài mã số T-Tðð-2014-15. SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 17, No.K1- 2014 Trang 28 Calculation of thermal field and ampacity of overhead power transmission lines using finite element method • Vo Van Hoang Long Lilama 2 College, DongNai • Vu Phan Tu VNU-HCM ABSTRACT: The population explosion and development of the national economy are two main causes of increasing the power demand. Besides, the Distributed Generations (DG) connected with the power transmission and distribution networks increase the transmission power on the existing lines as well. In general, for solving this problem, power utilities have to install some new power transmission and distribution lines. However, in some cases, the install of new power lines can strongly effect to the environment and even the economic efficiency is low. Nowadays, the problem considered by scientists, researchers and engineers is how to use efficiently the existing power transmission and distribution lines through calculating and monitoring their current carrying capacity at higher operation temperature, and thus the optimal use of these existing lines will bring higher efficiency to power companies. Generally, the current carrying capacity of power lines is computed based on the calculation of their thermal fields illustrated in IEEE [1], IEC [2] and CIGRE [3]. In this paper, we present the new approach that is the application of the finite element method based on Comsol Multiphysics software for modeling thermal fields of overhead power transmission lines. In particular, we investigate the influence of environmental conditions, such as wind velocity, wind direction, temperature and radiation coefficient on the typical line of ACSR. The comparisons between our numerical solutions and those obtained from IEEE have been shown the high accuracy and applicability of finite element method to compute thermal fields of overhead power transmission lines. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. IEEE Standard for Calculating the Current-Temperature Relationship of Bare Overhead Conductors, IEEE Std. 738 – 2006. [2]. Overhead electrical conductors - Calcualtion methods for stranded bare conductors”, IEC TR 61597 – 1995. TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 17, SOÁ K1- 2014 Trang 29 [3]. Thermal Behaviour of Overhead Conductors, CIGRE Working Group 22.12, Aug. 2002. [4]. Strbac, G. 2007. “Electric Power Syst ems Research on Dispersed Generation”, Electric Power Systems Research, 77:1143-1147. [5]. G. Gela, J. J. Dai, “Calculation of Thermal Fields of Underground Cables Using the Boundary Element Method,” IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 3, No. 4, pp. 1341-1347, October 1988. [6]. M. A. Hanna, M. M. A. Salama, “Thermal Analysis of Power Cables in Multi-layered Soil,” IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 8, No. 3, pp. 761-771, July 1993. [7]. Vũ Phan Tú, Nguyễn Ngọc Khoa, Nguyễn Nhật Nam, “Calculation of Temperature and Ampacity of Underground Cables Using the Adaptive Finite Element Methods”, Tạp chí khoa học công nghệ các trường ñại học kỹ thuật, ISSN 0868 - 3980, Vol. 19, No.73B, pp. 39-45, 2009. [8]. Vũ Phan Tú, Võ Văn Hoàng Long, “Application of the hp-finite element method to modeling thermal fields of high voltage underground cables in multi-layer soil”, Tạp chí phát triển KH&CN, ðHQG- HCM, Vol. 16, No. K3, pp. 72-83, 2013. [9]. Makhkamova, Irina, “Numerical Investigations of the Thermal State of Overhead Lines and Underground Cables in Distribution Networks”, Doctoral thesis, Durham University, UK, 2011. ( ) [10]. Wei Xiong “Applications of Comsol Multiphysics Software to Heat Transfer Processes” Arcada University of Applied Sciences, Department of Industrial Management, May, 2010. [11]. L. Staszewski, W. Rebizant, “The Differences between IEEE and CIGRE Heat Balance Concepts for Line Ampacity Considerations,” Modern Electric Power Systems 2010, MEPS'10, P26, Wroclaw, Poland. [12]. Anjan K. Deb, Power Line Ampacity System, Theory, Modeling, and Applications, CRC Press, 2000. [13]. W.Z.Black and R.L.Rehberg. “Simplified Model For Steady Stateand Real-Time Ampacity Of Overhead Conductors”. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-104,No. 10, October 1985. [14]. Trần Thiện Tường, Tính toán khả năng mang dòng của ñường dây trên không bằng phương pháp phần tử hữu hạn, LVThS, ðại học SPKT Tp.HCM, GVHD: TS. Vũ Phan Tú, 2013. [15]. Vũ Phan Tú, Phương Pháp Số Trong Trường ðiện Từ, NXB ðại học Quốc gia TPHCM, 2013.
File đính kèm:
tinh_toan_truong_nhiet_va_ampacity_cua_duong_day_truyen_tai.pdf